IES 2006 – Politeknik Elektronika Negeri Surabaya - ITS

Analisis Sinyal Pulse Oximetry dengan Metode FFT

Kemalasari 1), Mu’amar Fitron N 2)

Research Group on Biomedical Engineering 1, 2 Politeknik Elektronika Negeri Surabaya

Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya 60111 1 kemala@eepis-its.edu

Abstrak

Pulse oximetry adalah suatu metode non-invasive untuk memonitor persentase hemoglobin (Hb) yang saturasi dengan oksigen di dalam darah. Metode ini menggunakan perbedaan panjang gelombang dari cahaya merah (660 nm) dan cahaya inframerah (940 nm) yang disinari dari sensor transmisi. Cahaya tersebut akan diabsorpsi oleh pembuluh arteri, pembuluh vena, pembuluh kapiler, dan jaringan pada ujung jari tangan, dan kemudian ditangkap oleh sensor deteksi. Data pada sensor deteksi dikirim ke komputer melalui komunikasi serial, dan kemudian diproses dengan metode FFT (Fast Fourier Transform) dan filter digital untuk mendapatkan persentase oksigen saturasi (SpO2), konsentrasi oxyhemoglobin (HbO2), deoxyhemoglobin (RHb), dan denyut jantung. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa Monitoring SpO2 dan denyut jantung dapat dilakukan dengan metode ini, dimana rata-rata konsentrasi HbO2 untuk 15 orang dengan range usia 20 sampai 25 tahun, dan berat badan 42 sampai 82 kg adalah 16.21gr/100ml. Kata Kunci: Pulsa Oximetry, Oksigen Saturasi,

Oxyhemoglobin, FFT, Filter Digital. 1. Pendahuluan.

Hemoglobin merupakan molekul protein di dalam darah yang dapat mengikat oksigen. Salah satu indikator yang sangat penting dalam supply oksigen didalam tubuh adalah Oksigen saturasi (SpO2). Karena dia dapat menunjukkan apakah hemoglobin bisa mengikat oksigen atau tidak. Sehingga kekurangan oksigen yang beresiko pada kerusakan organ-organ penting didalam tubuh serta kematian dapat ditanggulangi. Selain itu, pengukuran SpO2 sudah menjadi standar di ruang operasi dan unit gawat darurat (emergency )[1].

Oksigen saturasi (SpO2) adalah persentase dari Hemoglobin yang mengikat oksigen dibandingkan dengan jumlah total hemoglobin yang tersedia. Hubungan antara tekanan parsial oksigen dalam darah (PO2) dan oksigen saturasi dalam darah adalah “Semakin tinggi PO2 dalam darah maka semakin tinggi pula SpO2. Nilai PO2 dalam kondisi normal adalah sekitar 90 mm Hg dan oksigen saturasi paling sedikit 95 %[2]. Oleh karena itu, cukup sulit untuk mengukur

persentase hemoglobin yang saturasi dengan oksigen di dalam darah.

Pada saat ini, metode pengukuran oksigen saturasi (SpO2) adalah dengan metoda invasive, dimana sensor untuk mengukur kadar oksigen dimasukkan kedalam tubuh dengan cara melukai jaringan tubuh sehingga ketidak tenangan karena sakit, dan kemungkinan timbul infeksi serta pendarahan merupakan kelemahan dari metode ini[1].

Pulse oximetry merupakan suatu metode non-invasive untuk memonitor oksigen saturasi (SpO2). Metode ini menggunakan perbedaan panjang gelombang dari cahaya merah (660 nm) dan cahaya infra merah (940 nm) yang berasal dari sensor transmisi. Kemudian cahaya merah dan cahaya infra merah tersebut melewati dan diabsorpsi oleh pembuluh arteri, pembuluh vena, dan pembuluh kapiler pada jari tangan, dan kemudian ditangkap oleh sensor deteksi.

Data dari sensor deteksi tersebut dikirim ke komputer melalui mikrokontroller dengan menggunakan komunikasi serial. Di komputer, data tersebut diolah dengan menggunakan FFT (Fast Fourier Transform) dan filter digital, dan diproses untuk mendapatkan persentase oksigen saturasi (SpO2), konsentrasi oxyhemoglobin (HbO2), deoxyhemoglobin (RHb), dan denyut jantung.

Monitoring persentase oksigen saturasi dengan pulse oximetry merupakan salah satu metode yang perlu dikembangkan, karena peralatan ini sangat penting untuk memonitor pasien dalam kondisi kritis, dan dapat membantu dokter untuk memonitor dan menganalisa kondisi pasien, sehingga pulse oxymetry dapat memberi kontribusi dalam bidang kedokteran. 2. Pulse Oximetry

Pulse oximetry adalah suatu metode noninvasive untuk memonitor oksigen saturasi (SpO2) didalam darah. Monitoring SpO2 sangat penting, karena SpO2 merupakan salah satu indikator untuk mengetahui apakah organ-organ penting didalam tubuh kekurangan oksigen atau tidak. Oleh karena itu, pulse oximetry sudah menjadi standar di rumah sakit, terutama di ruang operasi, ruang perawatan intensif, ruang penyembuhan (rehabilitasi), dan untuk memonitor pasien anesthesia [1,2].

Prinsip pulse oximetry berdasarkan pada karakteristik absorpsi cahaya merah dan cahaya inframerah oleh oxyhemoglobin (HbO2) dan

162

IES 2006 – Politeknik Elektronika Negeri Surabaya - ITS

Rasio oksigen saturasi (R) dapat dihitung dengan membandingkan antara sinyal AC dan DC yang memantulkan absorpsi cahaya merah dan inframerah seperti pada persamaan (1).

deoxyhemoglobin (RHb). HbO2 menyerap lebih banyak cahaya inframerah dan mengizinkan lebih banyak cahaya merah melewatinya. Sedangkan RHb menyerap lebih banyak cahaya merah dan mengizinkan lebih banyak cahaya inframerah melewatinya, seperti yang ditunjukkan oleh gambar 1[3].

Dari nilai R maka dapat diestimasi nilai persentase

oksigen saturasi (SpO2) berdasarkan kurva kalibrasi pulse oximetry seperti pada gambar 3. Jika nilai R adalah 0.5, maka SpO2 adalah 100 %, sedangkan jika R adalah 1, maka SpO2 adalah 82 %[3].

Gambar 1. Absorpsi HbO2 dan RHb Pulse oximetry terdiri dari dua sensor yaitu sensor

transmisi dan sensor deteksi. Sensor transmisi terdiri dari dua panjang gelombang yang berasal dari cahaya merah (660 nm) dan cahaya inframerah (940 nm), yang transmisi melalui pembuluh kapiler, pembuluh arteri, pembuluh vena, jaringan kulit dan jaringan lainnya, dan juga diabsorpsi oleh jaringan tersebut. Biasanya sensor pulse oximetry diletakkan pada ujung jari atau daun telinga. Gambar lokasi peletakan sensor pada ujung jari tangan terlihat pada gambar 2.

Gambar 3. Kurva Kalibrasi Pulse Oximetry SpO2 dapat dihitung dengan menggunakan hukum

Beer-Lambert pada persamaan (2).

Dimana εHb(R) adalah koefisien pengurangan

cahaya merah pada Hb. εHb(IR) adalah koefisien pengurangan cahaya inframerah pada Hb, dan εHbO2(R) adalah koefisien pengurangan cahaya merah pada HbO2. Untuk menghitung konsentrasi HbO2 digunakan persamaan (3), dan konsentrasi RHb digunakan persamaan (4).

Gambar 2. Lokasi sensor Pulse Oximetry Pulse oximetry menggunakan led merah dan led

inframerah pada sensor transmisi, serta photodetector untuk sensor deteksi cahaya. Cahaya merah dan cahaya inframerah yang disinari dari led merah dan led inframerah akan bertransmisi melewati kulit, pembuluh arteri, pembuluh vena, dan pembuluh kapiler, kemudian pembuluh tersebut akan mengabsorpsi cahaya. Sensor deteksi akan menerima informasi absorpsi cahaya merah dan inframerah ketika cahaya tersebut melalui pembuluh dan jaringan yang ada pada ujung jari. Kemudian dari data absorpsi cahaya merah (R) dan inframerah (IR) akan dihitung R-ratio (perbandingan absorpsi R dan IR).

HbO2 = 1.37 x Hb x SpO2 (3)

Hb adalah berat hemoglobin (umumnya sekitar 14 g Hb/100 mL darah). Sedangkan 1.37 adalah banyaknya oksigen yang secara penuh dapat diikat oleh 1 g hemoglobin.

Ketelitian dan kemampuan pulse oximetry

dipengaruhi oleh beberapa aspek seperti cahaya luar, lingkungan, bergeser, hemoglobin abnormal, kecepatan dan irama pulsa.

Absorpsi cahaya oleh pembuluh dan jaringan menyebabkan timbulnya pengurangan cahaya akibat aliran darah arteri, darah vena, dan jaringan. Pengurangan cahaya akibat aliran darah vena dan jaringan menciptakan suatu sinyal DC yang relatif stabil dan difilter sebagai perhitungan letak dari pulse oximetry. Transmisi cahaya melalui pembuluh arteri adalah denyutan yang diakibatkan pemompaan darah oleh jantung, dan denyutan pembuluh darah arteri membawa tingkatan oksigen yang paling tinggi. Pengurangan cahaya akibat aliran denyut dari darah arteri menimbulkan sinyal AC[2].

3. Fast Fourier Transform (FFT)

Fast Fourier Transform (FFT) digunakan untuk memindahkan domain spasial atau domain waktu menjadi domain frekuensi dengan teknik perhitungan yang cepat. Pada bagian ini data yang didapatkan dari pengukuran berupa HbO2 dan RHb yang bersifat spasial atau berdasarkan waktu akan dijadikan data pengukuran

163

IES 2006 – Politeknik Elektronika Negeri Surabaya - ITS

dalam domain frekuensi. Program FFT yang akan dibuat menggunakan metode butterfly. Flow diagram dari program FFT seperti pada gambar 4.

Gambar 6. Sinyal AC dari Sensor Pulse Oximetry

Gambar 7. Sinyal Konsentrasi HbO2 dan RHb

Kemudian sinyal konsentrasi HbO2 dan RHb dari hasil perhitungan pulse oximetry diproses dengan menggunakan metode FFT. Hasil dari proses FFT terlihat pada gambar 8. Sedangkan sinyal HbO2 dan RHb dari hasil proses FFT dan low pass filter dapat dilihat pada gambar 9.

Gambar 4. Flow Diagram FFT 4. Filter Digital

Filter digital merupakan filter yang dibuat secara software. Filter ini digunakan untuk melewatkan frekuensi tertentu sehingga tidak ada noise pada sinyal yang diinginkan. Filter yang akan dibuat adalah low-pass filter dengan jenis Finite Impulse Rensponse (FIR) yang digunakan untuk domain frekuensi. Data yang akan difilter yaitu data HbO2 dan RHb hasil dari program FFT. Flowchart dari program filter ditunjukkan pada gambar 5.

Gambar 8. Sinyal Konsentrasi HbO2 dan RHb hasil FFT

Gambar 9. Sinyal Konsentrasi HbO2 dan RHb hasil

FFT dan Low Pass Filter

Data hasil pengukuran rata-rata konsentrasi HbO2, dan RHb berdasar-kan usia, berat badan, dan tinggi badan dapat dilihat pada tabel 1.

Gambar 5. Flowchart Low-pass Filter Tabel 1. Hasil Pengukuran HbO2 dan RHb

5. Hasil Orang Usia

Berat Badan

Tinggi Badan HbO2 RHb

1 20 55 175 16.21 2.33 2 22 56 169 16.22 2.22 3 23 60 169 16.28 2.28 4 21 52 168 16.25 2.25 5 25 55 163 16.19 2.21 6 22 50 163 16.18 2.18 7 21 60 178 16.14 2.22 8 21 42 155 16.24 2.24

Pengukuran dengan Pulse Oximetry dilakukan pada 15 orang dengan range usia 20 sampai 25 tahun, berat badan 42 sampai 82 kg, dan tinggi badan dari 155 sampai 180 cm. Hasil pengukuran dari sensor deteksi berupa data sinyal AC dan sinyal DC untuk cahaya merah dan cahaya inframerah, dapat dilihat pada gambar 6. Sedangkan gambar sinyal konsentrasi HbO2 dan RHb hasil perhitungan pulse oximetry dapat dilihat pada gambar 7.

164

IES 2006 – Politeknik Elektronika Negeri Surabaya - ITS

165

4. Kesimpulan

Pulse oximetry yang dirancang dapat digunakan untuk monitoring SpO2 dan denyut jantung. Untuk pengukuran 15 orang dengan range usia 20 sampai 25 tahun, berat badan 42 sampai 82 kg, serta tinggi badan 155 sampai 180, maka hasil pengukuran rata-rata konsentrasi HbO2 adalah 16.21gr/100mL, sedangkan rata-rata konsentrasi RHb adalah dalam 100 mL darah adalah 2.24 gr/100mL. Metode pulse oximetry ini perlu dikembangkan lagi yaitu dengan memperhatikan perbedaan ukuran diameter ujung jari setiap orang, serta monitoring lokasi aktivitas oksigen saturasi.

References

[1] Byungsool Moon, “Analysis of Pulse Oximetry Signals Through Statistical Signal Processing Techniques”, Part of course project for ECE 538 Statistical Signal Processing at Portland State University, Winter 2004.

[2] Hill, E. & Stoneham, MD, “Practical applications of pulse oximetry”, Practical Procedures. http://www.nda.ox.ac.uk/wfsa/html/u11/u1104_01.htm, accessed on February 9th, 2006.

[3] JG Webster, “Design of Pulse Oximeters”, Intitute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia Medical Science Series, 1997.

[4] Suzanne M. Wendelken, “Using a Forehead Reflectance Pulse Oximeter to Detect Changes in Sympathetic Tone”, Thayer School of Engineering Dartmouth College Hanover, New Hampshire 03755, USA, 2004. http://www.ists.dartmouth.edu/library/144.pdf