ANALISIS PENGUATAN BIOPOTENSIAL DENGAN REDUKSI INTERFERENSI GANGGUAN Oleh: Moh. Imam Afandi
*
Abstrak Telah dilakukan analisis penguatan biopotensial dengan reduksi interferensi gangguan sinyal pada sistem pengukuran pola detak jantung ElektroKardioGrafi (EKG) pada manusia. Hal yang paling signifikan mengganggu penguatan sinyal adalah adanya sinyal noise dari frekuensi tinggi dan frekuensi jala-jala 50 Hz. Dari hasil analisis perhitungan didapatkan bahwa dibutuhkan penguatan sinyal sebesar 989 kali untuk berada dalam rentang masukan ADC 5 volt dengan rangkaian tapis lolos rendah butterworth orde 2 dengan frekuensi cut-off 120 Hz dan rangkaian tapis takik 50 Hz yang mampu mereduksi sinyal noise frekuensi jala-jala sampai 99%. Kata kunci : Sinyal, frekuensi, biopotensial. Abstract The analysis of biopotensial amplifier with noise interference reduction has been evaluated for self-made human ECG measurements system. The significant matters of the signal conditioning are high frequency noise signal and interference frequency 50 Hz from AC source. The analysis results are the signal amplification needed 989 times in order to involve in 5 volt ADC input with 2nd stage butterworth low pass filter circuit with cut-off frequency at 120 Hz and notch filter circuit at 50 Hz that reduce interference frequency from AC source until 99%. Keywords : Signal, frequency, biopotensial. 1.
PENDAHULUAN
Penguatan sinyal merupakan bagian yang penting dalam pengukuran biopotensial. Hal ini disebabkan biopotensial hanya memberikan sinyal yang sangat lemah dengan impedansi yang tinggi. Sinyal biopotensial ini biasanya dalam kisaran beberapa milivolt sehingga dibutuhkan penguatan yang cukup untuk meningkatkan kekuatan amplitudo sinyal dengan tidak mengubah karakteristik sinyal tersebut. Tetapi pada kenyataannya, semakin tinggi penguatan sinyal maka semakin rentan gangguan noise yang ditimbulkan. Hal tersebut dapat disebabkan karakteristik komponen elektronik yang dipakai, sinyal frekuensi jala-jala 50 Hz yang menginterferensi rangkaian, EMF jalur rangkaian, dsb. Selain itu, jika penguatan sinyal tersebut digunakan untuk pengukuran biopotensial yang menggunakan elektrode maka karakteristik elektrode dan gesekan elektrode tersebut juga turut ikut andil dalam menambah gangguan noise sehingga dapat mengubah karakteristik penguatan biopotensial secara signifikan. Dalam tulisan ini akan dibahas penguatan biopotensial yang digunakan untuk keperluan pengukuran pola detak jantung ElektroKardiografi (EKG) pada manusia dengan reduksi efek gangguan interferensi noise frekuensi jala-jala 50 Hz sehingga diharapkan dapat dihasilkan sistem pengukuran biopotensial yang mendekati dengan karakteristik sinyal asli yang terukur.
2.
LANDASAN TEORI
Penguatan sinyal yang sangat direkomendasikan untuk penguatan biopotensial adalah dengan menggunakan rangkaian instrumentasi amplifier. Hal ini disebabkan karena biopotensial mempunyai sinyal yang sangat lemah dengan impedansi sumber yang tinggi sehingga dibutuhkan impedansi input yang cukup tinggi yang dapat dipenuhi dengan menggunakan rangkaian instrumentasi amplifier. Selain itu, rangkaian instrumentasi amplifier juga mempunyai Common Mode Rejection Ratio *
Peneliti Bidang Instrumentasi, Puslit KIM - LIPI
(CMRR) yang cukup tinggi untuk meminimalkan common noise yang terjadi dari perbedaan penguatan kedua sinyal. Rangkaian instrumentation yang digunakan ini dipilih yang sudah dalam bentuk satu paket IC yaitu AD620 instrumentasi amplifier. AD620 instrumentasi amplifier ini selain harganya yang cukup murah juga mempunyai tingkat akurasi tinggi sampai 40 ppm ketidaklinearan, daya yang rendah sekitar 1.3 mA arus maksimum, impedansi input yang cukup tinggi dan CMRR sampai 100 dB. Bentuk paket IC AD620 secara skematik dapat diberikan pada gambar berikut ini :
Gambar 2.1 Paket IC AD620 Instrumentasi Amplifier Paket IC AD620 hanya membutuhkan minimal satu resistor eksternal untuk menset penguatan dari 1 – 10.000 kali. Penguatan (G) menggunakan minimal satu resistor (Rg) ini dijabarkan sebagai berikut :
........... (1)
Selanjutnya rangkaian tapis lolos rendah yang digunakan adalah tipe butterworth orde 2 seperti yang diberikan pada gambar sebagai berikut :
Gambar 2.2 Rangkaian Tapis Lolos Rendah Butterworth Orde 2 Dimana perhitungan untuk rangkaian tapis lolos rendah Butterworth orde 2 dapat dijabarkan sebagai berikut :
fc =
1 2π R1 a.R2 a.C1 a.C 2 a
… (2)
G=
R3 a + R4 a … (3) R3 a
Q=
R1a.R 2a.C1a.C 2a R1a.C1a + R 2a.C1a + R1a.C 2a.(1 − G )
Kemudian rangkaian tapis takik menggunakan Twin T seperti yang diberikan pada gambar sebagai berikut :
Gambar 2.3 Rangkaian Tapis Takik Twin T Dimana perhitungan untuk rangkaian tapis takik Twin T dapat dijabarkan sebagai berikut :
… (4)
… (5)
3.
ANALISIS PERHITUNGAN DATA
Penguatan sinyal yang diperlukan untuk biopotensial EKG yang berkisar antara + 2 mV sehingga dipilih penguatan yang mendekati rentang masukan ADC 5 volt. Dengan menentukan referensi pada 2.5 volt maka dengan pemilihan resistor 50 Ω dengan cara memparalelkan 2 resistor 100 Ω, maka didapatkan penguatan sebesar :
G=
49.4kΩ + 1 = 989 50Ω
Dengan penguatan tersebut di atas dan kisaran biopotensial yang diukur maka dapat diketahui maksimum pengukuran yang diterima :
Vo = G.Vi = 989.2mV = 1.978V
Sehingga keluaran yang diterima oleh ADC sebesar + 1.978 V yang diukur dari titik referensi 2.5 volt. Selanjutnya perhitungan untuk rangkaian tapis lolos rendah butterworth orde 2 dapat dilakukan dengan menentukan frekuensi cut-off yang diinginkan. Sinyal pola detak jantung mempunyai kisaran 0.1 Hz sampai 100 Hz sehingga dengan menentukan frekuensi cut-off sebesar 120 Hz, maka dapat dihitung : Dengan memilih C1 a =
C2 a = 0.1µF dan R 1 a = R2 a = R , G=1 (diubah menjadi rangkaian 2
buffer), maka didapatkan
fc =
2 2π .R.C 2 a
R=
2 .10 6 = 9383.05Ω 2π .120.0.2
Untuk memudahkan pemilihan resistor yang ada di pasaran maka dipilih R = 9,1 kΩ Selanjutnya untuk perhitungan rangkaian tapis takik dapat dilakukan dengan menentukan frekuensi cut-off yang diinginkan dan dalam hal ini ditujukan untuk meminimalkan interferensi noise jala-jala 50 Hz, sehingga dapat dihitung : Dengan memilih C = C1 = C 2 =
C3 = 0.1µF dan R4 = R5 = 1 kΩ 2
1 2π .R.C 10 6 R= = 31818.19Ω 2π .50.0.1 fc =
Untuk memudahkan pemilihan resistor yang ada di pasaran maka dipilih R = 32 kΩ dengan cara menyusun secara seri resistor 22 kΩ dengan resistor 10 kΩ. Dari analisis perhitungan rangkaian tapis tersebut di atas maka perlu pembuktian secara simulasi hasil perhitungan dengan menggunakan program CircuitMaker yang mempunyai tingkat validasi simulasi rangkaian hingga 90%. Dengan pemilihan tipe OpAmp TL072 JFET amplifier yang memiliki noise rendah maka hasil rangkaian yang disimulasikan adalah sebagai berikut :
Gambar 3.1. Rangkaian Tapis Lolos Rendah dan Tapis Takik Kemudian hasil rangkaian tersebut disimulasikan respons frekuensi yang terjadi seperti pada gambar berikut ini :
Gambar 3.2 Respons Frekuensi Rangkaian Tapis Hasil respons frekuensi yang terjadi dapat dijelaskan bahwa untuk respons rangkaian tapis lolos rendah didapatkan frekuensi cut-off menjadi 112 Hz pada -3 dB dan untuk respons rangkaian tapis takik didapatkan frekuensi cut-off sebesar 49.4 Hz pada -37 dB. Pergeseran hasil perhitungan dengan hasil simulasi disebabkan karena nilai yang diberikan pada resistor yang ada di pasaran tidak sama persis dengan hasil perhitungan yang direkomendasikan. Selanjutnya untuk mengujicoba respons waktu rangkaian tapis jika diberikan sinyal interferensi 50 Hz, maka didapatkan hasil respons seperti yang diberikan sebagai berikut :
Gambar 3.3 Respons Rangkaian Tapis Terhadap Gangguan Interferensi 50 Hz
Dari hasil respons waktu rangkaian terhadap gangguan interferensi 50 Hz dapat dijelaskan bahwa rangkaian tapis yang sudah didisain mampu meredam gangguan intereferensi 50 Hz sampai 99% sehingga dengan pemberian sinyal gangguan sebesar + 2 V dapat diredam menjadi + 20 mV.
4.
KESIMPULAN
Dari hasil analisis perhitungan dan simulasi rangkaian maka telah didapatkan bahwa penguatan sinyal yang diberikan sebesar 989 kali untuk berada dalam rentang masukan ADC 5 volt dengan rangkaian tapis lolos rendah butterworth orde 2 dengan frekuensi cut-off 120 Hz dan rangkaian tapis takik 50 Hz yang mampu mereduksi sinyal noise frekuensi jala-jala sampai 99%.
DAFTAR PUSTAKA • ..., 2004, AD620 Instrumentation Amplifier, Analog Devices, US. • Jim Karki, 2002, Active Low Pass Filter Design, Texas Instruments, US. • John R. Hampton, 2003, The ECG Made Easy, Churchill Livingstone, US. • Les Thede, 2004, Practical Analog and Digital Filter Design, Artech House, Inc, US. • Walter G. Jung, 2002, Op-Amp Applications, Analog Devices, US.
