RANCANG BANGUN ELEKTROKARDIOGRAF (EKG) SKRIPSI
RANCANG BANGUN ELEKTROKARDIOGRAF (EKG) SKRIPSI
RANCANG BANGUN ELEKTROKARDIOGRAF (EKG) SKRIPSI
Sebagai Salah Satu Syarat untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Bidang Teknobiomedik
Pada Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga
Oleh
TYAS ISTIQOMAH 080810191 Tanggal Lulus : 6 September 2012
Disetujui oleh: Pembimbing I,
Ir. Welina Ratnayanti Kawitana NIP. 19500627 197901 2 001
Pembimbing II,
Franky Chandra S.A., S.T., M.T NIP. 19830128 200912 1 004
LEMBAR PENGESAHAN NASKAH SKRIPSI
Judul : Rancang Bangun Elektrokardigraf (EKG) Penyusun : Tyas Istiqomah NIM : 080810191 Pembimbing I : Ir. Welina Ratnayanti Kawitana Pembimbing II : Franky Chandra S.A., S.T., M.T Tanggal seminar : 6 September 2012
Disetujui oleh : Pembimbing I, Pembimbing II,
Ir. Welina Ratnayanti Kawitana Franky Chandra S.A., S.T., M.T NIP. 19500627 197901 2 001 NIP. 19830128 200912 1 004
Mengetahui, Ketua Departemen Fisika Ketua Program Studi S1 Teknobiomedik
Fakultas Sains dan Teknologi Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga Universitas Airlangga
Drs. Siswanto, M.Si. Dr. Retna Apsari, M.Si NIP. 19640305 198903 1 003 NIP . 19680626 199303 2 003
PEDOMAN PENGGUNAAN SKRIPSI
Skripsi ini tidak dipublikasikan, namun tersedia di perpustakaan dalam lingkungan Universitas Airlangga, diperkenankan untuk dipakai sebagai referensi kepustakaan, tetapi pengutipan harus seizin penyusun dan harus menyebutkan sumbernya sesuai kebiasaan ilmiah.
Dokumen skripsi ini merupakan hak milik Universitas Airlangga.
KATA PENGANTAR
Puji syukur ke hadirat Allah SWT yang senantiasa memberikan hidayah, inayah, dan rahmat-Nya sehingga penyusun dapat menyelesaikan naskah skripsi yang berjudul “Rancang Bangun Elektrokardiograf (EKG)”.
Naskah skripsi ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat kelulusan. Pada kesempatan ini, penyusun menyampaikan terima kasih yang sebesar- besarnya kepada:
1. Papa (M. Utsman Faruq Moehtadi) dan mama (Nurul Magdaniah) terhebat sepanjang masa. Terimakasih tak terkira untuk semua kasih sayangnya, semoga Allah selalu menyayangi dan menjaga papa mama. Untuk adik tersayang, Limpat Salamat, terimakasih hiburan dan keceriaannya, semoga selalu menjadi ketua Osis kebanggaan SMAN 5 Surabaya, I’m so proud of you!
2. Kaik, nenek, kakek, dan semua om serta tante atas semua doa dan restunya selama ini.
3. Ketua Departemen Fisika sekaligus dosen wali penyusun, Bapak Drs. Siswanto, M.Si, yang telah memberikan kemudahan untuk dapat menyelesaikan penelitian skripsi ini.
4. Ketua Program Studi S1 Teknobiomedik, Ibu Dr. Retna Apsari, M.Si, yang telah memberikan support dan dukungan untuk penyelesaian skripsi ini.
5. Ibu Ir.Welina Ratnayanti Kawitana selaku pembimbing I yang selalu memberikan masukan dan meluangkan waktu bagi penyusun untuk berkonsultasi.
6. Bapak Triwiyanto, S.Si, M.T yang telah memberikan saran kritik serta menjadi pembimbing yang sangat baik dan menjadi rekan diskusi penyusun untuk bisa menyelesaikan penelitian EKG ini.
7. Bapak Drs. Tri Anggono yang telah memudahkan penyusun untuk menggunakan laboratorium serta memberikan saran demi terselesaikannya penelitian EKG.
8. Bapak Franky Chandra S.A., S.T., M.T selaku pembimbing II yang meluangkan waktu bagi penyusun untuk berkonsultasi.
9. Bapak Imam Sapuan, S.Si, M.Si dan Bapak Dr. Moh.Yasin, M.Si terimakasih atas masukannya sebagai penguji.
10. Bapak Dr. I Gde Rurus Suryawan Sp. Jp (K) yang banyak memberikan masukan, serta kritik dan saran yang membangun pada ide pembuatan EKG.
11. Dr. R. Heru sekaligus om penyusun yang telah bersedia menjadi konsultan jantung serta EKG nya. Terimakasih juga untuk tante Erma Safitri atas semua channel dan kemudahan yang diberikan untuk mempermudah penyusun menyelesaikan skripsi ini.
12. Thieara Ramadanika yang sudah banyak meluangkan waktunya, memberikan support, dan sangat setia menemani penyusun selama ini. Terimakasih untuk setiap hiburan, keceriaan, dan ketulusannya yang tak terkira. Semoga tercapai setiap cita-citanya.
13. Genk Brutal (Yuyun, Talitha, Rima, Rizka), Genk Begundal (Affan, Guruh, Fadil, Ook), Genk DoTa (Justi, Gilang, Taufiq), Aditya sobh dan Wida terimakasih atas persahabatan indah selama 4 tahun ini.
14. Teman-teman dan senior HIMAFI Unair yang sudah memberikan pelajaran hidup dan menjalani suka duka bersama selama ini, terimakasih semuanya.
15. Puput, Ersti, Nada dan teman-teman Atem terimakasih atas bantuannya dalam menyelesaikan skripsi ini.
16. Teman-teman Teknobiomedik 2008, Agnes, Ardika, Arinda, Ary, Irma, Donna, Bilal, Ima, Farah, Miranda, Ninik, Metex, Wita, Rio, Sabrina, Devi, Windy, Yudha, Yudhis, Masta terimakasih untuk keceriaannya di Teknobiomedik pertama ini.
17. Bu Delima, Mbak Endang, serta semua dosen-dosen dan staf karyawan Program Studi S1 Teknobiomedik, Universitas Airlangga yang telah memudahkan penyusun dalam proses penelitian skripsi ini.
Skripsi ini disusun dengan sepenuh hati dan kesungguhan untuk bisa mempersembahkan karya di bidang ilmu pengetahuan. Namun bagaimanapun, penyusun juga menyadari bahwa naskah skripsi ini masih banyak kekurangan. Oleh karena itu, kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan untuk perbaikan naskah skripsi ini.
Surabaya, September 2012 Penyusun
Tyas Istiqomah
Istiqomah, Tyas, 2012, Rancang Bangun Elektrokardiograf (EKG). Skripsi di bawah bimbingan Ir.Welina Ratnayanti Kawitana dan Franky Chandra S.A., S.T., M.T, Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga, Surabaya ABSTRAK
Jantung sebagai salah satu organ vital bagi tubuh dengan fungsi utamanya untuk sirkulasi darah ke seluruh tubuh sangat rentan terserang penyakit. Untuk dapat memeriksa kondisi kesehatan jantung seseorang digunakan alat EKG (elektrokardiogram) yang kini sangat banyak tersedia di pasaran. Namun harganya yang yang mahal serta penggunaannya yang tidak dapat dibawa kemana-mana menjadi penghambat tersendiri. Untuk itu akan dibuat sebuah rancang bangun EKG sehingga EKG yang dibuat menjadi lebih efisien karena mobile serta murah. Hasil yang ditampilkan adalah sinyal PQRST jantung pada software Scope Osiloskop. Untuk rangkaian hardware yang digunakan adalah rangkaian catu daya, rangkaian amplifier, rangkaian bandpass filter, dan rangkaian buffer. Setelah EKG berhasil dibuat selanjutnya dilakukan proses perbandingan dengan EKG Standard. Adapun selisih nilai tegangan dan waktu yang didapat untuk masing- masing lead adalah Lead I 0,02mV dan 0,004s, Lead II 0,02mV dan 0,003s, Lead
III 0mV dan 0,01s. Hasil yang didapat tersebut masih termasuk dalam rentang ketelitian EKG Standard.
Kata kunci : EKG, jantung
Istiqomah, Tyas, 2012, Design of Electrocardiograph (ECG). Final project was under guidance Ir.Welina Ratnayanti Kawitana and Franky Chandra S.A., S.T., M.T, Department of Physics, Faculty of Sains and Technology, Airlangga University, Surabaya ABSTRACT Heart as one of the vital organs of the body with its main function to circulate blood throughout the body, is vulnerable to diseases. In order to check the condition of one's heart health, ECG (electrocardiograph) is used, which is now very available in large quantities in the market. But the high price and its usage of which is not portable, becomes an obstacle to itself. Therefore, a design to create an efficient, mobile and cheap ECG was made. The results shown were the PQRST heart signals on the Oscilloscope Scope software. On the hardware, power supply, amplifier, bandpass filter and buffer circuits were utilized. After ECG (electrocardiograph) has succesfully made, it compared with standard ECG (electrocardiograph). The difference between the voltage and time values obtained for each lead is Lead I 0.02mV and 0.004s, Lead II 0.02mV and 0.003s, Lead III 0mV and 0.01s. The results are still included within the range of accuracy of ECG Standard.
Keywords : ECG, heart
DAFTAR ISI
LEMBAR JUDUL ........................................................................................... i
LEMBAR PERNYATAAN ....................................................................................... ii LEMBAR PENGESAHAN ........................................................................................ iii LEMBAR PEDOMAN PENGGUNAAN SKRIPSI .................................................... iv KATA PENGANTAR................................................................................................ v ABSTRAK ................................................................................................................ viii ABSTRACT .............................................................................................................. ix
DAFTAR ISI ................................................................................................... x DAFTAR TABEL............................................................................................... xiii DAFTAR GAMBAR ....................................................................................... xiv
DAFTAR LAMPIRAN .............................................................................................. xvii
BAB I PENDAHULUAN .......................................................................................... 1
1.1 Latar Belakang Masalah .............................................................................. 1
1.2 Rumusan Masalah ....................................................................................... 3
1.3 Batasan Masalah.............................................................................................. 4
1.4 Tujuan Penelitian ........................................................................................ 4
1.5 Manfaat Penelitian ...................................................................................... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................ 5
2.1 Jantung ............................................................................................. 5
2.1.1 Elektrofisiologis Sel Jantung ................................................................. 7
2.1.2 Konduksi Jantung ................................................................................. 9
2.2 EKG (Elektrokardiograf)............................................................................. 11
2.2.1 Sadapan EKG ....................................................................................... 13
2.2.2 Pembacaan EKG ................................................................................... 15
2.3 Elektroda ............................................................................................. 16
2.4 Rangkaian Instrumentasi ............................................................................. 18
2.4.1 Rangkaian Catu Daya ............................................................................ 18
2.4.2 Rangkaian Diferensial Amplifier ........................................................... 19
2.4.3 Rangkaian Buffer .................................................................................. 21
2.4.3 Rangkaian Filter.................................................................................... 22
2.5 IC LM 324 ............................................................................................. 24
2.6 Sound Card..... ............................................................................................ 26
2.7 Soundcard Osiloskop .................................................................................. 28
BAB III METODE PENELITIAN ............................................................................. 30
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian...................................................................... 30
3.2 Alat dan Bahan Penelitian ........................................................................... 30
3.2.1 Alat Penelitian ...................................................................................... 30
3.2.2 Bahan Penelitian ................................................................................... 31
3.3 Blok Diagram ............................................................................................ 31
3.3.1 Cara Kerja Blok Diagram ...................................................................... 32
3.4 Prosedur Penelitian ..................................................................................... 33
3.4.1 Tahap Persiapan .................................................................................... 33
3.4.2 Tahap Perancangan ............................................................................... 34
3.4.3 Tahap Pembuatan .................................................................................. 41
3.4.4 Tahap Pengujian dan Perbandingan ....................................................... 41
3.4.5 Analisis Data ........................................................................................ 42
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ..................................................................... 44
4.1 Hasil Tampilan Akhir.................................................................................. 44
4.2 Hasil Pengujian Alat dan Analisis Data ....................................................... 46
4.2.1 Pengujian Rangkaian Penguat ............................................................... 46
4.2.2 Pengujian Rangkaian Filter ................................................................... 48
4.2.3 Pengujian EKG Pada Pasien .................................................................. 49
4.3 Perbandingan Alat....................................................................................... 53
4.3.1 Perbandingan Amplitudo EKG Standard dan EKG Rancangan .............. 53
4.3.2 Perbandingan Periode EKG Standard dan EKG Rancangan ................... 56
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...................................................................... 60
5.1 Kesimpulan..... ............................................................................................ 60
5.2 Saran................... ........................................................................................ 60 DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................ 62 LAMPIRAN .............................................................................................................. 65
DAFTAR TABEL
Nomor Judul Tabel Halaman
4.1 Hasil Uji Rangkaian Penguat ................................................................... 46
4.2 Perbandingan Amplitudo Lead I .............................................................. 54
4.3 Perbandingan Amplitudo Lead II ............................................................. 55
4.4 Perbandingan Amplitudo Lead III ........................................................... 55
4.5 Perbandingan Periode Lead I ................................................................... 57
4.6 Perbandingan Periode Lead II.................................................................. 58
4.7 Perbandingan Periode Lead III ................................................................ 58
DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Gambar Halaman
2.1 Jantung.................................................................................................... 5
2.2 Potensial Aksi Jantung ............................................................................ 9
2.3 Struktur dan Sistem Konduksi Jantung .................................................... 10
2.4 Potensial Membran Pemacu Jantung ....................................................... 11
2.5 Sinyal Keluaran EKG .............................................................................. 12
Pemasangan Titik Reference Elektroda 3 Lead
2.6 .............................................. 13
2.7 Segitiga Einthoven .................................................................................. 14
2.8 Hasil EKG Masing-Masing Lead ............................................................. 14
2.9 Sinyal EKG Normal ................................................................................ 16
2.10 Prinsip Kerja Elektroda ........................................................................... 17
Regulator 7805
2.11 .......................................................................................... 19
Rangkaian Penguat Diferensial
2.12 .................................................................... 20
2.13 Rangkaian Buffer ................................................................................... 21
2.14 Rangkaian Low Pass Filter...................................................................... 24
2.15 Rangkaian High Pass Filter .................................................................... 24
2.16 Diagram Blok Op-Amp ........................................................................... 25
2.17 IC LM 324 .............................................................................................. 25
2.18 Sound Card ............................................................................................. 28
Tampilan Awal Soundcard Osiloskop
2.19 ........................................................... 29
3.1 Blok Diagram EKG ................................................................................. 32
DAFTAR LAMPIRAN
Nomor Judul Lampiran
1. Hasil Alat EKG ....................................................................................... 65
2. Hasil Uji Rangkaian Penguat ................................................................... 67
3. Hasil Uji EKG ......................................................................................... 70
4. Datasheet IC LM 324 .............................................................................. 74
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Jantung adalah salah satu organ vital bagi tubuh yang fungsi utamanya untuk sirkulasi darah ke seluruh tubuh. Jantung terdiri dari bagian kanan dan kiri yang terbagi menjadi atrium pada bagian atas jantung dan ventrikel pada bagian bawah jantung. Darah dari masing-masing atrium dikirim ke ventrikel. Darah dari ventrikel kanan dipompa ke paru dan darah dari ventrikel kiri dipompa ke seluruh tubuh. Jantung dapat berkontraksi yang biasa disebut dengan ritme jantung dari adanya mekanisme ini. (Guyton, 2006)
Pada jantung terdapat otot yang berkontraksi secara otomatis hingga dihasilkan arus listrik dalam bentuk potensial aksi atau konduksi jantung dan ritme jantung dapat dikontrol (Kurachi, 2001). Arah konduksi jantung adalah dari
Sinotrial (SA) node
menuju Atriventricular (AV) node selanjutnya menuju bundle
of his
dan bercabang di serat purkinje yang masing-masing menuju ventrikel kiri dan ventrikel kanan (Jones, 2005). Konduksi jantung berhubungan dengan jumlah
heart rate
(detak jantung) per menit. Heart rate digunakan sebagai indikasi adanya kelainan pada jantung. Jumlah normal heart rate adalah 60-100 kali/menit.
Jantung sebagai salah satu organ vital tubuh sangat rentan terserang penyakit. Pemeriksaan jantung biasa dilakukan dengan EKG (elektrokardiogram).
Hasil yang ditampilkan pada EKG berupa sinyal PQRST dengan makna tertentu. Gelombang P sebagai bentuk adanya depolarisasi atrium, kompleks QRS berarti depolarisasi pada ventrikel, dan gelombang T berarti repolarisasi ventrikel.
2 Berdasarkan sinyal yang dihasilkan dapat dianalisa oleh dokter tentang penyakit yang diderita.
Kebanyakan perangkat EKG saat ini merupakan produk import serta harga yang sangat mahal. Selain itu penggunaan perangkat EKG tersebut yang tidak praktis karena kurang mobile karena perangkatnya yang besar dan biasanya hanya dimiliki oleh rumah sakit besar.
Subhi telah melakukan penelitian di tahun 2012 mengenai EKG. Penelitian yang dilakukannya adalah dengan menghitung jumlah heart rate dari satu lead saja, yaitu lead II yang ditampilkan pada LCD dengan sistem wireless. Namun penelitian ini dirasa kurang lengkap karena hanya menghitung jumlah heart rate tanpa bisa melihat kondisi jantung keseluruhan dari lead standard tubuh.
Berdasarkan hal tersebut, maka dibuat rancang bangun EKG yang tetap bersifat mobile, dapat menampilkan bentuk kompleks PQRST jantung serta diambil dari tiga lead standard tubuh untuk penggunaan EKG. EKG yang dibuat menggunakan sistem soundcard ke laptop. Selain itu pembuatan di dalam negeri dengan biaya terjangkau juga menjadi sebuah kelebihan. Penggunaan soundcard juga dirasa praktis dan hasil yang didapatkan tidak terlalu banyak menimbulkan
noise . Penelitian ini terdiri dari dua bagian, yaitu software dan hardware.
Pada bagian software terdapat tampilan sinyal jantung dengan bentuk kompleks P,Q,R,S,T yang ditampilkan pada program Scope Osiloskop. Pada bagian hardware terbagi atas beberapa rangkaian yang terdiri dari rangkaian catu daya, rangkaian amplifier, rangkaian filter, dan rangkaian buffer.
3 Rangkaian catu daya digunakan sebagai sumber tegangan keseluruhan sistem hardware yang bekerja. Rangkaian Amplifier digunakan untuk penguat sinyal agar dapat diproses sistem. Rangkaian filter digunakan untuk mereduksi
noise
dan interferensi lainnya yang terbawa penguatan. Rangkaian buffer digunakan sebagai penyangga rangkaian.
Sebagai pengukur dari tubuh pasien digunakan hanya tiga buah sadapan, yaitu RA (right arm), LA (left arm), dan LL (left leg) serta ditambah satu sadapan sebagai grounding yaitu di RL (right leg). Analisis yang dilakukan berdasarkan pengambilan data berupa nilai tegangan dari amplifier dan filter serta gambar sinyal yang ditampilkan untuk dibandingkan dengan alat yang sudah terkalibrasi.
Diharapkan dengan adanya alat ini dapat memberikan tampilan sinyal yang rendah noise dan akurat serta dapat digunakan sebagai alat yang tepat guna di bidang medis.
1.2 Rumusan Masalah
1. Bagaimanakah merancang bangun EKG mobile dan ditampilkan pada laptop?
2. Bagaimanakah kinerja EKG yang dibuat setelah dilakukan kalibrasi dengan EKG yang sudah standard?
4
1.3 Batasan Masalah
Penelitian ini terbatas pada :
1. Sadapan yang digunakan sebanyak tiga buah dan diletakkan pada titik LA (left arm), LL (left leg) dan RA (right arm). Satu titik sadapan digunakan sebagai grounding, yaitu titik RL (right leg).
2. Perancangan difokuskan pada perangkat keras EKG.
3. Perancangan EKG hanya menampilkan sinyal kompleks P,Q,R,S,T pada laptop.
1.4 Tujuan Penelitian
1. Merancang bangun EKG yang bersifat mobile dan ditampilkan pada laptop.
2. Mengetahui kinerja EKG yang dibuat setelah dilakukan perbandingan dengan EKG yang sudah standard.
1.5 Manfaat Penelitian
1. EKG yang dapat dibuat diharapkan dapat menjadi suatu alat medis produksi lokal serta murah yang digunakan paramedis.
2. Dengan penggunaan soundcard diharapkan dapat memberikan sistem yang
tersetting
dan terprogram lebih baik dalam penggunaan alat medis seperti EKG serta mobile.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Jantung
Secara fisiologi, jantung adalah salah satu organ tubuh yang paling vital fungsinya dibandingkan dengan organ tubuh lainnya. Dengan kata lain, apabila fungsi jantung mengalami gangguan maka besar pengaruhnya terhadap organ- organ tubuh lainnya terutama ginjal dan otak karena fungsi utamanya untuk sirkulasi darah ke seluruh tubuh sebagai metabolisme sel-sel untuk kelangsungan hidup.
Gambar 2.1 Jantung (Guyton, 2006)Jantung terdiri dari dua bagian, yaitu jantung bagian kanan dengan fungsi sebagai pemompa darah ke paru dan jantung bagian kiri sebagai pemompa darah ke seluruh tubuh. Pada masing-masing bagian jantung terdapat dua bilik (ruang) yaitu atrium pada bagian atas jantung dan ventrikel pada bagian bawah jantung.
Masing-masing atrium adalah sebuah pompa yang lemah untuk memompa darah ke ventrikel. Ventrikel sebagai pompa utama pengiriman darah baik ke paru
6 melalui ventrikel kanan dan ke seluruh tubuh melalui ventrikel kiri. Ketika sistem ini berfungsi normal, atrium berkontraksi kira-kira seper enam detik mendahului kontraksi ventrikel, sehingga memungkinkan pengisian ventrikel sebelum ventrikel memompa darah menuju paru-paru dan tubuh.
Pada jantung terdapat otot yang mirip dengan otot rangka karena mekanisme kontraksi keduanya hampir sama. Namun terdapat beberapa perbedaan pada keduanya, yaitu otot jantung bekerja tanpa perintah neuron seperti pada otot rangka karena kerja otot jantung adalah otomatis. Perbedaan kedua terletak pada durasi kontraksi keduanya yang mana durasi (lama) kontraksi otot jantung lebih lama dibanding otot rangka. Jantung tersusun dari beberapa jenis otot, yaitu otot atrial, otot ventricular, otot excitatory dan serat otot conductive. Kontraksi jantung yang kuat terletak pada otot atrial dan otot ventricular. Otot
excitatory
dan otot conductive berkontraksi sangat lemah karena hanya terdiri dari sedikit benang-benang fibril. Namun, masing-masing otot tersebut berkontraksi secara otomatis hingga dihasilkan arus listrik dalam bentuk potensial aksi atau konduksi jantung dan ritme jantung dapat dikontrol (Kurachi, 2001). Sewaktu impuls jantung melewati jantung, arus listrik akan menyebar kedalam jaringan di sekeliling jantung dan sebagian kecil dari arus tersebut akan menyebar ke permukaaan tubuh yang lain.
Jantung dapat terserang penyakit sehingga jantung tidak dapat menjalankan tugasnya dengan baik. Hal-hal tersebut antara lain:
1. Otot jantung yang lemah. Ini adalah kelainan bawaan sejak lahir. Otot jantung yang lemah membuat penderita tak dapat melakukan aktifitas yang
7 berlebihan, karena pemaksaan kinerja jantung yang berlebihan akan menimbulkan rasa sakit di bagian dada, dan kadangkala dapat menyebabkan tubuh menjadi Nampak kebiru-biruan. Penderita lemah otot jantung ini mudah pingsan.
2. Adanya celah antara serambi kanan dan serambi kiri, oleh karena tidak sempurnanya pembentukan lapisan yang memisahkan antara kedua serambi saat penderita masih di dalam kandungan. Hal ini menyebabkan darah bersih dan darah kotor tercampur. Penyakit ini juga membuat penderita tidak dapat melakukan aktifitas yang berat, karena aktifitas yang berat hampir dapat dipastikan akan membuat tubuh penderita menjadi biru dan sesak nafas, walaupun tidak menyebabkan rasa sakit di dada. Ada pula variasi dari penyakit ini, yakni penderitanya benar-benar hanya memiliki satu buah serambi (Azhar, 2009).
2.1.1 Elektrofisiologis Sel Jantung
Dinding sel dalam tubuh manusia pada umumnya merupakan membran semipermeabel yang hanya dapat melewatkan zat-zat tertentu (Rosyadi, 2001).
Sel-sel dalam tubuh tersusun dari protoplasma yang mengandung ion-ion yang
terjadi akibat proses ionisasi. Ion-ion yang dominan adalah Na (sodium), K
- (potassium), dan Cl (klorida). Terdapat beribu-ribu kanal ion pada membran sel- sel otot jantung (myocardium) yang merupakan jalur utama bagi ion-ion untuk berdifusi. Kanal-kanal tersebut bersifat relatif spesifik terhadap ion-ion tertentu,
misalnya kanal Kalsium dilalui Ca , kanal Kalium dilalui K , kanal Natrium
- dilalui Na , dan seterusnya. Selain itu, kanal-kanal ion tersebut dikontrol oleh
8 suatu mekanisme "pintu gerbang" sehingga dapat membuka dan menutup tergantung pada kondisi trans membran.
Ion-ion cenderung membentuk persamaan elektron di dalam dan di luar sel, sehingga terjadi distribusi yang tidak seimbang dan menimbulkan gaya suatu gaya tarik menarik antara ion-ion dimana ion negatif (terutama anion organik)
- berkumpul di permukaan dalam, sedangkan ion positif (terutama Na ) berkumpul di permukaan luar membran sel. Keadaan ini dikatakan sel berada dalam stadium polarisasi.
Ion-ion memiliki muatan listrik dan pada waktu sel tidak aktif, terdapat perbedaan potensial antara permukaan dalam dan luar membran sel sebesar 90 mV, dimana muatan intra sel lebih negatif dibandingkan muatan ekstra sel sehingga ditulis -90 mV. Keadaan ini terjadi saat membran sedang istirahat dan keadaan demikian dikatakan bahwa membran mengalami polarisasi. Membran yang sedang istirahat disebut dengan keadaan tanpa rangsang atau resting state.
Pada keadaan ada rangsang terjadi kenaikan potensial membran plasma disebut depolarisasi dimana terjadi kenaikan potensial membran sebesar +35mV.
- Saat depolarisasi terjadi peningkatan ion Na ekstra sel yang menyebabkan permeabilitas membran terhadap ion Na juga meningkat sehingga dapat masuk ke intra sel dan intra sel bermuatan positif. Bila rangsang sudah tidak ada lagi terjadi penurunan potensial membran.
Membran yang mengalami hiperpolarisasi mempunyai negatif potensial membran lebih besar dari pada saat potensial istirahat atau potensial membran depolarisasi. Pada saat hiperpolarisasi terjadi perpindahan ion Kalium dari intrasel
9 ke luar menuju ekstra sel sehingga intrasel bermuatan negatif. Selanjutnya
- membran mengalami proses repolarisasi yaitu proses pengembalian ion-ion Na ke luar sel dimana membran kembali ke potensial istirahat. Keseluruhan proses tersebut disebut dengan potensial aksi yang dapat dilihat pada Gambar 2.2.
2.1.2 Konduksi Jantung
Kontraksi otot manapun akan selalu menimbulkan perubahan kelistrikan yang dikenal dengan istilah potensial aksi. Potensial aksi bisa terjadi bila suatu daerah membran syaraf atau otot mendapat rangsangan mencapai nilai ambang. Potensial aksi mempunyai kemampuan merangsang daerah sekitar sel membran untuk mencapai nilai ambang. Potensial aksi yang timbul pada otot jantung (miokardium) dan jaringan transmisi jantung inilah yang memberikan gambaran kelistrikan jantung (konduksi jantung). Adanya konduksi jantung dapat menghasilkan impuls listrik secara ritmis yang menyebabkan adanya kontraksi
10 ritmis otot jantung yang disebut ritme jantung, mengirim potensial aksi melalui otot jantung dan menyebabkan terjadinya detak jantung (Guyton, 2006).
Simpul SA Cabang berkas kiri Penghubung Simpul
Simpul AV Serat Purkinje Berkas His Cabang berkas kanan
Gambar 2.3 Struktur dan Sistem Konduksi Jantung (Jones, 2005)Arah konduksi jantung berdasarkan Gambar 2.3 adalah dari simpul sinoatrial (SA) yang terletak pada bagian atas serambi kanan. Simpul SA inilah yang menimbulkan rangsangan yang menyebabkan jantung berkontraksi. Simpul atrioventrikular (AV) terletak pada dinding yang membatasi serambi kanan dan bilik kanan. Simpul ini berfungsi menghantarkan impuls dari serambi ke bilik. Impuls dari simpul AV kemudian diteruskan ke seluruh bilik melalui berkas His. Pada ujung berkas His terdapat banyak cabang. Cabang-cabang ini disebut serat Purkinje. Serat-serat Purkinje bertugas meneruskan impuls dari berkas His ke seluruh otot bilik. Bilik kemudian berkontraksi sehingga darah dipompa keluar dari bilik dan mengalir dalam sistem peredaran darah (Jones, 2005).
Konduksi jantung berhubungan dengan jumlah heart rate (detak jantung) per menit. Heart rate digunakan sebagai indikasi adanya kelainan pada jantung.
11 Jumlah normal heart rate adalah 60-100 kali/menit. Jika jumlah heart rate di bawah 60 kali/menit maka terjadi bradikardi, sedangkan jumlah heart rate yang di atas 100 kali/menit terjadi takikardi.
Perbedaan potensial membran istirahat pada sistem konduksi jantung yang terdiri atas simpul SA, atrium, simpul AV, His-purkinje, dan ventrikel bergantung pada tipe potensial aksi masing-masing. Potensial aksi ini terdiri atas 2 tipe berdasarkan penyebab depolarisasi primer, yaitu tipe potensial aksi respon cepat dan potensial aksi respon lambat. Atrium, His-purkinje, dan ventrikel memiliki karakteristik potensial aksi respon yang cepat. Sedangkan yang memiliki karakteristik potensial aksi respons lambat yaitu simpul SA dan simpul AV.
Gambar 2.4 menunjukkan potensial membran yang terjadi pada pemacu jantung.Gambar 2.4 Potensial Membran Pemacu Jantung (Vena, 2010)2.2 EKG (Elektrokardiograf)
EKG adalah suatu gambaran grafis mengenai gambaran puncak aktifitas elektris dari serabut otot jantung, berupa kurva tegangan fungsi waktu yang terdiri
12 dari berbagai puncak (Heru, 2008). Sebuah EKG dapat digunakan untuk mengukur denyut jantung, mendiagnosis adanya infark mikroad yang sedang berkembang, mengidentifikasi aritmia dan efek dari obat dan peralatan yang digunakan pada penanganan jantung.
Gambar 2.5 Sinyal Keluaran EKG (Azhar, 2009)Urutan terjadinya sinyal elektrokardiograf berdasarkan Gambar 2.5 adalah sebagai berikut :
1. Gelombang P berasal dari kontraksi atrium dari sinus atrialis ke nodus atrio ventricularis saat darah mulai memasuki jantung dari seluruh tubuh.
2. Gelombang R adalah tanda akhir dari kontraksi atrium dan awal dari kontraksi ventrikel saat darah memasuki ruang ventrikel.
3. Kompleks QRS berasal dari adanya aktivitas kontraksi pada ventrikel yang memompakan darah ke seluruh tubuh dan merupakan gelombang tertinggi.
4. Gelombang T berasal dari repolarisasi ventrikel atau ventrikel kembali dalam keadaan istirahat setelah proses pemompaan darah ke seluruh tubuh selesai.
13
5. Interval P-R menandakan waktu dari permulaan kontraksi atrial sampai permulaan kontraksi ventrikel.
6. Interval R-T menunjukkan kontraksi otot (ventrikel sistole), dan interval T-R menyebabkan adanya relaksasi otot (ventrikel diastole). (Hadiyoso, 2011)
2.2.1 Sadapan EKG
Penggunaan EKG dilengkapi dengan pemasangan sadapan pada tubuh sebagai monitor adanya perubahan tegangan antara elektroda yang ditempatkan pada berbagai posisi di tubuh. Pengukuran sinyal pada EKG dilakukan dengan pemilihan tiga titik bipolar yang pertama kali diperkenalkan oleh Einthoven yang terletak di lengan kanan, lengan kiri, dan kaki kiri. Pengambilan titik
reference
ini kemudian dikenal dengan segitiga Einthoven yang digambarkan pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Pemasangan Titik Reference Elektroda 3 Lead (Vahed, 2005)Secara sederhana Gambar 2.6 dapat di tansformasikan ke dalam bentuk segitiga Einthoven pada Gambar 2.7.
14 Gambar 2.7 Segitiga Einthoven (Vahed 2005)
Gambar 2.6 dapat dijelaskan sebagai berikut :Lead I : L1 = LA-RA (1) LA (left arm) = potensial pada lengan kiri Lead II : L2 = LL-RA (2) RA (right arm) = potensial lengan kanan Lead III : L3 = LL-LA (3) LL (left leg) = potensial pada kaki kiri Sehingga : Lead I + Lead III = LA-RA + LL-LA = LL-RA = Lead II
Lead II – Lead I = Lead III (Aston, 1991)...................................(2.1)
Gambar 2.8 Hasil EKG Masing-Masing Lead (Aston, 1991)15 Gambar 2.8 menunjukkan jika tegangan pada Lead III dapat dihitung dari Lead II dan Lead I. Setelah dilakukan penentuan titik reference yang mengunakan prinsip segitiga Einthoven selanjutnya adalah melakukan proses sadapan yang merupakan proses pencatatan sinyal elektrik jantung dari gabungan elektroda yang ditempatkan pada titik – titik reference tersebut.
2.2.2 Pembacaan EKG
Mesin EKG merupakan alat yang digunakan untuk mengolah sinyal elektrik jantung melalui elektroda dan menampilkannya lewat kertas/layar monitor dengan skala tertentu. Aksis horizontal mewakili waktu dengan kecepatan
2
25mm/detik. Setiap kotak kecil kertas EKG berukuran 1 mm . Dengan kecepatan 25 mm/s, 1 kotak kecil kertas EKG sama dengan 0,04 s (40 ms). Lima kotak kecil menyusun 1 kotak besar, yang sama dengan 0,20 s (200 ms) yang mana ada 5 kotak besar per menit. Standarisasi untuk voltase (amplitudo) adalah 1, artinya 10 kotak kecil vertikal (1 cm) mewakili 1 mV. Sinyalharus dimasukkan dalam tiap rekaman. Sinyal standar 1 mV harus menggerakkan jarum 1 cm secara vertikal, yakni 2 kotak besar di kertas EKG. Kalibrasi 1 mV diperlukan untuk standar perbandingan antara besarnya input dengan besarnya penguatan amplifier sesuai dengan kepekaan (sensitivity) yang dipilih.
Standarisasi ini harus selalu konsisten agar dengan melihat amplitudo gambaran EKG, dapat diketahui ada tidaknya perubahan voltase dari konduksi jantung. Hasil EKG terdiri atas dua unsur yaitu komplek dan interval. Komplek yang normal adalah gelombang P, komplek QRS dan gelombang T (Soeliadi, 1991). Gambar 2.8 menunjukkan sinyal EKG normal seseorang.
16 Gambar 2.9 Sinyal EKG Normal (Fandi dkk, 2006) Pengukuran EKG dilakukan dengan menggunakan penguat diferensial.
Elektroda dua sadapan pada suatu waktu yang dipilih digunakan untuk input ke tahapan penguat diferensial. EKG amplifier biasanya memiliki penguatan sekitar 1000x sehingga meningkatkan nilai biopotensial sebesar 1mV menjadi sekitar 1
V. Grafik kecepatan dalam rekaman EKG telah distandarkan pada 25 dan 50 mm/s (McGraw-Hill, 2004).
2.3 Elektroda
Elektroda biasa digunakan untuk pengukuran sinyal tubuh. Elektroda untuk mengambil sinyal-sinyal biolistrik berdasarkan prinsip bahwa kontak antara ion metal dengan metal yang bersesuaian menghasilkan potensial listrik yang disebut potensial elektroda. Potensial ektroda dihasilkan oleh adanya perbedaan laju perpindahan ion yang masuk dan keluar metal. Elektroda dibuat dari material yang memiliki resistansi rendah antara kulit dan permukaan elektroda. Menurut
17 polaritasnya, maka elektroda-elektroda EKG dapat dibagi menjadi elektroda positif (anoda), negatif (katoda) dan netral (ground electrode).
Pengukuran potensial biolostrik memerlukan dua buah elektroda, maka tegangan yang terukur sesungguhnya merupakan perbedaan potensial antara kedua elektroda. Apabila kedua elektroda mempunyai jenis sama, maka besar potensial bergantung pada perbedaan nyata potensial ion antara dua titik pada tubuh yang sedang diukur. Salah satu sifat elektroda yang penting yang perlu diketahui adalah bahwa besar impedensi elektroda bergantung pada frekuensi.
Perubahan impedansi elektroda dapat menimbulkan kesalahan pengukuran sinyal biolistrik. Gambar 2.10 menjelaskan tentang prinsip kerja elektroda.
Gambar 2.10 Prinsip Kerja Elektroda (Guyton, 2006)Dalam pemakaiannya untuk memperoleh sinyal biolistrik, elektroda memiliki jenis yang beragam. Pemakaian elektroda terdiri dari 2 jenis yaitu
18
invasive
yang melukai kulit dan non-invasive yang tidak melukai kulit. Elektroda permukaan diletakkan pada permukaan kulit dengan tujuan mengukur isyarat listrik dari sejumlah unit motoris. Potensial elektroda dihasilkan oleh elektron yang meninggalkan gel elektrolit dan masuk ke logam (Rusmawati, 2006).
2.4 Rangkaian Instrumentasi
2.4.1 Rangkaian Catu Daya
Rangkaian catu daya berfungsi untuk menyediakan arus dan tegangan tertentu sesuai dengan kebutuhan beban dari sumber daya listrik yang ada (Istataqomawan, 2011). Selanjutnya rangkaian catu daya digunakan untuk menyuplai tegangan ke seluruh rangkaian yang ada. Salah satu rangkaian catu daya yang dapat digunakan pada rangkaian EKG adalah rangkaian yang menghasilkan tegangan keluaran sebesar +5V. Untuk sebuah rangkaian catu daya yang memiliki tegangan rendah, biasanya digunakan baterai +9V.
Sebagai penurun tegangan agar dihasilkan nilai +5V dapat menggunakan sebuah regulator 7805. Selain itu regulator 7805 digunakan agar keluaran yang dihasilkan tetap bernilai +5V walaupun terjadi perubahan pada tegangan masukan.
Regulator 7805 terdiri dari tiga kaki, yaitu, input, ground dan output. Input mendapat tegangan yang lebih tinggi dari sumber tegangan untuk diproses oleh regulator. Output adalah nilai akhir tegangan yang akan dihasilkan regulator 7805 sebesar +5V.
19 Gambar 2.11 Regulator 7805 (Faludi, 2009)
2.4.2 Rangkaian Diferensial Amplifier
Sinyal jantung umumnya memiliki amplitudo yang sangat kecil dalam jangkauan mV. Pada sebuah sistem instrumentasi biomedis, peran rangkaian penguat sangat penting. Penguat digunakan untuk menguatkan sinyal yang masuk dari tubuh dengan tetap memelihara bentuk dan karakteristik dari sinyal asli.
Selanjutnya sinyal yang telah dikuatkan akan diproses sistem.
Penguat awal biopotensial jantung menggunakan serangkaian penguat operasional. Salah satu sifat yang harus dimiliki rangkaian penguat operasional adalah memiliki impedansi input tinggi. Hal ini bertujuan agar sinyal input tidak terpengaruh oleh impedansi rangkaian. Selain itu, penguat instrumentasi juga harus memiliki CMRR (Common Mode Rejection Ratio) yang tinggi. Sinyal common mode adalah sinyal yang timbul dari hasil interferensi secara terus- menerus pada kedua input. Penguat yang memiliki CMMR tinggi berarti memiliki kemampuan yang lebih baik untuk memperkecil noise.
Penguat yang baik juga harus low noise karena amplitudo sinyal input dari tubuh sangat rawan terhadap noise, bahkan bisa hilang, sehingga diperlukan
20 sebuah penguat dengan karakteristik low noise. Pembuatan penguat operasional juga harus menggunakan komponen dengan toleransi rendah (1%). Penguat operasional dibentuk dari penguat diferensial, seperti ditunjukkan pada Gambar
2.12. R
2 R
1 V
1
in
V
in
2 R
3 R
4
2.12 Rangkaian Penguat Diferensial
1
3
2
4
dimana R =R dan R =R 2 1 4
- 2 out = in 2 − in 1 4 3 1 1< 2 1 2 2 out = in 2 − in 1<
- 2 2 1 1 2 1 out = in 2 1 2 − in 1 1 out = in 1 2 − in 1 … … … … … … … … … … … … … … … … . (2.2) Nilai penguatan (A) yang didapat dari Gambar 2.12 adalah perbandingan antara Vout dan (Vin
2 -Vin 1 ) :
out 2 A = = … … … … … … … … … . . . (2.3) in 2 − in 1 1 Di dalam tubuh manusia, selain biopotensial, terdapat sinyal-sinyal lain yang dapat turut terukur dan mengganggu pengukuran. Sinyal gangguan yang terbesar datang dari interferensi sumber tegangan listrik jala-jala (PLN) yang disebabkan oleh efek kapasitansi antara tubuh manusia dengan jaringan tegangan
21 listrik yang ada di lingkungan sekitar. Pengaruh gangguan dari luar tidak akan turut diperkuat karena gangguan tersebut berpengaruh pada input positif dan input negatif penguat diferensial.
2.4.3 Rangkaian Buffer