Pembuatan Alat Perekam Denyut Jantung Berbasiskan Komputer

Pembuatan Alat Perekam Denyut Jantung
Berbasiskan Komputer (Elektrodacardiografi)
Dany Noor Isnaeni
Jurusan Sistem Komputer – Universitas Gunadarma
Komp. RTM Kelapadua Cimanggis, Depok
E-mail : [email protected]
Abstrak
Kesehatan merupakan bagian yang penting bagi manusia karena dengan sehat
kita dapat melakukan berbagai kegiatan dan berpikir dengan baik. Jantung yang
mengontrol peredaran darah. Untuk mengetahui keadaan jantung diperlukan alat yang
melihat bentuk denyutan jantung kita.
Alat perekam denyut jantung dengan berbasis komputer menggunakan sensor
elektroda yang mampu menangkap sinyal denyut jantung. Dengan menggunakan
pengantarmukaan parallel pada komunikasinya, ADC mengubah masukan analog
menjadi keluaran digital yang akan diteruskan ke komputer dan perangkat lunak. Bahasa
pemograman Delphi, digunakan untuk menampilkan grafik dari denyut jantung yang
nantinya dapat dihitung besarnya frekuensi dari denyutan jantung tersebut.
1.
Pendahuluan
Kesehatan merupakan bagian yang penting bagi manusia karena dengan sehat
kita dapat melakukan berbagai kegiatan dan berpikir dengan baik. Penyakit jantung
menjadi jenis penyakit yang mematikan dan menjadi penyebab kematian tertinggi di
berbagai negara berkembang bahkan di negara maju sekalipun. Dengan detak jantung
pula dapat diketahui jenis penyakit yang diderita oleh pasien.
Penggunaan suatu sensor elektroda dalam menangkap sinyal detak jantung
telah banyak digunakan. Namun dalam hal pengoperasiannya maupun pengawasannya
masih banyak yang memakai sistem konvensional dan menggunakan teknologi terbaru.
Dalam perkembangan teknologi dewasa ini, komputer adalah sarana yang
sangat tepat untuk mengerjakan tugas tersebut. Gagasan untuk menggunakan komputer
dalam mendeteksi detak jantung didasarkan pada hal dimana kegiatan ini membutuhkan
rutinitas dan tingkat ketelitian yang sangat tinggi serta waktu antisipasi yang cepat. Alat
tersebut dapat merekam sinyal detak jantung dalam waktu tertentu dan memberikan
informasi berapa detak jantung yang terjadi dalam satu menit dan tinggi rendahnya sinyal
detak jantung tersebut.
Tujuan dari pada penulisan ini adalah membuat rangkaian “Pembuatan Alat
Perekam
Detak
Jantung
dengan
Berbasis
Komputer
(Elektrodacardiograph)”
diantaranya adalah memahami kerja dari sensor elektroda yang mengkap sinyal-sinyal
listrik yang ada pada manusia dan memahami kondisi pada jantung kita.
Manfaat dari penelitian ini menitik beratkan pada bidang kedokteran yaitu dapat
memantau detak jantung pada manusia. Dari hasil tersebut dapat digunakan oleh
mahasiswa / mahasiswi lain untuk mengembangkannya.
2.
Dasar Teori
2.1.
ADC 0809
Proses mengubah sinyal analog menjadi sinyal yang bisa dimengerti komputer
dalam bentuk sinyal digital disebut pengubahan analog ke digital (ADC).
Metode ADC yang paling banyak digunakan adalah metode pendekatan berulang
(successive-approximation) karena waktu konversinya yang singkat dan konstan. ADC
jenis tersebut terdiri atas pembanding tegangan, pengubah digital ke analog (DAC),
register pendekatan berulang SAR (successive-approximation register), dan detak
(clock).
Gambar 2.1 Konfigurasi kaki ADC 0809 [1]
ADC0809 adalah IC pengubah tegangan analog menjadi digital dengan masukan
berupa 8 kanal yang dapat dipilih. IC ADC0809 dapat melakukan proses konversi secara
terkontrol ataupun prosed bebas.
ADC ini mempunyai ketelitian sebesar 1 bit LSB, untuk ketelitian yang lebih
akurat ½ bit LSB, IC ini dapat digantikan dengan ADC0808 yang mempunyai konfigurasi
pin sama persis dengan ADC0809. ADC0809 melakukan konversi tegangan analog ke
digital dengan menggunakan metode SAR (successive approximation register) dengan
resolusi 8 bit dan waktu konversi 100 uS.
2.2.
Sensor
Di dalam pengukuran dan perekaman data dari suatu benda (potensial) di tubuh
misalnya dibutuhkan suatu hubungan antara tubuh dengan alat pengukuran elektronik.
Hubungan atau antarmuka ini dipengaruhi oleh elektoda biopotensial. Elektroda tersebut
harus mampu mengalirkan arus ke suatu alat uku elektronik yang idealnya keluaran arus
tersebut sangat kecil.
Gambar 2.2. Penempatan sensor pada lengan [3]
Dari elektroda tersebut ada beberapa di buat pengukuran ke bagian tubuh
terutama untuk bagian denyut jantung dapat menggunakan ECG (elektroda cardiograph).
ECG digunakan untuk mengukur besarnya denyutan jantung. Berbahan dasar dari
Ag/AgCl yang bila bersentuhan dengan bagian tubuh tertentu dapat menimbulkan arus
sebesar 100 sampai 500 mA/cm2. frekuensi yang dapat dihasilkan sebesar 10 Hz/cm2
dan mempunyai hambatan sebesar 10 Ω(Ohm).
Untuk menggunakannya dari sensor tersebut dianjurkan menggunakan suatu gel
yaitu signa. Gel signa tersebut dapat meningkatkan konduktifitas dari dari tubuh sehingga
sensor tersebut akan lebih menerima signal elektrik dari tubuh.
Untuk mengukur besarnya denyutan jantung di suatu bagian tubuh diperlukan
setidaknya 2 titik penentu. Misalnya untuk mengukur di lengan setidaknya dibutuhkan
dua sensor yang ditempatkan dibagian lengan kanan dan lengan kiri. Selain lengan ada
juga bagian-bagian tertentu di bagian tubuh manusia yang dapat dibuat suatu
pengukuran. Untuk mengetahui detakan jantung permenti dapat dihitung menggunakan
rumus
DJ =
2.3.
60000
(bpm)
R-R
…(2.1)
Penguat
Penguat adalah suatu solid state / integrated circuit yang mampu mengindera
dan memperkuat sinyal masukan AC maupun DC. Penguat memilki dua masukan dan
satu keluaran serta memiliki penguatan DC yang tinggi.
2.3.2.
Penguatan Diferensial
Fungsi dari penguatan diferensial pada umumnya adalah untuk memperkuat
selisih antara dua sinyal
2.3.3.
Penguatan Differensial Berlapis
Untuk memperkuat masukan yang sangat kecil (tegangan) maka diperlukan
pengutan yang berlapis sehingga keluaran tegangan dapat diatur sesuai dengan yang
diinginkan.
Gambar 2.3. Penguat Differensial [5]
Penguatannya terbagi menjadi dua, yaitu penguat 1 dan penguat 2. Untuk
menghitung atau mencari tegangan keluaran dari masing-masing penguatan dapat dilihat
dari rumus pengalian antara penguat satu dikali dengan penguat dua. Dimana penguat
ini dijelaskan menjadi dua. Untuk mendapat keluarannya dapat menggunakan rumus
berikut :
⎛
⎞ ⎛ (V − V2 ) × R 4 ⎞
2R
= ⎜ (V1 − V2 ) (1 + 2 ⎞⎟ ⎟ × ⎜ − 1
⎟
R1 ⎠ ⎠
R3
⎝
⎝
⎠
R
2R
VK = −(V1 − V2 ) × (1 + 2 ⎞⎟ × 4
R1 ⎠ R
3
2.4.
…(2.2)
Penyaring / Tapis
Keluaran penguat memiliki derau (noise). Derau ini adalah gangguan dari
pemakian sekitar 50 Hz dan dari frekuensi sensor yang sangat kecil. Cara mengatasinya
adalah dengan menggunakan penyaring atau tapis. Rangkaian ini akan melewatkan
frekuensi dalam jangkauan tertentu dan menahan atau meredam sinyal-sinyal frekuensi
di luar jangkauan frekuensi yang diinginkan.
Gambar 2.4. Penyaring pelewat frekuensi rendah [6]
Vk ( jω )
V1 ( jω )
1
=
1+jω RC
H ( jω ) =
1
H ( jω ) =
=
H ( jω ) =
fr =
1 + (ω RC )
1
2
1 + ( 2π fRC )
Vk ( f )
2
V1 ( f )
1
2π RC
Gambar 2.5. Tapis pelewat frekuensi tinggi [6]
…(2.3)
Vk ( jω )
V1 ( jω )
jω RC
=
1+jω RC
H ( jω ) =
1
H ( jω ) =
=
H ( jω ) =
ft =
1 + (ω RC )
2π fRC
2
1 + ( 2π fRC )
Vk ( f )
2
V1 ( f )
1
2π RC
…(2.4)
Gambar 2.6. Penyaring pelewat frekuensi antara [6]
Frerkuensi yang diloloskan pada rangkaian tapis pelewat frekuensi rendah:
Fr =
1
2π × R 2 × C 2
…(2.5)
Frerkuensi yang diloloskan pada rangkaian tapis pelewat frekuensi tinggi :
Ft =
1
2π × R 1 × C1
…(2.6)
2.5.
Komunikasi Data Parallel
LPT pada komputer memiliki konektor DB-25 betina dengan jumlah pin sebanyak
25 buah. Hanya 17 buah saja yang digunakan untuk saluran pembawa informasi dan
yang berfungsi sebagai ground 8 buah
Dari berbagai jenis parallel port ada kesamaan dan ada perbedaan.
Kesamaannya adalah karena semua mengacu kepada standar paralle port (SPP)
sebagai standar karena alasan kompatibilitas. Perbedaan yang sangat nyata, mode EPP
dan ECP sudah menerapkan IEEE 1284.
Dalam EPP dan ECP, jabat tangan (baik sebelum, selama dan sesudah) data
dikirim dilakukan oleh perangkat keras dan tanpa perlu campur tangan perangkat lunak.
Gambar 2. 7. Jabat tangan pada ECP [7]
Dalam ECP, siklus mengirim data ada dua jenis, yaitu siklus data dan siklus
perintah. Hal ini meningkatkan kinerja rata-rata. Namun perubahan arah kinerja data
pada ECP harus di negosiasikan antara sinyal nReverseRequest dan nAckReverse. Ini
tidak terjadi pada EPP, dimana perangkat lunak dapat melakukan sembarang operasi
baca dan tulis tanpa proses jabat tangan.
3.
RANCANGAN SISTEM
Rangkaian pendeteksi detak jantung ini menggunakan elektroda sebagai sensor
pendeteksi detak jantung. Penguat digunakan untuk menguatkan sinyal tegangan yang
dihasilkan oleh sensor. Adapun proses pengendaliannya dapat dilihat pada diagram
dibawah ini :
Sensor
Penguat 1 dan
Penguat 2
Penyaring
ADC
PC
Gambar 3.1 Diagram blok perancangan secara umum
3.1.
Rancangan Perangkat Keras
3.1.1.
Penguat
Bagian ini berfungsi untuk menguatkan sinyal keluaran dari sensor agar bisa
terbaca oleh ADC. Rangkaian menggunakan LF351 sebagai penguatannya sendiri.
Karena keluaran dari sensor elektroda hanya berkisar 200 µV sampai 500 µV maka
diperlukan penguatan yang besar
Gambar 3.2. Penguat Diferensial [5]
Sesuai dengan rumus 2.2. maka pengutan yang didapat yaitu :
Vk = (V2 − V1 ) × (1 +
2R 2
⎞× R 4
R 1 ⎟⎠ R
3
Vk = (V2 − V1 ) × (1 + 2(5k)
10k
×
)
100 100
= (V2 − V1 ) × (101) × (100 )
= (V2 − V1 ) × 10100
3.1.2.
Penyaring
Tapis yang digunakan adalah tapis pelewat frekuensi antara, dimana tapis
tersebut mempunyai tapis pelewat frekuensi tinggi yang meloloskan frekuensi diatasnya
dan tapis pelewat frekuensi rendah yang hanya meloloskan frekuensi di bawahnya.
Gambar 3.3. Penyaring pelewat frekuensi antara [5]
Frekuensi yang diloloskan pada rangkaian tapis pelewat frekuensi rendah sesuai
dengan rumus 2.5:
1
2π × R 2 × C 2
1
Fr =
2π × 3,3.106 × 10 −6
1
Fr =
Hz
20, 721
Fr =
Fr = 0,004825 Hz
Fr = 0,05 Hz
Frekuensi yang diloloskan pada rangkaian tapis pelewat frekuensi tinggi sesuai
dengan rumus 2.6 :
1
2π × R 1 × C1
1
Ft =
2π × 4700 × 10 −6
1
Ft =
Hz
0, 029516
Ft =
Ft = 33,8799 Hz
Ft = 34 Hz
3.1.3.
ADC 0809
Untuk aplikasi ini menggunakan ADC0809 yang menggunakan 2 dari input tersebut untuk
sensor yang satu dan sensor kedua secara bergantian akan diproses oleh pengubah dan
dikirim ke paralel port melalui S7 sampai S4 dan K3 sampai K0.
Gambar 3.4. Kaki ADC masukan dan keluaran data
3.1.4.
Komunikasi Paralel
Jika paralel port pada komputer yang kita gunakan ternyata tidak menyediakan
fasilitas dua arah. Parallel port masih dapat digunakan untuk media masukan bahkan
sampai 8 bit. Dengan menggunakan 4 masukkan dari status port dan 4 masukan dari
kontrol port.
Gambar 3.5. Modifikasi paralel untuk masukan
4 register status difungsikan sebagai 4 bit MSB pertama. Dan register kontrol 4
bit LSB terakhir. Kaki busy adalah MSB dari semuanya dan LSB 4 bit pertama adalah
select. MSB 4 bit berikutnya, dimulai oleh Select Printer, dan LSB keseluruhan 8 bit
adalah strobe.
3.2.
Rancangan Perangkat Lunak
3.2.1.
Mengakses Parallel Port Menggunakan Io.dll
Pertama harus memasukkan function dan procedure untuk memanggil io.dll
terlebih dahulu sebelum anda memakai komponen ini. Pemanggilan itu dapat dituliskan
seperti berikut:
function PortIn(Port:Word):Byte;stdcall; external 'io.dll';
procedure PortOut(Port:Word;Data:Byte); stdcall; external 'io.dll';
Gambar 3.6. Diagram alur program perangkat lunak secara umum
4.
PERCOBAAN
Percobaan ini, dapat diambil beberapa faktor yang mencadi acuan kehandalan
sistem yaitu ketepatan penangkapan data. Pengambilan data menggunakan perangkat
lunak untuk merekam tampilannya dalam suatu file yang dapat disimpan, agar file
tersebut dapat dilihat lain waktu
Gambar 4.1. Tampilan perangkat lunak
Pengujian ini dijalankan kurang lebih selama lima menit dengan pengambilan
data selama lima menit pula untuk masing-masing contoh. Dimana sensor diletakkan
pada kedua lengan
Gambar 4.2. Grafik denyut jantung
Gambar 4.3. Grafik denyut jantung ketika tidak melakukan aktifitas
Gambar 4.4. Grafik denyut jantung ketika melakukan aktifitas
5.
PEMBAHASAN
Pengujian dilakukan unutk menguku besarnya frekuensi jantung dan besarnya
denyutan nadi permenit. Dengan mengukur jarak antara dua amplitude tertinggi dengan
satuan milidetik (ms). Sesuai dengan rumus 2.1
DJ =
60000
(bpm)
R-R
Dengan menggunakan rumus 2.1 untuk menghitung denyut nadi permenit maka
dapat hasil pengujian pada table berikut :
Tabel 5.1. Hasil pengujian ketika melakukan aktifitas
No.
1
2
3
4
5
Periode
260
160
100
100
100
Frekuensi
3,85 x 10-03
6,25 x 10-03
1,00 x 10-02
1,00 x 10-02
1,00 x 10-02
Denyut nadi
2,31 x 10+02
3,75 x 10+02
6,00 x 10+02
6,00 x 10+02
6,00 x 10+02
Tabel 5.2. Hasil pengujian ketika tidak melakukan aktifitas
No.
1
2
3
4
5
Periode
900
720
500
820
420
Frekuensi
1,11 x 10-03
1,39 x 10-03
2,00 x 10-03
1,22 x 10-03
2,38 x 10-03
Denyut nadi
66,67
83,33
120
73,17
142,86
Ada beberapa simpulan dari hasil pengujian
1. Denyut jantung setiap manusia pasti berbeda tergantung dari
keadaan fisik (kesehatan) dan aktifitas yang dilakukan
2. Keadaan yang tidak stabil bisa diakibatkan seseorang sedang
melakukan suatu aktifitas atau keadaan emosional yang tidak
menentu yang mengakibatkan jantung berdetak sangat cepat.
Pengaruh dari aktifitas tersebut membuat periode pada grafik
cenderung kecil dan rapat
3. Seseorang yang tidak melakuan aktifitas, denyut jantungnya
berdetak stabil membuat periode pada grafik cenderung besar
dan agak lebar. Dan jarak antara detak yang satu dengan
yang lain mempunyai jarak yang sama.
4. Ada kecenderungan nilai salah karena penempatan sensor
yang tidak benar lepas atau kurang lekat yang mengakibatkan
perhitungan yang salah pula
6.
PENUTUP
6.1.
Simpulan
Setelah melalui pembahasan teoritis sampai dengan pengujian alat, disimpulkan
tujuan penelitian telah tercapai dengan baik. Sistem secara keseluruhan, baik kedua
modul dan program perangkat lunak yang dibuat menunjukkan kinerja yang baik. Cara
perancangan sistem memperjelas masalah pembahasan yang merupakan penerapan
langsung dari sistem. penulis dapat menarik kesimpulan bahwa :
1. Alat ini mempunyai 4 masukan, berarti terdapat 4 buah sensor analog yang
dapat direkam
2. Alat berfungsi dengan baik, karena dapat mencatat dengan cukup akurat
dengan tingkat kesalahan yang kecil.
3. Pengambilan data tidak akan terbuang dan dapat diatasi dengan menghitung
besarnya frekuensi denyut jantung dikalibrasikan dengan pengambilan data
pada pengubahnya.
6.2.
Saran
Tidak ada kesempurnaan di dunia ini, begitu pun sistem ini. Ada beberapa hal
yang menjadi titik lemah alat ini, kiranya dapat menjadi referensi untuk pengembangan
lebih jauh nantinya ke depan :
1. Masukan analog untuk ADC masih menggunakan data sebanyak 4 buah.
Untuk pengembangannya dapat dikembangkan menjadi 8 buah masukan.
2. Untuk penguatnya masih menggunakan satu IC untuk setiap satu penguat.
Kedepannya dapat menggunakan IC yang memiliki 4 buah penguat.
3. Sistem ini masih menggunakan bantuan komputer sebagai media penampil
dan media penyimpanan data. Untuk ke depannya kiranya komputer dapat
diganti dengan mikrokontroller yang memiliki EPROM untuk media
penyimpanan datanya. Untuk media penampilnya dapat diganti dengan LCD
yang dapat menampilkan grafik.
4. Untuk lebih aman dalam penggunaannya dapat ditambahkan rankaian untuk
mengurangi kelebihan tegangan pada sensor, yaitu penambahan ground.
5. Untuk pengembangan kedepan, alat ini dapat digunakan untuk pengontrolan
dan pengawasan denyut jantung seseorang dari jarak jauh. Yaitu alat ini
dijadikan dasar pengumpulan data dan diteruskan pengiriman data tersebut
melalui
email.
Sehingga
data
yang
dibutuhkan
oleh
dokter
yang
bersangkutan dapat diterima langsung dari jarak yang cukup jauh bila dokter
yang menanganinya tidak berada di tempat. Selain menggunakan jasa
internet (email), data dapat dikirim dengan menggunakan telepon seluler
yang memiliki fasilitas pengiriman data melalui GPRS yang diteruskan ke
telepon seluler lainnya.
Demikian simpulan dan saran penulis, semoga dengan adanya tugas akhir ini
dapat berguna dan bermanfaat bagi penulis pada khususnya, dan bagi kita semua pada
umumnya.
DAFTAR PUSTAKA
[1]
Sudono Agus, ”Memanfaatkan Port Printer Komputer Menggunakan
Delphi”, Semarang: Smart Book, 2004.
[2]
Millman dan Halkias, “Elektronika Terpadu Rangkaian dan Sistem Analog
dan Digital”, Jakarta : Erlangga, 1993.
[3]
John
G.
Webster,
“Medical
Instrumentation
Aplication
and
Design”,Newyork:John Wiley and Sons Inc., 1998.
[4]
F. Suryatmo, “Teknik Digital”, Jakarta : Bumi Aksara, 1994.
[5]
KF. Ibrahim, “Teknik Digital”, Yogyakarta : Andi, 1996.
[6]
Eko Putera Agfianto, “Teknik Antarmuka Komputer : Konsep dan Aplikasi”,
Yogyakarta : Graha Ilmu, 2002.
[7]
Sunarto B. Rumono, “Membangun Sistem Akuisi Data Berbasis Database
dengan Delphi”, Jakarta : PT. Elex Media Komputindo, 2004.