RANCANG BANGUN PENGUAT SEBAGAI ANTARMUKA STETOSKOP DENGAN KOMPUTER PRIBADI
Vol . VII Nomor 19Maret 2012 - Jurnal Teknologi Informasi ISSN : 1907-2430
RANCANG BANGUN PENGUAT SEBAGAI ANTARMUKA
STETOSKOP DENGAN KOMPUTER PRIBADI
Yudianingsih
Program Studi Teknik Elektro Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Respati Yogyakarta
Jl. Laksda Adisucipto km. 6,3 Yogyakarta 55281 Telp. (0274) 489780, 489781 Hp.: 08156850500 Em
Abstract
This research is purposed to get a stetoscope amplifier circuit which used to CPU interface.
Stetoscope is used to early diagnostic aspecially for breathing disorder and heart sound disorder.
This research is resulting an amplifier with 1kHz cut-off frequency, 120 dB/decade slope,
maximum gain 8800 times, and 1Vpp output voltage. It is used 9 V power supply.The frequency
response of sensor is between 20 Hz to 4kHz. It could to recording heart sound signal with CPU,
with connecting the amplifier to audio-input in CPU. Then the recorded data could be analized
with any algorithm.Keyword: Stetoscope, Amplifier, Gain, Frequency response.
1. Pendahuluan Auskultasi adalah proses pemantauan suara yang bersumber dari dalam tubuh manusia.
Pengenalan fenomena auskultasi penting, bukan hanya untuk diagnosa tetapi untuk menghindari kesalahan penafsiran, terutama untuk menghindari kesalahan atau kecurigaan diagnosa penyakit jantung dan pernapasan yang dapat menimbulkan kecemasan atau menyebabkan pembatasan yang tidak diharapkan [1].
Penggunaan stetoskop sangat diperlukan bagi seorang tenaga medis, diperkirakan lebih 90 % dari tenaga medis dalam mendiagnosa pasien menggunakannya [2].
Stetoskop yang baik mampu mendiagnosa awal regurgitasi aorta, suara yang terdengar melalui stetoskop (bising) seperti ini selalu lebih baik bila menggunakan diafragma. Demikian pula dengan bising diastol apikal yang bernada rendah dan bergemuruh, bising ini akan terlewatkan tanpa menggunakan diafragma [3].
Suara jantung manusia berada pada frekuensi yang berbeda-beda antara 65 Hz
- – 1kHz dan dengan mengamati dari perbedaan frekuensi tersebut dapat menunjukkan apakah jantung itu berfungsi secara normal atau sebaliknya, untuk jantung normal tidak memiliki bagian frekuensi tinggi lebih dari 1kHz, dengan cara melatih pendengaran manusia dapat membedakannya [4].
Telinga manusia hanya dapat menanggapi sinyal-sinyal akustik dalam jangkauan frekuensi antara 20 Hz hingga 18 kHz [5]. Artinya diperlukan pengolahan keluaran sensor yang dapat membatasi agar keluaran berada pada kisaran frekuensi tersebut. Perangkat komputer yang lebih
41
Vol . VII Nomor 19Maret 2012 - Jurnal Teknologi Informasi ISSN : 1907-2430
murah dan relatif lebih cepat, memungkinkan untuk mengkonstruksi sistem digital yang lebih canggih dan dapat mengolah sinyal digital yang komplek.
Pada umumnya sangat sulit dan mahal jika dilakukan menggunakan rangkaian analog karena itu, dilakukan dengan perangkat digital melalui komputer yang lebih murah dan lebih dipercaya tetapi untuk melakukannya diperlukan antarmuka yang sesuai [6]. Selain didukung kemajuan pada perangkat keras, perkembangan kemajuan pada perangkat lunak tidak ketinggalan, dengan adanya bahasa pemrograman yang bermacam-macam. Matlab mudah digunakan namun tetap berkemampuan tinggi. Matlab sudah banyak digunakan di berbagai bidang seperti pemrosesan sinyal, jaringan saraf tiruan, citra, fuzzy logic, wavelet, statistik, optimisasi dan lain- lain [7].
2. Tinjauan Pustaka
Sri Widodo (2004) telah mencoba melakukan penelitian tentang perangkat yang dapat digunakan menganalisa spektral isyarat jantung. Tetapi pada ragam gelombangnya masih terlihat adanya derau 50 Hz yang berasal dari jalur daya, sehingga masih perlu tapis takik yang sempit untuk menghilangkan derau [8].
2.1 Isyarat Suara Jantung
Bunyi kardiovaskular dapat dibagi menjadi bunyi yang terbatas atau transien, disebut bunyi jantung, dan kombinasi yang lebih panjang dari getaran-getaran, disebut murmur jantung.
Gambar 1. Munculnya suara jantung S1, S2, dan S3 pada jantung normal [9]
Vol . VII Nomor 19Maret 2012 - Jurnal Teknologi Informasi ISSN : 1907-2430
Bunyi jantung yang tersering diauskultasi, dapat dibagi menjadi bunyi normal (S1 dan S2), dan variasi abnormal dari S1 dan S2, dapat juga bunyi “fisiologis” atau “patologis” (S3 dan S4) dan bunyi yang biasanya mencerminkan penyakit jantung seperti suara ejeksi atau klik (SE), klik mid-atau akhir sistolik (KMS) dan opening snap (OS). Tetapi munculnya S3 apabila tidak memiliki nada yang keras maka suara jantung tersebut masih dapat dikatakan normal.
2.2 Penguat Emitor Terbumi
Dalam rangkaian emitor terbumi saluran emitor ada pada rangkaian masukan maupun pada rangkaian keluaran. Arus balik kolektor jenuh merupakan arus kolektor yang muncul jika arus emitor sama dengan nol. Pada rangkaian emitor terbumi ini diberi sebuah R
1 , R 2 , R 3 , dan R 4 serta Vcc seperti pada Gambar 2.
Vcc Ic R3
IR1
R1
Vc Vb VceIb Ve
IR2 Ie
R2 R4
Gambar 2. Rangkaian emitor terbumi Maka akan berlaku persamaan 1 untuk V :
bb
V . R
cc2 V bb
(1)
R R
1
2 R . R
1
2
R dapat dicari dengan b R b(2)
R R
1
2
R .V b cc
R
1 dan R 2 dapat dicari dengan R
1
(3)
V V cc bb
43
Vol . VII Nomor 19Maret 2012 - Jurnal Teknologi Informasi ISSN : 1907-2430 R .
V b cc
2
R
(4)
V
bbUntuk I b -nya dapat dicari dengan (5)
I
e
I b
1 Sedangkan perolehan arus maksimum (β) transistor adalah
(6)
I
c
I
b
2.3 Ekstraksi ciri dengan FFT
Transformasi Fourier cepat atau Fast Fourier Transform (FFT) merupakan salah satu jenis alih ragam. Alih ragam berfungsi sebagai mengubah fungsi pada kawasan waktu f(t) menjadi fungsi pada kawasan frekuensi F(f) dan atau sebaliknya :
~ f(t) F(f)exp.i( 2f.t. ).df
(7)
- ~
atau representasi :
~ F(f) - f(t)exp. i(2f.t.).d t
(8)
- ~
dalam alih ragam ini memberi hasil fungsi komplek, meski untuk keperluan teknis dapat saja diambil absolutnya. Dalam hal sinyal objek pada kawasan waktu, maka alih ragam Fourier berada dalam kawasan frekuensi. Komputasi sesungguhnya untuk nilai kontinyu tidak mudah, sehingga DFT (Discreate Fourier Transform) menjadi acuan pendekatan.
3. METODE PENELITIAN
3.1 Pengujian Sensor
Pengujian watak sensor dilakukan dengan cara seperti terlihat pada Gambar 3. Pada gambar tersebut sensor diletakkan di dalam sebuah kotak yang pada dinding bagian dalamnya dilapisi dengan gabus, busa dan glasswool hal ini bertujuan agar sensor tidak terpengaruh oleh suara yang ada di luar kotak. Speaker dan mikrofon diletakkan secara berhadapan. Jenis speaker
Vol . VII Nomor 19Maret 2012 - Jurnal Teknologi Informasi ISSN : 1907-2430
juga dipilih yang dapat menimbulkan bunyi pada frekuensi rendah. Speaker tersebut dihubungkan dengan penguat yang diberi masukan melalui pembangkit sinyal. Sementara bagian sensor dihubungkan ke penguat, osiloskop digunakan untuk mengetahui tegangan keluaran yang dihasilkan.
Pengujian ini dilakukan pada berbagai mikrofon tetapi dari hasil pengujian tersebut ada tiga buah sensor yang cukup baik digunakan untuk merespon frekuensi rendah. Sayangnya ketiga sensor tersebut tidak memiliki tipe atau nomor seri, yang membedakannya adalah bentuknya. Masing-masing sensor tersebut dapat dilihat pada Gambar 4.
Kotak pengujian Speaker Subwoofer
Lapisan Gabus Pembangkit sinyal
Penguat Penguat
Osiloskop Mikrofon/sensor Lapisan Busa Lapisan Glasswool
Gambar 3. Pengujian karakteristik sensor.
Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Gambar 4. Berbagai sensor yang diuji
3.2 Rangkaian Penguat Stetoskop
Pada rangkaian penguat ini, terdiri dari dua buah penguat, pertama adalah penguat transistor emitor terhubung bumi dengan menggunakan transistor C2222 dan penguat yang kedua adalah penguat dengan menggunakan IC KA2220 seperti diperlihatkan pada Gambar 5.
45
Vol . VII Nomor 19Maret 2012 - Jurnal Teknologi Informasi ISSN : 1907-2430 Mikrofon 1k 50k 10uf C 2222 2k2 10u 39k 5k7 + 9 1 9 KA 2220 560k IC 1 3
10u
8 3k3 20k 104 332 C2 2 10u 51k 2k2 150k4u7
10u 4 5 Ke komputer C1 Gambar 5. Rangkaian penguat stetoskop.3.3 Pemasangan Sensor
Pemasangan sensor dilakukan dengan cara hati-hati mengingat sensor yang digunakan berukuran kecil ± 5 mm, begitu pula saat melakukan penyolderan. Sebaiknya penyolderan dilakukan setelah sensor dipasang pada selang karet guna mempermudah penyolderan. Selang karet digunakan untuk menghubungkan antara stetoskop dengan sensor. Panjang selang karet yang digunakan ± 50 cm. Tidak ada aturan khusus pengenai ukuran ini, penentuan ini berdasarkan percobaan yang dilakukan, karena ukuran yang terlalu panjang atau pendek akan mempengaruhi sinyal yang dihasilkan. Konstruksi sensor ini dapat dilihat pada Gambar 6.
50 cm Sensor Selang karet Stetoskop
Gambar 6. Konstruksi pemasangan sensor.
3.4 Pengujian Penguat Stetoskop
Pengujian dilakukan untuk mendapatkan sinyal yang sesuai dengan suara jantung yang memiliki tegangan keluaran puncak ke puncak sebesar 1 Vpp. Besar tegangan tersebut ditetapkan berdasarkan masukan kartu suara yang ada pada komputer. Sebelum tegangan tersebut dihubungkan dengan komputer, pengukuran dan pengecekan dilakukan dengan menggunakan osiloskop.
Vol . VII Nomor 19Maret 2012 - Jurnal Teknologi Informasi ISSN : 1907-2430
Gambar 7. Perekaman isyarat suara Jantung
3.5 Instansiasi (Perekaman)
Dilakukan dengan cara merekam suara jantung, usahakan suasana lingkungan sekitar setenang mungkin (hening). Sehingga tegangan yang dihasilkan mendekati 0 (nol). Kemudian stetoskop diletakkan di dada, pilih daerah-daerah yang memiliki sinyal paling kuat. Atur potensio 50k Ω dan 20kΩ hingga mendapatkan sinyal keluaran yang sesuai.
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Karakteristik Sensor
Pada Tabel 1 merupakan data hasil pengujian sensor. Dari tabel tersebut dapat digambarkan tanggapan frekuensi masing-masing sensor, seperti diperlihatkan pada Gambar 8(a). Sensor 3 memiliki lebarbidang tanggapan frekuensi yang paling baik, hampir merata di kisaran frekuensi antara 20 sampai dengan 4kHz dan tanggapan ini sudah dapat mencakup frekuensi yang dimiliki oleh suara jantung, yaitu antara 65 sampai dengan 1kHz nilai tersebut sesuai dengan hasil penelitian Dampley 1994 [4].
Tabel 1. Hasil perhitungan tanggapan frekuensi berdasarkan pengamatan
No. Frekuensi Perolehan Tegangan dB=20log Av (Hz) Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
1 20 -12 -13,5 -9,7
2 30 -13,1 -13,3 -9,6
3 40 -13,3 -13,2 -9,5
47
Vol . VII Nomor 19Maret 2012 - Jurnal Teknologi Informasi ISSN : 1907-2430
Rangkaian penguat stetoskop terdiri atas dua unit penguat, pertama adalah penguat transistor emiter terhubung bumi menggunakan transistor C2222 dan penguat kedua adalah penguat dengan menggunakan IC KA 2220 seperti diperlihatkan pada Gambar 5. Tanggapan frekuensi penguat stetoskop dapat dilihat pada Gambar 8 (b). Kemampuan penguat ini berada pada frekuensi cut-off 1kHz dengan kemiringan -120 dB/decade (orde-6) dengan penguatan maksimum 8800 kali, tegangan keluaran 1 Vpp.
Gambar 8 (a). Tanggapan frekuensi beberapa sensor yang diuji.
(b). Tanggapan frekuensi penguat stetoskop. Pada penguat emiter terhubung bumi digunakan potensio 50k Ω sebagai pembagi tegangan basis dan hambatan maksimum 20k
Ω sebagai penahan keluarannya. Kapasitor 10µF dipasang
(a) (b)
4 50 -11,8 -12,5 -9
5 60 -12 -11,8 -8,7
6 70 -12,5 -10,3 -7
7 80 -12,3 -10,3 -6
8 90 -12,4 -11,3 -5 9 100 -13 -11,2 -3 10 200 -12 -11,5 -1 11 300 -10 -11,3 -0,5
4.2 Penguat Sensor
Vol . VII Nomor 19Maret 2012 - Jurnal Teknologi Informasi ISSN : 1907-2430
antara mikrofon dan hambatan pembagi yang bertujuan agar arus dc, yang berasal dari catu daya tidak dapat masuk ke transistor. Pembagi tegangan berfungsi untuk mengatur arus basis sehingga arus yang melewatinya dapat diatur melalui potensio 50k
Ω sekaligus, berfungsi untuk mengatur kepekaan sensor/mikrofon. Penguat kedua adalah penguat yang dibangun menggunakan IC KA 2220, penguat ini sering digunakan pada penguat pre-amp sebagai alat pungut pita kaset. Karakteristik penguat secara umum memiliki tanggapan frekuensi antara 20 – 25 kHz. Dengan mengganti kapasitor C1 sebesar 10µF dan C2 sebesar 332 nF maka, tanggapan frekuensinya menjadi 50 – 1,2 kHz. Pada bagian masukan dihubungkan dengan kapasitor 104 nF, dan pada bagian keluarannya dihubungkan dengan kapasitor 10µF. Keduanya berfungsi untuk mencegah arus dc, catu daya yang digunakan adalah sebuah baterai yang memiliki tegangan sebesar 9 volt .
4.3 Analisis Isyarat Suara Jantung
Bentuk gelombang suara jantung memiliki nilai sebaran di beberapa frekuensi yang semuanya berbeda-beda. Baik terjadi pada daerah S1, S2, dan S3 walaupun demikian, memiliki rentang frekuensi antara 60 sampai dengan 1kHz. Pada isyarat jantung normal suara gemuruh bernada rendah dan tinggi sangat jarang terjadi. Spektrum hasil rekaman suara jantung normal dapat dilihat pada Gambar 9. Dengan jelas daerah S1 dan S2 memiliki amplitudo lebih tinggi, sedangkan S3 muncul dengan amplitudo yang lebih kecil dan berimpit dengan S2. Perekaman dilakukan pada frekuensi sampling 22kHz, seluruh isyarat jantung yang digunakan direkam dan diberi nama, hasil rekaman tersebut disimpan dalam format WAV.
Gambar 9. Hasil rekaman suara jantung normal sebelum diekstraksi
49
Vol . VII Nomor 19Maret 2012 - Jurnal Teknologi Informasi ISSN : 1907-2430
Setelah direkam kemudian isyarat tersebut diekstraksi dengan FFT koefisien NFFT = 4096 pada Gambar 10 merupakan isyarat suara jantung normal dan Gambar 11 merupakan isyarat murmur jantung. Bentuk pola hasil ekstraksi menunjukkan adanya perbedaan dari masing-masing suara jantung. Suara jantung normal memiliki komponen frekuensi rendah sedangkan untuk murmur jantung memiliki komponen frekuensi tinggi. Analisa ini menggunakan bahasa pemrograman Matlab 6.5. [10].
Gambar 10 Suara jantung normal
(a) Bentuk gelombang pada kawasan waktu, (b) Pola ekstraksi ciri ternormalisasi di kawasan frekuensi.
Vol . VII Nomor 19Maret 2012 - Jurnal Teknologi Informasi ISSN : 1907-2430
Gambar 11. Suara murmur jantung regurgitari stenosis aorta (a) Bentuk gelombang pada kawasan waktu.
(b) Pola ekstraksi ciri ternormalisasi di kawasan frekuensi.
5. KESIMPULAN
Sensor 3 memiliki lebar bidang tanggapan frekuensi yang paling baik, hampir merata di kisaran frekuensi antara 20 sampai dengan 4kHz dan tanggapan ini sudah dapat mencakup frekuensi yang dimiliki oleh isyarat suara jantung, yaitu antara 65 sampai dengan 1kHz.
Kemampuan penguat ini berada pada frekuensi cut-off 1kHz dengan kemiringan -120 dB/decade (orde-6) dengan penguatan maksimum 8800 kali, tegangan catu 9 Volt dan besarnya tegangan maksimum keluaran penguat 1 Vpp.Perekaman dilakukan pada frekuensi sampling 22kHz, hasil rekaman tersebut disimpan dalam format WAV.
Melalui proses ekstraksi dengan FFT koefisien NFFT = 4096 menghasilkan suara jantung normal memiliki komponen frekuensi rendah sedangkan untuk murmur jantung memiliki komponen frekuensi tinggi.
6. DAFTAR PUSTAKA
[1] Oswari, Jonathan .,Tuner W.D, Richard., Gold G, Ronald., 1995, Auskultasi Jantung, terjemahan, Penerbit Buku Kedokteran EGC, Jakarta. [2] Santoso, Agustinus Andi., 1999, Anatomi Fisiologi Sistem Pernapasan dan Sistem
Koardiovaskuler , Penerbit Buku Kedokteran EGC, Jakarta
[3] Setiawan, Irawati dan Arthur, 1988, Buku Ajar Fisiologi Kedokteran, terjemahan, Penerbit Buku Kedokteran EGC, Jakarta. [4] Dampley, R,A .1994, Functional Organization of Central Pathway Regulating the cardiovascular and diagnostic in the Brain Stem , Physol.No.290,Vol. 72. [5] Jasfi, E., J.P. Holman., 1985, Metoda Pengukuran Teknik, terjemahan, Erlangga, Jakarta. [6] Derenzo, Stephen E., 1990 , INTERFACING : A Laboratory Approach Using the Microcomputer for Instrumentation, Data Analysis, and Control , Prentice-Hall Int.
Inc., New Jersey. [7] Adianto, Josef., dan Duane Hanselman, Littlefield, 1997, MATLAB Bahasa dan Komputasi Teknis , terjemahan, Andi, Yogyakarta.
[8] Sri Widodo, 2004, Sistem Neuro Fuzzy, Graha Ilmu,Yogyakarta
51
Vol . VII Nomor 19Maret 2012 - Jurnal Teknologi Informasi ISSN : 1907-2430
[9] Sunarno, Stein Emanuel dan Abner J. Delman, 1994, Interpretasi Akurat Bunyi Jantung, terjemahan, Penerbit Buku Kedokteran EGC, Jakarta [10] Kraus, Thomas P., Loren Shure., John N Little., 1994, Signal Processing Toolbox for Use with Matlab ., The Mat Work Inc., USA.