RANCANG BANGUN ALAT UKUR KADAR HAEMOGLOBIN, KADAR GLUKOSA DAN KANDUNGAN OKSIGEN DALAM DARAH MANUSIA SECARA NON-INVASIVE DILENGKAPI TENSI METER DIGITAL DAN PENGUKUR SUHU TUBUH Wisnu Adi Prasetyanto1, Riky Maulana Firdaus2 1 Program
Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Dian Nuswantoro Jalan Nakula I no 5 – 11 Semarang Email :
[email protected]
2 Program
Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Dian Nuswantoro Jalan Nakula I no 5 – 11 Semarang Email :
[email protected]
Abstract Information about the gases in the blood is needed by humans, especially the patients with serious conditions requiring respiratory system settings. Oxygen saturation of blood is an important parameter of the respiratory system which indicates the percentage of oxygen that combines with hemoglobin in the blood or blood ability to bind oxygen is the result of the process of respiration. The conventional way to measure oxygen saturation (SaO2), hemoglobin and glucose content is through the analysis of blood samples with a spectrophotometer by invasive (injure the human body). But this way is less beneficial for patients with serious conditions that do not allow blood sampling times. Therefore in this research will be developed measurement system the oxygen content, hemoglobin content and blood glucose in non-invasive (does not injure the human body / patient) equipped with digital tensimeter and measuring body temperature, which is expected to contribute to the health sector. ATMega 128 is the AVR microcontroller family which has many facilities and large memory size, a microcontroller is used to manufacture this equipment. Key words : oxygen saturation, hemoglobin, blood glucose, non-invasive, digital tensimeter, body temperature, ATMega128 Abstrak Informasi tentang gas-gas dalam darah sangat diperlukan oleh manusia terutama para pasien dengan kondisi serius yang membutuhkan pengaturan sistem respirasi. Oksigen saturasi darah adalah parameter penting sistem respirasi yang mengindikasikan persentase oksigen yang berkombinasi dengan haemoglobin dalam darah atau kemampuan darah mengikat oksigen hasil proses respirasi. Cara konvensional untuk mengukur oksigen saturasi (SaO 2), haemoglobin dan kandungan glukosa adalah melalui analisis sampel darah dengan spektrofotometer secara invasive (melukai bagian tubuh manusia). Namun cara ini kurang menguntungkan untuk pasien dengan kondisi serius yang tidak memungkinkan pengambilan sampel darah berkali-kali. Untuk itu dalam penelitian ini akan dikembangkan sistem pengukuran kandungan oksigen, haemoglobin dan kandungan glukosa dalam darah secara noninvasive (tidak melukai tubuh manusia/pasien) dilengkapi dengan tensimeter digital dan pengukur suhu tubuh , yang diharapkan dapat memberikan sumbangan dalam bidang kesehatan,. ATMega 128 merupakan mikrokontroller keluarga AVR yang mempunyai banyak fasilitas dan ukuran memori yang cukup besar, mikrokontroler tersebut digunakan untuk pembuatan alat ini. Kata kunci : oksigen saturasi, haemoglobin, glukosa darah, non-invasive, tensimeter digital, suhu tubuh, ATMega128
1. PENDAHULUAN Informasi tentang gas-gas dan zat-zat dalam darah pada pembuluh arteri sangat diperlukan oleh para medis, terutama untuk menangani pasien dengan kondisi serius yang membutuhkan pengaturan sistem respirasi. Dalam sistem respirasi, ada suatu tanda dasar yang sangat vital, yang dikenal dengan istilah oksigen saturasi dalam darah. Oksigen saturasi tersebut mengindikasikan persentase oksigen yang berkombinasi dengan haemoglobin dalam darah, atau kemampuan darah mengikat oksigen yang diperoleh dari proses respirasi. Kandungan oksigen/oksigen saturasi dan haemoglobin dan glukosa dalam darah dapat diukur dengan cara invasive yakni dengan mengambil sampel darah kemudian dianalisa dengan menggunakan spektrofotometer. Namun, cara ini kurang menguntungkan mengingat untuk pasien dengan kondisi serius jelas tidak mungkin dilakukan pengambilan sampel darah berkali-kali. Untuk itu, suatu pengembangan cara pengukuran oksigen dan haemoglobin secara non-invasive sangatlah dibutuhkan. Tidak hanya itu untuk lebih mempermudah pengambilan data pasien mengenai suhu tubuh dan tekanan darahnya dipermudah dengan perancangan alat ini , kalau biasanya dalam pengambilan data tersebut digunakan tiga alat ukur, yaitu spigmomanometer, stetoskop dan thermometer yang sangat merepotkan, dengan alat ini dipermudah dengan menggunakan satu alat saja untuk mengukur parameter-parameter tersebut. Dari latar belang tersebut di atas, maka rumusan masalah yang dapat diambil dalam perancangan alat ini yaitu :
Bagaimana memudahkan para praktisi kesehatan untuk melakukan test atau pengukuran kandungan oksigen , haemoglobin dan glukosa dalam darah tanpa harus melukai anggota badan dari seseorang yang akan dilakukan uji darahnya. Bagaiman memudahkan pengukuran tekanan darah dan suhu tubuh seseorang tanpa harus menggunakan banyak peralatan untuk melakukan pengukuran tersebut. Bagaimana membuat sistem yang portabel dan multifungsi Tujuan dari perancangan alat ini adalah : Mempermudah mengukur kandungan oksigen , haemoglobin dan glukosa dalam darah. Mempermudah pengukuran tekanan darah dan suhu tubuh manusia Menggabungkan fungsi dari beberarapa alat menjadi sebuah alat dengan fungsi yang multiguna , serta membuat suatu sistem yang portabel.
2. METODE PENELITIAN Penelitian dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut : 2.1. Studi Pustaka Dalam tahapan ini dilakukan penggalian dan pengkajian teori-teori sebagai pendukung perancangan alat. 2.1.1.
Cahaya Seberkas cahaya yang melewati suatu zat dalam larutan akan mengalami penyerapan yang berubah-ubah dengan panjang dan mencapai harga maksimum pada panjang gelombang di mana energi foton dalam berkas cahaya tersebut sama dengan energi transisinya. Hal ini dapat dipahami dengan melihat hubungan antara panjang gelombang (λ) dengan frekuensi foton (f) pada persamaan (2-1) dan hubungan antara frekuensi foton (f) dan energi foton (E) pada persamaan (2-2). λ.f = c ................................................................................................................. (2-1) E = h.f .................................................................................................................. (2-2) Keterangan :
c : kecepatan cahaya H : konstanta Planck
= 3.108 m/s = 6,554.10-34 Joule.sekon
Sedangkan berdasarkan hukum kekekalan energi maka energi foton yang dipancarkan harus sama dengan energi transisi yang harus dilampaui/dimiliki. Hubungan energi transisi dengan panjang gelombang yang merupakan karakteristik yang terpenting dari fotokonduktor intrinsik, dapat dilihat pada persamaan (2-3).
λg (mm) =
1,24 Eg (eV ) ........................................................................................... (2-3)
Eg adalah Persamaan ini menentukan panjang gelombang cahaya terpanjang yang masih diserap oleh suatu bahan dengan energi tertentu. Hukum Lambert dalam teori Spectroscopy menyatakan bahwa seberkas cahaya yang dilewatkan melalui sebuah massa (jaringan biologis) akan mengalami absorbsi, transmisi, dan refleksi sesuai dengan konsentrasi dan partikel yang sesuai dengan panjang gelombang spesifik zat itu. Sebagai contoh bila dalam jaringan biologis terdapat 100 partikel x dengan panjang gelombang spesifik X nm, dan apabila dikirim cahaya dengan panjang gelombang X sebanyak 140 satuan maka 100 satuan akan diabsorbsi dan diteruskan sedangkan 40 bagian akan dipantulkan. Prinsip pengamatan haemoglobin dan kandungan oksigen dalam darah secara non-invasive adalah perubahan warna haemoglobin yang teroksidasi diukur dengan perbedaan dalam absorbsi, ketika cahaya dengan panjang gelombang tertentu dan menembus jaringan dan darah. Darah yang mengandung haemoglobin yang terikat dengan oksigen (HbO2/Oxyhaemoglobin) dengan yang tidak (Hb) akan menunjukkan spektrum absorbsi yang berbeda dari emisi cahaya.
Transmisi Filter Relatif
Pemilihan spektrum warna di daerah ini didasarkan pada hasil penelitian Polanyi dan Hehir, In vivo oximeter with fast dynamic response, dan berdasarkan grafik karakteristik spektrum sumber cahaya dan filter (Allan,1973) pada gambar 1.
Crown glass
1
0 500
660
805
1000
2000
HbO Hb
5000
Panjang Gelombang ( nm ) Gambar 1. Karakteristik Spektrum Sumber Cahaya dan Filter
Dari grafik karakteristik tersebut dapat dilihat bahwa respon Hb dan HbO2 terutama pada daerah dengan panjang gelombang sekitar 660 nm (daerah sinar merah). Penelitian-penelitian yang telah dilakukan antara lain oleh Polanyi dan Hehir, Pittman dan Dulling, Lubbers et.al dan Setsuo Takatani et.al juga menggunakan gelombang cahaya di daerah ini.
2.1.2.
LED LED (light emitting diode) adalah suatu dioda p-n (semikonduktor) yang memancarkan cahaya monokromatik yang tidak koheren ketika diberi tegangan maju dalam daerah panjang gelombang antara infra-merah sampai ultra violet. Gejala ini termasuk bentuk elektroluminesasi. Seperti sebuah dioda normal, LED terdiri dari sebuah chip bahan semikonduktor yang diisi penuh atau
di-dop, dengan ketidakmurnian untuk menciptakan sebuah struktur yang disebut p-n junction. Pengembangan LED dimulai dengan alat inframerah dan warna merah dibuat dengan gallium arsenide. Perkembangan dalam ilmu material telah memungkinkan produksi alat dengan panjang gelombang yang lebih pendek, menghasilkan cahaya dengan warna bervariasi. LED mempunyai beberapa keunggulan dibanding sumber cahaya lain yaitu mempunyai struktur yang solid, ukurannya relatif kecil, masa pakai, mudah dipakai dan didapat, mempunyai daya dan harga yang rendah. Akan tetapi kerugiannya adalah intensitas cahaya LED lemah sehingga tidak dapat dipakai sebagai sumber cahaya besar. Oleh karena itu, LED biasanya dipakai sebagai sebagai optocoupler, sumber cahaya pada sistem komunikasi optik dan sebagai penampil (display). Radiasi cahaya yang dipancarkan LED tergantung pada materi dan susunan dioda p-n. bahan semikonduktor yang sering dipaki untuk LED misalnya: 1. Ga As (Gallium Arsenid) meradiasikan infra merah 2. Ga As P (Galium Arsenid Phosphide) meradiasikan cahaya merah dan kuning 3. Ga P (Gallium Phosphide) meradiasikan cahaya merah dan kuning. 2.1.3.
Panjang Gelombang
Gambar 2. Panjang Gelombang pada Gelombang Sinus
Panjang gelombang adalah sebuah jarak antara satuan berulang dari sebuah pola gelombang. Biasanya memiliki denotasi huruf Yunani lambda (λ). Dalam sebuah gelombang sinus, panjang gelombang adalah jarak antara puncak. Axis x mewakilkan panjang, dan I mewakilkan kuantitas yang bervariasi (misalnya tekanan udara untuk sebuah gelombang suara atau kekuatan listrik atau medan magnet untuk cahaya), pada suatu titik dalam fungsi waktu x. Panjang gelombang (λ) memiliki hubungan inverse terhadap frekuensi (f), jumlah puncak untuk melewati sebuah titik dalam sebuah waktu yang diberikan. Panjang gelombang sama dengan kecepatan jenis gelombang dibagi oleh frekuensi gelombang. Ketika berhadapan dengan radiasi elektromagnetikdalam ruang hampa, kecepatan ini adalah kecepatan cahaya (c), untuk sinyal/gelombang di udara merupakan kecepatan suara di udara. 2.1.4.
Photodioda Photodioda adalah jenis dioda yang berfungsi mendeteksi cahaya. Berbeda dengan dioda biasa, komponen elektronika ini akan mengubah cahaya menjadi arus listrik. Cahaya yang dapat dideteksi oleh dioda foto ini mulai dari cahaya infra merah, cahaya tampak, ultra ungu, sampai dengan sinar-X. Aplikasi dioda foto mulai dari penghitung kendaraan di jalan umum secara otomatis, pengukur cahaya pada kamera serta beberapa peralatan di bidang medis.
ANODA
KATODA
Gambar 3. Simbol dari dioda foto
Alat yang mirip dengan dioda foto adalah transistor foto (Phototransistor). Transistor foto ini pada dasarnya adalah jenis transistor bipolar yang menggunakan kontak (junction) base-collector untuk menerima cahaya. Komponen ini mempunyai sensitivitas yang lebih baik jika dibandingkan dengan dioda foto. Hal ini disebabkan karena elektron yang ditimbulkan oleh foton cahaya pada junction ini di-injeksikan di bagian basis dan diperkuat di bagian kolektornya. Namun demikian, waktu respons dari transistor foto secara umum akan lebih lambat dari pada dioda foto.
Gambar 4. Struktur Photodioda
2.2. Perancangan Alat
Thermopile Sensor
LCD Display Presure Sensor & Mic Condensor MicroControler ATMega 128 Photo Diode & LED M Driver Motor & Solenoid Valve
Solenoid Valve
KeyPad
POWER SUPPLY
Gambar 5. Perancangan alat
2.3. Pengujian Alat Seseorang yang akan diukur kadar haemoglobin , saturasi oksigen dan kandungan glukosa dalam darahnya dengan metode non-invasive harus memasukkan salah satu jari tangan ke dalam lubang yang merupakan sebuah sensor. Di dalam sensor tersebut terdapat LED superbright merah dan infra merah yang menyala bergantian diatur oleh frekuensi yang akan menyinari jari tangan tersebut dan juga terdapat photodiode yang akan peka terhadap intensitas cahaya. Setiap tingkat kadar haemoglobin dan saturasi oksigen dalam darah jika diberi cahaya maka akan menghasilkan intensitas yang berbeda. Intensitas cahaya ini selanjutnya akan diterima oleh photodiode.. Kemudian data analog ini akan dikuatkan oleh rangkaian pengkondisian sinyal dan akan dikonversi oleh ADC internal menjadi data digital, sehingga rangkaian ADC ini sangat penting dalam input untuk menyuplai mikrokontroler. Tampilan pada layar menggunakan program asembler yang di-download ke mikrokontroler. Pada tampilan output akan ditampilkan kadar haemoglobin, kandungan oksigen dan kandungan glukosa pada darah orang yang diukur. Untuk mengukur tekanan darah dan suhu tubuh manset dibalutkan ke langan seseorang yang akan diukur, selang manset ini dihubungkan pada motor pompa yang dicabang kesensor tekanan dan microphone condensor, mula-mula motor pompa memompa manset sampe tekanan tertentu sampai denyut nadi tidak terdeteksi oleh mic, kemudian pompa akan mati dan solenoid akan membuka sedikit untuk membuang udara yang ada pada manset sampai systole terdeteksi oleh mic, kemudian solenoid tetap membuka dan mic akan menghitung banyaknya denyut sampai tidak terdengar atau disebut juga diastole, selagi menghitung denyut nadi timer juga dijalankan, timer disini untuk referensi berapa banyak nadi yang terukur selama berapa detik, disitu nantinya akan digunakan untuk menghitung jumlah denyut per menitnya, untuk mendapatkannya dengan rumus perhitungan. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Dari diagram blok di atas dapat diketahui bahwa sistem tersebut terdiri dari beberapa bagian yaitu: Sensor darah adalah suatu instrumen dalam bidang kedokteran yang dapat menganalisa perbedaan intensitas cahaya pada darah sehingga dapat menganalisa kadar hemoglobin, saturasi oksigen dan kadar glukosa dalam darah. Hasil pengukuran berupa angka yang ditampilkan di LCD. Pengkondisian sinyal berfungsi untuk menganalisa data analog yang berupa tegangan yang dihasilkan oleh sensor sehingga dapat diperoleh tegangan yang sesuai untuk ADC internal Mikrokontroller ATMega 128. Mikrokontroler ATMega 128 berfungsi untuk mengolah data digital agar dapat ditampilkan di monitor. Motor Pompa berfungsi memompa manset pada pengukuran tekanan darah Sensor Presure digunakan untuk mengetahui tekanan pada manset ini dianalogikan untuk pengukuran tekanan darah Solenoid berfungsi sebagai kran udara pada pompa untuk membuka atau menutup selang udara pada manset Microphone condensor digunakan untuk mendeteksi Systole dan Diastole nadi manusia juga digunakan untuk menghitung detak jantung permenitnya. Thermopile sensor berfungsi untuk mengukur suhu tubuh , penggunaan sensor ini tidak perlu disentuhkan ke bagian tubuh, cukup dihadapkan saja ke bagian tubuh yang akan diukur. Keypad berfungsi untuk mengatur alat, untuk pemasukan data pasien contohnya usia , jenis kelamin, serta untuk memilih untuk mengukur apa saja dalam alat ini. Liquid Crystal Display (LCD) berfungsi untuk menampilkan hasil pembacaan dari sensor berbentuk huruf dan angka Catu Daya adalah bagian yang sangat vital karena tanpa adanya catu daya seluruh rangkaian tidak dapat bekerja ini merupakan sumber arus dan tegangan
4. KESIMPULAN a) Alat ukur kadar haemoglobin dan saturasi oksigen dapat dibuat dengan sensor oxymeter dengan sistem kendali mikrokontroler b) Sensor pada alat ini dapat difungsikan untuk mengukur tiga parameter sekaligus yaitu kadar haemoglobin, kadar gula dan saturasi oksigen dalam darah. c) Sistem pengukuran kandungan haemoglobin dan oksigen dalam darah secara non-invasive yang relatif lebih murah dapat diimplementasikan berbasis mikrokontroler dengan tranduser/sensor LED dan photodiode.
DAFTAR PUSTAKA [1] [2] [3]
[4]
Endi, 14 Mei 2009, Gelombang Cahaya, http://go-kerja.com/gelombang-cahaya, 20 Oktober 2010. Rahmat, Sistem Intrumentasi Optik, http://www.phys.itb.ac.id/~rahmat/kuliah/tpadf/PF6b_Spektroskopi.pdf, 15 Oktober 2010. Heri Sugito, Wahyu SB, K. Sofjan Firdausi, Siti Mahmudah, April 2005, Berkala Fisika, http://eprints.undip.ac.id/1756/1/Pengukuran_Panjang_Gelombang_Sumber_Cahaya_Berdasarkan _Pola_Interferensi_Celah_Banyak.pdf, 18 Oktober 2010 AVR atmega128, Agustus 2010. http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2467.pdf, 20 Oktober 2010.
