KARAKTERISTIK OUTPUT BIOELECTRICAL IMPEDANCE GERAKAN BAHU DENGAN METODA K-MEANS CLUSTER ANALYSIS

Transkripsi

1 ISSN Cetak : 54-6 ISSN Online : Denpasar-Bali, 8 Oktober 7 KARAKTERISTIK OUTPUT BIOELECTRICAL IMPEDANCE GERAKAN BAHU DENGAN METODA K-MEANS CLUSTER ANALYSIS Hastuti, Juli Sardi, Ali Basrah Pulungan Jurusan Teknik Elektro FT UNP hastuti@gmail.com ABSTRACT This research explains the characteristics of bioelectrical impedance output of shoulder movement. The bioelectrical impedance (bioimpedance) is a passive electrical part found in body tissues. The results of this study is expected to be used as a control signal on a system. This research begins with the design of bioimpedance processing system consists of a series of stimulation and bioimpedance instrumentation. The bioimpedance measurement was performed by injecting a sinusoidal current source of.5 marms with a frequency of 5 khz to muscle tissue (shoulder). The function of instrumentation circuit is to detect the voltage s change due to changes in the value of bioimpedance between - 5 volts. The method of K-Means Cluster analyze the three types of shoulder movement, and the results can be divided into two clusters based on the feature vector of each movement. The upward and forward movement is one cluster, and the backward movement is a different cluster. Keywords: bioimpedance, k-means cluster analysis, shoulder ABSTRAK Penelitian ini menjelaskan karakteristik output bioelectrical impedance gerakan pada bahu.bioelectrical Impedance(bioimpedance) adalah bagian elektrik pasif yang terdapat pada jaringan tubuh. Hasil penelitian ini diharapkan bisa dijadikan sinyal kontrol pada suatu sistem. Penelitian ini diawali dengan perancangan sistem pengolah bioimpedance yang terdiri dari rangkaian stimulasi dan instrumentasi bioimpedance.pengukuran bioimpedance dilakukan dengan menginjeksikan sumber arus sinusoidal sebesar,5 ma rms dengan frekuensi 5 khz ke jaringan otot tubuh (bahu). Rangkaian instrumentasi berfungsi untuk mendeteksi perubahan tegangan akibat berubahnya nilai bioimpedance karena adanya gerakan yang dilakukan sehingga didapatkan variasi tegangan keluaran yang berkisar antara 5 Vdc.Dengan metode K-Means Cluster Analysis dilakukan analisa terhadap tiga jenis gerakan bahu, hasilnya bisa dibedakan menjadi dua cluster berdasarkan vektor ciri dari masing-masing gerakan. Gerakan ke atas dan ke depan merupakan satu cluster dan gerakan ke belakang merupakan cluster yang berbeda. Kata kunci : bioimpedance, k-means cluster analysis, bahu PENDAHULUAN Sinyal bioelectrical impedance (bioimpedance) tubuh memiliki potensi yang sangat besar untuk dijadikan sebagai sinyal kontrol pada suatu sistem. Perubahan nilai bioimpedance tubuh terjadi ketika ada pergerakan yang dilakukan oleh bagian tubuh tertentu. Dengan adanya perubahan 46 nilai bioimpedance, kita bisa menggunakannya sebagai input atau referensi dalam suatu sistem. Salah satu aplikasi yang bisa digunakan dari pemanfaatan sinyal bioimpedance adalah sebagai perintah kontrol untuk mengatur gerak dan kecepatan dari kursi roda. Sebelum digunakan sebagai input dalam suatu sistem, terlebih dahulu dilakukan

2 ISSN Cetak : 54-6 ISSN Online : Denpasar-Bali, 8 Oktober 7 analisa terhadap karakteristik dari sinyal bioelectrical impedance.. Salah satu bagian penting yang harus diperhatikan ketika menggunakan sinyal bioimpedance sebagai input atau referensi pada suatu sistem adalah bagaimana mengukur, membedakan dan mengklasifikasikan berbagai jenis gerakan yang dilakukan oleh bagian tubuh tertentu, sehingga masing-masing gerakan tersebut memiliki ciri dan bisa digunakan untuk perintah kontrol yang berbeda. Seluruh material, termasuk jaringan tubuh, memiliki sejumlah sifat listrik yang berbeda-beda.tabuenca (9: 7-8), Bioimpedance mengacu pada perlawanan dari aliran arus yang melalui jaringan tubuh.sel tubuh terdiri dari dua bagian yaitu intraseluler dan ekstraseluler. Membran sel dalam kumpulan intraseluler menentukan besar reaktansi. Model pendekatan rangkaian elektronika dari tiap sel dapat dilihat seperti Gambar. Gambar.ModelPendekatan Elektronika Sel(Tabuenca, 9: 7) Jaringan tubuh merupakan gabungan dari banyak sel dengan besar dan komposisi yang berbeda menjadi sebuah ionic salt dissolution. Model pendekatan elektronik dari suatu jaringan tubuh seperti pada Gambar. Gambar.Model Pendekatan elektronikajaringan Tubuh (Grimes dkk, ) Keterangan : R i : Intracellular Resistance C m : Intracellular Reactance : Extracellular Resistance R e Bagian elektrik pasif yang terdapat pada jaringan tubuh disebut dengan bioimpedance. Untuk mengukur besarnya bioimpedance, pada bagian tubuh tertentu akan dialiri arus listrik yang kecil melalui suatu elektroda. Besar bioimpedance yang terukur bisa diketahui dengan menggunakan hukum Ohm. Z = V I Dimana V adalah tegangan dan I adalah arus. Tujuan dilakukan penelitian ini adalah untuk menentukan metode pengukuran yang paling tepat sehingga didapatkan sinyal bioimpedance yang bisa dijadikan sinyal kontrol. Penggunaan metode K- Means Cluster Analysisbertujuan untuk mendapatkan klsifikasi yang tepat sebelum sinyal bioimpedance digunakan sebagai sinyal kontrol. Gambar. Metode Pemasangan Elektroda Pengukuran Bioimpedance (Paavle Toivo dkk, ) Terdapat dua metode pengukuran bioimpedance, yaitu pengukuran dengan menggunakan dua elektroda dan pengukuran dengan menggunakan empat elektroda. Pada metode yang 47

3 ISSN Cetak : 54-6 ISSN Online : Denpasar-Bali, 8 Oktober 7 pertama digunakan elektroda yang sama untuk menginjeksikan arus dan mengukur tegangan, sedangkan metode yang kedua digunakan dua pasang elektroda yang berbeda untuk memompa arus dan meugkur besar beda potensial. Dua metode tersebut dapat digambarkan pada Gambar. Metode yang pertama lebih mudah, namun bukanlah pilihan yang tepatkarena impedansi dari elektroda akibat polarisasi juga akan terukur.hal itu berarti seluruh pergerakan artefak pada elektroda akan berpengaruh besar terhadap hasil pengukuran. Pilihan yang tepat ialah dengan menggunakan metode kedua, yaitu konfigurasi empat elektroda atau tetrapolar (Allan F. Pacela, 996). Pada penelitian ini, dilakukan eksperimen untuk mendapatkan karakteristik output dari sinyal bioimpedance dari gerakangerakan yang dilakukan pada bagian bahu (pundak) manusia. Sinyal bioimpedance yang dihasilkan kemudian dianalisis dengan metode K-Means Cluster Analysis tujuannya adalah untuk mendapatkan vektor ciri dan karakteristik sinyal bioimpedance dari masing-masing gerakan bahu yang nantinya layak digunakan sebagai perintah kontrol pada suatu sistem. METODE PENELITIAN Metode pengukuran bioimpedance yang dilakukan yaitu dengan metode empat elektroda, tetapi terdapat sedikit modifikasi. Pada umumnya metode empat elektroda memerlukan enam buah elektroda untuk dua kanal, namun pada penelitian ini hanya digunakan tiga buah elektroda seperti yang terlihat pada gambar. Elektroda dan digunakan untuk stimulasi arus dan masingmasing juga digunakan sebagai detektor tegangan. Elektroda nomor bertindak sebagai ground dari kedua kanal (Yunfei, 9: 7-8). Konfigurasi pemasangan elektroda diperlihatkan pada gambar berikut: Gambar 4. Konfigurasi Pemasangan Elektroda(Yunfei, 9: 7) Elektroda akan diletakkan di daerah punggung, tepatnya yaitu pada jaringan otot trapezius (titik v dan v). Titik digunakan sebagai referensi. Tegangan yang akan diukur oleh rangkaian instrumentasi yaitu antara titik v dan dan titik v dan. Elektroda tersebut terintegrasi dengan rangkain pengolah instrumentasi. Penggunaan frekuensi kerja sebesar 5 khz didasarkan pada hasil uji coba respon bioimpedance pada pundak terhadap bermacam-macam frekuensi arus yang distimulasikan. Sinyal bioimpedance akan diukur dengan menggunakan bagian rangkaian yang terintegrasi, yaitu rangkaian stimulasi dan rangkaian instrumentasi. Rangkaian stimulasi merupakan rangkaian pembangkit sumber arus bolak-balik dengan frekuensi 5 khz dan amplitudo maksimum sebesar,5 marms (Ermado, : 4). Sumber arus ini kemudian akan diinjeksikan ke tubuh melalui sebuah elektroda. Bagian yang lainnya yaitu rangkaian instrumentasi. Rangkaian ini digunakan untuk mengukur 48

4 ISSN Cetak : 54-6 ISSN Online : Denpasar-Bali, 8 Oktober 7 beda potensial pada tubuh yang distimulasi. Besar tegangan yang terukur tersebut mewakili besarnya bioimpedance. Sistem ini dinamakan dengan sistem pengolah bioimpedance. Hasil pengukuran tersebut dikirim ke PC dengan menggunakan USB to Serial dengan Frekuensi sampling ADC diatur sebesar hz. Blok diagram dari sistem tersebut ditunjukan oleh Gambar 5 Gambar 5. Diagram Blok Sistem Pengukuran Instrumentasi Bioimpedance. Stimulasi yang diberikan yaitu berupa sumber arus sinusoidal sebesar,5 ma rms dengan frekuensi 5 khz. Sumber arus ini dibangkitkan oleh rangkaian sine wave generator yang terhubung ke rangkaian Voltage Controlled Current Source (VCCS). Rangkaian sine wave generator terdiri dari pembangkit gelombang kotak dengan frekuensi 5 khz, low pass filter dengan frekuensi cut-off 5 khz, dan noninverting amplifier. Perubahan bioimpedance didapat dari besar tegangan elektroda positif (v) terhadap referensi dan elektroda negatif (v) terhadap referensi. Kedua tegangan tersebut kemudian dikuatkan dengan seperangkat rangkaian instrumentation amplifier yang memiliki Common Mode Rejection Ratio (CMRR) yang tinggi. Oleh karena itu digunakan IC op-amp tipe LF4 dan LF55. Kedua IC ini memiliki CMRR yang tinggi hingga db. Selain itu, IC ini juga memiliki respon yang baik terhadap sinyal input frekuensi tinggi. 49 Karena hasil perubahan bioimpedance dimodulasikan pada frekuensi 5 KHz, pasti akan terdapat gangguan pada frekuensi rendah akibat dari adanya sinyal otot (EMG) yang ikut terukur dan pergerakan-pergerakan artefak. Untuk memperbaikinya, tegangan yang terukur dimasukkan ke rangkaian band pass filter dengan frekuensi center-nya terletak di sekitar 5 khz. Rangkaiannya ditunjukkan pada gambar. Nilai absolut dari bioimpedance akan dihasilkan dengan menggunakan rangkaian rectifier.rangkaian penguat tegangan akhir juga dipasang setelah rangkaian rectifier sebagai kalibrator tegangan agar didapatkan range tegangan keluaran antara sampai 5 Volt. Data pengukuran dikirimkan ke PC melalui komunikasi serial yg telah di sediakan. Data yang dikirimkan merupakan nilai ADC dari tegangan bioimpedance, karena semua tegangan yang masuk ke mikrokontroler sudah dirubah kedalam ADC bit oleh mikrokontroller sebelum dikirimkan melalui serial ke PC. Frekuensi sampling yang di gunakan adalah 5 hz. Setiap percobaan akan didapatkan 5 row data yang disimpan dalam format Txt. Data yang didapatkan kemudian diolah dengan Metode K-Means Cluster Analysis. Pertama, menghitung besarnya delta V dari masing-masing percobaan. Delta V ini didapatkan dari nilai V akhir dikurangi dengan nilai V awal ketika percobaan dilakukan.selain itu dicari juga nilai tengah dari setiap percobaan. Kemudian delta V dan nilai tengah yang didapatkan di plot ke dalam grafik berupa scatter, dimana delta V dijadikan sebagai sumbu Y dan nilai tengah dijadikan sebagai sumbu X. tujuannnya untuk melihat pola dan kecenderungan dari masing-masing gerakan

5 ISSN Cetak : 54-6 ISSN Online : Denpasar-Bali, 8 Oktober 7 sehingga mempermudah proses clustering yang akan dilakukan. Kemudian, diplot juga nilai delta V dan nilai tengah dari hasil rata-rata dari setiap jenis gerakan dari semua subjek. Setelah itu dihitung pusat (center) dari masing-masing gerakan. Selanjutnya dilakukan proses clustering yang bertujuan untuk mengelompokkan data dari ke jenis gerakan tersebut ke dalam suatu cluster, sehingga nantinya didapatkan kombinasi gerakan yang bisa dilakukan untuk mengatur arah dan kecepatan dari kursi roda. Proses Clustering ini dihitung menggunakan metode K-Means Algorithm. Langkah-langkah dari metode ini adalah sebagi berikut (Agusta, 7: 47-6). a. Menentukan jumlah cluster. b. Menentukan nilai centroid. Dalam menentukan nilai centroid untuk awal iterasi, nilai awal centroid ditentukn secara acak. c. Menghitung jarak antara titik centroid dengan titik tiap objek. Untuk menghitung jarak tersebut dapat menggunakan rumus Euclidean Distance, yaitu; D e = (x i s i ) + (y i t i ) () Dimana: D e adalah Euclidean Distance. i adalah banyak objek. (x,y) merupakan koordinat objek. (s,t) merupakan koordinat centroid. d. Pengelomokan objek. Untuk menentukan anggota cluster adalah dengan memperhitungkan jarak minimum objek. e. Kembali ke tahap. Dilakukan perulangan hingga nilai centroid yang dihasilkan tetap dan anggota cluster tidak berpindah ke cluster yang lain. HASIL DAN PEMBAHASAN Sebelum dilakukan percobaan terlebih dahulu di lakukan kalibrasi untuk mengatur tegangan output bioimpedanceagar didapatkan nilaiyang berkisar antara 5 Volt. Pengambilan data ini dilakukan kepada 5 orang subjek. Ada jenis gerakan yang akan dilakukan untuk diambil dan diolah datanya, yaitu gerakan bahu ke arah depan, atas dan belakang yang masingmasing dilakukan selama 5 detik. Setiap jenis gerakan dilakukan sebanyak kali. Total masing-masing subjek akan melakukan 9 kali percobaan. Plotinghasil rata-rata output bioimpedance untuk masing-masing gerakan bahu sebelah kanan dan kiri ditunjukan oleh Gambar 6 dan 7. Gambar 6. Ploting Output Rata-Rata Bioimpemdance Bahu Kanan Gambar 7. Ploting Output Rata-Rata Bioimpemdance Bahu Kiri Gambar 6 dan 7 menunjukan karakteristik output bioimpedance dari rata-rata semua subjek. Ada jenis gerakan yang 5

6 ISSN Cetak : 54-6 ISSN Online : Denpasar-Bali, 8 Oktober 7 dilakukan terhadap bahu yaitu gerakan ke atas, gerakan ke depan dan gerakan ke belakang. Masing-masing gerakan dilakukan sebanyak kali percobaan. Grafik yang berwarna merah merupakan output bioimpedance gerakan bahu ke atas. Grafik berwarna hijau menunjukan output bioimpedance yang digerakan ke depan. Grafik berwarna ungu memperlihatkan output ketika digerakan ke belakang. Garis putus-putus memperlihatkan luasan wilyah output dari masing-masing gerakan. Pada Gambar dan 4 tersebut terlihat perbedaan sebaran data dari masing-masing gerakan. Gerakan bahu ke depan memiliki rata-rata perubahan tegangan yang paling besar dan bernilai positif, dimana pusat (center) dari delta V bahu digerakan ke depan adalah (76.8,.5467) untuk bahu kanan dan (.667, 6.667) untuk bahu kiri. Output dari gerakan ke atas juga bernilai positif tetapi nilainya lebih kecil dari gerakan ke depan. (center) dari sebaran data gerakan ke atas di dapatkan sebesar (5.67, 79.5) untuk bahu kanan dan (.6, 9.95) untuk bahu kiri. Ketika bahu digerakan ke atas atau ke depan, maka besarnya nilai output tegangan bioimpedance yang dihasilkan akan mengalami kenaikan. Tabel. Proses Clustering Untuk Bahu kanan Rata-rata Semua Subjek Ke Depan.5748 Ke.87 belakang Gerakan bahu ke belakang memiliki sebaran data yang berbeda dari gerakan bahu sebelumnya. Gerakan bahu ke belakang memiliki karakteristik output negatif. (center) dari sebaran data gerakan bahu ke belakang adalah (.967, -9.47) untuk bahu kanan dan (54.467, ) untuk bahu kiri. Ketika bahu digerakan ke belakang nilai tegangan output yang dihasilkan akan mengalami penurunan. Tabel. Proses Clustering Untuk Bahu kirirata-rata Semua Subjek Iteras i ke Vektor Ciri Berdasarka n Gerakan Ke Atas Ke Depan 7.5 Ke 5.7 belakang 8 Ke Atas 7.5 Ke Depan Ke belakang Ke Atas.5748 Ke Depan.5748 Ke.87 belakang Dimasukka n ke Cluster Iteras i ke Vektor Ciri Berdasarka n Gerakan Ke Atas Ke Depan Ke belakang 7 Ke Atas Ke Depan Ke belakang 5 Ke Atas Dimasukka n ke Cluster Untuk membuat klasifikasi dari vektor ciri yang ditunjukan oleh berbagai jenis gerakan yang dilakukan tersebut, maka dilakukan proses Clustering. Dari proses Clustering yang telah dilakukan, maka didapatkan hasil seperti Tabel dan. Pada iterasi ke, tidak ada lagi vektor yang berpindah cluster maka proses clustering dinyatakan selesai.. Pada proses clustering yang telah dilakukan terhadap rata-rata dari ke 5 subjek, didapatkan hasil akhir dari jenis gerakan 5

7 ISSN Cetak : 54-6 ISSN Online : Denpasar-Bali, 8 Oktober 7 yang dilakukan terhadap bahu hanya bisa dibedakan menjadi cluster berdasarkan vektor ciri dari masing-masing gerakan. Gerakan ke atas dan ke depan merupakan satu cluster dan gerakan ke belakang merupakan cluster yang berbeda. Gerakan ke depan memiliki nilai output bioimpedance yang lebih besar dan bernilai positif dibandingkan dengan jenis gerakan yang lainnya. Sehingga range tegangan yang dihasilkan menjadi lebih besar dari saat posisi awal(diam). Gerakan ke belakang merupakan satu-satunya gerakan yang bernilai negatif, artinya besarnya nilai output bioimpedance yang dihasilkan ketika bahu digerakan ke belakang mengalami penurunan dari posisi awal (diam) ketika gerakan dilakukan. Nilai tengah yang sedikit menyebar disebabkan karena saat melakukan kalibrasi, tegangan awal (offset) yang diberikan berbeda dari setiap percobaan yang dilakukan. SIMPULAN Pengklasifikasian dari karakteristik sinyal bioelectrical impedance gerakan bahu berhasil dilakukan sehingga bisa digunakan sebagai sinyal kontrol pada suatu sistem. Dengan metode K-Means Cluster Analysis yang dilakukan terhadap tiga gerakan bahu, hasilnya bisa dibedakan menjadi dua cluster berdasarkan vektor ciri dari masing-masing gerakan. Gerakan ke atas dan ke depan merupakan satu cluster dan gerakan ke belakang merupakan cluster yang berbeda. Kombinasi dari ke cluster inilah yang nantinya akan dijadikan sebagai perintah kontrol untuk mengatur sebuah sistem. Gerakan ke depan atau ke atas digunakan untuk meningkatkan tegangan output bioimpedance sedangkan gerakan ke belakang digunakan untuk menurunkan tegangan output bioimpedance. DAFTAR RUJUKAN Agusta, Y.7.K-Means-Penerapan, Permasalahan dan Metode Terkait.Denpasar:Jurnal Sistem dan Informatika Vol. : Ermado, Rico..Aplikasi Bioelectrical Impedance Sebagai Perintah Kontrol Gerakan Pada Kursi Roda Elektrik. Surabaya:Institut Tekonologi Sepuluh Nopember. Paavle, Toivo dkk.. Low-Energy Chirps for Bioimpedance Measurement. IEEE.No /. S.Grimes and G.Martinsen.. Bioimpedance& Bioelectricity, Basics. Academic Press. Tabuenca, Javier Gracia. 9.Multichannel Bioimpedance Measuremet. Tampere University Of Technology. Yunfei, H..Wheelchair Control Based on Bioimpedance.International Journal of Applied Biomedical Engineering Vol., No., pp.-5. 5