APLIKASI THERMOPILE DALAM AKUISISI SUHU PADA
TERAPI HIPERTERMIA
Wisnu Adi Prasetyanto1 1 Program Studi Teknik Elektro Universitas Dian Nuswantoro Semarang
Jl. Nakula I No 5-11 Semarang Email : [email protected]
Abstract
Therapy by using heat (Hyperthermia) have old draw attention and have been done in so many form. The controlling of Hyperthermia temperature determines the therapy efficiency with the thermal effect. This matter is needed so that the obtained result of optimal therapy without generating loss destruction of healthy cells.
Hipertermia temperature adjustment can’t be stand alone and need data acquisition process from non contact infrared temperature sensor thermopile. From this data acquisition we can get regression coefficient for temperature calibration parameter.
The aim of this research is proving that building a non contact thermometer device based on infrared Thermopile can give an accurate measurement and give a solution for cancer therapy temperature adjustment at 430 C for 45 minutes.
Keywords : temperature, hyperthermia, USB
1. PENDAHULUAN
Kemajuan teknologi saat ini merangsang pertumbuhan penemuan baru dalam berbagai bidang, tidak terkecuali penemuan baru di bidang medis. Kemajuan di bidang ini terbukti dengan ditemukannya alat untuk terapi hipertermia. Hipertermia berarti penaikan suhu beberapa derajat Celcius di atas suhu fisiologi normal. Untuk manusia hal ini berarti suhu dari 400C sampai 450C. tujuan terapi dengan hipertermia adalah untuk membangkitkan panas yang cukup untuk membunuh sel-sel tumor tanpa merusak sel-sel sehat. Hipertermia dapat digunakan secara tersendiri atau dikombinasikan dengan khemoterapi atau radioterapi.
Dalam proses penaikan suhu tersebut tentu saja diperlukan suatu mekanisme atau peralatan untuk mengukur sehingga dicapai suatu variasi suhu yang aman bagi manusia. Peralatan yang biasa digunakan untuk mengukur suhu adalah termometer. Metode pengukuran suhu dibagi menjadi dua jenis : kontak dan non-kontak. Metode pengukuran suhu kontak yang konvensional meliputi termokopel, resistance temperature detectors (RTDs), dan thermistor. Termometer air raksa juga termasuk dalam katagori ini. Termometer Inframerah adalah suatu metode pengukuran suhu non-kontak, disebut demikian karena alat ukurnya tidak menyentuh obyek yang akan diukur suhunya.
Pada pengukuran suhu kontak, sensor suhu kontak harus mengimbangi kalibrasinya dengan suhu pada obyek yang diukur. Sebagai contoh, air raksa di dalam termometer mengambil suhu di udara kemudian meluas ke seluruh permukaan air raksa sehingga air raksa mengembang. Ketika sensor kontak diarahkan ke suhu yang berbeda, termometer tersebut membutuhkan waktu untuk mengimbangi perubahan suhu tadi. Peristiwa ini dikenal sebagai waktu tanggapan terhadap sensor (response time).
Dalam beberapa aplikasi, pengukuran suhu dengan metode kontak tidaklah praktis atau tidak memungkinkan untuk menggunakan termometer dengan sensor kontak. Oleh karena itu digunakanlah sensor inframerah yang dapat mengukur suhu pada jarak tertentu dengan waktu tanggapan yang sangat kecil. Sensor non-kontak inframerah sangat cocok digunakan dalam kasus-kasus :
1. Obyek-obyek bergerak ( contoh : mesin-mesin bergerak atau rollers ). 2. Suatu kondisi yang beresiko tinggi atau berbahaya terhadap kontaminasi
( contoh : resiko tegsngsn tinggi dan bahaya radiasi dari bahan radioaktif ). 3. Ketika jarak terlalu jauh untuk dijangkau manusia dalam pengukuran secara
kontak. ( contoh : pengukuran suhu yang dilakukan di luar angkasa ). 4. Suhu terlalu tinggi untuk menggunakan termokopel atau RTDs
( contoh : pengukuran suhu pada industri peleburan baja ).
Dari pernyataan-pernyataan tersebut di atas, maka timbul sebuah ide mengenai mekanisme pengukuran suhu dengan metode non kontak dengan menggunakan sensor suhu
thermopile untuk memonitor, mengolah, bahkan mengendalikan data suhu pada proses
hipertermia di bidang medis, agar tercapai kondisi suhu yang konstan dan akurat.
2. TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Sensor Inframerah Thermopile
Thermopile adalah sejumlah termokopel yang kecil, terhubung secara seri, dan dibentuk dengan cara mengikuti sambungan panasnya untuk diiluminasi oleh radiasi yang terjadi. Suhu dari sambungan panas meingkat sampai tingkat energi yang terjadi diimbangi oleh kerugian konduksi, konveksi dan radiasi pada lingkungan itu. Keseimbangan suhu dan keluaran termoelektrik dari thermopile akan berhubungan dengan daya yang timbul dan suhu dari target.
Sebagian dari thermometr radiasi yang paling awal dibuat dengan cara menggunakan termokopel kawat yang baik, pada umumnya tembaga-constantan atau perak-bismut. Sambungan panas akan dihubungkan dengan suatu penerima yang terbuat dari timah, menghitamkan lembaran emas. Keluaran termoelektris akan diumpankan dari termometer ke suatu alat ukur yang sesuai. Instrumen dari jenis ini adalah kasar dan sederhana tetapi mempunyai suatu kepekaan yang relatif rendah dan tanggapan yang lambat.
Teknik modern sudah mengijinkan thermopile untuk disimpan seperti sebuah film tipis di atas substrat, dengan demikian mengijinkan konstruksinya dengan banyak massa yang lebih rendah dibanding versi kawat. Dengan cara ini kecepatan dan sensitivitas tanggapan dapat ditingkatkan. Peningkatan lebih lanjut dalam hal sensitivitas dapat dicapai dengan membungkus thermopile dalam suatu lampiran berisi gas dengan daya konduksi rendah seperti gas xenon.
Sensor yang digunakan dalam penelitian ini adalah thermopile dengan tipe TPS333 dari Perkin Elmer. Sensor ini terdiri atas sederetan elemen termik yang membentuk daerah sensitif yang dilapis dengan bahan penyerap inframerah. Jendela thermopile TPS333 ini dilengkapi dengan filter infra merah. Sinyal keluaran thermopile sebagian besar berbanding langsung dengan daya radiasi yang datang dan hampir tidak bergantung dengan panjang gelombang. Perilaku frekuensi sesuai dengan sifat low pass filter. Thermopile ini juga dilengkapi dengan sensor referensi temperatur berupa thermistor sehingga dapat digunakan untuk kompensasi hanyutan suhu (drift temperature) pada thermopile.
2.2. Akuisisi Data Suhu
Akuisisi adalah suatu kegiatan untuk memperoleh, mengumpulkan, menganalisis sekaligus menyimpan suatu informasi atau data.
Akuisisi yang dimaksud di sini adalah suatu proses mendapatkan informasi atau data suhu dari obyek yang dipanaskan sehingga data tersebut dapat dimonitor, diolah, bahkan dikendalikan oleh operator melalui komputer.
Cara mendapatkan data suhu tersebut adalah dengan menggunakan sensor suhu non-kontak yang disebut thermopile yang terangkai dalam rangkaian termometer inframerah, yang dihubungkan dengan modul USB sebagai interface dan port I/O. Kinerja rangkaian ini dimulai dari proses masukan analog dari termometer inframerah yang diubah menjadi data-data digital dalam USB yang selanjutnya dapat diolah dan dikendalikan sesuai dengan keinginan.
2.3. Hipertermia
Hipertemia adalah suatu proses penaikan temperatur beberapa derajat celcius diatas temperatur fisiologi normal. Untuk manusia hal ini berarti temperatur dari 41 0C sampai 440C. Tujuan terapi dengan hipertermia adalah membangkitkan panas yang cukup untuk membunuh
sel tumor tanpa merusak sel sehat. Hipertermia dapat digunakan secara tersendiri atau bergabung dengan terapi kimia atau terapi radio.
3. METODE PENELITIAN
Bahan penelitian utama adalah data suhu yang dihasilkan oleh sensor thermopile yang dihubungkan dengan USB 1208LS yang akan membaca kode 12 bit dengan bantuan pemograman Delphi. Suhu yang terbaca oleh program akan menjadi acuan pada aturan Fuzzy sehingga suhu pengaturan yang dikendaki akan terjaga pada kisaaran waktu yang telah ditentukan untuk terapi hipertermia.
3.1. Perangkat Keras
a. Perangkat notebook dengan spesifikasi sebagai berikut :
1. Prosessor AMD Turion64-X2 1.8G
2. RAM 2048 MB 3. Hard-disk 80GB b. Antar Muka
1. Modul USB 1208LS 2. USB Konektor c. Modul sensor thermopile.
1. Thermopile TPS 333
2. TL074, OP07, OP77, OP177
d. Modul Magnetron
1. Magnetron : 320V/220V, YJ1530SP, National Elektronics.
2. Solid State Relay: MOC3042, TRIAC 4004LT. 3. IC: TL074
4. IC Daya 30W: LM4701
3.2. Perangkat Lunak
a. Sistem Operasi : Windows Vista Home Premium
b. Driver Modul USB1208LS, meliputi InstaCal dan cwb32.dll c. Bahasa Pemrograman : Delphi6
d. Database Server MySQL : XAMPP
e. Driver konektor MySQL to ODBC Ver. 3.51
3.3. Tahapan Penelitian
Penelitian dilakukan dengan tahapan-tahapan sebagai berikut :
1. Melakukan pengukuran suhu pada permukaan kulit yang dipanasi 30oC sampai dengan 50oC.
2. Melakukan beberapa kali pengukuran
3. Menghitung nilai a0, a1 dan a2 untuk mencari koefisien regresi 4. Menentukan besarnya standar deviasi
4.HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Gambar 1. Diagram Blok Pengujian
Tabel 1. Hasil Pengukuran suhu 30 oC sampai 50 oC
Bit ADC suhu suhu
thermopile thermistor terukur terhitung
(X1) (X2) Y (x1)y (x2)y (x1)(x2) (x1)^2 (x2)^2 y' kwadrat error 2008 2342 30 60240 70260 4702736 4032064 5484964 29,75983284 0,057680264 2052 2340 31 63612 72540 4801680 4210704 5475600 31,18303177 0,033500629 2086 2340 32 66752 74880 4881240 4351396 5475600 32,17188736 0,029545264 2122 2342 33 70026 77286 4969724 4502884 5484964 33,07540746 0,005686285 2158 2340 34 73372 79560 5049720 4656964 5475600 34,26593449 0,070721151 2188 2340 35 76580 81900 5119920 4787344 5475600 35,13845412 0,019169544 2226 2342 36 80136 84312 5213292 4955076 5484964 36,1001422 0,01002846 2262 2342 37 83694 86654 5297604 5116644 5484964 37,14716577 0,021657762 2284 2340 38 86792 88920 5344560 5216656 5475600 37,93051696 0,004827893 2322 2340 39 90558 91260 5433480 5391684 5475600 39,0357085 0,001275097 2356 2342 40 94240 93680 5517752 5550736 5484964 39,88106063 0,014146575 2384 2342 41 97744 96022 5583328 5683456 5484964 40,69541229 0,092773675 2412 2338 42 101304 98196 5639256 5817744 5466244 41,79677087 0,041302078 2442 2338 43 105006 100534 5709396 5963364 5466244 42,66929051 0,109368766 2486 2338 44 109384 102872 5812268 6180196 5466244 43,94898598 0,00260243 2518 2340 45 113310 105300 5892120 6340324 5475600 44,73617013 0,069606202 2558 2342 46 117668 107732 5990836 6543364 5484964 45,75602618 0,059523225 Software Pemanas Baca ADC Baca ADC Kalibrasi Regresi Linear Nilai X1 Nilai X2 Nilai Y Thermopile Thermistor Termometer yang dibuat Termometer kalibrasi Parameter Kalibrasi a0,a1,a2
2602 2340 47 122294 109980 6088680 6770404 5475600 47,17922511 0,03212164
2610 2340 48 125280 112320 6107400 6812100 5475600 47,41189701 0,345865123
2682 2340 49 131418 114660 6275880 7193124 5475600 49,50594414 0,255979474
2720 2340 50 136000 117000 6364800 7398400 5475600 50,61113568 0,373486821
49478 49148 840 2005410 1965868 115795672 117474628 115025080 1,650868359
Untuk menghitung nilai koefisien regresi a0, a1, dan a2 perlu diketahui 3 persamaan dengan 3 anu yang diperoleh dengan metode kuadrat terkecil dari persamaan (1)
Sehingga diperoleh persamaan seperti pada persamaan (2), (3), dan (4) di bawah :
Dari Tabel 1. dimasukkan nilai-nilainya ke dalam persamaan (2), (3), dan (4) di atas sehingga diperoleh
Besarnya nilai deviasi atau error pada tiap-tiap data dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (5)
Gambar 2. Grafik perubahan suhu terhadap bit adc thermopile standar devisasi 0.2803
Gambar 3. Hubungan Linearitas Suhu Terukur dengan Suhu Terhitung pada tabel. 1
5. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan , dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut :
1. Pembuatan perangkat termometer non kontak berbasis thermopile infrared dapat memberikan hasil pengukuran suhu yang akurat dengan berbagai variasi dalam batas toleransi. Ini terbukti dari beberapa pengambilan data suhu errornya semakin kecil.
2. Akuisisi data suhu berbasis USB dengan metode dua kanal untuk menghitung kompensasi suhu dapat memberikan solusi untuk mengatur suhu terapi kanker pada 43oC selama 45 menit.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Budiharto, Widodo,2004, ” Interfacing Komputer dan Mikrokontroller ”,Jakarta: Elex Media Komputindo.
[2] Carter, R. G., 1990, Electromagnetic waves: microwave components and devices, Penerbit: Chapman and Hall, London, UK.
[3] Wijarnarko, Rudi B,1990, ” Pengaturan Suhu Sistem Tersimulasi Hipertermia dalam Fisiolagi
Anti kanker” , Fakultas teknik Jurusan Teknik Elektro UGM, Yogyakarta.
[4] Wildi, T., 2002, Electrical Machines, Drives, and Power System, Penerbit: Prentice Hell, New York.
