32 DESAIN SISTEM ALAT PENGUKURAN DETAK JANTUNG
advertisement
DESAIN SISTEM ALAT PENGUKURAN DETAK JANTUNG PORTABLE BERBASIS SENSOR PHOTOPLETISIMOGRAF Sulaiman1, Sosiawati Teke2 Teknik Elektromedik Stikes Mandala Waluya Kendari Email: [email protected], [email protected] Abstrak Detak jantung manusia merupakan salah satu factor yang menentukan tingkat kesehatan seseorang. Detak jantung yang terlalu lambat ataupun terlalu cepat akan berdampak buruk bagi kesehatan. Detak jantung dapat berdetak cepat saat seseorang melakukan suatu aktifitas yang membutuhkan energy yang cukup besar. Untuk mengetahui detak jantung masih berdetak dalam batas normal ataupun tidak, maka didapat dilakukan pengukuran baik pengukuran secara langsung oleh orang yang ahli dalam kesehatan maupun menggunakan alat ukur detak jantung. Penggunaa alat ukur detak jantung merupakan metode yang lebih sederhana untuk mengahui kecepatan detak jantung, namun harganya masih cukup mahal. Oleh karena itu dikembangkan sistem pengukuran detak jantung yang berbasis Sensor Photopletismograf (PPG). Sistem ini mengukur detak jantung berdasarkan perubahan volume darah pada ujung jari tangan seseorang. Untuk mendapatkan sinyal PPG, maka digunakan sensor optic berupa photodiode dan LED ditempatkan pada ujung jari. Tegangan keluaran dari sensor kemudian difilter dan dikuatkan menggunakan Operational Amplifier (Op-Amp). Data sensor PPG yang telah diproses kemudian diolang secara digital menggunakan mikrokontroler. Hasil pengkuran menunjukkan sistem dapat melakukan pengukuran detak jantung dengan cukup baik dimana hasil pengukuran sistem dicocokan dengan aplikasi pengkuran detak jantung pada smarphone. Kata kunci: Photopletismograf, jantung, mikrokontroler .PENDAHULUAN terlalu lambat akan berpenaruh terhadap kesehatan seseorang. Oleh karena itu, detak jantung seseorang harus dapat terkontrol terlebih lagi pada orang yang sering melakukan kegiatan yang dapat memicu jantung berdetak lebih cepat. Pengukuran detak jantung dapat dilakukan dengan beberapa cara, yaitu dengan melakukan pengukuran secara langsung pada denyut nadi maupun menggunakan alat pengukur detak jantung. Pada pengukuran detak jantung melalui pengukuran pada denyut nadi hanya dapat Jantung merupakan salah satu organ tubuh manusia yang berperan penting dalam mengatur sirkulasi darah. Dalam keadaan normal, jantung dapat berdetak dengan kecepatan 60 – 100 kali permenit [1]. Detak jantung dapat menjadi lebih cepat saat sesorang melakukan latihan, olah raga ataupun kegiatan-kegiatan yang membutuhkan energy cukup banyak namun dalam batas yang telah ditetapkan. Sehingga, detak jantung yang terlalu cepat ataupun 32 33 dilakukan oleh orang-orang yang telah terampil dan mendapatkan pelatiah khusus, sehingga tidak semua orang dapat melakukannya. Sedangkan untuk melakukan pengukuran detak jantung menggunakan alat ukur detak jantung masih sulit untuk dilakukan karena harga peralatan tersebut masih cukup mahal. Dengan perkembangan teknologi khusus dalam bidang elektronika, maka dapat dibangun suatu system yang dapat melakukan pengukuran detak jantung. System pengukuran detak jantung yang dibuat menggunakan prinsip pembacaan sinyal Photopletismograf (PPG). Dimana pada system ini, dilakukan pengukuran menggunakan sensor optic yang ditempatkan pada ujung jari untuk mendeteksi perubahan volume darah yang terjadi akibat proses pemompaan darah oleh jantung [2]. Perubahan volume darah akan menghasilkan korelasi dengan detak jantung yang dideteksi oleh sensor dan kemudian dilakukan pengolahan sinyal yang dikeluarkan oleh sensor tersebut [3]. Pengolahan sinyal yang semula berupa sinyal analog menjadi sinyal digital dilakukan menggunakan mikrokontroler sehingga hasil pengukuran dapat ditampilkan pada LCD. METODOLOGI PENELITIAN System pengukuran detak jantung yang dibangun terdiri dari beberapa bagian utama yaitu: sensor PPG, rangkaian pengkondisi sinyal, mikrokontroler, dan LCD. Gambar 30 Blok diagram perancangan sistem Pembuatan system diawal dengan perancangan sensor optic yang ditempakan pada ujung jari. Sensor optic yang dibuat terdiri dari sumber cahaya berupa Light Emitting Diode (LED) dan Photodioda yang berfungsi sebagai sensor cahaya [4]. Cahaya yang dihasilkan oleh LED akan merambat ke dalam jari dan dipantulkan oleh tulang yang kemudian dideteksi oleh sensor cahaya. Intensitas cahaya yang diterima oleh sensor akan bergantung seberapa besar intensitas cahaya yang diteruskan ataupun diserap oleh jari. Dimana saat volume darah pada jari maksimum, maka intensitas cahaya yang diterima akan semakin kecil dan sebaliknya jika volume darah pada jari menurun, maka intensitas cahaya yang diterima oleh sensor akan semakin besar. Frekuensi maksimum dan minimum dari volume darah akan bergantung pada detak jantung sehingga tegangan keluaran dari sensor cahaya juga akan mengikuti frekuensi dari detak dari jantung. Akan tetapi, amplitude dari tegangan tersebut masihlah sangat kecil dan masih bercampur dengan sinyal-sinyal noise sehingga harus dilakukan penguatan dan penyaringan/filter pada sinyal tersebut. Penguatan dan pemfilteran sinyal dilakukan menggunakan Operasional Amplifier (op-amp). Dimana proses ini dilakukan beberapa kali untuk mendapatkan sinyal yang baik dan bersih dari noise. Jenis op-amp yang digunakan adalah IC LM324 yang merupakan IC dengan 4 channel. Sehingga proses penguatan dan pemfilteran sinyal dapat lang sung dilakukan dengan satu IC. Gambar 31 IC LM324 34 Sinyal tersebut kemudian diubang menjadi sinyal digital menggunakan mikrokontroler berdasarkan program yang dimasukkan ke dalamnya. Berikut adalah flowchart dari program tersebut: bagian penerima berupa photodiode yang juga dirangkai secar seri dengan sebuah resistor. Pemasangan resistor bertujuan untuk mencegah arus berlebih pada LED dan photodiode. Gambar 34 Rangkain sensor PPG Gambar 32 Flowchart program mikrokontroler HASIL DAN PEMBAHASAN Sistem pengukuran detak jantung yang dibangun terdiri dari beberapa blok utama untuk mengolah sinyal PPG hingga dapat merepresentasikan nilai dari detak jantung. Berikut adalah blok sistem pengukuran detak jantung yng dibuat: Pada rangkaian sumber tegangan sensor digunakan regulator tegangan menggunkan diode zener agar tegangan keluaran pada photodiode hanya bergantung pada perubahan volume darah pada jari bukan dari fluktuatif sumber tegangan. Sebab jika besar tegangan sumber berubah, maka besar tegangan photodiode juga akan berubah. Tegangan keluaran sensor yang telah stabil kemudian difilter dan dikuatkan menggunakan Op-Amp. Rangkaian filter pertama yang digunakan adalah filter lolos tinggi (Gambar 35) dengan frekuensi Cut off (fc) yang besarnya ditentukan dengan persamaan berikut: fc Gambar 33 Blok diagram sistem pengukuran detak jantung Proses pengukuran detak diawali dari perubahan volume darah pada ujung jari yang didteksi oleh sensor. Sensor terdiri dari bagian pemancar berupa LED yang dirangkai secara seri seeri dengan sebuah resistor serta 1 2 RC 1 2 47k 4, 7 F 0, 7 Hz 35 Gambar 35 Rangkaian filter lolos tinggi dan rangkaian penguat operasional Dengan frekuensi cut off sebesar 0,7 Hz, maka sinyal dengan frekuensi di bawah frekuensi cut off tidak dilewatkan. Keluaran dari rangkaian filter lolos tinggi kemudian menjadi masukkan pada rangkaian berikutnya yaitu filter lolos rendah serta penguat operasional dengan frekuensi cut off dan penguatan sebagai berikut: Frekuesi cut off filter lolos rendah: 1 fc 2 RC 1 2 6,8k 100nF 2, 43Hz Gambar 36 Rangkaian filter lolos rendah dan lolos tinggi kedua Dari proses pemfilteran dan penguatan tersebut, maka diperoleh sinyal yang bersih dengan amplitude yang cuup tinggi untuk dilakukan pengolahan data secara digital oleh mikrokontroler. Gain dari penguat operasional non-inverting: R G 1 2 R2 680k 1 6,8k Gambar 37 Bentuk sinyal sebelum dilakukan pemfilteran dan penguatan 101 Dengan kombinasi rangkaian filter aktif lolos tinggi dan rangkaian filter lolos rendah akan membantu untuk menghilangkan sinyal DC yang tidak diinginkan dan noise dengan frekuensi tinggi. Sedangkan rangkaian penguat operasional memiliki penguatan (G) hingga 101 kali untuk menguatakan sinyal amplitude dari komponen AC. Gambar 38 Bentuk sinyal ssetelah dilakukan pemfilteran dan penguatan 36 Mikrokontroler mengolah sinya sensor PPG dan merepresentasikan data tersebut sebagai banyaknya detak jantung setiap menit.hasil. untuk mengtahui keakuratan pengukuran sistem, maka hasil pengukuran sistem dicocokan dengsn hasil pengkuran detak jantung menggunkan aplikasi pengukuran detak jantung pada smartphone. DAFTAR PUSTAKA [1] Akhmad A., 2012. Integrasi Sistem Monitoring Elektrokardiograf Dan Fotopletismografberbasis Mikrokontroler. Bandung: Fakultas Elektro dan Komunikasi IT Telkom [2] Heydar T. S, 2009. Diabetic diagnose test based on PPG signal and identification system. Iran: Shahrood University of Technology. [3] Meredith D. J., 2012. Photoplethysmographic derivation of respiratory rate: a review of relevant physiology. Journal of Medical Engineering & Technology. Gambar 39 Tampilan sistem pengukuran detak jantung Dari hasil pengukuran menunjukkan adanya sedikit perbedaan antara hasil pengukuran sistem yang dibuat dengan hasil pengkuran oleh aplikasi pada smartphone. Dari hsil perhitungan, rata-rata perbedaan yang diperoleh mencapai 4 detak permenit. Hal ini disebabkan karena proses pembacaan sensor yang tidak tepat saat jari pasien bergerak dari posisi awal pengukuran. KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat diperoleh dari penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Sensor PPG dapat dibangun dengan menggunakan LED sebagai sumber cahaya dan photodiode untuk mendeteksi perubahan intensitas cahaya akibat perubahan volume darah pada ujung jari. 2. Untuk memperoleh sinyal yang dapat direpresentasikan sebagai jumlah detak jantung permienit, maka harus dilakukan pemfilteran dan penguatan sinyal sensor PPG. [4] Juan C., 2013. Innovative Continuous Non-Invasive Cuffless Blood Pressure Monitoring Based On Photoplethysmography Technology. Intensive Care Med (2013) 39:1618– 1625
