Sistem Pemantauan Kesehatan Manusia Berbasis Jaringan Sensor Nirkabel Ratih Dwi Wulansari

Transkripsi

1 Sistem Pemantauan Kesehatan Manusia Berbasis Jaringan Sensor Nirkabel Ratih Dwi Wulansari Jurusan Teknik Elektro FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Surabaya Abstrak Jaringan Sensor Nirkabel (Wireless Sensor Network) telah banyak diaplikasikan untuk sensing dan monitoring. Salah satu aplikasi sensing adalah di bidang kesehatan, yaitu untuk pemantauan kesehatan terutama jantung. Pemantauan kesehatan jantung manusia merupakan hal yang penting untuk peningkatkan keselamatan bagi orang yang bekerja, orang-orang yang tinggal di pedesaan, terutama orang yang berusia lanjut. Untuk melakukan pemantauan kesehatan jantung manusia, perlu diketahui karakteristik dari aktifitas yang dilakukan oleh manusia, karakteristik kesehatan organ tubuh terutama jantung pada orang sehat dan orang yang sakit, serta rancangan sistem pemantauan kesehatan manusia. Pada tugas akhir ini akan dirancang dan diimplementasikan sistem yang dapat melakukan pemantauan kesehatan jantung manusia menggunakan jaringan sensor yang dihubungkan dengan suatu interface ke PC (personal computer) shingga dapat berfungsi seperti ECG (electrocardiogram). Pemantauan kesehatan manusia dilakukan dengan menempelkan elektrode pada segitiga enthoven tubuh. Dari hasil getaran yang ditimbulkan oleh getaran jantung dapat diidentifikasi apakah orang tersebut mempunyai jantung yang sehat atau sedang sakit. Dengan demikian peforma dari sistem ini diukur dari tingkat akurasi dalam identifikasi kesehatan yang telah dilakukan. Sehingga diharapkan dengan tingkat akurasi yang tinggi sistem ini dapat diimplementasikan dan dapat memberikan manfaat bagi kesehatan manusia di masa depan. Kata Kunci : wireless sensor network, electrocardiograph, elektrode, Identifikasi 1. PENDAHULUAN Upaya di bidang kesehatan untuk terus meningkatkan kapasitas pelayanan terhadap pengguna layanan kesehatan terus berkembang.salah satu upaya yang saat ini sedang dikembangkan adalah telehealth atau e-health, yaitu pelayanan kesehatan jarak jauh. Secara umum konsep e- health meliputi 5 bagian, yaitu pengambilan data medis dari tubuh pasien, transmisi medis penyimpanan data, analisa medis dan penanganan medis. Dengan adanya teknologi informani yang sekarang memungkinkan seluruh proses tersebut tidak harus dilakukan secara langsung (bertenu). Pada skala yang paling sederhana telehealth ini bersifat lokal atau hanya menjangkau area tertentu. Komunikasi data medis dalam e-health adalah server dengan perangkat peralatan monitoring yang terpasang pada tubuh pasien. Secara umum data medis yang ditrannsmisikan meliputi 2 jenis, yaitu data yang bersifat kontinyu antara lain suara detak jantung dan sinyal detak jantung. Sedangkan data yang bersifat diskrit adalah tekanan darah, suhu tubuh, kadar O2 dan CO2 serta data-data lain yang diperlukan.[1] Perkembangan teknologi piranti elektronika yang seiring dengan perkembangan protokol komunikasi dan informasi berkembang dengan pesat sehingga dibuat suatu sensor yang generasi baru yang murah, akurat dan memiliki daya jangkauan yang lebih luas. Dengan begitu, teknologi deteksi (sensing) dan pengaturannya kini memiliki potensi untuk berkembang dengan pesat, tidak hanya di bidang ilmu pengetahuan dan teknologi tetapi juga meliputi berbagai bidang secara luas. Perkembangan teknologi deteksi diwujudkan dalam sebuah bentuk jaringan sensor yang menggunakan komunikasi sebagai media transmisi datanya yang disebut dengan jaringan sensor. Secara umum jaringan sensor yang sudah berkembang ini dapat diaplikasikan pada beberapa aspek. Misalnya saja pada bidang teknik, pemantauan lingkungan, dan pertanian, pada bidang teknik sipil juga banyak digunakan untuk monitoring struktur dan penanggulangan bencana. Bahkan pada bidang kesehatan juga banyak digunakan. Misalnya saja untuk monitoring kesehatan manusia serta untuk deteksi penyebaran bahan kimia beracun.[2] Seiring dengan kemajuan dalam teknologi jaringan Sensor yang dihubungkan dengan suatu interface dan PC (personal computer), serta semakin berkembangnya e-health sehingga memungkinkan digunakan untuk memantau kesehatan manusia yang jauh dari lokasi. Pemantauan kesehatan manusia dapat memberikan informasi yang berharga tentang tingkat kesehatan seseorang setiap hari. Wireless sensor dapat digunakan untuk memantau kesehatan sehari-hari seperti kesehatan jantung. Pemantauan kesehatan manusia merupakan hal yang penting untuk peningkatkan keselamatan bagi semua orang, baik pekerja atau lanjut usia, terutama pada daerah pedesaan dimana belum terdapat alat untuk deteksi kesehatan jantung (elektrokardiogram). 2. TEORI PENUNJANG 2.1 Jaringan Sensor Teknologi yang terus berkembang sampai hari ini membawa kita untuk melihat masa depan dari sekumpulan piranti yang memiliki konsumsi daya rendah, dengan integrasi sensor di dalamnya yang berjalan secara terprogram pada lingkungan fisik secara bersama-sama pada jaringan. Sensor dapat didefinisikan sebagai piranti yang menerina dan merespon sinyal atau stimulus [2]. Konvergensi dari internet, komunikasi, dan teknologi informasi, membawa perkembangan ke dalam dunia sensor dan aktuator. Dengan integrasi ketiga hal di atas yang diaplikasikan pada sensor akan membawa manfaat yang 1

2 besar bagi umat manusia. Manfaat ini bukan hanya dapat dirasakan oleh dunia teknologi dan ilmu pengetahuan, tetapi juga kepada aplikasi pada bidang yang lebih luas yang berhubungan dengan infrastruktur keamanan, linkungan, energi, pangan, proses produksi, dan juga peningkatan kualitas hidup. Selain itu, untuk mengurangi cost dan meningkatkan efisiensi pada dunia industri dan bisnis, jaringan sensor diharapkan dapat memberi manfaat bagi umat manusia, diantaranya untuk pengendalian panas dan cahaya, pengawasan kesehatan, diagnosa kesehatan pribadi, serta pemonitor kegiatan anak-anak. Sebuah jaringan sensor adalah sebuah infrastruktur yang terdiri dari elemen sensing (pengukuran), komputasi, dan elemen komunikasi yang memberikan kemampuan kepada administrator untuk melakukan instrumentasi, observasi, dan reaksi terhadap kejadian dan fenomena yang terjadi pada suatu lingkungan yang spesifik. Administrator dapat berasal dari berbagai kalangan seperti sipil, pemerintah, sipil, dan juga kalangan industri. Lingkungan yang dimaksud dapat berupa dunia secara fisik (bumi), sebuah sistem biologi, atau sebuah lingkungan kerja teknologi informasi[2]. Secara umum, ilustrasi mengenai Jaringan Sensor Nirkabel, komponen-komponen yang terdapat di dalamnya (node sensor dan sink) dapat dilihat pada gambar 1. Pada gambar tersebut juga dapat dilihat kemampuan jaringan sensor untuk berintregasi dengan jaringan internet melalui base station, sehingga monitoring dapat dilakukan di mana saja. 2.2 Implementasi Jaringan Sensor Nirkabel Implementasi Jaringan Sensor Nirkabel dibagi menjadi dua bagian, yaitu perangkat keras (hardware) dan perangkat lunak (software). Ada beberapa perusahaan yang telah mengembangkan perangkat keras jaringan sensor, antara lain: Intel, Crossbow, Dust Network, Millinneal Net, Arched Rock, Ember, dan lain-lain. Perangkat keras yang dipergunakan pada pengerjaan tugas akhir ini merupakan produk dari perusahaan Crossbow. Perangkat keras yang diproduksi oleh Crossbow ini dikembangkan oleh University of California Berkeley. Terdapat tiga jenis piranti yang dipergunakan yaitu sensorboard, mote, dan gateway. Secara fisik, sensorboard, mote, dan gateway dapat dilihat pada gambar 2. Gambar 1. Ilustrasi Jaringan Sensor Nirkabel Adapun penjelasan tentang masing-masing piranti pada gambar 2 adalah sebagai berikut : Sensorboard merupakan piranti yang menjalankan fungsi sensing. Setiap sensorboard memiliki kemampuan sensing yang beragam yang nantinya akan digunakan untuk aplikasi yang spesifik. Pada tugas akhir ini dipergunakan sensorboard MDA300 yang memiliki port input analog eksternal 12-bit. (a) Gambar 2. Hardware WSN (a) Sensorboard, (b) Mote, (c) Gateway[3] Mote merupakan unit yang berfungsi sebagai unit pemancar dan penerima gelombang radio (transceiver). Pada tugas akhir ini dipergunakan mote jenis MPR2400 atau yang sering disebut MICAz. Gateway merupakan perangkat yang menghubungkan jaringan sensor dengan jaringan luar. Gateway yang diproduksi oleh Crossbow juga berfungsi untuk memprogram mote untuk melakukan fungsi tertentu. Pada tugas akhir ini digunakan gateway MIB600 atau yang sering disebut ethernet programmer. Mengenai perangkat lunak, implementasi yang telah ada adalah TinyOS. TinyOS merupakan sistem operasi opensource yang didesain khusus untuk jaringan sensor, yang responsif terhadap input sensor dan berorientasi pada event. TinyOS memiliki arsitektur berbasis komponen yang mendukung adanya inovasi dan implementasi jaringan sensor dengan meminimalisasi ukuran kode yang dibutuhkan sebagaimana karakteristik jaringan sensor yang memiliki sedikit memori, sedikit daya, dan proses yang terbatas. TinyOS didesain untuk menghasilkan sistem yang hemat energi sehinggga memaksimalkan penggunaan baterai yang terbatas. Prinsip kerja yang digunakan adalah hurry up and sleep, artinya proses dilakukan secara cepat dan segera menuju kondisi sleep yaitu kondisi dimana sedang menunggu kejadian atau event. Dalam kondisi sleep, semua komponen baik hardware maupun software mati (tidak sepenuhnya mati) sampai ada event yang terjadi kembali. 2.3 Elektrokardiograph Elektrokardiograph Merupakan komponen elektronika sebagai sensor pendeteksi detak jantung yang mampu mendeteksi sinyal pada frequensi 0.01 s/d 250 Hz. Kemampuan sensor ini untuk mendeteksi sinyal yang sangat kecil, sehingga digunakan untuk mendeteksi segala hal yang terjadi berkaitan dengan kinerja jantung. Sinyal yang dikeluarkan oleh elektrokardiograf ini berupa sinyal analog sebesar 0,5 mv s/d 4 mv. Adapun bentuk fisiknya dapat dilihat pada gambar 3.[4] (c) (b) 2

3 Gambar 3. Elektrode, kabel lead dan pengolah sinyal elektrokadiogram Pengolah Sinyal Sinyal analog yang dihasilkan oleh elektrokardiogram merupakan sinyal yang masih interferensi oleh sinyal lain yang ada di dalam tubuh. Untuk itu perlu pemisahan sinyal manjadi dua bagian yaitu pertama Penguat sinyal alat (Amplifier Instrumentasi Sinyal) dan Filter (low pass filter beserta band reject filter). Dari hasil olah sinyal tersebut akan diambil sinyal detak jantungnya saja. Sinyal yang masih lemah ini kemudian di kuatkan dengan Amplifier Instrumentasi dan akan ditentukan scalingnya. Setelah sinyal diproses di pengolahan sinyal dan dibuat level scaling maka data dimasukkan ke ADC (Analog to digital convertion), dapat juga dengan memanfaatkan ADC Internal dalam mikrokontroller ATMega Teori Jantung Jantung terdiri dari dua bagian pemompaan, secara fisik tersusun paralel tetapi sirkulasi lewatnya darah dipompa secara urutan seri. Setengah bagian jantung sebelah kanan dinamakan jantung bagian kanan yang memompa darah dari arah balik dari sistem. Sirkulasi darah yang melalui paruparu dinamakan sirkulasi pulmonari yang mensupplai oksigen dan nutrisi ke sel badan. Hal ini dikenal dengan sirkulasi sistem. Warna ungu menjelaskan sinyal P. Warna kuning merah menjelaskan sinal Q. Warna biru menjelaskan sinyal R. Warna hijau menjelaskan sinyal S. Warna hitam menjelaskan segment ST (gelombang tubggu setelah repolarisasi dan digunakan untuk diagnosa Myocardial Infarction). Warna oranye menjelaskan gelombang sinyal T (dari repolarisasi ventricle juga untuk analisa Myocardial Infarction). Warna biru tua menjelaskan gelombang U yang jarang terjadi Sistem sadapan / lead Penempatan elektroda pada tubuh yang berkombinasi pada tubuh manusia yang biasanya ada 5 atau 3 seperti pada gambar 5. Elektroda sendiri bermacam macam bentuknya. Tiap elektroda diberi warna untk membedakan letak dan mempercepat pemasangan pada pasien. Kemudian ECG memilih pasangan lead dari elektroda yang terpasang. Macam Lead ada 3 yaitu: - Lead I : Lengan Kiri (LA) dan lengan kanan (LA) - Lead II : Kaki kiri (LL) dan tangan kanan (LA) - Lead III : Kaki kiri (LL) dan Lengan kiri (LA) Tiga Lead tersebut diatas di sebut bipolar yang terkenal dengan nana postulasi Einthoven dengan 3 dasar limb lead. Bipolar karena selalu ada positif dan negatif. Sebenarnya teori Einthoven adalah berupa vector einthoven dari lead I, lead II dan lead III seperti pada gambar (a) Gambar 4. (a) Sinyal QRS karena gerakan dari dalam ventrikel dan Bundle Branch Jantung (b) Sinyal ECG satu periode dengan warna yang beda Komponen sinyal jantung Komponen sinyal jantung yang lebih lengkap akan kita bahas lagi dari awal dengan beberapa warna supaya bisa dimengertidan difahami. Sinyal jantung yang lengkap dapat dilihat pada gambar 4(a). Sedangkan sinyal jantung dengan warna dapat dilihat pada gambar 7(b). Penjelasan tentang warna-warna sinyal jantung: Warna kuning adalah terjadinya fasa isoelectric atau sinyal datar. (b) Gambar 5. Tempat elektroda pada lengan dan kaki Gambar 6. Segitiga Einthoven dan lead 3

4 3. DESAIN DAN IMPLEMENTASI Sinyal jantung merupakan sinyal analog yang sangat lemah, oleh karena itu sinyal jantung yang akan dihubungkan ke pin ekspansi analog pada sensorboard MDA300CA terlebih dahulu akan diberi penguatan dan difilter. Input single-ended analog yang tersedia ada tujuh channel (A0- A6). Pada channel ini terdapat level tegangan minimum yang dapat terbaca melalui channel ini yaitu 0,6 mv. Artinya jika ada tegangan melewati channel ini yang nilainya kurang dari 0,6 mv maka ADC pada MDA300CA akan membacanya sebagai 0 V. Untuk dapat menghubungkan electrocardiograph ke node sensor (dalam hal ini melalui sensorboard MDA300CA), maka sinyal harus dikondisikan sesuai dengan spesifikasi MDA300CA. Gambar 5 menunjukkan skema interfacing antara electrocardiograph dengan sensorboard MDA300CA. Dalam desain sistem terlihat pada gambar 7, sensorboard MDA300CA yang telah terhubung dengan rangkaian electrocardiograph kemudian akan disatukan dengan mote melalui konektor 51-pin. Konfigurasi sensorboard dan mote ini membentuk suatu node sensor. Node sensor bertugas untuk melakukan sensing dan memberikan report tentang pembacaan analog to digital converter (ADC) ke base station (gateway) melalui kanal frekuensi radio (RF). Secara spesifik mote MPR2400 (MICAz) ini mengusung protokol Zigbee yang merujuk pada standart IEEE dengan frekuensi kerja 2,4 GHz. Komunikasi ini dapat berlangsung karena tertanamnya chip CC2420 buatan perusahaan Chipcon pada mote MPR2400 (MICAz). Chip ini mendukung data rate sampai dengan 250 kbps, selain itu juga memerlukan konsumsi arus yang rendah.[3] Setelah persiapan dan konfigurasi selesai dilakukan, maka tahap berikutnya yang dilakukan adalah implementasi sistem. Imlementasi yang dilakukan berdasarkan pada desain sistem yang telah dibuat sebelumnya. Sistem diuji dengan memasukkan berbagai macam sinyal. Untuk sinyal penguji, dipilih sinyal analog yang berasal dari sinyal jantung dan sinyal digital yang berasal dari pengolahan sinyal jantung dengan mikrokontroler, juga dari baterai. Metodologi penelitian dapat dilihat pada gambar 9. Gambar 7. Interfacing electrocardiograph ke Sensor Gambar 8. Skema Sistem Pengukuran sinyal jantung Gambar 9. Metodologi Penelitian 4. ANALISA DATA Setelah pengambilan data dilakukan, maka langkah berikutnya yang dilakukan adalah analisa data. 4.1 Validasi Pembacaan Sensor Kita menguji apakah hasil pembacaan sensor valid. Sebagai contoh, kita akan mempergunakan sinyal DC sebagai sinyal uji. Hasil pembacaan sensor akan dibandingkan dengan pembacaan dari voltmeter. Pada pembacaan sinyal DC, tegangan yang dimasukkan ke MDA300CA adalah 1,5 volt. Dan pada pembacaan voltmeter, tegangan DC menunjukkan nilai 1,486 volt. Pada 4

5 data yang diperoleh, nilai pembacaan sensor berkisar antara 1,4819 sampai 1,4838 volt. 4.2 Pengukuran Sinyal Pada pengujian sinyal analog jantung yang berasal dari output electrocardiograph tidak ditransmisikan dengan sensor, tetapi hasil output dari elektrocardiograph dilihat dengan osciloscope sebagai pembanding dengan sinyal sinyal jantung yang ditransmisikan dengan sensor. Pengujian dilakukan pada laki laki dengan umur 23 tahun. Didapat periode sinyal jantung 120 permenit. Hasil pengukuran sinyal jantung analog pria menggunakan osciloscope dapat dilihat pada gambar 10. Sedangkan pengujian pada perempuan dengan umur 23 tahun didapat periode sinyal jantung 100 permenit. Pembacaan sinyal analog jantung pada perempuan dapat dilihat pada gambar 11. Pada pembacaan sinyal digital jantung, sinyal analog jantung yang berasal dari output electrocardiograph tidak ditransmisikan dengan sensor, ataupun langsung dilihat dengan osciloscope. Hasil output dari electrocardiograph yang merupakan sinyal analog terlebih dahulu diubah menjadi digital menggunakan mikrokontroler. Output dari mikrokontroler inilah yang akan menjadi input dari osciloscope. Pengujian dilakukan pada 2 orang, yang pertama adalah laki laki dengan umur 23 tahun. Didapat periode sinyal jantung 120 permenit yang kedua adalah perempuan dengan umur 23 tahun. Didapat periode sinyal jantung 100 permenit. Perbedaan periode yang didapat bukan karena adanya kesalahan pada alat, tetapi disebabkan karena kondisi jantung yang berbeda pada setiap orang. Gambar sinyal digital jantung pada laki-laki dapat dilihat pada gambar 12. Sedangkan gambar sinyal digital jantung pada perempuan dapat dilihat pada gambar 13. dikarenakan pengubahan sinyal jantung menjadi digital oleh mikrokontroler mengalami pengolahan lebih lanjut dengan memberi batasan-batasan terhadap sinyal yang masuk. Jadi secara keseluruhan sinyal lebih mirip dengan sinyal referensi. Selanjutnya pengujian dilakukan dengan mentransmisikan sinyal sinyal jantung tersebut menggunakan sensor. Pengujian pertama dilakukan pada sinyal analog jantung 2 pasien yang sama seperti pengujian sebelumnya. Pada pengukuran sinyal analog jantung yang ditransmisikan dengan sensor didapatkan bahwa nilai tegangan maksimum adalah 2,5 volt dan nilai tegangan minimum adalah 0,05 volt. Gambar 12.Pembacaan Sinyal digitaljantung laki-laki dengan osciloscope Pada pembacaan sinyal jantung setelah ditransmisikan dengan sensor sinyal yang didapat tidak berbeda jauh dengan sebelumnya. Hanya saja terjadi delay yang menyebabkan bentuk sinyal agak tumpul pada puncak pertama. Hal ini dikarenakan adanya proses sampling dan kuantisasi sebelum pengiriman. Gambar 10. Pembacaan Sinyal analog jantung laki-laki dengan osciloscope Gambar 13. Pembacaan Sinyal digital jantung perempuan dengan osciloscope Pengujian kedua dilakukan pada sinyal analog jantung 2 pasien yang sama seperti pengujian sebelumnya. Hasil pengujian dapat dilihat pada gambar 14 dan 15. Gambar 11. Pembacaan Sinyal analog jantung perempuan dengan osciloscope Dapat kita lihat bahwa pembacaan sinyal digital jantung lebih bagus dibanding dengan sinyal analog. Hal ini Gambar 14. Pembacaan Sinyal analog jantung laki-laki dengan sensor 5

6 5. PENUTUP Gambar 15. Pembacaan Sinyal analog jantung perempuan dengan sensor Pada pembacaan Sinyal digital jantung yang ditransmisikan dengan sensor, dapat kita lihat bahwa pembacaan sinyal digital jantung mengalami delay yang disebabkan kesalahan kuantisasi dan sampling. Namun secara umum kita masih dapat melihat dan menyimpulkan bahwa sinyal tersebut adalah sinyal jantung. Gambar 16 dan gambar 17 menunjukan plot hasil pengukuran sinyal digital jantung. Beberapa kesimpulan yang dapat diambil setelah penelitian adalah sebagai berikut: 1. Telah dilakukan desain dan implemetasi sistem pemantauan kesehatan manusia pada jaringan sensor dengan didapatkan frekuensi sampling maksimum adalah 150 Hz 2. Koneksi antara kulit dan elektrode dapat menjadi masalah. 3. Telah dilakukan pengukuran dengan melibatkan sinyal jantung analog dan digital pada beberapa orang, dan didapatkan bahwa ada pengaruh antara mote dan gateway pada saat transmisi yang menyebabkan terjadinya delay, namun hasil pengukuran tidak sampai menyimpang jauh tetapi hal inimenjadikan sistem kurang akurat. 4. Adanya delay dikarenakan adanya proses sampling dan kuantisasi data yang akan ditransmisikan 5. Kabel antara elektrode dan ecg dapat menimbulkan banyak noise jika yang digunakan bukan kabel biomedik (kabel khusus ecg) DAFTAR PUSTAKA Gambar 16. Pembacaan Sinyal digital jantung laki-laki dengan sensor Pada pembacaan sinyal-sinyal diatas, terdapat perbedaan periode antara sinyal yang dibangkitkan dengan sinyal yang terukur. Hal ini terjadi karena adanya delay sinyal antara sinyal yang dibangkitkan dengan sinyal yang terbaca oleh sensor. Gambar 17. Pembacaan Sinyal digital jantung perempuan dengan sensor 1. Dr. sofyan djalil, SH. MA. MALD, teknologi informasi untuk kesehatan sebagai komunikasi informasi efektif bagi daerah, 5a82ae1a6d1a6413da0fa17116cd51.pdf, januari, K. Sohraby, D. Minoli, T. Znati, Wireless Sensor Network: Technology, Protocol, and Applications, Wiley-interscience, pdf/micaz_datasheet.pdf 4. Greg,S., blueecgele, 7 Oktober W. Mark Saltzman, BIOMEDICAL ENGINEERING: Bridging Medicine and Technology, Cambridge University, 2009 BIOGRAFI Ratih Dwi Wulansari, lahir di Surabaya, 4 november 1986, merupakan anak kedua dari dua bersaudara. Memulai pendidikan formal di SD Hang Tuah XII Surabaya, meneruskan pendidikan di SLTP Negeri 2 Surabaya dan SMA Negeri 1 Surabaya. Lulus SMU tahun 2004 dan melanjutkan studi di jurusan D3 Teknik Elektro ITS Surabaya, kemudian melanjutkan studi sarjana di Teknik Elektro ITS Surabaya melalui program lintas jalur. Penulis mengambil bidang studi telekomunikasi. 6