1

Abstrak— Impedansi adalah salah satu karakteristik

elektronik pada materi yang dapat diketahui secara

eksperimen. Begitu juga sel tubuh manusia, khususnya

kulit, juga memiliki impedansi. Teknik yang digunakan

untuk mengetahui impedansi kulit adalah dengan

mengalirkan sinyal listrik pada permukaan kulit

kemudian menangkapnya menggunakan elektroda. Nilai

impedansi didapatkan dengan cara mengolah sinyal

keluaran dan sinyal masukan menggunakan algoritma dan

perhitungan yang tertanam dalam sistem instrumentasi.

Sistem memiliki komponen utama yaitu sebuah IC

AD5933 sebagai pusat pengolah sinyal dan sebuah

mikrokontroler untuk mengontrol kerja sistem dan

komunikasi data. Karena impedansi merupakan fungsi

dari frekuensi, data diambil berdasarkan frekuensi yang

berbeda-beda dalam rentang 5 kHz – 95 kHz. Data

pengukuran kemudian ditampilkan pada komputer dalam

bentuk spektroskopi impedansi.

Kata Kunci— AD5933, Frekuensi, Impedansi, Kulit,

Spektroskopi

I. PENDAHULUAN

EMUA jaringan biologis memiliki sifat kelistrikan, begitu

juga dengan tubuh manusia. Beberapa sifat kelistrikan

pada jaringan biologis diantaranya resistansi, konduktansi,

permitivitas, dan kapasitansi. Setiap proses biologis juga

merupakan proses elektrik dan sehat atau sakit berhubungan

dengan arus bio-elektrik dalam tubuh kita (Pekar, 1997).

Dengan adanya sifat kelistrikan ini, tubuh manusia dapat

diasumsikan sebagai campuran dari berbagai konduktor yang

terdistribusi dengan karakteristik kelistrikan yang berbeda.

Namun tidak seperti konduktor logam, konduksi listrik pada

jaringan biologi adalah aliran ion. Hadirnya medan listrik pada

jaringan, membuat arus konduksi Ic mengalir. Arus ini

berhubungan dengan kandungan ion dan pergerakan ion pada

jaringan tertentu. Faktor-faktor ini diekspresikan sebagai

konduktivitas jaringan (σ). Sedangkan resistivitas jaringan (R)

tidak lain adalah 1/σ.

Jaringan tersusun atas sel. Setiap sel penyusun organ

makhluk hidup dibungkus dengan membran semipermeabel

(hanya melewatkan beberapa ion tertentu saja) yang tersusun

atas molekul‐molekul lipida berlapis ganda (bilayer lipids) dan

protein‐protein. Karena secara fisik membran pembungkus ini

merupakan lapisan ganda, maka secara elektronik membran

bersifat seperti kapasitor keping sejajar yang mempunyai nilai

impedansi dalam bentuk reaktansi kapasitif. Keberadaan

protein pada membran membuat membran mempunyai sifat

semipermeabel dan menyebabkan ”kebocoran” pada kapasitor.

Gambar 1 memperlihatkan rangkaian RC ekivalen untuk

sistem sel (rangkaian Maxwell‐Wagner).

Rangkaian RC Maxwell‐Wagner nilai impedansinya

merupakan fungsi dari frekuensi. Dari sini muncul fenomena

dispersi impedansi pada frekuensi. Yang membuat impedansi

menjadi fungsi dari frekuensi yaitu karena adanya sifat

kapasitif yang menimbulkan reaktansi sebesar .

Terlihat pada grafik pada gambar 2 bahwa semakin besar

frekuensi maka impedansi semakin kecil karena adanya faktor

Spektroskopi Impedansi

Kulit Manusia A. Labib Fardany F—1106065445

Departemen Fisika,Universitas Indonesia

S

Gambar 2. Dispersi impedansi sebagai fungsi dari frekuensi

Gambar 1. Rangkaian listrik ekivalen untuk sel. Cm adalah kapasitansi

membran lapisan ganda, Rm adalah resistansi kebocoran dari kapasitor, Ri adalah resistansi larutan di dalam sel, dan Re adalah resistansi larutan di

luar sel.

2

1/f. Penelitian sebelumnya menyebutkan bahwa membran sel

biologis (ketebalan 5-10 nm) memiliki kapasitansi listrik 0.5-

1.3 uF/cm2 dan memiliki resistivitas 102-105 ohm/cm2 (Chen

Hao, 2007).

II. METODE

Impedasi darah diukur dengan cukup presisi menggunakan

IC AD5933. IC ini dapat mengirimkan sinyal listrik AC yang

diberikan pada objek dan kemudian ditangkap kembali setelah

melewati objek tersebut. Sinyal yang diberikan frekuensinya

dibuat bervariasi dari 5 kHz sampai 95 kHz. Di dalam IC ada

sistem untuk membandingkan sinyal yang ditangkap dengan

sinyal yang dikeluarkan mula-mula. Perbedaan sinyalnya

dikonversi menjadi nilai resistansi (R) dan reaktansi (I). Tentu

saja nilai I dan R yang didapatkan belum pasti benar karena

harus dikalibrasi terlebih dahuu sebelumnya. Tanpa rangkaian

tambahan, IC ini dapat mengukur impedansi antara 1 kΩ

hingga 10 MΩ. Karena kisaran ini masih terlalu besar untuk

ukuran impedasi sel, maka digunakan rangkaian eksternal agar

bisa mengukur impedansi yang nilainya lebih kecil dari

kisaran nilai tersebut dan cocok dengan impedasi sel. Gambar

3 memperlihatkan diagram blok rangkaian eksternal yang

digunakan.

Pada rangkaian eksternal terdapat VCCS (Voltage

Controlled Currenst Source) yang memiliki 2 output sumber

arus, positif dan negatif. Pengaturan seperti ini diperlukan

untuk mengkur floating impedance yang berarti tidak diukur

berdasarkan acuan ground. Eksperimen ini menggunakan

VCCS berupa Howloand Current Source termodifikasi yang

dapat menginjeksi arus AC positif dan negatif sebesar 350 μA.

Dengan menggunakan sumber arus yang konstan, maka

tegangan akan bervariasi bergantung pada impedansi objek.

Tegangan objek diperkuat oleh instrumentation amplifier

kemudian disalurkan ke kaki input AD5933. Karena

impedansi juga fungsi dari frekuensi, diperlukan juga

pengamatan tentang hubungan tersebut. Maka frekuensi sinyal

divariasikan dari 5 kHz sampai 95 kHz (berdasarkan referensi

untuk pengukuran bioimpedance). Dalam eksperimen ini

objek / tissue under study (TUS) yang digunakan adalah kulit

pada lengan bagian bawah yang diberi elektroda ECG.

Sinyal dari objek yang ditangkap oleh AD5933 diproses

secara digital menggunakan sistem DFT (discrete fourier

transform) sehingga dapat diambil nilai resistansi R dan

reaktansi I dari objek. Proses ini dilakukan secara berulang-

ulang dengan frekuensi yang berbeda-beda dari rentang 5 kHz

sampai 9 kHz, sehingga didapat data R dan I secara array

dalam register AD5933.

Data resistansi dan reaktansi pada AD5933 kemudian

dikirim ke mikrokontroler untuk menghitung impedansi

berdasarkan frekuensinya dan mengirim data frekuensi,

resistansi, reaktansi, dan impedansi ke komputer. Di komputer

data tersebut ditampilkan dalam bentuk grafik (spektroskopi

impedansi).

III. HASIL

Data yang didapat dari AD5933 eval board adalah tabel

yang berisi frekuensi sweep, resistansi R, reaktansi I dan

impedansi Z. Spektrum impedansi merupakan hasil plot dari

nilai R dan I yang ditampilkan pada gambar 5.

Gambar 2 Komponen yang dibutuhkan

Gambar 3. Diagram blok rangkaian eksternal untuk mengukur impedansi

biologis

Gambar 4. Metode pengambilan data impedansi kulit

Rangkaian Eksternal

AD5933 Eval Board

Gambar 6. Spektrum impedansi kulit (plot R dan I)

3

Eksperimen menggunakan frekuensi sweep 900 Hz dengan

frekuensi awal 5 kHz dan frekuensi akhir 95 kHz. Dalam

range frekuensi ini diperoleh kurva I vs R yang melengkung

ke atas.

IV. PEMBAHASAN

Berdasarkan hasil spektrum impedansi yang didapat,

hampir semua reaktansi bernilai negatif. Hal ini menandakan

adanya gejala kapasitif pada kulit yaitu pengaruh membran sel

kulit. Gejala induktansi terlihat sangat tidak dominan karena

reaktansi yang positif hanya terlihat sedikit pada grafik yaitu

pada saat frekuensi tinggi saja. Hal ini sesuai dengan teori

rangkaian RC ekivalen untuk sistem sel (rangkaian

Maxwell‐Wagner) seperti yang telah dijelaskan di atas. Grafik

yang sedikit mirip bisa didapatkan dengan mengukur

spektroskopi rangkaian 2R1C dengan Rs (series resistence) 68

ohm, Rp (parallel resistance) 130 ohm, dan kapasitor C 100

nF. Frekuensi sweep dilakukan dalam rentang 5 kHz sampai

100 kHz.

Pada kulit, nilai R bervariasi antara 10 ohm sampai 140

ohm dan nilai I bervariasi antara -6 ohm sampai -43 ohm.

Sedangkan rangkaian rangkaian 2R1C nilai R bervariasi antara

70 ohm sampai 175 ohm dan nilai I bervariasi antara -15 ohm

sampai -63 ohm. Perbandingan nilai-nilai tersebut sedikit

mendekati, mungkin bisa dicari nilai R dan C yang lebih

akurat lagi untuk dapat menggambarkan rangkaian ekuivalen

dari sel-sel kulit, namun sudah terlihat sangat jelas bahwa

rangkaian 2R1C dapat dikatakan sebagai rangkaian ekuivalen

dari sel kulit, khususnya pada lengan bawah.

V. KESIMPULAN

Hasil eksperimen pengukran impedansi kulit memiliki

kemiripan dengan teori rangkaian Maxwell-Wagner untuk

rangkaian ekuivalen sel. Hal ini dikarenakan spektrum

impedansi kulit menunjukkan gejala kapasitansi dan reaktansi

yang lebih dominan daripada induktansi dan memiliki bentuk

kurva yang melengkung ke atas. Maka dari itu rangkaia 2R1C

dapat dianggap sebagai rangkaian ekuivalen yang pas untuk

memodelkan impedansi kulit manusia khususnya di lengan

bawah.

REFERENSI

1. Hao, Chen., Yan, Feng., Ding, Lin., Xue, Yadong., Ju, Huangxian.

2007. “A Self-assembled Monolayer Based Electrochemical

Immunosensor for Detection of Leukemia K562 Cells”. Science Direct. Electrochemistry Communications 9

2. Dean, D.A., Ramanathan, T., Machado, D., Sundararajan, R.,

2008. “Electrical Impedance Spectroscopy Study of Biological Tissues”. J Electrostat

3. Seoane, Fernando., Ferreira, Javier., Jose Sanchez, Juan., Bragos,

Ramon. 2008. “An Analog Front-End Enables Electrical Impedance Spectroscopy System On-Chip for Biomedical

Applications”. IOP Science

4. Analog Devices, AD5933 Data Sheet

A. Labib Fardany Faisal, lahir di

Pamekasan 13 April 1993. Anak

pertama dari tiga bersaudara. Saat ini

sedang menempuh pendidikan di

Universitas Indonesia Fakultas

Matematika dan Ilmu Pengetahuan

Alam Jurusan Fisika semester 2.

Sebelumnya, menimba ilmu di SMAN 3

Pamekasan.

Gambar 7. Rangkaian 2R1C ekuivalen dan spektrum

impedansi impedansinya

R1

68Ω

R2

130Ω

C1

100nF