BAB II LANDASAN TEORI

BAB II
LANDASAN TEORI
Simulator ECG adalah sinyal tiruan aktifitas jantung yang banyak
digunakan baik oleh tenaga medis maupun teknisi lainya yang berkaitan dengan
penggunaan alat perekam aktifitas listrik jantung. Untuk membuat simulator ECG
berikut ini akan dibahas dasar-dasar pengetahuan yang berkaitan dengan system
yang dirancang.
2.1
Jantung Sebagai Sumber Bipotensial Listrik
Jantung manusia berfungsi untuk memompa darah ke seluruh
tubuh dan menerima darah hasil metabolisme untuk dibersihkan di paruparu. Kerja otot-otot jantung dapat diamati dari kelistrikannya, sehingga
bila direkam menjadi elektrokardiogram dokter dapat melakukan analisis
keadaan jantung pasien.
2.1.1. Kelistrikan Jantung
Otot jantung terdiri dari berjuta-juta sel jantung, sebuah sel jantung
dapat dimodelkan sebagai sel yang mempunyai bagian dalam dan bagian
luar sel dan berisi antara lain ion-ion Na, K, Cl dengan konsentrasi
berbeda.
Kedua
larutan
tersebut
dipisahkan
oleh
membrane
semipermiable.
Aktifitas listrik pada otot jantung dapat diamati dengan melakukan
pengukuran selisih potensial disekitar jantung.
Aktifitas kelistrikan sel jantung ini dapat dibagi menjadi 3 kondisi.
Pertama saat sel dalam keadaan polarisasi, maka selisih potensial antara
5 bagian dalam sel terhadap luar sel terdapat tegangan berkisar -90 mV.
Bila diberikan rangsangan terhadap sel tersebut maka akan terjadi
depolarisasi muatannya, sehingga bila diukur akan terdapat
selisih
potensialnya dapat mencapai +20 mV. Keadaan ini akan berlangsung
sesaat dan sel jantung akan kembali ke keadaan semula atau -90 mV.
Aksi pada sel tersebut merangsang sel-sel disekitarnya sehingga
terjadi depolarisasi bagian otot jantung. Depolarisasi dimulai dari simpul
Sino Atrium (SA node) dan menjalar ke ventrikel, beberapa saat setelah
terbentuknya gelombang depolarisasi akan diikuti kontraksi otot-otot
jantung.
Gambar 2.1 menunjukkan hasil rekaman aktifitas listrik jantung
(elektrokardiogram).
Gelombang P menunjukkan depolarisasi atrium,
gelombang QRS menunjukkan depolarisasi gelombang ventrikel dan
gelombang T merupakan repolarisasi ventrikel. Parameter penting dalam
keperluan klinik adalah besarnya amplitudo, bentuk fungsi waktu
dan BPM. Oleh karena itu dalam pembuatan simulator ECG hal ini perlu
menjadi perhatian.
Nilai Frekwensi Jantung pada manusia adalah sebagai berikut :
Frekwensi jantung yang normal ialah : 60 – 100 X/menit
Lebih besar dari 100 X/menit
: (sinus) Takikardia
Kurang dari 60 X/menit
: (sinus) Bradikardia
140 – 250 X/menit
: Takikardia abnormal
250 – 350 X/menit
: Flutter
Lebih besar dari 350 X/menit
: Fibrillasi
6 Gambar 2.1 Elektrokardiogram
Pendekatan yang dipakai untuk mendapat selisih potensial dari
aktifitas listrik jantung adalah dengan membuat pemodelan. Pemodelan
yang umum adalah sel jantung dianggap sebagai dipole listrik yang
mempunyai momen dipole p. Maka saat perambatan depolarisasi dan
repolarisasi pada sel-sel jantung akan didapat jumlah vektor dari moment
dipole (p) yang besar dan arahnya berubah-ubah bergantung pada
depolarisasi dan repolarisasi pada saat itu.
Pengukuran tegangan yang terjadi karena moment dipole tersebut
dapat dituliskan dalam persamaan 2-1 dan digambarkan pada gambar 2.2,
v = { p.R / (4πε 0 r3) }………………………………2-1
Dari persamaan 2-1 dapat diterangkan bahwa besarnya selisih
potensial antara dua titik pengukuran yang dipisahkan sejauh R dan
berjarak sama dari sumber dipole adalah bergantung pada besarnya
momen dipole p yang diproyeksikan pada garis R
7 Hal ini dapat diterapkan pada pengukuran ECG, yaitu mengukur
selisih potensial listrik pada bidang frontal dan pada bidang transverse
seperti yang ditunjukkan pada pengukuran metoda standar 12 sadapan.
Metoda standar 12 pengukuran adalah metoda pengukuran kelistrikan
jantung yang digunakan untuk keperluan aplikasi klinis. Pada bidang
frontal terdapat enam simpul, Tangan Kanan (RA), Tangan Kiri (LA),
Kaki Kiri (LL) dan Kaki Kanan (RL). Simpul Kaki Kanan digunakan
sebagai simpul referensi atau ground dan untuk bidang transverse ada
enam simpul yang dipasang dilingkar dada dekat jantung.
2.1.2. Metode Standar 12 Sadapan
Pada pengukuran aktivitas listrik jantung metoda 12 sadapan dapat
digambarkan pada bidang frontal terdapat 6 pengukuran dari 3 simpul,
sedangkan pada bidang transverse terdapat enam jenis pengukuran dari
enam elektroda terpasang disekeliling dada dan ketiga sumber signal pada
tangan kanan, tangan kiri, dan kaki kiri digabung menjadi satu dan posisi
electrode lainnya sebagai sinyal masukan yang lain.
Untuk bidang frontal dapat digambarkan sebagai segi tiga
Einthoven seperti pada gambar 2.2. dari gambar 2.2 dapat dilihat bahwa
proyeksi moment dipole pada pengukuran lead II akan menghasilkan nilai
yang paling besar. Bila selisih potensial tersebut direkam maka akan
8 didapat sebuah sinyal ECG dari tiap simpul yang sefase dengan
amplitude yang berbeda-beda.
RA RA
LA LA
R
I
RL aVR
R
RL
LL LL
R/2
RA RA
LA LA
R
RA RL aVF
R
II
RARL
LA LL LL LA
R/2
R/2
aVL
III
RL RL
LL RA LL
R/3
LA
R
R
RL
V Leads
R
LL
Gambar 2.2 Penempatan Elektrode Metoda Standar 12 Sadapan
9 Disamping itu pula dilihat dari sisi rangkain listrik, dapat dibuat
persamaan pada loop tersebut sebagai berikut.
I
R
LA
I
II
L
Gambar 2.3 Segi Tiga Einthoven
+ I – II + III = 0
Atau
II
=
I
+
III
……………………………..2-2
Oleh karena itu dalam pemebuatan simulator ECG dapat dibuat
sinyal ECG kemudian dibuat perbandingan skala untuk mendapatkan
skala untuk mendapatkan sumber sinyal LA, RA, LL.
2.2.
Sistem Pembangkit Sinyal Jantung
Prinsip dasar pembangkit sinyal jantung digital adalah dengan
melakukan digitasi sinyal ECG dan mengeluarkan data tersebut dengan
sampling rate yang berbeda-beda tergantung pada pemilihan BPM.
10 2.2.1. Digitatasi Sinyal Jantung
Sinyal ECG seperti pada gambar 2.1 dibuat menjadi diskrit dengan
jumlah n dan dilakukan kuantisasi. Data diskrit yang telah dikuantisasi ke
dalam data berjumlah m bit, misalnya pada penulisan ini diambil n adalah
96 dan m 8 bit.
Untuk menghasilkan sinyal ECG analog dilakukan konversi data
tersebut menjadi sinyal analog dengan DAC. Data dikeluarkan dengan
sampling rate, yang berbeda-beda sesuai dengan BPM yang dipilih. Pada
penulisan ini digunakan BPM 30, 60, 120, dan 180, hal ini berarti untuk 96
data pada BPM tersebut mempunyai sampling rate yang berbeda-beda.
BPM adalah jumlah bit dalam satu menit dan dapat dituliskan dala rumus
sebagai berikut :
BPM = 60 x F ………………………………….2-3
Untuk BPM 60, maka F = 1 Hz atau T = 1 detik, oleh karena itu
untuk data ECG 96 pada BPM tersebut diperlukan sampling rate sebesar
96 Hz.
2.3.
Mikrokontroller ATMEL 89S51
Mikrokontroller ATMEL 89S51 dapat digambarkan diagram
bloknya seperti pada gambar 2.4. Pada mikrokontroller ini terdapat
EPROM (2 Kbyte) sehingga dapat menyimpan program simulator ECG,
RAM internal (256 byte) yang dapat dimanfaatkan untuk fasilitas
pengembangan program. Pada mikrokontroller ini tersedia timer yang
dapat digunakan sebagai bagian yang membantu pengaturan sampling
11 rate, terdapat 4 port input output, yang memudahkan pemrograman untuk
berhubungan dengan sitem. Port output akan digunakan untuk DAC dan
port input digunakan untuk pemilihan BPM
Sistem timer pada mikrokontroller ATMEL 89S51 dapat
digambarkan seperti di bawah ini untuk timer mode 1, yang akan
dimafaatkan pada perancangan simulator ini.
Gamabar 2.5 Sistem Timer Pada ATMEL 89S51
Pada timer mode 1, register counter adalah 16 bit, inisialisasi timer
pada register TMOD nya adalah 0001xxxx; ini berarti G = 0,
mengaktifkan S2 hanya bergantung pada TR1 (TCON), C/T = 0 berarti
sumber clock berasal dari signal clock internal dan 01 menggunakan
register counter TH1 dan TL1. Sehingga bila menggunakan timer 1 untuk
12 delay, waktu delay dihitung dikonversikan untuk mengisi counter TL1 dan
TH1 sehingga bila bekerja system timer ini program menunggu sampai
terjadi over flow yang dibaca pada TF1 (register TCON).
2.3.1 Konfigurasi PIN AT89S51
Gambar 2.5 Konfigurasi Pin AT89S51
Fungsi dari tiap pin pada mikrokontroller AT89S51 yang
ditunjukkan gambar 2.6 diatas adalah sebagai berikut :
A. Pin 1 hingga 8 (PORT 1)
Merupakan port parallel 8 bit dua arah (bidirectional) yang dapat
digunakan untk I/O atau menerima low order address bytes. Port ini
mempunyai internal pull up dan berfungsi sebagai input dengan
13 memberikan logika 1. Sebagai output port ini dapat memberikan
output sink keempat buah TTL.
B. Pin 8 (RST)
Merupakan masukan reset yang aktif dengan memberikan input high
selama 2 siklus mesin. Pin ini dihubungkan ke rangkaian power on
reset.
C. Pin 10 hingga 17 (PORT 3)
Merupakan port paralel 8 bit dua arah yang dapat digunakan untuk I/O
serta memiliki fungsi special, diantaranya : serial I/O, external
interrupt, external timer dan external data memory.
D. Pin 18 (XTAL1)
Pin masukan kerangkaian osilator internal
E. Pin 18 (XTAL2)
Pin Keluaran ke rangkaian osilator internal
F. Pin 20 (GND)
Dihubungkan ke Vss atau Ground
G. Pin 21 hingga 28 (PORT 2)
Merupakan port parelel dua arah yang dapat digunakan sebagai I/O
dan high order address pada saat mengakses memori secara 16 bit.
Port ini mempunyai internal pull up dan berfungsi sebagai input
dengan memberikan logika 1 serta dapat memberikan sink keempat
buah TTL input.
14 H. Pin 29 (PSEN)
Program Store Enable (PSEN) merupakan sinyal pengontrol yang
membolehkan mengeksekusi program yang terletak pada memori
eksternal ke dalam bus selama proses pengambilan instruksi
I. PIN 30 (ALE/PROG)
Berfungsi sebagai Address Latch Enable yang menahan alamat
memori eksternal selama pelaksanaan instruksi. Sedangkan pada saat
Flash Programming (PROG) berfungsi sebagai pulse input, ALE
hanya akan aktif pada saat mengakses memori eksternal.
J. Pin 31 (EA/VP)
Pada kondisi Low pin ini akan berfungsi untuk menjalankan program
yang ada pada memori eksternal setelah system di-reset. Pada kondisi
High akan berfungsi untuk menjalankan program yang ada pada
memori internal.
K. Pin 32 hingga 39 (PORT 0)
Merupakan port parallel dua arah yang digunakan sebagai I/O. Tidak
memiliki internal pull up, pada saat flash programming diperlukan
external pull up pada saat verifikasi data.
L. Pin 40 (Vcc)
Dihubungkan ke Power Supply (Vcc).
15 2.4.
DIGITAL TO ANALOG CONVERTER (DAC)
DAC adalah Digital to Analog Converter yang mengubah sinyal
digital menjadi sinyal analog. Komponen ini akan digunakan sebagai
konversi data ECG digital menjadi sinyal ECG analog.
Diagram blok DAC AD 7302, Dual Voltage Output 8-bit DAC
produk Analog Device digambarkan pada gambar 2.6. Terdapat 2 buah
DAC dengan Kontrol pada pin A/B, bila Low maka DAC A yang dipilih,
sebaliknya bila High maka DAC B. Data akan masuk ke register bila pin
CS atau WR diberi aktif atau pada keadaan rising edge.
Gambar 2.6 Diagram Blk AD7302
Tegangan referensi dapat yang dipilih dari sumber tegangan
sendiri, pin REFIN atau dari V DD , yaitu V DD /2. Data masukan kedua DAC
dapat di update secara bersamaan melalui signal kontrol di pin LDAC
(asynchronous LDAC) atau dikosongkan dengan mengaktifkan sinyal pada
pin CLR. Terdapat low power down bila pin PD diaktifkan pada kondisi
16 low maka konsumsi arusnya kurang dari 1 μA. Tegangan keluarannya
didapat dari persamaan :
Vo = 2 x V REF x (N/256) …………………………2-4
V REF Adalah referensi yang diberikan dari luar pada pin V REF atau
V DD /2 jika tegangan referensi internal yang dipilih. Terdapat dua mode,
pertama Automatic Update Mode yang akan bekerja bila signal LDAC
diberi ground atau selalu nol, data akan di update saat signal pada pin WR
kondisi rising edge. Gambar pewaktuannya ditunjukkan pada gamabar 2.7
Gambar 2.7
Pewaktu Dan Pengaturan Register Pada Automatic Update Mode
Pada perancangan simulator ini digunakan DAC A dengan mode
Automatic Update Mode, sinyal CS dan A/B digroundkan, sehingga yang
dikontrol hanya sinyal WR saja, yaitu memberikan nilai tinggi (satu) ke
rendah (nol) dank e tinggi lagi seperti pada gambar 2.7.
17 18