electroencephalogramunhas.ac.id/tahir/bahan-kuliah/bio-medical/tugas/tugas... · web viewrangkaian...

O L E H :

WILLIAM WONGSO

D411 01 024

JURUSAN ELEKTROFAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS HASANUDDIN2006

ELEKTRONIKA KEDOKTERAN ELECTROENCEPHALOGRAM

ELECTROENCEPHALOGRAM (EEG)

ALAT PENCATAT KEAKTIFAN LISTRIK PADA OTAK

1. Sejarah Electroencephalogram

Perkembangan di bidang teknik khususnya dalam bidang pengukuran dan

perekaman listrik di akhir abad ke-19 memberikan suatu sumbangan yang besar di

bidang modern neuroscience. Pada tahun 1929, seorang psikiater Jerman yang

bernama Hans Berger, yang bekerja di kota Jena, mengumumkan bahwa adalah

mungkin untuk merekam arus listrik yang lemah yang dihasilkan pada otak, tanpa

membuka tengkorak, dan untuk melukiskannya ke suatu kertas. Berger menamakan

format perekaman yang baru ini sebagai Electroencephalogram (EEG). Ini adalah

suatu penemuan revolusioner, dan sesungguhnya, Berger menemukan suatu cabang

yang sangat penting dan baru dari ilmu pengetahuan medis yang dinamakan

neurophysiology klinis.

Gambar 1. Gelombang yang Dihasilkan oleh Otak

Terkesan dengan berbagai kemungkinan untuk membangun peta

bidimensional menyangkut aktivitas EEG di atas permukaan otak, W. Gray Walter

menemukan toposcope pada tahun 1957.

Toposcope ini adalah suatu alat yang kompleks. Toposcope itu mempunyai 22

tabung sinar katoda (yang serupa dengan tabung TV), masing-masing di antara

tabung sinar katoda itu dihubungkan ke sepasang elektroda yang dipasang ke

1


tengkorak.. Elektroda diatur di dalam suatu susunan geometri, sehingga masing-

masing tabung bisa melukiskan intensitas dari beberapa irama yang menyusun EEG

di dalam area otak tertentu. Susunan tabung CRT ini, sedemikian rupa sehingga

display phosphorescent spiral menunjukkan secara serempak irama yang

menunjukkan bagian tertentu dari otak.

Gray Walter meminta pasiennya untuk melaksanakan beberapa tugas mental

dengan hasil bahwa irama EEG diubah ke dalam jalan berbeda, waktu dan bagian-

bagian dari otak. Gray Walter menjadi yang pertama yang membuktikan, bahwa yang

disebut sebagai irama alfa (memperlihatkan status beristirahat) menghilang dari

hampir semua otak selama suatu tugas mental yang menuntut kesadaran, diganti oleh

suatu irama lebih cepat, yaitu gelombang beta.

Hal itu dengan seketika nyata ke ahli saraf bahwa toposcope bisa memberikan

suatu bantuan untuk menemukan lokasi epilepsi (poin-poin dimana suatu gangguan

hebat dimulai di dalam otak, dalam kaitan dengan suatu luka lokal, tumor atau

perubahan fungsional).

2. Otak Menghasilkan Listrik

Hans Berger menyatakan bahwa otak manusia mempunyai aktivitas listrik

yang kontinyu dan hal ini bisa direkam. Alat perekam EEG ini biasanya memerlukan

elektroda (lempengan besi kecil) yang dilekatkan ke permukaan kulit kepala dengan

menggunakan gel yang menghantarkan aliran listrik. Amplifier yang cukup kuat

digunakan untuk meningkatkan amplitudo hingga beratus-ratus bahkan beribu-ribu

kali dari sinyal yang lemah (sinyalnya beberapa mikrovolt).

Suatu alat yang disebut Galvanometer yang mempunyai tinta pena yang

ujungnya bertugas untuk menulis pada kertas khusus yang bergerak kontinyu dengan

kecepatan tetap yang telah diatur sebelumnya. Hasilnya berupa gelombang. Satu

2


pasang dari elektroda biasanya membentuk satu channel dimana alat perekam EEG

sangat bergantung pada hal ini dan EEG dapat membentuk 8 – 40 channel yang

terekam secara paralel. Ini disebut alat perekam EEG multichannel.

Sejak dari penemuan alat ini, dapat diketahui bahwa karakteristik dari

aktivitas EEG ini dapat berubah-ubah di berbagai situasi, utamanya pada saat sadar,

istirahat, tidur, dan mimpi, dimana terjadi perubahan gelombang otak baik frekuensi

maupun amplitudonya dan gelombang-gelombang itu diberi nama seperti alfa, beta,

theta, dan delta. Utamanya sifat seseorang juga dapat mengubah pola gelombang di

bagian-bagian yang berbeda dari otak. EEG juga digunakan di bidang neurologi dan

psikiatri, utamanya untuk mendiagnosa penyakit otak, seperti epilepsi (gangguan

serius yang disebabkan oleh adanya aktivitas yang terganggu di neuron), gangguan

tidur, dan tumor otak.

3. Sinyal Electroencephalogram (EEG)

Sinyal EEG dapat diketahui dengan menggunakan elektroda yang dilekatkan

pada kepala. Tegangan sinyalnya berkisar 2 sampai 200 μV, tetapi umumnya 50 μV.

Frekuensinya bervariasi tergantung pada tingkah laku. Daerah frekuensi EEG yang

normal rata-rata dari 0,1 Hz hingga 100 Hz, tetapi biasanya antara 0,5 Hz hingga 70

Hz. Variasi dari sinyal EEG yang terkait dengan frekuensi dan amplitudo

mempengaruhi diagnostik. Daerah frekuensi EEG dapat diklasifikasikan menjadi lima

bagian untuk analisis EEG, yaitu :

Delta (δ) (0,5 – 4) Hz

Theta ( θ) (4 – 8) Hz

Alpha (α) (8 – 13) Hz

Beta (β) (13 – 22) Hz

Gamma (γ) (22 – 30) Hz

3


4. Prinsip Kerja dari EEG

Elektroda EEG ukurannya lebih kecil daripada elektroda ECG. Elektroda

EEG dapat diletakkan secara terpisah pada kulit kepala atau dapat dipasang pada

penutup khusus yang dapat diletakkan pada kepala pasien.

Gambar 2. Elektroda EEG

Untuk meningkatkan kontak

listrik antara elektroda dan kulit kepala digunakan

elektroda jelly atau pasta. Bahan elektroda yang umumnya digunakan adalah perak

klorida. EEG direkam dengan cara membandingkan tegangan antara elektroda aktif

pada kulit kepala dengan elektroda referensi pada daun telinga atau bagian lain dari

tubuh. Tipe merekam ini disebut monopolar. Tetapi tipe merekam bipolar lebih

populer dimana tegangan dibandingkan antara dua elektroda pada kulit kepala.

Berikut ini diperlihatkan blok diagram dari peralatan EEG.

Input Trace

Gambar 3. Blok Diagram Peralatan EEG

a. Amplifier

4

Amplifier Filter Writing Port


Amplifier digunakan karena EEG harus memiliki penguatan yang tinggi dan

karakteristik noise yang rendah sebab amplitudo tegangan EEG sangat rendah.

Amplifier yang digunakan harus bebas dari interferensi sinyal dari kabel listrik atau

dari peralatan elektronik yang lain. Noise sangat berbahaya di dalam kerja EEG

karena gelombang elektroda yang dilekatkan pada kulit kepala hanya beberapa

mikrovolt ke amplifier. Amplifier digunakan untuk meningkatkan amplitudo hingga

beratus-ratus bahkan beribu-ribu kali dari sinyal yang lemah yang hanya beberapa

mikrovolt. Rangkaian dalam sederhana dari amplifier EEG diperlihatkan pada

Gambar 2.

b. Kontrol Sensitivitas

Keseluruhan sensitivitas dari sebuah alat EEG adalah penguatan dari

amplifier dikalikan dengan sensitivitas dari alat penulisan. Jika sensitivitas alat

penulisan adalah 1 cm/V, amplifier harus mempunyai keseluruhan penguatan 20.000

untuk 50 μV sinyal untuk memantulkan untuk menghasilkan nilai penguatan diatas.

Langkah-langkahnya adalah kapasitor digabungkan. Sebuah alat EEG mempunyai

dua tipe dari kontrol penguatan. Pertama adalah variabel kontinu dan digunakan

untuk menyamakan sensitivitas semua channel. Kedua adalah kontrol beroperasi

sejalan dan dimaksudkan untuk meningkatkan atau mengurangi sensitivitas dari suatu

channel oleh sesuatu yang dikenal. Kontrol ini biasanya dikalibrasi dalam desibel.

Penguatan amplifier normalnya diset sehingga sinyalnya sekitar 200 μV dipantulkan

pena diatas daerah linearnya.

c. Filter

Ketika direkam oleh elektroda, EEG mungkin berisi kerusakan otot dalam

kaitannya dengan kontraksi dari kulit kepala dan otot leher. kerusakannya besar dan

tajam sehingga menyebabkan kesulitan besar dalam klinik dan interpretasi otomatis

EEG. Cara paling efektif untuk mengurangi kerusakan otot adalah dengan

5


menyarankan pasien untuk rileks, tapi ini tidak selalu berhasil. Kerusakan ini

umumnya dihilangkan menggunakan low pass filter. Filter pada alat EEG mempunyai

beberapa pilihan posisi yang biasanya ditandai dengan tetapan waktu. Suatu nilai

satuan tetapan waktu yang diset untuk kontrol frekuensi rendah adalah 0,03; 0,1; 0,3;

dan 1,0 detik. Tetapan waktu ini sesuai dengan 3 dB menunjuk pada frekuensi 5,3;

1,6; 0,53; dan 0,16 Hz. Di atas frekuensi cut-off dan dikontrol dengan filter high-

frekuensi. Beberapa nilai dapat dipilih, diantaranya adalah 15, 30, 70, dan 300 Hz.

d. Sistem Penulisan

Sistem penulisan pada EEG umumnya menggunakan sistem ink writing tipe

direct-writing ac recorder yang menyediakan respon frekuensi hingga 60 Hz pada 40

mm puncak ke puncak. Tipe umum dari direct-recorder adalah tipe stylus yang

langsung menulis pada kertas yang digerakkan di bawahnya. Pada umumnya di dalam

sistem direct-writing recorder, digunakan galvanometer yang mengaktifkan lengan

penulis yang disebut pen atau stylus. Mekanismenya dimodifikasi dari pergerakan

D’Arsonval meter.

Sebuah kumparan dari kawat tipis berputar pada suatu bingkai aluminium

segi-empat dengan ruang udara antara kutub suatu magnet permanen. Poros baja yang

dikeraskan dikaitkan dengan bingkai kumparan sedemikian sehingga kumparan

berputar dengan friksi minimum. Paling sering, jewel dan poros digantikan oleh taut-

band sistem. Suatu pen ringan terikat dengan kumparan. Spring berkait dengan

bingkai mengembalikan pen dan kumparan selalu ke suatu titik acuan. Ketika listrik

mengalir sepanjang kumparan, suatu medan magnet timbul yang saling berhubungan

dengan medan magnet dari magnet permanen. Hal itu menyebabkan kumparan

mengubah sudut posisinya seperti pada suatu motor listrik. Arah perputaran

tergantung dari arah aliran arus di dalam kumparan. Besar defleksi dari pen adalah

sebanding dengan arus yang mengalir melalui kumparan.

6


Penulisan stylus dapat mempunyai tinta di ujungnya atau dapat mempunyai

suatu ujung yang menjadi kontak dengan suatu sensitif elektro, tekanan yang sensitif

atau panas kertas sensitif. Jika suatu penulisan lengan dari panjang yang ditetapkan

digunakan, sumbu koordinat akan menjadi kurva. Dalam rangka mengkonversi kurva

linier dari ujung penulisan ke dalam kurva gerak lurus, berbagai mekanisme telah

dipikirkan untuk mengubah panjang efektif dari lengan penulisan sehingga bergerak

ke tabel perekaman. Instrumen taut-band lebih disukai dibandingkan dengan

instrumen poros dan jewel karena lebih menguntungkan untuk meningkatkan

sensitivitas listrik, mengeliminasi friksi, lebih baik pengulangannya dan

meningkatkan daya tahannya.

e. Noise

Amplifier EEG dipilih untuk level minimum derau yang dinyatakan dalam

kaitan dengan ekuivalen tegangan masuk. Dua mikrovolt sering dinyatakan dapat

diterima oleh perekam EEG. Noise berisi komponen dari semua frekuensi dan

perekaman noise dapat meningkatkan bandwith dari sistem. Oleh karena itu, penting

untuk membatasi bandwith yang dibutuhkan untuk menghasilkan sinyal.

f. Penggerak Kertas

Hal ini disediakan oleh suatu motor sinkron. Sebuah mekanisme penggerak

kertas yang stabil dan akurat perlu dan normal untuk mempunyai beberapa kecepatan

kertas yang tersedia untuk dipilih. Kecepatan pada 15, 30, dan 60 mm/s penting.

Beberapa mesin juga menyediakan kecepatan di luar daerah ini.

g. Saluran

7


EEG direkam secara serempak dari sebuah susunan yang terdiri atas banyak

elektroda. Elektroda dihubungkan untuk memisahkan amplifier dan sistem penulisan.

Mesin EEG komersial dapat memiliki sampai 32 saluran, walaupun 8 atau 16 saluran

lebih umum.

5. Gambar Rangkaian Dalam Sederhana Amplifier EEG

Input Output ke filter

Gambar 4. Rangkaian Dalam Sederhana Amplifier EEG

6. Analisis Rangkaian Amplifier EEG

Rangkaian amplifier EEG seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4 terdiri

dari dua buah rangkaian penguat selisih tegangan dengan penguatan dan sebuah

rangkaian diferensiator. Jadi untuk menganalisis rangkaian amplifier EEG, kita harus

menganalisis satu persatu rangkaian-rangkaian yang menyusun rangkaian amplifier

tersebut.

Rangkaian penguat selisih Rangkaian

tegangan dengan penguatan diferensiator

8

R1


Rangkaian penguat selisih tegangan dengan penguatan

Gambar 5. Analisis Rangkaian Amplifier EEG

a. Rangkaian Penguat Selisih Tegangan dengan Penguatan

Berikut ini diperlihatkan gambar rangkaian penguat selisih tegangan dengan

penguatan beserta persamaan / rumus yang digunakan pada rangkaian tersebut.

Gambar 6. Rangkaian Penguat Selisih Tegangan dengan Penguatan

Persamaan / rumus yang digunakan untuk rangkaian penguat selisih tegangan dengan

penguatan adalah :

9

V1

V2

V1

Vout


Vout =

Pada amplifier EEG digunakan dua buah rangkaian penguat selisih tegangan

dengan penguatan dimana output dari rangkaian selisih tegangan dengan penguatan

yang pertama menjadi salah satu input bagi rangkaian penguat selisih tegangan

dengan penguatan yang kedua.

Gambar 7. . Rangkaian Penguat Selisih Tegangan dengan Penguatan yang

Digunakan pada Amplifier EEG

Persamaan / rumus yang digunakan untuk rangkaian penguat selisih tegangan dengan

penguatan pada Gambar 7 adalah :

Tegangan output untuk rangkaian pertama adalah :

Vout1 =

Vout1 =

Tegangan output dari rangkaian pertama menjadi salah satu tegangan input untuk

rangkaian kedua sehingga diperoleh :

Tegangan output untuk rangkaian kedua adalah :

10

V1 V2

R2

RF1

R1

RF2

Vout


Vout2 =

Vout2 =

Jadi, tegangan output dari rangkaian penguat selisih tegangan dengan penguatan pada

Gambar 7 adalah :

Vout = Vout2

Vout =

Besarnya tegangan output yang dihasilkan oleh rangkaian penguat selisih tegangan

dengan penguatan pada Gambar 5 dapat diketahui dengan cara memasukkan nilai-

nilai tegangan dan tahanan yang terdapat pada rangkian tersebut sebagai berikut :

Vout =

Vout =

Vout = –101 V1 + 101 V2

Vout = 101 (V2 –V1)

Dari persamaan di atas terlihat bahwa rangkaian penguat tegangan dengan penguatan

pada Gambar 5 memberikan penguatan sebesar 101 kali.

b. Rangkaian Diferensiator

Berikut ini diperlihatkan gambar rangkaian diferensiator beserta persamaan /

rumus yang digunakan pada rangkaian tersebut.

11 Vout

Rin

RF

Cin


Gambar 8. Rangkaian Diferensiator

Persamaan / rumus yang digunakan pada rangkaian diferensiator adalah :

Jatuh tegangan pada Cin adalah :

Q = Cin.VC

I.t = Cin.VC

VC =

Jatuh tegangan pada Rin adalah :

VR = I.Rin

Arus yang mengalir pada rangkaian diferensiator adalah :

Vin = VC + VR

Vin = + I.Rin

Vin = I

I =

I =

I =

12

Vin


Jadi, tegangan output untuk rangkaian diferensiator adalah :

Vout = 2.I.RF

Vout = dimana : t = ==> f = frekuensi (Hz)

7. Membentuk peta dari pikiran

Aplikasi yang penting dari EEG multichannel adalah mendapatkan lokasi dari

fokus epileptic (titik kecil pada otak dimana aktivitas abnormal berasal dan

menyebarkan aktivitas abnormal itu ke bagian lain dari otak) atau tumor, yang tidak

dapat kelihatan dengan X-ray atau CT-scan di kepala.

Gambar 9. EEG Multichannel

Setiap kertas horizontal ditempatkan sesuai dengan pasangan elektroda pada

kulit kepala pasien, membentuk kisi-kisi yang tetap seperti pola.

Dengan memberi tanda di channel mana gelombang abnormal terjadi

(biasanya ditandai dengan tanda merah), seorang ahli neurologi dapat menduga pada

13


bagian mana dari otak keabnormalan itu berada. Hal ini sangat sulit dilakukan jika

jumlah dari channel yang abnormal itu besar atau kemungkinan perubahan itu

kompleks. Lokasi bidimensional yang tepat dari fokus epileptic atau tumor sangat

tidak mungkin untuk diketahui. Jadi, untuk mengatasi hal tersebut digunakan

komputer untuk menganalisa sinyal-sinyal EEG.

8. Penggunaan Komputer untuk Menganalisa Sinyal EEG

Agar komputer dapat menyimpan dan menganalisa sinyal EEG dan berbagai

sinyal biologi lainnya, suatu penemuan dasar yang sangat penting telah ditemukan

yang disebut DAC (Digital Analog Converter). DAC ini adalah alat elektronik yang

menerjemahkan secara kontinu berbagai gelombang menjadi daftar angka (setiap

angka mengukur amplitudo gelombang pada interval waktu yang tetap. Alat pengukur

ini disebut sample, jadi seluruh proses ini dinamakan sampling). Sampling ini

dijalankan pada kecepatan yang tinggi (100-200 kali/detik) dan hasilnya disimpan

pada disk komputer. Setiap channel dari EEG mempunyai proses DAC sendiri-sendiri

dan bersifat paralel dengan yang lainnya.

Setiap angka-angka yang terekam di komputer pada periode tertentu, dengan

menggunakan program software khusus dapat ditampilkan gelombangnya pada layar

dan memprintnya. Cara matematika juga dipakai pada urutan angka yang besar untuk

menyaring, analisis frekuensi dan amplitudo serta warnanya. Cara ini disebut EEG

kuantitatif karena cara ini berbeda dengan cara tradisional yang menilai secara

kualitas dari pola gelombang yang ada.

9. Topografi Otak EEG

14


Dengan adanya kemungkinan untuk merekam secara simultan angka-angka

dari channel EEG, teknik baru telah ditemukan, yaitu topografi otak EEG pada akhir

tahun 1980. Pada teknik ini, angka-angka dari elektroda ditempatkan pada kepala,

mengikuti urutan geometrical. Sebuah software khusus dalam komputer membuat

peta dari aktivitas otak yang ditampilkan dalam layar komputer atau berupa print out

dengan cara menandai jumlah aktivitas beberapa bunyi dari warna (sebagai contoh,

hitam dan biru mungkin menghasilkan amplitudo EEG yang rendah, kuning dan

merah menghasilkan amplitudo yang besar). Jarak antara tiap-tiap elektroda

dikalkulasi dengan menggunakan teknik matematika (mengkalkulasi nilai rata-rata

dari nilai-nilai seluruhnya) dan perubahan-perubahan warna yang terjadi.

Gambar 10. Peta Topografi EEG

Cara ini memberikan hasil yang lebih akurat dan representative dalam

memperlihatkan lokasi dimana terjadi perubahan ritme, amplitudo, dan lain-lain. Para

15


ahli neurologi dengan menggunakan sistem topografi otak EEG ini tidak lama lagi

mampu mendiagnosa berbagai macam penyakit (termasuk beberapa gangguan

kejiwaan dengan kelainan biologi atau dengan kelainan lain yang sebelumnya tidak

diketahui). Adanya alat penunjuk yang langsung menunjuk ke arah perubahan EEG

juga akan lebih mempermudah. Dalam penggunaannya juga digunakan semacam

cinema (berupa animasi yang menggunakan berbagai gambar yang diambil dari peta

otak) memungkinkan adanya studi yang dinamis dari fungsi otak.

Topografi otak EEG tidak digunakan untuk semua kasus. Indikasi utamanya

adalah untuk menentukan ada tidaknya tumor dan penyakit fokus dari otak (termasuk

epilepsi, arteriovenous malformasi, dan stroke). Juga digunakan jika ada gangguan

pada kesadaran seperti narcolepsi (gangguan tidur), koma, dan lain-lain. Lebih lanjut

lagi, topografi otak EEG ini juga digunakan untuk menilai atau memonitor efek

withdrawal dari obat-obat psikoaktif dan penyakit infeksi otak seperti meningitis, dan

juga bisa digunakan untuk follow up pasien operasi otak. Dalam bidang psikiatri,

topografi otak EEG ini telah digunakan untuk mengidentifikasi adanya disorders dari

kelainan biologi, seperti skizofrenia, dementia, hiperaktif, dan depresi serta atrofi

otak dan gangguan perhatian pada anak-anak.

Sekarang ini, telah begitu banyak sistem topografi otak EEG komersial yang

telah digunakan, dimana alat ini diinstall dalam PC atau macintosh berdasarkan

platform mikrokomputer dan dapat dioperasikan dengan mudah oleh teknisi,

berdasarkan windows menggunakan software. Software ini memiliki fleksibilitas

yang tinggi, mampu memprogram berbagai konfigurasi dan parameter rekaman untuk

membentuk referensi database, dari berbagai macam pasien dengan kelainan yang

berbeda-beda. Biasanya, rekaman multichannel ini dapat dilihat dengan topografi peta

otak yang direkonstruksi.

DAFTAR PUSTAKA

16


Coughlin, Robert F. 1992. Penguat Operasional dan Rangkaian Terpadu. Jakarta :

Erlangga.

Khandpur, R. S. 1986. Handbook of Biomedical Instrumentation. New York :

McGraw-Hill.

Website : www.mbfys.kun.nl/~geertjan/mbt2001/

17

http://www.mbfys.kun.nl/~geertjan/mbt2001/

electroencephalogramunhas.ac.id/tahir/bahan-kuliah/bio-medical/tugas/tugas... · web viewrangkaian...

Documents