pengolahan sinyal biomedik

7/23/2019 pengolahan sinyal biomedik

http://slidepdf.com/reader/full/pengolahan-sinyal-biomedik 1/16

Abstrak

Jaringan Sensor Nirkabel (Wireless Sensor Network ) telahbanyak diaplikasikan untuk sensing dan monitoring. Salah satuaplikasi sensing adalah di bidang kesehatan, yaitu untuk

pemantauan kesehatan terutama jantung. Pemantauan kesehatan jantung manusia merupakan hal yang penting untuk peningkatkankeselamatan bagi orang yang bekerja,orang-orang yang tinggal di pedesaan, terutama orang yang berusialanjut. Untuk melakukan pemantauan kesehatan jantung manusia,perlu diketahui karakteristik dari aktiftas yang dilakukan olehmanusia, karakteristik kesehatan organ tubuh terutama jantungpada orang sehat dan orang yang sakit, serta ranangan sistempemantauan kesehatan manusia. Pada tugas akhir ini akandiranang dan diimplementasikan sistem yang dapat melakukanpemantauan kesehatan jantung manusia menggunakan jaringan

sensor nirkabel yang dihubungkan dengan suatu inter!ae ke P"# personal computer ) shingga dapat ber!ungsi seperti $"%#electrocardiogram). Pemantauan kesehatan manusia dilakukandengan menempelkan elektrode pada segitiga entho&en tubuh. 'arihasil getaran yang ditimbulkan oleh getaran jantung dapatdiidentifkasi apakah orang tersebut mempunyai jantung yang sehatatau sedang sakit. 'engan demikian pe!orma dari sistem ini diukurdari tingkat akurasi dalam identifkasi kesehatan yang telahdilakukan. Sehingga diharapkan dengan tingkat akurasi yang tinggisistem ini dapat diimplementasikan dan dapat memberikan man!aatbagi kesehatan manusia di masa depan.

(ata (uni wireless sensor network , electrocardiograph, elektrode,*dentifkasi



+. P$N'AUUAN

Upaya di bidang kesehatan untuk terus meningkatkan kapasitaspelayanan terhadap pengguna layanan kesehatan terus berkembang.salahsatu upaya yang saat ini sedang dikembangkan adalah telehealth atau e-health, yaitu pelayanan kesehatan jarak jauh. Secara umum konsep e-health meliputi 5 bagian, yaitu pengambilan data medis dari tubuh pasien,transmisi medis penyimpanan data, analisa medis dan penanganan medis.Dengan adanya teknologi informasi yang sekarang memungkinkan seluruhproses tersebut tidak harus dilakukan secara langsung (bertemu). ada skala

yang paling sederhana telehealth ini bersifat lokal atau hanya menjangkauarea tertentu. !omunikasi data medis dalam e-health adalah ser"er denganperangkat peralatan monitoring yang terpasang pada tubuh pasien. Secaraumum data medis yang ditrannsmisikan meliputi # jenis, yaitu data yangbersifat kontinyu antara lain suara detak jantung dan sinyal detak jantung.Sedangkan data yang bersifat diskrit adalah tekanan darah, suhu tubuh,kadar $# dan %$# serta data-data lain yang diperlukan.

erkembangan teknologi piranti elektronika yang seiring denganperkembangan protokol komunikasi dan informasi berkembang dengan pesatsehingga dibuat suatu sensor yang generasi baru yang murah, akurat danmemiliki daya jangkauan yang lebih luas. Dengan begitu, teknologi deteksi

(sensing) dan pengaturannya kini memiliki potensi untuk berkembangdengan pesat, tidak hanya di bidang ilmu pengetahuan dan teknologi tetapi juga meliputi berbagai bidang secara luas. erkembangan teknologi deteksidi&ujudkan dalam sebuah bentuk jaringan sensor yang menggunakankomunikasi nirkabel sebagai media transmisi datanya yang disebut dengan jaringan sensor nirkabel. Secara umum jaringan sensor nirkabel yang sudahberkembang ini dapat diaplikasikan pada beberapa aspek. 'isalnya sajapada bidang teknik, pemantauan lingkungan, dan pertanian, pada bidangteknik sipil juga banyak digunakan untuk monitoring struktur danpenanggulangan bencana. ahkan pada bidang kesehatan juga banyakdigunakan. 'isalnya saja untuk monitoring kesehatan manusia serta untuk

deteksi penyebaran bahan kimia beracun.Seiring dengan kemajuan dalam teknologi jaringan Sensor nirkabel

yang dihubungkan dengan suatu interface dan % ( personal computer ), sertasemakin berkembangnya e-health sehingga memungkinkan digunakan untukmemantau kesehatan manusia yang jauh dari lokasi.emantauan kesehatan manusia dapat memberikan informasi yang berhargatentang tingkat kesehatan seseorang setiap hari. ireless sensor dapatdigunakan untuk memantau kesehatan sehari-hari seperti kesehatan



jantung. emantauan kesehatan manusia merupakan hal yang penting untukpeningkatkan keselamatan bagi semua orang, baik pekerja atau lanjut usia,terutama pada daerah pedesaan dimana belum terdapat alat untuk deteksikesehatan jantung (elektrokardiogram).

. /$01* P$NUNJAN%

.+ Jaringan Sensor

*eknologi yang terus berkembang sampai hari ini memba&a kita untukmelihat masa depan dari sekumpulan piranti yang memiliki konsumsi dayarendah, dengan integrasi sensor di dalamnya yang berjalan secaraterprogram pada lingkungan +sik secara bersama-sama pada jaringannirkabel. Sensor dapat dide+nisikan sebagai piranti yang menerima danmerespon sinyal atau stimulus. !on"ergensi dari internet, komunikasi, danteknologi informasi, memba&a perkembangan ke dalam dunia sensor danaktuator. Dengan integrasi ketiga hal di atas yang diaplikasikan pada sensorakan memba&a manfaat yang besar bagi umat manusia. 'anfaat ini bukanhanya dapat dirasakan oleh dunia teknologi dan ilmu pengetahuan, tetapi juga kepada aplikasi pada bidang yang lebih luas yang berhubungan dengan

infrastruktur keamanan, linkungan, energi, pangan, proses produksi, dan juga peningkatan kualitas hidup. Selain itu, untuk mengurangi cost danmeningkatkan e+siensi pada dunia industri dan bisnis, jaringan sensornirkabel diharapkan dapat memberi manfaat bagi umat manusia,diantaranya untuk pengendalian panas dan cahaya, penga&asan kesehatan,diagnosa kesehatan pribadi, serta pemonitor kegiatan anak-anak. Sebuah jaringan sensor adalah sebuah infrastruktur yang terdiri dari elemen sensing(pengukuran), komputasi, dan elemen komunikasi yang memberikankemampuan kepada administrator untuk melakukan instrumentasi,obser"asi, dan reaksi terhadap kejadian dan fenomena yang terjadi padasuatu lingkungan yang spesi+k. dministrator dapat berasal dari berbagai

kalangan seperti sipil, pemerintah, sipil, dan juga kalangan industri.ingkungan yang dimaksud dapat berupa dunia secara +sik (bumi), sebuahsistem biologi, atau sebuah lingkungan kerja teknologi informasi. Secaraumum, ilustrasi mengenai aringan Sensor /irkabel, komponen-komponenyang terdapat di dalamnya (nodesensor dan sink ) dapat dilihat pada gambar 0. ada gambar tersebut jugadapat dilihat kemampuan jaringan sensor nirkabel untuk berintregasi dengan



jaringan internet melalui base station, sehingga monitoring dapat dilakukandi mana saja.

. *mplementasi Jaringan Sensor Nirkabel

1mplementasi aringan Sensor /irkabel dibagi menjadi dua bagian,yaitu perangkat keras (hardware) dan perangkat lunak (software). dabeberapa perusahaan yang telah mengembangkan perangkat keras jaringansensor nirkabel, antara lain2 1ntel, %rossbo&, Dust /et&ork, 'illinneal /et,rched 3ock, 4mber, dan lain-lain. erangkat keras yang dipergunakan padapengerjaan tugas akhir ini merupakan produk dari perusahaan %rossbo&.erangkat keras yang diproduksi oleh %rossbo& ini dikembangkan olehUni"ersity of %alifornia erkeley. *erdapat tiga jenis piranti yangdipergunakan yaitu sensorboard, mote, dan gateway . Secara +sik,sensorboard, mote, dan gateway dapat dilihat pada gambar #.

%ambar +. 1lustrasi aringan Sensor /irkabel

dapun penjelasan tentang masing-masing piranti pada gambar # adalahsebagai berikut 2

• Sensorboard merupakan piranti yang menjalankan fungsi sensing.

Setiap sensorboard memiliki kemampuan sensing yang beragam yangnantinya akan digunakan untuk aplikasi yang spesi+k. ada makalahini dipergunakan sensorboard 'D66 yang memiliki port input analogeksternal 0#-bit.



%ambar . 7ard&are S/ (a) Sensorboard, (b) 'ote, (c) 8ate&ay9:

• Mote merupakan unit yang berfungsi sebagai unit pemancar dan

penerima gelombang radio (transceiver ). ada tugas akhir inidipergunakan mote jenis '3#;66 atau yang sering disebut '1%<.

• Gateway merupakan perangkat yang menghubungkan jaringan sensornirkabel dengan jaringan luar. Gateway yang diproduksi oleh %rossbo& juga berfungsi untuk memprogram mote untuk melakukan fungsitertentu. ada makalah ini digunakan gateway '1=66 atau yangsering disebut ethernet programmer .

'engenai perangkat lunak, implementasi yang telah ada adalah *iny$S. *iny$S merupakan sistem operasi opensource yang didesain khusus untuk jaringan sensor nirkabel, yang responsif terhadap input sensor danberorientasi pada event . *iny$S memiliki arsitektur berbasis komponen yangmendukung adanya ino"asi dan implementasi jaringan sensor nirkabel

dengan meminimalisasi ukuran kode yang dibutuhkan sebagaimanakarakteristik jaringan sensor yangmemiliki sedikit memori, sedikit daya, dan proses yang terbatas. *iny$Sdidesain untuk menghasilkan sistem yang hemat energi sehingggamemaksimalkan penggunaan baterai yang terbatas. rinsip kerja yangdigunakan adalah >hurry up and sleep?, artinya proses dilakukan secaracepat dan segera menuju kondisi sleep yaitu kondisi dimana sedangmenunggu kejadian atau event . Dalam kondisi sleep, semua komponen baikhardware maupun software mati (tidak sepenuhnya mati) sampai ada event yang terjadi kembali.

.2 Elektrokardiograph

Elektrokardiograph 'erupakan komponen elektronika sebagai sensorpendeteksi detak jantung yang mampu mendeteksi sinyal pada [email protected] sAd #56 7<. !emampuan sensor ini untuk mendeteksi sinyal yang



sangat kecil, sehingga digunakan untuk mendeteksi segala hal yang terjadiberkaitan dengan kinerja jantung. Sinyal yang dikeluarkan olehelektrokardiograf ini berupa sinyal analog sebesar 6,5 mB sAd ; mB. dapunbentuk +siknya dapat dilihat pada gambar .

%ambar 2. Elektrode, kabel lead dan pengolah sinyalelektrokadiogram

Pengolah Sinyal

Sinyal analog yang dihasilkan oleh elektrokardiogram merupakan sinyal yang

masih interferensi oleh sinyal lain yang ada di dalam tubuh. Untuk itu perlupemisahan sinyal manjadi dua bagian yaitu pertama enguat sinyal alat(mpli+er 1nstrumentasi Sinyal) dan Cilter (lo& pass +lter beserta band reject+lter). Dari hasil olah sinyal tersebut akan diambil sinyal detak jantungnyasaja. Sinyal yang masih lemah ini kemudian di kuatkan dengan mpli+er1nstrumentasi dan akan ditentukan scalingnya. Setelah sinyal diproses dipengolahan sinyal dan dibuat le"el scaling maka data dimasukkan ke D%(nalog to digital con"ertion), dapat juga dengan memanfaatkan D%1nternal dalam mikrokontroller *'ega 55.

.3 /eori Jantung

antung terdiri dari dua bagian pemompaan, secara +sik tersusun paraleltetapi sirkulasi le&atnya darah dipompa secara urutan seri. Setengah bagian jantung sebelah kanan dinamakan jantung bagian kanan yang memompadarah dari arah balik dari sistem. Sirkulasi darah yang melalui paruparudinamakan sirkulasi pulmonari yang mensupplaioksigen dan nutrisi ke sel badan. 7al ini dikenal dengan sirkulasi sistem.

%ambar 3. #a) Sinyal E3S karena gerakan dari dalam "entrikel dan undleranch antung (b) Sinyal 4%8 satu periode dengan &arna yang beda

.3.+ (omponen sinyal jantung



!omponen sinyal jantung yang lebih lengkap akan kita bahas lagi daria&al dengan beberapa &arna supaya bisa dimengertidan difahami. Sinyal jantung yang lengkap dapat dilihat pada gambar ;(a). Sedangkan sinyal jantung dengan &arna dapat dilihat pada gambar F(b). enjelasan tentang

&arna-&arna sinyal jantung2 arna kuning adalah terjadinya fasa isoelectricatau sinyal datar . arna ungu menjelaskan sinyal . arna kuning merahmenjelaskan sinal E. arna biru menjelaskan sinyal 3. arna hijaumenjelaskan sinyal S. arna hitam menjelaskan segment S* (gelombangtubggu setelah repolarisasi dan digunakan untuk diagnosa 'yocardial1nfarction).arna oranye menjelaskan gelombang sinyal * (dari repolarisasi "entricle juga untuk analisa 'yocardial 1nfarction). arna biru tua menjelaskangelombang U yang jarang terjadi.

.3. Sistem sadapan 4 lead

enempatan elektroda pada tubuh yang berkombinasi pada tubuhmanusia yang biasanya ada 5 atau seperti pada gambar 5. 4lektrodasendiri bermacam macam bentuknya. *iap elektroda diberi &arna untkmembedakan letak danmempercepat pemasangan pada pasien. !emudian 4%8 memilih pasanganlead dari elektroda yang terpasang.'acam ead ada yaitu2- ead 1 2 engan !iri () dan lengan kanan ()- ead 11 2 !aki kiri () dan tangan kanan ()- ead 111 2 !aki kiri () dan engan kiri ()

*iga ead tersebut diatas di sebut bipolar yang terkenal dengan nanapostulasi 4intho"en dengan dasar limb lead. ipolar karena selalu adapositif dan negatif. Sebenarnya teori 4intho"en adalah berupa "ectoreintho"en dari lead 1, lead 11 dan lead 111 seperti pada gambar #.0G.

%ambar 5. *empat elektroda pada lengan dan kaki



%ambar 6. Segitiga 4intho"en dan lead

. '$SA*N 'AN *7P$7$N/AS*

Sinyal jantung merupakan sinyal analog yang sangat lemah, olehkarena itu sinyal jantung yang akan dihubungkan ke pin ekspansi analogpada sensorboard 'D66% terlebih dahulu akan diberi penguatan dandi+lter. 1nput single-ended analog yang tersedia ada tujuh channel (6-=).ada channel ini terdapat le"el tegangan minimum yang dapat terbacamelalui channel ini yaitu 6,= mB. rtinya jika ada tegangan mele&ati channelini yang nilainya kurang dari 6,= mB maka D% pada 'D66% akanmembacanyasebagai 6 B. Untuk dapat menghubungkan electrocardiograph ke nodesensor (dalam hal ini melalui sensorboard'D66%), maka sinyal harus dikondisikan sesuai dengan spesi+kasi'D66%. 8ambar 5 menunjukkan skema interfacing antaraelectrocardiograph dengan sensorboard 'D66%. Dalam desain sistem



terlihat pada gambar F, sensorboard 'D66% yang telah terhubungdengan rangkaian electrocardiograph kemudian akan disatukan denganmote melalui konektor 50-pin. !on+gurasi sensorboard dan mote inimembentuk suatu node sensor. Node sensor bertugas untuk melakukansensing dan memberikan report tentang pembacaan analog to digital

converter (D%) ke base station (gateway ) melalui kanal frekuensi radio (3C).Secara spesi+k mote '3#;66 ('1%<) ini mengusung protokol nirkabelHigbee yang merujuk pada standart 1444 6#.05.; dengan frekuensi kerja #,;87<. !omunikasi nirkabel ini dapat berlangsung karena tertanamnya chip%%#;#6 buatan perusahaan %hipcon pada mote '3#;66 ('1%<). %hip inimendukung data rate sampai dengan #56 kbps, selain itu juga memerlukankonsumsi arus yang rendah.

%ambar 8. 1nterfacing electrocardiograph ke Sensor

%ambar 9. Skema Sistem engukuran sinyal jantung

Setelah persiapan dan kon+gurasi selesai dilakukan, maka tahapberikutnya yang dilakukan adalah implementasi sistem. 1mlementasi yangdilakukan berdasarkan pada desain sistem yang telah dibuat sebelumnya.

Sistem diuji dengan memasukkan berbagai macam sinyal. Untuk sinyalpenguji, dipilih sinyal analog yang berasal dari sinyal jantung dan sinyaldigital yang berasal dari pengolahan sinyal jantung dengan mikrokontroler, juga dari baterai. 'etodologi penelitian dapat dilihat pada gambar G.



%ambar :. 'etodologi enelitian

3. ANA*SA 'A/A

Setelah pengambilan data dilakukan, maka langkah berikutnya yangdilakukan adalah analisa data.

3.+ ;alidasi Pembaaan Sensor



!ita menguji apakah hasil pembacaan sensor "alid. Sebagai contoh, kitaakan mempergunakan sinyal D% sebagai sinyal uji. 7asil pembacaan sensorakan dibandingkan dengan pembacaan dari "oltmeter. ada pembacaansinyal D%, tegangan yang dimasukkan ke 'D66% adalah 0,5 "olt. Dan

pada pembacaan "oltmeter, tegangan D% menunjukkan nilai 0,;= "olt.ada 5 data yang diperoleh, nilai pembacaan sensor berkisar antara 0,;0Gsampai 0,; "olt.

3. Pengukuran Sinyalada pengujian sinyal analog jantung yang berasal dari outputelectrocardiograph tidak ditransmisikan dengan sensor, tetapi hasil outputdari elektrocardiograph dilihatdengan osciloscope sebagai pembanding dengan sinyal I sinyal jantung yangditransmisikan dengan sensor. engujian dilakukan pada laki I laki denganumur # tahun. Didapat periode sinyal jantung 0#6 permenit. 7asil

pengukuran sinyal jantung analog pria menggunakan osciloscope dapatdilihat pada gambar 06. Sedangkan pengujian pada perempuan denganumur # tahun didapat periode sinyal jantung 066 permenit. embacaansinyal analog jantung pada perempuan dapat dilihat pada gambar 00.ada pembacaan sinyal digital jantung, sinyal analog jantung yang berasaldari output electrocardiograph tidak ditransmisikan dengan sensor, ataupunlangsung dilihat dengan osciloscope. 7asil output dari electrocardiographyang merupakan sinyal analog terlebih dahulu diubah menjadi digitalmenggunakan mikrokontroler. $utput dari mikrokontroler inilah yang akanmenjadi input dari osciloscope.engujian dilakukan pada # orang, yang pertama adalah laki I laki dengan

umur # tahun. Didapat periode sinyal jantung 0#6 permenit yang keduaadalah perempuan dengan umur # tahun. Didapat periode sinyal jantung066 permenit. erbedaan periode yang didapat bukan karena adanyakesalahan pada alat, tetapi disebabkan karena kondisi jantung yang berbedapada setiap orang. 8ambar sinyal digital jantung pada laki-laki dapat dilihatpada gambar 0#.Sedangkan gambar sinyal digital jantung pada perempuan dapat dilihat padagambar 0.



%ambar +<. embacaan Sinyal analog jantung laki-laki dengan osciloscope

%ambar ++. embacaan Sinyal analog jantung perempuan dengan

osciloscopeDapat kita lihat bah&a pembacaan sinyal digital jantung lebih bagusdibanding dengan sinyal analog. 7al ini dikarenakan pengubahan sinyal jantung menjadi digital oleh mikrokontroler mengalami pengolahan lebihlanjut dengan memberi batasan-batasan terhadap sinyal yang masuk. adisecara keseluruhan sinyal lebih mirip dengan sinyal referensi.

Selanjutnya pengujian dilakukan dengan mentransmisikan sinyal Isinyal jantung tersebut menggunakan sensor nirkabel. engujian pertamadilakukan pada sinyal analog jantung # pasien yang sama seperti pengujiansebelumnya. ada pengukuran sinyal analog jantung yang ditransmisikandengan sensor nirkabel didapatkan bah&a nilai tegangan maksimum adalah

#,5 "olt dan nilai tegangan minimum adalah 6,65 "olt.



%ambar +.embacaan Sinyal digitaljantung laki-laki dengan osciloscope

ada pembacaan sinyal jantung setelah ditransmisikan dengan sensornirkabel sinyal yang didapat tidak berbeda jauh dengan sebelumnya. 7anyasaja terjadi delay yang menyebabkan bentuk sinyal agak tumpul padapuncak pertama. 7al ini dikarenakan adanya proses sampling dan kuantisasisebelum pengiriman.

%ambar +2. embacaan Sinyal digital jantung perempuan denganosciloscope

engujian kedua dilakukan pada sinyal analog jantung # pasien yangsama seperti pengujian sebelumnya. 7asil pengujian dapat dilihat padagambar 0; dan 05.



%ambar +3. embacaan Sinyal analog jantung laki-laki dengan sensornirkabel

%ambar +5. embacaan Sinyal analog jantung perempuan dengan sensornirkabel

ada pembacaan Sinyal digital jantung yang ditransmisikan dengan

sensor nirkabel, dapat kita lihat bah&a pembacaan sinyal digital jantungmengalami delay yang disebabkan kesalahan kuantisasi dan sampling./amun secara umum kita masih dapat melihat dan menyimpulkan bah&asinyal tersebut adalah sinyal jantung. 8ambar 0= dan gambar 0Fmenunjukan plot hasil pengukuran sinyal digital jantung.



%ambar +6. embacaan Sinyal digital jantung laki-laki dengan sensornirkabel

ada pembacaan sinyal-sinyal diatas, terdapat perbedaan periodeantara sinyal yang dibangkitkan dengan sinyal yang terukur. 7al ini terjadikarena adanya delay sinyal antarasinyal yang dibangkitkan dengan sinyal yang terbaca oleh sensor.

%ambar +8. embacaan Sinyal digital jantung perempuan dengan sensornirkabel



5. P$NU/UP

eberapa kesimpulan yang dapat diambil setelah penelitian adalah sebagai

berikut20. *elah dilakukan desain dan implemetasi sistem pemantauan kesehatanmanusia pada jaringan sensor nirkabel dengan didapatkan frekuensisampling maksimum adalah 056 7<

#. !oneksi antara kulit dan elektrode dapat menjadi masalah.. *elah dilakukan pengukuran dengan melibatkan sinyal jantung analog dan

digital pada beberapa orang, dan didapatkan bah&a ada pengaruh antaramote dan gate&ay pada saat transmisi yang menyebabkan terjadinyadelay, namun hasil pengukuran tidak sampai menyimpang jauh tetapi halinimenjadikan sistem kurang akurat.

;. danya delay dikarenakan adanya proses sampling dan kuantisasi data

yang akan ditransmisikan5. !abel antara elektrode dan ecg dapat menimbulkan banyak noise jika

yang digunakan bukan kabel biomedik (kabel khusus ecg)

pengolahan sinyal biomedik

Documents