BAB II LANDASAN TEORI

BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Jantung
Jantung adalah organ penting dalam tubuh manusia yang berfungsi memompa
darah ke seluruh tubuh manusia. Jantung merupakan sebuah organ yang unik yang
dapat memproduksi muatan listrik. Hal ini telah dibuktikan oleh Von Kolliker (1855)
melalui preparat yang dikenal sebagai rheoscopic frog, yaitu bila syaraf dari otot
gastroknemius kodok di telentangkan pada permukaan jantung yang sedang
berdenyut, maka otot tersebut akan ikut berkontraksi sesuai dengan irama jantung. 1
Tubuh manusia merupakan penghantar yang baik oleh karena itu arus
bioelektrik dari jantung dapat menjalar ke seluruh tubuh dan dapat diukur melalui
titik tertentu.
Gambar 2.1 Struktur Anatomi Jantung
1
EKG dan penanggulangan bebrapa penyakit jantung untuk dokter umum.
5
2.1.1 Sifat Kelistrikan Jantung
Jantung dibentuk oleh tiga jenis sel eksitasi, yaitu :
a. Sel-sel pace maker sebagai sumber bioelektrik jantung.Pada keadaan
normal sel pacemaker dominan berada di nodus SA ( Sino-Atrial Node).
b. Sel-sel Konduksi (Jaringan neuromuscular yang membentuk traktus
internodal atrium, berkas His atau serat Purkinje) sebagai kawat
penghantar arus bioelektrik.
c. Sel-sel otot jantung (miokardium) yang berfungsi untuk kontraksi.
Pada membran sel – sel otot jantung terdapat banyak ion yang berdifusi, ion
tersebut antara lain K+, Na+, dan Cl- yang dipisahkan oleh membran semipermeabel.
Ion-ion yang sejenis cenderung membentuk persamaan elektron di dalam dan di luar
sel, maka distribusi yang tidak seimbang ini menimbulkan suatu gaya tarik-menarik
antara ion-ion dimana ion negative berkumpul di permukaan dalam, sedangkan ion
positif (terutama ion Na+) berkumpul dipermukaan luar membran sel. Keadaan ini
dikatakan sel berada dalam stadium polarisasi.
Pada saat polarisasi terdapat perbedaan potensial (resting membrane potensial)
antara permukaan dalam dan luar membran sel sebesar kira-kira -90 mV. Bila
diberikan rangsangan terhadap sel tersebut maka akan terjadi perubahan potensial
dari nilai negative menuju ke arah yang lebih positif disebut proses depolarisasi.
Selisih beda potensial tersebut mencapai +20 mV.
Setelah ion Na+ mencapai keseimbangan yang baru dan dinding kembali tidak
permeabel terhadap Na+ , ion Na+ tidak lagi berdifusi masuk ke dalam sel, sebaliknya
6
mekanisme pompa natrium memompa Na+ ke luar sel dengan cepat sehingga
tegangan didalam sel turun, dan akhirnya kembali ke nilai normalnya yaitu -90 mV.
Peristiwa ini dinamakan repolarisasi.
Rekaman hasil aktifitas jantung dapat dilihat pada gambar 2.2. Kontraksi
Atrium akan menimbulkan gelombang P, ini menunjukan adanya depolarisasi atrium,
sedangkan gelombang QRS disebabkan oleh depolarisasi gelombang ventrikel. Pada
saat otot ventrikel kembali ke keadaan istirahat (repolarisasi ventrikel) akan muncul
gelombang T. Hal ini sesuai dengan asumsi Einthoven bahwa arus boelektrik jantung
merambat dari daerah depolarisasi ke daerah polarisasi.
Gambar 2.2 Aktifitas bioelektrik Jantung
7
2.2 Electrocardiograph (ECG)
Electrocardiograph adalah suatu alat yang digunakan untuk merekam pulsa
bioelektrik yang dibangkitkan oleh jantung dengan cara memasang electrode di titik
tertentu pada permukaan tubuh.
2.2.1 Jenis-jenis pesawat ECG :
Berdasarkan tampilan :
a.ECG recorder
Output pengukuran ditampilkan di kertas ECG.
b.ECG monitor
Output pengukukuran ditampilkan di layar LCD .
Berdasarkan Jumlah perekaman :
a.ECG Single Channel
Hanya terdapat satu output sadapan untuk satu kali pemeriksaan,
b.ECG Multi Channel
Terdapat banyak output sadapan untuk satu kali pemeriksaan, misalnya
pada ECG 3 chanel, terdapat 3 output sadapan untuk satu kali pemeriksaan
dan ECG 12 Chanel terdapat 12 output sadapan Untuk satu kali pemeriksaan
2.3 Sistem Sadapan pada ECG
Sistem sadapan ECG dapat dibagi menjadi
2.3.1 Sadapan Ekstremitas Bipolar (Bipolar Limb Lead )
Sadapan ektremitas bipolar (bipolar limb lead ) ditemukan oleh Einthoven pada
tahun 1903, dia berasumsi bahwa :
8
a. Sumber bioelektrik jantung ekuivalen dengan single current dipole , arus
listrik ini merambat dengan arah dari daerah depolarisasi ke daerah
polarisasi, sehingga membentuk sebuah vector yang dapat diukur
perbedaan potensialnya.
b. Tiga ekstremitas dapat membentuk puncak-puncak sebuah segitiga sama
sisi,dimana sumber bioelektrik jantung terletak di tengah-tengah.
c. Semua jaringan dan cairan tubuh dianggap dapat menyalurkan potensial
elektrik dengan sama baiknya.
Orientasi polaritas dari sumbu-sumbu sadapan ekstremitas bipolar adalah
sebagai berikut :
Sadapan I
: berasal dari elektroda lengan kanan (right arm = RA,negative)
ke elektroda lengan kiri ( left arm = LA,positif ).
Sadapan II
: berasal dari elektroda lengan kanan (RA,negatif)ke elektroda
tungkai kiri(left leg = LL,positif).
Sadapan III
: bersal dari elektroda lengan kiri (LA,negative) ke elektroda
tungkai kiri (LL,positif).
Gambar 2.3 Segitiga Einthoven
9
Ketiga sadapan ekstremitas bipolar dari Einthoven ini disebut juga sebagai
standard limb lead. Hubungan dari ketiga sadapan ekstrenmitas bipolar dari
einthoven secara matematis dapat dituliskan menjadi satu persamaan,yaitu :
Sandapan I
= LA – RA ….........…………………………( 2.1 )
Sandapan II
= LL – RA .. …………….………………….( 2.2 )
Sandapan III
= LL – LA ...………………………………...( 2.3 )
Berdasarkan hukum Kirchoff tegangan, jumlah aljabar perbedaan potensial
darri suatu lingkaran tertutup sama dengan nol. Apabila hukum ini di terapkan pada
persamaan Einthoven, maka : I + III + (-II) = 0 (karena sadapan II dipasang kebalikan
dari I dan III),sehingga persamaan ini dapat ditulis:
I + III = II………………………………………………….…(2.4)
2.3.2 Sadapan Ekstremitas Unipolar ( Unipolar Limb Lead )
Pada tahun 1932 Frank Wilson menciptakan sadapan ekstremitas Unipolar
dengan meletakkan tiga elektroda positif mengikuti tiga tempat elektroda sadapan
ekstremitas bipolar dari Einhoven, yaitu ditempatkan di lengan kiri (L), lengan kanan
(R) dan tungkai kiri (F).kemudian untuk setiap elektroda positif pasangan elektroda
negatifnya dibuat dari sambungan antara kedua sambungan elektroda lainnya.Setelah
itu elekrtroda-elektroda negative ini digabung menjadi satu agar kekuatan mereka
masing-masing saling meniadakan (Zero potensial).
Kelemahan dari sadapan ini yaitu : apabila kekuatan bioelektrk jantung di salah
satu elektroda terlalu kecil, maka perbedaan potensial antara kedua elektroda sukar
diukur.
10
Berhubung sadapan ekstremitas unipolar mengukur voltase (V) arus
depolarisasi jantung, maka yang dari sentral terminal ke lengan kiri (left = L)
dinamakan sadapan VL, yang ke lengan kanan (right= R)dinamakan sadapan VR, dan
yang ke tungkai kiri (foot= F) kiri dinamakan sadapan VF.
Jenis sadapan ini kemudian disempurnakan oleh Goldberger, dia menemukan
bahwa pemutusan hubungan elektroda – elektroda negative dengan sentral terminal
akan memperbesar 50% voltase pencatatan dari elektroda positif.Dengan demikian
ketiga sadapan ekstremitas unipolar yang dimodifikasi ini di beri tambahan huruf “a”
(augmented) yang saat ini dikenal dengan sadapan aVL, aVR dan aVF.
2.3.3 Hubungan Bipolar Limb Lead dan Unipolar Limb Lead
Berdasarkan Polaritas elektroda-elektroda yang telah ditentukan dan arah arus
bioelktrik jantung yang berjalan dari kuadran kiri atas menuju ke kuadran kanan
bawah,maka dapat dilihat bahwa defleksi ECG di sadapan aVF akan selalu positif
dalam hubungannya dengan sadapan aVR pada sadapan II,sedangkan relatif positif
terhadap sadapan aVL pada sadapan III. Defleksi ECG di sadapan aVL akan selalu
positif dalam hubungannya dengan sadapan aVR pada sadapan I. Hubungan ini dapat
disimpulkan dalam persamaan sebagai berikut :
I = aVL – aVR……………………………………………(2.5)
II = aVF – aVR……………………………………………(2.6)
III = aVF- aVL……………………………………………(2.7)
11
2.3.4 Sadapan Prekordial ( Prekordial Lead )
Elektroda – Elektroda sadapan prekordial
bunipolar merupakan elektroda
positif ditempatkan secara horizontal pada dada mengelilingi jantung.sedangkan
elektroda –elektroda negatifnya dihubungkan ke terminal sentral.
Pada karya tulis ini, penulis hanya membahas 6 sadapan yang mungkin dapat
diukur dengan ECG yaitu pengukuran pada lead I, II, III, aVR, aVL, dan aVF .
2.4 Simulator ECG
Simulator ECG adalah alat yang dapat menghasilkan pulsa jantung dengan
dengan denyut dan amplitudo yang dapat diatur sesuai dengan pengujian yang
dilakukan kepada alat Electrocardiograph.
Hasil rekaman pulsa
jantung yang dihasilkan oleh ECG di scan dan
diperbesar, kemudian dicetak pada kertas millimeter.dengan mengambil sampling
rate dari gambar tersebur,maka akan didapat 96data digitasi ECG2 yang dapat dilihat
pada table 2.1
Tabel 2.1 Data digitasi ECG 2
Sinyal
ke n
Nilai
Data
Sinyal
ke n
Nilai
Data
Sinyal
ke n
Nilai
Data
Sinyal
ke n
Nilai
Data
Sinyal
ke n
Nilai
Data
1
28
21
29
41
28
61
41
81
28
2
28
22
28
42
28
62
35
82
28
3
28
23
28
43
28
63
31
83
28
4
28
24
28
44
28
64
29
84
28
5
28
25
28
45
28
65
28
85
28
6
28
26
28
46
28
66
28
86
28
12
2
7
28
27
28
47
28
67
28
87
28
8
28
28
24
48
32
68
28
88
28
9
28
29
19
49
36
69
28
89
28
10
28
30
53
50
40
70
28
90
28
11
28
31
87
51
44
71
28
91
28
12
31
32
122
52
48
72
28
92
28
13
35
33
73
53
51
73
28
93
28
14
40
34
21
54
54
74
28
94
28
15
45
35
25
55
60
75
28
95
28
16
46
36
26
56
62
76
28
96
28
17
45
37
27
57
63
77
28
18
39
38
28
58
61
78
28
19
32
39
28
59
58
79
28
20
30
40
28
60
60
80
28
.Laporan Akhir penelitian Riset Pembinaan Tenaga Kesehatan, Pengujian Pengujian Akurasi Keluaran Gelombang Fisiologi
dari Rancang bangun simulator electrocardiogram (ECG) Terhadap Input Gelombang Fisiologi
Data digitasi ECG ini digunakan dalam menentukan waktu delay pada masingmasing pemilihan BPM dengan persamaan sebagai berikut :
BPM = 60*f
Maka
f 
BPM
……………………………………..…………………(2.8)
60
T
1
……………………………………………………………(2.9)
f
13
Sehingga didapatkan
Delay 
T
…………..……………………………………(2.10)
96data
Waktu delay ini dibutuhkan untuk mengeluarkan setiap data digitasi ECG. Data
Digitasi ini disimpan dalam mikrokontroler dalam bentuk biner.Output yang
diharapkan adalah sinyal analog,untuk itu dibutuhkan rangkaian DAC (Digital to
Analog Converter).
2.5 Mikrokontroler AT89S52
Mikrokontroler
AT89S52
merupakan
versi
terbaru
dibandingkan
mikrokontroler AT89S51 yang telah banyak digunakan saat ini. AT89S52 mmpunyai
kelebihan yaitu mempunyai flash memori sebesar 8K byte, RAM 256 byte serta 2
buah data pointer 16 bit. Berikut ini adalah spesifikasi penting dari AT89S52.
Spesifikasi Mikrokontroler AT89S52 :

Kompatibel dengan keluarga mikrokontroler MCS51 sebelumnya

8 K Bytes In system Programmable (ISP) flash memori dengan
kemampuan 1000 kali baca/tulis

tegangan kerja 4 - 5.0V

Bekerja dengan rentang 0 – 33MHz

256x8 bit RAM internal

32 jalur I/0 dapat diprogram
14

3 buah 16 bit Timer/Counter

8 sumber interrupt

saluran full dupleks serial UART

watchdog timer

dual data pointer

Mode pemrograman ISP yang fleksibel
Konnfigurasi dari AT89S52 dapat dilihat pada gambar 2.4
Gambar 2.4 Konfigurasi pin IC AT89S52
Fungsi dari masing-masing pin AT89S52 adalah
a. Port 1 (Pin 1 - 8), berfungsi sebagai port I/O dengan lebar data 8bit.
Port 1 juga menerima alamat bytes orde Low selama Flash
programming dan proses verifikasi data.
15
Tabel 2.2. Fungsi ISP AT89S52
Port pin
Fungsi alternatif
P1.5
MOSI (used for in-system programing)
P1.6
MISO (used for in-system programing)
P1.7
SCK (used for in-system programing)
b.Pin 9 (RST), pulsa transisi dari rendah ke tinggi yang diumpankan ke
pin RST akan mereset AT89S52. Pin ini dihubungkan dengan
rangkaian power on reset.
c. Port 3 (Pin 10 - 17), port paralel 8 bit dua arah yang memiliki fungsi
khusus.
Tabel 2.3 Fungsi Khusus Port 3
Port pin
Fungsi alternatif
P3.0
RXD ( Serial input port)
P3.1
TXD (Serial input port)
P3.2
INT 0 (external interupt 0)
P3.3
INT 1 (external inteupt 1)
P3.4
T0 (Timer 0)
P3.5
T1 (Timer 1)
P3.6
WR (external data write)
P3.7
RD (external data read)
d. Pin 18 (XTAL1), merupakan pin masukan ke rangkaian osilator
internal. Osilator kristal dan sumber osilator luar dapat digunakan.
e. Pin 19 (XTAL2), merupakan pin masukan ke rangkaian osilator
internal. Pin ini dipakai bila menggunakan osilator kristal.
16
f. Pin 20 (Ground), dihubungkan ground.
g.Port 2 (Pin 21 - 28), port paralel 8 bit dua arah, dapat digunakan
sebagai port I/O dengan lebar data 8 bit
dan digunakan untuk
mengirim byte alamat bila digunakan untuk mengakses memori
eksternal.
h. Pin 29 ( PSEN /Program Store Enable), merupakan pengontrol yang
digunakan untuk mengakses program memori eksternal masuk ke
dalam bus selama proses pemberian/pengambilan instruksi.
i. Pin 30 (ALE/Adress latch enable), digunakan untuk menahan alamat
memori eksternal selama pelaksanaan instruksi.
j. Pin 31 ( EA /External Access Enable), bila pin diberikan logika high,
maka
mikrokontroler
akan
melaksanakan
instruksi
dari
ROM/EPROM. Bila diberikan logika low, mikrokontroler akan
melaksanakan instruksi dari memori program luar.
k. Port 0 (Pin 32..39), merupakan port paralel 8 bit open drain dua arah.
Port 0 dapat digunakan sebagai port I/O biasa dan dapat juga
digunakan untuk memultiplek alamat dengan data pada waktu
2.6 DAC 0808
DAC 0808 merupakan salah satu konverter D/A yang mempunyai 8 bit
masukan ( variasi input data sebanyak 28 = 256 variasi data, yaitu dari 0 sampai 255
dan dibangun dengan metode konversi rangkaian R-2R ladder. Dilengkapi dengan
17
sumber tegangan acuan dan delapan buah transistor saklar untuk mengarahkan arus
biner. Rangkaian ini berfungsi merubah sinyal input biner (digital) ke bentuk output
analog.
IC ini tidak memerlukan pewaktuan jadi cukup dengan menyambungkan IC
ini dengan benar maka pemrogramannya tidak membutuhkan penanganan khusus
lagi. Konfigurasi pin ditunjukkan seperti pada gambar 2.5.
Gambar 2.5 Konfigurasi pin IC DAC 0808
Fungsi dari masing-masing pin adalah :
a. Pin 1 ( NC ), singkatan dari no connection atau tidak ada hubungan.
b. Pin 2 ( GND),dihubungkan ke ground
c. Pin 3 ( VEE ), dihubungkan ke tegangan -12V
d. Pin 4 (IO), output DAC , output dari DAC berupa arus ,untuk mrngubahnya
menjadi tegangan maka di berika op-amp.Op-Amp yang digunakan adalah
LM 741.
18
e.
Pin 5 – 12, merupakan 8bit masukan data.
f. Pin 13 (VCC), Dihubungkan ke catudaya +5V.
g. Pin 14 (VREF+), dihubungkan ke catu daya positif melalui hambatan R14
h. Pin 15 (VREF-), dihubungkan ke ground melalui hambatan R15.
i.
Pin16 (COMP), terdapat kapasitor antara pin 16 dan pin 3 berfungsi untuk
memberi kompensasi frekuensi bagi IC ini
Gambar 2.6 Rangkaian DAC 0808
Besarnya tegangan pada Vout tergantung dari besarnya IO dan harga
resistansi umpan balik pada OP-Amp. Sementara besarnya IO untuk bilangan
maksimal adalah sebesar
Vref
dimana R14 adalah resistor yang tersambung ke
R14
pin14 dan Vref adalah tegangan pada ujung lain dari R14.Tegangan keluaran pada
rangkaian ini dapat diketahui dengan rumus :
Io  Iref (
A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8







) ………….............................(2.11)
2
4
8 16 32 64 128 256
19
Dimana,
Iref 
Vref
………………………….………………………………….……………………….....................(2.12)
R14
Jadi,
Vo  R14 xIref (
A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8







) ….........…................(2.13)
2
4
8 16 32 64 128 256
2.7 Penguat Operasional
Penguat Operasional (Operasional Amplifier) umumnya digunakan untuk
penguat sinyal yang nilai penguatannya dapat di control melalui penggunaan resistor
dan komponen lainnya. Penguat operasional memiliki 5 terminal dasar, yaitu 2 untuk
mensuplai daya, 2 untuk masukan dan satu untuk keluaran.
2.7.1 Konverter Arus ke Tegangan
Rangkaian ini digunakan untuk merubah output dari rangkaian DAC yang
masih berupa arus ke bentuk tegangan, tanda minus pada persamaan 2.14 dikarenakan
masukan untuk rangkaian ini dimasukan ke kaki inverting ( kaki 2 op-amp ),sehingga
outputnya berlawanan polaritas dengan input.besarnya tegangan output dapat dilihat
pada persamaan 2.14 .
Vout   R..in …..………………………..................................( 2.14 )
Dapat pula ditambahkan resistor pada terminal noninverting ( kaki 3 op-amp
)dipakai untuk memberikan stabilitas temperatur pada konfigurasi.
20
Gambar 2.7 Rangkaian Konverter Arus ke Tegangan
2.8 Filter
Filter adalah sebuah rangkaian yang dirancang untuk melewatkan suatu pita
frekuensi tertentu dengan memperlemah semua sinyal diluar pita ini. Pada alat ini
penulis menggunakan jenis Low Pass Filter - 40dB/decade.
2.8.1 Low Pass Filter -40dB
Low Pass Filter adalah sebuah rangkaian melewatkan sinyal input pada
frekuensi rendah,sampai batas frekuensi tertentu fc (frekuensi cutoff ) dan meredam
semua sinyal input yang berada diluar sinyal fc. Penyaringan dilakukan oleh jaringan
RC sedangkan op-amp digunakan sebagai penguat dengan penguatan satu.
Gambar 2.8 Rangkaian Low Pass Filter
21
Rangkaian LPF dengan -40 dB ini memerlukan komponen pasif lebih banyak
(tanahan dan kapasitor). Seperti tampak pada gambar , maka perhitungan frekuensi cut off
nya adalah ditentukan oleh nilai komponen R2, R3, C2 dan C3 seperti berikut ini :
fc 
1
2 R 2R3C1C 2
…….......……………………………............( 2.15)
Pada rangkaian LPF dengan 40 dB ini persamaan penguatan tegangan absolutnya adalah:
Vout
Vin

Af
 f 4
1   
 fc 
…..…………………………………............( 2.16 )
AF = 1.586 (ketentuan Butterworth untuk order kedua)
2.9 Rangkaian Attenuator
Attenuator adalah rangkaian yang berfungsi untuk mengurangi amplitudo sinyal
ECG yang dikeluarkan dari Low Pass Filter menjadi orde mV.
Gambar 2.9 Rangkaian attenuator
22
Vout 
R2
Vin …..………………...............……………............( 2.17)
R1  R 2
2.10 Liquid Crystal Display (LCD)
LCD adalah sebuah display dot-matrix yang berfungsi untuk menampilkan tulisan
berupa angka atau huruf sesuai dengan yang diinginkan berdasarkan program yang
digunakan untuk mengontrolnya. Penulis menggunakan LCD dengan karakter 2 x 16,
Gambar 2.10 Modul LCD karakter 16x2
LCD ini mempunyai 16 pin, fungsi masing-masing pin dapat dilihat pada tabel:
Tabel 2.4 Fungsi pin LXD 16x2
23