Rencana Disertasi :

PEMODELAN KARDIORESPIRATOMETER BERBASIS VIBRASI DADA

TELAAH ALAT UKUR STRUKTUR DAN FUNGSI SISTEM KARDIORESPIRASI

KARYA ILMIAH 2

Oleh :

NURIDA FINAHARI NIM. 0730703012

PROGRAM DOKTOR ILMU KEDOKTERAN KEKHUSUSAN TEKNOLOGI KEDOKTERAN

UNIVERSITAS BRAWIJAYA PROGRAM PASCA SARJANA

M A L A N G 2 0 0 8

2

LEMBAR PENGESAHAN

TELAAH ALAT UKUR STRUKTUR DAN FUNGSI SISTEM KARDIORESPIRASI

KARYA ILMIAH 2

Oleh :

NURIDA FINAHARI NIM. 0730703012

Menyetujui, Pembimbing Akademik

Dr. dr. M. Rasjad Indra, MS NIP. 130 809 092

3

KERANGKA RENCANA DISERTASI Rencana Judul Disertasi : Pemodelan kardiorespiratometer berbasis vibrasi dada

Aktifitas

Pernafasan

Tekanan Rongga

Dada

Denyut Jantung

Regangan Elastis

Kulit Dada

Getaran Kulit

Dada

Superposisi

Getaran

a. Kerangka Konseptual

Listrik JantungDepolarisasi/

Repolarisasi

Detak Jantung/

Gerak Katup/

Aliran Darah Aorta

Ekshalasi/Inhalasi

Pernafasan

Regangan Elastis

Kulit Dada

Bunyi dan

Getaran

Superposisi/

Transmisibilitas

Getaran

Model MatematisSensor,

Pengukuran

Analisis Akurasi/

Kalibrasi

Data ECG dan

Spirometry

Analisis Sinkronisasi

(Statistik)

Transformasi Kuantitas

Verifikasi

b. Aliran Proses dan Latar Belakang Teori

Rencana Judul Karya Ilmiah :

1. Fisioanatomi dan sinkronisasi sistem kardiorespirasi

2. Telaah alat ukur struktur dan fungsi sistem kardiorespirasi

3. Kajian model matematik sistem kardiorespirasi

4. Getaran kulit dada sebagai indikator fungsi sistem kardiorespirasi

5. Pengembangan teknik pengukuran sistem kardiorespirasi

6. Praproposal disertasi

4

ABSTRAK Nurida Finahari; Program Pascasarjana Universitas Brawijaya; Telaah alat ukur struktur dan fungsi sistem kardiorespirasi; Pembimbing Akademik : M. Rasjad Indra. Sinkronisasi sistem kardiorespirasi merupakan fenomena yang nyata. Berbagai penelitian membuktikan hal tersebut melalui beberapa cara, mulai dari analisis model matematis, eksperimentasi di bawah kondisi fisiologis normal, pembebanan dalam latihan terkendali maupun dalam kondisi patologis. Penelitian tentang sinkronisasi dengan metode eksperimen umumnya dilakukan dengan memanfaatkan data kombinasi elektrokardiografi dan spirometri yang dikuantifikasi ulang menjadi variabel baru. Untuk dapat mengembangkan teknik pengukuran yang lebih baik diperlukan pemahaman yang lebih dalam tentang desain, cara kerja dan metode analisis data elektrokardiografi (dan/atau echokardiogarfi) serta spirometri. Kata kunci: sinkronisasi, elektrokardiografi, spirometri, pengembangan

ABSTRACT

Nurida Finahari; Postgraduate program Brawijaya University; Review of structure and function of cardiorespiratory system devices; Supervisor : M. Rasjad Indra.

Cardiorespiratory system synchronization is a real phenomenon. There are several research that conducted to studied it in a lot of ways, such as mathematical modelling analysis, normal physiological experiments, under control load excercises or even under pathological conditions. These synchronization experimental studies used to be done by using combination data from electrocardiography and spirometry records that quantifies to develops new variables. To develop the better measurement techniques, it is needed to have deep understanding about design, procedures and analysis method of electrocardiography (and/or echocardiography) and spirometry records. Keyword: synchronization, electrocardiography, spirometry, development

5

DAFTAR ISI

LEMBAR PERSETUJUAN 2

KERANGKA RENCANA DISERTASI 3

ABSTRAKS 4

DAFTAR ISI 5

DAFTAR GAMBAR 6

I. PENDAHULUAN 7

1.1. Latar Belakang 7

1.2. Permasalahan 8

II. TINJAUAN PUSTAKA 8

2.1. Stetoskop 8

2.2. Echokardiografi 9

2.3. Elektrokardiografi 11

2.4. Spirometri 14

2.5. Analisis akurasi getaran sebagai sensor 16

III. PEMBAHASAN 18

IV. PENUTUP 21

4.1. Kesimpulan 21

4.2. Saran 21

DAFTAR PUSTAKA 22

6

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. Stetoskop 8

Gambar 2. Echokardiogram 10

Gambar 3. Kertas elektrokardiogram 11

Gambar 4. Sistem sumbu listrik ECG 12

Gambar 5. Elektrokardiogram normal 12

Gambar 6. Spirometer modern dan tampilan hasil pengukurannya 15

Gambar 7. Contoh keluaran data sensor getaran 16

Gambar 8. Hasil analisis akurasi 18

Gambar 9. Diagram skematik sistem pemrosesan sinyal sensor getaran 20

7

I. PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Keselarasan antara detak jantung dan laju respirasi (sinkronisasi kardiorespirasi)

merupakan fenomena nyata meskipun bukan merupakan variabel utama interaksi

kardiorespirasi (Toledo, et.al; 2002). Dari hasil simulasi matematis diketahui bahwa

peningkatan volume paru-paru akibat peningkatan tekanan alveolar, menyebabkan

perubahan tekanan intratorak. Perubahan ini berpengaruh pada perfusi paru-paru, aliran

vena dan keluaran jantung (Darowski; 2000). Sinkronisasi kardiorespirasi juga dapat

dilihat pada subyek yang mengalami pernafasan terkendali (paced breathing) yaitu

pernafasan yang disesuaikan dengan sinyal eksternal (Pomortsev, et.al; 1998). Efek

sinkronisasi tampak lebih kuat jika dilihat pada subyek sehat yang melakukan pernafasan

terkendali dibandingkan jika subyek bernafas secara spontan (Prokhorov, et.al; 2003).

Interaksi negatif sistem kardiorespirasi tampak pada penggunaan respirator untuk subyek

penderita hipertensi, coronary artery disease (CAD) dan kelainan sistem kardiovaskular

lainnya, karena memberikan beban tambahan pada jantung (Etemadinejad; 2005). Efek

negatif tersebut tidak dominan pada subyek sehat.

Penelitian-penelitian tentang sinkronisasi kardiorespirasi pada umumnya masih

dilakukan dengan memanfaatkan data-data hasil rekaman terpisah dari alat ukur jantung

dan paru-paru, yang dikuantifikasi menjadi variabel baru. Data elektrokardiografi dan

aliran udara dari termistor nasal digabungkan dalam Ambulatory solid-state recorder

(Medikor, TOM-signaltechnik, Graz, Austria) untuk menghasilkan data fase relatif

gelombang R dan inspirasi onset yang mendahuluinya, yang dinyatakan sebagai variabel

koordinasi kardiorespirasi (Betterman, et.al; 2002). Kombinasi elektrokardiografi bipolar

dan metode pletismografi induktif digunakan untuk menggambarkan interaksi sistem

kardiorespirasi bayi pada berbagai kondisi tidur (Mrowka, et.al; 2003). Elektrokardiografi

dan spirometer juga digunakan untuk meneliti vasovagal syncope sebagai indikator

sinkronisasi (Lipzits, et.al; 1998).

Desain dan kinerja peralatan-peralatan tersebut di atas dipelajari dalam Fisika

Kedokteran. Peralatan-peralatan kedokteran secara global digunakan untuk mempelajari

struktur anatomi dan fungsi organ dalam tubuh manusia dengan tujuan yang beragam

(Hendee; 2004). Peralatan yang digunakan untuk mempelajari struktur anatomi tubuh

dibahas dalam teori pencitraan medis (medical imaging) sedangkan fungsi organ dibahas

dalam teknik pengukuran fisiologis (physiological measurement techniques). Cara kerja

peralatan-peralatan medis tersebut bisa invasif (dimasukkan dalam tubuh) atau non-

invasif. Artikel ini hanya membahas teknik pengukuran fisiologis yang umum digunakan

pada sistem kardiorespirasi .

8

1.2. Permasalahan

Permasalahan yang dibahas dalam artikel ini adalah bagaimana pengetahuan

tentang desain dan cara kerja sistem kardiorespirasi dapat digunakan sebagai gambaran

arah pengembangan peralatan baru yang lebih akurat, efektif serta efisien untuk

menjelaskan mekanisme sinkronisasi.

II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1. STETOSKOP (Hendee; 2004)

Stetoskop adalah peralatan medis akustik (berbasis suara) yang digunakan dalam

auskultasi yaitu istilah teknik yang mengacu pada aktivitas mendengarkan suara di dalam

tubuh manusia. Auskultasi dilakukan untuk mengevaluasi sistem sirkulasi, respirasi dan

gastrointestinal. Meskipun demikian, stetoskop umumnya digunakan untuk mendengarkan

bunyi jantung dan pernafasan.

Stetoskop ditemukan di Perancis pada tahun 1816 oleh René-Théophile-

Hyacinthe Laennec, masih berupa tabung bambu sederhana. Stetoskop standar yang

digunakan dan menjadi dasar pengambangan stetoskop modern didesain oleh George

Camman pada tahun 1852. Stetoskop yang digunakan pada saat ini umumnya adalah

stetoskop akustik dan stetostop elektronik.

Gambar 1: Stetoskop (Hendee; 2004)

a. Stetoskop bambu sederhana b. Stetoskop akustik modern

Stetoskop akustik merupakan stetoskop yang paling umum dikenal. Stetoskop ini

bekerja mentransmisikan suara dari dada melalui tabung berlubang berisi udara ke telinga

pendengar. Bagian stetoskop yang ditempelkan di tubuh dikenal dengan nama chestpiece,

berfungsi sebagai sensor suara berupa diafragma yang terbuat dari piringan plastik atau

bell berbentuk mangkuk berlubang. Jika chestpiece ditempelkan di dada, diafragma

digetarkan oleh suara dari dalam dada sehingga terbentuk gelombang tekanan yang

ditransmisikan tabung. Jika chestpiece berbentuk bell maka getaran pada kulit langsung

9

membentuk gelombang tekanan yang merambat ke telinga. Dalam hal ini diafragma

mentransmisikan suara frekuensi tinggi sedangkan bell untuk suara berfrekuensi rendah.

Meskipun stetoskop akustik sudah menggunakan diafragma namun frekuensi suara yang

ditangkap telinga masih dalam level sangat rendah. Permasalahan ini diperbaiki dengan

metode invention of the stratified continuous (inner) lumen pada tahun 1999 dan

mekanisme kinetika akustik pada tahun 2002.

Stetoskop elektronik mempertinggi gelombang suara tubuh manusia secara

elektronis meskipun derajat penggandaannya masih terbatas. Stetoskop elektronik

memerlukan proses konversi gelombang tekanan suara menjadi sinyal listrik yang

kemudian diperbesar dan diproses untuk menghasilkan pendengaran yang optimal.

Metode penangkapan gelombang suara pada stetoskop elektronik bervariasi dari sekedar

menempatkan mikropon pada chestpiece hingga penggunaan kristal piezo-elektrik yang

ditempelkan pada diafragma. Kristal piezo-elektrik ini merubah tekanan udara

berdasarkan perubahan medan listrik yang diakibatkan getaran suara tubuh. Penggunaan

kristal piezo-elektrik memperbaiki kinerja chestpiece mikropon yang sangat dipengaruhi

suara pengganggu (ambient noise).

2.2. ECHOKARDIOGRAFI

Echokardiografi adalah teknik standar yang digunakan untuk menggambarkan

irisan jantung dalam gambar 2 dimensi (Poh, et.al; 2008). Alat ini dapat menggambarkan

ukuran, bentuk dan kapasitas pemompaan jantung, kerusakan katup jantung, lokasi dan

luas kerusakan pada jaringan atau mengidentifikasi abnormalitas aliran darah. Jika

dikombinasikan dengan teknik-teknik lain, misalnya doppler ultrasonik atau penguatan

kontras di intravena, echokardiografi dapat digunakan untuk memonitor struktur dan

fungsi katup jantung, komunikasi abnormal dari ruang-ruang jantung, kebocoran aliran

darah dan penghitungan kapasitas jantung.

Keutamaan terbesar dalam penggunaan echokardiografi adalah alat ini dapat

menampilkan gambar yang akurat untuk jaringan lunak dengan cara yang tidak invasif

(Goland, et.al; 2008). Pada proses identifikasi vegetasi (massa berisi campuran bakteri

dan bekuan darah) gambar echokardiografi memiliki akurasi yang sangat tinggi.

Kelemahan teknik echokardiografi transtorak adalah terjadinya penurunan akurasi hingga

20% jika digunakan pada orang dewasa akibat adanya obesitas, COPD (chronic

obstructive pulmonary disease), deformitas dinding dada atau akibat posisi pengukuran

yang sulit, misal pada pengambilan gambar belakang jantung. Adanya halangan tulang

dan gas menyulitkan pengambilan gambar. Kedalaman jelajah gelombang suara juga

terbatas. Di sisi lain akurasi gambar tergantung pada keahlian penggunaan peralatan.

Teknik-teknik alternatif echokardiografi dikembangkan untuk mengurangi kelemahan

10

tersebut, misalnya melalui pengembangan transesofageal-echokardiografi,

echokardiografi 3 dimensi atau doppler-echokardiografi.

(a)

(b)

Gambar 2: Echokardiogram (Ommen, et.al; 2000) (a) Gambar jantung normal yang menunjukkan kondisi 4 ruangan. Grafik di ujung kanan bawah

menunjukkan siklus jantung, tanda merah menunjukkan posisi pembentukan gambar. (b) Gambar jantung abnormal yang menunjukkan kelainan ventrikular septal. Grafik di ujung

kanan bawah menunjukkan siklus jantung, tanda merah menunjukkan posisi pembentukan gambar.

Echokardiografi bekerja dengan mengaplikasikan bunyi ultrasonik. Dalam hal ini

digunakan prinsip sonografi untuk organ jantung (Ommen, et.al; 2000). Alat ini bekerja

dalam 3 tahapan sebagai berikut:

a. Tahap pembentukan gelombang suara

Gelombang suara biasanya dihasilkan dengan menggunakan transduser piezoelektrik

yang dibungkus probe. Mesin ultrasonik membangkitkan sinyal elektrik pendek yang

kuat untuk menggetarkan transduser pada frekuensi yang diinginkan, antara 2 – 15

MHz. Gelombang suara tersebut difokuskan ke satu arah melalui pendesainan bentuk

transduser, penempatan lensa didepan transduser atau penggunaan serangkaian

sistem kontrol dari mesin pembangkit suara. Gelombang suara akhirnya berbentuk

kurva lengkung yang merambat pada tubuh hingga ke lapisan yang telah ditentukan

dan memantul ke segala arah pada saat densitas jaringan berubah. Pantulan

gelombang tersebut sebagian ditangkap kembali oleh transduser.

b. Penangkapan gema

Pantulan gelombang suara dari jaringan yang dideteksi menjalani proses yang sama

dengan proses (a) hanya pada arah yang berlawanan. Pada saat pantulan gelombang

mencapai mesin pembangkit suara, gelombang tersebut discan dan diubah menjadi

gambar baik yang berbentuk analog maupun digital.

11

c. Penganalisisan gema

Scanner gelombang suara melakukan 3 prosedur penganalisisan untuk tiap

gelombang gema, yaitu:

- menghitung waktu antara pentransmisian gelombang hingga gema diterima

- menentukan panjang focal untuk array fase. Panjang focal ini menentukan

ketajaman gambar yang dihasilkan.

- Menghitung kekuatan gema dari frekuensi gelombang pantulan. Pergeseran

peralatan selama proses ini berlangsung merubah frekuensi yang ditangkap.

Dari 3 hal tersebut, scanner suara akan menentukan posisi, intensitas dan derajat

saturasi pixel (untuk gambar digital) yang harus dinyalakan.

2.3. ELEKTROKARDIOGRAFI

Elektrokardiografi adalah peralatan yang mengukur aktivitas elektris jantung

melalui penempatan elektrode-elektrode pada titik-titik tubuh tertentu (Conrath, Opthof ;

2005). Hasil pencatatan digambarkan pada kertas elektrokardiogram yang umumnya

digerakkan dengan kecepatan 25 mm/detik. Kertas ini berkotak-kotak dengan ukuran 1

mm2. Setiap 1 kotak mewakili pencatatan 0,04 detik. Setiap 5 kotak kecil membentuk 1

blok besar yang mewakili pencatatan 0,2 detik. Dibutuhkan 5 blok untuk menyatakan

pencatatan 1detik. Data elektrokardiogram diperoleh dari hasil pengukuran potensial listrik

sesuai penempatan elektrode yang diinginkan. Sinyal listrik ini dideteksi menggunakan

amplifier instrumen biomedis. Kualitas diagnosis elektrokardiogram didasarkan pada

kondisi kalibrasi sinyal listrik 10 mm/mV, yaitu kondisi dimana 1 mm hasil pencatatan

mewakili 0,1 mV sinyal listrik tubuh. Sinyal standar 1 mV harus dapat menggerakkan

stylus elektrokardiogram secara vertikal sejauh 10 mm.

Gambar 3: Kertas elektrokardiogram (Conrath, Opthof; 2005)

12

Dalam elektrokardiografi dikenal istilah lead yaitu kombinasi posisi elektroda yang

membentuk garis imajiner pada tubuh dimana sinyal listrik dapat diukur (MacLeod,

Birchler; 2007). Terdapat 2 tipe lead yaitu unipolar dan bipolar. Tipe unipolar hanya punya

1 elektroda yang terletak pada pusat segitiga Einthoven (gambar 4a) berupa titik potensial

nol. Dalam hal ini arus listrik mengalir keluar pada 3 arah radial AVR, AVL dan AVF. Tipe

bipolar mendasarkan pengukuran arus listrik tubuh pada perbedaan potensial pada titik-

titik tertentu. Meskipun terdapat 12 lead acuan untuk ECG namun umumnya hanya 3 lead

yang pertama yang umum digunakan, yaitu:

1. Lead I untuk penempatan elektroda negatif di tangan kanan sedangkan elektroda

positif di tangan kiri.

2. Lead II untuk penempatan elektroda negatif di tangan kanan sedangkan elektroda

positif di kaki kiri.

3. Lead III untuk penempatan elektroda negatif di tangan kiri sedangkan elektroda positif

di kaki kiri.

Gambar 4 : Sistem sumbu listrik ECG (MacLeod, Birchler; 2007) (a) Segitiga Einthoven, (b) Sistem limb-lead ECG

Gambar umum elektrokardiogram selalu menampilkan pola gelombang khas yang

dinamakan gelombang PQRST [Mark; 1998]. Gelombang P adalah gelombang yang

dipicu oleh aktivitas depolarisasi atrium dimana sinyal listrik bergerak dari node SA

(sinoatrial) menuju node AV (atrioventrikular), menyebar ke atrium kiri dan kanan.

Gelombang ini berbentuk garis naik pada posisi lead II dan aVF. Bentuk dan panjang

gelombang P mengindikasikan kondisi atrial. Interval PR diukur dari awal gelombang P

hingga awal kompleks QRT. Panjang interval ini biasanya 120-200 ms atau 3-5 kotak

13

elektrokardiogram. Interval PR lebih besar dari 200 ms mengindikasikan heart block

derajat 1. Interval PR yang pendek mengindikasikan sindrom pre-eksitasi yang

mengakibatkan aktivasi ventrikel yang terlalu awal, seperti tampak pada sindrom Wolff -

Parkinson-White. Depresi garis PR mengindikasikan adanya luka pada atrium atau

perikarditis. Kompleks QRS dipicu oleh depolarisasi ventrikel. Karena ventrikel memiliki

otot yang lebih banyak dari atrium, gelombang QRS lebih besar dari gelombang P. Durasi

gelombang QRS normal biasanya antara 0,06-0,1 detik (sekitar 3 kotak) namun bisa lebih

lama kalau terjadi abnormalitas konduksi. Tidak semua kompleks QRS terdiri atas

gelombang Q, R dan S. Berbagai kombinasi bentuk gelombang pada interval ini

diinterpretasi dengan beberapa cara meskipun terdapat konvensi penamaan agar

diperoleh hasil pembacaan yang benar. Durasi, amplitudo dan bentuk kompleks QRS

digunakan untuk mendiagnosa aritmia jantung, abnormalitas konduksi, hipertropi

ventrikular, infark miokardial dan beberapa jenis penyakit lainnya. Gelombang Q normal

menyatakan depolarisasi septum interventrikular. Gelombang Q lebih besar dari 1/3 tinggi

gelombang R tetapi jika durasinya lebih besar dari 0,04 detik bisa mengindikasikan

adanya infark miokardial. Segmen ST merupakan garis hubung antara kompleks QRT

dengan gelombang T. Panjang segmen ST normal antara 0,08-0,12 detik dengan bentuk

konkav menghadap atas. Kesalahan pengukuran pada segmen ini adalah 15-20% untuk

kesalahan positif (false positive) dan 20-30% untuk kesalahan negatif (false negative).

Gelombang T menyatakan repolarisasi ventrikel. Interval dari awal kompleks QRS hingga

akhir gelombang T menyatakan periode refraktori absolut. Setengah gelombang T yang

terakhir menyatakan periode refraktori relatif. Pada umumnya gelombang T dinyatakan

sebagai gelombang positif. Gelombang T negatif mengindikasikan terjadinya iskemia

koronari, sindrom Wellen dan hipertropi ventrikular kiri. Bentuk gelombang T yang

berubah mengindikasikan hiperkalemia, hipokalemia atau infark miokardial. Jika

abnormalitas konduksi terjadi, bentuk gelombang T bisa menyerupai kompleks QRS

terbalik yang disebut appropriate T wave discordance. Interval QT diukur dari awal

kompleks QRS hingga akhirl gelombang T dengan durasi antara 0,3-0,44 detik (0,45

untuk wanita). Interval QT merupakan ukuran waktu ventrikel untuk menjalani depolarisasi

–repolarisasi lengkap. Interval ini digunakan untuk mengevaluasi laju detak jantung yang

dikenal dengan sebutan sindrom QT panjang/pendek. Evaluasi laju detak jantung

mengikuti faktor koreksi Bazette 'RR

QTQTc , dimana QTc adalah interval QT hasil

koreksi, RR’ menunjukkan waktu antara terjadinya kompleks QRT satu dengan

berikutnya. Namun demikian rumus ini tidak akurat, khususnya untuk kondisi detak

jantung yang terlalu cepat atau lambat.

14

Gambar 5: Elektrokardiogram normal (Mark; 1998)

Untuk menghasilkan data yang akurat, monitor elektrokardiografi modern

menyediakan 2 mode filter untuk pemrosesan sinyal yaitu mode monitor (untuk

pemantauan siklus jantung rutin) dan mode diagnosa yang digunakan untuk mendeteksi

kondisi-kondisi abnormal/patologis (Braunwald; 1997). Pada mode monitor, filter frekuensi

rendah disetel untuk nilai 0,5 atau 1 Hz sedangkan untuk frekuensi tinggi disetel pada nilai

40 Hz. Filter frekuensi rendah disebut high-pass filter karena hanya frekuensi di atas nilai

setting saja yang bisa lewat. Filter ini berfungsi menurunkan sinyal gangguan akibat

rambatan gelombang dalam tubuh. Sebaliknya filter frekuensi tinggi disebut low-pass filter

karena hanya frekuensi di bawah nilai setting saja yang bisa lewat. Dalam hal ini filter

berfungsi untuk mengurangi sinyal gangguan dari jaringan sumber tenaga (frekuensi

jaringan listrik, 50-60Hz). Pada mode diagnosa, filter frekuensi rendah disetel pada nilai

0,05 Hz yang memungkinkan pendeteksian segmen gelombang ST secara akurat. Filter

frekuensi tinggi disetel pada nilai 40, 100 atau 150 Hz. Jadi mode diagnosa

mengakomodasi sinyal frekuensi dalam rentang yang lebih lebar dari mode monitor.

2.4. SPIROMETRI

Spirometri adalah prosedur evaluasi fungsi pulmonari yang paling umum

khususnya untuk mengukur volume dan kecepatan udara inspirasi/ekspirasi (Quanjer;

2008) dengan menggunakan alat ukur spirometer. Spirometer banyak digunakan untuk

mengevaluasi kondisi-kondisi penyakit pernafasan seperti asma, fibrosis pulmonari dan

COPD (Chronic Obstructive Pulmonary Disease).

Subyek yang menjalani spirometri diharuskan menarik nafas dalam-dalam

kemudian dihembuskan sekuat dan selama mungkin pada sensor yang diletakkan di

mulut. Dalam hal ini hidung ditutup agar tidak ada udara yang bocor sedangkan mulut

dilindungi filter untuk mencegah akses bakteri (ATS; 2008). Hasil pengukuran sensor

15

akan ditampilkan dalam bentuk grafik V-t (volume-time) dan v-V (flow-volume) yang

menyatakan laju aliran udara inspirasi dan ekspirasi. Peralatan yang digunakan untuk

pengukuran volume umumnya didasarkan pada water bell dan Bellow wedge, sedangkan

untuk pengukuran laju aliran udara bisa menggunakan Fleisch-pneumotach, Lilly (screen)

pneumotach, turbine, Pitot tube, hot-wire anemometer atau ultrasound. Meskipun

demikian, akurasi spirometer ditentukan oleh kerjasama dan usaha subyek sehingga

membutuhkan ulangan untuk mendapatkan akurasi yang cukup. Karena membutuhkan

kerjasama dan pengertian subyek yang menjalani tes, alat ini tidak dapat digunakan untuk

balita atau orang yang kehilangan kesadaran. Pengembangan terbaru dari spirometer

dengan akurasi yang lebih tinggi adalah pletismograf yang berbentuk ruangan.

a. spirometer USB

b. body plethysmograph

Gambar 6: Spirometer modern dan tampilan hasil pengukurannya (Quanjer; 2008)

16

2.5. ANALISIS AKURASI GETARAN SEBAGAI SENSOR (Mack, et.al; 2003)

Penelitian tentang perilaku manusia pada saat tidur menjadi perhatian para

peneliti di Amerika Serikat sejak 1922. Hal tersebut didasari fakta bahwa sekitar 40%

orang dewasa di sana mengalami kelainan pola tidur sedangkan 70 juta di antara

menderita penyakit yang berkaitan dengan pola tidur. Pengetahuan tentang perilaku tidur

menjadi sangat penting sehingga dilakukan pemantauan terhadap aktivitas obyek pada

saat tidur. Pemantauan tersebut diharapkan dapat memberikan data kualitas tidur.

Tujuan utama penelitian tentang aktivitas tidur tersebut adalah untuk

mengembangkan pengetahuan dan pemahaman masalah polisomnografi (PSG) yang

awalnya melibatkan setidaknya penggunaan 3 peralatan yang berbeda. Peralatan-

peralatan tersebut adalah elektroencepalograf (EEG) untuk mengukur aktivitas otak,

elektrooculograf (EOG), untuk mengukur aktifitas otot mata, dan elektromiograf (EMG)

untuk mengukur aktifitas otot tangan dan kaki. Penggunaan 3 peralatan tersebut sangat

mengganggu aktifitas tidur itu sendiri. Perbaikan metode pengukuran kualitas tidur

dilakukan melalui penggunaan aktigraf yang berbasis prinsip akselerometer. Meskipun

dapat digunakan untuk memantau aktivitas obyek selama 24 jam, akurasi aktigraf

tergantung pada konsistensi obyek dalam menuliskan jurnal aktivitasnya untuk

disesuaikan dengan pencatatan aktigraf. Hal tersebut menimbulkan masalah akurasi data.

Hal ini yang mendorong digunakannya sensor getaran sebagai alat pemantau aktifitas

dan mengukur kualitas tidur obyek.

Penggunaan sensor getaran sebagai alat ukur didasari pengetahuan bahwa

kualitas tidur dapat dipantau dari karakteristik fisiologis seperti suhu badan, posisi dan

gerakan pada saat tidur, detak jantung serta laju pernafasan. Karena sensor yang

direncanakan tidak bersifat intrusif maka dapat ditempatkan pada kursi diagnosa, tempat

tidur ICU dan keperluan pediatrik. Sensor ini dimaksudkan sebagai peralatan alternatif

yang lebih murah dibandingkan dengan peralatan yang telah ada.

Sensor getaran ini didesain sebagai sensor yang sensitif terhadap denyut

pembuluh darah dan gerakan badan akibat pernafasan untuk mendeteksi detak jantung

dan data pernafasan. Sensor tersusun dari transduser piezoelektrik supersensitif yang

memiliki karakteristik respon terhadap frekuensi rendah yang sangat bagus. Transduser

dihubungkan pada bladder berisi udara sebagai pembangkit sinyal. Teknik pemrosesan

sinyalnya meliputi filter frekuensi rendah, amplifier instrumen, filter band dan amplifier

non-inversi yang memisahkan kedua sinyal input. Di samping itu disediakan juga

beberapa jenis sensor yang terpisah untuk mengukur suhu badan, kelembaban udara dan

sensor karbondioksida.

17

Uji validitas akurasi data hasil pencatatan sensor getaran dilakukan dengan

menempatkan 2 buah sensor pada tempat tidur obyek, masing-masing untuk mengukur

detak jantung dan gerak pernafasan. Sebagai kalibrator digunakan pulse-oximeter yang

memiliki akurasi ±1% untuk membandingkan data pencatatan detak jantung. Laju

pernafasan dikalibrasi dengan cara mengambil sampel data selama 1 menit dimana

obyek diminta menghitung jumlah pengambilan nafas. Hasil pencatatan sensor

dibandingkan dengan hasil hitungan obyek. Obyek penelitian diambil 22 orang,

pengukuran dilakukan dalam 2 posisi, telentang dan tertelungkup. Hasil pencatatan filter 2

band untuk detak jantung dan gerak pernafasan, tampak pada gambar 7. Analisis akurasi

sensor ditunjukkan pada gambar 8.

Gambar 7: Contoh keluaran data sensor getaran (Mack, et.al; 2003)

Hasil pencatatan filter 2 band, grafik atas menunjukkan data detak jantung, grafik bawah menunjukkan data laju pernafasan

a. Hasil pengukuran detak jantung dengan menggunakan pulse-oximeter dan sensor getaran

untuk posisi tertelungkup

18

b. Hasil pengukuran detak jantung dengan menggunakan pulse-oximeter dan sensor getaran

untuk posisi telentang

Gambar 8: Hasil analisis akurasi (Mack, et.al; 2003)

Hasil analisis akurasi untuk data detak jantung menunjukkan bahwa semua data

terletak dalam rentang akurasi 5% kesalahan dari hasil pencatatan pulse-oximeter,

bahkan 68% data terletak dalam rentang kesalahan 2%. Detak jantung yang terukur

meliputi variasi yang cukup luas yaitu antara 49-84. Meskipun data hasil pencatatan laju

pernafasan tidak ditunjukkan, namun analisis akurasi menunjukkan hasil yang sama

antara hasil pencatatan sensor dan perhitungan obyek. Diakui bahwa jika dilakukan

pengukuran yang lebih teliti akan didapatkan variabilitas namun variabilitas data yang

akan muncul hanya dalam skala kecil saja. Disimpulkan bahwa penggunaan sensor

getaran sebagai alat ukur karakteristik fisiologis jantung dan aktifitas pernafasan dapat

memberikan akurasi yang tinggi.

III. PEMBAHASAN

Untuk mengukur suara di dalam tubuh stetoskop merupakan alat bantu yang

memadai untuk menghasilkan data kualitatif tanpa ada kuantitas. Data kuantitas suara

tubuh sebagai alat diagnosa umumnya diperoleh dari pemanfaatan echokardiograf. Meski

demikian, echokardiograf memiliki kelemahan-kelemahan sehingga membutuhkan

penanganan tenaga ahli untuk mengoperasikannya. Salah satu kelemahan echokar-

diografi adalah sensitifitasnya yang tinggi terhadap perubahan posisi pengukuran. Hal ini

akan sangat menyulitkan jika organ-organ yang menjadi target terletak pada posisi yang

‘sulit’, misalnya dikelilingi tulang, terlalu berdekatan dengan organ lain atau tertutupi oleh

organ lain. Analisis terhadap data gambar yang dihasilkan echokardiografi juga

19

memerlukan penanganan khusus berkaitan dengan pola gelap terang yang dihubungkan

dengan kondisi fisioanatomi organ yang didiagnosa.

Metode pengukuran dengan menggunakan elektrokardiografi bisa dikatakan

sebagai alternatif pengukuran fisioanatomi tubuh manusia yang bersifat khas. Selain

dapat menampilkan data kualitatif dan kuantitatif, pola gambar yang dihasilkan

elektrokardiografi memberikan kemudahan dalam melakukan analisisnya. Meskipun

demikian, karena memanfaatkan sifat kelistrikan sel tubuh, transmisi sinyal data

elektrokardiografi juga dipengaruhi sinyal-sinyal elektris tubuh dari organ-organ di

sekitarnya akibat timbulnya gelombang elektromagnetis dari aktivitas fisiologisnya. Sinyal-

sinyal pengganggu tersebut seringkali menimbulkan pola data elektrokardiogram yang

salah dimana gambaran patologis muncul dari elektrokardiogram jantung yang sehat atau

sebaliknya pola normal muncul dari elektrokardiogram jantung yang sakit. Hal tersebut

yang menjadi dasar bahwa data elektrokardiografi selalu dikombinasikan dengan data

dari alat ukur lain untuk menghasilkan analisis yang valid. Di sisi lain diperlukan mode

operasi yang berbeda untuk penggunaan normal dan patologis dimana mode monitor

elektrokardiograf patologis memberikan rentang frekuensi yang lebar. Hal tersebut dapat

meningkatkan resiko tertangkapnya sinyal-sinyal pengganggu sehingga pola data yang

tertangkap dapat menjadi bias.

Hal yang sama terjadi pada pemakaian spirometri untuk menganalisis kondisi

pernafasan. Meskipun telah dikembangkan dengan menggunakan komponen-komponen

modern yang menawarkan akurasi tinggi, akurasi data spirometri tetap tergantung pada

tingkat pengendalian diri pasien dalam melakukan proses pernafasan. Pola pernafasan

konvensional yang dilakukan pasien sangat variatif dari satu siklus ke siklus berikutnya.

Hal ini menyebabkan variabilitas yang tinggi pada data hasil pengukuran. Proses

pengulangan pengambilan data yang dilakukan meskipun dapat memperkecil kesalahan

tetapi juga bisa menyebabkan munculnya rasa tidak nyaman pada pasien.

Dari paparan di atas, diketahui bahwa alat-alat ukur yang digunakan pada

prosedur evaluasi sistem kardiorespirasi pada umumnya memanfaatkan rambatan

gelombang, baik yang ditimbulkan jantung dan paru-paru pada saat menjalani siklusnya

maupun dari gelombang yang dibangkitkan peralatan itu sendiri. Hal tersebut didasari

fakta bahwa jantung dan paru-paru merupakan organ tubuh manusia yang bertindak

sebagai osilator. Aktivitas kedua sistem osilator biologis tersebut menimbulkan suara

(sound) dan getaran (vibration) yang khas sehingga kinerja fungsionalnya dapat dideteksi

berdasarkan suara maupun getaran yang ditimbulkannya. Di sisi lain, organ-organ sistem

kardiorespirasi merupakan jaringan lunak yang responsif terhadap gelombang sonar

sehingga efek pantulannya dapat dijadikan parameter pengukuran. Meskipun demikian

akurasi dan kepresisian hasil pengukuran peralatan tersebut masih memerlukan

20

pengembangan lebih lanjut mengacu pada adanya sinyal-sinyal pengganggu yang

muncul, baik yang bersumber dari lingkungan organ yang dideteksi maupun dari kinerja

peralatan itu sendiri.

Sebagai tolak ukur pengembangan peralatan, proses interaksi antara kedua

osilator biologis tersebut mungkin bisa didekati dari karakteristik gelombang

interferensinya. Gelombang interferensi adalah gelombang hasil perpaduan 2 atau lebih

gelombang tunggal yang berbeda karakteristiknya. Perpaduan tersebut dapat bersifat

penguatan ataupun perlemahan. Mengingat interaksi fisik yang terjadi pada sistem

kardiorespirasi cenderung lemah maka diperlukan sensor ataupun amplifier sinyal yang

berkemampuan tinggi.

Pemanfaatan sensor getaran untuk mengukur kinerja sistem kardiorespirasi telah

dilakukan dengan akurasi hasil pencatatan yang tinggi khususnya untuk pengukuran laju

pernafasan (Mack, et.al; 2003). Mengingat peralatan tersebut berfungsi pada rentang

variasi detak jantung yang lebar (49-84 BPM), potensi munculnya variabilitas hasil

pengukuran cukup tinggi sehingga kepresisian peralatan masih perlu dibuktikan. Hal

tersebut menunjukkan adanya peluang untuk proses pengembangan. Penggunaan 2

buah sensor juga mengakibatkan meningkatnya peluang kemunculan sinyal pengganggu

akibat aliran pemrosesan sinyal yang panjang. Jika dikaitkan dengan tujuan awal desain

khususnya dalam mereduksi biaya, penggunaan 2 buah sensor berakibat pada

penggandaan penggunaan peralatan bantu sebagaimana tampak pada diagram skematik

sistem pemrosesan sinyal pada gambar 9. Maka masih diperlukan rekayasa

pengembangan peralatan yang lebih sederhana (1 sensor) yang dapat mengukur

karakteristik fisiologis kardiorespirasi secara akurat dan presisi.

Sensor

getaran 1

Filter low

pass

Amplifier

instrumen

Sensor

getaran 2

Filter low

pass

Amplifier

instrumen

Filter

band

Amplifier

band

Filter non-

inversi

Analis

Data

Gambar 9: Diagram skematik sistem pemrosesan sinyal sensor getaran

21

IV. PENUTUP

4.1. Kesimpulan

Kesimpulan yang dapat diambil dari telaah teoritis di atas adalah :

1. Cara kerja alat ukur sistem kardiorespirasi umumnya didasarkan pada rambatan

gelombang, baik yang bersumber dari dalam tubuh maupun yang dibangkitkan oleh

peralatannya sendiri.

2. Masih terdapat banyak keterbatasan hasil pengukuran sehingga diperlukan proses

perbaikan dan pengembangan.

3. Getaran yang dihasilkan jantung dan paru-paru dapat dijadikan alternatif variabel ukur

baru untuk mengevaluasi kinerja sistem kardiorespirasi.

4. Penggunaan sensor getaran masih membutuhkan pengembangan kapasitas dan

kualitas data hasil pengukuran, disamping penyederhanaan sistem pemrosesan

sinyalnya.

4.2. Saran

Untuk dapat menentukan spesifikasi peralatan perbaikan maupun pengembangan

sistem kardiorespirasi, analisis berdasarkan pemodelan matematis perlu dilakukan untuk

menentukan variabel-variabel yang berpengaruh. Visualisasi model menggunakan

program-program analisis 2D maupun 3D berbasis komputer juga dimungkinkan sebelum

mendesain dan membangun model-model fisiknya. Model matematis maupun grafis

terkomputerisasi dapat mengurangi konsekuensi-konsekuensi negatif proses desain yang

tidak diinginkan.

22

DAFTAR PUSTAKA ATS (American Thoracic Society); 2008; Pulmonary Function Test; 61 Broadway · New

York, NY 10006-2755 · Voice: 212-315-8600 · Fax: 212-315-6498 Bettermann H, Cysarz D, van Leeuwen P; 2002; Comparison of two different approaches

in the detection of intermittent cardiorespiratory coordination during night sleep; BioMed Central Physiology 2 (18) ; 1-17.

Braunwald E; 1997; Heart Disease: A Textbook of Cardiovascular Medicine, Fifth Edition,

p. 108, Philadelphia, W.B. Saunders Co Conrath C, Opthof T; 2005; The patient U wave; Cardiovasc Res 67 (2): 184-6

Darowski, M; 2000; Heart and lung support interaction — modeling and simulation

(abstract); Frontiers of Medical & Biological Engineering, 10 (3): 157-165(9)

Etemadinejad S.; 2005; A study on the respirator effects on cardiovascular system;

Journal of Mazandaran University of Medical Sciences; 15 (45); 31-34

Goland S, Czer LS, Luthringer D, Siegel RJ; 2008; A case of arrhythmogenic right

ventricular cardiomyopathy; Can J Cardiol 24 (1): 61-2.

Hendee, W.R; 2004; Accreditation, Certification and Maintenance of Certification in

Medical Physics: The Need for Convergence; NCCAAPM meeting, Nov 19th.

Lipsitz, LA, Hayano J, Sakata S, Okada A, Morin RJ; 1998; Complex Demodulation of Cardiorespiratory Dynamics Preceding Vasovagal Syncope; Circulation; 98:977-

983 Mack DC, Kell SW, Alwan M, Turner B, Felder RA; 2003; Non-invasive analysis of

physiological signals (naps): a vibration sensor that passively detects heart and respiration rates as part of a sensor suite for medical monitoring; Summer Bioengineering Conference, June 25-29, Sonesta Beach Resort in Key Biscayne, Florida

MacLeod R; Birchler B; 2007; Computer Based Learning Unit; University of Leeds; Sydney

Mark JB; 1998; Atlas of Cardiovascular Monitoring; New York: Churchill Livingstone. Mrowka R, Cimponeriu L, Patzak A, Rosenblum MG.; 2003; Directionality of coupling of

physiological subsystems: age-related changes of cardiorespiratory interaction during different sleep stages in babies; Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 285: R1395–R1401

Ommen SR, Nishimura RA, Appleton CP, Miller FA, Oh JK, Redfield MM, Tajik AJ; 2000;

Clinical utility of Doppler echocardiography and tissue Doppler imaging in the estimation of left ventricular filling pressures: A comparative simultaneous Doppler-catheterization study; Circulation 102 (15): 1788-94

23

Poh KK, Levine RA, Solis J, Shen L, Flaherty M, Kang YJ, Guerrero JL, Hung J; 2008; Assessing aortic valve area in aortic stenosis by continuity equation: a novel approach using real-time three-dimensional echocardiography; European Heart Journal.

Pomortsev AV, Zubakhin AA, Abdushkevitch VG, Sedunova LF; 1998; Proc. XVII

Congress of Physiologists of Russia; ed GA Kuraev (Rostov: Rostov State University) p. 316.

Prokhorov MD, Ponomarenko VI, Gridnev VI, Bodrov MB, Bespyatov AB; 2003; Synchronization between main rhythmic processes in the human cardiovascular system; Phys. Rev. E 68 041913–22

Quanjer PH.; 2008; Become an expert in spirometry; Leiden University, Nederlands

(http://www.spirxpert.com/)

Toledo E, Akselrod S, Pinhas I, Aravot D; 2002; Does synchronization refect a true

interaction in the cardiorespiratory system? Med Eng Phys, 24:45-52