T1__BAB II Institutional Repository | Satya Wacana Christian University: Media Pembelajaran Sistem Pengukuran Aktivitas Elektrik Jantungeadaan Oksigen dalam Darah, dan Tekanan Darah dengan Metode NonInvasive T1 BAB II

BAB II
DASAR TEORI

Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan sebagai
acuan dalam merealisasikan sistem. Teori-teori yang digunakan dalam pembuatan
skripsi ini terdiri dari EKG, PPG, Blood Pressure, module EKG AD8232, Arduino
Mega 2560, Bandpass Active Filter , Driver L298D, Handcuff, Air Pump Motor, Sensor
Tekanan MPX5050GP, Solenoid Valve, dan LCD Grafik Touchscreen.

2.1. Aktivitas Elektrik Jantung dan Metode Pengukurannya
EKG adalah sebuah peralatan medis yang digunakan untuk mengukur aktivitas
elektrik otot jantung dengan mengukur perbedaan biopotensial bagian luar tubuh.
Biopotensial adalah aktivitas listrik dari sel-sel yang ada di dalam tubuh yang
menimbulkan sinyal listrik [1]. Sinyal EKG merupakan suatu gambaran dari potensial
listrik yang dihasilkan oleh aktivitas listrik otot jantung. Elektrokardiogram merupakan
rekaman informasi kondisi jantung yang diambil menggunakan elektrokardiograf yang
ditampilkan melalui monitor atau dicetak pada kertas. Sinyal EKG merupakan sinyal
Alternating Current (AC) dengan rentang frekuensi 0,05Hz – 100Hz dengan maksimal

amplitudo 2mV [1]. Sebuah contoh sinyal EKG dapat dilihat pada Gambar 2.1.


Gambar 2.1 Sinyal EKG Normal [1]
Dapat dilihat pada Gambar 2.1, sebuah sinyal EKG mempunyai beberapa
komponen, yaitu bagian P , PQ, QRS, ST, T, dan U. Titik P adalah denyutan/kontraksi
pada atrium jantung (dextra & sinistra ). Titik Q , R, dan S adalah denyutan/kontraksi
pada ventrikel jantung (dextra & sinistra ) dan titik T berarti relaksasi pada ventikel
jantung. Orang yang berumur enam tahun keatas memiliki 60 – 100 beat per minute
(bpm). Besarnya amplitudo dari sinyal EKG tersebut bervariasi tergantung pada
pemasangan elektroda dan kondisi tubuh seseorang [1].

4

2.2. Kadar Oksigen Saturasi Dalam Darah dan Metode Pengukurannya
PPG adalah suatu perangkat yang digunakan untuk mengukur kondisi peredaran
darah yang dipompa oleh jantung pada bagian ujung jari atau daun telinga. Hasil
pengukuran tersebut dapat berguna untuk mengetahui kondisi jantung. Selain untuk
mengamati kinerja jantung, PPG juga dapat dimanfaatkan untuk monitoring pernafasan
dan mengukur saturasi oksigen (SpO2) dalam darah. Saturasi oksigen adalah
perbandingan hemoglobin yang mengikat oksigen dengan hemoglobin yang tidak
mengikat oksigen [2].
Pulse oximetry adalah suatu metode untuk mengukur SpO2. Alat pulse oximetry


menggunakan dua panjang gelombang cahaya yang berbeda yaitu, merah antara 630nm
- 660nm dan inframerah antara 850nm - 940nm untuk menembus bagian tertentu dari
tubuh pasien, biasanya ujung jari atau daun telinga, dan mengukur intensitas cahaya
yang berkurang (R-ratio). Jaringan biologi yang sedang diukur terdiri dari banyak unsur
- unsur mencakup kapiler, arteri, vena, kulit, dan jaringan yang lainnya. Untuk
pembuluh darah arteri penyerapan cahaya tidak tetap, berkurangnya cahaya oleh unsur
jaringan lainnya adalah relatif tetap. Transmisi cahaya melalui arteri adalah denyutan
yang diakibatkan pemompaan darah oleh jantung.
Pulse oximetry didasarkan pada prinsip oxygenated hemoglobin (HbO2) yang

menyerap cahaya yang berbeda dengan deoxygenated hemoglobin (Hb) [2], seperti
ditunjukkan oleh Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Penyerapan Hb dan HbO2 [7]

5

Alat pulse oximetry menggunakan Light Emitting Diode (LED) merah dan LED
inframerah bersama-sama dengan photodetector untuk mengukur penyerapan cahaya

melalui jari atau daun telinga. Pengurangan cahaya dapat dilihat pada Gambar 2.3,
terdapat tiga bagian besar, yaitu pengurangan cahaya akibat darah arteri, pengurangan
cahaya akibat darah vena, dan pengurangan darah akibat jaringan. Pengurangan cahaya
akibat aliran darah vena dan jaringan menghasilkan sinyal yang relatif tetap (DC),
sedangkan pengurangan cahaya oleh aliran denyut dari arteri menghasilkan sinyal yang
tidak tetap (AC).

Gambar 2.3 Transmisi Cahaya Melalui Jari [2]

Penyerapan lebih tinggi cahaya inframerah dibandingkan cahaya merah adalah
indikasi dari oksigen saturasi yang tinggi sedangkan penyerapan lebih tinggi cahaya
merah dibandingkan cahaya inframerah adalah indikasi dari oksigen saturasi yang
rendah. Fungsi dari oksigen saturasi (SpO2) digambarkan sebagai perbandingan HbO2
dengan total jumlah Hb. Berikut adalah Persamaan 2.1 yaitu perbandingan HbO2
dengan Hb yang diukur menggunakan pulse oximetry :

(2.1)
Keterangan :
SpO2 = Kadar oksigen saturasi dalam darah (%).
HbO2 = Hemoglobin yang mengikat oksigen.

Hb

= Hemoglobin yang tidak mengikat oksigen.

6

Warna yang lebih gelap pada darah vena dibandingkan darah arteri berkaitan
dengan fakta bahwa Hb menyerap warna merah lebih banyak daripada cahaya biru.
Perbedaan warna molekul Hb dan HbO2 adalah kunci dari pulse oximetry. Nilai R
dihitung dari oximetry dengan pengambilan perbandingan penyerapan cahaya merah
dan inframerah [2].

(2.2)

Keterangan :
R

= Rasio penyerapan cahaya LED merah dengan LED inframerah

ACred = Penyerapan cahaya LED merah pada arteri (V).

ACired = Penyerapan cahaya LED inframerah pada arteri (V).
DCred = Penyerapan cahaya LED merah pada vena dan jaringan (V).
DCired = Penyerapan cahaya LED inframerah pada vena dan jaringan (V).

Nilai SpO2 dapat dihitung dengan memasukkan nilai R pada persamaan di bawah
ini [2].

(2.3)

Keterangan :
SpO2 = Kadar oksigen saturasi dalam darah (%).
R

= Rasio penyerapan cahaya LED merah dengan LED inframerah

2.3. Tekanan Darah dan Metode Pengukurannya
Tekanan darah merupakan tekanan hasil dari peredaran darah pada tubuh manusia.
Tekanan darah akan mencapai maksimal saat jantung berkontraksi untuk memompa
darah dan disebut tekanan sistolik. Sedangkan saat jantung sedang istirahat diantara dua
kontraksi tersebut, tekanan darah akan mencapai nilai minimal dimana disebut tekanan

diastolik. Untuk kekuatan jantung dan frekuensi denyut jantung diatur oleh syarafsyaraf yang menyelubungi jantung[3].

7

Pengukuran tekanan darah menggunakan metode oscillometry

non-invasive

otomatis. Metode oscillometry merupakan metode pengukuran tekanan darah
menggunakan sensor tekanan untuk mendeteksi tekanan darah manusia. Metode ini
mengandalkan sinyal yang berosilasi akibat detak jantung yang terjadi. Dengan
melilitkan handcuff yang dapat terisi udara pada lengan kemudian dipompakan sampai
tekanan tertentu (Gambar 2.4) dan sensor tekanan akan menerima sinyal tekanan dari
handcuff untuk diproses menjadi tekanan sistolik atau diastolik melalui mikrokontroller.

Gambar 2.4 Contoh Hasil Sinyal Keluaran dari Sensor Tekanan [3]

Keluaran sensor tekanan harus melalui high pass filter (HPF) untuk membuang
sinyal frekuensi 0,04Hz karena merupakan frekuensi handcuff sedangkan frekuensi
yang dibutuhkan adalah 1Hz yaitu frekuensi tekanan darah. Setelah melewati

rangkaian filter didapatkan data keluaran sensor tekanan dan Mean Atrial Pulse
(MAP), dengan data tersebut dapat ditentukan posisi tekanan diastolik dan tekanan
sistolik. Tekanan sistolik dapat dihitung dengan mencari nilai tekanan saat
amplitudo 0,6 dari nilai MAP sebelum nilai MAP, sedangkan tekanan diastolik
dapat dihitung dengan mencari nilai tekanan saat amplitudo 0,8 dari MAP setelah
nilai MAP [3].

8

Gambar 2.5 Daerah Osilasi Sinyal Sensor Tekanan [12]

2.4. Module EKG AD8232
AD8232 adalah module EKG yang digunakan untuk mengetahui aktivitas elektrik
jantung.

Berikut adalah spesifikasi dari module EKG AD8232
-Low supply current: 170µA.
-Common-mode rejection ratio: 80dB (dc to 60Hz)
-High signal gain (G = 100) with dc blocking capabilities
-Single-supply operation: 2,0V to3,5V

-Integrated reference buffer generates virtual ground

Gambar 2.6 Module EKG AD8232 [8]

9

Tabel 2.1 Electrode Color Code [15]

2.5.

Arduino Mega 2560
Arduino Mega 2560 digunakan untuk mengolah data yang didapat dari sensor.

Arduino Mega 2560 dipilih karena sudah memiliki fitur plot grafik untuk
mempermudah pengamatan.

Gambar 2.7 Arduino Mega 2560 [9]
Spesifikasi Arduino ini adalah :
1. Microcontroller : ATmega2560
2. Input Voltage (recommended) : 7-12V

3. Digital I/O Pins : 54 (of which 15 provide PWM output)
4. Analog Input Pins : 16
5. DC Current per I/O Pin : 20mA
6. DC Current for 3,3V Pin : 50mA
7. Flash Memory : 256kB (ATmega256) of which 8kB used by bootloader
8. SRAM

: 8kB

9. EEPROM : 4kB
10. Clock Speed : 16MHz
10

2.6. Bandpass Filter
Bandpass Filter digunakan untuk meloloskan frekuensi dengan rentang tertentu

dengan mengatur batas frekuensi bawah (fL) dan batas frekuensi atas (fH) sesuai dengan
Persamaan 2.4 dan Persamaan 2.5. Penguatan dapat diatur dengan menggunakan
Persamaan 2.6. Rangkain dasar non-inverting bandpass active filter dapat dilihat pada
Gambar 2.8.


Gambar 2.8 Rangkaian non-inverting bandpass active filter

(2.4)

(2.5)

(2.6)

2.7. Driver L293D
Driver motor L293D digunakan untuk menyalakan air pump motor dan solenoid
valve karena Arduino Mega 2560 hanya mampu memberikan keluaran maksimal 5V

dan yang dibutuhan adalah 12V.

11

Gambar 2.9 Driver L293D [10]

Berikut adalah spesifikasi dari L293D :

• Input Supply-Voltage Range: 4,5V to 5V
• Separate Input-Logic Supply
• Output Voltage Range: 4,5V to 36V
• High-Noise-Immunity Inputs
• Output Current 1A Per Channel (600 mA for L293D)
• Peak Output Current 2A Per Channel (1,2A for L293D)
2.8. Handcuff Blood Pressure
Handcuff digunakan sebagai pelilit lengan untuk proses pengukuran tekanan

darah. Handcuff dapat dipompa mencapai tekanan tertentu.

Gambar 2.10 Handcuff [17]

12

2.9. Air Pump Motor
Motor ini digunakan sebagai pompa angin untuk mengisi handcuff sampai tekanan
tertentu.

Gambar 2.11 Mini Air Pump Motor [18]

Spesifikasi alat sebagai berikut :
- Tegangan : DC 5V-12V
- Arus : 250mA
- Aliran Air Tanpa Beban: 2,0L / min
- Tekanan:> 450mmHg
- Tingkat Kebisingan: 65dB

2.10. Sensor Tekanan MPX5050GP
Sensor tekanan digunakan untuk membaca tekanan pada handcuff untuk
memperoleh data yang akan diproses oleh Arduino Mega 2560 untuk mendapatkan nilai
sistolik dan diastolik.

Gambar 2.12 MPX5050GP [19]

13

Spesifikasi dari sensor tekanan MPX5050GP :
- Supply : 5 VDC, 7mA typ.
- Ported elements, gauge.
- Pressure range : 0-50kPa atau 0-375mmHg.
- Sensitivity : 90mV/kPa atau 12mV/mmHg.
- Response time : 1ms.
- Error : 2,5% max.

Gambar 2.13 Wiring Sensor Tekanan MPX5050GP [20]

2.11. Solenoid Valve
Selonoid valve digunakan sebagai katup untuk mengatur keluarnya udara pada
handcuff. Solenoid valve akan terbuka ketika mendapat tegangan masukan 12V.

Gambar 2.14 Solenoid Valve [21]

14

Spesifikasi alat sebagai berikut :
- Bahan utama: Logam
- Ukuran: (2 × 1,5 × 1,2) cm3
- Rated voltage: DC 12V
- Rated current: 45mA
- Pressure range: 0-350mmHg

2.12. LCD Grafik Touchscreen 2,8”
LCD pada Gambar 2.13 digunakan sebagai penampil dari data yang diperoleh dan
sebagai tombol untuk memilih pilihan. LCD ini memiliki resolusi 320 × 280 pixels dan
sudah memiliki fitur layar sentuh yang dapat diakses melalui Arduino Mega 2560.

Gambar 2.15 LCD Grafik Touchscreen [22]

15