SENSOR FIBER OPTIK UNTUK MENDETEKSI DENYUT JANTUNG

“ SENSOR FIBER OPTIK UNTUK MENDETEKSI DENYUT JANTUNG ”

Disusun Oleh :

NAMA : ZAKY MUBARAK

NIM : H21114308

PROGRAM STUDI FISIKA

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS HASANUDDIN

MAKASSAR

2017

“ SENSOR FIBER OPTIK UNTUK MENDETEKSI DENYUT JANTUNG ”

Abstract:

Prinsip operasi, aspek desain, eksperimen dan kinerja suatu ekstrinsik sensor serat optik menggunakan sensor perpindahan serat optik untuk pengukuran amplitudo dan frekuensi sinyal denyut jantung disajikan dan diselidiki. Sensor perpindahan terdiri dari serat optik transmitter, serat optik bundel probe dan detektor dioda,  sinyal elektrokardiogram buatan (EKG) digunakan dalam pengujian. Sensitivitas sensor tersebut ditemukan 0.002 mV / m dan dengan demikian mampu mengukur denyut jantung dari 50 bpm sampai 300 bpm dengan linearitas lebih dari 99%. Kesederhanaan desain, tingkat sensitivitas yang tinggi, rentang dinamis dan rendahnya biaya fabrikasi membuatnya cocok untuk aplikasi di lapangan . Bahkan, akurasi dan keandalan adalah sangat baik membayar-off dari sensor serat optik.

1. Pendahuluan

Pemantauan denyut jantung sangat penting untuk menentukan tingkat kebugaran seseorang. Denyut jantung rendah atau pulsa menunjukkan bahwa orang tersebut memiliki intensitas rendah dari pekerjaan. Jika seseorang tidak bekerja untuk potensi tubuh mereka, tidak ada cara mereka dapat membakar kalori yang cukup untuk menghasilkan penurunan berat badan dan tidak dapat mereka bangun daya tahan untuk membangun kekuatan. Di sisi lain, sensor getaran adalah perangkat yang sangat penting yang memiliki banyak aplikasi. Dengan demikian sejumlah besaran teknik pengukuran meliputi perangkat mekanik, listrik dan optik telah diusulkan dalam literatur [1-2]. Misalnya, kompak dan cheap berbasis Microelectromechanical Systems (MEMS) accelerometers sangat populer untuk pengukuran getaran. Tapi teknik ini membutuhkan probe untuk berhubungan dengan objek bergerak.

Banyak metode optik telah diusulkan dalam literatur untuk pengukuran getaran kecil. Salah satu teknik yang paling populer didasarkan pada interferometer dimana sinar sinyal laser yang diarahkan ke target bergetar dan cahaya belakang-dipantulkan dan digabungkan dengan bagian dari cahaya insiden [2]. Kinerja dari teknik ini adalah sangat baik tetapi sangat mahal dan juga membutuhkan penyelarasan mekanik ketat. Pendekatan lain adalah untuk mengeksploitasi efek Doppler [3], tetapi metode ini tidak cukup akurat untuk pengukuran tepat dari perpindahan yang sangat kecil serta cukup mahal.

Baru-baru ini, serat optik plastik (POFs) berada dalam permintaan yang besar untuk transmisi dan pemrosesan sinyal optik dalam sistem komunikasi serat optik. Beberapa aplikasi potensial dalam wavelength division multiplexing (WDM) sistem, splitter dan skrup, amplifier, sensor, pengacak, perangkat optik yang terintegrasi, konversi frekuensi up, dll [4-6]. Dalam tulisan ini, kasar, biaya rendah dan serat yang sangat efisien sensor optik perpindahan diusulkan dan menunjukkan untuk pengukuran amplitudo dan frekuensi sinyal denyut jantung. sensor yang diusulkan didasarkan pada teknik modulasi intensitas dan menggunakan POF bundel sebagai probe.

1. Pengaturan Eksperimental:

Skema Langka-langka eksperimental untuk sensor denyut jantung yang diusulkan ditunjukkan pada Gambar. 1. Ini terdiri dari pemancar serat optik, probe serat optik, loudspeaker, penguat audio dan detektor silikon. Serat optik probe dibangun dari POF bundel panjang 2 m, yang terdiri dari satu transmisi dan satu serat penerima. Serat transmisi memiliki inti tunggal dengan diameter 1,0 mm sedangkan serat penerima memiliki 16 core dengan diameter 0,25 mm. Semua serat memiliki aperture numerik dari 0,5. Probe serat optik dipilih karena memberikan banyak keuntungan seperti ukuran kecil, ringan, fleksibilitas geometris, kekebalan EMI dan kemudahan multiplexing dan de-multiplexing terutama untuk aplikasi intensitas modulasi bebasis sensor ekstrinsik . Pembengkokan  probe serat optik diminimalkan dengan menempatkan kedua serat dalam hubungan yang dekat, sehingga membentuk jari-jari kelengkungan yang sama [7].

Dalam percobaan, permukaan cermin reflektif yang disisipkan pada speaker beban dan probe dipegang dalam posisi tegak lurus ke permukaan reflektif. Perpindahan statis probe serat optik dicapai dengan penangguangan pada perpindahan meteran piezoelektrik, yang kaku melekat pada meja getaran. lampu merah dari laser He-Ne pada puncak panjang gelombang dari 633 nm diluncurkan ke dalam serat transmisi dan sinyal yang dipantulkan yang diterima serat diteruskan ke detektor silikon dan diukur dengan menggerakkan probe jauh dari titik nol. Titik nol adalah titik di mana permukaan reflektif dan probe berada dalam koneksi tertutup. Sinyal dari detektor tersebut dikonversi ke tegangan dan diukur dengan voltmeter digital. Pada awalnya, tanpa sinyal EKG, tegangan output dari detektor tercatat dengan memvariasikan jarak probe kisaran dari 0 sampai 6 mm dalam satu langkah dari 12 pM. Berdasarkan respon perpindahan, probe ditempatkan sedemikian rupa bahwa output detektor sesuai dengan pusat daerah linier dari kurva karakteristik pada kondisi nol getaran. Kemudian, elektrokardiogram buatan (EKG) sinyal yang dihasilkan oleh EKG generator untuk mensimulasikan denyut jantung pada frekuensi yang berbeda mulai 50-300 bmp. sinyal diperkuat oleh penguat audio dan kirim ke loudspeaker bergetar cermin. Tegangan output dari detektor silikon diukur dengan osiloskop untuk frekuensi yang berbeda dari denyut jantung mulai 50-300 bmp dan denyut jantung yang berbeda pada amplitudo. Amplitudo denyut jantung diubah dengan memvariasikan tegangan mengemudi dari penguat audio.

Fig. 1. Langkah eksperimental dari sensor serat optik untuk deteksi detak jantung.  

2. Hasil dan Diskusi:

Pada awalnya, kami menyelidiki lokasi optimal untuk menempatkan cermin bergetar di sensor perpindahan (FODS) pengaturan serat optik yang diusulkan untuk mengukur amplitudo dan frekuensi dari sinyal EKG. Gambar. 2 menunjukkan respon sensor dengan perpindahan dari probe POF merefleksikan cermin yang melekat pada speaker. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, kurva perpindahan menunjukkan puncak maksimum tegangan output dengan kemiringan depan curam dan lereng kembali yang mengikuti hubungan hukum kuadrat hampir terbalik. Intensitas sinyal minima(dekat ke nol) pada
jarak nol karena kerucut cahaya tidak mencapai serat penerima. Ketika perpindahan meningkat, ukuran kerucut yang direfleksikan cahaya di bidang serat meningkat dan mulai tumpang tindih dengan inti dari serat penerima yang mengarah ke output kecil. peningkatan lebih lanjut dalam perpindahan mengarah ke tumpang tindih besar yang menghasilkan peningkatan output. Output setelah mencapai maksimum mulai menurun untuk perpindahan yang lebih besar karena peningkatan besar dalam ukuran kerucut cahaya dan kekuatan kepadatan berkurang dengan peningkatan ukuran kerucut cahaya.  Sensitivitas sensor di kedua sisi dapat diperoleh dari kemiringan kurva. Dengan demikian sensitivitas 0,002 mV / m dapat dicapai dalam kisaran 150-650 m untuk lereng depan dan sensitivitas 0,0004 mV / m dapat diperoleh selama rentang satu 1.400-3.450 m untuk lereng kembali. Kinerja FODS diringkas dalam Tabel 1.

Gambar. 2: Variasi tegangan output dengan perpindahan aksial dari loudspeaker dari bundel penyelidikan (a) dynamic range (b) kemiringan depan dan (c) kemiringan kembali.

Tabel.1 Kinerja FODS

Parameter Kinerja	Slope depan	Slope belakang
Sensivitas (mV/ µm)	0.002	0.0004
Range (µm)	150-650	1400-3450
Linearitas	>99	>99

Untuk pengukuran EKG, pada awalnya, probe POF ditempatkan di tengah daerah linier ketika speaker diatur pada kondisi nol getaran. Sebagai tegangan gerak diberikan, getaran terdeteksi oleh sensor. Hal ini diamati bahwa sensor yang diusulkan mampu mengukur denyut jantung dalam rentang frekuensi 50-300 bpm. Gambar. 3 (a) dan (b) membandingkan sinyal denyut nadi diukur dengan sinyal input pulsa untuk speaker di dua frekuensi yang berbeda getaran; masing-masing 50 dan 300 bpm,. Dalam percobaan, sinyal input terdeteksi setelah penguat audio sedangkan sinyal pulsa yang diukur diperoleh pada detektor silikon. Mengukur sinyal output yang keluar dari serat penerima dan terdeteksi oleh detektor silikon. Seperti ditunjukkan dalam gambar, baik bentuk gelombang memiliki frekuensi yang sama dari 50 bpm dan 300 bpm dengan sinyal output diukur menunjukkan suara yang lebih tinggi. Kesederhanaan desain, tingkat tinggi sensitivitas, rentang dinamis dan rendahnya biaya fabrikasi membuatnya cocok untuk aplikasi di lapangan nyata.

Fig. 3. Perbandingan sinyal denyut jantung dari generator dan sensor output pada frekuensi yang berbeda (a) 50 bpm dan (b) 300 bpm.

Gambar. 4 plot hubungan antara frekuensi diukur dan frekuensi masukan dari generator. Hal ini menunjukkan bahwa relasi memiliki fungsi linear dengan kemiringan 1,00. Hal ini menunjukkan bahwa sensor yang diusulkan secara akurat dapat mengukur frekuensi denyut jantung. Gambar. 5 membandingkan amplitudo pada sensor output dengan amplitudo masukan. Hal ini ditunjukkan pada gambar bahwa variasi amplitudo denyut jantung dari sensor output memiliki hubungan   fungsi linear dengan input amplitudo denyut jantung. Untuk deteksi amplitudo, sensor memiliki kesalahan maksimum sekitar 1,8% dan resolusi yang diperoleh pada 1,05 mV.

Gambar 4. denyut jantung Keluaran terhadap sinyal input tingkat mendengar 50-300 bpm.

Gambar. 5. Output amplitudo denyut jantung dibandingkan masukan dari amplitudo denyut jantung.

3. Kesimpulan:

Sebuah FODS ekstrinsik telah berhasil digunakan untuk mengukur amplitudo dan frekuensi sinyal denyut jantung. Sensor yang digunakan terdiri dari serat optik transmitter, serat optik bundel probe dan detektor dioda dan sinyal EKG buatan digunakan dalam pengujian. Ini menggunakan probe POF yang mengumpulkan refleksi sinyal dari permukaan cermin yang dipasang pada loudspeaker yang dimodulasi oleh sinyal EKG dari generator audio. Sensor ini mampu mengukur denyut jantung dalam rentang frekuensi 50-300 bpm dengan hampir 100% linearitas. sensor dapat diterapkan untuk memantau detak jantung dari tubuh manusia dan aplikasi biomedis lainnya.

DAFTAR PUSTAKA

1. P. J.  inzo n,  . S. Montero, A. Tapetado, and C.  a zquez, Dual-Wavelength Speckle-Based SI-POF Sensor for Cost-Effective Detection of Microvibrations, IEEE Journal of  Selected Topics in Quantum Electronics, 23 (2017) 5600406.
2. J. Wang, Y. Yu, Y. Chen, H. Luo, Z. Meng, Research of a double fiber Bragg gratings vibration sensor with temperature and cross axis insensitive, Optik 126 (2015) 749–753.
3. H. Khalil, D. Kim, J. Nam, K. Park, Accuracy and noise analyses of 3D vibration measurements using laser Doppler vibrometer, Measurement 94 (2016) 883–892.
4. Abdullah, M. Bidin, N. Krishnan, G. Ahmad, M.F.S. Yasin, M., Fiber Optic Radial Displacement Sensor-Based a Beam-Through Technique, IEEE Sensors Journal,16 (2016) 306-311.
5. Abdullah, M. Yasin, M. Bidin, N., Performance of a new bundle fiber sensor of 1000 RF in comparison with 16 RF probe, IEEE Sensors 13 (2013) 4522-4526.
6. Y.M. Raji, H.S. Lin, S.A. Ibrahim, M.R. Mokhtar, Z. Yusoff., Intensity-modulated abrupt tapered Fiber Mach-Zehnder Interferometer for the simultaneous sensing of temperature and curvature, Optics & Laser Technology 86 (2016) 8–13.
7. C. Teng, T. Jing, F. Yu, J. Zheng, Investigation of a Macro-Bending Tapered Plastic Optical Fiber for Refractive Index Sensing, IEEE Sensors 16 (2016) 7521-7525.

Advertisement

Loading...