Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
DOI: doi.org/10.21009/SPEKTRA.023.01
DESAIN DAN PEMBUATAN PROTOTIPE PULSE ELECTROMAGNETIC THERAPY (PEMFT) UNTUK STUDI BIOELEKTROMAGNETIK
Umiatin 1, a), Tesa Apriyanti 1, Sastra Kusuma Wijaya 2
1) Program Studi Fisika Universitas Negeri Jakarta
2) Departemen Fisika Universitas Indonesia
Email: a) ummiatin@yahoo.com

## Abstrak
Pulse  Electromagnetic  Therapy (PEMFt)  atau  lebih  dikenal  dengan  PEMF  merupakan  salah  satu modalitas  yang  disetujui  oleh Food  and  Drug  Administration (FDA)  untuk  membantu  proses penyembuhan fraktur tulang non union (gagal sambung). Saat ini alat PEMF yang dijual dengan harga yang  tidak  murah,  memiliki  parameter  fisis  yang  bervariasi  sehingga  dalam  penggunaannya menghasilkan  efektivitas  beragam  dan  terkadang  menimbulkan  kontraindikasi.  Dalam  penelitian  ini telah  dilakukan  desain,  pembuatan  dan  uji  coba  prototipe  alat  PEMF  menggunakan  Arduino  dan Labview.  Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  mendapatkan  alat  PEMF  yang  dapat  digunakan  dalam penelitian  bioloektromagnetik.  Penelitian  dilakukan  dalam  tiga  tahap  yaitu  tahap  desain  dan perancangan perangkat keras, desain dan perancangan perangkat lunak dan tahap ketiga adalah ujicoba alat PEMF untuk penelitian fraktur tulang  menggunakan hewan coba tikus. Pada tahap pertama dibuat kumparan Helmholtz dengan diameter 40 cm, jumlah lilitan 500, menggunakan kawat tembaga 0.7 mm. Karakterisasi medan magnet yang dihasilkan dengan menggunakan Gaussmeter IDR 324 pada sumbu x, pada  tegangan  18  V  dan  arus  sebesar  0.28  A,  menghasilkan  medan  magnet  homogen  sebesar  0.4  mT. Pada  tahap  kedua  dilakukan  pembuatan  kode  program  alat  PEMF  menggunakan  Labview  dan  mikro kontroler  Arduino  Uno.  Parameter  fisis  PEMF  yang  dikendalikan  adalah waveform ,  frekuensi, duty cycle , burst  time dan exposure  time .    Pembuatan  antar  muka  dan  pengolahan  data  dilakukan menggunakan program LabVIEW. Pada tahap ketiga telah dilakukan ujicoba prototipe alat PEMF yang dibuat untuk studi pada hewan coba yaitu tikus Spraque Dawley  selama 28 hari.
Kata-kata kunci : Kumparan Helmholtz, PEMF, Bioelektromagnetik, Arduino Uno, LabVIEW.

## Abstract
Pulse Electromagnetic Therapy (PEMFt) or better known as PEMF is one of the modalities approved by the  Food  and  Drug  Administration  (FDA)  to  assist  the  healing  process  of  non  union  bone  fractures (failed  connect).  Currently  PEMF  equipment  sold  at  a  price  that  is  not  cheap,  has  a  varying  physical parameters  so  that  in  its  use  produce  various  effectiveness  and  sometimes  contraindicated.  In  this research  have  been  done  design,  manufacture  and  test  prototype  of  PEMF  tool  using  Arduino  and Labview. The purpose of this research is to obtain PEMF tool which can be used in bioloectromagnetic research. The research  was conducted in three stages, namely design and hardware design, design and software design, and the third step is PEMF testing for bone fracture research using mouse rats. In the first stage is made Helmholtz coil with a diameter of 40 cm, the number of windings 500, using 0.7 mm copper wire. The magnetic field characterization generated using Gaussmeter IDR 324 on the x axis, at a  voltage  of  18  V  and  a  current  of  0.28  A,  produces  a  homogeneous  magnetic  field  of  0.4  mT.  In  the second  stage,  the  programming  of  PEMF  tools  was  made  using  Labview  and  Arduino  Uno  micro controller. The  controlled  PEMF  physical  parameters  are  waveform,  frequency,  duty  cycle,  burst  time and exposure time. Interface creation and data processing is done using LabVIEW program. In the third
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
phase, a prototype PEMF test  was  made for a study of experimental animals of Spraque Dawley  mice for 28 days.
Keywords : Helmholtz coil, PEMF, Bioelectromagnetic, Arduino Uno, LabVIEW.

## PENDAHULUAN
Alat terapi medik berbasis elektromagnetik meliputi berbagai alat yang menggunakan listrik untuk menghasilkan medan listrik dan medan magnet, diantaranya adalah TENS ( transutaneous electrical nerve  stimulation ),  NMES  ( neuromuscular  electrical  stimulation ),  HVPG  ( high  voltage  pulsed galvanic ) dan PEMF ( pulse electromagnetic field ). TENS, NMES dan HVPG menghasilkan medan listrik  pada  jaringan  secara  langsung  karena  adanya  arus  listrik  yang  dialirkan  melalui  kedua elektroda yang diletakkan pada jaringan target sehingga bersifat semi invasif. Pulse Electromagnetic Fields (PEMF) merupakan teknik non invasif yang bersifat induktif yaitu menghasilkan medan listrik pada jaringan karena adanya perubahan medan magnet. Munculnya medan listrik pada jaringan akan menyebabkan  efek  fisiologis  pada  sel  yang  disebabkan  karena  pergerakan  ion  antara  lain  Ca 2+ ,  K + , Na + , Cl - , yang merupakan proses penting dalam metabolisme sel [1].
Salah  satu  pemakaian  PEMF  yang  telah  disetujui  oleh  FDA  adalah  untuk  membantu penyembuhan patah tulang non union . Seiring meningkatnya mobilitas penduduk saat ini, diestimasi hampir  sekitar  10%  fraktur  tulang  menunjukkan  penyembuhan  tidak  sempurna  sehingga menyebabkan non  union dan delayed  union .  Tantangan  utama  bagi  klinisi  saat  ini  adalah  mencari metode  penyembuhan  fraktur non  union dan  mencegah  terjadinya delayed  union secara  efektif  dan tidak berbiaya mahal [2].
PEMF  telah  cukup  lama  diteliti  baik  dalam  skala in  vitro (penelitian  sel),  pre  klinis  (penelitian hewan  coba)  maupun  klinis,  antara  lain  dilakukan  oleh  Ongaro  dkk    yang    memberikan  stimulus fisika berupa pajanan PEMF (1.5 mT, 75 Hz) selama masa periode diferensiasi  sel tulang yaitu 28 hari,  diperoleh  hasil  terjadi  peningkatankadar Alkaline  phosphatase (ALP)  dan Osteokalsin (OCL) yang merupakan penanda terjadinya pembentukan tulang ( osteogenesis ) [2].
Shi dkk melakukan penelitian klinis terhadap pasien dengan fraktur tulang panjang delayed union, 31 pasien menerima intervensi EMF dan 27 pasien sebagai kontrol. Diakhir pengobatan, berdasarkan penilaian radiologi diperoleh grup EMF menunjukkan laju penyembuhan sebesar 77.4 % sedangkan pada  kontrol  sebesar  48.1  %  dengan  waktu  rata  –  rata  total  dari  pertama  penyembuhan  sebelum diagnosa delayed union , grup EMF selama 9.6 bulan dan grup kontrol 9.5 bulan [3].
Meskipun  beberapa  studi  menunjukkan  efek  positif  penggunaan  PEMF  namun  sampai  saat  ini bagaimana  mekanisme  sel  diregulasi  oleh  stimulus  PEMF  tersebut  masih  belum  dapat  dijelaskan dengan  baik.  Beberapa  penelitian  lain  menunjukan  bahwa  penggunaan  PEMF  tidak  menimbulkan implikasi  yang  bermakna  untuk  membantu  penyembuhan  fraktur  tulang.  Hal  ini  akhirnya menimbulkan skeptisme penggunaan stimulus biofisika dalam bidang medis.
Salah  satu  penyebab  bervariasinya  efek  PEMF  dalam  penelitian  dikarenakan  beragamnya parameter fisika yang dipakai para peneliti, meliputi jenis signal, intensitas medan magnetik , pulsed width, exposure time, frekuensi, beragamnya subyek penelitian serta peneliti yang memiliki beragam latar  belakang  keilmuan.  Oleh  karena  itu,  diperlukan  penelitian  komprehensif  dan  multidisiplin untuk  mengevaluasi  dan  mengoptimasi  parameter  penting  PEMF  sehingga  dapat  menjelaskan mekanisme  transduksi  signal  PEMF  pada  sel  dan  dapat  menghasilkan  respon  seluler  yang diharapkan.  Untuk  mencapai  tujuan  tersebut,  perlu  dikembangkan  alat  PEMF  yang  dapat mengirimkan  dan  memfokuskan  stimulus  ke  target,  jenis  signal  ( pulse ),  intensitas,  frekuensi  serta exposure  time yang adjustable dan user  friendly yang  dapat  digunakan  untuk  penelitian invitro , preklinis maupun klinis mengenai penggunaan PEMF dalam bidang orthopaedi [4,5,6].
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA

## METODE PENELITIAN

## Pembuatan Hardware
Alat PEMF yang dibuat terdiri dari : kumparan Helmholtz untuk menghasilkan medan magnet dan sensor  pendeteksi  intensitas  medan  magnet.  Kumparan  Helmholtz  dibuat  dengan  diameter  45  cm, menggunakan  kawat  tembaga  0.7mm  dengan  jumlah  lilitan  1000  lilitan.  Dalam  proses  pengukuran dibutuhkan  variasi  arus  dari  0-1  A  untuk  menghasilkan  medan  magnet  dalam  kisaran  mT,  oleh karena  itu  kumparannya  terdiri  dari  1000  lilitan  yang  masing-masing  kumparan  mempunyai  500 lilitan kawat tembaga dengan diameter 45cm dan diameter kawat yang digunakan 0.7 mm.
Gambar 1 a. Skema Alat PEMF
Gambar 1 b. Kumparan Helmholtz dan sensor medan
magnet
Pendeteksian  medan  magnet  ini  menggunakan  sensor Efek  Hall .  Sensor  ini  digerakkan  secara manual menggunakan batang ulir gerakan kiri dan kanan (koordinat X), dengan jarak 10 cm dimulai dari pusat kumparan. Pada pergerakan sensor ke kanan dan kiri (koordinat X), digunakan batang ulir yang  panjangnya  kurang  dari  diameter  kumparan  medan  magnet  yakni  sekitar  15  cm.  Batang  ulir digunakan sebagai penentuan posisi sensor Efek Hall setiap perpindahan 1 cm.

## Pembuatan Software
Software LabVIEW berfungsi untuk mengontrol setting pengiriman data dan penerimaan data dari arduino  yang  kemudian  ditampilkan  pada  komputer.  Bahasa  pemrograman  pada software ini menggunakan  icon-icon  yang  memiliki  fungsi  sebagai  pengganti  teks  dalam  membuat  aplikasi. Berbeda  dengan  pemrograman  berbasis  teks  dimana  instruksi-instruksi  menentukan  eksekusi program,  LabVIEW  merupakan  pemrograman  aliran  data  dimana  aliran  data  menentukan  eksekusi dari program.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
Terdapat  fungsi front  panel dari  tampilan  LabVIEW  yaitu  fungsi  kontrol  dan  fungsi  indikator. Pada  fungsi  kontrol  terdapat  menu  START  dan  STOP.  Pada  menu  START  akan  mengawali  atau memulai  untuk  menjalankan  program,  program  akan  memberitahu  apa  yang  sedang  berjalan termasuk pendeksian sensor yang otomatis menyimpan data, saat tombol switch on maka akan tampil jenis  sinyal source yang  keluar  adalah square sedangkan  saat switch  off maka  sinyal source yang muncul adalah sinusoidal.

## Gambar 3. Block diagram LabVIEW
Sebelum mengatur front panel, terlebih dahulu program harus diatur melalui block diagram . Pada block diagram dideklarasikan setiap variabel yang dibutuhkan pada front panel, serta menginisialisasi Visa yang akan menghubungkan komputer dengan mikro kontroler. Visa inisialisasi menjadi 3 bagian yaitu VisaSerial, VisaWrite, dan VisaRead . VisaSerial digunakan sebagai inisialisasi setiap port mulai dari  baudrate  hingga  port  yang  akan  digunakan  pada  komputer.  Sedangkan  VisaWrite  berfungsi menulis apa yang diminta oleh program  ke dalam  mikrokontroler, dan fungsi dari VisaRead adalah sebagai pembaca apa yang akan diperintahkan oleh mikro kontroler pada program. Penerimaan data dapat  langsung  diambil  sesuai  dengan  pengaturan  atau  format  data  yang  telah  dikirim  sebelumnya dari  mikro  kontroler.  Data  yang  diterima  dari  mikro  kontroler  dapat  di export ke  dalam  Microsoft Excel

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Karakterisasi
Karakterisasi  sensor  dilakukan  dengan  cara  mencari  persamaan  hubungan  antara  medan  magnet perhitungan  dengan  tegangan  keluaran  sensor,  dengan  meletakkan  sensor  di  pusat  kumparan  dan kumparan diberi variasi arus dari 0-1 A.
Gambar 4. Hubungan medan magnet hitung terhadap tegangan keluaran sensor
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
Dari grafik tersebut di dapat fungsi transfer dari sensor Hall Effect adalah B = 21.41V  + 53.83, dengan V adalah tegangan Vout (V) dan B adalah medan magnet hitung (mT).  Pengujian selanjutnya dilakukan dengan membandingkan kuat medan magnet yang dihasilkan alat ukur Gaussmeter dengan sensor magnetic menggunakan variasi arus dari 0.10 – 1.00 A.
Gambar 5. Hubungan antara medan magnet terukur terhadap medan magnet perhitungan
Gaussmeter yang digunakan adalah tipe IDR-324, dan persamaan linier yang didapatadalah BG = 0.933Bh + 0.054. Variabel BG menunjukan nilai medan magnet terukur oleh gaussmeter, sedangkan variabel Bh menunjukan nilai medan magnet perhitungan, sedangkan hubungan medan magnet yang terukur oleh sensor dengan niali medan magnet perhitungan didapat persamaa BS = 0.969Bh + 0.064, dengan  Bh  adalah  nilai  perhitungan  dan  BS  adalah  nilai  medan  magnet  yang  terukur  oleh  sensor. Dari  garis  linear  pada  grafik  dapat  dikatakan  bahwa  nilai  terukur  pada  sensor  dan  Gaussmeter mendekati nilai perhitungan teori kumparan Helmholtz.
Selanjutnya dilakukan pengukuran medan magnet di kumparan Helmholtz dengan mengaliri arus DC sebesar 0.28 A. Data diambil  pada sumbu X secara manual dengan menggeser batang ulir setiap satu cm. Berikut grafik hubungan distribusi medan magnet terhadap posisi.
Gambar 6. Grafik medan magnet terhadap posisi x
Grafik  di  atas  menunjukan  bahwa  nilai  medan  magnet  di  sekitar  pusat  kumparan  memiliki  nilai yang hampir seragam. Posisi yang baik untuk ditempatkan hewan percobaan untuk di pajan adalah di tengah-tengah kumparan .
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
Untuk  mengetahui  hubungan  medan  magnet  yang  dihasilkan  dengan duty  cycle ,  dilakukan pengujian dengan memvariasikan duty cycle dari 10%-90%, arus DC 0.28A dan frekwensi 125 Hz. Berikut ini adalah grafik hubungan medan magnet dengan duty cycle.
Gambar 1. Grafik hubungan medan magnet dengan duty cycle
Berdasarkan grafik di atas hubungan medan magnet dengan duty cycle linear dengan persamaan linear nya adalah B = 1.783D + 0.026, dengan D adalah duty cycle dan B adalah medan magnet yang dihasilkan sensor. Dari grafik dapat disimpulkan bahwa hubungan medan magnet dengan duty cycle sesuai dengan teori dimana semakin kecil duty cycle maka rata-rata medan magnet yang dihasilkan semakin kecil.
Hubungan  antara  medan  magnet  dengan  frekuensi  diketahui  dengan  memvariasikan  frekuensi mulai 25-250 Hz, pada signal source square dan sinus , duty cycle 50% pada signal square dan arus DC 0.28 A.
Gambar 8. Grafik hubungan medan magnet dengan frekuensi
Dari  grafik  di  atas  dapat  diketahui  bahwa  medan  magnet  dipengaruhi  oleh  frekuensi  semakin besar nilai frekuensi, semakin kecil medan magnet rata-rata nya.

## Uji coba alat
Telah  dilakukan  uji  coba  alat  PEMF  untuk  penelitian  bioelektromagnetik  menggunakan  hewan coba tikus putih Spraque Dawley yang dibuat fraktur model non union . Uji coba tersebut dilakukan di  laboratorium  hewan  Balitbang  Depkes  dengan  persetujuan  komite  etik  FKUI  no
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
456/UN2.F1/ETIK/2017.  Pajanan  PEMF  diberikan  secara  kontinue  dan  intermittent  selama  4 jam/hari selama 28 hari, seperti terlihat pada gambar dibawah ini :
Gambar 8. Grafik hubungan medan magnet dengan frekuensi
Pada penelitian lanjutan akan dilakukan analisis penyembuhan fraktur secara molekuler dan biokimia  untuk  menilai  perbedaan  kecepatan  penyembuhan  fraktur  karena  pajanan  PEMF  secara kontinue dan intermittent.

## SIMPULAN
Telah dilakukan desain,  pembuatan dan uji coba alat PEMF yang  mampu  menghasilkan medan magnet seragam dengan intensitas 0.5-2 mT dengan parameter fisis yang bisa diatur dalam prototipe alat ini adalah tipe waveform , frekwensi, duty cycle , burst time, exposure time dan data yang dapat disimpan dan di export pada ms. Excel. Hasil penelitian ini dapat digunakan sebagai sarana penelitian bioelektromagnetik.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis  mengucapkan  terimakasih  kepada  FMIPA  UNJ  yang  telah  membiayai  penelitian  ini melalui  Program  Hibah  Penelitian  Fakultas  tahun  2017  dengan  nomor  kontrak…  dan laboratorium Fisika Instrumentasi Medik UI yang memfasilitasi penelitian ini.

## DAFTAR ACUAN
[1] B. Wade, “A review of pulse eectromagnetic field mechanism at a cellular level : a rationale for clinical use”, in American Journal of Health Research, 2013; 1(3):51-55.
[2] A.  Ongaro,  A.  Pellati,  L.  Bagheri,  C.  Fortini,  S.  Setti,  &  M.D.  Mattei, Pulsed Electromagnetic  Fields  Stimulate  Osteogenic  Differentiation  in  Human  Bone  Marrow  and Adipose  Tissue  Derived  Mesenchymal  Stem  Cells ,  New  York:  Bioelectromagnetic  Wiley Periodical, 2014, pp 426-436.
[3] H.  F.  Shi,  J.  Xiong,  Y.  X.  Chen,  J.  F.  Wang,  X.  S.  Qiu,  Y.  H.  Wang,  &  Y.  Qiu, Early application of pulsed electromagnetic field in the treatment of postoperative delayed union of long bone fracture, BMC Muskuloskeletal Disorder, 2013, 14-35.
[4] W.  H.  Chang,  “Bone  defect  healing  enhanced  by  pulse  electromagnetic  fields  stimulation  : invitro bone organ culture model”. In Journal of Medical and Biological Engineering, 2005, 25(1):27-32.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
[5] Aliyadollahpour,  “Therapeutic  Application  of  Electromagnetic  Fields  in  Musculoskeletal Disorder”, in Biomedical & Pharmacology Journal, 2014, Vol 7(1), 23-32.
[6] A. Pilla, Mechanism and therapeutic applications of time varying and static magnetic field. Handbook of Biological Effects of Electromagnetic Field, 3 rd edition, CRC Press, 2006.