JUISI, Vol. 03, No. 02, Agustus 2017 1 Estiasi Sinyal Quantitative Ultrasound QUS dengan Algorita Space Alternate Generalized Expectation (SAGE) Musayyanah 1, Yosefine Triwidyastuti 2, Heri Pratikno 3 Abstrak- Kesehatan tulang enjadi salah satu perhatian saat ini, sehingga penelitian tentang kesehatan tulang banyak dikebangkan, diulai dari deteksi kepadatan tulang berdasarkan hasil CT-Scan dan pengukuran tulang dengan enggunakan alat ultrasound yang relatif urah dan efek radiasi yang kecil, yaitu enggunakan QUS Achilles Express. Sinyal ultrasound yang dipancarkan oleh alat QUS engalai pantulan dan haburan akibat dari perbedaan struktural tulang tuit. Pantulan dan haburan tersebut ebuat koponen dari sinyal ultrasound perlu diestiasi khususnya untuk aplitudo dan phase. Metode estiasi yang digunakan pada penelitian ini adalah etode SAGE yang epunyai resolusi tinggi. Pengujian etode tersebut dala engestiasi sinyal ultrasound ditunjukkan dengan grafik nilai error terhadap perubahan nilai SNR. Hasil pengujian enunjukkan bahwa SAGE dapat engestiasi paraeter phase dan aplitudo ketika SNR 0-5 db. Kata Kunci: SAGE, QUS, dan Ultrasound Abstract- Research on bone health has been developed, starting fro the detection of bone density based on the results of a CT scan and bone easureents using ultrasound equipent which is relatively cheap and has sall radiation effects, such as QUS Achilles Express. Ultrasound signal eitted by QUS suffers reflection and scattering as a result of structural differences in the bone heel. Reflection and scattering akes the coponents of ultrasound signals need to be estiated, especially for aplitude and phase. The estiation ethod used in this study is the SAGE ethod that has a high resolution. The test results indicate that SAGE can estiate the phase and aplitude paraeters when SNR 0-5 db. Keywords: SAGE, QUS, and Ultrasound 1 Dosen, Progra Studi Siste Koputer, Institut Bisnis dan Inforatika Stiko Surabaya 60298 INDONESIA (tlp: 031-8721731; fax: 031-8710218; eail: usayyanah@stiko.edu) 2 Dosen, Progra Studi Siste Koputer, Institut Bisnis dan Inforatika Stiko Surabaya 60298 INDONESIA (tlp: 031-8721731; fax: 031-8710218; eail: yosefine@stiko.edu) 3 Dosen, Progra Studi Siste Koputer, Institut Bisnis dan Inforatika Stiko Surabaya 60298 INDONESIA (tlp: 031-8721731; fax: 031-8710218; eail: heri@stiko.edu) I. PENDAHULUAN Kesehatan tulang pada uunya enjadi salah satu perhatian asyarakat, sehingga bidang edis engebangkan penelitian tentang kesehatan tulang, salah satunya adalah penelitian kesehatan tulang dengan enggunakan etode QUS (Quantitave Ultrasound). Metode ini enarik perhatian banyak iluwan karena karakteristik alai dari ultrasound yaitu aplikasinya relatif urah, udah dan sederhana. Salah satu aplikasinya dapat digunakan untuk endiagnosa osteoporosis [1]. Paraeter uu yang digunakan pada QUS adalah Speed of Sound (SoS) dan Broadband Ultrasound Attenuation (BUA) [2]. SoS erupakan kecepatan ultrasonik yang erabat elalui ediu sedangkan BUA erupakan derajat keiringan dari grafik atenuasi terhadap frekuensi. Kedua paraeter tersebut enentukan kualitas kerapatan tulang. Salah satu alat yang dikebangkan dengan enggunakan etode ini adalah QUS Achilles Express yang digunakan untuk engukur kerapatan tulang. Akan tetapi alat ini hanya bisa engirikan sinyal ultrasound pada bagian tuit kaki anusia seperti pada Gabar1. Alat QUS Achilles erupakan alat yang relatif udah digunakan, hanya dengan cara enggunakan tuit kaki, diana kondisi tuit kaki harus bersih. Pengukuran data sapel dilakukan pada tuit kanan aupun tuit kiri. Hasil dari pengukuran dapat dilihat dari nilai BUA dan SoS yang tapil pada alat tersebut. Dari hasil nilai tersebut aka dapat disipulkan kepadatan tulang tuit yang telah diukur. Sinyal ultrasound yang dikirikan engandung koponen frekuensi, aplitudo dan phase. Sinyal ultrasound yang bertransisi enebus tuit anusia akan engalai pantulan [3] akibat dari ediu tulang anusia yang berbeda, sehingga enyebabkan sinyal ultrasound engalai peleahan atau redaan. Peleahan tersebut engakibatkan koponen sinyal ultrasound engalai kesalahan inforasi kualitas tulang. Redaan yang terjadi dari sinyal QUS yang diteria, engakibatkan kesalahan analisa dala enentukan kepadatan tulang. Penelitian ini enganalisa koponen sinyal ultrasound dengan enggunakan etode Space Alternating Generalized Expectation (SAGE). Pada [4] ebuktikan bahwa SAGE eiliki tingkat keakuratan yang tinggi dala engestiasi koponen sinyal akibat ultipath. Sinyal ultrasound yang akan dikirikan oleh transduser QUS dala bentuk transfer function terdiri dari koponen respon aplitudo dan respon phase. Koponen ini enentukan paraeter BUA dan SoS yang dibutuhkan dala analisa kualitas kerapatan tulang, Musayyanah: Estiasi Sinyal Quantitative Ultrasound... ISSN: 2460-1306
2 JUISI, Vol. 03, No. 02, Agustus 2017 sehingga sangat perlu diketahui kinerja SAGE dala pengestiasian koponen tersebut. Kinerja SAGE ditinjau dengan nilai Root Mean Square Error (RMSE) terhadap perubahan nilai SNR. Gabar 1. Pengukuran Tulang Tuit dengan QUS Achilles Sinyal ultrasound yang dibangkitkan dengan koponen respon aplitudo dan respon phase terdiri dari sinyal ultrasound fast wave dan sinyal ultrasound slow wave, yang pernah dilakukan pada [5]. Koponen tersebut akan dibandingkan dengan sinyal referensi ultrasound, diana sinyal referensi ini erupakan data sinyal ultrasonik yang elalui air atau dengan kata lain tanpa adanya objek di antara transduser [3]. Perbandingan antara koponen dari hasil pengukuran dan koponen sinyal referensi dijadikan sebagai bahan analisa kinerja SAGE dala endapatkan koponen tersebut. II. Siste Model Ultrasound didefinisikan sebagai gelobang ekanik yang erabat di ediu yang elastik pada frekuensi yang lebih tinggi, yang dapat terdeteksi oleh telinga anusia. Transisi gelobang ultrasound elewati suatu ediu akan engalai perpindahan partikel akibat pantulan dari tulang, dengan struktur yang berbeda. Gelobang ultrasound yang erabat terdiri dari fast wave dan slow wave. Fast wave erupakan gelobang ultrasound yang terdiri koponen phase yang bergeser pada tulang susu, sedangkan slow wave hasil dari pantulan yang engakibatkan pergeseran phase gelobang di seluruh ediu tulang. Pada penelitian ini, pebangkitan sinyal ultrasound terdiri dari respon phase dan respon aplitudo dala doain frekuensi ditunjukkan pada persaaan (1) H ( f ) ( ( f ) j ( f )) e (1) diana : H ( f ) : transfer function dari M sinyal utipath ( f ) : respon aplitudo yang didapatkan dari hasil pengukuran paraeter BUA ( f ) : respon phase yang didapatkan dari hasil pengukuran SoS Nilai respon aplitudo dan respon phase sinyalfastwave dan slowwave ditunjukkan pada Tabel 1 dan Tabel 2. Pengkukuran tersebut dilakukan pada ketebalan tulang tuit yang berbeda-beda dengan 6 sapel, diana setiap sapel dilakukan dua kali artinya untuk tuit kanan dan tuit kiri. Tabel-tabel tersebut enunjukkan hasil dari respon phase dan respon aplitudo dari paraeter BUA dan SoS. Tabel 1. Hasil Respon Aplitudo dan Respon Phase dari fastwave Sapel Respon Phase Tebal Objek (c) Respon Aplitudo 1 4,1 0,014-7,62 4,1 0,014-7,62 2 4,3 0,161-3,51. 4,3 0,012-8,31 3 3,8 0,114 4,10 3,8 0,157 3,74. 4 3,5 0,004-5,12 3.5 0,0164 0,00167 Nilai respon aplitudo dan respon phase pada Tabel 1 dan Tabel 2 didapatkan dari perhitungan berdasarkan persaaan (2) dan (4). Tebal objek adalah tebal tulang tuit anusia dengan hasil pengukuan BUA dan SoS yang berbeda-beda. Nilai BUA dan SoS yang berbeda-beda akibat sinyal ultrasound terpantul dari struktur tulang yang berbeda-beda eskipun eiliki tebal tulang yang saa. Tabel 2. Hasil Respon Aplitudo dan Respon phase dari slow wave Sapel Tebal Objek 1 4,1 0,375 4,1 0,375 2 4,3 0,908 4,3 0,036 3 3,8 0,015 3,8 0,223 4 3,5 0,005 3,5 0,0177 Respon Aplitudo Respon Phase Respon Aplitudo didapatkan dari perhitungan pada persaaan (2) At(d ) e (2) diana : : respon aplitudo At : Attenuasi (Nepers/Mhz) ISSN: 2460-1306 Musayyanah: Estiasi Sinyal Quantitative Ultrasound...
JUISI, Vol. 03, No. 02, Agustus 2017 3 d : ketebalan tulang () Nilai Attenuasi atau redaan didapatkan dari hasil pengukuran paraeter BUA yang ditunjukkan pada persaaan (3) BUA (ln 10) At (3) 20(2 ) diana : BUA : hasil pengukuran dari QUS Achilles (db/mhz) At : attenuasi (Nepers/Mhz) Respon phase didapatkan dari paraeter SoS yang pada persaaan (4), d d (4) ( SoS ) V Diana : : respon phase d : tebal objek V : kecepatan ultrasound dala air Paraeter respon aplitudo dan respon phase akan diestiasi oleh algorita SAGE dengan eperhatikan julah path (M) yang akan disiulasikan. Sinyal yang diteria ditunjukkan pada persaaan (5). M S ( f ) S 1 Diana Z ( f ) : AWGN ( f ) Z ( f ) S ( f ) : koponen sinyal diana definisi dari sinyal (5) koponen ditunjukkan pada persaaan (6) S ( f ) : sinyal yang diukur Koponen sinyal tersebut terdiri paraeter frekuensi, aplitudo dan phase. Aplitudo dan phase dihipun dala satu variabel P ditunjukkan sebagai berikut, P = { }. Output dari SAGE adalah paraeter phase dan aplitudo yang nantinya dibandingkan dengan paraeter dari sinyal referensi, sinyal referensi erupakan sinyal ultrasonik yang elalui air atau dapat dikatakan tanpa penghalang objek, sinyal referensi ditunjukkan pada persaaan (7). Pebangkitan sinyal referensi engacu pada [2]. S ( f ) R( f ) H ( f ) (6) Diana : R ( f ) : sinyal referensi didefinisikan pada persaaan (7) H ( f ) : sinyal ultarsound dari hasil pengukuran didefinisikan pada persaaan (1) [( 0, 1,. f ) j( 0, 1,. f )] R( f ) e (7) Diana : atenuasi konstan ( : 4.2 untuk sinyal ultrasound 0, 0, slow wave dan : 6.4 untuk sinyal ultrasound fast wave) 0, : keiringan redaan linier ( 1, 1, : 1.38 10-6 untuk sinyal ultrasound slow wave dan : 2.45 10-6 untuk 1, sinyal ultrasound fast wave) : pergeseran phase konstan ( : 0.6 untuk sinyal 0, 0, ultrasound slow wave dan : 2.1 untuk sinyal ultrasound 0, fast wave) : phase linier dari ultipath ( : -12.6 10-6 untuk 1, 1, sinyal ultrasound slow wave dan sinyal ultrasound fast wave). : -31,4 10-6 untuk 1, Sinyal ultrasound yang diteria diubah kebali enjadi sinyal litrik [ITB], sinyal tersebut ditunjukkan pada gabar 1 dan 2 di bawah ini, Gabar 2. Sinyal Ultrasound Fast Wave Sinyal ultrasound fast wave yang ditabahkan noise enunjukkan bahwa sinyal AWGN epengaruhi sinyal ultrasound fast wave, diana terdapat beberapa titik dari gabar tersebut yang engalai penguatan dan peleahan. Musayyanah: Estiasi Sinyal Quantitative Ultrasound... ISSN: 2460-1306
4 JUISI, Vol. 03, No. 02, Agustus 2017 dilanjutkan dengan perhitungan nilai error antara paraeter dari hasil update dengan paraeter dari sinyal referensi. Proses update ini dilakukan untuk setiap koponen sinyal. Paraeter sinyal tersebut ditunjukkan pada ruus sebagai berikut : ˆ 1 ˆ k M ˆ k " arg in R( f ) H ( P ; f ) S ( f ) R( f ) H ( P ; f ) M 1 1 M k 1 M k ˆ" R( f ) H ( Pˆ ; f ) S ( f ) R( f ) H ( Pˆ ; f ) K M 1 Diana : ˆ" : paraeter phase yang terupdate ˆ" : paraeter aplitudo yang terupdate (9) (10) Gabar 3. Sinyal Ultrasound Slow Wave Penabahan noise tidak terlalu berpengaruh terhadap sinyal ultrasound slow wave. III. Space Alternating General Expectation (SAGE) SAGE erupakan salah satu etode yang digunakan untuk endapatkan paraeter-paraeter sinyal dari ultipath. SAGE banyak diusulkan karena epunyai resolusi tinggi dala eisahkan sinyal akibat utipath. SAGE dapat diterapkan pada analisa sinyal ultrasound dari pengukuran tulang tuit anusia dengan enggunakan QUS Achilles Express, akibat pantulan objek tulang. SAGE terdiri dari 2 langkah untuk encapai tingkat keakuratan yang tinggi, yaitu : Proses E-Step dan M-Step dilakukan sapai encapai nilai konvergen antara paraeter sinyal hasil siulasi dengan sinyal referensi. Untuk endapatkan nilai konvergen, dilakukan proses inisialisasai dan proses update, diana proses inisialisasi adalah proses untuk endapatkan paraeter awal diana langkah E-Step dan M-Step tetap diproses, sedangkan proses update adalah proses paraeter awal yang dilanjutkan dengan langkah E-Step dan M-Step kebali terus enerus untuk encapai nilai yang konvergen diana paraeter dari hasil SAGE didapatkan. Proses dari pebangkitan sinyal sapai perhitungan error dari kinerja SAGE ditunjukkan pada gabar 4. 1. Expectation Step Tahap Ekespektasi erupakan tahap untuk endapatkan data dari koponen sinyal tertentu yang terkait langsung dengan paraeter-paraeternya dengan cara eisahkan sinyal lintasan akibat ultiptah. Pada proses ini eliputi proses inisialisasi awal sapai endapatkan nilai paraeter baru dari proses ini atau disebut paraeter update. = { }, Sinyal ultrasound dihitung selaa ke-k dari proses ekspektasi step dengan peruusan (8) ˆ k 1 ˆ k M ( ˆ k S ( f ) R( f ) H ( P ; f ) S( f ) R( f ) H P ; f ) diana (8) : M 1 ˆ k S ( f ) : sinyal ultrasound setelah proses E-Step ˆ k H ( P ; f ) : transfer function dengan paraeter yang sudah terupdate M : ultipath (a) Sinyal ultrasound yang diteria 2. Maxiazation Step Langkah ini engupdate setiap paraeter yang didapatkan dari proses E-step secara berurutan yang keudian ISSN: 2460-1306 Musayyanah: Estiasi Sinyal Quantitative Ultrasound...
JUISI, Vol. 03, No. 02, Agustus 2017 5 IV. Root Mean Square Eror Hasil estiasi dari sinyal ultrasound enggunakan SAGE dibandingkan dengan sinyal referensi. Eror yang dihasilkan enggunakan etode Root Mean Square Eror (RMSE), yang ditunjukkan pada persaaan di bawah ini : (10) (b) Proses inisialisasi dari proses SAGE Diana : I : iterasi (I : 100) M : julah path (M: 2) : paraeter hasil dari estiasi sinyal ultrasound : paraeter sinyal referensi V. Analisa Perforansi SAGE A. Hasil Estiasi Phase Hasil estiasi dari data pengukuran 6 sapel, (c) Proses update dari proses SAGE Gabar 4. Cara Kerja SAGE Gabar 4a. Menunjukkan sinyal ultrasound yang diteria dengan ditabahkan noise AWGN, Gabar 4b enunjukkan proses inisialisasi dari proses SAGE yang dihitung dengan enggunakan E-Step dan M-Step sebanyak iterasi julah ultipath, sehingga proses ini enghasilkan paraeter awal yang nantinya akan diupdate secara berurutan ( phase dan aplitudo). Pada gabar 4c paraeter di-update secara berurutan sapai encapai nilai konvergen, yang artinya paraeter hasil dari inisialisasi saa dengan paraeter hasil dari proses update atau nilai. Jika perulangan pertaa encapai nilai konvergen, aka hasil paraeter tersebut diupdate kebali sapai selesainya perulangan sebanyak julah ultipath. Cara kerja SAGE enghasilkan paraeter dari hasil pengukuran, yang keudian dari hasil tersebut akan dianalisa dengan perubahan SNR yang dapat epengaruhi koponen sinyal ultrasound. Untuk endapatkan tingkat keakuratan yang tinggi, aka dilakukan proses perulangan atau 1000 iterasi untuk encapai nilai konvergen ( ). Gabar 5. Hasil Estiasi Respon Phase dari Sapel Data 1 Dari hasil sapel data pertaa diana pengukuran dilakukan untuk tebal objek adalah 4,1, enunjukkan bahwa hasil estiasi untuk respon phase pada SNR 5 db sapai 30 db dari hasil pengukuran saa dengan sinyal referensi baik sinyal fastwave dan sinyal slowwave, sedangkan ketika SNR 0 db enunjukkan bahwa sinyal fastwave engalai perbedaan error antar respon phase dari sinyal referensi dengan respon phase sinyal fastwave (hasil ditunjukkan dengan tanda bintang erah dengan bulat agenta). Kesalahan atau eror tersebut dikarenakan ultrasound elewati ediu tulang yang epunyai struktur yang berbeda. Kinerja SAGE engestiasi koponen sinyal ultrasound, sangat akurat baik untuk SNR 5-30 db. Musayyanah: Estiasi Sinyal Quantitative Ultrasound... ISSN: 2460-1306
6 JUISI, Vol. 03, No. 02, Agustus 2017 Gabar 6. Hasil Estiasi Respon Phase dari Sapel Data 2. Hasil estiasi respon phase untuk sapel data kedua, dengan tebal objek 4,3 epunyai perbedaaan kesalahan atau eror ketika SNR 0 db. Respon Phase sinyal slowwave dan fastwaveyang terdeteksi dengan SAGE, engalai kesalahan dari sinyal referensi yang terukur. Hal ini terjadi dikarenakan pantulan yang terjadi, pada tebal objek 4,3 engalai peleahan yang besar, khususnya ketika SNR 0 db. Peleahan tersebut dikarenakan sinyal ultrasound bertransisi pada ediu tulang ke ediu darah atau ke jaringan lunak di sekitar tulang tuit tersebut. Gabar 8. Hasil Estiasi Respon Phase Data Sapel 1 Hasil estiasi phase dari sinyal fastwave pada data sapel ke 8, dengan tebal objek 3.5, enunjukkan kesalahan pada SNR 0 db. Dari data ke-4 sapel tersebut enunjukkan bahwa seakin tebal objek tulang yang diaati, seakin banyak pantulan yang terjadi sehingga engakibatkan peleahan seakin ebesar, khususnya pada SNR 0 db. Nilai kesalahan (RMSE) dari estiasi respon phase dari ke-4 sapel data tersebut, encapai sekitar. B. Hasil Estiasi Aplitudo Kopleks Gabar 7. Hasil Estiasi Respon Phase Sapel Data 5 Hasil estiasi respon phase pada data sapel ke-5 dengan tebal objek 3.8, enunjukkan bawah SNR 0 db untuk sinyal fastwave engalai perbedaan dengan sinyal referensi fastwave. Gabar 9. Hasil Estiasi Respon Aplitudo Data Sapel 1 Hasil estiasi respon aplitudo pada gabar enunjukkan bahwa untuk sinyal slowwave epunyai perbedaan kesalahan yang cukup besar dengan sinyal referensi pada SNR 0 db, sedangkan pada SNR 5-30 db epunyai perbedaan kesalahan sekitar 0.05. Berbeda dengan hasil estiasi sinyal fastwave, respon phase yang didapatkanendekati dengan hasil sinyal referensi pada SNR 0-30 db. ISSN: 2460-1306 Musayyanah: Estiasi Sinyal Quantitative Ultrasound...
JUISI, Vol. 03, No. 02, Agustus 2017 7 ke tiga sapel tersebut epunyai struktur tulang yang saa, sehingga enyebabkan keungkinan hasil estiasi aplitudo saa. VI. KESIMPULAN DAN SARAN Gabar 10. Hasil Estiasi Respon Aplitudo Data Sapel ke- 2 Hasil Estiasi SAGE epunyai kinerja yang baik, untuk estiasi paraeter respon phase dan respon aplitudo pada sinyal ultrasound fast wave dan slow wave. Nilai rata-rata error respon phase yang dihasilkan untuk SNR 0 db sekitar 1,04 0 untuk sinyal ultrasound fast wave, sedangkan nilai rata-rata error respon phase untuk sinyal slow wave adalah 0.27 0 Hasil dari penelitian ini enunjukkan bahwa hasil pengukuran asih perlu dilakukan dengan beberapa sapel yang berbeda dengan variasi uur. DAFTAR PUSTAKA Gabar 11. Hasil Estiasi Respon Aplitudo Data Sapel ke- 3 [1] J. Kaufan, G. Luo, S.Siffert, Ultrasound Siulation in Bone, IEEE Transactions On Ultrasonics, Ferroelectrics, And Frequency Control, Vol. 55, No. 6, pp. 1205-1218, June 2008. [2] S. Dencks, G.Schidtz, R.Barkann, Model Based Estiation in the Frequency Doain for Quantitative Ultrasound Measureent of Bone, IEEE Intenational Ultrasonics Syposiu Proceedings,pp 554-557, 2009. [3] S.Dencks, G.Schidtz, Estiation of Multipath Transission Paraeters for Quantitative Ultrasound Measureent of Bone, IEEE Transcation On Ultrasonics, and Frequency Control, Vol. 60, pp 1884-1895, 2013 [4] Musayyanah, P. Handayani, G.Hendrantoro, P.Hari Mukti Perforance Analysis of The SAGE algorith : Changing the update procedure Intelligent Technology and Its Applications (ISITIA), International Seinar, pp 237-242, 2016. [5] I.N. Budhysulistyani, Ultrasonik untuk Prediksi Osteoporosis STEI ITB. Inforation Disseination Right, ITB Central Library, 2008 Gabar 12. Hasil Estiasi Respon Aplitudo Data Sapel ke- 4 Hasil estiasi aplitudo kopleks pada data sapel ke 2, 3, dan 4 enunjukkan bahwa hasil estiasi aplitudo untuk 0 db, untuk sinyal slow sangat berbeda jauh dengan sinyal referensi slow, sedangkan hasil estiasi respon aplitudo untuk sinyal fast hapir saa (pada gabar ditunjukkan linkaran kecil biru dan erah yang bertupukan ). Hasil etsiasi untuk data sapel 2,3, dan 4 epunyai hasil yang saa dikarenakan, pengukuran dari Musayyanah: Estiasi Sinyal Quantitative Ultrasound... ISSN: 2460-1306