The Application of Thermochromic Liquid Crystal in Temperature Distribution Measurement of Human’s Palm Hand

## Flaviana, Risti Suryantari
Program Studi Fisika, Fakultas Teknologi Informasi dan Sains, Universitas Katolik Parahyangan, Bandung Email: flaviana@unpar.ac.id
Received 9-11-2014, Revised 9-04-2015, Accepted 15-04-2015, Published 30-04-2015

## ABSTRACT
Temperature  is  one  of  the  most  important  parameters  that  represent  human’s  health condition. Some  conventional  measurements  have  not  been  fully  accurate,  concise,  and precise,  so  Thermochromic  Liquid  Crystal  (TLC)  material  is  required,  that  based  on  its structure  of  molecule  characteristics  has  respond  for  alteration  of  local  temperature  that indicated by color gradation.
The  purpose  of  this  research  is  to  perform  and  to  learn  the  application  of  TLC-based measurement system in the palm of human’s hands. The benefit of this study is the result of that  subject’s temperature  mapping provides some  opportunities for patients  with painful diabetic  neuropathy,  which  lead  to  ulceration  in  their  foot  or  hand. The  method  has  been developed using TLC system based on Flaviana’s research in 2012 and with specific setting, hardware  and  software,  in  order  to  acquire  image(s).  This  system  utilizes  an  image processing  method,  hue  of  the  image  is  used  as  parameter,  based  on  mathematical morphology operation.
Keyword:  temperature  distribution  measurement,  Diabetic  Neuropathy,  palm  hand, Thermochromic Liquid Crystal, mathematical morphology.

## ABSTRAK
Temperatur  merupakan  salah  satu  parameter  penting  yang  merepresentasikan  kondisi kesehatan  tubuh  manusia.  Pengukuran  secara  konvensional  belum  sepenuhnya  akurat, ringkas  dan  tepat,  maka  diperlukan  material Thermochromic  Liquid  Crystal (TLC)  yang berdasarkan  karakteristik  susunan  molekulnya,  memiliki  respon  terhadap  perubahan temperatur lokal yang ditunjukkan dengan perubahan warna.
Tujuan  penelitian  ini  adalah  melakukan  dan  mempelajari  penerapan  sistem  pengukuran distribusi temperatur berbasis TLC pada sejumlah subyek telapak tangan manusia. Manfaat penelitian ini  adalah bahwa hasil pemetaan temperatur terhadap sejumlah subyek tersebut memberikan  peluang  aplikasi  terhadap  penderita  Diabetes  Neropati  yang  mengalami komplikasi kronis dengan gejala berupa ulkus/borok yang tidak sembuh-sembuh pada kaki atau  tangan.  Metode  penelitian  yang  digunakan  ialah  menggunakan  sistem  berbasis  pada penelitian Flaviana tahun 2012 dan spesifikasi alat untuk pengambilan citra yang dilengkapi dengan perangkat keras dan lunak serta metode pengolahan citra, dengan mengambil citra kanal hue sebagai parameter, melalui operasi morfologi matematika.
Kata kunci : pengukuran distribusi temperatur, Diabetes Neuropati, Thermochromic Liquid Crystal, morfologi matematika, citra kanal hue .

## PENDAHULUAN
Manusia memiliki sistem homeostasis 1 yang baik dalam menstabilkan beberapa faktor yang menjadi  parameter  kondisi  tubuh,  seperti  temperatur,  pH,  glukosa,  dan  sebagainya. Temperatur  merupakan  salah  satu  parameter  penting  yang  merepresentasikan  kondisi kesehatan tubuh manusia. Jika temperatur di suatu area permukaan tubuh lebih tinggi atau lebih rendah dari  area lain  secara tidak normal,  maka kondisi  tersebut  dapat  diperkirakan memiliki  masalah  seperti  infeksi,  nekrosis 2 ,  dan  sebagainya [1] .  Dengan  demikian pengembangan  teknik  pengukuran  temperatur  permukaan  yang  akurat  diperlukan  untuk kemajuan  dalam  pemahaman  mengenai  fenomena  termal  pada  tubuh  manusia.  Beberapa teknik  pencitraan  termal  telah  banyak  diaplikasikan  dalam  bidang  medis,  salah  satunya adalah menggunakan kristal cair.
Material Thermochromic  Liquid  Crystal berdasarkan  karakteristik  susunan  molekulnya, memiliki respon terhadap perubahan temperatur lokal yang ditunjukkan dengan perubahan warna. Sebuah penelitian menggunakan platform yang diletakkan  TLC dan kamera digital dalam  mengakuisisi  data,  dapat  mengukur  distribusi  temperatur  pada  subyek  penderita neuropati diabetik [2] .
Dari  penelitian  yang  telah  dilakukan  sebelumnya  telah  dibuat  karakterisasi  material  TLC (rentang temperatur 25°C-30°C)  untuk  menghasilkan cara pengukuran temperatur dengan menggunakan scanner dalam merekam citra warna obyek tertentu. Dengan perolehan data respon kontur warna yang direfleksikan oleh lembaran TLC, dilakukan konversi citra RGB ke  dalam  HSV,  selanjutnya  diambil  citra  kanal hue sebagai  parameter  yang  dihasilkan melalui  pemrosesan  citra.  Selanjutnya  dari  pemrosesan  citra    dengan  teknik  operasi morfologi  matematika,  dapat  dipilih  hubungan  antara  nilai hue citra  dengan  temperatur permukaan obyek yang menyentuh lembaran TLC [3] .
Penelitian serupa menggunakan sistem berbasis termografi inframerah pada pasien Diabetes. Penelitian tersebut difokuskan untuk membangun sistem klasifikasi baru, yaitu melakukan segmentasi citra telapak kaki pasien diabetes [4] .
Pada  penelitian  ini  akan  dilakukan  penerapan  metode  pengukuran  tersebut  terhadap sejumlah  sampel  yaitu  subyek  berupa  telapak  tangan  manusia  menggunakan  lembar  TLC dengan rentang temperatur  30°C-35°C yang mendekati rata-rata temperatur telapak tangan. Dengan  melakukan  pemetaan  temperatur  terhadap  sejumlah  subyek  tersebut,  terdapat peluang  untuk  aplikasi  terhadap  penderita  Diabetes  Melitus  yang  mengalami  komplikasi kronis dengan  gejala berupa ulkus/borok  yang tidak sembuh-sembuh  pada kaki  (Neropati Diabetik) [5] atau pada tangan untuk jangka panjang [6] .
1 suatu kondisi keseimbangan internal yang ideal, di mana semua sistem tubuh bekerja dan berinteraksi dalam cara yang tepat untuk memenuhi semua kebutuhan dari tubuh
2 kematian patologis satu atau lebih sel atau sebagian jaringan atau organ, yang dihasilkan dari kerusakan ireversibel

## METODE PENELITIAN
Penelitian  ini  dilakukan  di  Laboratorium Research ,  Program  Studi  Fisika,  Universitas Katolik  Parahyangan,  Bandung,  bulan  Juni-Oktober  2014.  Peralatan  dan  bahan  yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari lembaran Thermochromic Liquid Crystal (TLC) yang  diletakkan  di  atas  mesin scanner (Gambar  1). Scanner tersebut  dikoneksikan  ke komputer  untuk  proses  akuisisi  citra.  Spesifikasi  alat  yang  digunakan  dalam  modul pengambilan citra menggunakan perangkat keras berupa lembaran Thermochromic Liquid Crystal (TLC) berukuran 30 cm x 30 cm, dengan rentang temperatur 30-35 °C. Alat scanner untuk proses akuisisi citra menggunakan tipe HP 4510 dengan resolusi optik 300 dpi dan bit depth 24- bit  color bersumber  cahaya LED. Laptop  yang  digunakan  bersistem  operasi Windows8.
Sebagai alat pengukur temperatur pembanding, digunakan sensor temperatur dengan skala - 20 ° -110 ° C.  Sebelumnya  dilakukan  kalibrasi  terhadap  lembar  TLC  dengan  melakukan pengukuran  temperatur  permukaan  wadah  labu  Erlenmeyer,  yang  diisi  air  sesuai  dengan rentang temperatur lembar TLC 30-35 °C.
Perangkat lunak yang dipakai dalam penelitian ini yaitu HP ToolBox untuk akuisisi citra dari scanner,  Matlab  R2014a untuk  proses  pengolahan  citra,  dan  CMA coach6lite untuk pembacaan skala sensor temperatur dengan ketelitian setiap 1 detik.
Gambar 1 . Sistem Thermochromic Liquid Crystal menggunakan scanner
Tahapan yang dilakukan dalam melakukan pengumpulan dan analisis data dibagi menjadi dua,  tahap  pertama  melakukan  perekaman  serta  analisis  nilai hue citra  permukaan  labu Erlenmeyer  pada  TLC  dengan  rentang  temperatur  30-35 ° C  dan  tahap  kedua  menerapkan proses tersebut pada subyek berupa telapak tangan manusia (Gambar 2).
Gambar 2 . Keseluruhan Skema Perancangan Sistem Pemrosesan Citra Subyek Telapak Tangan
Pertama,    dilakukan  pengaturan  awal  peralatan  dan  bahan  untuk  merekam  citra  subyek telapak  tangan.  Lembaran  TLC  30-35 ° C  diletakkan  di  atas  mesin scanner dan scanner tersebut dikoneksikan ke komputer untuk proses perekaman citra dengan temperatur ruang dijaga konstan 20 ° C. Labu Erlenmeyer yang diisi air bertemperatur 30 ° C diletakkan di atas lembaran TLC untuk dilakukan proses perekaman citra menggunakan perangkat lunak HP Toolbox (proses perekaman citra oleh scanner rata-rata adalah 20 detik). Citra yang telah diakuisisi disimpan dalam file .bmp . Kedua tahapan tersebut diulangi untuk permukaan labu Erlenmeyer  bertemperatur  masing-masing  31 ° C,  32 ° C,  33 ° C,  34 ° C,  35 ° C.  Selanjutnya dilakukan  proses  pengolahan  citra  menggunakan  perangkat  lunak MatlabR2014a untuk menghasilkan citra yang lebih baik untuk dapat dilakukan ekstraksi fitur.
Setelah  melakukan  pengumpulan  serta  analisis  data  terhadap  citra  labu  Erlenmeyer, selanjutnya  dilakukan  tahapan  kedua.  Subyek  yang  terdiri  dari  lima  orang  diambil  data temperatur  telapak  tangannya  masing-masing  menggunakan  sensor  temperatur  terlebih dahulu.  Telapak  tangan  subyek  ke-1  menggenggam  sensor  temperatur  kira-kira  selama  1 menit.  Setelah  data  temperatur  subyek  yang  terbaca  melalui  perangkat  lunak  CMA coach6lite terlihat  stabil,  kira-kira  pada  detik  ke  31  hingga  60  data  tersebut  direkam kemudian  dihitung  nilai  temperatur  rata-ratanya  ( 𝑇𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 )  .    Setelah  itu  data  temperatur direkam.  Selanjutnya,  dilakukan  proses  pengumpulan  dan  analisis  data  terhadap  subyek telapak tangan seperti pada tahap pertama untuk subyek ke-1 hingga subyek ke-5.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada tahapan pertama, dari pengumpulan serta analisis citra yang dilakukan pada permukaan labu  Erlenmeyer  untuk  rentang  temperatur  30-35 ° C  ( ∆𝑇 = 1°C )  diperoleh  hasil  sebagai berikut.
Gambar 3. Hasil Pengolahan Citra Labu Erlenmeyer Bertemperatur 34°C
Gambar 3 menunjukkan hasil pengolahan citra labu Erlenmeyer yang diatur pada temperatur 34 ° C. Berdasarkan gambar tersebut, kolom pertama menunjukkan citra asli RGB dan kolom kedua menunjukkan hasil konversi menjadi citra hue . Jika dilihat dari hasil citra di kolom kedua, maka masih terlihat adanya perbedaan pola yang terbentuk di tepi lingkaran. Pada pemrosesan  citra,  dibutuhkan  prosedur  yang  efisien  untuk  proses  deteksi  khususnya  pada tepi  lingkaran  tersebut  sebelum  dapat  dilakukan  ekstraksi  fitur.  Oleh  karena  itu,  suatu metode  pengolahan  citra  berdasarkan  morfologi  matematika  digunakan  dalam  mengolah citra.  Morfologi  Matematika  ( Mathematics  Morphology )  adalah  sebuah  metode  untuk menganalisis  citra  berbasis  operasi  tetangga  non–linear  ( Nonlinear  Neighbourhood Operation ) [6] .
Pada pengolahan citra kali ini dipilih operasi closing 10 kali menggunakan elemen struktur SE line . Setelah itu dilakukan proses thresholding melalui fungsi iterasi pada Matlab dengan memilih  batas  nilai hue piksel  yang  ingin  diambil  agar  diperoleh  citra  permukaan  labu Erlenmeyer yang lebih baik [6] .
Dari proses pengolahan yang dilakukan pada keenam citra, terlihat perbedaan pada setiap citra tersebut. Selanjutnya secara kuantitatif, citra akhir hasil pengolahan citra dapat diukur berdasarkan  nilai  statistiknya  ( mean,  max,  min,  mode,  standar  deviation ).  Gambar  4 menunjukkan  relasi  antara  rentang  temperatur  dengan  nilai hue citra  permukaan  labu Erlenmeyer pada lembaran TLC 30-35 ° C berdasarkan nilai statistiknya.
Gambar 4. Grafik Nilai Statistik Hue pada Lembaran TLC 30-35°C
Berdasarkan grafik pada Gambar 4, terlihat pada kurva nilai min -nya, bahwa untuk setiap kenaikan temperatur nilai hue -nya juga semakin meningkat. Pada kurva nilai max maupun mean di rentang temperatur 32-35 ° C juga terlihat relasi yang cukup linear antara temperatur dengan nilai hue- nya. Namun pada rentang temperatur 30-31 ° C tidak terlihat hubungan yang linear antara temperatur dengan nilai hue -nya. Hal ini mungkin disebabkan adanya kondisi red start pada bahan TLC 30-35°C memiliki komponen nilai hue hampir mendekati 1. Agar hasil  analisis  kuantitatif  citra  akhir  labu  Erlenmeyer  dapat  digunakan  sebagai  penerapan untuk mengukur temperatur pada subyek berupa telapak tangan, maka dilakukan linearisasi kurva berdasarkan kurva nilai min seperti pada Gambar 4 berupa garis biru gelap.
Selanjutnya  pada  penelitian  ini  diambil  sampel  (n  =  5)  berupa  telapak  tangan  yang  akan dianalisis  temperatur  telapak  tangannya  berdasarkan  nilai hue yang  diperoleh  dari  proses pengolahan  citra  yang  telah  dilakukan  sebelumnya  pada  permukaan  labu  Erlenmeyer. Subyek terdiri dari 4 pria dan 1 wanita dengan usia (27 ± 9.57 tahun, rata-rata ± standar deviasi). Pada bagian metode telah dijelaskan bahwa pengukuran temperatur telapak tangan tersebut  juga  dilakukan  oleh    sensor  temperatur  sebagai  pembanding  dari  hasil  data  yang diperoleh melalui proses pengolahan citra pada lembar TLC. Berikut adalah Tabel 1 yang menunjukkan data temperatur telapak tangan menggunakan sensor temperatur.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 2 9 3 0 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 N IL A I H UE TEMPERATUR (°C) nilai mean nilai max nilai min
Linear (nilai min)
Tabel 1. Tabel Data Temperatur Rata-rata ( 𝑇𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 ) Telapak Tangan Menggunakan Sensor Temperatur
Subyek ke- T sensor (°C) 1 32,37 2 35,1 3 33,01 4 30,35 5 33,47
Selanjutnya  dari  hasil  pengolahan  citra  subyek  berupa  telapak  tangan,  dilakukan  proses pengolahan citra yang ditunjukkan melalui Gambar 5 sebagai berikut.
Gambar 5. Hasil Proses Pengolahan Citra Telapak Tangan Subyek ke-3
Dari  Gambar  5  di  atas  terlihat  adanya  sebaran  warna  yang  ditunjukkan  pada  contoh  citra RGB  subyek ke-3. Melalui proses pengolahan citra yang sama dengan yang telah dilakukan pada permukaan labu Erlenmeyer, diperoleh citra hue dan closing-tresholding kelima subyek untuk digunakan dalam pengukuran secara kuantitatifnya.
Hasil  citra  akhir  masing-masing  subyek  diukur  secara  kuantitatif  berdasarkan  nilai statistiknya. Pada penelitian kali ini, nilai statistik citra hue subyek yang diambil adalah nilai mean dari  nilai hue citra  telapak  tangan  yang  diperoleh  melalui  proses closing dan thresholding .
Berdasarkan analisis pengukuran temperatur pada permukaan labu Erlenmeyer  yang telah dilakukan  sebelumnya  (Gambar  4),  nilai  temperatur  telapak  tangan  kelima  subyek  dapat ditentukan  dari  nilai hue rata-rata  citra  telapak  tangannya.  Berikut  adalah  tabel  (Tabel  2) yang menunjukkan nilai hue rata-rata serta nilai kisaran temperatur telapak tangan kelima subyek.
Tabel 2. Tabel Nilai Hue Citra serta Temperatur Telapak Tangan ( T hue )
subyek ke- Nilai hue rata- rata Thue (°C) 1 0.32 31.857 2 0.34 32.143 3 0.45 33.714 4 0.33 32 5 0.38 32.714
Nilai temperatur telapak tangan kelima subyek yang sebelumnya diperoleh dari pengukuran menggunakan  sensor  temperatur,  dijadikan  pembanding  dengan  nilai  temperatur  yang diperoleh dari hasil pengolahan citra hue subyek tersebut. Dari grafik yang ditunjukkan pada Gambar 6, terlihat adanya perbedaan pada masing-masing pengukuran temperatur telapak tangan subyek. Hal ini mungkin disebabkan oleh selang waktu yang cukup lama (5-15 menit) antara  pengambilan  data  temperatur  telapak  tangan  menggunakan  sensor  temperatur  dan perekaman citra telapak tangan dengan TLC. Perubahan temperatur telapak tangan subyek dapat terjadi  dalam proses mencapai kesetimbangan termal dengan temperatur ruang saat itu (20 ° C).
Gambar 6. Grafik perbandingan temperatur telapak tangan kelima subyek yang diperoleh dari hasil pengukuran sensor temperatur dan dari hasil perekaman serta pengolahan citra pada lembar TLC 30-35°C.
29 30 31 32 33 34 35 36 0 1 2 3 4 5 6 Te m p era tu r ( °C ) Subyek ke- T sensor T hue

## KESIMPULAN
Pada  penelitian  ini  telah  diukur  relasi  citra hue labu  Erlenmeyer  pada  permukaan  TLC terhadap perubahan temperatur berdasarkan linearisasi dari nilai min citra hue -nya. Terlihat bahwa nilai min citra hue berbanding cukup linear untuk setiap kenaikan temperatur.
Berdasarkan  pengukuran  kuantitatif  yang  dilakukan  pada  citra  akhir  labu  Erlenmeyer, temperatur telapak tangan dapat ditentukan dari analisis terhadap nilai mean citra hue -nya. Perbedaan antara nilai temperatur yang diperoleh dari hasil pengukuran kuantitatif citra hue telapak  tangan  dan  dari  hasil    pengukuran  yang  dilakukan  dengan  sensor  temperatur, mungkin disebabkan pengambilan data temperatur subyek ini belum terkalibrasi.
Hasil  akhir  penelitian  ini  masih  berupa  temperatur  rata-rata  telapak  tangan.  Penelitian  ini dapat  dikembangkan  dengan  menerapkan  sejumlah  metode  segmentasi  citra  untuk mengklasifikasi temperatur di sejumlah area telapak tangan. Penelitian yang telah dilakukan pada sejumlah subyek berupa telapak tangan ini memberi peluang untuk dilakukan aplikasi terhadap penderita diabetes melitus yang memiliki komplikasi PVD atau diabetes neuropati.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Cheng, Kuo-Sheng, et al., 2002. The Application of Thermal Image Analysis to Diabetic Foot Diagnosis. Journal of Medical and Biomedical Engineering. 22(2): 75-82.
2. Bharara, Manish. 2007. Liquid Crystal Thermography in Neuropathic Assesment of Diabetic Foot, PhD Thesis, Bournemouth University.
3. Flaviana. 2012. Master Tesis: Karakterisasi Thermochromic Liquid Crystal dalam Pengukuran Distribusi Temperatur Berbasis Mathematical Morphology pada Citra Hue . Institut Teknologi Bandung.
4. Mori,  Taketoshi.  Et  al.  2013. Morphological  Pattern  Classification  System  for  Plantar Thermography of Patients with Diabetes . Journal of Diabetes Science and Technology, Volume 7, Issue 5.
5. Cornblath,  David  R.  2004 .  Diabetic  Neuropathy:  Diagnostic  Methods .  Advanced  Studies  in Medicine 2004; 4(8A): S650-S661.
6. Wang, C., et al. 2010. A Clinical Analysis of Diabetic Patients with Hand Ulcer in a Diabetic Foot Centre . Journal Diabetic Medicine Vol 27, 848-851.