Deteksi Sinyal Elektromyogram (EMG) - e

SEMINAR NASIONAL TEKNOLOGI 2015
Institut Teknologi Nasional Malang
ISSN: 2407 – 7534
Deteksi Sinyal Elektromyogram (EMG) Saat Kontraksi Dan
Relaksasi Dengan Personal Komputer
Irmalia Suryani Faradisa 1, Pandu Noortyas 2
1,2) Program Studi Teknik Elektro, ITN Malang
1)
e-mail: [email protected], 2) [email protected]
ABSTRAK
Salah satu organ tubuh yang mengeluarkan sinyal-sinyal biopotensial adalah otot. Sinyal
biopotensial yang dikeluarkan oleh otot ini dapat digunakan untuk mengetahui kelainan pada
otot. Untuk menangkap sinyal-sinyal yang dikeluarkan oleh otot diperlukan suatu alat yang
disebut dengan electromyograph (EMG). EMG bekerja dengan menangkap frekuensi sinyal-sinyal
listrik yang dibangkitkan oleh otot akibat adanya aktivitas subjek.
Alat pendeteksi dan perekam sinyal biopotensial otot ini terdiri dari sensor elektroda kulit
yang ditempatkan pada kulit di atas otot, selisih tegangan yang ditangkap oleh elektroda inilah
yang kemudian dikuatkan dan selanjutnya melalui proses filterisasi. Kemudian sinyal analog ini
diubah menjadi sinyal digital dan diolah oleh mikrokontroller untuk selanjutnya ditampilkan
pada personal komputer. Data yang ditampilkan pada software berupa sinyal biopotensial otot.
Dari tampilan didapatkan perbedaan bentuk sinyal pada saat otot kotraksi dan pada saat
otot relaksasi.
Kata kunci: Elektroda Ag-AgCl, Metode Penempatan Elektroda, EMG
ABSTRACT
One of the organs that secrete signals biopotential is muscle. Biopotential signal issued by the
muscle can be used to determine abnormalities in the muscle. To capture the signals issued by the
muscles needed a tool called the electromyograph (EMG). EMG works by capturing the frequency
of the electrical signals generated by the muscles due to the activity of the subject.
The detector and recorder signals biopotential muscle consists of a sensor skin electrodes
placed on the skin over the muscle, the voltage difference is captured by the electrodes is then
amplified and then through the process of filtration. Then the analog signal is converted into
digital signals and processed by a microcontroller which will be displayed on a personal computer.
The data displayed on the software in the form of muscle biopotential signal.
From the view is available difference from signal shape at the time contraction and the time
relaxation.
Keywords: Ag-AgCl Electrode, Electrode Placement Method, EMG
Pendahuluan
Elektronika sangat diperlukan dalam berbagai bidang kehidupan. Dalam ilmu pengetahuan
medis contohnya, hal ini menuntut peralatan yang dapat menunjang evektifitas penelitian,
pemeriksaan serta terapi medis. Konsekuensi dari ini semua adalah dibutuhkannya peralatan
medis yang semakin canggih serta efisien.
Salah satu alat yang digunakan dalam dunia medis adalah Electromyograph, yaitu alat yang
digunakan oleh dokter-dokter ahli dalam bidang Physiatry dan Neurologi.
SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015
428
SEMINAR NASIONAL TEKNOLOGI 2015
Institut Teknologi Nasional Malang
ISSN: 2407 – 7534
Perekaman gelombang otot sampai saat ini hanya bisa dilakukan di rumah sakit saja. Ini
karena alat EMG yang ada sangat mahal harganya,dan biaya untuk perekaman sinyal otot juga
mahal sehingga diperlukan sebuah EMG yang portable dan mudah dioperasikan.
Berdasarkan latar belakang di atas, maka dapat dirumuskan permasalahan yaitu:
1. Bagaimana merencanakan dan membuat sebuah alat yang mampu menampilkan sinyal
biopotensial.
2. Bagaimana membuat dan merencanakan sebuah sistem yang dapat mendeteksi dan
merekam sinyal biopotensial otot sehingga nantinya dapat diolah dalam bentuk data digital
sesuai yang dibutuhkan oleh mikrokontroller sehingga bentuk sinyal nanti dapat
ditampilkan di PC (Personal Computer).
Metode Penelitian
Penentuan Spesifikasi Alat
Spesifikasi alat secara global ditetapkan terlebih dahulu sebagai acuan dalam perancangan
selanjutnya. Spesifikasi alat yang direncanakan adalah sebagai berikut :
 Sensor Elektroda
Sensor elektroda Ag-AgCl, berfungsi sebagai sinyal sensor pengubah biopotensial yang
dipancarkan neuron-neuron dalam otot menjadi sinyal listrik yang dapat diumpankan ke
rangkaian penguat.
 Pengkondisi Sinyal
Pengkondisi sinyal pada alat ini terdiri dari :
 Penguat instrumentasi berfungsi sebagai penguat selisih tegangan dari tiga lokasi
penempatan elektroda sekaligus menghilangkan noise dari kedua masukan.
 Penguat non inverting berfungsi memberikan penguatan tingkat kedua kepada sinyal
yang telah melalui penguat instrumentasi.
 Rangkaian Filter
a) High Pass Filter. Digunakan untuk meredam sinyal dengan frekuensi 10 Hz dan
meloloskan sinyal di atasnya.
b) Low Pass Filter. Digunakan untuk meredam sinyal dengan frekuensi 1000 Hz dan
meloloskan sinyal di bawahnya.
c) Notch Filter. Digunakan untuk meredam sinyal dengan frekuensi 50 Hz.
 Non Inverting Amplifier
Berfungsi menguatkan tegangan output dari rangkaian filter sebesar 100 kali.
 Mikrokontroller AT Mega8535
Berfungsi untuk menerima sinyal analog gelombang dari sensor elektrode yang akan
diproses dan mengirimkan data digital yang telah diproses ke komputer melalui konektor
DB9.
 Personal Computer
Berfungsi untuk menyimpan semua data yang dibutuhkan dan mengolah informasi yang
diterima dari komunikasi serial serta menampilkan menggunakan program Delphi.
Studi literature
Studi literatur dilakukan untuk mempelajari teori penunjang sistem yang dibutuhkan
dalam perencanaan dan pembuatan alat. Hal ini dilakukan dengan mencari referensi–referensi
yang berhubungan dengan perencanaan dan pembuatan alat yang akan dibuat. Teori yang
diperlukan antara lain berkaitan dengan otot lengan, prinsip kerja sensor elektroda kulit,
rangkaian pengkondisi sinyal, filter, non inverting amplifier, mikrokontroller AT Mega8535,
antarmuka dan display sistem pada PC melalui komunikasi serial (DB9) menggunakan program
Delphi.
SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015
429
SEMINAR NASIONAL TEKNOLOGI 2015
Institut Teknologi Nasional Malang
ISSN: 2407 – 7534
Perancangan dan Pembuatan Alat
Perancangan dan pembuatan alat dalam penelitian ini dibagi menjadi dua bagian, yaitu
hardware dan software. Sebelum melaksanakan pembuatan terhadap alat, dilakukan
perancangan terhadap alat yang meliputi merancang rangkaian keseluruhan alat, serta
perancangan terhadap software. Pada tahap pembuatan alat, dilakukan perakitan sistem
terhadap seluruh hasil rancangan yang telah dibuat.
Pengambilan Sampel
Pengambilan sampel dilakukan dengan metode random sample terhadap sekelompok orang
yang memiliki otot yang normal dan sekelompok orang yang memiliki kelainan terhadap
ototnya.
Pengujian Alat
Untuk menganalisis kinerja alat apakah sesuai dengan yang direncanakan maka dilakukan
pengujian alat. Pengujian dilakukan pada masing-masing bagian dan kemudian secara
keseluruhan sistem.
Pengolahan Data
Mengolah data dan menganalisa hasil pengujian alat untuk dapat menarik kesimpulan dari
penelitian.
Pengambilan Kesimpulan
Kesimpulan didapat berdasarkan hasil perealisasian Electromyograph (EMG) Sebagai
Pendeteksi Otot Yang Terintegrasi Dengan Personal Komputer Berbasis Mikrokontroller AT
Mega8535. Beberapa hasil pengujian disampaikan dalam kesimpulan disertai realita yang
disusun secara berurutan.
Hasil dan Pembahasan
Agar perancangan dan perealisasian alat berjalan secara sistematis maka perlu dirancang
blok diagram yang menjelaskan sistem yang dirancang dibuat secara garis besar. Gambar.1
menunjukkan blok diagram sistem.
Sensor
Elektroda
Pengkondisi Sinyal
Rangkaian Filter
Instrumentasi
Amplifier
Notch Filter
ATmega 8535
PC
Mikrokontroller
Low Pass Filter
High Pass Filter
Non Inverting
Amplifier
Main Amplifier
Gambar 1. Blok Diagram Electromyograph (EMG)
SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015
430
SEMINAR NASIONAL TEKNOLOGI 2015
Institut Teknologi Nasional Malang
ISSN: 2407 – 7534
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Fungsi dari tiap tiap blok diagram dijelaskan sebagai berikut:
Elektroda Ag-AgCl
Berfungsi untuk menangkap sinyal biolistrik otot yang terdapat pada permukaan kulit.
Pengkondisi Sinyal
Pengkondisi sinyal terdiri dari:
a) Penguat instrumentasi berfungsi sebagai penguat selisih tegangan dari dua lokasi
penempatan elektroda sekaligus menghilangkan sinyal noise dari kedua masukan.
Rangkaian Filter
a) Notch Filter. Digunakan untuk meredam sinyal dengan frekuensi 50 Hz
b) Low Pass Filter. Digunakan untuk meredam sinyal dengan frekuensi 1000 Hz dan
meloloskan sinyal dibawahnya
c) High Pass Filter. Digunakan untuk meredam sinyal dengan frekuensi 10 Hz dan
meloloskan sinyal diatasnya
Main Amp
Penguat bertujuan untuk mengurangi error yang akan terjadi jika penguatan dibebankan
hanya kepada rangkaian penguat instrumentasi dan filter.
Mikrokontroller
Berfungsi menerima sinyal analog gelombang alfa dan beta dan mengirimkan data digital
ke komputer melalui konektor DB9
Personal Komputer
Berfungsi untuk menyimpan semua data yang dibutuhkan dan mengolah informasi yang
diterima dari komunikasi serial serta menampilkan data dengan menggunakan program
Delphi.
Perencanaan sensor elektroda
Untuk dapat menangkap sinyal biopotensial otot yang terdapat pada kulit maka dibutuhkan
tiga buah sensor elektroda jenis Ag-Agcl yang ditempelkan pada kulit, Output dari ketiga
elektroda tersebut dimasukkan ke kaki penguat instrumentasi AD620 dan driver leg right.
Gambar 2. Perancangan sensor elektroda Ag-Agcl
Perancangan penguat instrumentasi
Pelepasan gelombang oleh single motor unit (SMU) yang disadap oleh electrode sangat kecil.
Untuk menampilkan sinyal tersadap tersebut dibutuhkan penguatan yang sangat besar.
Rangkaian penguat instrumentasi yang direncanakan seperti yang terlihat dalam Gambar 3 di
bawah:
SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015
431
SEMINAR NASIONAL TEKNOLOGI 2015
Institut Teknologi Nasional Malang
ISSN: 2407 – 7534
Gambar 3. Rangkaian penguat instrumentasi dengan menggunakan AD620
Perencanaan Notch filter
Notch filter adalah filter yang melewatkan semua frekuensi kecuali stop band (pita henti)
yang terpusat pada frekuensi pusat. Biasanya dibuat untuk memperlemah atau menghilangkan
frekuensi noise 50 Hz yang dihasilkan power supply. Rangkaian notch filter menggunakan IC
LM301 yang ditunjukkan seperti dalam gambar 4.
Gambar 4. Rangkaian Notch Filter
Perancangan Low Pass Filter
Filter low pass dirancang untuk melewatkan sinyal di bawah frekuensi tertentu dan
menolak semua sinyal di atas pita ini. Maka didapatkanlah komponen-komponen dengan nilainilai komponen yang digunakan adalah R1 = R2 = 4,825 KΩ dan R3 = 47 KΩ.
Gambar 5. Rangkaian Low Pass Filter
SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015
432
SEMINAR NASIONAL TEKNOLOGI 2015
Institut Teknologi Nasional Malang
ISSN: 2407 – 7534
Perancangan High Pass filter
Filter high pass dirancang untuk melewatkan sinyal di atas frekuensi tertentu dan
menolak semua sinyal dibawah pita ini. Jika nilai C1 dan C2 ditentukan sebesar 15nF. Dengan
pertimbangan komponen yang ada dipasar maka menggunakan pada penggunaan resistor untuk
notch filter antara lain R1 = R3 = 1MΩ, R2 = 500 K.
Gambar 6. Rangkaian High Pass Filter
Perancangan Penguat non inverting
Pada Perancangan ini, penguat non inverting yang berfungsi sebagai penguat sinyal tingkat
kedua. Ini bertujuan untuk mengurangi error yang akan terjadi jika penguatan dibebankan
hanya kepada rangkaian penguat instrumentasi dan filter.
Gambar 7. Rangkaian OpAmp Non Inverting
Perancangan Mikrokontroller
Gambar 8. Sistem Mikrokontroller ATMega8535
SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015
433
SEMINAR NASIONAL TEKNOLOGI 2015
Institut Teknologi Nasional Malang
ISSN: 2407 – 7534
Hasil Pengujian
Pengujian rangkaian Notch Filter
Tabel 1. Pengujian Rangkaian Notch Filter
Gambar 9. Grafik Tanggapan Rangkaian Notch Filter
Pengujian rangkaian Low Pass Filter
Tabel 2. Tanggapan Frekuensi Low Pass Filter
Gambar 10. Grafik Tanggapan Frekuensi Low Pass Filter
Pengujian Rangkaian High Pass Filter
Tabel 3. Tanggapan Frekuensi High Pass Filter
Gambar 11. Grafik Tanggapan Frekuensi High Pass Filter
SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015
434
SEMINAR NASIONAL TEKNOLOGI 2015
Institut Teknologi Nasional Malang
ISSN: 2407 – 7534
Pengujian Rangkaian Non Inverting
Tabel 4. Pengujian Rangkaian Non Inverting
Gambar 12. Tampilan Osiloskop Tanggapan Frekuensi Non
inverting
Pengujian Sistem
Pengujian seluruh sistem ini bertujuan untuk mengetahui output dari rangkaian analog,
apakah sudah sesuai dengan frekuensi biopotensial otot. Sehingga data yang diolah oleh
mikrokontroller benar-benar data biopotensial otot.
Tabel 5. Tabel Hasil Pengujian Rangkaian Analog Dengan Osiloskop
Gambar 13. Tampilan Osiloskop Hasil
Pengujian Rangkaian Analog
Gambar 14. Tampilan sinyal EMG pada
software
Gambar 15. Tampilan Sinyal Biopotensial Otot Menggunakan Modul Biopac MP30
Dari hasil tampilan sinyal biopotensial otot dapat terlihat adanya perbedaan bentuk sinyal
pada saat kontraksi dan pada saat relaksasi.
SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015
435
SEMINAR NASIONAL TEKNOLOGI 2015
Institut Teknologi Nasional Malang
ISSN: 2407 – 7534
Kesimpulan
Setelah dilakukan proses perancangan dan pembuatan serta pegujian alat maka dapat
diambil kesimpulan:
1. Untuk rangkaian notch filter, high pass filter, low pass filter dapat dilihat dari hasil pengujian
bahwa rangkaian dapat bekerja dengan baik sesuai dengan referensi.
2. Untuk rangkaian penguat non-inverting terdapat persentase error sebesar 2,646 %, hal ini
dikarenakan perbedaan nilai komponen pada perancangan karena terbatasnya komponen
yang ada dipasaran.
3. Pada pengujian rangkaian analog didapatkan range frekuensi yang sesuai dengan frekuensi
biopotensial otot.
4. Pada hasil tampilan sinyal biopotensial otot terdapat perbedaan sinyal pada saat kontraksi
dan pada saat relaksasi.
Daftar Pustaka
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Okky Andriawan, Irmalia Suryani F,2011, Rancang Bangun Elektoenchephelogaph (EEG) sebagai
perekam dan pendeteksi Sinyal Biolistrik Otak yang terintegrasi dengan PC berbasis Mikrokontroller,
Jurnal Elektro Eltek Vol 2 No April 2011
Coughlin Robert F ,1992 “ Penguat Operasional Dan Rangkaian Terpadu Linear “, Erlangga
, Jakarta
Delorenzo Bimomedical Practical Guide, Delorenzo.Inc.,2007, Italy
Delorenzo Filters Practical Guide,
Delorenzo.Inc.,2007, Italy
John G.Webster,’ Medical Instrumentation Application And Design,’,John wiley & Son,1998 ‘
Lingga Wardana.2006. “Belajar sendiri mikrokontroller seri AVR, simulasi dan hard ware”,
Yogyakarta: Andi
SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015
436