Pendekatan Teoretis Kalkulasi Specific A
GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK DALAM TEKNIK BIOMEDIS
1
Pendekatan Teoretis Kalkulasi Specific Absorption
Rate (SAR) Pada Tubuh Manusia Akibat Paparan
Gelombang Elektromagnetik
Rizki Putra Prastio, 23214017
Ringkasan—Penggunaan ponsel sebagai media komunikasi
membuat manusia semakin sering terpapar radiasi. Parameter
radiasi yang dialami manusia dapat ditinjau dari nilai Specific
Absorption Rate (SAR). Nilai ini menunjukkan berapa besar
laju radiasi gelombang elektromagnetik yang diserap oleh tubuh
manusia. Nilai SAR yang dihitung berada dalam rentang frekuensi yang digunakan sistem GSM 900 dan GSM 1800 dimana
sistem ini sangat banyak digunakan dalam komunikasi ponsel.
Nilai SAR maksimum yang diperbolehkan berkisar antara 1
hingga 1.6 W/Kg untuk setiap 1 gram jaringan di kepala
dan 4 W/Kg untuk setiap 10 gram jaringan pada tubuh dan
dada. Berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan, nilai SAR
pada kepala sebesar 0.64 W/Kg untuk sistem GSM 900 dan
0.66 W/Kg untuk sistem GSM 1800. Sedangakan peningkatan
suhu yang terjadi akibat penyerapan energi radiasi dalam waktu
5 menit sebesar 0.0526 ◦ C untuk GSM 900 dan 0.0542 ◦ C untuk
GSM 1800.
Index Terms—SAR, gelombang elektromagnetik, radiasi.
I. P ENDAHULUAN
Penggunaan telepon seluler (ponsel) sebagai media komunikasi dalam berbagai aspek kehidupan manusia dapat
menyebabkan peningkatan kemungkinan masalah kesehatan.
Sumber utama masalah kesehatan yang berhubungan dengan
ponsel adalah medan elektromagnetik yang diradiasikan menara pemancar (BTS) dan dari ponsel itu sendiri[3]. Ketika
terhubung dengan jaringan, ponsel menggunakan sinyal dalam
frekuensi radio untuk berkomunikasi dengan BTS terdekat.
Level paparan radiasi gelombang elektromagnetik dari menara
BTS dapat diabaikan mengingat jarak antara pengguna ponsel
dengan BTS cukup jauh. Tetapi berbeda dengan level radiasi
dari ponsel kepada penggunanya. Karena jaraknya yang sangat
dekat, efek radiasi gelombang elektromagnetik dari ponsel
tidak dapat diabaikan. Terlebih lagi ponsel sangat sering digunakan untuk melakukan panggilan, mengirim pesan singkat,
atau mencari informasi melalui internet.
Berdasarkan data dari International Telecommunication
Union (ITU), jumlah ponsel di Indonesia pada tahun 2013
mencapai angka 125.36 ponsel tiap 100 penduduk atau sekitar
125% dari jumlah penduduk. Sedangkan pada tahun Januari
2014 jumlah ponsel mengalami sedikit penuruan yakni mencapai 112% dari jumlah penduduk yang artinya bahwa satu orang
dapat memiliki lebih dari satu ponsel. Dengan meningkatnya
jumlah kepemilikan ponsel tiap penduduk, maka radiasi yang
dialami pemilik posel juga akan meningkat.
Parameter paling penting yang digunakan dalam penilaian level radiasi gelombang elektomagnetik yang dipancarkan posel adalah Specific Absorption Rate (SAR). Nilai ini
Tabel I: Spesifikasi GSM 900 dan GSM 1800 [2]
Downlink Frequencies
Uplink Frequencies
Channel Spacing
Modulation
Typical Mobile Trasnmit Power
Max BTS Transmit Power
Max Distance
Speech Encoding
Bit Rate
GSM 900
935-960 MHz
890-915 MHz
200 kHz
GSMK
2W
320 W
35 Km
LPC (13 kbit)
270 kbps
GSM 1800
1710-1785 MHz
1805-1880 MHz
200 kHz
GSMK
1W
20 W
8 Km
LPC (13 kbit)
270 kbps
menunjukkan laju radiasi elektromagnetik yang diserap per
satuan waktu per kilogram. Nilai SAR berbeda untuk tiap
bagian tubuh tertentu seperti kepala dan tubuh bagian lain.
Pada makalah ini, akan disajikan pendekatan teoretis untuk
menganalisis besarnya penetrasi medan elektromagnetik pada
tubuh manusia khususnya pada bagian kepala dan efek termal
yang ditimbulkan. Frekuensi yang digunakan dalam perhitungan pada makalah ini adalah frekuensi GSM yang digunakan
oleh ponsel yaitu 900 MHz dan 1800 MHz.
II. DASAR T EORI
A. Radiasi Elektromagnetik
Radiasi elektromagnetik dapat menyebabkan kerusakan jaringan tubuh kerana efek panas yang ditimbulkan. Mengingat
tubuh manusia terdiri dari sekitar 65-70% air, elektrolit dan
ion, radiasi gelombang elektromagnetik dapat dengan mudah
mempengaruhi keadaan fisik manusia. Air merupakan molekul
polar yang memiliki muatan positif dan negatif yang terpisah
sehingga terbentuk dipol. Tubuh manusia, yang tersusun atas
jutaan sel, juga memiliki medan elektromagnetik. Medan elektromagnetik eksternal seperti radiasi dari ponsel dapat berinteraksi dengan tubuh dan mempengaruhi medan elektromagnetik
internal.
Medan elektromagnetik internal tubuh yang lemah memiliki
frekuensi tertentu dan sangat penting untuk kesehatan, perbaikan sel yang rusak, serta reproduksi dan replikasi DNA[2].
Jika terpapar radiasi eksternal, medan elektromagnetik internal
akan terganggu sehingga proses di dalam tubuh juga akan
terganggu. Radiasi elektromagnetik dan elektrik dapat menyebabkan perpindahan elektrolit dan ion dalam tubuh yang
mengganggu sistem homeostasis. Sehingga akab berakibat
pada mekanisme pertahanan tubuh yang menurun.
Bentuk efek dari radiasi elektromagnetik pada tubuh manusia dapat berupa efek termal, non termal, peningkatan peluang
GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK DALAM TEKNIK BIOMEDIS
2
terjadinya tumor, dan lain sebagainya. Efek termal merupakan
salah satu akibat langsung yang dapat terjadi ketika suatu
jaringan menyerap radiasi elektromagnetik.
B. Specific Absorption Rate (SAR)
Penggunan ponsel akan terpapar oleh radiasi elektromagnetik dalam frekuensi radio. Efek biologis akan timbul sebagai
akibat dari penyerapan energi gelombang elektromagnetik
yang dipancarkan oleh ponsel. Jika gunakan untuk melakukan
panggilan maka gelombang ini akan mempengaruhi berbagai
bagian yang ada dikepala seperti mata, dan otak.
Gelombang elektromagnetik yang dipancarkan ponsel akan
masuk ke dalam jaringan dan menghasilkan panas. Akibatnya
suhu bagian tubuh yang terpapar akan meningkat dan berpotensi merusak jaringan. Kedalaman penetrasi gelombang elektromagnetik bergantung pada frekuensinya dan karakteristik
elektrik dari benda yang terpapar radiasi. Kedalam penetrasi
(penetration depth) dapat dinyatakan dengan persamaan [3]
δ=
r
d
dt
E=
dW
dm
s
J=
p
Konduktivitas elektrik σ (S/m)
0.87
0.11
0.34
0.76
Tabel III: Karakteristik elektrik jaringan pada kepala frekuensi
1800 MHz [1]
Jaringan
Kulit
Lemak
Tulang
Otak
Permitivitas elektrik ǫr
32.5
5.35
8.00
53.00
Konduktivitas elektrik σ (S/m)
0.52
0.07
0.16
1.70
III. P EMBAHASAN
Dalam menganalisis kemungkinan gangguna kesehatan akibat penggunaan ponsel, sangat penting dilakukan kalkulasi
nilai SAR pada bagina tubuh manusia khususnya kepala akibat
dari radiasi gelombang elektromagnetik. Radiasi gelombang
elektromagnetik akan masuk menembus jaringan yang ada
di kepala ketika ponsel sedang digunakan seperti melakukan
panggilan telepon. Berdasarkan tabel I, nilai rata-rata uplink
frequency dapat ditentukan sebesar
σ|E|2
ρ
(2)
890 + 915
= 902.5 M Hz
2
(3)
sehingga jika menggunakan nilai konduktivitas paling kecil
yang ditunjukkan pada tabel II, kedalaman penetrasi selama
penggunaan ponsel ketika terjadi transmisi dari ponsel ke BTS
dapat ditentukan dengan persamaan (1)
σρ SAR
(4)
dimana W adalah energi yang diserap (Joule), t adalah waktu
(s), m adalah massa jaringan (Kg), E adalah kuat edan listrik
induksi pada jaringan (V/m), J adalah rapat arus pada jaringan
(A/m2 ), ρ adalah massa jenis jaringan (Kg/m3 ) dan δ adalah
konduktivitas dari jaringan (S/m). Sebagai akibat dari penyerapan energi gelombang elektromagnetik, suhu jaringan akan
meningkat yang dapat dinyatakan dengan persaman berikut
dQ
= ρV c
dT
Permitivitas elektrik ǫr
41.41
11.33
20.79
45.80
(1)
=
σ
SAR
ρ
Jaringan
Kulit
Lemak
Tulang
Otak
A. SAR untuk GSM 900 dan GSM 1800
1
πµσf
dimana δ adalah kedalaman penetrasi (m), µ adalah permeabilitas magnetik dari suatu bahan atau jaringan (H/m), δ
adalah konduktivitas listrik suatu bahan atau jaringan (S/m),
dan f adalah frekuensi gelombang elektromagnetik (Hz).
SAR bergantung pada intensitas medan elektromagnetik,
karakteristik jaringan, geometri, ukuran, orientasi objek yang
terpapar, frekuensi gelombang elektromagnetik, dan waktu
paparan[3]. SAR didefinisikan oleh persamaan berikut
SAR =
Tabel II: Karakteristik elektrik jaringan pada kepala frekuensi
900 MHz [1]
δ=
r
1
πµσf
r
1
π 4π × 10−7 × 0.11 × 902.5 × 106
= 0.0505 m
= 50.5 mm
=
(6)
(7)
(5)
dengan Q adalah energi termal (Joule), T adalah suhu (◦ C), ρ
adalah massa jenis jaringan (Kg/m3 ), V adalah volume (m3 ),
dan c adalah kalor jenis (j/Kg ◦ C).
Tabel II dan III menunjukkan karakteristik elektrik dari
beberapa jaringan tubuh manusia pada dua frekeuensi yang
berbeda sedangkan Tabel IV memberikan nilai karakteristik
termal jaringan tubuh manusia.
Sistem GSM 900 memiliki daya puncak sebesar 2W, dan
maksimum daya rata-ratanya adalah 1/8 dari daya puncaknya
sehingga didapatkan daya rata-ratanya adalah 250 mW [3].
Jika jarak antara antena ponsel dengan kepala dianggap 2 cm,
maka intensitas radiasi pada kedalaman penetrasi maksimal
(menggunakan nilai konduktivitas terkecil) dapat dihitung sebesar
GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK DALAM TEKNIK BIOMEDIS
3
Tabel IV: Karakteristik termal jaringan pada kepala[1]
Jaringan
Massa jenis
ρ (Kg/m3 )
Kulit
Lemak
Tulang
Otak
1125
916
1990
1038
I=
P
A
Konduktivitas
termal
k
(W/m ◦ C)
0.42
0.25
0.37
0.535
Kalor
jenis
Cp
(J/Kg ◦ C)
3600
3000
3100
3650
AdBm (x)total = Akulit . Alemak . Atulang
0.001
0.0014
0.0066
8.686
8.686
= 8.686
5.05
5.05
5.05
= 4.7 × 10−8 dBm
0.25
=
4π (0.02 + 0.0505)
0.25
=
0.0624
= 0.4006 mW/cm2
2
= 4.006 W/m2
(8)
Mengacu pada [3], impedansi kulit sekitar 59.094 Ω. Kuat
medan listrik yang ditimbulkan adalah
E2
η
p
E = Iη
√
E = 4.006 × 59.094
1
5.05
= 1.72 dBm
(9)
Setelah mendapatkan nilai E sebagai nilai medan listrik,
nilai SAR dapat dihitung menggunakan persamaan (2) seperti
berikut
Potak = 23.979 − 1.72
= 22.259 dBm
Jika ponsel berjarak 2 cm dari kepala, maka intensitas radiasi
yang diakibatkan oleh daya sebesar 168.22 mW dapat dihitung seperti berikut
Karena melewati medium yang berbeda, maka amplitudo
gelombang elektromagnetik akan mengalami pelemahan dengan faktor e−x/δ dan energinya mengalami pelemahan dengan faktor e−2x/δ . Daya radiasi sebanding dengan intensitas
radiasi yang terhadap jaringan dan pelemahan daya radiasi
dinyatakan dengan
(10)
Jika dinyatakan dalam dBm, maka persamaan (10) menjadi
x
P
= 10 log e2
P0
δ
x
(11)
AdBm (x) = 8.686
δ
Sebelum mencapai otak, radiasi elektromagnetik yang dipancarkan ponsel melewati beberapa jaringan seperti kulit,
log
Dianggap daya yang dipancarkan ponsel sebesar 250 mW =
23.979 dBm, maka daya radiasi yang dialami otak pada
bagian ini adalah
= 168.22 mW
σ E2
ρ
2
0.87 (15.38)
=
1125
= 0.182 W/Kg
SAR =
P = P0 e−2x/δ
Dari kalkulasi yang telah dilakukan diketahui bahwa pelemahan radiasi yang diakibatkan jaringan kulit, lemak, dan
tulang sangatlah kecil sehingga dapat diabaikan. Hal ini menandakan bahwa sebagian besar radiasi elektromagnetik ponsel
masuk ke dalam otak. Misalkan radiasi elektromagnetik masuk
ke dalam otak dengan kedalaman 1 cm dan jika kedalaman
penetrasi dianggap sama 50.5 mm maka pelemahan radiasi
elektromagnetik yang berada pada tengah otak adalah
AdBm (x) = 8.686
P =
= 15.38 V /m
lemak, dan tulang. Artinya radiasi akan berinteraksi dengan
jaringan tersebut dan melemah sehingga nilai pelemahan total
akan sama dengan perkalian dari pelemahan dari masingmasing jaringan. Jika ketebalan kulit rata-rata 0.1 cm, lemak
0.14 cm, tulang 0.66 cm, dan dengan menggunakan nilai
kedalaman penetrasi δ = 50.5 mm = 5.05 cm, maka
pelemahan yang diakibatkan oleh jaringan ini sebelum radiasi
mencapai otak adalah
I=
=
Potak
A
168.22 × 10−3
4π (0.02 + 0.01)
168.22 × 10−3
=
0.011304
= 14.88 W/m2
2
Mengacu Mengacu pada [3], impedansi otak sekitar 58.8 Ω.
Kuat medan listrik yang ditimbulkan adalah
E2
η
2
E =I η
P =
E 2 = 14.88 × 58.8
= 874.944 V /m
GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK DALAM TEKNIK BIOMEDIS
4
sehingga SAR pada otak dengan kedalaman 1 cm adalah
I=
σ E2
ρ
0.76 874.944
=
1038
= 0.64 W/Kg
SAR =
=
Potak
A
79.597 × 10−3
4π (0.02 + 0.01)
79.597 × 10−3
=
0.011304
= 7.068 W/m2
2
Semakin dekat dengan ponsel maka nilai ini akan meningkat
dan berbahaya jika melebihi batas ambang yang ditentukan.
Cara yang sama dapat dilakukan untuk menghitung SAR pada
jaringan GSM 1800. Rata-rata frekuensi yang digunakan pada
GSM 1800 adalah
Impedansi otak pada frekuensi ini sekitar 57.345 Ω dan kuat
medan listrik yang ditimbulkan adalah
1805 + 1880
= 1842.5 M Hz
2
E 2 = 7.068 × 57.345
(12)
Berbeda dengan sistem GSM 900, sitem GSM 1800 memiliki
daya puncak sebesar 1W, sehingga maksimum daya rataratanya adalah 1/8 dari daya puncaknya sebesar 125 mW [3].
Dengan menggunakan persamaan (1), kedalaman maksimal
penetrasi radiasi adalah 0.0443 m = 44.3 mm Jika jarak
antara antena ponsel dengan kepala dianggap 2 cm, maka
intensitas radiasi sebesar
P
I=
A
=
E2
η
E2 = I η
P =
= 405.314 V /m
sehingga SAR pada otak dengan kedalaman 1 cm adalah
σ E2
ρ
1.7 405.314
=
1038
= 0.66 W/Kg
SAR =
Tampak bahwa nilai SAR untuk GSM 900 dan GSM 1800
tidak berbeda jauh.
0.125
4π (0.02 + 0.0443)
0.125
=
0.0519
= 0.2407 mW/cm2
B. Efek panas akibat radiasi
2
= 2.407 W/m2
(13)
pelemahan yang terjadi akibat radiasi melewati kulit, lemak,
dan tulang sangat kecil sehingga dapat diabaikan. Pada otak
kedalaman 1 cm, radiasi melemah sebesar
1
4.43
= 1.96 dBm
AdBm (x) = 8.686
Jika daya yang dipancarkan ponsel sebesar 125 mW =
20.969 dBm, maka daya radiasi yang dialami otak pada
bagian ini adalah
Potak = 20.969 − 1.96
= 19.009 dBm
= 79.597 mW
Intensitas radiasi yang diakibatkan oleh daya sebesar
79.597 mW dari ponsel yang berjarak 2 cm dari kepala adalah
Penyerapan energi radiasi oleh jaringan tubuh akan menyebabkan peningkatan suhu pada jaringan tersebut. Jika energi
yang diserap terlalu besar maka akan mengakibatkan kerusakan jaringan. Hubungan SAR dengan peningkatan suhu dapat
diturunkan dari persamaan (5) dengan mengalikan kedua ruas
1
dengan suku dT
dt ρV menjadi
1 1
dT
dQ = c
dt ρV
dt
dT
SAR = c
dt
SAR ∆t
(14)
∆T =
c
Dengan menggunakan tabel (IV) peningkatan suhu yang terjadi dapat dihitung. Misalkan seseorang melakukan panggilan
selama 5 menit = 300 s dengan jaringan GSM 900, maka
peningkatan suhu yang terjadi pada otak dengan kedalaman
1 cm adalah
SAR ∆t
c
0.64 300
=
3650
= 0.0526◦ C
∆T900 =
Untuk jaringan GSM 1800, peningkatan suhu yang terjadi
sebesar
GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK DALAM TEKNIK BIOMEDIS
SAR ∆t
c
0.66 300
=
3650
= 0.0542◦ C
∆T1800 =
Dalam jangka waktu yang sama, peningkatan suhu akan lebih
besar pada daerah tubuh yang paling dekat dengan ponsel
karena nilai intensitasnya lebih besar yang mengakibatkan
nilai SAR juga lebih besar. Pada rentang frekuensi 10 MHz300 GHz, peningkatan suhu adalah peristiwa yang tidak dapat
diabaikan. Peningkatan suhu sebesar 1 − 2 ◦ C dapat menyebabkan masalah kesehatan yang serius sehingga nilai standar
peningkatan suhu maksimum yang diperbolehkan hanya 1 ◦ C.
Berdasarkan acuan ini nilai SAR maksimum yang diperbolehkan berkisar antara 1 hingga 1.6 W/Kg untuk setiap 1
gram jaringan di kepala dan 4 W/Kg untuk setiap 10 gram
jaringan pada tubuh dan dada[1]. Untuk mengurangi efek
radiasi yang terjadi, maka penggunaan headset atau hands free
ketika melakukan panggilan sangat disarankan.
IV. K ESIMPULAN
1) Semakin dekat jaringan pada sumber radiasi maka intensitas energi yang diserap semakin besar. Hal ini
mengakibatkan medan listrik yang terjadi pada jaringan
tersebut juga meningkat sehingga nilai SAR lebih besar
pada daerah yang paling dekat dengan sumber radiasi.
2) Jaringan biologis yang menyerap radiasi gelombang
elektromagnetik dapat mengingkat suhunya. Semakin
lama radiasi yang maka semakin besar energi yang
diserap sehingga semakin besar peningkatan suhunya.
3) Efek radiasi dapat dikurangi dengan menggunakan headset atau hands free, sehingga nilai SAR yang diterima
oleh tubuh khususnya bagian kepala dapat diminimalisasi.
P USTAKA
[1] Bodgan, Dumitru Alistar., Andrei Salcaneu., Lupuleasa Gabriel, Approach
on Simulating and Measuring the SAR. International Conference and
Exposition on Electrical Engineering and Power Engineering (EPE 2014),
16-18 October, lasi, Romania, 2014.
[2] Mat, Dayang Azra Awang.,Kho, Franky.,Joseph, Annie., Kipli Kuryati.,
Sahrani Shafrida. Lias, Kasumawati., Marzuki, Ade Syaheda Wani, The
Effect of Headset and Earphone on Reducing Electromagnetic Radiation
from Mobile Phone toward Human Head.
[3] Sallomi, Adheed Hasan., ATheoretical Approach for SAR Calculation
in Human Head Exposed to RF Signals. Journal of Engineering and
Development, Vol 16, No 4, Dec 2012, ISSN 1813-7822.
5
1
Pendekatan Teoretis Kalkulasi Specific Absorption
Rate (SAR) Pada Tubuh Manusia Akibat Paparan
Gelombang Elektromagnetik
Rizki Putra Prastio, 23214017
Ringkasan—Penggunaan ponsel sebagai media komunikasi
membuat manusia semakin sering terpapar radiasi. Parameter
radiasi yang dialami manusia dapat ditinjau dari nilai Specific
Absorption Rate (SAR). Nilai ini menunjukkan berapa besar
laju radiasi gelombang elektromagnetik yang diserap oleh tubuh
manusia. Nilai SAR yang dihitung berada dalam rentang frekuensi yang digunakan sistem GSM 900 dan GSM 1800 dimana
sistem ini sangat banyak digunakan dalam komunikasi ponsel.
Nilai SAR maksimum yang diperbolehkan berkisar antara 1
hingga 1.6 W/Kg untuk setiap 1 gram jaringan di kepala
dan 4 W/Kg untuk setiap 10 gram jaringan pada tubuh dan
dada. Berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan, nilai SAR
pada kepala sebesar 0.64 W/Kg untuk sistem GSM 900 dan
0.66 W/Kg untuk sistem GSM 1800. Sedangakan peningkatan
suhu yang terjadi akibat penyerapan energi radiasi dalam waktu
5 menit sebesar 0.0526 ◦ C untuk GSM 900 dan 0.0542 ◦ C untuk
GSM 1800.
Index Terms—SAR, gelombang elektromagnetik, radiasi.
I. P ENDAHULUAN
Penggunaan telepon seluler (ponsel) sebagai media komunikasi dalam berbagai aspek kehidupan manusia dapat
menyebabkan peningkatan kemungkinan masalah kesehatan.
Sumber utama masalah kesehatan yang berhubungan dengan
ponsel adalah medan elektromagnetik yang diradiasikan menara pemancar (BTS) dan dari ponsel itu sendiri[3]. Ketika
terhubung dengan jaringan, ponsel menggunakan sinyal dalam
frekuensi radio untuk berkomunikasi dengan BTS terdekat.
Level paparan radiasi gelombang elektromagnetik dari menara
BTS dapat diabaikan mengingat jarak antara pengguna ponsel
dengan BTS cukup jauh. Tetapi berbeda dengan level radiasi
dari ponsel kepada penggunanya. Karena jaraknya yang sangat
dekat, efek radiasi gelombang elektromagnetik dari ponsel
tidak dapat diabaikan. Terlebih lagi ponsel sangat sering digunakan untuk melakukan panggilan, mengirim pesan singkat,
atau mencari informasi melalui internet.
Berdasarkan data dari International Telecommunication
Union (ITU), jumlah ponsel di Indonesia pada tahun 2013
mencapai angka 125.36 ponsel tiap 100 penduduk atau sekitar
125% dari jumlah penduduk. Sedangkan pada tahun Januari
2014 jumlah ponsel mengalami sedikit penuruan yakni mencapai 112% dari jumlah penduduk yang artinya bahwa satu orang
dapat memiliki lebih dari satu ponsel. Dengan meningkatnya
jumlah kepemilikan ponsel tiap penduduk, maka radiasi yang
dialami pemilik posel juga akan meningkat.
Parameter paling penting yang digunakan dalam penilaian level radiasi gelombang elektomagnetik yang dipancarkan posel adalah Specific Absorption Rate (SAR). Nilai ini
Tabel I: Spesifikasi GSM 900 dan GSM 1800 [2]
Downlink Frequencies
Uplink Frequencies
Channel Spacing
Modulation
Typical Mobile Trasnmit Power
Max BTS Transmit Power
Max Distance
Speech Encoding
Bit Rate
GSM 900
935-960 MHz
890-915 MHz
200 kHz
GSMK
2W
320 W
35 Km
LPC (13 kbit)
270 kbps
GSM 1800
1710-1785 MHz
1805-1880 MHz
200 kHz
GSMK
1W
20 W
8 Km
LPC (13 kbit)
270 kbps
menunjukkan laju radiasi elektromagnetik yang diserap per
satuan waktu per kilogram. Nilai SAR berbeda untuk tiap
bagian tubuh tertentu seperti kepala dan tubuh bagian lain.
Pada makalah ini, akan disajikan pendekatan teoretis untuk
menganalisis besarnya penetrasi medan elektromagnetik pada
tubuh manusia khususnya pada bagian kepala dan efek termal
yang ditimbulkan. Frekuensi yang digunakan dalam perhitungan pada makalah ini adalah frekuensi GSM yang digunakan
oleh ponsel yaitu 900 MHz dan 1800 MHz.
II. DASAR T EORI
A. Radiasi Elektromagnetik
Radiasi elektromagnetik dapat menyebabkan kerusakan jaringan tubuh kerana efek panas yang ditimbulkan. Mengingat
tubuh manusia terdiri dari sekitar 65-70% air, elektrolit dan
ion, radiasi gelombang elektromagnetik dapat dengan mudah
mempengaruhi keadaan fisik manusia. Air merupakan molekul
polar yang memiliki muatan positif dan negatif yang terpisah
sehingga terbentuk dipol. Tubuh manusia, yang tersusun atas
jutaan sel, juga memiliki medan elektromagnetik. Medan elektromagnetik eksternal seperti radiasi dari ponsel dapat berinteraksi dengan tubuh dan mempengaruhi medan elektromagnetik
internal.
Medan elektromagnetik internal tubuh yang lemah memiliki
frekuensi tertentu dan sangat penting untuk kesehatan, perbaikan sel yang rusak, serta reproduksi dan replikasi DNA[2].
Jika terpapar radiasi eksternal, medan elektromagnetik internal
akan terganggu sehingga proses di dalam tubuh juga akan
terganggu. Radiasi elektromagnetik dan elektrik dapat menyebabkan perpindahan elektrolit dan ion dalam tubuh yang
mengganggu sistem homeostasis. Sehingga akab berakibat
pada mekanisme pertahanan tubuh yang menurun.
Bentuk efek dari radiasi elektromagnetik pada tubuh manusia dapat berupa efek termal, non termal, peningkatan peluang
GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK DALAM TEKNIK BIOMEDIS
2
terjadinya tumor, dan lain sebagainya. Efek termal merupakan
salah satu akibat langsung yang dapat terjadi ketika suatu
jaringan menyerap radiasi elektromagnetik.
B. Specific Absorption Rate (SAR)
Penggunan ponsel akan terpapar oleh radiasi elektromagnetik dalam frekuensi radio. Efek biologis akan timbul sebagai
akibat dari penyerapan energi gelombang elektromagnetik
yang dipancarkan oleh ponsel. Jika gunakan untuk melakukan
panggilan maka gelombang ini akan mempengaruhi berbagai
bagian yang ada dikepala seperti mata, dan otak.
Gelombang elektromagnetik yang dipancarkan ponsel akan
masuk ke dalam jaringan dan menghasilkan panas. Akibatnya
suhu bagian tubuh yang terpapar akan meningkat dan berpotensi merusak jaringan. Kedalaman penetrasi gelombang elektromagnetik bergantung pada frekuensinya dan karakteristik
elektrik dari benda yang terpapar radiasi. Kedalam penetrasi
(penetration depth) dapat dinyatakan dengan persamaan [3]
δ=
r
d
dt
E=
dW
dm
s
J=
p
Konduktivitas elektrik σ (S/m)
0.87
0.11
0.34
0.76
Tabel III: Karakteristik elektrik jaringan pada kepala frekuensi
1800 MHz [1]
Jaringan
Kulit
Lemak
Tulang
Otak
Permitivitas elektrik ǫr
32.5
5.35
8.00
53.00
Konduktivitas elektrik σ (S/m)
0.52
0.07
0.16
1.70
III. P EMBAHASAN
Dalam menganalisis kemungkinan gangguna kesehatan akibat penggunaan ponsel, sangat penting dilakukan kalkulasi
nilai SAR pada bagina tubuh manusia khususnya kepala akibat
dari radiasi gelombang elektromagnetik. Radiasi gelombang
elektromagnetik akan masuk menembus jaringan yang ada
di kepala ketika ponsel sedang digunakan seperti melakukan
panggilan telepon. Berdasarkan tabel I, nilai rata-rata uplink
frequency dapat ditentukan sebesar
σ|E|2
ρ
(2)
890 + 915
= 902.5 M Hz
2
(3)
sehingga jika menggunakan nilai konduktivitas paling kecil
yang ditunjukkan pada tabel II, kedalaman penetrasi selama
penggunaan ponsel ketika terjadi transmisi dari ponsel ke BTS
dapat ditentukan dengan persamaan (1)
σρ SAR
(4)
dimana W adalah energi yang diserap (Joule), t adalah waktu
(s), m adalah massa jaringan (Kg), E adalah kuat edan listrik
induksi pada jaringan (V/m), J adalah rapat arus pada jaringan
(A/m2 ), ρ adalah massa jenis jaringan (Kg/m3 ) dan δ adalah
konduktivitas dari jaringan (S/m). Sebagai akibat dari penyerapan energi gelombang elektromagnetik, suhu jaringan akan
meningkat yang dapat dinyatakan dengan persaman berikut
dQ
= ρV c
dT
Permitivitas elektrik ǫr
41.41
11.33
20.79
45.80
(1)
=
σ
SAR
ρ
Jaringan
Kulit
Lemak
Tulang
Otak
A. SAR untuk GSM 900 dan GSM 1800
1
πµσf
dimana δ adalah kedalaman penetrasi (m), µ adalah permeabilitas magnetik dari suatu bahan atau jaringan (H/m), δ
adalah konduktivitas listrik suatu bahan atau jaringan (S/m),
dan f adalah frekuensi gelombang elektromagnetik (Hz).
SAR bergantung pada intensitas medan elektromagnetik,
karakteristik jaringan, geometri, ukuran, orientasi objek yang
terpapar, frekuensi gelombang elektromagnetik, dan waktu
paparan[3]. SAR didefinisikan oleh persamaan berikut
SAR =
Tabel II: Karakteristik elektrik jaringan pada kepala frekuensi
900 MHz [1]
δ=
r
1
πµσf
r
1
π 4π × 10−7 × 0.11 × 902.5 × 106
= 0.0505 m
= 50.5 mm
=
(6)
(7)
(5)
dengan Q adalah energi termal (Joule), T adalah suhu (◦ C), ρ
adalah massa jenis jaringan (Kg/m3 ), V adalah volume (m3 ),
dan c adalah kalor jenis (j/Kg ◦ C).
Tabel II dan III menunjukkan karakteristik elektrik dari
beberapa jaringan tubuh manusia pada dua frekeuensi yang
berbeda sedangkan Tabel IV memberikan nilai karakteristik
termal jaringan tubuh manusia.
Sistem GSM 900 memiliki daya puncak sebesar 2W, dan
maksimum daya rata-ratanya adalah 1/8 dari daya puncaknya
sehingga didapatkan daya rata-ratanya adalah 250 mW [3].
Jika jarak antara antena ponsel dengan kepala dianggap 2 cm,
maka intensitas radiasi pada kedalaman penetrasi maksimal
(menggunakan nilai konduktivitas terkecil) dapat dihitung sebesar
GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK DALAM TEKNIK BIOMEDIS
3
Tabel IV: Karakteristik termal jaringan pada kepala[1]
Jaringan
Massa jenis
ρ (Kg/m3 )
Kulit
Lemak
Tulang
Otak
1125
916
1990
1038
I=
P
A
Konduktivitas
termal
k
(W/m ◦ C)
0.42
0.25
0.37
0.535
Kalor
jenis
Cp
(J/Kg ◦ C)
3600
3000
3100
3650
AdBm (x)total = Akulit . Alemak . Atulang
0.001
0.0014
0.0066
8.686
8.686
= 8.686
5.05
5.05
5.05
= 4.7 × 10−8 dBm
0.25
=
4π (0.02 + 0.0505)
0.25
=
0.0624
= 0.4006 mW/cm2
2
= 4.006 W/m2
(8)
Mengacu pada [3], impedansi kulit sekitar 59.094 Ω. Kuat
medan listrik yang ditimbulkan adalah
E2
η
p
E = Iη
√
E = 4.006 × 59.094
1
5.05
= 1.72 dBm
(9)
Setelah mendapatkan nilai E sebagai nilai medan listrik,
nilai SAR dapat dihitung menggunakan persamaan (2) seperti
berikut
Potak = 23.979 − 1.72
= 22.259 dBm
Jika ponsel berjarak 2 cm dari kepala, maka intensitas radiasi
yang diakibatkan oleh daya sebesar 168.22 mW dapat dihitung seperti berikut
Karena melewati medium yang berbeda, maka amplitudo
gelombang elektromagnetik akan mengalami pelemahan dengan faktor e−x/δ dan energinya mengalami pelemahan dengan faktor e−2x/δ . Daya radiasi sebanding dengan intensitas
radiasi yang terhadap jaringan dan pelemahan daya radiasi
dinyatakan dengan
(10)
Jika dinyatakan dalam dBm, maka persamaan (10) menjadi
x
P
= 10 log e2
P0
δ
x
(11)
AdBm (x) = 8.686
δ
Sebelum mencapai otak, radiasi elektromagnetik yang dipancarkan ponsel melewati beberapa jaringan seperti kulit,
log
Dianggap daya yang dipancarkan ponsel sebesar 250 mW =
23.979 dBm, maka daya radiasi yang dialami otak pada
bagian ini adalah
= 168.22 mW
σ E2
ρ
2
0.87 (15.38)
=
1125
= 0.182 W/Kg
SAR =
P = P0 e−2x/δ
Dari kalkulasi yang telah dilakukan diketahui bahwa pelemahan radiasi yang diakibatkan jaringan kulit, lemak, dan
tulang sangatlah kecil sehingga dapat diabaikan. Hal ini menandakan bahwa sebagian besar radiasi elektromagnetik ponsel
masuk ke dalam otak. Misalkan radiasi elektromagnetik masuk
ke dalam otak dengan kedalaman 1 cm dan jika kedalaman
penetrasi dianggap sama 50.5 mm maka pelemahan radiasi
elektromagnetik yang berada pada tengah otak adalah
AdBm (x) = 8.686
P =
= 15.38 V /m
lemak, dan tulang. Artinya radiasi akan berinteraksi dengan
jaringan tersebut dan melemah sehingga nilai pelemahan total
akan sama dengan perkalian dari pelemahan dari masingmasing jaringan. Jika ketebalan kulit rata-rata 0.1 cm, lemak
0.14 cm, tulang 0.66 cm, dan dengan menggunakan nilai
kedalaman penetrasi δ = 50.5 mm = 5.05 cm, maka
pelemahan yang diakibatkan oleh jaringan ini sebelum radiasi
mencapai otak adalah
I=
=
Potak
A
168.22 × 10−3
4π (0.02 + 0.01)
168.22 × 10−3
=
0.011304
= 14.88 W/m2
2
Mengacu Mengacu pada [3], impedansi otak sekitar 58.8 Ω.
Kuat medan listrik yang ditimbulkan adalah
E2
η
2
E =I η
P =
E 2 = 14.88 × 58.8
= 874.944 V /m
GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK DALAM TEKNIK BIOMEDIS
4
sehingga SAR pada otak dengan kedalaman 1 cm adalah
I=
σ E2
ρ
0.76 874.944
=
1038
= 0.64 W/Kg
SAR =
=
Potak
A
79.597 × 10−3
4π (0.02 + 0.01)
79.597 × 10−3
=
0.011304
= 7.068 W/m2
2
Semakin dekat dengan ponsel maka nilai ini akan meningkat
dan berbahaya jika melebihi batas ambang yang ditentukan.
Cara yang sama dapat dilakukan untuk menghitung SAR pada
jaringan GSM 1800. Rata-rata frekuensi yang digunakan pada
GSM 1800 adalah
Impedansi otak pada frekuensi ini sekitar 57.345 Ω dan kuat
medan listrik yang ditimbulkan adalah
1805 + 1880
= 1842.5 M Hz
2
E 2 = 7.068 × 57.345
(12)
Berbeda dengan sistem GSM 900, sitem GSM 1800 memiliki
daya puncak sebesar 1W, sehingga maksimum daya rataratanya adalah 1/8 dari daya puncaknya sebesar 125 mW [3].
Dengan menggunakan persamaan (1), kedalaman maksimal
penetrasi radiasi adalah 0.0443 m = 44.3 mm Jika jarak
antara antena ponsel dengan kepala dianggap 2 cm, maka
intensitas radiasi sebesar
P
I=
A
=
E2
η
E2 = I η
P =
= 405.314 V /m
sehingga SAR pada otak dengan kedalaman 1 cm adalah
σ E2
ρ
1.7 405.314
=
1038
= 0.66 W/Kg
SAR =
Tampak bahwa nilai SAR untuk GSM 900 dan GSM 1800
tidak berbeda jauh.
0.125
4π (0.02 + 0.0443)
0.125
=
0.0519
= 0.2407 mW/cm2
B. Efek panas akibat radiasi
2
= 2.407 W/m2
(13)
pelemahan yang terjadi akibat radiasi melewati kulit, lemak,
dan tulang sangat kecil sehingga dapat diabaikan. Pada otak
kedalaman 1 cm, radiasi melemah sebesar
1
4.43
= 1.96 dBm
AdBm (x) = 8.686
Jika daya yang dipancarkan ponsel sebesar 125 mW =
20.969 dBm, maka daya radiasi yang dialami otak pada
bagian ini adalah
Potak = 20.969 − 1.96
= 19.009 dBm
= 79.597 mW
Intensitas radiasi yang diakibatkan oleh daya sebesar
79.597 mW dari ponsel yang berjarak 2 cm dari kepala adalah
Penyerapan energi radiasi oleh jaringan tubuh akan menyebabkan peningkatan suhu pada jaringan tersebut. Jika energi
yang diserap terlalu besar maka akan mengakibatkan kerusakan jaringan. Hubungan SAR dengan peningkatan suhu dapat
diturunkan dari persamaan (5) dengan mengalikan kedua ruas
1
dengan suku dT
dt ρV menjadi
1 1
dT
dQ = c
dt ρV
dt
dT
SAR = c
dt
SAR ∆t
(14)
∆T =
c
Dengan menggunakan tabel (IV) peningkatan suhu yang terjadi dapat dihitung. Misalkan seseorang melakukan panggilan
selama 5 menit = 300 s dengan jaringan GSM 900, maka
peningkatan suhu yang terjadi pada otak dengan kedalaman
1 cm adalah
SAR ∆t
c
0.64 300
=
3650
= 0.0526◦ C
∆T900 =
Untuk jaringan GSM 1800, peningkatan suhu yang terjadi
sebesar
GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK DALAM TEKNIK BIOMEDIS
SAR ∆t
c
0.66 300
=
3650
= 0.0542◦ C
∆T1800 =
Dalam jangka waktu yang sama, peningkatan suhu akan lebih
besar pada daerah tubuh yang paling dekat dengan ponsel
karena nilai intensitasnya lebih besar yang mengakibatkan
nilai SAR juga lebih besar. Pada rentang frekuensi 10 MHz300 GHz, peningkatan suhu adalah peristiwa yang tidak dapat
diabaikan. Peningkatan suhu sebesar 1 − 2 ◦ C dapat menyebabkan masalah kesehatan yang serius sehingga nilai standar
peningkatan suhu maksimum yang diperbolehkan hanya 1 ◦ C.
Berdasarkan acuan ini nilai SAR maksimum yang diperbolehkan berkisar antara 1 hingga 1.6 W/Kg untuk setiap 1
gram jaringan di kepala dan 4 W/Kg untuk setiap 10 gram
jaringan pada tubuh dan dada[1]. Untuk mengurangi efek
radiasi yang terjadi, maka penggunaan headset atau hands free
ketika melakukan panggilan sangat disarankan.
IV. K ESIMPULAN
1) Semakin dekat jaringan pada sumber radiasi maka intensitas energi yang diserap semakin besar. Hal ini
mengakibatkan medan listrik yang terjadi pada jaringan
tersebut juga meningkat sehingga nilai SAR lebih besar
pada daerah yang paling dekat dengan sumber radiasi.
2) Jaringan biologis yang menyerap radiasi gelombang
elektromagnetik dapat mengingkat suhunya. Semakin
lama radiasi yang maka semakin besar energi yang
diserap sehingga semakin besar peningkatan suhunya.
3) Efek radiasi dapat dikurangi dengan menggunakan headset atau hands free, sehingga nilai SAR yang diterima
oleh tubuh khususnya bagian kepala dapat diminimalisasi.
P USTAKA
[1] Bodgan, Dumitru Alistar., Andrei Salcaneu., Lupuleasa Gabriel, Approach
on Simulating and Measuring the SAR. International Conference and
Exposition on Electrical Engineering and Power Engineering (EPE 2014),
16-18 October, lasi, Romania, 2014.
[2] Mat, Dayang Azra Awang.,Kho, Franky.,Joseph, Annie., Kipli Kuryati.,
Sahrani Shafrida. Lias, Kasumawati., Marzuki, Ade Syaheda Wani, The
Effect of Headset and Earphone on Reducing Electromagnetic Radiation
from Mobile Phone toward Human Head.
[3] Sallomi, Adheed Hasan., ATheoretical Approach for SAR Calculation
in Human Head Exposed to RF Signals. Journal of Engineering and
Development, Vol 16, No 4, Dec 2012, ISSN 1813-7822.
5