BAB 2 STUDI PUSTAKA
Bab ini berisi tentang hasil-hasil studi pustaka yang digunakan dalam mengembangkan OpenMCS dan µStimS. Bab ini membahas tentang penjelasan singkat terapi elektrik arus mikro, alat stimulasi arus mikro, dan sinyal terapi elektrik arus mikro.
2.1 PENJELASAN SINGKAT TERAPI ELEKTRIK ARUS MIKRO Terapi elektrik arus mikro adalah suatu metode pengobatan yang bekerja berdasarkan stimulasi pulsa arus listrik mikroampere dengan tegangan rendah. Ini didasarkan pada hipotesis bahwa arus mikroampere lebih dekat menghampiri arus bioelektrik yang terjadi secara alami di dalam tubuh, dan karena itu lebih efektif dalam meningkatkan perbaikan dan penyembuhan jaringan tubuh. Arus bioelektrik biasanya ditemukan dalam orde mikroampere. Perubahan pada potensial tegangan bioelektrik yang melintasi membran sel otot memungkinkan untuk terjadinya transport membran dan proses metabolik yang lebih efisien. Peningkatan permeabilitas sel terhadap ion Natrium akan diikuti dengan peningkatan permeabilitas terhadap ion Kalium. Energi dibutuhkan untuk terjadinya proses ini di dalam serat otot. Ketika stimulus lokal diberikan ke dekat membran yang mengitari, perubahan terjadi pada konduktansi ionik membran, yang cenderung memulihkan potensial saat istirahat (resting potential) bahkan jika stimulus tetap ada.[2] Tiga variabel sangat penting pada proses penyembuhan adalah ATP (adenosine triphosphate), sintesis protein, dan transport membran. Konsentrasi ATP berperan
9
langsung dalam fungsi vital pada mekanisme transpot aktif yang dikenal sebagai pompa Natrium. Pompa Natrium berperan langsung pada pergerakan lintas membran dari Natrium (Na), Kalium (K), Kalsium (Ca), sisa metabolisme dan metabolit. Transport aktif berarti bahwa sistem ini membutuhkan sejumlah besar energi untuk menggerakkan ion-ion vital ke dalam dan ke luar sel. Jika energi ini tidak tersedia, sisa metabolisme menumpuk, terkonsentrasi menyebabkan racun.[2] Suatu luka atau trauma otot mengurangi ATP dan menyebabkan kejang yang mengakibatkan berkurangnya oksigen dan zat-zat gizi pada sel. Hal ini juga mengacaukan pompa Natrium yang mengakibatkan akumulasi hasil produk metabolisme. Semua kejadian ini dirasakan oleh seseorang sebagai rasa sakit. Sel jaringan yang rusak menghasilkan suatu arus listrik melalui ion-ion intrasel yang hilang dan mengakibatkan kekacauan mekanisme pompa Natrium. Arus listrik kemudian mengubah pola potensial listrik normal.[2] Pemulihan kembali pompa Natrium, baik secara alami atau dengan stimulasi arus mikro, berlangsung ketika peningkatan arus listrik intrasel mengakibatkan meningkatnya fungsi mitokondria, yang menambah konsentrasi ATP sel. Ketika konsentrasi ATP pada jaringan luka terisi kembali, transport aktif membran meningkat, memungkinkan terjadinya aliran nutrisi ke dalam sel dan aliran materi sisa dari sel. Melalui proses ini, terbentuklah jaringan yang sehat.[2] Stimulasi arus mikro juga meningkatkan kemampuan sel dalam mensintesis protein. ATP menyediakan bahan bakar bagi transmigrasi metabolit dan sisa metabolisme melintasi membran sel sebagaimana pembentukan kembali gradien konsentrasi ionik bioelektronik sel. Artinya adalah bahwa potensial membran sel sedang dibangun kembali, kandungan sisa metabolisme intrasel (seperti asam laktat) berkurang dan konsentrasi segar dari metabolit sel yang digunakan diperkenalkan ke dalam sel yang telah kehabisan tenaga. Pada tahap ini, sel dapat memasuki fase regenerasi dan tingkat sakit berkurang secara nyata.[2] Pesan elektrik dihantarkan sepanjang saraf sebagai hasil dari perubahan kuantitas garam-garam Kalium dan Natrium di dalam dan di luar sel. Di luar sel terdapat
10
Natrium yang berlimpah dan sedikit Kalium, sedangkan di dalam sel terdapat Kalium yang banyak dan sedikit Natrium. Efek yang terjadi adalah seperti sebuah baterai basah dimana larutan yang berbeda dipisahkan oleh membran semipermeabel yang menyebabkan dihasilkannya arus listrik.[2] Setiap sel dapat ditampilkan sebagai pengendali lingkungan elektromagnetiknya sendiri secara langsung yang bergabung dengan medan-medan sel yang berdekatan, yang karenanya menghasilkan medan elektromagnetik pada sistem tertentu di dalam tubuh manusia. Sel di dalam organisme hidup adalah seperti baterai listrik kecil dengan mitokondria sebagai pembangkit dayanya. Semua fungsi pada tubuh manusia merupakan proses elektrokimia.[2] Mitokondria menyediakan bahan bakar bagi transmigrasi metabolit dan sisa metabolisme melintasi membran sel. Peningkatan aktivitas mitokondria meningkatkan produksi ATP di dalam sitoplasma dan pembangunan gradien konsentrasi ionik bioelektronik sel. Dengan demikian potensial membran sel terbentuk kembali dan tingkat rasa sakit berkurang secara nyata. Pada titik ini sel dapat memasuki fase regenerasinya.[2] Secara normal, sel saraf beroperasi secara elektrik, menggunakan aliran ion bermuatan positif melalui air sebagaimana rangkaian elektronik menggunakan aliran elektron yang bermuatan negatif melalui konduktor logam. Ini berarti bahwa penerapan arus listrik di luar dapat mempengaruhi neuron.[2] Regenerasi adalah serangkaian reaksi-reaksi endothermal dan elektrokimia. Ini berarti bahwa sejumlah listrik yang kecil dibutuhkan oleh sel untuk menyediakan energi sebagai catu daya proses regenerasi. Tubuh secara normal mengandung energi yang lebih dari cukup untuk menghasilkan efek yang diinginkan ini.[2] Setelah tubuh menerima terapi bioelektrik, terdapat input elektronik ke dalam berbagai titik yang mengatur fungsi sel dan sistem neuromuskular tubuh. Pemakaian glikogen jaringan otot meningkat dan kandungan asam amino otak juga meningkat. Pada waktu yang sama, aktivitas beberapa enzim di dalam jaringan menjadi lebih kuat. Perubahan ini menunjukkan bahwa terapi dapat
11
mendorong proses metabolisme jaringan dalam pergerakannya membantu menyegarkan kekuatan resistansi tubuh, sehingga mendorong pemulihan jaringan yang rusak.[2] Salah satu alasan terapi arus mikro menjadi banyak digunakan adalah faktor kenyamanan pasien. Dengan tegangan rendah, pasien tidak merasakan ketidaknyamanan, dan dalam faktanya, sering merasakan tidak ada sensasi sama sekali dari terapinya. Stimulasi bioelektrik menyebabkan perubahan elektrokimia di dalam tubuh yang mengatur tahap-tahap penyembuhan. Dengan baterai sel yang termuati kembali, tubuh dapat mengambil alih dan melakukan penyembuhan atas kemampuannya.[2] Studi preklinis telah menunjukkan bahwa penerapan eksternal stimulator elektrik arus mikro dapat: 9 Menyebabkan migrasi epitel dan fibroblast ke dalam daerah luka[5] 9 Meningkatkan konsentrasi ATP di dalam jaringan[5] 9 Meningkatkan sintesa protein dan DNA[5] 9 Mempercepat penyembuhan jaringan lunak atau borok[5] 9 Mempercepat pemulihan jaringan saraf yang rusak[5] 9 Mengurangi edema[5] 9 Menghambat pertumbuhan berbagai patogen[5] Saat ini terdapat beberapa pengkhususan penerapan stimulasi arus mikro dalam dunia terapeutik, di antaranya yaitu:
Terapi Elektrik Saraf Kranial (TES-K), menggunakan sinyal elektrik arus mikro khusus untuk merangsang saraf kranial[11]
Terapi penyambungan tulang[6]
Terapi penyembuhan luka[6]
Terapi kecantikan (kosmetik)
Terapi pemulihan penglihatan
12
2.2 ALAT STIMULASI ARUS MIKRO Alat stimulasi arus mikro adalah suatu perangkat elektrik yang bekerja berdasarkan prinsip generator sinyal dengan dilengkapi pengaturan atas besar kecilnya amplitudo, frekuensi dan lebar pulsa (untuk sinyal pulsa). Alat stimulasi arus mikro yang baik bekerja sebagai sumber arus yang dikendalikan oleh tegangan (Current Source Voltage Controlled) karena stimulasi yang dibutuhkan oleh tubuh adalah stimulasi yang terarah untuk pergerakan ion-ion tubuh. Pergerakan ion-ion tubuh ini dalam kaitannya dengan rangkaian elektrik tubuh mengambil peran sebagai arus listrik tubuh seperti halnya pergerakan elektron pada rangkaian listrik pada suatu kawat konduktor. Secara umum, suatu alat stimulasi arus mikro terdiri dari : Pembangkit sinyal terapi Pengendali sinyal terapi Konverter tegangan ke arus listrik Modul keselamatan pasien[12,13,14] Dalam kajian pustaka ini, akan dipaparkan penjelasan-penjelasan pendukung yang berhubungan dengan sistem dan komponen-komponen yang digunakan dalam pengembangan alat stimulasi elektrik arus mikro OpenMCS dan program stimulasi arus mikro µStimS. Perangkat OpenMCS dikembangkan menggunakan mikrokontroler PIC 16F877A sebagai pemroses, pembangkit dan pengendali utama sistem. Komponen aktif lainnya yang digunakan adalah DAC 0808, OPAMP
LF411,
dan
OP-AMP
OPA2544.
Sedangkan
program
µStimS
dikembangkan menggunakan software PICBasic Pro Compiler 2.46. Penjelasan singkat tentang karakteristik masing-masing komponen penyusun OpenMCS dan µStimS adalah sebagai berikut.
13
[14]
Gambar 2. 1 Diagram blok struktur PIC 16F877A
2.2.1
MIKROKONTROLER PIC 16F877A
PIC 16F877A merupakan mikrokontroler buatan Microchip Technology yang termasuk dalam generasi kedua yang terbaru. Mikrokontroler ini bekerja dalam instruksi 14 bit yang dilengkapi dengan interrupt dan fitur-fitur lainnya. Seri 16F87x mempunyai memori program FLASH sehingga dapat diprogram berulangkali. Mikrokontroler PIC 16F877A dapat beroperasi pada frekuensi maksimum 20 MHz, mempunyai 8 kilobyte memori program, 368 byte memori
14
data, dan lima port I/O, yaitu port A, B, C, D, dan E.[14] PIC 16F877A memiliki 40 pin yang masing-masing berfungsi seperti ditunjukkan pada gambar 2.1. 2.2.2
SOFTWARE PICBASIC PRO COMPILER 2.46
PICBasic adalah sebuah software compiler untuk memudahkan memprogram mikrokontroler PIC. Sesuai dengan namanya, compiler ini menggunakan bahasa mirip Basic untuk menjembatani antara pengguna dan bahasa mesin heksadesimal atau biner. Salah satu versi PICBasic yang populer digunakan adalah MicroCode Studio - PICBasic Pro, suatu software compiler buatan microEngineering Labs, Inc yang bersifat gratis untuk tujuan nonkomersial.[15] Software yang digunakan dalam pengerjaan penelitian tesis ini adalah PICBasic Pro Compiler versi 2.46. PICBasic Pro Compiler (PBP Compiler) menghasilkan kode yang dapat diprogram ke dalam berbagai jenis mikrokontroler PIC yang mempunyai 8 sampai 84 pin dan berbagai fitur on-chip termasuk konverter analog ke digital, timer hardware dan port serial. PBP Compiler versi 2.46 mendukung sebagian besar mikrokontroler PIC baik seri 12 bit, 14 bit maupun 16 bit.[16] Dengan menggunakan sebuah flash programmer PIC, mikrokontroler PIC dapat diprogram dengan mudah dan praktis. Gambar 2.2 adalah contoh tampilan dari PICBasic Pro Compiler versi 2.46. Referensi kumpulan instruksi-instruksi yang terdapat pada PBP Compiler 2.46 disertakan pada lampiran C.1.
15
Gambar 2. 2 Tampilan software PICBasic Pro Compiler versi 2.46 2.2.3
RANGKAIAN KONVERSI TEGANGAN KE ARUS LISTRIK
Rangkaian konversi tegangan ke arus listrik digunakan untuk mengubah sinyal tegangan dari output rangkaian DAC untuk dikeluarkan menjadi sinyal arus listrik. Pada alat stimulasi arus mikro, sinyal arus listrik digunakan sebagai sinyal terapi yang diberikan kepada pasien. Rangkaian konversi tegangan ke arus listrik yang digunakan pada rangkaian alat stimulasi arus mikro OpenMCS menggunakan OP-AMP OPA2544 yang dapat memberikan tegangan keluaran hingga 35 volt dan arus listrik hingga 2A. OPA 2544 mempunyai karakteristik sebagai berikut. Arus keluaran mencapai 2 ampere Tegangan keluaran mencapai 30 volt Slew rate: 8V/µs Internal current limit Thermal shutdown protection FET Input (IB) = 50 pA (maks)[19]
16
Terdapat berbagai macam rangkaian konverter tegangan ke arus. Tetapi untuk aplikasi terhadap beban resistansi yang mempunyai rentang lebar (resistansi tubuh mempunyai rentang yang lebar), model yang digunakan adalah seperti yang ditampilkan pada gambar 2.3.[17]
U1 Vin Io
OPAMP
R1
RB
Gambar 2. 3 Rangkaian konverter tegangan ke arus
2.3 SINYAL TERAPI ELEKTRIK ARUS MIKRO Sinyal listrik yang digunakan pada terapi elektrik arus mikro berupa sinyal pulsa arus listrik dalam orde mikroampere. Sinyal yang digunakan untuk terapi mempunyai bermacam-macam bentuk, amplitudo, frekuensi dan lebar pulsa (untuk sinyal pulsa) bergantung pada penggunaan terapi untuk penyakit tertentu yang akan dilakukan. Terdapat lima bentuk sinyal dasar terapi arus mikro, yaitu: – Persegi bipolar ½ gelombang berdelay – Persegi bipolar berdelay – Persegi bipolar penuh – Ramp bipolar ½ gelombang berdelay – Ramp bipolar berdelay[4,6,8,9,10,12,13] Aspek yang perlu diperhatikan dalam perancangan sinyal terapi arus mikro modern adalah terjadinya resonansi antara sinyal terapi yang diberikan dengan aktivitas elektrik normal tubuh dan frekuensi bumi. Dengan mengatur keempat
17
parameter di atas, suatu terapi arus mikro diberikan dengan memperhatikan nilai muatan yang diberikan ke dalam tubuh tiap pulsanya. Selain itu, berdasarkan hukum Arndt Schultz (1985) yang menyatakan bahwa “weak stimuli excite physiological activity; moderately strong stimuli favor physiological activity; strong ones retard physiological activity and very strong ones arrested physiological activity”[21] maka stimulasi arus mikro dirancang sedemikian rupa sehingga efektif dalam merangsang aktivitas fisiologi tubuh. Salah satu studi awal tentang efek positif arus mikro bagi tubuh adalah yang dilakukan oleh Wolcott dan timnya tentang stimulasi arus mikro pada penyembuhan luka dan patah tulang pada tahun 1969. Studi yang lebih lengkap tentang implikasi terapi arus mikro dilakukan oleh Cheng pada tahun 1982 tentang efek arus listrik pada berbagai intensitas. Hasil yang dikemukakannya adalah pada 500 µA terjadi generasi ATP (produksi energi tingkat sel) meningkat sekitar 500% dan transport asam amino meningkat 30 – 40% di atas level kontrol menggunakan 100 – 500 µA. Ketika arus listrik ditingkatkan hingga mencapai rentang miliampere, generasi ATP terhenti, pengambilan asam amino berkurang antara 20 – 73%, dan sintesis protein dihambat sekitar 50%. Sebuah penghargaan nobel diberikan kepada dua ilmuwan berkebangsaan Jerman pada tahun 1991 atas hasil kerjanya mendeteksi arus listrik pada semua jenis membran sel di seluruh tubuh. Studi ini membuka jalan bagi pemahaman yang lebih besar tentang pemahaman bahwa penerapan arus listrik eksternal dapat mempengaruhi fungsi organik.[21] Bentuk sinyal arus mikro yang disertakan pada berbagai produk alat stimulasi arus mikro yang ada di pasaran pada kenyataannya berbeda-beda. Ada beberapa produk alat stimulasi arus mikro yang bersifat multifungsi menggunakan batas maksimum 300 µA, sebagian yang lain menggunakan batas 600-700 µA, dan sebagian lainnya menggunakan batas 1000 µA.[4,6,8,9,10,12,13] Sebagai contoh perbandingan dengan jenis terapi yang lain, spesifikasi Trio Stim, salah satu produk alat stimulasi listrik multifungsi, memberikan spesifikasi yang
18
jelas antara transcutaneous electrical nerve stimulation (TENS), electric muscle stimulation (EMS), dan microcurrent stimulation (MCS). Antara sinyal TENS dan EMS mempunyai bentuk yang hampir sama, yaitu seperti pada gambar 2.4a. Sedangkan bentuk sinyal MCS adalah seperti pada gambar 2.4b.[10]
Gambar 2. 4 Bentuk sinyal stimulasi elektrik pada produk Trio Stim, a) sinyal TENS dan EMS, b) sinyal stimulasi arus mikro[10]
Berdasarkan spesifikasi Trio Stim, spesifikasi arus listrik maksimum, arus listrik rata-rata maksimum, dan jumlah muatan maksimum tiap pulsa perlu diperhatikan. Tabel 2 menunjukkan data nilai maksimum untuk setiap parameter di atas. Tabel 2. 1 Nilai parameter maksimum setiap jenis stimulasi[10] No.
Parameter Maksimum
EMS
MCS
1
Arus listrik
80 mA
80 mA
750 µA
2
Arus listrik rata-rata
4 mA
2,4 mA
300 µA
3
Jumlah muatan tiap pulsa
20 µC
24 µC
187 µC
19
TENS
