Universitas Kristen Maranatha i
ALAT UNTUK MEMPERAGAKAN IRAMA DENYUT JANTUNG SEBAGAI BUNYI DAN PENGUKUR KECEPATAN DENYUT JANTUNG
MELALUI ELEKTRODA PADA TELAPAK TANGAN
Ervan / 0622085
E-mail : [email protected]
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Kristen Maranatha
Jalan Prof. Drg. Suria Sumantri 65
Bandung 40164, Indonesia
ABSTRAK
Irama dan kecepatan denyut jantung merupakan informasi kesehatan yang umum digunakan sebagai parameter kondisi kesehatan manusia. Namun, jarang terdapat alat yang memperagakan irama denyut jantung sebagai bunyi yang penggunaannya praktis dan tidak memerlukan panduan pihak medis. Pada penelitian ini telah direalisasi alat untuk memperagakan irama denyut jantung ke dalam bunyi gendang dan pengukur kecepatan denyut jantung. Pada penggunaanya, elektroda digenggam melalui telapak tangan dan konduktor stainless steel sebagai referensi diinjak. Sinyal jantung dideteksi dengan rangkaian pendeteksi denyut jantung yang terdiri dari rangkaian penguat biopotensial,50 Hz notch filter, rangkaian threshold, komparator dan rangkaian monostable. Mikrokontroler ATMEGA16 berfungsi untuk menghitung dan menampilkan kecepatan denyut jantung pada seven segment. Berdasarkan percobaan yang dilakukan, alat berhasil mendeteksi denyut jantung, memperagakan irama denyut jantung sebagai bunyi gendang dan menampilkan kecepatan denyut jantung. Adapun selisih hasil pengukuran antara kecepatan denyut jantung melalui alat peraga dan hasil pengukuran dengan osiloskop digital sebagai referensi yaitu sekitar 0.5- 2 bpm.
Universitas Kristen Maranatha ii
EQUIPMENT FOR DEMONSTRATING HEART BEAT RHYTHM AS
SOUND AND HEART RATE’S GAUGE THROUGH ELECTRODE ON
THE PALM
Ervan / 0622085
E-mail : [email protected]
Electrical Engineering, Technic Faculty, Maranatha Christian University
Prof. Drg. Suria Sumantri 65 Street
Bandung 40164, Indonesia
ABSTRACT
Heart rhythm and heart rate are medical information that is commonly used as parameter of human health conditions. However, practically equipment that demonstrate the rhythm of the heartbeat as sound requires no medical side guides are very still uncommon. In this research has been realized an equipment to demonstrate the rhythm of the heart beat as the sound of the drum and measure heart rate. In use, the electrode is hand-gripped and a stainless steel conductor as a reference is stepped on. Heart signals detected by the heartbeat detection circuit that consist of a biopotential amplifier, a 50 Hz notch filter, and threshold, comparator and monostable circuits. ATmega16 microcontroller is used to calculate and display the heart rate on the seven segment. Based on the experiments, this equipment has successfully detected heart beat, demonstrating the rhythm of the heartbeat as the sound of the drum and displaying the heart rate. The deviations between heart rate measurements result through props with the digital oscilloscope measurements as reference were ranged between 0.5-2 bpm.
Universitas Kristen Maranatha iii
DAFTAR ISI
ABSTRAK... i
ABSTRACT…... ii
DAFTAR ISI…... iii
DAFTAR TABEL…...…….. vii
DAFTAR GAMBAR…...……. viii
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah... 1
1.2 Identifikasi Masalah... 2
1.3 Rumusan Masalah...….... 2
1.4 Tujuan...…...…... 2
1.5 Pembatasan Masalah...….... 2
1.6 Sistematika Penulisan... 3
BAB 2 LANDASAN TEORI 2.1 Dasar Elektrokardiogram …………...….…... 5
2.1.1 Hubungan antara Siklus Jantung dengan Gambar Elektrokardiogram …...…... 5
2.1.2 Karakteristik Sinyal Elektrokardiogram... 6
2.1.3 Segitiga dan Hukum Einthoven…...…... 9
2.1.4 Sadapan Bipolar pada Anggota Tubuh ...…... 11
2.1.5 Kecepatan Denyut Jantung …...…... 12
Universitas Kristen Maranatha iv
2.2.1 Noninverting Amplifier …...…... 13
2.2.2 Differential Amplifier...…... 14
2.2.3 Instrumentation Amplifier...……... 15
2.3 Right Leg Driven Circuit... 16
2.6 Komparator dengan Histerisis...…... 20
2.7 Timer 555 Sebagai Monostabil...….. 22
2.8 Solenoida...…... 23
2.9 Mikrokontroler AVR ATMEGA16……… 23
2.9.1 Konfigurasi Pin AVR ATMEGA16... 24
2.9.2 Seven Segment pada Mikrokontroler AVR ATMEGA- 16... 26
BAB 3 PERANCANGAN DAN REALISASI 3.1 Diagram Blok Sistem... 28
3.2 Perancangan dan Realisasi... 30
3.2.1 Rangkaian Power Supply... 30
3.2.2 Rangkaian Pendeteksi Denyut Jantung... 31
3.2.3 Rangkaian Driver Solenoida…... 54
3.2.4 Realisasi Elektroda dan Alat Pemukul Gendang... 55
3.2.5 Rangkaian untuk Mengukur dan Menampilkan Kecepatan Denyut Jantung... 56
Universitas Kristen Maranatha v
BAB 4 DATA PENGAMATAN DAN ANALISIS DATA
4.1 Data Pengamatan... 66
4.1.1 CMRR Penguat Biopotensial………... 66
4.1.2 Respon Frekuensi Penguat Biopotensial dan
Penguat Biopotensial+50Hz Notch Filter……… 69
4.1.3 Hubungan Setiap Keluaran pada Rangkaian
Pendeteksi Denyut Jantung……….... 74
4.1.4 Perbandingan Hasil Pengukuran Kecepatan Denyut
Jantung antara Alat Peraga dan Oscilloscope…………. 77
4.2 Analisis Data………... 78
4.2.1 CMRR Penguat Biopotensial………... 78
4.2.2 Respon Frekuensi Penguat Biopotensial dan
Penguat Biopotensial+50Hz Notch Filter………... 79
4.2.3 Hubungan Setiap Keluaran pada Rangkaian
Pendeteksi Denyut Jantung……… . 80
4.2.4 Perbandingan Hasil Pengukuran Kecepatan Denyut
Jantung Menggunakan Alat Peraga dan Oscilloscope.... 82
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan... 83
5.2 Saran…...……. 84
Universitas Kristen Maranatha vi
LAMPIRAN A FOTO ALAT UNTUK MEMPERAGAKAN IRAMA DENYUT
JANTUNG SEBAGAI BUNYI DAN PENGUKUR
KECEPATAN DENYUT JANTUNG
LAMPIRAN B PENURUNAN FUNGSI TRANSFER PENGUAT
BIOPOTENSIAL
LAMPIRAN C PROGRAM BAHASA C PENGUKUR KECEPATAN
DENYUT JANTUNG JANTUNG
Universitas Kristen Maranatha vii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Fungsi Khusus Port B……… 25
Tabel 2.2 Fungsi Khusus Port C………...25
Tabel 2.3 Fungsi Khusus Port D……….………26
Tabel 3.1 Pemilihan Seven Segment yang Menyala ……...………61
Tabel 3.2 Menampilkan Bilangan Desimal ke Seven Segment…..………….61
Tabel 4.1 Hubungan Masukan dan Keluaran Penguat Biopotensial …….….70
Tabel 4.2 Hubungan Masukan dan Keluaran Penguat Biopotensial+50 Hz Notch filter………72
Universitas Kristen Maranatha viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Bentuk Gelombang Listrik Jantung... 6
Gambar 2.2 Spektral Daya Relatif Gelombang Kompleks QRS, P, T dan Motion Artifacts... 7
Gambar 2.3 Bandwith yang Digunakan Pada Elektrokardiografi...8
Gambar 2.4 Plot Signal-to-Noise Ratio (SNR) dari Kompleks QRS... 8
Gambar 2.5 Segitiga Einthoven... 9
Gambar 2.6 Lead I, II, dan III Sebagai Perbedaan Potensial antara Titik Ukur...10
Gambar 2.7 (a)Lead I (b). Lead II (c). Lead III... 12
Gambar 2.8 Noninverting Amplifier... 13
Gambar 2.9 Differential Amplifier... 14
Gambar 2.10 Instrumentation Amplifier... 16
Gambar 2.11 Right leg Driven Circuit………... 16
Gambar 2.12 Simple Active High Pass Filter... 17
Gambar 2.13 Simple Active Low Pass Filter... 18
Gambar 2.14 Twin T Notch Filter... 18
Gambar 2.15 Rangkaian Threshold... 19
Gambar 2.16 (a) Inverting Level Detector with Hysteresis... 21
(b) Hubungan Masukan dan Keluaran Inverting level Detector with Hysteresis... 21
Gambar 2.17 (a) Rangkaian Dasar Monostabil 555... 22
(a) Bentuk Gelombang Monostabil... 22
Gambar 2.18 Solenoida...23
Gambar 2.19 Pin AVR ATMEGA16... 24
Universitas Kristen Maranatha ix
Gambar 3.1 Diagram Blok Alat Peraga Denyut Jantung dan Pengukur
Kecepatan Denyut Jantung... 29
Gambar 3.2 Skematik Rangkaian Power Supply... 31
Gambar 3.3 Rangkaian Penguat Biopotensial dengan Bandpass Filter... 32
Gambar 3.4 Respon Frekuensi Penguat Biopotensial Hasil Perancangan Sementara... 35
Gambar 3.4 Respon Frekuensi Penguat Biopotensial Secara Teoritis... 37
Gambar 3.6 Rangkaian Right Leg Driven Circuit... 37
Gambar 3.7 Rangkaian Ekuivalen Right Leg Driven Circuit... 38
Gambar 3.8 Rangkaian Twin-T Notch Filter...39
Gambar 3.9 Respon Frekuensi 50Hz Notch Filter Secara Teoritis... 41
Gambar 3.10 Respon Frekuensi Rangkaian penguat Biopotensial + 50Hz Notch Filter Secara Teoritis... 42
Gambar 3.11 Rangkaian Threshold... 43
Gambar 3.12 Rangkaian Komparator dengan Histerisis………... 46
Gambar 3.13 Rangkaian Monostabil... 49
Gambar 3.14 Rangkaian Pendeteksi Denyut Jantung... 51
Gambar 3.15 Skematik Rangkaian Pendeteksi Denyut Jantung... 52
Gambar 3.16 Rangkaian Driver Solenoida... 53
Gambar 3.17 Realisasi Elektroda...55
Gambar 3.18 Realisasi Alat Pemukul Gendang... 55
Gambar 3.19 Rangkaian Driver Seven Segment... 56
Gambar 3.20 Skematik Mikrokontroler ATMEGA16, Driver dan Seven Segment………...60
Universitas Kristen Maranatha x
Gambar 4.1 Teknik Pengukuran Penguatan Diferensial…………... 67
Gambar 4.2 Sinyal Masukan dan Sinyal Keluaran Diferensial …... 67
Gambar 4.3 Teknik Pengukuran Penguatan Common Mode...…... 68
Gambar 4.4 Sinyal Masukan dan Sinyal Keluaran Common Mode... 69
Gambar 4.5 Teknik Pengukuran untuk Mencari Respon Frekuensi Penguat Biopotensial ………... 70
Gambar 4.6 Respon Frekuensi Penguat Biopotensial ……... 71
Gambar 4.7 Teknik Pengukuran untuk Mencari Respon Frekuensi Penguat Biopotensial+50Hz Notch Filter ………... 72
Gambar 4.8 Respon Frekuensi Penguat Biopotensial+50Hz Notch Filter ………... 73
Gambar 4.9 Keluaran Penguat Biopotensial dan Keluaran Penguat Biopotensial+50Hz Notch Filter…... 74
Gambar 4.10 Keluaran Penguat Biopotensial+50Hz Notch Filter dan Keluaran Rangkaian Threshold .…...75
Gambar 4.11 Keluaran Penguat Biopotensial+50Hz Notch Filter dan Keluaran Komparator ………...75
Gambar 4.12 Keluaran Komparator dan Keluaran Rangkaian- Monostabil……… 76
Gambar 4.13 Keluaran Rangkaian Monostabil dan Keluaran pada Kolektor Driver Solenoida……… 76
Gambar 4.14 Teknik Pengukuran Kecepatan Denyut Jantung Menggunakan Alat Peraga dan Oscilloscope ……….. 77
Gambar 4.15 Respon Frekuensi Penguat Biopotensial Secara Praktik dan Teoritis ……….. 79
LAMPIRAN A
FOTO ALAT PERAGA IRAMA DENYUT JANTUNG
SEBAGAI BUNYI DAN PENGUKUR KECEPATAN
A-2
FOTO ALAT PERAGA IRAMA DENYUT JANTUNG DAN
PENGUKUR KECEPATAN DENYUT JANTUNG
A-3
FOTO RANGKAIAN PENDETEKSI DENYUT JANTUNG DAN DRIVER
SEVEN SEGMENT
A-4
FOTO DRIVER SOLENOIDA
A-5
LAMPIRAN B
PENURUNAN FUNGSI TRANSFER PENGUAT
B-2
Rangkaian Penguat Biopotensial Sebelum zg Diperoleh
+VCC
Dengan menggunakan prinsip superposisi.
Saat vinx on dan viny = 0 , maka:
va1 = Vin x
vb1 = - Vin x
Saat viny on dan vinx = 0 , maka:
B-4
Subsitusi
B-5
Faktor pengali va
Faktor pengali vb
B-6 K.(vb-va) = X.va - Y.vb
Sehingga untuk mencari nilai zg, X = Y = K
Mancari nilai zg untuk menyederhanakan fungsi transfer.
Misalkan :
*X=Y
B-7 *Subsitusi A,B,C,D,dan E ke dalam persamaan:
Maka zg= R2+ (R3//R4//C3)
//= parallel
+=seri
Impedansi zg diganti dengan impedansi yang diperoleh dari hasil
penurunan sehingga rangkaian menjadi:
Rangkaian Penguat Biopotensial Setelah zg diperoleh
B-8
Fungsi transfer rangkaian keseluruhan adalah sebagai berikut:
B-9
Fungsi Transfer Penguat Biopotensial Pada Mid Frekuensi
R1
Dengan cara yang sama dengan sebelumnya maka:
Maka:
B-10
Input biased current dianggap ≈ 0A
B-11 Subsitusi (1) dan (2) ke dalam persamaan (3):
Maka :
Vo total = vo1 + vo2
:
LAMPIRAN C
PROGRAM BAHASA C PENGHITUNG KECEPATAN
C-2 #include <mega16.h>
#include <delay.h>
unsigned int i,j,HR,satuan,puluhan,ratusan,hitung1,hitung2,t;
unsigned char bil[10] = {0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};
void main(void)
{
{ goto periksa1;}
C-4 PORTA = 0x04;
PORTC = bil[satuan];
delay_us(200);
}
PORTA=0x00;
PORTC=0x00;
goto periksa1;
LAMPIRAN D
D-1
D-4
1
Universitas Kristen Maranatha
BAB 1
PENDAHULUAN
Pada bab pendahuluan ini dibahas mengenai latar belakang masalah,
identifikasi masalah, rumusan masalah, tujuan, pembatasan masalah, dan
sistematika penulisan laporan .
1.1 Latar Belakang
Salah satu aspek yang paling utama di dalam kehidupan manusia
adalah kesehatan. Sebagian besar masyarakat kurang sadar akan pentingnya
kesehatan. Hal ini diakibatkan oleh kesibukan akan aktivitas masing-masing
ditambah lagi mahalnya biaya yang dibutuhkan untuk melakukan
pemeriksaan kesehatan berkala. Masyarakat harus diberi himbauan sejak
dini akan pentingnya melakukan tindakan pencegahan terhadap penyakit
yang mungkin menyerang. Salah satu upaya yang dapat dilakukan adalah
dengan merangsang kesadaran masyarakat melalui fasilitas umum. Fasilitas
tersebut diharapkan dapat memberi informasi secara umum mengenai
2
Universitas Kristen Maranatha
Pada penelitian ini dirancang sebuah alat yang dapat memperagakan
denyut jantung dalam bentuk bunyi dan memberikan informasi kecepatan
denyut jantung. Diharapkan informasi yang diperoleh dari alat tersebut
dapat merangsang kesadaran pemakai untuk melakukan pemeriksaan lebih
lanjut di pusat kesehatan.
1.2 Identifikasi Masalah
Berdasarkan latar belakang maka yang menjadi permasalahan yaitu
perlunya fasilitas di bidang kesehatan yang dapat memberikan informasi
berupa irama dan kecepatan denyut jantung.
1.3 Rumusan Masalah
Bagaimana caranya mendesain dan membuat alat yang dapat
memberikan informasi irama dan kecepatan denyut jantung?
1.4 Tujuan
Merancang dan membuat alat praktis yang dapat memperagakan denyut
jantung dalam bentuk bunyi gendang dan menampilkan kecepatan denyut
jantung pemakai pada seven segment. Peralatan ini dapat digunakan sebagai
fasilitas umum pada pusat kesehatan, pusat kebugaran, laboratorium, pusat
ilmu pengetahuan dan tempat lainnya.
1.5 Pembatasan Masalah.
Beberapa batasan masalah pada penelitian ini yaitu:
1. Alat peraga ini tidak menampilkan bentuk gelombang sinyal jantung.
2. Alat peraga ini mendeteksi denyut jantung berdasarkan irama denyut dan
3
Universitas Kristen Maranatha 1.6 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan yang dicantumkan dalam laporan ini adalah sebagai
berikut:
Bab I : Pendahuluan
Bab ini membahas tentang latar belakang, identifikasi masalah,
rumusan masalah, tujuan, pembatasan masalah dan sistematika
penulisan laporan.
Bab II : Landasan Teori
Bab ini membahas tentang teori dasar elektrokardiogram,
rangkaian penguat, right leg driven circuit, filter analog, rangkaian
threshold, komparator dengan histerisis, rangkaian monostabil,
solenoida dan mikrokontroler AVR ATMEGA16 yang digunakan
pada perancangan alat peraga ini.
Bab III : Perancangan dan Realisasi.
Pada bab ini diuraikan mengenai perancangan dan realisasi
rangkaian power supply, penguat biopotensial, filter analog,
komparator, rangkaian monostabil, dan mikrokontroler AVR
ATMEGA16. Kemudian diuraikan pula mengenai realisasi
elektroda dan pemukul gendang yang digunakan .
Bab IV : Analisa Data
Bab ini berisi data pengamatan berupa CMRR penguat
biopotensial dan respon frekuensi dari penguat biopotensial, respon
frekuensi penguat biopotensial+50 Hz notch filter. Ketika sinyal
masukan yang diberikan berasal dari tubuh manusia, bentuk sinyal
dilihat pada keluaran rangkaian penguat biopotensial, 50 Hz notch
4
Universitas Kristen Maranatha
monostabil. Selain itu, diuraikan pula mengenai perbandingan hasil
pengukuran kecepatan denyut jantung antara alat yang dibuat
dengan hasil pengukuran dengan menggunakan oscilloscope.
Bab V : Kesimpulan dan Saran.
Bab ini berisi kesimpulan yang diperoleh dari percobaan, data
pengamatan dan analisis data dari alat yang telah yang telah
direalisasikan serta berisi saran bagi pihak yang terkait berkenaan
83
Universitas Kristen Maranatha
BAB 5
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1.KESIMPULAN
Penguat biopotensial dengan bandpass filter yang direalisasikan
memiliki kualitas yang baik yang dapat dilihat dari hasil
pengukuran CMRR.
Alat berhasil mendeteksi setiap gelombang QRS sebagai denyut
jantung.
Alat berhasil memperagakan denyut jantung sebagai bunyi pukulan
pada gendang.
Alat berhasil menghitung dan menampilkan kecepatan denyut
jantung pada seven segment. Adapun selisih terbesar dari hasil
pengukuran antara kecepatan denyut jantung melalui alat peraga
84
Universitas Kristen Maranatha 5.2. SARAN
Pada alat peraga ini dapat ditambahkan tampilan bentuk
gelombang sinyal jantung sehingga lebih menarik perhatian pengunjung
ataupun calon pemakai lainnya. Bentuk gelombang sinyal jantung dapat
ditampilkan pada komputer, mini TV maupun alat penampil lainnya.
Penulis tidak menambahkan tampilan pada alat peraga ini karena
keterbatasan waktu dan mahalnya biaya yang dibutuhkan untuk
85
Universitas Kristen Maranatha
DAFTAR PUSTAKA
1. Andrianto, Heri. 2008. Pemograman Mikrokontroler AVR ATMEGA 16
Menggunakan Bahasa C. Bandung:Informatika.
2. Boylestad, Robert dan Louis Nashelsky. 1992. Electronic Devices And Circuit
Theory .(5 th ed). New Jersey: Prentice-Hall International Inc.
3. Guyton dan Hall. 1996. Buku Ajar Fisiologi Kedokteran. Edisi 9.
Diterjemahkan oleh: Irawati Setiawan. Jakarta : Penerbit Buku Kedokteran
ECG.
4. Stout, David F. 1976. Handbook of Operational Amplifier Circuit Design.
New York : McGraw–Hill Company Inc.
5. Tompkins, Willis J. 1993. Biomedical Digital Signal Processing . New Jersey:
Prentice-Hall International Inc.
6. Townsend, Neil. 2001.”Modification to Conventional ECG System”. Medical
Electronics. Pages 14.
7. http://cnyack.homestead.com/files/afiltimp/notch1.htm
8. http://en.wikipedia.org/wiki/File:Active_Highpass_Filter_RC.png
9. http://id.wikipedia.org/wiki/File:Berkas:Op-Amp_Differential_Amplifier.svg
