ABSTRAK PENGEMBANGAN SIMULATOR PENGUKURAN KONSENTRASI HEMOGLOBIN NON INVASIVE BERBASIS GIANT MAGNETORESISTANCE Oleh Ahmad Aminudin NIM : 30211002 (Program Studi Fisika) Dalam disertasi ini, telah dilakukan penelitian pengembangan simulator pengukuran konsentrasi hemoglobin non invasive berbasis giant magnetoresistance. Tujuan penelitian ini adalah mendesain dan mengembangkan simulator pengukuran konsentrasi hemoglobin secara non invasive berdasarkan sifat magnetik hemoglobin. Adapun tujuan khusus dari penelitian yaitu: 1) mengembangkan rangkaian giant magnetoresistance (GMR) untuk deteksi medan magnet lemah, 2) mendesain dan membuat sumber medan magnet kuat untuk magnetisasi sampel dalam simulator pengukuran, 3) mengembangkan rangkaian penguat sinyal dan pengolah sinyal sensor GMR, 4) mendesain dan membuat pembangkit aliran fluida sebagai model aliran dalam pembuluh darah, 5) membuat prototipe simulator pengukuran hemoglobin non invasive, dan 6) mengetahui kemampuan simulator pengukuran konsentrasi feri klorit, porfirin dan hemoglobin. Desain simulator ini dibuat untuk mendapatkan model pengukuran konsentrasi hemoglobin tanpa mengambil sampel darah (non-invasive). Simulator pengukuran konsentrasi ini, terdiri dari tempat sampel, pembangkit aliran fluida, magnet permanen, sensor GMR, penguat sinyal, ADC, unit pemroses sinya, display dan personal computer (PC). Pembangkit aliran fluida akan mengalirkan larutan secara terkontrol, kemudian larutan akan termagnetisasi oleh magnet permanen. Ketika larutan mengalir dibawah sensor GMR, keadaan termagnetisasinya larutan akan direspon oleh sensor GMR. Sinyal keluaran sensor GMR diperkuat oleh penguat sinyal yang selanjutnya dikonversi menjadi sinyal digital agar mudah diolah. Respon tegangan sensor GMR terhadap sumber medan magnet 1,1 T untuk variasi jarak pada arah sumbu X menunjukkan tegangan saturasi 372,3 mv pada jarak 2 cm dan tegangan cut-off 29,3 mv pada jarak 10 cm sampai akhirnya menunjukkan tegangan 21,8 V pada jarak 22 cm. Pada arah sumbu Y, pengujian respon sensor GMR menunjukkan tegangan saturasi 373,0 mv pada jarak 3 cm dan tegangan cut-off 21,8 mv pada jarak 22 cm. Hal ini menunjukkan bahwa penempatan sensor GMR setelah melewati jarak 10 cm pada arah X dan 22 cm arah Y, dapat dijadikan rekomendasi sebagai nilai batas dalam pengukuran medan magnet aliran fluida pada desain simulator pengukuran. i
Hasil pengujian faktor penguatan rangkaian penguat sinyal menunjukkan bahwa pada pengaturan gain 10 kali diperoleh 9,5 ±1,2 dan pada pengaturan gain 100 kali diperoleh 97,3 ± 0,8. Pada pemberian tegangan masukan lebih besar 50mV menghasilkan tegangan keluaran jenuh (cenderung konstan) yaitu 4,26 V karena terpotong tegangan sumber V cc dari ICAD524. Hasil pengujian karakteristik arus tegangan motor DC tanpa beban roller menunjukkan bahwa pada tegangan input 0,5 V, motor DC belum berputar dan mulai berputar ketika tegangan input yang diberikan setelah melewati 1,0 V. Arus motor DC bertambah 0,10 A setiap kenaikan tegangan input 1 V. Karakteristik arus tegangan motor DC dengan beban roller menunjukkan bahwa pada tegangan input kurang dari1,5 V, motor DC belum berputar dan mulai berputar ketika tegangan input 1,5 V. Arus motor DC bertambah 0,08 A setiap kenaikan tegangan input 1 V. Karakterisasi kecepatan sudut terhadap tegangan kontrol menunjukkan bahwa rata-rata respon kecepatan sudut roda gigi-1 sebesar 3,939 rpm/volt dan roda gigi-2 sebesar 1,313 rpm/volt untuk setiap kenaikan tegangan 1 Volt. Hasil pengujian laju aliran volume diperoleh nilai sensitivitas sebesar 1,429 x 10-3 ml/volt berdasarkan perhitungan dan 1,431 x 10-3 ml/volt berdasarkan pengukuran. Hasil pengujian ini diterapkan pada pengujian respon sensor GMR terhadap konsentrasi larutan FeCl 3 dengan laju aliran 3,42 cm/s diperoleh sensitivitas sebesar 0,056 mv/µm. Hubungan respon sensor GMR terhadap konsentrasi porfirin dipengaruhi oleh laju aliran. Hasil pengujian pada konsentrasi porfirin menunjukkan bahwa pada laju aliran porfirin 3,42 cm/s, 3,66 cm/s, 3,78 cm/s, 3,94 cm/s, dan 3,99 cm/s memiliki sensitivitas 0,13 mv/µm. Setiap perubahan konsentrasi porfirin 1 µm, sensor GMR mengalami perubahan tegangan sebesar 0,13mV (menggunakan penguatan 100 kali). Laju aliran mempengaruhi jumlah momen magnetik yang mengalir tiap detiknya sehingga mempengaruhi nilai magnetisasi. Pengujian resolusi terhadap konsentrasi porfirin diperoleh sebesar 8x10-6 M. Karakterisasi respon tegangan sensor GMR terhadap konsentrasi hemoglobin dengan variasi laju aliran menunjukkan bahwa pada laju aliran 0,29 cm/s sensitivitas sensor GMR sebesar 20,22 mv/(g/dl), pada laju aliran 0,31 cm/s sensitivitas sebesar 20,34 mv/(g/dl), pada laju aliran 0,33mL/s, sensitivitas sensor GMR terhadap hemoglobin sebesar 20,45 mv/(g/dl), Pada laju aliran 0,35 cm/s. GMR memiliki sensitivitas sebesar 20,59 mv/(g/dl) dan pada laju aliran 0,37 cm/s diperoleh sensitivitas sebesar 20,95 mv/(g/dl). Meningkatnya laju aliran direspon oleh sensor GMR dengan sensitivitas semakin besar. Semakin cepat laju aliran menyebabkan volume hemoglobin yang diindera sensor GMR tiap detiknya semakin banyak. Secara keseluruhan, pengembangan simulator pengukuran konsentrasi hemoglobin secara non-invasive berbasis giant magnetoresistance telah berhasil dibuat. ii
Simulator pengukuran konsentrasi hemoglobin ini menggunakan aliran fluida dengan kecepatan aliran 0,05 0,4 cm/s yang dapat mewakili kecepatan aliran pada pembuluh darah capillaries yaitu sekitar 0,1 cm/s yang bersifat konstan. Untuk mendapatkan laju aliran yang berosilasi seperti pada pembuluh darah yang besar (aorta dan vena cava) diperlukan pengembangan pembangkit laju aliran yang berosilasi mengikuti denyut jantung manusia. Kata kunci : Sensor GMR, Sensitivitas, hemoglobin meter, metode non-invasive, medan magnet, simulator iii
ABSTRACT SIMULATOR DEVELOPMENT OF NON INVASIVE MEASUREMENT OF HEMOGLOBIN CONCENTRATION BASED ON GIANT MAGNETORESISTANCE By Ahmad Aminudin NIM: 30211002 (Doctoral Study Program of Physics) Research and simulator development of non-invasive measurement of hemoglobin concentration based on giant magnetoresistance. The purpose of this study designed and developed the simulator measurement of hemoglobin concentration in a non invasive based on the magnetic properties of hemoglobin. The specific objectives of the research are: 1) Develop a circuites of giant magnetoresistance (GMR) sensors for measuring weak magnetic fields, 2) Design and create a source of strong magnetic field for intrumentation system, 3) Develop of signal amplifier and signal processor analog sensor GMR, 4) Design a model of generator for the fluid flow in the blood vessels, 5) Measuring devices to create a prototype non-invasive hemoglobin levels, and 6) Testing to determine the ability of sensor for sensing the concentration of ferric chlorite, porphyrin and hemoglobin. Simulator design is made to get the hemoglobin concentration measurement model without taking blood samples (non-invasive). The Simulator measurement is consists of a sample, fluid flow generator, a permanent magnet, GMR sensor, signal amplifier, ADC, processing unit, display and personal computer (PC). Plants will drain the fluid flow is controlled solution, then the solution will be magnetized by the permanent magnet. While the solution is flowing below the GMR sensor, solution will be responded by the GMR sensor. GMR sensor output signal is amplified by a signal amplifier which then is converted into a digital signal to be easily processed. Response of GMR sensor voltage to the magnetic field 1,1 T versus distance variation on the X-axis direction indicates the saturation voltage 372.3 mv at a distance of 2 cm and cut-off voltage 29.3 mv at a distance of 10 cm to finally shows a voltage of 21.8 mv at a distance of 22 cm. On the Y-axis direction, testing GMR sensor response indicates the saturation voltage 373.0 mv at a distance of 3 cm and cut-off voltage 21.8 mv at a distance of 22 cm. This indicates that the GMR sensor placement after passing a distance of 10 cm in the direction of the X and Y directions 22 cm, can be recommended as the limit value in design of the measurement of the fluid flow magnetic field. iv
Results of testing the amplification factor of amplifier circuit indicates that the gain setting 10 times gained 9.5 ± 1.2, and the gain setting 100 times obtained 97.3 ± 0.8. In granting greater input voltage 50mV produces saturated output voltage (relatively constant) is 4.26 V for truncated source voltage Vcc of ICAD524. Results of tests the current-voltage characteristics of a DC motor with no load roller indicates that the input voltage of 0.5 V, DC motor is not spinning and start spinning when the input voltage is 1.0 V. granted after passing a DC motor Flow increased 0.10 A any increase in voltage 1 V. input current-voltage characteristics of DC motor with the load roller indicates that the input voltage is less from 1.5 V, dc motor is not spinning and start spinning when the input voltage is 1.5 V. DC motor current increases 0.08 A any increase in the input voltage 1 V. Characterization of the angular velocity of the control voltage shows that the average response of the angular velocity of the gear-1 at 3.939 rpm/volt and 2nd gear at 1.313 rpm/volt for every increase 1 Volt. The test results obtained by the value of the volume flow rate sensitivity of 1.429 x 10-3 ml/volt based on the calculation and 1.431 x 10-3 ml/volt based measurements. The results of these tests applied to test the GMR sensor response to concentration FeCl3 solution with a flow rate of 3.42 cm/s obtained a sensitivity of 0.056 mv/lm. GMR sensor response relationship to porphyrin concentrations are influenced by the flow rate. The test results showed that the flow rate of the porphyrin 3.42 cm/s, 3.66 cm/s, 3.78cm/s, 3.94 cm/s 3.99 cm/s have sensitivity 0.13 mv/μm. It shows more and more solution volume shows the volume of the magnetic moment more so the greater the value of magnetization. Values greater magnetization generates a magnetic field which is great so the greater sensing GMR sensor. These results also show the GMR sensor capable of responding consentration porphyrins on the order of micro mollar. Characterization of GMR sensor voltage against variations in hemoglobin levels with a flow rate indicates that the flow rate of 0.29 cm/s GMR sensor sensitivity of 20.22 mv/(g/dl), the flow rate of 0.31 cm/s sensitivity of 20.34 mv/(g/dl), at a flow rate 0.33 cm/s, the GMR sensor sensitivity to hemoglobin of 20.45 mv/(g/dl), at a flow rate of 0.35 cm/s. GMR has a sensitivity of 20.59 mv/(g/dl) and at a flow rate of 0.37 cm/s obtained a sensitivity of 20.95 mv/(g/dl). The flow rate increases responded by GMR sensor with greater sensitivity. Increase in the flow rate of the GMR sensors respond with greater sensitivity. The faster the flow rate cause hemoglobin volume per second GMR sensors to feel more and more. Volume of hemoglobin increasingly affect the volume of the magnetic moment of hemoglobin, so the greater the value of the magnetization. Magnetization larger value generates a magnetic field which is great so the greater the GMR sensor taste. Overall, the measurement of the concentration of simulator development is a non-invasive hemoglobin-based giant magnetoresistance has been successfully created. v
Simulator measurement uses of a flow rate of 0.05 to 0.4 cm/s to represent the flow velocity in the blood vessel capillaries is about 0.1 cm/s which is constant. To obtain an oscillating flow rate as in large blood vessels (aorta and vena cava) requires the development of plants which oscillates flow rate follows the human heart rate. Key word: GMR sensor, Sensitivitive, hemoglobin meter, non-invasive mothod, magnetic field, simulator. vi