JURNAL VISIKES - Vol. 10 / No. 2 / September 2011
IDENTIFIKASI PARASIT MALARIA PLASMODIUM FALCIPARUM PADA SEDIAAN DARAH DENGAN PENDEKATAN SUPPORT VECTOR MACHINE
M. Arief Soleman1), Ruliah2) Staf Pengajar Pasca Sarjana Ilmu Komputer Universitas Dian Nuswantoro 2) Staf Pengajar STMIK Banjarbaru Email:
[email protected]
1)
ABSTRACT Background: Identification of malaria is microscopic requiring special expertise and experience considerable health analyst. Factor errors that occur can be either an inability to recognize the parasite morphology and eyestrain factors in looking at morphology, this may impact the diagnosis of significant errors. Morphology of Plasmodium falciparum is divided into three major stages: trophozoites, Schizonts and Gametocyter. From the results of research in the field of health shows, Schizonts found in peripheral blood showed a state of severe infections so it is an indication for rapid treatment measures. This study aims to identify the three-stage form of Plasmodium falciparum malaria parasites in digital images of blood preparations which contain the parasite indicated. Method: Before conducting the identification process, the first step of the analysis procedure conducted in this study is to conduct the separation of the object by using the segmentation k-means clustering. The second step, to extract features of image data to be tested. Feature extraction is used as an insert in the system to be constructed in this study using color features. The final step is to identify three forms of identification test stage of the malaria parasite plasmodium falciparum using a Support Vector Machine (SVM) method multiclass ones against ones. Result: The results of this study using color as a characteristic feature of the input and identification using SVM can provide a success rate of 93.33% image data correctly. Keywords: malaria, Plasmodium falciparum Morphology, k-means clustering, SVM multiclass method ones against ones
89
Dentifikasi Parasit Malaria Plasmodium ... - M. Arief S; Ruliah PENDAHULUAN Latar Belakang Malaria merupakan penyakit yang diakibatkan oleh parasit yang tergolong dalam filum Apicomplexa, kelas Sporozoa, ordo Haemosporida, suku Plasmodidae, dan genus Plasmodium. Dari 20 spesies Plasmodium, hanya empat spesies diantaranya yang dapat menginfeksi manusia, yaitu Plasmodium Falciparum, Plasmodium Vivax, Plasmodium Ovale, dan Plasmodium Malariae. Namun kasus malaria yang banyak ditemukan di Indonesia hanya spesies Plasmodium Falciparum, Plasmodium Vivax dan Mix (Plasmodium Falciparum dan Plasmodium Vivax berada dalam satu sample darah). Plasmodium Falciparum rentan menimbulkan kematian Pola identifikasi yang selama ini dilakukan secara konvensional yaitu dengan menemukan parasit secara mikroskopis pada sediaan darah. Identifikasi malaria secara mikroskopis membutuhkan keahlian khusus dan pengalaman analis kesehatan yang cukup, karena faktor kesalahan yang terjadi dapat berupa ketidakmampuan dalam mengenal morphology parasit dan faktor kelelahan mata dalam melihat morphology, hal ini dapat memberikan dampak kesalahan diagnosis yang cukup signifikan. Diperlukan human computer interaction untuk membantu pekerjaan analisis tersebut. Penelitian yang berkaitan dengan parasit malaria dan melibatkan perkembangan teknologi dalam bidang komputer adalah tentang pengenalan Parasit Plasmodium Falciparum dalam darah dengan judul “A Neural Network Architecture for Automated Recognition of Intracellular Malaria Parasites in Stained Blood Films”. Selain itu dari hasil penelitian dibidang kesehatan menunjukkan, ditemukannya Schizonts dalam darah tepi menunjukkan keadaan infeksi berat sehingga merupakan indikasi untuk tindakan pengobatan cepat. Dimana stadium Tropho-
90
zoite yaitu parasit dalam proses pertumbuhan, Stadium Shizont yaitu parasit dalam proses pembiakan dan Gametocyter yaitu parasit dalam proses pembentukan kelamin. Pola yang dilihat pada identifikasi secara mikroskopis, tidak hanya pada perubahan teksture, namun juga dipengaruhi oleh unsur warna dari masing-masing plasmodium. melakukan identifikasi parasit malaria pada Plasmodium Falciparum menggunakan Learning Vector Quantization (LVQ) dengan empat hidden neuron. Hasil yang dicapai pada penelitiannya menunjukkan bahwa ciri warna dapat memberikan tingkat keberhasilan yang lebih tinggi dibanding ciri histogram. JST LVQ dengan input ciri warna berhasil mengidentifikasi 91,67% data citra dengan benar dan 81,25% berhasil diidentifikasi dengan benar dengan ciri statistik histogram sebagai ciri masukannya. Pada kasus identifikasi Plasmodium Falciparum dilapangan, sebaran data pada citra yang dihasilkan dari Sediaan Darah dominan mempunyai sebaran data yang tidak linear. Sehingga memerlukan sebuah metode yang proporsional bekerja pada problem non linier. Rumusan Masalah Identifikasi jenis parasit malaria Plasmodium Falciparum pada penelitian sebelumnya dengan tingkat akurasi 91,67 % masih perlu ditingkatkan akurasinya, sehingga komputer dapat lebih akurat membedakan sampel darah yang mengandung parasit malaria dengan morphology pada stadium Trophozoites, Schizonts atau Gametocyter” Tujuan Penelitian Tujuan yang hendak dicapai adalah dengan menerapkan Support Vector Mchine diharapkan dapat meningkatkan akurasi pada identifikasi jenis parasit malaria Plasmodium Falciparum sehingga komputer dapat membedakan sampel darah yang mengandung parasit malaria dengan mor-
JURNAL VISIKES - Vol. 10 / No. 2 / September 2011 phology pada stadium Trophozoites, Schizonts atau Gametocyter. Manfaat Penelitian Hasil penelitian bermanfaat bagi tenaga medis maupun paramedis yang berkecimpung di bidang diagnostika penyakit malaria terutama di pusat-pusat kesehatan masyarakat yang letaknya terpencil melalui prosedur analisis dengan menggunakan alat yang mudah didapat dan relatif murah untuk menentukan jenis parasit Plasmodium Falciparum yang terdeteksi. METODELOGI PENELITIAN Plasmodium Falciparum Ciri-ciri khas atau morphology Plasmodium Falciparum adalah sebagai berikut : a. Bentuk Trophozoite. Trophozoite muda berbentuk cincin kecil 0,1-0,3 kali eritrosit, inti terletak di tepi eritrosit, ukuran kira kira 2 μ, warna merah lebih tipis b. Bentuk Schizonts. Schizonts muda mengisi kira kira separuh dari eritrosit, bentuk agak bulat, inti sudah membelah dan pigmen malaria mulai tampak diantara inti. pigmen malaria sudah menggumpal di bagian tengah sebelum Schizonts masak. c. Bentuk Gametocyter. Mikrogametosit berbentuk pisang atau ginjal, tampak lebih gemuk, Plasma berwarna merah muda, inti lebih besar dan tidak padat, pigmen malaria tersebar diantara inti, plasma warna biru, inti kecil padat (kompak), letak di tengah, dan pigmen tersebar di sekitar inti.
Pengolahan Citra Data image plasmodium falciparum baik pelatihan maupun pengujian diambil hanya pada area image plasmodiumnya saja. Citra plasmodium tersebut berada pada sebuah ruang yang disebut bidang gambar / ruang lingkup citra (image space). Sebuah citra tersusun atas pixel-pixel yang memiliki nilai, sebuah pixel memiliki nilai dari 0 - 255. Preprocessing Proses preprocessing sebelum proses klasifikasi melalui 2 tahapan, yaitu segmentasi warna dan ekstraksi ciri. Segmentasi dilakukan untuk memisahkan unsur warna berdasarkan intensitas warna. Hal ini didasarkan bahwa dalam tiap obyek plasmodium mempunyai perbedaan warna, sehingga ciri warna yang akan diambil pada saat ekstraksi ciri pada proses berikutnya. Berikut ini adalah hasil segmentasi warna plasmodium menggunakan jumlah cluster 3, dan sudah diambil hasil cluster terbaik dari 2 hasil cluster lainnya. Hasil cluster terbaik selanjutnya diekstraksi untuk mendapatkan rata-rata nilai maksimum dari komponen warna R, G dan B. Hasil cluster menggunakan kmeans berada dalam ruang warna RGB. Proses ekstraksi ciri dapat digambarkan dengan proses berikut : Tiap citra hasil ekstraksi ciri mempunyai ukuran data vector matrik 1 x 50. Proses berikutnya melakukan proses pelatihan menggunakan SVM multiclass metode ones against ones
Gambar 1 : Citra Plasmodium Falciparum Trophozoite, Schizont, Gametocyte
91
Dentifikasi Parasit Malaria Plasmodium ... - M. Arief S; Ruliah
Masalah : Tingkat akurasi penelitian terdahulu berbasis komputer menggunakan metode LVQ masih perlu ditingkatkan.
Tujuan Hasil Penelitian: Dapat membedakan sample darah yang mengandung parasit malaria Plasmodium Falciparum dengan morphology stadium Trophozoite , Shizont atau Gametocyter, dengan tingkat akurasi yang lebih baik dibandingkan penelitian sebelumnya
Analisis & Desain Sistem : Analisis : - Penelitian sebelumnya : Tingkat akurasi metode klasifikasi berdasarkan pada model pembelajaran guna mendapatkan bobot terbaik. Bobot terbaik dominan didasarkan pada banyaknya jumlah pembelajaran. Penelitian yang diusulkan : - Menerapkan metode klasifikasi untuk mendapatkan garis pemisah (hyperplane) terbaik diantara object yang akan diidentifikasi, untuk meningkatkan akurasi. - Pendekatan yang dilakukan dengan menggunakan metode Support Vector Machine Desain Sistem : - Data Pembelajaran dan Pengujian yang digunakan adalah data Citra morphology Plasmodium Falciparum - Tahapan berikutnya Pengolahan Citra , Sistem Ruang Warna, Segmentasi Citra KMeans Clustering dan terakhir Identifikasi menggunakan Support Vector Machine
Gambar 2 : Kerangka Pemikiran
Gambar 3 : Diagram blok penelitian
92
JURNAL VISIKES - Vol. 10 / No. 2 / September 2011 Identifikasi Mengggunakan SVM Data pelatihan yang sudah diekstraksi ciri, selanjutnya menjadi data pelatihan SVM. SVM mempunyai dasar klasifikasi 2 kelas (biner). Karena klasifikasi yang dilakukan pada penelitian ini menggunakan 3 kelas, yaitu Throphozoite, Schizonts dan Gametocyter sehingga jumlah SVM biner dihitung menggunakan rumus k (k+1) / 2 ; (k adalah
jumlah kelas) dan menghasilkan 3 buah SVM biner. SVM biner yang pertama terdiri dari, Trophozoite sebagai kelas 1 dan Schizonts sebagai kelas -1, dan seterusnya seperti yang ditunjukkan pada tabel 1. HASIL DAN PEMBAHASAN Data yang digunakan pada penelitian ini data sampel darah yang terdeteksi
Gambar 4 : Flowchart proses k-means clustering
(a) Citra plasmodium sebelum cluster
(b) citra plasmodium hasil cluster
Gambar 5 : Hasil proses Kmeans clustering
93
Dentifikasi Parasit Malaria Plasmodium ... - M. Arief S; Ruliah
Gambar 6 : Proses ekstraksi ciri
Tabel 1. Tiga buah SVM biner dengan metode ones against ones
94
JURNAL VISIKES - Vol. 10 / No. 2 / September 2011 Tabel 2. Distribusi data pelatihan dan data pengujian
Tabel 3. Pembagian label untuk data pelatihan
Tabel 4. Hasil pengujian Trophozoites pada tiap SVM Biner
Tabel 5. Hasil pengujian seluruh data uji pada tiap SVM biner
Tabel 6. Tingkat akurasi hasil identifikasi Plasmodium Falciparum
95
Dentifikasi Parasit Malaria Plasmodium ... - M. Arief S; Ruliah
Gambar 7 : Gambar proses pelatihan dan pengujian dengan nilai akurasi 93,33% pada pelatihan ke 20
Gambar 8 : Hasil Akurasi Sistem Idenfikasi Plasmodium Falciparum menggunakan GUI
mengandung parasit malaria Plasmodium Falciparum yang mengandung morphology stadium Trophozoite, Schizont atau Gametocyter, masing masing kelas 15 sampel untuk dilakukan identifikasi dengan pembagian 10 sampel sebagai data pelatihan dan 5 sampel sebagai data pengujian yang disimpan pada folder tertentu. Tiap data citra mempunyai dimensi 50 x
96
50 pixel. Data pelatihan dan pengujian melalui tahapan proses seperti pada blok diagram penelitian gambar 1. Setelah melalui tahapan segmentasi dan dipilih hasil cluster terbaik, Tiap data citra hasil cluster kemudian diekstraksi ciri untuk diambil rata-rata nilai maksimum dari komponen warna RGB. Hasil ekstraksi ciri tiap data citra hasil cluster mempunyai ukuran dimensi 1x50. Seluruh data
JURNAL VISIKES - Vol. 10 / No. 2 / September 2011 pelatihan selanjutnya disusun berdasarkan komposisi data pelatihan untuk 3 SVM biner. SVM biner pertama mempunyai dimensi data vector matriks 20 x 50 untuk 10 data tropozoite dan 10 data shcizont, SVM biner kedua mempunyai dimensi data vector matriks 20 x 50 untuk 10 data tropozoite dan 10 data gametocyte, dan yang terakhir SVM biner ketiga mempunyai dimensi data vector matriks 20 x 50 untuk 10 data Shcizont dan 10 data gametocyte. Setiap Sampel baik data uji maupun data pelatihan yang diproses menggunakan SVM Biner dinormalisasi terlebih dahulu sehingga seluruh nilai pixel diantara -1 dan 1. Target dari hasil pelatihan ini adalah mencari Hyperplane terbaik pada masing-masing SVM biner, yang akan digunakan untuk mengidentifikasi setiap data uji, apakah berada dikelas -1 atau +1. Setiap data pelatihan mempunyai nilai alpha yang dicari menggunakan quadratic programming. Nilai alpha tersebut menentukan apakah setiap data pelatihan sebagai support vector atau bukan. Nilai alpha yang melebihi threshold yang telah ditentukan itulah yang dapat dikatakan sebagai support vector. Pada peneltian ini digunakan threshold alpha > 1e-5. Seperti halnya data pelatihan yang disusun menjadi 3 buah SVM biner. maka untuk mengklasifikasi data uji, setiap data uji tersebut diproses dalam setiap SVM biner. Setiap sampel data uji dinormalisasi terlebih dahulu sehingga seluruh nilai pixel diantara 1 dan 1. dan selanjutnya dipetakan ke fiture space menggunakan kernel RBF. Proses pengujian mengikuti rumus 3. untuk menentukan apakah hasil dari rumus tersebut bernilai negative atau positive. Jika hasilnya adalah negative maka data uji tersebut berada pada kelas -1 dan jika hasilnya positive maka data uji tersebut berada pada kelas +1. Pembagian label +1 dan -1 untuk data pada setiap SVM biner dapat ditunjukkan pada tabel 3. Jika kelas +1 adalah lebel untuk Tropho-
zoite dan kelas -1 adalah lebel untuk Schizonts, sedangkan hasil dari SVM biner tersebut bernilai positive, maka hasil klasifikasi untuk kelas SVM biner tersebut adalah Trophozoite atau nilai voting Trophozoite bertambah 1. Setelah data uji tersebut diproses pada masing-masing SVM biner, maka hasil pengujian akhir mengikuti metode ones against ones SVM multiclass. Penentuan suatu data uji masuk dalam kelas Trophozoite atau Schizonts atau Gametocyter, yaitu dengan melakukan voting dari hasil seluruh SVM biner. Tabel 4. menunjukkan hasil pengujian sebuah data uji yang diproses pada SVM biner 1, SVM biner 2 dan SVM biner3. Jika pada SVM biner 1, suatu data uji dinyatakan sebagai Trophozoite, di SVM biner 2 dinyatakan sebagai Trophozoite dan di SVM biner 3 dinyatakan sebagai Gametocyte, maka nilai voting untuk data uji tersebut yang terbanyak adalah Trophozoite. Dan hasil identifikasi akhir/hasil voting dari data uji tersebut dinyatakan sebagai Trophozoite. Hasil akurasi identifikasi 93.33% didapatkan setelah melalui beberapa tahap proses pelatihan untuk mendapatkan hyperplane terbaik. Gambar plot proses pelatihan untuk mendapatkan akurasi 93.33% yang diambil dari proses mathlab ditunjukkan pada gambar 6 dan 8. SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Berdasarkan uji coba dan analisis hasil pengujian terhadap sistem Identifikasi Plasmodium falciparum dalam sampel darah Menggunakan Support Vector Machine, dapat disimpulkan sebagai berikut : a. Pada proses ekstraksi ciri, ciri warna yang dipakai adalah rata-rata nilai maksimum dari komponen warna RGB dan dapat mengenali pola pada citra parasit plasmodium falciparum dengan rata-rata tingkat akurasi keberhasilan sebesar 93.33%,
97
Dentifikasi Parasit Malaria Plasmodium ... - M. Arief S; Ruliah b. Tingkat akurasi hasil identifikasi setiap jenis plasmodium falciparum menggunakan Support Vector Machine yaitu Throphozoites (100 %), Schizonts (100%), Gametocyter (80%). Rata-rata akurasi hasil identifikasi keseluruhan sebesar 93.33 %. Hasil identifikasi plasmodium falciparum pada penelitian sebelumnya yang mencapai 91.76% dapat ditingkatkan menjadi 93.33% menggunakan pendekatan Support Vector Machine. Saran a. Menambahkan dan memperbaiki tahapan preprocessing, sehingga tingkat akurasi dapat ditingkatkan pada sistem pencahayaan yang berbeda-beda. Khususnya jika hasil penelitian digunakan oleh petugas analis di lapangan. Perbaikan pada tahapan preprocessing diantaranya memperbaiki RESOLUSI, SHARPNESS dan NOISE b. Melakukan hybrite atau kombinasi metode segmentasi untuk mengatasi nilai center yang random pada awal proses segmentasi menggunakan k-mean clustering. Dapat juga menggunakan metode lain, seperti mathematic morphology untuk meningkatkan hasil akurasi. c. Pada saat pengambilan citra analog atau konversi citra analog ke citra digital, perlu dilakukan rotasi terhadap data penelitian dengan nilai yang lebih kecil atau setengah dari rotasi pada penelitian ini. Contoh besarnya nilai rotasi sebesar 22.5°, 45° dan 67.5°. Dengan ini diharapkan dapat meningkatkan akurasi identifikasi. d. Perlu adanya penelitian lanjutan yang bersifat real time untuk penelitian yang sama.
98
DAFTAR PUSTAKA 1. Iis Hamsir Ayub, Adhi Susanto, and Litasari, 2008. Classfication of Plasmodium Falciparum using Learning Vector Quantization Neural Network. BME Day 2008, Surabaya : 17 2. Departemen Kesehatan RI, 1991, Pemeriksaan Parasit Malaria Secara Mikroskopik, hal : 45 : 49, Jakarta 3. Muslim, 2009, Parasitogi untuk Keperawatan, EGC, Jakarta 4. Premaratne, SP., Nadira Dharshani Karunaweera., Shyam Fernando, W. Supun R. Parera., and R.P. Asanga S Rajapahaksa, 2006. A Neural Network Architecture For Automated Recognition of Intracelluler Malaria Parasites in Staned Blood Film. HYPERLINK “http:// www.lanka.com.Ik” http:// www.lanka.com.Ik . 5. Qussay A. Salih., Abdul Rahman Ramli., Rozi Mahmud, dan Rahmita Wirza, 2004. 3D Visualization For Blood Cells Analysis Versus Edge Detection, The internet Journal of Medical Technologi. 6. Nursuprianah, Indah., 2005. Suatu Model Matematika Dinamika Parasit Malaria Dalam Tubuh Manusia, Bandung , ITB Central Libarary 7. Stivala, David, Alexander,2008, Computational Gene Finding in the Human MalariaParasite Plasmodium vivax, University Libarary Digital Repository , Melbourne. 8. Bastian, Olivier, 2006. Developpments Theoriques et Methods Numeriques Pour Les Analysys Comparatives de Genomes Et Proteomes Biaises Application A La Comparaison des Genmes et Proteomes de Plasmodium Falciparum et D’arabidopsis Thaliana, Tehes Doctuer De L’Universite Joseph Fouir.
JURNAL VISIKES - Vol. 10 / No. 2 / September 2011 9. Widiastuti, Sri., 2006, Penggunaan Jaringan Syaraf Tiruan untuk Prediksi Pengambilan Tindakan Medis Pasien Berdasarkan Diagnosis Klinis. Tesis. Teknik Elektro. Universitas Gajah Mada. 10. Hendriyono, 2009 , Malaria , Banjarmasin, Fakultas Kedokteran 11. Nalwan, A. 1997. Pengolahan Gambar Secara Digital, Elek Media Komputindo, Jakarta. 12. Nugroho, Anto Satriyo, 2008, Support Vector Machine, PTI & Komunikasi BPP Teknologi, Bandung 13. Nugroho, Anto Satriyo., Witarto, Budi Arief, Handoko, Dwi., 2003, Support Vector Machine – Teori dan Aplikasinya Dalam Bioinformatika, BPP, Technologi. 14. Sembiring, Krisantus., 2007, Tutorial SVM Bahasa Indonesia, Bandung, Teknik Informatika ITB. 15. Hsu, Chih-Wei, Chih-Jen Lin, 2002. A Comparison of Methods for Multiclass Support Vector Machine, IEEE Transactions on Neural Networks. 16. Angulo, Jesus and Georges Flandrin, 2005 , Microscopic image analysis using mathematical morphology: Application to haematological cytology, Science, Technology and Education of Microscopy 17. Mixer, F.Mark , 2004 . Blood and Tisuue Protozoa, Departement of Tropical Medicine School of Public Health 18. Hsu, Chih-Wei et al. 2004, A Practical Guide to Support Vector Classfication, Department of Computer Science and Information Engineering, National Taiwan University, Taiwan. 19. Michael, Biehl ,. Anarto, Ghosh, Barabara, Hammer, .2007, Dynamic and Generalization Ability of LVQ Algorithms, MIT.Press 20. Xiang, Sean, Zhou,. Thomas, S, Huang, 2001, Comparing Discrimating Transformations and SVM for Learning During Multimedia Retrievel, ACM
21. Sergio, Herrero et , . 2007, Parallel Multiclass Classfication Using on GPUs, USA, Massachusetts Institute of Technology. 22. Lin , Pei-Yi, Hao, . and Yen-Hsiu, 2006, A New Multi-Class Support Vector Machine with Multi-Sphere in the Feature Space, Taiwan, National Cheng King University Tainan. 23. Nugroho, Antro, Satriyo,. 2000, Support Vector Machine, Bandung, Pusat Teknologi Informasi & Komunikasi, BPP Teknologi 24. Outtara, Y., S. Sanon. Y. Traore, V. Mahiou, N. Azas and L. Sawadogo, 2006. Antimalarial Activity of Swartzia Madagascariensis Desv. (Leguminosae), Combretum glitinosum Guill. & Perr.(Combretaceae) and Tinospora bakis Miers.(Menisspermae), Burkina Faso Medicinal Plants, Fr, J. Tras. 3(1): 75-81. 25. Prasetyorini Nurul, 2008, Aktivitas Ekstrak Herba Sambiloto, Daun Pepaya, dan Buah Pare-pare Terhadap Plasmodium Falciparum, Bandung , ITB Central Libarary 26. Santoso, Budi., 2007, Data Mining, Teknik Pemanfaatan Data untuk Keperluan Bisnis, Surabaya, Graha Ilmu. 27. Santoso, Budi, 2007, Data Mining Terapan dengan MatLab , Surabaya, Graha Ilmu. 28. Siang, Jong Jek,. Jaringan Syaraf Tiruan, 2004, Yogyakarta, Andi Offset. 29. Mauridhi, Hery, Purnomo,. Agus, Kurniawan., 2006, Supervised Neural Network dan Aplikasinya, Surabaya, Graha Ilmu. 30. Sugiharto, Aris., Pemrograman GUI dengan MalLab, 2006, Semarang, Andi Offset
99
