pengembangan ekg

PENGEMBANGAN EKG DENGAN MENGGUNAKAN AKSELEROMETER

Franki Siadari0706196550

LATAR BELAKANG PENELITIAN

Kesadaran manuisa akan kesehatan semkin meningkat, sehingga membuat kebutuhan akan alat-alat monitoring kesehatan semakin meningkat pula. Maka dengan memnfaatkan perkembangan teknologi yang ada dibuatlah sebuah sisitem Eiektrokardiograf yang dilengkapai dengan sensor percepatan sehingga mampu merekam data aktifitas jantung dan aktivitas fisik penggunanya.

Penelitian ini merupakan lanjutan dari dua penelitian yang dikerjakan sebelumnya ( Wireless Elektrokardiograf, M. Yiwansyah Mega, 2007 dan Sistem Pemantau Aktivitas Fisik Manusia Menggunakan Akselerometer Berbasis Kartu Memori SD dan Mikrokontroler AVR, Idha Rakhmawati, 2009). Kombinasi kedua penelitian ini, menghasilkan sisitem pemanatau aktivitas jantung (EKG) dan aktivitas fisik, yang datanya dapat disimpan kedalam kertu memori SD dan dikomunikasikan secara serial.

TUJUAN PENELITIAN

Penelitian ini bertujuan, untuk : Membuat sebuah sistem pemantau

aktifitas jantung dan tubuh manusia. Menentukan pola perbandiang sinyal

jantung normal (interval, luas dan amplitudo).

Menentukan hubungan antara perubahan sinyal jantung terhadap perubahan aktifitas (kecepatan langkah) tubuh.

BLOK DIAGRAM PERANCANGAN ALAT

ECG + MMA 7260Q

Mikrokontroler Atmega 128L

SD Card PC (LabVIEW 8.5)

Pengertian EKG

Elektrokardiograf (EKG) adalah sistem yang mendeteksi sinyal listrik yang diakibatkan oleh adanya aktifitas otot-otot jantung

Kontraksi pada otot jantung menyebabkan depolarisasi muatan listrik pada tubuh manusia yang menyebabkan perubahan potensial dari potensial diam menjadi potensial aksi..

Gambar 1. Pola Gelombang pada Jantung

PERUBAHAN POTENSIAL PADA SEL

Gambar 2. Perubahan Potensial Sel

BIOELEKTRODA Untuk dapat mengukur potensial pada tubuh manusia dibutuhkan sebuah

tranduser antarmuka yang berfungsi sebagai sumber sinyal yang menggambarkan potensial pada tubuh manusia. Transduser ini disebut bioelektroda yang mempunyai kemampuan menghantarkan arus yang dihasilkan dari antar muka antara tubuh manusia dengan perangkat elektronika.

Perinsip kerja dari elektrodaelektrolit diperlihatkan pada gambar 3 dibawah ini

C

C

C A-

A-

C+

C+

e-

e-

Elektroda Elektrolit

Arus yang bergerak dari elektroda ke elektrolit terdiri atas tiga komponen yaitu1. Elektron yang bergerak dengan arah yang berlawanan terhadap arus2. Kation yang bergerak searah arus (C+) 3. Anion yang bergerak berlawanan terhadap arus pada elektrolit (A-).

Pergerakan antar ion pada elektrolit menyebabkan terjadinya konduksi ionik yang akan menghasilkan konduksi elektrolit pada elektroda, reaksi yang terjadi dapat dituliskan sebagai berikut :

C Cn+ + ne-

Am- A + me-

Reaksi ini menghasilkan beda potensial antara cairan elektrolit yang melingkupi logam elektroda dengan bagian yang lain pada caiaran elektrolit. Beda potensial yang dihasilkan disebut Half-cell potensial, yang diukur dari elektroda acuan yaitu Hidrogen elektroda.

RANGKAIAN EKIVALEN ELEKTRODA

Sinyal EKGsinyal EKG atau yang disebut elektrokardiogram yang merupakan superposisi dari seluruh sinyal dari detak jantung. Sinyal normal akan tampak seperti gambar di bawah, jarak R-R Interval akan selalu tetap untuk sinyal normal yang berarti jarak antar detakan jantung sama

bila jarak antara R-R tidak beraturan maka kondisi jantung sedang tidak normal

Gambar disamping menunjukan bentuk sinyal yang normal dari jantung manusia dimana :

Gelombang P (representasi dari atrial depolarisasi), memiliki bentuk yang selalu sama, tegak lurus dan selalu ada 1 P sebelum QRS

P-R memiliki interval yang konstan, berjarak 0,12 – 0,2 detik.

Gelombang QRS (Representasi dari ventricular depolarisasi), selalu memiliki bentuk yang sama dan memiliki interval kurang dari 0,21 detik.

sinyal yang ditampilkan EKG, dapat saja berbeda dengan gambar yang ada di samping, sesuai dengan aktivitas dari kontraksi jantung manusia

Medan dipol pada jantung sewaktu gelombang R maksimum

Hubungan antara dua vektor Lead a1 dan a2 dan vektor

jantung M2

KONEKSI STANDAR LEAD

Penempatan elektroda menentukan bentuk dan besarnya sinyal elektrokardiograf

Model sederhana yang dikembangkan oleh ilmuwan adalah model yang menggambarkan adanya dipol listrik pada jantung.

Medan dipol menggambarkan aktifitas listrik jantung, pada waktu tertentu. Medan dipol di di gambarkan dengan vektor M yang disebut vektor jantung.

Dua buah eketroda yang di tempatkan secara terpisah pada jarak tertentu akan membentuk sutu vektor lead, yang menghasilkan beda potensial. Lead akan menggambarkan besar dan arah vektor jantung.

Lead adalah pasangan elektroda atau kombinasi dari beberapa elektroda yang melalui suatu jaringan tahanan.

Tegangan yang dihasilkan oleh vektor Lead a1 adalah komponen dari vektor M dalam arah a1 yang dituliskan dalam bentuk perkalian titik.

Va1 = M . a1 atau Va1 = | M | cos

Sedangkan tegangan vektor a2 bernilai nol, karena tegak lurus terhadap vektor M

Ada tiga dasar penempatan lead pada permukaan tubuh yang dikenal dengan Eindhoven’s triangle yang terlihat pada Gambar disamping.

Pada formasi ini, elektroda ditempatkan pada 4 lokasi yakniRA(Right Arm), LA(Left Arm), LL (Left Leg) dan RL(Right Leg).

Kombinasi dari pasangan elektroda ini menghasilkan Lead I (LA-RA), Lead II (LL-RA) dan Lead III (LL-LA) sedangkan RL bertindak sebagai acuan ground untuk sistem .

Eindhoven’s triangle

Tegangan untuk ke tiga lead dapat dirumuskan sebagai berikut :

Bedasarkan hukum Kirchhoff untuk tegangan didapatkan VI – VII + VIII = 0.

Sinyal antara LA dan central terminal disebut VL, RA dengan central terminal disebut VR dan dengan LL disebut VF.

Dengan koneksi pada Gambar dibawah maka untuk masing-masing lead terdapat tahanan R yang memintas (shunt) antara central terminal dengan elektrode, akibatnya amplitudo sinyal yang diukur cenderung untuk berkurang. Untuk meningkatkan amplitudo maka koneksi antara elektroda yang diukur dengan central terminal dipindahkan, amplitudo dapat ditingkatkan menjadi 50% dan arah dari vektor lead tidak berubah.

Hal ini menghasilkan 3argumen lead yang akan di tujukan gambar dibawah ini :

yI MMV cos

zyII MMMM

V2

3

2

1sin

2

3cos

2

zyIII MMMM

V2

3

2

1sin

2

3cos

2

Lead I:

Lead II:

Lead III:

tiga augmented lead ini dikenal dengan masing-masing aVL, aVR dan aVF2 dimana huruf a singkatan dari augmented, dapat dituliskan sebagai berikut :

aVR = -VI – VIII/2aVL = VI – VII/2aVF = VII – VI/2

AKUISISI DATA1. Penguat Instrumentasi

Penguat instrumentasi yang digunakan pada EKG ini, menggunakan IC AD623, yang memiliki skematik sebagai berikut :

dengan menjadikan V1 dan V2 menjadi input dan memberikan hambatan R1 sebesar 33,33 KΩ. Maka sinyal output sebesar :

Pada IC AD 623 besarnya nilai R2 = R3 = R4 = 50 KΩ, sehingga pengautan yang terjadi sebesar 4 Vin

3

4

1

221

12 R

R

R

R

VV

Vo

KARAKTERISTIK AD 623

CMRR ≥ 84 db (G = 5) Noise yang rendah (35 nV/ Hz RTI

Noise @ 1 kHz (G = 1)) 20 ms Settling Time to 0.01% (G =

10) Single supplay (+3 V - +12 V)

2. FilterFilter analog, digunakanUntuk mendapatkan sinyal EKG yang kita inginkan dengan lebar pita 0.5 Hz ~ 100Hz, dan mengurangi derau yang ada pada sinyal input. Ada 2 jenis filter analog :- Low pass filter

ffi

f

iff

f

i

f

CRjR

R

RCRj

R

Z

Z

jVi

jVo

1

1

)1()(

)(

High pass filter

i

i

i

f

ii

if

Cj

Cj

R

R

RCj

CRj

jVi

jVo

1/1)(

)(

Berikut ini realisasi rangkaian band-pass filter, dengan penguatan 101 vin

Dengan frekuensi cut off 0.53 – 106 hz. Sinyal input dalam sekala mili volt dan pengauatn 1010 x berikut ini data hasil filter:

1 10 100 10000

50

100

150

Log Frekuensi

Pen

gu

ata

n

E. SISTEM PENGGERAK KAKI KANAN

Sistem penggerak kaki kanan (Right Leg Driven System) adalah suatu rangkaian elektronik yang dirancang untuk mengurangi interferensi oleh tegangan jala-jala akibat adanya kapasitansi stray/koupling kapasitansi.

Sehingga ada arus yang mengalir ke ground melalui tubuh manusia dan menimbulkan tegangan common mode diseluruh tubuh.

Tegangan common mode ini diminimalisasi dengan memberikan dua tahanan rata-rata pada penguat instrumentasi Ra, lalu menggunakan op-amp, sinyal ini dibalik dan dikuatkan lalu diumpankan ke kaki kanan tubuh manusia. Umpan balik yang dihasilkan oleh op-amp mengakibatkan common mode ke nilai yang rendah.

Rangkaian listrik ekivalen penggerak kaki kanan ini dapat dianalisa sebagai berikut, dengan menjumlakan arus pada masukan negatif op-amp maka

Karena,

Didapatkan Vcm,

cma

fo

f

o

a

cm VR

RV

R

V

R

V 20

2

odocm ViRV

af

docm RR

iRV

/21

KM

AKVcm 25/1.21

2,0.100 VVcm 2,0

BLOK DIAGRAM SISTEM EKG

Secara garis besar sistem EKG dapat digambarkan sebagai berikut :

Penguat Instrumentasi(4x)

Band-pass Filter(0.53 -106 Hz) dan

penguatan non-inverting 101 x

Penguat Inverting2,5x

SKEMATIK EKG

MINIMUM SITEM ATMEGA128LEKG DAN EKSELEROMETER

Sistem EKG yang telah dirancang menghasilkan data EKG sebagai berikut:

0.00.20.50.70.91.21.41.61.82.12.32.52.83.03.23.53.73.94.11

1.5

2

2.5

3

Waktu (s)

Am

plitu

do (

V)

AKSELEROMETER

F = ma Dengan F adalah gaya yang bekerja pada massa dan a adalah akselerasi benda.

Kerja dinamik dari sistem dapat dianalisis dengan mempertimbangkan persamaan diferensial:

Dengan adalah gaya eksternal yang bekerja pada massa yang ditempelkan persamaan tersebut merupakan persamaan gerak harmonic terpaksa untuk mencapai nilai x yaitu pergeseran yang terjadi pada pegas

Solusi umum persamaan gerak harmonik terpaksa ini beserta dengan turunannya ialah:

KARKTERISTIKI MMA7260Q

Sensor ini memiliki beberapa keistimewaan, diantaranya adalah [3]: Sensitivitasnya dapat dipilih dengan empat pilihan,

yaitu 1.5 g, 2 g, 4 g, dan6 g; konsumsi arusnya rendah: 500 µA; sleep mode: 3 µA; tegangan operasinya rendah: 2.2 V – 3.6 V; ukurannya kecil: 6 mm x 6 mm x 1.45 mm; sensitivitas yang tinggi mencapai 800 mV/g (pada

pilihan sensitivitas 1.5 g); pengkondisi sinyal integral dengan low pass filter.

PERBANDIANGAN INTERVAL DAN AMPLITUDO EKG

..\data ECG\EKG LabVIEW\Peak Detection and Display-ecg.vi

Dilakukan perbandingan nilai amplitudo referensi :Sinyal P = 0,2 mVSinyal QRS = > 0,6 mVSinyal T = 0,3 mVDari data ini perbandiangan puncak P : R : T, adalah

2 : 6 : 3.

(Lang, Sibernagel, 2007, Patofisologi, Jerman)

DATA PERBANDIANGAN AMPLITUDO

Sample Sinyal P Sinyal Q R S Sinyal T

Franki 17 25 20

Andy 18 24 19

Grace 18 30 19

Perbandiangan interval sinyal PQ, QRS dan QTdengan menggunakan acuan perbandiangan:Interval PQ = 0.12 – 0.2 detikInterval QRS = 0,08 detikinterval QT = 0,35 detik (tergantung frekuensi)perbandingan interval PQ , QRS dan QT

20 : 8 : 35

( Lang, Sibernagel, 2007, Patofisologi, Jerman)

DATA PERBANDIANGAN SELANG WAKTU SINYAL EKG

Sample P R (detik) QRS (detik) Q T (detik)

Franki 15 7 40

Andy 11 8 39

Grace 13 8 39

DIAGRAM ALIRAN PROGRAM PENDETEKSIAN LUAS SINYAL JANTUNG

START

Input data ECG

Membatasi sinyal dengan batasan Vcc/2

Dengan menggunakan peak detector, didapatkan amplitude dari sinyal dan waktu dari puncak seluruh sinyal

Memotong sinyal ekg menjadi sinyal P R dan T saja

Tentukan panjang data dan mengintegralkan data dengan menggunakan “numeric integration.vi”

Menampilkan data grafik sinyal yang di potong, menampilkan luas sinyal yang telah diintegralkan

PERBANDIANGAN LUAS SINYAL

sample Luas P Luas R Luas T

Franki 5 9 19

Andy 5 9 19

Grace 5 12 19

PERHITUNGAN KECEPATAN

DIAGRAM ALIR PROGRAM PERHITUNGAN KECEPATAN LANGKAH

PERBANDIANGAN KECEPATAN LANGKAH TERHADAP SINYAL JANTUNG

Sample Kecepatan

Amplitudo P

Waktu P

Amplitudo QRS

Waktu QRS

Amplitudo T

WaktuT

Franki 1 m/s 1.9 0.07 2.7 0.05 2.2 0.3

Andy 1 m/s - - 2.5 0.04 2 0.3

Grace 1.5 m/s 1.9 0.08 3 0.05 2 0.2

KESIMPULAN Telah berhasil dirancang sebuah sistem pemantau

aktivitas jantung dan aktivitas langkah.

Perbandiangan normal sinyal jantung Berdasarkan hasil uji alat : Amplitudo P, QRS dan T adalah 18 : 26 : 19, mengalami

perubahan perbandingan pada sinyal QRS. Turun sebesar 41 % dari acuan.

Perbandingan interval sinyal EKG adalah 13 : 8 : 39 Perbandingan luas sinyal EKG adalah 5 : 10 : 19

Belum dapat ditentukan perbandingan kecepatan langkah terhadap aktivitas jantung.

SARAN

1. Pada pengembang lebih lanjut, sangat disarankan untuk melakukan kerjasama dengan teman-teman dari peminatan Fisika Medis, sehingga intepretasi data-data yang didapat menjadi lebih baik.

2. Kerjasama dengan pihak industri atau pemerintah akan sangat menunjang kebutuhan dana dalam penelitian ini.

3. Akan sangat baik bila pada penelitian berikutnya digunakan lebih dari satu buah akselerometer dan ditambahkan sensor temperatur tubuh, sehingga aktivitas fisik manusia akan terpantau dengan lebih baik.

4. Menggunakan kebel EKG yang telah dipakai secara luas dan tersertiviasi agar data EKG yang terbaca semakin baik.

PERSIAPAN