POLA GELOMBANG OTAK ABNORMAL PADA ELEKTROENCEPHALOGRAPH Yudiansyah Akbar (20213056) Mahasiswa Sekolah Pasca Sarjana, Jurusan Magister Fisika, Institut Teknologi Bandung Abstrak Otak merupakan organ tubuh vital yang menjadi pusat koordinasi dalam tubuh manusia, sehingga apabila otak mengalami kelainan maka akan berpengaruh besar pada kontrol kordinasi pada tubuh manusia. Untuk mempelajari cara kerja serta kelainan pada otak telah dikembangkan berbagai teknologi untuk kebutuhan diagnosa. Salah satu modalitas diagnostik yang bisa digunakan untuk mengetahui aktivitas otak dan kelainan pada otak adalah Electroenchepalograph. Electroenchepalograph merupakan suatu alat yang mempelajari gambar dari rekaman aktivitas listrik di otak. Hasil rekaman dari elektroenchephalograph adalah berupa grafik gambaran aktivitas listrik otak yang biasa disebut dengan elektroenchephalogram (EEG). Hasil analisis EEG pada domain waktu maupun domain frekuensi dapat menunjukkan pola gelombang abnormal pada manusia. Kata Kunci: Electroenchepalograph, analisis hasil rekam EEG, gelombang otak abnormal. 1. Pendahuluan Otak memiliki peranan penting dalam berbagai proses yang terjadi pada tubuh manusia. Hal ini disebabkan karena otak merupakan organ yang berfungsi sebagai pusat kontrol aktivitas dalam tubuh manusia. Otak bekerja menggunakan sistem kelistrikan, yaitu menghasilkan sinyal listrik kecil dalam pola teratur dan disalurkan melalui jaringan sel-sel saraf yang disebut neuron. Perbedaan komposisi ionik pada cairan intraseluler dan ekstraseluler menghasilkan gradien voltase listrik melintasi membran yang disebut potensial membran. Potensial inilah yang direkam oleh elektroenchephalograph. Elektroenchephalograph adalah alat yang didesain untuk mengukur aktivitas listrik otak (pada umumnya dikenal gelombang otak) melalui elektroda yang diletakkan dikulit kepala. Melalui pola gelombang otak pada elektroenchephalograph kita bisa mengetahui aktivitas otak dan menginterpretasikan kelainan atau penyakit yang diderita pasien. Tulisan ini bertujuan untuk mengetahui bagaimana penggunaan dan teknik analisis Elektroenchephalograph dalam menghasilkan pola gelombang otak sehingga dapat diperoleh gambaran karakteristik gelombang otak normal dan gelombang otak abnormal melalui analisis gelombang otak yang telah didapatkan melalui EEG. 2. Teori Dasar 2.1 Sistem Saraf dan Otak Manusia Yang dimaksud sistem saraf adalah semua jaringan neural yang terdapat dalam tubuh, yang terbagi menjadi dua bagian yaitu: a. Sistem saraf pusat Terdiri dari otak, medulla spinalis, dan syaraf perifer. Saraf perifer adalah serat saraf yang mengirim informasi sensoris ke otak atau medulla spinalis (disebut juga saraf afferent), sedangkan
serat saraf yang menghantarkan informasi dari otak atau medulla spinalis ke otot serta kelenjar disebut saraf efferent. b. Sistem saraf otonom Serat saraf ini mengatur organ dalam tubuh, misalnya jantung, usus dan kelenjar-kelenjar. Pengontrolan ini dilakukan dengan tidak sadar. Adapun Otak manusia terdiri atas beberapa bagian dimana setiap bagian memiliki peran terhadap suatu proses pada tubuh. Secara umum otak terbagi menjadi 3 bagian sebagai berikut (Valerie, 2007): 1. Otak Besar Bagian paling besar dari otak manusia adalah otak besar. Otak besar dibagi kepada dua belahan (hemisphere) yaitu kanan dan kiri. Belahan kiri mengatur fungsi tubuh bagian kanan dan begitu pula sebaliknya. Masing-masing belahan otak ini terdiri dari 4 lobus yaitu frontal, pariental, temporal dan occipital. Setiap bagian itu mempunyai fungsi tertentu: a. Lobus Frontal: Tingkah laku, proses berfikir, perhatian berfikir kreatif, emosi, intektual, inisiatif, mengkoordinasi penggerakan, penciuman, pergerakan otot, keahlian motoric, Lobus Frontal memiliki sub-bagian yang bertanggung jawab dengan masing-masing fungsi, yaitu: motor area, pre-motor area, orbifrontal cortex dan prefrontal. b. Lobus Parietal: Penglihatan dan membaca c. Lobus Ocipital, respon terhadap rangsangan internal, sentuhan, fungsi Bahasa, kombinasi sensory dan pemahaman d. Lobus temporal: Pendengaran, music, pengucapan beberapa tindakan dan emosi 2. Otak Tengah Cukup kecil, didepan otak belakang Fungsi: membantu pergerakan mata, menyempit dan melebar pupil, reflex pendengaran, pusat pengendalian dan keseimbangan . serabut saraf yang menghubungkan bagian depan dan belakang otak
3. Otak belakang Otak belakang terdiri dari dua bagian yaitu: a. Otak kecil (cerebellum): bagian terbesar otak belakang berada dibawah lobus occipital. Otak kecil terbagi menjadi belahan kanan dan kiri yang berfungsi untuk pengatur keseimbangan tubuh, sikap dan posisi tubuh serta koordinasi otot ketika sadar b. Jembatan Varol Jembatan varol merupakan saraf penghubung antara otak kecil dan otak besar dan belahan kiri dan kanan dari otak kecil c. Sumsum lanjutan Membentuk bagian bawah batang otak serta menghubungkan jembatan varol dengan sumsum tulang belakang. Sekelompok neuron pada formasi retikular di dalam sumsum lanjutan berfungsi mengontrol sistem pernapasan, dan syaraf kranial yang berfungsi mengatur laju denyut jantung juga berada pada sumsum ini. Selain itu juga berperan sebagai pusat pengatur refleks fisiologi, tekanan udara, suhu tubuh, pelebaran atau penyempitan pembuluh darah, gerak alat pencernaan, dan sekresi kelenjar pencernaan. Fungsi lainnya ialah mengatur gerak refleks, seperti batuk, bersin, dan berkedip. 2.2 Elektroenchephalograph Istilah “Elektroenchephalograph” berasal dari padanan kata elektro yang berarti listrik, ensefalo (encephalo) yang berarti kepala dan graf (graph) yang berarti gambaran, dengan demikian Elektroenchephalograph dapat diartikan sebagai alat yang dapat merekam aktivitas listrik pada otak melalui elektroda yang diletakkan pada kulit kepala. Hasil rekaman dari elektroenchephalograph adalah berupa grafik gambaran aktivitas listrik otak yang biasa disebut dengan elektroenchephalogram (EEG). EEG direkam dengan menggunakan elektrodaelektroda yang biasanya berupa keping Ag-AgCl berukuran 1-3 mm yang direkatkan pada kulit kepala dengan gel atau pasta khusus. Strukturnya terdiri dari metal Ag dikelilingi oleh AgCl yang sedikit larut dalam air sehingga tetap stabil. Elektroda ini kemudian dicelupkan ke dalam bak elektrolit di mana anion elektrodanya adalah Cl- . Ag+ + Cl- ↔ AgCl + 1e- paksi ini mempunyai beda potensial sebesar 0,223 V pada 25 °C. Bila dipakai bahan Cu maka beda potensialnya sebesar 0,34 V (Bahill, 1981) EEG direkam dengan cara membandingkan antar dua tegangan elektroda. Representasi sinyal EEG pada display dapat melalui berbagi cara antara lain: 1. Bipolar Montage Berupa selisih antara dua elektroda yang berdekatan 2. Referential Montage Berupa selisih antara elektroda tertentu dan elektroda acuan yang telah dipilih
3. Average Reference Montage Sinyal dari semua amplifier dijumlahkan dan dirata-ratakan digunakan sebagai acuan umum untuk setiap channel 4. Lapalcian Montage Berupa selisih antar elektroda dan rata-rata dari elektroda sekitarnya. Sesuai dengan teorema nilai rata-rata potensial elektrostatis yang melalui permukaan bola manapun adalah sama dengan nilai yang dimiliki oleh pusat bola asalkan tidak ada muatan yang terkandung dalam bola ( Terdapat beberapa sistem penempatan elektroda EEG diantaranya: 10-20 system, true anterior temporal electrode dan modified 10-20 system. Sistem penempatan elektroda 10-20 mengatur letak titik-titik penempatan elektroda pada kulit kepala dengan menggunakan perbandingan jarak 10% pada elektroda pertama dan terakhir serta interval 20% untuk elektroda lainnya disepanjang garis utama yang dimulai dari pangkal hidung (nasion) hingga benjolan didepan kepala tepa diata leher (inion). Sistem true anterior temporal electrode hampir sama dengan sistem 10-20 dengan menggunakan elektroda tambahan T1 yang ditempatkan antara F7 dan T3 serta elektroda tambahan T2 diantara F8 dan T4, Sedangkan modified 10-20 system selain memberikan elektroda tambahan juga memberikan penamaan ulang pada empat elektroda T3, T4, T5 dan T6 menjadi T7, T8, P7 dan P8 (lihat gambar).
(a)
(b) Gambar 1. Penempatan elektroda EEG. (a) 10-20 system, (b) modified 10-20 system (http://gerstner.felk.cvut.cz)
EEG harus memiliki penguatan yang tinggi dan karakteristik noise yang rendah sebab amplitudo tegangan EEG sangat rendah oleh karena itu digunakan amplifier. Amplifier yang digunakan harus bebas dari interferensi sinyal dari kabel listrik atau dari peralatan elektronik yang lain. Noise sangat berbahaya di dalam kerja EEG karena gelombang elektroda yang dilekatkan pada kulit kepala hanya beberapa mikrovolt ke amplifier. Amplifier digunakan untuk meningkatkan amplitudo hingga beratus-ratus bahkan beribu-ribu kali dari sinyal yang lemah yang hanya beberapa mikrovolt, karena sinyal yang dihasilkan memiliki amplitudo tegangan yang rendah, maka aktivitas pasien pada saat proses perekaman EEG seperti tidur dan berfikir juga sangat mempengaruhi pola gelombang otak yang terbentuk. 2.3 Gelombang Otak Gelombang otak dihasilkan oleh aktivitas neuron di dalam otak manusia, aktivitas neuron ini menghasilkan sinyal listrik sebagai pembawa informasi sensori dan motorik. Gelombang otak merupakan rambatan dari potensial aksi sepanjang wilayah tertentu pada otak dan pada waktu tertentu. Gelombang otak manusia memliki rentang frekuensi dan amplitudo yang bervariasi antara 0-30 Hz dan digolongkan menjadi gelombang delta, theta, alpha dan beta (Alifis, 2011). Setiap gelombang punya karakteristik yang berbeda-beda serta menandakan kondisi mental seseorang sehingga terbagi menjadi beberapa jenis gelombang seperti dibawah ini: 1. Gamma (16 Hz – 100 Hz) Terjadi saat mengalami aktivitas mental yang sangat tinggi. Misalnya: Saat berada di arena pertandingan, sangat panik ketakutan. 2. Beta (12 – 19 Hz) Saat melakukan aktivitas mental yang terjaga penuh Diperlukan ketika otak berfikir, rasional, pemecahan masalah, Gelombang otak beta terbagi menjadi 3: - High Beta (transisi dengan gelombang gamma) - Getaran Beta (15 – 18 Hz) - Low beta (12 – 15 ) 3. Alpha (8 -12 Hz) Saat keadaan relaks, mata tertutup, mulai mengantuk 4. Theta (4 – 7 Hz) Tidur ringan, sangat mengantuk, tidur disertai mimpi 5. Delta (0.5 – 4 Hz) Amplitudo tegangan mencapai 10 mV biasanya dalam keadaan tidur lelap tanpa mimpi, koma, dan keadaan anestesi.
3. Pembahasan 3.1. Prinsip Kerja Elektroenchephalograph dalam Menghasilkan Gelombang Otak Rekaman EEG umumnya melalui elektroda yang diletakkan dikulit kepala. Untuk meningkatkan kontak listrik antara elektroda dan kulit kepala digunakan elektrolit jelly ayau pasta. Sistem penempatan elektroda yang telah ditetapkan secara internasional oleh International Federation on Electroencephalography and Clinical Neurphysiology adalah sistem 10-20 yang dikenal dengan istilah “International Electrode Placement System”( Jan Cepek, 2004). Prosedur perekaman EEG bersifat non-invasif, aman dan tidak menyakitkan. Rekaman sinyal ditransmisikan ke sistem EEG yang terdiri dari elektroda-elektroda, amplifiers, filter dan alat perekaman yang mengukur dan mencatat aktivitas listrik otak (bagan kertas atau monitor komputer). Setiap elektroda dihubungkan ke differential amplifier (satu amplifier untuk sepasang elektroda). Amplifier memperkuat tegangan antara elektroda aktif dan acuan. Tegangan yang keluar dari differential amplifier lalu menuju chanel display melalui kumpulan filter terlebih dahulu. Filter yang tepat dipilih agar dapat menentukan komponen frekuensi dari gelombang otak yang sesuai dalam mendiagnosa penyakit. 3.2 Filter pada EEG Filter pada EEG ini terdiri dari low-pass, highpass, band-pass. Low-pass filter digunakan untuk memblok frekuensi-frekuensi yang terlalu tinggi dari sinyal input. High-pass filter digunakan untuk memblok frekuensi-frekuensi yang terlalu rendah, sedangkan band-pass filter merupakan gabungan dari low-pass filter dan high-pass filter.
Gambar 2. Diagram cara kerja Band-pass filter (All About Circuits Forum, 2012)
Data masukan yang diplot dalam domain waktu, untuk mempermudah dalam menganalisa data tersebut, maka digunakan band-pass filter untuk memecah data menjadi 4 bagian yaitu sinyal alpha, beta, theta dan delta. 3.2 Fast Fourier Transform (FFT) Terakadang kita masih sulit untuk melihat perbedaan aktivitas gelombang yang terjadi pada otak apabila kita menganalisanya pada domain waktu. Oleh karena itu, dalam mengatasinya digunakan fast fourier transform untuk mengubah suatu fungsi dalam domain waktu menjadi fungsi dalam domain frekuensi.
Pada dasarnya transformasi fourier memisahkan suatu fungsi sinyal menjadi beberapa bentuk sinusoidal yang berbeda frekuensi yang apabila dijumlahkan menjadi fungsi sinyal awal. Secara umum dapat didefinisikan dengan persamaan: ∫ ∫ Transformasi fourier menggambarkan suatu sinyal sebagai superposisi linier fungsi sinus dan cosinus yang ditandai dengan nilai frekuensi dimana merupakan fungsi kompleks sinusoidal yaitu inverstransformasi yang diberikan oleh persamaan (Rodrigo Quian, 1999) Bentuk diskrit transformasi fourier sebuah fungsi pada domain waktu didefinisikan dengan rumus: ∑ Dimana: = fungsi transfrorm diskrit frekuensi = sinyal waktu diskrit n = sampel ke-n N = jumlah sampel F = 1/T = sampling interval
Gambar 3. Gelombang yang terbentuk pada domain frekuensi setelah menggunakan fast fourier transformation dimana (a) gelombang alpha (b) gelombang beta (c) gelombang theta (d) gelombang delta (alfi, 2006)
3.3 Karakteristik Gelombang Otak Abnormal pada EEG Berdasarkan analisis gelombang otak yang telah didapatkan melalui EEG, kita dapat mengklasifikasikan karakteristik gelombang otak tersebut kedalam gelombang otak normal dan gelombang otak abnormal . Hasil pemeriksaan EEG menunjukan perbedaan pola gelombang otak sebagai berikut (Jan Nissl, 2006): 1. Normal - Hasil dua sisi otak menunjukkan pola serupa dari aktivitas elektrik - Orang dewasa yang terjaga, EEG menunjukkan gelombang alfa lebih banyak dibanding dengan gelombang beta. - Tidak ada gambaran gelombang abnormal dari aktivitas elektrik dan tidak ada gelombang yang lambat - Jika pasien dirangsang dengan cahaya (photic) selama test maka hasil gelombang tetap normal. 2. Abnormal - Hasil dua sisi otak menunjukkan pola tidak serupa dari aktivitas elektrik - EEG menunjukkan gambaran gelombang abnormal yang cepat atau lambat, hal ini mungkin disebabkan oleh tumor otak, infeksi/peradangan, injuri, strok, atau epilepsi. Ketika seseorang mempunyai epilepsi dengan pemeriksaan EEG ini bisa diketahui daerah otak bagian mana yang aktivitas listriknya tidak normal. Namun pemeriksaan EEG saja tidak cukup, sebab EEG diambil selalu pada saat tidak ada serangan kejang bukan pada saat serangan, karena tidak mungkin orang yang sedang mengalami serangan epilepsi dibawa ke rumah sakit untuk diperiksa EEG. Maka, pemeriksaan EEG harus ditunjang oleh pemeriksaan otak itu sendiri, yaitu melihat gambaran otaknya misalnya dengan teknik foto Magnetic Resonance Imaging (MRI). Jadi EEG dengan sendirinya tidak cukup untuk mendiagnosa penyakit neurology tetapi perlu dengan pemeriksaan yang lain agar hasil diagnosisnya lebih akurat - Berbagai keadaan dapat mempengaruhi gambaran EEG. EEG yang abnormal dapat disebabkan kelainan di dalam otak yang tidak hanya terbatas pada satu area khusus di otak, misalnya intoksikasi obat, infeksi otak (ensefalitis), atau penyakit metabolisme (Diabetik ketoasidosis) - EEG menunjukkan gelombang delta atau gelombang teta pada orang dewasa yang terjaga. Hasil ini menandai adanya injuri otak
-
EEG tidak menunjukkan aktivitas elektrik di dalam otak ( a “ flat/” atau “ garis lurus” ). Menandai fungsi otak telah berhenti, yang mana pada umumnya disebabkan oleh tidak adanya (penurunan) aliran darah atau oksigen di dalam otak. Dalam beberapa hal, pemberian obat penenang dapat menyebabkan gambaran EEG flat. Hal ini juga dapat dilihat di status epilepsi setelah pengobatan diberikan.
Dari perspektif lain, Gelombang otak hasil rekam EEG dikatakan abnormal jika mengandung beberapa hal sebagai berikut (Fisch, 1999): 1. Aktivitas bentuk epileptik menyerupai gelombang tajam (sharp waves), gelombang paku (spike waves), gelombang paku-ombak, gelombang paku majemuk, dan gelombang lambat yang timbul secara paraksimal. 2. Gelombang lambat terjadi saat irama gelombang tidak teratur atau irama gelombang lebih lambat dibanding seharusnya. 3. Kelainan amplitude terjadi pada saat besar tegangan gelombang otak pada daerah yang sama dikedua hemisphere otak tidak simetris. 4. Pola-pola tertentu yang menyerupai pola gelombang normal tetapi terdapat penyimpangan nilai frekuensi, reaktivitas dan distribusi.
Referensi 1.
Bahill, A.T. 1981. Bioengineering : Biomedical, Medical and Clinical Engineering, Prentice-Hall, New Jersey, p. 46- 54
2.
Alifis. 2011. Gelombang Gamma, Beta, Alpha, Tetha dan Delta dalam Otak. (Online). Diakses: 19 Maret 2014. Tersedia di: http://alifis.wordpress.com/2011/06/02/gelomban g-gamma-beta-alpha-tetha-dan-delta-dalam-otak/
3.
Alfi. 2006. Analisis Pola gelombang normal dan abnormal. Tugas akhir Fisika ITB.
4.
Jan Cepek, 2004, Brain computer interface. (Online). Diakses: 14 Mei 2014. Tersedia di: http://gerstner.felk.cvut.cz/biolab/bionika2004/ce pek/bci.html
5.
6.
7.
8.
Gambar 4. Contoh gelombang otak abnormal penderita epilepsi pada EEG (Ratri, 2001)
Pada rekam EEG umumnya pola gelombang abnormal tidak sepenuhnya menggantikan pola gelombang normal melainkan muncul dengan berlatar belakang pola gelombang normal. 4. Kesimpulan Aktivitas kelistrikan pada otak manusia dapat dilihat dan direkam dengan menggunakan suatu alat yang disebut electroenchepalograph. Pola gelombang otak abnormal dapat diamati dari hasil analisis rekam EEG pada pada domain waktu maupun domain frekuensi dengan melihat gejala aktivitas bentuk epileptik menyerupai gelombang tajam (sharp waves), gelombang paku (spike waves), gelombang paku-ombak, gelombang paku majemuk, kelainan amplitudo, ataupun pola-pola lain yang menyerupai pola gelombang normal tetapi terdapat penyimpangan nilai frekuensi, reaktivitas dan distribusi.
All About Circuits Forum, 2012. Band-pass filters. (Online). Diakses: 15 Mei 2014. Tersedia di: http://www.allaboutcircuits.com/vol_2/chpt_8/4. html Quian, Rodrigo. 1999. Quantitative analysis of EEG signals: Time-frequency methods and Chaos theory. Thesis Institute of Physiology - Medical University Lubeck Nissl, J (2006). Electroencephalogram (EEG). (Online). Diakses: 13 Mei 2014. Tersedia di: http://www.webmd.com/epilepsy/electroencephal ogram-eeg-21508 Valerie. 2007. Essentials of Anatomy and Physiology 5th ed - V. Scanlon, T. Sanders (FA Davis, 2007)
