BAB I PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang Suara paru terjadi karena adanya turbulensi udara saat udara memasuki
saluran pernapasan selama proses pernapasan. Turbulensi ini terjadi karena udara mengalir dari saluran udara yang lebih lebar ke saluran udara yang lebih sempit atau sebaliknya[6]. Salah satu cara yang digunakan oleh tenaga medis atau dokter untuk mendiagnosa paru-paru adalah dengan mendengar suara dalam tubuh dengan menggunakan stetoskop. Teknik mendengar suara yang terjadi didalam tubuh ini dikenal dengan auskultasi[5]. Suara dalam tubuh tersebut dihasilkan oleh aktifitas biologis organ-organ tubuh, seperti jantung, paru-paru dan sistem pencernaan[1]. Masalah yang sering timbul pada saat perekaman suara paru adalah masih bercampur dengan suara jantung. Hal ini dikarenakan selama manusia hidup, jantung tidak akan pernah berhenti berdetak. Dan secara anatomi, organ paru-paru memang berada didekat organ jantung. Suara detak jantung ini menghasilkan gangguan interferensi quast-periodik yang menutupi interpretasi klinis pada komponen frekuensi rendah dari suara paru-paru[3]. Oleh karena itu, suara detak jantung ini akan mempengaruhi hasil akuisisi terhadap suara paru-paru. Komponen utama suara jantung adalah pada range frekuensi 20 Hz - 400 Hz[7] dan suara paru menempati frekuensi 150 Hz – 1,7 kHz[1]. Sehingga suara yang dihasilkan tumpang tindih dengan komponen frekuensi rendah dari suara paruparu. Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi khususnya dibidang kesehatan dan komputer semakin memudahkan dalam melakukan akuisisi suara paru-paru. Auskultasi juga sangat dipengaruhi oleh instrumen yang digunakan. Karena kemampuan auskultasi tenaga medis bergantung pada kemampuan pendengaran dan pengalaman klinis untuk menganalisa suara organ dalam tubuh. Dengan penggunaan stetoskop akustik konvensional dalam auskultasi memiliki
1
kelemahan, karena tidak memiliki sistem pemrosesan sinyal, maka sinyal akustik yang dihasilkan organ tubuh terdengar seperti apa adanya karena tidak adanya penguatan sinyal. Hal ini seringkali menimbulkan beberapa permasalahan dalam menganalisa sinyal akustik tersebut, antara lain kesulitan dalam mendeteksi beberapa jenis suara dan adanya derau dari luar yang membuat suara hasil auskultasi susah dideteksi[1]. Dengan merekam suara paru-paru menggunakan sebuah instrumentasi berupa stetoskop yang telah dimodifikasi dengan penambahan rangkaian mic condensor, inverting amplifier, High Pass Filter (HPF), Low Pass Filter(LPF) dan rangkaian Penguat Daya melalui jack soundcard terhubung ke PC yang kemudian diolah melalui komputer sesuai dengan yang diinginkan. Hasil akuisisi dan pengolahan sinyal yang didapat tentunya juga lebih baik. Sehingga dengan stetoskop elektronik ini, suara jantung atau paru yang diperiksa dapat direkam dan didengarkan kembali serta dengan pengolahan sinyal yang dilakukan dapat digunakan untuk mengurangi atau menghilangkan derau yang ada sehingga data suara yang didapat akan menjadi lebih jelas[14]. Begitu juga teknologi pengolahan sinyal terus dikembangkan. Salah satu teknologi pengolahan sinyal adalah tapis. Tapis adalah sebuah rangkaian yang dirancang agar melewatkan suatu pita frekuensi tertentu seraya memperlemah semua isyarat diluar pita tersebut. Oleh karena itu tapis dapat digunakan untuk mengurangi atau mereduksi suara jantung dari perekaman suara paru-paru. Tapis digunakan untuk menyaring frekuensi yang diinginkan. Jenis tapis berdasarkan karakteristik tapis, perancangan, keuntungan dan kerugian hasil rancangan, dibedakan menjadi beberapa macam. Dari faktor tersebut, pada penelitian ini dipilih penapisan menggunakan Tapis Butterworth Band Pass dengan alasan mudah dirancang, memiliki nilai redaman yang lebih kecil dibanding tapis jenis lain, seperti chebysev ataupun yang lain. Selain itu karena karakteristik Butterworth memiliki respon Amplitudo yang sangat datar pada band pass dan respon fasanya tidak linier dimana perpindahan fasa dari sinyal yang melewati tapis ini bermacam-macam terhadap frekuensinya. Selanjutnya, dilakukan juga penapisan menggunakan Alih Ragam Wavelet. Dimana salah satu
2
komponen yang dapat diambil dari sinyal suara paru adalah spectrum frekuensinya dengan cara mentransformasikan dari domain waktu ke domain frekuensi sehinga akan didapatkan sekumpulan informasi tentang frekuensi yang terkandung dalam sinyal tersebut. Selain itu dengan penapisan Alih Ragam Wavelet yang dilakukan, dengan didapatkannya nilai koefisien dari masingmasing sinyal dapat digunakan sebagai ekstraksi ciri awal suara paru anak dan dewasa. Selanjutnya dari kedua penapisan yang dilakukan, dibandingkan hasil akhir dari keduanya. Parameter yang digunakan untuk menganalisis hasil penapisan adalah menghitung signal to noise ratio (SNR) dan Mean Square Error (MSE). Dari perhitungan tersebut, akan didapatkan perbandingan nilai SNR dan MSE output masing-masing penapisan. Selain itu, untuk membandingkan hasil suara yang dihasilkan dari proses penapisan dilakukan tes subyektif dari tenaga medis, suara hasil penapisan mana yang terbaik, dengan asumsi suara jantung yang dianggap sebagai derau dapat dikurangi atau direduksi dari suara paru.
1.2
Perumusan masalah Berdasarkan latar belakang didepan, maka dapat dirumuskan permasalahan
dalam penelitian ini adalah perlunya dirancang dan direalisasikan stetoskop yang telah dimodifikasi dengan rangkaian penapisan analog untuk mendapatkan hasil akuisisi yang lebih baik. Pertanyaan penelitian: 1.
Apakah bisa direalisasikan sebuah instrumentasi untuk akuisisi perekaman suara paru-paru berupa stetoskop yang telah dimodifikasi dengan penambahan rangkaian mic condensor, inverting amplifier, tapis analog (HPF, LPF) dan rangkaian penguat daya melalui jack soundcard yang terhubung ke PC?
2.
Bagaimana derau yang berupa suara jantung dapat dikurangi dari akuisisi sinyal suara paru-paru dengan perancangan tapis Butterworth Band Pass dan penapisan dengan Alih Ragam Wavelet?
3
3.
Bagaimana menganalisis kemampuan perancangan tapis Butterworth Band Pass dan
penapisan dengan Alih Ragam Wavelet dalam
mengurangi derau berupa suara jantung dari perekaman suara paruparu?
1.3
Keaslian penelitian Pada penelitian sebelumnya yang terkait dengan realisasi perancangan
stetoskop yang dimodifikasi antara lain telah dibuat pengembangan dan realisasi stetoskop elektronik berbasis PC untuk auskultasi jantung dan pernapasan dimana sinyal suara jantung dan pernapasan diolah menjadi sinyal listrik oleh perangkat keras agar menjadi masukan bagi perangkat lunak pada PC. Perangkat keras terdiri dari rangkaian penguat dan tapis menggunakan Op-Amp 741, serta rangkaian penguat daya menggunakan IC LM 386. Perangkat lunak memiliki kemampuan untuk menyimpan data auskultasi beserta data pasien yang bisa dibuka dan dianalisa kapan saja. Pengembangan perangkat lunak pada PC menggunakan MATLAB[1]. Dengan perancangan yang hampir sama telah dibuat pengembangan stetoskop elektronik dan software analisis auskultasi melalui soundcard ditampilkan di PC. Pada penelitian ini penguatan dengan pre-Amplifier, menguatkan sinyal masukan sampai 28,2 kali. Sedangkan HPF dan LPF akan membentuk BPF. Perangkat lunak dirancang mampu untuk merekam, menyimpan dan menampilkan data rekaman, dan dilengkapi dengan fasilitas berupa database pasien yang data suaranya direkam dan suara jantung atau paru referensi untuk bahan perbandingan[2]. Pada penelitian lain berhasil dihilangkan suara jantung dari suara paru berdasarkan produk multi skala dan prediksi linear. Dengan menggunakan metode produk multiskala untuk koefisien wavelet pada sinyal original untuk mendeteksi bagian-bagian yang masih terdapat suara jantung. Setelah segmen suara jantung diidentifikasi, metode menghilangkannya dari koefisien wavelet pada setiap tingkat dan estimasi adalah dibuat dengan mengunakan 1 set Linear Prediksi filter.
4
Hal ini menunjukkan bahwa jika segmen yang akan diprediksi adalah stasioner, hasil filtering ini seperti bunyi klik yang dapat direkonstruksi kembali dengan menggunakan pendekatan ini. Hasilnya menunjukkan bahwa suara jantung dapat dihilangkan dari suara paru dan tidak menunjukkan gangguan pada komponen utama suara paru. Hasil yang didapatkan adalah baik, secara kualitatif dengan mendengarkan sinyal hasil rekonstruksi, maupun secara kuantitatif dengan analisis spectral[5]. Sedangkan penelitian yang serupa tentang perancangan tapis untuk me reduksi suara jantung dari hasil perekaman suara paru-paru adalah menghilangkan noise suara jantung dari suara pernapasan, telah dirancang sebuah sistem dengan menggunakan Adaptif Noise Cancellation (ANC) dengan algoritma Recursive Least Square atau filter RLS-ANC. Perekaman suara paru-paru diperoleh dari stetoskop yang diteruskan ke mic condensor langsung masuk ke jack soundcard komputer. Pada penelitian ini tahapan awal setelah didapatkan sinyal masukan primer, terlebih dulu membuat sebuah sinyal yag digunakan sebagai input referensi, bentuk lain dari suara jantung. Berdasarkan hasil simulasi yang dilakukan, tapis RLS-ANC ini mampu mereduksi suara jantung yang terdapat pada frekuensi 100-450Hz [3] Pemanfaatan Penggunaan Transformasi Wavelet untuk penapisan telah dilakukan juga untuk memisahkan suara jantung dari suara paru dengan melakukan dekomposisi sehingga didapatkan aproksimasi yang merupakan skala tinggi tetapi komponen sinyal frekuensinya rendah. Dan detail adalah skala rendah tetapi komponen sinyal frekuensinya tinggi. Pada penelitian ini, penapisan dilakukan dengan dekomposisi sinyal menjadi 5 tingkat dengan menggunakan fungsi skala Db orde 4[7] Penelitian lain tentang mencari nilai galat kuadrat rerata (mean square error, MSE) yang terkecil dari sinyal electrocardiography (ECG) untuk selanjutnya dilakukan ekstraksi ciri terhadap isyarat ECG tersebut dengan cara terlebih dulu menentukan tipe wavelet apa yang paling sesuai dengan isyarat ECG dari nilai MSE-nya[8].
5
Pada penelitian ini dirancang sebuah stetoskop yang telah dimodifikasi dengan penambahan rangkaian mic condensor, inverting amplifier, rangkaian HPF dan LPF dan rangkaian penguat daya yang terhubung dengan jack soundcard untuk diolah di komputer. Sehingga suara paru dapat direkam, diperdengarkan kembali yang kemudian dengan pengolahan sinyal yang dilakukan dapat digunakan untuk mereduksi atau mengurangi derau yang ada. Perekaman suara paru-paru adalah berupa suara asli sebelum masuk tapis analog pada rangkaian LPF dan HPF dan perekaman sesudah masuk rangkaian tapis analog. Pengambilan subyek data adalah pada anak-anak dan dewasa kondisi sehat masing-masing pengukuran pada daerah bronchovesicular, dada sebelah kiri. Kemudian hasil sinyal suara jantung yang masuk saat perekaman suara paru-paru akan direduksi atau dikurangi dengan membandingkan perancangan penapisan Butterworth Band Pass dan penapisan dengan Alih Ragam Wavelet. Dari masingmasing perancangan penapisan, analisis hasil perancangan penapisan adalah dengan membandingkan nilai Signal to Noise Ratio (SNR) dan nilai Mean Square Error (MSE). Selain itu dilihat juga hasil pengaruh penentuan orde terhadap performansi penapisan dari bentuk sinyal dan suara yang dihasilkan.
1.4
Tujuan Penelitian Tujuan Penelitian ini adalah : 1.
Merealisasikan sebuah instrumentasi untuk akuisisi perekaman suara paru-paru
berupa
stetoskop
yang
telah
dimodifikasi
dengan
penambahan rangkaian mic condensor, inverting amplifier, tapis analog (HPF, LPF) dan rangkaian penguat daya melalui jack soundcard yang terhubung ke PC. 2.
Mengurangi derau yang berupa suara jantung dari akuisisi sinyal suara paru-paru dengan perancangan tapis Butterworth Band Pass dan penapisan dengan Alih Ragam Wavelet.
3.
Menganalisis kemampuan perancangan tapis Butterworth Band Pass
6
dan penapisan dengan Alih Ragam Wavelet dalam mengurangi derau berupa suara jantung dari suara paru-paru dengan menghitung nilai MSE dan SNR dan dengan melihat bentuk sinyal hasil penapisan. Serta melakukan tes subyektif dengan mendengarkan hasil penapisan yang dilakukan.
1.5
Manfaat Penelitian
Manfaat dalam penelitian ini adalah : 1.
Mampu direalisasikan sebuah stetoskop yang telah dimodifikasi dengan penambahan rangkaian mic condensor, inverting amplifier, tapis analog (HPF, LPF) dan rangkaian penguat daya melalui jack soundcard yang dapat terhubung ke PC. Sehingga suara paru dapat direkam dan didengarkan kembali.
2.
Membantu tenaga medis dalam rangka mendapatkan hasil akuisisi isyarat suara paru yang berkurang dari derau suara jantung dengan perancangan tapis Butterworth Band Pass dan Alih Ragam Wavelet.
3.
Mengetahui kinerja perancangan tapis Butterworth Band Pass dan penapisan dengan Alih Ragam Wavelet yang optimal pada perhitungan SNR dan MSE. Dan sebagai ekstraksi ciri awal suara paru anak dan dewasa.
7
