PKM Artikel Ilmiah

I. JU DUL
MONITORING PPG DIGITAL UNTUK MENGHITUNG
DETAK JANTUNG PASIEN
II. NAMA PENULIS
1. Haula Silva Zahara ( IT Telkom )
2. M.Teguh Kurniawan ( IT Telkom )
3. Fitria Yunita ( IT Telkom )
III. ABSTRAK
Jantung merupakan organ vital didalam tubuh manusia. Jantung berfungsi
mensirkulasikan darah ke seluruh tubuh. Ada banyak cara untuk mengetahui kondisi
jantung seseorang. Salah satunya menggunakan Photoplethysmograph.
Photoplethysmograph merupakan perangkat yang dapat mendeteksi perubahan
volume darah tersebut. Data Photoplethysmograph dapat digunakan untuk
mengetahui kondisi kesehatan seseorang.
Pada karya ini telah dibuat Photoplethysmograph embedded wireless LAN
berbasis komputer. Sistem ini dapat digunakan untuk memonitor keadaan jantung
secara wireless.
Photoplethysmograph ini terdiri dari sensor, penguat, LPF, ADC,
mikrokontroler, komunikasi data serial, wireless LAN 802.11b, dan komputer sebagai
penerima dan penampil data. Sensor tersusun atas LED merah dan fotoresistor
(LDR) yang ditempatkan pada jari tangan. Sinyal yang dipancarkan LED diterima
oleh LDR. Sinyal yang diterima LDR berubah-ubah sesuai perubahan volume darah,
karena sinyal yang diterima amplitudanya sangat kecil dan mengandung noise maka
perlu dikuatkan dan di filter. Sinyal analog tersebut dirubah menjadi sinyal digital
dengan ADC. Selanjutnya data dikirim secara serial oleh mikrokontroler dan
ditransmisikan secara wireless ke komputer. Di komputer data akan disajikan dalam
bentuk grafik dan angka.
Setelah dilakukan pengujian, perangkat PPG digital yang telah direalisasikan
dapat bekerja dengan baik dalam menampilkan grafik sinyal PPG, sinyal sudah
bersih dari noise, dapat menghitung detak jantung tiap menit, dan sistem bersifat
realtime.
Kata kunci : Photoplethysmograph, embedded wireless LAN, LPF, ADC, LDR.
IV. ABSTRACT
The heart is a vital organ in the human body. The heart have function to
circulate blood throughout the body. There are many ways to analyze the condition of
the heart a person. One of them using Photoplethysmograph. Photoplethysmograph is
a device that can detect changes in blood volume. The data of Photoplethysmograph
can be used to determine the health condition of a person.
In this project a has made Photoplethysmograph embedded wireless LAN-based
on computer. This system can be used to monitor the heart using wireless
transmission.
Photoplethysmograph consists of sensor, amplifier, LPF, ADC, microcontroller,
serial data communication, wireless LAN 802.11b, and the computer as a receiver
and viewer data. Sensor consists of red LED and Photo resistor (LDR) is placed on
the finger. The signal emitted LED accepted by LDR. Signals received LDR changes
according to changes in blood volume, because the signal received amplitude is very
small and contain noise will need to be strengthened and filtered. Analog signals are
converted into digital signals by ADC. And then, data is sent serially by the
microcontroller and transmitted wirelessly to a computer. In the computer data will
be presented in the form of graphs and numbers.
After testing, the digital PPG has realized can work well in show the signal
graphs, clean signal from noise, counting heartbeats per minute, and the system is
realtime.
Key word : Photoplethysmograph, embedded wireless LAN, LPF, ADC, LDR.
IV. PENDAHULUAN
Jantung merupakan organ vital didalam tubuh manusia. Jantung berfungsi
mensirkulasikan/memompa darah ke seluruh tubuh. Akibat dari pemompaan tersebut
volume darah di suatu organ akan berubah-ubah. Photoplethysmograph (PPG)
merupakan perangkat yang dapat digunakan untuk mendeteksi perubahan volume
darah tersebut.
Meskipun cara bekerjanya mendeteksi perubahan volume darah, PPG pada
umumnya digunakan untuk menghitung dan menampilkan detak jantung per menit,
sedangkan informasi perubahan volume darah tersebut tidak ditampilkan. Akan lebih
berguna jika PPG menampilkan data dalam bentuk grafik perubahan volume darah
secara kontinyu, karena dari grafik tersebut dapat diamati kondisi jantung seseorang.
Oleh dokter / ahli medis pengamatan grafik PPG secara kontinyu dapat mendeteksi
adanya gangguan jantung misalnya kontraksi jantung prematur dan mengamati siklus
pernafasan.
Pada karya ini dibuat PPG dengan wireless LAN 802.11b sebagai pengirim data
ke komputer ahli jantung dengan konfigurasi point to point karena pemantauan hanya
dilakukan pada satu user. Wireless LAN dipilih dengan alasan memiliki mobilitas
yang
lebih
baik
jika
dibandingkan
dengan
Bluetooth
dan
perangkat
Photoplethysmograph dapat terhubung langsung dengan komputer yang berfungsi
sebagai tempat pengolahan data.
Penggunaan Photoplethysmograph wireless ini diantaranya adalah untuk
memonitor kondisi jantung, menghitung detak jantung, dan penggunaan media
transmisi wireless ini akan lebih fleksibel untuk monitoring pasien.
V. TUJUAN
Tujuan yang ingin dicapai pada penelitian ini antara lain :
1. Merancang dan merealisasikan perangkat PPG berbasis komputer.
2. Dapat mengimplementasikan suatu embedded wireless LAN yang digunakan
sebagai pengirim data pada sistem monitoring PPG.
3. Memahami sistem embedded dalam pengembangan aplikasi elektronika.
4. Memahami sistem transmisi data pada jaringan komputer nirkabel (802.11b) dan
dapat menerapkannya pada sistem monitoring PPG.
5. Memahami penggunaan mikrokontroller dan mikroprosesor dalam aplikasi
elektronika.
VI. METODE
Untuk menyelesaikan penelitian ini penulis akan menggunakan metode :
1. Studi pustaka
Metode ini digunakan untuk mendapatkan data-data dan informasi yang
berhubungan dengan penelitian.
2. Implementasi sistem
Pada Karya ini akan diimplementasikan dengan perangkat keras sistem
embedded wireless LAN sebagai pengirim data pada PPG digital.
3. Metode Pengukuran dan Teknik AnalisisPengujian
Teknik analisis yang digunakan mencakup analisis rangkaian, analisis sinyal,
serta analisis sistem secara keseluruhan. Analisis ini akan dibantu dengan
proyeksi pengukuran yang didapat dari hasil pengujian, sehingga hasil
pengukuran sistem dalam kondisi bekerja dapat dibandingkan.
VII. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada bab ini akan dijelaskan mengenai perancangan, hasil dan analisis yang
telah dicapai antara lain : sinyal keluaran blok analog, sinyal keluaran blok digital,
tampilan sinyal pada software aplikasi, serta analisis sistem secara keseluruhan.
Untuk memperjelas akan dijelaskan pada bagian dibawah ini.
1. Blok Analog
Bagian ini terdiri dari sensor, penguat sinyal, dan filter. Rangkaian sensor
tersusun atas LED, LDR dan resistor. Penguat operasional menggunakan IC OP07
dengan besar penguatan maksimum 500 kali, penguat disusun secara bertingkat.
Filter yang digunakan adalah filter LPF aktif dengan frekuensi cut off sebesar 20 Hz.
Untuk memperjelas ditunjukkan pada Gambar rangkaian dibawah ini.
(a)
(b)
(c)
Gambar 1(a) Rangkaian sensor (b) Penguat (c) Filter
Pada blok ini sinyal keluaran yang ditampilkan merupakan sinyal keluaran
setelah melewati penguat dan filter, sehingga sinyal PPG sudah terlihat bersih dari
noise. Berikut Gambar sinyal keluaran pada blok analog.
Gambar 2 sinyal analog PPG
Dari gambar diatassinyal mempunyai amplitudo 2,8 volt sehingga sudah
memenuhi syarat untuk masuk ke ADC yang mempunyai rentang pembacaan 0-5
volt.
2. Blok Digital
Bagian ini terdiri dari ADC 0804, AT89C2051, dan MAX-232 Untuk
memperjelas ditunjukkan pada Gambar rangkaian dibawah ini.
Gambar 3 Rangkaian blok digital
Pada rangkaian modem UART terdapat dua proses yang paling penting yaitu
prose pengubahan data analog menjadi data digital, dan pengaturan format data serial.
Proses pengubahan data analog menjadi data digital dilakukan oleh IC ADC0804
yang pengaturannya dilakukan oleh mikrokontroler AT89C2051 melalui program
mikrokontroler pada pin 3.3, 3.4, dan 3.5 yang meliputi pengaturan masukan ke pin
RD, WR dan INTR pada IC ADC0804. Pengukuran keluaran ADC0804
menggunakan masukan DC +5 volt, 0 dan -5 volt pada rangkaian pengkondisi
masukan ADC0804. Berikut tabel masukan dan keluaran ADC0804. Pengujian
dilakukan dengan menggunakan lampu LED yang dipasangkan pada kaki output
ADC sehingga dengan lampu menyala merepresentasikan nilai “1” dan lampu mati
merepresentasikan nilai “0” pada bilangan biner.
Tabel 1 Data masukan dan keluaran ADC0804
Pengukuran pada rangkaian output MAX232 meliputi baudrate dan level
tegangan. Pengukuran ini ditujukan untuk mengetahui nilai baudrate yang digunakan
pada perancangan yaitu 2400 bps. Dari hasil pengukuran diperoleh data ukur satu
lebar bit data adalah 2500 bps hal ini dikarenakan keterbatasan ketelitian osiloskop.
Level tegangan yang terukur adalah 17,2 Vpp.
(a)
(b)
Gambar 3(a) dan 3(b) Data serial RS-232
3. Analisis Perangkat Pengkondisi Sinyal Secara Keseluruhan
Untuk mengetahui kerja perangkat secara keseluruhan dilakukan pengujian
dengan membagi menjadi 2 blok perangkat. Blok pertama dikategorikan sebagai
blok analog yang meliputi akuisi sinyal dengan sensor, penguat operasional, dan low
pass filter. Untuk blok kedua dikategorikan sebagai blok digital yang terdiri dari
ADC, mikrokontroller, dan MAX-232.
4. Analisis Stabilitas Perangkat Blok Digital
Blok digital mempunyai karakteristik lebih tahan terhadap noise, sehingga noise
tidak mempengaruhi sistem secara signifikan. Pada blok digital, sistem relatif stabil
karena bekerja pada intruksi sederhana yaitu membaca data keluaran ADC kemudian
mengirimkannya secara serial. Jika terjadi error perangkat harus di reset terlebih
dahulu agar dapat bekerja kembali. Proses reset dapat dilakukan dengan menekan
tombol reset pada papan PCB atau dapat dilakukan dengan mematikan perangkat
terlebih dahulu kemudian menyalakan kembali perangkat PPG.
6. Analisis Data yang Diterima dari Photoplethysmograph Digital
Data yang diterima dari perangkat berupa data biner. Data tersebut dikirimkan
secara wireless menggunakan media transmisi udara. Paket yang dikirim masih
berbentuk frame data karena perangkat embedded wireless LAN module bekerja pada
datalink layer pada OSI layer. Data yang diterima kemudian dikonversi menjadi data
buffer yang kemudian dapat di plot pada posisi grafik. Berikut gambar grafik sinyal.
Gambar 4 Sinyal PPG pada software aplikasi
Sinyal yang diterima terlihat bersih dari noise dan sesuai dengan teori grafik
sinyal PPG. Untuk itu tidak diperlukan lagi proses filter digital. Dari keterangan
dokter sinyal sudah memenuhi standar kelayakan klinis.
7. Perbandingan Perhitungan Detak Jantung
Perhitungan jumlah detak jantung dilakukan secara manual dengan bantuan jam
sebagai penanda kapan dimulai dan berakhirnya perhitungan. Pengukuran dilakukan
pada 30 orang, berikut Tabel hasil pengukuran.
Tabel 2 Data perbandingan perhitungan detak jantung secara manual
Nama
Ageak
Ikhwan
Hardi
Gondo
Ribut
Eko
Chandra
PPG
(Bpm)
93
75
84
72
87
81
81
Manual
91
72
84
75
84
82
82
Selisih
2
3
0
3
3
1
1
Kiki
Fitra
Ovina
Ajie
Silva
Dina
Faruk
Fuji
Saiful
Tirta
Edo
Catur
Fatur
Endang
Ilham
Kamal
Hamzah
Ayu
Tea
Andang
Doni
Putra
Wahyu
87
78
78
75
63
90
81
78
84
75
84
72
87
81
66
84
69
75
72
75
78
93
81
85
77
79
76
62
91
81
77
84
77
87
72
89
84
68
85
71
75
74
78
77
92
80
2
1
1
1
1
1
0
1
0
2
3
0
2
3
2
1
2
0
2
3
1
1
1
Dari hasil pengujian diatas terdapat perbedaan hasil perhitungan detak
jantung. Ini bisa disebabkan karena adanya pergerakan jari tangan yang menimbulkan
perubahan sinyal sehingga terjadi kesalahan deteksi.
Dari data diatas diperoleh rata-rata selisih perhitungan Bpm sebesar 1,467.
Dengan nilai rataan deviasi dan standar deviasi pada perhitungan dibawah ini :
Mean Deviasi =
∑|𝑠𝑒𝑙𝑖𝑠𝑖ℎ−𝑟𝑎𝑡𝑎2 𝑠𝑒𝑙𝑖𝑠𝑖ℎ|
𝑗𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑠𝑎𝑚𝑝𝑒𝑙
=
25,868
∑|𝑠𝑒𝑙𝑖𝑠𝑖ℎ−𝑟𝑎𝑡𝑎2 𝑠𝑒𝑙𝑖𝑠𝑖ℎ|2
Standar Deviasi= √
𝑗𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑠𝑎𝑚𝑝𝑒𝑙−1
30
= 0,86
29,46667
=√
29
= 1,01
Variansi = 𝑆𝑡𝑑. 𝐷𝑒𝑣 2 = 1,0201
Dari hasil perhitungan diatas, nilai mean deviasi dan standar deviasi mendekati
nilai satu sehingga dapat disimpulkan bahwa perhitungan Bpm pada sistem PPG
yang direalisasikan memiliki tingkat akurasi yang tinggi.
VIII. KESIMPULAN
Setelah dilakukan pengujian dan analisis didapatkan kesimpulan sebagai
berikut:
1. Pada karya ini telah berhasil merealisasikan perangkat monitoring
fotoplethysmograf berbasiskan
wireless LAN 802.11b yang dapat
menampilkan grafik sinyal PPG, menghitung detak jantung tiap menit serta
pengarsipan data pasien.
2. Filter analog yang direalisasikan pada karya ini sudah bekerja dengan baik
terbukti sinyal PPG yang ditampilkan bersih dari noise sehingga tidak
diperlukan pemrosesan filter digital.
3. Sistem yang direalisasikan sudah bersifat realtime.
4. Protokol jaringan yang digunakan untuk proses transmisi data adalah
protokol TCP.
5. Dari hasil pengujian menghitung detak jantung permenit, PPG teruji akurat
dengan pembanding perangkat standar klinik dan perhitungan manual
dengan nilai kesalahan 1-3 detak jantung.
IX. DAFTAR PUSTAKA
1. Gunawan,Hanapi.1981.Prinsip-Prinsip Elektronik.Erlangga.Jakarta
2. Putra, Agfianto Eko. 2002. Belajar Mikrokontroler AT89C51/52/55. Gava Media.
Yogyakarta.
3. Riko, Saputra.2008. Perancangan dan Implementasi Aplikasi Penerima Data Pada
Sistem Monitoring Elektrokardiograf Digital Bebasiskan Wireless LAN (802.11b).
IT Telkom. Bandung
4. Sutanto, Ahmad.2008. Implementasi Embedded Wireless LAN (802.11b) Sebagai
Pengirim Data Pada Sistem Monitoring Elektrokardiograf Digital. IT Telkom.
Bandung.
5. Willis J Tompskin, Biomedical Signal Processing, Prentice Hall, New Jersey, 1993
6. Atmel Corp, Flash Microcontroler, www.Atmel.com.