Jurusan Teknik Elektro, Universitas Diponegoro Semarang Jl. Prof. Sudharto, SH, kampus UNDIP Tembalang, Semarang 50275, Indonesia.

Transkripsi

1 Perancangan Alat Pengukur Persentase Lemak Tubuh dengan Metode Foot-to- Foot Bioelectrical Impedance Analysis (BIA) 4 Elektroda berbasis Mikrokontroller Arduino Ganjar Winasis *), Munawar A.R., Darjat. Jurusan Teknik Elektro, Universitas Diponegoro Semarang Jl. Prof. Sudharto, SH, kampus UNDIP Tembalang, Semarang, Indonesia *) ganjarwinasis@yahoo.com Abstrak Lemak tubuh merupakan salah satu komposisi tubuh manusia. Persentase lemak tubuh dapat dijadikan parameter kondisi tubuh dalam keadaan obesitas atau tidak. Pada penelitian ini, penulis merancang alat medis yang bersifat non-invasive untuk mengukur persentase lemak tubuh. Alat tersebut mengukur impedansi dalam tubuh, dimana impedansi dapat dijadikan tolak ukur dalam mengukur persentase lemak tubuh. Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah foot-to-foot Bioelectrical Impedance Analysis (BIA) 4 elektroda. 4 Elektroda yang digunakan terletak pada telapak kaki. Arus yang digunakan pada alat penelitian adalah sebesar.ma dengan frekuensi sebesar, khz. Untuk mengolah keseluruhan sistem dari alat, digunakan mikrokontroler Arduino Mega. Sedangkan output hasil pengukuran ditampilkan dalam LCD x4. Pada pengujian sistem, eror rata-rata yang dihasilkan dari pengukuran persentase lemak tubuh adalah sebesar,%. Kata Kunci: Bioelectrical Impedance Analysis (BIA), lemak tubuh, instumentasi medis, Arduino Abstract Body fat is one of the compositions that obtained inside human body. Body fat percentage can be used as a body condition parameter whether human body in an obesity condition or not. In this research, the author designed a non-invasive medical instrument to measure percentage of body fat. It measures the impedance inside the body, where the impedance can be used as an indicator in measuring percentage of body fat. Foot-to-foot bioelectrical impedance analysis (BIA) four electrodes method is used in this research. This method uses four electrodes which placed on the foot. This medical instrument uses,ma current and, khz frequency. An Arduino microcontroller is used to process the whole system of this medical instrument. Meanwhile the measurement output is displayed on the LCD x4. In testing the system, the result shows that error rate from the measurement of percentage of body fat is,%. Keywords : Bioelectrical Impedance Analysis (BIA), Body Fat, medical intrumentation, Arduino. Pendahuluan Sebelum perkembangan teknologi, untuk mengukur persentase lemak tubuh masih meggunakan metode manual seperti metode kaliper lemak tubuh. Penggunaan alat ini dengan cara menjepitkan ke bagian lemak tubuh di beberapa titik. Kemudian angka yang terbaca pada kaliper lemak tubuh dihitung secara manual dengan melihat rumus pada buku pedoman penggunaan. Untuk melihat keterangan kondisi lemak tubuh, pasien diharuskan melihat sendiri pada Tabel kriteria persentase lemak tubuh. Saat ini sudah terdapat berbagai macam teknologi untuk mengukur persentase lemak tubuh. Beberapa teknologi diantaranya adalah DEXA Scan, Hydrostatic Testing, dan Bioelectrical Impedance Analysis (BIA) []. DEXA Scan merupakan metode pengukuran lemak tubuh dengan menggunakan sinar-x untuk melakukan scanning pada tubuh[]. Metode lain, Hydrostatic Testing, merupakan metode mengukur persentase lemak tubuh dengan membandingkan massa tubuh di darat dengan massa tubuh di dalam air[3]. Sedangkan BIA adalah metode persentase lemak tubuh dengan mengukur impedansi yang ada di dalam tubuh manusia[4]. Berdasarkan penjelasan sebelumnya, maka dibuatlah sebuah alat untuk mengukur persentase lemak tubuh dengan metode foot-to-foot Bioelectrical Impedance Analysis (BIA) 4 (empat) elektroda. Tema penelitian mengenai persentase lemak tubuh sebelumnya telah dilakukan oleh Danang Septaditya [] dan Rachmat Yoga[6]. Dalam penelitian yang dilakukan Danang Septaditya, perancangan alat pengukur persentase lemak tubuh didesain dengan menggunakan teknik (dua) buah elektroda pada tangan. Penelitian lain yang dilakukan oleh Rachmat Yoga, perancangan alat pengukur

2 persentase lemak tubuh menggunakan teknik 4 (empat) elektroda pada tangan. Perancangan yang telah dilakukan oleh penulis menggunakan 4 (empat) elektroda yang berada pada telapak kaki. Elektroda ini digunakan sebagai sensor pada alat pengukur persentase lemak tubuh. Untuk menentukan persentase lemak tubuh, penulis menggunakan pendekatan regresi dari persamaan Lohman. Dalam rancang bangun alat tersebut, mikrokontroller arduino mega digunakan sebagai pemroses data yang didapat dari dalam tubuh. Sedangkan sebagai output tampilan visual, digunakan layar LCD dengan ukuran x4.. Perancangan Gambar Blok diagram alat persentase lemak tubuh Pada Gambar menunjukkan Gambaran umum dari keseluruhan sistem pengukur persentase lemak tubuh dengan Bioelectrical Impedance Analysis (BIA). Bagian-bagian dari blok diagram tersebut adalah sebagai berikut: Baterai, digunakan sebagai sumber tegangan untuk sistem. Saklar, digunakan untuk menghubungkan atau memutuskan catu daya ke sistem. Pembagi Tegangan, digunakan untuk mengkonversi tegangan baterai menjadi sumber tegangan positif (+) dan negatif (-). Pembangkit Gelombang Sinusoidal, berfungsi untuk menghasilkan tegangan AC dengan frekuensi khz. Rangkaian Voltage Controlled Current Source (VCCS), berfungsi untuk menghasilkan arus yang konstan. Instrumentasi Amplifier, digunakan untuk menguatkan keluaran tegangan dari tubuh. Band Pass Filter (BPF), digunakan untuk mengeliminasi sinyal-sinyal derau pada frekuensi rendah dan frekuensi tinggi. AC to DC converter, digunakan untuk mengubah sinyal input AC menjadi output DC. LCD x4, digunakan untuk menampilkan data dan hasil pengukuran. Keypad matriks 4x4, digunakan untuk menginput data untuk perhitungan persentase lemak tubuh. Arduino Mega, digunakan untuk mengontrol keseluruhan sistem.. Perancangan Sistem BIA Perancangan sistem BIA tersusun dari rangkaian pembangkit sinyal sinusoidal, VCCS, instrumentasi amplifier, BPF, dan ac to dc converter. Pada Gambar dapat dilihat rangkaian pembangkit sinyal sinusoidal dengan menggunakan IC ILC838. Rangkaian tersebut dirancang untuk menghasilkan frekuensi sebesar khz. Besarnya frekuensi yang dihasilkan dipengaruhi oleh nilai resistor dan kapasitor dengan perhitungan =.. Untuk mempermudah perhitungan, kapasitor telah ditentukan dengan nilai nf. Sehingga didapatkan nilai =. = 6,6. kohm. Gambar 3 menunjukkan bahwa keluaran rangkaian VCCS digunakan untuk mengalirkan arus ke tubuh melalui elektroda. Dengan perhitungan =, akan didapatkan nilai arus adalah sebesar,ma. IC INA digunakan untuk merancang rangkaian instrumentasi amplifier. Rangkaian INA berfungsi untuk menguatkan perbedaan tegangan yang didapat dari tubuh. Perhitungan penguatan (G) INA adalah = +, dengan besarnya penguatan (G) yang diinginkan adalah 6x maka didapatkan = = 84,46 h []. Rangkaian INA dapat dilihat pada Gambar 4. Keluaran dari INA selanjutkan diproses pada rangkaian BPF. Rangkaian BPF yang dirancang menggunakan LPF dan HPF yang disatukan. Bandwidth rangkaian BPF diantara khz hingga 8 khz. Rangkaian BPF yang dirancang dapat dilihat pada Gambar. Gambar 6 menunjukkan rangkaian AC to DC Converter dengan menggunakan IC LF33. Rangkaian ini merubah sinyal masukan yang didapat dari BPF menjadi sinyal searah. Terdapat buah dioda pada rangkaian AC to DC Converter yang berfungsi sebagai penyearah. Gambar Rangkaian pembangkit sinyal sinus

3 Gambar 3 Rangkaian VCCS Gambar 8 Desain pijakan 4 elektroda pada kaki Gambar 4 Rangkaian INA Gambar Hasil sinyal keluaran sinus generator Gambar Rangkaian BPF Gambar 6 Rangkaian AC to DC Converter Gambar Desain konstruksi.3 Perancangan Konstruksi Konstruksi pendukung dari alat pengukuran persentase lemak tubuh terlihat seperti pada Gambar. Konstruksi ini digunakan untuk meletakkan perangkat keras dari keseluruhan sistem. Huruf A menunjukkan kotak hitam yang merupakan kotak tempat rangkaian secara keseluruhan, Arduino Mega, LCD x4 dan Keypad matriks 4x4. Kotak sengaja diletakkan miring untuk memudahkan dalam melakukan pembacaan pada LCD x4. Kotak hitam ini terbuat dari bahan plastik. Huruf B menunjukkan penyangga dari seluruh konstruksi. Penyangga tersebut terbuat dari bahan besi ringan. Selain sebagai penyangga, bagian ini dimanfaatkan sebagai tempat melekatnya kabel penghubung 4 elektroda ke sistem persentase lemak tubuh. Sedangkan Huruf C menunjukkan tempat diletakkanya 4 elektroda. Konstruksi tersebut menggunakan bahan kayu tebal. Pemilihan bahan ini ditujukan agar kuat saat diinjak dan tidak bersifat konduktor terhadap sistem. 4 elektroda sendiri terbuat dari alumunium yang didesain menyerupai bentuk kaki pada umumnya. Untuk lebih jelas, konstruksi 4 elektroda dapat dilihat pada Gambar 8. Di dalam kotak hitam, terdapat beberapa susunan dari sistem persentase lemak tubuh. Diantaranya adalah baterai, modul catu daya, modul pembangkit sinyal sinusoidal, modul VCCS, modul INA, modul BPF, modul AC to DC Converter, LCD x4, dan Arduino Mega. Sementara keypad matriks 4x4 terletak diluar kotak hitam.

4 3. Hasil 3. Pengujian Rangkaian Pembangkit Sinyal Sinusoidal Rangkaian pembangkit sinyal sinusoidal diuji dengan mengamati sinyal yang keluar dari rangkaian. Tujuan dari rangkaian pembangkit sinyal sinusoidal adalah untuk menghasilkan keluaran sinyal sinusoidal sebesar khz. Hasil pengujian sinyal keluaran rangkaian pembangkit sintal sinusoidal dapat dilihat pada Gambar. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa sinyal keluaran membentuk sinyal sinusoidal dengan frekuensi, khz dan duty cycle sebesar 3,%. Frekuensi keluaran sebesar, khz tidak sesuai dengan perancangan sebesar khz. Kondisi tersebut dikarenakan terdapat rugi-rugi saat pemasangan rangkaian pada PCB. 3. Pengujian Rangkaian VCCS Pengujian rangkaian VCCS dilakukan untuk mengetahui hubungan antara arus yang dihasilkan rangkaian VCCS dengan beban ( tubuh manusia) yang bervariasi. Pengamatan dilakukan dengan merubah variasi nilai beban (RL) dengan menggunakan multiturn dan melihat apakah arus yang dihasilkan konstan pada nilai, ma. Pengujian dilakukan sebanyak kali variasi nilai multiturn (RL) dengan range ohm hingga ohm. pengukuran dibandingkan dengan hasil simulasi menggunakan Multisim seperti pada Tabel. Tabel hasil pengujian rangkaian VCCS Arus ( A) No. RL (ohm) Simulasi Pengukuran Error 8,,8,4, ,, 4 4,,,, 6,, 8,4,6 8 8,,3,4,4,3,3 Tabel Hasil perbandingan pengukuran penguatan dengan perhitungan penguatan V out (mv) V in Error No (mv) Perhitungan (H) Pengukuran (U) 6 6,,,8 3,6 4 36,6, ,, ,, ,, ,4, 3 3,, ,,4 ATTENUATION (db) Gambar Respon frekuensi rangkaian BPF Berdasarkan variasi data pengujian, dapat ditentukan error rata-rata dari rangkaian VCCS. Error rata-rata dapat dihitung dengan persamaan () berikut: = 3, =,3 % () Perhitungan error rata-rata menunjukkan nilai sebesar,3%. Sehingga dapat disimpulkan bahwa rangkaian VCCS tetap bernilai konstan walaupun diberikan RL yang bervariasi. 3.3 Pengujian INA Pengujian rangkaian INA dilakukan untuk menguji kelinieran dari hasil penguatan. Pengujian dilakukan dengan memberikan buah input sinyal sinusoidal yang memiliki frekuensi sama namun tegangan yang berbeda. Sinyal sinusoidal tersebut dibangkitkan dengan menggunakan audio generator. Perbedaan nilai tegangan dari input merupakan Vin yang akan dikuatkan oleh INA. Hasil pengukuran penguatan dengan multimeter akan dibandingkan dengan hasil perhitungan penguatan. Pengujian dilakukan dengan melakukan variasi nilai Vin. Hasil pengujian dapat dilihat pada Tabel. Rata-rata error setelah dilakukan variasi Vin adalah sebagai berikut: = 3, =,3 % () Dari hasil pengujian rangkaian INA yang telah dilakukan, penguatan yang dihasilkan rangkaian INA sudah linier dan sesuai dengan perhitungan walaupun masih terdapat error. Namun error dapat diabaikan karena sangat kecil. Hasil pengujian ini telah sesuai dengan perancangan, yaitu menghasilkan penguatan kali. 3.4 Pengujian BPF Frekuensi (khz) Pengujian ini dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui respon frekuensi dari rangkaian BPF. Pengujian dilakukan dengan menggunakan Audio Generator sebagai

5 sinyal masukan. Frekuensi sinyal masukan divariasi dan dilihat sinyal keluaran dari rangkaian BPF. Berdasarkan Gambar dapat dilihat bahwa pada frekuensi khz sinyal masukan mengalami penguatan sebesar,3 db. Dan bandwidth rangkaian BPF berada pada khz hingga 8 khz. Berdasarkan hasil pengujian, dapat disimpulkan bahwa rangkaian BPF sudah bekerja sesuai dengan perancangan. 3. Pengujian AC to DC Converter Pengujian rangkaian AC to DC Converter dilakukan untuk mengetahui perbandingan gelombang sinyal antara masukan dan keluaran. Selain perbedaan sinyal gelombang, pengamatan dilakukan terhadap perbandingan hasil perhitungan tegangan (Vdc) dan pengukuran tegangan (Vdc). Dalam pengujian, rangkaian AC to DC Converter diberikan masukkan sinyal sinusoidal sebesar khz dari audio generator. pengujian dilakukan dengan melakukan variasi pada Vm. Hasil pengamatan pengujian dapat dilihat pada Tabel 3. Rata-rata error sebagai berikut: dari keseluruhan pengujian adalah =, =, % Berdasarkan hasil pengujian yang telah dilakukan, menunjukkan bahwa keluaran tegangan (Vdc) hasil pengukuran hampir sama dengan hasil perhitungan tegangan (Vdc). Tabel 3 Hasil pengamatan pengujian rangkaian AC to DC Converter No Vm (V) Perhitungan (H) Vout DC (V) Pengukuran (U) Error,6,3,3,6,,4,4,6 3,4,66,63 4,83 4,36,866,86,6,3,48,46, 6 3,4,36,8,38 3,,8, 3,88 8 4,48,,88 4,6,4,86, 4,8 3, 3,, Tabel 4 Hasil pengujian keseluruhan alat TA N o ((3) Berat (kg)/ tinggi (cm) 8/8 3/6 4/6 3 8/ 8 /6 /6 / 3/ 3/6 /6 6/ / / 68/ 6/ /6 6/6 / /6 64/6 Sex R (Ω), 64, 6, 8 4,4 4 4, 63,8 488,8 8,3 3 6, 6, 33,3 3 63,8 63,8 3,8 4, 486,,6, 8 4,6, BF TA Y BF HINAN O X Eror 8,6 8,8,,4,8,3,6 6,,46 4, 4,6 4, 4,4 3,8,,6 3,,4 3, 4,, 3,83 3,4,43,, 3,,,4 3,6 34, 3,34 3,6 36, 4,63 3,,6, 3, 8,,8 38,6 3, 3,33 4,3 3, 6, 6,3, 3,3 6,63 8,3,3 4,64 36,, 4, 36,6 8, 3.6 Pengujian Alat Secara Keseluruhan Pengujian alat pengukur persentase lemak tubuh secara keseluruhan dilakukan untuk mengetahui keakuratan alat. Pengujian dilakukan dengan membandingkan hasil pengukuran persentase lemak tubuh alat TA dengan hasil pengukuran persentase lemak tubuh menggunakan HINANO 38 Body Fat Analyzer. Hasil pengujian alat secara keseluruhan dapat dilihat pada Tabel 4. Error rata-rata yang dihasilkan dari pengujian adalah sebagai berikut: = 43, =, % (4) Dari hasil pengujian, dapat disimpulkan bahwa error yang dihasilkan tidak besar. Hal ini dikarenakan kalibrasi yang belum sempurna dan sample data yang diambil sangat sedikit.

6 4. Kesimpulan Berdasarkan hasil analisis data yang sudah dilakukan maka disimpulkan beberapa hal sebagai berikut: Telah berhasil dirancang alat pengukur lemak tubuh dengan metode foot-to-foot BIA 4 elektroda dengan baik. Sinyal arus sinus dapat dialirkan ke tubuh melalui elektroda dan perbedaan tegangan dapat terdeteksi dengan elektroda lainnya. Pada pengujan alat secara keseluruhan, masih terdapat error sebesar,%. Hal tersebut dikarenakan input data tinggi dan berat yang kurang presisi. Referensi [] M. Arroyo, A. M. Rocandio, L. Ansotegui, H. Herrera, I. Salces, and E. Rebato,"Comparison of predicted body fat percentage from anthropometric methods and from impedance in university students", Br. J. Nutr., vol., no., pp. 8 83, 4. [] Abdellah El Maghraoui,"Interpreting a DXA Scan in Clinical Practice, Dual Energy X-Ray Absorptiometry", ISBN: , InTech,. [3] S. Shakeryan, M. Nikbakht, and H. B. Kashkoli, "Validation of percent body fat using skinfoldthickness, bioelectrical impedance analysis and standard hydrostatic method in male wrestlers", Journal of Public Health and Epidemiology, vol.(), pp., 3. [4] Mylott, E., Kutschera, E., & Widenhorn, R, "Bioelectrical impedance analysis as a laboratory activity: At the interface of physics and the body", American Journal Of Physics, 8(), -8, 4. [] D. Septaditya, Rancang Bangun Alat Pengukur Persentase Lemak Tubuh dengan Metode Bioelectrical Impedance Analysis (BIA) Elektroda berbasis Mikrokontroler Arduino Mega 6, Tugas Akhir, Jurusan Teknik Elektro, Universitas Diponegoro,. [6] R. Yoga, Rancang Bangun Alat Pengukur Persentase Lemak Tubuh dengan Metode Bioelectrical Impedance Analysis (BIA) 4 Elektroda berbasis Mikrokontroler Atmega 6, Tugas Akhir, Jurusan Teknik Elektro, Universitas Diponegoro,.