Sistem Instrumentasi Sinyal Electrocardiography untuk Analisa Dinamika Jantung

Transkripsi

1 Sistem Instrumentasi Sinyal Electrocardiography untuk Analisa Dinamika Jantung Eko Agus Suprayitno Bidang Keahlian Teknik Elektronika, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, Indonesia Achmad Arifin Bidang Keahlian Teknik Elektronika Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, Indonesia arifin@ee.its.ac.id Abstract Klasifikasi sinyal jantung sangat penting untuk mengetahui penyakit jantung yang seringkali datang secara tiba-tiba. Untuk mendukung pentingnya klasifikasi sinyal jantung, maka beberapa pekerjaan pendahuluan terkait pembuatan instrumentasi pendeteksian sinyal jantung (Electrocardiography) dihasilkan informasi bahwa hasil penguatan rata-rata instrumentasi Diferensial Amplifier ECG didapatkan sebesar ( ± 14.66) kali. Untuk Low Pass Filter Analog Orde 4 dengan frekuensi cutoff 100 Hz dihasilkan penguatan -3 db di area frekuensi 120 Hz. Hasil uji Notch Filter 1 dan Notch Filter 2 menghasilkan tegangan output (Vout) terkecil di frekuensi 50 Hz dengan besar Vout masing-masing (0.14 ± 0.00) volt dan (0.094 ± 0.009) volt serta Quality factor (Q) keduanya sama yaitu Analisa sinyal jantung (ECG) dengan menggunakan DFT memberikan informasi bahwa pada sinyal jantung, area frekuensinya terjadi di area 3 Hz sampai 26 Hz. Penelitian ini selanjutnya akan dikembangkan pada Multimodal Cardiac Analysis dengan menampilkan sinyal ECG, sinyal Phonocardiography (PCG) dan sinyal Tekanan Darah (diwakili sinyal Carotid Pulse) secara simultan untuk mendapatkan informasi anatomi dan fisiologi jantung yang lebih kompleks. Keywords- Electrocardiography; Low Pass Filter; Notch Filter; Discrite Fourier Transform. I. PENDAHULUAN Penyakit jantung merupakan penyakit yang sangat membahayakan. Bahkan saat ini di Indonesia penyakit jantung menempati urutan pertama sebagai penyebab kematian. Salah satu metode untuk pendeteksian awal dari penyakit jantung yang berkaitan dengan ketidaknormalan katup-katup jantung dapat dilakukan dengan teknik auskultasi. Untuk mengetahui penyakit jantung yang seringkali datang secara tiba-tiba sangat diperlukan klasifikasi sinyal jantung. Untuk itu, pengenalan secara dini terhadap penyakit jantung dengan prosedur dan penanganan lanjutan dapat mencegah peningkatan resiko fatal dari serangan jantung. Informasi seputar kerja jantung dapat diperoleh melalui prinsip kelistrikan pada jantung menggunakan sebuah instrumen medis yang disebut Electrocardiography (ECG). Pentingnya klasifikasi sinyal jantung didukung oleh banyaknya penelitian yang sudah dilakukan. Salah satunya klasifikasi dan analisa dengan memanfaatkan karakteristik yang sinkron antara suara jantung (Phonocardiography) dan ECG serta hubungan prinsip utama komponen suara jantung terhadap waktu dapat di ilustrasikan dalam tampilan sinyal suara jantung dan sinyal jantung secara simultan untuk mengklasifikasikan dan menjelaskan aktivitas mekanik jantung [1]. Selain Phonocardiography (PCG), sinyal ECG juga dapat memberikan informasi terkait aktivitas mekanik jantung. Untuk mendukung pentingnya klasifikasi sinyal jantung, maka dalam paper ini penulis mencoba menyampaikan hasil dan analisa dari beberapa pekerjaan pendahuluan pendeteksian sinyal jantung (Electrocardiography), yaitu bagian instrumentasi elektronik yang digunakan. Bagian ini memerlukan informasi penting seperti posisi peletakan elektrode pada tubuh untuk mengasilkan sinyal Electrocardiography (ECG) dan pengetahuan rangkaian elektronik untuk mendisain instrumentasi ECG. Penelitian ini akan didukung juga dengan metode Discrite Fourier Transform (DFT) untuk mengetahui area nilai frekuensi sinyal ECG yang di hasilkan.. II. SINYAL JANTUNG Jantung adalah otot yang bekerja terus menerus seperti pompa. Setiap denyut jantung dibentuk oleh gerakan impuls listrik dari dalam otot jantung. Sel-sel pacemaker merupakan sumber bioelektrik jantung. Ada tiga sumber utama pacemaker, yaitu SA Node, AV Node dan serabut punkinje / otot ventrikel. Electrocardiograph (ECG) merupakan metoda yang umum dipakai untuk mengukur kinerja jantung manusia melalui aktivitas elektrik jantung. Sinyal jantung (ECG) merupakan sinyal biomedik yang bersifat nonstationer, dimana sinyal ini mempunyai frekuensi yang berubah terhadap waktu sesuai dengan kejadian fisiologi jantung. Informasi seputar kerja jantung dapat diperoleh melalui prinsip kelistrikan pada 1

2 jantung. ECG memiliki peran penting dalam proses pemantauan dan mencegah serangan jantung. Diferensial Amplifier dilewatkan ke pengkondisian sinyal menuju Osiloskop Agilent tipe 54621A untuk mendapatkan data.txt. Gambar 2. Diagram blok pembuatan istrumentasi ECG beserta analisa sinyal ECG dengan DFT Gambar 1. Sinyal ECG Sinyal ECG (Gambar 1) terdiri dari tiga gelombang dasar P (depolarisasi atrium), kompleks QRS (depolarisasi ventrikel) dan gelombang T (repolarisasi ventrikel) [2]. Gelombang P pada umumnya berukuran kecil dan merupakan hasil depolarisasi otot atrium. Gelombang kompleks QRS ialah suatu kelompok gelombang yang merupakan hasil depolarisasi otot ventrikel, dan Gelombang T menggambarkan repolarisasi otot ventrikel. III. DISCRETE FOURIER TRANSFORM (DFT) Untuk dapat menganalisa sinyal kedalam domain frekuensi, sinyal terlebih dahulu harus ditransformasi menggunakan Fourier. Transformasi Fourier (TF) direpresentasikan kedalam persamaan matematis seperti pada Persamaan 1. TF berjalan sesuai dengan translasi suatu fungsi dalam domain waktu kedalam fungsi dari domain frekeunsi. Hasil perhitungan dari transformasi fourier dapat dijadikan bahan dalam menganalisa sinyal, karena nilai-nilai dari koefisien fourier merupakan hasil dari frekuensi-frekuensi sinus dan cosinus yang digunakan dalam TF. Untuk data diskrit, TF disebut sebagai Discrite Fourier Transform (DFT). DFT direpresentasikan kedalam matematis, seperti pada Persamaan 2. F j t x t X x t e dt DFT (1) x n X k N 1 n 0 2 j kn N x( n) e (2) IV. METODE Gambar 2 merupakan diagram blok pembuatan istrumentasi ECG beserta analisa sinyal ECG dengan DFT. Pengambilan data dengan elektroda pada ECG dilakukan dengan memasang elektroda jepit yang diberi lapisan gel pada lapisan penjepitnya. Pemasangannya elektrode dilakukan pada pergelangan tangan kanan dan pergelangan tangan kiri sebagai input tegangan positif, sedangkan pergelangan kaki kanan atau kiri difungsikan sebagai grond. Kemudian sinyal dari Gambar 3. Rangkain Diferensial Amplifier instrumentasi ECG Osiloskop Agilent tipe 54621A memiliki frekuensi maksimum 60 MHz dan kemampuan ADC maksimum 200 MSa/s. Data.txt yang dihasilkan kemudian diolah menggunakan Discrite Fourier Transform (DFT) melalui Program Delphi 7 untuk didapatkan informasi frekuensi. A. Pembuatan Instrumentasi Electrocardiography (ECG). Perancangan Diferensial Amplifier instrumentasi ECG Nilai R1 = R2; R4 = R5 dan R6 = R7, untuk mencari nilai dari Vout menggunakan Persamaan (3). V2 dan V1 didapat dari beda potensial yang di hasilkan pada tubuh. Perancangan Rangkain Low Pass Filter Orde 4 frekuensi Cutoff 100 Hz Rangkain Low Pass Filter orde 4 dibentuk dari 2 buah rangkaian Low Pass Filter orde 2 Sallen-Key Topology sebagaimana diagram blok Gambar 4 dan rangkaiannya ditunjukkan sebagaimana Gambar 5. Nilai a1 = ; b1 = ; a2 = dan b2 = merupakan koefisien Butterworth untuk orde 4. Low Pass Filter orde 2 pertama dapat dihitung dengan Persamaan (4) dan (5) dengan nilai C 1 = 47 nf. Low Pass Filter orde 2 kedua dihitung menggunakan persamaan (4) dan (5) dengan mengganti R1 menjadi R3 ; R2 menjadi R4 ; C1 menjadi C3; C2 menjadi C4 ; a1 menjadi a2 ; b1 menjadi b2. (3) 2

3 (9) Gambar 4. Susunan tahapan Low Pass Filter orde 4 Gambar 5. Rangkain Low Pass Filter orde 4 frekuensi cutoff 100 Hz (10) B. Posisi Perekaman Sinyal Electrocardiography (ECG) Sinyal ECG direkam dengan bantuan elektroda yang terpasang pada tiga titik tubuh, yaitu Right Arm (RA), Left Arm (LA), dan Left Leg (LL) sesuai aturan segitiga Einthoven sebagaimana Gambar 7. Instrumentasi ECG yang sudah terbuat kemudian dihubungkan ke osiloskop untuk ditampilkan bentuk sinyalnya dan mendapatkan file data.txt untuk selanjutnya diolah dengan Discrite Fourier Transform (DFT) dengan bantuan program Delphi 7. C. Analisa Sinyal Electrocardiography (ECG) dengan DFT dan secara Anatomi Fisiologis. Sinyal ECG dan informasi frekuensi sinyal yang dihasilkan pada hasil perekaman dan analisa dengan DFT kemudian akan dijelaskan secara anatomi dan fisiologis untuk mendapatkan makna dari hasil riset yang sudah dilakukan. V. HASIL EKSPERIMEN Gambar 6. Rangkain Notch Filter Perancangan Notch Filter Rangkaian Notch Filter pada penelitian ini digunakan untuk menghilangkan noise jala-jala frekuensi 50 Hz pada supplay tegangan maupun yang di timbulkan Osiloskop. Rangkaian Notch Filter di tunjukkan seperti Gambar 6. Nilai C1 yang digunakan sebesar 1 µf, RA = 1kΩ dan frequency cut off f o = 50 Hz. Nilai center frequency r, nilai quality factor Q, R2, R1 dan RB dihitung dengan Persamaan (6), (7), (8), (9) dan (10). r = 2 f o (6) (4) (5) A. Hasil Uji Pembuatan Instrumentasi ECG Hasil Uji Diferensial Amplifier instrumentasi ECG Dari tabel 1 dapat dijelaskan bahwa berdasarkan hasil uji alat dengan variable tetap frekuensi 1 Hz, variable berubahnya tegangan input (Vin) yang bervariasi dari volt hingga volt dengan increment volt dan percobaan yang dilakukan sebanyak 5 kali. Dihasilkan besar penguatan minimumnya sebesar ( ± 1.57) kali yang terjadi pada Vin volt, dan besar penguatan maksimumnya sebesar ( ± 3.35) kali yang terjadi pada Vin volt. Untuk penguatan rata-rata instrumentasi Diferensial Amplifier didapatkan sebesar ( ± 14.66) kali. Hasil Uji Perancangan Rangkain Low Pass Filter Orde 4 frekuensi Cutoff (fc) 100 Hz. Dari hasil uji Intrumentasi Low Pass Filter analog Orde 4 frekuensi Cutoff (fc) 100 Hz dengan variable tetapnya tegangan input (Vin) sebesar 1 volt dan variable berubahnya adalah frekuensi dari 1 Hz sampai Hz dengan banyaknya pengujian alat sebanyak 5 kali dihasilkan tampilan grafik sebagaimana Gambar 8. Penguatan -3 db atau ( ± 0.008) kali terjadi di frekuensi 120 Hz. (7) (8) 3

4 Gambar 7. Posisi elektrode pada perekaman sinyal ECG Gambar 8. Grafik Hasil Uji Low Pass Filter fc 100 Hz Tabel 1. Hasil uji Diferensial Amplifier instrumentasi ECG. Frekuensi = 1 Hz Vout/Vin Diferensial Amplifier Percobaan ke- Rata- Standar Vin (V) rata Deviasi Rat* St Dev** * rata rata penguatan ** Standar deviasi Hasil Uji Perancangan Notch Filter. Berdasarkan hasil uji Notch Filter 1 dengan function generator, untuk variable tetapnya adalah tegangan input (Vin) 1 volt dan variable berubahnya adalah besarnya frekuensi dari 1 Hz sampai 600 Hz dengan pengujian alat sebanyak 5 kali, dihasilkan tegangan output (Vout) terkecil terjadi di frekuensi 50 Hz dengan besar Vout (0.14 ± 0.00) volt sebagaimana Tabel 2 dan Quality factor (Q) yang dihasilkan sebesar Hasil tampilan grafinya ditunjukkan sebagaimana Gambar 9. Sedangkan hasil uji Notch Filter 2 dengan perlakuan yang sama dihasilkan tegangan output (Vout) terkecil terjadi di frekuensi 50 Hz dengan besar Vout (0.094 ± 0.009) volt dan Quality factor (Q) yang dihasilkan sebesar Gambar 9. Grafik Hasil Uji Notch Filter 1 Tabel 2. Hasil uji Notch Filter 1 instrumentasi ECG Vin* Vout Notch Filter Percobaan ke- Rata- Standar Frek (Hz) rata Deviasi

5 Vin* = Vinput (Peak to peak ) = 1 volt B. Hasil Posisi Perekaman Sinyal Electrocardiography (ECG) Hasil perekaman sinyal sinyal ECG dengan bantuan instrumentasi ECG pada pasien jantung normal yang berjenis kelamin laki-laki, usia 33 tahun, berat badan 63 Kg dan tinggi badan 169 cm dengan banyaknya perekaman 4 kali, menghasilkan dua siklus sinyal ECG seperti Gambar 10. Data.txt yang diperoleh diolah dengan DFT melalui program Delphi 7 hasilnya di tunjukkan pada Gambar 11. Gambar 10. Sinyal ECG Gambar 11. Tampilan hasil DFT sinyal ECG Pada Gambar 10 dihasilkan sinyal ECG yang smooth, hasil sinyal ini didapatkan setelah melewati 2 buah Notch Filter. Ketika sinyal melewati 1 Notch Filter didapatkan sinyal yang tidak smooth dan masih banyak terpengaruh noise frekuensi 50 Hz, ini dibuktikan dengan hasil DFT. Pada posisi 50 Hz masih menampilkan magnitude yang tinggi hampir melebihi area frekuensi sinyal ECG. Setelah melewati 2 buah Notch Filter dihasilkan sinyal seperti Gambar 10 dan meminimalkan magnitude pada frekuensi 50 Hz sebagaimana pada Gambar 11. Dari hasil DFT pada sinyal ECG memberikan informasi bahwa sinyal ECG area frekuensinya di antara 3 Hz sampai 26 Hz. C. Hasil Analisa Sinyal Electrocardiography (ECG) dengan DFT dan secara Anatomi Fisiologi. Hasil DFT pada sinyal ECG memberikan informasi bahwa sinyal ECG area frekuensinya di antara 3 Hz sampai 26 Hz. Sehingga sistem konduksi jantung dalam menghasilkan sinyal ECG dalam menggambarkan beberapa peristiwa, seperti depolarisasi atrium yang ditunjukkan terjadinya gelombang dasar P pada sinyal ECG, depolarisasi ventrikel yang di tunjukkan terjadinya gelombang kompleks QRS pada sinyal ECG dan repolarisasi ventrikel yang ditunjukkan terjadinya gelombang T pada sinyal ECG [2], keseluruhan peristiwa tersebut bekerja di area frekuensi antara 3 Hz sampai 26 Hz. Next plan penelitian ini akan di lanjutkan ke Multimodal Cardiac Analysis dengan menampilkan sinyal ECG, sinyal Phonocardiography (PCG) dan sinyal Tekanan Darah (diwakili sinyal Carotid Pulse) secara simultan dan dianalisa dengan metode tertentu seperti time frequency analysis yaitu Continuous Wavelet Transform (CWT) untuk mendapatkan informasi frekuensi dan waktu pada sinya yang dianalisa serta informasi dinamika jantung yang lebih kompleks baik secara anatomi maupun fisiologi. VI. KESIMPULAN Untuk mendukung pentingnya klasifikasi sinyal jantung, maka hasil beberapa pekerjaan pendahuluan terkait pendeteksian sinyal jantung (Electrocardiography) menggunakan instrumentasi ECG dihasilkan informasi bahwa hasil penguatan rata-rata instrumentasi Diferensial Amplifier ECG sebesar ( ± 14.66) kali. Untuk Low Pass Filter Analog Orde 4 dengan frekuensi cutoff 100 Hz penguatan -3 db terjadi di area frekuensi 120 Hz. Sedangkan hasil uji Notch Filter 1 dihasilkan tegangan output (Vout) terkecil di frekuensi 50 Hz dengan besar Vout (0.14 ± 0.00) volt dengan Quality factor (Q) sebesar Serta untuk Notch Filter 2 dihasilkan tegangan output (Vout) terkecil di frekuensi 50 Hz dengan besar Vout (0.094 ± 0.009) volt dan Quality factor (Q) yang dihasilkan sebesar Analisa sinyal jantung (ECG) dengan menggunakan DFT memberikan informasi bahwa pada sinyal jantung, area frekuensinya di antara 3 Hz sampai 26 Hz. Sehingga sistem konduksi jantung dalam menghasilkan sinyal ECG dalam menggambarkan beberapa peristiwa, seperti depolarisasi atrium yang ditunjukkan terjadinya gelombang dasar P pada sinyal ECG, depolarisasi ventrikel yang di tunjukkan terjadinya gelombang kompleks QRS pada sinyal ECG dan repolarisasi ventrikel yang ditunjukkan terjadinya peristiwa gelombang T pada sinyal ECG [2], keseluruhan peristiwa tersebut bekerja di area frekuensi antara 3 Hz sampai 26 Hz. Penelitian ini selanjutnya akan dikembangkan pada Multimodal Cardiac Analysis dengan menampilkan sinyal ECG, sinyal Phonocardiography (PCG) dan sinyal Tekanan Darah (diwakili sinyal Carotid Pulse) secara simultan untuk mendapatkan informasi anatomi dan fisiologi jantung yang lebih kompleks. Serta dianalisa dengan metode tertentu seperti time frequency analysis yaitu Continuous Wavelet Transform (CWT) untuk mendapatkan informasi frekuensi dan waktu pada ketiga sinyal yang dihasilkan. REFERENCES [1] J.P. de Vos, and M.M. Blanckenberg, Automated Pediatric Cardiac Auscultation, IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 54, pp , [2] Jaakko Robert, Bioelectromagnetism: Principles and Applications of Bioelectric and Biomagnetic Fields, New York, OXFORD UNIVERSITY PRESS, pp , [3] Ranagayyan, Biomedical Signal Analysis A Case-Study Approach, IEEE Press, John Wiley & Sons, INC, Canada, [4] E.A. Suprayitno, R.Hendra, A. Arifin, Analisa Sinyal Electrocardiography dan Phonocardiography Secara Simultan Menggunakan Continuous Wavelet Transform, Proceedings of the The 6th EECCIS Seminar 2012 at Brawijaya University, Malang, pp. B B18-6,

6 6