sistem akuisisi ecg menggunakan usb untuk deteksi

SISTEM AKUISISI ECG MENGGUNAKAN USB UNTUK
DETEKSI ARITMIA
Arif Widodo – 2205100108
Jurusan Teknik Elektro ITS, Surabaya 60111, email: [email protected]
Aritmia merupakan istilah medis yang
diartikan sebagai setiap gangguan pada frekuensi,
keteraturan, tempat asal denyut atau konduksi impuls
listrik pada jantung. Pada umumnya aritmia
memerlukan terapi segera untuk mencegah kondisi yang
lebih buruk. Diagnosis suatu aritmia merupakan satu
hal yang paling penting yang dapat dilakukan dengan
Electrocardiograph (ECG). Sampai sekarang belum ada
yang dapat melebihi ECG dalam mendiagnosis aritmia.
Berbagai macam penelitian telah dikembangkan untuk dapat mendeteksi kelainan aritmia
tersebut secara otomatis. Penelitian tersebut harus
ditunjang dengan komputer yang dapat memproses data
secara cepat serta dapat menyimpan data dalam jumlah
besar. Sebagian besar ECG yang terdapat saat ini tidak
dirancang untuk kebutuhan penelitian. ECG tersebut
biasanya tidak dapat dengan mudah dihubungan dengan
komputer, karena hampir semua komputer saat ini
hanya dilengkapi dengan port Universal Serial Bus
(USB).
Tujuan dari penelitian ini adalah merancang
dan merealisasikan sebuah sistem akuisisi ECG menggunakan USB untuk menunjang penelitian deteksi
aritmia secara otomatis. ECG yang dirancang telah
dapat menampilkan sinyal-sinyal dari 11 jenis lead ECG
yang diambil langsung dari pasien (Lead I, Lead II,
Lead III) dan simulator ECG (Lead I, Lead II, Lead III,
aVL, aVF dan Lead Precordial). Sistem ini juga dapat
mendeteksi dua kelainan aritmia yaitu bradikardia dan
takikardia.
Kata kunci : Arrhythmia, ECG, Universal Serial Bus
(USB).
1. PENDAHULUAN
Aritmia merupakan istilah medis yang diartikan
sebagai setiap gangguan pada frekuensi, keteraturan,
tempat asal denyut atau konduksi impuls listrik
jantung. Pada umumnya aritmia memerlukan terapi
segera untuk mencegah kondisi yang lebih buruk.
Diagnosis suatu aritmia merupakan satu hal yang
paling penting yang dapat dilakukan dengan
Electrocardiogram (ECG). Sampai sekarang belum
ada yang dapat melebihi ECG dalam mendiagnosis
aritmia [1].
Berbagai
macam
penelitian
telah
dikembangkan untuk dapat mendeteksi kelainan
aritmia tersebut. Mardiyanto (2006) menggunakan
analisa kecepatan denyut jantung untuk mendeteksi
aritmia [2]. Kecepatan denyut jantung pada penelitian
tersebut didasarkan pada perhitungan R-R interval
yang diperoleh dari deteksi QRS secara analog.
Kohler et al. (2002) pada papernya yang berjudul The
Principles of Software QRS Detection [3] telah
mengkaji dan membandingkan algoritma-algoritma
untuk mendeteksi sinyal QRS-komplek menggunakan
software. Salah satu algoritma yang sederhana untuk
deteksi QRS ini dipaparkan oleh Tompkins (1993)
pada bukunya yang berjudul Biomedical Digital
Signal Processing [4]. Pada buku tersebut dijelaskan
deteksi QRS menggunakan teknik band pass filtering.
Melalui deteksi QRS ini dapat diperoleh perhitungan
denyut jantung pasien tiap menit dengan menghitung
R-R intevalnya. Kecepatan denyut inilah yang dapat
dijadikan salah satu acuan untuk menganalisa adanya
kelainan aritmia.
Penelitian untuk mendeteksi kelainan aritmia
tentunya harus ditunjang oleh perangkat yang dapat
memproses data secara cepat serta dapat menyimpan
data dalam jumlah besar. Sebuah personal computer
(PC) ataupun laptop dapat menunjang penelitian
tersebut. Namun sebagian besar ECG yang terdapat
saat ini tidak dirancang untuk kebutuhan penelitian.
ECG tersebut biasanya tidak dapat dengan mudah
dihubungan dengan komputer [4], karena hampir
semua komputer saat ini hanya dilengkapi dengan port
Universal Serial Bus (USB) untuk berkomunikasi
dengan peralatan di luar komputer dan mulai
meninggalkan serial port dan parallel port.
Mihel
dan
Magjarevic
(2007)
telah
mengembangkan sistem akuisisi ECG berbasis USB
[5]. Mereka mengembangkan sistem akusisi single
channel ECG dan merekam sinyal ECG dari beberapa
pasien pada PC. Penelitian lainnya oleh Najeb et al.
(2005) telah menghasilkan sistem akuisisi data USB
12-channel untuk analisis QT Dispersion [6].
Penelitian tersebut difokuskan pada pengembangan
dari sisi sistem digital. Akuisisi data dikoneksikan ke
PC menggunakan modul USB berbasis chip FTDI.
Dari latar belakang permasalahan diatas maka
dapat disimpulkan perlu dibuat suatu sistem akuisisi
ECG yang dapat dikoneksikan dengan komputer
menggunakan USB untuk menunjang penelitian lebih
lanjut mengenai deteksi aritmia. Pilihan USB sebagai
basis dari sistem akuisisi ECG didasarkan pada
keunggulannya yaitu cepat dan handal dalam
melakukan transfer data, fleksibel, murah serta hemat
daya.
1
Proceedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.
2. TEORI PENUNJANG
2.1 Elektrokardiograf
Elektrokardiograf (ECG) adalah peralatan
medis yang digunakan secara luas untuk mengukur
aktivitas elektris dari jantung dengan mengukur
perbedaan biopotensial dari bagian luar tubuh. Sebuah
ECG dapat digunakan untuk mengukur denyut
jantung, mendiagnosis adanya infark mikroad yang
sedang berkembang, mengidentifikasi aritmia dan efek
dari obat dan peralatan yang digunakan pada
penanganan jantung.
Elektrokardiogram atau sinyal ECG merupakan
sinyal ac dengan bandwith antara 0.05 Hz sampai 100
Hz [6]. Sinyal ECG normal seperti pada Gambar 2.1
terdiri atas sebuah gelombang P, gelombang QRS dan
gelombang T. Besar amplitudo dari Sinyal ECG
bervariasi tergantung pada pemasangan elektroda dan
pada kondisi fisik dari pasien. Variabel-variabel klinis
yang penting dari sinyal ECG antara lain magnitudo,
polaritas dan durasi waktu. Variasi dari tanda-tanda
tersebut dapat mengindikasikan sebuah penyakit [7].
3.
Lead prekordial (sadapan unipolar prekordial)
yang terdiri dari 6 lead yaitu V1, V2, V3, V4, V5
dan V6
2.3 Aritmia [1]
Aritmia merupakan istilah medis yang
diartikan sebagai setiap gangguan pada frekuensi,
keteraturan, tempat asal denyut atau konduksi impuls
listrik jantung. Pada aritmia terjadi perubahan pada
frekuensi, keteraturan dan bentuk gelombang PQRST
pada sinyal ECG. Penelitian ini hanya membahas
kelainan aritmia yang disebabkan karena perubahan
frekuensi denyut jantung. Kelainan aritmia yang akan
dibahas yaitu sinus takikardia dan sinus bradikardia.
Pada kondisi normal jantung berdenyut rata –
rata 60 – 100 denyut per menit. Jika kecepatan denyut
jantung diatas 100, maka keadaan ini dinamakan sinus
takikardia. Jika kecepatan denyut jantung dibawah 60,
makadisebut sinus bradikardia.
3. PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT
3.1 Diagram Blok dan Fungsi Sistem
Gambar 2.1 Sinyal ECG
2.2 Dasar Elektrokadiografi [4]
Diagram blok perangkat keras untuk sistem
ECG pada tugas akhir ini ditunjukkan pada gambar
3.1. Secara garis besar perangkat keras untuk sistem
ECG ini dibedakan menjadi dua yaitu rangkaian
analog dan rangkaian digital. Blok sistem pada
gambar 3.1 yang berada pada daerah biru
menunjukkan blok rangkaian analog. Blok-blok
tersebut membutuhkan sumber tegangan +3V yang
diperoleh dari baterai. Sedangkan blok yang berada
pada daerah hijau merupakan blok rangkaian digital
yang membutuhkan sumber tegangan 5V. Sumber
tegangan 5 V untuk rangkaian digital diperoleh dari
baterai 9V yang diturunkan menjadi 5V menggunakan
regulator. Sedangkan untuk modul USB to Serial
sumber tegangannya berasal dari komputer.
Saat ini terdapat tiga teknik dasar yang
digunakan pada elektrokardiografi klinik. Tiga teknik
dasar yang digunakan pada elektrokardiografi adalah :
1.
2.
3.
Standard clinical ECG (12 lead)
VCG (3 ortogonal lead)
Monitoring ECG (1 atau 2 lead)
Dengan melihat pada sinyal elektris pada permukaan
tubuh yang merupakan sebuah prosedur noninvasive,
seorang ahli jantung dapat menentukan kondisi
jantung pasien.
Lead yang digunakan pada Standard clinical
ECG adalah sebagai berikut:
1.
2.
Lead dasar (lead bipolar/lead standar) yang
yerdiri dari Lead I, Lead II dan Lead III
Lead augmented (lead unipolar) ekstremitas yang
terdiri dari aVR, aVL dan aVF
Gambar 3.1 Diagram Blok Perangkat Keras
2
Proceedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.
3.2 Perancangan Perangkat Keras
Filter low pass orde 2 ditunjukkan oleh gambar
3.2.1 Rangkaian Pemilih Lead
Rangkaian pemilih lead (lead selector) terdiri atas
susunan resistor dan analog multiplexer 4051.
Rangkaian ini berfungsi untuk memilih lead yang
akan diambil datanya. Analog multiplexer yang
dikontrol mikrokontroler akan mengambil sinyal ECG
pada lead yang diinginkan.
3.2.2 Penguat Instrumentasi
Rangkaian penguat instrumentasi ditunjukkan
oleh gambar 3.2. Pada tugas akhir ini digunakan IC
AD620. Karena sumber tegangan untuk perangkat
keras pada blok analog berasal dari baterai maka
diperlukan suatu efisiensi daya yang baik, pada
umumnya digunakan IC op – amp OP07 tetapi dengan
pertimbangan ukuran board system dan efisiensi daya
maka dipilih AD620.
3.4
Gambar 3.4 Filter Low Pass Orde 2
Dari perancangan filter didapat nilai ݂௖௛ sebesar
0.03 Hz, ݂௖௟ sebesar 107Hz dan penguatan rangkaian
sebesar 10 kali.
3.2.4 Rangkaian Adder
Rangkaian adder berfungsi sebagai penambah
level tegangan sinyal ECG dengan tegangan DC,
system ini akan menaikkan level tegangan sinyal ECG
sesuai dengan tegangan dc yang ditambahkan.
Penambahan tegangan dc disesuaikan hingga semua
level sinyal ECG bernilai positif sehingga nantinya
dapat diproses oleh ADC. Rangkaian adder
ditunjukkan oleh gambar 3.5.
Gambar 3.2 Rangkaian Penguat Istrumentasi
Penguatan ditentukan oleh RG_VAR, dimana
dengan RG_VAR = 560 Ohm diperoleh penguatan
sebesar 90 kali. IC OP07 berfungsi sebagai Right Leg
drive, dengan kapasitor C1_VAR dipilih 10nf
merupakan hasil percobaan dimana sistem paling
stabil.
3.2.3 Filter Band Pass
Pada tugas akhir ini digunakan filter band pass
yang terdiri atas filter band pass orde 1 dan filter low
pass orde 2 butterworth. Rangkaian filter band pass
ditunjukkan gambar 3.3
.
Gambar 3.3 Filter Band Pass
Gambar 3.5 Rangkaian Adder
Tegangan dc diatur lewat potensio R13 hingga
menaikkan semua sinyal ECG ke level positif.
3.2.5 Minimum Sistem ATmega8
Pada rangcangan sistem ECG ini digunakan
mikrokontroler ATmega8 sebagai pusat pemrosesan
data serta sebagai kontrol. Fungsi ATmega8 dalam
rangkaian ini antara lain mengatur kerja switching dari
analog multiplexer, kemudian melakukan proses
konversi sinyal ECG ke digital dan mengirimkan data
sinyal ECG digital ke komputer secara bergantian
melalui komunikasi serial via USB to Serial. Selain itu
mikrokontroler ATmega8 juga digunakan mengambil
tegangan referensi 1V dan mengotrol rangkaian
baseline restoration secara digital.
3
Proceedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.
3.2 Perancangan Perangkat Lunak
Perangkat lunak yang dirancang terdiri dari dua
bagian yaitu perangkat lunak pada mikrokontroler dan
perangkat lunak pada komputer. Perangkat lunak pada
mikrokontroler dirancang untuk melalukan proses
konversi analog ke digital, pengiriman data melalui
komunikasi serial dan mengontrol rangkaian pemilih
lead. Perangkat lunak pada komputer memproses data
untuk ditampilkan dalam bentuk grafik, mendeteksi
adanya QRS komplek, menghitung heart rate dan
memberikan hasil deteksi kelainan aritmia.
3.3.1 Perangkat Lunak Mikrokontroler
Fungsi – fungsi yang digunakan dalam program
untuk ATmega8 diantaranya adalah komunikasi serial,
fungsi I/O port mikrokontroler, Timer/Counter0, dan
ADC. Adapun alur program secara sederhana
ditampilkan pada diagram alir berikut ini
komplek, perhitungan kecepatan denyut jantung dan
deteksi aritmia. Berikut tampilan program pada
komputer yang dirancang.
Gambar 3.7 Tampilan Program Akuisi ECG
Alur program pada komputer ditampilkan pada
gambar 3.8
Gambar 3.6 Diagram Alir Program Mikrokontroler
Mikrokontroler diprogram untuk merespon
request dari komputer. Jika ada request dari komputer
program akan menentukan mode dan lead mana yang
dipilih sesuai dengan karakter yang dikirimkan
komputer. Apabila komputer meminta mikrokontroler
untuk memulai proses konversi maka tanda konversi
akan bernilai satu. Apabila konversi bernilai satu
maka program akan membaca data dari ADC dan
mengirimkan data ke komputer. Pengiriman data
dilakukan secara terus menerus sampai ada request
dari komputer agar mikrokontroler berhenti
melakukan proses konversi.
3.3.2 Perangkat Lunak Pada Komputer
Perangkat lunak di komputer dirancang
menggunakan Delphi 7 dengan bahasa pascal.
Program ini dirancang untuk menampilkan data dalam
bentuk grafik, proses filter secara digital, deteksi QRS
Gambar 3.8 Diagram Alir Program Pada Komputer
Program yang digunakan untuk deteksi QRS
komplek menggunakan metode dari Pan –
Tompkins[4] yang telah di modifikasi dan disesuaikan
dengan tugas akhir ini. Urutan metode yang digunakan
adalah filtering low pass, high pass, derivative.
Perbedaan dari metode yang digunakan dengan
metode dari Pan – Tompkins adalah tidak digunakan
metode squaring dan moving window integral dan
metode adaptive threshold yang lebih sederhana.
4
Proceedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.
4.
PENGUJIAN DAN ANALISA DATA
Pengujian alat dilakukan pada perangkat keras
dan perangkat lunak dengan pengambilan data berupa
nilai penguatan, noise, gambar sinyal, dan juga nilai
komponen yang berpengaruh untuk dibandingkan
dengan kondisi secara teori dan perhitungan.
4.1 Pengujian Penguat instrumentasi
Pengujian penguat instrumentasi dilakukan
dengan menguji linearitas penguatan pada RG = 560
Ohm. Sinyal input dari penguat instrumentasi ini
diperoleh dari simulator. Hasil dari pengujian
beberapa sinyal input ditunjukkan pada 4.1.
Tabel 4.1 Pengujian Penguat Instrumentasi
Vin
Vout
gain
Noise(p-p)
SNR(dB)
0.5 mV
51 mV
100
5 mV
20.172
1 mV
100 mV
100
5 mV
26.0206
1.5 mV
150 mV
100
5 mV
29.54243
2 mV
200 mV
100
5 mV
32.0412
Dari hasil pada table 4.1 di atas, dapat diketahui
bahwa penguatan rangkaian tersebut sekitar 100 kali
dengan RG = 560 Ohm.
4.2 Pengujian Filter Analog
Pengujian pada filter analog dilakukan untuk
melihat respon frekuensi dari rangkaian. Masukkan
pada percobaan ini didapatkan dari sinyal generator
dengan tegangan input sebesar 106 mV. Hasil
pengujian pada filer analog ini ditunjukkan pada
gambar 4.1.
Gambar 4.2 Grafik Pengujian Rangkaian Adder
4.4 Pengujian Sistem Akuisisi ECG
Pengujian ini dilakukan untuk melihat hasil dari
keseluruhan sistem akuisisi ECG. Pengujian sistem
akuisisi ECG 12 lead dilakukan dengan menggunakan
simulator ECG. Hasil yang diperoleh dari pengujian
ini adalah gambar sinyal hasil akuisisi sistem dari
masing-masing lead. Hasil untuk lead I ditampilkan
pada gambar 4.3.
Gambar 4.3 Sinyal ECG pada Lead I dari Simulator
Secara keseluruhan sistem akuisisi yang
dirancang dapat menampilkan 11 sinyal ECG dari
simulator, namun sinyal ECG pada lead aVR tidak
dapat diakusisi dengan baik.
Pengujian berikutnya dilakukan pada manusia.
Pengujian sistem ini dilakukan menggunakan
elektroda clip untuk limb lead dan elektroda suction
cup untuk precordial lead. Dari hasil pengujian ini,
sinyal yang dapat ditampilkan hanya sinyal pada lead
I, lead II dan lead III. Sinyal hasil pengujian pada
manusia ditunjukkan pada gambar 4.4 – 4.6.
Gambar 4.4 Sinyal ECG pada Lead I dari Tubuh Manusia
Gambar 4.1 Grafik Pengujian Filter Analog
4.3 Pengujian Rangkaian Adder
Pada pengujian adder dilakukan untuk
mengetahui karakteristik rangkaian adder. Pengujian
dilakukan dengan menggunakan sinyal input berupa
sinyal sinus dari sinyal generator dan nilai tegangan
pada variable resistor yang diubah-ubah. Hasil dari
pengujian rangkaian adder ini ditunjukkan pada
gambar 4.2. Input dari sinyal generator adalah
tegangan sinus dengan frekuensi 20 Hz dan tegangan
peak to peak sebesar 1.1 V.
Gambar 4.5 Sinyal ECG pada Lead II dari Tubuh Manusia
Gambar 4.6 Sinyal ECG pada Lead III dari Tubuh Manusia
5
Proceedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.
4.5 Pengujian Program Deteksi QRS Komplek
Penggunaan program algoritma deteksi QRS
pada peralatan medis membutuhkan evaluasi dari
kinerja deteksi tersebut [3]. Dua parameter utama
yang digunakan untuk mengevaluasi kinerja algoritma
tersebut adalah.
Sensitifitas
ܵ݁ ൌ
ܶܲ
ܶܲ ൅ ‫ܰܨ‬
൅ܲ ൌ
ܶܲ
ܶܲ ൅ ‫ܲܨ‬
Prediksi positif
Keterangan:
TP (True Positive) = Gelombang QRS ada dan deteksi QRS ada
FN (False Negative) = Gelombang QRS ada dan deteksi QRS tidak
ada
FP (False Positive) = Gelombang QRS tidak ada dan deteksi QRS
ada
Hasil dari pengujian tersebut dengan
menggunakan simulator pada lead I pada beberapa
nilai kecepatan denyut jantung ditunjukkan pada tabel
4.2.
Tabel 4.2 Pengujian program deteksi QRS komplek dengan
simulator menggunakan lead I
5. PENUTUP
5.1 KESIMPULAN
Dari perancangan, realisasi, dan pengujian alat
pada tugas akhir ini dapat disimpulkan bahwa
rangkaian penguat instrumentasi menggunakan
AD620 dapat memberikan penguatan yang tinggi
mencapai 100 kali dengan noise yang rendah sekitar 5
mV, serta lebih efisien dalam penggunaannya pada
ECG. Sistem akuisisi ECG yang dirancang dapat
digunakan untuk semua komputer yang memiliki port
USB. Program deteksi QRS komplek dengan metode
Pan dan Tompkins yang dimodifikasi memiliki nilai
sensitifitas yang tinggi sekitar 99% dan prediksi
positif 100%. ECG yang dirancang telah dapat
menampilkan sinyal-sinyal dari 11 jenis lead ECG
yang diambil langsung dari pasien (Lead I, Lead II,
Lead III) dan simulator ECG (Lead I, Lead II, Lead
III, aVL, aVF dan Lead Precordial). Program deteksi
aritmia yang dirancang dapat mendeteksi dua kelainan
aritmia yaitu bradikardia dan takikardia.
5.2 SARAN
Saran – saran yang dapat diberikan untuk
pengembangan alat ini ke depan antara lain. Untuk
hasil akuisisi ECG 12 lead yang lebih baik dan dapat
ditampilkan secara bersamaan disarankan untuk
menggunakan penguat amplifier dan pengkondisi
sinyal pada masing-masing lead. Agar sinyal yang
ditampilkan tidak terganggu noise jala-jala disarankan
untuk menambahkan program digital notch filter 50
Hz. Kabel lead yang digunakan disarankan
menggunakan kabel lead yang standar agar hasil
akusisi sinyal ECG lebih baik. Penggunaan modul
USB dengan kecepatan full speed dapat meningkatkan
hasil akuisisi ECG. Perlu dikembangkan lebih lanjut
algoritma untuk mendeteksi kelainan aritmia lainnya.
REFERENSI
[1] Thaler, Malcolm S, “Satu-satunya buku EKG yang
anda perlukan / Malcolm S Thaler ; Alih bahasa,
Samik Wahab.-Ed.2-", Hipokrates, Jakarta, 2000.
[2] Mardiyanto, Ronny, “Perancangan dan Realisasi
Prototip Elektrokardiograf Berbasis Mikrokontroler”, ITB, Bandung, 2006.
[3] Kohler, Bert-Uwe., dkk, “The Principles of
Software QRS Detection”, IEEE Eng. Med. Biol.
Mag., pp 42-55, 2005.
[4] J.Tompkins, Willis, “Biomedical Digital Signal
Processing”, Prentice Hall, New Jersey, 1995.
[5] Mihel, J. dan Magjarevic, R., “USB Based ECG
Acquisition System”, Medicon 2007, IFMBE
Proceedings 16, pp. 58-61, 2007.
[6] Najeb, J.M., dkk, “12-Channel USB Data
Acquisition System For QT Dispersion Analysis”,
Proceedings of the International Conference on
Robotics, Vision, Information and Signal
Processing ROVISP, 2005.
[7] Aston, Richard, “Principles of Biomedical
Instrument”, Merril Publishing, Toronto, 1990.
[8] Gabriel, J.K., “Fisika Kedokteran”, EGC, Jakarta,
1996.
[9] Jones, Shirley A., ”ECG Notes – Interpratation
and Management Guide”, F.A. Davis Company,
Philadelphia, 2005.
[10] Modul Biomedical Signal Amplifier mod EBB1/EV, Elettronica Veneta, hal 45.
[11] Setiawan, Rachmad, “Teknik Akuisisi Data”,
Graha Ilmu, Yogyakarta, 2008.
BIODATA PENULIS
Penulis dilahirkan di Surabaya
pada tanggal 14 September 1987
dan merupakan anak terakhir dari
empat bersaudara. Penulis telah
menempuh pendidikan formal di
SDN Pakis VI/373 Surabaya, SMP
Negeri 1 Surabaya, dan SMA
Negeri 2 Surabaya. Kemudian
melalui ujian SPMB, penulis diterima pada Jurusan
Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember
pada tahun 2005.
6
Proceedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.