Oleh:
Vikar Darma Bakti Mendrofa NIM 409240035
Program Studi Fisika
SKRIPSI
Diajukan Untuk Memenuhi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Sain
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI MEDAN
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa, karena atas kasih, karunia dan berkatnya masih berkenan memberikan kesehatan dan kesempatan 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 Instrumentasi Bio-Amplifier untuk Mendeteksi Elektrokardiografi (EKG) Berbasis Personal Computer (PC)”.
Dalam kesempatan ini, penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada kedua orang tua saya ayahanda tercinta Yafati Mendrofa dan ibunda tercinta Suryani Laia, adik-adik saya : Verika , Vantri, Vaskah, Vyment, Visi, Vranda dan Vyxien serta keluarga besar Alm. Taliso Mendrofa atas doa, 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 Drs. Jonny H. Panggabean, M.Si selaku dosen pembimbing skripsi, serta Bapak Drs. Pintor Simamora, M.Si selaku dosen pembimbing akademik, Bapak Mukti Hamzah, S.Si., M.Si, Bapak Prof. Dr. Nurdin Bukit, M.Si., dan Ibu Dr. Derlina, M.Si., selaku dosen penguji yang telah banyak memberikan saran dan masukan. Disamping itu, penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Petugas Kopma antara lain : Bang Boss yang selalu menyajikan makanan dan minuman disaat istrahat.
v
Penulis juga terkhusus mengucapkan terimakasih kepada “Setyara Eka Putri” yang telah menemani saya dari 2 ½ Tahun yang lalu dalam menjalani hari-hari terutama dalam penyusunan skripsi ini.
Penulis menyadari masih banyak kekurangan dan kelemahan dalam penyusunan skripsi ini, untuk itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun dari pembaca untuk perbaikan dan penyempurnaan skripsi ini. Akhir kata penulis berharap agar skripsi ini dapat memberikan manfaat baru bagi pembaca sehingga skripsi ini memberi suatu kontribusi bagi fisika serta dapat menjadi langkah menuju penelitian-penelitian seterusnya. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat dan menjadi masukan dalam perkembangan dunia sains terutama generasi penerus kajian Fisika Instrumentasi.
Medan, 05 September 2014 Penulis
RANCANG BANGUN INSTRUMENTASI BIO-AMPLIFIER UNTUK MENDETEKSI ELOKTROKARDIOGRAFI
(EKG) BERBASISPERSONAL COMPUTER(PC) VIKAR DARMA BAKTI MENDROFA (NIM 409240035)
ABSTRAK
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui hasil dan karakteristik sinyal EKG dengan rangkaian penguat instrumentasi,high pass filter,low pass filter, dan notch filter. Perangkat instrumentasi ini untuk mengolah sinyal EKG dibuat menggunakan elektroda Ag/AgCl sebagai input dan software Soundcard Scope sebagaioutput.
Sinyal elektris jantung manusia dideteksi menggunakan elektroda dan sinyal tersebut diberikan penguatan dengan penguat instrumentasi yang ditambahkan rangkaian high pass filter, low pass filter dan notch filter. Sinyal tersebut diolah menjadi sinyal digital menggunakan software Soundcard Scope dan Jack Mic 3.5 mm sebagai konektor. Pengolahan sinyal EKG menggunakan Soundcard Scope memberikan karakteristik sinyal berupa pola gelombang dan irama pergerakan gelombang menyerupai alat EKG yang digunakan medis. Pengujian sistem didapatkan defleksi gelombang R pada sinyal EKG, yaitu sampel pertama sebesar 3,4 mV, sampel kedua sebesar 2,8 mV dan sampel ketiga bernilai 2,6 mV. Dan % error rancangan EKG terhadap hasil pemeriksaan pada EKG medis sebesar 25,69%. Untuk pola dan irama sinyal gelombang P, Q, S, dan T menyerupai hasil EKG yang sebenarnya. Berdasarkan hasil penelitian diketahui bahwa perangkat instrumentasi EKG menggunakan system titik sadapan Einthoven memberikan pola dan bentuk sinyal elektris jantung berdasarkan parameter amplitudo dan interval gelombang EKG yang sebenarnya.
vi
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA 6
2.1 Keragka Teori 6
2.1.1 Organ jantung 6
2.1.1.1 Permukaan Jantung 8
2.1.1.2 Struktur Internal Jantung 8
2.1.1.3 Anatomi Organ Jantung 9
2.1.1.4 Cara Kerja Jantung 12
2.1.2 Elektris Jantung 14
2.1.2.1 Pembentukan Gelombang Depolarisai dan Repolarisasi 15
2.1.3. EKG 18
2.1.3.1 Prinsip Kerja EKG 19
2.1.3.2 Bentuk Gelombang EKG Normal 20
2.1.3.3 Teknik-teknik Elektrografi 25
2.1.4 Sistem Load Monitoring EKG 25
2.1.5 Desain EKG Berbantuan PC 26
2.1.6 Blok Rangkaian 28
2.1.6.1 Penguat Instrumentasi 28
2.1.6.2 Filter 28
2.1.6.3High Pass Filter (HPF) 30
2.1.6.4Low Pass Filter 31
2.1.6.5Notch Filter 32
2.1.7 Souncard Scope 33
2.1.8 Operational Amplifier 34
2.1.9 Elektroda 35
2.1.9.1 Sensor EKG 35
2.1.9.2 Teknik monitoring EKG 37
BAB III. METODOLOGI PENELITIAN 39
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian 39
3.2 Alat dan Bahan 39
3.2.1 Alat-Alat Penelitian 39
3.2.2 Bahan Penelitian 40
3.3 Diagram Blok Penelitian 41
3.4 Prosedur Penelitian 41
3.5 Rancangan Penelitian 42
3.5.1 Rangkaian Instrumentasi 42
3.5.1.1 Rangkaian Penguat Penyangga 42
3.5.1.2 Rangkaian Penguat Diferensial 43
3.5.2 RangkaianHigh Pass Filter 44
3.5.3 RangkaianLow Pass Filter 45
3.5.4 RangkaianNotch Filter 46
3.5.5 Analisis Data 48
3.6 Diagram Alir Penelitian 50
BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 52
4.1. Hasil Penelitian 52
4.2. Pembahasan 55
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN 65
5.1. Kesimpulan 65
5.2. Saran 65
ix
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 3.1. Alat-Alat Penelitian 39
Tabel 3.2. Bahan-Bahan Penelitian 39
Tabel 4.1. Perbandingan Amplitudo Gelombang P-QRS-T 55 Tabel 4.2. Perbandingan Interval waktu Gelombang P-QRS-T 56
Tabel 4.3. Hasil Pengukuran EKG Medis 57
Tabel 4.4. Perbandingan hasil rancangan dengan hasil EKG medis 58
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Jantung dan bagian-bagiannya 9
Gambar 2.2. Gelombang Depolarisasi 15
Gambar 2.3. Sistem Kerja Depolarisasi 16
Gambar 2.4. Sebuah gelombang repolarisasi yang bergerak melalui
jaringan otot direkam dengan tiga buah elektroda positif 17 Gambar 2.5. Sebuah gelombang depolarisasi yang bergerak di jantung.
Elektroda A akan merekam defleksi positif, elektroda B merekam defleksi negatif, dan elektroda C merekam
gelombang bifasik 18
Gambar 2.6. Sinyal listrik yang dihasilkan aktivitas kelistrikan 19
Gambar 2.7. Gelombang EKG Normal 20
Gambar 2.8. Interpretasi EKG Normal 24
Gambar 2.9. EKG Normal dengan 12leads 25
Gambar 2.10. SegitigaEinthoven 26
Gambar 2.11. Penguat instrumentasi dari alat 28
Gambar 2.12.High Pass Filter(Tapis pelewat frekuensi tinggi) 31 Gambar 2.13. Rangkaian LPF Orde 2 JenisButterworth 32
Gambar 2.14. Rangkaiannotch filter 33
Gambar 2.15. Karakteristiknotch filter 33
Gambar 2.16. TampilanSouncard Scope 34
Gambar 2.17. Op-Amp . 35
Gambar 2.18. ElektrodaFloating 35
Gambar 2.19. Elektroda Ag/AgCl 36
Gambar 3.1. Penguat Instrumentasi menggunakan IC LM324 42 Gambar 3.2. Rangkaian Penguat Penyangga Menggunakan IC LM324 43 Gambar 3.3. Rangkaian Diferensial menggunakan IC LM324 44
Gambar 3.4. RangkaianHigh Pass Filter 45
Gambar 3.5. Rancangan RangkaianLow Pass Filter 46
Gambar 3.6. RangkaianNotch Filter 47
Gambar 3.7. Analisis Ampiltudo dengan kursor 48
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pada awalnya instrument medis yang digunakan oleh para medis sangat sederhana, dan dengan berkembangnya dunia kedokteran dan perangkat elektronik diketahui bahwa tubuh manusia mengeluarkan sinyal-sinyal biopotensial yang dapat digunakan untuk mengetahui kondisi kesehatan dari manusia tersebut.
Perkembangan teknologi elektronika yang berhubungan dengan dunia medis saat ini semakin bertambah pesat. Banyak alat-alat kedokteran yang berbasis teknologi elektronika digunakan banyak rumah sakit. Jantung dapat dikategorikan sebagai alat yang paling vital dalam tubuh manusia. Tanpa jantung, maka metabolisme tubuh akan terhenti sama sekali. Hal ini dikarenakan jantung merupakan organ yang berfungsi sebagai pemompa darah keseluruh bagian tubuh yang berfungsi sebagai pembawa nutrisi, oksigen, serta zat-zat lain yang diperlukan oleh tubuh untuk melakukan proses metabolisme. (Yudhanegara,2007)
Salah satu organ tubuh yang mengeluarkan sinyal-sinyal biopetensial adalah jantung. Sinyal biopotensial yang dikeluarkan oleh jantung ini dapat digunakan untuk mengetahui performa dari jantung. Jantung sebagai salah satu organ vital bagi tubuh dengan fungsi utamanya untuk sirkulasi darah ke seluruh tubuh sangat rentan terserang penyakit. Organ ini dapat menimbulkan gangguan kesehatan pada tubuh manusia tanpa mengenal umur, jenis kelamin, pekerjaan dan status sosial. Untuk menangkap sinyal-sinyal yang dikeluarkan oleh jantung diperlukan suatu alat yang disebut dengan Elektrokardiografi (EKG).Pada saat ini EKG hanya dapat ditemui di rumah sakit yang berada di kota-kota besar. Hal ini dikarenakan harga dari EKG ini yang sangat mahal serta penggunaannya yang tidak dapat dibawa kemana-mana menjadi penghambat tersendiri.
menerapkan elektroda pada komponen badan untuk mengambil sinyal kecil dari tubuh kepada monitoring instrumen. Standard EKG memungkinkan untuk pembandingan sinyal seperti diambil dari tiap orang dengan kondisi normal dan kondisi kelainan pada jantungnya.
Permasalahan dalam pemeriksaan menggunakan EKG adalah minimnya peralatan elektrokardiografi yang hanya terdapat di beberapa rumah sakit besar dengan jumlah yang terbatas. Kondisi disebabkan karena mahalnya harga peralatan EKG. Selain itu pasien juga harus menghabiskan waktu dan tenaga untuk dapat melakukan pengecekan kondisi jantungnya karena harus datang ke rumah sakit dan harus antri dengan pasien yang lain. Kondisi inilah, yang membuat mahalnya biaya pemeriksaan dengan EKG. (Maysaroh,2011).
Dalam perkembangan teknologi dewasa ini, komputer adalah sarana yang sangat tepat untuk mengerjakan tugas tersebut. Gagasan untuk menggunakan komputer dalam mendeteksi detak jantung didasarkan pada hal dimana kegiatan ini membutuhkan rutinitas dan tingkat ketelitian yang sangat tinggi serta waktu antisipasi yang cepat. Alat tersebut dapat merekam sinyal detak jantung dalam waktu tertentu dan memberikan informasi berapa detak jantung yang terjadi dalam satu menit dan tinggi rendahnya sinyal detak jantung tersebut. (Isnaeni,2010).
Oleh karena itu diperlukan adanya pembangunan perangkat yang dapat digunakan pasien secara individu namun tetap dapat dilakukan pemantauan oleh ahli jantung. Perangkat ini digunakan oleh pasien untuk mendapatkan sinyal kondisi kesehatan jantungnya.
3
Penelitian ini juga telah dilakukan Maysaroh,(2011) dengan hasil penelitian Peralatan EKG dapat dibuat menggunakan IC instrumentasi sederhana dan sensor AgCl, dengan antarmukasoundcard. Sinyal EKG yang dapat dideteksi belum dapat diolah secara 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. Secara umum perangkat ini cukup memadai untuk menunjang belajar mengenai sinyal-sinyal biolistrik tubuh dan instrumentasi dasar untuk medis.
Berdasarkan keadaan di atas, maka dirancang suatu perangkat Bio-Amplifier untuk mendeteksi elektris Jantung berbasis PC menggunakan Software Soundcard Scope. Dengan kata lain, alat yang diteliti ini apabila dihubungkan dengan PC menjadi sebuah EKG sederhana yang banyak dibutuhkan oleh para medis. Perbedaan penelitian ini dari pada penelitian sebelumnya yaitu pada blok rangkaian dan software yang digunakan merupakan software yang mudah digunakan. Dalam blok rangkaian penelitian kali ini terdiri dari Penguat Instrumentasi,High Pass filter (HPF),Low Pass Filter (LPF)danNotch Filter.
Dengan demikian, penulis melalukan penelitian lanjutan dengan judul “ Rancang Bangun Instrumentasi Bio-Amplifier Untuk Mendeteksi Elektrokardiografi (EKG) berbasisPersonal Computer (PC)”.
1.2 Identifikasi Masalah
Berdasarkan latar belakang diatas, maka peniliti mengidentifikasi masalah sebagai berikut :
1. Terbatasnya kuantitas Instrumentasi EKG disetiap daerah.
2. Mahalnya biaya pengeluaran untuk memeriksa kondisi kesehatan jantung.
3. Terdapat range persen kesalahan dari penelitian sebelumnya dibanding dengan alat EKG yang digunakan para medis.
.
1.3 Batasan Masalah
Peneliti memberikan batasan masalah pada :
1. Rancangan Instrumentasi Bio-Amplifier untuk mendeteksi EKG menggunakan Penguat Instrumentasi, High Pass Filter (HPF), Low Pass Filter (LPF), dan Notch Filter berbasis Personal Computer.
2. Hasil tampilan sinyal listrik jantung dalam bentuk grafik melalui Personal Computer.
3. Perbandingan Grafik EKG medis dengan Grafik EKG yang dibuat.
1.4 Rumusan Masalah
Mengacu pada permasalahan yang ada, maka dalam perencanaan dan pembuatan alat ini diutamakan pada hal-hal sebagai berikut:
1. Bagaimana merancang Instrumentasi Bio-Amplifier untuk mendeteksi EKG menggunakan Penguat Instrumentasi,High Pass Filter (HPF), Low Pass Filter (LPF), dan Notch Filter berbasis Personal Computer?
2. Bagaimana hasil tampilan sinyal listrik jantung dalam bentuk grafik melaluiPersonal Computer?
3. Bagaimana perbandingan grafik EKG medis dengan EKG yang dibuat?
1.5 Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian ini, adalah untuk:
1. Membuat Instrumentasi Bio-Amplifier untuk mendeteksi EKG menggunakan Penguat Instrumentasi, High Pass Filter (HPF), Low Pass Filter (LPF) dan Notch Filter berbasis Personal Computer.
5
3. Mengetahui hasil perbandingan grafik EKG medis dengan EKG yang dibuat.
1.6 Manfaat Penelitian
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian dari pengolahan sinyal elektris jantung berbasis PC menggunakanSoftware Soundcard Scope, disimpulkan:
1. Pengolahan sinyal EKG menggunakan Soundcard Scope meghasilkan pola gelombang dan irama pergerakan gelombang menyerupai alat EKG yang digunakan medis dengan menggunakan Penguat Instrumentasi, high pass filter,low pass filterdannotch filter
2. Hasil tampilan grafik dari ketiga sampel, dihitung dengan membuat kalibrasi alat yang dirancang peneliti agar grafik yang ditampilkan memiliki nilai amplitude gelombang dan interval (waktu) memenuhi syarat-syarat atau parameter EKG yang sebenarnya. Sinyal positif yang dideteksi mewakili depolarisasi otot miokardium (kontraksi ventrikel) yang disebut gelombang R. Pada pengujian ketiga sampel juga didapatkan, yaitu sampel pertama sebesar 3,4 mV, sampel kedua sebesar 2,8 mV dan sampel ketiga bernilai 2,6 mV.
3. Hasil perbandingan grafik EKG rancangan terhadap grafik EKG Medis didapatkan% errorrancangan EKG terhadap interval hasil pemeriksaan pada EKG medis sebesar 25,69%.
5.2 Saran
Untuk perancangan EKG ini lebih baik kedepannya, diharapkan ada perbaikan dan pengembangan untuk mendapatkan sinyal EKG yang lebih tepat yaitu :
Perlu ditambahkan penguat tambahan, proteksi tegangan lebih dan penyempurnaan rangkaian notch filter untuk mengurangi noise yang ditimbulkan oleh gerakan otot dan jala-jala listrik.
66
gelombang dapat terbaca dengan benar dan tidak terjadi kesalahan rentang grafik dengan hasil EKG yang digunakan medis.
Penggunaan LCD sebagai tampilan output grafik EKG agar lebih mudah dan praktis untuk digunakan.
DAFTAR PUSTAKA
Ahmad,(2011), Perancangan dan Pembuatan Modul ECG dan EMG Dalam Satu Unit PC Sub Judul: Pembuatan Rangkaian ECG dan Software ECG Pada PC.Jurnal Generic, 1-6.
Ajimedia,(2011), Fungsi dan Cara Kerja Jantung. Retrieved November 25, 2011, from http://ajimedia.com/186/fungsi-dan-cara-kerja-jantung-manusia. Diakses tanggal 04 Desember 2012. .
Anonim,(2014). Sel Elektrokimia.
http://kimia.unnes.ac.id/kasmui/elektrokimia/sel-elektrokimia.htm. Diakses pada tanggal 04 Desember 2012.
Azhar, A., (2009), Studi Identifikasi Sinyal Ecg Irama Myocardial Ischemia Dengan Pendekatan Fuzzy Logic (paper). Bandung-Institut Teknologi Sepuluh November. Volume 7, Nomor 4, Juli 2009 : 193–206.
Bhyri, C., Kalpana, V., Hamde, S.T., dan Waghmare, L.M. (2009).Estimation of ECG features using LabVIEW.International Journal of Computing Science and Communication Technologies, Vol.2 No.1. 320-324.
Limchinyoung, (2010), Organ Jantung.
http://hirudoclinic.com/hi/index.php?option=com_content&view=sectio n&id=9&layout=blog&Itemid=57. Diakses tanggal 30 November 2012.
Fajar, A., (2013),Elektroda Medika(Catatan Kuliah di Teknik Elektro).
http://www.kuliah.andifajar.com/elektroda-medika/. Diakses tanggal 12 Januari 2013.
Gunadarma,(2011). Pengembangan Electro-Cardiograph (ECG) Dengan
68
http://psik.gunadarma.ac.id/Makalah%20Pembicara/Paper%20ECG.pdf . Diakses tanggal 12 Januari 2013.
Isnaeni, D.,N.,(2010), Pembuatan Alat Perekam Denyut Jantung Berbasiskan Komputer (Artikel). Depok : FTI Sistem Komputer-Universitas Gunadarma.
Juntak, I., (2011), Elektrokardiogram (EKG). Retrievied Desember 15, 2011, from http://ivanjuntak.blog.usu.ac.id/2011/05/elektrokardiogram-ekg/.
Diakses tanggal 12 Januari 2013.
Maisyaroh, S., (2012),Rancang Bangun Instrumentasi Elektrokardiografi Berbasis PC Menggunakan Sound Card., Skripsi,FMIPA,UNIMED, Medan.
Nugroho. W., (2007).Processing.http://blogs.itb.ac.id/wnugroho/processing/. Diakses tanggal 10 Maret 2013.
Riyana, S., (2010),Jantung. http://slaraska2.wordpress.com/jantung/. Diakses tanggal 30 November 2012.
Rizal, A., dan Suryani, V., (2008). Pengenalan Signal EKG Menggunakan Dekomposisi Paket Wavelet dan K-Means-Clustering.Seminar Nasional Aplikasi Teknologi Informasi 2008 (SNATI 2008), 51-54.
Rizal, A., (2011), Desain dan Realisasi Perangkat Elektrokardiografi Berbasis PC Menggunakan Sound Card. Retrivied Desember 15, 2011, from
http://www.scribd.com/doc/16651097/TE10WimaRizal. Diakses tanggal 15 Januari 2013.
Setiawan, A., (2011). Osiloskop Menggunakan Komputer.http://Osiloskop Menggunakan Komputer (PC Osciloscope) @ All About
Microcontroller.htm.Diakses tanggal 15 JAnuari 2013.
Sika,( 2009),Ecg/Ekg (Elektrokardiogram).http://id.shvoong .com / medicine-and-health/pathology/1913505-ecg-ekg-elektrokardiogram/. Diakses tanggal 20 Januari 2013.
Somawirata, I., K., (2009),Pengembangan Electro Cardiograph (ECG) yang Terintegrasi Dengan Personal Computer., Tugas Akhir, Fakultas Teknik Industri, ITNM, Malang
Siwindarto, P., (2010), Penguat Biopotensial. Retrivied Desember 15, 2011, from http://biomeng.lecture.ub.ac.id/?p=149. Diakses tanggal 20 Januari 2013.
Syahputra, M., W., (2012),Quadcopter.
http://medan-airsoft.blogspot.com/2012/12/quadcopter.html.Copyright 2012. Diakses tanggal 05 Maret 2014.
Thaler, M., S., (2000), Satu-satunya Buku EKG yang Anda Perlukan (2nd ed.),
penerbit Hipokrates, Jakarta.
Tube, E., (2012), Kardiovaskuler (Keperawatan Dewasa). http:// www.blogspot.com/2012/03/kardiovaskuler.html/. Diakses tanggal 12 Februari 2013.
