I026-1 PERANCANGAN HEART RATE MONITOR SECARA REAL TIME BERTRANSMISI WIRELESS UNTUK MENGUKUR DENYUT JANTUNG

  

PERANCANGAN HEART RATE MONITOR SECARA REAL TIME

BERTRANSMISI WIRELESS UNTUK MENGUKUR DENYUT JANTUNG

_{1 1 2} Lobes Herdiman , Retno Wulan Damayanti dan Esha Darwinsa ₁ Staf pengajar Jurusan Teknik Industri FT-UNS, Surakarta ₂

e-mail : lobesh@gmail.com

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 . Data heart rate (denyut jantung) diperoleh dari suatu alat berupa

  

monitoring heart 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 rate monitor 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 rate monitor 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 pemba- caan data secara real time dengan data yang ditampilkan. Sistem pembacaan data menggunakan 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.

  Heart Rate Monitor Monitoring jantung penting dilakukan mengingat tubuh secara kontinu melakukan sirkulasi

  darah ke seluruh organ tubuh lainnya . 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

  Jantung merupakan organ tubuh yang berfungsi memompa darah ke seluruh tubuh. Jantung bekerja diluar kemauan dan memiliki kemampuan khusus. Proses keluar-masuknya darah ke jantung menghasilkan denyut jantung. Frekuensi kerja denyut jantung itu dasarnya ditentukan oleh frekuensi aliran darah yang masuk dalam jantung yang berasal dari vena yang mana kondisinya berbanding lurus dan faktor –faktor luar (Wignjosoebroto, 1991). Monitoring denyut jantung dilakukan menggunakan teknik langsung (direct) dengan melakukan pengukuran pada jantung itu 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 display real time. Software yang berupa program untuk menampilkan data record dari hasil pengukuran.

  Gambar 5. Metodologi pembahasan

  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 rate tranducer. 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. _{100µF R 1K 560 + 4.5 V 9V Ω 0.33µF SENSO 47µF 2.2 M 1K .033µF .033µF 1M 10 + 6.5 V 9 8 6 5 1M 11 7 0.33µF 100k VR .033µF 3 0.33µF 2 1M 10k 1 1M 12 13 1M 9V 14 16V 1K}

IR LED

  _{1M 16V}

_100k

_{1M 16V 100k 47µF}

  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 satuan waktu dilakukan di software interface agar dapat menghemat memori pada mikrokontroler. 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 kecepatan denyut jantung pada reponden. Hasilnya untuk perbedaan pola data bpm dan 10 denyut per satuan waktu sudah sesuai dengan aktivitas dari reponden.

  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 rd

  Astrand P.O. dan Rodahl K., 1986, Textbook of Work Physiology, 3 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 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:/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]. es [27 November 2009]. rt_rate_monitor [28 Januari 2010].