PENGEMBANGAN ALAT STIMULASI DAN SINYAL TERAPI ELEKTRIK ARUS MIKRO SISTEM TERBUKA SEBAGAI INSTRUMEN PENELITIAN MEDIS
TESIS
Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung
Oleh Akhmad Junaidi NIM: 23206045
Program Studi Teknik Elektro Institut Teknologi Bandung
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
PENGEMBANGAN ALAT STIMULASI DAN SINYAL TERAPI ELEKTRIK ARUS MIKRO SISTEM TERBUKA SEBAGAI INSTRUMEN PENELITIAN MEDIS
Oleh Akhmad Junaidi NIM: 23206045
Program Studi Teknik Elektro Institut Teknologi Bandung
Bandung, 17 Juni 2008 Menyetujui Pembimbing,
__________________________ Prof. Dr. Ir. Tati L. R. Mengko NIP: 130675514
i
ABSTRAK
PENGEMBANGAN ALAT STIMULASI DAN SINYAL TERAPI ELEKTRIK ARUS MIKRO SISTEM TERBUKA SEBAGAI INSTRUMEN PENELITIAN MEDIS Oleh: Akhmad Junaidi (NIM: 23206045)
Terapi elektrik arus mikro adalah suatu metode pengobatan yang menggunakan stimulasi arus listrik mikroampere tegangan rendah. Untuk penerapan di Indonesia, metode ini masih membutuhkan dukungan kebijakan, fasilitas, dan penelitian lebih lanjut. Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan perangkat stimulasi elektrik arus mikro yang memadai untuk aplikasi penelitian medis bagi para dokter di Indonesia. Penelitian ini mengembangkan alat stimulasi elektrik arus mikro yang dinamakan OpenMCS dan program sinyal stimulasi yang dinamakan µStimS secara sistem terbuka. OpenMCS dikembangkan menggunakan sistem berbasis mikrokontroler PIC 16F877A sedangkan µStimS diprogram menggunakan software MicroCode Studio – PICBASIC PRO versi 2.46. OpenMCS tersusun dari modul rangkaian pemroses data sinyal terapi, DAC 16 bit dengan keluaran 2 fase, konverter tegangan ke arus listrik, dan rangkaian sistem proteksi. Sedangkan µStimS tersusun dari program utama dan pembangkit sinyal terapi. Ujicoba meliputi ujicoba kinerja OpenMCS, ujicoba sistem proteksi, dan ujicoba pre klinis sebagai pendukung. Hasil yang didapat dari parameter sinyal yang dikeluarkan mempunyai kesalahan rata-rata 0,28%, 0,83%, dan 0% untuk parameter amplitudo, frekuensi, dan lebar pulsa. Sedangkan uji sistem proteksi menunjukkan hasil dengan kesalahan rata-rata 0,59%, 0,70%, dan 0,66% untuk parameter arus listrik berlebih, muatan listrik berlebih, dan arus listrik rata-rata berlebih. Ujicoba pre klinis dilakukan dengan membandingkan sinyal EEG dari pasien uji antara sebelum dan setelah stimulasi arus mikro pada saraf kranial di titik P4. Hasilnya menunjukkan adanya peningkatan aktivitas gelombang alfa setelah pemberian stimulasi. Selesainya penelitian ini menghasilkan perangkat stimulasi elektrik arus mikro yang memadai untuk digunakan dalam penelitian medis, lebih unggul secara fitur, dan lebih ekonomis daripada produk serupa yang ada di pasaran. Pengembangan lebih lanjut dapat diarahkan pada penelitian tentang manfaat arus listrik mikro bagi kesehatan, sinyal arus listrik mikro untuk pengobatan penyakit degeneratif, produk stimulator arus listrik mikro untuk tujuan klinis, perawatan kecantikan, dan untuk pengobatan binatang. Kata kunci: Stimulasi arus mikro, terapi elektrik arus mikro, penguat transkonduktansi, arus listrik pada tubuh manusia, stimulasi elektrik saraf kranial
ABSTRACT
ii
DEVELOPMENT OF OPEN SYSTEM MICROCURRENT ELECTRICAL THERAPY STIMULATOR AND SIGNAL PROGRAM AS CLINICAL RESEARCH INSTRUMENT By: Akhmad Junaidi (NIM: 23206045)
Microcurrent electrical therapy (MET) is a therapeutic method using low voltage microamperage stimulation. For the application in Indonesia, this method still needs policy, facility, and further research supports. This research is to develop the adequate microcurrent electrical stimulation instrument for medical research application for medical doctors in Indonesia. This one develops the open system microcurrent electrical stimulator, called OpenMCS and stimulation signal program called µStimS. The development of OpenMCS is based on PIC 16F877A microcontroller while the µStimS was programmed using MicroCode Studio – PICBASIC PRO version 2.46 software. The OpenMCS consists of the modality of therapeutic signal data processor circuit, 16-bit DAC with bipolar output, voltage to current converter, and the protection system circuit while the µStimS consists of the main program and therapeutic signals generator. The testing comprises OpenMCS performance test, protection system test, and preclinical test as the supporting test. The obtained results from output signal parameters have mean error of 0,28%, 0,83%, and 0% for amplitude, frequency, and pulse width. The protection system test shows the error rate of 0,59%, 0,70%, and 0,66% for exceeded current, exceeded electrical charge, and exceeded mean current. Pre-clinical test was held by comparing EEG signal from the patients, before and after the microcurrent stimulation at cranial nerve on P4 point. The result shows the increasing of alpha wave activity after stimulation. The accomplishment of this research results the adequate microcurrent electrical stimulation instrument for medical research, more excellent in feature and more economics than the similar products in market. The further development can be set to research on the advantage of microcurrent for health, microcurrent signal for degenerative disease treatment, microcurrent stimulator products for clinical usage, beauty treatment, and animal treatment. Keywords: microcurrent stimulation, microcurrent electrical therapy, transconductance amplifier, electric current on human body, cranial electrical stimulation
iii
PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya. Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung.
iv
KATA PENGANTAR
Assalamu’alaikum wr. wb. Segala puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT, Tuhan semesta alam, yang telah memberikan rahmat, karunia, dan hidayah-Nya sehingga penulis berhasil menyelesaikan penelitian tesis tentang pengembangan alat stimulasi dan sinyal terapi elektrik arus mikro sistem terbuka sebagai instrumen penelitian medis. Dalam pengerjaan penelitian tesis ini, penulis menerima banyak bantuan, dukungan dan saran dari berbagai pihak. Karena itu, pada kesempatan kali ini penulis menyampaikan terima kasih yang sebanyak-banyaknya kepada: 1. Ibu Prof. Tati R. Mengko selaku pembimbing penelitian tesis, atas bantuan, nasehat, dan dukungannya baik secara moral maupun material yang telah diberikan 2. Ibunda, istri tercinta, bapak dan ibu mertua, dan saudara-saudaraku semua: mbak Intan, dik Alfian, mas Giri, dik Kukuh dan lainnya, atas perhatian, kasih sayang, dukungan dan doanya 3. Rekan-rekan di klinik BMG: pak Gunawan, ibu Diah, mbak Susi, Angga, pak Kuswadi, mas Imam, dan rekan-rekan lainnya atas segala bantuan dan dukungannya 4. Teman-teman seperjuangan: Budi dan Yoyo atas bantuan, pengertian dan dukungan yang telah diberikan 5. Teman-teman dan seluruh keluarga besar BME semuanya serta pihakpihak yang turut membantu yang tidak dapat penulis sebutkan satupersatu. Penulis menyadari bahwa dalam penelitian tesis ini masih terdapat kekurangankekurangan. Karena itu saran dan kritik yang membangun selalu penulis harapkan
v
dari siapapun. Penulis berharap semoga penelitian tesis ini memberi banyak manfaat bagi masyarakat luas serta bagi perkembangan ilmu pengetahuan. Wassalamu’alaikum wr. wb.
Bandung, Juni 2008
Penulis
vi
DAFTAR ISI ABSTRAK .............................................................................................................................. ii ABSTRACT ............................................................................................................................ ii PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS ........................................................................................ iv KATA PENGANTAR ............................................................................................................... v DAFTAR ISI .......................................................................................................................... vii DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................................................. ix DAFTAR GAMBAR ................................................................................................................ x DAFTAR TABEL ................................................................................................................... xii BAB 1 PENDAHULUAN 1.1
LATAR BELAKANG MASALAH .............................................................................. 1
1.2
RUMUSAN MASALAH .......................................................................................... 3
1.3
TUJUAN PENELITIAN ........................................................................................... 7
1.4
HIPOTESIS ............................................................................................................ 7
1.5
SISTEMATIKA PENELITIAN ................................................................................... 7
BAB 2 STUDI PUSTAKA 2.1
PENJELASAN SINGKAT TERAPI ELEKTRIK ARUS MIKRO ....................................... 9
2.2
ALAT STIMULASI ARUS MIKRO .......................................................................... 13
2.2.1 MIKROKONTROLER PIC 16F877A ......................................................................... 14 2.2.2 SOFTWARE PICBASIC PRO COMPILER 2.46 .......................................................... 15 2.2.3 RANGKAIAN KONVERSI TEGANGAN KE ARUS LISTRIK.......................................... 16 2.3
SINYAL TERAPI ELEKTRIK ARUS MIKRO ............................................................. 17
BAB 3 PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI SISTEM 3.1
METODE PENGEMBANGAN PERANGKAT STIMULASI ARUS MIKRO ................. 21
3.2
PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI ALAT STIMULASI OpenMCS .................. 23
3.2.1 PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI FUNGSI SINYAL OpenMCS ....................... 23 3.2.2 PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI SISTEM PROTEKSI OpenMCS ................... 28 3.2.3 PENYEMPURNAAN SISTEM OpenMCS ................................................................. 29 3.3
PERANCANGAN SINYAL STIMULASI ARUS MIKRO ............................................ 33
vii
3.4
PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI PROGRAM STIMULASI µStimS .............. 34
BAB 4 UJICOBA DAN ANALISIS 4.1
UJICOBA KINERJA RANGKAIAN OpenMCS ........................................................ 52
4.1.1 UJICOBA DAN ANALISIS BENTUK SINYAL ............................................................. 53 4.1.2 UJICOBA DAN ANALISIS AMPLITUDO SINYAL ....................................................... 58 4.1.3 UJICOBA DAN ANALISIS FREKUENSI SINYAL ......................................................... 61 4.1.4 UJICOBA DAN ANALISIS LEBAR PULSA SINYAL ..................................................... 62 4.2
UJICOBA SISTEM PROTEKSI ............................................................................... 64
4.2.1 UJI PROTEKSI TERHADAP ARUS LISTRIK BERLEBIH ............................................... 64 4.2.2 UJI PROTEKSI TERHADAP MUATAN LISTRIK BERLEBIH ......................................... 66 4.2.3 UJI PROTEKSI TERHADAP ARUS LISTRIK RATA – RATA BERLEBIH ......................... 67 4.3
UJICOBA PRE KLINIS SEBAGAI PENDUKUNG ..................................................... 68
4.4
DISKUSI ANALISIS .............................................................................................. 73
4.5
POTENSI PENGEMBANGAN LEBIH LANJUT ....................................................... 76
BAB 5 PENUTUP 5.1
KESIMPULAN ..................................................................................................... 78
5.2
SARAN ............................................................................................................... 79
DAFTAR PUSTAKA: ............................................................................................................ 81
viii
DAFTAR LAMPIRAN
LAMPIRAN A.1 ............................................................................................................... 84 LAMPIRAN A.2 ............................................................................................................... 85 LAMPIRAN A.3 ............................................................................................................... 87 LAMPIRAN A.4 ............................................................................................................... 88 LAMPIRAN B.1 ............................................................................................................... 95 LAMPIRAN B.2 ............................................................................................................... 96 LAMPIRAN B.3 ............................................................................................................... 97 LAMPIRAN C.1 ............................................................................................................... 98 LAMPIRAN D.1 ............................................................................................................. 100 LAMPIRAN D.2 ............................................................................................................. 101 LAMPIRAN E.1 ............................................................................................................. 102
ix
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. 1 Stimulasi arus mikro dalam metode elektroterapi lainnya ............................. 3 Gambar 1. 2 Kedudukan penelitian tesis dalam penelitian pengembangan terapi elektrik arus mikro di Indonesia ....................................................................................................... 6 Gambar 1. 3 Gambaran umum metode pengobatan dengan stimulasi arus mikro .............. 6 Gambar 2. 1 Diagram blok struktur PIC 16F877A[14] ....................................................... 14 Gambar 2. 2 Tampilan software PICBasic Pro Compiler versi 2.46 ................................ 16 Gambar 2. 3 Rangkaian konverter tegangan ke arus ......................................................... 17 Gambar 2. 4 Bentuk sinyal stimulasi elektrik pada produk Trio Stim, a) sinyal TENS dan EMS, b) sinyal stimulasi arus mikro[10] ............................................................................. 19 Gambar 3. 1 Diagram blok rancangan OpenMCS dan µStimS ........................................ 20 Gambar 3. 2 Diagram blok perancangan fungsi sinyal OpenMCS ................................... 24 Gambar 3. 3 Skema rangkaian DAC menggunakan penguat penjumlah dan pengurang . 26 Gambar 3. 4 Skema rangkaian konverter tegangan ke arus listrik .................................... 27 Gambar 3. 5 Skema rangkaian sistem proteksi ................................................................. 29 Gambar 3. 6 Skema rangkaian DAC 16 bit dengan keluaran 2 fase ................................. 31 Gambar 3. 7 Diagram blok realisasi OpenMCS ............................................................... 32 Gambar 3. 8 Foto hasil realisasi OpenMCS ...................................................................... 33 Gambar 3. 9 Struktur program µStimS ............................................................................. 35 Gambar 3. 10 Diagram alir program µStimS .................................................................... 36 Gambar 3. 11 Bentuk sinyal persegi 1 dalam perancangan .............................................. 43 Gambar 3. 12 Bentuk sinyal persegi 2 dalam perancangan .............................................. 43 Gambar 3. 13 Bentuk sinyal persegi 3 dalam perancangan .............................................. 44 Gambar 3. 14 Bentuk sinyal ramp 1 dalam perancangan .................................................. 45 Gambar 3. 15 Bentuk sinyal ramp 2 dalam perancangan .................................................. 46
x
Gambar 4. 1 Diagram blok ujicoba OpenMCS dan µStimS ............................................. 52 Gambar 4. 2 Tampilan realisasi sinyal persegi 1 .............................................................. 54 Gambar 4. 3 Tampilan realisasi sinyal persegi 2 .............................................................. 54 Gambar 4. 4 Tampilan realisasi sinyal persegi 3 .............................................................. 54 Gambar 4. 5 Tampilan realisasi sinyal ramp 1 .................................................................. 55 Gambar 4. 6 Tampilan realisasi sinyal ramp 2 .................................................................. 55 Gambar 4. 7 Tampilan bentuk sinyal persegi 1 saat elektroda dipasang ke tubuh ........... 56 Gambar 4. 8 Tampilan bentuk sinyal persegi 2 saat elektroda dipasang ke tubuh ........... 56 Gambar 4. 9 Tampilan bentuk sinyal persegi 3 saat elektroda dipasang ke tubuh ........... 57 Gambar 4. 10 Tampilan bentuk sinyal ramp 1 saat elektroda dipasang ke tubuh ............. 57 Gambar 4. 11 Tampilan bentuk sinyal ramp 2 saat elektroda dipasang ke tubuh ............. 57 Gambar 4. 12 Grafik hasil pengukuran amplitudo pada setiap nilai amplitudo ................ 60 Gambar 4. 13 Peta titik-titik pemasangan elektroda EEG ................................................ 69 Gambar 4. 14 Data sinyal EEG pasien 1 sebelum stimulasi ............................................. 70 Gambar 4. 15 Data sinyal EEG pasien 1 setelah stimulasi ............................................... 70 Gambar 4. 16 Data sinyal EEG pasien 2 sebelum stimulasi ............................................. 71 Gambar 4. 17 Data sinyal EEG pasien 2 setelah stimulasi ............................................... 71 Gambar 4. 18 Jenis-jenis bentuk gelombang EEG............................................................ 72 Gambar 4. 19 Gambaran potensi pengembangan lebih lanjut metode stimulasi arus mikro .......................................................................................................................................... 77
xi
DAFTAR TABEL Tabel 1. 1 Perbandingan antara MCS dan TENS[4,6,7,8] ....................................................... 5 Tabel 2. 1 Nilai parameter maksimum setiap jenis stimulasi[10] ....................................... 19 Tabel 3. 1 Perbandingan fitur OpenMCS dan µStimS dengan Alpha-Stim 100 dan Trio Stim[6,7,8,9,10] ....................................................................................................................... 21 Tabel 4. 1 Data uji amplitudo sinyal OpenMCS ............................................................... 58 Tabel 4. 2a Data uji frekuensi sinyal OpenMCS .............................................................. 61 Tabel 4. 3 Data uji lebar pulsa sinyal OpenMCS .............................................................. 63 Tabel 4. 4 Uji proteksi terhadap arus listrik berlebih ........................................................ 65 Tabel 4. 5 Uji proteksi terhadap muatan listrik berlebih ................................................... 66 Tabel 4. 6 Uji proteksi terhadap arus listrik rata-rata berlebih.......................................... 67 Tabel 4. 7 Uji proteksi terhadap arus listrik rata-rata berlebih setelah koreksi digital ...... 68 Tabel 4. 8 Perbandingan keunggulan OpenMCS dan µStimS dengan Alpha-Stim 100 dan Trio Stim[6,7,8,9,10] ............................................................................................................... 76
xii
