RANCANG BANGUN FUNCTIONAL ELECTRICAL STIMULATOR UNTUK MEMBANTU FUNGSI EKSTREMITAS ATAS PADA PENDERITA STROKE SKRIPSI
RANCANG BANGUN FUNCTIONAL ELECTRICAL STIMULATOR UNTUK MEMBANTU FUNGSI EKSTREMITAS ATAS PADA PENDERITA STROKE SKRIPSI ROBI’AH ADAWIYYAH PROGRAM STUDI S1-TEKNOBIOMEDIK DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS AIRLANGGA 2016
ADLN - Perpustakaan Universitas Airlangga
ADLN - Perpustakaan Universitas Airlangga
RANCANG BANGUN FUNCTIONAL ELECTRICAL STIMULATOR UNTUK MEMBANTU FUNGSI EKSTREMITAS ATAS PADA PENDERITA STROKE SKRIPSI
Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Bidang Teknobiomedik
Pada Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga
Disetujui oleh: Pembimbing I, Pembimbing II,
Imam Sapuan, S.Si, M.Si. Akif Rahmatillah,S.T.,M.T NIP. 197201181999031001 NIP. 198601042008121002
LEMBAR PENGESAHAN NASKAH SKRIPSI
Judul : Rancang Bangun Functional Electrical Stimulator untuk Membantu Fungsi Ekstremitas Atas Pada Penderita Stroke
Penyusun : Robi’ah Adawiyyah NIM : 081117023 Pembimbing I : Imam Sapuan, S.Si, M.Si.
Pembimbing II : Akif Rahmatillah,S.T.,M.T Tanggal Seminar : 24 November 2015
Disetujui oleh: Mengetahui,
Pembimbing I, Imam Sapuan, S.Si, M.Si.
NIP. 19720118 199903 1 001
Pembimbing II,
Akif Rahmatillah, S.T., M.T NIP. 19860104 200812 1 002
Kepala Program Studi S1 Teknobiomedik
Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga Dr. Khusnul Ain, M.Si.
NIP. 197207051997021001
Ketua Departemen Fisika Fakultas Sains dan Teknologi,
Universitas Airlangga Dr. Moh.Yasin, M.Si.
NIP. 19670312 199102 1 001
ADLN - Perpustakaan Universitas Airlangga
ADLN - Perpustakaan Universitas Airlangga
PEDOMAN PENGGUNAAN SKRIPSI
Skripsi ini tidak dipublikasikan, namun teredia di perpustakaan dalam lingkungan Universitas Airlangga, diperkenankan untuk dipakai sebagai referensi kepustakaan, tetapi pengutipan harus seizing penyusun dan harus menyebutkan sumbernya sesuai kebiasaan ilmiah. Dokumen skripsi ini merupakan hak milik Universitas Airlangga.
ADLN - Perpustakaan Universitas Airlangga
Adawiyyah, Robi’ah. 2016. Rancang Bangun Functional Electrical Stimulator
untuk Membantu Fungsi Ekstremitas Atas pada Penderita Stroke. Skripsi dibawah bimbingan Imam Sapuan, S.Si., M.Si. dan Akif Rahmatillah, S.T., M.T.
Program Studi S1 Teknobiomedik Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga, Surabaya
ABSTRAK
Stroke merupakan penyebab kecacatan pertama di Indonesia dan kedua terbanyak di dunia. Mayoritas anggota tubuh yang mengalami kecacatan terjadi pada ekstremitas atas. Alat bantu gerak yang digunakan adalah functional electrical stimulator. Penelitian ini bertujuan untuk merancang dan menguji kinerja functional electrical stimulator serta menentukan nilai parameter FES meliputi tegangan, frekuensi dan lebar pulsa. Nilai tersebut berperan dalam menghasilkan
gerakan ekstremitas atas pada penderita stroke. Perancangan FES menggunakan
Arduino Due dan rangkaian penguat gelombang. Arduino Due digunakan sebagai pembangkit gelombang serta pengatur level amplitudo tegangan dan frekuensi. FES telah dibuat dengan spesifikasi bentuk gelombang keluaran square, lebar pulsa 500µs, tiga variasi frekuensi: 23, 25, dan 27 Hz dengan enam variasi tegangan pada masing-masing frekuensi. Pada frekuensi 23Hz, tegangan stimulus FES sebesar 112-248 Vp, frekuensi 25 Hz sebesar 116-244 Vp, dan pada frekuensi 27 Hz sebesar 114-250 Vp. Functional electrical stimulator dapat bekerja optimal pada frekuensi 5Hz-10KHz. Nilai tegangan, frekuensi dan lebar pulsa yang dibutuhkan naracoba normal untuk dapat melakukan gerakan fleksi pergelangan tangan minimal sebesar 216 Vp, 25 Hz dan 500s dengan daya 0.567 Watt. Bagi Naracoba stroke, dengan karakteristik inklusi MMT 3-5 dan spastisitas 0-2, dibutuhkan nilai tegangan, frekuensi dan lebar pulsa minimal sebesar 230 Vp,
25 Hz, dan 500s dengan daya 0.946 Watt.
Kata kunci: Functional electrical stimulator, stroke, tegangan stimulasi
ADLN - Perpustakaan Universitas Airlangga
Adawiyyah, Robi’ah. 2016. Design of Functional Electrical Stimulator to Assist
Upper Limb Function for Stroke Patient. Thesis under guidance of Imam
Sapuan, S.Si., M.Si. and Akif Rahmatillah, S.T., M.T. Biomedical Engineering of Physic Departemen, Science and Technology, Airlangga University
ABSTRACT
Stroke is the primary cause of disability in Indonesia and the second one in the world. These disabilities mostly happens at upper limb of person. For helping the disabled’s movement, functional eletrical stimulator is commonly used. This research’s main goal is to make an functional electrical stimulator then measuring the values, in which consists of the voltage, signal frequency and pulse width. These values matter in which the device will move the stroke patient’s upper limb. The signal generator of this device is made of Arduino Due, with slight modification for controlling the signal’s amplitude and frequency. The output signal from Arduino Due then is amplified by a simple op-amp. The functional electrical stimulator’s specification in this research are: square waveform, with pulse width of 500s µs, three values of frequencies (23, 25 and 27 Hz) and six voltage values for each frequency. At frequency of 23 Hz, the stimulation voltage of the device is 112-248 Vp, at 25 Hz is 116-244 Vp and the 27 Hz is 114-250 Vp. Functional electrical stimulator work optimally in frequency of 5Hz-10KHz. A normal person, according to the measurement done in this research, needs a minimum of 216 Vp, 25 Hz frequency and 500 s pulse width with 0.567 watt of power. A stroke patient, MMT of 3-5 and spasticity of 0-2, needs 230 Vp, 25 Hz frequency and 500 s pulse width with electrical power of 0.946 watt.
Keywords: Functional electrical stimulator, stroke, voltage stimulation
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat, hidayah serta kekuatan sehingga penulis dapat Stimulator menyelesaikan skripsi ini dengan judul “Rancang Bangun Functional Electrical
Untuk Membantu Fungsi Ekstremitas Atas Pada Penderita Stroke”
Terwujudnya skripsi ini tidak lepas dari bantuan berbagai pihak yang telah mendorong dan membimbing penulis, baik tenaga, ide-ide, maupun pemikiran.
Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Kedua orang tua atas do’a, motivasi, dan dukungan yang tiada henti.
2. Keluarga besar Bani Muhammad Mahfudz Thoha yang telah memberikan dukungan selama penelitian ini
3. Bapak Dr. Moh. Yasin, M.Si. selaku Ketua Departemen Fisika yang telah menyetujui dan menerima skripsi penulis.
4. Bapak Dr. Khusnul Ain, M.Si. selaku Kepala Program Studi S1 Teknobiomedik yang telah menyetujui dan menerima skripsi penulis.
5. Bapak Imam Sapuan, S.Si, M.Si. dan Bapak Akif Rahmatillah, S.T., M.T selaku dosen pembimbing yang telah menyediakan waktu dan memberikan arahan yang membantu selama proses pengajuan judul sampai dengan selesainya pembuatan skripsi ini. ADLN - Perpustakaan Universitas Airlangga
ADLN - Perpustakaan Universitas Airlangga
6. Bapak Fadhli Ama, S.T., M.T. dan Ibu Dr. Suryani Dyah Astuti, M.Si. sebagai dosen penguji yang telah memberikan saran yang membangun dalam perbaikan naskah skripsi.
7. Segenap Dosen S1 Teknobiomedik yang senantiasa leluasa memberi pendidikan karakter dan keilmuan.
8. Novi Angga Sakti, Amila Sofiah, Azisya Amalia Karima Sari, Niera Putri Kurniasih, Firman Isma Serdana, Faqih Damar Alam, dan teman-teman instrumen S1 Teknobiomedik yang senantiasa membantu kesulitan- kesulitan selama proses penelitian.
9. Adanti Wido Paramadini, Hajria Jabbar , Azizah F. R., dan teman-teman biomaterial S1 Teknobiomedik yang senantiasa membantu kesulitan- kesulitan selama proses penelitian.
10. Segenap staff Teknobiomedik dan Laboran Lab. Instrumentasi Medis yang telah memfasilitasi alat penunjang dan tempat selama proses penelitian.
Penulis menyadari bahwa naskah skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh karena itu kritik saran yang membangun dari berbagai pihak sangat penulis harapkan.
Surabaya, 5 Januari 2016 Robi’ah Adawiyyah
ADLN - Perpustakaan Universitas Airlangga
DAFTAR ISILEMBAR JUDUL ........................................................................................... . i LEMBAR PERNYATAAN ............................................................................ ii LEMBAR PENGESAHAN ............................................................................ iii PEDOMAN PENGGUNAAN SKRIPSI ........................................................ iv ABSTRAK ...................................................................................................... v ABSTRACT .................................................................................................... vi KATA PENGANTAR ..................................................................................... vi DAFTAR ISI ................................................................................................... ix DAFTAR TABEL ............................................................................................ xii DAFTAR GAMBAR ....................................................................................... xiii
BAB I PENDAHULUAN ................................................................................ 1
1.1 Latar Belakang Masalah ............................................................................. 1
1.2 Rumusan Masalah ...................................................................................... 3
1.3 Batasan Masalah......................................................................................... 4
1.4 Tujuan Penelitian ....................................................................................... 4
1.5 Manfaat Penelitian ..................................................................................... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...................................................................... 5
2.1 Ekstremitas Atas......................................................................................... 5
2.1.1 Mekanisme Kontraksi Otot .............................................................. 7
2.1.2 Gangguan Ekstremitas Atas pada penderita Stroke ......................... 12
2.1.4 Indikator Kekuatan Otot dengan Manual Muscle Testing ............... 13
2.1.3 Mekanisme Functional Electrical Stimulation terhadap Penderita Stroke ............................................................................................... 14
2.2 Prinsip Kerja Functional Electrical Stimulator ......................................... 15
2.2.1 Arduino ............................................................................................ 17
2.2.2 Rangkaian penguat ........................................................................... 18
2.2.2.1 Transitor .............................................................................. 18
ADLN - Perpustakaan Universitas Airlangga
2.2.2.2 Transformator ...................................................................... 20
2.2.3 Button Switch ................................................................................... 22
2.2.4 Elektroda hydrogel ........................................................................... 23
BAB III METODE PENELITIAN................................................................... 24
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian .................................................................... 24
3.2 Alat dan Bahan Penelitian .......................................................................... 24
3.2.1 Alat Penelitian .................................................................................. 24
3.2.2 Bahan Penelitian .............................................................................. 24
3.3 Prosedur Penelitian..................................................................................... 25
3.3.1 Tahap Perancangan .......................................................................... 26
3.3.2.1 Perancangan Hardware ....................................................... 27
3.3.2.1.1 Rangkaian Button Switch ........................................... 27
3.3.2.1.2 Perancangan Penguat ................................................. 30
3.3.2.2 Perancangan Software.......................................................... 31
3.3.2 Tahap Pengujian ............................................................................... 32
3.3.2.1 Tahap Pengujian Hardware ................................................. 32
3.3.2.2 Tahap Pengujian Software ................................................... 33
3.3.2.3 Tahap Pengujian Naracoba .................................................. 33
3.3.3Tahap Analisis data ........................................................................... 34
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ......................................................... 35
4.1 Hasil Rancang Bangun Alat ....................................................................... 35
4.2.1 Perangkat Keras ............................................................................... 36
4.2.2 Perangkat Lunak .............................................................................. 38
4.2 Hasil Pengujian dan Analisis Data ............................................................. 44
4.2.1 Pengujian Program Arduino............................................................. 44
4.2.1.1 Pengujian Bentuk Gelombang ............................................... 44
4.2.1.2 Pengujian Level Tegangan Puncak ........................................ 44
4.2.1.3 Pengujian Frekuensi ............................................................... 47
4.2.2 Pengujian Rangkaian Penguat .......................................................... 48
ADLN - Perpustakaan Universitas Airlangga
4.2.2.1 Penguat Arus .......................................................................... 48
4.2.2.2 Penguat Tegangan .................................................................. 49
4.2.3 Pengujian Lebar Pulsa ...................................................................... 50
4.2.4 Bentuk, Tegangan, Arus, dan Daya Keluaran FES .......................... 51
4.2.5 Efektivitas Functional Electrical Stimulator ................................... 53
4.2.5.1 Bentuk Gelombang ................................................................ 53
4.2.5.2 Frekuensi ................................................................................ 55
4.2.5.3 Intensitas ................................................................................ 56
4.2.6 Pengujian Naracoba ......................................................................... 57
4.2.6.1 Naracoba Normal ................................................................... 57
4.2.6.2 Naracoba Stroke ..................................................................... 61
BAB V PENUTUP ........................................................................................... 65 DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................... 67 LAMPIRAN-LAMPIRAN .............................................................................. 60
DAFTAR TABEL No. Judul Tabel Halaman
Electrical Stimulator
4.15 Tabel Data Hambatan Tubuh Naracoba
64
4.14 Tabel Nilai Tegangan Jatuh Saat Stimulus Diberikan
63
4.13 Tabel Nilai Arus Saat Naracoba Stimulus Diberikan
60
4.12 Tabel Nilai Amplitudo, Frekuensi Dan Lebar Pulsa FES Untuk Fungsi Ekstremitas Atas Naracoba Stroke
60
4.11 Tabel Nilai Amplitudo, Frekuensi Dan Lebar Pulsa FES Untuk Fungsi Ekstremitas Atas Naracoba Normal
53
4.10 Intensitas Keluaran Functional Electrical Stimulator
52
4.9 Daya Keluaran Functional Electrical Stimulator
52
4.8 Hasil Tegangan dan Arus Keluaran Functional
2.1 Grade Manual Muscle Testing
47
14
4.1 Tabel Pengujian Pemrogaman Arduino
45
4.2 Biner terhadap Tegangan
46
4.3 Tabel Pengujian Pemrogaman Arduino
4.4 Tabel Pengujian Frekuensi
49
47
4.5 Tabel Penguatan Arus Oleh Transistor
48
4.6 Teagangan Masukan dan Keluaran trafo
49
4.7 Tabel Penguatan Tegangan Puncak
64 ADLN - Perpustakaan Universitas Airlangga
ADLN - Perpustakaan Universitas Airlangga
DAFTAR GAMBAR No. Judul Gambar Halaman2.1 Otot Ekstremitas Atas
6
2.2 Gerakan Pergelangan Tangan
5
2.3 Anatomi Otot Pergelangan Tangan Gerakan
6 Fleksi
2.4 Mekanisme Kontraksi Otot
7
2.5 Fase Stimulus Saraf
8
2.6 Proses Propagasi Membran Saraf
9
2.7 Kanal pada Membran Saraf
10
2.8 Mekanisme Potensial Aksi Membran
11
2.9 Fisiologi Functional Electrical Stimulator
15 terhadap Kontraksi Otot
2.10 Pola Gelombang Functional Electrical Stimulator
16
2.11 Mikrokontroller Arduino Due
17
2.12 Tampilan Integrated Development Environment
17 (IDE) Arduino
2.13 Data Pembentuk Gelombang Square padaArduino
18
2.14 Lapisan Pengosongan pada Transistor
19
2.15 Skema Penguatan Arus Oleh Transistor
20
2.16 Trafo 1A
21
2.17 Komponen Button Switch
22
2.18 Skema Komponen Button Switch
22
2.19 Elektroda Hydrogel
23
2.20 Lapisan Multilayer Elektroda Hydrogel
23
3.1 Alur Prosedur Penelitian
25
3.2 Blok Diagram Alat Functional Electrical
27 Stimulator
3.3 Skema Functional Electrical Stimulator
50
4.10 Flowchart Logika Pemrogaman Void Loop
43
4.11 Gelombang Keluaran Arduino
44
4.12 Penguatan Arus
48
4.13 Linearitas Penguatan Tegangan
50
4.14 Lebar Pulsa Gelombang Keluaran FES
4.15 Bentuk Gelombang Keluaran FES
4.9 File Header pada Program
51
4.16 Bentuk Gelombang Keluaran Trafo
51
4.17 Bentuk Gelombang Square
54
4.18 Hubungan Frekuensi Stimulus dengan Potensial Aksi
56
4.19 Transmisi Orthodromic dan Antidromic
57
4.20 Pengukuran Arus
41
40
28
4.2 Hasil Rangkaian Button Switch
3.4 Diagram Rangkaian Button Switch
29
3.5 Penguat Tegangan
30
3.6 Alogaritma Pembangkit Pulsa Square
32
3.7 Peletakan Elektroda pada Otot Flexor Group
34
4.1 Rangkaian Functional Electrical Stimulator
35
36
4.8 Tombol Upload pada IDE Arduino
4.3 Hasil Rangkaian Penguat
37
4.4 Board pada IDE Arduino
38
4.5 Tombol Verify pada IDE Arduino
39
4.6 Hasil Keluaran Proses Verify
39
4.7 Port pada IDE Arduino
40
63 ADLN - Perpustakaan Universitas Airlangga