Institutional Repository | Satya Wacana Christian University: Wearable Monitoring Device Dua Dimensi pada Tulang Belakang sebagai Alat Bantu Pencegahan Gejala Kifosis Postural T1 612012041 BAB II

5 BAB II DASAR TEORI

Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan dalam merealisasikan suatu alat yang dapat memonitoring sudut tulang belakang terhadap garis horizontal. Teori mengenai kifosis, sensor sudut kemiringan, kontroler, dan pembuatan perangkat lunak dibahas untuk memahami dasar-dasar sebelum dilakukan perancangan.

2.1KIFOSIS

Kifosis merupakan salah satu penyakit tulang belakang yang dimana tulang toraks spinal melengkung. Terdapat empat jenis kifosis yaitu :

1. Kifosis Postural

Kifosis postural atau disebut juga round back. Gejala muncul ketika usia remaja. Hal ini dikarenakan postur tubuh yang tidak baik dan otot-otot ligamen bagian belakang yang melemah. Pengidap merasakan muskoleketal disorder (MSDs) seperti gejala nyeri dan otot bagian belakang yang melemah. Tetapi mereka yang mengalami kifosis postural bisa kembali lurus. Karena, kifosis ini terjadi disebabkan postur tubuh yang buruk. Kifosis postural biasanya diatasi dengan terapi fisik untuk membantu memperbaiki postur. Obat anti inflamasi juga bisa membantu mengurangi gejala.

2. Kifosis Bawaan

Kifosis jenis ini sangat jarang terjadi. Penyebab kifosis ini adalah ketika terjadi pertumbuhan tulang belakang yang abnormal sebelum dilahirkan. Hal ini terjadi ketika bayi masih dalam kandungan. Oleh sebab itu saat masih dalam kandungan, sebaiknya para wanita mengonsumsi makanan terbaik untuk janin. Namun jika ketika anak telahir dengan kondisi abnormal, kifosis diobati dengan pembedahan sedini mungkin. Ini untuk membantu mencegah kondisi lebih parah.

6

Gambar 2.1. Besarnya Sudut Tulang Belakang Terhadap Garis Horizontal [4] 3. Kifosis Scheuerman

Kifosis yang dikarenakan akibat dari kelainan struktural tulang belakang. Jenis kifosis ini bisa berkembang menjadi scoliosis. Kelengkungan tulang belakang abnormal ke arah samping. Penyebabnya belum diketahui, jenis kifosis ini tidak hanya bisa menyerang tulang belakang, tetapi juga pada daerah leher, dada, bahkan pinggang. Jenis kifosis ini bisa diobati dengan pengabungan terapi fisik dan pengobatan nyeri pinggang serta anti inflamasi. Jika kifosis terus berkembang, bisa memakai penyangga tulang.

4. Kifosis Osteoporosis

Penyebab kifosis yang sangat umum terjadi pada orang dewasa, dan lebih banyak terjadi pada wanita daripada pria. Tulang yang rapuh atau keropos adalah penyebabnya, terlebih wanita pada pasca menopause. Saat hal ini terjadi pada usia tua, maka kifosis tak akan lurus kembali, kifosis osteoporosis juga disebut kifosis gizi dimana kekurangan vitamin D menyebabkan tulang rapuh [5].

Gejala kifosis postural dapat dideteksi, dengan mengetahui besarnya sudut tulang belakang terhadap garis horizontal dengan menggunakan accelerometer [4].

7

Gambar 2.2. Deteksi Posisi Tulang Belakang yang Melengkung Menggunakan The Spinal-Mouse System® [6].

8

Gambar 2.3. Penggunaan Brace pada Penderita Kifosis

Tabel 2.1. Data Jarak Lengkung Tulang Belakang Terhadap Garis Horizontal [6]

No Posisi Tulang Belakang Sudut (°) 1 Normal Posture 89.88 2 Round Back 75.28 3 Hollow Round Back 85.92 4 Whole Kyphosis 54.95 5 Modified Round Back 63.58

Diagnosa kifosis dilakukan dengan pengamatan dan pengukuran, biasanya menggunakan X-Ray. Apabila dalam jangka panjang dapat menimbulkan kanker. Dalam penanganannya terdapat 4 cara, yaitu:

1. Brace

Terapi dengan menggunakan mekanik pasif yang dipasangkan pada tubuh penderita kifosis yang disesuaikan dengan postur tubuh.

2. Terapi Fisik

Terapi fisik dapat dilakukan dengan cara berbaring telentang, dan tidur dengan menggunakan alas yang keras.

9

Gambar 2.4. Pengukuran Menggunakan Inclinometer Manual (Kiri) dan Flexicurve (Kanan)

3. Bedah

Terapi dengan cara pembedahan dilakukan karena runtuhnya vertebra tulang belakang.

4. Komplikasi

Terapi yang dilakukan dengan cara mengabungkan beberapa cara terapi, setelah dilakukan pembedahan, akan dilanjutkan terapi pemasangan brace, dan terapi fisik [7].

Dalam mendiagnosa kifosis, selain menggunakan X-ray digunakan juga alat-alat konvensional seperti :

1. Flexicurve

Alat ini seperti penggaris dan mudah dilengkungkan. Para fisioterapis menggunakan alat ini untuk mengukur kelengkungan bagian tulang belakang telah banyak digunakan untuk pengukuran kurva tulang belakang pada bidang spinal [8].

2. Iclinometer manual

Alat yang digunakan para fisioterapis untuk mengukur sudut bungkuk dari penderita kifosis. Penggunaannya dengan cara memasang dua buah titik inclinometer pada bagian atas dan bawah tulang belakang [9].

10 2.2 SENSOR SUDUT KEMIRINGAN

GY-521 adalah modul sensor sudut kemiringan yang di dalamnya tedapat chip MPU6050 didalamnya terdapat accelerometer dan gyrometer tiga axis. Keluaran

sensor diakses menggunakan antarmuka I2C. Rentang skala accelerometer ±2g higga ±16g. Modul ini dapat dicatu dengan menggunakan tegangan minimal 3.3V karena memiliki regulator arus searah linier 3.3V LDO (Low Drop Output).

Gambar 2.6. Skema Rangkaian GY-521 Gambar 2.5. Bentuk Fisik GY-521

11

…. (1)

…. (2) Berikut merupakan penjelasan konfigurasi pin output pada gambar 4 :

- VCC : Tegangan input - GND : Ground

- SCL : Serial Clock Line dalam protokol pengiriman data i2c. - SDA : Serial Data Line dalam protokol pengiriman data i2c. - XDA : Serial Data Line dalam protokol pengiriman data i2c. - XCL : Serial Clock Line dalam protokol pengiriman data i2c.

- AD0 : Pemilihan address sensor, apabila bernilai high 0x69 - INT : Pin untuk interrupt.

Output pin chip digital adalah open collector dengan logic high adalah floating dan logic low adalah 0 V. Sehingga harus ditambahkan resistor sebagai pull-up yang disambung pada pin I2C untuk membuat nilai floating menjadi nilai high. Di dalam perancangan ini, GY-521 dengan keluaran output accelerometer dan gyrometerm digunakan untuk mengukur besarnya sudut. Cara untuk menentukan sudut adalah :

1. Menghitung nilai percepatan dan kecepatan sudut

Agar perhitungan dapat akurat ditentukan terlebih dahulu nilai sensitivitas, agar hasil accelerometer dalam satuan g dan gyro dalam satuan °/detik . Keluaran dari MPU6050 dapat mengukur hingga percepatan ±16g, serta kecepatan sudut 2000°/detik

= ( ��

� ⁄ )

_�� = �

� = � � � � ⁄

16384 untuk sensitivitas ±2g 8192 untuk sensitivitas ±4g 4096 untuk sensitivitas ±8g 2048 untuk sensitivitas ±16g

= �

°/detik = ��

� ⁄

12

…. (3)

…. (4)

…. (5)

_�� = �

� = � � � � ⁄

13,1 untuk sensitivitas 250° 65,6 untuk sensitivitas 500° 32,8 untuk sensitivitas 1000° 16,4 untuk sensitivitas 2000°

= � °/detik

2. Menghitung sudut

Setelah didapatkan nilai percepatan gravitasi dan kecepatan sudut tiap sumbu x, y, dan z, nilai-nilai tersebut dapat dimasukan dalam persamaan. Percepatan gravitasi merupakan vector, dengan menggunakan persamaan pytagoras tiga dimensi dapat diketahui besarnya sudut yang terukur dengan menggunakan persamaan :

� = − _[

√ + ]

� = � ℎ ℎ � �

� = − [ �

√�2 + �2 ]

� = � ℎ ℎ � �

� = − _[ √ + _]

13

Gambar 2.7. Sudut yang Terukur Sensor pada Sumbu X, Y, Dan Z

…. (6)

…. (7) Dari perhitungan nilai yang terukur dalam satuaan radian, untuk mengubahnya dalam satuan derajat dikalikan dengan konstanta 57.295779513 yang didapat dari :

= 8_�

3. Filtering nilai sudut

Seluruh sensor elektronika pasti memiliki noise, untuk memperkecil nilai noise dibutuhkan filter. Filter yang digunakan pada perancangan ini adalah complementary filter. Complementary filter menggabungkan nilai yang terukur pada accelerometer dengan nilai gyrometer. Faktor slerp adalah nilai konstanta dari complementary filter yang memiliki nilai nol hingga satu.

�� = ∗ ��− + ∗ � + − ∗

�_� = � � � �_�− = � � � − = �

= � = �

14

GY-521 menggunakan Inter Integrated Circuit atau sering disebut I2C adalah standar komunikasi serial dua arah menggunakan dua saluran yang didesain khusus untuk mengirim maupun menerima data. Sistem I2C terdiri dari saluran SCL (Serial Clock) dan SDA (Serial Data) yang membawa informasi data antara I2C dengan pengontrolnya. Piranti yang dihubungkan dengan sistem I2C Bus dapat dioperasikan sebagai master dan slave. Master adalah piranti yang memulai transfer data pada I2C bus dengan membentuk sinyal start, mengakhiri transfer data dengan membentuk sinyal stop, dan membangkitkan sinyal clock. Slave adalah piranti yang dialamati master [10].

2.3 KONTROLER

Platform komputasi fisik yang bersifat open source dimana Arduino memiliki input/output (I/O) yang sederhana yang dapat dikontrol menggunakan bahasa pemrograman.

15

Gambar 2.9. GPIO Arduino Nano

Kegunaan khusus pin output dan input arduino nano :

- SPI : 10(SS), 11(MOSI), 12(MISO), 13(SCK). Pin tersebut digunakan dalam komunikasi SPI (Serial Parallel Input).

- I2C : A4(SDA), dan A5(SCL). Pin tersebut digunakan untuk komunikasi I2C(Inter-IC)

- External Interupts : 2 dan 3. Pin tersebut digunakan sebagai trigger interrupt saat nilai pin tersebut memiliki nilai rendah, kondisi ambang, atau perubahan nilai .

- Serial : 0(RX) dan 1 (TX). RX digunakan untuk menerima dan TX digunakan untuk mengirim data serial.

Selain kegunaan khusus, pin selain yang sudah disebutkan di atas, juga dapat digunakan sebagai pin output dan input pada umumnya. Arduino nano dapat dicatu dengan tegangan 7-12 Volt [11].

16

Gambar 2.11. Bentuk Fisik Modul SD Card 2.4 PENYIMPANAN DATA

_{Guna menyimpan data dari hasil pengukuran sensor dibutuhkan memori eksternal} yang digunakan sebagai media transfer antara rancangan sistem dengan perangkat komputer. Dengan adanya modul SD Card, memudahkan rancangan sistem untuk menyimpan data yang selanjutnya akan diolah pada perangkat komputer. Modul SD Card dicatu dengan tegangan antara 3.3 V hingga 5.5 V dengan, arus 80mA.

Memiliki total 6 pin GND, VCC, dan pin ISP(MISO, MOSI, SCK, CS). Sd card akan menyimpan data berupa file dalam format .txt [12].

17 2.5 PEMBUATAN PIRANTI LUNAK

MATLAB adalah sebuah bahasa dengan kinerja tinggi untuk komputasi masalah teknik MATLAB mengintegrasikan komputasi, visualisasi, dan pemrograman dalam suatu model yang sangat mudah untuk digunakan dimana masalah-masalah dan penyelesaiannya diekspresikan dalam notasi matematika yang sering meliputi bidang–bidang :matematika dan komputasi, pembentukan algoritma, akusisi data, pemodelan, simulasi, pembuatan prototipe, analisa data, explorasi, dan visualisasi, grafik keilmuan dan bidang rekayasa [12].

Dalam pembuatan skripsi ini, digunakan beberapa fungsi seperti: - plot() : Membuat grafik linier sumbu x, dan y. - histogram() : Membuat grafik histogram .

- fitdist() : Menghitung distribusi probabilitas - min() : Menghitung nilai minimum sebuah array - max() : Menghitung nilai maximum sebuah array - xlsread() : Membaca data excel dari format data .xls - xlswrite() : Menimpa data excel dari format data .xls - histcounts() : Menghitung nilai frekuensi pada histrogram - sum() : Menghitung total nilai pada sebuah array

- num2str() : Mengkonversikan bilangan integer kedalam string - size() : Menghitung ukuran sebuah array

- strcat() : Menggabungkan beberapa string - cellstr() : Membuat array yang berisi string

12

…. (3)

…. (4)

…. (5) _�� = �

� = � � � � ⁄

13,1 untuk sensitivitas 250° 65,6 untuk sensitivitas 500° 32,8 untuk sensitivitas 1000° 16,4 untuk sensitivitas 2000°

= � °/detik

2. Menghitung sudut

Setelah didapatkan nilai percepatan gravitasi dan kecepatan sudut tiap sumbu x, y, dan z, nilai-nilai tersebut dapat dimasukan dalam persamaan. Percepatan gravitasi merupakan vector, dengan menggunakan persamaan pytagoras tiga dimensi dapat diketahui besarnya sudut yang terukur dengan menggunakan persamaan :

� = − _[

√ + ]

� = � ℎ ℎ � �

� = − [ �

√�2 + �2 ]

� = � ℎ ℎ � �

� = − _[ √ + _]

13

Gambar 2.7. Sudut yang Terukur Sensor pada Sumbu X, Y, Dan Z

…. (6)

…. (7) Dari perhitungan nilai yang terukur dalam satuaan radian, untuk mengubahnya dalam satuan derajat dikalikan dengan konstanta 57.295779513 yang didapat dari :

= 8_� 3. Filtering nilai sudut

Seluruh sensor elektronika pasti memiliki noise, untuk memperkecil nilai

noise dibutuhkan filter. Filter yang digunakan pada perancangan ini adalah

complementary filter. Complementary filter menggabungkan nilai yang terukur pada accelerometer dengan nilai gyrometer. Faktor slerp adalah nilai konstanta dari complementary filter yang memiliki nilai nol hingga satu.

�� = ∗ ��− + ∗ � + − ∗

�_� = � � � ��− = � � � − = �

= � = �

14

GY-521 menggunakan Inter Integrated Circuit atau sering disebut I2C adalah standar komunikasi serial dua arah menggunakan dua saluran yang didesain khusus untuk mengirim maupun menerima data. Sistem I2C terdiri dari saluran SCL (Serial Clock) dan SDA (Serial Data) yang membawa informasi data antara I2C dengan pengontrolnya. Piranti yang dihubungkan dengan sistem I2C Bus dapat dioperasikan sebagai master dan slave. Master adalah piranti yang memulai transfer data pada I2C

bus dengan membentuk sinyal start, mengakhiri transfer data dengan membentuk sinyal stop, dan membangkitkan sinyal clock. Slave adalah piranti yang dialamati

master [10].

2.3 KONTROLER

Platform komputasi fisik yang bersifat open source dimana Arduino memiliki input/output (I/O) yang sederhana yang dapat dikontrol menggunakan bahasa pemrograman.

15

Gambar 2.9. GPIO Arduino Nano

Kegunaan khusus pin output dan input arduino nano :

- SPI : 10(SS), 11(MOSI), 12(MISO), 13(SCK). Pin tersebut digunakan dalam komunikasi SPI (Serial Parallel Input).

- I2C : A4(SDA), dan A5(SCL). Pin tersebut digunakan untuk komunikasi I2C(Inter-IC)

- External Interupts : 2 dan 3. Pin tersebut digunakan sebagai trigger interrupt

saat nilai pin tersebut memiliki nilai rendah, kondisi ambang, atau perubahan nilai .

- Serial : 0(RX) dan 1 (TX). RX digunakan untuk menerima dan TX digunakan untuk mengirim data serial.

Selain kegunaan khusus, pin selain yang sudah disebutkan di atas, juga dapat digunakan sebagai pin output dan input pada umumnya. Arduino nano dapat dicatu dengan tegangan 7-12 Volt [11].

16

Gambar 2.11. Bentuk Fisik Modul SD Card 2.4 PENYIMPANAN DATA

_{Guna menyimpan data dari hasil pengukuran sensor dibutuhkan memori eksternal}

yang digunakan sebagai media transfer antara rancangan sistem dengan perangkat komputer. Dengan adanya modul SD Card, memudahkan rancangan sistem untuk menyimpan data yang selanjutnya akan diolah pada perangkat komputer. Modul SD Card dicatu dengan tegangan antara 3.3 V hingga 5.5 V dengan, arus 80mA.

Memiliki total 6 pin GND, VCC, dan pin ISP(MISO, MOSI, SCK, CS). Sd card akan menyimpan data berupa file dalam format .txt [12].

17 2.5 PEMBUATAN PIRANTI LUNAK

MATLAB adalah sebuah bahasa dengan kinerja tinggi untuk komputasi masalah teknik MATLAB mengintegrasikan komputasi, visualisasi, dan pemrograman dalam suatu model yang sangat mudah untuk digunakan dimana masalah-masalah dan penyelesaiannya diekspresikan dalam notasi matematika yang sering meliputi bidang–bidang :matematika dan komputasi, pembentukan algoritma, akusisi data, pemodelan, simulasi, pembuatan prototipe, analisa data, explorasi, dan visualisasi, grafik keilmuan dan bidang rekayasa [12].

Dalam pembuatan skripsi ini, digunakan beberapa fungsi seperti: - plot() : Membuat grafik linier sumbu x, dan y. - histogram() : Membuat grafik histogram .

- fitdist() : Menghitung distribusi probabilitas - min() : Menghitung nilai minimum sebuah array - max() : Menghitung nilai maximum sebuah array - xlsread() : Membaca data excel dari format data .xls - xlswrite() : Menimpa data excel dari format data .xls - histcounts() : Menghitung nilai frekuensi pada histrogram - sum() : Menghitung total nilai pada sebuah array

- num2str() : Mengkonversikan bilangan integer kedalam string - size() : Menghitung ukuran sebuah array

- strcat() : Menggabungkan beberapa string - cellstr() : Membuat array yang berisi string