bab ii dasar teori 2.1 kifosis€¦ · dasar teori pada bab ini akan dibahas beberapa teori...
TRANSCRIPT
5
BAB II
DASAR TEORI
Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan dalam
merealisasikan suatu alat yang dapat memonitoring sudut tulang belakang terhadap
garis horizontal. Teori mengenai kifosis, sensor sudut kemiringan, kontroler, dan
pembuatan perangkat lunak dibahas untuk memahami dasar-dasar sebelum dilakukan
perancangan.
2.1 KIFOSIS
Kifosis merupakan salah satu penyakit tulang belakang yang dimana tulang toraks
spinal melengkung. Terdapat empat jenis kifosis yaitu :
1. Kifosis Postural
Kifosis postural atau disebut juga round back. Gejala muncul ketika usia
remaja. Hal ini dikarenakan postur tubuh yang tidak baik dan otot-otot ligamen
bagian belakang yang melemah. Pengidap merasakan muskoleketal disorder
(MSDs) seperti gejala nyeri dan otot bagian belakang yang melemah. Tetapi
mereka yang mengalami kifosis postural bisa kembali lurus. Karena, kifosis ini
terjadi disebabkan postur tubuh yang buruk. Kifosis postural biasanya diatasi
dengan terapi fisik untuk membantu memperbaiki postur. Obat anti inflamasi juga
bisa membantu mengurangi gejala.
2. Kifosis Bawaan
Kifosis jenis ini sangat jarang terjadi. Penyebab kifosis ini adalah ketika terjadi
pertumbuhan tulang belakang yang abnormal sebelum dilahirkan. Hal ini terjadi
ketika bayi masih dalam kandungan. Oleh sebab itu saat masih dalam kandungan,
sebaiknya para wanita mengonsumsi makanan terbaik untuk janin. Namun jika
ketika anak telahir dengan kondisi abnormal, kifosis diobati dengan pembedahan
sedini mungkin. Ini untuk membantu mencegah kondisi lebih parah.
6
Gambar 2.1. Besarnya Sudut Tulang Belakang Terhadap Garis Horizontal [4]
3. Kifosis Scheuerman
Kifosis yang dikarenakan akibat dari kelainan struktural tulang belakang. Jenis
kifosis ini bisa berkembang menjadi scoliosis. Kelengkungan tulang belakang
abnormal ke arah samping. Penyebabnya belum diketahui, jenis kifosis ini tidak
hanya bisa menyerang tulang belakang, tetapi juga pada daerah leher, dada,
bahkan pinggang. Jenis kifosis ini bisa diobati dengan pengabungan terapi fisik
dan pengobatan nyeri pinggang serta anti inflamasi. Jika kifosis terus
berkembang, bisa memakai penyangga tulang.
4. Kifosis Osteoporosis
Penyebab kifosis yang sangat umum terjadi pada orang dewasa, dan lebih
banyak terjadi pada wanita daripada pria. Tulang yang rapuh atau keropos adalah
penyebabnya, terlebih wanita pada pasca menopause. Saat hal ini terjadi pada usia
tua, maka kifosis tak akan lurus kembali, kifosis osteoporosis juga disebut kifosis
gizi dimana kekurangan vitamin D menyebabkan tulang rapuh [5].
Gejala kifosis postural dapat dideteksi, dengan mengetahui besarnya sudut tulang
belakang terhadap garis horizontal dengan menggunakan accelerometer [4].
7
Gambar 2.2. Deteksi Posisi Tulang Belakang yang Melengkung Menggunakan The Spinal-
Mouse System® [6].
8
Gambar 2.3. Penggunaan Brace pada Penderita Kifosis
Tabel 2.1. Data Jarak Lengkung Tulang Belakang Terhadap Garis Horizontal [6]
No Posisi Tulang Belakang Sudut (°)
1 Normal Posture 89.88
2 Round Back 75.28
3 Hollow Round Back 85.92
4 Whole Kyphosis 54.95
5 Modified Round Back 63.58
Diagnosa kifosis dilakukan dengan pengamatan dan pengukuran, biasanya
menggunakan X-Ray. Apabila dalam jangka panjang dapat menimbulkan kanker.
Dalam penanganannya terdapat 4 cara, yaitu:
1. Brace
Terapi dengan menggunakan mekanik pasif yang dipasangkan pada tubuh
penderita kifosis yang disesuaikan dengan postur tubuh.
2. Terapi Fisik
Terapi fisik dapat dilakukan dengan cara berbaring telentang, dan tidur dengan
menggunakan alas yang keras.
9
Gambar 2.4. Pengukuran Menggunakan Inclinometer Manual (Kiri) dan
Flexicurve (Kanan)
3. Bedah
Terapi dengan cara pembedahan dilakukan karena runtuhnya vertebra tulang
belakang.
4. Komplikasi
Terapi yang dilakukan dengan cara mengabungkan beberapa cara terapi,
setelah dilakukan pembedahan, akan dilanjutkan terapi pemasangan brace, dan
terapi fisik [7].
Dalam mendiagnosa kifosis, selain menggunakan X-ray digunakan juga alat-alat
konvensional seperti :
1. Flexicurve
Alat ini seperti penggaris dan mudah dilengkungkan. Para fisioterapis
menggunakan alat ini untuk mengukur kelengkungan bagian tulang belakang
telah banyak digunakan untuk pengukuran kurva tulang belakang pada bidang
spinal [8].
2. Iclinometer manual
Alat yang digunakan para fisioterapis untuk mengukur sudut bungkuk dari
penderita kifosis. Penggunaannya dengan cara memasang dua buah titik
inclinometer pada bagian atas dan bawah tulang belakang [9].
10
2.2 SENSOR SUDUT KEMIRINGAN
GY-521 adalah modul sensor sudut kemiringan yang di dalamnya tedapat chip
MPU6050 didalamnya terdapat accelerometer dan gyrometer tiga axis. Keluaran
sensor diakses menggunakan antarmuka I2C. Rentang skala accelerometer ±2g
higga ±16g. Modul ini dapat dicatu dengan menggunakan tegangan minimal 3.3V
karena memiliki regulator arus searah linier 3.3V LDO (Low Drop Output).
Gambar 2.6. Skema Rangkaian GY-521
Gambar 2.5. Bentuk Fisik GY-521
11
…. (1)
…. (2)
Berikut merupakan penjelasan konfigurasi pin output pada gambar 4 :
- VCC : Tegangan input
- GND : Ground
- SCL : Serial Clock Line dalam protokol pengiriman data i2c.
- SDA : Serial Data Line dalam protokol pengiriman data i2c.
- XDA : Serial Data Line dalam protokol pengiriman data i2c.
- XCL : Serial Clock Line dalam protokol pengiriman data i2c.
- AD0 : Pemilihan address sensor, apabila bernilai high 0x69
- INT : Pin untuk interrupt.
Output pin chip digital adalah open collector dengan logic high adalah floating
dan logic low adalah 0 V. Sehingga harus ditambahkan resistor sebagai pull-up
yang disambung pada pin I2C untuk membuat nilai floating menjadi nilai high. Di
dalam perancangan ini, GY-521 dengan keluaran output accelerometer dan
gyrometerm digunakan untuk mengukur besarnya sudut. Cara untuk menentukan
sudut adalah :
1. Menghitung nilai percepatan dan kecepatan sudut
Agar perhitungan dapat akurat ditentukan terlebih dahulu nilai sensitivitas,
agar hasil accelerometer dalam satuan g dan gyro dalam satuan °/detik .
Keluaran dari MPU6050 dapat mengukur hingga percepatan ±16g, serta
kecepatan sudut 2000°/detik
𝑎𝑥 (𝑔) = (𝑎𝑟𝑎𝑤
𝑆𝑎⁄ )
𝑎𝑟𝑎𝑤 = 𝐷𝑎𝑡𝑎 𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟𝑎𝑛 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑜𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟
𝑆𝑎 = 𝑆𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡𝑎𝑠 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑜𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 𝑠𝑢𝑚𝑏𝑢 (1𝑔⁄ )
16384 untuk sensitivitas ±2g
8192 untuk sensitivitas ±4g
4096 untuk sensitivitas ±8g
2048 untuk sensitivitas ±16g
𝑎𝑥 = 𝑃𝑒𝑟𝑐𝑒𝑝𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑠𝑢𝑚𝑏𝑢 𝑥 (𝑔)
𝑔𝑥 (°/detik) = (𝑔𝑟𝑎𝑤
𝑆𝑔⁄ )
12
…. (3)
…. (4)
…. (5)
𝑔𝑟𝑎𝑤 = 𝐷𝑎𝑡𝑎 𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟𝑎𝑛 𝑔𝑦𝑟𝑜𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟
𝑆𝑔 = 𝑆𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡𝑎𝑠 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 𝑔𝑦𝑟𝑜𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 𝑠𝑢𝑚𝑏𝑢 (1𝑔⁄ )
13,1 untuk sensitivitas 250°
65,6 untuk sensitivitas 500°
32,8 untuk sensitivitas 1000°
16,4 untuk sensitivitas 2000°
𝑔𝑥 = 𝐾𝑒𝑐𝑒𝑝𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑠𝑢𝑑𝑢𝑡 𝑠𝑢𝑚𝑏𝑢 𝑥 (°/detik)
2. Menghitung sudut
Setelah didapatkan nilai percepatan gravitasi dan kecepatan sudut tiap sumbu
x, y, dan z, nilai-nilai tersebut dapat dimasukan dalam persamaan. Percepatan
gravitasi merupakan vector, dengan menggunakan persamaan pytagoras tiga
dimensi dapat diketahui besarnya sudut yang terukur dengan menggunakan
persamaan :
𝜃 = 𝑡𝑎𝑛−1 [ 𝑎𝑥
√𝑎2𝑦 + 𝑎2
𝑧
]
𝜃 = 𝑆𝑢𝑑𝑢𝑡 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑡𝑒𝑟𝑏𝑒𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑜𝑙𝑒ℎ 𝑠𝑢𝑚𝑏𝑢 𝑥 𝑑𝑒𝑛𝑔𝑎𝑛 ℎ𝑜𝑟𝑖𝑧𝑜𝑛 (𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛)
𝜓 = 𝑡𝑎𝑛−1 [ 𝑎𝑦
√𝑎2𝑥 + 𝑎2
𝑧 ]
𝜓 = 𝑆𝑢𝑑𝑢𝑡 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑡𝑒𝑟𝑏𝑒𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑜𝑙𝑒ℎ 𝑠𝑢𝑚𝑏𝑢 𝑦 𝑑𝑒𝑛𝑔𝑎𝑛 ℎ𝑜𝑟𝑖𝑧𝑜𝑛 (𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛)
𝜙 = 𝑡𝑎𝑛−1 [ √𝑎2
𝑥 + 𝑎2𝑦
𝑎𝑧 ]
𝜙 = 𝑆𝑢𝑑𝑢𝑡 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑡𝑒𝑟𝑏𝑒𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑜𝑙𝑒ℎ 𝑠𝑢𝑚𝑏𝑢 𝑦 𝑑𝑒𝑛𝑔𝑎𝑛 ℎ𝑜𝑟𝑖𝑧𝑜𝑛(𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛)
13
Gambar 2.7. Sudut yang Terukur Sensor pada Sumbu X, Y, Dan Z
…. (6)
…. (7)
Dari perhitungan nilai yang terukur dalam satuaan radian, untuk
mengubahnya dalam satuan derajat dikalikan dengan konstanta
57.295779513 yang didapat dari :
1 𝑟𝑎𝑑 =1800
𝜋
3. Filtering nilai sudut
Seluruh sensor elektronika pasti memiliki noise, untuk memperkecil nilai
noise dibutuhkan filter. Filter yang digunakan pada perancangan ini adalah
complementary filter. Complementary filter menggabungkan nilai yang
terukur pada accelerometer dengan nilai gyrometer. Faktor slerp adalah nilai
konstanta dari complementary filter yang memiliki nilai nol hingga satu.
𝑐𝑎𝑋𝑡 = 𝑘 ∗ (𝑐𝑎𝑋𝑡−1 + 𝑔𝑥 ∗ 𝑑𝑡) + (1 − 𝑘) ∗ 𝑎𝑥
𝑐𝑎𝑋𝑡 = 𝑆𝑢𝑑𝑢𝑡 𝑠𝑢𝑚𝑏𝑢 𝑥 𝑑𝑖𝑓𝑖𝑙𝑡𝑒𝑟 𝑝𝑎𝑑𝑎 𝑤𝑎𝑘𝑡𝑢 𝑡
𝑐𝑎𝑋𝑡−1 = 𝑆𝑢𝑑𝑢𝑡 𝑠𝑢𝑚𝑏𝑢 𝑥 𝑑𝑖𝑓𝑖𝑙𝑡𝑒𝑟 𝑝𝑎𝑑𝑎 𝑤𝑎𝑘𝑡𝑢 𝑡 − 1
𝑘 = 𝐹𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 𝑠𝑙𝑒𝑟𝑝
𝑔𝑥 = 𝐷𝑎𝑡𝑎 𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟𝑎𝑛 𝑔𝑦𝑟𝑜𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟
𝑎𝑥 = 𝐷𝑎𝑡𝑎 𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟𝑎𝑛 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑜𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟
𝑑𝑡 = 𝑆𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒 𝑟𝑎𝑡𝑒
14
GY-521 menggunakan Inter Integrated Circuit atau sering disebut I2C adalah standar
komunikasi serial dua arah menggunakan dua saluran yang didesain khusus untuk
mengirim maupun menerima data. Sistem I2C terdiri dari saluran SCL (Serial Clock)
dan SDA (Serial Data) yang membawa informasi data antara I2C dengan
pengontrolnya. Piranti yang dihubungkan dengan sistem I2C Bus dapat dioperasikan
sebagai master dan slave. Master adalah piranti yang memulai transfer data pada I2C
bus dengan membentuk sinyal start, mengakhiri transfer data dengan membentuk
sinyal stop, dan membangkitkan sinyal clock. Slave adalah piranti yang dialamati
master [10].
2.3 KONTROLER
Platform komputasi fisik yang bersifat open source dimana Arduino memiliki
input/output (I/O) yang sederhana yang dapat dikontrol menggunakan bahasa
pemrograman.
Gambar 2.8. Skematik Rangkaian Arduino Nano
15
Gambar 2.9. GPIO Arduino Nano
Kegunaan khusus pin output dan input arduino nano :
- SPI : 10(SS), 11(MOSI), 12(MISO), 13(SCK). Pin tersebut digunakan dalam
komunikasi SPI (Serial Parallel Input).
- I2C : A4(SDA), dan A5(SCL). Pin tersebut digunakan untuk komunikasi
I2C(Inter-IC)
- External Interupts : 2 dan 3. Pin tersebut digunakan sebagai trigger interrupt
saat nilai pin tersebut memiliki nilai rendah, kondisi ambang, atau perubahan
nilai .
- Serial : 0(RX) dan 1 (TX). RX digunakan untuk menerima dan TX digunakan
untuk mengirim data serial.
Selain kegunaan khusus, pin selain yang sudah disebutkan di atas, juga dapat
digunakan sebagai pin output dan input pada umumnya. Arduino nano dapat
dicatu dengan tegangan 7-12 Volt [11].
16
Gambar 2.11. Bentuk Fisik Modul SD Card
2.4 PENYIMPANAN DATA
Guna menyimpan data dari hasil pengukuran sensor dibutuhkan memori eksternal
yang digunakan sebagai media transfer antara rancangan sistem dengan perangkat
komputer. Dengan adanya modul SD Card, memudahkan rancangan sistem untuk
menyimpan data yang selanjutnya akan diolah pada perangkat komputer. Modul SD
Card dicatu dengan tegangan antara 3.3 V hingga 5.5 V dengan, arus 80mA.
Memiliki total 6 pin GND, VCC, dan pin ISP(MISO, MOSI, SCK, CS). Sd card akan
menyimpan data berupa file dalam format .txt [12].
Gambar 2.10. Skematik Modul SD Card
17
2.5 PEMBUATAN PIRANTI LUNAK
MATLAB adalah sebuah bahasa dengan kinerja tinggi untuk komputasi
masalah teknik MATLAB mengintegrasikan komputasi, visualisasi, dan
pemrograman dalam suatu model yang sangat mudah untuk digunakan dimana
masalah-masalah dan penyelesaiannya diekspresikan dalam notasi matematika yang
sering meliputi bidang–bidang :matematika dan komputasi, pembentukan algoritma,
akusisi data, pemodelan, simulasi, pembuatan prototipe, analisa data, explorasi, dan
visualisasi, grafik keilmuan dan bidang rekayasa [12].
Dalam pembuatan skripsi ini, digunakan beberapa fungsi seperti:
- plot() : Membuat grafik linier sumbu x, dan y.
- histogram() : Membuat grafik histogram .
- fitdist() : Menghitung distribusi probabilitas
- min() : Menghitung nilai minimum sebuah array
- max() : Menghitung nilai maximum sebuah array
- xlsread() : Membaca data excel dari format data .xls
- xlswrite() : Menimpa data excel dari format data .xls
- histcounts() : Menghitung nilai frekuensi pada histrogram
- sum() : Menghitung total nilai pada sebuah array
- num2str() : Mengkonversikan bilangan integer kedalam string
- size() : Menghitung ukuran sebuah array
- strcat() : Menggabungkan beberapa string
- cellstr() : Membuat array yang berisi string