Bio Signal
Biosignal
1
Bio signal : • SIGNAL adalah pembawa informasi. • INFORMASI : menjelaskan mekanisme fisik/tubuh tertentu saat terjadinya aktifitas sistem. • Signal ini dapat diukur dan dianalisa untuk mengetahui informasi mengenai struktur dan fungsi dari sistem biologi. – Mis : denyut jantung, kontraksi otot, aktifitas otak dll. • Medical diagnostics dari electrocardiogram (ECG) oleh Einthoven (1905) dan electroencephalogram (EEG) oleh Berger (1929).
Biosignal
2
Klasifikasi BIOSIGNAL berdasarkan bentuk fisik • Mekanik : tekanan darah, aliran darah, nystagmus (gerakan mata involuntary), contractability (kemampuan kontraksi), bunyi/suara, tidal air volume (volume udara yg dihirup dan dikeluarkan pada siklus pernafasan) • Termal (temperatur, distribusi temperatur) • Listrik (perubahan tegangan, dapat dilihat pada EEG, ECG dan EMG, kulit) • konduktansi (distribusi tegangan, depolarisasi sel syaraf) • Magnetik (magnetoencephalogram, magnetocardiogram) • Optik (micrographs, X-ray images) • Atom (konsentrasi radioaktif isotop, scintigrams, distribusi aktifitas) Biosignal
3
Klasifikasi berdasarkan dimensi z 1 dimensi (time curve [misal : ECG]) z 2 dimensi (images [misal : distribusi temperatur pada permukaan kulit]) z 3 dimensi (konsentrasi atau volume [misal : kadar O2 dalam darah])
Klasifikasi berdasarkan perubahan sinyal z Analog: kontinyu z Digital: diskrit Biosignal
4
Klasifikasi berdasarkan statistik Deterministic ¾ Periodical: (pengulangan sinyal pada periode waktu yang konstan) ¾ Harmonic: bentuk sinyal yang sinusoidal (ideal, tidak muncul pada biosignal) ¾ Non-harmonic: bentuk karakteristik yang berulang dengan interva tertentu (tekanan darah, ECG) ¾ Non-periodical: evoked potential, wash-out-curves of radio-isotopes
Stochastic (accidental) ¾ Stationary (pengujian statis EEG pada periode waktu yg pendek); ¾ Non-stationary (pengujian dinamis EEG, depolarisasi sel syaraf). Biosignal
5
Analisa bio signal : • Metode dasar analisa signal : penguatan, filtering, digitalisasi, processing dan penyimpanan dapat diterapkan pada analisa bio signal. • Atau dengan menggunakan metode pengembangan utk analisa bio signal. – Signal averaging, wavelet analysis, AI
Biosignal
6
Sinyal Bioelectric : • Sel syaraf dan otot menghasilkan sinyal bioelectric – sbg akibat adanya perubahan elektro-kimia didalam dan antar sel. stimulus sel syaraf
Perubahan permeabilitas membran Biosignal
Action Potential
7
Tubuh manusia terdiri dari trilyunan sel. Sel-sel sistem syaraf yg dikenal sebagai nerve cells atau neurons, bertugas khusus sebagai pembawa "messages" lewat proses electrochemical. Otak manusia mempunyai 100 billion neurons. Neurons ada dalam berbagai bentuk dan ukuran. Ukuran terkecil sekitar 4 micron. Sedangkan sel tubuh yang terbesar mencapai 100 micron. ( 1 micron = l/1000 millimeter!!). Biosignal
8
Persamaan Neuron dengan sel lain dalam tubuh : •Neuron dikelilingi oleh membran sel. •Neuron mempunyai nucleus yang berisi gen. •Neuron terdiri dari cytoplasm, mitochondria dan "organelles“ lain. •Neuron melakukan proses sel dasar seperti sistesis protein dan produksi energi. Perbedaan neuron dengan sel lain dalam tubuh : •Neuron mempunyai percabangan khusus yg disebut dendrites dan axons. Dendrites (input) membawa informasi kedalam sel dan axons (output) membawa informasi keluar sel. •Neuron saling berkomunikasi lewat proses elektrokimia. •Neuron terdiri dari struktur yang khusus (mis : synapses) dan kimiawi (mis : neurotransmitters). Biosignal
9
Klasifikasi neuron berdasarkan jumlah ekstensi Bipolar neurons mempunyai dua ekstensi dari sel bodi (contoh : sel retina, sel olfactory epithelium).
Pseudounipolar cells (contoh: sel dorsal root ganglion). Mempunyai 2 axon. Satu axon menuju ke spinal cord, axon yang lain menuju ke kulit atau otot.
Multipolar neurons mempunyai banyak ekstensi dari sel tubuh. Tetapi setiap neuron hanya mempunyai satu axon (contoh: spinal motor neurons, pyramidal neurons, Purkinje cells). Biosignal
10
Neuron juga diklasifikasikan berdasarkan arah pengiriman informasi. 9 Sensory (afferent) neurons: mengirim informasi dari sensor penerima (kulit, mata, hidung, lidah, telinga) MENUJU central nervous system. 9 Motor (efferent) neurons: mengirim informasi KELUAR dari central nervous system ke otot atau glands. 9 Interneurons: mengirim informasi antara sensory neurons dan motor neurons. Kebanyakan interneurons terletak pada central nervous system.
Biosignal
11
Biosignal
12
Kerja neuron dapat dilihat pada eksperimen pada axon raksasa dari cumi-cumi. Axon ini mulai dari kepala sampai ekor cumi-cumi, dan digunakan untuk menggerakkan ekor cumi-cumi. Besar axon ini berdiameter sekitar 1 mm.
•Neuron mengirim informasi secara elektrokimia. Proses kimia menyebabkan timbulnya sinyal listrik. •Unsur kimia dalam tubuh dimuati oleh muatan listrik, yang disebut "ions." •Ion yang penting dalam sistem syaraf adalah sodium dan potassium (keduanya bermuatan positif 1, +), calcium (muatan positif 2, ++) dan chloride (bermuatan negatif, -). Juga terdapat beberapa molekul protein yang bermuatan negatif. •Sel syaraf dikelilingi oleh membran yang melewatkan beberapa ion dan menolak ion-ion yang lain. Tipe membran seperti ini disebut semipermeable. Biosignal 13
Resting Membrane Potential •Kondisi “rest” adalah saat neuron tidak mengirim sinyal. •Saat neuron dalam kondisi “rest”, didalam neuron relatif lebih negatif dibanding diluar. •Pada kondisi “rest” ini, ion-ion potassium (K+) dapat melewati membran dengan mudah. Ion-ion chloride (Cl-) dan sodium (Na+) lebih sulit dan membutuhkan waktu lebih lama untuk melewati membran. Molekul-molekul protein yang bermuatan negatif (A-) yang berada didalam neuron, tidak dapat melewati membran. •Terdapat semacam pompa yg menggunakan energi untuk mengeluarkan tiga ion sodium dari dalam neuron untuk setiap dua ion potassium yang masuk. •Akhirnya, saat semua setimbang, perbedaan tegangan didalam dan diluar neuron disebut resting potential. •Resting membrane potential dari neuron sekitar -70 mV (mV=millivolt), berarti tegangan didalam neuron lebih kecil 70 mV dibanding diluar neuron. •Pada kondisi “rest”, relatif lebih banyak ion-ion sodium diluar neuron, dan lebih banyak ion-ion potassium didalam neuron.
Biosignal
14
• Magnitude dari equilibrium membrane resting potential diberikan pada suhu tubuh, oleh persamaan Nernst Vm = (RT/nF)ln[K+]e/[K+]i Vm = 0.0615 log10[K+]e/[K+]I • Pada 37 °C (body temperature), dimana •Vm = transmembrane potential dalam millivolts, •R = konstanta gas universal, •T = temperatur absolut dalam K, •n = ion valensi, •F = konstanta Faraday, •[K+]e = konsentrasi extracellular potassium, dan •[K+]i = konsentrasi intracellular potassium. • Typically, [K+]e = 4 mmol/L, [K+]i = 155 mmol/L, dimana menghasilkan Vm = –97.7 mV. • Ion-ion lain seperti Na+ dan Cl– mempunyai efek yang lebih kecil pada resting potential karena permeabilitasnya lebih kecil, sehingga kondisi aktual Vm = – 85.3 mV (Clark, 1998). Tipikalnya, resting potential untuk neuron adalah –70 mV (Campbell et al., 1999). Biosignal
15
Action Potential
•Action potential muncul saat neuron mengirim informasi ke axon, menjauh dari sel bodi. Neuroscientists menggunakan istilah "spike" atau "impulse" untuk action potential ini. •Action potential adalah ledakan/kejutan aktifitas listrik yang ditimbulkan oleh depolarizing current. Hal ini berarti adanya suatu “event” (stimulus) mengakibatkan resting potential bergerak menuju 0 mV. •Saat depolarisasi mencapai -55 mV, neuron akan menembakkan action potential. Ini adalah threshold. Jika neuron tidak bisa mencapai level threshold, tidak akan terjadi action potential. Biosignal
16
•Action potential disebabkan oleh adanya pertukaran ion-ion yang melewati membran neuron. •Stimulus, yang pertama menyebabkan membukanya sodium channel. •Karena banyaknya ion sodium diluar, dan didalam neuron relatif lebih negatif dari diluar, maka ion-ion sodium mengalir deras menuju kedalam neuron. •Sodium mempunyai muatan positif, sehingga neuron menjadi lebih positif dan menjadi ter-depolarisasi. •Butuh lebih lama untuk membukanya potassium channel. Saat terbuka, potassium mengalir deras keluar sel, membalik depolarisasi. Pada saat itu juga, sodium channel mulai menutup. •Hal ini menyebabkan action potential kembali menuju -70 mV (repolarization). Action potential ini sebenarnya menuju dan melewati -70 mV (hyperpolarization) karena potassium channel tetap terbuka lebih lama. Secara bertahap, konsentrasi ion kembali ke Biosignal 17 level “rest” dan sel kembali ke -70 mV.
Na+
Na+
+ + + +
+ +
− − − −
− −
Outside cell + + + Plasma membrane − − − Inside cell
+ + + +
+ +
+ + +
− − − −
− −
− − −
K+ 1
K+ 3
Resting phase Na+
Repolarizing phase Na+
− − − −
− −
− − −
+ + + +
+ +
+ + +
+ + + +
+ +
+ + +
− − − −
− −
− − −
K+ 4
Depolarizing phase 2
+50 (mV)
Membrane potential
2
K+
0
1
Undershoot phase
3 4
−50
−100
t
Peranan voltage-gated ion channels dalam action potential. Nomor yang dilingkari pada action potential berhubungan dengan empat diagram dari voltage-gated sodium dan potassium channel dalam membran plasma (Campbell et al., 1999). Biosignal 18
Action potential • Dihasilkan oleh sel yg dieksitasi, dpt dipancarkan dari satu sel ke sel lain yg berdekatan • jika banyak sel yg dieksitasi akan menghasilkan medan listrik dan memancar/propagasi lewat medium biologis. • Perubahan extracellular potential dpt diukur pada permukaan dari organ atau organisme dng menggunakan elektroda permukaan. – Contoh : ECG, EEG, EMG
Biosignal
19
Perekaman action potential dari nerve axon invertebrata (a) Stimulator elektronik memberikan pulsa arus sesaat ke axon, yang cukup membuat axon tereksitasi. Pencatatan aktifitas ini lewat micropipet. (b) Perubahan artifact direkam lewat ujung micropipet yang dimasukkan membran untuk merekam resting potential. Selang beberapa waktu kemudian, stimulus elektrik dikirimkan ke axon; efek medannya direkam seketika pada daerah pengukuran sebagai stimulus artifact. Action potential kemudian muncul pada axon dengan kecepatan propagasi yang konstan. Periode waktu L adalah latent period atau waktu transmisi dari stimulus ke daerah perekaman. Biosignal
20
V (t) S2
S1
−
+
+
−
R
Reference
Muscle
D
D
S2
Velocity =
V (t) L2
u= L1− L2
t 1 mV
S1 V (t) L1 2 ms
Pengukuran kecepatan konduksi syaraf lewat pengukuran latency dari respon elektrik yang ditimbulkan dalam otot. Syaraf distimulasi pada dua daerah berbeda yang terpisah dengan jarak D . Biosignal
21
Lensa kontak transparan yang terdiri dari satu elektrode, The transparent contact lens contains one electrode, (horizontal section dari mata kanan). Elektrode Referensi diletakkan pada pelipis kanan (right temple). Biosignal
22
Vertebrate electroretinogram
Biosignal
23
