Aplikasi Tranformasi Hilbert Untuk Deteksi Sampul

Aplikasi Tranformasi Hilbert Untuk Deteksi Sampul
(Envelope Detection) Isyarat Suara Jantung
Bernardinus Sri Widodo
Program Studi Instrumentasi Medis, Politeknik Mekatronika Sanata Dharma,
[email protected]
Abstrak
Dalam dunia kedokteran fonokardiogram digunakan untuk menganalisa kondisi jantung pasien.
Fonokardiogram berupa visualisasi suara jantung yang berupa isyarat berosilasi sangat cepat (frekuensi
tinggi). Pada kasus kelainan bising jantung terdapat pola-pola fonokardiogram (frekuensi rendah).
Penelitian ini dilakukan usaha untuk mendeteksi inti isyarat suara jantung yang merupakan sampul dari
isyarat yang berosilasi sangat cepat dengan menggunakan tranformasi hilbert, tapis lolos bawah dan tapis
rerata. Hasil penelitian menunjukan bahwa transformasi hilbert bisa diaplikasikan untuk deteksi
sampul, namun perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk menentukan tapis-tapis yang optimal.
Kata kunci: pengolahan isyarat, tapis, biomedika, analisis suara jantung, tranformasi hilbert, deteksi
sampul
Abstract
In medical field phonocardiogram used to analyze the patient's heart condition. Phonocardiogram
visualization of the heartsounds and it signal oscillates very fast (high ferquency). In the case of murmur
cardiac abnormalities such patterns are plateu shaped, diamond shaped, crescendo and decrescendo. This
patern can define as a low frequency. In this study an attempt is made to detect the core of the heart
sounds signal which is a envelope of an fast oscillating signal by using Hilbert transform, lowpass filter
and moving average filter. The results showed that the hilbert transform can be applied to detect the
envelope of the fast oscillating signal. Further research needs to determine the method and parameters of
the optimal filters.
Keywords: Signal Processing, filter, biomedical, heart sounds analysis, hilbert transform, envelope
detection.
bisa menjadi lebih mudah karena dapat dipetakan ke
1. Pendahuluan
dalam skema-skema gambaran suara jantung. Secara
Stetoskop merupakan alat medis akuistik
khusus gambaran skema suara bising jantung bisa
sederhana yang berfungsi untuk memeriksa suara
berbentuk berlian (diamon shaped), melemah
dalam tubuh manusia. Tenaga medis sering
(decrescendo), mendatar (plateau shaped) dan
menggunakan stetoskop akuistik ini untuk
menguat (crescendo)[3], seperti terlihat pada
memeriksa suara jantung, paru-paru dan juga bisa
Gambar 1.
digunakan untuk mengetahui aliran darah dalam
pembuluh arteri maupun vena. Penggunaan
stetoskop akuistik memiliki beberapa kelemahan,
seperti kepekaan telinga, kekerasan suara, gangguan
derau, dengan demikian dibutuhkan keahlian dan
pengalaman pemakai stetoskop akuistik ini.
Stetoskop elektronik merupakan pengembangan dari
stetoskop akuistik yang memungkinkan suara hasil
akuisisi untuk direkam, diputar ulang maupun untuk
Gambar 1. Skema suara bising jantung.
dilakukan pengolahan isyarat seperti penguatan
suara dan penghilang derau.
Beberapa penelitian tentang isyarat suara
Dalam bidang ilmu kedokteran jantung dikenal
jantung pernah dilakukan sebelumnya, diantaranya
alat khusus yang digunakan untuk menganalisa suara
seperti yang telah dilakukan oleh Widodo dan
jantung,
alat
ini
disebut
fonokardiograf.
Soesanti.
Penelitian
ini
dilakukan
untuk
Fonokardiograf merupakan visualisasi suara jantung
merealisasikan sistem akuisisi, pengolahan, dan
yang berbentuk gambaran gelombang suara yang
analisis isyarat suara jantung dengan metode
terdiri dari suara jantung utama, suara jantung
spektral dan alih-ragam gelombang singkat.
tambahan dan suara bising. Dengan visualisasi
Kemudian, Widodo mengaplikasikan ANN (Articial
tersebut diharapkan proses analisis suara jantung
ISSN: 2088-8252
165
Neural Network) untuk klasifikasi bising (murmur)
jantung [7,8]. Sementara Ahmad Risal dan Sugirato
sujoko meneliti pembuatan stetoskop elektronik
berbasis PC yang mampu merekam, menampilkan
grafik isyarat dalam kawasan waktu, grafik spektrum
dan spektogram[6].
Pada penelitian ini penulis mencoba meneliti
dengan sudut pandang lain, yaitu untuk melakukan
pengolahan isyarat suara jantung agar menghasilkan
keluaran berupa inti dari isyarat suara jantung yang
berupa sampul dari isyarat fonokardiogram yang
berbentuk pola-pola sehingga mudah dikenali seperti
yang terdapat dalam literatur dunia kedokteran[3].
Keluaran yang diharapkan adalah berupa isyarat
berfrekeunsi rendah yang nilainya dibawah 200 Hz,
seperti isyarat elektrokardiograf. Dengan demikian
isyarat keluaran tersebut dapat lebih mudah untuk
dianalisis baik oleh tenaga medis maupun untuk
penelitian pengolahan isyarat selanjutnya.
Dalam masing-masing kasus suara yang timbul
adalah akibat aliran darah dengan kecepatan tinggi
yang melewati celah sempit. Penyebab lain
terjadinya suara bising adalah adanya kebocoran
atau cacat septum yang memisahkan jantung bagian
kiri dan bagian kanan, sehingga darah mengalir dari
ventrikel kiri ke ventrikel kanan berdampak
menyimpangkan sirkulasi sistemik. Kasar atau halus
suara bising dipengaruhi besarnya celah maupun
tekanan dan volume darah yang mengalir [3].
Gambar 2. Suara Jantung S1, S2, S3 dan S4 terhadap ECG
2.
Landasan Teori
2.1. Teori Suara Jantung & Bising
Suara jantung yang didengar dengan
menggunakan stetoskop adalah getaran suara dari
jantung yang bersumber dari katub-katub jantung
serta cacat pada dinding batas (septum) ventrikel.
Katub-katub tersebut adalah katub mitral, trikuspid,
pulmonal dan aorta.
Detak jantung menghasilkan dua suara yang
berbeda yang dapat didengarkan pada stetoskop,
yang sering dinyatakan dengan lub-dub. Suara lub
disebabkan oleh penutupan katup triscupid dan
mitral (atrioventrikular) yang memungkinkan aliran
darah dari serambi jantung (atria) ke bilik jantung
(ventricle) dan mencegah aliran balik. Umumnya hal
ini disebut suara jantung pertama (S1), yang terjadi
hampir bersamaan dengan timbulnya kompleks QRS
dari elektrokardiogram dan terjadi sebelum systole
(periode jantung berkontraksi). Suara dub disebut
suara jantung kedua (S2) dan disebabkan oleh
penutupan katup semilunar (aortic dan pulmonary)
yang membebaskan darah ke sistem sirkulasi paruparu dan sistemik. Katup ini tertutup pada akhir
systole dan sebelum katup atrioventrikular membuka
kembali. Suara S2 ini terjadi hampir bersamaan
dengan akhir gelombang T dari elektrokardiogram.
Suara jantung ketiga (S3) sesuai dengan berhentinya
pengisian atrioventrikular, sedangkan suara jantung
keempat (S4) memiliki korelasi dengan kontraksi
atrial. Suara S4 ini memiliki amplitudo yang sangat
rendah dan komponen frekuensi rendah.
Jantung abnormal memperdengarkan suara
tambahan yang disebut murmur atau suara bising.
Murmur disebabkan oleh pembukaan katup yang
tidak sempurna atau stenotic (yang memaksa darah
melewati celah sempit), atau oleh regurgitasi yang
disebabkan oleh penutupan katup yang tidak
sempurna dan mengakibatkan aliran balik darah.
166
2.2. Tranformasi Hilbert
Banyak aplikasi pengukuran menghasilkan
isyarat yang mengandung komponen yang berosilasi
sangat cepat. Amplitudo osilasi bervariasi perlahanlahan dengan waktu, dan bentuk variasi waktu
lambat disebut isyarat sampul (envelope). Isyarat
sampul ini mengandung informasi penting tentang
isyarat suara jantung. Dengan menggunakan
transformasi Hilbert, osilasi cepat dapat dihapus dari
isyarat suara jantung untuk menghasilkan
representasi langsung dari isyarat sampul (envelope)
itu saja[5].
Transformasi Hilbert menawarkan beberapa
kemampuan menarik untuk analisis bentuk
gelombang. Sebuah Transformasi Hilbert dapat
dilakukan hanya dengan pergeseran fasa semua
komponen (dalam kawasan frekuensi) dengan p/2
dan kembali ke kawasan waktu. Tranformasi Hilbert
dicapai dengan mengalikan dengan sinyal pembawa
(carrier), yang bisa kondisi derau tetap atau
memang spektrum keadaan tunak berasal dari isyarat
masukan [1].
Transformasi hilbert pada dasarnya adalah
keluaran sistem linier invarian waktu dari 1/t respon
impuls, dimana hanya dapat mengubah fase isyarat,
tetapi tidak mengubah energi dan daya melalui
transformasi hilbert [2], secara matematis
tranformasi hilbert didefinisikan sebagai berikut :
ISSN: 2088-8252
3.
Metode dan Pembahasan
Penelitian ini menggunakan perangkat lunak
Matlab 7.3.0 (R2006b) yang berjalan pada sistem
operasi Microsoft Windows XP Profesional dengan
hardware berprosesor Intel Atom 1.6 Ghz memori 1
Gigabyte. Sedangkan sampel isyarat suara jantung
didapatkan dari hasil mengunduh di website Texas
Heart Institute yang meruapakan bagian dari Rumah
Sakit St. Luke's Episcopal Texas Amerika.
Gambar 4. Ilustrasi cara kerja deteksi sampul
dengan tranformasi hilbert
Gambar 3. Langkah-langkah Penelitian.
Tahap awal dari penelitian ini adalah
mempersiapkan data-data isyarat suara jantung.
Isyarat-isyarat tersebut berupa rekaman yang
diunduh dari website Texas Heart Institute data,
yang berupa file berformat mp3. Selanjutnya perlu
dilakukan konversi dari file mp3 menjadi sebuah
isyarat yang bisa dibaca oleh software matlab.
Tahap
berikutnya
adalah
dengan
mengaplikasikan tranformasi hilbert yang bertujuan
untuk mendapatkan bentuk atau pola isyarat atau
informasi sesungguhnya dari isyarat suara jantung.
Tujuan dari enveloping ini sama prinsipnya dengan
proses demodulasi dari sinyal termodulasi AM pada
gelombang radio. Di sisi pemancar, isyarat asli yang
berupa frekuensi rendah dimodulasikan oleh
gelombang pembawa yang memiliki frekuensi lebih
tinggi. Kemudian, di sisi penerima sinyal
termodulasi akan didemodulasi untuk memisahkan
isyarat asli dengan isyarat pembawanya.
Pada dasarnya tarnformasi hilbet adalah
tranformasi 90 derajat pergeseran fasa. Semua
frekuensi negatif dari isyarat akan ditanformasikan
menggeser +90 derajat, sedangkan semua frekuensi
positif akan digeser -90 derajat.
Langkah berikutnya adalah dengan melewatkan
tapis lolos bawah (low pass filter) dan tapis rerata
pergeseran jendela (moving average filter) untuk
mendapatkan isyarat yang lebih reprensentatif
dengan pola yang diharapkan.
4.
Hasil Penelitian
Dari hasil percobaan didapatkan visualisasi
tahap-tahap pengolahan isyarat suara jantung. Isyarat
pertama adalah tampilan isyarat hasil sadapan piranti
akuisisi yang berupa isyarat suara. Pada Gambar
5.a), terlihat isyarat suara jantung berupa isyarat
frekuensi tinggi yang ditandai dengan banyaknya
gelombang yang sangat rapat.
Tahap kedua adalah pengolahan isyarat dengan
cara mendeteksi sampul isyarat suara tersebut
dengan menggunakan tranformasi hilbert pada
tahapan ini isyarat yang muncul hanyalah isyarat
positif karena proses deteksi sampul hilbert melalui
proses pengkuadaratan. Hasil deteksi ini belum
menghasilkan isyarat yang berupa pola yang jelas,
hasilnya masih terlihat bentuk bentuk gelombang
yang berupa riak-riak yang runcing seperti terlihat
pada gambar 5.b).
Ilustrasi cara kerja deteksi sampul (envelope)
dengan Tranformasi Hilbert[4] digambarkan seperti
gambar berikut :
Gambar 5. Tampilan isyarat masukan
dan hasil tranformsi hilbert.
Untuk mendapatkan pola isyarat yang jelas dan
lebih halus, maka isyarat dilewatkan melalui tapis
lolos bawah untuk mengilangkan komponen isyarat
ISSN: 2088-8252
167
frekuensi tinggi. Pada percobaan ini digunakan tapis
lolos bawah butterforth orde 2 dengan frekuensi
potong 11,025 hz. Keluran tapis lolos bawah secara
visual, tampak berbentuk gelombang yang
membentuk pola-pola tertentu. Walaupun sudah
berbentuk pola gelombang, isyarat keluaran pada
tahap ini masih memiliki sedikit riak-riak pada ujung
gelombangnya. Maka untuk lebih memperjelas
bentuk atau pola gelombang pada tahap terakhir dari
percobaan ini, isyarat dilewatkan tapis rerata atau
moving average filter, seperti terlihat pada gambar
6.b). Hasil akhir tersebut sudah merupakan isyarat
dengan frekuensi rendah sehingga dapat dengan
lebih mudah untuk dilakukan pengolahan isyarat
untuk meneganalisa bentuk-bentuk pola dari isyarat
suara jantung. Pada gambar 6.c), ditampilkan antara
isyarat asli dan hasil deteksi, dari gambar tersebut
terlihat secara visual bahwa hasil deteksi terlihat
besarnya amplitudo isyarat hasil deteksi merupakan
rerata atau nilai tengah antara amplitudo tinggi dan
rendah dari isyarat masukan.
Gambar 6. Proses pengolahan isyarat dan perbandingan
masukan dan keluaran
168
5.
Kesimpulan dan Saran
Secara visual, aplikasi tranformasi hilbert
untuk deteksi sampul isyarat suara jantung dapat
bekerja dengan baik. Hal ini ditandai dengan hasil
akhir dari proses yang berupa isyarat berfrekuenasi
rendah yang merupakan informasi dasar yang
dibutuhkan oleh tenaga medis untuk menganalisa
isyarat suara jantung. Dalam penelitian ini belum
dilakukan analisis lebih mendalam tentang
pemilihan metode dan nilai-nilai tapis lolos bawah
serta tapis rerata agar dapat menghasilkan hasil
deteksi yang maksimum.
Diharapkan penelitian dapat dilanjutkan
dengan mengembangkan aplikasi yang dapat
mempertajam bentuk pola-pola isyarat suara jantung
tersebut sehingga dapat dengan lebih mudah untuk
dilakukan pengenalan dan dan klasifikasi pola
isyarat suara jantung.
Daftar Pustaka
[1] Densil Cabrera, “Using the Hilbert Transform for Sonification
of Sound”, Faculty of Architecture, University of Sydney
http://web.arch.usyd.edu.au/~densil/sos/sonifications/hilbert/h
ilbert.html
[2] Lihan Liu Haibin Wang Yan Wang Ting Tao Xiaochen
Wu, Feature “Analysis of Heart Sound Based on the Improved
Hilbert-Huang Transform”, 3rd IEEE International
Conference Computer Science and Information Technology
(ICCSIT), 2010
[3] Lukman H Maknun, “Fonokardiografi, Buku Ajar Penyakit
Dalam Jilid I”, Balai Penerbit FKUI, 1996
[4] Margarita Maria Escobar Perez , Beat Detection In Music
Using Average Mutual Information, Research Project Report,
University Of Miami, Florida, 2001
[5] N.Thrane, J.Wismer, H.Konstantin-Hansen & S.Gade,
“Practical use of the Hilbert transform”, Brüel&Kjær,
Denmark, http://www.bksv.com/doc/bo0437.pdf
[6] Rizal Achmad dkk., “Stetoskop Elektronik Sederhana
Berbasis PC dengan Fasillitas Pengolahan Sinyal Digital
untuk Auskultasi Jantung dan Paru”, Seminar Instrumentasi
Berbasis Fisika, Institut Teknologi Bandung, 2006
[7] Widodo, T.S. & Soesanti, Indah, “Akuisisi Pengolahan dan
Analisis Isyarat Suara Jantung”, Jurusan Teknik Elektro
Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, 2006
[8] Widodo, T.S., “Aplikasi Jaringan Neural Artifisial Untuk
Klasifikasi Murmur Suara Jantung”,
Jurusan Teknik
Elektro Universitas Gajah Mada, Yogyakarta, 2006
ISSN: 2088-8252