11. Jurnal - Departemen Teknik Elektro

RANCANG BANGUN ALAT PENGUKUR KADAR GULA DARAH
Riza Tamridho
Departermen Teknik Elektro
Universitas Indonesia
Abstrak- Diabetes adalah penyakit metabolik yang dapat mempengaruhi hampir setiap sistem organ dalam
tubuh. Diperkirakan jumlah penderita Diabetes melitus di Indonesia sekitar 17 juta orang atau 8,6 persen dari
jumlah penduduk dan menduduki urutan terbesar ke-4 setelah India, Cina, dan Amerika Serikat (AS). Penyakit
diabetes dapat dideteksi lebih awal dengan melakukan pemeriksaan darah secara teratur dan rutin di
laboratorium. Oleh karena itu, untuk memudahkan pemeriksaan sampel darah maka perlu direkayasa suatu alat
yang dapat mengukur konsentrasi gula darah yang lebih praktis dan akurat dengan menggunakan prinsip
spektroskopi. Prinsip spektroskopi didasarkan pada absorbsi sinar oleh molekul sehingga terjadi proses eksitasi
dan de-eksitasi elektron pada molekul sehingga dapat dilakukan pengukuran spektrum absorbsi dari suatu
senyawa. Dengan dirancangnya alat ini, diharapkan pengukuran kadar gula darah dapat dilakukan dengan
cepat dan mudah.
Kata Kunci: Gula darah, diabetes, spektroskopi, absorbsi
1.
Setelah melalui proses fisis maka sampel darah
PENDAHULUAN
dimasukkan
Diabetes adalah penyakit metabolik yang dapat
kedalam
spektrofotometer.
Alat
mempengaruhi hampir setiap sistem organ dalam
spektrofotometer ini dapat mengetahui kadar glukosa
tubuh.
dalam darah dengan cara membandingkan nilai
Diperkirakan lebih dari 15 juta orang di
Amerika Serikat memiliki diabetes. Sedangkan
absorbansi
sampel
menurut WHO jumlah penderita Diabetes melitus di
absorbansi
standar.
Indonesia sekitar 17 juta orang atau 8,6 persen dari
laboraturim medis hasil pengukuran sudah cukup
jumlah penduduk dan menduduki urutan terbesar ke-
akuarat dan presisi, akan tetapi pengukuran pada
4 setelah India, Cina, dan Amerika Serikat (AS).
laboraturim membutuhkan proses preparasi yang
Diabetes
gangguan
lama dan reaksi kimiawi rawan terhadap interferensi.
metabolisme karbohidrat karena defisiensi insulin
Oleh karena itu untuk memudahkan pemeriksaan
yang ditandai dengan meningkatnya kadar gula
sampel darah maka perlu direkayasa suatu alat yang
dalam darah dan adanya gula dalam urin. Pada
dapat mengukur konsentrasi gula darah yang lebih
komplikasi
dapat
praktis dan akurat dengan menggunakan prinsip
menyebabkan penyakit cardiovascular, kebutaan,
spektroskopi. Prinsip spektroskopi didasarkan pada
impotensi, mengurangi fungsi kerja ginjal hingga
absorbsi sinar oleh molekul sehingga terjadi proses
gagal ginjal.
eksitasi dan de-eksitasi elektron pada molekul
Melitus
tingkat
adalah
lanjut
penyakit
diabetes
yang
diukur
Dengan
dengan
nilai
pengukuran
pada
sehingga dapat dilakukan pengukuran spektrum
Penyakit diabetes dapat dideteksi lebih awal
absorbsi dari suatu senyawa.
dengan melakukan pemeriksaan darah secara teratur
Dengan
dan rutin di laboratorium. Pada pemeriksaan sampel
menggunakan
mikrokontroler
nilai
darah di laboratorium, penentuan kadar glukosa di
absorbansi dari suatu senyawa dapat diolah dengan
dalam darah dilakukan dengan cara kimiawi, yaitu
operasi aritmatik dan disimpan ke dalam memori.
dengan penambahan reagen pada volume tertentu.
Nilai absorbansi didapat dengan menembakkan
1
Universitas Indonesia
cahaya dengan panjang gelombang tertentu ke
tertentu, yaitu 70-120 mg/ml dalam keadaan puasa.
sampel darah lalu membandingkan nilai intensitas
Bila gula darah naik di atas 170 mg/100ml, gula akan
cahaya yang masuk dan yang keluar dari sampel
dikeluarkan melalui urine. Sebaliknya bila gula darah
darah. Dengan demikian mengukur kadar glukosa
turun hingga 40-50 mg/ml, kita akan merasa gugup,
darah dapat lebih praktis dan akurat tanpa melalui
pusing, lemas dan lapar. Gula darah terlalu tinggi
proses fisis kimiawi.
disebut hiperglikemia dan bila terlalu rendah disebut
hipoglikemia. Hiperglikemia dalam jangka panjang
2.
dapat menyebabkan masalah-masalah kesehatan
LANDASAN TEORI
yang berkepanjangan pula yang berkaitan dengan
2.1 Hematologi
Hematologi adalah cabang ilmu kesehatan yang
diabetes, termasuk kerusakan pada mata, ginjal, dan
mempelajari darah, organ pembentuk darah dan
saraf. Beberapa macam hormon terlibat dalam
penyakitnya. Asal katanya dari bahasa Yunani haima
pengaturan darah ini, salah satunya hormon insulin.
artinya darah. Darah merupakan gabungan dari
Tingkat gula darah dalam tubuh diatur oleh
cairan, sel-sel dan partikel yang menyerupai sel, yang
pankreas dengan cara memproduksi hormon insulin.
mengalir dalam arteri, kapiler dan vena yang
Insulin bertanggung jawab untuk mengontrol kadar
mengirimkan oksigen dan zat-zat gizi ke jaringan dan
gula dalam darah dan juga untuk memproses
membawa karbon dioksida dan hasil limbah lainnya.
karbohidrat, lemak, dan protein menjadi energi yang
Lebih dari separuh bagian dari darah merupakan
diperlukan tubuh manusia. Diabetes terjadi jika tubuh
cairan (plasma), yang sebagian besar mengandung
tidak menghasilkan insulin yang cukup untuk
garam-garam terlarut dan protein. Plasma juga
mempertahankan kadar gula darah yang normal atau
mengandung
jika sel tidak memberikan respon yang tepat terhadap
hormon-hormon,
elektrolit,
lemak,
insulin.
gula, mineral dan vitamin.
Diabetes tipe 1 adalah diabetes yang bergantung
2.1.1 Glukosa dan Diabetes
senyawa
pada insulin dimana tubuh kekurangan hormon
karbohidrat sederhana atau monosakarida. Di alam,
insulin, dikenal dengan istilah Insulin Dependent
glukosa terdapat dalam buah-buahan dan madu
Diabetes Mellitus (IDDM). Hal ini disebabkan
lebah. Glukosa berfungsi sebagai sumber energi
hilangnya sel beta penghasil insulin pada pulau-pulau
untuk sel-sel otak, sel saraf, dan sel darah merah.
langerhans pankreas.
Darah manusia normal mengandung glukosa dalam
ditemukan pada balita, anak-anak, dan remaja.
jumlah atau konsentrasi yang tetap, yaitu antara 70-
Sedangkan diabetes tipe 2 terjadi jika hormon insulin
100 mg tiap 100 ml darah. Glukosa darah ini dapat
dalam
bertambah setelah kita makan makanan sumber
semestinya, dikenal dengan istilah Non-Insulin
karbohidrat, namun setelah kira-kira 2 jam setelah
Dependent Diabetes Mellitus (NIDDM). Hal ini
makan, jumlah darah akan kembali seperti semula.
dikarenakan berbagai kemungkinan seperti kecacatan
Pada orang yang menderita diabetes melitus, jumlah
dalam produksi insulin, resistensi terhadap insulin
glukosa darah lebih besar dari 130 mg/100 ml
atau berkurangnya respon sell dan jaringan tubuh
Glukosa
darah.
merupakan
kelompok
[1]
tubuh
tidak
Diabetes tipe
dapat
1
berfungsi
banyak
dengan
terhadap insulin yang ditandai dengan meningkatnya
Agar dapat berfungsi secara optimal, tubuh
kadar insulin di dalam darah. Kedua jenis diabetes ini
hendaknya dapat mempertahankan konsentrasi darah
mengakibatkan terlalu banyaknya glukosa yang
gula (dalam bentuk glukosa) dalam batas-batas
terdapat dalam tubuh.[2]
2
Universitas Indonesia
gelombangnya terbagi menjadi empat metode, yaitu
2.1.1 Pengukuran Konsentrasi Glukosa Darah
Untuk mengetahui kadar gula darah dapat diukur
sinar tampak (350-750nm), ultraviolet dekat (200-
pada laboratorium medis dengan menggunakan
350nm),
metode GOD-PAP, dengan prinsip oksidasi glukosa
inframerah (750nm-2,5 n). Berikut ini metode-
oleh glukooksidase (GOD) menjadi asam glukonat
metode spektroskopi yang biasa digunakan dan
dan H2O2. H2O2 kemudian direaksikan dengan 4-
fungsi pengukurannya.
aminoantipirin dan fenol menghasilkan chinonime
• Spektroskopi ultraviolet dapat digunakan untuk
ultraviolet
jauh
(150-200nm),
dan
yang berwarna kemerahan dan H2O, reaksi ini
mengidentifikasi
dikatalisis
(POD).
mengandung gugus-gugus pengabsorbsi atau
Chinonime yang terbentuk eqivalen dengan glukosa
kromofor, yaitu gugus tidak jenuh kovalen yang
sehingga
terdapat dalam molekul.
oleh
enzim
warna
yang
peroksidase
terukur
pada
produk
chinonimine akan sebanding dengan kadar glukosa.
[3]
senyawa-senyawa
yang
• Spektroskopi infra merah dapat digunakan untuk
mengidentifikasi gugus fungsional, yaitu gugus
GOD
Glukosa + O2 asam glukonat + H2 O2
yang menentukan sifat-sifat senyawa.
• Spektroskopi resonansi magnetik inti dapat
digunakan untuk mengidentifikasi rumus bangun
POD
2 H2 O2 + 4-aminoantipirin + fenol chinonime + H2 O
molekul senyawa organik sesuai dengan inti atom
Pengukuran
kadarnya
dilakukan
yang dipakai (Hidrogen dan karbon).
dengan
mencampur serum atau plasma darah dengan reagen,
• Spektroskopi massa dapat digunakan untuk
kemudian warna yang terbentuk dibaca dengan
memberikan keterangan tentang hasil fragmentasi
kolorimeter pada panjang gelombang 500 nm (atau
senyawa yang berupa fragmen-fragmen yang
Hg 546 nm). Larutan blanko digunakan sebagai titik
dinyatakan sebagai rasio massa dengan muatan.
nol dengan perhitungan sebagai berikut :
3.
Kadar glukosa x kadar standar
PERANCANGAN ALAT
2.1
Dalam perancangan alat pengukur kadar gula
Dimana : As adalah absorbansi sampel dan Ast adalah
darah ini terdapat 2 tahap utama, yaitu perancangan
absorbansi standar.
hardware dan perancangan software.
Prinsip kerja dari alat pengukur konsentrasi
2.2 Spektroskopi dan Prinsip Optik
glukosa bebasis mikrokontroler ini secara umum
Spektroskopi merupakan metode pengukuran
dapat dijelaskan pada gambar dibawah ini:
yang didasarkan pada interaksi antara cahaya dengan
materi. Bila materi disinari kemungkinan cahaya
akan diserap dan dipancarkan kembali dengan
panjang gelombang yang sama atau berbeda.
Spektroskopi
sering
digunakan
untuk
mengidentifikasi suatu unsur dan senyawa, melalui
pemancaran dan penyerapan sebuah spektrum. Suatu
alat untuk merekam spektrum disebut spektrometer.
Penentuan
metoda
struktur
spektroskopi
senyawa
mengunakan
berdasarkan
panjang
3
Universitas Indonesia
Sumber
Cahaya
3.1.1
Sampel
Darah
Rangkaian Sumber Cahaya
Fotoresistor
Untuk
mengukur
konsentrasi
glukosa
diperlukan cahaya monokromatis dengan panjang
gelombang 500 nm, oleh karena itu sumber cahaya
yang digunakan adalah LED super bright dengan
Analog to
Digital
Converter
Mikrokontroler
warna hijau. LED dengan panjang gelombang 500
nm ini bekerja pada tegangan kerja maksimum 4 V
dan
ATMega 8535
arus
maksimum
20
mA.
Maka
untuk
mendapatkan tegangan kerja dan arus yang diingikan
diperlukan sebuah resistor yang di rangkai seri
Tampilan
LCD
dengan LED. Rangkaian sumber cahaya dapat dilihat
pada gambar 3.2
Gambar 3.1 Blok diagram alat pengukur kadar
gula darah
VCC
R1
R2
LED
Pada mulanya sumber cahaya monokromatis di
arahkan menyinari blood strip yang berisi sampel
darah. Pada proses ini terjadi pengurangan intensitas
cahaya karena sebagian besar cahaya diserap oleh
Gambar 3.2 Rangkaian Sumber Cahaya
blood strip yang berisi sampel darah dan sebagiannya
lagi dilewatkan.
Selain itu juga dibutuhkan potensiometer
Besarnya cahaya yang dilewatkan oleh blood
yang dirangkai paralel dengan LED agar intensitas
strip yang berisi sampel darah dideteksi dan diukur
cahaya LED dapat diatur. Intensitas cahaya yang
intensitas cahayanya menggunakan fotoresitor. Dari
digunakan pada perancangan ini sebesar 615 Lux.
fotoresistor dihasilkan tegangan berkisar antara 0-5V.
3.1.2 Rangkaian Tranducer
Kemudian teganan yang masih berupa sinyal analog
Sebagai pendeteksi cahaya monokromatis
di ubah ke dalam bentuk sinyal digital. Akhirnya
dari LED digunakan fotoresitor, karena fotoresitor
sinyal digital yang telah dirubah dari bentuk analog
memiliki sensitifitas cahaya cukup baik pada sumber
diproses dan dihitung oleh mikrokontroler dan
cahaya
didapat hasil konsentrasinya yang nantinya akan
yang
relatif
kecil.
Fotoresistor
akan
menghasilkan tegangan yang sebanding dengan
ditampilkan di LCD.
besarnya perubahan intensitas cahaya.
3.1 Perancangan Hardware
Perancangan
dan
pembuatan
hardware
meliputi beberapa tahap, yaitu pembuatan blok
diagram,
tranduser
rangkaian
sumber
fotoresitor,
cahaya,
sistem
rangkaian
minimum
mikrokontroler ATMega 8535, tampilan LCD dan
rangkaian catu daya.
Gambar 3.3 Rangkaian Tranducer
4
Universitas Indonesia
3.1.3 Sistem Minimun Mikrokontroler ATMega
mulai
8535
Rangkaian minimum sistem mikrokontroler
Inisialisasi
port
Atmega 8535 merupakan sebuah modul ISP (In
System Programming) dan dihubungkan langsung
dengan kabel paralel.
Sampling ADC
3X
3.1.4 Rangkaian LCD
Tampilan yang digunakan adalah LCD
Konversi Volt
ke dalam mg
16x2, dimana LCD ini mempunyai
16 kolom dan 2 baris. LCD berfungsi untuk
menampilkan data yang telah diolah yaitu berupa
hasil pengukuran gula darah. Gambar di bawah
Tampilkan di LCD
hasil glukosa
dalam mg
memperlihatkan gambar antarmuka LCD dengan
mikrokontroler.
selesai
Gambar 3.8 Diagram alir program alat pengukur
kadar gula darah
4.
PENGUJIAN DAN ANALISA
Pengujian dilakukan untuk mengetahui apakah
Gambar 3.6 Rangkaian Tampilan LCD
perancangan yang telah dillakukan sesuai dengan
yang diharapkan, sehingga dapat diterapkan pada
3.2 Perancangan Software
sistem yang sesuai dengan spesifikasi. Setiap blok
Tahap perancangan dan pembuatan software
dimulai
dengan
dilanjutkan
menggunakan
membuat
dengan
basic
flowchart
membuat
compiler.
pada sistem diuji dan dianalisa, jika pengujian pada
kemudian
listing
Berikut
setiap blok benar kemudian dilakukan pengujian
program
keseluruhan
adalah
sistem.
Parameter-parameter
yang
termasuk dalam proses yang diuji adalah sebagai
diagram alir (flowchart) dari program yang akan
berikut:
dibuat.
1. Pengujian keluaran pada rangkaian catu daya
2. Pengujian pada rangkaian sumber cahaya
3. Pengujian pada rangkaian tranducer
4. Pengujian port pada rangkaian Mikrokontroler
5. Pengujian pada tampilan LCD
6. Pengujian sistem secara keseluruhan, yaitu
pengujian pengukur kadar gula darah.
5
Universitas Indonesia
4.1 Pengujian Alat Pengukur Kadar Gula Darah
4.3 Persentase kesalahan alat
Untuk mangevaluasi kinerja alat maka hasil
Secara Keseluruhan
Pengujian dilakukan dengan cara mengambil
pengukuran alat harus dibandingankan dengan data
sampel darah yang berada pada blood strip, lalu
gula darah sebenarnya agar didapat persentase
meletakkan blood strip diantara sumber cahaya dan
kesalahan
sensor pendeteksi cahaya. Sensor tersebut akan
kesalahan alat manggunakan rumus sebagai berikut:
alat.
Cara
menghitung
persentase
mengukur intensitas cahayanya lalu mengkonversi ke
dalam mg/dL. Setelah itu akan ditampilkan pada
%error= nilai gula darah-data pengukuran
layar LCD. Berikut gambar hasil pengujian alat
nilai gula darah
x100%
4.3
pengukur kadar gula darah.
Berikut
data
pengujian
alat
dan
Dari rumus tersebut dapat diketahui nilai
nilai
presentase kesalahan alat sebagai berikut:
perbandingan hasil dari pengukuran alat dan nilai
gula darah sebenarnya.
Tabel 4.6 Hasil persentase kesalahan alat
Data
pengukuran
Tabel 4.5 Hasil pengukuran dan pengujian alat
Data
pengukuran
Gula darah
Seberannya
75
81
121
135
234
250
57
65
453
425
Gula darah
Seberannya
Persentase
kesalahan alat
7,4 %
75
81
121
135
10,37%
234
250
6,4%
57
65
12,3 %
453
425
6,59%
Dari hasil perhitungan persentase kesalahan alat
dapat dilihat bahawa nilai persentase kesalahan
4.2 Pengujian Software Alat Pengukur Kadar
cukup besar. Sehingga realisasi alat pengukur gula
Gula Darah
darah ini tidak dapat dijadikan sebagai acuan nilai
Pengujian software alat pengukur kadar gula
kadar gula darah sebenarnya. Akan tetapi realisasi
darah ini dilakukan dengan cara mensimulasikan
alat ini masih bisa menentukan perkiraan kasar tinggi
program yang telah dibuat apakah berjalan sesuai
rendahnya suatu kadar gula dalam darah.
dengan yang diinginkan atu tidak. Berikut screenshot
dari simulasi program.
5.
KESIMPULAN
Dari data dan pengukuran yang telah dilakukan,
maka dapat disimpulkan bahwa
1.
Rancang bangun alat pengukur kadar gula darah
ini dapat bekerja dan mengukur kadar gula darah
dengan menggunakan media blood strip.
2.
Kadar gula darah yang dapat diukur sebesar 60500 mg/dL
3.
Tranducer yang digunakan adalah Potoresistor
yang peka terhadap cahaya, sehingga mekanik
dirancang sedemikian rupa agar tranducer tidak
Gambar 4.1 Test program alat pengukur gula darah
mendapat interferensi dari cahaya sekitar.
6
Universitas Indonesia
4.
Dari pengambilan data dan ujicoba persentase
kesalahan alat pengukur kadar gula darah
sebesar 6,4 - 12,3%. Dengan demikian realisasi
alat pengukur gula darah ini
tidak dapat
dijadikan sebagai acuan nilai kadar gula darah
sebenarnya. Akan tetapi realisasi alat ini masih
bisa
menentukan
perkiraan
kasar
tinggi
rendahnya suatu kadar gula dalam darah.
DAFTAR ACUAN
[1] Poedjiadi, Anna. (1994). Dasar-dasar Biokimia.
Jakarta : Universitas Indonesia Press.
[2] Amatsier, Yunita. (2003). Prinsip Dasar Ilmu
Gizi. Jakarta : Gramedia Pustaka Utama.
[3] [4] [6]
Hendayana,
Sumar.
(1994).
Kimia
Analitik Instrumen. Semarang : IKIP Semarang
Press.
[5] Underwood, A.L; Day, R.A. (1986). Analisis
Kimia Kuantitatif. Jakarta : Gramedia Pustaka
Utama.
[7] S. Reka Rio (dan
Yoshikatsu Sawamura).
(1997). Teknik Reparasi TV
Berwarna, PT
Pradnya Parmita Jakarta.
[8]
Mike Tooley .(2006). Electronic Circuits Fundamentals & Applications : Newnes.
[9]
William David Cooper. 1999. Instrumentasi
Elektronik dan Teknik Pengukuran. Erlangga.
[10] Wardhana, Lingga. (2006). Belajar Sendiri
Mikrokontroler AVR Seri ATMega 8535.
Yogyakarta. Penerbit : CV ANDI.
7
Universitas Indonesia