RANCANG BANGUN FUNCTIONAL ELECTRICAL STIMULATOR
UNTUK MEMBANTU FUNGSI EKSTREMITAS ATAS PADA PENDERITA STROKE
SKRIPSI
ROBI’AH ADAWIYYAH
PROGRAM STUDI S1-TEKNOBIOMEDIK DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS AIRLANGGA
RANCANG BANGUN FUNCTIONAL ELECTRICAL STIMULATOR
UNTUK MEMBANTU FUNGSI EKSTREMITAS ATAS PADA PENDERITA STROKE
SKRIPSI
Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Bidang Teknobiomedik
Pada Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga
Disetujui oleh:
LEMBAR PENGESAHAN NASKAH SKRIPSI
Judul : Rancang Bangun Functional Electrical Stimulator untuk Membantu Fungsi Ekstremitas Atas Pada Penderita Stroke Penyusun : Robi’ah Adawiyyah
NIM : 081117023
Pembimbing I : Imam Sapuan, S.Si, M.Si. Pembimbing II : Akif Rahmatillah,S.T.,M.T Tanggal Seminar : 24 November 2015
Disetujui oleh:
Mengetahui, Pembimbing I,
Imam Sapuan, S.Si, M.Si. NIP. 19720118 199903 1 001
Pembimbing II,
Akif Rahmatillah, S.T., M.T NIP. 19860104 200812 1 002
Kepala Program Studi S1 Teknobiomedik
Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga
Dr. Khusnul Ain, M.Si. NIP. 197207051997021001
Ketua Departemen Fisika Fakultas Sains dan Teknologi,
Universitas Airlangga
PEDOMAN PENGGUNAAN SKRIPSI
Adawiyyah, Robi’ah. 2016. Rancang Bangun Functional Electrical Stimulator
untuk Membantu Fungsi Ekstremitas Atas pada Penderita Stroke. Skripsi dibawah bimbingan Imam Sapuan, S.Si., M.Si. dan Akif Rahmatillah, S.T., M.T. Program Studi S1 Teknobiomedik Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga, Surabaya
ABSTRAK
Stroke merupakan penyebab kecacatan pertama di Indonesia dan kedua terbanyak di dunia. Mayoritas anggota tubuh yang mengalami kecacatan terjadi pada ekstremitas atas. Alat bantu gerak yang digunakan adalah functional electrical stimulator. Penelitian ini bertujuan untuk merancang dan menguji kinerja functional electrical stimulator serta menentukan nilai parameter FES meliputi tegangan, frekuensi dan lebar pulsa. Nilai tersebut berperan dalam menghasilkan gerakan ekstremitas atas pada penderita stroke. Perancangan FES menggunakan Arduino Due dan rangkaian penguat gelombang. Arduino Due digunakan sebagai pembangkit gelombang serta pengatur level amplitudo tegangan dan frekuensi. FES telah dibuat dengan spesifikasi bentuk gelombang keluaran square, lebar pulsa 500µs, tiga variasi frekuensi: 23, 25, dan 27 Hz dengan enam variasi tegangan pada masing-masing frekuensi. Pada frekuensi 23Hz, tegangan stimulus FES sebesar 112-248 Vp, frekuensi 25 Hz sebesar 116-244 Vp, dan pada frekuensi 27 Hz sebesar 114-250 Vp. Functional electrical stimulator dapat bekerja optimal pada frekuensi 5Hz-10KHz. Nilai tegangan, frekuensi dan lebar pulsa yang dibutuhkan naracoba normal untuk dapat melakukan gerakan fleksi pergelangan tangan minimal sebesar 216 Vp, 25 Hz dan 500s dengan daya 0.567 Watt. Bagi Naracoba stroke, dengan karakteristik inklusi MMT 3-5 dan spastisitas 0-2, dibutuhkan nilai tegangan, frekuensi dan lebar pulsa minimal sebesar 230 Vp, 25 Hz, dan 500s dengan daya 0.946 Watt.
Adawiyyah, Robi’ah. 2016. Design of Functional Electrical Stimulator to Assist
Upper Limb Function for Stroke Patient. Thesis under guidance of Imam Sapuan, S.Si., M.Si. and Akif Rahmatillah, S.T., M.T. Biomedical Engineering of Physic Departemen, Science and Technology, Airlangga University
ABSTRACT
Stroke is the primary cause of disability in Indonesia and the second one in the world. These disabilities mostly happens at upper limb of person. For helping the disabled’s movement, functional eletrical stimulator is commonly used. This research’s main goal is to make an functional electrical stimulator then measuring the values, in which consists of the voltage, signal frequency and pulse width. These values matter in which the device will move the stroke patient’s upper limb. The signal generator of this device is made of Arduino Due, with slight modification for controlling the signal’s amplitude and frequency. The output signal from Arduino Due then is amplified by a simple op-amp. The functional electrical stimulator’s specification in this research are: square waveform, with pulse width of 500s µs, three values of frequencies (23, 25 and 27 Hz) and six voltage values for each frequency. At frequency of 23 Hz, the stimulation voltage of the device is 112-248 Vp, at 25 Hz is 116-244 Vp and the 27 Hz is 114-250 Vp. Functional electrical stimulator work optimally in frequency of 5Hz-10KHz. A normal person, according to the measurement done in this research, needs a minimum of 216 Vp, 25 Hz frequency and 500 s pulse width with 0.567 watt of power. A stroke patient, MMT of 3-5 and spasticity of 0-2, needs 230 Vp, 25 Hz frequency and 500 s pulse width with electrical power of 0.946 watt.
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat, hidayah serta kekuatan sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan judul “Rancang Bangun Functional Electrical
Stimulator Untuk Membantu Fungsi Ekstremitas Atas Pada Penderita
Stroke”
Terwujudnya skripsi ini tidak lepas dari bantuan berbagai pihak yang telah mendorong dan membimbing penulis, baik tenaga, ide-ide, maupun pemikiran. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Kedua orang tua atas do’a, motivasi, dan dukungan yang tiada henti. 2. Keluarga besar Bani Muhammad Mahfudz Thoha yang telah memberikan
dukungan selama penelitian ini
3. Bapak Dr. Moh. Yasin, M.Si. selaku Ketua Departemen Fisika yang telah menyetujui dan menerima skripsi penulis.
4. Bapak Dr. Khusnul Ain, M.Si. selaku Kepala Program Studi S1 Teknobiomedik yang telah menyetujui dan menerima skripsi penulis. 5. Bapak Imam Sapuan, S.Si, M.Si. dan Bapak Akif Rahmatillah, S.T., M.T
6. Bapak Fadhli Ama, S.T., M.T. dan Ibu Dr. Suryani Dyah Astuti, M.Si. sebagai dosen penguji yang telah memberikan saran yang membangun dalam perbaikan naskah skripsi.
7. Segenap Dosen S1 Teknobiomedik yang senantiasa leluasa memberi pendidikan karakter dan keilmuan.
8. Novi Angga Sakti, Amila Sofiah, Azisya Amalia Karima Sari, Niera Putri Kurniasih, Firman Isma Serdana, Faqih Damar Alam, dan teman-teman instrumen S1 Teknobiomedik yang senantiasa membantu kesulitan-kesulitan selama proses penelitian.
9. Adanti Wido Paramadini, Hajria Jabbar , Azizah F. R., dan teman-teman biomaterial S1 Teknobiomedik yang senantiasa membantu kesulitan-kesulitan selama proses penelitian.
10.Segenap staff Teknobiomedik dan Laboran Lab. Instrumentasi Medis yang telah memfasilitasi alat penunjang dan tempat selama proses penelitian. Penulis menyadari bahwa naskah skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh karena itu kritik saran yang membangun dari berbagai pihak sangat penulis harapkan.
DAFTAR ISI
2.1.2 Gangguan Ekstremitas Atas pada penderita Stroke ... 12
2.1.4 Indikator Kekuatan Otot dengan Manual Muscle Testing ... 13
2.1.3 Mekanisme Functional Electrical Stimulation terhadap Penderita Stroke ... 14
2.2 Prinsip Kerja Functional Electrical Stimulator ... 15
2.2.1 Arduino ... 17
2.2.2 Rangkaian penguat ... 18
2.2.2.2 Transformator ... 20
2.2.3 Button Switch ... 22
2.2.4 Elektroda hydrogel ... 23
BAB III METODE PENELITIAN... 24
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ... 24
3.2 Alat dan Bahan Penelitian ... 24
3.2.1 Alat Penelitian ... 24
3.2.2 Bahan Penelitian ... 24
3.3 Prosedur Penelitian... 25
3.3.1 Tahap Perancangan ... 26
3.3.2.1 Perancangan Hardware ... 27
3.3.2.1.1 Rangkaian Button Switch ... 27
3.3.2.1.2 Perancangan Penguat ... 30
3.3.2.2 Perancangan Software... 31
3.3.2 Tahap Pengujian ... 32
3.3.2.1 Tahap Pengujian Hardware ... 32
3.3.2.2 Tahap Pengujian Software ... 33
3.3.2.3 Tahap Pengujian Naracoba ... 33
3.3.3Tahap Analisis data ... 34
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 35
4.1 Hasil Rancang Bangun Alat ... 35
4.2.1 Perangkat Keras ... 36
4.2.2.1 Penguat Arus ... 48
4.2.2.2 Penguat Tegangan ... 49
4.2.3 Pengujian Lebar Pulsa ... 50
4.2.4 Bentuk, Tegangan, Arus, dan Daya Keluaran FES ... 51
4.2.5 Efektivitas Functional Electrical Stimulator ... 53
4.2.5.1 Bentuk Gelombang ... 53
4.2.5.2 Frekuensi ... 55
4.2.5.3 Intensitas ... 56
4.2.6 Pengujian Naracoba ... 57
4.2.6.1 Naracoba Normal ... 57
4.2.6.2 Naracoba Stroke ... 61
BAB V PENUTUP ... 65
DAFTAR PUSTAKA ... 67
DAFTAR TABEL
No. Judul Tabel Halaman
2.1 Grade Manual Muscle Testing 14
4.1 Tabel Pengujian Pemrogaman Arduino 45
4.2 Biner terhadap Tegangan 46
4.3 Tabel Pengujian Pemrogaman Arduino 47
4.4 Tabel Pengujian Frekuensi 47
4.5 Tabel Penguatan Arus Oleh Transistor 48
4.6 Teagangan Masukan dan Keluaran trafo 49
4.7 Tabel Penguatan Tegangan Puncak 49
4.8 Hasil Tegangan dan Arus Keluaran Functional Electrical Stimulator
52
4.9 Daya Keluaran Functional Electrical Stimulator 52 4.10 Intensitas Keluaran Functional Electrical Stimulator 53 4.11 Tabel Nilai Amplitudo, Frekuensi Dan Lebar Pulsa
FES Untuk Fungsi Ekstremitas Atas Naracoba Normal
60
4.12 Tabel Nilai Amplitudo, Frekuensi Dan Lebar Pulsa FES Untuk Fungsi Ekstremitas Atas Naracoba Stroke
60
4.13 Tabel Nilai Arus Saat Naracoba Stimulus Diberikan 63 4.14 Tabel Nilai Tegangan Jatuh Saat Stimulus Diberikan 64
DAFTAR GAMBAR
No. Judul Gambar Halaman
2.1 Otot Ekstremitas Atas 6
2.2 Gerakan Pergelangan Tangan 5
2.3 Anatomi Otot Pergelangan Tangan Gerakan Fleksi
6
2.4 Mekanisme Kontraksi Otot 7
2.5 Fase Stimulus Saraf 8
2.6 Proses Propagasi Membran Saraf 9
2.7 Kanal pada Membran Saraf 10
2.8 Mekanisme Potensial Aksi Membran 11
2.9 Fisiologi Functional Electrical Stimulator terhadap Kontraksi Otot
15
2.10 Pola Gelombang Functional Electrical Stimulator 16
2.11 Mikrokontroller Arduino Due 17
2.12 Tampilan Integrated Development Environment (IDE) Arduino
17
2.13 Data Pembentuk Gelombang Square padaArduino 18
2.14 Lapisan Pengosongan pada Transistor 19
2.15 Skema Penguatan Arus Oleh Transistor 20
2.16 Trafo 1A 21
2.17 Komponen Button Switch 22
2.18 Skema Komponen Button Switch 22
2.19 Elektroda Hydrogel 23
2.20 Lapisan Multilayer Elektroda Hydrogel 23
3.1 Alur Prosedur Penelitian 25
3.2 Blok Diagram Alat Functional Electrical Stimulator
3.3 Skema Functional Electrical Stimulator 28
3.4 Diagram Rangkaian Button Switch 29
3.5 Penguat Tegangan 30
3.6 Alogaritma Pembangkit Pulsa Square 32
3.7 Peletakan Elektroda pada Otot Flexor Group 34 4.1 Rangkaian Functional Electrical Stimulator 35
4.2 Hasil Rangkaian Button Switch 36
4.3 Hasil Rangkaian Penguat 37
4.4 Board pada IDE Arduino 38
4.10 Flowchart Logika Pemrogaman VoidLoop 43
4.11 Gelombang Keluaran Arduino 44
4.12 Penguatan Arus 48
4.13 Linearitas Penguatan Tegangan 50
4.14 Lebar Pulsa Gelombang Keluaran FES 50
4.15 Bentuk Gelombang Keluaran FES 51
4.16 Bentuk Gelombang Keluaran Trafo 51
4.17 Bentuk Gelombang Square 54
4.18 Hubungan Frekuensi Stimulus dengan Potensial Aksi
56
