RANCANG BANGUN HEART RATE MONITORING DEVICE
(HRMD) SEBAGAI PEMANTAU BRADIKARDI DAN
TAKIKARDI BERBASIS MIKROKONTROLER
Thieara Ramadanika1, Retna Apsari 2, Delima Ayu S 3 ,
,1,2,3
Program Studi S1 Teknobiomedik Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga
Email : Theararamadanika007@gmail.com
ABSTRACT
A research has been conducted entitled “Design of Microcontroller Based-Heart Rate Monitoring Device. It aimed to design a Heart Rate Monitoring device that would be equipped with a heart condition display such as bradycardia, tachycardia, or normal as well as with an additional wireless so that when it was used at hospitals, the heart rate of the hospitalized patients could be monitored by doctors or nurses from a distance, which would simplify doctors or nurses to control their patients. The sensor used in this study applied a plethysmograph method of which is a technique to detect or measure changes in blood volume within the patients’ fingers. The technique used was “reflection” in which the LED and the LDR were placed side by side. Microcontroller programming was done in this study to calculate the number of heartbeats per minute as well as information of heart rate condition such as bradycardia (heart rate less than 60 Bpm), tachycardia (heart rate over 100 Bpm) or normal (heart rate between 60-100 BPM), which was then transmitted by using wireless communication and then displayed on LCDs or PC. A test using ECG calibrator was conducted to patients with a heart disease, which showed that it had an accuracy rate of 94%. Besides, this tool also have a high accuracy, mobile, competitive, and productive.
ABSTRAK
Telah dilakukan penelitian dengan judul Rancang Bangun Heart Rate Monitoring Device Berbasis Mikrokontroler, dengan tujuan merancang Heart Rate Monitoring yang dilengkapi dengan tampilan kondisi jantung saat itu yaitu bradikardi, takikardi, atau normal, serta terdapat tambahan berupa wireless agar jika digunakan di Rumah Sakit, pasien opname dapat dipantau denyut jantungnya oleh dokter jaga atau perawat secara jarak jauh, sehingga memudahkan dokter jaga atau perawat dalam mengontrol pasien. Sensor yang digunakan pada penelitian ini menggunakan metode plethysmograph, yaitu mendeteksi atau mengukur perubahan volume darah di dalam jari, dengan mode yang dipakai adalah refleksi dimana LED dan LDR diletakkan bersampingan. Pemrograman mikrokontroler dilakukan untuk menghitung jumlah denyut jantung permenit serta informasi kondisi denyut jantung yaitu bradikardi (denyut jantung kurang dari 60 Bpm), takikardi(denyut jantung lebih dari 100 Bpm) atau normal (denyut jantung antara 60-100 Bpm), kemudian dikirim menggunakan komunikasi wireless dan ditampilkan pada LCD maupun PC. Alat ini mempunyai tingkat keakuratan yang tinggi dalam mengukur denyut jantung. Uji yang dilakukan kepada penderita penyakit jantung dengan kalibrator ECG mempunyai tingkat akurasi sebesar 94%. Di samping mempunyai tingkat akurasi tinggi, alat yang dihasilkan peneliti ini bersifat mobile, kompetitif, dan produktif.
PENDAHULUAN
Penggunaan alat medis sangat diperlukan sebagai alat bantu diagnosa kesehatan seseorang sebagai indikasi ada tidaknya suatu penyakit. Salah satu penyakit yang paling banyak dijumpai adalah penyakit jantung. Berdasarkan data yang disampaikan WHO (World Health Organization) dalam laporan mengenai beban penyakit global bahwa angka kematian karena jantung sangat tinggi yaitu sebesar 29% kematian global setiap tahun, perhitungan ini didasarkan catatan kematian dari 112 negara pada 2004 (Rusciano, 2004). Kemajuan teknologi terutama dalam bidang pemeriksaan jantung terus dilakukan, namun beberapa kendala yang dihadapi salah satunya yaitu pasien yang diharuskan selalu bertemu dengan dokter, hal ini tentu tidak efektif sehingga penulis memiliki inovasi supaya pasien tetap dapat berkomunikasi dengan dokter tanpa harus bertatap muka. Alat medis yang dikembangkan tersebut berupa heartrate monitoring
device (HRMD).
Heart rate monitoring digunakan untuk pengukuran jumlah denyut
jantung. Perubahan denyut jantung yang tidak normal sering dialami oleh penderita penyakit jantung yang mana variabel ketidak normalannya terjadi saat bradikardi (denyut jantung kurang dari 60 kali per menit) dan takikardi (denyut jantung lebih dari 100 kali per menit). Monitoring denyut jantung ini berfungsi sebagai informasi awal agar lebih berhati – hati dalam beraktifitas sehingga perubahan denyut jantung yang tidak normal dapat diminimalisir.
Perancangan HRMD terdiri dari sensor, mikrokontroler, wireless, dan
display. Pengukuran yang dilakukan untuk menentukan jumlah heartrate
menggunakan metode Plethysmografi, dengan mengukur perubahan volume darah di suatu organ akibat dari pemompaan darah oleh jantung.
Photoplethysmograph (PPG) merupakan instrumen plethysmograph yang bekerja
menggunakan sensor optik (Mascaro dkk, 2001).
Diharapkan dengan adanya alat ini maka penderita penyakit jantung akan lebih terkontrol, karena dalam alat akan dilakukan pengukuran secara realtime untuk mendapatkan BPM dan didapat hasil kondisi denyut jantung yaitu bradikardi, takikardi, atau normal.
Jantung adalah salah satu organ tubuh yang paling vital fungsinya dibandingkan dengan organ tubuh vital lainnya. Apabila fungsi jantung mengalami gangguan maka besar pengaruhnya terhadap organ-organ tubuh lainnya terutama ginjal dan otak. Fungsi utama jantung adalah sebagai single pompa yang memompakan darah ke seluruh tubuh untuk kepentingan metabolisme sel - sel demi kelangsungan hidup.
Kerja jantung dikatakan normal jika atrium berkontraksi kira-kira seper enam detik mendahului kontraksi ventrikel, sehingga memungkinkan pengisian ventrikel sebelum ventrikel memompa darah menuju paru-paru dan tubuh. Kontraksi jantung bekerja secara otomatis hingga dihasilkan arus listrik dalam bentuk potensial aksi atau konduksi jantung dan ritme jantung dapat dikontrol (Kurachi, 2001).
Gambar 2.1 Jantung Sensor Pletyhsmograph
Plethysmograph merupakan suatu teknik untuk mendeteksi/mengukur perubahan
volume di dalam suatu organ. Informasi dari sinyal perubahan volume darah ini dapat digunakan untuk menghitung detak jantung per menit karena setiap puncak gelombang yang terjadi korelasi dengan satu denyut jantung. Photoplethysmograph (PPG) merupakan instrumen plethysmograph yang bekerja menggunakan sensor optik (Huang, 2011).
Gambar 1. Skema Rangkaian Sensor
Heart Rate Monitor
Sistem monitoring heart rate telah menjadi suatu alat yang umum pada medis karena sensitif terhadap adanya gangguan fisiologis dan psikologis. Penggunaan awal adanya heart rate monitor adalah untuk aplikasi klinis sebagai alat diagnosis, prognosis dan manajemen pasien yang memiliki masalah kesehatan (Ramli, 2011).
Wireless
Wireless adalah teknologi yang menghubungkan 2 buah komputer atau
lebih dengan menggunakan media transmisi gelombang radio. Teknologi radio menggabungkan sinyal frekuensi rendah dan gelombang pembawa yang frekuensi tinggi ke dalam modulator untuk kemudian di konversi ke gelombang elektromagnet dan dipancarkan ke udara (Evolution Education, 2010).
Gambar 2. Skema Rangkaian Modul Wireless XBee
Arduino adalah pengendali mikro single-board yang bersifat open-source, diturunkan dari Wiring platform, dirancang untuk memudahkan penggunaan elektronik dalam berbagai bidang. Hardware arduino memiliki prosesor Atmel AVR dan software arduino memiliki bahasa pemrograman sendiri (Mike Mc Roberts, 2010).
Gambar 3. Board Arduin
METODE PENELITIAN
Prosedur proses ini dilakukan dengan beberapa tahapan yaitu, persiapan desain diagram blok alat, perancangan hardware, perancangan software. Diagram blok alat dijelaskan pada Gambar 4.
Gambar 4. Proses Pembuatan Alat
Input (Sensor) Output (LCD dan buzzer) Transmitter Wireless transmitter Mikrokontroler Catu daya Receiver Wireless receiver Mikrokontroler Catu daya
Penjelasan untuk Gambar 4, dalam penelitian ini desain sensor yang digunakan adalah Plethysmograph mode refleksi seperti pada Gambar 5, dimana menunjukkan pemasangan LED dan LDR pada jari yang digunakan sebagai sensor pendeteksi denyut jantung.
Gambar 5. Pemasangan Sensor Plethsymograph
Mikrokontroler dalam penelitian ini ada 2 yaitu difungsikan untuk
transmitter dan receiver. Rangkaian transmitter terdiri dari sensor, catu daya,
modul wireless dan Arduino Duemilanove, proses kerja pada transmitter yang pertama yaitu sensor mendeteksi adanya denyut jantung pada jari kemudian data tersebut dikirimkan dengan modul wireless yang difungsikan sebagai transmitter yang dikontrol oleh mikrokontroler. Rangkaian receiver terdiri dari modul
wireless yang difungsikan sebagai receiver yang akan menerima data dari transmiter dan diproses oleh mikrokontroler yang kemudian akan ditampilkan ke
LCD dengan keluaran berupa kondisi denyut jantung. Adapun perancangan software HRMD dapat disajikan pada Gambar 6.
Gambar 6. Perancangan Software HRMD
HASIL DAN PEMBAHASAN
Tahapan selanjutnya yang dilakukan ada pengujian alat. Alat ini telah diuji di klinik dokter spesialis jantung dengan pasien yang memiliki beragam kondisi penyakit jantung. Proses pengujian alat juga disertai proses pembanding dengan alat yang telah terkalibrasi yaitu ECG yang disajikan pada Tabel 1.
Rata-rata % eror HRMD :
(4,13% + 10,15% + 1,33% + 7,71%)
4 = 6%
Prosentase akurasi HRMD 100% − 6% = 94%
Berdasarkan hasil perhitungan akurasi didapati nilai jika HRMD memiliki tingkat akurasi sebesar 94% setelah dilakukan kalibrasi dengan ECG. Hasil ini menunjukkan jika HRMD telah berhasil dibuat dengan baik dan dapat diaplikasikan pada penderita penyakit jantung.
Dari hasil perhitungan denyut jantung pada masing-masing penderita penyakit jantung selama perhitungan, kondisi jantung mereka menunjukkan aktivitas yang stabil dan tidak terjadi kelainan bradikardi maupun takikardi. Namun hal ini tidak berarti penderita dinyatakan sembuh, karena selama pengukuran mereka dalam kondisi beristirahat. Ketika sedang beraktivitas sehari-hari, kemungkinan terjadinya kelainan secara tiba-tiba sangat besar, sehingga peran HRMD sangat dibutuhkan untuk mengantisipasi terjadinya penyakit jantung yang lebih parah.
Pengujian selanjutnya yaitu uji aktivitas fisik dimana bertujuan untuk menguji alat HRMD bahwa alat HRMD dapat digunakan untuk monitoring denyut jantung dengan optimal, hasil pengujian dapat disajikan pada Tabel 2.
Data uji perlakuan fisik pada Tabel 2 menunjukkan bahwa alat HRMD dapat bekerja secara optimal, dibuktikan pada saat beristirahat kondisi denyut jantung terlihat normal, dan setelah melakukan aktifitas fisik kondisi denyut jantung terlihat cepat. Dari perbedaan inilah alat HRMD dapat digunakan untuk mendeteksi deyut jantung, serta dapat membedakan antara kondisi jantung beristirahat dan kondisi denyut jantung setelah melakukan aktivitas fisik
Analisis secara medis dari hasil uji pada Tabel 2 dapat disimpulkan bahwa denyut jantung dipengaruhi oleh aktifitas yang dilakukan. Ketika seseorang melakukan olah raga maka denyut jantung permenitnya akan lebih cepat dibandingkan sebelum beraktifitas (istirahat), hal ini disebabkan ketika seseorang melakukan aktifitas olah raga maka akan meningkatkan kebutuhan oksigen, sehingga jantung akan meningkat kerjanya untuk memenuhi kebutuhan oksigen tersebut.
UCAPAN TERIMAKASIH
Kepada DIKTI yang telah menghibahkan dana untuk penelitian ini, serta teman-teman 1 tim PKM-T Tyas, Keke, Fifin dan dosen pembimbing kami yaitu ibu Delima Ayu Saraswati. Saya ucapkan juga banyak terimakasih kepada dosen monevin dari UNAIR yang juga dosen pembimbing skripsi saya yaitu ibu Retna Apsari yang telah banyak memberikan masukan dalam penelitian ini.
Evolution Education. 2010. XBee-Pro Basic, (Online) ( http://www.rev-ed.co.uk/docs/xbe001.pdf ) , diakses 29 Juni 2012
Huang, Fu-Hsuan. et,al, 2011. Analysis of Reflectance Photoplethysmograph Sensors. United Kingdom: World Academy of Science, Engineering and Technology. Kurachi, Yoshihisa., 2001, Heart Physiology and Pathophysiology, Boston,
Massachusetts :9-10.
Mascaro, stephen A dan H. Harry Asada. 2001. Photoplethysmograph Fingernall sensor
for measuring Forces Without Haptic Obstruction. IEEE Transactions On Robotics
And Automation, Vol 17, No. 5.
Mike Mc Roberts. 2010. Arduino Starter Kit Manual: Earthshine Design
Ramli, NI . 2011. Design and Fabrication of a Low Cost Heart Monitor using
Reflectance Photoplethysmogram. United Kingdom: World Academy of Science,
Engineering and Technology.
Rusciano, Florence. 2004. Global Burden of Disease. Switzerland : WHO (World Health
