Analisis Metode Elemen Hingga Artificial Hip Joint Saat Gerakan Salat
Aditya Candratama*, Yogi Prasetyo, Jamari, Rifky Ismail, Ismoyo Haryanto Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro
Jl. Prof. H. Soedarto, SH, Tembalang-Semarang 50275, Telp. +62247460059 *E-mail: adityacandratama@gmail.com

## Abstract
The main function of the hip  joint  is to support the human body in  carrying out  various activities in daily life. Mechanically the hip joint is a socket and ball joint that connects the fermur head and pelvis acetabulum. In many cases, this hip  joint  can experience permanent  damage caused by calcification, aging or accidents. In such cases the replacement of the hip joint with an artificial hip joint is needed. However, to  prevent  damage, there are  some restrictions in  the use of artificial hip  joints on several movements,  including  squatting,  running,  and  salat.  This  limitation  will  of  course  severely  limit  the daily  activities  of  persons  with  artificial  hip  joint  replacement.  In  this  study  the  measurement  of  the reaction force or ground reaction force (GRF) has been carried out  on conditions  when an artificial hip  joint  performs  salat  movements.  This  salat  movement  was  chosen  because  it  represented  a combination of restricted movements. The results of the GRF measurement are then used as load data in  the  stress  analysis  using  FEM.  The  results  of  the  analysis  show  that  the  stress  that  occurs  in  the movement  of  salat  when  standing,  ruku’  and  sujud  are  32.15  MPa;  32.46  MPa  and  21.6  MPa respectively. Whereas the stress when sitting between two sujud is 19.1 MPa for the right foot and 9.3 MPa for the left foot. The stress at the end of tahiyat is 21.7 MPa for the right foot and 26 MPa for the left foot.
Keywords : artificial hip joint, ground reaction force, FEM, stress, deformation

## Abstrak
Fungsi  utama  sendi  panggul  adalah  sebagai  penopang  tubuh  manusia  dalam  melakukan  berbagai aktivitas  dalam  kehidupan  sehari-hari.  Secara  mekanis  sambungan  pada  sendi  panggul  ( hip  joint ) merupakan socket and ball joint yang menghubungkan antara fermur head dan pelvis acetabulum . Pada banyak  kasus,  sendi  panggul  ini  dapat  mengalami  kerusakaan  permanen  yang  disebabkan  oleh pengapuran, penuaan atau kecelakaan. Untuk kasus yang demikian tindakan penggantian sendi panggul dengan  sendi  panggul  buatan  ( artificial  hip  joint  replacement )  sangat  diperlukan.  Akan  tetapi  untuk mencegah  terjadinya  kerusakan  maka  dalam  penggunaan  sendi  panggul  buatan  ini  diberikan pembatasan  pada  beberapa  gerakan,  diantaranya  adalah  jongkok,  berlari,  dan  salat.  Pembatasan  ini tentu  saja  akan  sangat  membatasi  aktivitas  keseharian  penyandangnya.  Oleh  karena  itu  dalam penelitian  ini  analisis  FEM  sendi  panggul  dilakukan  untuk  menentukan  tegangan  yang  terjadi  pada gerakan yang dibatasi tersebut. Hasil analisis ini diperlukan sebagai pertimbangan agar dapat dirancang sendi  panggul  buatan  yang  tetap  dapat  memberikan  kebebasan  gerak  bagi  penyandangnya.  Dalam penelitian  ini  pengukuran  beban  gaya  reaksi  atau ground  reaction  force (GRF)  telah  dilakukan  pada kondisi  saat  penyandang  sendi  panggul  buatan  melakukan  gerakan-gerakan  salat.  Gerakan  salat  ini dipilih karena merepresentasikan kombinasi gerakan-gerakan yang dibatasi. Hasil pengukuran GRF ini selanjutnya digunakan sebagai data beban dalam  analisis tegangan menggunakan FEM. Hasil analisis menunjukkan  bahswa  besar  tegangan    yang  terjadi  pada  gerakan  salat  saat  berdiri,  ruku’  dan  sujud masing-masing adalah 32,15 MPa; 32,46 MPa dan 21,6 MPa. Sedangkan pada saat duduk diantara dua sujud  diperoleh  tegangan  sebesar  19,1  MPa  untuk  kaki  kanan  dan  9,3  MPa  untuk  kaki  kiri.  Adapun tegangan pada saat tahiyat akhir adalah  21,7 MPa untuk kaki kanan dan 26 MPa untuk kaki kiri.
Kata kunci: Artificial hip joint, Ground reaction force , FEM, Tegangan, Deformasi

## 1. Pendahuluan
Sendi  panggul  buatan  berfungsi  sebagai  pengganti  dari  sendi  panggul  asli  ketika  mengalami  kerusakan  karena berbagai  macam  sebab  seperti  arthritis,  cacat  lahir,  pertumbuhan  abnormal  maupun  kecelakaan.  Sebagai  pengganti sendi  panggul  asli  yang  berbentuk  ball  and  socket,  sendi  panggul  buatan  memiliki  bagian-bagian  utama,  seperti ditunjukkan  pada  Gambar  1,  yaitu:  stem,  femoral  head,  acetabullar  cup  dan  acetabullar  liner  [1].  Material  yang digunakan dalam sendi panggul buatan harus memiliki biokompabilitas yang baik. Stem, femoral head dan acetabullar cup umumnya menggunakan material logam seperti Co-Cr-Mo, alumina/zirconia, Ti-6Al-4 V, AISI 316L dan beberapa
menggunakan  keramik.  Umumnya  acetabullar  liner  menggunakan  UHMWPE  karena  memiliki  biokompabilitas  yang baik dan ketahanannya terhadap impact [2].
Gambar 1 . Bagian-bagian utama sendi panggul buatan [1]
Masyarakat  Indonesia  yang  mayoritas  beragama  Islam  (sekitar  87,2  %)  maka  dalam  sehari  melakukan  lima  kali aktivitas  gerakan  salat.  Gerakan  salat  secara  umum  terbagi  menjadi  lima  gerakan  dasar,  yaitu  berdiri,  ruku’,  sujud, duduk  diantara  dua  sujud,  dan  takhiyat  [3].  Bagi  pasien  penyandang  sendi  panggul  buatan  aktivitas  gerakan  salat tersebut  akan  mempengaruhi  impact  pada  sendi  panggul  buatan  yang  disandangnya . Dalam  penelitian  ini  simulasi dilakukan untuk mendapatkan persentase beban gaya reaksi yang terjadi pada tiap gerakan salat. Selain itu  juga dengan simulasi dapat dilakukan  perhitungan range of motion (ROM) untuk menentukan  besar sudut  yang terjadi pada setiap gerakan salat. Pada  Sendi panggul  memungkinkan pergerakan dari paha pada tiga arah dengan  ROM  yang  luas. Paha dapat melakukan fleski hingga 120˚-125˚ dan ekstensi hingga 10˚-15˚ pada bidang sagital. Paha juga dapat melakukan abduksi hingga 30˚-45˚ dan adduksi 15˚-30˚. Sedangkan untuk rotasi, paha dapat melakukan internal rotasi hingga 30˚- 50˚ dan eksternal rotasi [4].
Besar  beban  gaya  reaksi  atau ground  reaction  force (GRF)  serta  ROM  digunakan  sebagai  data  pembebanan  pada sendi panggul buatan. Dengan menggunakan simulasi FEM maka didapatkan besar tegangan dan deformasi yang terjadi pada  sendi panggul  buatan saat gerakan salat. Dalam kaitannya tegangan dan deformasi  secara umum kecenderungan nilai tegangan akan berbanding lurus dengan nilai deformasi yang terjadi [5].
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui besar tegangan serta deformasi yang terjadi pada sendi  panggul buatan  sehingga  pasien artificial  hip  joint  replacement dapat  memiliki  perhatian  serta  referensi  dalam  melakukan gerakan salat agar kondisi sendi panggul buatan dapat berfungsi dengan baik.

## 2. Metodologi Penelitian
Pengukuran GRF secara eksperimental pada penelitian ini dilakukan terhadap tiga orang dengan berat 70 kg, 73 kg, 78  kg.  Proses  pengukuran  dilakukan  dengan  dengan  menggunakan  timbangan  digital.  Kemudian  setelah  pengukuran dilakukan analisis beban gaya reaksi dengan simulasi. Simulasi ini dilakukan dengan menggunakan pemodelan human body dengan lima macam gerakan pada salat, yaitu berdiri, ruku’, sujud, duduk diantara dua sujud, dan takhiyat akhir seperti ditunjukkan pada Gambar 2. Pada tiap sendi anggota tubuh pemodelan ditambahkan ball joint agar pemodelan human  body dapat  diubah  sesuai  gerakan  salat.  Pembebanan  yang  dilakukan  pada  simulasi  dengan  Solidworks  4.0 adalah  gravitasi  sebesar  9,81  m/s 2 sehingga  beban  terdistribusi  ke  seluruh  bagian  tubuh.  Berat  badan  tubuh  yang digunakn pada pemodelan ini sebesar 80 kg serta tumpuan yang digunakan terletak pada anggota tubuh yang berkontak dengan bidang.
ROM  yang  terbentuk  pada  gerakan  salat  ditentukan  berdasar  pada  pemodelan  pada  simulasi  yang  selanjutnya dibandingkan dengan hasil pengukuran yang telah dilakukan. Gambar 3 mengilutrasikan perhitungan ROM pada salah satu gerakan salat, yaitu sujud. Pada penelitian ini perhitungan ROM yang dilakukan menghasilkan sudut pada gerakan berdiri,  ruku’,  sujud,  duduk  diantara  dua  sujud  dan  takhiyat  masing-masing  sebesar  0°,  0°,  107°,  158°,  dan  140°. Informasi  mengenai  sudut  yang  terbentuk  dari  tiap  gerakan  salat  ini  sangat  diperlukan  karena  sudut  tersebut  akan mempengaruhi kondisi artificial hip joint serta letak femoral condyle dantibial pad .
(a) (b) (c) (d) (e)
Gambar 2. Pemodelan human body (a) gerakan berdiri, (b) ruku’, (c) sujud, (d) duduk diantara dua sujud, (e) takhiyat.
Gambar 3. Perhitungan ROM hip joint pada gerakan sujud.
Selanjunya analisis tegangan von Misses serta deformasi yang terjadi dilakukan dengan menggunakan FEM. Dalam pemodelan menggunakan FEM ini terdapat empat komponen pada model sendi panggul buatan, yaitu: acetabular shell , acetabular liner outer , acetabular liner inner dan stem . Pada acetabular shell, acetabular liner outer dan steam head menggunakan material AISI 316L dengan Modulus Young sebesar1.93x10 5 MPa, Poisson Ratio sebesar 0,3 dan Yield Strength sebesar 137,9 MPa. Sedangkan pada tibial pad dan tibial plateu menggunakan material ultra-high molecular weight  polyethelene (UHMWPE)  dengan  Modulus  Young  sebesar  893  MPa,  Poisson  Ratio  sebesar  0,44  dan  Yield Strength  sebesar  23,56  MPa.  Analisis  dilakukan  dengan  mesimulasikan  pemodelan  sendi  panggul  buatan pada  lima kondisi gerakan. Gambar 4 menunjukkan meshing pemodelan sendi panggul buatan pada salah satu kondisi salat, yaitu sujud.
Gambar 4. Meshing pada pemodelan sendi panggulbuatan saat gerakan sujud.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Tabel  1  menunjukkan  perbandingan  GRF  gerakan  salat  yang  diperoleh  dari  pengukuran  dan  simulasi.  Dari  tabel tersebut tampak bahwa GRF hasil simulasi memberikan hasil yang cukup akurat.  Pada hasil perhitungan GRF ini tiap persentase  gerakan  yang  dihasilkan  akan  mendapatkan  nilai  satu  kali  dari  berat  total.  Untuk  berdiri  dan  ruku’  maka tinggal dikali dua untuk mendapat kan  nilai GRF total dari tiap gerakan tersebut.  Dari kelima gerakan tersebut  maka berdasarkan harga GRF yang diperoleh dapat dipahami jika gerakan pada berdiri dan rukuk mempunyai persentase nilai tegangan yang paling tinggi diantara gerakan lainya.
Tabel 1. Ground reaction force (GRF) gerakan salat.
Gerakan GRF Pengukuran (BW) GRF Simulasi (BW) 1.Berdiri 0,500 0,501 2. Ruku 0,500 0,530 3. Sujud a. Dahi 0,29 0,300 b. Tangan 0,061 0,06 c. Lutut 0,289 0,280 4. Duduk di antara dua sujud a. Lutut kanan 0,124 0,120 b. Ankle kanan 0,190 0,191 c. Kaki kiri 0,663 0,663 5. Tahiyat Akhir a. Lutut kanan 0,061 0,060 b. Ankle kanan 0,233 0,233 c. Kaki kiri 0,767 0,767
Gambar 5 menunjukkan hasil analisis tegangan sendi panggul buatan pada lima gerakan salat menggunakan FEM. Sedangkan Tabel 2 menunjukkan tegangan von Misses pada sendi panggul buatan yang diperoleh melalui analisi FEM pada penelitian ini dibanding dengan hasil yang diperoleh pada Ref [5].
Tabel 2 . Tegangan von Misses sendi panggul buatan pada gerakan salat.
Gerakan Simulasi (MPa) Jurnal (MPa) [5] Berdiri 32,15 - Ruku’ 32,46 27,60 Sujud 21,60 19,90 Duduk Dua Sujud a)kaki kanan 19,10 17,80 b)kaki kiri 9,30 8,70 Takhiyat Akhir a)kaki kanan 21,70 23,56 b)kaki kiri 26 26,36
Dari  hasil  tersebut  tampak  bahwa  kecuali  pada  gerakan  tahiyat  akhir,  hasil  yang  diperoleh  pada  penelitian  ini memberikan  hasil  yang  sedikit  lebih  besar.  Dari  Tabel  2  juga  tampak  bahwa  tegangan  terjadi  ketika  dalam  gerakan posisi berdiri dan rukuk. Kondisi ini sesuai dengan hasil GRF yang telah diuraikan di atas.
(a)
(b) (c) (d)
(e)
Gambar 5. Hasil simulasi tegangan sendi panggul buatan saat (a) berdiri, (b) rukuk, (c) sujud, (d) duduk diantara dua sujud, (e) takhiyat.

## 4. Kesimpulan
Dari  analisis  perhitungan  GRF  menunjukkan  bahwa  gerakan  sujud  mempunyai  nilai  persentase  berat  tubuh  yang besar  dibandingkan  gerakan  lain  yang  mengalami  kontak  langsung  antara  sendi  panggul  dan  bidang.  Hasil  dari perhitungan beban gaya reaksi tersebut kemudian digunakan sebagai pembebanan artificial hip joint serta memasukkan nilai  range  of  motion  (ROM)  sebagai  pemodelan  dari  sendi  panggul  buatan  untuk  gerakan  salat  berdiri,  ruku’,  sujud, duduk  diantara dua  sujud, dan  takhiyat  akhir dimana  besar sudut  yang terbentuk  adalah 0°, 0°, 107°, 158°, dan 140°. Dari kelima gerakan tersebut, aktivitas gerakan sendi lutut yang berkontak dengan bidang adalah, sujud, duduk diantara duasujud, dan takhiyat.
Simulasi  yang  dilakukan  menempatkan  titik  pembebanan  dan  tumpuan  (fixed)  yang  sama  pada  tiap  gerakan pemodelan artificial hip joint , dimana pembebanan diletakkan pada femoral condyle dan tumpun (fixed) terletak pada bagian tibial plateu. Dari Besar tegangan  yang terjadi pada gerakan salat baik saat berdiri, ruku’, sujud, duduk diantara dua sujud, dan takhiyat  akhir  adalah 32,15 MPa  ;  32,46 MPa  ; 21,6  MPa  ; 19,1 MPa  untuk kaki  kanan dan 9,3  MPa untuk kaki kiri ; 21,7 MPa untuk kaki kanan dan 26 MPa untuk kaki kiri.  Dari simulasi maka didapatkan nilai tegangan terbesar  terdapat  pada  gerakan  berdiri  dan  rukuk  yaitu  sebesar  32,15MPa  dan  32,46  MPa  dan  tegangan  terkecil  pada gerakan  duduk  diantara  dua  sujud kaki kiri. Hal tersebut dapat terjadi  karena  pada gerakan sujud  merupakan gerakan dimana sendi panggul  berkontak langsung dengan bidang dan  mendapatkan nilai pembebanan gaya  reaksi yang paling besar dibandingkan gerakan duduk diantara dua sujud dan takhiyat meskipun pada range of motion (ROM) sudut paling besar yang terbentuk pada artificial hip joint adalah pada gerakan duduk diantara dua sujud. Hasil analisis  tersebut  memberikan  informasi kepada pasien artificial  hip  joint replacement untuk berhati-hati  dan cermat dalam melakukan gerakan salat pada saat sujud karena gerakan tersebut memiliki distribusi tegangan serta nilai deformasi  yang  paling  tinggi  sehingga  bila  dalam  melakukan  gerakan  tersebut  kurang  berhati-hati  maka  dapat mempengaruhi kerja serta fungsi dari sendi lutut buatan.

## Referensi
[1] Exactech,  Components  of  a  Hip  Replacement,  http: http://exactech.co.jp/patients-caregivers/joint-replacement- surgery/hip-replacement/components-hip-replacement
[2] Narayan, R., 2009, Biomedical Materials. Springer Science + Business Media LCC.
[3] Al-Bani, M.H., 2103, Ringkasan Sifat Sholat Nabi SAW. Available at: www.ibnumajjah.com.
[4] Hamill,  J.,  Knutzen,  K.M.,  2009,  Biomechanical  Basis  of  Human  Movement.  Lippincot  Williams  &Wilkins China
[5] Kluess,  D.,  Martin,  H.,  Mittelmeier,  W.,  Schmitz,  K.P.,  Bader,  R.,  2007,  Influence  of  Femoral  Head  Size  on Impingement,  Dislocation  and  Stress  Distribution  in  Total  Hip  Replacement,  Medical  engineering  &  physics, 29(4), pp. 465-471
[6] Kiefer,  H.,  2007,  Current  Trends  in  Total  Hip  Arthroplasty  in  Europe  and  Experiences  with  the  Bicontact  Hip System, Treatment of Osteoarthritic Change in the Hip, pp. 205-210. Springer Japan.
[7] Ismail,  R.,  Saputra, E.,    Dhaneswara,  Y.A.A.,  Haris,  A.,  Umardani,  Y.,  Anwar  ,  I.B.,  Jamari,  J.,  2015,  Analisis Metode Elemen Hingga Pada Sendi Panggul Buatan Saat Digunakan Untuk Menjalankan Ibadah Salat, Universitas Diponegoro.