TUGAS AKHIR - Elektrokardiograf berbasis PC (PC based ECG) - USD Repository

  TUGAS AKHIR ELEKTROKARDIOGRAF BERBASIS PC (PC BASED ECG)

  Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Elektro

  Fakultas Teknik Universitas Sanata Dharma

  Disusun oleh: Johan Arief NIM: 015114047 Program Studi Teknik Elektro

  Fakultas Teknik Universitas Sanata Dharma Yogyakarta 2007

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

  “ Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa tugas akhir yang saya tulis ini tidak memuat karya atau bagian karya orang lain, kecuali yang telah disebutkan dalam kutipan dan daftar pustaka, sebagaimana layaknya karya ilmiah”

  Yogyakarta, 7 Agustus 2007 Johan Arief

MOTTO HIDUP

  "Cogito ergo sum"

HALAMAN PERSEMBAHAN

  Karya ini kupersembahkan untuk Ayah dan Ibu Saudara-Saudariku Kemajuan Bidang Elektromedis

  

Judul: Elektrokardiograf Berbasis PC

Nama Mahasiswa: Johan Arief

No. Mahasiswa: 015114047

  

INTISARI

  merupakan instrumen elektromedis yang berfungsi

  Electrocardiograph memberikan data grafis potensial listrik yang ditimbulkan jantung saat berkontraksi.

  Sinyal elektrokardiograf memiliki amplitudo ± 1mV dan terdiri dari beberapa sinyal tunggal dengan rentang frekuensi 0.05Hz sampai dengan 150Hz dan sangat retan terhadap noise. Agar dapat diinterpretasikan maka sinyal ini perlu dikondisikan dan di- filter agar dapat terbaca oleh instrumen pengukur. Pada tugas akhir ini, dibahas mengenai sistem instrumentasi EKG berbasis PC. Sistem dirancang untuk menampilkan sinyal EKG pada program aplikasi di PC dengan masukan dari simulator EKG.

  Instrumentasi EKG ini terdiri dari: selektor analog yang di dalamnya terdapat rangkaian Wilson, pengendali selektor, penguat instrumentasi, filter-filter analog yang terdiri dari HPF 0.5Hz, LPF 150Hz, dan filter notch 50Hz, konverter analog ke digital, modul USB, dan program aplikasi yang dapat memplot masukan ADC. Sinyal- sinyal pada pengukuran berasal dari Simulator EKG. Setelah melewati rangkaian Wilson, sinyal akan diproses secara analog untuk dikuatkan dan ditapis pada penguat instrumentasi dan sejumlah filter analog. Pengkondisi sinyal akan mengubah agar sinyal yang dihasilkan dapat berada pada range yang dapat diakuisisi oleh ADC. Sinyal digital yang diperoleh ditransfer ke PC melalui interface USB. Suatu program aplikasi Delphi kemudian akan menampilkan bentuk gelombang yang diperoleh secara kontinu.

  Dalam implementasi tugas akhir ini, terdapat kendala berupa perangkat keras yang belum beroperasi dengan baik. Instrumen ini belum mampu menghasilkan 12 sinyal EKG standar. Dengan pengujian menggunakan simulator EKG, instrumen

  lead yang dibangun baru dapat menampilkan satu sinyal EKG.

  Kata kunci: EKG, penguat instrumentasi, instrumentasi biomedis, filter analog.

  

Title: PC Based ECG

Student Name: Johan Arief

Student ID Number: 015114047

ABSTRACT

  Electrocardiograph is a medical instrument which can give graphical data of electrical potentials from heart. ECG signals have ±1mV amplitude and consist of some signals which have frequency range 0.05Hz to 150Hz. This attribute is very closely to property of noise. To capture right ECG pattern, is needed to build signals conditioner to transform it into range of measure instrument. This final paper cover about PC based Electrocardiograph. This instrument is designed to capture signal from ECG Simulator and plot ECG signal continuously on PC using an application program.

  This instrument consist of analog selector which has Wilson circuit, control multiplex, instrumentation amplifier, analog filter using HPF 0.5Hz, LPF 150Hz, and notch filter 50Hz, analog to digital converter, USB module, and an application program to plot digitalized data from ADC. For measurement purposes, signal comes from ECG Simulator. After pass Wilson circuit, signal will be processed on analog block and a signal conditioner will convert it to ADC input range. PC continuously plot data from USB to form this ECG signal.

  In implementation of this final paper, some parts of hardware didn’t work properly. This instrument can’t produce 12-leads standard ECG signals yet. Using ECG Simulator, this student project can produce only one pattern of ECG signal. Keywords: ECG, instrumentation amplifier, biomedical instrumentation, analog filter.

KATA PENGANTAR

  Puji syukur kepada Tuhan atas segala karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini. Skripsi ini berjudul: “Elektrokardiograf berbasis

  

PC” . Melalui karya tulis ini, penulis mencoba memberikan gambaran tentang penerapan

elektronika pada bidang medis, yaitu berupa perancangan instrumen elektrokardiograf.

  Skripsi ini ditulis untuk memenuhi salah satu syarat dalam memperoleh gelar sarjana teknik pada program studi Teknik Elektro Universitas Sanata Dharma. Penulisan skripsi ini didasarkan pada hasil-hasil yang penulis peroleh pada saat perancangan alat, pembuatan alat, pengujian alat, dan pengembangan berdasarkan hasil pengujian.

  Penulisan skripsi ini dapat terselesaikan berkat bimbingan, bantuan, dan dorongan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :

  1. Bapak B. Djoko Untoro Suwarno, S.Si., MT. selaku dosen pembimbing yang telah bersedia membimbing, memberikan saran, ide, dan waktu dengan penuh kesabaran dalam menyelesaikan tugas akhir ini.

  2. Bapak dan Ibu dosen jurusan Teknik Elektro yang telah mengajar dan memberikan pengetahuan kepada penulis selama kuliah.

  3. Bapak Djito dan seluruh karyawan Sekretariat Teknik Universitas Sanata Dharma.

  4. Karyawan Laboratorium Teknik Elektro Universitas Sanata Dharma.

  5. Ayah dan Ibu penulis yang selalu mendukung pentingnya suatu idealisme.

  6. Saudara-saudariku dan seluruh keluargaku.

  7. Teman-teman Teknik Elektro Sanata Dharma.

  8. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu disini, terima kasih atas segala ide yang telah diberikan kepada penulis.

  Penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini masih banyak terdapat kekurangan. Segala kritik dan saran dari berbagai pihak penulis terima untuk perkembangan selanjutnya. Semoga karya tulis ini dapat bermanfaat bagi pembaca. Terima kasih.

  Yogyakarta, 7 Agustus 2007 Penulis

  Johan Arief

  DAFTAR ISI

  Halaman judul ........................................................................................................... i Halaman Pengesahan oleh Pembimbing ................................................................... ii Halaman Pengesahan oleh Penguji ........................................................................... iii Lembar Pernyataan Keaslian Karya ........................................................................ iv Halaman Persembahan dan moto hidup .................................................................... v Intisari ....................................................................................................................... vi

  Abstract ..................................................................................................................... vii

  Kata Pengantar .......................................................................................................... viii Daftar Isi ................................................................................................................... x Daftar Gambar .......................................................................................................... xiv Daftar Tabel ............................................................................................................. xviii

  Bab I Pendahuluan ..................................................................................... 1

  1.1. Latar Belakang .......................................................................... 1

  1.2. Perumusan Masalah .................................................................. 1

  1.3. Tujuan dan Manfaat .................................................................. 2

  1.4. Batasan Masalah ....................................................................... 3

  1.5. Metodologi Penelitian ............................................................... 3

  1.6. Sistematika Penulisan ................................................................ 4

  Bab II Dasar Teori ....................................................................................... 7

  2.1. Sinyal Biopotensial Jantung dan Pengukurannya ..................... 7

  2.1.1. Sistem Konduksi Elektrik Pada Jantung ........................ 8

  2.1.2. Sinyal Elektrokardiogram ............................................... 9

  2.1.3. Penempatan Elektroda .................................................... 11

  2.2. Elektrokardiograf ...................................................................... 13

  3.2. Diagram Blok ............................................................................ 34

  3.3.6. Modul Akuisisi USB ........................................................ 63

  3.3.5. Konverter Analog ke Digital ............................................ 62

  3.3.4. Catu Daya ......................................................................... 61

  3.3.3.3. Penguat Akhir dan Offset .................................... 59

  3.3.3.2.3. Notch Filter .......................................... 54

  3.3.3.2.2. Low Pass Filter ..................................... 46

  3.3.3.2.1. High Pass Filter .................................... 42

  3.3.3.2. Filter ..................................................................... 41

  3.3.3.1. Penguat Instrumentasi .......................................... 40

  3.3.3. Modul Penguat dan Filter ................................................. 39

  3.3.2. Pengendali Selektor .......................................................... 38

  3.3.1. Selektor Analog ................................................................ 36

  3.3. Perancangan ............................................................................... 36

  3.1. Spesifikasi ................................................................................. 34

  2.2.1. Elektroda ......................................................................... 14

  Bab III Perancangan Instrumentasi EKG ...................................................... 34

  2.2.5.4. Universal Serial Bus .......................................... 31

  2.2.5.3. Arsitektur AT90S2313 ...................................... 28

  2.2.5.2. Hardware ........................................................... 28

  2.2.5.1. Fitur-Fitur AT90S2313 ...................................... 27

  2.2.5. Pengolah Data ................................................................. 27

  2.2.4.4. Metode Active Twin-T ....................................... 26

  2.2.4.3. Uniform Capacitor .............................................. 25

  2.2.4.2. Metode State Variable ........................................ 23

  2.2.4.1. Metode Sallen-Key ............................................. 21

  2.2.4. Filter ................................................................................ 20

  2.2.3. Penguat Instrumentasi ..................................................... 18

  2.2.2. Rangkaian Wilson dan Einthoven ................................... 16

  3.3.7. Program Pengendali Selektor ........................................... 65

  3.3.8. Program Konversi Analog ke Digital ............................... 65

  3.3.9. Program Akuisisi USB ..................................................... 66

  3.3.10. Program Aplikasi Delphi ................................................ 66

  Bab IV Hasil dan Pembahasan ........................................................................ 72

  4.1. Pengujian Sistem ....................................................................... 72

  4.2. Selektor Analog dan Pengendali ................................................. 77

  4.3. Penguat Instrumentasi ................................................................. 79

  4.4. High Pass Filter .......................................................................... 81

  4.5. Low Pass Filter ........................................................................... 83

  4.6. Filter Notch ................................................................................. 85

  4.7. Penguat Akhir dan Offset ........................................................... 86

  4.8. Catu Daya ................................................................................... 89

  4.9. Modul Konversi ......................................................................... 90

  Bab V Kesimpulan dan Saran ....................................................................... 91

  5.1. Kesimpulan ................................................................................ 91

  5.2. Saran ........................................................................................... 91 Daftar Pustaka ............................................................................................................ 93 Lampiran .................................................................................................................... 94

  

DAFTAR GAMBAR

  Gambar 2-1. Struktur sistem konduksi elektrik jantung Gambar 2-2. Sinyal EKG standar Gambar 2-3. Perjalanan terbentuknya sinyal EKG Gambar 2-4. Penempatan elektroda pada tubuh Gambar 2-5. Sistem instrumentasi EKG Gambar 2-6. Suction cup electrode Gambar 2-7. Body surface electrode Gambar 2-8. Arus dari kopling kapasitans yang menyebabkan common voltage Gambar 2-9. Rangkaian 3 OpAmp pembentuk penguat instrumentasi Gambar 2-10. Skema INA114 yang terdiri dari 3 OpAmp Gambar 2-11. Rangkaian dasar konfigurasi LPF Metode Unity Gain Gambar 2-12. Rangkaian normalisasi HPF Metode Unity Gain Gambar 2-13. Rangkaian normalisasi Filter State Variable Gambar 2-14. Op-amp tambahan untuk Filter Notch Gambar 2-15. Topologi UAF42 Gambar 2-16. Rangkaian dasar LPF Uniform Capacitor Gambar 2-17. Topologi Active Twin-T Gambar 2-18. Konfigurasi pin AT90S2313 Gambar 2-19. Blok diagram AT90S2313 Gambar 2-20. Arsitektur AT90S2313 Gambar 2-21. Konektor USB tipe-A dan B Gambar 2-22. Topologi sistem USB Gambar 3-1. Diagram blok perancangan perangkat keras sistem instrumentasi EKG Gambar 3-2. Diagram blok Selektor Gambar 3-3. Rangkaian selektor analog Gambar 3-4. Rangkaian pengendali selector Gambar 3-5. Diagran blok Modul Penguat dan Filter Gambar 3-6. Rangkaian Right Leg Driven (RLD) Gambar 3-7. Rangkaian dasar konfigurasi Low Pass Filter

  Gambar 3-8. Normalisasi ke bentuk High Pass Filter Gambar 3-9. Rangkaian implementasi HPF menggunakan metoda Unity Gain Gambar 3-10. Simulasi metode Unity Gain untuk HPF menggunakan EWB Gambar 3-11. Rangkaian implementasi HPF menggunakan metoda Multi-Purpose State

  Variable

  Gambar 3-12. Simulasi metode Multi-Purpose State Variable untuk HPF menggunakan EWB Gambar 3-13. Rangkaian dasar konfigurasi LPF Gambar 3-14. Rangkaian implementasi LPF menggunakan metoda Sallen-key Gambar 3-15. Simulasi metode Sallen-key untuk LPF menggunakan EWB Gambar 3-16. Rangkaian implementasi LPF menggunakan metoda Uniform Capacitor Gambar 3-17. Simulasi metode Uniform Capacitor untuk LPF menggunakan EWB Gambar 3-18. Rangkaian implementasi LPF menggunakan metoda Multi-Purpose State

  Variable

  Gambar 3-19. Simulasi metode Multi-Purpose State Variable untuk LPF menggunakan EWB Gambar 3-20. Rangkaian implementasi Notch Filter menggunakan metoda Twin-T Gambar 3-21. Simulasi metode Twin-T untuk Notch Filter menggunakan EWB Gambar 3-22. Rangkaian implementasi Notch Filter menggunakan metoda State Variable Gambar 3-23. Simulasi metode State Variable untuk Notch Filter menggunakan EWB Gambar 3-24. Skematik inverting summing amplifier Gambar 3-25. Rangkaian implementasi penguat akhir & offset Gambar 3-26. Simulasi penguat akhir & offset menggunakan EWB Gambar 3-27. Rangkaian catu daya positif Gambar 3-28. Rangkaian catu daya negatif Gambar 3-29. Rangkaian konversi analog ke digital Gambar 3-30. Fase transaksi USB Gambar 3-31. Rangkaian Modul USB Gambar 3-32. Flowchart program pengendali selektor Gambar 3-33. Flowchart program konversi analog ke digital Gambar 3-34. Flowchart program akuisisi USB

  Gambar 3-35. Flowchart program plot-waveform Delphi Gambar 3-36. Layout tampilan saat ECG belum terpasang Gambar 3-37. Layout tampilan program plot-waveform setelah ECG beroperasi Gambar 4-1. PC mendeteksi adanya devais berbasis USB Gambar 4-2. PC menentukan protokol komunikasi yang digunakan Gambar 4-3. Pemilihan lokasi driver oleh user Gambar 4-4. Proses pencarian driver ECG USB Gambar 4-5. Instalasi driver ECG USB Gambar 4-6. Proses instalasi driver berlangsung dengan sukses Gambar 4-7. ECG USB telah dapat digunakan Gambar 4-8. Simulator ECG Gambar 4-9. Sinyal EKG standar Gambar 4-10. Pengujian satu sinyal EKG standar Gambar 4-11. Grafik CMRR INA114 terhadap frekuensi Gambar 4-12. Grafik Atenuasi HPF Unity Gain terhadap frekuensi Gambar 4-13. Grafik Atenuasi LPF metode State Variable dengan UAF42 Gambar 4-14. Grafik Atenuasi Filter Notch menggunakan UAF42 Gambar 4-15. Grafik penguat sinyal dengan OPA2227 Gambar 4-16. Respon Modul Koversi saat nilai potensio tidah berubah Gambar 4-17. Respon Modul Koversi terhadap perubahan masukan

  

DAFTAR TABEL

  Tabel 1-1. Metode Pengujian Tabel 2-1. Interval EKG Tabel 2-2. Tabel kebenaran multiplexer CD4052 Tabel 2-3. Karakteristik high (H) dan low (L) multiplexer CD4052 Tabel 2-4. Deskripsi pin AT90S2313 Tabel 2-5. Fungsi pin-pin pada konektor USB Tabel 3-1. Spesifikasi perancangan bagian perangkat keras sistem instrumen EKG Tabel 3-2. Bit-bit Kontrol Rangkaian Selektor Analog Tabel 4-1. Hasil Pengujian AT90S2313 sebagai control multiplex Tabel 4-2. Data Pengujian Selektor Analog Tabel 4-3. Perbandingan perancangan dan hasil pengujian selektor analog Tabel 4-4. Data Pengukuran CMRR INA114 Tabel 4-5. Pengujian HPF dengan Metode Unity Gain Tabel 4-6. Pengujian LPF dengan UAF42 Tabel 4-7. Data pengujian filter notch metode State Variable Tabel 4-8. Pengukuran penguat akhir sinyal dengan OPA2227 Tabel 4-9. Pengukuran offset dengan OPA2227 Tabel 4-10. Pengukuran inverter OPA2227 Tabel 4-11. Pengukuran keluaran catu daya Tabel 4-12. Pengukuran kestabilan arus

BAB I PENDAHULUAN

  1.1. Latar Belakang Electrocardiograph merupakan instrumen elektromedis yang berfungsi memberikan data grafis potensial listrik yang ditimbulkan jantung saat berkontraksi.

  Pengukuran sinyal jantung menggunakan Electrocardiograph merupakan salah satu pemeriksaan diagnostik yang penting. Beberapa kelainan jantung sering dapat diketahui melalui data EKG.

  Seperti instrumen pengukuran biomedis lainnya, EKG harus mampu memberikan hasil yang merepresentasikan kondisi jantung pasien. Saat ini yang digunakan sebagai standar pengukuran kondisi jantung adalah 12-lead EKG, yang mampu memonitor sinyal EKG pasien secara kontinu. Karena pentingnya instrumen ini, penulis tertarik untuk merancang suatu sistem instrumentasi EKG.

  1.2. Perumusan Masalah

  Instrumen EKG berfungsi untuk menampilkan data grafis dari potensial listrik yang dihasilkan jantung. Dua belas sinyal EKG standar diperoleh dengan cara menempatkan 10 elektroda pada 10 titik tertentu pada tubuh. Keduabelas sinyal EKG tersebut terdiri dari: 3 sinyal unipolar, 3 sinyal bipolar, dan 6 sinyal sagital. Untuk dapat memperoleh 12 sinyal EKG tersebut, maka diperlukan adanya rangkaian switching yang dapat memenuhi:

1. Kaidah Wilson 2. Kaidah segitiga Einthoven (Einthoven’s Triangle Theorem).

  Data grafis yang dibutuhkan berupa sinyal mixed hasil penggabungan besar tegangan (V) yang dihasilkan oleh sejumlah titik pengukuran pada tubuh yang berubah terhadap waktu (t). Oleh karena itu ada beberapa parameter listrik yang perlu diperhatikan pada sumber sinyal analog (dalam hal ini adalah jantung) agar dapat diperoleh sinyal EKG standar, yaitu:

  1. Besar tegangan yang dihasilkan saat jantung berkontraksi (V) berkisar antara 0.2mV – 1mV.

  2. Rentang frekuensi (f) sinyal EKG, yaitu antara 0.05Hz – 100Hz.

  3. Noise (N) dari jala-jala listrik yang besarnya dapat mencapai 10mV.

  4. Resistansi kulit yang tinggi (R), sehingga membutuhkan teknik penyadapan yang baik.

  Berdasarkan spesifikasi sinyal sumber, terlihat bahwa diperlukan adanya pengkondisi sinyal agar berada pada rentang yang dapat diukur. Instrumen EKG yang dirancang akan berbasis PC. Pemilihan PC sebagai unit penampil sinyal EKG adalah karena penggunaan PC yang sudah universal dan fleksibilitas untuk pengembangan, misalnya untuk pengolahan dan analisis lebih lanjut secara digital (digital signal

  ). Untuk dapat diterima oleh PC, maka sinyal EKG analog perlu diakuisisi

  processing menjadi sinyal digital.

  Selanjutnya agar dapat memberikan data grafis sinyal EKG, maka instrument EKG berbasis PC ini harus memiliki program aplikasi yang mampu mengambil data tegangan sinyal EKG analog yang telah di-digitalisasi dan menampilkan bentuk sinyal EKG yang berhasil diambil dari elektroda penyadap.

1.3. Tujuan dan Manfaat

  Tujuan dari penelitian ini adalah membuat suatu sistem instrumentasi EKG berbasis PC dengan interface USB. Perancangan instrumen EKG ini diharapkan dapat memberikan beberapa manfaat sebagai berikut:

  1. Bagi civitas akademika Teknik Elektro Sanata Dharma:

  a. Menambah wawasan mengenai penerapan elektronika pada bidang kedokteran.

  b. Dapat menjadi bahan pembelajaran di laboratorium dan bagi perancangan alat elektromedis lainnya.

  2. Bagi kalangan akademisi dan praktisi elektronika: c. Sebagai literatur referensi tentang peralatan elektromedis.

  d. Memberikan pengenalan mengenai biopotensial dan teknik akuisisinya.

  b. Filter analog: HPF, LPF, dan Filter Notch.

  1.5. Metodologi Penelitian

  10. Sinyal yang ditampilkan/ di-plot dipilih secara otomatis oleh perangkat keras dan bukan bersifat software selectable.

  9. Program aplikasi menggunakan Delphi terbatas pada menampilkan plot-waveform dari sinyal EKG (bukan bersifat recording/tidak dapat disimpan).

  8. Cara pengiriman data ke PC dengan protocol USB

  7. Pengolah sinyal adalah mikrokontroler AVR AT90S2313.

  c. Penguat akhir dan rangkaian Offset untuk menyesuaikan ke level tegangan ADC.

  6. Unit pengkondisi sinyal berupa: a. Penguat Instrumentasi INA114 dan rangkaian Right Leg Driven (RLD).

  3. Bagi perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi: e. Sumber bagi pengembangan peralatan medis lainnya berbasis PC.

  5. Pengendali digital untuk multiplexer dengan mikrokontroler.

  4. Perancangan multiplexer untuk memenuhi Kaidah Wilson dan Kaidah Segitiga Einthoven menggunakan multiplexer analog terkendali digital.

  3. Rancangan EKG adalah 12-lead EKG.

  2. Probe pasien menggunakan 10-electrode patient cable dari ECG Cardisuny keluaran Fukuda.

  Perancangan instrumen EKG ini dibatasi pada hal-hal sebagai berikut: 1. Sumber sinyal masukan berasal dari Simulator-EKG.

  1.4. Batasan Masalah

  Penelitian ini dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut: 1. Pengumpulan literatur pendukung.

  2. Perancangan perangkat keras terdiri:

  a. Perhitungan komponen menggunakan rumus-rumus pada dasar teori dan program Filter42.

  b. Simulasi hasil perhitungan dengan program EWB.

  c. Perancangan skematik dan layout PCB dengan ORCAD 9.2.

  d. Pembuatam masing-masing modul perangkat keras.

  3. Perancangan perangkat lunak untuk pengendali selektor, ADC, dan modul USB menggunakan STK500 dan AVR Studio 4.

  4. Pembuatan program aplikasi Delphi yang dapat menerima data melalui interface USB.

  5. Pengujian masing-masing bagian (lihat Tabel 1-1).

  6. Pengujian keseluruhan.

  7. Pembuatan laporan Metode pengujian masing-masing bagian beserta parameter yang diukur diperlihatkan pada Tabel 1-1.

1.6. Sistematika Penulisan

  Tugas akhir ini terdiri dari lima bab. Sistematika penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut:

  BAB I PENDAHULUAN Memuat latar belakang, perumusan masalah, tujuan dan manfaat, metodologi penelitian, dan sistematika penulisan. BAB II DASAR TEORI Berisi dasar-dasar Elektrokardiograf, bioampifier, pengkondisi sinyal, mikrokontroler, dan teori-teori lainnya yang diperlukan untuk merancang suatu instrumen EKG.

  BAB III PERANCANGAN INSTRUMENTASI EKG Membahas perancangan instrumen EKG meliputi perancangan perangkat keras dan perangkat lunak. Perangkat keras terdiri dari: selektor analog dan pengendalinya, penguat dan filter, catu daya, konverter analog ke digital, dan modul USB. Perangkat lunak terdiri dari program assembler untuk pengendali selektor, konverter analog ke digital, dan akuisisi USB serta program aplikasi berbasis Delphi.

  waveform plotter

  BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Berisi hasil pengukuran dan pembahasan pada implementasi rancangan instrumen EKG. BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Berisi kesimpulan dan saran.

  

Tabel 1-1. Metode Pengujian

No Nama modul Keterangan Parameter yang diuji

  c

  plot

  Dapat mem-

  Modul-modul ini diuji secara bersamaan karena hasil akuisisi sinyal analog ke PC tidak dapat dilihat tanpa program aplikasi dan sebaliknya.

  9. Modul Konversi (ADC, USB, dan program)

  out

  V

  8. Catu daya Pengujian kestabilan catu daya

  , A inverter.

  offset

  , A

  sinyal

  A

  7. Penguat akhir dan offset Pengujian dilakukan pada rangkaian dengan cara mengukur penguatan sinyal, offset, dan inverter.

  = 50Hz Atenuasi (dB)

  6. Filter Notch Filter Notch ini diuji dengan cara mengukur atenuasi pada f

  1. Pengendali Selektor

  Selektor yang terpilih.

  Modul ini berfungsi mengeluarkan 6 bit secara bersamaan (paralel) sesuai dengan konfigurasi selektor yang dibutuhkan. Pengujian dilakukan dengan cara mengukur level tegangan pada masing-masing port (L/H) dan pengujian simultan menggunakan 6 LED

  Level tegangan untuk high dan

  low (V), waktu

  perubahan konfigurasi LED (t)

  2. Selektor Analog

  Modul ini diuji dengan masukan 6 bit dari Pengendali Selektor.

  3. Penguat Instrumentasi

  = 150Hz Atenuasi (dB)

  Pengujian dilakukan dengan cara mengukur kestabilan CMRR pada rentang frekuensi EKG CMRR (dB)

  4. HPF Rangkaian filter pelewat rendah ini dirancang dengan menggunakan beberapa metode dan setiap metode diuji atenuasi-nya pada f

  c

  = 0.5Hz Atenuasi (dB)

  5. LPF Filter pelewat rendah dirancang dengan beberapa metode dan diuji atenuasi-nya pada f

  c

  grafis perubahan sinyal analog 0 – 5V, waktu perekaman 1 siklus (t).

BAB II DASAR TEORI Pengukuran sinyal jantung dengan menggunakan elektrokardiograf

  merupakan salah satu pemeriksaan diagnostik yang penting. Beberapa kelainan jantung sering dapat diketahui berdasarkan data elektrokardiograf (EKG), walau tetap harus memperhatikan faktor lainnya. Sinyal-sinyal EKG merupakan hasil rekaman grafis potensial listrik yang ditimbulkan jantung saat berkontraksi.

  Elektrokardiograf merupakan alat elektronika kedokteran untuk mengukur potensial biolistrik yang disebabkan oleh aktifitas listrik otot jantung. Arus elektrik timbul pada saat otot jantung melakukan kontraksi dan menghasilkan suatu medan listrik yang berubah terhadap waktu. Hal ini mengakibatkan munculnya potensial biolistrik di kulit manusia. Elektroda-elektroda yang ditempelkan pada kulit mengambil potensial listrik ini sebagai masukan bagi instrumen EKG. Sinyal yang ditangkap elektroda itulah yang dinamakan sinyal bioelektrik jantung.

  Penjelasan mengenai potensial biolistrik tubuh, sinyal EKG yang ditimbulkan, cara pendeteksian sinyal EKG, serta apa dan bagaimana prinsip dan cara kerja elektrokardiograf , akan dijelaskan pada bab ini.

2.1. Sinyal Biopotensial Jantung dan Pengukurannya

  Pembahasan sinyal biopotensial jantung ini dibagi menjadi beberapa hal utama, yaitu penjelasan mengenai bagaimana sistem konduksi elektrik pada jantung, apakah yang disebut sebagai sinyal elektrokardiograf, dan bagaimana sistem penempatan elektroda pada tubuh untuk mendapatkan data-data yang diperlukan dokter untuk melakukan diagnosa.

2.1.1. Sistem Konduksi Elektrik pada Jantung

  Ada sebuah titik pada jantung yang bertugas untuk membangkitkan potensial aksi. Titik tersebut disebut titik SA (Sino-Atrial), berada di serambi kanan jantung. Apabila potensial aksi terjadi, tejadi propagasi menyebar ke seluruh bagian jantung dan mengakibatkan kontraksi dan aksi systole-diastole. Untuk lebih jelasnya akan dijelaskan berikut ini.

  Ada dua jenis otot halus yang membentuk 4 ruang di dalam jantung, yaitu serambi kanan (right atrium), serambi kiri (left atrium), bilik kanan (right ventricle), dan bilik kiri (left ventricle). Darah dari jaringan tubuh masuk ke serambi kanan, mengalir ke bilik kanan untuk kemudian dipompa ke paru-paru. Sedangkan darah yang berasal dari paru-paru memasuki jantung melalui serambi kiri, bergerak ke bilik kiri, dan akhirnya dipompa ke sistem sirkulasi tubuh.

  Jantung merupakan sumber potensial biolistrik. Hal ini disebabkan oleh aktifitas listrik otot jantung yang merupakan suatu sistem konduksi elektrik. Sistem konduksi elektrik jantung terdiri dari Sinoatrial (SA) node, Bundle of His, node, suatu jaringan yang disebut Bundle Branches, dan Purkinje

  Atrioventricular (AV) . Struktur sistem konduksi elektrik jantung ditunjukkan pada Gambar 2-1. Fibers

  

Gambar 2-1. Struktur sistem konduksi elektrik jantung

  SA-node berfungsi sebagai pacemaker yang menentukan frekuensi denyut

  jantung. Hal ini disebabkan oleh kemampuanya menghasilkan depolarisasi yang akan merambat ke sel-sel lain dalam jantung. Potensial aksi yang dihasilkan SA-node dikendalikan oleh sistem saraf pusat sehingga laju deyut jantung dapat diatur secara otomatis.

  Depolarisasi yang dihasilkan SA-node merambat ke seluruh serambi, menyebabkan serambi berkontraksi, dan darah mengalir ke bilik jantung melalui katub jantung . sinyal depolarisasi ini mencapai AV-node dalam waktu 40 ms. Rendahnya kecepatan konduksi pada jaringan AV-node menyebabkan proses depolarisasi tiba di sistem setelah 110 ms, yang diikuti oleh kontraksi bilik jantung. Darah yang

  purkinje

  terdapat di bilik kanan dipompa ke paru-paru sementara bilik kiri memompa darah ke sistem sirkulasi tubuh. Periode kontraksi ini disebut systole.

  Potensial aksi berada di bilik jantung selama 200 – 250 ms. Selang waktu ini memungkinkan bilik jantung memompa seluruh darah yang ada di dalamnya ke pembuluh nadi. Jantung kemudian mengalami repolarisasi selama periode istirahat, yang disebut sebagai diastole. Periode diastole bertahan sekitar 550 ms dan siklus di dalam jantung berulang.

2.1.2. Sinyal Elektrokardiogram

  Sinyal EKG yang ditunjukkan pada Gambar 2-2 diberi label P, Q, R, S, T, yang mengindikasikan kodisi-kondisi tertentu pada jantung.

  

Tabel 2-1. Interval EKG

Interval Waktu (s) Kejadian Interval PR 0.12 – 0.20 Depolarisasi atrium dan hantaran melalui simpul AV.

  0.08 – 0.10 Depolarisasi ventrikel dan repolarisasi atrium.

  Kompleks QRS 0.40 – 0.43 Depolarisasi ventrikel + repolarisasi ventrikel. Interval QT 0.31 -0.33 Repolarisasi ventrikel. Interval ST

  0.60 – 1.00 Satu siklus

  Interval RR

  

Gambar 2-2. Sinyal EKG standar

  Gelombang P timbul pada saat terjadinya depolarisasi pada serambi (atrium), sementara kompleks QRS timbul pada saat proses depolarisasi terjadi di bilik jantung (ventricle). Amplitudo gelombang R pada kompleks QRS berkisar antara 1 mV.

  Gelombang T terbentuk dari proses repolarisasi otot-otot bilik jantung. Waktu yang dibutuhkan untuk setiap interval beserta penyebabnya dapat dilihat pada Tabel 2-1 berikut. Gambar 2-3 memperlihatkan perjalanan terbentuknya sinyal elektrokardiograf berserta gambar vektornya.

  

Gambar 2-3. Perjalanan terbentuknya sinyal EKG

2.1.3. Penempatan Elektroda

  Pengukuran sinyal bioelektrik jantung dilakukan dengan menempatkan elektroda-elektroda di sekeliling jantung. Kaidah umum yang dipakai sekarang adalah kaidah Wilson dan segitiga Einthoven. Gambar 2-4 adalah penempatan elektroda EKG pada tubuh dengan kedua metode tersebut diatas, ditambah 6 lead sagital.

  

Gambar 2-4. Penempatan elektroda pada tubuh

  Kaidah segitiga Einthoven dinyatakan dalam tiga lead badan bipolar yaitu lead I, II, dan III dengan ketentuan sebagai berikut:

  1. Lead I : elektroda pada tangan tangan kiri terhubung dengan masukan non- dari penguat dan elektroda tangan kanan terhubung pada masukan

  inverting . inverting

  2. Lead II : elektroda pada kaki kiri terhubung dengan masukan non-inverting dari penguat dan elektroda tangan kanan terhubung pada masukan inverting (elektroda tangan kiri terhubung singkat dengan kaki kanan).

  3. Lead III : elektroda pada kaki kiri terhubung dengan masukan non-inverting dari penguat dan elektroda tangan kiri terhubung pada masukan inverting (elektroda tangan kanan terhubung singkat dengan kaki kanan).

  Sementara kaidah Wilson dinyatakan dalam tiga lead badan unipolar, yaitu lead aVL, aVR, dan aVF dengan ketentuan sebagai berikut:

  1. Lead aVR : elektroda tangan kanan ke masukan non-inverting, masukan dari tangan dan kaki kiri dijumlahkan dan masuk ke masukan inverting.

  2. Lead aVL : elektroda tangan kiri ke masukan non inverting, masukan dari tangan kanan dan kaki kiri dijumlahkan dan masuk ke masukan inverting.

  3. Lead aVF : elektroda kaki kiri ke masukan non inverting, masukan dari tangan kanan dan kaki kiri dijumlahkan dan masuk ke masukan inverting.

  Untuk lead V1 – V6 diletakkan mengitari tulang rusuk dada sebelah kiri , ditunjukan untuk mendapatkan informasi sagital jantung.

  Sinyal dari jantung tersebut masih lemah, berkisar 500 ìV – 4 mV sehingga harus diperkuat dulu sebelum dapat diolah, selain itu perlu juga dipertimbangkan hal-hal lain dalam pengolahan sinyal, seperti derau dari otot dan derau dari jala-jala yang semuanya masuk dalam suatu sistem EKG.

2.2. Elektrokardiograf

  Pada dasarnya, elektrokardiogram mengambil potensial biolistrik tubuh sebagai masukan dan meneruskan sinyal EKG pada media penampil. Namun proses yang terjadi di dalam instrumen EKG tidak sesederhana itu. Potensial bio listrik jantung yang direkam sangat kecil (berkisar 1 mV) sehingga sangat terpengaruh oleh sinyal-sinyal elektrik yang ada di sekitarnya. Untuk mendapatkan sinyal EKG yang dapat memberikan informasi optimal mengenai kondisi jantung pasien, instrumen EKG harus mengolah potensial biolistrik jantung terlebih dahulu sebelum meneruskannya ke media penampil.

  Elektroda digunakan sebagai alat perekam sinyal EKG. Untuk mendapatkan potensial biolistrik jantung, elektroda harus dipasang pada bagian-bagian tubuh tertentu. Rendahnya nilai potensial biolistrik jantung menyebabkan ECG-amplifier merupakan sub-sistem terpenting dalam instrumen EKG. Beberapa sub-sistem penting dari EKG adalah sebagai berikut:

  a. Elektroda

  b. Rangkaian Wilson dan Einthoven

  c. Penguat instrumentasi

  d. Filter

  e. Pengolah data Diagram blok suatu sistem instrumentasi EKG diperlihatkan pada Gambar 2-5 berikut.

  

Gambar 2-5. Sistem instrumentasi EKG

2.2.1. Elektroda

  Untuk mendapatkan potensial biolistrik tubuh, elektroda harus mengubah arus ionik yang mengalir di dalam tubuh menjadi arus elektron yang dapat mengalir melalui kabel pengantar.

  Salah satu jenis elektroda yang biasanya digunakan untuk proses perekaman jangka pendek adalah suction cup electrode, yang ditunjukkan pada Gambar 2-6. Sementara untuk proses perekaman jangka panjang, seperti yang biasa digunakan bagi pasien dalam perawatan intensif pada bagian ICU (Intensive Care Unit), digunakan

  . Jenis body-surface electrode yang biasa digunakan ditunjukkan

  body-surface electrode pada Gambar 2-7.

  

Gambar 2-6. Suction cup electrode

Gambar 2-7. Body surface electrode (a) tipe topi (b) penampang lintang

(c) tipe disposable

  Elektroda ini terdiri dari plat logam Ag-AgCl yang terletak di bagian atas kolom berisi gel konduktif. Kolom berisi gel konduktif ini digunakan untuk menjaga agar plat logam Ag-AgCl tidak bergeser pada saat pasien bergerak. Struktur kolom ini dikelilingi oleh karet yang salah satu permukaannya berlapis bahan perekat.

2.2.2. Rangkaian Wilson dan Einthoven

  Perekaman sinyal EKG harus memenuhi Kaidah Wilson dan Kaidah Segitiga Einthoven. Agar dapat memenuhi hal tersebut, maka diperlukan suatu rangkaian yang bersifat sebagai switching yang dapat menyalurkan lead-lead yang diiginkan.

  Secara elektronis, Kaidah Wilson dan Einthoven dapat diterapkan sebagai berikut.

  Keterangan: RA = right arm RL = right leg LA = left arm LL = left leg Untuk menyalurkan lead-lead seperti kofigurasi diatas maka diperlukan multiplexer analog dual-channel. Sebagai multiplexer analog, CD4052 memiliki delapan masukan

  … … (X X dan Y Y ) yang dapat dikendalikan secara digital melalui pin A, B, dan INH.

  4

  4 Table kebenaran dan karakteristik multiplexer CD4052 diperlihatkan pada Tabel 2-2 dan Tabel 2-3.

  

Tabel 2-2. Tabel kebenaran multiplexer CD4052

State input Output

  Inhibit B A

  0X,0Y

  1

  1X,1Y

  1

  2X,2Y

  1

  1

  3X,3Y

  1 * *

  Tidak aktif

Tabel 2-3. Karakteristik high (H) dan low (L) multiplexer CD4052

  2.2.3. Penguat Instrumentasi Semua instrumentasi yang dioperasikan di dalam suatu ruangan yang terkoneksi dengan jala-jala listrik, akan mendapatkan derau yang diperoleh dari adanya kopling kapasitansi antara rangkaian dengan jala-jala. Arus dari kopling kapasitans yang menyebabkan common voltage ditunjukkan pada Gambar 2-8.

  

Gambar 2-8. Arus dari kopling kapasitans yang menyebabkan

common voltage (V C )

  Salah satu cara untuk mengurangi hal tersebut adalah dengan menggunakan penguat instrumentasi. Penguat instrumentasi mempunyai karakteristik: a. Kemampuan untuk mencapai penguatan tinggi dengan nilai resistor yang rendah

  b. Impedansi masukan yang sangat tinggi

  c. CMRR tinggi Penguatan tinggi diperlukan untuk memperkuat sinyal EKG, yang berkisar 1 mV, ke sinyal yang dapat dibaca oleh ADC (Analog to Digital Converter) yang berkisar

  0 – 5 V. Sedangkan impedansi masukan yang tinggi akan membuat arus yang terjadi akibat kopling kapasitansi lebih banyak mengalir ke ground daripada ke instrumen. Sedangkan CMRR (Common Mode Rejection Ratio) tinggi diperlukan untuk menghilangkan sisa-sisa erau yang masih ada. CMRR adalah perbandingan antara penguatan diferensial dengan penguatan sinyal common. Penguat instrumentasi sebenarnya adalah pengembangan dari penguat diferensial yang memperkuat beda tegangan antara dua terminal masukan OpAmp. Sedangkan penguatan sinyal common adalah penguatan yang dilakukan apabila kedua terminal masukan OpAmp diberi sinyal yang sama besar dan fasanya. Semakin besar CMRR, berarti semakin besar pula derau yang dihilangkan karena pada dasarnya sinyal common adalah sinyal derau dari jala-jala.

  Penguat instrumentasi merupakan pengembangan dari penguat diferensial untuk memenuhi tuntutan impedansi masukan yang tinggi, penguatan yang dapat diubah- ubah, serta CMRR yang tinggi. Jika dilihat pada Gambar 2-9, penguat insturmentasi merupakan gabungan dari dua buah penguat diferensial dimana penguat pertama merupakan kombinasi penguat diferensial standar yang mempunyai masukan dan output diferensial dengan penguatan sesuai persamaan (2.1) berikut.

  V

2 R

  2

  1   V 

  V R

  1

  2

  

1

 2 

  R

  2 1 (2.1)

  V    V  V 

  1

  2  

  R

  1  

  

Gambar 2-9. Rangkaian 3 OpAmp pembentuk penguat instrumentasi

  Penguat kedua merupakan penguat diferensial standar yang dapat berperan

  R

  4

  sebagai buffer ataupun penguat tambahan dengan penguatan sebesar . Sehingga

  R

  3 penguatan total adalah seperti diperlihatkan pada persamaan (2.2).

  

 



2 R  R

  2

  

4

1 (2.2)

  V    V  V 

  1

  2    

  R R

  1