Plehtysmograph dan Oksimetri

PLETHYSMOGRAPH 

Plethysmograph berasal dari kata Yunani plethusmos yang artinya pembesaran, dan berkaitan erat dengan plethus dan plethora yang berarti penuh, dan graphe yang artinya menulis. Whole body plethysmograph  digunakan untuk menentukan volume gas intratoraks (thoracic gas volume, TGV) dan tahanan jalan napas (airway resistance, Raw). Perubahan volume dalam mililiter diukur menggunakan plethysmograph dengan sistem volume tetap tekanan berubah. Perubahan volume paru selama proses kompresi dan dekompresi gas diukur ketika subjek bernapas dalam plethysmograph

PRINSIP KERJA WBP

Whole body plethysmograph terdiri dari rigid chamber (ruangan yang ukuran dan bentuknya seperti kamar telepon) yang dilengkapi dengan pneumotachograph dan pressure transducer, pasien duduk sambil bernapas menggunakan pneumotachograph. Pressure transducer dirancang dengan berbagai sensitivitas untuk mengukur tekanan yang melewati pneumotachograph  hasilnya dinilai sebagai flow, yaitu perbedaan tekanan yang melewati dinding plethysmograph dan  tekanan saat saluran napas terbuka.

Prinsip dasar WBP mengikuti hukum Boyle, yaitu bila massa gas ditekan pada suhu konstan maka tekanan (P) dan volume (V) adalah tetap. Whole body plethysmograph tubuh mengukur volume total gas dalam paru. Pengukuran dilakukan dengan cara pasien bernapas ke dalam dan ke luar melawan katup dengan glotis terbuka, yang dicapai dengan cara hembusan. Pergerakan hembusan mempengaruhi fluktuasi tekanan dan volume di paru. Hubungan tersebut dapat dinyatakan sebagai persamaan :

P.V = (P + ∆P) (V-∆V)

P adalah tekanan alveolar  dan ∆P adalah  perubahan tekanan selama hembusan melawan katup. V adalah volume gas toraks dan ∆V adalah perubahan volume selama kompresi dada oleh pergerakan napas.

PNEUMOTACHOGRAPH

Pneumotachometer Fleisch

Prinsip pneumotachometric menurut Fleisch adalah flowmeter yang paling banyak digunakan dalam pengujian fungsi paru, juga disebut Fleisch pitot tube (Gambar 8.1). Sensornya terdiri dari seikat kapiler, biasanya lembaran logam yang digulungan lipat-z bertindak sebagai resistor tetap. Sebagian besar aliran dibagi menjadi benang kecil aliran, laminar pada rentang tertentu. Perbedaan tekanan sepanjang kapiler dapat diturunkan dengan menerapkan hukum Hagen-Poiseuille, yang dalam kasus aliran laminar hasil.

Dimana c adalah konstan bergantung pada viskositas gas dan geometri sensor, l adalah panjang dari tabung sensor, r adalah jari-jari tabung sensor, η adalah konstanta viskositas, dan  adalah laju aliran.

Dalam tabung Fleisch, linieritas antara perbedaan tekanan dan laju alir dicapai dengan penggunaan besar jumlah kapiler bundel. Selama mekanik perekam sinyal digunakan, linearitas dalam aliran penilaian itu diperlukan untuk memungkinkan pembacaan langsung dari laju aliran dari jejak.

PENGUKURAN KONSENTRASI OKSIGEN

Oksimetri

Oksimetri merupakan pengukuran diferensial berdasarkan metode absorpsi spektofotometri yang menggunakan hukum Beer-Lambert (Welch, 2005). Probe oksimeter terdiri dari dua diode pemancar cahaya Light Emitting Diode (LED) satu merah dan yang lainnya inframerah yang mentransmisikan cahaya melalui kuku, jaringan, darah vena, darah arteri melalui fotodetektor yang diletakkan di depan LED. Fotodetektor tersebut mengukur jumlah cahaya merah dan infamerah yang diabsorbsi oleh hemoglobin teroksigenasi dan hemoglobin deoksigenasi dalam darah arteri dan dilaporkan sebagai saturasi oksigen (Kozier & Erb, 2002). Semakin darah teroksigenasi, semakin banyak cahaya merah yang dilewatkan dan semakin sedikit cahaya inframerah yang dilewatkan, dengan menghitung cahaya merah dan cahaya infamerah dalam suatu kurun waktu, maka saturasi oksigen dapat dihitung (Guiliano K. , 2006).

Terdapat dua jenis Hb berdasarkan kandungan oksigen didalamnya, diantaranya oxyhemoglobin yaitu hemoglobin yang mengikat okigen dan deoxyhemoglobin adalah hemoglobin yang tidak mengandung okigen.

Cahaya LED merah lebih banyak diserap oleh deoxyhemoglobin dan cahaya LED Inframerah lebih banyak diserap oxyhemoglobin. Rasio perbedaan penyerapan cahaya tersebut menjadi acuan untuk menentukan saturasi oksigen. Rasio (R) adalah jumlah perbandingan penyerapan cahaya infrared dan cahaya merah.

Blok Diagram

.           Cahaya yang diteruskan akan ditangkap oleh fototransistor TEMT6000 yang nilai keluaran berupa tegangan analog. Keluaran dari fototransitor kemudian dikuatkan dengan amplifier cascade.

Amplifier ini memiliki penguatan sebanyak tiga kali yang terdiri dari low pass filter7Hz, high pass filter7Hz, kopling dioda germanium dan kopling kapasitor untuk memblok sinyal AC dan DC pada karakter penguatan masing-masing.

Keluaan tegangan dari amplifier akan diolah di rangkaian sample and hold. Rangkaian menggunakan IC CD4066 (quad bilateral switch) yang memiliki empat gerbang input dan empat gerbang output. Sinyal yang akan masuk disimpan terlebih dahulu sebelum dikeluarkan selama periode tertentu, sesuai dengan input pada pin ctrl masing-masing. Selain itu, IC CD4066 perlu ditambah Input buffer amplifier yang mempunyai impedansi input yang tinggi. Hal ini berfungsi untuk mengurangi pembebanan pada tahap sebelumnya dan mempunyai impedansi output yang rendah untuk memungkinkan pengisian muatan dengan sangat cepat pada hold capacitor.

Terdapat dua keluaran tegangan dari rangkaian sample adn hold yang kemudian dihubungkan pada pin ADC pada mikrokontroler agar tegangan yang dihasilkan akan dikonversi menjadi data digital dan dihitung dengan rumus ratio saturasi oksigen

Indicator Dilution That Uses Continuous Infusion

Indicator Dilution that uses continuous infusion

Ruang lingkup dari aplikasi indicator dilution(indikator pengenceran) untuk mengukur aliran didalam pembuluh darah sangat luas dan banyak metode dan sensor yang digunakan bervariasi bergantung  dari indicator yang digunakan, perbedaan besar terlihat antara metode berdasarkan continuous infusion dan metode berdasarkan injection single bolus . Metode berdasarkan continuous infusion  cocok untuk mengukur aliran secara continyu sementara metode berdasarkan injection single bolus tidak cocok. Contoh metode dari  continuous method adalah Fick Method dan Warm Thermodilution dan contoh metode dari injection single bolus adalah cold thermodilution, dye dilution dan lithium dilution)

Fick Method

Fick Method menggunakan continuous indicator infusion. Karena dalam jumlah besar indicator di injeksi, indikator harus inert, harmless dan tidak beracun. Indikator yang memenuhi persyaratan tersebut adalah oksigen  O₂ . Di metode ini konsentrasi  indikator diukur di dua titik, pertama titik A berlokasi sebelum titik injeksi sementara titik B berlokasi di hilir. Asumsikan konsentrasi indikator konstan, C_a dan C_b di lokasi pengukuran a dan b, aliran darahnya konstan dan dengan menggunakan beberapa persamaan  maka didapat persamaan sebagai berikut

persamaan ini bisa dinyatakan sebagai berikut, yang mana merupakan persamaan dasar untuk fick method

dimana  :

         

 adalah blood flow, liter/min

 adalah konsumpsi O₂ /min

         

C_b  adalah konsentrasi O₂ di  arterial, liter/min

C_a  adalah konsentrasi O₂ di  vena, liter/min

Berikut adalah pemodelan untuk metode Fick :

Untuk menghitung aliran darah maka harus mengetahui konsumsi O₂ dan konsentrasi  O₂ di pembuluh darah arteri dan pembuluh darah vena.  Darah yang kembali ke jantung dari bagian atas tubuh memiliki konsenstrasi O­₂ yang berbeda dengan darah dari bagian bawah tubuh, hal ini dapat terjadi karena organ tubuh pada bagian atas dan bagian bawah berbeda dalam  menggunakan jumlah oksigen. Sehingga pengukuran untuk mengukur konsentrasi  O₂ di pembuluh darah vena tidak akurat di atrium kanan. Kita harus mengukur nya didalam artery pulmonary setelah darah tercampur  oleh gerakan memompa ventrikel kanan. Artery pulmonary merupakan titik A.  Sample darah yang bisa kita sebut  mixed venous blood ditarik oleh catheter yang dimasukan melalui jugular vein atau subclavian vein melewati atrium kanan dan ventrikel kanan  sampai ke artery pulmonary. Lalu sample darah yang tadi diambil dari artery pulmonary dianalisis dengan menggunakan gas analyzer untuk menentukan konsentrasi O₂ sehingga didapat nilai C_a . Untuk mengukur  konsentrasi O­₂   di pembuluh darah arteri atau C_b, sample darah bisa diambil di arteri lengan atau arteri kaki. Lalu untuk mengukur konsumsi O₂ digunakan spirometer, orang coba bernafas dengan O₂ murni dari spirometer. Karbon dioksida yang dikeluarkan dari proses pernafasan diserap oleh soda-lime absorber, sehingga injection rate O₂ atau konsumsi O­₂ dapat langsung dihitung dengan menggunakan net gas flow.

Keuntungan menggunakan metode fick adalah

1. Merupakan cara yang non toxic, karena indikator yang digunakan adalah oksigen
2. Penggunaan catheter menyebabkan perubahan di cardiac output yang tidak berarti atau dapat di hiraukan
3. Cardiac output harus konstan selama beberapa menit sehingga pemeriksa bisa mendapatkan slope dari kurva untuk konsumsi O₂

b            Berikut adalah video untuk pengukuran konsentrasi  oksigen didalam darah dengan menggunakan  blood gas analyzer

B

Daftar Pustaka

Webster, John G.1998. Medical Instrumentation:  Application and Design Fourth Edition. USA. John Wiley and sons, inc.

Jones, Deric P. 2011. Biomedical Sensor (Sensor Technology Series). United Kingdom. Momentum Press ; First Edition.

Oscillometric Method for Blood Pressure Measurement

Metode Oscillometric  merupakan metode pengukuran tekanan darah secara non invasive, yang diukur adalah amplitudo osilasi yang muncul dalam sinyal tekanan manset yang mana tercipta oleh ekspansi arterial setiap kali darah dipaksa melewati arteri. Dalam prosesnya , Salah satu bagian tubuh dipasangkan manset yang mana nanti akan mengembang dan akan memberikan tekanan pada daerah yang di kelilingi. Tekanan yang diberikan mempengaruhi arteri, semakin besar tekanan yang diberikan dapat menyumbat darah untuk melewati arteri. Lalu ketika tekanan manset berkurang secara perlahan darah yang tersumbat tadi  dapat melewati arteri kembali. Tahap ini dinamakan tekanan sistolik dan pada tahap ini juga osilasi akan meningkat secara signifikan sampai pada tahap maximum amplitudo pada osilasi menunjukan bahwa titik tersebut adalah tekanan rata rata darah, setelah mencapai nilai amplitudo maximum, osilasi akan menurun dan lalu menghilang. Ketidak jelasannya transisi dalam osilasi untuk mengidentifikasi tekanan diastolik maka digunakan suatu algoritma untuk mengestimasi tekanan diastolik.

Rangkaian osilometri adalah rangkaian penguat sinyal osilasi, sehingga rangkaian osilometri merupakan rangkaian inti dari metode pengukuran darah osilometri. Pada rangkaian osilometri terdiri dari komponen aktif yaitu operational amplifier (op-amp) dan komponen pasif seperti resistor dan kapasitor (Puspitasari, 2015).

Terdapat 2 pendapat tentang bagaimana mendapatkan tekanan sistolik dan diastolik pada sinyal hasil ekstraksi (Winoto, 2008).

1. Tekanan sistolik dapat dihitung dengan menbagikan nilai nilai disebelah kiri MAP (Mean Arterial Pulse) dengan nilai MAP yang mana hasilnya adalah 0.85 sedangkan tekanan diastolik dapat dihitung dengan membagikan nilai-nilai puncak di sebelah kanan MAP yang mana hasilnya adalah 0.55.

2. Tekanan sistolik dapat dihitung dengan mengkalikan 0.6 dengan nilai puncak (MAP) sedangkan tekanan diastolik dapat dihitung dengan 0.8 dari nilai Puncak (MAP) (Winoto, 2008).

Sensor Tekanan

Sensor Tekanan Secara fisis tekanan dirumuskan sebagai gaya yang diberikan suatu cairan atau gas terhadap suatu permukaan. Sensor yang bersentuhan langsung dengan materi yang di deteksi menghasilkan sinyal, dalam hal ini sensor tekanan bertindak sebagai transduser. Sinyal yang dihasilkan sebanding dengan besarnya tekanan materi yang dideteksi terhadap sensor tersebut. Ada tiga jenis tipe dari pengukuran tekanan yaitu tekanan absolut, tekanan diferensial, dan tekanan gauge. Pada tekanan absolut mengukur di daerah vakum. Pada pengukuran menggunakan tekanan diferensial adalah perbedaan tekanan diantara dua jenis tekanan yang akan diukur. Sedangkan pada tekanan gauge adalah dengan menggunakan tekanan referensi contohnya adalah tekanan darah (Singh, 2002).

Sebuah sensor tekanan piezoresistif mengandung membran silikon kristal yang tipis yang dilegkapi dengan silikon tipis di sekelilingnya seperti pada Gambar 2.7. Piezoresistivitas adalah suatu kemampuan yang dimilikki oleh sebagian kristal atau bahan-bahan tertentu lainnya yang dapat menghasilkan suatu arus listrik jika mendapatkan perlakuan tekanan. Pada Gambar 2.8 terlihat bahwa empat pizoresistor dirangkai seperti jembatan wheatstone. Dua resistor dirangkai berhadapan sehingga keduanya dapat menerima sensor tekanan pada arah arus sejajar dan dua ditempatkan untuk mendeteksi tekanan yang tegak lurus di dalam aliran arusnya (Singh, 2002).

Pada sensor MPX5050GP sudah dilengkapi dengan pengkondisi sinyal dan op-amp internal, sehingga outputnya 13 dapat langsung dihubungkan dengan konverter analag ke digital (ADC = Analog to Digital Converter).

Perancangan Rangkaian Osilometri

Menurut Puspitasari (2015), pada rangkaian osilometri terdiri dari rangkaian amplifier (penguat) dan rangkaian high pass filter (tapis lolos tinggi). Rangkaian penguat sinyal osilasi terdiri dari dari beberapa komponen seperti op-amp LM324N, kapasitor dan resistor yang dirangkai seperti pada Gambar 3.4

Perekam Sinyal Otot (EMG) Berbasis Mikrokontroler Arduino Uno

 Otot dapat menggerakkan rangka karena mendapatkan perintah dari otak yang berupa sinyal listrik atau dikenal dengan biosignal. Dalam biosignal, terdapat propagasi impuls dari otak menuju efektor atau otot melalui pertukaran ion-ion dalam sel saraf sehingga menimbulkan potensial aksi.

EMG (Elektromyograph) adalah instrumentasi pencatat bioelektrik untuk mengetahui sinyal yang disebabkan oleh aktifitas otot gerak. Otot gerak merupakan organ tubuh manusia yang berfungsi menggerakan rangka. Otot gerak merupakan jenis otot lurik, dimana memiliki sifat sadar karena aktifitasnya bergantung pada kehendak pelaku.

Untuk mendapatkan signal otot, maka EMG memerlukan perangkat-perangkat lainnya yang menunjang proses perekaman sinyal otot, sehingga dihasilkan sinyal otot yang sesungguhnya tanpa adanya gangguan.

Perangkat yang dapat digunakan untuk merekam sinyal otot:

1.      Surface Electrode

Surface electrode merupakan sensor elektroda yang menangkap sinyal otot dan meneruskannya menjadi besaran listrik berupa tegangan. Dalam perekaman sinyal otot, diperlukan minimal 3 buah elektroda. 2 buah elektroda diletakkan pada otot yang ingin direkam dan 1 elektroda diletakkan pada daerah tanpa otot untuk titik referensi. Digunakan 2 buah elektroda sebagai penangkap sinyal otot untuk memperbesar beda potensial yang ditangkap.

2.      Rangkaian Penguat

Sinyal yang diterima oleh elektroda sangatlah lemah, sehingga diperlukan penguatan untuk memudahkan pengolahan sinyal dan menampilkan sinyal. Digunakan penguat diferensial yang memiliki prinsip, jika terdapat perbedaan besar pada dua sinyal, maka sinyal masukan tersebut akan dikuatkan.

3.      Rangkaian HighPass Filter

Sinyal EMG memiliki frekuensi sekitar 20Hz-500Hz, sehingga untuk mendapatkan sinyal otot yang sebenarnya, sinyal-sinyal lain yang memiliki frekuensi dibawah 20Hz harus diredam dan sinyal dengan frekuensi 20Hz lebih diloloskan.

4.      Rangkaian LowPass Filter

LowPass filter berfungsi untuk meloloskan sinyal dengan frekuensi dibawah cut-off dan meredam sinyal diatas cut-off. Prinsip kerjanya kebalikan dari HighPass filter. Untuk mendapatkan sinyal otot yang sesungguhnya (20Hz-500Hz) maka diperlukan Lowpass Filter untuk meredam sinyal lain yang memiliki frekuensi diatas 500Hz.

5.      Rangkaian Notch Filter

Notch Filter atau dikenal dengan BandStop filter berfungsi untuk meredam sinyal listrik dengan frekuensi tertentu. Dalam suatu rangkaian elektronik, terdapat suatu kondisi yang dinamakan noise. Salah satu penyebab noise adalah adanya sinyal listrik dengan frekuensi 50Hz yang merupakan noise dari jala-jala PLN, lolos pada suatu rangkaian. Sehingga untuk mencegah ketidakstabilan sinyal yang disebabkan oleh noise, digunakan Notch Filter dengan melakukan redaman sinyal listrik pada frekuensi 50Hz.

6.      Mikrokontroller Arduino UNO

Arduino merupakan rangkaian elektronik yang bersifat open source, serta memiliki perangkat keras dan lunak yang mudah untuk digunakan. Arduino UNO adalah sebuah board mikrokontroler yang berbasis ATmega328. Arduino memiliki 14 pin input/output yang mana 6 pin dapat digunakan sebagai output PWM, 6 analog input, crystal osilator 16 MHz, koneksi USB, jack power, kepala ICSP, dan tombol reset. Arduino mampu mensupport mikrokontroller; dapat dikoneksikan dengan komputer menggunakan kabel USB.

Pada kasus ini, Arduino digunakan sebagai pengolah sinyal yang mengubah sinyal listrik dari rangkaian filter menjadi sinyal digital yang berbentuk diskrit. Sinyal digital ini yang akan ditampilkan pada perangkat display.

7.      Display

Sinyal-sinyal yang telah diolah sehingga mejadi sinyal yang sesuai dengan kondisi nyata ditampilkan pada Display sehingga dapat dilakukan analisis atau proses lebih lanjut. Untuk menampilkan sinyal otot pada Display, dapat digunakan beberapa perangkat lunak seperti: Borland Delphi, Arduino IDE, LabView dan perangkat lunak lainnya yang mendukung fitur grafik dan dapat terkoneksi dengan perangkat keras

Berikut adalah block diagram dari EMG Berbasis Mikrokontroler Arduino Uno



Sumber : Rusmanto. 2016. "AKUISISI DATA SINYAL EMG DI LENGAN TANGAN DENGAN
SENSOR SURFACE ELECTRODE MENGGUNAKAN
MIKROKONTROLER ARDUINO UNO". Skripsi. FT, Teknik Elektro , Universitas Dian Nuswantoro.


**Mohon maaf apabila ada kesalahan kata.