Seminar Tugas Akhir Juni 2017 Alat Uji Kadr Gula Dalam Darah Secara Non-Invasive (Wiwin Sulistyani1, Endro Yulianto2, Syaifudin3) Jurusan Teknik Elektromedik POLITEKNIK KESEHATAN KEMENTRIAN KESEHATAN SURABAYA ABSTRAK Pada era teknologi modern dunia kedokteran saat ini memungkinkan membuat suatu alat yang di dalam pengendaliannya dengan menggunakakan peralatan elektronik untuk mengukur kadar gula darah pada tubuh manusia tanpa harus mengambil sample darah pada tubuh manusia. Pengukuran kadar gula sangat membantu bagi penderita yang takut terhadap jarum suntik atau sejenis, tanpa harus melukai pasien. Berdasarkan hal tersebut maka di kembangkan alat yang dapat mengukur kadar gula darah yang dapat di gunakan setip saat tanpa memakan waktu lama. Metode yang digunakan adalah eksperimen yaitu dengan merancang dan membangun alat ukur gula darah dengan menggunakan sensor finger. Serta melakukan observasi terhadap beberapa alat elektromedik yang berkaitan dengan penelitian untuk memperoleh data-data dari alat tersebut. Hasil pengujian dan pengukuran pada responden serta dibandingkan dengan alat pembanding merk glucodr, didapatkan hasil yang hampir mendekati sama. Total nilai error rata-rata sebesar 2.3%. Setelah melakukan proses studi literature, perencanaan, percobaan, pembuatan modul, pengujian modul, dan pendataan, secara umum dapat disimpulkan bahwa “Alat Uji Kadar Gula Dalam Darah Secara Non-Invasive” dapat digunakan dan sesuai dengan perencanaan. Kata kunci : Gula Darah, Non-Invasive, Sensor Finger PENDAHULUAN Latar Belakang Alat uji gula darah merupakan alat yang digunakan untuk mengetahui kadar gula dalam darah seseorang. Alat uji gula darah ini biasanya digunakan sebagai self-monitoring kadar gula dalam darah oleh pasien nondiabetes ataupun diabetes (Journal of Diabetes Science and Technology, 2012). Diabetes merupakan salah satu penyakit tertua pada manusia dan dikenal dengan kencing manis. Nama lengkapnya adalah diabetes mellitus, berasal dari kata yunani. Menurut WHO, definisi diabetes melitus didasarkan pada pengukuran kadar glukosa dalam darah. Angka kejadian penderita diabetes mellitus (DM) di Indonesia menurut perkiraan diabetes international (WHO perspective) pada tahun 2000 sekitar 8,4 juta (1,9%) penderita DM, angka ini akan meningkat terus dimana tahun 2030 diperkirakan mencapai 21,3 juta (2,8%) menderita diabetes mellitus (Ayosz.wordpress, 2007). Pengujian kadar gula dalam darah saat ini masih menggunakan teknik invasive darah pasien di ambil dengan menggunakan jarum suntik. Hal ini merupakan salah satu penyebab dari beberapa pasien enggan untuk melakukan pengecekan gula 4 darah. Selain itu, hasil pengujian tersebut memerlukan waktu yang cukup lama (± 2 jam). Analisa yang dilakukan pada suatu pengecakan secara dini bertujuan untuk menghindari kebutaan dan angka kematian akibat penyakit diabetes mellitus ini. (Hans Diehl, 1995) . Alat uji gula darah sebelumnya telah dibuat oleh Taufan Hadi, (Tahun 2003) dengan menggunakan metode fotometri atau spektroskopi, dimana untuk melakukan pengukuran kadar gula darah diperlukan reagen untuk pencampuran pada sampel. Alat tersebut kemudian disempurnakan oleh Robertus A. Mataufe, (Tahun 2008) dengan menggunakan metode strip, dimana pengukuran kadar gula darah dilakukan dengan menggunakan strip sample (biosensor) sebagai reagen. Pada alat tersebut kadar gula darah diketahui dengan cara konversi arus ke kadar gula darah melalui biosensor. Penulis ingin membuat alat yang sama dengan Robertus A. Mataufe yaitu alat uji gula darah portable, tetapi menggunakan metode yang berbeda, yaitu metode spektroskopi dan menggunakan blood strip. Rancang-bangun alat uji gula dalam darah dengan menggunakan metode invasive yang telah di lakukan oleh Ratna Dinar Purwaningrum (2015) dengan menggunakan sensor warna TCS3200, kelemahan pada alat yang dihasilkan Dinar adalah masih menggunakan metode invasive dan tingkat keakurasian kurang baik, serta tidak adanya indikator level baterai, sesuai yang dikutip dari jurnal yang berjudul Alat Uji Gula Darah Portable Berbasis Mikrokontroler 1 Seminar Tugas Akhir Atmega8535, sebagai berikut :“Masih menggunakan metode invasive, Tingkat keakurasian kurang baik, Modul tidak dilengkapi dengan level baterai”. (Dinar 2015) Selain itu, alat uji gula dalam darah juga di kembangkan oleh Diah Ayu Fitria (2016) yang di lengkapi dengan penyimpanan data yang diletakkan pada PC. Kelemahan pada alat yang dikembangkan Diah sama seperti alat yang di hasilkan Dinar yaitu masih menggunakan metode invasive, hasil pembacaan mudah berubah karena sensor warna mudah terpengaruh oleh intensitas cahaya, sesuai yang dikutip dari jurnal yang berjudul Alat Uji Gula Darah dengan Tampilan Personal Computer, sebagai berikut :”Dibuat lebih praktis lagi dan dapat di kembangkan lagi dengan metode non-invasive, Modul harus dibuat kedap cahaya, karena sensor warna sangat peka oleh cahaya, hal ini dapat mempengaruhi pembacaan sensor warna”. (Diah 2016) Alat uji gula darah yang menggunakan metode non-invasive telah di kembangkan oleh Kemalasari, dkk. Dengan mengukur temperature pada tragus dan antihelix, kelemahan dari alat tersebut ialah nilai eror yang cukup besar yaitu 115 % , sesuia dengan kutipan dari jurnal yang berjudul Analisa Kadar Glukosa Darah Berdasarkan Perbedaan Temperatur antara Tragus dan Antihelix, sebagai berikut :”Prosentase eror yang di hasilkan alat ini adalah 1-15% dibandingkan dengan data glukosa darah yang di ukur di laboratorium”. (Kemalasari 2011) Alat uji gula dalam darah yang di buat oleh Komal,dkk (2014). Memiliki kelemahan pada tingkat keakurasian alat, sesuai dengan kutipan dari jurnal yang berjudul Non Invasive Blood Glucometer, sebagai berikut :”research will be extended to increase the accuracy of the device for making it clinically available in near future”. (Lawand et al. 2014) Alat uji gula dalam darah non-invasive yang dikembangkan oleh Eko, dkk (2015) di Universitas Diponegoro dengan menggunakan sensor oxymeter yang memiliki keakuratan 90%, sesuai yang dikutip pada jurnal yang berjudul Design of Non-invasive Glukometer Using Microcontroller ATMega 8535, sebgai berikut : “Telah berhasil dibuat prototype alat penguji gula darah non invasive dengan akurasi ~90%”.(Hidayanto et al. 2015) Pada modul ini penulis menggunakan analisi perbandingan hasil antara modul dan alat Juni 2017 pembanding sehingga dapat diketahui nilai eror pada modul ini. Untuk itu pada Tugas Akhir akan dibuat “Alat Uji Kadar Gula Dalam Darah Secara NonInvasive”. Alat yang dibuat diharapkan dapat digunakan untuk mengtahui hasil kadar gula dalam darah secara non-invasive. Oleh karena itu alat ini mempunyai tingkat kepraktisan yang tinggi, lebih mudah untuk digunakan, dan dapat dibuat dari modifikasi alat oxymeter yang sebelumnya sudah ada di rumah sakit. Batasan Masalah Menggunakan sensor oxymeter. Peletakan sensor pada jari tangan pada bagian telunjuk dan tidak tertutup oleh cat kuku Meggunakan Arduino untuk pengolahan datanya Menggunakan alat pembanding untuk pengukuran kadar gula dalam darah Tampilan pada LCD Rumusan Masalah Dapatkah dibuat alat uji kadar gula dalam darah secara non-invasive? Tujuan Penelitian Tujuan Umum Dibuatnya alat ukur kadar gula dalam darah secara non-invasive. Tujuan Khusus Membuat rangkaian sensor fingers Membuat rangkaian minimum system Atmega 328 Membuat rangkaian filter dan penguat Membuat software pemrograman menggunakan Arduino Melakukan uji fungsi alat Manfaat Penelitian Manfaat Teoritis Hasil penelitian dapat menambah wawasan ilmu pengetahuan bagi mahasiswa teknik elektromedik di bidang alat -alat kesehatan khususnya alat diagnostik. Manfaat Praktis Hasil penelitian ini dapat digunakan untuk masukan dalam rangka upaya mengukur kadar gula dalam darah pada manusia secara noninvasive. Dengan adanya penelitian ini 2 Seminar Tugas Akhir Juni 2017 diharapkan dapat mengahsilkan suatu alat yang bernilai jual ekonomis untuk perawat atau tenaga medis lainnya sehingga dapat dimudahkan dalam perhitungan pernapasan per menit, agar kinerja tenaga medis lebih cepat, efektif dan efisien serta meminimalkan resiko kesalahan dalam mendiagnosa suatu penyakit. Diagram Alir Pembacaan Tegangan menjadi Glukosa KERANGKA KONSEP Blok Diagram DRIV ER LAM S E N S O Cara kerja Diagram Alir Saat start (mulai) alat akan memulai proses inisialisasi dan membaca ADC, pembacaan data yang diambil dari hasil penyinaran yang dilakukan oleh mikrokontroler. P S B P F π΄πΆπ πΈπ· B U F H P F π·πΆπ πΈπ· M µ DEMUL TIPLEX P S B P F π΄πΆπΌπ B U F H P F π·πΆπΌπ L C D Gambar 1 Blok Diagram Cara Kerja Blok Diagram Inframerah dan led merah mengirim data ke photodiode, setelah data diterima maka akan menjadi data inputan dari rangkaian akuisisi data/ rangkaian pengondisi sinyal. Di rangkaian pengondisi sinyal akan di pisah antara tegangan DC dan AC dai led merah dan inframerah. Data AC dan DC dari Led merah dan inframerah dapat dilakukan perhitungan rumus dari teori oxymetry. Setelah perhitungan, nilai yang di dapat di outputkan ke LCD. Diagram Alir Cara Kerja Blok Diagram Setelah pembacaan ADC, nilai ADC akan di bandingkan dengan alat ukur pembanding dengan satuan mg/dl, dengan demikian akan diketahui persamaan. Kemudian setelah persamaan didapatkan akan dikonversikan ke dalam mg/dl. Setelah terkonversi, maka hasil mg/dl tersebut akan ditampilkan ke dalam LCD. Blok Diagram Mekanis Gambar 3 Diagram Mekanis HASIL PENGUKURAN DAN ANALISIS Hasil Pengukuran Output Sensor Finger Test Point merupakan suatu titik yang digunakan untuk mengukur output sensor finger. Test point pertama di ukur dari sinyal AC dan DC pada responden. Penulis menggunakan nilai tegangan VPP dari sinyal AC. Dengan diambil nilai tegangan VPP, maka dapat di ketahui nilai dari sinyal, kemudian juga diukur nilai glukosa responden. Gambar 2 Diagram Alir Tabel 1 contoh output pengukuran pada salah satu responden AC IR DC IR AC RED DC RED 3 Seminar Tugas Akhir 203 203 186 207 190 213 213 209 211 194 201 204 193 189 189 198 198 184 202 194 183 208 214 214 196 221 208 203 203 212 876 877 876 876 875 875 876 876 875 877 876 876 876 875 876 877 876 876 876 876 875 875 876 875 876 876 875 876 876 875 Juni 2017 222 205 208 226 213 242 242 236 237 218 219 224 219 204 194 218 219 207 229 213 214 229 229 223 233 237 236 225 214 235 879 879 880 878 878 878 878 879 878 878 878 878 878 878 878 878 878 878 878 878 878 878 878 878 878 878 878 879 878 879 0.89355 0.89337 0.889275 0.910933 0.906121 0.940005 0.939202 0.944605 0.934255 0.942069 0.941102 0.937871 0.938646 0.957921 0.94336 0.931985 0.920941 0.928144 0.923053 0.92028 0.935639 0.920419 0.946754 0.939928 0.934931 106 106 106 106 106 75 75 75 75 75 77 77 77 77 77 82 82 82 82 82 82 82 82 82 82 Grafik eksponensial dari data diatas grafik eksponensial 150 100 Tabel 2 tabel rasio responden RASIO GLUKOSA 0.895988 96 0.894659 96 0.909169 96 0.911676 96 0.904857 96 0.921299 87 0.924627 87 0.877063 87 0.937889 87 0.913071 87 50 y = 9136e-5.029x 0 0.86 0.88 0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 4 Seminar Tugas Akhir Juni 2017 Hasil Pengukuran Pembanding Terhadap Alat Tabel 4 Hasil Analisa Perhitungan Statistik Glukosa Darah HASIL PERHITUNGAN 1 Rata-Rata Simpanga n Error Modul Pembanding (mg/dl) (mg/dl) 85 81 82 86 82 83.2 86 86 86 86 86 86 2.8 3.2% Table di atas merupakan salah satu perhitungan pada salah satu responding Analisa Data Analisa data pertama yang di ukur adalah sinyal AC dan DC pada responden. Penulis menggunakan nilai tegangan VPP dari sinyal AC karena nilai tegangan VPP dan VRMS sama. Dengan diambil nilai tegangan VPP, maka dapat di ketahui nilai dari sinyal, kemudian juga diukur nilai glukosa responden. Selanjutnya di lakukan perhitungan rasio terhadap responden dengan menggunakan rumus : π΄πΆπ ππ /π·πΆπ ππ π = π΄πΆπΌπ /π·πΆπΌπ Setelah perhitungan rasio, selanjutnya data rasio dibuat menjadi grafik eksponensial dengan cara memasukkan data tersebut ke dalam Ms. Excel untuk mengetahui persamaan yang di gunakan untuk konversi nilai tegangan VPP menjadi glukosa. Persamaan untuk regresi eksponensial adalah sebagai berikut π¦ = 9136π −5.029π₯ PEMBAHASAN Rangkaian Minimum Sistem +5V 0 R1 1K +5V J3 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 J1 SW1 RESET PROGRAMMER + C1 10uF 1 2 3 4 5 Responden Gambar 4.25 grafik eksponensial (persamaan glukosa) Berikut salah satu perhitungan glukosa dari hasil regresi eksponensial dengan nilai rasio 0.904857 π¦ = 9136π −5.029π₯ π¦ = 9136π −5.029 π₯ 0.904857 π¦ = 9136π −4.55 π¦ = 9136π₯0.01 Y = 91.36 mg/dl Perhitungan statistik, didapatkan hasil rata-rata nilai error sebesar 2,3%. Hal ini dapat disebabkan oleh sensor finger yang kurang baik serta variable-variabel lain yang mempengaruhi konversi, seperti cahaya dari luar, penempatan sensor yang kurang tepat. Selain itu, pasien yang bergerak juga dapat empengaruhi nilai rasionya. Semakin kecil rasio semakin tinggi kadar gula dalam darah. 0 0 U3 RESET 0 C3 22P 1 pb0 pb1 pb2 C2 22P Q1 16MHz 14 15 16 17 18 19 9 10 PC6 (RESET) 8/PB0 (ICP) 9/PB1 (OC1A) 10/PB2 (OC1B) 11/PB3 (MOSI) 12/PB4 (MISO) 13/PB5 (SCK) 14/PB6 (XT1) 15/PB7 (XT2) (RxD) (TxD) (INT0) (INT1) (T0) (T1) (AIN0) (AIN1) PD0/0 PD1/1 PD2/2 PD3/3 PD4/4 PD5/5 PD6/6 PD7/7 2 3 4 5 6 11 12 13 pd0 pd1 pd4 pd5 pd6 pd7 A0/PC0 A1/PC1 A2/PC2 A3/PC3 A4/PC4 A5/PC5 (ADC0) (ADC1) (ADC2) (ADC3) (SDA) (SCL) ATMEGA328 VCC GND AVCC AREF AGND 7 8 0 R2 6 5 4 3 2 1 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 R4 10K pd1 C4 100nF D2 LED GND pd0 0 0 0 D1 2,4V 20K J4 3 2 1 pb0 R3 1K 20 21 22 +5V R6 220 J10 SW2 START +5V +5V 23 24 25 26 27 28 +5V 0 CON16 SUPPLY J9 +5V 3 2 1 R5 100 pd7 pd6 pd5 pd4 0 CON6 Gambar 5 Rangkaian Minimum Sistem untuk Arduino Tombol pada rangkaian minimum sistem, berupa tombol Start pada pin 15, Reset pada pin 29. Data analog dikonversikan ke data digital oleh arduino melalui PIN A0, A1, A2 dan A3. LCD 2x16 digunakan untuk menampilkan hasil guladarah dalam mg/dl. grafik eksponensial 150 100 50 y = 9136e-5.029x 0 0.86 0.88 0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 5 Seminar Tugas Akhir Juni 2017 Rangkaian LPF -12v U3A LF353 4 J6 2 - 2 1 3 R2 1 J8 1 2 1 2 + 22k C5 DC IR 10uf 8 IN IR +12v -12v U3B LF353 4 J1 6 - 2 1 5 J2 R1 7 1 + 22k C1 10uf DC RED 8 IN RED 1 2 2 +12v Pada rangkaian ini digunakan rangkaian low pass filter dengan frekuensi cut off sebesar 0,8 Hz untuk membuang sinyal AC dan melewatkan sinyal DC. Rangkaian Amplifier dan Filter C1 100nF R1 6k8 C2 100nF R2 680K R4 680K 1R3 6K8 2 -12v -12v 4 kaki13 5 U1A LF353 4 7 + 2 1 - C4 2 C3 3 J2 1 1 2 + U1B LF353 - J3 6 1uf ACir 8 1uf R6 R 8 R5 IN AC IR 68K +12v +12v C5 100nF R7 6k8 C6 100nF R8 680K R10 680K 1R9 Modul bekerja sesuai dengan program yang telah diberikan. Sehingga saat intensitas cahaya yang tertangkap atau dideteksi oleh photodiode setelah melalui aliran darah, photodiode akan segera memberikan output tegangan ke rangkaian demultiplexer untuk dipisahkan antara output dari infrared dan red lamp, kemudian difilter dengan filter BPF 2,34 Hz dan filter LPF 0,8 Hz agar menghasilkan sinyal AC dan DC dari infrared dan red lamp kemudian masuk ke ADC minimum system yang akan diolah dan ditampilkan pada LCD. Hasil pengukuran menunjukkan adanya nilai error, hal ini disebabkan banyak faktor, seperti pergerakan dari pasien saat dilakukan pengukuran yang akan berpengaruh pada hasil pembacaan. Pada pengukuran kadar gula dengan pembanding terdapat nilai error yang cukup besar yaitu sebesar -7.8% dan nilai error terkecil sebesar -1.4%. Pada pengambilan data responden ke-1, didapatkan hasil error pengukuran sebesar -7.8%. Pada pengambilan data responden ke-2, didapatkan hasil error pengukuran sebesar 3.1%. Pada pengambilan data responden ke-3, didapatkan hasil error pengukuran sebesar 1.58%. Pada pengambilan data responden ke-4, didapatkan hasil error pengukuran sebesar 6.08%. Pada pengambilan data responden ke-5, didapatkan hasil error pengukuran sebesar 1.4%. Dan pada pengambilan data responden ke6, didapatkan hasil error pengukuran sebesar 6%. 6K8 2 -12v kaki14 5 + 2 1 - C8 4 U2B LF353 2 C7 7 3 + J5 6 - 4 -12v 1uf U2A LF353 1 J4 1 2 AC red R11 8 8 1uf IN AC red 68K R12 R +12v +12v Pada rangkaian penguat pertama, output photodiode akan dihubungkan kapasitor sebagai coupling untuk memblok tegangan DC dan hanya melewatkan sinyal AC dari output demultiplexer. Sinyal tersebut akan masuk ke penguat pertama. Penguat yang digunakan adalah penguat non-inverting dengan penguatan sebesar 101 kali. Untuk penguatan kedua digunakan rangkaian yang sama seperti pada penguatan pertama, agar filter lebih dapat menekan amplitudo pada saat melewati frekuensi cut off dan sinyal dikuatkan lagi sebesar 101 kali. Pembahasan Kinerja Sistem Keseluruhan PENUTUP Kesimpulan Secara menyeluruh peneliti dapat menyimpulkan bahwa : 1. Telah dapat dibuat alat uji kadar gula darah secara Non-invasive. 2. Minimum system dapat menampilkan hasil konversi pada display lcd karakter 16x2. 3. Rata-rata nilai error pembacaan dibandingkan dengan alat pembanding yaitu sebesar 2.3%. Saran Dari hasil penelitian, dapat dianalisa kekurangan dari alat yang penulis buat. Berikut ini adalah beberapa saran yang dapat dipertimbangkan untuk penyempurnaan penelitian lebih lanjut: 6 Seminar Tugas Akhir 1) 2) 3) 4) 5) Ditambahkan indikator batterai pada alat. Peletakkan sensor harus tepat dan tidak berubah-ubah, karena dapat mempengaruhi nilai rasio yang didapatkan. Modul harus dibuat kedap cahaya, karena sensor warna sangat peka oleh cahaya, hal ini dapat mempengaruhi pembacaan sensor warna. Semakin banyak sampel yang digunakan maka akan semakin presisi pengukuran kadar gula darah pada modul yang dibuat. Ditambahkan mode penyimpanan pada modul, sehingga dapat digunakan sebagai acuan dalam melakukan self monitoring kadar gula darah. Juni 2017 TTL Alamat Pendidikan : Tuban, 26 April 1996 : Tuban : SMAN 1 SINGGAHAN DAFTAR PUSTAKA Firdausi, Fauziah. 2014. Rancang Bangun Alat Ukur Kadar Gula Darah Secara NonInvasive. Prodi Teknobiomedik Universitas Airlangga : Surabaya Fitriyah, Diah. 2016. Alat Uji Gula Darah dengan Tampilan PC. Prodi D-3 Teknik Elektromedik Poltekkes Kemenkes Surabaya : Surabaya. Isler, Larry W. 2005. Non-Invasive Blood Glucose Monitoring System. http://www.freepatentsonline.com/6949070.h tml. (diakses 15 September 2016) Kemalasari dan Mauridhi. 2009. Analisa Kadar Glukosa Darah Berdasarkan Perbedaan Temperatur Antara Tragus dan Antihelix. Teknik Elektronika PENS ITS Surabaya : Surabaya. Perdana, Galang. 2015. Rancang Bangun Sistem Portabel Pengukur Kadar Glukosa Darah Menggunakan Sensor Suhu Berbasis Android. Prodi D-3 Teknik Elektronika PENS ITS Surabaya : Surabaya. Sugiyarti. 2016. Perbandingan Kadar Glukosa Darah Sebelum Dan Sesudah Dilakukan Hemodialisa Pada Penderita Gagal Ginjal. http://digilib.unimus.ac.id/files/disk1/114/ jtptunimus-gdl-sugiyartig-5674-2-babii.pdf. (diakses 23 September 2016) BIODATA PENULIS Nama NIM : Wiwin Sulistyani : P27838113012 7 Seminar Tugas Akhir Juni 2017 8