## Studi Pendahuluan Sistem Tomografi Listrik-Akustik
untuk Mendeteksi Kanker Paru-paru
K. Ain 1,2 , D. Kurniadi 1 , A. Trisnobudi 1 1 Program Studi Teknik Fisika, Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesa 10, Bandung 40132, Indonesia
2 Jurusan Fisika, Universitas Airlangga, Jl. Airlangga no. 4-6, Surabaya, Jawa Timur, Indonesia khusnulainunair@yahoo.com

## Abtsrak
Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji kemungkinan diterapkannya sistem tomografi listri k-akustik. Sistem tomografi ini dalam bekerjanya menggunakan injeksi pulsa arus listrik sehingga dihasilkan dua data  sekaligus,  yaitu  sinyal  akustik  dan  potensial  listrik.  Data  sinyal  akustik  memiliki  potensi  untuk menghasilkan  citra  resolusi  spasial  tinggi,  sedang  data  potensial  listrik  memiliki  potensi  untuk menghasilkan  citra  kontras  tinggi.  Metode  yang  dilakukan  dalam  penelitian  ini  adalah  melakukan kajian studi tentang terpenuhinya kemungkinan syarat-syarat yang dibutuhkan. Untuk studi awal ini dilakukan  studi  simulasi  untuk  memperoleh  data  sinyal  akustik  yang  kemudian  dilakukan  kajian analisis.  Hasil  dari  penelitian  ini  menunjukkan  bahwa  sinyal  akustik  prospektif  untuk  digunakan dalam deteksi kanker paru karena kontrasnya nilai akustik organ paru dan jaringan kanker paru.
Kata kunci: feromagnetic, giant magnetoresistance, lapisan tipis, NiCoFe, non magnetik, sensor GMR.

## Abtsract
This research aims to examine the possibility of electric-acoustic tomography system. This tomography system works using current pulse injection and produce two data at once, acoustic signal and electric potential. Acoustic signal data has potential to produce high spatial resolution images, while electrical potential data has potential to produce high contrast images. The method applied in this research is to study the possibility of fulfilling the conditions required. For this initial research, a simulation study is conducted to obtain the acoustic signal data which will be analyzed. Results from this research show that  acoustic  signal  has  prospect  to  be  used  for  detecting  lung  cancer,  because  of  the  acoustic contrast between lung and its cancer tissue.
Keywords: feromagnetic, giant magnetoresistance, thin layer, NiCoFe, non magnetic,  GMR sensor.

## 1 Pendahuluan
Kanker paru merupakan penyakit yang menyebabkan kematian terbanyak dalam kelompok penyakit kanker  di dunia.  Setiap tahun terdapat lebih dari 1.3 juta kasus kanker paru dan bronkial  di  seluruh  dunia.  Dari  angka  itu,  sekitar  1.1  juta  yang  meninggal  dunia  setiap tahunnya.  Di Eropa, diperkirakan ada sekitar 381 ribu kasus kanker  paru baru pada tahun 2004, dengan angka kematian berkisar 342 ribu kasus. Di Indonesia  diperkirakan terdapat satu penderita baru kanker  di antara 1000 penduduk, artinya lebih dari 170000 penderita baru  tiap  tahunnya.  Angka  resmi  tentang  jumlah  penderita  kanker  paru  di  Indonesia  dan angka kematiannya belum ada, tetapi laporan dari berbagai rumah sakit terus mengalir dan menunjukkan  bahwa  jumlah  penderita  kanker  paru  cukup  tinggi  dan  makin  lama tampaknya terus meningkat [1].
Sejumlah  studi  memperlihatkan  bahwa  deteksi  kanker  paru  dan  terapi  dini  dapat meningkatkan  harapan  hidup  pada  pasien.  Oleh  karena  itu  banyak  dokter merekomendasikan  kepada  siapa  saja  agar  mau  menjalani  pemeriksaan  rutin  untuk mendeteksi ada tidaknya kanker paru.
Untuk mendiagnosis penyakit paru, dunia medis memerlukan suatu metode atau peralatan yang mampu untuk melakukannya.  Pencitraan menjadi pilihan yang sangat tepat dijadikan pijakan dalam diagnosis penyakit paru-paru [2].  Beberapa peralatan pencitraan yang telah rutin  digunakan  dalam   mendiagnosis  penyakit  paru  di  antaranya  adalah  Tomografi Komputer  Spiral  (CT)  sinar-X, Positron  Emission  Tomography (PET), Angiografi  Digital dan Magnetic Resonance Imaging (MRI) [2].
Beberapa  instrumen  yang  telah  digunakan  tersebut  bukan  tidak  punya  keterbatasan. Tomografi  Komputer  spiral  (CT)  sinar-X  dan  PET  memiliki  keterbatasan  akumulasi  radiasi pengion  yang  dapat  membahayakan  tubuh  manusia  [3],  MRI  dalam  bekerjanya menggunakan  prinsip  resonansi  magnetik  dan  membutuhkan  medan  magnet  yang  cukup kuat, sehingga seluruh peralatan dan instrumen yang digunakan dalam area tersebut harus kompatibel  dengan  resonansi  magnetik   [4].  Dengan  demikian  hingga  saat  ini  alternatir teknologi pencitraan medis yang akurat, aman dan sederhana sangat diperlukan.
Beberapa  alternatif  tomografi  telah  ditawarkan,  diantaranya  adalah  tomografi  ultrasonik (UST  = Ultrasound  Tomography ),  tomografi  optik  (DOT  = Diffuse  Optical  Tomography )  dan tomografi  listrik  (EIT  = Electrical  Impedance  Tomography ).  Tomografi  ultrasonik  memiliki kelebihan  dapat  mencitrakan  objek  dengan  resolusi  tinggi,  namun  memiliki  kekurangan yaitu  nilai kontrasnya rendah, namun sebaliknya bagi tomografi optik dan tomografi listrik. Kedua  sistem  tomografi  ini  memiliki  kontras  tinggi,  namun  memiliki  kekurangan  yaitu resolusi rendah.
Ide  dasarnya  adalah  bagaimana  menggabungkan  kedua  sistem  yang  memiliki  ma sing- masing  kelebihan  tersebut,  yaitu  pencitraan  hibrid  yang  mengkombinasikan  sistem tomografi  listrik  dan  akustik.  Sinyal  akustik  dapat  dibangkitkan  dari  injeksi  arus  listrik sesaat.  Energi  arus  listrik  sesaat  tersebut  akan  dikonversi  oleh  sifat  listrik  o bjek  menjadi energi  termal  yang  akan  menghasilkan  vibrasi  tekanan.  Vibrasi  tekanan  inilah  yang  akan menghasilkan sinyal akustik . Kelebihan dari system tomografi ini adalah dihasilkannya dua data besaran fisis,  yaitu data sinyal akustik dan sinyal potensial listrik. Dari kedua data fisis tersebut  diharapkan  dapat  diperoleh  citra  rekonstruksi  dengan  resolusi  spasial  tinggi  dari sinyal  akustik  dan  kontras  tinggi  dari  sinyal  potensial  listrik  [5].  Dengan  demikian diharapkan  system  tomografi  gabungan  akustik  dan  listrik  tersebut  nantinya  mampu menampilkan citra abnormalitas paru sejenis kanker paru.
Dalam paper  ini menjelaskan tentang studi  secara simulasi untuk mendeteksi kanker paru dengan menggunakan sistem tomografi listrik-akustik. Prinsip bekerjanya sistem dijelaskan terlebih dahulu, yang kedua adalah melakukan identifikasi parameter-parameter fisis  yang harus  dipenuhi  dalam  sistem  tomografi  listrik-aksutik  ini,  yang  ketiga  adalah  melakukan kajian  studi  awal  melalui  proses  simulasi  berdasarkan  parameter  fisis  tersebut  dan  yang keempat adalah melakukan analisis.

## 2 Dasar Teori
Dalam  perjalanannya  sinyal  akustik  akan  mengalami  berbagai  interaksi  dengan  material yang  akan  ditemuinya,  diantaranya  adalah  transmisi,  refleksi,  dan  refraksi.  Karena mengalami  berbagai  interaksi  tersebut,  maka  sinyal  akustik  yang  diterima  sensor  tidaklah sesederhana  seperti  sinyal  akustik  semula  yang  dipancarkan  oleh  transmitter.  Keadaan
tersebut dijelaskan melalui Gambar 1. sinyal akustik memiliki beberapa besaran yang dapat dimanfaatkan, diantaranya adalah frekuensi, intensitas, time of flight dan pulsa echo.
Tomografi ultrasound  dapat menghasilkan tomogram  dari tiga  sifat material yang  berbeda. Pertama  tomogram  atenuasi,  merepresentasikan  kehilangan  energi  akustik  akiba t hamburan  dan  serapan  pada  material,  kedua  tomogram  kecepatan  suara, merepresentasikan  nilai  konstanta  elastik  material  dan  ketiga  tomogram  refleksi, merepresentasikan  peta  adanya  beda  impedansi  karena  adanya  batas  dan ketidakhomogenan  [6].  Untuk  memperoleh  tomogram  pertama  dan  kedua  system  sensor yang  digunakan  adalah  mode  transmisi  sedang  tomogram  ketiga  sistem  sensor  yang digunakan  adalah  mode  refleksi.  Perbedaan  antara  pertama  dan  kedua  adalah  data  yang diterima merupakan intensitas dan time of flight (TOF).
(a)
(b)
Gambar 1 (a) beberapa kemungkinan lintasan sinyal akustik (b) data TOF yang akan diterima oleh sensor akibat lintasan sinyal akustik
Jika  frekuensi  sinyal  akustik  yang  dihasilkan  cukup  tinggi,  mak a  time  of  flight  (TOF) transmisi  dari berkas yang  lurus dapat dengan mudah diperoleh yaitu sama  dengan waktu sinyal akustik pertama yang diterima oleh sensor .
Tomografi  akustik  dapat  dibangun  dengan  cara  memperoleh  data  TOF  lengkap  dari berbagai arah. Sekumpulan data TOF tersebut dapat direkonstruksi sehingga diperoleh nilai kecepatan  akustik  yang  merupakan  nilai  akustik  pada  masing-masing  organ.  Gambar  2 adalah gambar potongan rongga dada  yang di dalamnya terdapat organ paru -paru beserta jaringan yang lain.  Seluruh organ dalam rongga dada tersebut memiliki nilai fisis kecepatan akustik  yang  ditampilkan  pada  Tabel  1.  Dalam  proses  perhitungan  iterasinya  nilai  waktu tempuh  gelombang  akustik  di  masing-msaing  organ  inilah  yang  digunakan,  besaran tersebut adalah nilai yang berbanding terbalik dengan nilai kecepatan akustiknya.
Gambar 2 Paru-paru beserta jaringan yang lain dalam  rongga dada
Tabel 1 Nilai kecepatan akustik dan waktu tempuh gelombang akustik pada beberapa
organ tubuh dalam rongga dada No Organ Tubuh Kecepatan akustik (m/s) Waktu tempuh gelombang akustik (µs) 1 Paru-paru 650 15,385 2 Kulit dada 1642 6,090 3 Otot jantung 1585 6,309 4 Lemak 1450 6,897 5 Tulang 4080 2,451 6 Kanker paru 1580 6,329

## 3 Metode Penelitian
Ada  dua  tahapan  aktivitas  yang  dilakukan  dalam  penelitian  ini  yaitu,  tahapan  pertama adalah  memastikan  bahwa  sistem  tomografi  listrik  akustik  ini  bisa  bekerja  dan  dapat diterapkan  secara  aman  pada  tubuh  manusia.  Tahapan  berikutnya  adalah  melakukan kajian studi melalui pemodelan atau simulasi.
Penelitian  yang  dilakukan  ini  masih  meninjau  salah  satu  dari  data  sinyal  yang  dihasilkan dari  sistem  ini,  yaitu  sinyal  akustik.  Sedang  sinyal  potensial  yang  juga  dihasilkan  untuk sementara belum diperhitungkan.
Beberapa  asumsi  yang  harus  dipenuhi  agar  simulasi  ini  sesuai  dengan  kondisi  fisis sesungguhnya adalah:
1. Frekuensi sinyal akustik yang dihasilkan cukup  tinggi sehingga berkas  sinyal mampu bergerak dengan lintasan lurus.
2. Pulsa  arus  listrik  yang  diinjeksikan  mampu  menghasilkan  intensitas  pulsa  akustik yang dapat menembus sampai ke luar perm ukaan objek.
3. Mode sensor pulsa akustik yang digunakan adalah mode transmisi dengan data time of flight (TOF).
4. Ukuran diameter sensor tidak terlalu luas.
Oleh  karena  itu  terlebih  dahulu  dibuat  objek  numerik  model  rongga  dada  berbentuk lingkaran  yang di  dalamnya terdapat paru-paru, kulit dada, otot jantung, lemak, tulang dan kanker paru, mengacu pada Gambar 2, sehingga akan diperoleh Gambar 3. Ada  dua objek numeric yang dibuat pada penelitian ini, yaitu objek numerik dengan paru-paru normal dan objek  numerik  dengan  paru-paru  yang  mengandung  jaringan  kanker  paru.  Objek  numerik tersebut  memiliki  diameter  31  sel,  yang  mengandung  sejumlah  755  sel  dengan  nilai numerik  waktu  tempuh  masing-masing  sel  sesuai  dengan  organ  tubuh  yang  diwakilinya. Nilai  waktu  tempuh  gelombang  akustik  yang  digunakan  dalam  simulasi  rongga  dada  ini dapat diperoleh dari Tabel 1.
Jumlah elektrode dansensor sinyal akustik yang digunakan dalam simulasi ini adalah sama, masing-masing  berjumlah  49  buah,  seperti  ditunjukkan  pada  Gambar  4.  Dari  sejumlah elektroda dan sensor sinyal akustik tersebut dapat diperoleh sinogram dengan sejumlah 49 x  31  titik  data,  seperti  ditunjukkan  pada  Gambar  6.  Alasan  jumlah  elektrode  dan  sensor yang  digunakan  untuk  menghasilkan  citra  rekonstruksi  dengan  ukuran  diameter  tersebut masih  mengacu  kepada  syarat  jumlah  data  minimal  yang  harus  disediakan  oleh  sistem tomografi konfensional. Untuk perbaikan ke depan perlu dirumuskan jumlah  dan penataan data yang optimal terkait dengan sistem tomografi listrik-akustik ini.
(a) (b)
Gambar 3 Objek numeric (a) rongga dada dengan paru -paru normal (b) rongga dada
dengan paru-paru mengandung kanker
Parameter-parameter yang digunakan selama proses scanning adalah sebagai berikut:
1. Diameter  objek  setara  dengan  N   satuan,  yang  menunjukkan  ukuran  objek  dengan diameter N piksel.
2. M ,  menyatakan  banyaknya  elektroda  atau  banyaknya  sensor  sinyal  akustik  yang digunakan pada simulator.
3. N ,  menyatakan  banyaknya  sensor  sinyal  akustik  yang  aktif  mencatat  TOF  dari pembangkit sinyal akustik.
4. Sudut  ,  menyatakan  sudut  antara  berkas  sinar  pusat  dengan  berkas  sinar  pusat awal.  Sudut   ,  menyatakan  sudut  antara  elektrode  dengan  elektrode  berikutnya,
yaitu M 360    .
5. Sudut  ,  menyatakan  sudut  antara  berkas  sinar  dengan  berkas  sinar  pusat.  Sudut
m  , menyatakan  sudut maksimum berkas sinar. Sensor sinyal akustik yang terletak pada  posisi  sudut
m   dan m  adalah  sensor  sinyal  akustik  terdekat  yang  dapat
menerima  sinyal  akustik.  Sudut   adalah  sudut  antara  Sensor  sinyal  akustik dengan Sensor sinyal akustik berikutnya, sehingga Sudut      . 6. Lebar elektrode dan  Sensor sinyal akustik sebesar 1 satuan piksel, sehingga berkas sinar terkolimasi dengan lebar satu satuan piksel.
Gambar 4 Model skema proses scanning tomografi komputer listik-akustik
Gambar 5 Prinsip dasar sistem  tomografi komputer detektor lengkung [7]
Dengan,
 : sudut antara SF dengan sumbu awal
D : jarak antara sumber dengan pusat O

## 
: sudut berkas sinar untuk tiap detektor dengan sumbu sinar pusat
Gambar 6 Kisi Sinogram data lengkap TOF
Pemodelan sistem  tomografi listrik-akustik ini akan menghasilkan data  TOF, satu  data TOF disebut  ray-sum  dan  sekumpulan  data  TOF  pada  posisi  sudut  disebut  proyeksi.  Posisi masing-masing  data  ditempatkan  pada  kisi  dengan  urutan  tertentu  yang  dikenal  dengan sinogram yang ditampilkan pada  Gambar 6. Data tersebut kemudian direkonstruksi dengan metode  iteratif,  yang  pertama  kali  diusulkan  oleh  Kaczmarz.  Pada  tahun  1973  Herman, Lent  dan  Rowland  menurunkan  persamaan  tersebut  yang  dikenal  sebagai  metode  ART ( Algebraic Reconstruction Technique ), dengan persamaan sebagai berikut,
(1)
(2) (3) (4)
dengan :
= nilai objek ke-i setelah iterasi ke- k+1
= nilai objek ke-i sebelumnya (iterasi ke- k)
ij w =  bobot  yang  menunjukkan  luasan  sel  tertentu  yang  terlewati  berkas  sinyal akustik, dengan 0  ij w  1.
j p = ray-sum TOF terukur yang diperoleh dari simulasi
j q = ray-sum TOF perhitungan
Proses iterasi akan dihentikan jika nilai error  t telah mencapai batas limit yang diinginkan. Semakin  kecil  nilainya,  hasil  yang  diperoleh  akan  semakin  valid,  namun  akan  menambah ongkos  komputasi.  Sehingga  biasanya  akan  dipilih  pada  nilai  tertentu  yang  sudah  akan menghasilkan nilai yang cukup valid dengan ongkos komputasi yang optimal.

## 4 Hasil dan Kesimpulan
Untuk  memastikan  bahwa  sistem  tomografi  listrik-akustik  dapat  bekerja,  perlu  dihitung terlebih  dahulu  syaratnya  sehingga  terpenuhinya  proses  tersebut.  Syarat  yang  harus dipenuhi adalah besarnya injeksi arus listrik sehingga sinyal akustik dihasilkan dalam objek tersebut.  Kedua  adalah  injeksi  arus  listrik  yang  digunakan  tersebut  masih  dalam  kategori aman bagi tubuh manusia.
Sinyal akustik dapat dibangkitkan di dalam objek plastis, untuk dapat menghasilkan sinyal akustik tersebut diperlukan minimal intensitas tertentu. Intensitas adalah besarnya energy persatuan waktu tiap satuan luas.  Dalam sistem tomografi fotoakustik, pulsa laser Nd-YAG dengan energy 30 mJ,  durasi pulsa 4.7 ns, diameter berkas 1.5 cm  dan laju  pengulangan 10 Hz cukup untuk membangkitkan sinyal akustik [8]. Intensitas pulsa laser tersebut setara dengan  54,054  mW/cm 2 ,  yang  masih  berada  di  bawah  ambang  batas  intensitas  aman, karena menurut standard  ANSI limit aman intensitas pada kulit tubuh adalah 100 mJ/cm 2 [8]. Dengan menggunakan persamaan energy listrik dalam  objek yang memiliki  resistivitas tertentu, maka intensitas sebesar 54.054 mW/cm 2 tersebut jika dikonversi ke pulsa energy listrik yang memiliki durasi pulsa 1  s, laju pengulangan 100 Hz, luas electrode 1 cm 2 , dan resistivitas  kulit  tubuh  manusia  100  Ω,  maka  arus  yang  diperlukan  adalah  2.32  A.  Arus tersebut  lebih  kecil  dari  arus  yang  diusulkan  oleh  peneliti  lain  yaitu  sebesar  3A  dengan durasi 1  s [5].
Hasil  proses  scanning  dari  objek  numerik  tersebut  berupa  data  sinogram  TOF,  yang ditunjukkan  pada  Gambar  7  (b)  dan  8  (b),  secara  simulasi  data  sinogram   TOF  diperoleh dengan  menggunakan  persamaan  (4).  Sinogram-sinogram  hasil  proses  scanning  sistem tomografi listrik-akustik tersebut kemudian direkonstruksi dengan metode rekonstruksi ART pada persamaan (1) dan (2), sehingga diperoleh citra -citra hasil  rekonstruksi, dengan hasil ditunjukkan pada  Gambar 7 (c) dan 8 (c).  Proses  rekonstruksi akan dihentikan jika error  t sudah  mencapai  nilai  lebih  kecil  dari  10  -  4.  Untuk  mencapai  kondisi  tersebut  ternyata membutuhkan sejumlah 8 kali iterasi.
Gambar 7 (a) Objek numerik rongga dada dengan paru-paru normal (b) sinogram data TOF (c) citra rekonstruksi
Gambar 8 (a) Objek numerik rongga dada dengan paru-paru mengandung kanker
(b) sinogram data TOF (c) citra rekonstruksi
Dari citra rekonstruksi yang diperoleh terlihat bahwa dalam rongga dada hanya terlihat tiga kelompok  jaringan,  yaitu  paru,  tulang,  dan  jaringan  lain.  Jaringan  lain  tersebut  meliputi organ jantung, lemak, kulit, dan kanker paru, yang memiliki kontras rendah sehingga sangat sulit  untuk  membedakannya.  Hal  yang  menguntungkan  adalah  tingginya  nilai  kontras antara  organ  paru  dengan  jaringan  kanker  paru,  sehingga  memungkinkan  dengan  mudah membedakan antara organ paru dan jaringan kanker paru, seperti tampak paga Gambar 8 (c).  Dengan  demikian  sistem  tomografi  ini  sangat  prospektif  untuk  digunakan  sebagai sistem deteksi kanker paru.
Kesimpulan :
1. Sistem  tomografi  listrik-akustik  prospektif  untuk  dikembangkan  karena  dapat menghasilkan dua data sekaligus, yaitu data akustik dan data potensial listrik.
2. Data  sinyal  akustik  memiliki  kemampuan  untuk  digunakan  melakukan  deteksi kanker  paru  karena  kontrasnya  nilai  akustik  antara  organ  paru  dan  jaringan  kanker paru.

## 5 Daftar Pustaka
[1]   Tjandra Yoga Aditama, 1993, Situasi Beberapa  Penyakit  Paru di Masyarakat, Cermin Dunia Kedokteran
[2]   M. Decramer and  D. Roussos, 2002, Imaging and Lung Dieses, European Respiratory Journal.
[3] Yixiong Su, Fan Zhang, Kexin Xu, Jianquan Yao and Ruikang K Wang, J. Phys.  D: Appl.
Phys.  38  (2005)  2640–2644,  A  photoacoustic  tomography  system  for  imaging  of biological tissues.
[4]   Roberto T. Blanco, Risto  Ojala, Juho  Kariniemi, Jukka Perala, Jaakko Niinimaki, Osmo Tervonen,  2005,  European  Journal  of  Radiology  56(2005)  130-142,  Interventional and Intraoperative MRI at low field scanner- a review.
[5] Bastian Gebauer and  Otmar Scherzer, 2008, SIAM J. APPL. MATH. Vol. 69, No. 2, p p. 565–576, Impedance-acoustic tomography
[6] C.  Pintavirooj,  A.  Romputtal,  A.  Ngamlamiad,  W.  Withayachumnankul  and  K.
Hamamoto, 2003, Ultrasonic Refractive Index Tomography, Journal of WSC G, Vol.12, No.1-3.
[7] Avinash  C  Kak  dan  Malcolm  Slaney,  1999,  Principles  of  Computed  Tomography Imaging, IEEE Press, New York.
[8] Xueding Wang, Yuan Xu, and Minghua Xu, Seiichirou Yokoo and Edward S. Fry, Lihong V.  Wang  ,  2002,  Photoacoustic  tomography  of  biological  tissues  with  high  cross - section resolution: reconstruction and experiment.