PENERAPAN MEKANIKA
FLUIDA TERHADAP PEMBUATAN SLV METER (SMART LUNGS VOLUME METER) INTEGRATED WITH
MICROCONTROLLER SEBAGAI ALAT PENDETEKSI DINI KELAINAN
PARU-PARU MANUSIA
Abstrak
Spirometer merupakan
instrumentasi pengukur volume paru-paru, namun spirometer di pasaran harganya
relatif mahal sehingga diperlukan alat serupa dengan harga yang lebih ekonomis
supaya dapat digunakan oleh khalayak luas. Berdasarkan latar belakang tersebut
dirancang sebuah alat yang diberi nama SLV Meter (Smart Lungs Volume Meter)
dengan memanfaatkan Atmega328p dan sensor tekanan MPX5100DP. Prinsip kerja alat
ini yaitu peniupan yang dilakukan oleh pengguna pada pipa venturimeter yang
sudah dihubungkan sensor tekanan MPX5100DP dengan keluaran nilai tegangan yang
kemudian data diterima oleh mikrokontroler arduino. Pada arduino data yang
diterima diolah oleh ADC mikrokontroler menjadi nilai digital dan dikonversikan
menjadi nilai debit yang ditampilkan pada LCD. Dari nilai debit yang didapatkan
akan digunakan untuk mendapatkan nilai volume paru-paru menggunakan metode
numerik dan bentuk grafiknya juga dapat dilihat secara manual dengan Microsoft
Excel. Perlu diketahui bahwa setiap manusia memiliki nilai normal kapasitas
vital paru-paru. Jadi, setelah didapatkan nilai volume kapasitas vital
paru-paru, dapat diketahui apakah paru-paru kita dalam keadaan normal atau
tidak, dengan batasan nilai volume yang terukur adalah 80% dari kapasitas vital
paru normalnya. Alat ini dibuat sebagai alat alternatif pengganti spirometer,
yang mana untuk kedepannya diharapkan bisa dipakai di rumah sakit dan badan
olahraga bahkan bisa dimiliki oleh tiap individu, karena alat ini relatif lebih
murah dan praktis.
Kata Kunci:
Spirometer, Atmega328p, MPX5100DP, dan Arduino
1. Pendahuluan
Fisika adalah salah satu cabang ilmu alam
yang mempelajari fenomena fisis sehingga dapat dimanfaatkan untuk kehidupan
manusia. Mempelajari ilmu fisika dapat dilakukan melalui dua pendekatan yaitu
analitis dan pembuktian melalui eksperimen. Dalam pembuktian eksperimen
fisikawan dapat melakukan dengan menggunakan alat – alat instrumentasi yang
berkaitan. Dalam hal ini fisika juga dapat diaplikasikan dalam bidang kesehatan
ataupun medis, lebih khusus lagi dalam bidang instrumentasinya.
Paru-paru adalah organ tubuh manusia yang
berfungsi memasukkan oksigen dan mengeluarkan karbondioksida dari darah dengan
bantuan hemoglobin. Proses ini disebut sebagai respirasi atau pernafasan. Nilai
normal setiap volume paru-paru dapat dipengaruhi oleh jenis kelamin, umur,
tinggi badan, berat badan dan lain-lain. Pengukuran volume paru-paru dilakukan
untuk mendeteksi apakah paru-paru seseorang mengalami kelainan atau tidak,
sehingga dapat diketahui bagaimana keadaan paru-paru manusia. Peralatan yang
dapat digunakan untuk mengukur volume udara yang masuk dan keluar dari
paru-paru yaitu spirometer.
Spirometer adalah
instrumentasi yang sangat umum digunakan di bidang kesehatan dan olahraga.
Spirometer digital juga sudah banyak dijumpai, namun harganya relatif mahal
sehingga alat ini masih jarang dimiliki baik pribadi, badan olahraga, maupun
rumah sakit - rumah sakit yang ada. Sebagai contoh adalah spirometer tipe
T.K.K. 11510 Vital milik Laboratorium SSFC Fakultas Ilmu Keolahragaan Unesa
yang nantinya juga digunakan sebagai pembanding alat. Berbeda dengan yang
dilakukan iqlima (2013) yang menggunakan syringe sebagai pengujian alat, bukan
menggunakan spirometer sebagai pembanding alat.
Sedangkan penelitian yang dilakukan rifa’i (2013)
dilakukan pengujian dengan menggunakan spirometer yang masih bersifat analog,
dan penelitian ini mempunyai prinsip kerja yang berbeda dengan penelitian yang
akan dilakukan.
Dari beberapa mahasiswa yang telah
merancang suatu alat pengukur kapasitas vital paru-paru tersebut, masih
terdapat beberapa kekurangan yang mungkin masih bisa dikembangkan. Sehingga
didapatkan suatu pemikiran dalam perencanaan perancangan suatu alat pengukuran
volume paru-paru berbasis mikrokontroler Atmega328p dengan memanfaatkan sensor
MPX5100DP yang lebih cocok digunakan untuk sensor tekanan yang lebih peka
terhadap tekanan rendah sehingga hasil yang didapatkan sangat akurat. Alat ini
dibuat sebagai alat alternatif pengganti spirometer, yang mana untuk kedepannya
diharapkan bisa dipakai di rumah sakit dan badan olahraga bahkan bisa dimiliki
oleh tiap individu, karena alat ini relatif lebih murah dan praktis.
Mekanisme Pernapasan
Respirasi adalah proses memasukkan oksigen
dan mengeluarkan karbondioksida dari darah dengan bantuan hemoglobin dalam
organ tubuh manusia. Volume udara respirasi pada setiap orang berbeda-beda,
tergantung pada ukuran paru-paru, kekuatan bernapas, dan cara bernapas.
Metode sederhana untuk meneliti besarnya
kapasitas paru adalah merekam volume pergerakan udara yang masuk dan keluar
dari paru dengan menggunakan spirometer. Dari spirometer ini didapatkan dua
istilah yaitu volume dan kapasitas paru (Astrand, 1970).
Aliran Fluida
Secara umum fluida adalah zat yang dapat
mengalir dan mengalami perubahan – perubahan bentuknya secara terus – menerus
ketika terkena tekanan walaupun relatif kecil, misalnya zat cair dan gas.
Menurut sifatnya, fluida dibedakan menjadi dua yaitu fluida ideal dan fluida
sejati (Giancoli, 2001).
Pada aliran tunak laju
aliran air pada suatu titik tertentu adalah tetap. Jika semua patikel di setiap
titik memiliki kelajuan yang sama, suatu aliran lurus bersifat tetap. Seperti
tampak (Gambar 2.1) menunjukkan tiap partikel fluida pada suatu titik saat
sampai di P akan meneruskan geraknya pada aliran yang sama. Partikel di suatu
titik akan melalui P, Q, dan R yang memiliki kelajuan yang sama saat laju di
titik pertama.
Gambar 2.1 Sebuah
partikel fluida yang bergerak melalui titik-titik P, Q, dan R, membuat suatu
garis arus. Setiap partikel lain yang lewat melalui P berjalan sepanjang garis
arus yang sama didalam aliran tunak. (Sumber: Sutrisno,1986).
Venturimeter
Venturimeter merupakan sebuah alat yang
digunakan untuk mengukur laju aliran fluida dengan luas penampang satu lebih
luas dari penampang yang satunya seperti pada gambar 2.2.
Gambar 2.2 Skema venturimeter
Laju aliran fluida pada titik kesatu dapat
diperoleh dengan persamaan tersebut dengan p1 adalah tekanan pada luas
penampang besar, p2 adalah tekanan pada luas penampang kecil, ρ adalah nilai
massa jenis udara yang dihembuskan, A1
adalah luas penampang pipa besar, dan A2
adalah luas penampang pipa kecil. Persamaan untuk laju aliran fluida pada titik
kedua didapatkan,
|
v2
|
=
|
|
2( p1 - p2 ) / r
|
|
(2.1)
|
|
|||
|
æ
|
A
|
ö
|
2
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
1 - ç
|
2
|
÷
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
ç
|
A1
|
÷
|
|
|
|
|
|
|
|
|
è
|
ø
|
|
|
|
|
|
D. Spirometer
Spirometer merupakan suatu metode
sederhana yang dapat mengukur sebagian terbesar volume dan kapasitas paru-paru.
Spirometer merekam secara grafis atau digital volume ekspirasi paksa dan
kapasitas vital paksa. Pemeriksaan dengan Spirometer ini penting untuk
pengkajian fungsi ventilasi paru secara lebih mendalam. Pengujian paru
bertujuan untuk mengetahui apakah fungsi paru seseorang individu dalam keadaan
normal atau abnormal (Lakshmanan,2012).
Prosedur yang paling umum digunakan adalah
subyek menarik nafas secara maksimal dan menghembuskannya secepat dan selengkap
mungkin. Nilai KVP dibandingkan terhadap nilai normal dan nilai prediksi
berdasarkan usia, tinggi badan dan jenis kelamin.
Gambar 2.3 Spirometer
Persamaan untuk
mengukur kapasitas vital paru-paru :
a. Untuk Laki-Laki
|
VC = 0.052T –
0.022U – 3.00
|
(2.2)
|
b. Untuk Perempuan
|
VC = 0.041T –
0.018U – 2.69
|
(2.3)
|
dengan
U = Umur, T = Tinggi badan, dan 80 % dari nilai VC sudah dianggap sehat atau
normal (Fat’ak dkk,2010).
E.
Sistem Elektronika
Sistem elektronik pada penelitian ini
meliputi mikrokontroler arduino dan sensor tekanan gas strain gauge dengan
tipe MPX2010. Lingkungan open-source Arduino memudahkan untuk menulis kode dan
meng-upload ke board Arduino. Ini berjalan pada Windows, Mac OS X, dan Linux.
Berdasarkan Pengolahan, avr-gcc, dan perangkat lunak sumber terbuka lainnya.
Arduino adalah board berbasis
mikrokontroler pada ATmega328. Board ini memiliki 14 digital input /
output pin (dimana 6 pin dapat digunakan sebagai output PWM), 6 input analog,
16 MHz osilator kristal, koneksi USB, jack listrik tombol reset. Pin-pin
ini berisi semua yang diperlukan untuk mendukung mikrokontroler, hanya
terhubung ke komputer dengan kabel USB atau sumber tegangan bisa didapat dari
adaptor AC-DC atau baterai untuk menggunakannya.
Gambar 2.4 Board Arduino
(http://arduino.cc/en/main/hardware)
Adapun konfigurasi
pin microcontroller atmega328p :
.
Gambar 2.5 Konfigurasi Pin
ATMega328
(http://fandi.students.uii.ac.id/2013/04/25/11/)
Sebagai nilai masukan yang akan diproses
pada mikrokontroler tersebut adalah hasil pengukuran dari sensor tekanan gas strain
gauge dengan tipe MPX5100DP. Sensor tersebut merupakan sensor tekanan yang
peka terhadap tekanan rendah, hanya dengan tiupan saja dapat mempengaruhi
tegangan output yang dihasilkan, sensor ini mengunakan bahan Silicon Stress
Stain Gauge. MPX5100DP adalah Strain gauge jenis piezoresistif tranducer
berbahan silicon yang terintegrasi dalam sebuah chip, bekerja pada tekanan 0
kPa sampai 100 kPa (0 psi sampai 14,5 psi) atau 15 kPa sampai 115 kPa (2,18 psi
sampai 16,68 psi) dengan tegangan output 0,2 volt sampai 4,7 volt.
Gambar 2.6 Sensor MPX5100DP
(www.FreescaleSemiconductor.com)
Adapun konfigurasi
pin-pin pada kaki komponen ini adalah sebagai berikut.
Konfigurasi Pin Sensor MPX5100DP
|
|
PIN NUMBER
|
|
|
|
|
|
|
1
|
|
Vout
|
|
|
|
|
|
2
|
|
Gnd
|
|
|
|
|
|
3
|
|
Vs
|
|
|
|
|
|
4
|
|
N/C
|
|
|
|
|
|
5
|
|
N/C
|
|
|
|
|
|
6
|
|
N/C
|
|
|
|
|
2.
Mertode Penelitian
A.
Rancangan Gambar
Gambar rancangan alat pengukur volume
paru-paru pada ini yaitu sebagai berikut:
Gambar 3.2. Diagram alir
pemrograman pada mikrokontroler
Dalam penelitian ini dilakukan peniupan
oleh manusia pada pipa venturimeter yang sudah dihubungkan dengan sensor
tekanan MPX5100DP yang mempunyai output nilai tegangan analog yang
kemudian data diterima oleh mikrokontroler ATMega328p. Pada mikrokontroler
nilai output dari sensor akan diolah oleh ADC mikrokontroler dengan
program yang sudah dituliskan pada software arduino melalui beberapa
tahap seperti pada gambar 3.2. Output dari sensor yang masih berupa
tegangan analog akan diubah menjadi nilai tegangan digital yang kemudian
dikonversikan menjadi nilai beda tekanan. Nilai beda tekanan tersebut
dimasukkan dalam persamaan (2.1) untuk mendapatkan nilai kecepatan (v) yang
digunakan untuk mendapatkan nilai debit dengan persamaan Q = A v . Hasil dari
pengolahan arduino berupa debit akan ditampilkan pada LCD.
Untuk mencari nilai volume digunakan
dengan perhitungan numerik dan bentuk grafiknya dapat dilihat secara manual
pada Microsoft Excel. Perlu diketahui bahwa setiap manusia memiliki
nilai normal kapasitas vital paru-paru. Jadi setelah kita mendapatkan nilai
volume kapasitas vital paru-paru, dapat diketahui apakah paru-paru kita dalam
keadaan normal atau tidak, dengan batasan nilai volume yang terukur adalah 80%
dari kapasitas vital paru normalnya.
B.
Teknik Pengumpulan
Data
Teknik pengumpulan data pada PKM-KC ini
dilakukan dengan beberapa tahapan, antara lain kalibrasi ADC, pengujian sensor,
pengujian alat, dan pengambilan data. Kalibrasi ADC dilakukan dengan cara
mencari grafik hubungan nilai input dengan output. Yang kedua yaitu pengujian
sensor dilakukan dengan cara memberi masukan pada input sensor tesebut.
Kemudian nilai output diukur dengan menggunakan multimeter dan mikrokontroler
pada keadaan normal (tanpa hembusan) dan ketika mendapat hembusan nafas,
kemudian dibandingkan dengan nilai yang sudah ada pada datasheet.
Setelah semua alat sudah selesai,
dilakukan pengujian alat dengan memberi masukan udara yang konstan melalui
kompresor yang sudah dikontrol nilai tekanan udaranya, kemudian dibandingkan
dari alat yang sudah dirancang dengan spirometer tipe T.K.K. 11510 Vital
digital yang dimiliki oleh Fakultas Ilmu Keolahragaan Universitas Negeri
Surabaya. Pembandingan dilakukan untuk memperoleh nilai error atau uji
kelayakan alat. Kemudian pengambilan data menggunakan alat rancangan dengan
cara obyek menghembuskan nafas pada pipa venturimeter yang kemudian dideteksi
sensor dengan output nilai tegangan. Pengambilan data tersebut dilakukan
dengan 5 kali hembusan nafas dari 5 orang yang berbeda.
C.
Teknik Pengolahan
Data
Pada teknik pengolahan data ini dilakukan
sesuai dengan teknik pengumpulan data di atas, namun ada beberapa tahap
tambahan yang digunakan untuk memperoleh nilai volume paru-paru yang terukur.
Tahap pertama yaitu mengkonversi data analog yang diterima oleh mikrokontroler
dari keluaran sensor berupa tegangan menjadi nilai tekanan. Dari nilai tekanan
tersebut didapatkan nilai laju aliran atau debit. Kemudian pada tahap kedua
nilai debit yang sudah didapatkan akan dihitung dengan perhitungan numerik untuk mendapatkan
nilai volume. Jika
data
ditampilkan grafik hubungan antara debit terhadap
fungsi waktu secara manual menggunakan Microsoft Excel akan terlihat
seperti pada gambar 3.3.
Gambar 3.3. Grafik hubungan
debit terhadap fungsi waktu
Pada gambar 3.3 terlihat grafik yang
menggambarkan hubungan antara debit terhadap fungsi waktu. Grafik tersebut
menunjukkan bahwa setelah melakukan pengambilan nafas secara maksimal dan
dikeluarkan pada pipa venturimeter, aliran udara yang dihembuskan manusia
semakin lama akan semakin menurun dan juga volume yang tersimpan pada paru –
paru akan semakin berkurang. Sehingga pada titik atau waktu tertentu volume
udara paru – paru juga akan habis sebelum melakukan inspirasi lagi.
Dari grafik yang sudah didapatkan dari
hembusan nafas tersebut akan dihitung nilai volume paru-paru menggunakan
persamaan dengan menjumlahkan setiap debit dikalikan dengan selang waktu yang
terjadi selama ditampilkan setiap nilai debit tersebut dengan
Persamaan
V
= Q1(t1 - t0) + Q2(t 2 - t1) +.......+ Qa(ta - ta - 1) .
DAFTAR PUSTAKA
Astrand. 1970. Fisiologi Tubuh Manusia.
Translated by Guyton, AC. 1996. Jakarta: Binarupa Aksara.
Giancoli. Douglas C. 2001. Physics
Principles With Applications, Fifth Edition. Jakarta: Erlangga.
Haq, M.F.D., dkk. Pengolahan Sinyal
Respirasi Dengan Fir Untuk Analisa Volume Dan Kapasitas Pulmonary. Surabaya
: Institute Teknologi Sepuluh November.
Hernawati. 2008. Sistem Pernapasan
Manusia pada Kondisi Latihan dan Perbedaan Ketinggian.
Iqlimah, Atika. 2013. Perancangan Alat
Ukur Volume Udara Pernapasan Manusia. Malang : Universitas Brawijaya.
Lakshmanan, D.M.P. 2012. Profil Pasien
Yang Menjalani Pemeriksaan Spirometri Di Poli Faal Paru Dan Instalasi
Diagnostik Terpadu Di Rumah Sakit Umum Haji Adam Malik, (Moh. Fat’ak
Diya’ul Haq)Medan Dari Periode Januari 2012 Sampai Juni 2012. Medan :
Universitas Sumatera Utara.
Rifa’i, Achmad dkk. 2013. Aplikasi
Sensor Tekanan Gas Mpx5100 Dalam Alat Ukur Kapasitas Vital Paru-Paru.
Semarang : Universitas Negeri Semarang.
Sears Zemansky. (1962). FISIKA untuk
Universitas 1 Mekanika, Panas, Bunyi. Jakarta: Binacipta.
Sutrisno. 1986. Fisika
Dasar : Mekanika. Jilid 2. Bandung: Institute Teknologi Bandung.
Tipler, P.A. & Mosca, G. 1998. Physics
for Scientist and Engineers Third Edition. Jakarta: Erlangga.
0 komentar:
Posting Komentar