Kategori
Opinion

Teknologi Dibalik GeNose COVID-19

GeNose adalah sebuah alat pendeteksi Volatile Organic Compounds (VOC) yang dikembangkan oleh tim peneliti dari UGM. Penelitian ini memang menyasarkan untuk deteksi penyakit melalui kandungan molekul VOC dalam hembusan napas. Tim peneliti tersebut telah melakukan modifikasi agar sistem GeNose yang dikembangkan dapat digunakan untuk mendeteksi COVID-19. Saya tidak akan bahas tahap uji klinis ataupun kemampuan GeNose dalam mendeteksi COVID-19, namun lebih ke teknologi dan pengembangan apa saja yang dilakukan oleh tim GeNose. Ada beberapa teknologi yang mendasari pembuatan GeNose ini, pertama dari fabrikasi sensor, akuisisi data (DAQ), dan pemodelan (machine-learning).

Sensor Berbasis Quartz Crystal Microbalance

Sensor yang digunakan oleh GeNose adalah sensor berbasis Quartz Crystal Microbalance (QCM). Sensor tipe ini difabrikasi dengan menggakan proses pelapisan dengan sebuah alat spincoating, untuk membuat lapisan tipis (thin-film) yang dapat mengadsorpsi partikel/molekul yang diinginkan. Sensor QCM ini akan menghasilkan pergeseran frekuensi berdasarkan perbedaan massa akibat adanya molekul yang tertangkap oleh bahan sensitif tersebut. Menggunakan proses spin-coating tadi, berbagai pilihan bahan sensitif dapat dipilih untuk mengatur selektifitas dan sensitifitas terhadap molekul gas tertentu.

Sistem GeNose menggunakan empat jenis polimer sebagai lapisan penginderaannya, yaitu polyacrylonitrile (PAN), poly(vinyl acetate) (PVAc), poly(vinylidene fluoride) (PVDF), dan poly(vinyl pyrrolidone) (PVP). Bahan-bahan ini dilarutkan dalam sebuah pelarut (solvent) dengan konsentrasi tertentu, sesuai Tabel 3 dalam paper, dan dilakukan proses spincoating dengan kecepatan angular tertentu dalam kurun waktu tertentu, kecepatan dan waktu putaran berkorelasi langsung dengan tebal-tipisnya lapisan yang dihasilkan, umumnya dalam nanometer.

Melalui keempat elemen sensor ini, sistem dapat membaca tujuh jenis VOC, yakni methanol, ethanol, propanol, butanol, benzene, toluene, dan xylene.

A quartz crystal microbalance sensor and the interaction between odour... |  Download Scientific Diagram
Gambar 1. Ilustrasi diagram blok sebuah elemen QCM dengan lapisan sensitif

Rangkaian Akusisi Data

Komponen elektronika dari sistem ini adalah osilator dan penghitung frekuensi. Sistem osilator terdiri dari kristal QCM, rangkaian osilator driver (terdiri dari SN74LVC1GX04 dan beberapa resistor dan kapasitor). Rangkaian osilator ini menghasilkan gelombang sinyal kotak yang mengikuti frekuensi resonansi dari QCM, lalu frekuensi ini dibaca oleh sebuah penghitung frekuensi. Penghitung frekuensi dibuat menggunakan Arduino Due, menggunakan 32-bit timer counter yang mampu mengukur frekuensi hingga 21 MHz.

Sistem elektronika ini dibuat dalam satu PCB yang sama, terdiri dari 4 buah sensor QCM, empat rangkaian osilator dan sensor kelembaban dan temperatur yang ditutup dengan sebuah air-tight chamber dengan pipa masuk dan pipa keluar untuk udara masuk dan keluar. Agar udara tidak keluar sama sekali, di antara PCB dan chamber dipasang lapisan karet untuk menjaga hubungan antara keduanya tetap kedap udara.

Figure 1
Gambar 2. (a) Skematik rangkaian osilator (b) blok diagram setup pengukuran gas, (c-e) penampakan sistem GeNose

Machine Learning

Pemrosesan data menggunakan Machine Learning, data yang diambil oleh sistem GeNose ini sejumlah 1120 time series data, 280 untuk masing-masing sensor dalam array tersebut. Data mentah ini selanjutnya dilakukan pemrosesan (pre-processing) menggunakan nilai AUC sebagai berikut

\displaystyle AUC_{i,j} = \int_{t=a}^{t=b}(f_{i,j}(0) - f_{i,j}(t)) dt

Setelah proses ini, matriks dataset menjadi 210 nilai AUC untuk empat sensor, nilai ini dipakai untuk melakukan proses Linear Discriminant Analysis ataupun Principal Component Analysis + Support Vector Machine.

GeNose dari UGM merupakan proses panjang pengembangan, mulai dari pengembangan elemen sensor, pembuatan rangkaian pembacaan dan software nya, serta proses statistika dan machine learning untuk identifikasi. Bagaimanapun hasil dari uji klinis, saya rasa penemuan ini tetap merupakan penemuan menarik, hasil karya yang dapat diberikan apresiasi tinggi, sebuah upaya nyata dari sebuah tim ilmuwan, perekayasa, dan dokter untuk berkontribusi dalam menanggulangi COVID-19. Walaupun data akhirnya menyatakan bahwa sistem kurang cocok untuk COVID-19, tetap adanya potensi penggunaan alat ini untuk aplikasi-aplikasi lainnya.

Disclaimer:
Saya adalah lulusan teknik Elektro dengan pengalaman di laboratorium nanoelektronika dan rangkaian elektronika. Ilmu yang saya miliki untuk menginterpretasikan penelitian berdasarkan jurnal Intelligent Mobile Electronic Nose System Comprising a Hybrid Polymer-Functionalized Quartz Crystal Microbalance Sensor Array | ACS Omega hanya dalam sisi fabrikasi sensor dan rangkaian elektronika penunjangnya. Penelitian dan pengembangan GeNose melibatkan berbagai ilmuwan dari berbagai disiplin ilmu.

Sumber rujukan:

  1. Intelligent Mobile Electronic Nose System Comprising a Hybrid Polymer-Functionalized Quartz Crystal Microbalance Sensor Array (acs.org)
  2. (35) GeNose: Teknologi Pengendus Covid-19 | Serah Terima Konsorsium Riset dan Inovasi COVID-19 – YouTube
  3. Genosvid Diagnostic Test for Early Detection of COVID-19 – Full Text View – ClinicalTrials.gov
Kategori
Electronics

Industrial Grade atau Medical Grade: Pembacaan Thermo Gun di Gedung Publik

Thermometer berbasis infrared menjadi marak digunakan di berbagai pintu masuk ruang publik ataupun perkantoran. Hal ini dilakukan demi memastikan semua orang yang masuk ke dalam ruangan publik ini tidak memiliki gejala-gejala COVID-19. Penggunaan termometer ini sangat efektif untuk mendapatkan pembacaan yang cepat, sesuai dengan kebutuhan screening di pintu masuk yang mempunyai lalu lintas yang tinggi.

Dilihat dari sisi Biomedical Engineering, ada dua cara pembacaan temperatur secara digital yang dapat dilakukan, menggunakan thermocoupling dan thermistor: bentuk termometer yang biasa masuk rektum atau mulut, atau menggunakan infrared, bentuk thermogun yang untuk membaca temperatur di dahi atau di kuping. Umumnya yang dipakai di gedung adalah yang berbasis thermogun karena kecepatan pembacaannya. Namun dia memiliki kekurangan yaitu pembacaan yang bisa kacau akibat suhu lingkungan atau akibat cahaya inframerah dari pantulan cahaya matahari.

Beberapa hari ini, saya lihat berbagai keluhan dari teman-teman yang mendapatkan angka pembacaan di bawah 35 derajat, secara medis ini jelas tidak mungkin. Dengan background Elektronika dan sempat belajar Instrumentasi Biomedik, saya kurang lebih tahu sedikit tentang mekanisme alat berbasis Infrared ini.

Analisanya sederhana, ada dua tipe thermo-gun yang tersedia di pasaran. Thermo gun yang dikhususkan untuk keperluan industri, untuk mengukur temperatur mesin yang sangat panas, jauh di atas 100 derajat Celsius, dan ada yang dikhususkan untuk keperluan medis, untuk mengukur suhu tubuh manusia. Hal yang perlu diperhatikan apakah bagian Biro Umum yang umumnya menguruskan hal ini dalam pengadaan thermo gun mengetahui spesifikasi ini?

Thermo Gun untuk keperluan industri ini memang kapabel untuk melakukan pengukuran, namun dapat meleset jauh untuk pembacaan di rentang suhu tubuh manusia.

Melalui tulisan ini, saya ingin memberi kritik dan masukan kepada pemegang kebijakan untuk merevisi kembali SOP dan tata laksana pembacaan suhu berbasis Thermo Gun, agar tepat sasaran, tepat guna, dan efektif dalam memberikan informasi yang sesuai untuk mencegah penyebaran virus Corona.

Saya rasa Expert di bidang ini di Indonesia masih terbatas, saya harap ada expert yang lebih memiliki kapabilitas menjelaskan ini untuk dapat merevisi penggunaan Thermo Gun yang kurang tepat. Berikut saya juga cantumkan salah satu demonstrasi yang dilakukan oleh praktisi dan ahli Thermal Imaging dari Amerika Serikat:

They said that drastic times calls for desperate measures, but one should not be too desperate to choose something that is ineffective or inaccurate – Jim Seffrin

“Mereka bilang waktu genting membutuhkan tindakan darurat, namun kita tidak boleh tergesa-gesa sehingga memilih sesuatu yang tidak efektif dan tidak akurat” – Jim Seffrin

 

Kategori
Non-electronics

COVID-19 101: Apa itu Pertumbuhan Eksponensial?

Saya percaya bahwa Indonesia ada dalam darurat matematika, di mana kebanyakan masyarakat mengabaikan matematika. Walaupun adanya wajib belajar 12 tahun yang penuh dengan pelajaran matematika, dari dasar hingga level kalkulus, matematika sepertinya tidak diindahkan pada saat ada relevansinya di dunia nyata. Hal ini saya rasa kembali terbukti di tengah banyaknya informasi COVID-19.

KASUSCOVID
Gambar 1. Laju pertumbuhan kasus harian di Indonesia dari 2 Maret 2020 sampai dengan 13 Maret 2020

Artikel ini saya tulis dengan harapan memberikan pengertian terhadap konsep matematika yang ada dan sering disebutkan dalam pemberitaan Coronavirus. Video yang dibuat oleh 3Blue1Brown mengenai Pertumbuhan Eksponensial dalam konteks Epidemi (source) menjadi acuan utama artikel ini. Menurut saya, video ini perlu dicerna untuk mendapatkan informasi-informasi relevan berdasarkan fakta matematik yang tersedia melalui data-data yang dibuka ke publik oleh Pemerintah berbagai negara.

Pertumbuhan Eksponensial

Perkembangan penambahan jumlah kasus COVID-19 di luar Mainland China disebut sedang mengalami penumbuhan eksponensial. Apa itu pertumbuhan eksponensial, penumbuhan eksponensial ini adalah kenaikan jumlah kasus perharinya memilki faktor pengali yang bersifat konstan (atau mendekati konstan) sepanjang interval waktu tertentu. Pertumbuhan eksponensial ini, menunjukkan bahwa seiring dengan waktu, jumlah kasus akan membludak tinggi tanpa diekspektasi masyarakat. Pada umumya, memang virus adalah contoh buku teks terhadap pertumbuhan eksponensial. Hal ini disebabkan fakta bahwa 1 orang terinfeksi virus dapat menginfeksi lebih dari 1 orang, dan begitu juga selanjutnya.

Image result for exponential growth coronavirus outside china
Gambar 2. Iluistrasi pertumbuhan eksponensial dari kasus Coronavirus dan tingkat kematian di luar China

Pertumbuhan viral ini yang menyebabkan adanya peningkatan jumlah kasus secara eksponensial. Interaksi dari pembawa virus SARS-CoV-2 ini yang menyebabkan adanya pertumbuhan tersebut. Bagaimana cara memaknai pertumbuhan eksponensial ini?

Cara Mencerna Pertumbuhan Eksponensial

Saat Anda ingin mengetahui informasi penting dari sebuah pertumbuhan eksponensial, jumlah kasus menjadi tidak terlalu penting. Hal yang sangat perlu diperhatikan adalah laju pertumbuhan eksponensial ini. Laju eksponensial atau faktor pertumbuhan ini sangat penting untuk mengetahui status pertumbuhan kasus COVID-19 di area tersebut. Jika faktanya menunjukkan bahwa faktor ini masih lebih besar dari 1 tanpa adanya tanda pengurangan faktor tersebut, masyarakat harus makin waspada, karena keadaan hanya akan lebih baik ketika pertumbuhan ini mulai kembali mendekati angka 1.

Laju pertumbuhan ini dapat dirumuskan dengan sederhana sebagai berikut:

v_{growth} = \frac{\delta N_{cases}}{\delta t}

Pertumbuhan adalah jumlah penambahan kasus terhadap suatu interval waktu. Kurva epidemi menjadi salah satu standar penyajian data ini. CDC mempunyai rule of thumb untuk menentukan interval waktu, yaitu 0.25 x periode inkubasi. Beberapa data menunjukkan bahwa waktu inkubasi SARS-CoV-2 serupa dengan SARS-CoV yaitu 5 hari, sehingga dapat digunakan interval waktu 1 hari. Nilai pertumbuhan ini menjadi sinonim dengan nilai pertambahan kasus perharinya.

Variabel Penjelas Pertumbuhan Eksponensial

Salah satu variabel yang umum digunakan oleh Jurnalis, atau seperti yang dilakukan oleh pendiri OurWorldInData, adalah jumlah interval hari di mana terjadi pertumbuhan kasus sebesar 2 kali lipat. Angka ini menunjukkan besaran yang relevan dengan pertumbuhan eksponensial, namun dengan konteks yang lebih mudah dimengerti awam.

Di Fisika, kita juga terekspos dengan penggunaan konsep desibel untuk membandingkan dua nilai. Desibel ini juga sangat intuitif untuk memperjelas pertumbuhan eksponensial dari COVID-19.

\displaystyle Growth (dB) = 10 \log{\frac{N(t)}{N(t-1)}}

Menggunakan konsep Desibel ini, kita dapat melihat dengan jelas seberapa cepat bertumbuhnya jumlah kasus, dengan nilai ini, kita dapat melihat berapa waktu yang dibutuhkan untuk menyebabkan jumlah kasus berlipat ganda, atau 10 kali lipat, atau 100 kali lipat. Namun hal yang perlu diperhatikan adalah ada saatnya nilai eksponensial ini akan ditekan saat adanya mekanisme kontrol dan saat jumlah infeksi sudah melewati titik tertentu.

Contohnya jika memiliki pertumbuhan sebesar 1 dB, maka dalam 3 hari jumlah kasus akan bertambah sebanyak 2 kali lipat (3 dB). Nilai ini hampir mendekati nilai laju pertumbuhan kasus COVID-19 di Indonesia yang bertambah 2 kali lipat dalam 3 hari.

Kesimpulan

Informasi mengenai pertumbuhan eksponensial harus lebih jelas agar diketahui bahaya dari wabah Coronavirus. Status pertumbuhan kasus menjadi bagian terpenting yang perlu diwaspadai oleh segala masyarakat khususnya yang mengenyam pendidikan wajib 12 tahun. Konsep matematika ini dapat digunakan sebagai dasar untuk mengambil kesimpulan untuk mengingkatkan kewaspadaan terhadap wabah Virus SARS-CoV2. Semoga dengan adanya pengetahuan matematis yang baik, urgensi tingkat kewaspadaan juga semakin meningkat antara masyarakat Indonesia dalam menghadapi wabah COVID-19.

Akhir kata, jika ada kesalahan dalam artikel ini, mohon berikan komentar agar saya dapat memperbaikinya. Terima kasih.