ELEKTROKARDIOGRAF (EKG) 12 LEAD TAMPIL PC (BIDANG FRONTAL) Dwiky Wicaksono1, Bambang Guruh Irianto2, Syaifudin Lutfi3
ABSTRAK Tes non-invasif yang digunakan untuk mencerminkan kondisi jantung yang mendasarinya dengan mengukur aktivitas listrik jantung dapat dipelajari dengan mencari pola karakteristik pada EKG. Oleh karena itu, diperlukan alat untuk mengetahui bagian penting dari evaluasi awal pasien yang diduga memiliki masalah jantung yang terkait. Dengan jenis penelitian After Only Design, menggunakan alat ukur Osiloskop dan Elektrokardiograf pabrik. Hasil rata-rata pengukuran EKG sebanyak 5 kali menggunakan phantom pada BPM diperoleh error 0.4%, pengaturan sensitifitas diperoleh error 0.33% dan pengaturan kecepatan kertas diperoleh error 0%. Persentase kesalahan diperoleh dari faktor toleransi komponen dan keterbatasan program yang dipergunakan. Menurut “Pedoman Pengujian dan Kalibrasi Alat Kesehatan” DEPKES RI tahun 2001, batas maksimal dalam toleransi kesalahan BPM dan sensitifitas adalah ±5%, sedangkan untuk kecepatan kertas adalah ±2%. Error pada masing-masing parameter masih diijinkan untuk digunakan karena masih kurang dari batas toleransi. Dari hasil yang diperoleh, maka alat EKG dapat dibuat dengan 12 lead meliputi sadapan ekstremitas dan sadapan prekordial sehingga mempermudah operator untuk mendiagnosa kelainan jantung pasien. Kata Kunci : Mikrokontroler, Sinyal Jantung, Elektrokardiograf PENDAHULUAN Latar Belakang Elektrokardiograf (EKG) adalah sebuah alat medis yang digunakan sebagai alat untuk memperoleh informasi seputar kerja jantung manusia melalui prinsip kelistrikan pada jantung. Fenomena fisika tidak selalu direpresentasikan dalam masalah benda-benda mati (fisik), tetapi dapat terjadi pula pada benda-benda hidup (hayati), contohnya adalah pada peristiwa kelistrikan. Salah satu peristiwa kelistrikan yang terdapat pada sistem hayati (hidup) adalah peristiwa kelistrikan pada jantung, yang menghasilkan sebuah sinyal bioelektrik sehingga dapat mengetahui gangguan pada jantung melalui alat elektrokardiograf. Mekanisme sederhana dari alat ini adalah mengukur potensial listrik sebagai fungsi waktu yang dihasilkan oleh jantung (Sudoyo, 2009). Dalam perkembangannya, EKG pernah dibuat oleh Bambang Guruh I. yaitu ECG 12 Lead berbasis ATMEGA. Selanjutnya, dibuat
oleh Rasyidi Nur Aldebaran dan Ahmad Niam Fauzi yaitu Modifikasi Treadmill dengan Pengaturan Kecepatan dan Monitoring EKG Wireless Berbasis PC dimana pengukuran hanya dibatasi pada lead II. Sedangkan, untuk melihat keadaan jantung secara lengkap, dibutuhkan sadapan inferior (lead II, III, aVF), lateral (lead I, aVL, V5, V6), septum (V1 dan V2), anterior (V3, V4) dan aVR (Dwi Sujadir, 2008). Pada modul sebelumnya, elektrokardiograf yang sudah dibuat oleh (Bambang Guruh I., 2015) belum terdapat kalibrasi 1 mV, setting kecepatan kertas, sensitifitas dan pengambilan data Heart Rate masih belum real time. Sedangkan elektrokardiograf yang sudah dibuat oleh (Rasyidi Nur Aldebaran dan Ahmad Niam Fauzi 2015), penyadapan sinyal jantung hanya dibatasi pada lead II. Dalam kondisi seperti ini, user kurang dapat menggunakannya sebagai alat diagnosa kelainan jantung secara lengkap karena tidak terdapat sadapan/ lead I, II, III, aVR, aVL, 1
aVF, V1, V2, V3, V4, V5 dan V6 atau yang biasa disebut sistem 12 lead. Mengacu pada latar belakang permasalahan diatas, penulis ingin mengembangkan dan menyempurnakan EKG dengan sistem yang lebih lengkap yang dikenal dengan istilah EKG 12 lead
4.
Batasan Masalah
Manfaat Teoritis 1. Meningkatkan wawasan / pengetahuan dibidang alat diagnostik khususnya alat sinyal jantung (EKG). 2. Sebagai referensi penelitian selanjutnya
Pada perancangan modul ini, penulis membatasi bagian-bagian yang berkaitan dalam pembuatan alat. Hal tersebut dimaksudkan agar tidak terjadi pelebaran masalah. Adapun batasan-batasan tersebut meliputi: 1. Monitoring yang dilakukan hanya bidang frontal meliputi sadapan bipolar (Lead I, II, III) dan sadapan unipolar (aVR, aVL, aVF) 2. Menggunakan supply tegangan +12V dan -12V. 3. Menggunakan IC multiplexer CD 4051 sebagai sistem switching data. 4. Menggunakan IC mikrokontroler untuk pengolahan datanya. 5. Menggunakan komunikasi serial sebagai pengirim data ke PC. 6. Menggunakan program Delphi untuk interface ke PC. 7. Menggunakan tombol kalibrasi 1 mv. 8. Menggunakan pengaturan kecepatan kertas 25 mm/s dan 50 mm/s. 9. Menggunakan pengaturan sensitifitas 0,5 mv ; 1 mv ; 2 mv.
5. 6.
Membuat rangkaian perangkat lunak mikrokontroler Membuat software menggunakan Delphi untuk tampilan ke PC Melakukan uji coba alat
Manfaat Penelitian
Manfaat Praktis 1. Mempermudah dalam pengoperasian alat 2. Mempermudah pemantauan kondisi jantung METODE PENELITIAN Blok Diagram
Rumusan Masalah “Dapatkah dikembangkan alat EKG 12 lead tampil PC (bidang frontal)?” Tujuan Penelitian Tujuan Umum Dikembangkannya alat diagnostik EKG 12 lead tampil PC (bidang frontal). Tujuan Khusus 1. Membuat rangkaian penyadap aVR, aVL, aVF, Lead I, Lead II dan Lead III 2. Membuat rangkaian switching 3. Membuat rangkaian filter dan penguat
Blok Diagram
2
Diagram Alir Diagram alir sistem
HASIL PENGUKURAN DAN ANALISIS Hasil Pengukuran Test Point 1. Rangkaian HPF 0.05 Hz dan penguatan awal R29 R7
R59
1M 1k
1K
En 1 CON2
-8
J12 CON2
3
1 2
TL081
2
C5
-
1 2
4 5
U17
6
+
R11
7 1
47UF 68K
+8
Rangkaian HPF Diagram Alir Sistem
Diagram alir receiver
Perhitungan untuk penentuan nilai Fc dan penguatan High Pass Filter (EN 1) : 𝑓𝑐 =
1 2𝜋𝑅𝐶
1 2 . 3,14 . 68000 . 47 . 10−6 1 𝑓𝑐 = 20 𝑓𝑐 = 0.05 Hz
𝑓𝑐 =
Diagram Alir Receiver
Diagram Mekanik Sistem
Output menurut teori perhitungan : Xc = 1 / 2 π F C5 = 1 / 2 . 3,14 . 2. 47 . 10-6 = 1 / 5,9 . 10-4 = 1693 Vout = (R11 /( R11 + Xc)) .Vin = (68000/ (68000+1693)) . 1.6 = (1693/69693) . 1.6 mV = 0,976 . 1,6 mV = 1.56 mV 𝑅29 + 𝑅59 𝐴𝑐𝑙𝑠𝑒𝑡 = 𝑅7 500000 + 1000 𝐴𝑐𝑙𝑚𝑎𝑥 = 1000 𝐴𝑐𝑙𝑚𝑎𝑥 = 501 𝑥 Voutset = Acl x Vout = 501 X 1,6 mV = 0.8 V
Perbandingan antara perhitungan dan pengukuran menggunakan input function generator 2Vpp: Diagram Mekanik Sistem
3
C8
33nf
Perbandingan antara pengukuran dan perhitungan High Pass Filter
R70
47k
1.98 Vpp
50 Hz
1.5 Vpp
1.998Vpp
CON2 2
CON2
R67
3
R69
TL081 6
1 2
1.4 Vpp
U18
4 5
5Hz
J13 En 1
7 1
0,0199Vpp 0,182 Vpp 1 Vpp
1 2
Vout hitung
+
Vout ukur 0.008 Vpp 0 Vpp 0.4 Vpp
-
Fin 0.0005 Hz 0.005Hz 0.05 Hz
-8
47k
47k +8 C24 33nf
Gambar 3.2 Rangkaian LPF
4 3
V Out Hitung
2
Vout Ukur
1 0 0.0005 0.005 0.05
5
f (Hz) 50
Hasil output EN 1 dengan input phantom 120 BPM dan setting Amplitudo 1mV pada phantom:
Perhitungan untuk penentuan nilai Fc dan penguatan Low Pass Filter (J 13) : 𝑓𝑐 =
1 2𝜋𝑅𝐶
1 2 . 3,14 . 47000 . 33 . 10−9 1 𝑓𝑐 = 9.7 𝑥 10−3
𝑓𝑐 =
𝑓𝑐 = 102.6 𝐻𝑧
Lead II
= Tinggi x Volt/Div = 1.2x 200mV = 240mV BPM = f x 60 1 = 1.25 𝑥 400 𝑥 10 −3 x 60 = 2 x 60 = 120 BPM
ω / ωc = fin / fc ω = 2 / 102,6 . ωc = 0.0195 . ωc ω4 = 1,4 x 10-7. 0,25 /R4C4 = 0,35 . 10-7 / R4C4 Acl
= 1 / √1 + 4ω4 R4C4 = 1 / √1 + (4 . 0,35 . 10-7R4C4/ R4C4) = 1 / √1 + (1,4 . 10-7) = 1 / √1,00000014 =1/1 =1
Acl 1 Vout
= Vout / Vin = Vout / 1 V =1V
A
2.
Rangkaian LPF 100 Hz Tapis pelewat rendah atau tapis lolos rendah (low-pass filter) digunakan untuk meneruskan sinyal berfrekuensi rendah dan meredam sinyal berfrekuensi tinggi.
Perbandingan antara perhitungan dan pengukuran menggunakan input function generator 1Vpp: Perbandingan antara pengukuran dan perhitungan Low Pass Filter Fin
Vout ukur
Vout hitung
10 Hz 50 Hz 100 Hz
0.8 Vpp 0.8 Vpp 0.6 Vpp
1 Vpp 0.97 Vpp 0.72 Vpp
200 Hz
0.1Vpp
0.25 Vpp
500 Hz
0.05 Vpp
0.042 Vpp
4
= 0.58 V
2 1.5
Perbandingan antara pengukuran dan perhitungan Low Pass Filter Pasif
V Out Hitung
1
Vout Ukur
0.5 0 10
50
100 200 500
Hasil output J 13 dengan input phantom 120 BPM dan setting Amplitudo 1mV pada phantom:
Fin
Vout ukur
Vout hitung
10 Hz 50 Hz 100 Hz
2 Vpp 1 Vpp 1 Vpp
1.82 Vpp 1.34 Vpp 1Vpp
200 Hz
0.4 Vpp
0.68Vpp
500 Hz
0.1 Vpp
0.34Vpp
5 4 3 2 1 0
Lead II
V Out Hitung Vout Ukur
10
50
100 200 500
Hasil output J 107 dengan input phantom 120 BPM dan setting Amplitudo 1mV pada phantom: aVF
A = Tinggi x Volt/Div = 1.2 x 200mV = 240 mV 3. Rangkaian LPF pasif 100 Hz J107 CON2
R103
1 2
1 2
J106 CON2
A = Tinggi x Volt/Div = 0.6 x 1V = 0.6 V
C102 47K 33nf
Rangkaian LPF Pasif
4.
Rangkaian adder dan penguatan akhir
Output menurut teori perhitungan : R16
CON2
1 2
22k 330k J14 CON2
-8
4 5
10K
3
6
1
7 1
R18
U19
+
2
R25 100K
1 2
R17 +8
Vout1 = (Xc /( R103 + Xc)) .Vin = (2411439/(47000+2411439)).0, 6V = (1592356,7 / 1660356,7) . 0,6 V = 0,98 . 0,6 V
R21
10K
J13
-
Xc = 1 / 2 π F C102 = 1 / 2 . 3,14 . 2 . 33 . 10-9 = 1 / 4,15 . 10-7 = 2411439
10K +8
J15 CON1
Rangkaian Adder
5
Hasil output J 14 dengan input phantom 120 BPM dan setting Amplitudo 1mV pada phantom Lead II
Output Osilator Sinus 1 mV (J7)
A = Tinggi x Volt/Div = 2.6 x 500mV = 1.3V 5. Rangkaian Osilator Diferensiator
Sinus
dan
Output Diferensiator (J12)
R9 +5v
OUTPUT
R4
10k 2 1
3 1uF
6
PB2 SW4 EN
7 1
6
CON2
R5 20k
R1 220 D4
J2
R7
R8
LED
+5v 1M CON2
+5v
J8
R3 J5
2 1
J3
C3
33nf
1
R6 1k
1k
J9 1
470k 1 2
Power Bank C4 CON2
CON1
CON1
J6
J10
PROGISP J16 PB5 6 PB6 5 PB7 4 3 VCC 2 1
PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 AREF GND VCC PC7 PC6 PC5 PC4 PC3 PC2 PC1 PC0 PD7
40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21
VCC
33nf 1
VCC
1
J20 CON1
1 2
CON1
IN
RST
1 2
R29 1K
220
PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7
R31
1 2 3 4 5 6 7 8
1K C23 10uF
+
XTAL2
CON1
DATA
PA0 PA1 1 PA2 2 PA3 3 PA4 4 PA5 5 PA6 6 PA7 BLUETOOTH J7
1 2 3 4 5
PD0 PD1 GND VCC
PD1 PD0 GND VCC
PL2303 VCC
AREF
CON2 J9
RESET SW1
1 2 3 4
J6
J12
PORTB J4
Rangkaian kalibrator 1 mV
12M
AREFF
2
1 2
J13 CON1
J3
J2
PD0 CON2 PD1 PD2 PD3 PD4 PD5 PD6 J1 PD7
CON1
CON1
CON1
J18 1 2 3 4 5 6 7 8
J10 1 2 3 4 5 6 7 8 PORTA GND
J11
R2 R34
PB4 PB5 PB7 PB6
Y1 C21 30p
J8
RST
R2 47k
C20 30p
ATMEGA16 VCC
1
1 2
1 2
7 1
-5v
VCC
J7 OUT
1
10k
+5v
1 2
3
LM741 INPUT
+
2
-
R1
1 2
PB3
J4 CON2
1
J11
4 5
U3
J1
PB0(XCK/T0) PA0(ADC0) PB1(T1) PA1(ADC1) PB2(INT2/AIN0) PA2(ADC2) PB3(OC0/AIN1) PA3(ADC3) PB4(SS) PA4(ADC4) PB5(MOSI) PA5(ADC5) PB6[MISO) PA6(ADC6) PB7[SCK) PA7(ADC7) RESET AREF VCC AGND GND AVCC XTAL2 PC7(TOSC2) XTAL1 PC6(TOSC1) PD0(RXD) PC5 PD1(TXD) PC4 PD2(INT0) PC3 PD3(INT1) PC2 PD4(OC1B) PC1(SDA) PD5(OC1A) PC0(SCL) PD6(ICP) PD7(OC2)
1
+5v
PB0 1 PB1 2 PB2 3 PB3 4 PB4 5 PB5 6 PB6 7 PB7 8 RST 9 VCC 10 GND 11 XTAL212 XTAL113 PD0 14 PD1 15 PD2 16 PD3 17 PD4 18 PD5 19 PD6 20
SW3 DN
-5v
J5
IC1 PB1
+
C2 10uF
XTAL1
SW2 UP
3
TL081
2
1
C5
1
-5v
7660
6. Rangkaian Minimum Sistem
U5 1 2
8 7 6 5
4 5
V+ OSC LV VOUT
-
C1 10uF
NC CAP+ GND CAP-
3
J12
1M 1 2 3 4
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
GND VCC
R30 POT
2 PD2 PD3 PD4 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 PD5 PD6 PD7
1
U1
VCC GND 220 R33
LCD GRAPHIC
PORTD
Rangkaian Minimum Sistem
Frekuensi Output perhitungan : 𝑓𝑐 =
1 2𝜋𝑅3 𝐶3
menurut
teori
1 2 . 3,14 . 470000 . 33 . 10−9 1 𝑓𝑐 = 0.097 𝑓𝑐 =
𝑓𝑐 = 10.3 𝐻𝑧
Listing Program AVR while(1) { PORTB.4=0; PORTB.5=1; PORTB.6=1 ; PORTB.7=1 ; lcd_clear(); lcd_gotoxy(0,1); lcd_puts("KALIBRASI"); delay_ms(500); a=read_adc(0); printf("d%dw",a);//ecg delay_us(6500); }
6
Listing Program Delphi procedure TForm1.TerimaLEAD1(Sender: TObject; const Str: String); var dataADC,E:Integer; tegangan:Real; begin val(Str,dataADC,E); if E = 0 then begin tegangan:=(dataADC/1023)*5; tegangan:= (tegangan)+1; if Chart1.Visible = True then begin Chart1.Series[0].AddXY(Chart1.Series[0]. Count,tegangan); memo1.Lines.Add(floattostrf(tegangan,fffi xed,4,3)); label6.Caption:= 'Lead I'; end; end;
Hasil Pengujian Saat dengan EKG recorder
dibandingkan
Pengukuran dan Pengujian Hasil Perbandingan Pembacaan Kertas PC dengan EKG Pabrik : EKG 60 BPM
BPM =
30 BPM
25 mm/s
60 =
1500 KC 1500 25
BPM =
X KC
X 60 = 12.5 X = 750
BPM =
1500 KC
BPM =
X KC
30 =
1500 50
30 =
X 25
BPM =
3000 KC
BPM =
120 =
3000 25
120 =
50 mm/s
240 BPM
120 BPM
X = 750 X KC X 12.5
X = 1500 BPM =
3000 KC
BPM =
240 =
3000 12.5
240 =
SENSITIFITAS (mV)
0.5 1 2
Rasio
Kelemahan/kekurangan sistem 1. Belum dilengkapi penyimpanan untuk proses analisa sinyal EKG. 2. Faktor kesalahan setting sensitifitas masih besar sehingga diperlukan penyempurnaan. 3. Noise frekuensi dari luar masih mempengaruhi dengan sangat mudah. 4. Pada manusia, referensi masingmasing lead yang bermacam-macam perlu penyempurnaan software sehingga pada tampilan mampu tersetting secara otomatis.
X KC X 6.25
X = 1500
Rasio
Perbandingan Hasil dengan EKG Recorder
MODUL
2
1
1 KB 2 KB 4 KB
0.5 KB 1 KB 2 KB
2
1
PENUTUP Kesimpulan 1. Telah dapat dibuat Modul elektrokardiograf 12 lead dengan display grafik sinyal EKG dan nilai Heart Rate pada PC menggunakan software Delphi. 2. Pengiriman data antara modul dan PC menggunakan modul PL2303. 7
3. Menggunakan ATmega32 sebagai pengolah data ADC (pembacaan data ADC dan konversi HR), Timer dan proses komunikasi serial. 4. Saat pasien dalam kondisi tenang sinyal EKG yang ditampilkan di PC bisa stabil, saat pasien melakukan sedikit pergerakan, ditemukan sinyal EKG yan g naik turun dari titik referensi awal. 5. Sinyal yang naik turun disebabkan oleh pergerakan pada subyek atau elektroda yang kurang kontak dengan kulit. 6. Sinyal yang naik turun menyebabkan mikro tidak bisa melakukan pengolahan data untuk menampilkan nilai HR. Saran 1. Pengembangan sistem penentuan referensi agar bisa didapatkan data HR pada saat amplitudo tidak stabil. 2. Pengolahan sinyal pada PC untuk menstabilkan sinyal yang naik turun titik referensinya. 3. Dilengkapi data penyimpanan untuk analisa sinyal EKG. 4. Penyempurnaan pembangkit gelombang kotak untuk menu kalibrasi. DAFTAR PUSTAKA [1]Benson, Harold J (2005). Anatomy and Physiology. New York : Mc Graw Hill [2]Carr, Brown (1981). Introduction to Biomedical Equipment Technology. Englewood Cliffs, NJ : Prentice Hall [3]Coughlin, Driscoll, Herman (1992). Penguat Operasional dan Rangkaian Terpadu Linear = (Operational Amplifiers and Linear Integrated Circuits). Jakarta : Erlangga [4]Goldschalger, Goldman, Dharma Aji (1995). Elektrokardiografi (Electrocardiography : Essentials of Interpretation). Jakarta : Widya Medika
[5]Guyton, Arthur C, Jhon (2008). Buku Ajar Fisiologi Kedokteran Edisi 11. Jakarta : EKG [6]Sudoyo, dkk (2006). Buku Ajar Penyakit Dalam Edisi 4 Jilid 2. Jakarta : FKUI [7]Soekidjo Notoatmodjo (2005). Metodologi Penelitian Kesehatan. Jakarta : Rineka Cipta [8]Sugiyono (2010). Metode Penelitian Kuantitatif Kualitatif dan R&D. Bandung : Alfabeta [9]Sundana Krisna (2008). Interpretasi EKG : Pedoman Untuk Perawat. Jakarta : EGC [10]Syaifuddin (2006). Anatomi Fisiologi untuk Mahasiswa keperawatan. Jakarta : EGC [11]Tarwoto, Aryani Ratna, Wartonah (2009). Anatomi dan Fisiologi Untuk Mahasiswa Keperawatan. Jakarta : Trans Info Media [12]Anonim (2008). Electrocardiogram. http://en.wikipedia.org (diakses Jum’at, 7 Agustus 2015) [13]Anonim (2013), Komunikasi Serial. http://wirelesslechulla.blogspot.com (diakses Minggu, 13 September 2015) [14]Irfan Padoe (2010). Kegunaan EKG dan Cara Merekam EKG. http://www.infokeperawatan.com (diakses Minggu, 5 Oktober 2015) [15]Bambang Guruh Perancangan ECG ATMEGA.
(2015). Berbasis
BIODATA PENULIS Nama NIM TTL Alamat Pendidikan
: Dwiky Wicaksono : P27838013057 : Sidoarjo, 9 Desember 1994 : Jl. Raya Trosobo No.4, Sidoarjo : SMA Kemala Bhayangkari I Surabaya
8
