RANCANG BANGUN PENGUAT SEBAGAI ANTARMUKA STETOSKOP DENGAN KOMPUTER PRIBADI

(1)

41

RANCANG BANGUN PENGUAT SEBAGAI ANTARMUKA

STETOSKOP DENGAN KOMPUTER PRIBADI

Yudianingsih

Program Studi Teknik Elektro Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Respati Yogyakarta

Jl. Laksda Adisucipto km. 6,3 Yogyakarta 55281 Telp. (0274) 489780, 489781 Hp.: 08156850500 Email: nadia_yudia@yahoo.co.id.

Abstract

This research is purposed to get a stetoscope amplifier circuit which used to CPU interface. Stetoscope is used to early diagnostic aspecially for breathing disorder and heart sound disorder. This research is resulting an amplifier with 1kHz cut-off frequency, 120 dB/decade slope, maximum gain 8800 times, and 1Vpp output voltage. It is used 9 V power supply.The frequency response of sensor is between 20 Hz to 4kHz. It could to recording heart sound signal with CPU, with connecting the amplifier to audio-input in CPU. Then the recorded data could be analized with any algorithm.

Keyword: Stetoscope, Amplifier, Gain, Frequency response.

1. Pendahuluan

Auskultasi adalah proses pemantauan suara yang bersumber dari dalam tubuh manusia.

Pengenalan fenomena auskultasi penting, bukan hanya untuk diagnosa tetapi untuk menghindari

kesalahan penafsiran, terutama untuk menghindari kesalahan atau kecurigaan diagnosa penyakit

jantung dan pernapasan yang dapat menimbulkan kecemasan atau menyebabkan pembatasan yang

tidak diharapkan [1].

Penggunaan stetoskop sangat diperlukan bagi seorang tenaga medis, diperkirakan lebih 90

% dari tenaga medis dalam mendiagnosa pasien menggunakannya [2].

Stetoskop yang baik mampu mendiagnosa awal regurgitasi aorta, suara yang terdengar

melalui stetoskop (bising) seperti ini selalu lebih baik bila menggunakan diafragma. Demikian

pula dengan bising diastol apikal yang bernada rendah dan bergemuruh, bising ini akan

terlewatkan tanpa menggunakan diafragma [3].

Suara jantung manusia berada pada frekuensi yang berbeda-beda antara 65 Hz – 1kHz

dan dengan mengamati dari perbedaan frekuensi tersebut dapat menunjukkan apakah jantung itu

berfungsi secara normal atau sebaliknya, untuk jantung normal tidak memiliki bagian frekuensi

tinggi lebih dari 1kHz, dengan cara melatih pendengaran manusia dapat membedakannya [4].

Telinga manusia hanya dapat menanggapi sinyal-sinyal akustik dalam jangkauan frekuensi

antara 20 Hz hingga 18 kHz [5]. Artinya diperlukan pengolahan keluaran sensor yang dapat

(2)

murah dan relatif lebih cepat, memungkinkan untuk mengkonstruksi sistem digital yang lebih

canggih dan dapat mengolah sinyal digital yang komplek.

Pada umumnya sangat sulit dan mahal jika dilakukan menggunakan rangkaian analog

karena itu, dilakukan dengan perangkat digital melalui komputer yang lebih murah dan lebih

dipercaya tetapi untuk melakukannya diperlukan antarmuka yang sesuai [6]. Selain didukung

kemajuan pada perangkat keras, perkembangan kemajuan pada perangkat lunak tidak ketinggalan,

dengan adanya bahasa pemrograman yang bermacam-macam. Matlab mudah digunakan namun

tetap berkemampuan tinggi. Matlab sudah banyak digunakan di berbagai bidang seperti

pemrosesan sinyal, jaringan saraf tiruan, citra, fuzzy logic, wavelet, statistik, optimisasi dan

lain-lain [7].

2. Tinjauan Pustaka

Sri Widodo (2004) telah mencoba melakukan penelitian tentang perangkat yang dapat

digunakan menganalisa spektral isyarat jantung. Tetapi pada ragam gelombangnya masih terlihat

adanya derau 50 Hz yang berasal dari jalur daya, sehingga masih perlu tapis takik yang sempit

untuk menghilangkan derau [8].

2.1 Isyarat Suara Jantung

Bunyi kardiovaskular dapat dibagi menjadi bunyi yang terbatas atau transien, disebut

bunyi jantung, dan kombinasi yang lebih panjang dari getaran-getaran, disebut murmur jantung.

(3)

43

Bunyi jantung yang tersering diauskultasi, dapat dibagi menjadi bunyi normal (S1 dan S2), dan variasi abnormal dari S1 dan S2, dapat juga bunyi “fisiologis” atau “patologis” (S3 dan S4) dan bunyi yang biasanya mencerminkan penyakit jantung seperti suara ejeksi atau klik (SE),

klik mid-atau akhir sistolik (KMS) dan opening snap (OS). Tetapi munculnya S3 apabila tidak memiliki nada yang keras maka suara jantung tersebut masih dapat dikatakan normal.

2.2 Penguat Emitor Terbumi

Dalam rangkaian emitor terbumi saluran emitor ada pada rangkaian masukan maupun pada

rangkaian keluaran. Arus balik kolektor jenuh merupakan arus kolektor yang muncul jika arus

emitor sama dengan nol. Pada rangkaian emitor terbumi ini diberi sebuah R1, R2, R3, dan R4 serta

Vcc seperti pada Gambar 2.

Gambar 2. Rangkaian emitor terbumi

Maka akan berlaku persamaan 1 untuk Vbb:

(4)

bb

Sedangkan perolehan arus maksimum (β) transistor adalah

b

2.3 Ekstraksi ciri dengan FFT

Transformasi Fourier cepat atau Fast Fourier Transform (FFT) merupakan salah satu

jenis alih ragam. Alih ragam berfungsi sebagai mengubah fungsi pada kawasan waktu f(t) menjadi

fungsi pada kawasan frekuensi F(f) dan atau sebaliknya :



dalam alih ragam ini memberi hasil fungsi komplek, meski untuk keperluan teknis dapat saja diambil

absolutnya. Dalam hal sinyal objek pada kawasan waktu, maka alih ragam Fourier berada dalam

kawasan frekuensi. Komputasi sesungguhnya untuk nilai kontinyu tidak mudah, sehingga DFT

(Discreate Fourier Transform) menjadi acuan pendekatan.

(5)

45

juga dipilih yang dapat menimbulkan bunyi pada frekuensi rendah. Speaker tersebut

dihubungkan dengan penguat yang diberi masukan melalui pembangkit sinyal. Sementara bagian

sensor dihubungkan ke penguat, osiloskop digunakan untuk mengetahui tegangan keluaran yang

dihasilkan.

Pengujian ini dilakukan pada berbagai mikrofon tetapi dari hasil pengujian tersebut ada tiga

buah sensor yang cukup baik digunakan untuk merespon frekuensi rendah. Sayangnya ketiga

sensor tersebut tidak memiliki tipe atau nomor seri, yang membedakannya adalah bentuknya.

Masing-masing sensor tersebut dapat dilihat pada Gambar 4.

Gambar 3. Pengujian karakteristik sensor.

Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Gambar 4. Berbagai sensor yang diuji

3.2 Rangkaian Penguat Stetoskop

Pada rangkaian penguat ini, terdiri dari dua buah penguat, pertama adalah penguat transistor

emitor terhubung bumi dengan menggunakan transistor C2222 dan

penguat yang kedua adalah penguat dengan menggunakan IC KA2220 seperti diperlihatkan pada

Gambar 5.

Kotak pengujian Lapisan Gabus

Lapisan Busa

Lapisan Glasswool

Mikrofon/sensor Speaker Subwoofer

Penguat Penguat

(6)

Gambar 5. Rangkaian penguat stetoskop.

3.3 Pemasangan Sensor

Pemasangan sensor dilakukan dengan cara hati-hati mengingat sensor yang digunakan

berukuran kecil ± 5 mm, begitu pula saat melakukan penyolderan. Sebaiknya penyolderan

dilakukan setelah sensor dipasang pada selang karet guna mempermudah penyolderan. Selang

karet digunakan untuk menghubungkan antara stetoskop dengan sensor. Panjang selang karet yang

digunakan ± 50 cm. Tidak ada aturan khusus pengenai ukuran ini, penentuan ini berdasarkan

percobaan yang dilakukan, karena ukuran yang terlalu panjang atau pendek akan mempengaruhi

sinyal yang dihasilkan. Konstruksi sensor ini dapat dilihat pada Gambar 6.

Gambar 6. Konstruksi pemasangan sensor.

3.4 Pengujian Penguat Stetoskop

Pengujian dilakukan untuk mendapatkan sinyal yang sesuai dengan suara jantung yang

memiliki tegangan keluaran puncak ke puncak sebesar 1 Vpp. Besar tegangan tersebut ditetapkan

berdasarkan masukan kartu suara yang ada pada komputer. Sebelum tegangan tersebut

dihubungkan dengan komputer, pengukuran dan pengecekan dilakukan dengan menggunakan

(7)

47

Gambar 7. Perekaman isyarat suara Jantung

3.5 Instansiasi (Perekaman)

Dilakukan dengan cara merekam suara jantung, usahakan suasana lingkungan sekitar

setenang mungkin (hening). Sehingga tegangan yang dihasilkan mendekati 0 (nol). Kemudian

stetoskop diletakkan di dada, pilih daerah-daerah yang memiliki sinyal paling kuat. Atur potensio

50kΩ dan 20kΩ hingga mendapatkan sinyal keluaran yang sesuai.

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Karakteristik Sensor

Pada Tabel 1 merupakan data hasil pengujian sensor. Dari tabel tersebut dapat digambarkan

tanggapan frekuensi masing-masing sensor, seperti diperlihatkan pada Gambar 8(a). Sensor 3

memiliki lebarbidang tanggapan frekuensi yang paling baik, hampir merata di kisaran frekuensi

antara 20 sampai dengan 4kHz dan tanggapan ini sudah dapat mencakup frekuensi yang dimiliki

oleh suara jantung, yaitu antara 65 sampai dengan 1kHz nilai tersebut sesuai dengan hasil

penelitian Dampley 1994 [4].

Tabel 1. Hasil perhitungan tanggapan frekuensi berdasarkan pengamatan

No. Frekuensi

(Hz)

Perolehan Tegangan dB=20log Av

Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

1 20 -12 -13,5 -9,7

2 30 -13,1 -13,3 -9,6

(8)

4.2 Penguat Sensor

Rangkaian penguat stetoskop terdiri atas dua unit penguat, pertama adalah penguat

transistor emiter terhubung bumi menggunakan transistor C2222 dan penguat kedua adalah

penguat dengan menggunakan IC KA 2220 seperti diperlihatkan pada Gambar 5. Tanggapan

frekuensi penguat stetoskop dapat dilihat pada Gambar 8 (b). Kemampuan penguat ini berada pada

frekuensi cut-off 1kHz dengan kemiringan -120 dB/decade (orde-6) dengan penguatan maksimum

8800 kali, tegangan keluaran 1 Vpp.

Gambar 8 (a). Tanggapan frekuensi beberapa sensor yang diuji.

(b). Tanggapan frekuensi penguat stetoskop.

Pada penguat emiter terhubung bumi digunakan potensio 50kΩ sebagai pembagi tegangan

basis dan hambatan maksimum 20kΩ sebagai penahan keluarannya. Kapasitor 10µF dipasang

(a)

(b)

4 50 -11,8 -12,5 -9

5 60 -12 -11,8 -8,7

6 70 -12,5 -10,3 -7

7 80 -12,3 -10,3 -6

8 90 -12,4 -11,3 -5

9 100 -13 -11,2 -3

10 200 -12 -11,5 -1

(9)

49

antara mikrofon dan hambatan pembagi yang bertujuan agar arus dc, yang berasal dari catu daya

tidak dapat masuk ke transistor. Pembagi tegangan berfungsi untuk mengatur arus basis sehingga

arus yang melewatinya dapat diatur melalui potensio 50kΩ sekaligus, berfungsi untuk mengatur

kepekaan sensor/mikrofon. Penguat kedua adalah penguat yang dibangun menggunakan IC KA

2220, penguat ini sering digunakan pada penguat pre-amp sebagai alat pungut pita kaset.

Karakteristik penguat secara umum memiliki tanggapan frekuensi antara 20 – 25 kHz. Dengan

mengganti kapasitor C1 sebesar 10µF dan C2 sebesar 332 nF maka, tanggapan frekuensinya menjadi 50 – 1,2 kHz. Pada bagian masukan dihubungkan dengan kapasitor 104 nF, dan pada

bagian keluarannya dihubungkan dengan kapasitor 10µF. Keduanya berfungsi untuk mencegah arus dc, catu daya yang digunakan adalah sebuah baterai yang memiliki tegangan sebesar 9 volt .

4.3 Analisis Isyarat Suara Jantung

Bentuk gelombang suara jantung memiliki nilai sebaran di beberapa frekuensi yang

semuanya berbeda-beda. Baik terjadi pada daerah S1, S2, dan S3 walaupun demikian, memiliki

rentang frekuensi antara 60 sampai dengan 1kHz. Pada isyarat jantung normal suara gemuruh

bernada rendah dan tinggi sangat jarang terjadi. Spektrum hasil rekaman suara jantung normal

dapat dilihat pada Gambar 9. Dengan jelas daerah S1 dan S2 memiliki amplitudo lebih tinggi,

sedangkan S3 muncul dengan amplitudo yang lebih kecil dan berimpit dengan S2. Perekaman

dilakukan pada frekuensi sampling 22kHz, seluruh isyarat jantung yang digunakan direkam dan

diberi nama, hasil rekaman tersebut disimpan dalam format WAV.

(10)

Setelah direkam kemudian isyarat tersebut diekstraksi dengan FFT koefisien NFFT = 4096

pada Gambar 10 merupakan isyarat suara jantung normal dan Gambar 11 merupakan isyarat

murmur jantung. Bentuk pola hasil ekstraksi menunjukkan adanya perbedaan dari masing-masing

suara jantung. Suara jantung normal memiliki komponen frekuensi rendah sedangkan untuk

murmur jantung memiliki komponen frekuensi tinggi. Analisa ini menggunakan bahasa

pemrograman Matlab 6.5. [10].

Gambar 10 Suara jantung normal

(a) Bentuk gelombang pada kawasan waktu,

(11)

51

Gambar 11. Suara murmur jantung regurgitari stenosis aorta

(a) Bentuk gelombang pada kawasan waktu.

(b) Pola ekstraksi ciri ternormalisasi di kawasan frekuensi.

5. KESIMPULAN

Sensor 3 memiliki lebar bidang tanggapan frekuensi yang paling baik, hampir merata di

kisaran frekuensi antara 20 sampai dengan 4kHz dan tanggapan ini sudah dapat mencakup

frekuensi yang dimiliki oleh isyarat suara jantung, yaitu antara 65 sampai dengan 1kHz.

Kemampuan penguat ini berada pada frekuensi cut-off 1kHz dengan kemiringan -120 dB/decade (orde-6) dengan penguatan maksimum 8800 kali, tegangan catu 9 Volt dan besarnya

tegangan maksimum keluaran penguat 1 Vpp.Perekaman dilakukan pada frekuensi sampling

22kHz, hasil rekaman tersebut disimpan dalam format WAV.

Melalui proses ekstraksi dengan FFT koefisien NFFT = 4096 menghasilkan suara jantung

normal memiliki komponen frekuensi rendah sedangkan untuk murmur jantung memiliki

komponen frekuensi tinggi.

6. DAFTAR PUSTAKA

[1] Oswari, Jonathan .,Tuner W.D, Richard., Gold G, Ronald., 1995, Auskultasi Jantung, terjemahan, Penerbit Buku Kedokteran EGC, Jakarta.

[2] Santoso, Agustinus Andi., 1999, Anatomi Fisiologi Sistem Pernapasan dan Sistem Koardiovaskuler, Penerbit Buku Kedokteran EGC, Jakarta

[3] Setiawan, Irawati dan Arthur, 1988, Buku Ajar Fisiologi Kedokteran, terjemahan, Penerbit Buku Kedokteran EGC, Jakarta.

[4] Dampley, R,A .1994, Functional Organization of Central Pathway Regulating the cardiovascular and diagnostic in the Brain Stem, Physol.No.290,Vol. 72.

[5] Jasfi, E., J.P. Holman., 1985, Metoda Pengukuran Teknik, terjemahan, Erlangga, Jakarta.

[6] Derenzo, Stephen E., 1990 , INTERFACING : A Laboratory Approach Using the Microcomputer for Instrumentation, Data Analysis, and Control, Prentice-Hall Int. Inc., New Jersey.

[7] Adianto, Josef., dan Duane Hanselman, Littlefield, 1997, MATLAB Bahasa dan Komputasi Teknis, terjemahan, Andi, Yogyakarta.

(12)

[9] Sunarno, Stein Emanuel dan Abner J. Delman, 1994, Interpretasi Akurat Bunyi Jantung, terjemahan, Penerbit Buku Kedokteran EGC, Jakarta