146
KARAKTERISTIK OUTPUT BIOELECTRICAL IMPEDANCE
GERAKAN BAHU DENGAN METODA K-MEANS CLUSTER
ANALYSIS
Hastuti, Juli Sardi, Ali Basrah Pulungan
Jurusan Teknik Elektro FT UNPE-mail: hastuti03@gmail.com
ABSTRACT
This research explains the characteristics of bioelectrical impedance output of shoulder movement. The bioelectrical impedance (bioimpedance) is a passive electrical part found in body tissues. The results of this study is expected to be used as a control signal on a system. This research begins with the design of bioimpedance processing system consists of a series of stimulation and bioimpedance instrumentation. The bioimpedance measurement was performed by injecting a sinusoidal current source of 0.5 mArms with a frequency of 50 kHz to muscle tissue (shoulder). The function of instrumentation circuit is to detect the voltage’s change due to changes in the value of bioimpedance between 0 - 5 volts. The method of K-Means Cluster analyze the three types of shoulder movement, and the results can be divided into two clusters based on the feature vector of each movement. The upward and forward movement is one cluster, and the backward movement is a different cluster.
Keywords: bioimpedance, k-means cluster analysis, shoulder
ABSTRAK
Penelitian ini menjelaskan karakteristik output bioelectrical impedance gerakan pada bahu.Bioelectrical Impedance(bioimpedance) adalah bagian elektrik pasif yang terdapat pada jaringan tubuh. Hasil penelitian ini diharapkan bisa dijadikan sinyal kontrol pada suatu sistem. Penelitian ini diawali dengan perancangan sistem pengolah bioimpedance yang terdiri dari rangkaian stimulasi dan instrumentasi bioimpedance.Pengukuran bioimpedance dilakukan dengan menginjeksikan sumber arus sinusoidal sebesar 0,5 mArms dengan frekuensi 50 kHz ke jaringan otot tubuh (bahu). Rangkaian instrumentasi berfungsi untuk mendeteksi perubahan tegangan akibat berubahnya nilai bioimpedance karena adanya gerakan yang dilakukan sehingga didapatkan variasi tegangan keluaran yang berkisar antara 0 – 5 Vdc.Dengan metode K-Means Cluster Analysis dilakukan analisa terhadap tiga jenis gerakan bahu, hasilnya bisa dibedakan menjadi dua cluster berdasarkan vektor ciri dari masing-masing gerakan. Gerakan ke atas dan ke depan merupakan satu cluster dan gerakan ke belakang merupakan cluster yang berbeda.
Kata kunci : bioimpedance, k-means cluster analysis, bahu
PENDAHULUAN
Sinyal
bioelectrical
impedance (bioimpedance) tubuh memiliki potensi yang sangat besar untuk dijadikan sebagai sinyal kontrol pada suatu sistem. Perubahan nilai bioimpedance tubuh terjadi ketika ada pergerakan yang dilakukan oleh bagian tubuh tertentu. Dengan adanya perubahannilai bioimpedance, kita bisa menggunakannya sebagai input atau referensi dalam suatu sistem. Salah satu aplikasi yang bisa digunakan dari pemanfaatan sinyal bioimpedance adalah sebagai perintah kontrol untuk mengatur gerak dan kecepatan dari kursi roda. Sebelum digunakan sebagai input dalam suatu sistem, terlebih dahulu dilakukan
147 analisa terhadap karakteristik dari sinyal
bioelectrical impedance.. Salah satu bagian penting yang harus diperhatikan ketika menggunakan sinyal bioimpedance sebagai input atau referensi pada suatu sistem adalah bagaimana mengukur, membedakan dan mengklasifikasikan berbagai jenis gerakan yang dilakukan oleh bagian tubuh tertentu, sehingga masing-masing gerakan tersebut memiliki ciri dan bisa digunakan untuk perintah kontrol yang berbeda. Seluruh material, termasuk jaringan tubuh, memiliki
sejumlah
sifat listrik yang berbeda-beda.Tabuenca (2009: 7-8),Bioimpedance mengacu pada perlawanan dari aliran arus yang melalui jaringan tubuh.Sel tubuh terdiri dari dua bagian yaitu intraseluler dan ekstraseluler. Membran sel dalam kumpulan intraseluler menentukan besar reaktansi. Model pendekatan rangkaian elektronika dari tiap sel dapat dilihat seperti Gambar 1.
Gambar 1.ModelPendekatan Elektronika Sel(Tabuenca, 2009: 7) Jaringan tubuh merupakan gabungan dari banyak sel dengan besar dan komposisi yang berbeda menjadi sebuah ionic salt dissolution. Model pendekatan elektronik dari suatu jaringan tubuh seperti pada Gambar 2.
Gambar 2.Model Pendekatan elektronikaJaringan Tubuh (Grimes dkk,
2000)
Keterangan :
Ri : Intracellular Resistance
Cm : Intracellular Reactance
Re : Extracellular Resistance
Bagian elektrik pasif yang terdapat pada jaringan tubuh disebut dengan bioimpedance. Untuk mengukur besarnya bioimpedance, pada bagian tubuh tertentu akan dialiri arus listrik yang kecil melalui suatu elektroda. Besar bioimpedance yang terukur bisa diketahui dengan menggunakan hukum Ohm.
Z = 𝑉
𝐼
Dimana V adalah tegangan dan I adalah arus.
Tujuan dilakukan penelitian ini adalah untuk menentukan metode pengukuran yang paling tepat sehingga didapatkan sinyal bioimpedance yang bisa dijadikan sinyal kontrol. Penggunaan metode K-Means Cluster Analysisbertujuan untuk mendapatkan klsifikasi yang tepat sebelum sinyal bioimpedance digunakan sebagai sinyal kontrol.
Gambar 3. Metode Pemasangan Elektroda Pengukuran Bioimpedance (Paavle Toivo
dkk, 2011)
Terdapat
dua
metode
pengukuran
bioimpedance, yaitu pengukuran dengan
menggunakan
dua
elektroda
dan
pengukuran
dengan
menggunakan
empat elektroda. Pada metode yang
148
pertama digunakan elektroda yang sama
untuk
menginjeksikan
arus
dan
mengukur tegangan, sedangkan metode
yang kedua digunakan dua pasang
elektroda
yang
berbeda
untuk
memompa arus dan meugkur besar beda
potensial. Dua metode tersebut dapat
digambarkan pada Gambar 3.
Metode yang pertama lebih mudah,
namun
bukanlah
pilihan
yang
tepatkarena impedansi dari elektroda
akibat polarisasi juga akan terukur.Hal
itu berarti seluruh pergerakan artefak
pada elektroda akan berpengaruh besar
terhadap hasil pengukuran. Pilihan yang
tepat
ialah
dengan
menggunakan
metode kedua, yaitu konfigurasi empat
elektroda atau tetrapolar (Allan F.
Pacela, 1996).
Pada penelitian ini, dilakukan eksperimen untuk mendapatkan karakteristik output dari sinyal bioimpedance dari gerakan-gerakan yang dilakukan pada bagian bahu (pundak) manusia. Sinyal bioimpedance
yang dihasilkan kemudian dianalisis dengan metode K-Means Cluster Analysis
tujuannya adalah untuk mendapatkan vektor ciri dan karakteristik sinyal
bioimpedance dari masing-masing gerakan bahu yang nantinya layak digunakan sebagai perintah kontrol pada suatu sistem.
METODE PENELITIAN
Metode pengukuran bioimpedance yang dilakukan yaitu dengan metode empat elektroda, tetapi terdapat sedikit modifikasi. Pada umumnya metode empat elektroda memerlukan enam buah elektroda untuk
dua kanal, namun pada penelitian ini hanya digunakan tiga buah elektroda seperti yang terlihat pada gambar 3. Elektroda 1 dan 2 digunakan untuk stimulasi arus dan masing-masing juga digunakan sebagai detektor tegangan. Elektroda nomor 3 bertindak sebagai ground dari kedua kanal (Yunfei, 2009: 27-28). Konfigurasi pemasangan elektroda diperlihatkan pada gambar berikut:
Gambar 4. Konfigurasi Pemasangan Elektroda(Yunfei, 2009: 27)
Elektroda akan diletakkan di daerah punggung, tepatnya yaitu pada jaringan otot trapezius (titik v1 dan v2). Titik 3 digunakan sebagai referensi. Tegangan yang akan diukur oleh rangkaian instrumentasi yaitu antara titik v1 dan 3 dan titik v2 dan 3. Elektroda tersebut terintegrasi dengan rangkain pengolah instrumentasi. Penggunaan frekuensi kerja sebesar 50 kHz didasarkan pada hasil uji coba respon bioimpedance pada pundak terhadap bermacam-macam frekuensi arus yang distimulasikan.
Sinyal bioimpedance akan diukur dengan menggunakan 2 bagian rangkaian yang terintegrasi, yaitu rangkaian stimulasi dan rangkaian instrumentasi. Rangkaian stimulasi merupakan rangkaian pembangkit sumber arus bolak-balik dengan frekuensi 50 khz dan amplitudo maksimum sebesar 0,5 mArms (Ermado, 2011: 14). Sumber arus ini kemudian akan diinjeksikan ke tubuh melalui sebuah elektroda. Bagian yang lainnya yaitu rangkaian instrumentasi. Rangkaian ini digunakan untuk mengukur
149 beda potensial pada tubuh yang distimulasi. Besar tegangan yang terukur tersebut mewakili besarnya bioimpedance. Sistem ini dinamakan dengan sistem pengolah bioimpedance. Hasil pengukuran tersebut dikirim ke PC dengan menggunakan USB to Serial dengan Frekuensi sampling ADC diatur sebesar 100 hz. Blok diagram dari sistem tersebut ditunjukan oleh Gambar 5
Gambar 5. Diagram Blok Sistem Pengukuran Instrumentasi Bioimpedance.
Stimulasi yang diberikan yaitu berupa sumber arus sinusoidal sebesar 0,5 mArms dengan frekuensi 50 kHz. Sumber arus ini dibangkitkan oleh rangkaian sine wave generator yang terhubung ke rangkaian
Voltage Controlled Current Source
(VCCS). Rangkaian sine wave generator terdiri dari pembangkit gelombang kotak dengan frekuensi 50 kHz, low pass filter
dengan frekuensi cut-off 50 kHz, dan non-inverting amplifier.
Perubahan bioimpedance didapat dari besar tegangan elektroda positif (v2) terhadap referensi dan elektroda negatif (v1) terhadap referensi. Kedua tegangan tersebut kemudian dikuatkan dengan seperangkat rangkaian instrumentation amplifier yang memiliki Common Mode Rejection Ratio
(CMRR) yang tinggi. Oleh karena itu digunakan IC op-amp tipe LF412 dan LF355. Kedua IC ini memiliki CMRR yang tinggi hingga 100 dB. Selain itu, IC ini juga memiliki respon yang baik terhadap sinyal input frekuensi tinggi.
Karena hasil perubahan bioimpedance
dimodulasikan pada frekuensi 50 KHz, pasti akan terdapat gangguan pada frekuensi rendah akibat dari adanya sinyal otot (EMG) yang ikut terukur dan pergerakan-pergerakan artefak. Untuk memperbaikinya, tegangan yang terukur dimasukkan ke rangkaian band pass filter
dengan frekuensi center-nya terletak di sekitar 50 kHz. Rangkaiannya ditunjukkan pada gambar 10. Nilai absolut dari
bioimpedance akan dihasilkan dengan
menggunakan rangkaian
rectifier.Rangkaian penguat tegangan akhir juga dipasang setelah rangkaian rectifier
sebagai kalibrator tegangan agar didapatkan range tegangan keluaran antara 0 sampai 5 Volt.
Data
pengukuran
dikirimkan ke PC melalui komunikasi serial yg telah di sediakan. Data yang dikirimkan merupakan nilai ADC dari tegangan bioimpedance,karena semua tegangan yang masuk ke mikrokontroler sudah dirubah kedalam ADC 10 bit oleh mikrokontroller sebelum dikirimkan melalui serial ke PC. Frekuensi sampling yang di gunakan adalah 50 hz. Setiap percobaan akan didapatkan 250 row data yang disimpan dalam format Txt. Data yang didapatkan kemudian diolah dengan Metode K-Means
Cluster
Analysis.Pertama, menghitung besarnya delta V dari masing-masing percobaan. Delta V ini didapatkan dari nilai Vakhir dikurangi dengan nilai Vawal ketika percobaan dilakukan.Selain itu dicari juga nilai tengah dari setiap percobaan. Kemudian delta V dan nilai tengah yang didapatkan di plot ke dalam grafik berupa scatter, dimana delta V dijadikan sebagai sumbu Y dan nilai tengah dijadikan sebagai sumbu X. tujuannnya untuk melihat pola dan kecenderungan dari masing-masing gerakan
150 sehingga mempermudah proses clustering
yang akan dilakukan. Kemudian, diplot juga nilai delta V dan nilai tengah dari hasil rata-rata dari setiap jenis gerakan dari semua subjek. Setelah itu dihitung pusat
(center) dari masing-masing gerakan.
Selanjutnya dilakukan proses clustering
yang bertujuan untuk mengelompokkan data dari ke 3 jenis gerakan tersebut ke dalam suatu cluster, sehingga nantinya didapatkan kombinasi gerakan yang bisa dilakukan untuk mengatur arah dan kecepatan dari kursi roda. Proses Clustering
ini dihitung menggunakan metode K-Means Algorithm. Langkah-langkah dari metode ini adalah sebagi berikut (Agusta, 2007: 47-60).
a. Menentukan jumlah cluster. b. Menentukan nilai centroid.
Dalam menentukan nilai centroid untuk awal iterasi, nilai awal centroid ditentukn secara acak.
c. Menghitung jarak antara titik centroid dengan titik tiap objek.
Untuk menghitung jarak tersebut dapat menggunakan rumus Euclidean Distance, yaitu;
𝐷𝑒= √(𝑥𝑖− 𝑠𝑖)2+ (𝑦𝑖− 𝑡𝑖)2
(2) Dimana:
De adalah Euclidean Distance.
i adalah banyak objek.
(x,y) merupakan koordinat objek. (s,t) merupakan koordinat centroid. d. Pengelomokan objek.
Untuk menentukan anggota cluster adalah dengan memperhitungkan jarak minimum objek.
e. Kembali ke tahap 2.
Dilakukan perulangan hingga nilai centroid yang dihasilkan tetap dan anggota cluster tidak berpindah ke cluster yang lain.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Sebelum dilakukan percobaan terlebih dahulu di lakukan kalibrasi untuk mengatur tegangan output bioimpedanceagar didapatkan nilaiyang berkisar antara 0 – 5 Volt. Pengambilan data ini dilakukan kepada 5 orang subjek. Ada 3 jenis gerakan yang akan dilakukan untuk diambil dan diolah datanya, yaitu gerakan bahu ke arah depan, atas dan belakang yang masing-masing dilakukan selama 5 detik. Setiap jenis gerakan dilakukan sebanyak 30 kali. Total masing-masing subjek akan melakukan 90 kali percobaan. Plotinghasil rata-rata output bioimpedance untuk masing-masing gerakan bahu sebelah kanan dan kiri ditunjukan oleh Gambar 6 dan 7.
Gambar 6. Ploting Output Rata-Rata
Bioimpemdance Bahu Kanan
Gambar 7. Ploting Output Rata-Rata
Bioimpemdance Bahu Kiri
Gambar 6 dan 7 menunjukan karakteristik output bioimpedance dari rata-rata semua subjek . Ada 3 jenis gerakan yang
151 dilakukan terhadap bahu yaitu gerakan ke atas, gerakan ke depan dan gerakan ke belakang. Masing-masing gerakan dilakukan sebanyak 30 kali percobaan. Grafik yang berwarna merah merupakan output bioimpedance gerakan bahu ke atas. Grafik berwarna hijau menunjukan output
bioimpedance yang digerakan ke depan. Grafik berwarna ungu memperlihatkan output ketika digerakan ke belakang. Garis putus-putus memperlihatkan luasan wilyah output dari masing-masing gerakan.
Pada Gambar 13 dan 14 tersebut terlihat perbedaan sebaran data dari masing-masing gerakan. Gerakan bahu ke depan memiliki rata-rata perubahan tegangan yang paling besar dan bernilai positif, dimana pusat
(center) dari delta V bahu digerakan ke depan adalah (176.83, 113.5467) untuk bahu kanan dan (223.0667, 162.2667) untuk bahu kiri. Output dari gerakan ke atas juga bernilai positif tetapi nilainya lebih kecil dari gerakan ke depan. Pusat (center)
dari sebaran data gerakan ke atas di dapatkan sebesar (153.67, 79.53333) untuk bahu kanan dan (201.6133, 91.95333) untuk bahu kiri. Ketika bahu digerakan ke atas atau ke depan, maka besarnya nilai output tegangan bioimpedance yang dihasilkan akan mengalami kenaikan.
Tabel 1. Proses Clustering Untuk Bahu kanan Rata-rata Semua Subjek
Iteras i ke Vektor Ciri Berdasarka n Gerakan Jarak ke Pusat Centroid 1 Jarak ke Pusat Centroid 2 Dimasukka n ke Cluster 1 Ke Atas 0 41.14963 1 Ke Depan 41.1496 3 0 2 Ke belakang 209.768 7 236.955 5 1 2 Ke Atas 41.1496 3 104.884 4 1 Ke Depan 0 133.865 1 1 Ke belakang 236.955 5 104.884 4 2 3 Ke Atas 20.5748 2 386.188 7 1 Ke Depan 20.5748 2 236.955 5 1 Ke belakang 222.827 5 0 2
Gerakan bahu ke belakang memiliki sebaran data yang berbeda dari gerakan bahu sebelumnya. Gerakan bahu ke belakang memiliki karakteristik output negatif. Pusat (center) dari sebaran data gerakan bahu ke belakang adalah (220.1967, -119.407) untuk bahu kanan dan (254.4167, -254.417) untuk bahu kiri. Ketika bahu digerakan ke belakang nilai tegangan output yang dihasilkan akan mengalami penurunan.
Tabel 2. Proses Clustering Untuk Bahu kiriRata-Rata Semua Subjek
Iteras i ke Vektor Ciri Berdasarka n Gerakan Jarak ke Pusat Centroid 1 Jarak ke Pusat Centroid 2 Dimasukka n ke Cluster 1 Ke Atas 0 73.5133 3 1 Ke Depan 73.5133 3 0 2 Ke belakang 350.371 8 417.861 1 2 Ke Atas 73.5133 3 175.185 9 1 Ke Depan 0 243.548 6 1 Ke belakang 417.861 175.185 9 2 3 Ke Atas 20.5748 2 386.188 7 1 Ke Depan 20.5748 2 236.955 5 1 Ke belakang 222.827 5 0 2
Untuk membuat klasifikasi dari vektor ciri yang ditunjukan oleh berbagai jenis gerakan yang dilakukan tersebut, maka dilakukan proses Clustering. Dari proses Clustering
yang telah dilakukan, maka didapatkan hasil seperti Tabel 1 dan 2. Pada iterasi ke 3, tidak ada lagi vektor yang berpindah cluster maka proses clustering dinyatakan selesai..
Pada proses clustering yang telah dilakukan terhadap rata-rata dari ke 5 subjek, didapatkan hasil akhir dari 3 jenis gerakan
152 yang dilakukan terhadap bahu hanya bisa dibedakan menjadi 2 cluster berdasarkan vektor ciri dari masing-masing gerakan. Gerakan ke atas dan ke depan merupakan satu cluster dan gerakan ke belakang merupakan cluster yang berbeda. Gerakan ke depan memiliki nilai output
bioimpedance yang lebih besar dan bernilai positif dibandingkan dengan jenis gerakan yang lainnya. Sehingga range tegangan yang dihasilkan menjadi lebih besar dari saat posisi awal(diam). Gerakan ke belakang merupakan satu-satunya gerakan yang bernilai negatif, artinya besarnya nilai output bioimpedance yang dihasilkan ketika bahu digerakan ke belakang mengalami penurunan dari posisi awal (diam) ketika gerakan dilakukan. Nilai tengah yang sedikit menyebar disebabkan karena saat melakukan kalibrasi, tegangan awal (offset) yang diberikan berbeda dari setiap percobaan yang dilakukan.
SIMPULAN
Pengklasifikasian dari karakteristik sinyal
bioelectrical impedance gerakan bahu berhasil dilakukan sehingga bisa digunakan sebagai sinyal kontrol pada suatu sistem. Dengan metode K-Means Cluster Analysis
yang dilakukan terhadap tiga gerakan bahu, hasilnya bisa dibedakan menjadi dua cluster
berdasarkan vektor ciri dari masing-masing gerakan. Gerakan ke atas dan ke depan merupakan satu cluster dan gerakan ke belakang merupakan cluster yang berbeda. Kombinasi dari ke 2 cluster inilah yang nantinya akan dijadikan sebagai perintah kontrol untuk mengatur sebuah sistem. Gerakan ke depan atau ke atas digunakan untuk meningkatkan tegangan output
bioimpedance sedangkan gerakan ke belakang digunakan untuk menurunkan tegangan output bioimpedance.
DAFTAR RUJUKAN
Agusta, Y.2007.K-Means-Penerapan,
Permasalahan dan Metode
Terkait.Denpasar:Jurnal Sistem dan Informatika Vol. 3: 47-60.
Ermado, Rico. 2011.Aplikasi Bioelectrical Impedance Sebagai Perintah Kontrol Gerakan Pada Kursi Roda Elektrik.
Surabaya:Institut Tekonologi Sepuluh Nopember.
Paavle, Toivo dkk. 2011. “Low-Energy Chirps for Bioimpedance Measurement”. IEEE.No.978-1-4577-1411-5/11.
S.Grimes and G.Martinsen. 2000.
“Bioimpedance& Bioelectricity, Basics”. Academic Press.
Tabuenca, Javier Gracia. 2009.Multichannel Bioimpedance Measuremet. Tampere University Of Technology.
Yunfei, H.2010.Wheelchair Control Based on Bioimpedance.International Journal of Applied Biomedical Engineering Vol.3, No.1, pp.13-15.
