ISSN (e): 2459-9638
Spirometer Non-Invasive dengan Sensor Piezoelektrik untuk Deteksi Kesehatan Paru-Paru

## KEMALASARI, PAULUS SUSETYO WARDANA, RATNA ADIL
Politeknik Elektronika Negeri Surabaya (PENS) Email: kemala@pens.ac.id

## ABSTRAK
Polusi udara dapat mempengaruhi kesehatan paru-paru. Umumnya pengukuran fungsi paru menggunakan  spirometer,  dilakukan  di  rumah  sakit  dan  membutuhkan  waktu  yang  lama untuk mengetahui hasilnya. Untuk mengatasi masalah ini, dirancang Spirometer non-invasive yang  portable  dengan  menggunakan  sensor  piezoelektrik  yang  diletakkan  di  dada. Perubahan  tekanan  yang  diukur  oleh  sensor  piezoelektrik  adalah  10  –  80  mV,  sehingga diperlukan  rangkaian  amplifier,  filter,  clamper,  mikrokontroler  AVR  ATMega  32  sebagai pengolah  data  I/O  dan  LCD  grafik  untuk  menampilkan  hasil  ukur  serta  SD  card  untuk menyimpan data. Alat ini mengukur  kapasitas vital paru-paru, respirasi rate, dan jika hasil ukur kapasitas vital paru-paru kurang  dari 80 % dari nilai prediksi kapasitas paru-paru maka kondisi  paru-paru  dideteksi  tidak  sehat.    Hasil  dari  pengujian  menunjukkan  bahwa persentase  nilai  keberhasilan  alat  adalah  95,70  %,  hasil  pengukuran  dan  deteksi  kondisi paru-paru dapat langsung diketahui dari tampilan di LCD grafik, data hasil pengukuran bisa disimpan dan  alat berukuran kecil sehingga portable, mudah digunakan oleh siapapun dan dimanapun dengan nyaman.
Kata kunci : Spirometer, Piezoelektrik, Mikrokontroler, Kapasitas Paru-Paru, LCD Grafik.

## ABSTRACT
Air  pollution  can  be  affected  the  health of  the  lungs.  Generally  the  measurement  of  lungs function  use  a  spirometry,  performed    in  the  hospital  and  takes  a  long  time  to  know  the results. To overcome this problem, a portable non-invasive Spirometry  is  designed using  a piezoelectric  sensors  placed  on  the  chest.  T he  changes  of  pressure  is  measured  by  the piezoelectric sensor are 10 - 80 mV, so it needs a amplifier circuit, filter, clamper, ATMega 32 AVR microcontroller as I/O data processor and LCD graph to display result of measurement and SD card for save the data. This instrument measure lungs vital capacity, respiration rate, and  if  the  measured  of  lungs  vital  capacity  is  less  than  80  %  of  the  predicted  of  lung capacity,  then  the  lung  is  detected  unhealthy.  The  result  of  testing  indicated  that  the percentage  of  success  value  of  instrument  is  95,70  %,  the  results  of  measurements  and detection of lung conditions can be directly know from the view in LCD graphs, measurement data can be saved and size of instrument is small so portable, easy to use by anyone and anywhere with comfortably.
Keywords : Spirometry, Piezoelectric, Microcontroller, Lungs Capacity, LCD Graphic.
Deteksi Kesehatan Paru-Paru Menggunakan Spirometer Non-Invasive Dengan Sensor Piezoelektrik

## 1. PENDAHULUAN
Perubahan  iklim  yang  ekstrim  dan  polusi  udara  yang  disebabkan  oleh  debu,  asap,  gas buangan  kendaraan  dan  industri  dapat  meningkatkan  peluang  terjangkit  berbagai  penyakit infeksi  yang  disebabkan  oleh  virus,  terutama  infeksi  saluran  pernapasan.  Gangguan  infeksi pernapasan  yang  terjadi  secara  serius  dalam  waktu  yang  lama  dapat  mempengaruhi kesehatan paru-paru. Jika pemeriksaan fungsi paru dilakukan secara cermat sejak dini, maka penyakit paru-paru dapat disembuhkan. Spirometer adalah sebuah alat yang berfungsi untuk mengukur  seberapa  banyak  udara  yang  dapat  dihirup  (inspirasi)  dan  dihembuskan (ekspirasi)  oleh  seseorang  dalam  durasi  tertentu  sehingga  hasil  pengukurannya  dapat memberi  informasi  tentang  kesehatan  paru-paru.  Pengukuran  fungsi  paru-paru  dengan spirometer,  biasanya  menggunakan  klip  penutup  hidung  untuk  mencegah  udara  keluar melalui  hidung  dan  pasien  diminta  untuk  menarik  napas  sedalam  mungkin  dan  kemudian dihembuskan secara maksimal (paksa)  ke corong mesin spirometer yang sudah dilengkapi dengan  sensor  yang  dapat  mengukur  volume  udara  yang  dihirup  dan  dihembuskan  serta kapasita  paru-paru.  Pada  saat  ini,  pengukuran  kondisi  paru-paru  harus  dilakukan  di  rumah sakit  dengan  biaya  yang  tidak  murah.  Selain  itu,  hasil  pengukuran  kondisi  paru-paru  tidak bisa  langsung  diketahui  karena  pengukuran  spirometer  hanya  memberi  informasi  tentang hasil pengukuran volume paru-paru saja. (Sini, 2015)
Moh.  Fat’ak  pernah  merealisasikan  spirometer  dengan  menggunakan  sensor  strain  gauge MPX5100  yang  diletakkan  pada  alat  tiupdengan  tujuan  untuk  menganalisa  volume  dan kapasitas  paru-paru.  Perubahan  tegangan  yang  dihasilkan  oleh  sensor  dikuatkan  oleh rangkaian op-amp non-inverting, dan selanjutnya diintegrasikan ke PC dengan menggunakan mikrokontroler  ATMega  16  sebagai  pengolah  data  analog  ke  digital.  Sinyal  respirasi  yang dihasilkan  oleh  alatmasih  banyak  mengandung  noise  sehingga  sinyal  respirasi  masih  harus diolah  lagidengan  filter  FIR  ( Finite  Impulse  Response)  untuk  mengurangi  noise,  dan  hasil pengukuran volume serta kapasitas paru-paru masih belum presisi dan memiliki prosentase error antara 10.95 % sampai 38.8 % jika dibandingkan dengan pengukuran menggunakan Biopac MP30. (Fat’ak, 2010)
Setiyo Ari Wibowo telah melakukan penelitian tentang perhitungan respirasi permenit dengan menggunakan  sensor  piezoelektrik.  Hasil  dari  sensor  piezoelektrik  dapat  digunakan  untuk mendeteksi  inspirasi  dan  ekspirasi  sehingga  dapat  diketahui  jumlah  respirasi  dan  status pernapasannya. (Setiyo, 2010)
Aulia  Rahma A pernah merealisasikan spirometer dengan menggunakan sensor piezoelektrik untuk  menganalisa  kesehatan  paru-paru  berdasarkan  pengukuran  volume  dan  kapasitas paru-paru. Sensor piezoelektrik yang digunakan sudah dapat bekerja dengan baik dan sudah dapat menganalisa kesehatan paru-paru. (Aulia, 2013)
Pada  proceeding  ICBETA  2014  dengan  judul Analyze  of  Lung  Condition  Base  on  the Measurement  of  Respiration  Rate  and  Vital  Capacity  of  Lung  Using  Piezoelectric  Sensor, dilakukan analisa kesehatan paru-paru pada anak-anak (usia: 8 – 12 tahun), remaja (usia: 17  –  22  tahun),  dan  orang  dewasa  (usia:  39  –  48  tahun).  Hasil  penelitian  menunjukan bahwa  faktor  usia,  tinggi  badan  dan  jenis  kelamin  dapat  mempengaruhi  hasil  pengukuran kapasitas paru-paru dan respirasi rate. (Kemalasari, 2014)
Kemalasari  pernah  merealisasikan  spirometer non-invasive  dengan  menggunakan  sensor piezoelektrik  untuk  mendeteksi  infeksi  saluran  pernafasan  berdasarkan  pengukuran  volume dan kapasitas paru-paru. Pada alat ini digunakan sensor piezoelektrik yang diletakkan didada sehingga  perubahan  gerakan  dada  pada  saat  bernapas  dapat  dideteksi  dan  diukur  oleh
sensor. Karena output dari sensor cukup kecil, maka dikuatkan oleh rangkaian amplifier, low pass filter, notch filter, clamper dan mikrocontroller serta lcd grafik untuk menampilkan hasil pengukuran.  Alat  dapat  bekerja  dengan  baik  dan  dapat  mendeteksi  adanya  infeksi  saluran paru-paru, namun data hasil pengukuran belum bisa disimpan. (Kemalasari, 2016)
Dengan  melihat  kondisi  di  atas,  maka  pada  penelitian  ini  dilakukan  pengembangan  alat spirometer non-invasive  yang  portable  dengan  menggunakan  sensor  piezoelektrik.  Hasil pengukuran  akan  ditampilkan  pada  LCD  grafik  dan  data  hasil  pengukuran  akan  disimpan pada SD  card sehingga data hasil pengukuran bisa diolah  dan dianalisa lebih lanjut di PC. Pada  LCD  grafik,  selain  ditampilkan  sinyal  pengukuran  juga  ditampilkan  hasil  pengukuran kapasitas  vital  paru-paru,  respirasi rate  per  menit  dan  kondisi  kesehatan  paru-paru  secara otomatis  tanpa  harus  menunggu  beberapa  hari  sehingga  alat  ini  sangat  mudah  digunakan oleh siapapun dan dimanapun dengan nyaman.

## 2. METODOLOGI
2.1  Perencanaan Sistem Untuk merealisasikan spirometer non-invasive sebagai alat yang dapat mendeteksi kesehatan paru-paru,  maka  dibutuhkan  perencanaan  sistem.  Secara umum,  perencanan  sistem  terdiri dari bagian input yang merupakan bagian yang akan memberi input ke sistem, bagian proses yang  merupakan  bagian  yang  akan  memproses  sistem,  dan  bagian output  yang  akan menampilkan  hasil  dari  sistem.  Diagram  blok  dari  perencanan  sistem  ditunjukkan  pada Gambar  1,  dan  dari  gambar  tersebut  terlihat  bahwa  perancangan  sistem  terdiri  dari perancangan hardware dan perancangan software.
Gambar 1. Diagram Blok Sistem

## 2.1.1 Input
Pada bagian input sistem terdiri dari :
1. Sensor  piezoelektrik  yang  dilekatkan  pada belt  dan  diletakkan  pada  bagian  kanan dada subyek difungsikan untuk mendeteksi perubahan tekanan di dada akibat adanya perubahan gerakan dada ketika bernafas.
2. Rangkaian Amplifier  digunakan  sebagai  penguatan  sinyal  yang  didapat  dari  sensor piezoelektrik.
3. Rangkaian Filter  digunakan  untuk  peredaman  sinyal-sinyal  tertentu  (noise)  yang terkandung pada sinyal respirasi.
4. Rangkaian Clamper digunakan untuk membuat sinyal dalam domain positif sehingga dapat dibaca oleh mikrokontroler.
5. Keypad  matriks  digunakan  sebagai  tombol  untuk  memasukkan  data  pasien  seperti nama, usia, tinggi badan dan jenis kelamin. Selain itu juga digunakan sebagai tombol pemilihan menu.

## 2.1.2  Proses
Bagian  proses  atau  pengolahan sinyal  respirasi  adalah  mikrokontroler  AVR ATMega32  yang digunakan untuk melakukan:
1. konversi  data  analog  ke  digital  dengan  memanfaatkan  fasilitas  ADC  internal mikrokontroler ATMega32,
2. pengolahan  sinyal  respirasi  untuk  mendapatkan  nilai  kapasitas  vital  paru-paru  dan nilai respirasi rate per menit (rpm),
3. pengiriman data ke LCD Grafik dan SD card.

## 2.1.3 Output
Bagian output dari sistem terdiri dari :
1. LCD  ( Liquid  Crystal  Display)  Grafik  yang  digunakan  sebagai  tampilan  hasil  sinyal keluaran kapasitas vital paru-paru beserta analisa kesehatan paru-paru dan tampilan sinyal respirasi rate beserta nilai respirasi rate permenit dalam satuan bpm (beat per menit).
2. SD  Card  yang  digunakan  untuk  menyimpan  database  pasien  serta  data  hasil pengukuran.
Perencanaan  tampilan  hasil  pengukuran  dan  analisa  paru-paru  di  LCD  grafik  diperlihatkan pada Gambar 2, dimana pada LCD grafik akan muncul sinyal output berupa sinyal kapasitas vital  paru-paru.  Dari  sinyal  tersebut  akan  diketahui  nilai  kapasitas  vital  paru-paru  (VC) beserta status kesehatan paru-paru dan nilai respirasi rate per menit (RPM).
Gambar 2. Perencanaan Tampilan Hasil Pengukuran di LCD Grafik
Nilai respirasi rate per menit dan kapasitas vital paru-paru dapat diketahui melalui hasil sinyal yang muncul pada LCD grafik, dimana sinyal terbentuk dari data hasil bacaan sensor tekanan piezoelektrik  yang  diukur  dengan  menempelkan  sensor  pada  dada  bagian  kanan  yang merupakan titik yang mengalami perubahan paling besar pada saat bernapas/respirasi. (Fachrial, 2012)
Data sinyal respirasi yang diterima  oleh sensor piezoelektrik  akan dikuatkan oleh rangkaian amplifier,  kemudian  sinyal  difilter  untuk  menyaring  noise  dan  mendapatkan  sinyal  yang diinginkan. Setelah itu sinyal dikirim ke mikrokontroler untuk diubah datanya dari analog ke digital melalui ADC internal mikrokontroler ATMega32 dan kemudian data sinyal diproses di mikrokontroler  dan  hasilnya  akan  ditampilkan  di  LCD  Grafik  serta  disimpan  dengan menggunakan  memori  eksternal  pada  mikrokontroler  yaitu SD  Card.  Sedangkan  untuk pemilihan tombol menu dan memasukkan data pasien seperti nama, usia, tinggi badan, dan jenis  kelamin  digunakan keypad  matriks.  Seluruh  proses  dalam  system  ini  berbasis mikrokontroler  dan  memperoleh  catu  daya dari  baterai  rechargerable.  Diagram  alir  dari perencanaan sistem ditunjukkan pada Gambar 3.
Pengukuran  respirasi rate  dilakukan  dengan  cara  bernapas  normal  dan  relaks selama  satu menit  dalam  keadaan  duduk,  sedangkan  pengukuran  kapasitas  vital  paru-paru  dilakukan dengan  cara  mengambil  napas  dalam-dalam  dan  menghembuskan  napas  sekuatnya  juga dalam  keadaan  duduk.  Untuk  mengetahui  kondisi  kesehatan  paru-paru,  dilakukan perbandingan  antara  nilai  hasil  pengukuran  kapasitas  vital  paru-paru  dengan  nilai  prediksi kapasitas  vital  paru-paru  dimana  paru-paru  terindikasi  tidak  sehat  jika  nilai  kapasitas  vital paru-paru  hasil  pengukuran  kurang  dari  80%  dari  nilai  prediksi  kapasitas  vital  paru-paru serta nilai respirasi rate kurang dari nilai respirasi rate normal . (Planzer, 2000)

## 2.2  Perancangan dan Realisasi Hardware
Untuk merealisasikan spirometer non-invasive sebagai alat yang dapat mendeteksi kesehatan paru-paru, maka diagram blok sistem dari perancangan hardware mengacu  pada Gambar 1.
2.2.1 Perancangan Rangkaian Sensor dan Amplifier. Rangkaian sensor yang merupakan input bagi rangkaian amplifier memiliki impedansi input yang tinggi, sehingga rangkaian ini aman digunakan karena dapat mencegah arus balik yang ditimbulkan  oleh  rangkaian  elektronika  dan  objek  yang  diukur  tidak  terpengaruh  secara langsung  oleh  aliran  arus  balik  tersebut.  Tegangan  output  yang  dihasilkan  oleh  sensor piezoelektrik  sangatlah  kecil  yaitu  antara  10  –  80  mV,  sehingga  perlu  dilakukan penguatan agar  hasil sinyal  yang  keluar  dapat  terlihat  semakin  jelas  terutama  pada  fase inspirasi  dan ekspirasi.
Op-amp yang digunakan untuk rangkaian amplifier non-inverting adalah IC LM 324, dimana R1 yang digunakan bernilai 1 kΩ dan R2 berupa variabel resistor 100 kΩ yang dimaksudkan supaya penguatannya dapat diatur sesuai kebutuhan keluaran sinyal. Dengan tegangan input antara  10  mV  sampai  80  mV  dan  penguatan  maksimal  101  kali,  maka  didapat  tegangan output  sesuai  kebutuhan  untuk  bisa  dibaca  mikrokontroler.  Gambar  rangkaian  sensor piezoelektrik dan rangkaian amplifier ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 4. Rangkaian Sensor Piezoelektrik dan Amplifier

## 2.2.2 Perancangan Rangkaian Low Pass Filter.
Low pass filter (LPF) merupakan filter yang melewatkan sinyal dengan frekuensi yang lebih rendah dari frekuensi cut off. Pada rangkaian LPF ini digunakan frekuensi cut off sebesar 15 Hz  karena  besarnya  sinyal  respirasi  adalah  disekitar  0  –  10  Hz.  Rangkaian  LPF  yang dirancang menggunakan orde 4, yang dibentuk dari 2 buah rangkaian LPF orde 2 Sallen-Key Topology    dengan  koefisien  butterworth  orde  4.  Gambar  dari  rangkaian  LPF  ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5. Rangkaian Law Pass Filter

## 2.2.3 Perancangan Rangkaian Notch Filter.
Rangkaian notch filter digunakan untuk menghilangkan noise jala-jala frekuensi 50 Hz pada supply tegangan.  Pada rangkaian ini ditentukan frekuensi resonansi sebesar 314 Hz dengan bandwidth    sebesar  50  Hz  dan  faktorkualitas  sebesar  6,28.  Gambar  dari  rangkaian  notch filter ditunjukkan pada Gambar 6.
Gambar 6. Rangkaian Notch Filter

## 2.2.4 Perancangan Rangkaian Clamper.
Rangkaian  clamper  digunakan  untuk  menggeser  ( clamping)  tegangan  agar  dapat  diterima oleh  ADC  internal  mikrokontroler  ATMega32  dengan  baik.  Karena  sinyal  respirasi  yang dihasilkan oleh rangkaian sensor, amplifier, LPF dan notch filter berada dalam range positif dan negatif, sedangkan ADC hanya dapat menerima input pada batas 0 – 5 volt, oleh karena itu diperlukan rangkaian clamper  untuk menaikan level sinyal respirasi ke range positif. Pada rangkaian clamper  ini,  variable  resistor  sebesar  50  kΩ  digunakan  untuk  mengatur  naik turunnya  sinyal  respirasi  hingga  sesuai  seperti  yang  diinginkan.  Gambar  dari  rangkaian clamper diperlihatkan pada Gambar 7.

## Gambar 7. Rangkaian Clamper
2.2.5 Perancangan Rangkaian Minimum Sistem. Untuk  merealisasikan spirometer non-invasive maka diperlukan rangkaian minimum system yang  digunakan  sebagai  pusat  untuk  mengolah  dan  mengontrol  keluaran  data  sinyal piezoelektrikyang  akan  ditampilkan  melalui  LCD  Grafik  (port  A)  serta  mengolah  data masukan  dari keypad  matriks  (port  B).  Rangkaian  minimum  system  tersusun  dari mikrokontroler  AVR Atmega32  yang  dilengkapi  dengan  fasilitas port  USART  programmable untuk  komunikasi  serial,  kapasitas  penyimpanan memori  programmable  Flash  sebesar  32 KiloByte, internal SRAM sebesar 2 KiloByte,1024 Bytes EEPROM, 32 port input/output, serial port, internal ADC 10 bit sebanyak 8 channel dan 3 buah timer/counter (2 buah 8 bit dan 1 buah 16 bit). S kematik dari rangkaian minimum sistem ditunjukkan pada Gambar 8.
Gambar 8. Rangkaian Minimum Sistem

## 2.3 Perancangan dan Realisasi Software.
Perangkat software diperlukan  untuk memproses sinyal respirasi  yang akan ditampilkan ke LCD  Grafik.  Perangkat software  yang    di  inputkan    ke    mikrokontroller  AT-Mega32 menggunakan Code  Vision  AVR  Atmega  32  berbasis  bahasa  C.  Data  analog  dari  sensor piezoelektrik  akan  menjadi  masukan  untuk  diproses  menjadi  sinyal  digital  yang  akan ditampilkan ke LCD grafik.

## 2.3.1 Program Code Vision AVR Atmega 32
Code Vision AVR Atmega 32 merupakan software C-cross compiler, dimana program ditulis menggunakan  bahasa  C  untuk  mempersingkat  waktu  perancangan  ( developing  time). Kompilasi  dilakukan  setelah  program  dalam  bahasa  C  ditulis,  dan  jika  tidak  ada  kesalahan (error)  baru  dilakukan  proses download  secara  ISP.  Gambar  9  merupakan  tampilan  Code Vision AVR dalam melakukan setting  ADC dengan menggunakan 8 bit data, dimana Transfer data dilakukan dengan pembacaan ADC pada port A(1) dengan koefisien delay 22,2 ms.
Gambar 9. Tampilan Pemilihan Aplikasi AVR

## 2.3.2 Perancangan Algoritma Deteksi Kondisi Kesehatan Paru-Paru
Untuk deteksi kondisi kesehatan paru-paru, diperlukan data masukan dari orang yang akan diukur. Keypad matrik digunakan sebagai tombol untuk memasukkan data  dari orang yang akan  diukur  yaitu  data  berupa  nama,  umur,  tinggi  badan  serta  jenis  kelamin,  dan  juga sebagai  tombol  untuk  pemilihan  menu.  Teknik  untuk  membaca  data  dari keypad menggunakan  teknik scanning,  dimana  untuk  akses  keypad,  terlebih  dahulu  ditentukan kolom sebagai output dari mikrokontroler dan baris sebagai input ke mikrokontroler. Pilihan menu pada sistem ada 3 yaitu:
1. Pengukuran VC,
2. Pengukuran RPM, dan
3. Data VC dan RPM.

## Deteksi Kesehatan Paru-Paru Menggunakan Spirometer Non-Invasive Dengan Sensor Piezoelektrik
Menu  1  digunakan  untuk  pengukuran  VC  (Kapasitas  Vital  Paru-paru)  dengan  cara  menarik napas  dalam-dalam  dan  menghembus  napas  sekuatnya  dalam  keadaan  duduk.  Setelah pengukuran    VC  selesai,  maka  nilai  hasil  pengukuran  kapasitas  vital  paru-paru  dan  kondisi kesehatan paru-paru dapat langsung diketahui.
Menu 2 digunakan untuk mengukur respirasi rate per menit (RPM), dengan cara bernafasan normal selama 15 detik.  Setelah pengukuran RPM selesai,maka sinyal pengukuran dan nilai hasil pengukuran respirasi rate per menit dapat langsung diketahui.
Menu 3 digunakan untuk menampilkan biodata orang yang diukur dan data hasil pengukuran kapasitas  vital  paru-paru  serta  respirasi rate per menit  yang sudah dilakukan. Diagram alir untuk deteksi kondisi kesehatan paru-paru yang ditampilkan di LCD grafik ditunjukkan pada Gambar 10.
Gambar 10. Diagram Alir Deteksi Kondisi Kesehatan Paru-Paru
Deteksi kesehatan paru-paru ditentukan berdasarkan perbandingan antara hasil pengukuran kapasitas paru-paru alat dengan nilai prediksi kapasital vital paru-paru. Jenis kelamin, usia,
dan  tinggi  badan  akan  mempengaruhi  nilai  prediksi  kapasitas  vital  paru-paru.  Untuk menentukan  nilai  prediksi  kapasitas  vital  paru-paru  (VC prediksi )  digunakan  Persamaan  (1) untuk laki-laki dan Persamaan (2) untuk perempuan. (Planzer, 2000), (Faridah, 2011)
00 . 3 ) 022 . 0 ( ) 052 . 0 ( :     U x T x VC
Laki Laki
Untuk prediksi
(1) 69 . 2 ) 018 . 0 ( ) 041 . 0 ( :    U x T x VC Perempuan Untuk prediksi (2)
dimana :
T = tinggi badan (cm)
U = usia (tahun)
Katagori  kesehatan  paru-paru  seseorang  ditetapkan  berdasarkan  perbandingan  antara  nilai prediksi  kapasitas  vital  paru-paru  (VCprediksi)  pada  Persamaan  (1)  dan  (2)  dengan  nilai kapasitas  vital  paru-paru  hasil  pengukuran.  Jika  nilai  kapasitas  paru-paru  hasil  pengukuran sama  atau  lebih  dari  80%  dari  nilai  prediksi  kapasitas  vital  paru-paru  (VCprediksi)  ,  maka dideteksi kondisi paru-paru sehat (normal). (Planzer, 2000)

## 3. PENGUJIAN SISTEM
Pengujian  sistem  secara  keseluruhan  dilakukan  dengan  cara  mengintegrasikan  seluruh subsistem hardware  dan software.  Tujuan  dari  pengujian sistem  adalah untuk  mengetahui apakah  sistem yang  dirancang  sudah  dapat  bekerja  atau  belum.  Pengujian  dilakukan  pada rangkaian  sensor  dan  amplifier,  rangkaian low  pass  filter,  rangkaian  notch  filter  dan rangkaian clamper.

## 3.1 Pengujian Rangkain Sensor Piezoelektrik dan Amplifier
Input  dari  rangkaian  adalah  data  dari  sensor  piezoelektrik  yang  direkatkan  pada  belt  dan diletakkan di dada subyek, sedangkan ouput dari rangkaian dilihat pada oscilloscope.  Hasil pengujian  dari  rangkaian  sensor  dan  amplifier  yang  ditampilkan  pada oscilloscope  saat subyek  duduk  tenang  sambil  menarik  nafas  dalam-dalam  dan  menghembus  sekuatnya ditunjukkan pada Gambar 11.

## Gambar 11. Pengujian Rangkaian Sensor dan Amplifier
Hasil  pengujian  memperlihatkan  bahwa  rangkaian  sensor  piezoelektrik  dan amplifier  telah bekerja dengan baik. Sensor piezoelektrik sensitif terhadap adanya perubahan tekanan pada dada  saat  proses  pernafasan.  Besarnya  tegangan output  yang  dihasilkan  bergantung  pada besarnya tekanan pada saat bernafas. Semakin besar tarikan dan hembusan nafas pada saat subyek  bernafas  maka  semakin  besar  pula  tegangan output  yang  dihasilkan.  Tegangan output yang dihasilkan oleh sensor sebesar 10 - 80 mv, sehingga perlu adanya penguatan
sebesar 100 kali agar ouput yang dihasilkan memiliki tegangan yang lebih besar dan dapat diolah dan diproses lebih lanjut di ADC internal mikrokontroler.

## 3.2 Pengujian Rangkaian Low Pass Filter
Tujuan  pengujian  rangkaian low  pass filter  adalah  untuk  mengetahui  frekuensi  cut-off  dan respon  frekuensinya.  Pengujian  dilakukan  dengan  memberi  tegangan input  sebesar  1  Volt melalui function generator  dan memberikan kenaikan frekuensi dari  0,5 Hz sampai 100 Hz. Karakteristik  dari  rangkaian low pass filter  orde 4 dengan frekuensi  cut-off sebesar 15 Hz dapat  dilihat  pada  Gambar  12.  Berdasarkan  response  pada  Gambar  12,  rangkaian  dapat meloloskan sinyal di bawah frekuensi 15 Hz sehingga rangkaian low pass filter sudah dapat berjalan sesuai dengan perencanaan.
Gambar 12. Respon Frekuensi Low Pass Filter
3.3 Pengujian Rangkaian Notch Filter
Tujuan rangkaian notch filter adalah untuk menghilangkan frekuensi jala-jala PLN sebesar 50 Hz.  Pengujian  dilakukan  dengan  memberi  tegangan input sebesar 500 mV melalui function generator  dan  memberikan  kenaikan  frekuensi  dari  0,5  sampai  100  Hz.  Karakteristik  dari rangkaian notch filter dapat dilihat pada Gambar 13. Dari respon dapat dilihat bahwa setelah frekuensi 20 Hz tegangan output mengalami penurunan sampai pada frekuensi 50 Hz yaitu sebesar  0,075  Volt,  kemudian  setelah  frekuensi  50  Hz  terlewati  maka  seiring  dengan kenaikan  frekuensi,  tegangan output yang dihasilkan mengalami kenaikan sampai akhirnya mengalami saturasi sehingga rangkaian Notch Filter dapat berfungsi dengan bagus.
Gambar 13. Respon Frekuensi Notch Filter
Pengujian  keseluruhan  sistem  ( hardware),  integrasi  pada  rangkaian  mendapat  supply tegangan dari power supply sebesar 9 volt. Hasil sinyal dari integrasi rangkaian keseluruhan sistem  yang  ditampilkan  pada oscilloscope  saat  subyek  bernapas  dalam-dalam  ditunjukkan pada Gambar 14.

## Gambar 14.  Hasil Pengujian saat Bernafas Dalam-dalam

## 3.4 Realisasi Spirometer Non-invasive
Berdasarkan  hasil  rancangan  diatas,  maka  direalisasikan  spirometer  non-invasive  dengan menggunakan  sensor  piezoelektrik  untuk  mendeteksi  kesehatan  paru-paru.  Spirometer  ini berukuran kecil (panjang:18,5 cm, lebar:15 cm dan tinggi: 8 cm), mendapat catu daya dari baterai  rechargerable  dan  portable.  Tampilan  rangka  spirometer  ditunjukkan  pada  Gambar 15,  sedangkan  tampilan  hasil  pengukuran  kapasitas  vital  paru-paru  pada  LCD  grafik ditunjukkan pada Gambar 16.

## Gambar 15. Spirometer Non-invasive (realisasi)
Gambar 16. Tampilan Pengukuran Kapasitas Vital Paru-Paru (VC) pada LCD Grafik

## 3.4.1 Pengujian Catu Daya
Catu daya yang digunakan pada spirometer non-invasive adalah 1 buah baterai Lipo (Lithium-Polimer)  yang mempunyai  kapasitas  dan tegangan baterai 1000 mAh, 12 V dengan discharge rate sebesar 20-30 C. Discharge rate berguna untuk mengetahui seberapa besar baterai tersebut dapat menahan beban maksimum. Karena baterai memiliki rating discharge maksimum sebesar 30  C maka berarti baterai dapat menahan beban maksimum

## Deteksi Kesehatan Paru-Paru Menggunakan Spirometer Non-Invasive Dengan Sensor Piezoelektrik
hingga 500 mA yang artinya energy baterai sebesar 1000 mAh akan terkuras habis dalam waktu 2 menit. Jika baterai hanya mensuplai arus sistem sebesar 400mAh maka baterai dapat bertahan selama 2 jam 30 menit.

## 3.4.2 Pengujian SD Card
SD card berfungsi untuk menyimpan data semua informasi yang telah didapatkan dari sensor yang  terhubung  pada  alat  pembuatan  data  logger.  Data  yang  diambil  dari  semua  sistem akan  disimpan  dalam  format  xls.  Format  xls  ini  dapat  dibuka  melalui  Microsoft  Excel. Pemilihan  format  xls  adalah  untuk  mempermudah  pengolahan  data.  Gambar  17 menunjukkan tampilan data yang disimpan dalam SD card. Gambar ini  membuktikan bahwa modul SD card dapat mendeteksi dan menyimpan nilai ADC dari sensor piezoelektrik.

## Gambar 17. Data dari SD Card

## 3.4.3 Pengujian Sistem Pengukuran Kapasitas Vital Paru-paru
Pengukuran  kapasitas  vital  paru-paru  dilakukan  pada  20  subyek  yang  terdiri  dari  4  anak dengan  usia  8  –  11  tahun,  11  remaja  dengan  usia  17  –  22  tahun,  dan  5  orang  dewasa dengan  usia  39  –  52  tahun.  Pengujian  sistem  pengukuran  dilakukan  dengan  cara membandingkan  pengukuran  kapasitas  vital  paru-paru  menggunakan  spirometer  non- invasive  hasil  rancangan  terhadap  pengukuran  kapasitas  vital  paru-paru  dengan menggunakan alat spirometer Biopac system. Hasil pengukuran ditunjukkan pada Tabel 1.
% 100 (%) x Biopac
VCukur Alat VCukur Biopac VCukur Error   (3)

## Tabel 1. Hasil Pengujian Kapasitas Vital Paru-Paru
Besarnya  persentase  error  pada  Tabel  1  dihitung  berdasarkan  Persamaan  (3).  Besarnya persentase  kesalahan  disebabkan  karena  kondisi  subyek  pada  saat  pengukuran  kurang tenang  dan  sensor  piezoelektrik  sangat  sensitif  terhadap  adanya  perubahan  tekanan.  Oleh karena itu pada saat subyek melakukan pengukuran diharapkan dalam kondisi yang tenang dan diam. Sedangkan grafik dari hasil pengukuran pada  Tabel 1 ditunjukkan  pada Gambar 18.
0 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 VCukur (alat) (liter) VCukur (Biopac) (liter) Persen Error (%)

## 3.4.4 Pengujian Sistem Pengukuran Respirasi Rate Per Menit
Pengujian  sistem  pengukuran  respirasi rate  per  menit  dilakukan  dengan  cara membandingkan  pengukuran  respirasi rate  menggunakan  spirometer  non-invasive  hasil rancangan  terhadap  pengukuran  respirasi rate secara manual yaitu menghitung banyaknya subyek  menghirup  napas  selama  1  menit  dengan  menggunakan stopwatch.  Hasil pengukuran respirasi rate per menit ditunjukkan pada Tabel 2. Besar persentase error pada Tabel 2 dihitung berdasarkan Persamaan (4). Sedangkan grafik dari hasil pengukuran pada Tabel 2 ditunjukkan pada Gambar 19.
% 100 (%) x Manual RPM
Pengukuran RPM Manual RPM Error   (4)
Gambar 19. Grafik Data Pengukuran Respirasi Rate per menit
Tabel 2. Hasil Pengujian Respirasi Rate per menit
0 5 10 15 20 25 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Respirasi rate  alat (bpm) Respirasi rate manual (bpm) Persen Error (%)

## 3.4.5 Pengujian Keseluruhan Sistem
Tujuan pengujian secara keseluruhan system adalah untuk melihat hasil dari masing-masing subsistem setelah diintegrasikan dan melihat hasil keluaran secara keseluruhan dari system yang telah dirancang dan direalisasikan. Pengujian keseluruhan system ini berupa pengujian terhadap software  dan  konektivitas  antara  software  dan  hardware.  Hasil  pengujian keseluruhan system ditunjukkan pada Tabel 3.
Pada  Tabel  3,  nilai  prediksi  kapasitas  vital  paru-paru  disingkat  menjadi  VC prediksi yang dihitung  dengan  menggunakan  Persamaan  (1)  dan  (2),  sedangkan  kondisi  paru-paru dideteksi tidak sehat jika nilai hasil ukur kapasitas vital paru-paru kurang dari 80% dari nilai prediksi kapasitas vital paru-paru. (Planzer, 2000)
Tabel 3. Hasil Pengujian Keseluruhan Sistem
Pengujian keseluruhan system dilakukan pada 20 orang yang berbeda dimana untuk setiap orang  dilakukan satu  kali  pengukuran.  Dengan  menganalisis hasil  pengujian  yang  disajikan pada Tabel 3, maka diperoleh kinerja sistem sebagai berikut: Hasil pengukuran respirasi rate per menit pada 20 orang adalah 12 – 24 bpm untuk anak-anak usia 8 – 11 tahun, 15 - 25 bpm Untuk remaja usia 17 – 22 tahun, dan  12 – 24 bpm  untuk orang dewasa usia 39 – 52 tahun,  dengan  tingkat  keberhasilan  rata-rata  pada  pengukuran  respirasi  adalah  95.70  %. Sedangkan hasil pengukuran kapasitas vital paru-paru adalah 3.87 – 4.13 liter untuk anak- anak  (8  –  11  tahun),  2.2  –  4.54  liter  untuk  remaja  (17  –  22  tahun)  dan  2.12  –  3.93  liter untuk orang dewasa (39 – 52 tahun) dengan tingkat keberhasilan rata-rata pada pengukuran kapasitas  vital  paru-paru  adalah  97.67  %.  Alat  spirometer non-invasive  ini  dapat  juga mendeteksi  ada  4  orang  yang  terindikasi  memiliki  paru-paru  tidak  sehat.  Dari  pengujian keselurah  sisitem  ini  maka  dapat  dinyatakan  bahwa  alat  spirometer non-invasive  yang dirancang dan direalisasikan ini telah bekerja dengan sangat baik.

## Deteksi Kesehatan Paru-Paru Menggunakan Spirometer Non-Invasive Dengan Sensor Piezoelektrik

## 4. KESIMPULAN
Berdasarkan  perancangan,  realisasi  dan hasil  pengujian sistem yang  telah  dilakukan,  maka penelitian ini dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Alat  spirometer non-invasive  dengan  menggunakan  sensor  piezoelektrik  telah  berhasil dirancang  dan  direalisasikan  untuk  mendeteksi  kesehatan  paru-paru  seseorang berdasarkan  pengukuran  nilai  kapasitas  vital  paru-paru  dan  respirasi rate  permenit, dengan  tingkat  persentase  keberhasilan  rata-rata  pengukuran  respirasi rate  adalah sebesar 95.70 % dan tingkat persentase keberhasilan rata-rata pengukuran kapasitas vital paru-paru adalah 97.67 %.
2. Pengguna alat spirometer non-invasive dapat memperoleh hasil pengukuran respirasi rate per  menit  dan  kapasitas  vital  paru-paru  sekaligus  dapat  juga  informasi  tentang  hasil deteksi kondisi kesehatan paru-paru.
3. Dengan ditampilkannya hasil pengukuran sinyal respirasi dan  hasil deteksi kondisi paru- paru  di  LCD  grafik  serta  data  hasil  pengukuran  bisa  disimpan  di SD  Card  dan  alatnya portabel,  maka  alat  ini  sangat  mudah  digunakan  oleh  siapapun  dan  dimanapun  dengan nyaman.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada  instansi  Kementrian  Riset,  Teknologi  dan Pendidikan Tinggi Republik Indonesia yang telah mendanai penelitian ini melalui pemberian hibah penelitian produk terapan (Penelitian Hibah Bersaing).

## DAFTAR RUJUKAN
Sini,  J.,  Vikneswarim,  A.,  Divya,  J.  (2015). Lung  Volume  Measurements:  A  Review  Article. Asian journal of research in Biological and Pharmaceutical sciences 3(1): 47-51.
Fat’ak,  M.  (2010). Pengolahan  Sinyal  Respirasi  dengan  FIR  Untuk  Analisa  Volume  dan Kapasitas Pulmonary. Tugas Akhir. Surabaya. Politeknik Elektronika Negeri Surabaya.
Setiyo,  A.  (2010). Realisasi Sensor  Piezoelektrik Untuk Pengukuran Respirasi Rate Berbasis PC. Tugas Akhir. Bandung. Institut Teknologi Telkom Bandung.
Aulia,  R.,  Kemalasari.,  &  Ali,  H.  (2013). Analisa  Kesehatan  Paru-Paru  Berdasarkan Pengukuran  Volume  dan  Kapasitas  Paru-Paru.  Seminar  Nasional  SNPTE  2013.  Prosiding (pp. 88–91).
Kemalasari.,    Ali,  H.  (2014). Analyze  of  Lung  Condition  Base  on  the  Measurement  of Respiration  Rate  and  Vital  Capacity  of  Lung  Using  Piezoelectric  Sensor.  International Conference  on  Biomedical  Engineering  Technology  and  Application.  Proceeding  ICBETA 2014 (pp. 138-142).
Kemalasari., Ratna, A., & Paulus, W. (2016). Perencanaan dan Realisasi Alat Deteksi Infeksi Saluran  Pernapasan  Berdasarkan  Pengukuran  Kapasitas  dan  Volume  Paru-Paru  secara Non-Invasive Pasca Musibah. Seminar Nasional Teknologi Terapan (SNTT) 2016. Prosiding (pp .96-100).
Fachrial, H., Endah, A. (2012). Uji Fungsi Paru. Journal CDK-192. 39(4): 305-307.
Planzer,  R.,  Uyehara,  J.,  McMullen,  W. Pulmonary Function  I  &  II  Lessons  for  use  with  the Biopac Student Lab, 42 Aero Camino, Santa Barbara-USA, Lesson 12 & 13, 2000 .
Faridah,  M.,  Rizwan,  A.,  &  Aniqa,  M.  (2011). Predicted  and  Recorded  Vital  Capacity  in Students  of  Shalamar  Medical  and  Dental  College  –  Lahore.  Pakistan  Journal  of Physiology. 7(2): 50-52.