POLA GELOMBANG OTAK ABNORMAL PADA

POLA GELOMBANG OTAK ABNORMAL PADA ELEKTROENCEPHALOGRAPH
Yudiansyah Akbar (20213056)
Mahasiswa Sekolah Pasca Sarjana, Jurusan Magister Fisika, Institut Teknologi Bandung
Abstrak
Otak merupakan organ tubuh vital yang menjadi pusat koordinasi dalam tubuh manusia, sehingga apabila otak
mengalami kelainan maka akan berpengaruh besar pada kontrol kordinasi pada tubuh manusia. Untuk
mempelajari cara kerja serta kelainan pada otak telah dikembangkan berbagai teknologi untuk kebutuhan
diagnosa. Salah satu modalitas diagnostik yang bisa digunakan untuk mengetahui aktivitas otak dan kelainan
pada otak adalah Electroenchepalograph. Electroenchepalograph merupakan suatu alat yang mempelajari
gambar dari rekaman aktivitas listrik di otak. Hasil rekaman dari elektroenchephalograph adalah berupa grafik
gambaran aktivitas listrik otak yang biasa disebut dengan elektroenchephalogram (EEG). Hasil analisis EEG
pada domain waktu maupun domain frekuensi dapat menunjukkan pola gelombang abnormal pada manusia.
Kata Kunci: Electroenchepalograph, analisis hasil rekam EEG, gelombang otak abnormal.
1. Pendahuluan
Otak memiliki peranan penting dalam berbagai
proses yang terjadi pada tubuh manusia. Hal ini
disebabkan karena otak merupakan organ yang
berfungsi sebagai pusat kontrol aktivitas dalam tubuh
manusia.
Otak bekerja menggunakan sistem kelistrikan,
yaitu menghasilkan sinyal listrik kecil dalam pola
teratur dan disalurkan melalui jaringan sel-sel saraf
yang disebut neuron. Perbedaan komposisi ionik
pada
cairan
intraseluler
dan
ekstraseluler
menghasilkan gradien voltase listrik melintasi
membran yang disebut potensial membran. Potensial
inilah yang direkam oleh elektroenchephalograph.
Elektroenchephalograph adalah alat yang
didesain untuk mengukur aktivitas listrik otak (pada
umumnya dikenal gelombang otak) melalui elektroda
yang diletakkan dikulit kepala.
Melalui pola
gelombang otak pada elektroenchephalograph kita
bisa
mengetahui
aktivitas
otak
dan
menginterpretasikan kelainan atau penyakit yang
diderita pasien.
Tulisan ini bertujuan untuk mengetahui
bagaimana penggunaan dan teknik analisis
Elektroenchephalograph dalam menghasilkan pola
gelombang otak sehingga dapat diperoleh gambaran
karakteristik gelombang otak normal dan gelombang
otak abnormal melalui analisis gelombang otak yang
telah didapatkan melalui EEG.
2. Teori Dasar
2.1 Sistem Saraf dan Otak Manusia
Yang dimaksud sistem saraf adalah semua
jaringan neural yang terdapat dalam tubuh, yang
terbagi menjadi dua bagian yaitu:
a. Sistem saraf pusat
Terdiri dari otak, medulla spinalis, dan syaraf
perifer. Saraf perifer adalah serat saraf yang
mengirim informasi sensoris ke otak atau medulla
spinalis (disebut juga saraf afferent), sedangkan
serat saraf yang menghantarkan informasi dari
otak atau medulla spinalis ke otot serta kelenjar
disebut saraf efferent.
b. Sistem saraf otonom
Serat saraf ini mengatur organ dalam tubuh,
misalnya jantung, usus dan kelenjar-kelenjar.
Pengontrolan ini dilakukan dengan tidak sadar.
Adapun Otak manusia terdiri atas beberapa
bagian dimana setiap bagian memiliki peran terhadap
suatu proses pada tubuh. Secara umum otak terbagi
menjadi 3 bagian sebagai berikut (Valerie, 2007):
1. Otak Besar
Bagian paling besar dari otak manusia adalah otak
besar. Otak besar dibagi kepada dua belahan
(hemisphere) yaitu kanan dan kiri. Belahan kiri
mengatur fungsi tubuh bagian kanan dan begitu
pula sebaliknya. Masing-masing belahan otak ini
terdiri dari 4 lobus yaitu frontal, pariental,
temporal dan occipital. Setiap bagian itu
mempunyai fungsi tertentu:
a. Lobus Frontal: Tingkah laku, proses berfikir,
perhatian berfikir kreatif, emosi, intektual,
inisiatif,
mengkoordinasi
penggerakan,
penciuman, pergerakan otot, keahlian motoric,
Lobus Frontal memiliki sub-bagian yang
bertanggung jawab dengan masing-masing
fungsi, yaitu: motor area, pre-motor area,
orbifrontal cortex dan prefrontal.
b. Lobus Parietal: Penglihatan dan membaca
c. Lobus Ocipital, respon terhadap rangsangan
internal, sentuhan, fungsi Bahasa, kombinasi
sensory dan pemahaman
d. Lobus temporal: Pendengaran, music,
pengucapan beberapa tindakan dan emosi
2. Otak Tengah
Cukup kecil, didepan otak belakang
Fungsi: membantu pergerakan mata, menyempit
dan melebar pupil, reflex pendengaran, pusat
pengendalian dan keseimbangan . serabut saraf
yang menghubungkan bagian depan dan belakang
otak
3. Otak belakang
Otak belakang terdiri dari dua bagian yaitu:
a. Otak kecil (cerebellum): bagian terbesar otak
belakang berada dibawah lobus occipital. Otak
kecil terbagi menjadi belahan kanan dan kiri
yang berfungsi untuk pengatur keseimbangan
tubuh, sikap dan posisi tubuh serta koordinasi
otot ketika sadar
b. Jembatan Varol
Jembatan varol merupakan saraf penghubung
antara otak kecil dan otak besar dan belahan
kiri dan kanan dari otak kecil
c. Sumsum lanjutan
Membentuk bagian bawah batang otak serta
menghubungkan jembatan varol dengan
sumsum tulang belakang. Sekelompok neuron
pada formasi retikular di dalam sumsum
lanjutan
berfungsi
mengontrol
sistem
pernapasan, dan syaraf kranial yang berfungsi
mengatur laju denyut jantung juga berada
pada sumsum ini. Selain itu juga berperan
sebagai pusat pengatur refleks fisiologi,
tekanan udara, suhu tubuh, pelebaran atau
penyempitan pembuluh darah, gerak alat
pencernaan, dan sekresi kelenjar pencernaan.
Fungsi lainnya ialah mengatur gerak refleks,
seperti batuk, bersin, dan berkedip.
2.2 Elektroenchephalograph
Istilah “Elektroenchephalograph” berasal dari
padanan kata elektro yang berarti listrik, ensefalo
(encephalo) yang berarti kepala dan graf (graph)
yang
berarti
gambaran,
dengan
demikian
Elektroenchephalograph dapat diartikan sebagai alat
yang dapat merekam aktivitas listrik pada otak
melalui elektroda yang diletakkan pada kulit kepala.
Hasil rekaman dari elektroenchephalograph adalah
berupa grafik gambaran aktivitas listrik otak yang
biasa disebut dengan elektroenchephalogram (EEG).
EEG direkam dengan menggunakan elektrodaelektroda yang biasanya berupa keping Ag-AgCl
berukuran 1-3 mm yang direkatkan pada kulit kepala
dengan gel atau pasta khusus. Strukturnya terdiri dari
metal Ag dikelilingi oleh AgCl yang sedikit larut
dalam air sehingga tetap stabil. Elektroda ini
kemudian dicelupkan ke dalam bak elektrolit di mana
anion elektrodanya adalah Cl- . Ag+ + Cl- ↔ AgCl +
1e- paksi ini mempunyai beda potensial sebesar 0,223
V pada 25 °C. Bila dipakai bahan Cu maka beda
potensialnya sebesar 0,34 V (Bahill, 1981)
EEG direkam dengan cara membandingkan antar
dua tegangan elektroda. Representasi sinyal EEG
pada display dapat melalui berbagi cara antara lain:
1. Bipolar Montage
Berupa selisih antara dua elektroda yang
berdekatan
2. Referential Montage
Berupa selisih antara elektroda tertentu dan
elektroda acuan yang telah dipilih
3. Average Reference Montage
Sinyal dari semua amplifier dijumlahkan dan
dirata-ratakan digunakan sebagai acuan umum
untuk setiap channel
4. Lapalcian Montage
Berupa selisih antar elektroda dan rata-rata dari
elektroda sekitarnya. Sesuai dengan teorema nilai
rata-rata potensial elektrostatis yang melalui
permukaan bola manapun adalah sama dengan
nilai yang dimiliki oleh pusat bola asalkan tidak
ada muatan yang terkandung dalam bola (
Terdapat beberapa sistem penempatan elektroda
EEG diantaranya: 10-20 system, true anterior
temporal electrode dan modified 10-20 system.
Sistem penempatan elektroda 10-20 mengatur letak
titik-titik penempatan elektroda pada kulit kepala
dengan menggunakan perbandingan jarak 10% pada
elektroda pertama dan terakhir serta interval 20%
untuk elektroda lainnya disepanjang garis utama yang
dimulai dari pangkal hidung (nasion) hingga benjolan
didepan kepala tepa diata leher (inion).
Sistem true anterior temporal electrode hampir
sama dengan sistem 10-20 dengan menggunakan
elektroda tambahan T1 yang ditempatkan antara F7
dan T3 serta elektroda tambahan T2 diantara F8 dan
T4, Sedangkan modified 10-20 system selain
memberikan elektroda tambahan juga memberikan
penamaan ulang pada empat elektroda T3, T4, T5
dan T6 menjadi T7, T8, P7 dan P8 (lihat gambar).
(a)
(b)
Gambar 1. Penempatan elektroda EEG. (a) 10-20 system,
(b) modified 10-20 system (http://gerstner.felk.cvut.cz)
EEG harus memiliki penguatan yang tinggi dan
karakteristik noise yang rendah sebab amplitudo
tegangan EEG sangat rendah oleh karena itu
digunakan amplifier. 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, karena sinyal
yang dihasilkan memiliki amplitudo tegangan yang
rendah, maka aktivitas pasien pada saat proses
perekaman EEG seperti tidur dan berfikir juga sangat
mempengaruhi pola gelombang otak yang terbentuk.
2.3 Gelombang Otak
Gelombang otak dihasilkan oleh aktivitas neuron
di dalam otak manusia, aktivitas neuron ini
menghasilkan sinyal listrik sebagai pembawa
informasi sensori dan motorik. Gelombang otak
merupakan rambatan dari potensial aksi sepanjang
wilayah tertentu pada otak dan pada waktu tertentu.
Gelombang otak manusia memliki rentang frekuensi
dan amplitudo yang bervariasi antara 0-30 Hz dan
digolongkan menjadi gelombang delta, theta, alpha
dan beta (Alifis, 2011). Setiap gelombang punya
karakteristik yang berbeda-beda serta menandakan
kondisi mental seseorang sehingga terbagi menjadi
beberapa jenis gelombang seperti dibawah ini:
1. Gamma (16 Hz – 100 Hz)
Terjadi saat mengalami aktivitas mental yang
sangat tinggi. Misalnya: Saat berada di arena
pertandingan, sangat panik ketakutan.
2. Beta (12 – 19 Hz)
Saat melakukan aktivitas mental yang terjaga
penuh Diperlukan ketika otak berfikir, rasional,
pemecahan masalah, Gelombang otak beta terbagi
menjadi 3:
- High Beta (transisi dengan gelombang
gamma)
- Getaran Beta (15 – 18 Hz)
- Low beta (12 – 15 )
3. Alpha (8 -12 Hz)
Saat keadaan relaks, mata tertutup, mulai
mengantuk
4. Theta (4 – 7 Hz)
Tidur ringan, sangat mengantuk, tidur disertai
mimpi
5. Delta (0.5 – 4 Hz)
Amplitudo tegangan mencapai 10 mV biasanya
dalam keadaan tidur lelap tanpa mimpi, koma,
dan keadaan anestesi.
3. Pembahasan
3.1. Prinsip Kerja Elektroenchephalograph dalam
Menghasilkan Gelombang Otak
Rekaman EEG umumnya melalui elektroda yang
diletakkan dikulit kepala.
Untuk meningkatkan
kontak listrik antara elektroda dan kulit kepala
digunakan elektrolit jelly ayau pasta. Sistem
penempatan elektroda yang telah ditetapkan secara
internasional oleh International Federation on
Electroencephalography
and
Clinical
Neurphysiology adalah sistem 10-20 yang dikenal
dengan istilah “International Electrode Placement
System”( Jan Cepek, 2004).
Prosedur perekaman EEG bersifat non-invasif,
aman dan tidak menyakitkan. Rekaman sinyal
ditransmisikan ke sistem EEG yang terdiri dari
elektroda-elektroda, amplifiers, filter dan alat
perekaman yang mengukur dan mencatat aktivitas
listrik otak (bagan kertas atau monitor komputer).
Setiap elektroda dihubungkan ke differential
amplifier (satu amplifier untuk sepasang elektroda).
Amplifier memperkuat tegangan antara elektroda
aktif dan acuan. Tegangan yang keluar dari
differential amplifier lalu menuju chanel display
melalui kumpulan filter terlebih dahulu. Filter yang
tepat dipilih agar dapat menentukan komponen
frekuensi dari gelombang otak yang sesuai dalam
mendiagnosa penyakit.
3.2 Filter pada EEG
Filter pada EEG ini terdiri dari low-pass, highpass, band-pass. Low-pass filter digunakan untuk
memblok frekuensi-frekuensi yang terlalu tinggi dari
sinyal input. High-pass filter digunakan untuk
memblok frekuensi-frekuensi yang terlalu rendah,
sedangkan band-pass filter merupakan gabungan dari
low-pass filter dan high-pass filter.
Gambar 2. Diagram cara kerja Band-pass filter (All About
Circuits Forum, 2012)
Data masukan yang diplot dalam domain waktu,
untuk mempermudah dalam menganalisa data
tersebut, maka digunakan band-pass filter untuk
memecah data menjadi 4 bagian yaitu sinyal alpha,
beta, theta dan delta.
3.2 Fast Fourier Transform (FFT)
Terakadang
kita masih sulit untuk melihat
perbedaan aktivitas gelombang yang terjadi pada otak
apabila kita menganalisanya pada domain waktu.
Oleh karena itu, dalam mengatasinya digunakan fast
fourier transform untuk mengubah suatu fungsi
dalam domain waktu menjadi fungsi dalam domain
frekuensi.
Pada dasarnya transformasi fourier memisahkan
suatu fungsi sinyal menjadi beberapa bentuk
sinusoidal yang berbeda frekuensi yang apabila
dijumlahkan menjadi fungsi sinyal awal. Secara
umum dapat didefinisikan dengan persamaan:
∫
∫
Transformasi fourier menggambarkan suatu
sinyal
sebagai superposisi linier fungsi sinus
dan cosinus yang ditandai dengan nilai frekuensi
dimana
merupakan fungsi kompleks sinusoidal
yaitu inverstransformasi yang diberikan oleh
persamaan
(Rodrigo Quian, 1999)
Bentuk diskrit transformasi fourier sebuah fungsi
pada domain waktu
didefinisikan dengan rumus:
∑
Dimana:
= fungsi transfrorm diskrit frekuensi
= sinyal waktu diskrit
n
= sampel ke-n
N
= jumlah sampel
F
= 1/T = sampling interval
Gambar 3. Gelombang yang terbentuk pada domain
frekuensi setelah menggunakan fast fourier transformation
dimana (a) gelombang alpha (b) gelombang beta (c)
gelombang theta (d) gelombang delta (alfi, 2006)
3.3 Karakteristik Gelombang Otak Abnormal pada
EEG
Berdasarkan analisis gelombang otak yang telah
didapatkan
melalui
EEG,
kita
dapat
mengklasifikasikan karakteristik gelombang otak
tersebut kedalam gelombang otak normal dan
gelombang otak abnormal . Hasil pemeriksaan EEG
menunjukan perbedaan pola gelombang otak sebagai
berikut (Jan Nissl, 2006):
1. Normal
- Hasil dua sisi otak menunjukkan pola serupa
dari aktivitas elektrik
- Orang
dewasa
yang
terjaga,
EEG
menunjukkan gelombang alfa lebih banyak
dibanding dengan gelombang beta.
- Tidak ada gambaran gelombang abnormal dari
aktivitas elektrik dan tidak ada gelombang
yang lambat
- Jika pasien dirangsang dengan cahaya
(photic) selama test maka hasil gelombang
tetap normal.
2. Abnormal
- Hasil dua sisi otak menunjukkan pola tidak
serupa dari aktivitas elektrik
- EEG menunjukkan gambaran gelombang
abnormal yang cepat atau lambat, hal ini
mungkin disebabkan oleh tumor otak,
infeksi/peradangan, injuri, strok, atau epilepsi.
Ketika seseorang mempunyai epilepsi dengan
pemeriksaan EEG ini bisa diketahui daerah
otak bagian mana yang aktivitas listriknya
tidak normal. Namun pemeriksaan EEG saja
tidak cukup, sebab EEG diambil selalu pada
saat tidak ada serangan kejang bukan pada
saat serangan, karena tidak mungkin orang
yang sedang mengalami serangan epilepsi
dibawa ke rumah sakit untuk diperiksa EEG.
Maka, pemeriksaan EEG harus ditunjang oleh
pemeriksaan otak itu sendiri, yaitu melihat
gambaran otaknya misalnya dengan teknik
foto Magnetic Resonance Imaging (MRI). Jadi
EEG dengan sendirinya tidak cukup untuk
mendiagnosa penyakit neurology tetapi perlu
dengan pemeriksaan yang lain agar hasil
diagnosisnya lebih akurat
- Berbagai keadaan dapat mempengaruhi
gambaran EEG. EEG yang abnormal dapat
disebabkan kelainan di dalam otak yang tidak
hanya terbatas pada satu area khusus di otak,
misalnya intoksikasi obat, infeksi otak
(ensefalitis), atau penyakit metabolisme
(Diabetik ketoasidosis)
- EEG menunjukkan gelombang delta atau
gelombang teta pada orang dewasa yang
terjaga. Hasil ini menandai adanya injuri otak
-
EEG tidak menunjukkan aktivitas elektrik di
dalam otak ( a “ flat/” atau “ garis lurus” ).
Menandai fungsi otak telah berhenti, yang
mana pada umumnya disebabkan oleh tidak
adanya (penurunan) aliran darah atau oksigen
di dalam otak. Dalam beberapa hal, pemberian
obat penenang dapat menyebabkan gambaran
EEG flat. Hal ini juga dapat dilihat di status
epilepsi setelah pengobatan diberikan.
Dari perspektif lain, Gelombang otak hasil rekam
EEG dikatakan abnormal jika mengandung beberapa
hal sebagai berikut (Fisch, 1999):
1. Aktivitas bentuk epileptik menyerupai gelombang
tajam (sharp waves), gelombang paku (spike
waves), gelombang paku-ombak, gelombang paku
majemuk, dan gelombang lambat yang timbul
secara paraksimal.
2. Gelombang lambat terjadi saat irama gelombang
tidak teratur atau irama gelombang lebih lambat
dibanding seharusnya.
3. Kelainan amplitude terjadi pada saat besar
tegangan gelombang otak pada daerah yang sama
dikedua hemisphere otak tidak simetris.
4. Pola-pola tertentu yang menyerupai pola
gelombang normal tetapi terdapat penyimpangan
nilai frekuensi, reaktivitas dan distribusi.
Referensi
1.
Bahill, A.T. 1981. Bioengineering : Biomedical,
Medical and Clinical Engineering, Prentice-Hall,
New Jersey, p. 46- 54
2.
Alifis. 2011. Gelombang Gamma, Beta, Alpha,
Tetha dan Delta dalam Otak. (Online). Diakses:
19
Maret
2014.
Tersedia
di:
http://alifis.wordpress.com/2011/06/02/gelomban
g-gamma-beta-alpha-tetha-dan-delta-dalam-otak/
3.
Alfi. 2006. Analisis Pola gelombang normal dan
abnormal. Tugas akhir Fisika ITB.
4.
Jan Cepek, 2004, Brain computer interface.
(Online). Diakses: 14 Mei 2014. Tersedia di:
http://gerstner.felk.cvut.cz/biolab/bionika2004/ce
pek/bci.html
5.
6.
7.
8.
Gambar 4. Contoh gelombang otak abnormal penderita
epilepsi pada EEG (Ratri, 2001)
Pada rekam EEG umumnya pola gelombang
abnormal tidak sepenuhnya menggantikan pola
gelombang normal melainkan muncul dengan
berlatar belakang pola gelombang normal.
4. Kesimpulan
Aktivitas kelistrikan pada otak manusia dapat
dilihat dan direkam dengan menggunakan suatu
alat yang disebut electroenchepalograph. Pola
gelombang otak abnormal dapat diamati dari
hasil analisis rekam EEG pada pada domain
waktu maupun domain frekuensi dengan melihat
gejala aktivitas bentuk epileptik menyerupai
gelombang tajam (sharp waves), gelombang paku
(spike
waves),
gelombang
paku-ombak,
gelombang paku majemuk, kelainan amplitudo,
ataupun pola-pola lain yang menyerupai pola
gelombang normal tetapi terdapat penyimpangan
nilai frekuensi, reaktivitas dan distribusi.
All About Circuits Forum, 2012. Band-pass
filters. (Online). Diakses: 15 Mei 2014. Tersedia
di:
http://www.allaboutcircuits.com/vol_2/chpt_8/4.
html
Quian, Rodrigo. 1999. Quantitative analysis of
EEG signals: Time-frequency methods and Chaos
theory. Thesis Institute of Physiology - Medical
University Lubeck
Nissl, J (2006). Electroencephalogram (EEG).
(Online). Diakses: 13 Mei 2014. Tersedia di:
http://www.webmd.com/epilepsy/electroencephal
ogram-eeg-21508
Valerie. 2007. Essentials of Anatomy and
Physiology 5th ed - V. Scanlon, T. Sanders (FA
Davis, 2007)