Perancangan dan Realisasi Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation (TENS) Sebagai Alat Terapi Pereda Rasa Sakit Berbasis Mikrokontroler.

PERANCANGAN DAN REALISASI
TRANSCUTANEOUS ELECTRICAL NERVE STIMULATION (TENS)
SEBAGAI ALAT TERAPI PEREDA RASA SAKIT
BERBASIS MIKROKONTROLER
Suma Imelda Gunawan (0822075)
Jurusan Teknik Elektro Universitas Kristen Maranatha
e-mail : sumaimeldagunawan16@ymail.com

ABSTRAK
Transcutaneous

Electrical

Nerve

Stimulation

(TENS)

merupakan

perangkat penstimulasi saraf yang digunakan untuk meredakan nyeri. TENS
hanya memiliki beberapa efek samping dibandingkan dengan terapi obat, seperti
alergi dan iritasi kulit. TENS menghasilkan arus berorde miliampere ke
permukaan tubuh melalui dua buah elektroda.
TENS yang dirancang terdiri dari mikrokontroler ATMEGA16 sebagai
generator pulsa, baterai sebagai catu daya, IC DC/DC Converter sebagai
penghasil tegangan DC tinggi, transistor dan trafo sebagai switching penghasil
pulsa bertegangan tinggi, serta antarmuka berupa keypad dan LCD.
Keluaran TENS adalah pulsa bifasik asimetris dan terdiri dari tiga macam
pola, yaitu pola kontinu hi, kontinu lo, dan pola burst dengan durasi 40-400μs dan
frekuensi 2-200Hz serta tegangan maksimum 50Vpp dan arus maksimum 100mApp
pada beban resistif 500Ω. TENS hasil rancangan memenuhi syarat keamanan
sebagai pereda nyeri dengan arus keluaran rata-rata maksimum adalah 1,6mA.
Dari 60 responden pengguna TENS selama 20 menit, 51 responden (85%)
merasakan nyeri berkurang di bawah 50% dan 9 responden (15%) merasakan
nyeri berkurang di atas 50%.

Kata Kunci: TENS, stimulator saraf, pereda nyeri, mikrokontroler

i

Universitas Kristen Maranatha

DESIGN AND REALIZATION OF
TRANSCUTANEOUS ELECTRICAL NERVE STIMULATION (TENS)
AS A MICROCONTROLLER-BASED THERAPEUTIC PAIN RELIEVER

Suma Imelda Gunawan (0822075)
Department of Electrical Engineering Maranatha Christian University
E-mail:sumaimeldagunawan16@ymail.com

ABSTRACT

Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation (TENS) is a nerve
stimulation device for therapeutic purposes, mainly as a pain reliever. There are
only few side effects when compared with drug therapy, as skin allergic and
irritation. The device is connected to the skin using a pair of electrodes and
transmits electrical current in order of milliamperes transcutaneously.
TENS device consists of an ATMEGA16 microcontroller as pulse
generator, IC DC/DC Converter to produce a high voltage, transistor and
transformer that work as switching voltage, interfaces (keypad and LCD), and a

battery.
Its output is biphasic asymmetrical pulse and provides three kind of pulse
pattern (Kontinu Hi, Kontinu Lo, and Burst) with the duration adjustable from 40400μs and the rate adjustable from 2-200Hz. Its maximum output voltage is 50Vpp
so the maximum output current is 100mApp with 500Ω resistive load. The device
conforms to the safety requirement as pain reliever device with maximum average
current at 1.6mA. Refer to 60 respondents TENS users for 20 minutes therapy, 51
respondents have less than 50% pain relief and 9 respondents have more than 50%
pain relief.
Keywords: TENS, nerve stimulator, pain reliever, microcontroller

ii
Universitas Kristen Maranatha

DAFTAR ISI
ABSTRAK ............................................................................................................... i
ABSTRACT ............................................................................................................ ii
DAFTAR ISI .......................................................................................................... iii
DAFTAR GAMBAR .............................................................................................. v
DAFTAR TABEL ................................................................................................. vii
BAB 1

BAB II

PENDAHULUAN ................................................................................ 1
I.1

Latar Belakang ............................................................................ 1

I.2

Identifikasi Masalah .................................................................... 1

I.3

Tujuan .......................................................................................... 2

I.4

Batasan Masalah .......................................................................... 2

I.5

Metodologi Penelitian .................................................................. 2

I.6

Sistematika Penulisan .................................................................. 2
LANDASAN TEORI………………….…………………………...4
II.1

Prinsip Pengontrolan Rasa Sakit/ Nyeri………………..…...4
II.1.1 Gate Control Theory…………….…………..……..5
II.1.2 Opiate-Mediated Control Theory……………….....6

II.2

TENS………………………………………………...…..….6
II.2.1 TENS Konvensional…………………..…………...9
II.2.2 AL-TENS (Accupunture Like-TENS)……..……..10
II.2.3 Intense TENS……………………………………..10

II.3

Impedansi Kulit Manusia……………………………….....11
II.4

Elektroda……………………………………………12

II.4.1 Sistem Elektroda…………………………………..12
II.5

Standard Keamanan TENS.………...………………13

II.6

Mikrokontroler ATMEGA16….……………………14

II.6.1 Pemrograman Mikrokontroler AVR...……………...18
II.6.2 Timer/Counter……………………………………...18

iii
Universitas Kristen Maranatha

BAB III

PERANCANGAN SISTEM…………………………………………21
III.1 Diagram Blok Sistem Rancangan……………………..…..21
III.2 Spesifikasi Rancangan TENS….……………………….... 22
III.3 Diagram Alir Generator Pulsa...………………………...... 24
III.4 Catu Daya………………………………………………… 26
III.5 Penaik Tegangan Pulsa……………..……………………. 28
III.6 Antarmuka…………….……………...................................28
III.6.1 LCD ...………………………...…………………29
III.6.2 Keypad……………………...………………….....30
III.7 Elektroda …….…………………………………………....32
III.8 Perancangan Perangkat Lunak TENS………………….….32

BAB IV DATA PENGAMATAN DAN ANALISA DATA .............................. 38
IV.1 Data Hasil Percobaan……………………………………...38
IV.1.1 Percobaan Mengamati Parameter Pulsa Keluaran...38

IV.1.2 Percobaan terhadap Responden Penderita Nyeri.

51

IV.2 Analisa Percobaan…………………………………………54
IV.2.1 Analisa Tegangan Keluaran………………………54
IV.2.2 Analisa Pembacaan Nilai Durasi dan
Frekuensi Pulsa……………………………………57
IV.2.3 Analisa Muatan Maksimum dan
Arus Maksimum………………………………….58
IV.2.4 Analisa Jumlah Peredaan Nyeri dengan Tiga Pola
TENS……………………………………………..60
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................. 61
V.1 Kesimpulan…………………………………………………..61
V.2 Saran…………………………………………………………61
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 62
LAMPIRAN A ....................................................................................................... A
LAMPIRAN B ........................................................................................................B
LAMPIRAN C ……………………………………………………………………C

iv
Universitas Kristen Maranatha

DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Bentuk Pulsa TENS ........................................................................... 6
Gambar 2.2 Kurva Amplituda Pulsa terhadap Durasi Pulsa Stimulasi ................. 7
Gambar 2.3 Pola Pulsa TENS ............................................................................... 9
Gambar 2.4 Kerja Arus TENS Konvensional ....................................................... 9
Gambar 2.5 Kerja Arus AL-TENS ..................................................................... 10
Gambar 2.6 Kerja Arus Intense TENS ................................................................ 11
Gambar 2.7 Konsep Impedansi Kulit Ketika Ditempelkan Elektroda ................ 11
Gambar 2.8 Arsitektur Mikrokontroler AVR RISC............................................ 14
Gambar 2.9 Konfigurasi Pinout ATMEGA16 PDIP .......................................... 16
Gambar 2.10 Peta Memori ATMEGA16 .............................................................. 17
Gambar 2.11 Alur Konversi File *.c Menjadi File*.hex ...................................... 18
Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem Rancangan ................................................... 21
Gambar 3.2 Pola Kontinu Frekuensi Tinggi (Kontinu Hi) ................................. 22
Gambar 3.3 Pola Kontinu Frekuensi Rendah (Kontinu Lo)................................ 23
Gambar 3.4 Pola Burst ........................................................................................ 23
Gambar 3.5 Diagram Alir Generator Pulsa TENS .............................................. 24

Gambar 3.6 (a) Subroutine Pola Kontinu Hi....................................................... 25
Gambar 3.6 (b) Subroutine Pola Kontinu Lo ...................................................... 25
Gambar 3.6 (c) Subroutine Pola Burst ................................................................ 25
Gambar 3.7 Rangkaian Regulator Tegangan 5V ................................................ 26
Gambar 3.8 Rangkaian Boost Converter Tegangan Keluaran 23V .................... 27
Gambar 3.9 Rangkaian Penaik Tegangan Pulsa ................................................. 28
Gambar 3.10 LCD Tipe JHD162A ....................................................................... 29
Gambar 3.11 Konfigurasi Port LCD Dipasangkan dengan Port C
Mikrokontroler ................................................................................. 30
Gambar 3.12 Keypad 4x4...................................................................................... 30
Gambar 3.13 Diagram Keypad 4x4....................................................................... 30
Gambar 3.14 Elektroda Gel yang Dipasangkan pada Busa .................................. 32
Gambar 3.15 Konfigurasi Chip dan Clock yang Digunakan................................. 33
Gambar 3.16 Konfigurasi Port B sebagai Port Keluaran Pulsa............................ 33
Gambar 3.17 Konfigurasi Port C sebagai Port LCD ............................................ 34
Gambar 3.18 Konfigurasi Port D sebagai Port Keypad ....................................... 34
Gambar 3.19 Konfigurasi Timer ........................................................................... 35
Gambar 3.20 Bentuk Pulsa Keluaran Mikrokontroler Mode A ............................ 36
Gambar 3.21 Bentuk Pulsa Keluaran Mikrokontroler Mode B ............................ 36
Gambar 3.22 Bentuk Pulsa Keluaran Mikrokontroler Mode C ............................ 37

v
Universitas Kristen Maranatha

Gambar 4.1 Pola Kontinu Hi pada Durasi 40µs ................................................. 40
Gambar 4.2 Pola Kontinu Hi pada Durasi 200µs................................................ 41
Gambar 4.3 Pola Kontinu Hi pada Durasi 400µs................................................ 41
Gambar 4.4 Pola Kontinu Hi pada Frekuensi 200Hz.......................................... 42
Gambar 4.5 Pola Kontinu Hi pada Frekuensi 100Hz.......................................... 42
Gambar 4.6 Pola Kontinu Hi pada Frekuensi 20Hz …….……………….……..43
Gambar 4.7 Pola Kontinu Lo pada Durasi 40µs ................................................. 44
Gambar 4.8 Pola Kontinu Lo pada Durasi 200µs ............................................... 44
Gambar 4.9 Pola Kontinu Lo pada Durasi 400µs ……………………………...45
Gambar 4.10 Pola Kontinu Lo pada Frekuensi 10Hz ........................................... 45
Gambar 4.11 Pola Kontinu Lo pada Frekuensi 5Hz ............................................. 46
Gambar 4.12 Pola Kontinu Lo pada Frekuensi 2Hz …………………………….46
Gambar 4.13 Pola Burst pada Durasi 40µs ........................................................... 47
Gambar 4.14 Pola Burst pada Durasi 200µs ......................................................... 48
Gambar 4.15 Pola Burst pada Durasi 400µs ……………….................................48
Gambar 4.16 Pola Burst dengan Frekuensi antar Burst 2Hz ................................ 49
Gambar 4.17 Pola Burst dengan Frekuensi Pulsa dalam Burst 100Hz ................. 49
Gambar 4.18 Durasi Fasa Positif pada Tegangan 50% Amplituda Fasa .............. 50
Gambar 4.19 Grafik Tegangan Keluaran terhadap Tegangan Catu Daya Trafo
Pada Durasi 40µs dengan Beban 500Ω, 1kΩ, 2kΩ, dan 10kΩ ....... 55
Gambar 4.20 Grafik Tegangan Keluaran terhadap Tegangan Catu Daya Trafo
Pada Durasi 400µs dengan Beban 500Ω, 1kΩ, 2kΩ, dan 10kΩ ..... 55
Gambar 4.21 Pulsa TENS Pola Burst dengan Frekuensi antar Burst 2Hz ............ 59

vi
Universitas Kristen Maranatha

DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Deskripsi Mode TENS .......................................................................... 8
Tabel 2.2 Deskripsi Pin ATMEGA16 ................................................................. 16
Tabel 2.3 Waktu Maksimal Timer ATMEGA16 Dengan Osilator Kristal
16MHz ................................................................................................ 19
Tabel 3.1 Spesifikasi Rancangan TENS ............................................................. 23
Tabel 3.2 Deskripsi Fungsi untuk 16 Pin LCD ................................................... 29
Tabel 3.3 Pembacaan Nilai Penekanan Tombol Keypad ................................... 31
Tabel 4.1
Tabel 4.2
Tabel 4.3
Tabel 4.4
Tabel 4.5
Tabel 4.6
Tabel 4.7
Tabel 4.8
Tabel 4.9

Tegangan Keluaran TENS terhadap Tegangan Catu Daya Trafo ....... 39
Pembacaan Parameter dari Tiga Sampel Pulsa Pola Kontinu Hi ....... 40
Pembacaan Parameter dari Tiga Sampel Pulsa Pola Kontinu Lo....... 43
Pembacaan Parameter dari Tiga Sampel Pulsa Pola Burst ................ 47
Peredaan Nyeri dengan Pola Kontinu Hi ........................................... 51
Peredaan Nyeri dengan Pola Kontinu Lo ........................................... 52
Peredaan Nyeri dengan Pola Burst .................................................... 53
Arus Puncak Keluaran pada Durasi 40µs …………………………...56
Arus Puncak Keluaran pada Durasi 400µs ……………………… ... 57

vii
Universitas Kristen Maranatha

BAB I: PENDAHULUAN

BAB I
PENDAHULUAN

I.1.

Latar Belakang
Teknologi terus berkembang dan perkembangannya mempengaruhi bidang

pengetahuan yang lain, salah satunya adalah bidang medis. Di dalam dunia medis,
penyembuhan pasien dilakukan dalam dua cara, yaitu pemberian obat kimia dan
terapi. Penyembuhan secara terapi dengan peralatan elektronik disebut
elektroterapi. Pada elektroterapi, berbagai peralatan elektronika telah digunakan
sebagai alat bantu untuk mengurangi dan menghilangkan rasa sakit/ nyeri. Salah
satu produk elektroterapi yang dianjurkan paramedis di beberapa negara maju dan
negara berkembang adalah TENS (Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation).
TENS merupakan perangkat elektronik berarus rendah yang digunakan
untuk merangsang saraf tubuh. Arus TENS dialirkan ke tubuh pasien melalui dua
buah elektroda yang ditempelkan pada kulit pasien. Tujuannya adalah untuk
meredakan nyeri. TENS digunakan selama dua dekade terakhir karena
karakteristik

non-invasif,

tidak

menimbulkan

overdosis,

dan

efektivitas

penyembuhannya terhadap berbagai penyakit, seperti nyeri kronis, nyeri akut,
serta nyeri pasca operasi. Selain itu, keuntungan dari penggunaan TENS adalah
karena efek samping yang kecil sehingga tergolong aman.
I.2.

Identifikasi Masalah
Permasalahan utama dari perancangan TENS adalah cara menghasilkan

sinyal pulsa yang tepat agar dapat digunakan secara aman untuk merangsang saraf
pada bagian tubuh pasien yang terasa sakit.

1
Universitas Kristen Maranatha

BAB I: PENDAHULUAN

I.3.

Tujuan
Berdasarkan perumusan masalah di atas, tujuan dari pembuatan tugas

akhir ini adalah:
1. merancang perangkat TENS sebagai alat terapi pereda rasa sakit yang praktis
dan aman
2. menghasilkan keluaran sinyal pulsa sesuai dengan kebutuhan pasien
berdasarkan ketentuan medis yang berlaku.
I.4.

Batasan Masalah
Perancangan TENS pada tugas akhir ini dibatasi oleh kriteria berikut:

1. TENS berbasis mikrokontroler ATMEGA16 dan diprogram dengan bahasa C
2. Sinyal keluaran TENS pada beban 500Ω dibatasi dengan ketentuan sebagai
berikut:

 Amplituda tegangan maksimum: 50Vpp

 Range frekuensi pulsa: 2-200Hz

 Range lebar pulsa: 40-400µs

 Batasan arus peak maksimum: 100mApp.
I.5.

Metodologi Penelitian
Metodologi penelitian yang digunakan adalah

 dalam perancangan alat, digunakan metode studi pustaka

 dalam perealisasian alat, digunakan metode uji coba.
I.6.

Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan Laporan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut:

BAB I

PENDAHULUAN
Bab ini memaparkan tentang latar belakang penulisan, identifikasi
masalah, tujuan dan manfaat, batasan masalah, metodologi penelitian,
dan sistematika penulisan Tugas Akhir ini.

2
Universitas Kristen Maranatha

BAB I: PENDAHULUAN

BAB II LANDASAN TEORI
Bab ini berisi penjelasan tentang cara mengontrol rasa sakit agar dapat
rasa sakit menjadi berkurang dengan TENS serta timer mikrokontroler
ATMEGA16.
BAB III PERANCANGAN SISTEM
Bab ini dijelaskan mengenai diagram blok, dan diagram alir sistem
TENS, serta perancangan perangkat keras dan perangkat lunak TENS.
BAB IV DATA PENGAMATAN DAN ANALISA DATA
Bab ini berisi tentang data pengamatan dan analisa data. Data
pengamatan diambil dari tiga percobaan, yaitu: percobaan mengamati
parameter pulsa dan percobaan berupa efek peredaan nyeri oleh TENS
kepada responden yang mengalami rasa sakit.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisi kesimpulan dari percobaan dan alat yang telah dirancang
serta saran.

3
Universitas Kristen Maranatha

BAB 5
KESIMPULAN DAN SARAN

V.1.

Kesimpulan
Kesimpulan yang dapat diambil dari hasil analisa data adalah sebagai

berikut:
1. TENS berhasil dirancang memenuhi syarat keamanan alat pereda rasa
sakit berdasarkan dokumen penuntun yang dikeluarkan oleh U.S.
Department of Health and Human Services bagian Food and Drug
Administration.
2. TENS berhasil dirancang sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan, yaitu
pulsa bifasik asimetris terdiri dari mode Kontinu Hi, Kontinu Lo, dan
Burst dengan durasi 40-400μs dan frekuensi 2-200Hz serta tegangan
keluaran maksimum 50Vpp dan arus keluaran maksimum 100Vpp.
3. Setelah menggunakan TENS hasil rancangan, dari 60 responden yang
menderita nyeri, sebanyak 51 responden, yaitu 85% merasakan nyeri
berkurang di bawah 50%, dan sebanyak 9 responden, yaitu 15%
menyatakan bahwa nyeri berkurang di atas 50%.
V.2.

Saran
Saran penulis untuk pengembangan TENS adalah dengan menambahkan

fitur pewaktu, digabungkan dengan NEMS atau alat elektroakupuntur.

61
Universitas Kristen Maranatha

DAFTAR PUSTAKA

[1]

Andrianto, Heri. 2008. Pemrograman Mikrokontroler AVR ATMEGA16

Menggunakan Bahasa C. Bandung: Informatika.
[2]

Holdcroft, Anita, dan Sian Jaggar. 2005. Core Topics in Pain. Cambridge:

Cambridge University Press.
[3]

Jones, Iain, Mark I. Johnson. 2009. Transcutaneous Electrical Nerve

Stimulation. Continuing Education in Anaesthesia, Critical Care & Pain, IX(4):130135.
[4]

Low, John, dan Ann Reed. 1990. Electrotherapy Explained Principles and

Practice. London: Butterworth Heinemann.
[5]

Krames, Elliot S., P. Hunter Peckham, dan Ali R. Rezai. 2009.

Neuromodulation. Elsevier.
[6]

http://www.atmel.com/images/doc8154.pdf

[7]

http://www.egochina.net.cn/eBay/Download/JHD162A.pdf

[8]
http://www.electrotherapy.org/assets/Downloads/Current%20Concepts%20in%
20Electrical%20Stimulation%20may%202010.pdf
[9]
http://www.fda.gov/MedicalDevices/DeviceRegulationandGuidance/Guidance
Documents/ucm198645.htm

62
Universitas Kristen Maranatha

[10]
http://www.implox.com/content/product%20resources/resource_documents/phy
siotherapy/Elecotrtherapy_LM_Frequency_implox.pdf
[11] http://www.intusoft.com/onsemipdfs/an920-d.pdf
[12]
http://www.marucchi.it/ZRLC_AIO_WEB/ZRLC_AIO_file/MC34063Amotoro
la.pdf
[13] http://www.st.com/st-webui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000444.pdf
[14] http://www.wisegeek.org/what-is-an-electrode.htm

63
Universitas Kristen Maranatha