analisa sound-spectrogram tangis bayi untuk deteksi penyakit

advertisement
ANALISA SOUND-SPECTROGRAM TANGIS BAYI UNTUK
DETEKSI PENYAKIT JANTUNG BAWAAN
Disusun oleh :
HANA AFIFAH
M0210029
SKRIPSI
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
Mei 2016
ANALISA SOUND-SPECTROGRAMTANGIS BAYI UNTUK
DETEKSI PENYAKIT JANTUNG BAWAAN
Disusun oleh :
HANA AFIFAH
M0210029
SKRIPSI
Diajukan untuk memenuhi sebagian
persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
Mei 2016
i
ii
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual dari penelitian saya
dengan judul “ANALISA SOUND-SPECTROGRAM TANGIS BAYI UNTUK
DETEKSI PENYAKIT JANTUNG BAWAAN” adalah hasil kerja saya dan
sepengetahuan saya hingga saat ini isi Skripsi tidak berisi materi penelitian
orang lain maupun telah dipublikasikan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan
di Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi Negeri lainnya kecuali
yang tertulis dalam daftar pustaka dalam Skripsi ini dan ucapan terimakasih. Isi
skripsi ini boleh dirujuk atau diperbanyak secara bebas tanpa harus
memberitahu penulis.
Surakarta, 16 Mei 2016
HANA AFIFAH
iii
MOTTO
“Jika kau merasa tidak lebih pandai dari teman-temanmu, maka kau harus
belajar lebih keras daripada teman-temanmu”
(Dian Sastro Wardoyo)
“Innovation distinguish between a leader and a follower”
(Steve Jobs)
“If you can’t explain it simply, you don’t understand well enough”
(Albert Einstein)
iv
ANALISA SOUND-SPECTROGRAM TANGIS BAYI UNTUK DETEKSI
PENYAKIT JANTUNG BAWAAN
HANA AFIFAH
JurusanFisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,
Universitas Sebelas Maret
ABSTRAK
Skripsi ini berfokus pada kajian perbandingan spektral tangis sakit bayi
normal dan tangis sakit bayi penderita penyakit jantung bawaan (Congenital Heart
Disease , CHD). Sebanyak sepuluh sampel tangis sakit bayi penderita CHD dan
bayi normal berusia kurang dari satu bulan direkam menggunakan Sony ICRecorder tipe ICD-PX333. Data digital kemudian diproses menggunakan piranti
lunak SFS untuk mendapatkan f0, formants, dan nilai Mel-Frequency Cepstral
Coefficients (MFCC) sebagai penciri spektral yang kemudian divisualkan dengan
DTW. Hasil kajian menunjukkan bahwa ciri spektral tangis bayi penderita CHD
terhadap tangis bayi normal mempunyai tingkat perbedaan signifikan, karenanya
tangis sakit bayi bisa dijadikan sebagai salah satu indikator pendeteksi penyakit
jantung bawaan secara dini. Di samping itu ditemukan anomali yang diduga berkait
dengan irisan dalam bentang frekuensi ambang maupun formant tangis bayi normal
dan penderita CHD.
Kata kunci: tangis bayi, penyakit jantung bawaan, Mel-Frequency Cepstral
Coefficients, Dynamic Time Warping
iv
INFANT CRY FOR DETECTING CONGENITAL HEART DISEASE USING
SOUND-SPECTROGRAM ANALYSIS
HANA AFIFAH
Physics Department, Faculty of Mathematic and Natural Sciences,
Sebelas Maret University
ABSTRACT
This paper emphasize on acoustics spectral similarity analysis of normal
infant pain cry compared to infant spectrum with Congenital Heart Disease (CHD).
Ten cries signals of infant with CHD and normal infant aged less than a month
recorded by using Sony IC-Recorder ICD-PX333. The Speech Filing System
software utilized for estimating fundamental frequency, formants, and MFCCs to
be use as cry spectral characteristics to be visualized using DTW technique. The
result shows that both group partially has significant different characteristics since
anomalies occurred which is considered due to the intersection on the values of
fundamental frequency and formants of the both groups. So that the infant pain cry
can be used as one of the indicators for detecting CHD in infant in the early stage
of life.
Keywords: infant cry, congenital heart disease, Mel-Frequency Cepstral
Coefficients, Dynamic Time Warping
iv
KATA PENGANTAR
Puji syukur kepada Allah SWT atas segala limpahan nikmat dan
karuniaNya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan Skripsi. Sholawat dan
salam senantiasa penulis haturkan kepada Rasulullah SAW sebagai pembimbing
seluruh umat manusia.
Skripsi yang penulis susun sebagai bagian dari syarat untuk mendapatkan
gelar Sarjana Sains ini penulis beri judul “ANALISA SOUND-SPECTROGRAM
TANGIS
BAYI
UNTUK
DETEKSI
PENYAKIT
JANTUNG
BAWAAN”.Tuntasnya Skripsi ini adalah suatu kebahagiaan bagi penulis.Setelah
hampir satu tahun penulis harus berjuang untuk menuntaskan Skripsi ini.Kepada
berbagai pihak yang telah membantu penulis menyelesaikan Skripsi ini penulis
mengucapkan terimakasih. Atas bantuan yang begitu besar selama proses Skripsi
ini, ucapan terimakasih secara khusus penulis sampaikan kepada:
1. Bapak Iwan Yahya selaku pembimbing I, pembimbing akademik, dan
kepala lab iARG, yang dengan sangat sabar dan ikhlas selalu membantu
dalam setiap kesulitan dan perjuangan, juga sebagai sandaran inspirasi
bagi setiap anak didiknya.
2. Bapak Nuryani selaku pembimbing II yang senantiasa dengan ringan
hati memberikan masukan, nasihat dan semangat agar Skripsi cepat
tuntas.
3. Bapak Harjana dan Bapak Mohtar Yunianto selaku penguji I dan II yang
sangat baik hati memberikan saran secara detail pada revisi Skripsi.
4. Rumah Sakit Dr. Moewardi Surakarta, Klinik Ibu & Anak Solopeduli,
Bu Mia, Bu Hesti, Bu Heriyanti, dan seluruh perawat yang membantu
dalam pengambilan data tangis bayi.
5. Keluarga iARG: Restu Kristiani, Eki Muqowi, Rayhan Hanina, Mustika
Cahya, Endang Wulandari, Putriana Husnul, Aris, Syakir, Tito, Hanief,
Julius, terimakasih atas semangat dan keceriaan kalian menjadikan saya
tak pernah jenuh dalam menghabiskan waktu di lab.
iv
6. Seluruh Keluarga saya: Papa Arief Pudjiana, Mama Isrohayah, “Mama”
Kuswartini, Mba Vina Arismatika, Mas Heru Susiyanto, “Dek”
Ariantini Dewi, Bapak Ahmadi, Ibu Sunarti, (Alm) Mas Aziz
Widiyanto, Mas Widyo Sulastomo, Mas Yusuf Helmi, Mas Farid Hari
Mulyanto, kesayangan Zaola Esa Caronita, terimakasih telah senantiasa
memberikan semangat dan selalu mendoakan agar Skripsi lancar, tuntas,
dan lulus dengan membawa ilmu yang bermanfaat.
7. Khairul Hadi, terimakasih atas semangat dan bantuannya dalam
penyelesaian pemrograman di Skripsi ini.
8. Teman – teman seperjuangan dan sepermainan: Deli Yusuf, Agfa
Herison, Louis Sihombing, Fajriatur Rohmah, Wildan Fakhri, Ahmad
Ma’arij, Desti, Rahma Mega, Aprillia, dan Risalatul Hanifah, yang
selalu dengan ikhlas memberikan kebahagiaan dan menghadirkan
keceriaan menjadikan penulis tidak terlalu stress dalam penyelesaian
skripsi.
9. Dan pihak – pihak lain yang terkait dalam penyelesaian Skripsi ini yang
tidak bisa penulis sebutkan satu persatu.
Surakarta, 16 Mei 2016
Penulis
iv
HALAMAN PUBLIKASI
Sebagian skripsi saya dipublikasikan pada Jurnal Fisika dan Aplikasinya
(JFA) Vol. 12, No. 2, Edisi Juni 2016, dengan judul “Analisis Spektrum Akustik
Tangis Bayi Penderita Penyakit Jantung Bawaan Menggunakan Teknik DTW”.
iv
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL .................................................................................... i
HALAMAN PENGESAHAN ...................................................................... ii
HALAMAN PERNYATAAN ...................................................................... iii
HALAMAN MOTTO .................................................................................. iv
HALAMAN ABSTRAK .............................................................................. v
HALAMAN ABSTRACT ............................................................................. vi
KATA PENGANTAR .................................................................................. vii
HALAMAN PUBLIKASI............................................................................ ix
DAFTAR ISI ................................................................................................. x
DAFTAR TABEL ........................................................................................ xii
DAFTAR GAMBAR .................................................................................... xiii
DAFTAR SIMBOL ...................................................................................... xv
DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................ xvi
BAB I PENDAHULUAN ........................................................................ 1
1.1. Latar Belakang........................................................................ 1
1.2. Perumusan Masalah ............................................................... 2
1.3. Batasan Masalah .................................................................... 2
1.4. Tujuan Penelitian ................................................................... 3
1.5. Manfaat Penelitian ................................................................. 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA .............................................................. 4
2.1. Getaran ................................................................................. 4
2.2. Gelombang Bunyi ................................................................ 6
2.3. Prinsip Superposisi ............................................................... 10
2.3.1. Getaran dengan frekuensi yang sama ................................... 10
2.3.2. Getaran dengan frekuensi yang berbeda .............................. 11
2.4. Analisa Spektral ................................................................... 12
2.4.1. Frekuensi Ambang (f0) ......................................................... 12
2.4.2. Formant (f1, f2, f3, ..., fn) ........................................................ 12
2.4.3. Fourier transform ................................................................ 13
2.4.4. Pendekatan cepstral .............................................................. 14
2.4.5. MFCC................................................................................... 15
2.4.6. Linier Predictive Coding ...................................................... 17
2.5. Dynamic Time Warping ....................................................... 18
2.6. Tangisan Bayi....................................................................... 18
2.6.1. Mekanisme Produksi Tangisan Bayi .................................... 18
2.6.2. Penelitian Sebelumnya Tentang Tangisan Bayi ................... 20
iv
2.7. Penyakit Jantung Bawaan
(Conginetal Heart Disease, CHD) .......................................
2.8. Sound-Spectrogram ..............................................................
BAB III METODOLOGI PENELITIAN.................................................
3.1. Tempat dan Waktu Penelitian ..............................................
3.2. Alat dan Subjek Penelitian ...................................................
3.2.1. Alat Yang Akan Digunakan Dalam Penelitian ....................
3.2.2. Subjek Penelitian..................................................................
3.3. Proses Penelitian ..................................................................
3.4. Prosedur Penelitian...............................................................
3.4.1. Perolehan Data .....................................................................
3.4.2. Filtering dan Re-sampling ...................................................
3.4.3. Windowing ...........................................................................
3.4.4. Pemotongan Gelombang (Cuplikan) ....................................
3.5. Metode Penelitian.................................................................
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ..........................
4.1. Hasil Pengukuran Durasi Tangis Inspirasi, Jeda, dan
Ekspirasi pada Bayi Penderita CHD dan Bayi Normal ........
4.2. Hasil Pengukuran f0, f1, f2, dan f3 pada Tangis Bayi
Penderita CHD dan Bayi Normal .........................................
4.3. Hasil Pengujian Hipotesa Menggunakan Tehnik
Dynamic Time Warping (DTW)...........................................
BAB V PENUTUP ....................................................................................
5.1. Kesimpulan ..........................................................................
5.2. Saran .....................................................................................
DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................
LAMPIRAN ..................................................................................................
iv
22
23
25
25
25
25
25
26
27
27
28
28
28
28
29
29
31
35
40
40
40
41
45
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 4.1.
Tabel 4.2.
Tabel 4.3.
Rata – rata Panjang Tangis Inspirasi, Jeda, dan Ekspirasi
Antara Neonatal Penderita CHD dan Neonatal Normal .
30
Perbandingan Nilai Frekuensi Formant Pada Subyek yang
Diteliti .............................................................................
32
Tabel Hasil Minimal, Maksimal, Rata-rata dan Standar
Deviasi (SD) Untuk f0, f1, f2, f3 Dari Neonatal Normal dan
Penderita CHD ................................................................
34
iv
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1.
Sebuah Massa Menempel Pada Ujung Pegas Yang Dapat
Bergerak Maju Mundur Pada Bidang Tanpa Gesekan. 4
Gambar 2.2.
Elemen Tipis Gas Dengan Ketebalan Δπ‘₯ Yang
Dipengaruhi Oleh Gelombang Bunyi........................
8
Gambar 2.3.
Masing – Masing Mewakili Gerak Harmonik Sederhana
Sepanjang Sumbu XPada Frekuensi Sudut Ω Untuk
MendapatkanHasil SimpanganGerak Harmonik
Sederhanaπ‘₯ = 𝑅 Cos(πœ”π‘‘ + πœƒ)Pada 𝑑 = 0 ................
11
Gambar 2.4.
Superposisi Dari Dua SimpanganHarmonik Sederhana
π‘₯1 = π‘Ž Sin πœ”1 𝑑Dan π‘₯2 = π‘Ž Sin πœ”2 𝑑Ketika πœ”2 > πœ”1 .
Perlambatan Cos
Sin
Gambar 2.5.
Gambar 2.6.
Gambar 2.7.
Gambar 2.8.
Gambar 2.9.
Gambar 2.10.
Gambar 3.1.
Gambar 3.2.
Gambar 4.1.
Gambar 4.2.
Gambar 4.3.
Gambar 4.4.
Gambar 4.5.
Gambar 4.6.
(πœ”1 +πœ”2 )𝑑
2
(πœ”2 −πœ”1 )𝑑
2
Memodulasi Kurva
Antara Nilai π‘₯ = βƒ’ ± 2π‘Ž .......................
12
Proses AkustikUntukMemperoleh MFCC ................
16
Mel-Frequency Filterbank ........................................
17
Optimal Warping Path ..............................................
18
Skema Secara Umum Untuk Produksi Suara Manusia. 19
Vocal Tract Bayi Dan Dewasa. Epiglotis (E), Langit–
Langit Keras(HP), Laring (La), Mandibula (M), Rongga
Hidung(N), Langit-Langit Lunak (SP), Lidah (T), Dan
Mulut (Li). .................................................................
20
Sound-Spectrogram Tangis Bayi Normal .................
23
Diagram Alir Penelitian ............................................
26
Gambar Sony IC Recorder Tipe ICD-PX333 ...........
27
Sinyal Tangis Inspirasi Pada Bayi CHD (Atas) Dan
Normal (Bawah) ........................................................
29
Sinyal Jeda Pada Bayi CHD (Atas) Dan Normal
(Bawah) .....................................................................
29
Sinyal Tangis Ekspirasi Pada Bayi CHD (Atas) Dan
Normal (Bawah) ........................................................
30
Sinyal Tangis Bayi Normal (Atas) Dan CHD (Bawah)
Yang Dipotong Sepanjang 1 Detik ...........................
31
Spektrogram Dari Cuplikan Tangis Bayi Pada Gambar
(4.4) ...........................................................................
32
Perbandingan Nilai Formant f1 Antara Tangis Bayi
iv
Gambar 4.7.
Gambar 4.8.
Gambar 4.9.
Normal (solid) Dengan Bayi CHD (dotted) ..............
33
Indikator Kemiripan Dalam Skala Abu-abu .............
36
Pola DTW Tangis Bayi Penderita CHD Berturut – turut
Dari (a).CHD[1] Hingga (o).CHD[15] Dengan Referensi
CHD[2]......................................................................
35
Pola DTW Tangis Bayi Normal Berturut – turut
Dari (a).N[1] Hingga (o).N[15] Dengan Referensi
CHD[2]......................................................................
36
iv
DAFTAR SIMBOL
𝑃
: Tekanan
(π‘ƒπ‘Ž)
𝑉
: Volume
(π‘š2 )
𝜌
: Massa jenis
(
π‘š
: Massa
π‘Ž
: Percepatan
αΊ‹
: Kecepatan
ẍ
: Percepatan
(π‘˜π‘”)
(π‘š⁄𝑠 2 )
(π‘š⁄𝑠)
(π‘š⁄𝑠 2 )
𝐹
: Gaya
(𝑁)
𝑓
: Frekuensi
(𝐻𝑧)
𝐡
: Modulus Bulk
(𝑁⁄π‘š2 )
π‘˜
: Konstanta pegas
πœ”
: Kecepatan sudut
(π‘Ÿπ‘Žπ‘‘⁄𝑠)
𝑑
: Waktu
(𝑠)
π‘˜π‘”⁄
π‘š3 )
iv
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1.
Data rentangwaktutangisaninspirasi, jeda, dan
ekspirasi antaratangissakitbayi normal danpenderita
penyakit jantung bawaan..............................................
Lampiran 2.
45
Beberapa data MFCCdaritangissakitbayi normal
(N[1]) danbayipenderitapenyakitjantungbawaan
Lampiran 3
(CHD[1])....................................................................
47
Kelaikan Etik………………………………………….
48
iv
Download