RANCANG BANGUN ELECTROCARDIOGRAF PENDETEKSI LEFT VENTRICULAR
FAILURE
Dea Africo Santoso1, Youlanda Fahmyantoro2, Sulfan Bagus Setyawan3 Politeknik Negeri Madiun1,Politeknik Negeri Madiun2,Politeknik Negeri Madiun3
e-mail :1[email protected],2[email protected],3[email protected], ABSTRACT
Electrocardiogram (ECG) is a medical test to detect heart abnormalities by measuring the electrical activity produced by the heart, as the heart contracts. ECG can help diagnose various health conditions such as cardiac arrhythmias, heart enlargement, heart inflammation (pericarditis or myocarditis), and coronary heart disease. In general, detection of heart disease can only be done in a hospital using ECG. The system that is used now also cannot be used to automatically detect the patient's illness when using the ECG. In this paper the author makes a tool that can detect portable heart signals. From the detected heart signal we can determine that the heart's condition is normal or there is an abnormality in the heart. The heart signal was detected from the electrode clamp sensor mounted on the right arm (RA), left arm (LA) and right leg (RL). The signal from the sensor is amplified with an amplifier amplifier circuit so that it can be read by the STM32F4 ARM microcontroller. The microcontroller processes the signal from the sensor and will be displayed on the Computer Application. Connection between Microcontroller and PC using a Bluetooth serial connection. The final appearance in this final project can display the shape of the ECG signal and determine that the heart is normal or abnormal. Based on the test results obtained from the comparison of ECG devices made with the ECG type BTL-08 SD there is an error of 1.06%.
Keywords : ECG,cardiac,left ventricular
INTISARI
Elektrokardiogram (ECG) adalah tes medis untuk mendeteksi kelainan jantung dengan mengukur aktivitas listrik yang dihasilkan oleh jantung, sebagaimana jantung berkontraksi. ECG dapat membantu mendiagnosis berbagai kondisi kesehatan seperti aritmia jantung, pembesaran jantung, peradangan jantung (perikarditis atau miokarditis), dan penyakit jantung koroner. Pada umumnya, deteksi penyakit jantung hanya dapat dilakukan dirumah sakit dengan menggunakan ECG. Sistem yang digunakan sekarang juga tidak dapat digunakan untuk mendeteksi secara otomatis penyakit yang diderita pasien ketika menggunakaN ECG. Pada paper ini penulis membuat alat yang dapat mendeteksi sinyal jantung portable. Dari sinyal jantung yang dideteksi tersebut kita dapat menentukan bahwa kondisi jantung tersebut normal atau terdapat kelainan pada jantung. Sinyal jantung dideteksi dari sensor electrode clamp yang dipasang pada lengan kanan (RA), lengan kiri (LA) dan kaki kanan (RL). Sinyal dari sensor dikuatkan dengan rangkaian penguat Amplifier agar dapat dibaca oleh Mikrokontroler ARM STM32F4. Mikrokontroler memproses sinyal dari sensor dan akan ditampilkan pada Aplikasi Komputer. Koneksi antara Mikrokontroler dengan PC menggunakan koneksi serial Bluetooth. Bentuk tampilan akhir pada tugas akhir ini dapat menampilkan bentuk sinyal ECG dan menentukan bahwa jantung tersebut dalam keadaan normal atau abnormal. Berdasarkan hasil pengujian yang diperoleh dari perbandingan alat ECG yang dibuat dengan Alat ECG tipe BTL-08 SD terdapat error sebesar 1,06%.
Kata kunci : ECG, jantung,left ventricular
1. PENDAHULUAN
Penyakit tidak menular (PTM) merupakan penyebab utama kematian secara global tak terkecuali di Indonesia. Data WHO menunjukkan bahwa dari 57 juta kematian yang terjadi di dunia pada tahun 2008, sebanyak 36 juta atau 63% disebabkan oleh Penyakit Tidak Menular (PTM). Penyebab kematian PTM, seperti penyakit kardiovaskular (penyakit jantung) merupakan penyebab terbesar (39%), diikuti kanker (27%), penyakit pernapasan kronis, penyakit pencernaan dan PTM lainnya bersama-sama menyebabkan sekitar 30% kematian, serta diabetes menyebabkan 4% kematian. Menurut Badan Kesehatan Dunia WHO, kematian akibat PTM diperkirakan akan terus meningkat di seluruh dunia, peningkatan terbesar
akan terjadi di negara negara menengah dan miskin, lebih dari dua pertiga atau 70% dari populasi global akan meninggal akibat penyakit tidak menular seperti kanker, penyakit jantung, stroke dan diabetes (Pusat Data dan Informasi Kementerian Kesehatan RI, 2012) .Di Indonesia, menurut Data Riset Kesehatan Dasar (Riskesdas) angka kematian yang diakibatkan PTM meningkat dari 41,7% pada tahun 1995 menjadi 49.9% pada tahun 2001 dan 59,5% pada tahun 2007. Penyebab kematian tertinggi adalah penyakit jantung, seperti stroke, Hipertensi, dan penyakit jantung lainnya (Kementerian Kesehatan RI, 2014) .
Jantung sendiri mempunyai pola yang dapat diamati, bahkan setiap detaknya mempunyai informasi yang menggambarkan kesehatan dan kondisi jantung itu sendiri. Kelainan pada jantung pun juga bisa dideteksi dari pola detak jantung itu sendiri. Salah satu perangkat bioinstrumen yang digunakan untuk mendeteksi adanya kelainan pada jantung adalah Electrocardiograph (ECG). Selama ini penderita jantung melakukan pengobatan dengan melakukan pemeriksaan rutin ke dokter dengan durasi waktu tertentu. Sehingga tidak ada laporan keadaan kesehatan jantung secara kontinyu. Oleh karena itu diperlukan alat yang mampu mendeteksi kelainan jantung sehingga para penderita penyakit jantung bisa berobat lebih dini untuk membantu mengurangi nilai kematian akibat serangan jantung.
Telah banyak penelitian dikembangkan untuk dapat mendeteksi kelainan aritmia. Ronny Mardiyanto (2006) menggunakan analisa kecepatan denyut jantung untuk mendeteksi aritmia Kecepatan denyut jantung pada penelitian tersebut didasarkan pada perhitungan R-R interval yang diperoleh dari deteksi QRS secara analog(Ronny,2006). Kohler dkk pada papernya yang berjudul “The Principles of
Software QRS Detection” telah mengkaji dan membandingkan algoritma-algoritma untuk mendeteksi sinyal QRS-komplek menggunakan software (Kohler,2002). Salah satu algoritma yang sederhana untuk deteksi QRS ini dipaparkan oleh Tompkins (1995) pada bukunya yang berjudul “Biomedical Digital Signal Processing”. Pada buku tersebut dijelaskan deteksi QRS menggunakan teknik band pass filtering. Melalui deteksi QRS ini dapat diperoleh perhitungan denyut jantung pasien tiap menit dengan menghitung R-R intervalnya(Tompkins,1995). Kecepatan denyut inilah yang dapat dijadikan salah satu acuan untuk menganalisa adanya kelainan aritmia. Aritmia ada bermacam–macam, sehingga dibutuhkan suatu alat yang mampu membedakan kelainan satu dengan yang lainnya. Kelainan tersebut dapat dibedakan dari bentuk sinyal ECG yang dihasilkan oleh aktifitas otot jantung, setiap kelainan memiliki bentuk sinyal yang berbeda dengan kelainan yang lain.
Dari latar belakang permasalahan tersebut pada penelitian ini penulis membuat suatu sistem yang dapat membaca dan mengidentifikasi sinyal ECG yang dapat divisualisasikan pada komputer secara realtime juga mampu mengakuisisi data, sehingga dapat mengklasifikasikan keadaan jantung dalam keadaan normal atau terjadi kelainan jantung Bradycardia dan Tachycardia.
2. METODE PENELITIAN
Pada bab ini akan menjelaskan tentang desain alat Rancang Bangun Instrumentasi Elektrocardiograf, diagram sistem, blok diagram hardware dan Sistem Deteksi Jantung Normal dan Abnormal berdasarkan Electrocardiograf
Gambar 1. Rancangan hardware ECG
Pada perancangan alat ini penulis akan menjelaskan tentang prinsip kerja pada Gambar 1. Dalam rangkaian ECG input dari rangkaian adalah tiga buah elektroda yang ditaruh pada lengan dan pergelangan kaki yang telah dikuatkan oleh TL084 agar sinyal denyut jantung dapat dideteksi oleh ECG dimana tegangan pada denyut jantung hanya sebesar 0,2mV – 0,5mV oleh karena itu dibutuhkan penguat tegangan, selanjutnya pada proses filter menggunakan 3 filter utama yaitu pertama LPF kedua HPF dan ketiga BSF. LPF (Low pass filter) digunakan untuk melewatkan frekuensi di bawah tegangan cut-off dan menahan sinyal dengan frekuensi diatasnya. Frekuensi cut-off (fc) yang digunakan adalah 100Hz pada Persamaan (1)
(1) begitupun pada proses ke dua yaitu HPF (High Pass Filter), High pass filter digunakan untuk melewatkan frekuensi di atas tegangan cut-off dan menahan sinyal dengan frekuensi di bawahnya dimana prinsip persamaan nya sama dengan LPF pada Persamaan (2)
(2) namun pada HPF ini menggunakan frekuensi cut-off sebesar 0,05Hz dikarenakan HPF hanya akan meloloskan frekuensi tinggi saja. Pada proses filter terakhir adalah BSF (Band Stop Filter), dimana Band Stop Filter adalah filter tolak atau biasa disebut notch filter dimana filter ini digunakan untuk menahan sinyal sesuai frekuensi cut-off sesuai pada rangkaian dan akan meloloskan frekuensi diluar frekuensi cut-cut-off pada rangkaian entah itu dibawah maupun diatasnya, disini frekuensi cut-off yang digunakan pada BSF adalah 50Hz dengan Persamaan (3)
(3) setelah melewati rangkaian filter pada tahap terakir adalah proses Adder dimana Adder disini berfungsi untuk menaikan level tegangan pada sinyal yang sebagian negatif dari sinyal ECG naik menjadi positif seluruhnya menjadi 0-5v. Osiloskop sebagai penampil visualisasi akan menampilkan hasil pendeteksian dari ECG dan
selanjutnya dapat dilihat kondisi jantung sesuai perhitungan dokter untuk diketahui apakah normal atau abnormal. Data dari instrumentasi ECG juga dapat diambil dan diolah menggunakan mikrokontroler setelah melalui tahap filter dan Adder.
Gambar 2. Diagram sistem ECG
Gambar 2 adalah diagram kerja sistem yang akan dibuat untuk diagram “Sistem Deteksi Jantung Normal dan Abnormal berdasarkan Electrocardiograf”.
Pada diagram kerja Gambar 2. terdapat 2 proses yakni Instrumentasi dan Akuisisi Data. Sedangkan yang penulis bahas di sini adalah proses Akuisisi Data, dimana penjelasannya adalah sebagai berikut : 1) Adder menaikkan tegangan antara 0-5V agar dapat diterima oleh mikrokontroler ARM STM32.
2) Mikrokontroler mengkonversi keluaran analog menjadi digital dan memprogram aplikasi yang menampilkan sinyal jantung dan indikator normal dan abnormal pada PC
3) Komunikasi serial dari Mikrokontroler ARM STM32 ke PC/Laptop melalui Bluetooth.
4) PC akan menampilakan bentuk sinyal ECG dengan penjelasan dalam keadaan normal, kelainan Tachycardia dan Bradycardia.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1 Pengujian Penguat Instrumentasi
Pengujian dilakukan seperti dengan memberikan input sinyal dari penyadapan lansung dengan frekuensi 50hz ke input penguat instrumen. Elektroda dipasang lengkap pada pergelangan tangan kanan dan kiri dan ground pada kaki kanan lalu osiloskop channel 1 (kuning) dihubungan ke output instrument dan channel 2 ( biru) dihubungkan ke input elektroda + ( lengan kanan ) . Berdasarkan pengujian dan perhitungan terdapat perbedaan besarnya penguatan,
(4) (5) 3.2 Pengujian Low Pass Filter
Input sinyal sinus dari function generator dijepitkan pada input rangkaian dan diberi frekuensi bervariasi. Yang bertujuan untuk melihat respon frekuensi dari filter low pass filter. Hasil pengujian dapat
dilihat dari Gambar 3 dan Tabel 1. Pada saat pengujian ketika input dari function generator di beri frekuensi 50Hz (dibawah cut off ) amplitudo semakin besar dan apabila input di beri frekuensi 450Hz (diatas cut off ) maka amplitudo semakin kecil.
Gambar 3 Grafik Pengujian Rangkaian Low Pass Filter
Filter dirancang mempunyai frekuensi cutoff 100hz, maka secara teori pada saat frekuensi input sama dengan frekuensi cutoff nya diharapkan penguatannya sebesar 0.707. berdasarkan pengujian yang dilakukan, frekuensi pada saat penguatan 0.707 adalah 300 Hz. Namun untuk kebutuhan sistem instrumentasi ECG respon untuk low pass filter ini sudah cukup.
Tabel 1 Pengujian Rangkaian Low Pass Filter No. Fin (Hz) Amplitudo (Vpp)
1 1 0 2 50 1,84 3 100 1,48 4 150 1,22 5 200 0,88 6 250 0,84 7 300 0,7 8 350 0,6 9 400 0,56 10 450 0,5
3.3 Pengujian High Pass Filter
Input sinyal sinus dari function generator dijepit pada input rangkaian dan diberi frekuensi bervariasi. Yang bertujuan untuk melihat respon frekuensi dari high pass filter. Pada saat pengujian ketika
input dari function generator di beri frekuensi 0,02Hz (dibawah cut off ) amplitudo semakin kecil bahkan hilang dan apabila input di beri frekuensi 10Hz (diatas cut off ) maka amplitudo semakin besar dan dapat di ambil kesimpulan bahwa high pass filter dapat menfilter frekuesi dibawah cut off.
Pada saat pengujian 2Hz amplitudo masih pada posisi 2V dimana masih belum mendekati 0 dikarenakan titik cut off pada high pass filter adalah 0,05Hz namun amplitudo (Vpp) pada saat input 2Hz ini lebih kecil dari pada input 10Hz.
Gambar 4 Grafik Pengujian Rangkaian High Pass Filter
Filter ini dirancang mempunyai frekuensi cutoff 0.05hz, maka secara teori pada saat frekuensi input sama dengan frekuensi cutoff nya diharapkan penguatannya sebesar 0.707. berdasarkan pengujian yang dilakukan, frekuensi pada saat penguatan 0.707 adalah 2 Hz. Namun untuk kebutuhan sistem instrumentasi ECG respon untuk high pass filter ini sudah cukup.
Tabel 2 Pengujian Rangkaian High Pass Filter
No. Fin(Hz) Amplitudo(Vpp)
1 0 0 2 0,2 0 3 1 0 4 3 2,08 5 5 2,1 6 10 2,1
3.4 Pengujian Band Stop Filter
.Input sinyal sinus dari function generator yang dijepit pada input dan ground rangkaian dan diberi frekuensi bervariasi. Yang bertujuan untuk melihat respon frekuensi dari filter band stop filter dan titik cut
off yang dihasilkan. Hasil pengujian dapat dilihat dari Tabel 2 dan Gambar 5. Pada saat pengujian ketika input diberi frekuensi sesuai frekuensi cut off (50Hz) maka amplitudo sangat kecil bahkan hilang.
Gambar 5 Grafik Pengujian Rangkaian Band Stop Filter Tabel 2 Pengujian Rangkaian Band Stop Filter
No. Fin(Hz) Amplitudo(Vpp)
1 30 0,7 2 40 0,4 3 50 0,2 4 60 0,2 5 70 0,3 6 80 0,4 7 90 0,5 8 100 0,6 9 120 0,78 10 150 1,02
Berdasarkan pengujian dilihat bahwa filter dirancang mempunyai frekuensi resonansi 50 Hz, Secara teori pada saat frekuensi input sama dengan frekuensi resonansinya nya diharapkan penguatannya paling minimim. Pada saat frekuensi input 50 Hz didapat Vout sebesar 0.2V. Namun untuk kebutuhan sistem instrumentasi ECG respon untuk Band stop filter ini sudah cukup.
3.5 Pengujian Langsung Ke Pasien
Pada pengujian langsung ke pasien alat telah dirangkai serta dihubungkan pada lengan kanan dan kiri serta kaki sebagai grounding.Pemasangan elektroda dilakukan seperti Gambar 6
Gambar 6 Pemasangan elektroda jepit
Pada saat pemasangan elektroda pastikan supply sudah menyala terlebih dahulu untuk menghindari lonjakan tegangan yang sedikit memberikan efek kejut pada pengguna. Dan hasil dari deteksi dapat dilihat pada Gambar 6.
Gambar 6 Hasil deteksi sinyal
Hasil dari pendeteksian diatas sinyal detak jantung terdeteksi bentuk sinyal PQRST, namun pada sinyal diatas masih terdapat noise dikarenakan faktor pada elektroda atau penghalang yang terdapat pada kulit contohnya seperti debu, bulu tangan,
3.6 Pengujian Aplikasi Deteksi Sinyal
Tujuan pengujian ini adalah untuk mengetahui bahwa sinyal yang terbaca dari Mikrokontroler ke PC dapat direkonstruksi ulang menjadi sebuah sinyal yang sama dengan sinyal yang ditunjukkan pada Osciloscope.
Berdasarkan pengujian terhadap Aplikasi deteksi ECG menunjukkan bahwa aplikasi dapat menampilkan sinyal ECG, menampilkan Bpm, dan mendeteksi bahwa jantung tersebut dalam keadaan normal atau abnormal.
Gambar 7. Hasil sinyal ECG sensor Elektroda Clamp 3.7 Pengujian Aplikasi Delphi Deteksi Sinyal menggunakan Phantom ECG
Tujuan dari pengujian ini adalah untuk mengetahui apakah sinyal yang terbaca dan Bpm yang terbaca sesuai dengan input yang diterima berupa sinyal dan Bpm dari Phantom ECG. Fungsi dari Phantom ECG adalah sebagai simulasi sinyal ECG yang menyerupai detak jantung manusia.
Gambar 8 Pengujian Deteksi Sinyal Phantom ECG
Berdasarkan pengujian terhadap deteksi sinyal Phantom ECG dapat diketahui bahwa Bpm yang ditampilkan sesuai dengan input yang diberikan dari Phantom ECG. Tampilan sinyal ECG sesuai dengan Bpm yang diset melalui Phantom ECG.
3.3 Pengujian Deteksi Kelainan Jantung berdasarkan Heart Rate
Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui bahwa program yang dibuat pada program komputer dapat menampilkan proses perhitungan Heart Rate dan penentuan jenis kelainan sesuai Heart Rate yang ditunjukkan.
Berdasarkan pengujian terhadap deteksi kelainan jantung berdasarkan heart rate dapat diketahui bahwa Heart Rate tampil dan Jenis kelainan jantung tampil dengan parameter jika Heart Rate di bawah 60 jenis kelainan jantung Bradikardia, Heart Rate di atas 100 jenis kelainan jantung Takikardia dan Heart Rate antara 60-100 jantung normal.
Gambar 9. Pengujian Deteksi Jantung berdasarkan Heart Rate 3.4 Pengujian Alat ECG dengan pembanding ECG tipe BTL-08 SD
Tujuan pengujian ini adalah untuk mengetahui apakah alat ECG yang dibuat sama dengan alat ECG tipe BTS-08 SD atau ada error.
Gambar 10. Pengujian dengan pembanding ECG tipe BTL-08 SD Tabel 3. Hasil Perbandingan Alat ECG
No Nama Bpm ECG (25mm/s) Bpm ECG Bpm Aplikasi % Error 1 Andy 78 76 2.56 % 2 Prita 99 99 96 1.01 % 3 Azeal 79 78 78 0.00 % 4 Fandri 73 73 73 0.00 % 5 Toufik 70 71 69 2.81 % 6 Bagas 87 87 87 0.00 % Rata – Rata 1.06 %
Berdasarkan pengujian dengan pembanding menunjukkan bahwa bentuk sinyal dan Heart Rate yang dideteksi dari pasien Andy menunjukkan angka 78 Bpm yang menandakan bahwa kondisi jantung pasien Andy dalam keadaan normal. Dan sinyal yang dihasilkan pada tampilan aplikasi samadengan ECG tipe BTL-08 SD. Tabel 3. menunjukkan bahwa terdapat error yang ditimbulkan karena adanya selisih antara Alat ECG yang kami buat dengan Alat ECG tipe BTL-08 SD. Rata – rata % error yakni sebesar 1,06 %.
4. KESIMPULAN
Sebagai penutup ada beberapa hal yang dapat disimpulkan dari tugas akhir ini. Setelah melakukan pengujian dari keseluruhan sistem, dan berdasarkan data yang telah didapat, maka diambil beberapa kesimpulan bahwa :
1. Dari hasil pengujian tiap metode dapat diambil hasil data LPF dengan penguatan 0,707V pada frekuensi 300Hz, HPF dengan penguatan 0,707V pada frekuensi 2Hz, dan BSF dengan output 0,2V pada saat frekuensi 50Hz serta penguatan awal sebesar 64 kali.
2. Hasil pengujian akhir ECG dapat menampilkan sinyal PQRST dengan persentase error sebesar ±1,06%. DAFTAR PUSTAKA
J.Tompkins, Willis. (1995). Biomedical Digital Signal Processing. Prentice Hall, New Jersey.
Kemenkes RI. 2012. Pusat Data dan Informasi Kementrian Kesehatan Republik Indonesia.diakses tanggal 10
Oktober 2017 dari
http://www.depkes.go.id/article/view/1856/kemenkes-tingkatkan-kualitas-dan-akses-masyarakat-terhad ap-pelayanan-jantung.html.
Kemenkes RI. 2014. Penyakit Jantung Penyebab Kematian Tertinggi. Diakses pada tanggal 10 Oktober 2017. Darihttp://www.depkes.go.id/article/view/17073100005/penyakit-jantung-penyebab-kematian-tertinggikemenkes-ingatkan-cerdik-.html.
Kohler, Bert-Uwe., dkk. (2002). The Principles of Software QRS Detection. IEEE Eng. Med. Biol. Mag., pp 42-55.
Mardianto, Ronny. (2006). Perancangan dan Realisasi Prototipe Elektrokardiograf Berbasis Mikrokontroler. Bandung: Institut Teknik Bandung.
