BAB II LANDASAN TEOI Simulator ECG adalah sinyal tiruan aktifitas jantung yang banyak digunakan baik oleh tenaga medis maupun teknisi lainya yang berkaitan dengan penggunaan alat perekam aktifitas listrik jantung. Untuk membuat simulator ECG berikut ini akan dibahas dasar-dasar pengetahuan yang berkaitan dengan system yang dirancang. 2.1 Jantung Sebagai Sumber Bipotensial Listrik Jantung manusia berfungsi untuk memompa darah ke seluruh tubuh dan menerima darah hasil metabolisme untuk dibersihkan di paruparu. Kerja otot-otot jantung dapat diamati dari kelistrikannya, sehingga bila direkam menjadi elektrokardiogram dokter dapat melakukan analisis keadaan jantung pasien. 2.1.1. Kelistrikan Jantung Otot jantung terdiri dari berjuta-juta sel jantung, sebuah sel jantung dapat dimodelkan sebagai sel yang mempunyai bagian dalam dan bagian luar sel dan berisi antara lain ion-ion Na, K, Cl dengan konsentrasi berbeda. Kedua larutan tersebut dipisahkan oleh membrane semipermiable. Aktifitas listrik pada otot jantung dapat diamati dengan melakukan pengukuran selisih potensial disekitar jantung. Aktifitas kelistrikan sel jantung ini dapat dibagi menjadi 3 kondisi. Pertama saat sel dalam keadaan polarisasi, maka selisih potensial antara 5
bagian dalam sel terhadap luar sel terdapat tegangan berkisar -90 mv. Bila diberikan rangsangan terhadap sel tersebut maka akan terjadi depolarisasi muatannya, sehingga bila diukur akan terdapat selisih potensialnya dapat mencapai +20 mv. Keadaan ini akan berlangsung sesaat dan sel jantung akan kembali ke keadaan semula atau -90 mv. Aksi pada sel tersebut merangsang sel-sel disekitarnya sehingga terjadi depolarisasi bagian otot jantung. Depolarisasi dimulai dari simpul Sino Atrium (SA node) dan menjalar ke ventrikel, beberapa saat setelah terbentuknya gelombang depolarisasi akan diikuti kontraksi otot-otot jantung. Gambar 2.1 menunjukkan hasil rekaman aktifitas listrik jantung (elektrokardiogram). Gelombang P menunjukkan depolarisasi atrium, gelombang QS menunjukkan depolarisasi gelombang ventrikel dan gelombang T merupakan repolarisasi ventrikel. Parameter penting dalam keperluan klinik adalah besarnya amplitudo, bentuk fungsi waktu dan BPM. Oleh karena itu dalam pembuatan simulator ECG hal ini perlu menjadi perhatian. Nilai Frekwensi Jantung pada manusia adalah sebagai berikut : Frekwensi jantung yang normal ialah : 60 100 X/menit Lebih besar dari 100 X/menit Kurang dari 60 X/menit : (sinus) Takikardia : (sinus) Bradikardia 140 250 X/menit : Takikardia abnormal 250 350 X/menit : Flutter Lebih besar dari 350 X/menit : Fibrillasi 6
Gambar 2.1 Elektrokardiogram Pendekatan yang dipakai untuk mendapat selisih potensial dari aktifitas listrik jantung adalah dengan membuat pemodelan. Pemodelan yang umum adalah sel jantung dianggap sebagai dipole listrik yang mempunyai momen dipole p. Maka saat perambatan depolarisasi dan repolarisasi pada sel-sel jantung akan didapat jumlah vektor dari moment dipole (p) yang besar dan arahnya berubah-ubah bergantung pada depolarisasi dan repolarisasi pada saat itu. Pengukuran tegangan yang terjadi karena moment dipole tersebut dapat dituliskan dalam persamaan 2-1 dan digambarkan pada gambar 2.2, v = { p. / (4πε 0 r 3 ) } 2-1 Dari persamaan 2-1 dapat diterangkan bahwa besarnya selisih potensial antara dua titik pengukuran yang dipisahkan sejauh dan berjarak sama dari sumber dipole adalah bergantung pada besarnya momen dipole p yang diproyeksikan pada garis 7
Hal ini dapat diterapkan pada pengukuran ECG, yaitu mengukur selisih potensial listrik pada bidang frontal dan pada bidang transverse seperti yang ditunjukkan pada pengukuran metoda standar 12 sadapan. Metoda standar 12 pengukuran adalah metoda pengukuran kelistrikan jantung yang digunakan untuk keperluan aplikasi klinis. Pada bidang frontal terdapat enam simpul, Tangan Kanan (A), Tangan Kiri (LA), Kaki Kiri (LL) dan Kaki Kanan (L). Simpul Kaki Kanan digunakan sebagai simpul referensi atau ground dan untuk bidang transverse ada enam simpul yang dipasang dilingkar dada dekat jantung. 2.1.2. Metode Standar 12 Sadapan Pada pengukuran aktivitas listrik jantung metoda 12 sadapan dapat digambarkan pada bidang frontal terdapat 6 pengukuran dari 3 simpul, sedangkan pada bidang transverse terdapat enam jenis pengukuran dari enam elektroda terpasang disekeliling dada dan ketiga sumber signal pada tangan kanan, tangan kiri, dan kaki kiri digabung menjadi satu dan posisi electrode lainnya sebagai sinyal masukan yang lain. Untuk bidang frontal dapat digambarkan sebagai segi tiga Einthoven seperti pada gambar 2.2. dari gambar 2.2 dapat dilihat bahwa proyeksi moment dipole pada pengukuran lead II akan menghasilkan nilai yang paling besar. Bila selisih potensial tersebut direkam maka akan 8
didapat sebuah sinyal ECG dari tiap simpul yang sefase dengan amplitude yang berbeda-beda. A LA A LA I av L LL L LL /2 A LA A LA II avf A L LA LL AL LL LA /2 /2 III avl L LL L LL A LA /3 V Leads L LL Gambar 2.2 Penempatan Elektrode Metoda Standar 12 Sadapan 9
Disamping itu pula dilihat dari sisi rangkain listrik, dapat dibuat persamaan pada loop tersebut sebagai berikut. I LA I II L Gambar 2.3 Segi Tiga Einthoven + I II + III = 0 Atau II = I + III..2-2 Oleh karena itu dalam pemebuatan simulator ECG dapat dibuat sinyal ECG kemudian dibuat perbandingan skala untuk mendapatkan skala untuk mendapatkan sumber sinyal LA, A, LL. 2.2. Sistem Pembangkit Sinyal Jantung Prinsip dasar pembangkit sinyal jantung digital adalah dengan melakukan digitasi sinyal ECG dan mengeluarkan data tersebut dengan sampling rate yang berbeda-beda tergantung pada pemilihan BPM. 10
2.2.1. Digitatasi Sinyal Jantung Sinyal ECG seperti pada gambar 2.1 dibuat menjadi diskrit dengan jumlah n dan dilakukan kuantisasi. Data diskrit yang telah dikuantisasi ke dalam data berjumlah m bit, misalnya pada penulisan ini diambil n adalah 96 dan m 8 bit. Untuk menghasilkan sinyal ECG analog dilakukan konversi data tersebut menjadi sinyal analog dengan DAC. Data dikeluarkan dengan sampling rate, yang berbeda-beda sesuai dengan BPM yang dipilih. Pada penulisan ini digunakan BPM 30, 60, 120, dan 180, hal ini berarti untuk 96 data pada BPM tersebut mempunyai sampling rate yang berbeda-beda. BPM adalah jumlah bit dalam satu menit dan dapat dituliskan dala rumus sebagai berikut : BPM = 60 x F.2-3 Untuk BPM 60, maka F = 1 Hz atau T = 1 detik, oleh karena itu untuk data ECG 96 pada BPM tersebut diperlukan sampling rate sebesar 96 Hz. 2.3. Mikrokontroller ATMEL 89S51 Mikrokontroller ATMEL 89S51 dapat digambarkan diagram bloknya seperti pada gambar 2.4. Pada mikrokontroller ini terdapat EPOM (2 Kbyte) sehingga dapat menyimpan program simulator ECG, AM internal (256 byte) yang dapat dimanfaatkan untuk fasilitas pengembangan program. Pada mikrokontroller ini tersedia timer yang dapat digunakan sebagai bagian yang membantu pengaturan sampling 11
rate, terdapat 4 port input output, yang memudahkan pemrograman untuk berhubungan dengan sitem. Port output akan digunakan untuk DAC dan port input digunakan untuk pemilihan BPM Sistem timer pada mikrokontroller ATMEL 89S51 dapat digambarkan seperti di bawah ini untuk timer mode 1, yang akan dimafaatkan pada perancangan simulator ini. Gamabar 2.5 Sistem Timer Pada ATMEL 89S51 Pada timer mode 1, register counter adalah 16 bit, inisialisasi timer pada register TMOD nya adalah 0001xxxx; ini berarti G = 0, mengaktifkan S2 hanya bergantung pada T1 (TCON), C/T = 0 berarti sumber clock berasal dari signal clock internal dan 01 menggunakan register counter TH1 dan TL1. Sehingga bila menggunakan timer 1 untuk 12
delay, waktu delay dihitung dikonversikan untuk mengisi counter TL1 dan TH1 sehingga bila bekerja system timer ini program menunggu sampai terjadi over flow yang dibaca pada TF1 (register TCON). 2.3.1 Konfigurasi PIN AT89S51 Gambar 2.5 Konfigurasi Pin AT89S51 Fungsi dari tiap pin pada mikrokontroller AT89S51 yang ditunjukkan gambar 2.6 diatas adalah sebagai berikut : A. Pin 1 hingga 8 (POT 1) Merupakan port parallel 8 bit dua arah (bidirectional) yang dapat digunakan untk I/O atau menerima low order address bytes. Port ini mempunyai internal pull up dan berfungsi sebagai input dengan 13
memberikan logika 1. Sebagai output port ini dapat memberikan output sink keempat buah TTL. B. Pin 8 (ST) Merupakan masukan reset yang aktif dengan memberikan input high selama 2 siklus mesin. Pin ini dihubungkan ke rangkaian power on reset. C. Pin 10 hingga 17 (POT 3) Merupakan port paralel 8 bit dua arah yang dapat digunakan untuk I/O serta memiliki fungsi special, diantaranya : serial I/O, external interrupt, external timer dan external data memory. D. Pin 18 (XTAL1) Pin masukan kerangkaian osilator internal E. Pin 18 (XTAL2) Pin Keluaran ke rangkaian osilator internal F. Pin 20 (GND) Dihubungkan ke Vss atau Ground G. Pin 21 hingga 28 (POT 2) Merupakan port parelel dua arah yang dapat digunakan sebagai I/O dan high order address pada saat mengakses memori secara 16 bit. Port ini mempunyai internal pull up dan berfungsi sebagai input dengan memberikan logika 1 serta dapat memberikan sink keempat buah TTL input. 14
H. Pin 29 (PSEN) Program Store Enable (PSEN) merupakan sinyal pengontrol yang membolehkan mengeksekusi program yang terletak pada memori eksternal ke dalam bus selama proses pengambilan instruksi I. PIN 30 (ALE/POG) Berfungsi sebagai Address Latch Enable yang menahan alamat memori eksternal selama pelaksanaan instruksi. Sedangkan pada saat Flash Programming (POG) berfungsi sebagai pulse input, ALE hanya akan aktif pada saat mengakses memori eksternal. J. Pin 31 (EA/VP) Pada kondisi Low pin ini akan berfungsi untuk menjalankan program yang ada pada memori eksternal setelah system di-reset. Pada kondisi High akan berfungsi untuk menjalankan program yang ada pada memori internal. K. Pin 32 hingga 39 (POT 0) Merupakan port parallel dua arah yang digunakan sebagai I/O. Tidak memiliki internal pull up, pada saat flash programming diperlukan external pull up pada saat verifikasi data. L. Pin 40 (Vcc) Dihubungkan ke Power Supply (Vcc). 15
2.4. DIGITAL TO ANALOG CONVETE (DAC) DAC adalah Digital to Analog Converter yang mengubah sinyal digital menjadi sinyal analog. Komponen ini akan digunakan sebagai konversi data ECG digital menjadi sinyal ECG analog. Diagram blok DAC AD 7302, Dual Voltage Output 8-bit DAC produk Analog Device digambarkan pada gambar 2.6. Terdapat 2 buah DAC dengan Kontrol pada pin A/B, bila Low maka DAC A yang dipilih, sebaliknya bila High maka DAC B. Data akan masuk ke register bila pin CS atau W diberi aktif atau pada keadaan rising edge. Gambar 2.6 Diagram Blk AD7302 Tegangan referensi dapat yang dipilih dari sumber tegangan sendiri, pin EFIN atau dari V DD, yaitu V DD /2. Data masukan kedua DAC dapat di update secara bersamaan melalui signal kontrol di pin LDAC (asynchronous LDAC) atau dikosongkan dengan mengaktifkan sinyal pada pin CL. Terdapat low power down bila pin PD diaktifkan pada kondisi 16
low maka konsumsi arusnya kurang dari 1 μa. Tegangan keluarannya didapat dari persamaan : Vo = 2 x V EF x (N/256) 2-4 V EF Adalah referensi yang diberikan dari luar pada pin V EF atau V DD /2 jika tegangan referensi internal yang dipilih. Terdapat dua mode, pertama Automatic Update Mode yang akan bekerja bila signal LDAC diberi ground atau selalu nol, data akan di update saat signal pada pin W kondisi rising edge. Gambar pewaktuannya ditunjukkan pada gamabar 2.7 Gambar 2.7 Pewaktu Dan Pengaturan egister Pada Automatic Update Mode Pada perancangan simulator ini digunakan DAC A dengan mode Automatic Update Mode, sinyal CS dan A/B digroundkan, sehingga yang dikontrol hanya sinyal W saja, yaitu memberikan nilai tinggi (satu) ke rendah (nol) dank e tinggi lagi seperti pada gambar 2.7. 17
18