BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN
II 123 Mid-stance.
8. Terminal Swing (Decceleration).
Fase terminal swing merupakan akhir dari gait cycle, terjadi pada periode waktu gait cycle 87%-100%. Fase ini berfungsi untuk perlambatan limb dan persiapan perpindahan berat. Fase terminal swing dimulai pada saat akhir dari fase
mid-swing, dimana tungkai kaki mengalami perpanjangan maksimum dan
berhenti pada saat heel telapak kaki kanan (warna gelap) mulai mengenai landasan. Pada periode ini, posisi kaki kanan (warna gelap) berada kembali berada depan anggota badan, seperti pada posisi awal gait cycle, seperti ditunjukkan oleh gambar 2.18.
Gambar 2.18 Gerakan kaki pada fase terminal swing
commit to user
II - 16
2.4ANALISIS GERAK BIOMEKANIKA
Menurut Michael W. Whittle (2007) biomekanika adalah disiplin ilmu yang mempelajari sistem biologi, seperti tubuh manusia, dengan metode teknik mesin. Bagian terpenting pada gerakan berjalan dari pengguna prosthetic adalah keseimbangan beban tubuh amputee. Sehingga prosthetic yang baik harus mampu memberikan keseimbangan beban. Gerakan berjalan pada orang normal, memperlihatkan bagaimana kedua kaki saling menyeimbangkan beban tubuh dalam pergerakan berpindah. Pada saat berjalan dan kaki menyentuh lantai, beban tubuh yang dihasilkan dari efek tekanan gravitasi bumi akan menimbulkan gaya reaksi ke atas. Pada amputee, pemindahan gaya pada prosthetic dan kaki yang lain dikatakan baik apabila selama proses berjalan pengguna prosthetic melangkah secara normal yaitu tidak terjadi gap dengan kaki yang sehat (Wibowo, 2009).
2.5ANTHROPOMETRI DATA BIOMEKANIKA
Anatomi tubuh manusia terdiri dari segmen tubuh yang dihubungkan oleh persendian. Analisis biomekanika digunakan untuk memodelkan manusia dalam suatu sistem benda jamak yang tersusun dari link (penghubung) dan joint
(sambungan). Link mewakili segmen tubuh dan joint menggambarkan sendi yang ada. Menurut Chaffin (1999), tubuh manusia terdiri dari enam link, sebagai berikut:
1. Link lengan bawah yang dibatasi oleh joint telapak tangan dan siku. 2. Link lengan atas yang dibatasi oleh joint siku dan bahu.
3. Link punggung yang dibatasi oleh joint bahu dan pinggul. 4. Link paha yang dibatasi oleh joint pinggul dan lutut. 5. Link betis yang dibatasi oleh joint lutut dan mata kaki.
commit to user
II - 17
Gambar 2.19 Tubuh sebagai sistem enam link dan joint
Sumber: Chaffin, 1999
Menurut Chaffin (1999), anthropometri merupakan ilmu yang berhubungan dengan pengukuran massa, bentuk, ukuran dan inersial tubuh manusia. Hasil dari pengukuran ini berupa data statistik yang menggambarkan ukuran, massa dan bentuk tubuh manusia. Data anthropometri merupakan fundamen dasar biomekanika yang digunakan untuk membangun model biomekanika yang mengkaji kekuatan dan gaya pada tubuh manusia.
Pengukuran anthropometri segmen tubuh manusia disetarakan dengan model benda jamak. Panjang setiap link diukur berdasarkan persentase tertentu dari tinggi badan, sedangkan beratnya diukur berdasarkan persentase dari berat badan. Penentuan center of mass tiap link didasarkan pada persentase standar yang diadaptasi dari penelitian Dempster (1955) dalam Chaffin (1999) seperti digambarkan pada gambar 2.20. Link tiap segmen berotasi di sekitar sambungan dan secara mekanika terjadi mengikuti hukum Newton. Prinsip ini digunakan untuk menyatakan gaya mekanik pada tubuh dan gaya otot yang diperlukan untuk mengimbangi gaya-gaya yang terjadi.
commit to user
II - 18
Gambar 2.20 Permodelan titik-titik pusat massa dempster
Sumber: Chaffin, 1999
Pada penentuan massa tiap segmen, tubuh manusia digambarkan sebagai
stick diagram seperti pada pemodelan Dempters (1955) dalam Chaffin, (1999). Persentase massa segmen tubuh ditentukan berdasarkan pemodelan distribusi berat tubuh (Webb Associaties, 1978 dalam Chaffin, 1999).
Tabel 2.1 Pemodelan distribusi berat badan
a. Head 73,80 % b. Neck 26,80 % a. Thorax 43,80 % b. Lumbar 29,40 % c. Pelvis 26,80 % a. Upperarm 54,90 % b. Forearm 33,30 % c. Hand 11,80 % a. Tight 63,70 % b. Shank 27,40 % c. Foot 8,90 % 15,70 % Group Segment (%) of
Total Body Weight
Individual Segment (%) of Group Segment Weight Head and Neck Torso Total Arm Total Leg 8,4 % 50,0 % 5,10 %
commit to user
II - 19
2.6KESEIMBANGAN GERAK BIOMEKANIKA
Pada pengguna prosthetic, analisis biomekanika digunakan untuk mengetahui pola berjalan amputee apakah telah sesuai dengan pola berjalan normalnya (Radcliffe dan Foort, 1991). Hal ini diketahui dengan keseimbangan gaya dan torsi serta tingkat keluaran energi selama amputee berjalan dalam suatu periode waktu.
2.6.1 Keseimbangan Gerakan Manusia
Keseimbangan adalah kemampuan untuk mempertahankan kesetimbangan tubuh ketika ditempatkan diberbagai posisi. Definisi menurut O’Sullivan (2008), keseimbangan adalah kemampuan untuk mempertahankan pusat gravitasi pada bidang tumpu terutama ketika saat posisi tegak. Selain itu menurut Thomson (2008), keseimbangan adalah kemampuan untuk mempertahankan tubuh dalam posisi kesetimbangan maupun dalam keadaan statis atau dinamis, serta menggunakan aktivitas otot yang minimal. Keseimbangan juga bisa diartikan sebagai kemampuan relatif untuk mengontrol pusat massa tubuh (center of mass) atau pusat gravitasi (center of gravity) terhadap bidang tumpu (base of support). Keseimbangan melibatkan berbagai gerakan di setiap segmen tubuh dengan di dukung oleh sistem muskuloskleletal dan bidang tumpu. Kemampuan untuk menyeimbangkan massa tubuh dengan bidang tumpu akan membuat manusia mampu untuk beraktivitas secara efektif dan efisien.
Hall (1999) menyebutkan bahwa equilibrium merupakan karakteristik keadaan dimana terjadi keseimbangan gaya dan torsi (momen gaya). Berdasarkan hukum Newton pertama, tubuh dalam kondisi equilibrium ketika dalam keadaan diam (motionless) atau bergerak dengan kecepatan konstan. Ketika tubuh dalam keadaan diam, misalnya keseimbangan saat berdiri dengan satu kaki, kondisi ini disebut sebagai static equilibrium. Dynamic equilibrium merupakan kondisi dimana terjadi keseimbangan antara gaya luar dan gaya inersial pada obyek yang bergerak. Tubuh yang bergerak dikatakan dalam kondisi dynamic equilibrium, apabila semua gaya yang bereaksi pada tubuh seimbang dengan gaya inersial yang melawan gaya reaksi tubuh tersebut.
commit to user
II - 20
2.6.2 Torsi
Menurut Hall (1999), selain bergerak sesuai arah bekerjanya, benda cenderung untuk memutar dalam suatu sumbu. Perputaran benda tersebut dikarenakan adanya gaya yang menyebabkan perpindahan, atau disebut torsi. Torsi (T) yang juga dikenal sebagai puntiran (momen gaya) merupakan hasil kali antara gaya (F) dan lengan gaya (d).
T= F x d...persamaan 2.2
Gambar 2.21 Sebuah torsi
Sumber: Lohat, 2010
Pada tubuh manusia, torsi dibangkitkan oleh otot dalam suatu pusat persendian yang merupakan hasil dari gaya yang bereaksi terhadap jarak antara garis gaya otot dengan pusat persendian tersebut (Hall, 1999). Saat joint bergerak pada suatu jarak, terjadi perubahan momen gaya pada otot yang melintasi persendian. Perubahan pada momen secara langsung menyebabkan joint torque
yang dibangkitkan oleh otot. Saat berjalan, secara signifikan akan lebih banyak gaya diperlukan ketika torsi dibangkitkan oleh single support foot dimana momen akan mengurangi jarak antara tulang metatarsal dengan calcaneus.
Young dan Freedman (1999) dalam Fisika Universitas menyatakan bahwa torsi merupakan besaran vektor, sehingga selain mempunyai besar, torsi juga mempunyai arah. Suatu vektor T mempunyai arah tegak lurus terhadap bidang benda. Arah Tadalah tergantung pada arah berputarnya benda akibat gaya F dan d
yang merupakan jarak gaya dari titik acuan (sumbu 0). Apabila arah rotasi berlawanan dengan putaran jarum jam, maka torsi bernilai positif. Sebaliknya, apabila arah rotasi searah dengan putaran jarum jam, maka arah torsi bernilai negatif. Penentuan arah torsi secara umum dilakukan dengan menggunakan kaidah aturan tangan kanan.
commit to user
II - 21
2.6.3 Work
Work merupakan kombinasi lain dari analisis kinematika dan kinetika (Karduna, 2004). Secara ilmiah work terjadi ketika gaya bekerja pada suatu objek sehingga objek bergerak dalam jarak tertentu. Sebuah gaya melakukan work
apabila benda yang dikenai gaya mengalami perpindahan. Work merupakan besaran skalar, dimana satuan dalam Sistem Internasional (SI) adalah Joule. Secara matematis, usaha yang dilakukan oleh gaya didefinisikan sebagai hasil kali perpindahan (s,θ) dengan gaya (F, T) yang searah dengan perpindahan.
Wtranslasi = F x s
Wrotasi = T x θ...persamaan 2.3
Gambar 2.22 Usaha oleh sebuah gaya
Sumber: Lohat, 2010
Analisis perubahan kerja mekanik dalam center of mass (COM) pada gerakan berjalan manusia dibedakan menjadi dua macam perspektif (Willems, 1994). Perspektif pertama adalah internal work dimana merupakan perubahan energi mekanik relatif terhadap COM akibat internal force yang menyebabkan terjadinya pergerakan pada tubuh. Perspektif kedua adalah external work dimana berkebalikan dengan konsep internal work. Pergerakan segmen tubuh relatif terhadap COM yang diakibatkan adanya external force dimana terjadi perubahan energi relatif terhadap COM disebut sebagai external work.
2.6.4 Energi
Whittle (2007) mengemukakan, keistimewaan dari normal gait adalah bagaimana energi disimpan dalam jumlah yang optimal saat berjalan. Salah satu bentuk pola abnormal gait adalah hilangnya kestabilan yang menyebabkan pengeluaran energi yang berlebihan sehingga tubuh mudah lelah. Pengukuran transfer energi selama berjalan pada persendian dan konsumsi energi secara keseluruhan merupakan bagian penting dalam analisis cara berjalan ilmiah.
commit to user
II - 22
Energi didefinisikan sebagai kapasitas untuk melakukan kerja (Winter,1990). Usaha dilakukan ketika energi dipindahkan dari satu benda ke benda lain. Jumlah total energi pada sistem dan lingkungan bersifat kekal (Young dan Freedman, 1999). Energi tidak pernah hilang, tetapi hanya dapat berubah bentuk dari satu bentuk energi menjadi bentuk energi lain. Secara garis besar, energi terbagi dalam dua macam, energi potensial dan energi kinetik.
Energi kinetik (EK) merupakan energi gerak. Tubuh memproses energi kinetik hanya saat tubuh dalam keadaan bergerak. Jika tubuh tidak bergerak maka
v = 0 besarnya energi kinetik juga nol. Berikut persamaan matematis energi kinetik dalam gerak translasi dan gerak rotasi (angular).
2 2 1 mv EKtranslasi = ………persamaan 2.4 2 2 1 w I EKrotasi = ...persamaan 2.5
Dengan; EK = Energi kinetik (J)
m = Massa (kg)
v = Kecepatan (m/s)
Bentuk yang lain dari energi adalah energi potensial, dimana merupakan energi yang menyatakan posisi suatu objek. Persamaan matematis energi potensial, sebagai berikut:
PE = mgh...persamaan 2.6 Dengan; PE = Energi potensial (J)
m = Massa (kg)
g = Gaya gravitasi (m/s2)
h = Tinggi pusat massa (m)
Pada aplikasi biomekanik perubahan energi potensial disebabkan oleh adanya perubahan tinggi dari pusat massa, karena biasanya massa tubuh manusia cenderung tetap. Hall (1999) menyatakan, energi potensial disebut sebagai energi penyimpanan. Hal ini merupakan bentuk implikasi dari adanya energi kinetik dalam tubuh ketika bergerak. Salah satu bentuk potensial energi adalah spring potensial energy (PEs) atau energi potensial elastis.
commit to user II - 23 2 2 1 kx PEs = ...persamaan 2.7
dengan k merupakan konstanta elastis yang menunjukkan keelastisan bahan atau kemampuan untuk menyimpan energi dan berdeformasi. Sedangkan x
menunjukkan besarnya deformasi yang terjadi otot.
2.6.5 Persamaan Gerak Dinamis Lagrange
Model matematika digunakan dalam menemukan solusi optimal gerakan manusia yang dianalogikan dalam suatu sistem benda jamak yang tersusun dari
stick diagrams pada setiap joint yang saling terhubung membentuk satu kesatuan. Perilaku dinamik dari sebuah sistem dinyatakan dalam besaran kinematik dan kinetika. Pada penelitian ini perilaku dinamik dirumuskan melalui persamaan
lagrange berdasarkan sintesis pergerakan manusia oleh Winter (1990), Lagrange
merupakan konsep matematik dinamis yang menggabungkan displacement, usaha (work) dan energi yang bekerja pada sistem, sebagai fungsi dari generalized coordinates, untuk memperoleh turunan kedua dari persamaan gerak.
Lagrangian (L) dari suatu sistem dikatakan sebagai perbedaan antara jumlah energi kinetik yang terjadi dalam sistem dan jumlah energi potensial dalam sistem.
L = KE - PE...persamaan 2.8 Bentuk umum teori lagrange tentang gerak terdapat dalam persamaan 2.7.
i i i Q q L q L dt d = ¶ ¶ - ¶ ¶ × & ...persamaan 2.9
dengan t menunjukkan waktu, q menunjukkan generalized coordinat dan Q
menunjukkan generalized force. Adapun generalized coordinates (q) digambarkan sebagai parameter yang merepresentasikan sistem konfigurasi secara jelas dalam sistem koordinat.
commit to user
II - 24
2.7HUMAN AMPUTEE GAIT
Munculnya gaya berjalan normal manusia (normal gait) ditentukan oleh berbagai karakteristik gerak manusia. Begitu pula gerak berjalan pada amputee, akan tergantung pada kondisi penentu, misalnya saja sisa bagian tubuh setelah diamputasi (sendi, rangka, joint dan otot), sejauhmana penggunaan prosthetic
mampu menggantikan bagian tubuh yang hilang sesuai fungsional kaki serta
interface yang dibangun antara tubuh dan prosthetic.
Perbedaan yang nyata terjadi pada amputee gait adalah durasi waktu selama siklus berjalan (gait cycle). Permasalahan pada fase berdiri seringkali muncul pada amputee pengguna prosthetic. Ketidaksesuaian knee flexion pada awal fase berdiri terjadi karena ketidakstabilan pada bagian knee. Beberapa masalah juga muncul pada penempatan posterior foot, socket flexion dan
hyperdorsiflexion yang terjadi pada ankle.
Modiolateral knee dapat pula diamati pada fase berdiri. Penempatan foot
yang tidak tepat, kelebihan tekukan pada socket dan dimensi socket yang terlalu melebar sehingga mengurangi kontrol di bagian knee, menjadi salah satu penyebabnya. Seringpula amputee mudah terjatuh saat berjalan, sebab kurang sempurnanya penyesuaian foot terutama pada bagian ankle sehingga terjadi
hyperdorsiflexion.
Rotasi external terjadi pada fase heel strike dalam amputee gait cycle. Penyebabnya adalah kontruksi pada bagian foot (ankle dan SACH) pada kaki
prosthetic. Kontruksi foot terlalu keras dan penempatan yang kurang pas, sehingga terjadi gerakan yang tidak tepat pada bagian ankle.
Gambar 2.23 Amputee gait
commit to user
II - 25
Kenaikan yang terlalu cepat pada heel saat melangkah juga menjadi salah satu titik perhatian dalam amputee gait. Proses fitting prosthetic yang tidak tepat pada setiap amputee menjadi salah satu penyebabnya. Hal ini menjadi penting karena setiap amputee mempunyai karakteristik berbeda pada tipe amputasi dan kondisi stump yang tersisa dari hasil amputasi.
Beberapa masalah dalam amputee gait juga terjadi dalam fase mengayun (swing phase). Hal terpenting dalam fase mengayun adalah kemampuan untuk menahan berat dan mengayunkan kaki dengan ringan. Ketika kemampuan itu tidak dimiliki oleh prosthetic maka akan terjadi ketidakseimbangan cara berjalan
amputee. Sistem suspensi yang buruk, fitting prosthetic yang tidak tepat (terlalu panjang dari kaki normal) dan ketidaksesuaian knee flexion, menjadi salah satu penyebabnya. Dalam mengkoordinir, fase mengayun yang lebih lembut, sebuah
prosthetic harus difasilitasi dengan energy-efficient joint yang mampu menyediakan transfer energi yang cukup dari tubuh ke dalam prosthetic dimana gerakan pada hip dan knee akan tersinkronisasi secara merata.
2.8ABOVE KNEE PROSTHETIC
Prosthetic kaki adalah alat ganti anggota gerak tubuh bagian bawah yang hilang. Ketiadaan kaki bagian atas lutut (above-knee) menyebabkan amputee
kehilangan sebagian paha, knee, shank, dan bagian foot. Penggunaan prosthetic
membantu amputee dalam melakukan aktivitas sehari-hari.
Gambar 2.24 Prosthetic kaki atas lutut
commit to user
II - 26
2.8.1 Komponen prosthetic atas lutut
Pemakai prosthetic atas lutut adalah seseorang yang kehilangan anggota gerak bawah dari bagian paha. Komponen dasar dari prosthetic atas lutut (above- knee) terdiri dari sabuk atau sistem suspensi, socket, bagian paha (hip), bagian lutut (knee), bagian betis (shank), bagian telapak kaki (foot dan ankle). Bentuk
prosthetic atas lutut ditunjukkan pada gambar 2.26 di bawah ini.
Gambar 2.25 Komponen prosthetic atas lutut
Sumber: www.scipolicy.net, 2009
Berdasarkan penelitian Staff Prosthetics and Orthotics (1990) dalam
Lower Limb Prosthetics, berikut penjelasan komponen penyusun prosthetic atas lutut yaitu:
1. Sistem Suspensi.
Sistem suspensi merupakan bagian yang berfungsi untuk mengaitkan keseluruhan prosthetic pada bagian dari tubuh. Tujuannya agar prosthetic
terpasang sempurna pada tungkai kaki. Secara garis besar terdapat tiga macam sistem suspensi yaitu, cuff suspension dimana manset diikatkan pada bagian paha,
waist belt dimana manset diikatkan mengelilingi pinggang serta thigh corset
dimana menggunakan sistem waist belt yang dililitkan pada pinggang dan terdapat tambahan yaitu paha dipasang korset yang berfungsi untuk lebih memperkuat penggantung.
commit to user
II - 27
Gambar 2.26 Sistem Suspensi
Sumber: Staff Prosthetics and Orthotics, 1990
2. Socket.
Socket adalah bagian prosthetic sebagai tempat puntung kaki (stump) yang masih tersisa. Socket merupakan alat yang dibentuk dan disatukan dengan shank. Bagian ini menyambung atau berhubungan langsung dengan stump, bahkan tidak jarang socket menempel tepat pada bagian stump. Socket harus mampu menyokong bobot tubuh dan mendukung stump secara kuat dan nyaman untuk semua aktivitas pengguna. Socket dibuat menempel pada stump secara kuat untuk mengurangi gerakan atau gesekan antara socket dan kulit. Gesekan antara socket
dan kulit akan menyebabkan pengguna merasa kurang nyaman selama beraktivitas, dan mengakibatkan resiko yang lebih besar pada abrasi kulit.
3. Knee.
Bagian lutut (knee) merupakan joint untuk menggantikan sendi lutut yang menghubungkan bagian paha dengan bagian betis. Knee prosthetic dibuat berdasarkan data lebar, dan tinggi lutut saat duduk. Adapun 3 fungsi utama knee prosthetic, sebagai berikut:
a. Mendukung gerak berjalan amputee saat stance phase (berdiri).
b. Menghasilkan kontrol untuk memperhalus ayunan langkah selama swing phase.
c. Mengatur keleluasaan gerak saatt duduk dan berlutut.
4. Shank.
Shank merupakan bagian penghubung antara foot, ankle dan socket. Shank
berfungsi untuk memindahkan dan membagi beban dari socket ke bagian foot.
Cuff Suspension
Waist Belt
commit to user
II - 28
Terdapat dua jenis shank yaitu eksoskeletal dan endoskeletal. Eksoskeletal shank
pada umumnya dibuat dari bahan yang ringan namun kuat dan kokoh. Bahan yang sering dipakai misalnya plastik, aluminium dan kayu. Pada eksoskeletal shank, ruang bagian bawah socket dan blok ankle dilubangi untuk mengurangi berat. Pada endoskeletal shank, terdapat tambahan tumpuan yang berupa tonggak untuk lebih memperkokoh dan memudahkan pemindahan beban dari socket ke bagian
foot. Tonggak pada endoskeletal shank biasanya terbuat dari metal pylon. Bagian luar juga dilapisi dengan bahan yang lembut agar penampilan menyerupai kaki yang sebenarnya. Bentuk kedua jenis shank dapat dilihat pada gambar 2.28 dan gambar 2.29.
Gambar 2.27 Eksoskeletal shank,
Sumber: catalog.orthoremedy.com,2010
Gambar 2.28 Endoskeletal shank
commit to user
II - 29
Keuntungan eksoskeletal shank yaitu selain murah, pembuatannya mudah, pelapisan bagian luar lebih berdaya tahan. Kekurangan dari shank ini yaitu kemampuan menopang tubuh lebih kecil dibanding endoskeletal shank. Keuntungan endoskeletal shank yaitu lebih modern, mampu menopang beban tubuh, dan lebih kuat. Kekurangan shank ini yaitu mahal, pembuatan sulit dan rumit.
5. Foot – Ankle.
Foot (kaki dasar) dan ankle merupakan komponen yang menjadi tumpuan pergerakan, memberi dukungan selama posisi setengah berdiri tegak, dan menyesuaikan ayunan untuk membuat tubuh tegak dan bergerak ke depan pada tahap selanjutnya.
SACH foot prosthetic merupakan salah satu bagian pada kaki prosthetic. SACH (Solid Ankle Cushion Heel) foot terdiri dari heel kayu, material yang dimampatkan di sekitar heel, sabuk yang dipasangkan dibawah heel sampai ke bagian jari kaki, palang atau baut yang menjaga kaki ke tulang kering, dan
cushion heel.
Terdapat empat macam tipe ankle joint pada prosthetic, yaitu ankle joint single axis, anklejointdouble axis, anklejointmultiple axis dan anklejoint sistem
energy recovery. Setiap karakteristik ankle joint ini mempunyai fungsi yang berbeda-beda sesuai sistem yang ditanamkan pada masing-masing ankle. Ankle joint sistem double axis mempunyai kemampunan untuk menggerakkan foot dorsi flexion dan plantar flexion. Sistem ini memperbaiki sistem single axis dimana foot
tidak leluasa bergerak layaknya kaki normal. Perkembangan ankle joint multiple
axis memungkinkan kaki untuk bergerak dengan mudah secara plantarflexion, dorsiflexion, pronation atau supination maupun rotasi. energy recovery anklejoint
memberikan kemampuan pada kaki untuk menyimpan dan melepaskan energi saat melakukan pergerakan sehingga amputee dapat berjalan dengan lebih nyaman.
commit to user
II - 30