RANCANG BANGUN DAN PENGOLAHAN SINYAL ECG MENGGUNAKAN HIGH PASS FILTER
DAN NOTCH FILTER
Oleh: Yudhi Hidayat NIM 409240038 Program Studi Fisika
SKRIPSI
Diajukan Untuk Memenuhi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Sain
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI MEDAN
iv
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, Puji dan syukur penulis persembahkan kepada Allah SWT, karena atas rahmat dan hidayahNya masih berkenan memberikan kesehatan dan hikmah kepada penulis sehingga penelitian skripsi ini dapat diselesaikan dengan baik dan diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana sains. Tema yang dipilih dalam penelitian ini adalah elektrokardiografi (ECG), dengan judul skripsi adalah “Rancang Bangun dan Pengolahan Sinyal ECG Menggunakan High Pass Filter dan Notch Filter”.
Dalam kesempatan ini, penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada kedua orang tua saya Bapak Mulyono dan Mamak Hanifah Hanum Siregar, abang dan adikku, serta keluarga besar saya atas do’a, dukungan dan motivasi yang diberikan selama perkuliahan hingga selesai.
Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada berbagai pihak yang telah membantu menyelesaikan skripsi ini, antara lain kepada Bapak Dr. Ridwan A. Sani, M.Si selaku dosen pembimbing skripsi, serta Bapak Drs. Usler Simarmata, M.S selaku dosen pembimbing akademik dan penguji, Bapak Drs. Abdul Hakim S, M.Si, Bapak Prof. Drs. Motlan, M.Sc., Ph.D selaku dosen penguji yang telah banyak memberikan saran dan masukan. Disamping itu, penulis juga mengucapkan terima kasih kepada keluarga besar jurusan fisika FMIPA, antara lain Bapak Alkhafi Maas Siregar, M.Si, Bapak Drs. Juniar Hutahean, M.Si, Bang Arman, Bang Albar Tanjung dan Kak Maya yang ikut serta dalam penelitian ini.
Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada teman-teman dan adik-adik seperjuangan jurusan fisika, yaitu kepada Fajar Afandi, Sonawan Fitra, Adi Ochu PJt, Suhendra, Dedi S. Dilanga, Anna Dinna, Affan Siregar, Wina, Tian “Zahara” serta teman-temanku ND’09.
v
menjadi langkah awal menuju penelitian-penelitian lainnya. Semoga karya tulis ini dapat bermanfaat dan menjadi masukan dalam perkembangan dunia pendidikan terutama generasi penerus kajian Fisika Instrumentasi.
Medan, 03 Januari 2014
vi
DAFTAR ISI
Halaman
Lembar Pengesahan i
Riwayat Hidup ii
Abstrak iii
Kata Pengantar iv
Daftar Isi vi
Daftar Gambar viii
Daftar Tabel x
Daftar Lampiran xi
BAB I. PENDAHULUAN 1
1.1. Latar Belakang Masalah 1
1.2. Identifikasi Masalah 4
1.3. Batasan Masalah 4
1.4. Rumusan Masalah 4
1.5. Tujuan Penelitian 5
1.6. Manfaat Penelitian 5
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA 6
2.1. Jantung 6
2.1.1. Fungsi dan Cara Kerja Jantung 7
2.1.2. Elektrofisiologi Sel 9
2.1.2.1. Sel Jantung 11
2.2. Elektrokardiografi 16
2.2.1. Sistem Sadapan EKG 17
2.2.2. Sensor EKG 20
2.2.3. Teknik-teknik Elektrokardiografi 20
2.2.4. Kertas EKG 21
2.2.5. Konfigurasi Gelombang EKG Normal 22
2.2.6. Aritmia 24
vii
2.4. Filter 28
2.4.1. High Pass Filter 28
2.4.2. Notch Filter 29
2.5. Fast Fourier Transform (FFT) 30
BAB III. METODE PENELITIAN 32
3.1. Tempat dan Waktu Penelitian 32
3.2. Alat dan Bahan Penelitian 32
3.2.1. Alat Penelitian 32
3.2.2. Bahan Penelitian 32
3.3. Prosedur Penelitian 33
3.3.1. Perancangan Rangkaian Instrumentasi 33 3.3.1.1. Rangkaian Penguat Penyangga 34 3.3.1.2. Rangkaian Penguat Diferensial 35 3.3.2. Perancangan Rangkaian High Pass Filter 37 3.3.3. Perancangan Rangkaian Notch Filter 38
3.3.4. Port Paralel 39
3.3.5. Analog to Digital Converter (ADC) 41
3.3.5.1 Jenis Konversi ADC 43
3.3.6. Perancangan Program 44
3.4. Analisa Data 45
3.5. Diagram Alir Penelitian 46
BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 48
4.1. Hasil Penelitian 48
4.2. Pembahasan 52
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN 55
5.1. Kesimpulan 55
5.2. Saran 55
x
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 2.1. Muatan Listrik Sel Otot Jantung 9 Tabel 2.2. Gelombang dan Interval pada EKG 23
Tabel 3.1. Alat Penelitian 32
Tabel 3.2. Bahan Penelitian 32
Tabel 3.3. Fungsi Pin Port Paralel 40
Tabel 3.4. Alamat Port Paralel 41
viii
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Jantung 6
Gambar 2.2. Ruang dan Katup Jantung 8
Gambar 2.3. (a) Satu sel telah didepolarisasi, gelombang depolarisasi
kemudian menyebar dari sel ke sel 10 (b) Semua sel terdepolarisasi 10
(c) Repolarisasi 10
(d) Mengembalikan setiap sel untuk mengistirahatkan
Polaritas 10
Gambar 2.4. Elektrofisiologi Sel Otot Jantung 10
Gambar 2.5. Sel Jantung 11
Gambar 2.6. Sel Perintis yang Didepolarisasi Spontan 11
Gambar 2.7. Tipekal Potensial aksi 12
Gambar 2.8. Pembuluh keras Jantung 13
Gambar 2.9. Sistem Konduksi Jantung 14
Gambar 2.10. (Depolarisasi menyebabkan kalsium akan dirilis kedalam sel miokardial. Masuknya kalsium ini memungkinkan aktin dan myosin, protein kontraktil, untuk berinteraksi, menyebabkan sel untuk berkontraksi. (A)Sel miokardial istirahat. (B) Terdepolarisasi,
sel miokardial berkontraksi). 15 Gambar 2.11. Elektrokardiografi Fukuda Denshi 16
Gambar 2.12. Segitiga Einthoven 19
Gambar 2.13. Sadapan Einthoven 19
Gambar 2.14. Elektroda 20
Gambar 2.15. Kertas EKG 21
Gambar 2.16. Pola Siklus EKG Normal 22
Gambar 2.17. Irama Atrial pada Atrial Flutter
(Jumlah gelombang P banyak) 25
ix
Gambar 2.19. Atrial Takikardi 25
Gambar 2.20. Ekstrasistole Atrial 26
Gambar 2.21. Gambar rangkaian untuk tiga realisasi yang berbeda dari penguat instrumentasi untuk aplikasi biomedis.
(a). Tahap Pengikut tegangan input, (b). Perbaikan,
tahap penguatan masukan, (c). dan Versi 2 op-amp 27
Gambar 2.22. Kurva Respon HPF 29
Gambar 2.23. Rangkaian High Pass Filter 29
Gambar 2.24. Rangkaian Notch Filter 30
Gambar 2.25. Karakteristik Notch Filter 30 Gambar 3.1. Rangkaian Penguat Penyangga 34 Gambar 3.2. Rangkaian Penguat Diferensial 35 Gambar 3.3. Gabungan penguat diferensial dasar dan penguat
penyangga yang menghasilkan penguat instrumentasi 36 Gambar 3.4. Rangkaian High Pass Filter 37
Gambar 3.5. Rangkaian Notch Filter 38
Gambar 3.6. Pin dari Konektor Port Paralel DB-25 40
Gambar 3.7. Kecepatan Sampling 42
xi
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1. Informasi Aplikasi TL071 61 Lampiran 2. Skema Rangkaian EKG dengan Filter dan
Layout Rangkaian EKG di Papan PCB 62
Lampiran 3. Card ADC 12 Bit 63
Lampiran 4. Listing Program Turbo Pascal 5 64
1
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Perkembangan teknologi yang pesat mempermudah manusia dalam mencapai kebutuhan hidup. Hal tersebut telah merambah segala bidang termasuk dalam bidang kedokteran. Salah satunya adalah usaha untuk mengetahui aktivitas yang dilakukan oleh jantung sebagai organ vital dalam tubuh manusia, mengingat sampai saat ini penyakit jantung masih menjadi penyebab terbesar kematian di dunia (Darmawansyah, dkk., 2006).
Upaya-upaya yang telah dilakukan untuk mengurangi jumlah kematian akibat serangan jantung mendadak, yakni melalui pemeriksaan berkala terhadap kinerja jantung dan kondisi kesehatan penderita seperti misalnya monitoring respirasi, suhu tubuh, sinyal jantung, tekanan darah, kadar oksigen dan biokimia darah (Busono dan Sarodja, 2010).
Jantung adalah organ penting dalam tubuh manusia yang difungsikan untuk memompa darah keseluruh tubuh. Proses pemompaan darah ini terjadi karena otot jantung berkontraksi akibat mendapat rangsangan elektris atau impuls. Rangsangan elektris berawal dari potensial aksi yang terjadi pada sel-sel otot jantung. Potensial aksi berawal dari keadaan depolarisasi dan keadaan repolarisasi membran sel autoritmik. Untuk mengetahui aktivitas elektris otot jantung diperlukan pencatatan atau perekaman dari permukaan tubuh (Hindasyah, 2009).
Electrocardiography (ECG) merupakan catatan variasi dari potensi bio
elektrik berkenaan dengan waktu detak jantung manusia. Dengan digitalisasi sinyal electrocardiography, analisa komputer dari pola ECG dilakukan untuk mendiagnosa penyakit jantung. Banyak hasil penting mengenai hal ini telah diperoleh untuk mendapatkan hasil yang efisien dan analisa pola ECG yang akurat waktunya (Yani, 2012). Kelainan dari fungsi jantung seseorang dapat dilihat dari rekaman sinyal ECG ini.
2
dibuat menggunakan IC instrumentasi sederhana dan sensor AgCl, dengan antarmuka soundcard. Sinyal EKG yang dapat dideteksi belum dapat diolah secara sempurna sempurna akibat keterbatasan kemampuan perangkat lunak Visual Analyser 9.0 yang digunakan. Dari gambar hasil pengukuran yang telah
diolah dengan menggunakan Microsoft Excel, masih terdapat peredaman noise kurang sempurna.
Dalam penelitian (Hindasyah, 2009) perangkat sistem instrumentasi EKG dan aktivitas gerak secara wireless dibuat dalam tiga modul yaitu modul pengkondisi sinyal, modul mikro-transmiter dan modul USB-receiver. Perangkat lunak atau program dibuat dalam dua bagian yaitu program untuk mikrokontroler yang dibuat dengan bahasa BASCOM AVR dan program pada komputer yang dibuat dengan bahasa Borland Delphi 7. Dari hasil pengujian diperoleh bahwa sistem instrumentasi EKG dan aktivitas gerak secara wireless telah dapat difungsikan. Data pengukuran EKG dalam keadaan diam dapat dicuplik dengan kecepatan sampling 20 milidetik, 10 milidetik dan 7 milidetik. Dari hasil pengukuran ini diperoleh gelombang QRS aktifitas jantung dengan amplitudo maupun interval waktu parameter-parameternya yang relatif sama.
3
menggunakan komponen SMD memberikan data perekaman pengukuran bentuk denyut jantung (elektrokardiogram) yang baik di atas peralatan cetak plotter.
Dalam penelitian (Anwar, 2009) rangkaian setiap output yang dihasilkan oleh elektroda (sensor) harus dipasangkan dioda, yang berfungsi untuk mengontrol atau mengamankan sinyal input positif dan sinyal input negatif yang langsung menuju komponen analog device AD624AD. Yang mana komponen ini berfungsi untuk memudahkan memonitor sinyal yang dihasilkan oleh jantung, sinyal input yang ditangkap oleh komponen ini dapat diperkuat sampai 1000 kali. Adapun faktor gangguan-gangguan yang terdapat pada rangkaian ini yaitu: sistem pentanahan (grounding), bahan logam atau aluminium dan pengaruh medan magnet.
Dalam penelitian (Somawirata, 2009) perancangan elektrokardiograf yang terintegrasi dengan personal komputer direalisasikan dengan rangkaian penguat awal dan rangkaian low pass filter. Dari hasil pengujian rangkaian penguat awal didapat nilai persentase error rata-rata sebsar 6.752% yang berarti bahwa rangkaian ini dapat bekerja dengan baik walaupun masih terdapat error yang kecil. Untuk rangkaian low pass filter terdapat persentase error sebesar 9% ini berarti bahawa rangkaian dapat bekerja dengan baik. Pada pembacaan software masih terlihat noise pada sinyal yang dibaca. Ini disebabkan adanya noise feedback dari power supply komputer yang digunakan. Secara umum alat ini
dapat bekerja dengan baik terkecuali pada bentuk gelombang yang ditampilkan pada layar monitor yang dikarenakan adanya noise serta pengaruh gelombang elektromagnetik yang ada disekitar alat sewaktu diadakan pengujian alat.
4
instrumentasi. Sinyal gangguan yang terbesar datang dari interferensi sumber tegangan listrik jala-jala (PLN) yang disebabkan oleh efek kapasitansi antara tubuh manusia dengan jaringan tegangan listrik yang ada disekitar tubuh.
Untuk mengubah data input yang analog, maka digunakan ADC dengan resolusi 12 bit yang dapat mengubah dari analog menjadi data digital sehingga sinyal terbaca oleh komputer dengan software Turbo Pascal 5.
Dengan demikian judul penelitian ini adalah “ Rancang Bangun dan
Pengolahan Sinyal ECG Menggunakan High Pass Filter dan Notch Filter”.
1.2 Identifikasi Masalah
1. Menggunakan rangkaian penguat instrumentasi untuk mendapatkan sinyal EKG dari elektroda.
2. Mengolah sinyal EKG dengan rangkaian high pass filter dan notch filter untuk meredam noise.
3. Menggunakan ADC sebagai pendistribusian untuk pengolahan sinyal input sehingga terbaca ke komputer.
1.3 Batasan Masalah
1. Rangkaian menggunakan penambahan rangkaian high pass filter dan notch filter.
2. Perakitan desain dan komponen filter pada EKG.
1.4 Rumusan Masalah
1. Bagaimana karakteristik sinyal EKG dengan rangkaian high pass filter dan notch filter ?
5
1.5 Tujuan Penelitian
1. Mengetahui karakteristik sinyal EKG dengan rangkaian high pass filter dan notch filter.
2. Mengetahui rancangan penguat instrumentasi dan filter dengan ADC sehingga terbaca ke komputer.
1.6 Manfaat Penelitian
Adapun manfaat penelitian ini adalah
55
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian dari pengolahan sinyal peralatan EKG menggunakan rangkaian high pass filter dan notch filter, maka dapat disimpulkan: 1. Pengolahan sinyal EKG dengan penambahan filter dari rangkaian high pass filter dan notch filter membentuk sinyal defleksi positif pada deteksi listrik depolarisasi ventrikel jantung. Sinyal positif yang dideteksi mewakili depolarisasi otot miokardium (kontraksi ventrikel) yang disebut gelombang R. Pada pengujian ketiga sampel juga didapatkan, yaitu sampel pertama sebesar 0,98 mV, sampel kedua sebesar 0,74 mV dan sampel ketiga bernilai 0,98 mV.
2. Perancangan EKG yang dibuat menggunakan penguat instrumentasi untuk menguatkan sinyal dari sensor Ag/AgCl. Rangkaian filter dari high pass filter dan notch filter digunakan untuk mengurangi noise pada frekuensi rendah antara 0 sampai 1 Hz yang dihasilkan oleh tubuh dan juga meredam noise yang ditimbulkan oleh interferensi jala-jala pada frekuensi 50 Hz. Dari rancangan rangkaian ini diteruskan ke bagian ADC dengan antarmuka port paralel. Sinyal masukan analog dari rangkaian EKG tadi akan dikonversikan
oleh ADC menjadi sinyal digital yang dapat terbaca oleh komputer.
5.2 Saran
Peralatan EKG yang dirancang dapat bekerja dengan baik, diharapkan ada perbaikan dan pengembangan untuk mendapatkan sinyal EKG yang lebih baik lagi. Hal-hal tersebut adalah:
56
Penambahan rangkaian penguat yang dapat melengkapi untuk titik-titik sadapan.
Penggunaan kabel dengan noise rendah untuk mendapatkan sinyal EKG yang lebih baik.
57
DAFTAR PUSTAKA
Abdullah, R., (2012), http://bukusakudokter.wordpress.com/2012/11/14/ekg- normal/ (diakses 14 November 2012).
Agung, R., (2005), Realisasi Elektrokardiograf Berbasis Komputer Personal Untuk Akuisisi Data Isyarat Elektris Jantung, Jurnal Teknologi elektro, Vol.4 No.1: 14-19.
Agung, R., dan Suryawan, A., (2007), Perancangan dan Realisasi Penghitung Frekuensi Detak Jantung Berbasis Mikrokontroler AT89S52, Jurnal Teknologi elektro, Vol. 6 No. 2: 13-19.
AKHAL, (2012), Elektrokardiograf dan Fotopletismograf Portabel Berbasis Mikrokontroler (Perancangan dan Realisasi),
akhal.org/elektrokardiograf-dan-fotopletismograf-portabel-berbasis-.mikrokontroler .
Amdanita, P., (2011), http://allaboutmedicalphysics.blogspot.com/2011/05/ekg-elektrokardiogram.html (diakses 25 Mei 2011).
Anwar, S., (2009), Rancang Bangun Elektrokardiograph Berbasiskan Personal Computer, Jurnal Elektron, Vol. 1 No. 1: 11-19.
Barong, M. S., (2011), Interface Port Paralel (DB-25), http://mekatronikausd.blogspot.com/2011/04/interface-port-paralel-db-25.html (diakses 19 April 2011).
Busono, P., dan Sarodja, N., (2010), Implementasi Standalone Patient Monitoring System Dilengkapi Dengan Perangkat Lunak Interpretasi Untuk Meningkatkan Kualitas Pelayanan Kesehatan di Puskesmas, Laporan Hasil Penelitian, BPPT Serpong, Tangerang.
Darmawansyah, A., Susanto, A., Widodo, T.S., dan Abraha, K., (2006), Pembuatan Elektrokardiograf (ECG) Teknologi Hibrid Menggunakan Komponen Surface Mounting Device (SMD), Jurnal Teknik, Vol. 13 No. 3: 228-243.
Direktorat Bina Farmasi Komunitas dan Klinik, (2006), Pharmaceutical Care Untuk Pasien Penyakit Jantung Koroner, Departemen Kesehatan, Jakarta.
58
Elektronika Dasar, (2012), http://elektronika-dasar.web.id/teori-elektronika/adc-analog-to-digital-convertion/comment-page-1/ (diakses 1 Mei 2012).
Epi, S., (2012), Fisiologi Cara Kerja Jantung,
http://sikkahoder.blogspot.com/2012/04/fisiologi-cara-kerja-jantung.html#.USt5cB1GJQY (diakses 16 April 2012).
Fakultas Kedokteran Universitas Andalas, (2012), Penuntun Skills Lab, FK Universitas Andalas.
Fauzi, Y., (2012), Rancang Bangun Bandpass Filter Untuk Aplikasi Radar X-Band Menggunakan Resonator Mikrostrip Hairpin Dengan Menggunakan Open Stub dan Square Groove, Skripsi, FT, UI, Depok.
Fitriani, L., (2010), Evaluasi Kerja Electrocardiograph (ECG) RSUD Zainoel Abidin, Laporan Penelitian, Banda Aceh.
Hadiyoso, S., Alfaruq, A., dan Rizal, A., (2011), Sistem Multiplexing Pada Pengiriman Data Monitoring ECG, PPG, dan Suhu Tubuh Berbasis Mikrokontroler, Seminar Nasional Aplikasi Teknologi Informasi 2011.
Handayani, Y. K., (2011), Instrumentasi Medis Fisika UI,
http://yunitakusumahandayani.wordpress.com/2011/05/24/instrumentas i-medis-fisika-ui-5/ (diakses 24 Mei 2011).
Hanggarsari, P. N., Fitriawan, H., dan Yuniati, Y., (2012), Simulasi Sistem Pengacakan Sinyal Suara Secara Real Time Berbasis Fast Fourier Transform (FFT), Jurnal Rekayasa dan Teknologi Elektro, Vol. 6 No.3:192 – 198.
Herbert, G., (2011), Instrumentasi Akuisisi data ECG,
http://tryanythingknoweverything.blogspot.com/2011/01/instrumentasi-akuisisi-data-ecg.html (diakses 18 Januari 2011).
Heru, A. S., (2008), Desain Alat Deteksi Dini dan Mandiri Aritmia, Jurnal Teknologi dan Manajemen Informatika, Vol. 6 No. 3: 494-502.
Hindasyah, A., (2009), Rancang Bangun Sistem Instrumentasi Elektrokardiogram dan Aktifitas Gerak Secara Wireless, Tesis, FMIPA, UI, Depok.
Ilham, (2009), ADC (Analog to Digital Converter),
59
Maisyaroh, S., (2012), Rancang Bangun Instrumentasi Elektrokardiografi Berbasis PC Menggunakan Sound Card, Skripsi, FMIPA, Unimed, Medan.
Marseno, (2010), http://marsenorhudy.wordpress.com/2010/10/03/45/ (diakses 3 Oktober 2010).
Munawar, A., (2011), Elektrokardiogram (EKG),
http://arismunawarslalu.blogspot.com/2011/05/elektrokardiogram-ekg.html (diakses 30 Mei 2011).
Nagel, J.H., (2000), “Biopotential Amplifiers”, The Biomedical Engineering Handbook: Second Edition, CRC Press LLC, Boca Raton.
Rudy, (2010), Analog to Digital Converter (ADC),
http://matrudian.wordpress.com/2010/12/05/analog-to-digital-converter-adc/ (diakses 5 Desember 2010).
Sanjoyo, R., (2005), Tugas Biomedik Farmakologi, FMIPA, UGM, Yogyakarta.
Saparudin dan Ramadhan, E., (2010), Identifikasi Kelainan Jantung Menggunakan Pola Citra Digital Electrocardiogram, Jurnal Generic, Vol. 5 No.1: 25-30.
Seniari, N. M., (2010), Pemodelan Matematika Aktifitas Listrik Sel Jantung Pada Pembangkitan Sinyal Elektrocardiogram (ECG), Jurnal Dielektrika, Vol. 1 No. 1 : 29 – 34.
Sensors, Instrumentation & Electronics, (2012),
http://instrumentasi.lecture.ub.ac.id/penguat-biopotensial/ (diakses 9 Februari 2012).
Somawirata, I. K., (2009), Pengembangan Electrocardiograph (ECG) Yang Terintegrasi Dengan Personal Komputer, Prosiding SENTIA 2009.
Suhari, D., (2008), Cara Kerja Jantung dan Pembuluh Darah, http://dyansuhari.multiply.com/journal/item/14/Cara-Kerja-Jantung-dan-Pembuluh-Darah?&show_interstitial=1&u=%2Fjournal%2Fitem (diakses 15 Desember 2008).
Sumanto, B., (2012), Penentuan Pola Power Average Pada Isyarat EKG Sebagai Ciri Dengan Analisis Wavelet, Jurnal Amplifier, Vol. 2 No. 2: 35-38.
60
Wajiansyah, A., dan Subir, (2011), Desain Filter Aktif Low Pass Butterworth, Jurnal Dielektrika, Vol. 2 No. 2: 120-126.
Wibawanto, H., (1999), Spesifikasi Peranti Konversi Data,
http://www.elektroindonesia.com/elektro/inst26.html (diakses Juni 1999).
