PERANCANGAN ALAT UKUR SATURASI OKSIGEN DALAM DARAH TAMPIL LCD GRAFIK

1

PERANCANGAN ALAT UKUR SATURASI OKSIGEN DALAM DARAH

TAMPIL LCD GRAFIK

Pramitha Galuh Ajeng Pradana, Hj. Endang Dian S., ST, MT, M. Ridha Ma’ruf, ST, M.Si

Jurusan Teknik Elektromedik

POLITEKNIK KESEHATAN KEMENTERIAN KESEHATAN SURABAYA

ABSTRAK

Alat ukur saturasi oksigen dalam darah merupakan alat yang digunakan untuk memonitor keadaan

saturasi oksigen dalam darah pasien dan untuk membantu pengkajian fisik pasien tanpa melalui

analisa gas darah. Alat ukur saturasi oksigen dalam darah menggunakan perbedaan panjang

gelombang dari cahaya LED merah dan infrared yang ditangkap oleh photodiode. Perancangan

alat ukur ini menggunakan finger sensor, rangkaian pengkondisian sinyal analog, mikrokontroller

dan LCD Grafik. Data dari finger sensor masuk ke rangkaian pengkondisian sinyal, kemudian

dikirim ke mikrokontroller untuk diolah sehingga menghasilkan presentase nilai SPO

2

yang

kemudian ditampilkan pada LCD Grafik. Pengujian dilakukan dengan membandingkan modul

dengan alat ukur standar yang menghasilkan %error terbesar sebesar 0,4%. Dari hasil yang

diperoleh, alat layak digunakan karena dalam “Pedoman Pengujian dan Kalibrasi Alat Kesehatan”

DEPKES RI tahun 2001, batas maksimal dalam toleransi kesalahan SPO

2

adalah 2%.

Kata Kunci: Pulse Oxymeter, Saturasi Oksigen, Finger Sensor

I. PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang Masalah

Oksimeter merupakan salah satu metode penggunaan alat untuk memonitor keadaan saturasi oksigen dalam darah (arteri) pasien, untuk membantu pengkajian fisik pasien, tanpa harus melalui analisa tes darah. Saturasi adalah persentase daripada hemoglobin yang mengikat oksigen dibandingkan dengan jumlah total hemoglobin yang ada di dalam darah (Andrey, 2005).

Salah satu indikator yang sangat penting dalam supply oksigen didalam tubuh adalah saturasi oksigen (SpO2). Karena saturasi oksigen

dapat menunjukkan apakah hemoglobin dapat mengikat oksigen atau tidak, sehingga kekurangan oksigen yang beresiko pada kerusakan organ-organ penting didalam tubuh dan kematian dapat ditanggulangi (Kabir, 2015).

Pada penelitian sebelumnya mengenai alat ukur saturasi oksigen dengan metode non-invasive pernah dibuat oleh Andrey Arantra Putra dari jurusan Teknik Elektronika Politeknik Elektronika Negeri Surabaya dengan judul “Rancang Bangun Pulse Oximetry Digital Berbasis Mikrokontroller” ini menggunakan oxisensor D-25 yang terdiri dari LED dan Infrared sebagai transmitter dan LDR sebagai receiver kemudian menggunakan

rangkaian penguat cascade (bertingkat). Kelemahan dari penelitian ini adalah menggunakan receiver berupa LDR, LDR lebih rentan terhadap noise karena tidak hanya menerima sinar infrared dan LED merah, melainkan menerima seluruh cahaya yang ada (Dian, 2015). Dan ditinjau dari blok diagram, penelitian ini memiliki kelemahan pada blok rangkaian pengkondisian sinyal berupa dua keluaran yaitu arus AC dari infrared+LED merah dan arus DC adalah dari infrared+LED merah. Hal ini menyebabkan tidak dapat diketahui secara pasti nilai arus AC dan DC pada tiap-tiap komponen

infrared dan LED merah.

Kemudian penelitian yang dilakukan oleh Pricilia Yelana Mallo, dkk. dari jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNSRAT, Manado dengan judul “Rancang Bangun Alat Ukur Kadar Hemoglobin dan Oksigen Dalam Darah dengan Sensor Oximeter Secara Non-Invasive” menggunakan oxisensor dengan receiver berupa

photodioda dan menggunakan pengkondisian

sinyal berupa filter AC dan DC dari infrared dan LED merah. Kelemahan dari penelitian ini adalah rangkaian filter yang digunakan untuk mengoutputkan arus DC tidak diketahui batas frekuensi cut-offnya dan tidak menggunakan

capasitor. Dari hal ini perlu dipasang kapasitor

2 meloloskan tegangan berfrekuensi rendah yang

merupakan tegangan DC (Usep, 2015).

Alat dengan judul “Alat Ukur Saturasi Oksigen Dalam Darah Manusia Secara Non-Invasive” pernah dibuat Nanang Henri Vidal pada tahun 2013 dari jurusan Teknik Elektromedik, Politeknik Kesehatan Kemenkes Surabaya. Pada alat yang telah dibuat tersebut masih belum terdapat tampilan grafik sinyal dari presentase hasil saturasi oksigen dalam darah (SPO2) dan

display tampilan masih berupa numerik pada LCD karakter.

Selanjutnya alat tersebut dikembangkan kembali oleh Teguh Pratomo pada tahun 2016 dengan judul “Fingerstip Pulse Oxymeter Tampil PC” pada alat tersebut masih belum portable, kemudian display tampilan sinyal dan numerik dari SPO2 tampil pada PC sehingga terpisah

dengan alat yang menyebabkan alat kurang praktis.

Sehubungan dengan kajian-kajian tersebut, maka penulis merencanakan dan ingin merancang alat dengan judul “Perancangan Alat Ukur Saturasi Oksigen Dalam Darah Tampil LCD Grafik” yang merupakan penyempurnaan dari alat yang telah dibuat sebelumnya dan dari kajian-kajian jurnal yang telah dibaca. Penyempurnaan alat yang akan penulis buat yaitu dengan menggunakan metode perhitungan dengan nilai ratio SPO2 yang didapat

yaitu dari masing-masing output tegangan AC dan DC pada tiap-tiap komponen infrared dan LED merah dan dibuat lebih praktis dengan display tampilan pada LCD grafik, sehingga dapat menampilkan grafik sinyal dan presentase oksigen dalam bentuk numerik dari saturasi oksigen dalam darah.

I.2

Batasan Masalah

Pada perancangan modul ini, penulis membatasi bagian-bagian yang berkaitan dalam pembuatan alat. Hal tersebut dimaksudkan agar tidak terjadi pelebaran masalah. Adapun batasan-batasan tersebut meliputi:

1.2.1 Menggunakan finger sensor.

1.2.2 Peletakan sensor pada jari tangan orang dewasa pada bagian telunjuk.

1.2.3 Menggunakan IC mikrokontroler untuk pengolahan datanya.

1.2.4 Menggunakan alat pembanding (Gold

Standard) untuk pengukuran saturasi

oksigen.

1.2.5 Ditampilkan pada LCD Grafik.

1.2.6 Tampilan hasil persentase SPO2 tidak

menunggu selama 1 menit.

1.2.7 Menggunakan analisis SWOT.

I.3 Rumusan Masalah

“Dapatkah dibuat alat ukur saturasi oksigen dalam darah dengan menampilkan sinyal dan numerik pada LCD Grafik?”

I.4 Tujuan Penelitian 1.4.1 Tujuan Umum

Dibuatnya alat ukur saturasi oksigen dalam darah dengan menampilkan sinyal dan numerik pada LCD Grafik.

1.4.2 Tujuan Khusus

1.4.2.1 Membuat rangkaian finger sensor.

1.4.2.2 Membuat rangkaian filter dan penguat.

1.4.2.3 Membuat rangkaian minimum system.

1.4.2.4 Membuat software pemrograman menggunakan mikrokontroler.

1.4.2.5 Melakukan uji coba dan uji fungsi alat.

1.4.2.6 Menampilkan hasil persentase nilai SPO2

tidak menunggu selama 1 menit.

1.4.2.7 Melakukan analisis SWOT untuk penelitian pada alat.

1.5 Manfaat Penelitian 1.5.1 Manfaat Teoritis

1.5.1.1 Untuk menambah pengetahuan mahasiswa Teknik Elektromedik mengenai alat diagnostik terutama alat ukur saturasi oksigen melalui aliran darah pada jari tangan.

1.5.2 Manfaat Praktis

1.5.2.1 Manfaat untuk User

Dengan adanya alat ini diharapkan dapat memudahkan user (perawat atau dokter) dalam memantau kondisi pasien. 1.5.2.2 Manfaat untuk Pasien

Pasien tidak akan merasakan sakit saat menggunakannya.

1.5.2.3 Manfaat untuk Teknisi

Teknisi dapat mengembangkan peralatan kesehatan sejalan dengan kemajuan teknologi.

2 METODOLOGI PENELITIAN

2.1 Blok Diagram

3 2.2 Diagram Alir

Gambar 2.2 Diagram Alir

2.3 Diagram Mekanisme

Gambar 2.3 Diagram Mekanisme

3 PEMBAHASAN

3.1 Rangkaian Astable dan Driver

Spesifikasi dari rangkaian astable yang diperlukan adalah:

1. Menggunakan IC NE555.

2. Menggunakan tegangan +5VDC dan GROUND.

3. Konektor J15 digunakan untuk pengukuran output dari IC NE555.

4. Konektor J16 digunakan untuk mengukur output rangkaian astable dan driver.

5. Didapatkan rangkaian keseluruhan astable dan driver seperti dibawah ini:

Gambar 3.1 Rangkaian Astable dan Driver

Gambar 3.2 Output Konektor J16 Kaki 1

Gambar 3.3 Output Konektor J16 Kaki 2

3.2 Rangkaian Demultiplexer

Spesifikasi dari rangkaian demultiplexer yang diperlukan adalah:

1. Menggunakan IC CD4051.

2. Menggunakan tegangan +5 VDC, -5VDC dan GROUND.

3. Kaki 11, 10, 9 dan 6 pada IC dipergunakan untuk mengatur pengaktifan kaki output

Demultiplexer.

4. Kaki 13 dan 14 dipergunakan untuk mengukur output demultiplexer.

5. Didapatkan rangkaian keseluruhan

demultiplexer seperti dibawah ini:

R22 10K R23 10K Q3 C9013 3 2 1 Q2 C9013 3 2 1 Basis2 Basis2 J16 LAMP 1 2 C12 0.1uf Q4 C9013 3 2 1 Basis1 U9A 7404 1 2 14 7 +5v U7 NE555 2 5 3 7 6 4 8 1 TR CV Q DIS THR R V C C G N D R19 1k +5v R24 10K +5v C13 0.1uf R21 10K Q1 C9013 3 2 1 J15 PWM 12 R20 6.8K Basis1 R8 150 J5 TO IN LOGIKA DEMULTI 1 2

4

Gambar.3.4 Rangkaian Demultiplexer

Gambar.3.5 Input Demultiplexer

Gambar.3.6 Output Demultiplexer kaki 14

Gambar 3.7 Output Demultiplexer kaki 13

3.3 Rangkaian Amplifier dan Filter

Spesifikasi dari rangkaian amplifier yang diperlukan adalah:

1. Menggunakan IC LF353

2. Membutuhkan tegangan input IC sebesar +12VDC, -12VDC

3. Rumus penguatan rangkaian:

𝐺 = 𝑅𝑓 𝑅𝑖 + 1

4. Konektor J2 sebagai output dari amplifier dan filter dari demultiplexer kaki 14.

5. Konektor J5 sebagai output dari amplifier dan filter dari demultiplexer kaki 13. 6. Didapatkan rangkaian seperti gambar di

bawah ini:

Gambar 3.8 Rangkaian Amplifier dengan filter

Pada rangkaian penguat pertama, output photo diode akan dihubungkan kapasitor sebagai coupling untuk memblok tegangan DC dan hanya melewatkan sinyal dari output demultiplexer.

Sinyal tersebut akan masuk ke penguat pertama. Penguat yang digunakan adalah penguat

non-inverting dengan penguatan sebesar 101 kali.

Untuk penguatan kedua digunakan rangkaian yang sama seperti pada penguatan pertama, agar filter lebih dapat menekan amplitudo pada saat melewati frekuensi cut off dan sinyal dikuatkan lagi sebesar 101 kali.

Besar penguatan dapat dihitung dengan rumus berikut:

Langkah-langkah pengaturan/pengujian yaitu: 1. Mengatur time/div dan scale atau menekan

tombol autoset pada osiloskop digital.

kaki13 0 2 EN9 M MUX/DX > < < < < < < < < 1 2 3 4 5 6 7 8 9 < > > > > > > > > 1 8 -U8 4051 16 8 7 11 10 9 6 3 13 14 15 12 1 5 2 4 P1 CONNECTOR DB9 5 9 4 8 3 7 2 6 1 -5v J9 TP inf ra 1 2 kaki14 R4 470K kaki14 kaki13 R1 150R J21 TP red 1 2 R3 1M in m ux J6 IN DCred 1 2 J3 TP PD 1 2 J20 IN ACinf ra 12 +5v J7 IN DCinf ra 1 2 R2 120K 1 2 J2 LAMP 12 J8 OUT ASTABLE 1 2 J4 IN ACred 1 2 +5v R12 6k8 + -U2A LF353 3 2 1 8 4 +12v C8 1uf + -U1B LF353 5 6 7 8 4 R2 68K C4100nF + -U2B LF353 5 6 7 8 4 kaki14 C7100nF C1 1uf R5 680K kaki13 -12v C6 1uf R14 68K -12v +12v C9100nF C2 1uf + -U1A LF353 3 2 1 8 4 -12v R4 6K8 1 2 -12v R1 6k8 C3100nF R3 68K R6680K J2 OUT AC RED 1 2 R15 6K8 1 2 +12v J5 OUT AC IR 1 2 J1 IN AC RED 1 2 J7 IN AC IR 1 2 R13 680K +12v R16 680K R11 68K 𝐹𝑐 = 1 2𝜋 . 𝑅𝑓 . 𝐶𝑓 = 1 2 3.14 . 680𝑘 .100𝑛𝐹 = 2,34 𝐻𝑧 𝐴𝑐𝑙 = 1 + 𝑅𝑓 𝑅𝑖𝑛 = 1 + 680𝑘 6,8𝑘 = 101 𝑋 𝐹𝑐 = 1 2𝜋 . 𝑅𝑓 . 𝐶𝑓 = 1 2 3.14 . 68000 .1𝑢𝐹 = 2,34𝐻𝑧

5 2. Memeriksa output pada konektor J2 dan J5

pada rangkaian amplifier dan filter

menggunakan osiloskop.

3. Berikut hasil output pada osiloskop:

Gambar.3.9 Output Amplifier dari Multiplexer kaki 14

Gambar.3.10 Ouput Amplifier dari Multiplexer kaki 13

3.4 Rangkaian LPF 0,8 Hz

Spesifikasi Rangkaian LPF 0,8 Hz yang diperlukan adalah:

1. Menggunakan IC LF353 sebagai

Non-Inverting dan Buffer.

2. Menggunakan tegangan sebesar +12 VDC dan -12 VDC.

3. Gambar rangkaian sebagai berikut:

Gambar.3.11 Rangkaian LPF 0,8 Hz

Langkah-langkah pengujian yaitu:

1. Mengatur time/div dan scale atau menekan tombol autoset pada osiloskop digital.

2. Memeriksa output pada konektor J8 dan J9 dirangkaian LPF 0,8 Hz menggunakan osiloskop

3. Berikut hasil output pada osiloskop:

Gambar.3.12 Output LPF 0,8 Hz dari demultiplexer

kaki 14

Gambar.3.13 Output LPF 0,8 Hz dari demultiplexer kaki 13

3.5 Rangkaian Minimum Sistem

Gambar.3.14 Rangkaian Minimum Sistem

Listing Program pada CV-AVR if(counteran==5) { if(dcredlamp==0) { J8 OUT DC IR 1 2 R18 22K 1 2 kaki14 + - U4BLF353 5 6 7 8 4 J9 OUT DC RED 1 2 -12v +12v + -U4A LF353 3 2 1 8 4 kaki13 +12v + -U3A LF353 3 2 1 8 4 -12v -12v J7 IN DC RED 1 2 +12v +12v -12v C10 10uf R17 22K 1 2 C5 10uf + -U3B LF353 5 6 7 8 4 J6 IN DC IR 1 2 J6 CON2 12 W/R CS2 /RST DB2 CS2 DB7 J3 CON8 1 2 3 4 5 6 7 8 DB2 DB4 E DB0 DB3 DB4 RST DB5 VCC DB6 DB0 DB7 RST C1 103 pF SCK PB5 C2 33 pF R1 10K 1 3 2 VCC VCC /RST VCC RS C3 33 pF PB5 RS W/R VCC Y1 12Mhz R3 10K 1 3 2 J1 CON5 1 2 3 4 5 DB1 R2 4k7 Ohm DB6 MISO RST CS1 VCC PB7 J2 START 1 2 PB6 VCC DB5 J4 POWER IN 1 2 VCC DB3 R5 1k PB6 J5 LCD GRAFIK 128 x 64 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 E PB7 R4 22OHM IC1 ATMega32-DIP40 1 2 3 4 5 6 7 8 9 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 10 1131 33 34 35 36 38 37 39 40 22 23 24 25 26 27 28 29 30 32 PB0/(XCK/T0) PB1/(T1) PB2/(INT2/AIN0) PB3/(OC0/AIN1) PB4/(SS) PB5/(MOSI) PB6/(MISO) PB7/(SCK) RESET XTAL2 XTAL1 PD0/(RXD) PD1/(TXD) PD2/(INT0) PD3/(INT1) PD4/(OC1B) PD5/(OC1A) PD6/(ICP) PD7/(OC2) VC C GN D GN D PA7/(ADC7) PA6/(ADC6) PA5/(ADC5) PA4/(ADC4) PA2/(ADC2) PA3/(ADC3) PA1/(ADC1) PA0/(ADC0) PC0/(SCL) PC1/(SDA) PC2/(TCK) PC3/(TMS) PC4/(TDO) PC5/(TDI) PC6/(TOSC1) PC7/(TOSC2) AVCC AREF MOSI DB1 CS1 SW1 RESET

6 bagi1=0; } else { bagi1=(float) maksimumacredlamp/dcredlamp; } if(dcinfrared==0) { bagi2=0 } else { bagi2=(float) maksimumacinfrared/dcinfrared; } if(bagi2==0) { spo2=0; } else { ratio=(float) bagi1/bagi2; spo2=110-(25*ratio); }

3.6 Pengukuran dan Pengujian

Tabel 4.1 Hasil Pengukuran pada Responden

Berdasarkan hasil pembandingan dengan menggunakan pulse oximetry didapatkan hasil yang berbeda/adanya selisih nilai. Nilai error yang

didapat paling besar adalah 0,4% dan paling kecil adalah 0%. Nilai ketidakpastian diperoleh karena masih adanya faktor luar, seperti pergerakan dari responden dan lain-lain. Sehingga nilai ketidakpastian harus dihitung juga. Nilai terbesar ketidakpastian adalah 0,003 dan nilai terkecilnya adalah 0.

3.7 Kelemahan/Kekurangan Sistem

1. Jika ada gerakan artefak yang ditimbulkan dari pergerakan jari pasien, hal ini akan memperbesar nilai error.

2. Perbedaan spesifikasi finger sensor untuk melakukan pengukuran akan berpengaruh terhadap hasil pembacaan.

4 PENUTUP

4.1 Kesimpulan

Berdasarkan hasil pembahasan dan tujuan pembuatan modul dapat disimpulkan bahwa: 1. Pada output rangkaian amplifier dan filter

penguatan pertama, sinyal masih berbentuk kecil dan kurang jelas. Kemudian output dihubungkan dengan rangkaian amplifier dan filter yang sama sebagai penguatan kedua, sinyal output menjadi terlihat lebih jelas.

2. Rangkaian minimum system ATmega32 mampu menjalankan program dengan baik sehingga alat dapat bekerja sesuai harapan. 3. Dapat dibuat alat ukur saturasi oksigen

dalam darah dengan menampilkan presentase nilai SPO2 beserta grafik

sinyalnya pada LCD Grafik.

4. Pergerakan pada pasien saat dilakukan pengukuran sangat berpengaruh pada hasil pengukuran.

5. Alat dapat bekerja dengan baik, hal ini dapat ditinjau dari hasil pendataan. Dari hasil pendataan, nilai error terbesar adalah sebesar 0,4% sedangkan nilai error

maksimal yang diijinkan adalah sebesar 2%.

4.2 Saran

Pengembangan pada penelitian ini dapat dilakukan pada:

1. Penambahan indikator apabila nilai presentase SPO2 dibawah nilai normal.

2. Menggunakan PWM dari IC

mikrokontroller sebagai pengganti

rangkaian astable.

3. Menggunakan baterai agar alat dapat digunakan secara portable.

7

DAFTAR PUSTAKA

Andrey Arantra P. 2006. Rancang Bangun Pulse Oximetry Digital Berbasis Mikrokontroller. Surabaya : PENS.

Universitas Sumatra Utara (Online). (http://repository.usu.ac.id/bitstream/1234567 89/20481/4/Chapter%20II.pdf) di akses pada tanggal 24/09/2016, 11:00 WIB.

Avada. 2012. How equipment works (Online). (http://www.howequipmentworks.com/pulse_ oximeter/) diakses pada tanggal 24/09/2015, 13:00 WIB.

Daeng Echo. Arduino Mega 2560. (Online). (https://www.academia.edu/14716220/Arduin o_Mega2560?auto=download) diakses pada tanggal 25/09/2015 N, 20:30 WIB.

Elektonika Dasar. 2012. LCD (Liquid Cristal Display). (Online). (http://elektronika-dasar.web.id/lcd-liquid-cristal-display/) diakses pada tanggal 25/09/2015, 20:10 WIB. S. Prince Samuel. 2014. Embedded Based Low

Cost Pulse Oximeter. India : Karunya

University.

Kabir. 2015. SPO2 Referat (Online).

(http://documents.tips/documents/spo2-referat.html) diakses pada tanggal 25/09/2015, 20:00 WIB.

Konica Minolta Sensing Inc. 2006. How to read

SPO2. (Online). (https://www.google.co.id/url?sa=t&rct=j&q= &esrc=s&source=web&cd=4&cad=rja&uact= 8&ved=0CC4QFjADahUKEwiAwaTowp7IA hWEppQKHeveD3s&url=http%3A%2F%2F windward.hawaii.edu%2Ffacstaff%2Fmiliefs ky-m%2Fzool%2520142l%2Faboutpulseoximetr y.pdf&usg=AFQjCNFUf1XRE_cEq0VuTKl D1G4SQO0GiQ&sig2=F7dYGnSh5SZJRaQ ZYbnKxg&bvm=bv.103627116,d.dGo) diakses pada tanggal 24/09/2016, 11:15 WIB.

Pricilia Yelana M. 2012. Rancang Bangun Alat Ukur Kadar Hemoglobin dan Oksigen Dalam Darah dengan Sensor Oximeter Secara Non-Invasive. Manado : UNSRAT.

Ratna Purwaningsih. 2005. Penilaian Teknologi dengan Metode Teknometrik di PT. INDO ACIDATAMA CHEMICAL INDUSTRY SOLO. Semarang : UNDIP.

Rifki Yanuardhi. 2015. Rancang Bangun Pulse Oximetry Digital Berbasis Mikrokontroler Atmega 16. Bandung : Politeknik Telkom. Syukron Zahidi. 2014. Analisis SWOT (Strengths,

Weaknesses, Opportunities, and

Threats)(Online).

(http://izzaucon.blogspot.co.id/2014/06/analis is-swot-strengths-weaknesses.html) diakses pada tanggal 09/11/2016, 22:05 WIB.

Teguh Pratomo. 2016. Fingerstip Pulse Oxymeter Tampil PC (SPO2). Surabaya : Politeknik

Kesehatan Kemenkes Surabaya.

BIODATA PENULIS

Nama : Pramitha Galuh Ajeng Pradana NIM : P27838113035

TTL : Sidoarjo, 28 Oktober 1994 Alamat : Sidoarjo