Perancangan Alat Pengukur Persentase Lemak Tubuh dengan

Perancangan Alat Pengukur Persentase Lemak Tubuh dengan Metode Foot-toFoot Bioelectrical Impedance Analysis (BIA) 4 Elektroda berbasis Mikrokontroller
Arduino
Ganjar Winasis*), Munawar A.R., Darjat.
Jurusan Teknik Elektro, Universitas Diponegoro Semarang
Jl. Prof. Sudharto, SH, kampus UNDIP Tembalang, Semarang 50275, Indonesia
*)
Email: [email protected]
Abstrak
Lemak tubuh merupakan salah satu komposisi tubuh manusia. Persentase lemak tubuh dapat dijadikan parameter kondisi tubuh
dalam keadaan obesitas atau tidak. Pada penelitian ini, penulis merancang alat medis yang bersifat non-invasive untuk
mengukur persentase lemak tubuh. Alat tersebut mengukur impedansi dalam tubuh, dimana impedansi dapat dijadikan tolak
ukur dalam mengukur persentase lemak tubuh. Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah foot-to-foot Bioelectrical
Impedance Analysis (BIA) 4 elektroda. 4 Elektroda yang digunakan terletak pada telapak kaki. Arus yang digunakan pada alat
penelitian adalah sebesar 0.1mA dengan frekuensi sebesar 51,55 kHz. Untuk mengolah keseluruhan sistem dari alat, digunakan
mikrokontroler Arduino Mega. Sedangkan output hasil pengukuran ditampilkan dalam LCD 20x4. Pada pengujian sistem, eror
rata-rata yang dihasilkan dari pengukuran persentase lemak tubuh adalah sebesar 7,15%.
Kata Kunci: Bioelectrical Impedance Analysis (BIA), lemak tubuh, instumentasi medis, Arduino
Abstract
Body fat is one of the compositions that obtained inside human body. Body fat percentage can be used as a body condition
parameter whether human body in an obesity condition or not. In this research, the author designed a non-invasive medical
instrument to measure percentage of body fat. It measures the impedance inside the body, where the impedance can be used
as an indicator in measuring percentage of body fat. Foot-to-foot bioelectrical impedance analysis (BIA) four electrodes
method is used in this research. This method uses four electrodes which placed on the foot. This medical instrument uses
0,1mA current and 51,55 kHz frequency. An Arduino microcontroller is used to process the whole system of this medical
instrument. Meanwhile the measurement output is displayed on the LCD 20x4. In testing the system, the result shows that
error rate from the measurement of percentage of body fat is 7,15%.
Keywords : Bioelectrical Impedance Analysis (BIA), Body Fat, medical intrumentation, Arduino
1. Pendahuluan
Sebelum perkembangan teknologi, untuk mengukur
persentase lemak tubuh masih meggunakan metode manual
seperti metode kaliper lemak tubuh. Penggunaan alat ini
dengan cara menjepitkan ke bagian lemak tubuh di beberapa
titik. Kemudian angka yang terbaca pada kaliper lemak tubuh
dihitung secara manual dengan melihat rumus pada buku
pedoman penggunaan. Untuk melihat keterangan kondisi
lemak tubuh, pasien diharuskan melihat sendiri pada Tabel
kriteria persentase lemak tubuh.
Saat ini sudah terdapat berbagai macam teknologi untuk
mengukur persentase lemak tubuh. Beberapa teknologi
diantaranya adalah DEXA Scan, Hydrostatic Testing, dan
Bioelectrical Impedance Analysis (BIA)[1]. DEXA Scan
merupakan metode pengukuran lemak tubuh dengan
menggunakan sinar-X untuk melakukan scanning pada
tubuh[2]. Metode lain, Hydrostatic Testing, merupakan
metode mengukur persentase lemak tubuh dengan
membandingkan massa tubuh di darat dengan massa tubuh di
dalam air[3]. Sedangkan BIA adalah metode persentase
lemak tubuh dengan mengukur impedansi yang ada di dalam
tubuh manusia[4].
Berdasarkan penjelasan sebelumnya, maka dibuatlah
sebuah alat untuk mengukur persentase lemak tubuh dengan
metode foot-to-foot Bioelectrical Impedance Analysis (BIA)
4 (empat) elektroda. Tema penelitian mengenai persentase
lemak tubuh sebelumnya telah dilakukan oleh Danang
Septaditya [5] dan Rachmat Yoga[6]. Dalam penelitian yang
dilakukan Danang Septaditya, perancangan alat pengukur
persentase lemak tubuh didesain dengan menggunakan teknik
2 (dua) buah elektroda pada tangan. Penelitian lain yang
dilakukan oleh Rachmat Yoga, perancangan alat pengukur
persentase lemak tubuh menggunakan teknik 4 (empat)
elektroda pada tangan.
2.2 Perancangan Sistem BIA
Perancangan yang telah dilakukan oleh penulis
menggunakan 4 (empat) elektroda yang berada pada telapak
kaki. Elektroda ini digunakan sebagai sensor pada alat
pengukur persentase lemak tubuh. Untuk menentukan
persentase lemak tubuh, penulis menggunakan pendekatan
regresi dari persamaan Lohman. Dalam rancang bangun alat
tersebut, mikrokontroller arduino mega digunakan sebagai
pemroses data yang didapat dari dalam tubuh. Sedangkan
sebagai output tampilan visual, digunakan layar LCD dengan
ukuran 20x4.
Perancangan sistem BIA tersusun dari rangkaian
pembangkit sinyal sinusoidal, VCCS, instrumentasi
amplifier, BPF, dan ac to dc converter.
2. Perancangan
Pada Gambar 2 dapat dilihat rangkaian pembangkit sinyal
sinusoidal dengan menggunakan IC ILC8038. Rangkaian
tersebut dirancang untuk menghasilkan frekuensi sebesar
50kHz. Besarnya frekuensi yang dihasilkan dipengaruhi oleh
.
nilai resistor dan kapasitor dengan perhitungan =
.
Untuk mempermudah perhitungan, kapasitor telah ditentukan
.
dengan nilai 1nf. Sehingga didapatkan nilai =
= 6,6
.
kOhm.
Gambar 3 menunjukkan bahwa keluaran rangkaian VCCS
digunakan untuk mengalirkan arus ke tubuh melalui 2
elektroda. Dengan perhitungan =
, akan didapatkan
nilai arus adalah sebesar 0,1mA.
IC INA121 digunakan untuk merancang rangkaian
instrumentasi amplifier. Rangkaian INA121 berfungsi untuk
menguatkan perbedaan tegangan yang didapat dari tubuh.
Perhitungan penguatan (G) INA121 adalah = 1 +
,
Gambar 1 Blok diagram alat persentase lemak tubuh
Pada Gambar 1 menunjukkan Gambaran umum dari
keseluruhan sistem pengukur persentase lemak tubuh dengan
Bioelectrical Impedance Analysis (BIA). Bagian-bagian dari
blok diagram tersebut adalah sebagai berikut:
 Baterai, digunakan sebagai sumber tegangan untuk
sistem.
 Saklar, digunakan untuk menghubungkan atau
memutuskan catu daya ke sistem.
 Pembagi
Tegangan,
digunakan
untuk
mengkonversi tegangan baterai menjadi sumber
tegangan positif (+) dan negatif (-).
 Pembangkit Gelombang Sinusoidal, berfungsi
untuk menghasilkan tegangan AC dengan
frekuensi 50 kHz.
 Rangkaian Voltage Controlled Current Source
(VCCS), berfungsi untuk menghasilkan arus yang
konstan.
 Instrumentasi Amplifier, digunakan untuk
menguatkan keluaran tegangan dari tubuh.
 Band Pass Filter (BPF), digunakan untuk
mengeliminasi sinyal-sinyal derau pada frekuensi
rendah dan frekuensi tinggi.
 AC to DC converter, digunakan untuk mengubah
sinyal input AC menjadi output DC.
 LCD 20x4, digunakan untuk menampilkan data
dan hasil pengukuran.
 Keypad matriks 4x4, digunakan untuk menginput
data untuk perhitungan persentase lemak tubuh.
 Arduino Mega, digunakan untuk mengontrol
keseluruhan sistem.
dengan besarnya penguatan (G) yang diinginkan adalah 60x
maka
didapatkan
=
= 847,46 ℎ [9]. Rangkaian INA121 dapat
dilihat pada Gambar 4.
Keluaran dari INA121 selanjutkan diproses pada
rangkaian BPF. Rangkaian BPF yang dirancang
menggunakan LPF dan HPF yang disatukan. Bandwidth
rangkaian BPF diantara 25 kHz hingga 80 kHz. Rangkaian
BPF yang dirancang dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 6 menunjukkan rangkaian AC to DC Converter
dengan menggunakan IC LF353. Rangkaian ini merubah
sinyal masukan yang didapat dari BPF menjadi sinyal searah.
Terdapat 2 buah dioda pada rangkaian AC to DC Converter
yang berfungsi sebagai penyearah.
Gambar 2 Rangkaian pembangkit sinyal sinus
Gambar 3 Rangkaian VCCS
Gambar 8 Desain pijakan 4 elektroda pada kaki
Gambar 4 Rangkaian INA121
Gambar 9 Hasil sinyal keluaran sinus generator
2.3 Perancangan Konstruksi
Gambar 5 Rangkaian BPF
Konstruksi pendukung dari alat pengukuran persentase
lemak tubuh terlihat seperti pada Gambar 7. Konstruksi ini
digunakan untuk meletakkan perangkat keras dari
keseluruhan sistem.
Gambar 6 Rangkaian AC to DC Converter
Gambar 7 Desain konstruksi
Huruf A menunjukkan kotak hitam yang merupakan
kotak tempat rangkaian secara keseluruhan, Arduino Mega,
LCD 20x4 dan Keypad matriks 4x4. Kotak sengaja
diletakkan miring untuk memudahkan dalam melakukan
pembacaan pada LCD 20x4. Kotak hitam ini terbuat dari
bahan plastik. Huruf B menunjukkan penyangga dari seluruh
konstruksi. Penyangga tersebut terbuat dari bahan besi
ringan. Selain sebagai penyangga, bagian ini dimanfaatkan
sebagai tempat melekatnya kabel penghubung 4 elektroda ke
sistem persentase lemak tubuh. Sedangkan Huruf C
menunjukkan tempat diletakkanya 4 elektroda. Konstruksi
tersebut menggunakan bahan kayu tebal. Pemilihan bahan ini
ditujukan agar kuat saat diinjak dan tidak bersifat konduktor
terhadap sistem. 4 elektroda sendiri terbuat dari alumunium
yang didesain menyerupai bentuk kaki pada umumnya.
Untuk lebih jelas, konstruksi 4 elektroda dapat dilihat pada
Gambar 8.
Di dalam kotak hitam, terdapat beberapa susunan dari
sistem persentase lemak tubuh. Diantaranya adalah baterai,
modul catu daya, modul pembangkit sinyal sinusoidal, modul
VCCS, modul INA121, modul BPF, modul AC to DC
Converter, LCD 20x4, dan Arduino Mega. Sementara keypad
matriks 4x4 terletak diluar kotak hitam.
0.35
-0.39
-0.46
3.00
-2.13
-2.85
-3.52
0.00
-5.11
-3.00
-7.23
-8.15
-8.87
-9.17
-6.00
-10.33
-11.67
-9.00
-15.19
-12.00
-15.00
-18.00 -21.58
-21.00
-24.00
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
Rangkaian pembangkit sinyal sinusoidal diuji dengan
mengamati sinyal yang keluar dari rangkaian. Tujuan dari
rangkaian pembangkit sinyal sinusoidal adalah untuk
menghasilkan keluaran sinyal sinusoidal sebesar 50kHz.
Hasil pengujian sinyal keluaran rangkaian pembangkit sintal
sinusoidal dapat dilihat pada Gambar 9.
ATTENUATION (dB)
3. Hasil
3.1 Pengujian Rangkaian Pembangkit Sinyal
Sinusoidal
Hasil pengamatan menunjukkan bahwa sinyal keluaran
membentuk sinyal sinusoidal dengan frekuensi 51,55 kHz
dan duty cycle sebesar 53,09%. Frekuensi keluaran sebesar
51,55 kHz tidak sesuai dengan perancangan sebesar 50 kHz.
Kondisi tersebut dikarenakan terdapat rugi-rugi saat
pemasangan rangkaian pada PCB.
3.2 Pengujian Rangkaian VCCS
Pengujian rangkaian VCCS dilakukan untuk
mengetahui hubungan antara arus yang dihasilkan rangkaian
VCCS dengan beban (tubuh manusia) yang bervariasi.
Pengamatan dilakukan dengan merubah variasi nilai beban
(RL) dengan menggunakan multiturn dan melihat apakah
arus yang dihasilkan konstan pada nilai 0,1 mA.
Frekuensi (kHz)
Gambar 10 Respon frekuensi rangkaian BPF
Berdasarkan variasi data pengujian, dapat ditentukan
error rata-rata dari rangkaian VCCS. Error rata-rata dapat
dihitung dengan persamaan (1) berikut:
−
=
∑| |
13,9
=
= 1,39 %
10
10
Pengujian dilakukan sebanyak 10 kali variasi nilai
multiturn (RL) dengan range 100 ohm hingga 2000 ohm.
Data pengukuran dibandingkan dengan hasil simulasi
menggunakan Multisim seperti pada Tabel 1.
Perhitungan error rata-rata menunjukkan nilai sebesar
1,39%. Sehingga dapat disimpulkan bahwa rangkaian VCCS
tetap bernilai konstan walaupun diberikan RL yang
bervariasi.
Tabel 1 Data hasil pengujian rangkaian VCCS
3.3 Pengujian INA121
(1)
Arus ( A)
No.
RL
(ohm)
Simulasi
Pengukuran
|Error|
(%)
1
2
3
4
100
200
300
400
100
100
100
100
98,2
99,4
98,1
101,7
1,8
0,6
1,9
1,7
5
6
7
500
700
800
100
100
100
100,2
102,1
97,4
0,2
2,1
2,6
8
9
1000
1500
100
100
98,7
100,4
1,3
0,4
10
2000
100
101,3
1,3
Tabel 2 Hasil perbandingan pengukuran penguatan
dengan perhitungan penguatan
Vout (mV)
No
Vin
(mV)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
Perhitungan
(H)
Pengukuran
(U)
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
2700
3000
3300
615
925,2
1207
1536,6
1807,2
2128,77
2430,72
2754,54
3010,2
3307,92
|Error|
(%)
2,5
2,8
0,6
2,44
0,4
1,37
1,28
2,02
0,34
0,24
Pengujian rangkaian INA121 dilakukan untuk menguji
kelinieran dari hasil penguatan. Pengujian dilakukan dengan
memberikan 2 buah input sinyal sinusoidal yang memiliki
frekuensi sama namun tegangan yang berbeda. Sinyal
sinusoidal tersebut dibangkitkan dengan menggunakan audio
generator. Perbedaan nilai tegangan dari 2 input merupakan
Vin yang akan dikuatkan oleh INA121. Hasil pengukuran
penguatan dengan multimeter akan dibandingkan dengan
hasil perhitungan penguatan. Pengujian dilakukan dengan
melakukan variasi nilai Vin. Hasil pengujian dapat dilihat
pada Tabel 2.
Rata-rata error setelah dilakukan 10 variasi Vin adalah
sebagai berikut:
−
=
∑| |
13,9
=
= 1,39 %
10
10
Dari hasil pengujian rangkaian INA121 yang telah
dilakukan, penguatan yang dihasilkan rangkaian INA121
sudah linier dan sesuai dengan perhitungan walaupun masih
terdapat error. Namun error dapat diabaikan karena sangat
kecil. Hasil pengujian ini telah sesuai dengan perancangan,
yaitu menghasilkan penguatan 10 kali.
3.4 Pengujian BPF
Pengujian ini dilakukan dengan tujuan untuk
mengetahui respon frekuensi dari rangkaian BPF. Pengujian
dilakukan dengan menggunakan Audio Generator sebagai
(2)
sinyal masukan. Frekuensi sinyal masukan divariasi dan
dilihat sinyal keluaran dari rangkaian BPF. Berdasarkan
Gambar 10 dapat dilihat bahwa pada frekuensi 50 kHz sinyal
masukan mengalami penguatan sebesar 0,35 dB. Dan
bandwidth rangkaian BPF berada pada 25 kHz hingga 78
kHz. Berdasarkan hasil pengujian, dapat disimpulkan bahwa
rangkaian BPF sudah bekerja sesuai dengan perancangan.
3.5 Pengujian AC to DC Converter
Pengujian rangkaian AC to DC Converter dilakukan
untuk mengetahui perbandingan gelombang sinyal antara
masukan dan keluaran. Selain perbedaan sinyal gelombang,
pengamatan dilakukan terhadap perbandingan hasil
perhitungan tegangan (Vdc) dan pengukuran tegangan (Vdc).
Dalam pengujian, rangkaian AC to DC Converter diberikan
masukkan sinyal sinusoidal sebesar 50 kHz dari audio
generator. Data pengujian dilakukan dengan melakukan
variasi pada Vm. Hasil pengamatan pengujian dapat dilihat
pada Tabel 3.
Rata-rata error dari keseluruhan pengujian adalah
sebagai berikut:
Tabel 4 Hasil pengujian keseluruhan alat TA
N
o
Data
1
Data 1
2
Data 2
3
Data 3
4
Data 4
5
Data 5
6
Data 6
7
Data 7
8
Data 8
9
Data 9
10
11
−
∑| |
22,9
=
10
10
= 2,29 %
12
=
((3) 13
14
Berdasarkan hasil pengujian yang telah dilakukan,
menunjukkan bahwa keluaran tegangan (Vdc) hasil
pengukuran hampir sama dengan hasil perhitungan tegangan
(Vdc).
Tabel 3 Hasil pengamatan pengujian rangkaian AC to DC
Converter
Vout DC (V)
Vm
(V)
Perhitungan (H)
Pengukuran
(U)
1
0,56
0,357
0,35
1,96
2
0,72
0,459
0,45
1,96
3
1,04
0,662
0,63
4,83
4
1,36
0,866
0,86
0,69
5
2,32
1,478
1,46
1,22
6
3,04
1,936
1,89
2,38
7
3,12
1,987
1,91
3,88
8
4
2,548
2,50
1,88
9
4,56
2,904
2,86
1,52
10
4,98
3,172
3,09
2,59
No
|Error|
(%)
15
16
17
18
19
20
Berat
(kg)/
tinggi
(cm)
85/18
5
53/16
7
54/16
3
98/15
8
70/16
5
57/16
7
90/17
5
73/17
0
53/16
5
55/16
0
60/15
7
55/15
0
55/15
0
68/17
0
67/15
5
70/16
0
60/16
9
55/15
2
70/16
2
64/16
0
Data
10
Data
11
Data
12
Data
13
Data
14
Data
15
Data
16
Data
17
Data
18
Data
19
Data
20
R
(Ω)
Sex
500,0
0
647,2
2
652,7
8
419,4
4
497,2
2
563,8
9
488,8
9
558,3
3
625,0
0
561,1
1
533,3
3
613,8
9
563,8
9
513,8
9
472,2
2
486,1
1
591,6
7
502,7
8
491,6
7
550,0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
BF
TA
(%)
Y
BF
HINAN
O
(%)
X
|Eror
|
28,16
28,8
2,22
12,74
11,8
7,93
17,61
16,7
5,46
45,27
47,6
4,90
24,49
23,8
2,90
11,69
13,2
11,45
37,17
40,2
7,55
30,83
30,4
1,43
12,12
11
10,15
13,02
11,9
9,41
30,62
34,7
13,34
37,96
36,2
4,63
30,51
29,6
2,97
30,91
28,5
7,81
38,61
39,9
3,33
41,93
35,1
16,29
26,30
25,5
3,03
16,63
18,3
10,03
40,64
36,7
9,70
40,00
36,6
8,50
3.6 Pengujian Alat Secara Keseluruhan
Pengujian alat pengukur persentase lemak tubuh secara
keseluruhan dilakukan untuk mengetahui keakuratan alat.
Pengujian dilakukan dengan membandingkan hasil
pengukuran persentase lemak tubuh alat TA dengan hasil
pengukuran persentase lemak tubuh menggunakan HINANO
1328 Body Fat Analyzer. Hasil pengujian alat secara
keseluruhan dapat dilihat pada Tabel 4.
Error rata-rata yang dihasilkan dari pengujian adalah
sebagai berikut:
∑| | 143,02
(4)
=
= 7,15 %
20
20
Dari hasil pengujian, dapat disimpulkan bahwa error
yang dihasilkan tidak besar. Hal ini dikarenakan kalibrasi
yang belum sempurna dan sample data yang diambil sangat
sedikit.
−
=
4. Kesimpulan
Berdasarkan hasil analisis data yang sudah dilakukan
maka disimpulkan beberapa hal sebagai berikut:
Telah berhasil dirancang alat pengukur lemak tubuh
dengan metode foot-to-foot BIA 4 elektroda dengan baik.
Sinyal arus sinus dapat dialirkan ke tubuh melalui 2 elektroda
dan perbedaan tegangan dapat terdeteksi dengan 2 elektroda
lainnya.
Pada pengujan alat secara keseluruhan, masih terdapat
error sebesar 7,15%. Hal tersebut dikarenakan input data
tinggi dan berat yang kurang presisi.
Referensi
[1] M. Arroyo, A. M. Rocandio, L. Ansotegui, H.
Herrera, I. Salces, and E. Rebato,"Comparison of
predicted body fat percentage from anthropometric
methods and from impedance in university students",
Br. J. Nutr., vol. 92, no. 5, pp. 827–832, 2004.
[2]
Abdellah El Maghraoui,"Interpreting a DXA Scan in
Clinical
Practice,
Dual
Energy
X-Ray
Absorptiometry",
ISBN:
978-953-307-877-9,
InTech, 2012.
[3]
S. Shakeryan, M. Nikbakht, and H. B. Kashkoli,
"Validation of percent body fat using skinfoldthickness , bioelectrical impedance analysis and
standard hydrostatic method in male wrestlers",
Journal of Public Health and Epidemiology, vol.5(1),
pp. 15–19, 2013.
[4]
Mylott, E., Kutschera, E., & Widenhorn, R,
"Bioelectrical impedance analysis as a laboratory
activity: At the interface of physics and the body",
American Journal Of Physics, 82(5), 521-528, 2014.
[5]
D. Septaditya, “Rancang Bangun Alat Pengukur
Persentase Lemak Tubuh dengan Metode
Bioelectrical Impedance Analysis (BIA) 2 Elektroda
berbasis Mikrokontroler Arduino Mega 2560,”
Tugas Akhir, Jurusan Teknik Elektro, Universitas
Diponegoro, 2015.
[6]
R. Yoga, “Rancang Bangun Alat Pengukur
Persentase Lemak Tubuh dengan Metode
Bioelectrical Impedance Analysis (BIA) 4 Elektroda
berbasis Mikrokontroler Atmega 16,” Tugas Akhir,
Jurusan Teknik Elektro, Universitas Diponegoro,
2015.