PERANCANGAN HEART RATE MONITOR SECARA REAL TIME
BERTRANSMISI WIRELESS UNTUK MENGUKUR DENYUT JANTUNG
Lobes Herdiman1, Retno Wulan Damayanti1 dan Esha Darwinsa2 1 Staf pengajar Jurusan Teknik Industri FT-UNS, Surakarta
e-mail : lobesh@gmail.com
2 Alumni mahasiswa Teknik Indsutri FT-UNS, Surakarta
Laboratorium Perencanaan dan Perancangan Produk - Jurusan Teknik Industri
Abstrak
Cara pengukuran energi tubuh yang efektif dengan memonitor denyut nadi yang merupakan refresentasi dari denyut jantung. Data denyut jantung dapat diperoleh dari alat berupa heart rate. Adanya keterbatasan dari kemampuan heart rate dipasaran di dalam proses pembacaan dan perekaman data secara real time. Penelitian ini bertujuan merancang heart rate monitor bertransmisi wireless dalam mengukur denyut jantung pada saat aktivitas fisik berlangsung dengan pembacaan data secara real time dan data dapat disimpan. Penelitian ini diawali, tahap identifikasi karakteristik sistem. Tahap kedua, perancangan hardware dan software. Hardware yang terdiri dari blok transducer, blok pengkondisian sinyal, blok data counting, blok transmitter, blok receiver. Software dirancang sebagai display dari hasil data pengukuran dan tempat penyimpan data. Tahap akhir, pengujian yang melibatkan 5 responden pada aktivitas berjalan kemudian berlari. Tujuan dari aktivitas berjalan dan berlari dimaksudkan untuk mengevaluasi seberapa besar pengaruh dari perubahan nilai data denyut jantung. Penelitian ini menghasilkan heart rate monitor bertransmisi wireless yang berguna untuk mengukur denyut jantung. Hasil dari pengukuran disajikan dalam bentuk grafik yang dapat memberikan gambaran dari perbedaan pola perubahan denyut jantung. Software yang dirancang dalam menyimpan data dengan format Ms. Access tetapi masih perlu di konversi ke Ms. Excel agar data dapat diolah lebih lanjut.
Kata Kunci: Heart rate monitor, wireless, real time, denyut jantung
Pendahuluan
Energi tubuh yang diperlukan oleh seseorang bervariasi menurut umur, jenis kelamin, dan jenis aktivitas fisik (Astrand dan Rodahl, 1986). Salah satu cara yang efektif untuk mengukur energi tubuh pada suatu aktivitas fisik dengan memonitor denyut jantung. Monitoring denyut
jantung dapat memperkirakan nilai VO2 (Siconolfi et al., 1982). Persamaan standar calorimetric
untuk volume oksigen yang di konsumsi dapat digunakan untuk mencari hubungan heart rate dan
energi tubuh (www.rowett.ac.uk). Data heart rate (denyut jantung) diperoleh dari suatu alat berupa
monitoringheart rate. Heart rate merupakan representasi dari denyut jantung per satuan waktu dari
suatu subjek (www.wikipedia.org). Pengukuran heart rate (kecepatan denyut jantung) dari setiap
objek mempunyai pola yang berbeda dalam mencapai denyut persatuan waktu (Beshir, Ramsey dan Burford, 1982). Data heart rate ini dapat memberikan informasi dalam memperoleh kesimpulan
untuk seberapa besar konsumsi energi tubuh dan tingkat kelelahan reponden (Bobo et al., 1983). Bioinstrumen berupa alat heart ratemonitor dipasaran yang tersedia seperti POLAR heart
rate monitor, TIMEX heart rate monitor (www.ehow.com, 2008). Perbedaan pembacaan data pada
heart rate dipasaran ini pada perhitungan dalam satu menit per satuan waktu (Herdiman dkk.,
2009). Dalam penelitiannya Erliyanto dkk. (2008) menjelaskan heart ratemonitor dipasaran dalam
pembacaan denyut jantung dalam satu menit menggunakan metode perhitungan frekuensi aliran darah yang mengalir selama 10 detik. Hasil yang diperoleh dikalikan 6, jadi total waktu yang diperoleh menjadi 1 menit. Kegunaan fungsional dari alat dipasaran masih kurang sesuai untuk kepentingan pengambilan data reponden dalam eksperimen yang bergerak (Herdiman dkk., 2010).
Penentuan energi tubuh yang digunakan parameter indek kenaikan bilangan kecepatan denyut jantung. Indek ini merupakan perbedaan antara kecepatan denyut jantung (heart rate) pada
waktu kerja tertentu dengan kecepatan denyut jantung (heart rate) pada saat istirahat (Grap, 2002).
Peningkatan denyut jantung berkaitan meningkatnya pembebanan kerja (Tarwaka dkk., 2004). Pengukuran kalori per energi untuk menjelaskan parameter kecepatan denyut jantung.
Analisis pada aktivitas fisik yang berkaitan dengan pengukuran energi memerlukan ranca-ngan suatu perangkat heart rate monitor. Perangkat ini dirancang secara integral mulai dari
sensor finger clip yang bekerja dengan prinsip fotodioda dan infrared. Cara penempatan dengan
dijepitkan pada ujung jari yang gunanya untuk mengukur fluktuasi aliran darah pada simpul nadi. Data hasil pembacaan dari sensor finger clip ditranmisikan tanpa menggunakan kabel
(wireless) melalui penggunaan radio frekuensi (RF). Hasil data pengukuran dari heart rate dapat
dibaca dan ditampilkan secara langsung di layar LCD komputer yang dikirim melalui transmiters
ke reciever. Data dilanjutkan untuk disimpan pada data storage di komputer. Selanjutnya data
dapat diolah untuk keperluan analisis fisiologi dari responden sebagai subjek penelitian.
Studi Pustaka
Heart rate monitor merupakan sebuah alat pemantau yang memungkinkan untuk mengukur
denyut jantung objek (www.wikipedia.org). Heart rate merupakan dasar untuk mengukur denyut
jantung pada titik pulse dari tubuh dan menghitung jumlah denyut per menit (www.ehow.com). Heart Rate Monitor
Monitoring jantung penting dilakukan mengingat tubuh secara kontinu melakukan sirkulasi
darah ke seluruh organ tubuh lainnya (www.rowett.ac.uk). Diketahuinya denyut jantung maka dapat diketahui kondisi kesehatan dari seseorang. Laju pacu jantung tergantung dari umur dan kondisi manusia itu sendiri (Astrand dan Rodahl, 1986). Cara termudah untuk mengetahui denyut jantung seseorang dengan meraba denyut nadi. Melalui cara ini dapat menghitung jumlah denyut yang terjadi dalam 1 menit (Tarwaka dkk., 2004). Dikalangan dokter atau perawat masih menggunakan metode ini (Erliyanto dkk., 2008). Heart rate monitor terdiri dari blok pemantauan
satu set dengan elektroda yang dilekatkan di dada. Versi alat modern meliputi sensor tali dada dan
penerima data denyut jantung yang terletak di pergelangan tangan (www.wikipedia.org).
Gambar 1. Heart rate monitor
Sumber: www.wikipedia.org
Kamat (2002) menjelaskan sensor heart rate yang digunakan sebagai tranducer pada jari
tangan yang disebut finger clip pulse oximetry. Pulse oximetry didasarkan pada fraksi perubahan
transmisi cahaya selama terjadi denyut nadi pada dua panjang gelombang yang berbeda. Konfigu-rasi ini, cahaya pada dua panjang gelombang yang berbeda menerangi satu sisi jari akan terdeteksi pada sisi lain, setelah melintasi intervensi vascular jaringan.
Gambar 2. Finger clip sensor
Sumber: www.sensoronics.com
Pada jari tangan manusia terdapat pembuluh darah dengan frekuensi atau irama aliran darah yang mengalir merupakan representasi dari frekuensi denyut jantung itu sendiri, sebagai catatan bahwa jantung tersebut tidak dalam kondisi kritis (www.oximetry.org). Erliyanto dkk. (2008) menjelaskan bahwa cara kerja dari finger clip sensor dengan memasukan dari salah satu jari
tangan ke blok heart beat tranducer. Cahaya LED yang menembus jari tangan akan diterima LDR
dan frekuensi aliran darah pada jari akan terdideteksi. Data diolah di mikrokontroler dan hasilnya ditampilkan di layar LCD yang berupa tampilan berapa banyak denyut jantung setiap menitnya.
Denyut Jantung
sendiri, tidak langsung (indirect) dengan memanfaatkan pembuluh darah melalui sadapan atau
pemasangan sensor pada aliran darah (Chan,2006).
Gambar 3. Aliran peredaran darah Sumber: Erliyanto dkk., 2008
Pertama kali proses aliran darah (www.needle.anest.ufl.edu, 2004) mulai dari pembuluh darah vena masuk ke atrium kanan menuju ke ventrikel kanan. Kemudian menuju paru–paru dan terjadi pertukaran udara dari CO2 ke O2. Dari paru-paru, aliran darah menuju ke atrium kiri, menuju ke ventrikel kiri. Setelah itu darah dipompa menuju ke seluruh tubuh dan kepala dimana melalui pembuluh darah aorta. Pembuluh darah aorta yang terdiri berbagai cabang pembuluh yang terbesar sampai terkecil meliputi arteri, arteriol dan kapiler.
Sistem Instrumentasi
Perbedaan dari instrumentasi medis dan instrumentasi konvensional terletak pada sumber sinyalnya yang berasal dari jaringan hidup atau benda mati (Eren, 2006). Sistem instrument
elek-tronik dibagi menjadi 5 yang terdiri dari tranducer, power supply, pengkondisian sinyal, amplifier
dan recorder (Yarlagadda, 2010).
Gambar 4. Block diagram instrumentasi
Sumber: www.klimatologibanjarbaru.com
Kondisi ini memungkinkan dalam pengambilan data pada heart rate monitor untuk
diapli-kasikan pada bidang olahraga, rumah sakit, penelitian, dan perawat medis. Metode ini membantu dalam memfasilitasi pelatihan para atlet kebugaran serta pemantauan jarak jauh bagi pasien dan dapat mengurangi pembebanan biaya secara keseluruhan pada sistem.
Metodologi Penelitian
Perancangan heart rate terdiri dari hardware yang meliputi sensor detak jantung, blok
pemancar radio frekuensi, blok penerima radio frekuensi dan perangkat displayreal time. Software
yang berupa program untuk menampilkan data record dari hasil pengukuran.
Hasil Dan Pembahasan
Heart rate monitor terdiri dari blok deteksi dan blok display yang keduanya berkerja secara
simultan dengan menggunakan transmisi wireless link. Sinyal yang dipancarkan mengindikasikan
data ke display. Heart rate monitor yang dirancang terdiri dari blok transduser yang digunakan
sebagai pendeteksi denyut jantung melalui ujung jari tangan untuk mengakomodasi fungsi dari
heart rate, mikroprosesor sebagai counter data beep.
Gambar 6. Blok diagram heart rate monitor
Blok transmitter sebagai pengirim data hasil olahan dari proses data ke display melalui
transmisi wireless dengan radio frekuensi (RF) sebagai perantara pengiriman data (transmitter).
Blok receiver sebagai penerima data dari transmiter dengan frekuensi tertentu yang diproses ke
dalam perangkat display. Sistem kerja heart rate monitor, ujung satu jari tangan dimasukkan ke
blok heart ratetranducer. Blok ini mempunyai rangkaian sensor berupa LED yang memancarkan
inframerah dan photodiode yang berperan sebagai sensor denyut nadi. Cahaya inframerah yang
menembus jari tangan akan diterima oleh photodiode dan frekuensi aliran darah pada jari akan
terdideteksi. Prinsip sensor ini berdasarkan pada aliran darah di ujung jari yang intensitasnya sebanding intensitas pemompaan jantung keseluruh tubuh untuk kebutuhan O2 dalam tubuh.
Gambar 7. Prinsip - desain – rancangan finger clip sensor sebagai transduser
Blok transducer (sensor finger clip) ini tidak dapat langsung digunakan dalam pembacaan
data, transducer ini memiliki perubahan tegangan yang kecil hanya beberapa ms (milli detik).
Pem-bacaan data juga masih adanya noise pada alat atau sumber lain yang dapat dihilangkan dengan
melakukan kalibrasi agar data dapat dibaca dan diolah hasilnya. Secara fisik blok ini berbentuk penjepit plastik yang pada ujung depan terdapat plastik dan busa sebagai penutup dari sensor.
Blok pengkondisian sinyal berfungsi sebagai filter noise, penguat dan komparator dari
sinyal yang diterima dari blok transduser. Pada blok ini terdapat operational amplifier yang
merupakan komponen utama dari low pass filter noise, penguat, komparator yang kesemuanya
termuat dalam 1 chip IC TL704 dengan 4 buah Op-Amp dan penguat arus pada photodiode. Op
Amp 1 sebagai konverter arus ke tegangan untuk fotodioda yang menunjukkan variasi dari arus
reverse sebagai respon dari perubahan cahaya dari ujung jari yang berguna sebagai filter dan
penguat. Pada Op-Amp yang kedua dan ketiga hampir sama fungsinya dengan umpan balik masuk melalui pin negative. Pada Op-Amp ketiga mempunyai control gain dengan VR 1.
Gambar 8. Rangkaian blok pengkondisi sinyal
Blok counting berfungsi sebagai penghitung waktu pada 1 siklus detak jantung dari saat
mulai berdetak sampai akan berdetak kembali. 1 siklus detak jantung sebesar 1 gelombang pada saat gelombang terjadi puncak dan lembah. Perhitungan beats per menit (bpm) dan 10 denyut per
Gambar 9. Perhitungan satu siklus detak jantung
Proses perhitungan beat menggunakan mikrokontroler AT 89S51 dalam pemrosesan data
di saat pengkondisian sinyal. Perhitungan dimulai saat rangkaian transducer aktif dan sinyal dari
transduser masuk ke pengkondisi sinyal. Luaran dari pengkondisi sinyal keluar suatu kriteria high
ataupun low sesuai dengan intensitas cahaya yang terbaca pada photodiode.
Gambar 10. a. Blok denyut b. Blok pemancar RF c. Blok penerima RF
Blok transmiter berfungsi sebagai transmisi data atau media pengiriman data yang
di-peroleh dari blok counting. Penggunaan mikrokontroler AT 89S51 sebagai komponen utama yang
mendukung sistem pengiriman data. Modul pemancar RF menggunakan tipe TLP434A. Blok
receiver merupakan blok yang berfungsi sebagai penerima data yang ditransmisikan oleh
trans-miter meliputi modul RF tipe RLP434A, mikrokontroler AT89S51, dan layar LCD 2×16.
Rancangan interface heart rate monitor disesuaikan dengan keperluan data untuk
me-ngukur beats per minute (bpm) dan 10 denyut per satuan waktu (dalam ms) dengan field untuk
menampilkan pembacaan data dan field untuk record data.
Gambar 11. Rancangan interface heart rate monitor
Diuji cobakan pada 5 reponden untuk mengukur denyut jantung pada aktivitas berjalan kemudian berlari dengan 10 denyut persatuan waktu dan denyut rata-rata dalam 1 menit untuk melihat perbedaan dari perubahan pola data hasil pengukuran.
Gambar 12. a. Grafik bpm b. 10 denyut per satuan waktu
Respon dari heart rate monitor mampu menangkap dan membaca dari perubahan
Kesimpulan
Pengukuran heart rate monitor terhadap rata-rata denyut jantung dalam 1 menit (bpm) dan
10 denyut persatuan waktu dengan transmisi wireless menggunakan modul radio frekuensi (RF)
menghasilkan pengukuran dengan data yang dapat disimpan dan diolah melalui personal computer.
Hasil pengujian pada lima responden menghasilkan pola data denyut jantung yang sesuai dengan tingkat aktivitas berjalan kemudian berlari. Kualitas dari hasil pengukuran ini bergantung pada
power supply dan posisi sensor finger clip sebagai transduser yang dijepitkan di ujung jari tangan.
Ucapan Terima Kasih
Terima kasih pada Mas Farid dan team dalam memprospek alat heart rate monitor sebagai alat
bioinstrumentasi untuk riset Biomekanik dan Esha Darwinsa(alumni mahasiswa Jurusan Teknik Industri 2006) dalam menyelesaikan Penelitian Riset Terapan Ristek tahun 2010.
Daftar Pustaka
Astrand P.O. dan Rodahl K., 1986, Textbook of Work Physiology, 3rd edition, McGraw Hill
Publishing, New York.
Beshir M.Y., Ramsey J.D. dan Burford C.L., 1982, Threshold values for the Botsball: a field study of occupational heat. Journal Ergonomics, 25(3), pp. 247.
Bobo N., Bethea N.J., Ayoub M.M. dan Intaranont K., 1983, Energy Expenditure and Aerobic Fitness of Malew Low Seam Coal Miners. Journal Human Factors,25(1), pp. 43.
Chan R., 2006, Wireless Heart Rate Monitoring System, Patent Aplication Publication, USA.
Eren H., 2006, Wireless Sensors and Instruments, Taylor & Francis Group, USA.
Erliyanto M., Sumaryo S. dan Rizal A., 2008, Perancangan Perangkat Monitoring Denyut Jantung (Heart-Beat Monitoring) Dengan Visualisasi LCD Grafik Berbasis Atmel AT89C51, Konferensi
Nasional Sistem dan Informatika, Bali.
Grap Mary J., 2002, Pulse Oximetry, American Association of Critical Care Nurses Published
online, http://www.ccn.aacnjournals.org.
Herdiman L., Susmartini S., Pertiwi N., 2009, Hubungan Antara Model Tas Sekolah Anak Siswa SD (Sekolah Dasar) Dengan Tingkat Kelelahan Pemakainya, Proceeding Seminar Nasional
Industrial Services, pp. I 45 – I 55.
Herdiman L., Damayanti R.W., Primawati P., 2010, Kajian Fisiologi Tiga Desain Prosthetic Kaki
Bagian Bawah Lutut Pada Amputee Dibandingkan Orang Normal Dengan Mempertimbang-kan
Nilai Basal Metabolic Rate (BMR), Conference On Applied Ergonomics, pp. 290-294.
Kamat V., 2002, Pulse Oximetry, Indian Journal Of Anaesthesia.
Siconolfi S.F., Cullinane E.M., Carleton R.A., Thompson P.D., 1982, Assessing VO2 in epidemio-logic studies, modification of the Åstrand-Rhyming test, Med.Sci.Sports Exc.,14(5), pp. 335.
Tarwaka, Bakrie Solichul H.A., Sudiajeng L., 2004, Ergonomi untuk Keselamatan, Kesehatan
Kerja dan Produktivitas, UNIBA PRESS, Surakarta.
Yarlagadda A., 2010, Designing a Wireless Heart Rate Monitor with Remote Data Logging.
Cypress Semiconductor.
Wignjosoebroto S., 1991, Ergonomi, Studi Gerak dan Waktu, Penerbit PT Guna Widya, Jakarta.
http://www.ehow.com, 2008, heart _rate_monitor [10 Juni 2010].
http://www.klimatologibanjarbaru.com, 2008, instrumentasi_elektronik [11 Juli 2010]. http://www.needle.anest.ufl.edu, 2004, pulse_oximetery_theory,[23 Februari 2010]. http://www.oximetry.org,Principles of Pulse Oximetry Technology [10 Juli 2010].
