PENGEMBANGAN METODE ANALISIS PARAMETER SINYAL
ULTRASONIK UNTUK PREDIKSI OSTEOPOROSIS
LAPORAN TUGAS AKHIR
oleh:
IKA NUGRAHANTI BUDHYSULISTYANI 13202162 / TEKNIK BIOMEDIKA
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
SEKOLAH TEKNIK ELEKTRO DAN INFORMATIKA
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
LEMBAR PENGESAHAN
PENGEMBANGAN METODE ANALISIS PARAMETER SINYAL ULTRASONIK UNTUK PREDIKSI OSTEOPOROSIS
LAPORAN TUGAS AKHIR oleh:
IKA NUGRAHANTI BUDHYSULISTYANI NIM. 13202162
Laporan Tugas Akhir ini telah disetujui dan disahkan sebagai persyaratan memperoleh gelar
SARJANA TEKNIK
pada
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
SEKOLAH TEKNIK ELEKTRO DAN INFORMATIKA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
Bandung, September 2007
Telah diperiksa, disetujui, dan disahkan oleh: Pembimbing I Pembimbing II
Prof. Dr. Ir. Tati Latifah Mengko Andriyan B. Suksmono, Ph. D NIP: 130 675 514 NIP: 132 149 373
ABSTRAK
PENGEMBANGAN METODE ANALISIS PARAMETER SINYAL ULTRASONIK UNTUK PREDIKSI OSTEOPOROSIS
Oleh
Ika Nugrahanti Budhysulistyani 13202162 / Teknik Biomedika
Telah dilakukan penelitian untuk mengembangkan metode analisis parameter sinyal ultrasonik dan menentukan spesifikasi yang dibutuhkan untuk membangun sebuah sistem QUS. Pada penelitian ini digunakan sepasang transduser ultrasonik immersion 1 MHz, generator pulsa 4001 dari Global Specialities Corporation, amplifier ENI Model 2100L,
flaw detector Krautkramer-Branson dan osiloskop digital ETC M621. Analisis data
ultrasonik menggunakan perangkat lunak MATLAB 7.0. Penelitian melibatkan 16 sukarelawan perempuan berusia 20 sampai 27 tahun.
Metode yang dikembangkan memanfaatkan fenomena fastwave dan slowwave yang selalu muncul pada data ultrasonik. Dari data ultrasonik tersebut dihitung dua parameter yaitu kecepatan dan atenuasi. Data yang didapatkan dari sinyal ultrasonik kemudian dibandingkan dengan data acuan yang diukur dengan menggunakan QUS GE Achilles Express.
Korelasi antara hasil perhitungan metode yang dikembangkan dengan data Stiffness Index dari data acuan adalah sebesar -0,3203 untuk SOS, -0,2836 untuk SOS fastwave, -0,3549 untuk SOS slowwave, 0,7214 untuk nBUA sinyal keseluruhan, 0,6678 untuk nBUA
fastwave dan 0,3948 untuk nBUA slowwave. Dari data-data ini terlihat bahwa fast wave
lebih menunjukkan informasi diagnostik dibandingkan dengan slowwave. Namun , tidak lebih baik dibandingkan dengan analisis sinyal keseluruhan.
ABSTRACT
ULTRASOUND SIGNAL PARAMETERS ANALYSIS METHOD IMPROVEMENT FOR OSTEOPOROSIS PREDICTION
By
Ika Nugrahanti Budhysulistyani 13202162
Ultrasound has been proven to predict osteoporosis. Ultrasound relatively saver to applied on human body untill certain intensity because ultrasound doesn’t have ionizing effect and relatively small damage the cells. Therefore, ultrasound method can be alternative method for osteoporosis diagnose. The aims of this project are to improve ultrasound signal parameter analysis method and determine the specification needed to develop a QUS system. Ultrasound through transmission method has been used to acquire ultrasound velocity and attenuation in human calcanea.
This project using a pair immersion ultrasound transducer 1 MHz Krautkramer-Branson Type Z1N, 4001 Pulse Generator from Global Specialities Corporation, ENI Model 2100L RF Amplifier, flaw detector Krautkramer-Branson USIP 12, and digital osciloscope ETC M621. Ultrasound data analyzed using MATLAB 7.0. This project needs 16 young women for being volunteers. Their age is between 20 until 27 years old. The quality of designed method compared with fix assembled QUS GE Achilles Express which has been spreadly used in doctors or hospital.
Correlation between results of improved methods with Stiffness Index from reference data are: -0,3203 for SOS, -0,2836 for fastwave SOS, -0,3549 for slowwave SOS, 0,7214 for complete signal nBUA, 0,6678 for fastwave nBUA, and 0,3948 for slowwave nBUA. From previous data, fastwave show more diagnostic information than slowwave. But, not better than complete signal.
UCAPAN TERIMA KASIH
Alhamdulillahirabbil’alamiin. Segala puji bagi Allah, Rabb semesta alam karena atas izin
dan pertolongan-Nya lah penulis dapat menyelesaikan penelitian Tugas Akhir ini. Penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dan mendorong penyelesaian Tugas Akhir ini, terutama penulis ucapkan kepada:
1. Ibu Prof. Dr. Ir. Tati Latifah Mengko dan Bapak Andriyan B. Suksmono, Ph.D selaku dosen pembimbing atas perhatian dan kesabarannya dalam memberikan bimbingan kepada penulis selama penelitian Tugas Akhir ini.
2. Papa Ir. Herry Budhyardjo dan Mama Retno Sulistianingrum, BSc tercinta yang telah memberikan kasih sayang, doa, perhatian, dan kesabaran dalam mendidik penulis sedari kecil hingga hari ini.
3. Bapak Dr. Ir. Amoranto Trisnobudi selaku Kepala Laboratorium Fisika Bangunan dan Akustik, yang telah memberikan izin untuk melakukan penelitian dan atas bantuan informasi yang penulis butuhkan.
4. Pak Iyan dan Mas Iqbal di Laboratorium Fisika Bangunan dan Akustik atas segenap bantuannya selama melakukan penelitian di sana.
5. Keluarga besar I2PRG: Mas Donny, Mbak Astri, Mas Agung, Pak Tjandra, Pak Toni, Pak Koes, Detri, Qonita, Dody, Nia, Adrian, Aryo, Marshall, Jeffry, Mas Nano, Tantri, Pak Toto, dan Pak Wahyu yang telah memberikan dukungan dan bantuan selama penulis menyelesaikan penelitian ini.
6. Pak Makrus dan Pak Yadi dari PT. Aventis Pharma yang telah memberikan pinjaman alat kepada penulis sebagai penunjang penelitian ini.
7. Kepala UPT Bahasa ITB yang telah mengizinkan penulis menggunakan ruangan untuk melakukan pengambilan data.
8. Keluarga besar “Shohwah” dan ibunda tercinta yang telah memberikan dukungan, semangat, dan doa hingga penulis mampu menyelesaikan penelitian ini. Jazakumullah
9. Teman-teman sukarelawan: Lesly Septikasari, Riafeni Karlina, Dwi Puji Astuti, Irma S, Nongki Sakinah, Fitriyani, Dini Annisa, Qonita Rohmawaty, Anita Fauziah, Silvia Dewi, Tri Yunia, Nila Tanyela, Annisa Karima, Fatimah, Astri Maria, Siti Halida, Dewi Pramudi, Riska Nurmindha, Megawaty, Krisna Ardiarini, Ratna Lestari, dan Syifa Latifah yang telah meluangkan waktunya untuk membantu penulis mendapatkan data-data yang dibutuhkan.
Penulis menyadari bahwa penelitian Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, kritik dan saran sangat diharapkan sebagai ahan perbaikan di waktu mendatang.
Bandung, September 2007 Penulis
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN... i
ABSTRAK...ii
ABSTRACT...iii
UCAPAN TERIMA KASIH...iv
DAFTAR ISI...vi DAFTAR GAMBAR...viii DAFTAR TABEL...ix BAB I PENDAHULUAN... 13 1.1. Latar Belakang... 13 1.2. Rumusan Masalah... 16 1.3. Tujuan Penelitian ... 16
1.4. Ruang Lingkup Pembahasan ... 17
1.5. Metodologi Penelitian... 18
1.6. Sistematika Penulisan Laporan... 18
BAB II KEROPOS TULANG (OSTEOPOROSIS)... 20
2.1. Definisi Keropos Tulang... 20
2.2. Fungsi Tulang ... 21
2.3. Struktur Tulang... 21
2.4. Metabolisme dan Pertumbuhan Tulang ... 22
2.5. Klasifikasi Keropos Tulang ... 25
2.6. Hubungan Massa Tulang dan Kekuatan Tulang... 26
2.7. Diagnosis Keropos Tulang ... 28
BAB III DASAR TEORI... 31
3.1. Teori Gelombang ... 31
3.1.1. Impedansi Akustik ... 34
3.1.2. Atenuasi ... 35
3.1.3. Kecepatan Gelombang... 36
3.2.1. Fenomena Piezoelektrik... 39
3.2.2. Berkas Pancaran Gelombang Ultrasonik ... 41
3.2.3. Karakteristik Transduser Piezoelektrik... 43
3.3. Pengolahan Sinyal Ultrasonik... 46
3.3.1. Representasi Sinyal Diskrit dan Teorema Sampling ... 47
3.3.2. Transformasi Fourier Diskrit ... 49
BAB IV PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI ... 53
4.1. Deskripsi Umum Quantitative Ultrasound... 53
4.2. Akuisisi Data Sinyal Ultrasonik ... 54
4.2.1. Transduser Ultrasonik... 57
4.2.2 Generator Pulsa... 58
4.2.3 Penguat (Amplifier)... 59
4.2.4. Osiloskop Digital ... 60
4.2.5. Perangkat Mekanik ... 61
4.3. Pengolahan Awal (Pre-processing)... 61
4.3.1. Sampling Sinyal... 61
4.3.2. Konversi Format Data... 62
4.3.3. Pemotongan Data... 62
4.3.4. Penghilangan Komponen DC ... 62
4.3.5. Penapisan Derau ... 62
4.4. Metode Analisis Parameter Sinyal Ultrasonik... 63
4.4.1. Speed of Sound (SOS)... 63
4.4.2. Broadband Ultrasound Attenuation (BUA) ... 64
BAB V HASIL DAN ANALISIS... 70
5.1. Data Hasil Pengukuran ... 70
5.1.1. Data Acuan ... 70
5.1.2. Data Ketebalan Objek... 74
5.2. Data Hasil Perhitungan ... 75
5.2.1. Speed of Sound (SOS)... 75
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN... 84
6.1. Kesimpulan ... 84
6.2. Saran dan Peluang Pengembangan ... 84
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 3.1 Penjalaran gelombang sepanjang sumbu x...20
Gambar 3.2 Spektrum frekuensi ultrasonik dalam penerapan... 26
Gambar 3.3 Bentuk pancaran gelombang ultrasonik dari transduser... 30
Gambar 3.4 Model fisis transduser piezoelektrik... 31
Gambar 3.5 Penampang struktur dan elemen transduser ultrasonik...32
Gambar 4.1 Diagram blok QUS... 41
Gambar 4.2 Diagram blok sistem pengukuran ... 44
Gambar 4.3 Prinsip dasar perhitungan BUA... 53
Gambar 4.4 Implementasi perhitungan BUA pada sinyal lengkap... 54
Gambar 4.5 Prinsip pengukuran BUA fastwave... 55
Gambar 4.6 Implementasi perhitungan BUA pada slowwave... 56
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 4.1 Perangkat keras pengukuran sinyal ultrasonik...45
Tabel 4.2 Perangkat lunak pengukuran sinyal ultrasonik... 46
Tabel 5.1 Hasil pengukuran data acuan... 54
Tabel 5.2 Estimasi BMD dari persamaan korelasi...60
Tabel 5.3 Hasil pengukuran ketebalan objek... 61
Tabel 5.4 Hasil perhitungan SOS...62
Tabel 5.5 Koefisien korelasi SOS, SOS fastwave, SOS slowwave... 63
Tabel 5.6 Hasil perhitungan BUA dan nBUA sinyal lengkap... 64
Tabel 5.7 Koefisien korelasi BUA dan nBUA sinyal lengkap... 65
Tabel 5.8 Hasil perhitungan BUA dan nBUA fastwave... 66
Tabel 5.9 Koefisien korelasi BUA dan nBUA fastwave...67
Tabel 5.10 Hasil perhitungan BUA dan nBUA slowwave... 67
