DESAIN TUTUP KEPALA DENGAN PEMANFAATAN LOGAM Cu SEBAGAI APLIKASI UNTUK MENENTUKAN LOKASI SINYAL OTAK SAAT BERAKTIFITAS

Transkripsi

1 DESAIN TUTUP KEPALA DENGAN PEMANFAATAN LOGAM Cu SEBAGAI APLIKASI UNTUK MENENTUKAN LOKASI SINYAL OTAK SAAT BERAKTIFITAS Dita Hapsoro #, Ir. Ratna Adil, M.T. # # Jurusan Teknik Elektronika, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Kampus PENSITS Sukolilo, Surabaya ditahapsoro@yahoo.com Abstrak Electroencephalograph (EEG) adalah perekaman aktifitas listrik di lapisan terluar kulit kepala yang ditimbulkan oleh impulsimpuls yang dihasilkan oleh neuronneuron di dalam otak. Sinyal EEG diperoleh dengan menempelkan elektroda di permukaan kepala. Namun pemasangan elektroda terkadang menimbulkan ketidaknyamanan pada pasien. Untuk mengatasi masalah tersebut dibuat tutup kepala dengan penahanpenahan elektroda Cu atau AgCl yang diposisikan sesuai dengan sistem peletakan elektrode 0 atau 0, serta modul EEG yang mudah diaktifkan. Hal ini bertujuan untuk memudahkan proses perekaman dan meminimalkan kesalahan dalam penempatan elektroda. Berdasarkan hasil pengujian dua puluh peletakan elektroda didapatkan bentuk sinyal perekaman yang mendekati sinyal yang diharapkan untuk alpha 50%, beta 0% dan teta 0%. Kata kunci: EEG, tutup kepala berelektroda, sistem peletakan elektroda. I. PENDAHULUAN Otak merupakan bagian dari susunan syaraf pusat yang terdapat di dalam tengkorak. Otak memiliki peran yang sangat penting di dalam tubuh manusia, yaitu mengatur dan mengkoordinasikan semua aktifitas tubuh. Dalam setiap aktifitasnya otak selalu menghasilkan sinyalsinyal listrik yang ditimbulkan oleh neuronneuron yang ada di dalam otak. Electroencephalograph (EEG) adalah perekaman aktifitas listrik di lapisan terluar kulit kepala yang ditimbulkan oleh impulsimpuls yang dihasilkan oleh neuronneuron di dalam otak. Umumnya sinyal EEG digunakan untuk mendiagnosa penyakit yang berkaitan dengan otak dan kejiwaan seperti epilepsy, tumor otak, mendet posisi otak yang terluka, membantu mendiagnosa gangguan mental, menangkap persepsi orang terhadap suatu rangsangan dari luar, dan sebagainya. Karakteristik sinyal EEG tidak periodik, tidak mempunyai pola baku, dan mempunyai amplitudo tegangan yang kecil, sehingga sangat mudah tertimbun noise. Sinyal EEG diambil dengan menempelkan elektroda di kulit kepala. Elektroda adalah sebuah sensor elektrokimia yang mampu mengukur aliran ion di sepanjang serabut syaraf. Pemasangan elektroda secara satu persatu terkadang menimbulkan ketidaknyamanan pada pasien dan membutuhkan waktu yang lama. Untuk mengatasi masalah tersebut dibuat tutup kepala dengan penahanpenahan elektroda yang diposisikan sesuai dengan sistem peletakan elektrode 0 atau 0, serta modul EEG yang mudah diaktifkan. Hal ini bertujuan untuk memudahkan proses perekaman dan meminimalkan kesalahan dalam penempatan elektroda. A. Perumusan Masalah Perumusan maslah yang akan dibahas adalah:. Bagaimana desain tutup kepala berelektroda yang dapat digunakan untuk merekam sinyal otak.. Bagaimana rangkaian penguat pada modul EEG.. Bagaimana sinyal hasil rekaman dari alat yang dibuat B. Batasan Masalah Batasan masalah yang akan dibahas sebagai berkut:. Tutup kepala yang digunakan untuk ukuran remaja.. Sinyal otak yang direkam alpha, beta, dan tetha. II. PERENCANAAN ALAT Alat ini terdiri dari blokblok rangkaian yang memiliki fungsi sendirisendiri dan terintegrasi menjadi satu untuk menjadi sebuah sistem yang lengkap. Gambar berikut menunjukkan blok diagram alat secara keseluruhan. rangkaian prot penguat intrumentasi ADC µc tutup kepala berelektroda penguat tak pembalik PC Gambar. blok diagram alat lowpass filter

2 A. PERENCANAAN HARDAWARE Dari blok diagram pada gambar dapat dijabarkan sebagai berikut. ). Tutup kepala berelektroda Ukuran dari tutup kepala harus sesuai dengan ukuran kepala subyek. Berikut adalah desain tutup kepala yang akan dibuat: Lubang untuk memasukkan elektrode V BE (on) Tabel. Spesifikasi transistor BC54 (NPN) Min = 0,58 V Max = 0, VCE = 5V IC = ma V BE (on) BC55 (PNP) Min = 0, V Max = 0,5 VCE = 5V IC = ma pengikat Gambar. tutup kepala berlektroda Tutup kepala terbuat dari bahan kain yang elastis sehingga memiliki kelebihan dapat menyesuaikan dengan bentuk kepala subyek dan dapat terpasang dengan rapat. Tutup kepala yang rapat akan menjadikan elektroda menempel dengan baik dan tidak mudah bergeser. Tabel. Ukuran Kepala lingkar samping (cm) lingkar atas (cm) anakanak (0 th) 485 ± Remaja 55 ±40 pria dewasa 58 ±4 wanita dewasa 555 ±4 Elektrode yang akan digunakan terdiri dari dua bagian. Bagian pertama adalah electrode holder yang terbuat dari plastik. Dan bagian kedua adalah elektrode itu sendiri yang berbentuk piringan kecil berbahan logam Cu. Berikut adalah desain elektrode yang akan digunakan. elektroda Electrode holder Gambar 4. rangkaian prot ). Penguat instrumentasi Sinyal yang dihasilkan oleh otak memiliki nilai yang sangat kecil yaitu berorde mikrovolt. Oleh karena iti sinyal tersebut perlu dikuatkan. intrumentasi adalah penguat diferensial yang dilengkapi dengan buffer pada masukannya, yang berfungsi untuk menghilangkan kebutuhan akan penyesuaian impedansi masukan sehingga rangkaian ini sesuai untuk digunakan sebagai rangkaian pengukuran. Pada bagian ini sinyal akan dikuatkan sebanyak kali. Tujuan dari sinyal yang hanya dikuatkan sebanyak kali adalah untuk meghindari noise yang bisa ikut dikuatkan juga. Bila sinyal langsung dikuatkan dengan pengauatan yang besar maka noise akan ikut dikuatkan dalam penguatan yang besar pula. Hal ini akan mengganggu sinyal EEG yang asli yang akan direkam. Gambar. Desain Elektrode kabel ). Rangkaian prot Sebelum memasuki rangkaian penguat, sinyal melewati rangkaian prot. Rangkaian ini terdiri dari susunan transistor NPN dan PNP. Rangkaian ini berfungsi melindungi rangkaian penguat dari electrostatic discharge dan melindungi subyek (pemakai) dari kejutan elektrik apabila terjadi kesalahan rangkaian. Rangkaian ini bekerja berdasarkan prinsip rangkaian clamping. Susunan transistortransistor tersebut akan melewatkan semua arus yang berbahaya apabila terdapat tegangan melebihi ±0,58 volt ke ground. Gambar 5. rangkaian penguat instrumentasi Persamaan yang digunakan untuk menentukan penguatan tegangan dari rangkaian tersebut adalah: V V out V R R Rgain R... () Pada alat ini menggunakan rangkaian penguat yang terintegrasi di dalam IC yaitu INA4. IC ini memilki kelebihan ciri antara lain DC offset sangat rendah, noise rendah, openloop gain yang tinggi, commonmode rejection ratio yang tinggi dan impedansi input yang tinggi.

3 Dalam IC INA4 nilainilai resistansi internal R, R dan R adalah 5 Ω, maka persamaan di atas menjadi: Vout 5k 5k G... () V V Rgain 5k 50k G... () Rgain Rangkaian ini memiliki ciri antara lain DC offset sangat rendah, noise rendah, openloop gain yang tinggi, commonmode rejection ratio yang tinggi dan impedansi input yang tinggi. Untuk mendapatkan pengauatan sebesar kali, maka nilai R gain yang harus dipasang adalah: 50k... (4) RG RG.5k k... (5) Nilai resisror sebesar 4,4 kω didapatkan dengan menghubungkan dua resistor, kω secara seri. 4). Penguat tak pembalik Setelah dikuatkan oleh penguat instrumentasi, sinyal kemudian dikuatkan lagi degan menggunakan rangkaian penguat tak pembalik. Pada bagian ini sinyal bisa dikuatkan sebanyak hingga 00 kali. Penguatan bisa diatur dengan merubah nilai resistansi variabel resistor yang dirangkai seri dengan R in rangkaian. Nilainilai resistor yang digunakan adalah Rf = 00 kω, variabel resistor R = 0 kω. Sehingga nilai resistor Rin yang digunakan dapat ditentukan dengan menggunakan rumus penguatan rangkaian tak pembalik. Rf A... () Rin Misal pada penguatan maksimal 00 kali di mana pada kondisi ini nilai variabel resisitor R = 0 kω, maka: 00k () R 0k...(8) 00k R 0k 00k R...() R k......(0) Gambar 0 menunjukkan rangkaian dari penguat tak pembalik. Gambar. rangkaian penguat tak pembalik 5). Lowpass filter Frekuensi isnyal EEG adalah antara di bawah Hz hingga 50 Hz. Oleh karena itu sinyal kemuadian melewati rangkaian lowpass filter untuk membuang sinyal yang tidak diperlukan. Jenis lowpass filter yang dignakan adalah butterworth orde. Filter ini memiliki respon stopband yang baik. Filter ini dibentuk dengan merangkai secara seri filter lowpass orde dengan filter lowpass orde. Firstorder lowpass butterworth filter. menentukan frekuensi cut off f h f h = 4 Hz. menentukan nilai C 0,µF C = 0 nf. mencari nilai R R fh C R =.8 x 4 x 0 x 0 R 4, 0k (variabel resistor) 4. mencari nilai R dan Rf berdasarkan A yang diinginkan Af 0 Rf Af R Misal R = kω, maka: Rf k, k Gambar. first order LPF Secondorder lowpass butterworth filter. menentukan frekuensi cut off fh fh = 4. menentukan R = R = R dan C = C = C dimana C µf C = 0 nf. mencari niali R R R fh C =.8 x 4 x 0 x 0 4, 5k

4 4. karena R = R dan C = C maka: Af Rf,58 R Sehingga Rf = 0.58 x R Misal: R = 0 kω, maka: Rf 0,580k Rf 5,8k 0k (variabel resistor) B. PERENCANAAN SOFTWARE Berikut ini adalah flowchart dari mikrokontroler dan pada software: Mulai Inisialisa Baca ADC tiap channel Kirim data tiap channel ke PC Selesai Gambar 8. secondorder LPF Gambar. thirdorder LPF ). ADC dan mikrokontroler Setelah melewati rangkaian pengkondisi, sinyal kemudian mengalami proses konversi ke bentuk digital. Proses konversi tersebut menggunakan ADC internal dari mikrokontroler. Perencanaan minimum sistem dilakukan dengan melihat fungsi pinpin pada mikrokontroller. Gambar flowchart pada mikrokontroler Berikut adalah jalannya program dari flowchart di atas:. Menginisialisasi ADC dan UART. Mengaktifkan ADC.. Untuk setiap channel dari ADC: Mulai sampling. Baca hasil sampling dan restart ADC. 4. Memasukkan data sampling ke UART data register. 5. Mengirim data setiap channel melalui serial.. Kembali ke awal. Mulai Baca serial Ada input dari µc? T Y Parsing data Filtering Gambar 0. skematik minimum sistem Proses penampilan Olah data Selesai Gambar. skematik rangkaian downloader Gambar. flowchart pada pengolahan data 4

5 III. PENGUJIAN DAN ANALISA Bagian ini membahas mengenai pengujian dan analisa alat dan data untuk mengetahui tingkat keberhasilan alat yang telah dibuat. ). Pengujian penguat instrumentasi Pengujian penguat instrumentasi dilakukan untuk mengetahui apakah rangkaian tersebut dapat bekerja dengan sesuai dengan perencanaan dengan penguatan kali. Pengujian dilakukan dengan memberikan sinyal input dari function generator dan melihat penguatannya dengan menggunakan osciloscpe. Berikut adalah hasil pengujian dari penguat instrumentasi: Tabel. pengujian penguat instrumentasi perhitungan Vin (mvpp) Vout (Vpp) pengukuran Error (%) 00, 0 0,4,, 40,8 0 0, ,,, Gambar 4. pengujian penguat instrumentasi Ratarata error yang didapatkan dari lima kali pengukuran adalah,5. Kesalahan yang muncul dapat disebabkan karena rugirugi komponen dan juga kesalahan dari pembacaan pengukuran. ). Pengujian penguat tak pembalik Penguat tak pembalik direncanakan melakukan penguatan sebesar hingga 00 kali dengan mengatur variable resistor pada rangkaian. Berikut adalah hasil pengujian dari penguat tak pembalik: Tabel 4. pengujian penguat tak pembalik Rin Vin (mvpp) Vout (Vpp) perhitungan pengukuran Error (%) k 00,8 0 8,8 k 4,4 4,4 44 5, 4k,, 5,8 0k,,,8 0k 0,5 5,, Dari pengujian diketahui ratarata kesalahan yang terjadi dalam lima kali pengujian adalah,. Kesalahan yang muncul dapat disebabkan karena rugirugi komponen dan juga kesalahan dari pembacaan pengukuran. ). pengujian low pass filter Pengujian pada rangkaian low pass filter dilakukan untuk mengetahui apakah rangkaian ini mampu menyaring sinyal dengan frekuensi cut off yang diinginkan yakni 4Hz. Pengujian dilakukan dengan memberikan sinyal input 00mVpp dengan frekuensi yang bertahap dari function generator dan melihat output sinyal yang dihasilkan dengan oscilloscope. Vout (mvpp) Tabel 5. pengujian low pass filter frekuensi Vout (mvpp) frekuensi (Hz) Gambar 5. respon frekuensi low pass filter 4). Pengujian tutup kepala berelektroda Tutup kepala berelektroda diuji untuk mengetahui apakah elektroda yang diletakkan pada tutup kepala mampu mengambil sinyal dari kepala subyek. Pengujian dilakukan dengan sinyal memasang elektroda pada tutup kepala di Biopac. Gambar. Tutup Kepala 5

6 Berikut adalah hasil pengujiannya: Pada gambar menunjukkan hasil perekaman dengan Biopac MP0. α β θ Gambar. Perekaman Dengan Biopac MP0 Gambar. sinyal rekaman Biopac dengan elektroda pada tutup kepala Dari gambar di atas diketahui bahwa sinyal dapat terbaca oleh Bopac, dengan demikian elektroda yang diletakkan di tutup kepala dapat digunakan untuk mengambil sinyal otak. Pada gambar menunjukkan hasil perekaman dengan modul EEG. α β θ Gambar. Perekaman Dengan Modul EEG Gambar 8. Penahan Elektroda dan Elektroda 5). Pengujian alat Pada bagian ini alat akan diuji secara menyeluruh, dengan mengintegrasikan hardware dan software. Pengujian dilakukan dengan merekam 0 sinyal eeg alpha, beta dan tetha dari titiktitik peletakan elektroda di kepala pasien. Kemudian hasil rekaman tersebut dibandingkan dengan sinyal perekaman menggunakan Biopac MP0. Pada perekaman, pasien berada pada aktifitas berpikir untuk menyelesaikan soal matematika yang diberikan secara lisan. Gambar. hardware Modul EEG Titik FpzFp Elektroda negatif diletakkan pada titik Fpz, elektroda positif diletakkan pada titik Fp dan ground diletakkan pada telinga. gnd Fpz Fp Gambar 0. Peletakkan Elektroda Di Titik FpzFp Sinyal hasil perekaman dengan modul EEG menunjukkan bahwa sinyal alpha (α) dan beta (β) memiliki bentuk dan kerapatan yang mendekati sinyal rekaman pada Biopac MP0. Sedangkan sinyal teta (θ) tidak memiliki bentuk dan kerapatan yang mendekati sinyal rekaman dengan Biopac MP0. Perbedaan dapat disebabkan karena kesalahan perekaman atau karena kondisi otak yang berubah akibat perbedaan waktu dalam perekaman yaitu hari. Berdasarkan sinyalsinyal perekaman yang diperoleh dari dua puluh macam peletakan elektroda, dapat dianalisa beberapa hal. Untuk alpha dilihat dari kerapatannya, bentuk sinyal yang mendekati sinyal dari Biopac MP0 didapatkan 0 titik, yaitu pada peletakan di titik FpzFp, FpzFp, Fz F8, FzF5, CzT, CzC4, CzC, PzP4, FF, dan TP4. Untuk beta, dilihat dari kerapatannya, bentuk sinyal yang mendekati sinyal dari Biopac MP0 didapatkan titik yaitu pada peletakan di titik FpzFp, FzF8, FzF4, CzT4, CzT, CzC4, CzC, PzP4, OzO, OzO, TP4, dan T5P. Sedangkan untuk teta, dilihat dari kerapatannya, bentuk sinyal yang mendekati sinyal dari Biopac MP0 didapatkan titik yaitu OzO dan T5P. Adanya ketidaksesuaian disebabkan karena perekaman dilakukan secara terpisah antara perekaman dengan modul EEG dengan Biopac MP0. Karena aktifitas syaraf di otak berubah setiap saat, sehingga perekaman yang terpisah akan diikuti dengan aktifitas syaraf di otak yang berbeda. ). Pengujian pada aktifitas lain Pada bagian ini dilakukan perekaman dengan memberikan beberapa aktifitas lain kepada pasien yang sesuai dengan fungsi otak kanan dan otak kiri. Tujuan dari pengujian ini adalah untuk mengetahui bentuk sinyal pada aktifitas tersebut. Tabel dan tabel adalah hasil perekaman yang diperoleh pada pengujian aktifitas lain.

7 Aktifitas Otak Kanan Rileks Olah raga Melihat TV Musik Aktifitas Otak Kiri Berpikir Matemat ika Game Baca Tabel. Hasil Perekaman Aktifitas Pada Otak Kanan Biopac MP0 Alat ukur α β θ α β θ Tabel. Hasil Perekaman Aktifitas Pada Otak Kiri Biopac MP0 Alat ukur α β θ α β θ Ket. tidak Ket. tidak Dari data pengukuran pada pasien dengan jeniskelamin lakilaki usia tahun, dapat diketahui bahwa pada otak kanan terdapat satu aktifitas yang tidak dapat terekam dengan baik sinyalnya yakni pada saat melihat televisi. Dan pada aktifitas olah raga, sinyal yang diperoleh banyak terdapat noise. Kemudian pada perekaman di otak kiri jug terdapat satu aktifitas yang tidak dapat terekam dengan baik sinyalnya yakni pada saat membaca. Dan pada aktifitas bermain, sinyal yang diperoleh memiliki noise. Prosentase sinyal dapat terekam pada delapan aktifitas yang dilakukan adalah 5%. IV. KESIMPULAN Dari hasil yang diperoleh dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut:. Tutup kepala terbuat dari bahan kain elastis dengan lubanglubang untuk peletakan elektroda yang sesuai dengan titiktitik pada sistem peletakan elektroda.. Pada modul EEG untuk rangkaian penguat instrumentasi didapatkan ratarata error,5%, dan untuk rangkaian penguat tak pembalik,%.. Dari dua puluh peletakan elektroda didapatkan bentuk sinyal perekaman yang mendekati sinyal dari Biopac MP0 untuk alpha 0 titik, beta titik dan teta titik. V. DAFTAR PUSTAKA []. AT Mega8 Datasheet. Atmel [] Adiguna, Buce Patria, 00, Tugas Akhir: Algoritma Pendet Otomatis Dan Pengurangan Dari Periode ECG ke Periode EEG Paska Aktifitas Dengan Menggunakan Histogram. Surabaya. PENSITS [] Bayu, Bima Sena Slide Filter Digital. Surabaya. PENSITS. [4] Gayakwad, Ramakant A.. Opamps and Linear Integrated Circuits. PrenticeHall. USA [5] (diakses pada 4 April 00) [] (diakses pada 4 januari 00) [] (diakses pada 4 April 00) [8] Hughes, Frederick W. 4. Panduan Op Amp. Jakarta. Elexmedia Komputindo [] Irwin, Allen. 00. Tugas Akhir: Kontrol Mobile Robot Berbasis Sinyal EEG: Pengenalan Sinyal EEG Sebagai Sinyal Kontrol. Surabaya. PENSITS [0] Kemalasari. 00. Slide EEG (Electroencephalograph). Surabaya. PENSITS [] Kemalasari. 00. Slide elektroda. Surabaya. PENSITS [] Kemalasari. 00. Slide Otak dan Sistem Saraf. Surabaya. PENSITS [] Setiyawan, Tri Budhi Tugas Akhir: Rancang Bangun Eelctroencephalograph Berbasis Mikrokontroller. Surabaya. PENSITS [4] Widianto, Ridla Tugas Akhir: Rancang Bangun Elektoencephalograph Dengan 8 Elektrode Berbasis PC. Surabaya. PENSITS