LAPORAN PENELITIAN HIBAH PENELITIAN STRATEGIS NASIONAL Tahun Anggaran 2009
Penerapan Atraktor Bidang Fase Pada Alat Diagnosa Denyut Nadi Untuk Deteksi Dini Kondisi Kesehatan Dr. Ir. Achmad As’ad Sonief, MT Ir. Moch. Aswin, MT. Arif Wahyudiono, S.T., M.T.
Dibiayai Oleh Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan Nasional, Sesuai Dengan Surat Perjanjian Pelaksanaan Hibah Penelitian Strategis Nasional, Nomor : 0174.0/023-04.2/XV/2009, tanggal 31 Desember 2008 dan berdasarkan SK Rektor Nomor : 160/SK/2009, tanggal 7 Mei 2009.
UNIVERSITAS BRAWIJAYA NOPEMBER 2009
RINGKASAN Denyut nadi merupakan fenomena fisiologi yang komplek, dapat diamati dan diukur dalam sistem arterial selama sirkulasi darah. Pengamatan dan pengukuran denyut nadi yang sampai saat ini masih dilakukan dalam domain amplitudo versus waktu belum memberikan informasi optimal. Oleh karena itu perlu pengembangan aspek keteknikan secara mendasar melalui penelitian. Salah satu aspek yang dapat dimanfaatkan dari keteknikan adalah analisis bidang fase yang memberikan wahana baru dalam domain gradien versus amplitudo. Tujuan penelitian ini adalah menerapkan konsep analisis bidang fase melalui diferensiasi data numerik dengan metode beda hingga campuran (mixed finite difference method) pada sistem peralatan berbasis akuisisi data sinyal denyut nadi arteri radialis. Pada riset disini secara khusus bertujuan penerapan atraktor bidang fase dalam diagnostik denyut nadi untuk memprediksi dini kondisi kesehatan tubuh manusia, berdasarkan laju denyut nadi terhadap amplitudo denyut nadi. Konsep ini dapat menampilkan gradien versus amplitudo denyut nadi pada satu layar. Analisis bidang fase yang selama ini hanya digunakan sebagai analisis dan visualisasi dinamika di bidang keteknikan, pada penelitian ini diuji kemampuannya sebagai media yang efisien dan akurat dalam mengeksplorasi informasi pada denyut nadi. Analisis dilakukan secara tayangan sinyal denyut bit to bit dalam suatu bidang fase pada kondisi istirahat dan aktifasi orang sehat/normal serta penerapan pada beberapa sampel orang sakit. Pengamatan juga dicobakan pada 12 titik meridian pada kedua pergelangan tangan. Penelitian dilakukan dalam tiga tahap yaitu tahap pertama yang merupakan penelitian pendahuluan. Tahap kedua dan tahap ketiga merupakan penelitan utama yang membuktikan adanya perbedaan antara kondisi sampel sehat dan kondisi sampel aktifasi, penerapan pada beberapa sampel sakit. Penelitian tahap pertama adalah observasi denyut nadi pada pergelangan tangan secara eksperimen melalui perancangan alat instrumentasi berbasis akuisisi data yang dikopel dengan konsep diferensiasi numerik, serta perancangan alat instrumentasi dengan sensor Pulse Analysis System (PAS). Tahap kedua adalah penerapan alat instrumentasi pada pergelangan tangan sampel normal pada kondisi istirahat. Pada tahap ini dianalisis perilaku dinamik sinyal denyut nadi pada tampilan amplitudo versus waktu dan gradien amplitudo versus amplitudo (atraktor bidang fase). Tahap ketiga adalah penerapan alat instrumentasi pada pergelangan tangan sampel normal setelah mengalami kondisi aktifasi melalui step-test. Pada tahap ini dianalisis perilaku dinamik sinyal denyut nadi pada tampilan amplitudo versus waktu dan gradien amplitudo versus amplitudo. Penerapan juga dilakukan pada beberapa contoh sampel patologis; Aritmia (Ventricular Extra Systole), sesak nafas (Decompensatio Cordis), kelainan katup (Aortic Insufficiency), dan kelainan katup (Mitral Stenosis). Pengamatan dan pengukuran amplitudo denyut nadi sinyal jantung pada pergelangan tangan dilakukan dengan menggunakan sensor film piezo elektrik dan perangkat keras (filter, penguat operational, ADC/Analog Digital Converter, mikro kontroler) yang secara serial ditampilkan pada komputer dengan bantuan perangkat lunak aplikasi. Pengamatan dan pengukuran pada 12 titik meridian dilakukan dengan menggunakan sensor Pulse Analysis System (PAS). Pengukuran denyut nadi dalam domain amplitudo fungsi waktu belum banyak memberikan informasi penting dari aspek fisiologi kardiovaskular, karena tidak dapat memberikan nilai gradien amplitudo denyut
nadi. Dalam upaya mendapatkan gambaran dan nilai gradien amplitudo denyut nadi, pengambilan data dilakukan setiap 20 mili detik selama 30 detik pada setiap sampel. Dari sini diperoleh data numerik yang langsung dapat didiferensiasi dan ditampilkan dalam domain gradien versus amplitudo denyut nadi. Analisis data dilakukan dengan metode analisis sinyal bit to bit dinamik untuk mendapatkan signifikansi perubahan gradien sinyal. Validasi dilakukan dengan perhitungan analisis rata-rata, standar deviasi, regresi dan korelasi. Hasil penelitian terhadap 30 sampel sehat menunjukkan bahwa alat instrumentasi denyut nadi pada pergelangan tangan dapat menampilkan amplitudo versus waktu dan gradien versus amplitudo secara dinamik dengan koefisien regresi kalibrasi 0,9996 dan tingkat kesalahan diferensiasi numerik ± 10-8. Profil gradien versus amplitudo pada atraktor bidang fase dapat digunakan sebagai: penilai perubahan kondisi sinyal yang mengalami aktifasi dan efek pemberian farmakologi. Hasil penerapan pada sampel sakit patologi dapat disimpulkan bahwa atraktor bidang fase sinyal bit to bit memberikan perbedaan informasi yang signifikan antara kondisi sehat/normal dan kondisi sakit. Dengan atraktor bidang fase, penderita Aritmia (Ventricular Extra Systole) memberikan pola dua orbit cukup nyata secara visual dengan Area Under Curve (AUC) lebih tinggi dari pada lingkaran orbit besar dengan AUC, penderita sesak nafas (Decompensatio Cordis) memberikan pola elip yang melebar mendatar, penderita kelainan katup (Aortic Insufficiency) memberikan pola elip yang semakin pipih (tertarik kearah melebar) dengan cekungan pada gradien negatif, penderita kelainan katup (Mitral Stenosis) memberikan pola elips yang melebar dengan ujung pada amplitudo maksimum yang tidak simetri. Perbedaan penderita Aritmia, Decompenatio Cordis dengan penderita kelainan katup Aortic Insufficiency, Mitral Stenosis ditentukan oleh AUC. Prospektif lebih lanjut riset ini adalah peningkatan jumlah populasi pada berbagai kelompok umur dan terutama sampel patologis akan memberikan sebaran data dengan tingkat signifikansi pengukuran bidang fase yang lebih baik, agar dapat digunakan sebagai acuan umum untuk menilai kondisi kesehatan tubuh khususnya patologis kardiovaskular sinyal bit to bit sekaligus bisa digunakan sebagai gold standard. Selain jumlah populasi, melibatkan parameter-parameter penting pada hemodinamik vaskular akan dapat memberikan kemanfaatan informasi lebih dalam menilai aspek fisiologi kardiovaskular. Perlu diwujudkan dengan membangun prototipe pelatan yang kompak sehingga alat deteksi dini dalam bentuk Digital Pulsewave Phase Plane Analysis (DPPPA) sebagai alat diagnostik early warning bagi kesehatan secara menyeluruh dapat diterapkan pada masyarakat luas. Pengembangan praktis lebih lanjut pada alat instrumentasi memerlukan kajian pada beberapa sensor, komponen elektronik, dan metode numerik, serta pemanfaatan dengan teknologi informasi, sehingga didapatkan suatu alat instrumentasi baru berbasis bidang fase yang lebih informatif, praktis, andal dan murah. Kata-kata kunci : denyut nadi, bidang fase, titik meridian, akuisisi data.
SUMMARY Arterial pulse represents a complex physiological phenomenon observed and measured in the arterial system during blood circulation. Recently arterial pulse’s observation and measurement usually conducted within amplitude versus timing domain seem less optimum. It needs fundamental development in engineering aspects, one by research. One engineering aspect to consider relates to phase plane analysis to produce new mode of gradient versus amplitude domain. The research aims at applying the concept of phase plane analysis into numerical data differentiation by using mixed finite difference method in the radial artery pulse data acquisition based instrumentation system. At research particularly aims at applying phase plane atractor in diagnostic pulse to predict early condition of human body health, base on pulse rate to pulse amplitude. Analysis is conducted in visual signal of beet to beet in a phase plane at rest condition and activity healthy/normal people and applying at some patology samples. Perception is also tried at 12 meridian dots on the two wrist. Research involves three stages. First stage refers to preliminary research. Second and third stages become main research to clarify the difference between healthy sample and activated sample, and its application at sick persons. First stage research experimentally observes arterial pulse in the wrist of normal sample by data acquisition based instrumentation coupled with numerical differentiation concept and also to design intrumentation tool by Pulse Analysis System (PAS) sensor. Second stage utilizes the instrumentation on the wrist of normal sample at rest. The stage analyzes dynamic behavior of arterial pulse signal in the appeal of amplitude versus timing and amplitude gradient versus amplitude (phase plane attractor). Third stage also applies the instrumentation on the wrist of normal sample but after activated condition through step-test. This stage also analyzes dynamic behavior of arterial pulse signal in the appeal of amplitude versus timing and amplitude gradient versus amplitude. The application focuses on patology samples; Arrhythmia (Ventricular Extra Systole), tight breath (Decompensatio Cordis), valve disorder (Aortic Insufficiency), and valve anomaly (Mitral Stenosis). Observing and measuring arterial pulse amplitude on the wrist requires using electric piezo film sensor and several hardwares (filter, operational amplifier, ADC/ Analog Digital Converter, micro controller) that serially appeared on computer with the support of application software. Observing and measuring 12 meridian points using Pulse Analysis System (PAS) sensor. Arterial pulse measurement in the timing function amplitude domain has not given favorable information viewed from cardiovascular physiology aspect because it doesn’t produce required arterial pulse amplitude gradient value. To obtain visualization and arterial pulse amplitude gradient value, data collection passes through 20 milliseconds and 30 seconds for each sample. This process directly results in numerical data with capability of differentiation and appearance in the arterial pulse’s gradient versus amplitude domain. Data analysis calls for dinamic beet to beet signal method to obtain gradien significant signal Validation needs measuring average analysis, deviation standard, regression and correlation. Results of research on 30 healthy samples indicate that arterial pulse instrumentation on the wrist shows dynamic amplitude versus timing and gradient versus
amplitude with coefficient regression 0,9996 and significant level of numerical differential ± 10-8. The profile produced from gradient versus amplitude in phase plane attractor may be used as: assessor change of signal in actifation and effect farmacology. Taking evidence for measurement performance at phase plane involves comparing amplitude measurement and phase plane measurement. The differences between areas Result of comparing phase plane attractor and amplitude measurement provides improved arterial pulse measurement performance in sensitivity and specificity. The application against four sick samples concludes that phase plane attractor produces significant different information between healthy/normal sample and sick sample. Through this phase plane attractor, the patient with Arrhythmia (Ventricular Extra Systole) visually displays relatively apparent two orbital patterns : small orbital than big orbital. Those with tight breath (Decompensatio Cordis) emphasizes flat widened elliptic pattern. Patient with valve disorder (Aortic Insufficiency) grows thinned elliptic pattern (pulled into wide) with concave at negative gradient. Those with valve anomaly (Mitral Stenosis) exhibits widening elliptic pattern with asymmetric edge of maximum amplitude. The difference between Arrhythmia, Decompensatio Cordis (DC) and patient with valve disolder Aortic Insufficiency (AI), Mitral Stenosis (MS) has been determined by Area Under Curve (AUC) : Arrhythmia and DC whereas AI and MS . The difference between patient with valve disolder AI and MS has been determined by AUC. Further prospective of this research covers greater number of population based on age group, and especially pathologic samples. Research may distribute the data at better significance rate of phase plane measurement to be used generally as a guide to assess cardiovascular pathologic condition or as gold standard. In addition to population rate, research also brings along important parameters at vascular hemodynamic to give deep information benefit in assessing cardiovascular physiological aspect. The prototipe device must be built as a early detection device in The Digital Pulsewave phase Plane Analysis (DPPPA) to be used as “early warning” all healty of person. Further practical development for this instrumentation needs a review on several sensors, electronic components, and numerical methods, like information technology utilization to ascertain the latest phase plane based instrumentation tool which becomes more informative, practical, reliable, and cheaper device. Key words : Pulse, Phase Plane, Meridian Points, Data Acquisition.
DAFTAR PUSTAKA
Burton T.D., 1994, Introduction to Dynamic System Analysis, McGraw-Hill Book Co, Singapore. Hoffmann Klaus A., 1989, Computational Fluid Dynamic For Engineerings, Engineering Education System, USA. Jay N. Cohn; Stanley Finkelstein; Gary McVeigh; Dennis Morgan; Lisa LeMay; Jennifer Robinson; James Mock, 1995, Noninvasive Pulse Wave Analysis for the Early Detection of Vascular Disease, American Heart Association, Inc., Hypertension. 1995;26:503-508. John R Cockcroft and Ian B Wilkinson, 2002: Arterial stiffness and pulse contour analysis: an age old concept revisited Clinical Science 103, 379-380. Jong-jin Lee, Min-suk Jeong, Sung-ha Hwang, Jong-Hyun Lee), Sun-Kyu , 2001, Development of a Radial Artery Pulse Wave Transducer For Diagnosis of Human Body Constitution, Kwangju 500-712, Korea, Proceedings of the 32nd ISR(International Symposium on Robotics), 19-21 April 2001. Lau Elizabeth O. Y. and Allen T. Chwang, Fellow, 1998, Relationship between Wristpulse Characteristics and Body Conditions, ASCE Department of Mechanical Engineering, The University of Hong Kong. Lau, Elizabeth OY; Tse, Hung-Fat ; Chan, Raymond HW ; Chen, Wai-Hong ; Lee, PuiYin ; Lee, Stephen WLa; Chwang, Allen T ; Lau, Chu-Pak ., 2006, Prediction of aortic augmentation index using radial pulse transmission-wave analysis (Abstract). Lippincott Williams & Wilkins, Inc., Journal of Hypertension. 24(4):723-730, April 2006. McConnell Kenneth G., 1995, Vibration Testing (Theory and Practice), John willey & Sons, Inc. USA. O’Rourke, MF, Lei, J, Gallagher, DE and Avolio, AP 1995: Determination of the ascending aortic pressure wave augmentation from the radial artery pressure pulse contour in humans [abstract]. Cirulation, 92: pp. 745. O’Rourke, Michael, Alfredo Pauca, Xiong-jing Jiang, 2001, Pulse Wave Analysis, Backwell Scien Ltd Br J Clin Pharmacol, 51, 507-522.
Sonief A. Achmad, Djanggan Sargowo, M. Aris Widodo, ING Wardana, 2007, Dynamic Behavior and Radial Artery Pulse Performance in Phase Plane, International AsiaLink Converence, October, 23-24 , 2007, Jakarta-Indonesia. Sonief A. Achmad, 2007, Fenomena Dinamik Sinyal Denyut Nadi Arteri Radialis Pada Atraktor Bidang Fase, Seminar Nasional TEKNOIN ISBN: 979-756-061-7, Yogyakarta, 10 November 2007. Watt, JR., Thomas B. and Charles S. Burrus, 1976, Arterial Pressure Contour Analysis for Estimating Human Vascular Properties, Journal of Applied Physiology: volume 40. No. 2. February 1976. Zeng Jing, 1998, Nonlinear Oscillations and Chaos in A Railway Vehicle System, Chinese Journal of Mechanical Engineering, National Traction Power Laboratory, Southwest Jiaotong University. No. 3 september 1998.
