Pengukuran  laju pernapasan ( respiration rate, RR ) berbasis beda suhu pernapasan
Wihantoro*, Aris Haryadi, Akmal Ferdiyan, Donni Maulana Sipa Program Studi Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Jenderal Soedirman Jln. Dr. Soeparno 61, Grendeng, Purwokerto, Indonesia, 53122 *email: wihantoro@unsoed.ac.id
Abstrak - Pemantauan dalam bentuk pengukuran laju pernapasan dapat dilakukan dengan menempelkan telapak tangan  dan  menghitung  jumlah  gerakan  naik  turunnya  rongga  dada  dalam  satu  menit.  Namun  dengan pertimbangan tertentu cara seperti ini tidak dapat dilakukan. Tujuan penelitian ini adalah dibuatnya sebuat unit pengukuran  laju  pernapasan  non-kontak  berbasis  sensor  inframerah  MLX90614  sehingga  tangan  tidak  perlu menempel  ke  rongga  dada.  Metode  pengukurannya  memanfaatkan  selisih  pengukuran  suhu  udara  pada  area sekitar nostril saat periode bernapas, menghirup dan menghembus. Data selisih suhu ini diolah dengan program berbasis  arduino  IDE  untuk  dihasilkan  data  laju  pernapasan.  Satu  laju  pernapasan  dihitung  dari  satu  periode menghirup dan menghembuskan udara. Data laju pernapasan dalam rentang satu menit ditampilkan pada visual display  unit  LCD  matriks.  Data  ini  diolah  juga  dengan  arduino  untuk  dapat  ditampilkan  di  web  sehingga pemantaun laju pernahapasan dapat dilakukan secara jarak jauh (remote access). Sebagai unit alat ukur, sensor inframerah  MLX90614  dikarakterisasi  dan  dikalibrasi  terhadap  respon  perubahan  suhu  pada  penurunan  dan penaikan  suhu  air.  Kinerja  sensor  inframerah  MLX90614  dalam  pengukuran  laju  pernapsan  orang  dewasa rentang usia 18 - 22 tahun menunjukkan nilai akurasi dan kesalahan yang dapat dipertanggungjawabgkan, yaitu 99,06% dan 0,94%.  Dalam pengukuran, unit ini masih terkendala pada cara yang tepat dan nyaman bagi obyek yang  diukur.  Pengemesan  unit  dalam  desain  yang  lebih  kompak  dan  mudah  dioperasikan  masih  perlu dikembangkan
Kata kunci: Laju Pernapasan, Sensor Inframerah MLX90614, Pengukuran Non-Kontak
Abstract  – Monitoring  in  term  of  measuring  the  respiratory  rate  can  be  done  by  placing  the  palms  while counting the number of movements the up and down of the chest cavity within one minute. However, due to some certain  considerations  such  method  cannot  be  done.  The  purpose  of  this  research  is  to  make  a  non-contact respiratory rate measurement unit using the MLX90614 infrared sensor so that the hands do not need to stick to the  chest  cavity.  The  measurement  method  utilizes  the  difference  in  air  temperature  measurements  within  the area around the nostril during the period of breathing, inhaling and exhaling. This temperature difference data is  processed  with  an  IDE  Arduino-based  program  to  produce  respiratory  rate  data.  One  breathing  rate  is calculated  from  one  period  of  inhaling  and  exhaling  air.  Respiratory  rate  data  in  the  span  of  one  minute  is displayed on the matrix LCD unit's visual display. This data is also processed with Arduino to be displayed on the  web  so  that  monitoring  of  the  rate  of  breathing  can  be  done  remotely  (remote  access).  As  a  unit  of measurement,  the  infrared  sensor  MLX90614  is  characterized  and  calibrated  to  the  response  of  temperature changes in decreasing and increasing water temperature. The performance of the infrared sensor MLX90614 in measuring the respiratory rate of adults aged 18 - 22 years shows the accuracy and kesalahan values that can be accounted for, 99.06% and 0.94%, respectively. During the measurements, this unit is still constrained in a firm and convenient way for the object to be measured. Packaging units in a more compact and easy-to-operate design still need to be developed.
Key words: Respiratory Rate, Infrared Sensor MLX90614, Non-Contact Measurement

## PENDAHULUAN
Respiratory  rate  (RR)  atau  laju  pernapasan (LP)  merupakan  salah  satu  indikator  yang paling  prediktif  mengenai  perubahan  kondisi vital seseorang [1,2]. Perubahan LP memberikan  penanda  awal  mengenai  gangguan pada sistem pernapasan.
Saat  dunia  dihebohkan  pandemi  Covid-19, metode  pengukuran  LP  yang  akurat  dan  aman menjadi  suatu  kebutuhan  yang  penting  bagi seluruh kalangan. Panduan dari WHO menyatakan  bahwa  nilai  LP  merupakan  salah satu  indikator  utama  yang  menunjukkan  gejala pneumonia akut pada penderita Covid-19, yaitu ketika  nilai  LP  >  30  napas/menit.  Selain  itu
penanganan  pasien  Covid-19  dan  pemantauan proses  kesembuhan  pasien  juga  menggunakan LP sebagai salah satu indikator [3].
Metode  pengukuran  LP  yang  umum digunakan saat ini memiliki beberapa
permasalahan.
Sebagai contoh, metode pengukuran manual yang umum digunakan oleh perawat  dengan  mengamati  pergerakan  dada seringkali  tidak  akurat.  Metode  lain  seperti penggunaan  Electric  Impedance  Tomography
(EIT) dan pengolahan sinyal Electrocardiography (ECG) mengharuskan terjadinya kontak langsung dengan pasien [1,3]. Hal  tersebut  menjadi  kendala  saat  tenaga kesehatan harus menangani pasien Covid-19.
Oleh  karena  itu,  untuk  keselamatan  tim medis  serta  untuk  meminimalisir  penyebaran virus  Covid-19,  maka  dilakukan  penelitian tentang  sistem  pemantauan  pernapasan  tanpa perlu  kontak  fisik.  Komponen  yang  digunakan dalam  penelitian  ini  adalah  sensor  suhu inframerah.  Sistem  pemantauan  non-kontak  ini diharapkan dapat menjadi alternatif solusi dalam masa pandemi Covid-19.

## LANDASAN TEORI

## Pernapasan Dan Sensor Inframerah

## A. Proses Pernapasan
Proses  pernapasan  adalah  proses  pertukaran udara  yang  berada  di  atmosfer  dengan  paru- paru.  Pernapasan  terbagi  menjadi  dua  sub- proses  yaitu    fase  inspirasi  (udara  masuk) dimana  udara  masuk  menuju  ke  dalam  paru- paru,  dan  fase  ekspirasi  (udara  keluar)  yaitu ketika  udara  keluar  dari  paru-paru.  Dalam proses  inspirasi  terjadi  proses  pengkondisian udara  dari  yang  sebelumnya  memiliki  suhu lingkungan  menjadi  suhu  di  dalam  paru-paru yang  lebih  hangat  yaitu  37 0 C.  Saat  proses ekspirasi  berlangsung,  udara  yang  keluar  dari paru-paru pun memiliki suhu yang sama dengan suhu di dalam paru-paru yaitu 37 0 C [4]. Hal ini memungkinkan dilakukannya pemantauan proses  pernapasan  melalui  deteksi  suhu  udara yang dikeluarkan melalui hidung.
Pengukuran  LP  secara  manual  dengan mengamati pergerakan rongga toraks pada dada sejauh  ini  menjadi  acuan  standar  untuk penentuan  nilai  LP  seseorang.  Nilai  LP  standar untuk  beberapa  kategori  usia  diberikan  pada Tabel 1. Namun seperti yang telah disampaikan sebelumnya, metode manual ini seringkali tidak
akurat, karena keterbatasan yang terkait dengan waktu pengamatan dan ketelitian pengamat.
Tabel  1 .  Frekuensi  Laju  pernapasan  Normal  (  per menit) [5] Usia Rentang Normal Rata-Rata Normal Bayi baru lahir 30-50 40 1 tahun 20-40 30 3 tahun 20-30 25 6 tahun 16-22 19 14 tahun 14-20 17 Dewasa 12-20 18

## B. Sensor Suhu Inframerah
Sensor  suhu  inframerah  adalah  perangkat  yang dapat  digunakan  untuk  pengukuran  suhu  suatu benda  dengan  prinsip  radiasi  termal  dan spektrum elektromagnetik inframerah. Hubungan  antara  radiasi  termal  yang  datang  ke sensor  dengan  suhu  objek  pemancar  radiasi diperoleh  melalui  hukum  Stefan-Boltzmann, yang  kemudian  dikaitkan  dengan  beberapa asumsi  mengenai  benda  abu-abu  berdasarkan jenis objek yang diukur [6]. Dengan menggunakan prinsip-prinsip dasar tersebut dan dengan  bantuan  tambahan  perangkat  elektronik lainnya,  sensor  inframerah  dapat  menghasilkan perkiraan suhu sebuah objek yang meradiasikan panas melalui pembacaan tegangan pada sensor tersebut.
Sinyal  pengukuran  yang  diperoleh  pada sensor  inframerah  akan  diproses  bersama dengan  informasi  kalibrasi,  sehingga  dihasilkan sinyal  keluaran  yang  sebanding  dengan  suhu yang  diradiasikan  oleh  objek.  Dalam  penelitian ini digunakan sensor suhu inframerah MLX90614  yang  memiliki  detektor  fotosensitif yang  peka  terhadap  spektrum  inframerah. Output sensor ini adalah sinyal listrik yaitu data suhu  yang  telah  terkalibrasi,  dimana  energi radiasi  termal  inframerah  dari  objek  ditangkap oleh  sensor  lalu  dikalibrasikan  menjadi  data suhu  yang  kemudian  diubah  menjadi  sinyal listrik [7].

## METODE PENELITIAN
Penelitian  yang  telah  dilaksanakan  terdiri  dari tiga  tahapan,  yaitu  dimulai  dari  pengujian sensor, hingga pembuatan dan pengujian sistem.

## A. Pengujian Sensor
Sensor  MLX90614  dirangkai  dengan  unit mikrokontroler  Wemos  D1  Mini (Arduino)  dan LCD seperti Gambar 1 untuk memperoleh nilai presisi,  akurasi  dan  kesalahan  dari  sensor tersebut. Pengujian dilakukan dengan membandingkan bacaan sensor dengan termometer  untuk  mengukur  suhu  air  hangat yang divariasi dengan memasukkan es.
Gambar 1. Rangkaian pengujian sensor MLX90614

## B. Pembuatan dan Pengujian Sistem
Sistem  dirancang  dengan  tujuan  agar  hasil pengolahan  data  suhu  oleh  sensor    dan perangkat  lunak  dapat  ditampilkan  di  LCD  dan situs Web. Hal tersebut diharapkan memudahkan  pengguna  untuk  memantau  hasil pengukuran. Setelah sensor MLX90614 menghasilkan  keluaran  berupa  sinyal  listrik yaitu  data  suhu  yang  terkalibrasi.  Perangkat Arduino  kemudian  akan  melakukan  transkripsi untuk  menghasilkan  data  LP  yang  siap ditampilkan  pada  display  dan  situs  Web. Diagram  blok  sistem  dapat  dilihat  pada Gambar  2 .  Garis  putus-putus  menandakan bagian yang terhubung tanpa kabel.
Gambar 2. Diagram Blok Sistem Pengukuran LP
Sistem  yang  telah  dirangkai  seperti  pada Gambar  2 dimasukkan  ke  dalam  kotak  untuk memudahkan penggunaan, kemudian digabungkan  dengan tripod seperti  pada
Gambar
3 . Ini dimaksudkan untuk memudahkan peletakan sistem.
(c)
Gambar  3. Rangkaian  Sistem  pengukuran  LP.  (a). Bagian  sistem,  (b).  Rangkaian  sistem  dalam  kotak, (c). Rangkaian sistem siap pakai
Perangkat Arduino Wemos D1
dihubungkan  dengan  layar  LCD  dan Hotspot Wifi ,  sehingga  sinyal  yang  dikirimkan  oleh sensor MLX90614 akan dianalisa dan ditranskripsi  oleh  Wemos  D1  untuk  kemudian dihasilkan  data  LP  yang  akan  ditampilkan  di LCD  dan  situs  Web.  Tampilan  pada  situs  Web akan  memudahkan  pemantauan  menggunakan berbagai  perangkat  dari  jarak  jauh,  seperti melalui smartphone maupun  komputer  dengan koneksi internet.
Program  Arduino  IDE  dengan  bahasa pemrograman C digunakan untuk mengkonversi nilai  perubahan  suhu  yang  dibaca  oleh  sensor menjadi  nilai  LP.  Perubahan  suhu  terjadi  di sekitar nostrils (lubang hidung) ketika seseorang menghembuskan  napas  keluar,  karena  napas yang  keluar  memiliki  suhu  yang  lebih  tinggi dibanding  suhu  ruang.  Jumlah  total  perubahan suhu  (selisih  suhu  lingkungan  dengan  suhu  di sekitar nostrils )  dalam  rentang  waktu  60  detik kemudian  dinyatakan  sebagai  nilai  LP  yang akan  ditampilkan  di  dalam  display  LCD  dan situs  Web.  Program  yang  dibuat  terdiri  dari bagian  deklarasi  variabel  dan library ,  bagian void setup (perintah pengaktifan awal) dan void loop (perhitungan loop untuk memperoleh LP).

## C. Pengujian Sistem
Sistem yang telah dibuat kemudian diuji dengan melibatkan  5  orang  responden.  Responden terdiri dari pria dan wanita dengan rentang usia 18-22  tahun  yang  berada  dalam  keadaan  sehat. Hasil  pengukuran  LP  oleh  sistem  yang  diuji
dibandingkan dengan pengukuran manual, yaitu dengan  meletakkan  tangan  di  atas  rongga  dada dan  mengukur  jumlah  naiknya  rongga  dada dalam  1  menit  .  Ilustrasi  pengujian  sistem  ini dapat dilihat di Gambar 4 .
Gambar  4. Pengujian  Sistem  pengukuran  LP.  (a). Pengukuran LP menggunakan sistem yang dirancang,  (b).  Pengukuran  menggunakan  metode manual sebagai pembanding

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  dari  penelitian  ini  dibagi  menjadi  dua bagian,  yang  pertama  adalah  mengenai    respon sensor inframerah MLX90614 dan kelayakannya  untuk  mengukur  LP.  Bagian kedua adalah terkait dengan pengujian sistem.

## A. Respon Sensor MLX 90614
Pembacaan  suhu  air  oleh  sensor  MLX  90614 telah  dibandingkan  dengan  pembacaan  suhu menggunakan  termometer  alkohol.  Hasil  dari pengujian  sensor  memberikan  respon  sensor yang dapat dilihat pada Gambar 5 .
Gambar 5. Perbandingan respon suhu (dalam satuan o C) sensor MLX 90614 dengan termometer alkohol
Dari Gambar  5 tampak  bahwa  koefisien regresi  linear  yang  diperoleh  adalah  0,9942, artinya  sensor  MLX  90614  memiliki  nilai akurasi  yang  baik  jika  dibandingkan  dengan termometer  alkohol.  Dengan  demikian  sensor
ini  layak  digunakan  untuk  memantau  nilai  LP melalui perubahan suhu di sekitar nostrils .
y = 1,0059x + 0,0403 R² = 0,9942 24 29 34 39 44 24 29 34 39 44 S u h u Air De n g a n S en so r
M LX 9 0 6 1 4
Suhu Air Dengan Termometer Alkohol
Data Suhu Linear

## B. Hasil Pengujian Sistem
Hasil  pengujian  sistem  pemantauan  nilai LP memberikan informasi mengenai akurasi dan kesalahan  sistem.  Contoh  pengukuran  LP  oleh
sistem ditampilkan dalam sampel pada Gambar 6 .  Dalam  gambar  ini  diberikan  sampel  hasil pengukuran  LP  oleh  sistem  dalam  rentang waktu 5 detik.
Gambar 6. Sampel Pengukuran LP oleh sistem dalam selang waktu 5 detik
Hasil pengukuran nilai LP untuk responden oleh  sistem  dapat  dilihat  dalam Tabel  2 .  Nilai ini  juga  telah  dibandingkan  dengan  nilai  LP yang diperoleh melalui pengukuran manual.
Tabel  2 .  Hasil  Pengujian  Sistem  (LP  dalam  satuan kali/menit)
N o Responde n dan Suhu lingkunga n LP Siste m LP Manua l Δ Akura si (%) kesa laha n (%) 1 1 29.35 ℃
19 19 0 100 0 18 18 0 100 0 16 17 1 94,12 5,88 17 17 0 100 0 17 17 0 100 0
2 2 30.19 ℃ 17 18 1 94,44 5,56 18 18 0 100 0 17 17 0 100 0 17 17 0 100 0 17 17 0 100 0 3 3 31.05 ℃ 19 19 0 100 0 19 19 0 100 0 18 17 1 94,12 5,88 16 16 0 100 0 17 17 0 100 0 4 4 29.83 ℃ 18 18 0 100 0 18 18 0 100 0 17 17 0 100 0 17 17 0 100 0 18 18 0 100 0 5 5 29.83 ℃ 17 16 1 93,75 6,25 18 18 0 100 0 16 16 0 100 0 17 17 0 100 0 17 17 0 100 0 Rata-rata 99,06 0,94
Dari Tabel  2 ,  tampak  bahwa  nilai  hasil pengukuran  oleh  sistem  ketika  dibandingkan dengan pengukuran manual ternyata menunjukkan  nilai  akurasi  dan  kesalahan  yang sangat  baik.  Dengan  nilai  akurasi  99,06%  dan kesalahan sebesar 0,94%, sistem yang dirancang telah dapat memenuhi tingkat keberhasilan yang diinginkan sebagai alat untuk mengukur LP.
Nilai  LP  yang  diuji  pun  telah  dapat ditampilkan  dalam  situs  Web  di  alamat https://demo.thingsboard.io/ .  Dalam  desain  yang telah  dibuat,  tampilan  yang  ada  di  dalam  situs Web terdiri  dari  suhu  lingkungan,  suhu nostrils dan  nilai  LP.  Salah  satu  contoh  hasil  tampilan dapat dilihat pada Gambar 7 .
Gambar  7. Tampilan  situs  Web Thingsboard pada saat sistem dijalankan
Penelitian  pendugaan  sebaran  intrusi  air  laut Suatu  sistem  pengukuran  laju  pernapasan bersifat  non-kontak  yang  menggunakan  sensor inframerah  MLX  90614  telah  berhasil  dibuat. Sistem  memiliki  nilai  akurasi  dan  kesalahan yang  sangat  baik  yaitu  99,06%  untuk  akurasi dan  0,94%  untuk  nilai  kesalahannya.  Nilai pengukuran  laju  pernapasan  oleh  sistem  juga telah  dapat  ditampilkan  dalam  LCD  yang melekat  di  dalam  sistem,  dan  juga  ditampilkan dalam  situs  Web  yang  dapat  diakses  dari  jarak jauh. Dengan demikian, sistem pengukuran laju pernapasan  non-kontak  ini  bisa  menjadi  salah satu alternatif solusi untuk pemantauan nilai laju pernapasan di masa pandemi Covid-19.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  ingin  menyampaikan  ucapan  terima kasih  kepada  Rektor  dan  LPPM  Universitas Jenderal  Soedirman  yang  telah  memberikan dana  bagi  terlaksananya  penelitian  ini  melalui skema  Riset  Pengembangan  Kompetensi  Dana BLU.  Selain  itu  juga  terima  kasih  disampaikan kepada  Bapak  Hartono  selaku  Kepala  Lab Elektronika  dan  Instrumentasi  Jurusan  Fisika FMIPA  Unsoed  atas  dukungan  dan  bantuan selama penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  C.B. Pereira, et.al., “Remote monitoring of breathing dynamics using infrared Tomography”, Biomedical Optics Express 6(11) (2015).
[2]  G.  Singh,  A.  Tee,  T.  Trakoolwilaiwan,  A. Taha  and  M.  Olivo,  “Methods  of respiratory  rate  measurement  using  a unique  wearable  platform  and  an  adaptive optical  based  approach”, Intensive  Care Medicine Experimenta 8(15) ( 2020).
[3]  C. Masaroni, A. Nicolo, E. Schena and M. Sacchetti, “Remote Respiratory Monitoring in  the  time  of  Covid-19”, Frontiers  in Physiology 11(635) (2020).
[4]  R.N.  Pittmann,  Regulation  of  Tissue Oxygenation, In:  R.N.  Pittmann,  Ed., Colloquium  Series  on  Integrated  Systems Physiology:  From  Molecule  to  Function , Morgan and Claypool, , 2011, 1-100.
[5]  S. Fleming, et.al., “Normal Ranges of heart rate  and  respiratory  rate  in  children  from birth  to  18  years  of  age”, The  Lancet 377(9770) (2011).
[6]  J.  Meseguer,  I.  Perez-Grande,  A.  Sanz- Andres, “Thermal Radiation Heat Transfer”, In:  J.  Meseguer,  I.  Perez-
Grande,  A.  Sanz-Andres,  Ed.,  Spacecraft Thermal Control , Woodhead, 2012, 73-86.
[7]  H.  Hatimah,  A.A.N.  Gunawan  dan  I.B.A. Paramarta,  “Designing  a  Heart  Rate  and Body  Temperature  Measurement  Tool Using  Pulse  Sensor  and  IR  MLX90614
Based on ATmega328 and GSM Technology ”, Buletin Fisika 19(2) (2018).
.