13
5 BAB II DASAR TEORI Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan dalam merealisasikan suatu alat yang dapat memonitoring sudut tulang belakang terhadap garis horizontal. Teori mengenai kifosis, sensor sudut kemiringan, kontroler, dan pembuatan perangkat lunak dibahas untuk memahami dasar-dasar sebelum dilakukan perancangan. 2.1 KIFOSIS Kifosis merupakan salah satu penyakit tulang belakang yang dimana tulang toraks spinal melengkung. Terdapat empat jenis kifosis yaitu : 1. Kifosis Postural Kifosis postural atau disebut juga round back. Gejala muncul ketika usia remaja. Hal ini dikarenakan postur tubuh yang tidak baik dan otot-otot ligamen bagian belakang yang melemah. Pengidap merasakan muskoleketal disorder (MSDs) seperti gejala nyeri dan otot bagian belakang yang melemah. Tetapi mereka yang mengalami kifosis postural bisa kembali lurus. Karena, kifosis ini terjadi disebabkan postur tubuh yang buruk. Kifosis postural biasanya diatasi dengan terapi fisik untuk membantu memperbaiki postur. Obat anti inflamasi juga bisa membantu mengurangi gejala. 2. Kifosis Bawaan Kifosis jenis ini sangat jarang terjadi. Penyebab kifosis ini adalah ketika terjadi pertumbuhan tulang belakang yang abnormal sebelum dilahirkan. Hal ini terjadi ketika bayi masih dalam kandungan. Oleh sebab itu saat masih dalam kandungan, sebaiknya para wanita mengonsumsi makanan terbaik untuk janin. Namun jika ketika anak telahir dengan kondisi abnormal, kifosis diobati dengan pembedahan sedini mungkin. Ini untuk membantu mencegah kondisi lebih parah.

BAB II DASAR TEORI 2.1 KIFOSIS€¦ · DASAR TEORI Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan dalam merealisasikan suatu alat yang dapat memonitoring sudut

  • Upload
    others

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: BAB II DASAR TEORI 2.1 KIFOSIS€¦ · DASAR TEORI Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan dalam merealisasikan suatu alat yang dapat memonitoring sudut

5

BAB II

DASAR TEORI

Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan dalam

merealisasikan suatu alat yang dapat memonitoring sudut tulang belakang terhadap

garis horizontal. Teori mengenai kifosis, sensor sudut kemiringan, kontroler, dan

pembuatan perangkat lunak dibahas untuk memahami dasar-dasar sebelum dilakukan

perancangan.

2.1 KIFOSIS

Kifosis merupakan salah satu penyakit tulang belakang yang dimana tulang toraks

spinal melengkung. Terdapat empat jenis kifosis yaitu :

1. Kifosis Postural

Kifosis postural atau disebut juga round back. Gejala muncul ketika usia

remaja. Hal ini dikarenakan postur tubuh yang tidak baik dan otot-otot ligamen

bagian belakang yang melemah. Pengidap merasakan muskoleketal disorder

(MSDs) seperti gejala nyeri dan otot bagian belakang yang melemah. Tetapi

mereka yang mengalami kifosis postural bisa kembali lurus. Karena, kifosis ini

terjadi disebabkan postur tubuh yang buruk. Kifosis postural biasanya diatasi

dengan terapi fisik untuk membantu memperbaiki postur. Obat anti inflamasi juga

bisa membantu mengurangi gejala.

2. Kifosis Bawaan

Kifosis jenis ini sangat jarang terjadi. Penyebab kifosis ini adalah ketika terjadi

pertumbuhan tulang belakang yang abnormal sebelum dilahirkan. Hal ini terjadi

ketika bayi masih dalam kandungan. Oleh sebab itu saat masih dalam kandungan,

sebaiknya para wanita mengonsumsi makanan terbaik untuk janin. Namun jika

ketika anak telahir dengan kondisi abnormal, kifosis diobati dengan pembedahan

sedini mungkin. Ini untuk membantu mencegah kondisi lebih parah.

Page 2: BAB II DASAR TEORI 2.1 KIFOSIS€¦ · DASAR TEORI Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan dalam merealisasikan suatu alat yang dapat memonitoring sudut

6

Gambar 2.1. Besarnya Sudut Tulang Belakang Terhadap Garis Horizontal [4]

3. Kifosis Scheuerman

Kifosis yang dikarenakan akibat dari kelainan struktural tulang belakang. Jenis

kifosis ini bisa berkembang menjadi scoliosis. Kelengkungan tulang belakang

abnormal ke arah samping. Penyebabnya belum diketahui, jenis kifosis ini tidak

hanya bisa menyerang tulang belakang, tetapi juga pada daerah leher, dada,

bahkan pinggang. Jenis kifosis ini bisa diobati dengan pengabungan terapi fisik

dan pengobatan nyeri pinggang serta anti inflamasi. Jika kifosis terus

berkembang, bisa memakai penyangga tulang.

4. Kifosis Osteoporosis

Penyebab kifosis yang sangat umum terjadi pada orang dewasa, dan lebih

banyak terjadi pada wanita daripada pria. Tulang yang rapuh atau keropos adalah

penyebabnya, terlebih wanita pada pasca menopause. Saat hal ini terjadi pada usia

tua, maka kifosis tak akan lurus kembali, kifosis osteoporosis juga disebut kifosis

gizi dimana kekurangan vitamin D menyebabkan tulang rapuh [5].

Gejala kifosis postural dapat dideteksi, dengan mengetahui besarnya sudut tulang

belakang terhadap garis horizontal dengan menggunakan accelerometer [4].

Page 3: BAB II DASAR TEORI 2.1 KIFOSIS€¦ · DASAR TEORI Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan dalam merealisasikan suatu alat yang dapat memonitoring sudut

7

Gambar 2.2. Deteksi Posisi Tulang Belakang yang Melengkung Menggunakan The Spinal-

Mouse System® [6].

Page 4: BAB II DASAR TEORI 2.1 KIFOSIS€¦ · DASAR TEORI Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan dalam merealisasikan suatu alat yang dapat memonitoring sudut

8

Gambar 2.3. Penggunaan Brace pada Penderita Kifosis

Tabel 2.1. Data Jarak Lengkung Tulang Belakang Terhadap Garis Horizontal [6]

No Posisi Tulang Belakang Sudut (°)

1 Normal Posture 89.88

2 Round Back 75.28

3 Hollow Round Back 85.92

4 Whole Kyphosis 54.95

5 Modified Round Back 63.58

Diagnosa kifosis dilakukan dengan pengamatan dan pengukuran, biasanya

menggunakan X-Ray. Apabila dalam jangka panjang dapat menimbulkan kanker.

Dalam penanganannya terdapat 4 cara, yaitu:

1. Brace

Terapi dengan menggunakan mekanik pasif yang dipasangkan pada tubuh

penderita kifosis yang disesuaikan dengan postur tubuh.

2. Terapi Fisik

Terapi fisik dapat dilakukan dengan cara berbaring telentang, dan tidur dengan

menggunakan alas yang keras.

Page 5: BAB II DASAR TEORI 2.1 KIFOSIS€¦ · DASAR TEORI Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan dalam merealisasikan suatu alat yang dapat memonitoring sudut

9

Gambar 2.4. Pengukuran Menggunakan Inclinometer Manual (Kiri) dan

Flexicurve (Kanan)

3. Bedah

Terapi dengan cara pembedahan dilakukan karena runtuhnya vertebra tulang

belakang.

4. Komplikasi

Terapi yang dilakukan dengan cara mengabungkan beberapa cara terapi,

setelah dilakukan pembedahan, akan dilanjutkan terapi pemasangan brace, dan

terapi fisik [7].

Dalam mendiagnosa kifosis, selain menggunakan X-ray digunakan juga alat-alat

konvensional seperti :

1. Flexicurve

Alat ini seperti penggaris dan mudah dilengkungkan. Para fisioterapis

menggunakan alat ini untuk mengukur kelengkungan bagian tulang belakang

telah banyak digunakan untuk pengukuran kurva tulang belakang pada bidang

spinal [8].

2. Iclinometer manual

Alat yang digunakan para fisioterapis untuk mengukur sudut bungkuk dari

penderita kifosis. Penggunaannya dengan cara memasang dua buah titik

inclinometer pada bagian atas dan bawah tulang belakang [9].

Page 6: BAB II DASAR TEORI 2.1 KIFOSIS€¦ · DASAR TEORI Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan dalam merealisasikan suatu alat yang dapat memonitoring sudut

10

2.2 SENSOR SUDUT KEMIRINGAN

GY-521 adalah modul sensor sudut kemiringan yang di dalamnya tedapat chip

MPU6050 didalamnya terdapat accelerometer dan gyrometer tiga axis. Keluaran

sensor diakses menggunakan antarmuka I2C. Rentang skala accelerometer ±2g

higga ±16g. Modul ini dapat dicatu dengan menggunakan tegangan minimal 3.3V

karena memiliki regulator arus searah linier 3.3V LDO (Low Drop Output).

Gambar 2.6. Skema Rangkaian GY-521

Gambar 2.5. Bentuk Fisik GY-521

Page 7: BAB II DASAR TEORI 2.1 KIFOSIS€¦ · DASAR TEORI Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan dalam merealisasikan suatu alat yang dapat memonitoring sudut

11

…. (1)

…. (2)

Berikut merupakan penjelasan konfigurasi pin output pada gambar 4 :

- VCC : Tegangan input

- GND : Ground

- SCL : Serial Clock Line dalam protokol pengiriman data i2c.

- SDA : Serial Data Line dalam protokol pengiriman data i2c.

- XDA : Serial Data Line dalam protokol pengiriman data i2c.

- XCL : Serial Clock Line dalam protokol pengiriman data i2c.

- AD0 : Pemilihan address sensor, apabila bernilai high 0x69

- INT : Pin untuk interrupt.

Output pin chip digital adalah open collector dengan logic high adalah floating

dan logic low adalah 0 V. Sehingga harus ditambahkan resistor sebagai pull-up

yang disambung pada pin I2C untuk membuat nilai floating menjadi nilai high. Di

dalam perancangan ini, GY-521 dengan keluaran output accelerometer dan

gyrometerm digunakan untuk mengukur besarnya sudut. Cara untuk menentukan

sudut adalah :

1. Menghitung nilai percepatan dan kecepatan sudut

Agar perhitungan dapat akurat ditentukan terlebih dahulu nilai sensitivitas,

agar hasil accelerometer dalam satuan g dan gyro dalam satuan °/detik .

Keluaran dari MPU6050 dapat mengukur hingga percepatan ±16g, serta

kecepatan sudut 2000°/detik

𝑎𝑥 (𝑔) = (𝑎𝑟𝑎𝑤

𝑆𝑎⁄ )

𝑎𝑟𝑎𝑤 = 𝐷𝑎𝑡𝑎 𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟𝑎𝑛 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑜𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟

𝑆𝑎 = 𝑆𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡𝑎𝑠 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑜𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 𝑠𝑢𝑚𝑏𝑢 (1𝑔⁄ )

16384 untuk sensitivitas ±2g

8192 untuk sensitivitas ±4g

4096 untuk sensitivitas ±8g

2048 untuk sensitivitas ±16g

𝑎𝑥 = 𝑃𝑒𝑟𝑐𝑒𝑝𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑠𝑢𝑚𝑏𝑢 𝑥 (𝑔)

𝑔𝑥 (°/detik) = (𝑔𝑟𝑎𝑤

𝑆𝑔⁄ )

Page 8: BAB II DASAR TEORI 2.1 KIFOSIS€¦ · DASAR TEORI Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan dalam merealisasikan suatu alat yang dapat memonitoring sudut

12

…. (3)

…. (4)

…. (5)

𝑔𝑟𝑎𝑤 = 𝐷𝑎𝑡𝑎 𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟𝑎𝑛 𝑔𝑦𝑟𝑜𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟

𝑆𝑔 = 𝑆𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡𝑎𝑠 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 𝑔𝑦𝑟𝑜𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 𝑠𝑢𝑚𝑏𝑢 (1𝑔⁄ )

13,1 untuk sensitivitas 250°

65,6 untuk sensitivitas 500°

32,8 untuk sensitivitas 1000°

16,4 untuk sensitivitas 2000°

𝑔𝑥 = 𝐾𝑒𝑐𝑒𝑝𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑠𝑢𝑑𝑢𝑡 𝑠𝑢𝑚𝑏𝑢 𝑥 (°/detik)

2. Menghitung sudut

Setelah didapatkan nilai percepatan gravitasi dan kecepatan sudut tiap sumbu

x, y, dan z, nilai-nilai tersebut dapat dimasukan dalam persamaan. Percepatan

gravitasi merupakan vector, dengan menggunakan persamaan pytagoras tiga

dimensi dapat diketahui besarnya sudut yang terukur dengan menggunakan

persamaan :

𝜃 = 𝑡𝑎𝑛−1 [ 𝑎𝑥

√𝑎2𝑦 + 𝑎2

𝑧

]

𝜃 = 𝑆𝑢𝑑𝑢𝑡 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑡𝑒𝑟𝑏𝑒𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑜𝑙𝑒ℎ 𝑠𝑢𝑚𝑏𝑢 𝑥 𝑑𝑒𝑛𝑔𝑎𝑛 ℎ𝑜𝑟𝑖𝑧𝑜𝑛 (𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛)

𝜓 = 𝑡𝑎𝑛−1 [ 𝑎𝑦

√𝑎2𝑥 + 𝑎2

𝑧 ]

𝜓 = 𝑆𝑢𝑑𝑢𝑡 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑡𝑒𝑟𝑏𝑒𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑜𝑙𝑒ℎ 𝑠𝑢𝑚𝑏𝑢 𝑦 𝑑𝑒𝑛𝑔𝑎𝑛 ℎ𝑜𝑟𝑖𝑧𝑜𝑛 (𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛)

𝜙 = 𝑡𝑎𝑛−1 [ √𝑎2

𝑥 + 𝑎2𝑦

𝑎𝑧 ]

𝜙 = 𝑆𝑢𝑑𝑢𝑡 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑡𝑒𝑟𝑏𝑒𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑜𝑙𝑒ℎ 𝑠𝑢𝑚𝑏𝑢 𝑦 𝑑𝑒𝑛𝑔𝑎𝑛 ℎ𝑜𝑟𝑖𝑧𝑜𝑛(𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛)

Page 9: BAB II DASAR TEORI 2.1 KIFOSIS€¦ · DASAR TEORI Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan dalam merealisasikan suatu alat yang dapat memonitoring sudut

13

Gambar 2.7. Sudut yang Terukur Sensor pada Sumbu X, Y, Dan Z

…. (6)

…. (7)

Dari perhitungan nilai yang terukur dalam satuaan radian, untuk

mengubahnya dalam satuan derajat dikalikan dengan konstanta

57.295779513 yang didapat dari :

1 𝑟𝑎𝑑 =1800

𝜋

3. Filtering nilai sudut

Seluruh sensor elektronika pasti memiliki noise, untuk memperkecil nilai

noise dibutuhkan filter. Filter yang digunakan pada perancangan ini adalah

complementary filter. Complementary filter menggabungkan nilai yang

terukur pada accelerometer dengan nilai gyrometer. Faktor slerp adalah nilai

konstanta dari complementary filter yang memiliki nilai nol hingga satu.

𝑐𝑎𝑋𝑡 = 𝑘 ∗ (𝑐𝑎𝑋𝑡−1 + 𝑔𝑥 ∗ 𝑑𝑡) + (1 − 𝑘) ∗ 𝑎𝑥

𝑐𝑎𝑋𝑡 = 𝑆𝑢𝑑𝑢𝑡 𝑠𝑢𝑚𝑏𝑢 𝑥 𝑑𝑖𝑓𝑖𝑙𝑡𝑒𝑟 𝑝𝑎𝑑𝑎 𝑤𝑎𝑘𝑡𝑢 𝑡

𝑐𝑎𝑋𝑡−1 = 𝑆𝑢𝑑𝑢𝑡 𝑠𝑢𝑚𝑏𝑢 𝑥 𝑑𝑖𝑓𝑖𝑙𝑡𝑒𝑟 𝑝𝑎𝑑𝑎 𝑤𝑎𝑘𝑡𝑢 𝑡 − 1

𝑘 = 𝐹𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 𝑠𝑙𝑒𝑟𝑝

𝑔𝑥 = 𝐷𝑎𝑡𝑎 𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟𝑎𝑛 𝑔𝑦𝑟𝑜𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟

𝑎𝑥 = 𝐷𝑎𝑡𝑎 𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟𝑎𝑛 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑜𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟

𝑑𝑡 = 𝑆𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒 𝑟𝑎𝑡𝑒

Page 10: BAB II DASAR TEORI 2.1 KIFOSIS€¦ · DASAR TEORI Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan dalam merealisasikan suatu alat yang dapat memonitoring sudut

14

GY-521 menggunakan Inter Integrated Circuit atau sering disebut I2C adalah standar

komunikasi serial dua arah menggunakan dua saluran yang didesain khusus untuk

mengirim maupun menerima data. Sistem I2C terdiri dari saluran SCL (Serial Clock)

dan SDA (Serial Data) yang membawa informasi data antara I2C dengan

pengontrolnya. Piranti yang dihubungkan dengan sistem I2C Bus dapat dioperasikan

sebagai master dan slave. Master adalah piranti yang memulai transfer data pada I2C

bus dengan membentuk sinyal start, mengakhiri transfer data dengan membentuk

sinyal stop, dan membangkitkan sinyal clock. Slave adalah piranti yang dialamati

master [10].

2.3 KONTROLER

Platform komputasi fisik yang bersifat open source dimana Arduino memiliki

input/output (I/O) yang sederhana yang dapat dikontrol menggunakan bahasa

pemrograman.

Gambar 2.8. Skematik Rangkaian Arduino Nano

Page 11: BAB II DASAR TEORI 2.1 KIFOSIS€¦ · DASAR TEORI Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan dalam merealisasikan suatu alat yang dapat memonitoring sudut

15

Gambar 2.9. GPIO Arduino Nano

Kegunaan khusus pin output dan input arduino nano :

- SPI : 10(SS), 11(MOSI), 12(MISO), 13(SCK). Pin tersebut digunakan dalam

komunikasi SPI (Serial Parallel Input).

- I2C : A4(SDA), dan A5(SCL). Pin tersebut digunakan untuk komunikasi

I2C(Inter-IC)

- External Interupts : 2 dan 3. Pin tersebut digunakan sebagai trigger interrupt

saat nilai pin tersebut memiliki nilai rendah, kondisi ambang, atau perubahan

nilai .

- Serial : 0(RX) dan 1 (TX). RX digunakan untuk menerima dan TX digunakan

untuk mengirim data serial.

Selain kegunaan khusus, pin selain yang sudah disebutkan di atas, juga dapat

digunakan sebagai pin output dan input pada umumnya. Arduino nano dapat

dicatu dengan tegangan 7-12 Volt [11].

Page 12: BAB II DASAR TEORI 2.1 KIFOSIS€¦ · DASAR TEORI Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan dalam merealisasikan suatu alat yang dapat memonitoring sudut

16

Gambar 2.11. Bentuk Fisik Modul SD Card

2.4 PENYIMPANAN DATA

Guna menyimpan data dari hasil pengukuran sensor dibutuhkan memori eksternal

yang digunakan sebagai media transfer antara rancangan sistem dengan perangkat

komputer. Dengan adanya modul SD Card, memudahkan rancangan sistem untuk

menyimpan data yang selanjutnya akan diolah pada perangkat komputer. Modul SD

Card dicatu dengan tegangan antara 3.3 V hingga 5.5 V dengan, arus 80mA.

Memiliki total 6 pin GND, VCC, dan pin ISP(MISO, MOSI, SCK, CS). Sd card akan

menyimpan data berupa file dalam format .txt [12].

Gambar 2.10. Skematik Modul SD Card

Page 13: BAB II DASAR TEORI 2.1 KIFOSIS€¦ · DASAR TEORI Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan dalam merealisasikan suatu alat yang dapat memonitoring sudut

17

2.5 PEMBUATAN PIRANTI LUNAK

MATLAB adalah sebuah bahasa dengan kinerja tinggi untuk komputasi

masalah teknik MATLAB mengintegrasikan komputasi, visualisasi, dan

pemrograman dalam suatu model yang sangat mudah untuk digunakan dimana

masalah-masalah dan penyelesaiannya diekspresikan dalam notasi matematika yang

sering meliputi bidang–bidang :matematika dan komputasi, pembentukan algoritma,

akusisi data, pemodelan, simulasi, pembuatan prototipe, analisa data, explorasi, dan

visualisasi, grafik keilmuan dan bidang rekayasa [12].

Dalam pembuatan skripsi ini, digunakan beberapa fungsi seperti:

- plot() : Membuat grafik linier sumbu x, dan y.

- histogram() : Membuat grafik histogram .

- fitdist() : Menghitung distribusi probabilitas

- min() : Menghitung nilai minimum sebuah array

- max() : Menghitung nilai maximum sebuah array

- xlsread() : Membaca data excel dari format data .xls

- xlswrite() : Menimpa data excel dari format data .xls

- histcounts() : Menghitung nilai frekuensi pada histrogram

- sum() : Menghitung total nilai pada sebuah array

- num2str() : Mengkonversikan bilangan integer kedalam string

- size() : Menghitung ukuran sebuah array

- strcat() : Menggabungkan beberapa string

- cellstr() : Membuat array yang berisi string