SISTEM DETEKSI OBSTRUCTIVE SLEEP APNEA (OSA) MENGGUNAKAN INTERVAL RR ELEKTROKARDIOGRAM DENGAN JARINGAN SYARAF TIRUAN.
SISTEM DETEKSI OBSTRUCTIVE SLEEP APNEA (OSA)
MENGGUNAKAN INTERVAL RR ELEKTROKARDIOGRAM
DENGAN JARINGAN SYARAF TIRUAN
Disusun oleh :
AIDA NOOR INDRAWATI
M0212009
SKRIPSI
PROGRAM STUDI FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
November, 2016
SISTEM DETEKSI OBSTRUCTIVE SLEEP APNEA (OSA)
MENGGUNAKAN INTERVAL RR ELEKTROKARDIOGRAM
DENGAN JARINGAN SYARAF TIRUAN
Disusun oleh :
AIDA NOOR INDRAWATI
M0212009
SKRIPSI
Diajukan untuk memenuhi sebagian
persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains
PROGRAM STUDI FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
November, 2016
i
HALAMAN PERSETUJUAN
SKRIPSI
Sistem Deteksi Obstructive Sleep Apnea (OSA) Menggunakan Interval RR
Elektrokardiogram dengan Jaringan Syaraf Tiruan
Oleh:
AIDA NOOR INDRAWATI
M0212009
ii
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi dengan judul : Sistem Deteksi Obstructive Sleep Apnea (OSA)
menggunakan Interval RR Elektrokardiogram dengan
Jaringan Syaraf Tiruan
iii
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “Sistem Deteksi
Obstructive Sleep Apnea (OSA) menggunakan Interval RR Elektrokardiogram
dengan Jaringan Syaraf Tiruan” adalah hasil kerja saya berdasarkan arahan dari
pembimbing saya. Sampai saat ini, menurut sepengetahuan saya, isi dari skripsi
saya tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau
materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas
Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya, jika ada maka telah dituliskan di
daftar pustaka skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua pihak telah ditulis
di bagian ucapan terimakasih. Isi skripsi ini boleh dirujuk atau difotokopi secara
bebas tanpa harus memberitahu penulis.
Surakarta, 29 Oktober 2016
Aida Noor Indrawati
iv
MOTTO
“Tidak ada yang mustahil, semuanya adalah mungkin jika engkau yakin kepada
Allah”
(Asadullah Al-Faruq)
“Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan”
(QS. Al-Insirah:7)
“Allah akan meninggikan orang-orang yang beriman di antaramu dan orangorang yang diberi ilmu pengetahuan.”
(QS.Al-Mujadalah:11)
“Musuh yang paling bahaya di atas dunia ini adalah penakut dan bimbang.
Teman yang paling setia, hanyalah keberanian da n keyakinan yang teguh”
(Andrew Jackson)
“Banyak kegagalan dalam hidup ini dikarenakan orang-orang tidak menyadari
betapa dekatnya mereka dengan keberhasilan saat mereka menyerah”
(Thomas Alva Edision)
v
PERSEMBAHAN
Dengan memanjatkan syukur kepada Allah SWT
Saya persembahkan karya ini kepada :
Bapak, Ibu dan kakak tercinta terima kasih atas doa dan pengorbanan yang
selalu mengiringi setiap langkahku, selalu memberikan semangat untuk tetap
sabar, tegar dan istiqomah dalam menghadap kehidupan ini.
Teruntul keluarga, sahabat dan teman-teman yang tidak bisa saya sebutkan
satu persatu, terimakasih atas do’a, dukungan serta motivasi yang diberikan
selama ini.
vi
SISTEM DETEKSI OBSTRUCTIVE SLEEP APNEA (OSA)
MENGGUNAKAN INTERVAL RR ELEKTROKARDIOGRAM DENGAN
JARINGAN SYARAF TIRUAN
AIDA NOOR INDRAWATI
Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sebelas Maret
ABSTRAK
Pada penelitian ini telah dibuat sebuah rancangan sistem untuk deteksi
Obstructive sleep apnea (OSA) dengan parameter interval RR. Klasifikasi yang
digunakan dengan metode JST backpropagation yang diimplementasikan
menggunakan perangkat lunak MATLAB. Tahapan pada penelitian ini antara lain
persiapan perangkat lunak, pengumpulan data, ekstraksi fitur, pelatihan JST,
pengujian JST dan penentuan kinerja. Tahap pelatihan dilakukan dengan
menggunakan data sebanyak 10% sedangkan tahap pengujian sebanyak 90% dari
total keseluruhan data. Pada penelitian ini dilakukan variasi fitur statistik dan
variasi panjang segmen. Hasil terbaik dari rancangan sistem ini yaitu yang
menggunakan fitur gabungan RRmed dan RRave dengan panjang gelombang 90
denyut. Hal tersebut ditunjukkan dari hasil kinerja JST yang memiliki kinerja
paling baik. Kinerja JST berupa sensitifitas, spesifisitas dan akurasi berturut-turut
sebesar 95.02%, 98.23% dan 97.81%.
Kata kunci : OSA, JST backpropagation, interval RR
vii
DETECTION SYSTEMS OBSTRUCTIVE SLEEP APNEA (OSA)
ELECTROCARDIOGRAM RR INTERVAL BY USING ARTIFICIAL
NEURAL NETWORK
AIDA NOOR INDRAWATI
Physics Departement, Faculty of Mathematics and Natural Sciences,
Sebelas Maret University
ABSTRACT
In this research has created a design system for the detection of obstructive sleep
apnea (OSA) with the RR interval parameter. The classification used by
backpropagation ANN method is implemented using MATLAB software. Stages
in this study include preparation software, data collection, feature extraction,
training JST, JST testing and determination of performance. The training stage is
done by using the data as much as 10% while the testing stage as much as 90% of
the total data. In this research, a variety of features and statistical variation in the
length of the segment. The best result of the design of this system is that using the
combined features RRmed and RRave with a wavelength of 90 beats. This is
shown from the results of the performance of ANN, which has the best
performance. ANN's performance in the form of sensitivity, specificity and
accuracy, respectively for 95.02%, 98.23% and 97.81%.
Keywords: OSA, ANN backpropagation, RR interval.
viii
KATA PENGANTAR
Syukur Alhamdulillah penulis panjatkan atas kehadirat Allah SWT, yang
telah memberikan rahmat serta kemudahan sehingga dapat menyelesaikan skripsi
ini yang berjudul “Sistem Deteksi Obstructive Sleep Apnea (OSA) menggunakan
Interval RR Elektrokardiogram dengan Jaringan Syaraf Tiruan”. Shalawat serta
salam semoga tercurah kepada Rosulullah SAW, keluarga, sahabat, serta
umatnya yang senantiasa istiqomah.
Skripsi ini tidak akan selesai tanpa adanya bantuan dari banyak pihak,
karena itu penulis menyampaikan terima kasih kepada :
1.
Bapak Dr. Fahru Nurosyid, S.Si., M.Si. selaku Kepala Program
Studi Fisika Fakultas MIPA Universitas Sebelas Maret Surakarta.
2.
Bapak Nuryani, S.Si., Ph.D. selaku pembimbing I yang telah
meluangkan waktu, pikiran, dan tenaga untuk membimbing dan mengarahkan
dengan penuh kesabaran selama penyusunan skripsi ini.
3.
Bapak Artono Dwijo Sutomo S.Si, M.Si. M.M selaku pembimbing
II yang telah banyak memberikan masukan dalam perbaikan skripsi ini.
4.
Ibu Prof. Dra Soeparmi, MA,Ph.D selaku Pembimbing Akademik
yang telah membimbing dengan sabar dan selalu memberi nasehat selama
masa studi penulis.
5.
Ibu dan Bapak yang saya sayangi yang telah memberi bimbingan,
doa, semangat, dan biaya yang telah engkau berikan.
6.
Teman-teman group riset (Mbak Rani, Mbak Ana, Mbak Nistya,
Mas Dibya, Mas Arief, Mas Eka, Mas Kemas, Rendy, Trio dan Bintang)
terimakasih atas bantuannya dalam penyelesaian skripsi ini.
7.
Sahabat-sahabatku di kampus (Mbak ulul, Aprilia, Shilmi, Maura,
Ovi, Aninda dan Rije) terima kasih untuk bantuan, motivasi dan semangat
kalian semua selama ini.
8.
Teman-teman fisika angkatan 2012 terima kasih atas segala
kebersamaannya.
ix
Semoga Allah SWT membalas atas semua jerih payah dan pengorbanan
yang telah diberikan, dengan balasan yang lebih baik. Aamiin.
Penulis menyadari akan banyaknya kekurangan dalam penulisan skripsi ini.
Namun demikian, penulis berharap semoga karya kecil ini bisa bermanfaat bagi
pembaca.
Surakarta, 29 Oktober 2016
Aida Noor Indrawati
x
PUBLIKASI
Sebagian skripsi saya yang berjudul “Sistem Deteksi Obstructive Sleep
Apnea (OSA) menggunakan Interval RR Elektrokardiogram dengan Jaringan
Syaraf Tiruan” telah dipublikasikan pada Repository FMIPA UNS.
xi
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL .................................................................................................. .i
HALAMAN PERSETUJUAN ................................................................................. ii
HALAMAN PENGESAHAN ...................................................................................iii
HALAMAN PERNYATAAN ...................................................................................iv
HALAMAN MOTTO .................................................................................................v
HALAMAN PERSEMBAHAN ................................................................................vi
HALAMAN ABSTRAK ...........................................................................................vii
HALAMAN ABSTRACT .......................................................................................viii
KATA PENGANTAR ................................................................................................ix
HALAMAN PUBLIKASI..........................................................................................xi
DAFTAR ISI ............................................................................................................. xii
DAFTAR TABEL ....................................................................................................xiv
DAFTAR GAMBAR .................................................................................................xv
DAFTAR SIMBOL ..................................................................................................xvi
DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................................xvii
BAB I. PENDAHULUAN
I.1. Latar Belakang masalah ..................................................................................1
I.2 Batasan Masalah ..............................................................................................3
I.3 Perumusan Masalah .........................................................................................3
I.4 Tujuan Penelitian .............................................................................................3
I.4 Manfaat Penelitian ...........................................................................................4
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA
II.1. Sleep Apnea ...................................................................................................5
II.1.1. Obstructive Sleep Apnea ...................................................................5
II.1.2. Central Sleep Apnea .........................................................................6
II.2. Hubungan OSA dengan Penyakit Jantung ....................................................7
II.3. Anatomi Jantung ...........................................................................................8
II.3.1. Dinding Jantung ................................................................................8
II.3.2. Ruang Jantung...................................................................................8
II.3.3. Katup Jantung ...................................................................................9
II.4. Sistem Konduksi Jantung .............................................................................10
II.5. Elektrofisiologi Jantung ...............................................................................11
II.6. Polisomnografi .............................................................................................13
II.7. Elektrokardiogram ........................................................................................14
II.7.1. Jenis Jenis Gelombang, Interval dan Segmen EKG ........................15
II.8. Jaringan Syaraf Tiruan (JST) ......................................................................17
II.8.1. Perceptron .......................................................................................20
II.8.2. Backpropagation ..............................................................................21
II.9. MATLAB .....................................................................................................23
BAB III. METODOLOGI PENELITIAN
xii
III.1. Tempat dan Waktu Penelitian .....................................................................25
III.2. Alat dan Bahan ............................................................................................25
III.2.1. Alat Penelitian ...............................................................................25
III.2.2. Bahan Penenlitian ..........................................................................25
III.3. Metode Penelitian ......................................................................................25
III.3.1. Persiapan Software .........................................................................26
III.3.2. Pengumpulan Data ..........................................................................27
III.3.3. Ekstraksi Fitur ................................................................................27
III.3.4. Pembentukan Jaringan Syaraf Tiruan (JST) ..................................30
III.3.5. Pelatihan Jaringan Syaraf Tiruan (JST) .........................................31
III.3.6. Penentuan Kinerja...........................................................................33
BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
IV.1. Data EKG ....................................................................................................35
IV.2. Hasil Ekstraksi Fitur EKG ..........................................................................36
IV.3. Pelatihan JST ..............................................................................................40
IV.3.1. Variasi Fitur Statistik......................................................................41
IV.3.2. Variasi Panjang Segmen .................................................................43
IV.4. Penentuan Kinerja JST ...............................................................................45
IV.4.1. Variasi Fitur Statistik......................................................................45
IV.4.2. Variasi Panjang Segmen .................................................................46
BAB V. PENUTUP
V.1. Kesimpulan ..................................................................................................48
V.2. Saran .............................................................................................................48
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................49
LAMPIRAN ...............................................................................................................53
xiii
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1. Fase-Fase pada Siklus Depolarisasi-Repolarisasi ..............................11
Tabel 3.1. Persamaan yang Digunakan dalam Fitur Statistik RR .......................29
Tabel 3.2. Representasi dari Keluaran JST yang Diharapkan .............................31
Tabel 4.1. Jumlah Data OSA dan Normal Masing-Masing Pasien .....................35
Tabel 4.2. Rata-rata variasi fitur untuk Normal dan OSA...................................37
Tabel 4.3. Hasil Kinerja pada Pelatihan JST dengan Variasi Fitur Statistik .......41
Tabel 4.4. Hasil Kinerja pada Pelatihan JST dengan Variasi Panjang Segmen ..43
Tabel 4.5. Hasil Penentuan Kinerja JST dengan Variasi Fitur Statistik .............45
Tabel 4.6. Hasil Penentuan Kinerja JST dengan Variasi Panjang Segmen.........46
xiv
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Perbedaan OSA dengan Normal .....................................................6
Gambar 2.2. Hubungan OSA dengan Penyakit Jantung .....................................7
Gambar 2.3 Anatomi Jantung ................................................................................8
Gambar 2.4 Kurva Aksi Potensial ......................................................................12
Gambar 2.5 Pemeriksaan Polisomnografi ..........................................................13
Gambar 2.6 Gelombang EKG ............................................................................15
Gambar 2.7 Single Layer ....................................................................................19
Gambar 2.8. Multilayer ......................................................................................20
Gambar 2.9 Sistem Propagasi Balik ...................................................................21
Gambar 3.1. Skema Utama Penelitian................................................................26
Gambar 3.2. Rancangan Sistem..........................................................................26
Gambar 3.3 Diagram Alir Ekstraksi Fitur ..........................................................27
Gambar 3.4 Interval RR pada Elektrokardiogram ..............................................28
Gambar 3.5 Tahap Proses Pelatihan JST Backpropagation ...............................32
Gambar 3.6 Tahap Proses Pengujian JST .........................................................34
Gambar 4.1 Perbedaan ritme (a) Normal dan (b) OSA ..................................... 36
Gambar 4.1 Distribusi Data dengan Segmen 60 Denyut (a) RRmed (b) RRave
(c) RRgeo untuk OSA (Merah) dan Normal (Biru) Pada Seluruh
Pasien ..............................................................................................38
Gambar 4.2 Grafik Pelatihan JST untuk Variasi Fitur Statistik .........................42
Gambar 4.3 Grafik Pelatihan JST untuk Fitur RRmedRRave dengan Variasi
Panjang Segmen..............................................................................44
xv
DAFTAR SIMBOL
Simbol
�
�
�
�
xi
Zj
Y
Keterangan
Vektor bobot ke i
Vektor masukan ke i
Bobot baru
Bobot lama
Keluaran yang diharapkan (desire output)
Keluaran sebenarnya
Laju pembelajaran
Masing–masing sinyal input
Unit pada suatu lapisan tersembunyi
Unit output
Target yang diinginkan
Error output
Update bobot
Update bias
Bobot baru pada masing – masing unit output
Bobot baru pada unit hidden
R(i)
R(i+1)
RR
RRmed
RRave
RRgeo
Puncak gelombang ke-i
Puncak gelombang ke-i+ 1
Interval RR
RR median
RR average
RR geomean
RR yang telah dilakukan normalisasi
RR dari setiap fitur
i
TP
FP
FN
TN
Sum square error
Kuadrat dari selisih nilai target dengan nilai keluaran
prediksi
1,2,3,...,n
True Positive
False Positive
False Negative
True Negative
xvi
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1. Gabungan Data EKG .................................................................. 53
Lampiran 2. Pembagian Panjang Segmen 30 denyut Dan Variasi Fitur .......... 54
Lampiran 3. Pembagian Panjang Segmen 60 denyut Dan Variasi Fitur .......... 55
Lampiran 4. Pembagian Panjang Segmen 90 denyut Dan Variasi Fitur .......... 56
Lampiran 5. Normalisasi segmen 30 denyut untuk Semua Fitur ..................... 57
Lampiran 6. Normalisasi segmen 60 denyut untuk Semua Fitur .................... 58
Lampiran 7. Normalisasi segmen 90 denyut untuk Semua Fitur ..................... 59
Lampiran 8. TrainTest segmen 30 denyut........................................................ 60
Lampiran 9. TrainTest segmen 60 denyut ....................................................... 61
Lampiran 10. TrainTest segmen 90 denyut...................................................... 62
Lampiran 11. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja Fitur Median ....... 63
Lampiran 12. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja Fitur Average ..... 66
Lampiran 13. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja Fitur Geomean ... 69
Lampiran 14. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja Fitur Gabungan
Median dan Average................................................................. 72
Lampiran 15. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja Fitur Gabungan
Median dan Geomean ............................................................... 75
Lampiran 16. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja Fitur Gabungan
Average dan Geomean ............................................................. 78
Lampiran 17. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja Fitur Gabungan
Median, Average dan Geomean ............................................... 81
Lampiran 18. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja dengan Panjang
Segmen 30 menggunakan Fitur Average dan Median ............. 84
Lampiran 19. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja dengan Panjang
Segmen 90 menggunakan Fitur Average dan Median ............. 87
xvii
54
MENGGUNAKAN INTERVAL RR ELEKTROKARDIOGRAM
DENGAN JARINGAN SYARAF TIRUAN
Disusun oleh :
AIDA NOOR INDRAWATI
M0212009
SKRIPSI
PROGRAM STUDI FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
November, 2016
SISTEM DETEKSI OBSTRUCTIVE SLEEP APNEA (OSA)
MENGGUNAKAN INTERVAL RR ELEKTROKARDIOGRAM
DENGAN JARINGAN SYARAF TIRUAN
Disusun oleh :
AIDA NOOR INDRAWATI
M0212009
SKRIPSI
Diajukan untuk memenuhi sebagian
persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains
PROGRAM STUDI FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
November, 2016
i
HALAMAN PERSETUJUAN
SKRIPSI
Sistem Deteksi Obstructive Sleep Apnea (OSA) Menggunakan Interval RR
Elektrokardiogram dengan Jaringan Syaraf Tiruan
Oleh:
AIDA NOOR INDRAWATI
M0212009
ii
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi dengan judul : Sistem Deteksi Obstructive Sleep Apnea (OSA)
menggunakan Interval RR Elektrokardiogram dengan
Jaringan Syaraf Tiruan
iii
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “Sistem Deteksi
Obstructive Sleep Apnea (OSA) menggunakan Interval RR Elektrokardiogram
dengan Jaringan Syaraf Tiruan” adalah hasil kerja saya berdasarkan arahan dari
pembimbing saya. Sampai saat ini, menurut sepengetahuan saya, isi dari skripsi
saya tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau
materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas
Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya, jika ada maka telah dituliskan di
daftar pustaka skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua pihak telah ditulis
di bagian ucapan terimakasih. Isi skripsi ini boleh dirujuk atau difotokopi secara
bebas tanpa harus memberitahu penulis.
Surakarta, 29 Oktober 2016
Aida Noor Indrawati
iv
MOTTO
“Tidak ada yang mustahil, semuanya adalah mungkin jika engkau yakin kepada
Allah”
(Asadullah Al-Faruq)
“Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan”
(QS. Al-Insirah:7)
“Allah akan meninggikan orang-orang yang beriman di antaramu dan orangorang yang diberi ilmu pengetahuan.”
(QS.Al-Mujadalah:11)
“Musuh yang paling bahaya di atas dunia ini adalah penakut dan bimbang.
Teman yang paling setia, hanyalah keberanian da n keyakinan yang teguh”
(Andrew Jackson)
“Banyak kegagalan dalam hidup ini dikarenakan orang-orang tidak menyadari
betapa dekatnya mereka dengan keberhasilan saat mereka menyerah”
(Thomas Alva Edision)
v
PERSEMBAHAN
Dengan memanjatkan syukur kepada Allah SWT
Saya persembahkan karya ini kepada :
Bapak, Ibu dan kakak tercinta terima kasih atas doa dan pengorbanan yang
selalu mengiringi setiap langkahku, selalu memberikan semangat untuk tetap
sabar, tegar dan istiqomah dalam menghadap kehidupan ini.
Teruntul keluarga, sahabat dan teman-teman yang tidak bisa saya sebutkan
satu persatu, terimakasih atas do’a, dukungan serta motivasi yang diberikan
selama ini.
vi
SISTEM DETEKSI OBSTRUCTIVE SLEEP APNEA (OSA)
MENGGUNAKAN INTERVAL RR ELEKTROKARDIOGRAM DENGAN
JARINGAN SYARAF TIRUAN
AIDA NOOR INDRAWATI
Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sebelas Maret
ABSTRAK
Pada penelitian ini telah dibuat sebuah rancangan sistem untuk deteksi
Obstructive sleep apnea (OSA) dengan parameter interval RR. Klasifikasi yang
digunakan dengan metode JST backpropagation yang diimplementasikan
menggunakan perangkat lunak MATLAB. Tahapan pada penelitian ini antara lain
persiapan perangkat lunak, pengumpulan data, ekstraksi fitur, pelatihan JST,
pengujian JST dan penentuan kinerja. Tahap pelatihan dilakukan dengan
menggunakan data sebanyak 10% sedangkan tahap pengujian sebanyak 90% dari
total keseluruhan data. Pada penelitian ini dilakukan variasi fitur statistik dan
variasi panjang segmen. Hasil terbaik dari rancangan sistem ini yaitu yang
menggunakan fitur gabungan RRmed dan RRave dengan panjang gelombang 90
denyut. Hal tersebut ditunjukkan dari hasil kinerja JST yang memiliki kinerja
paling baik. Kinerja JST berupa sensitifitas, spesifisitas dan akurasi berturut-turut
sebesar 95.02%, 98.23% dan 97.81%.
Kata kunci : OSA, JST backpropagation, interval RR
vii
DETECTION SYSTEMS OBSTRUCTIVE SLEEP APNEA (OSA)
ELECTROCARDIOGRAM RR INTERVAL BY USING ARTIFICIAL
NEURAL NETWORK
AIDA NOOR INDRAWATI
Physics Departement, Faculty of Mathematics and Natural Sciences,
Sebelas Maret University
ABSTRACT
In this research has created a design system for the detection of obstructive sleep
apnea (OSA) with the RR interval parameter. The classification used by
backpropagation ANN method is implemented using MATLAB software. Stages
in this study include preparation software, data collection, feature extraction,
training JST, JST testing and determination of performance. The training stage is
done by using the data as much as 10% while the testing stage as much as 90% of
the total data. In this research, a variety of features and statistical variation in the
length of the segment. The best result of the design of this system is that using the
combined features RRmed and RRave with a wavelength of 90 beats. This is
shown from the results of the performance of ANN, which has the best
performance. ANN's performance in the form of sensitivity, specificity and
accuracy, respectively for 95.02%, 98.23% and 97.81%.
Keywords: OSA, ANN backpropagation, RR interval.
viii
KATA PENGANTAR
Syukur Alhamdulillah penulis panjatkan atas kehadirat Allah SWT, yang
telah memberikan rahmat serta kemudahan sehingga dapat menyelesaikan skripsi
ini yang berjudul “Sistem Deteksi Obstructive Sleep Apnea (OSA) menggunakan
Interval RR Elektrokardiogram dengan Jaringan Syaraf Tiruan”. Shalawat serta
salam semoga tercurah kepada Rosulullah SAW, keluarga, sahabat, serta
umatnya yang senantiasa istiqomah.
Skripsi ini tidak akan selesai tanpa adanya bantuan dari banyak pihak,
karena itu penulis menyampaikan terima kasih kepada :
1.
Bapak Dr. Fahru Nurosyid, S.Si., M.Si. selaku Kepala Program
Studi Fisika Fakultas MIPA Universitas Sebelas Maret Surakarta.
2.
Bapak Nuryani, S.Si., Ph.D. selaku pembimbing I yang telah
meluangkan waktu, pikiran, dan tenaga untuk membimbing dan mengarahkan
dengan penuh kesabaran selama penyusunan skripsi ini.
3.
Bapak Artono Dwijo Sutomo S.Si, M.Si. M.M selaku pembimbing
II yang telah banyak memberikan masukan dalam perbaikan skripsi ini.
4.
Ibu Prof. Dra Soeparmi, MA,Ph.D selaku Pembimbing Akademik
yang telah membimbing dengan sabar dan selalu memberi nasehat selama
masa studi penulis.
5.
Ibu dan Bapak yang saya sayangi yang telah memberi bimbingan,
doa, semangat, dan biaya yang telah engkau berikan.
6.
Teman-teman group riset (Mbak Rani, Mbak Ana, Mbak Nistya,
Mas Dibya, Mas Arief, Mas Eka, Mas Kemas, Rendy, Trio dan Bintang)
terimakasih atas bantuannya dalam penyelesaian skripsi ini.
7.
Sahabat-sahabatku di kampus (Mbak ulul, Aprilia, Shilmi, Maura,
Ovi, Aninda dan Rije) terima kasih untuk bantuan, motivasi dan semangat
kalian semua selama ini.
8.
Teman-teman fisika angkatan 2012 terima kasih atas segala
kebersamaannya.
ix
Semoga Allah SWT membalas atas semua jerih payah dan pengorbanan
yang telah diberikan, dengan balasan yang lebih baik. Aamiin.
Penulis menyadari akan banyaknya kekurangan dalam penulisan skripsi ini.
Namun demikian, penulis berharap semoga karya kecil ini bisa bermanfaat bagi
pembaca.
Surakarta, 29 Oktober 2016
Aida Noor Indrawati
x
PUBLIKASI
Sebagian skripsi saya yang berjudul “Sistem Deteksi Obstructive Sleep
Apnea (OSA) menggunakan Interval RR Elektrokardiogram dengan Jaringan
Syaraf Tiruan” telah dipublikasikan pada Repository FMIPA UNS.
xi
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL .................................................................................................. .i
HALAMAN PERSETUJUAN ................................................................................. ii
HALAMAN PENGESAHAN ...................................................................................iii
HALAMAN PERNYATAAN ...................................................................................iv
HALAMAN MOTTO .................................................................................................v
HALAMAN PERSEMBAHAN ................................................................................vi
HALAMAN ABSTRAK ...........................................................................................vii
HALAMAN ABSTRACT .......................................................................................viii
KATA PENGANTAR ................................................................................................ix
HALAMAN PUBLIKASI..........................................................................................xi
DAFTAR ISI ............................................................................................................. xii
DAFTAR TABEL ....................................................................................................xiv
DAFTAR GAMBAR .................................................................................................xv
DAFTAR SIMBOL ..................................................................................................xvi
DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................................xvii
BAB I. PENDAHULUAN
I.1. Latar Belakang masalah ..................................................................................1
I.2 Batasan Masalah ..............................................................................................3
I.3 Perumusan Masalah .........................................................................................3
I.4 Tujuan Penelitian .............................................................................................3
I.4 Manfaat Penelitian ...........................................................................................4
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA
II.1. Sleep Apnea ...................................................................................................5
II.1.1. Obstructive Sleep Apnea ...................................................................5
II.1.2. Central Sleep Apnea .........................................................................6
II.2. Hubungan OSA dengan Penyakit Jantung ....................................................7
II.3. Anatomi Jantung ...........................................................................................8
II.3.1. Dinding Jantung ................................................................................8
II.3.2. Ruang Jantung...................................................................................8
II.3.3. Katup Jantung ...................................................................................9
II.4. Sistem Konduksi Jantung .............................................................................10
II.5. Elektrofisiologi Jantung ...............................................................................11
II.6. Polisomnografi .............................................................................................13
II.7. Elektrokardiogram ........................................................................................14
II.7.1. Jenis Jenis Gelombang, Interval dan Segmen EKG ........................15
II.8. Jaringan Syaraf Tiruan (JST) ......................................................................17
II.8.1. Perceptron .......................................................................................20
II.8.2. Backpropagation ..............................................................................21
II.9. MATLAB .....................................................................................................23
BAB III. METODOLOGI PENELITIAN
xii
III.1. Tempat dan Waktu Penelitian .....................................................................25
III.2. Alat dan Bahan ............................................................................................25
III.2.1. Alat Penelitian ...............................................................................25
III.2.2. Bahan Penenlitian ..........................................................................25
III.3. Metode Penelitian ......................................................................................25
III.3.1. Persiapan Software .........................................................................26
III.3.2. Pengumpulan Data ..........................................................................27
III.3.3. Ekstraksi Fitur ................................................................................27
III.3.4. Pembentukan Jaringan Syaraf Tiruan (JST) ..................................30
III.3.5. Pelatihan Jaringan Syaraf Tiruan (JST) .........................................31
III.3.6. Penentuan Kinerja...........................................................................33
BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
IV.1. Data EKG ....................................................................................................35
IV.2. Hasil Ekstraksi Fitur EKG ..........................................................................36
IV.3. Pelatihan JST ..............................................................................................40
IV.3.1. Variasi Fitur Statistik......................................................................41
IV.3.2. Variasi Panjang Segmen .................................................................43
IV.4. Penentuan Kinerja JST ...............................................................................45
IV.4.1. Variasi Fitur Statistik......................................................................45
IV.4.2. Variasi Panjang Segmen .................................................................46
BAB V. PENUTUP
V.1. Kesimpulan ..................................................................................................48
V.2. Saran .............................................................................................................48
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................49
LAMPIRAN ...............................................................................................................53
xiii
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1. Fase-Fase pada Siklus Depolarisasi-Repolarisasi ..............................11
Tabel 3.1. Persamaan yang Digunakan dalam Fitur Statistik RR .......................29
Tabel 3.2. Representasi dari Keluaran JST yang Diharapkan .............................31
Tabel 4.1. Jumlah Data OSA dan Normal Masing-Masing Pasien .....................35
Tabel 4.2. Rata-rata variasi fitur untuk Normal dan OSA...................................37
Tabel 4.3. Hasil Kinerja pada Pelatihan JST dengan Variasi Fitur Statistik .......41
Tabel 4.4. Hasil Kinerja pada Pelatihan JST dengan Variasi Panjang Segmen ..43
Tabel 4.5. Hasil Penentuan Kinerja JST dengan Variasi Fitur Statistik .............45
Tabel 4.6. Hasil Penentuan Kinerja JST dengan Variasi Panjang Segmen.........46
xiv
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Perbedaan OSA dengan Normal .....................................................6
Gambar 2.2. Hubungan OSA dengan Penyakit Jantung .....................................7
Gambar 2.3 Anatomi Jantung ................................................................................8
Gambar 2.4 Kurva Aksi Potensial ......................................................................12
Gambar 2.5 Pemeriksaan Polisomnografi ..........................................................13
Gambar 2.6 Gelombang EKG ............................................................................15
Gambar 2.7 Single Layer ....................................................................................19
Gambar 2.8. Multilayer ......................................................................................20
Gambar 2.9 Sistem Propagasi Balik ...................................................................21
Gambar 3.1. Skema Utama Penelitian................................................................26
Gambar 3.2. Rancangan Sistem..........................................................................26
Gambar 3.3 Diagram Alir Ekstraksi Fitur ..........................................................27
Gambar 3.4 Interval RR pada Elektrokardiogram ..............................................28
Gambar 3.5 Tahap Proses Pelatihan JST Backpropagation ...............................32
Gambar 3.6 Tahap Proses Pengujian JST .........................................................34
Gambar 4.1 Perbedaan ritme (a) Normal dan (b) OSA ..................................... 36
Gambar 4.1 Distribusi Data dengan Segmen 60 Denyut (a) RRmed (b) RRave
(c) RRgeo untuk OSA (Merah) dan Normal (Biru) Pada Seluruh
Pasien ..............................................................................................38
Gambar 4.2 Grafik Pelatihan JST untuk Variasi Fitur Statistik .........................42
Gambar 4.3 Grafik Pelatihan JST untuk Fitur RRmedRRave dengan Variasi
Panjang Segmen..............................................................................44
xv
DAFTAR SIMBOL
Simbol
�
�
�
�
xi
Zj
Y
Keterangan
Vektor bobot ke i
Vektor masukan ke i
Bobot baru
Bobot lama
Keluaran yang diharapkan (desire output)
Keluaran sebenarnya
Laju pembelajaran
Masing–masing sinyal input
Unit pada suatu lapisan tersembunyi
Unit output
Target yang diinginkan
Error output
Update bobot
Update bias
Bobot baru pada masing – masing unit output
Bobot baru pada unit hidden
R(i)
R(i+1)
RR
RRmed
RRave
RRgeo
Puncak gelombang ke-i
Puncak gelombang ke-i+ 1
Interval RR
RR median
RR average
RR geomean
RR yang telah dilakukan normalisasi
RR dari setiap fitur
i
TP
FP
FN
TN
Sum square error
Kuadrat dari selisih nilai target dengan nilai keluaran
prediksi
1,2,3,...,n
True Positive
False Positive
False Negative
True Negative
xvi
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1. Gabungan Data EKG .................................................................. 53
Lampiran 2. Pembagian Panjang Segmen 30 denyut Dan Variasi Fitur .......... 54
Lampiran 3. Pembagian Panjang Segmen 60 denyut Dan Variasi Fitur .......... 55
Lampiran 4. Pembagian Panjang Segmen 90 denyut Dan Variasi Fitur .......... 56
Lampiran 5. Normalisasi segmen 30 denyut untuk Semua Fitur ..................... 57
Lampiran 6. Normalisasi segmen 60 denyut untuk Semua Fitur .................... 58
Lampiran 7. Normalisasi segmen 90 denyut untuk Semua Fitur ..................... 59
Lampiran 8. TrainTest segmen 30 denyut........................................................ 60
Lampiran 9. TrainTest segmen 60 denyut ....................................................... 61
Lampiran 10. TrainTest segmen 90 denyut...................................................... 62
Lampiran 11. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja Fitur Median ....... 63
Lampiran 12. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja Fitur Average ..... 66
Lampiran 13. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja Fitur Geomean ... 69
Lampiran 14. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja Fitur Gabungan
Median dan Average................................................................. 72
Lampiran 15. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja Fitur Gabungan
Median dan Geomean ............................................................... 75
Lampiran 16. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja Fitur Gabungan
Average dan Geomean ............................................................. 78
Lampiran 17. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja Fitur Gabungan
Median, Average dan Geomean ............................................... 81
Lampiran 18. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja dengan Panjang
Segmen 30 menggunakan Fitur Average dan Median ............. 84
Lampiran 19. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja dengan Panjang
Segmen 90 menggunakan Fitur Average dan Median ............. 87
xvii
54