ABSTRAK

PENGEMBANGAN MODEL VOLUME UDARA DAN FREKUENSI PERNAPASAN PADA

SIMULASI SISTEM PERNAPASAN MANUSIA

Lilis Warliah 1* , Arief Syaechu Rohman

1 School of Electrical Engineering and InformaticsInstitut Teknologi Bandung, Jalan Ganesa 10, Bandung 40132, Indonesia

Pernapasan manusia merupakan proses yang selalu terjadi di dalam tubuh. Proses pernapasan ini dirasakan oleh semua mahluk hidup, tetapi bersifat abstrak sulit untuk dikonkritkan secara langsung. Simulasi merupakan salah satu cara untuk membantu mengkonkritkan proses tersebut dan dapat digunakan sebagai media pembelajaran bagi siswa SMU.

Proses pernapasan terdiri dari inspirasi dan ekspirasi. Inspirasi yaitu proses masuknya oksigen dari lingkungan ke dalam tubuh dan ekspirasi yaitu proses pengeluaran karbondioksida dari paru – paru (alveolus) ke lingkungan. Mekanisme pernapasan tersebut berpengaruh terhadap perubahan volume udara dan frekuensi pernapasan manusia. Perubahan volume udara dan frekuensi pernapasan dapat dipengaruhi oleh faktor fisik seperti jenis kelamin, jenis aktifitas, usia, berat badan, dan tinggi badan. Faktor fisik inilah yang dijadikan sebagai input variabel yang mempengaruhi perubahan volume udara paru-paru dan frekuensi pernapasan.

Dalam paper ini akan membahas pengembangan model volume paru-paru dan frekuensi pernapasan yang dipengaruhi faktor fisik manusia dalam simulasi sistem pernapasan manusia. Hubungan faktor fisik dengan perubahan volume udara paru-paru dimodelkan dalam suatu persamaan matematis, berupa volume udara tidal (VT), volume udara residu atau functional residu capacity (FRC), total lung capacity (TLC) atau kapasitas total paru-paru, volume inspirasi (V I) dan volume ekspirasi (VE). Model volume udara digunakan untuk memvisualisasikan proses mengembang dan mengempisnya paru-paru. Sedangkan frekuensi pernapasan untuk memvisualisasikan kecepatan mengembang dan mengempisnya paru-paru. Model tersebut diimplementasikan pada simulasi sistem pernapasan manusia. Frekuensi pernapasan (f) berkaitan dengan waktu yang dibutuhkan dalam satu siklus bernapas (T). Perbandingan waktu inspirasi dan ekspirasi dapat dimodifikasi dan disesuaikan dengan berbagai kondisi dan kebutuhan tubuh.

1. Pendahuluan

Media pembelajaran merupakan bagian integral dari keseluruhan proses pembelajaran dan merupakan salah satu faktor penentu keberhasilan pembelajaran. Melalui media pembelajaran, proses pembelajaran bisa lebih menarik dan menyenangkan (joyfull learning). Aspek penting penggunaan media adalah membantu memperjelas pesan pembelajaran.

Model simulasi (simulation model) merupakan salah satu multimedia interaktif dan bertujuan memberikan pengalaman konkrit melalui tiruan – tiruan yang mendekati bentuk sebenarnya. Model simulasi menuntut siswa berinteraksi secara aktif. Siswa tidak hanya melihat, namun terlibat langsung berinteraksi dengan program. Siswa difasilitasi untuk mencoba, mengamati, mencoba lagi dengan situasi yang berbeda, seolah siswa terlibat secara nyata.

Proses pernapasan adalah proses fisiologis yang terjadi dalam tubuh mahluk hidup yang bersifat abstrak dan sulit dikonkritkan. Dengan simulasi akan membantu mengkonkritkan suatu materi pembelajaran yang bersifat abstrak, sehingga lebih mudah dipahami siswa. Sistem pernapasan manusia merupakan bagian materi pembelajaran biologi pada siswa SMU kelas XI program IPA. Dengan

demikian materi sistem pernapasan dapat dikemas menjadi sebuah simulasi sistem pernapasan pada manusia sebagai media pembelajaran.

1.1 Latar Belakang

Dalam simulasi sistem pernapasan manusia, menggambarkan struktur alat pernapasan, menjelaskan fungsi alat pernapasan dan mensimulasikan mekanisme pernapasan manusia. Mekanisme pernapasan berkaitan dengan proses inspirasi dan ekspirasi yaitu aliran udara dari lingkungan luar ke dalam tubuh atau sebaliknya. Mekanisme pernapasan berkaitan dengan perubahan volume udara paru-paru dan frekuensi pernapasan.

Perubahan volume udara paru-paru dan frekuensi pernapasan dipengaruhi oleh beberapa variabel. Variabel-variabel tersebut menggambarkan parameter pernapasan berupa persamaan-persamaan matematis. Sehingga untuk memvisualisasikan simulasi sistem pernapasan dibutuhkan banyak persamaan matematis yang terkait. Dengan demikian model matematis dalam pernapasan sangat dibutuhkan untuk membuat simulasi sistem pernapasan manusia. Model matematis dapat diperoleh dari penelitian sebelumnya tentang model matematis dalam sistem pernapasan pada manusia [6] dan dari berbagai teori yang mendukung.

Model matematis yang terkait meliputi persamaan matematis volume udara paru-paru dan frekuensi pernapasan. Perubahan volume udara dalam paru- paru dapat divisualisasikan dengan mengembang dan mengempisnya paru-paru. Variabel-variabel yang mempengaruhi akan di jadikan input oleh user untuk mensimulasikan proses pernapasan pada manusia.

1.2 Tujuan penulisan

Merancang dan mengimplementasikan model matematis volume udara paru-paru dan frekuensi pernapasan yang dibutuhkan dalam membuat simulasi pernapasan pada manusia.

2. Sistem pernafasan pada manusia

Sistem pernafasan pada manusia mencakup hal-hal sebagai berikut, yakni saluran pernapasan, mekanisme dan faktor-faktor yang mempengaruhi pernapasan.

2.1 Saluran Pernapasan

Saluran pernapasan merupakan organ yang berfungsi sebagai tempat keluar masuknya udara dari luar tubuh ke dalam paru- paru ataupun sebaliknya. Saluran pernapasan meliputi hidung, faring, laring, trakhea, bronkhus dan bronkhiolus. Saluran pernapasan dapat dilihat pada Gambar 1.

Gbr 1. Saluran pernapasan

Sifat dan fungsi masing-masing organ pernapasan dijelaskan di bawah ini [3,5].a. Hidung, berfungsi sebagai penyaring kotoran,

melembapkan dan menghangatkan udara yang dihirup menuju paru-paru.

b. Faring, sebagai penghubung rongga hidung dan rongga mulut ke laring.

c. Laring, merupakan bagian yang menghubungkan faring dan trakea. Laring sering disebut sebagai kotak suara yang berfungsi sebagai tempat terjadinya vokalisasi.

d. Trakea, disebut juga batang tenggorokan. Ujung trakea bercabang menjadi dua cabang yang disebut bronkus.

e. Bronkus, merupakan percabangan dari trakea, terbagi menjadi bronkus kanan dan bronkus kiri.

f. Bronkiolus, merupakan cabang dari bronkus. Bronkiolus mengandung kelenjar submukosa yang memproduksi lendir untuk melapisi bagian dalam jalan napas.

g. Paru – paru, merupakan organ yang elastis berbentuk kerucut. Terdiri dari paru-paru kanan dan kiri, yang letaknya dalam rongga dada atau toraks. Di dalam paru-paru, bronkiolus bercabang-cabang halus dengan diameter ± 1 mm, dindingnya makin menipis jika dibanding dengan bronkus.

h. Alveolus, merupakan sel-sel yang menyusun paru-paru dan berfungsi sebagai tempat pertukaran O2 dan CO2. Paru-paru tersusun sekitar 300 juta alveolus. Alveolus terdapat pada ujung akhir bronkiolus berupa kantong kecil yang salah satu sisinya terbuka sehingga menyerupai busa atau mirip sarang tawon. Alveolus berselaput tipis dan banyak bermuara kapiler darah sebagai tempat terjadinya difusi gas.

2.2 Mekanisme Respirasi

Satu siklus pernapasan terdiri dari proses inspirasi dan ekspirasi [5]. Baik inspirasi maupun ekspirasi akan menyebabkan perubahan volume paru-paru. Perubahan mengembang dan mengempisnya paru-paru menunjukkan mekanisme inspirasi dan ekspirasi. Gambar di bawah ini menunjukkan mekanisme inspirasi dan ekspirasi.

Gbr 2. Paru-paru dalam keadaan inspirasi

Gbr 3. Paru-paru dalam keadaan ekspirasi

Fungsi paru-paru berhubungan dengan ventilasi paru-paru dan pertukaran gas. Ventilasi paru-paru berkaitan dengan pengukuran volume paru-paru . Metode sederhana untuk mengukur ventilasi paru adalah merekam volume pergerakan udara yang masuk dan keluar dari paru-paru, dengan proses yang dinamakan spirometri dan menggunakan spirometer. Perubahan volume udara mempengaruhi daya kembang paru-paru.

Compliance atau daya kembang paru adalah perubahan volume per liter yang disebabkan oleh tiap perubahan satu unit cmHg [1, 5]. Daya kembang paru juga tergantung pada ukuran paru. Daya kembang paru-paru bayi lebih kecil dari pada orang dewasa, dan daya kembang orang yang berbadan kecil juga berbeda dengan daya kembang orang yang berbadan besar [1, 4].

2.3 Persamaan matematis volume udara

Volume paru normal sangat dipengaruhi oleh ukuran sistem pernapasan dan usia. Volume paru pria juga lebih besar daripada wanita. Pada saat gerak badan, pengambilan oksigen dapat mencapai 4 – 6 liter per menit dan volume udara inspirasi per menit dapat meningkat sampai dua puluh kali lipat. Keadaan ini dicapai dengan peningkatan volume tidal dan frekwensi pernapasan. Besarnya volume udara pernapasan dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor fisik seperti jenis kelamin, usia, tinggi badan, dan berat badan [1, 6].

Berdasarkan penelitian sebelumnya tentang faktor–faktor mempengaruhi volume udara paru-paru [1, 6], diperoleh model matematis yang menggambarkan perilaku parameter pernapasan. Untuk merepresentasikan volume dinamis paru – paru terhadap waktu dalam keadaan inspirasi normal diperoleh persamaan sebagai berikut:

V I=FRC+V T(1−e

−t0,5 ) ... (1)

V E=FRC+V T(e

−t0,5 ) ... (2)

VI adalah volume udara setelah melakukan inspirasi dan VE

volume udara paru-paru setelah melakukan ekspirasi pada

suatu titik waktu tertentu dari siklus pernapasan. FRC adalah kapasitas residu fungsional dan VT adalah volume tidal paru - paru. VT adalah 10% dari total kapasitas paru. Persamaan yang digunakan untuk perhitungan TLC dan FRC berdasarkan penelitian sebelumnya [6] . Persamaan ini disajikan pada Tabel dibawah ini.

Tabel 1. Persamaan matematis volume dan kapasitas paru-paru [6].

Kategori TLC FRC

Laki –laki dewasa

7,956*h-6,948 7.502*h+0.009*a-0.033*w-7.608

Perempuan dewasa

7,107*h-6,435 5.867*h+0.009*a-0.022*w-5.972

Anak laki-laki

exp(-1,3191+1,7383*h)

exp(-1.8195+1.6779*h)

Anak perempuan

exp(-1,2940+1,7021*h)

exp(-2.0159+1.7942*h)

Keterangan:

- TLC = Kapasitas Paru Total dalam liter;

- FRC = Kapasitas Residu Fungsional dalam liter;

- h = tinggi dalam meter;

- a = umur dalam tahun;

- w = berat dalam kilogram.

Berdasarkan tabel 1, kapasitas total paru-paru (TLC) dipengaruhi oleh faktor jenis kelamin, usia dan tinggi badan. Sedangkan faktor yang mempengaruhi kapasitas residu fungsional (FRC) yaitu jenis kelamin, usia, tinggi badan dan berat badan.

2.5 Frekuensi Pernapasan

Jumlah udara yang keluar masuk ke paru-paru setiap kali bernapas disebut sebagai frekuensi pernapasan. Pada umumnya,frekuensi pernapasan manusia dewasa setiap menitnya berkisar 15-18 kali. Cepat atau lambatnya frekuensi pernapasan dipengaruhi oleh beberapa faktor sebagai berikut yaitu usia, jenis kelamin, suhu tubuh, posisi dan kedudukan serta aktifitas [1, 4 ]. Jumlah frekuensi pernapasan di bagi menjadi 5 kategori [7], yaitu : a. bayi baru lahir (usia < 1 tahun) yaitu 44 kali/menit;b. bayi (usia < 2 tahun) yaitu 50 kali/menit;c. balita (usia< 6 tahun) yaitu 25 kali/menit;d. anak (usia < 15 tahun) yaitu 20 kali/meniti; e. dewasa (usia > 15 tahun) yaitu 16 kali/menit.

3. Analisis Desain Pemodelan yang diperlukan dalam simulasi sistem pernapasan meliputi pemodelan objek dan pemodelan

matematis (mathematical models). Pemodelan obyek yang dibutuhkan meliputi model saluran pernapasan yaitu trakea, bronkus dan paru-paru.

Pemodelan matematis volume paru-paru dan frekuensi pernapasan yang akan dirancang harus memenuhi persyaratan sebagai berikut.a. Menggambarkan besarnya volume udara ketika

melakukan pernapasan normal (VT). Besarnya VT yaitu 10% dari TLC.

b. Menggambarkan volume udara minimum dan makimum. Volume udara minimum merupakan volume udara yang tersisa dalam paru-paru pada akhir ekspirasi normal (FRC). Sedangkan volume udara makimum merupakan volume udara paru-paru setelah melakukan inspirasi (FRC+VT).

c. Mencakup volume udara inspirasi dan ekspirasi. Volume inspirasi (VI) yaitu volume udara paru-paru setelah melakukan proses inspirasi. Volume ekspirasi(VE) yaitu volume udara paru-paru setelah melakukan ekspirasi.

d. Menggambarkan perubahan volume udara paru-paru berdasarkan input variabel. variabel input berupa faktor fisik manusia yang meliputi jenis kelamin, usia, jenis aktifitas, tinggi badan dan berat badan.

e. Menggambarkan perubahan volume udara pernapasan terhadap waktu. Waktu yang dibutuhkan dalam satu siklus bernapas tergantung dari frekuensi pernapasan.

f. Menggambarkan cepat lambatnya proses pernapasan. Hal ini berkaitan dengan frekuensi pernapasan yang dipengaruhi oleh variabel jenis kelamin,usia dan jenis aktifitas.

g. Menggambarkan perubahan waktu (periode) inspirasi dan ekspirasi, pada keadaan normal dan pada kondisi tertentu.

3.1 Pemodelan ObyekPemodelan Objek Saluran pernapasan meliputi: trakea, bronkus dan paru-paru.

Gbr 4. Pemodelan objek

3.2 Pemodelan matematis volume udara dan frekuensi pernapasan

a. Perhitungan TLC berdasarkan tabel, dapat dijelaskan dengan flowchart di bawah ini.

Gbr 5. Flowchart perhitungan TLC

b. Perhitungan FRC berdasarkan tabel dapat dijelaskan dengan flowchart.

Gbr 6. Flowchart perhitungan FRC

c. Perhitungan VT, VI, VE

- VT = 10% * TLC

- VI (t) = FRC+VT * (1-e-t/0.5)

- VE(t) = FRC + VT* e-t/0.5

VI(t)=FRC + VT (1-e-t/0,5) ;

to < t < to + T/2, inspirasi.

VUpn(t)

VE(t) = FRC + VT (e-t/0,5) ;

to + T/2 < t < to + T, ekspirasi.

T = 1/f

Volume awal dan akhir dianalogikan sebagai

berikut:

- V0 = Vupn (min) = FRC

- V1 = Vupn (max) = FRC + VT

3.3 Desain Teknis

Proses rendering visual pada aplikasi simulasi pernapasan

menggunakan OpenGl dengan bahasa pemrograman C++

dan C# serta kompiler visual studio 2010 .

4. Implemenrasi

Gbr 7. Tampilan alat pernapasan

Gbr 8. Tampilan input variabel

Gbr 9. Tampilan simulasi

Gbr 10. Tampilan partikel udara

Tabel 2. Data input variabel

INPUT B C1 Jenis kelamin (L/P) L L2 usia (tahun) A 7 503 Tinggi Badan (meter) H 1,08 1,6

74 Berat badan (kg) W 35 605 Aktivitas (T/F) T F

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90.9

0.951

1.051.1

1.151.2

Grafik Pernapasan

Waktu (detik)

Volu

me

(lite

r)

Gbr 11. Grafik pernapasan berdasarkan input B

0 1 2 3 4 5 6 7 8 93

3.23.43.63.84

4.2Grafik Pernapasan

Waktu (detik)

Volu

me

(lite

r)

Gbr 12. Grafik pernapasan berdasarkan input C

5. Kesimpulan

Pemodelan perubahan volume udara paru-paru secara matematis dapat dipengaruhi oleh variabel jenis kelamin, usia, berat badan, tinggi badan, dan diimplementasikan dalam memvisualisasikan proses mengembang dan mengempisnya paru-paru dalam simulasi sistem pernapasan manusia. Sedangkan pemodelan frekuensi pernapasan dapat dipengaruhi oleh variabel usia dan aktiftitas, diimplementasikan untuk memvisualisasikan kecepatan mengembang dan mengempisnya paru-paru. Frekuensi pernapasan berkaitan dengan waktu yang dibutuhkan baik untuk inspirasi maupun ekspirasi dapat dimodifikasi sesuai dengan kondisi dan kebutuhan tubuh.

References

[1] Deasy Silviasari Madina, Nilai Kapasitas Vital Paru Dan Hubungannya Dengan Karakteristik Fisik Pada Atlet Berbagai Cabang Olahraga, Fakultas Kedokteran Universitas Padjadjaran, 2007.

[2] Guyton, Hall, Text Book of Medical Physiology. New York : W B Saunders Company. Page 477 – 545, 1996.

[3] Neil A., Chambell, Jane B. Reece, Lawrence G. Mitcthell, BIOLOGI, Jilid III, Erlangga, Jakarta, 2004.

[4] Sutarmo Setiadji, Busjra M. Nur, B. Gunawan, Uji Faal Paru , Cermin Dunia Kedokteran No. 24, Fakultas Kedokteran Universitas Indonesia, Jakarta, 1987.

[5] Sylvia A.Price, Lorraine M. wilson, PATOFISIOLOGI, Edisi 6, IKAPI Jakarta , 2006.

[6] Taxiarchis Botsis, John Mantas, Stelios Halkiotis, Mathematical Modelling and Curve Fitting for the study of Respiratory System Parameters, University of Athens, Faculty of Nursing, Laboratory of Health Informatics.

[7] ________________, Ideal Weight Chart, http://www.buzzle.com/articles/ideal-weight-chart.html http: , diakses 5 januari 2011 jam 21 WIB.

[8] ________________, Respiratory System, http:// id. Images.search.yahoo.com/search/images; , diakses 11 november 2010 jam 03.00 WIB.

*Resposible Author : lilis.warliah@yahoo.co.id