SISTEM DETEKSI OBSTRUCTIVE SLEEP APNEA (OSA)

MENGGUNAKAN INTERVAL RR ELEKTROKARDIOGRAM

DENGAN JARINGAN SYARAF TIRUAN

Disusun oleh :

AIDA NOOR INDRAWATI

M0212009

SKRIPSI

PROGRAM STUDI FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

November, 2016

i

SISTEM DETEKSI OBSTRUCTIVE SLEEP APNEA (OSA)

MENGGUNAKAN INTERVAL RR ELEKTROKARDIOGRAM

DENGAN JARINGAN SYARAF TIRUAN

Disusun oleh :

AIDA NOOR INDRAWATI

M0212009

SKRIPSI

Diajukan untuk memenuhi sebagian

persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains

PROGRAM STUDI FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

November, 2016

ii

HALAMAN PERSETUJUAN

SKRIPSI

Sistem Deteksi Obstructive Sleep Apnea (OSA) Menggunakan Interval RR

Elektrokardiogram dengan Jaringan Syaraf Tiruan

Oleh:

AIDA NOOR INDRAWATI

M0212009

iii

HALAMAN PENGESAHAN

Skripsi dengan judul : Sistem Deteksi Obstructive Sleep Apnea (OSA)

menggunakan Interval RR Elektrokardiogram dengan

Jaringan Syaraf Tiruan

iv

PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “Sistem Deteksi

Obstructive Sleep Apnea (OSA) menggunakan Interval RR Elektrokardiogram

dengan Jaringan Syaraf Tiruan” adalah hasil kerja saya berdasarkan arahan dari

pembimbing saya. Sampai saat ini, menurut sepengetahuan saya, isi dari skripsi

saya tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau

materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas

Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya, jika ada maka telah dituliskan di

daftar pustaka skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua pihak telah ditulis

di bagian ucapan terimakasih. Isi skripsi ini boleh dirujuk atau difotokopi secara

bebas tanpa harus memberitahu penulis.

Surakarta, 29 Oktober 2016

Aida Noor Indrawati

v

MOTTO

“Tidak ada yang mustahil, semuanya adalah mungkin jika engkau yakin kepada

Allah”

(Asadullah Al-Faruq)

“Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan”

(QS. Al-Insirah:7)

“Allah akan meninggikan orang-orang yang beriman di antaramu dan orang-

orang yang diberi ilmu pengetahuan.”

(QS.Al-Mujadalah:11)

“Musuh yang paling bahaya di atas dunia ini adalah penakut dan bimbang.

Teman yang paling setia, hanyalah keberanian dan keyakinan yang teguh”

(Andrew Jackson)

“Banyak kegagalan dalam hidup ini dikarenakan orang-orang tidak menyadari

betapa dekatnya mereka dengan keberhasilan saat mereka menyerah”

(Thomas Alva Edision)

vi

PERSEMBAHAN

Dengan memanjatkan syukur kepada Allah SWT

Saya persembahkan karya ini kepada :

Bapak, Ibu dan kakak tercinta terima kasih atas doa dan pengorbanan yang

selalu mengiringi setiap langkahku, selalu memberikan semangat untuk tetap

sabar, tegar dan istiqomah dalam menghadap kehidupan ini.

Teruntul keluarga, sahabat dan teman-teman yang tidak bisa saya sebutkan

satu persatu, terimakasih atas do’a, dukungan serta motivasi yang diberikan

selama ini.

vii

SISTEM DETEKSI OBSTRUCTIVE SLEEP APNEA (OSA)

MENGGUNAKAN INTERVAL RR ELEKTROKARDIOGRAM DENGAN

JARINGAN SYARAF TIRUAN

AIDA NOOR INDRAWATI

Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Sebelas Maret

ABSTRAK

Pada penelitian ini telah dibuat sebuah rancangan sistem untuk deteksi

Obstructive sleep apnea (OSA) dengan parameter interval RR. Klasifikasi yang

digunakan dengan metode JST backpropagation yang diimplementasikan

menggunakan perangkat lunak MATLAB. Tahapan pada penelitian ini antara lain

persiapan perangkat lunak, pengumpulan data, ekstraksi fitur, pelatihan JST,

pengujian JST dan penentuan kinerja. Tahap pelatihan dilakukan dengan

menggunakan data sebanyak 10% sedangkan tahap pengujian sebanyak 90% dari

total keseluruhan data. Pada penelitian ini dilakukan variasi fitur statistik dan

variasi panjang segmen. Hasil terbaik dari rancangan sistem ini yaitu yang

menggunakan fitur gabungan RRmed dan RRave dengan panjang gelombang 90

denyut. Hal tersebut ditunjukkan dari hasil kinerja JST yang memiliki kinerja

paling baik. Kinerja JST berupa sensitifitas, spesifisitas dan akurasi berturut-turut

sebesar 95.02%, 98.23% dan 97.81%.

Kata kunci : OSA, JST backpropagation, interval RR

viii

DETECTION SYSTEMS OBSTRUCTIVE SLEEP APNEA (OSA)

ELECTROCARDIOGRAM RR INTERVAL BY USING ARTIFICIAL

NEURAL NETWORK

AIDA NOOR INDRAWATI

Physics Departement, Faculty of Mathematics and Natural Sciences,

Sebelas Maret University

ABSTRACT

In this research has created a design system for the detection of obstructive sleep

apnea (OSA) with the RR interval parameter. The classification used by

backpropagation ANN method is implemented using MATLAB software. Stages

in this study include preparation software, data collection, feature extraction,

training JST, JST testing and determination of performance. The training stage is

done by using the data as much as 10% while the testing stage as much as 90% of

the total data. In this research, a variety of features and statistical variation in the

length of the segment. The best result of the design of this system is that using the

combined features RRmed and RRave with a wavelength of 90 beats. This is

shown from the results of the performance of ANN, which has the best

performance. ANN's performance in the form of sensitivity, specificity and

accuracy, respectively for 95.02%, 98.23% and 97.81%.

Keywords: OSA, ANN backpropagation, RR interval.

ix

KATA PENGANTAR

Syukur Alhamdulillah penulis panjatkan atas kehadirat Allah SWT, yang

telah memberikan rahmat serta kemudahan sehingga dapat menyelesaikan skripsi

ini yang berjudul “Sistem Deteksi Obstructive Sleep Apnea (OSA) menggunakan

Interval RR Elektrokardiogram dengan Jaringan Syaraf Tiruan”. Shalawat serta

salam semoga tercurah kepada Rosulullah SAW, keluarga, sahabat, serta

umatnya yang senantiasa istiqomah.

Skripsi ini tidak akan selesai tanpa adanya bantuan dari banyak pihak,

karena itu penulis menyampaikan terima kasih kepada :

1. Bapak Dr. Fahru Nurosyid, S.Si., M.Si. selaku Kepala Program

Studi Fisika Fakultas MIPA Universitas Sebelas Maret Surakarta.

2. Bapak Nuryani, S.Si., Ph.D. selaku pembimbing I yang telah

meluangkan waktu, pikiran, dan tenaga untuk membimbing dan mengarahkan

dengan penuh kesabaran selama penyusunan skripsi ini.

3. Bapak Artono Dwijo Sutomo S.Si, M.Si. M.M selaku pembimbing

II yang telah banyak memberikan masukan dalam perbaikan skripsi ini.

4. Ibu Prof. Dra Soeparmi, MA,Ph.D selaku Pembimbing Akademik

yang telah membimbing dengan sabar dan selalu memberi nasehat selama

masa studi penulis.

5. Ibu dan Bapak yang saya sayangi yang telah memberi bimbingan,

doa, semangat, dan biaya yang telah engkau berikan.

6. Teman-teman group riset (Mbak Rani, Mbak Ana, Mbak Nistya,

Mas Dibya, Mas Arief, Mas Eka, Mas Kemas, Rendy, Trio dan Bintang)

terimakasih atas bantuannya dalam penyelesaian skripsi ini.

7. Sahabat-sahabatku di kampus (Mbak ulul, Aprilia, Shilmi, Maura,

Ovi, Aninda dan Rije) terima kasih untuk bantuan, motivasi dan semangat

kalian semua selama ini.

8. Teman-teman fisika angkatan 2012 terima kasih atas segala

kebersamaannya.

x

Semoga Allah SWT membalas atas semua jerih payah dan pengorbanan

yang telah diberikan, dengan balasan yang lebih baik. Aamiin.

Penulis menyadari akan banyaknya kekurangan dalam penulisan skripsi ini.

Namun demikian, penulis berharap semoga karya kecil ini bisa bermanfaat bagi

pembaca.

Surakarta, 29 Oktober 2016

Aida Noor Indrawati

xi

PUBLIKASI

Sebagian skripsi saya yang berjudul “Sistem Deteksi Obstructive Sleep

Apnea (OSA) menggunakan Interval RR Elektrokardiogram dengan Jaringan

Syaraf Tiruan” telah dipublikasikan pada Repository FMIPA UNS.

xii

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL .................................................................................................. .i

HALAMAN PERSETUJUAN ................................................................................. ii

HALAMAN PENGESAHAN ................................................................................. ..iii

HALAMAN PERNYATAAN ................................................................................. ..iv

HALAMAN MOTTO .............................................................................................. ...v

HALAMAN PERSEMBAHAN .............................................................................. ..vi

HALAMAN ABSTRAK .......................................................................................... .vii

HALAMAN ABSTRACT ....................................................................................... viii

KATA PENGANTAR .............................................................................................. ..ix

HALAMAN PUBLIKASI ........................................................................................ ..xi

DAFTAR ISI ............................................................................................................. xii

DAFTAR TABEL .................................................................................................... xiv

DAFTAR GAMBAR ................................................................................................ .xv

DAFTAR SIMBOL .................................................................................................. xvi

DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................................ xvii

BAB I. PENDAHULUAN

I.1. Latar Belakang masalah ................................................................................ ..1

I.2 Batasan Masalah ............................................................................................ ..3

I.3 Perumusan Masalah ....................................................................................... ..3

I.4 Tujuan Penelitian ........................................................................................... ..3

I.4 Manfaat Penelitian ......................................................................................... ..4

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

II.1. Sleep Apnea ................................................................................................. ..5

II.1.1. Obstructive Sleep Apnea ................................................................. ..5

II.1.2. Central Sleep Apnea ....................................................................... ..6

II.2. Hubungan OSA dengan Penyakit Jantung .................................................. ..7

II.3. Anatomi Jantung ......................................................................................... ..8

II.3.1. Dinding Jantung .............................................................................. ..8

II.3.2. Ruang Jantung ................................................................................. ..8

II.3.3. Katup Jantung ................................................................................. ..9

II.4. Sistem Konduksi Jantung ............................................................................ .10

II.5. Elektrofisiologi Jantung .............................................................................. .11

II.6. Polisomnografi ............................................................................................ .13

II.7. Elektrokardiogram ....................................................................................... .14

II.7.1. Jenis Jenis Gelombang, Interval dan Segmen EKG ....................... .15

II.8. Jaringan Syaraf Tiruan (JST) ..................................................................... .17

II.8.1. Perceptron ...................................................................................... .20

II.8.2. Backpropagation ............................................................................. .21

II.9. MATLAB .................................................................................................... .23

BAB III. METODOLOGI PENELITIAN

xiii

III.1. Tempat dan Waktu Penelitian .................................................................... .25

III.2. Alat dan Bahan ........................................................................................... .25

III.2.1. Alat Penelitian .............................................................................. .25

III.2.2. Bahan Penenlitian ......................................................................... .25

III.3. Metode Penelitian ..................................................................................... .25

III.3.1. Persiapan Software ........................................................................ .26

III.3.2. Pengumpulan Data ......................................................................... .27

III.3.3. Ekstraksi Fitur ............................................................................... .27

III.3.4. Pembentukan Jaringan Syaraf Tiruan (JST) ................................. .30

III.3.5. Pelatihan Jaringan Syaraf Tiruan (JST) ........................................ .31

III.3.6. Penentuan Kinerja.......................................................................... .33

BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

IV.1. Data EKG ................................................................................................... .35

IV.2. Hasil Ekstraksi Fitur EKG ......................................................................... .36

IV.3. Pelatihan JST ............................................................................................. .40

IV.3.1. Variasi Fitur Statistik..................................................................... .41

IV.3.2. Variasi Panjang Segmen ................................................................ .43

IV.4. Penentuan Kinerja JST .............................................................................. .45

IV.4.1. Variasi Fitur Statistik..................................................................... .45

IV.4.2. Variasi Panjang Segmen ................................................................ .46

BAB V. PENUTUP

V.1. Kesimpulan ................................................................................................. .48

V.2. Saran ............................................................................................................ .48

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................... .49

LAMPIRAN ...............................................................................................................53

xiv

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 2.1. Fase-Fase pada Siklus Depolarisasi-Repolarisasi ............................. .11

Tabel 3.1. Persamaan yang Digunakan dalam Fitur Statistik RR ...................... .29

Tabel 3.2. Representasi dari Keluaran JST yang Diharapkan ............................ .31

Tabel 4.1. Jumlah Data OSA dan Normal Masing-Masing Pasien .................... .35

Tabel 4.2. Rata-rata variasi fitur untuk Normal dan OSA...................................37

Tabel 4.3. Hasil Kinerja pada Pelatihan JST dengan Variasi Fitur Statistik ...... .41

Tabel 4.4. Hasil Kinerja pada Pelatihan JST dengan Variasi Panjang Segmen . .43

Tabel 4.5. Hasil Penentuan Kinerja JST dengan Variasi Fitur Statistik ............ .45

Tabel 4.6. Hasil Penentuan Kinerja JST dengan Variasi Panjang Segmen ........ .46

xv

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1. Perbedaan OSA dengan Normal ................................................... ..6

Gambar 2.2. Hubungan OSA dengan Penyakit Jantung ................................... ..7

Gambar 2.3 Anatomi Jantung .............................................................................. ..8

Gambar 2.4 Kurva Aksi Potensial ..................................................................... .12

Gambar 2.5 Pemeriksaan Polisomnografi ......................................................... .13

Gambar 2.6 Gelombang EKG ........................................................................... .15

Gambar 2.7 Single Layer ................................................................................... .19

Gambar 2.8. Multilayer ..................................................................................... .20

Gambar 2.9 Sistem Propagasi Balik .................................................................. .21

Gambar 3.1. Skema Utama Penelitian ............................................................... .26

Gambar 3.2. Rancangan Sistem......................................................................... .26

Gambar 3.3 Diagram Alir Ekstraksi Fitur ......................................................... .27

Gambar 3.4 Interval RR pada Elektrokardiogram ............................................. .28

Gambar 3.5 Tahap Proses Pelatihan JST Backpropagation .............................. .32

Gambar 3.6 Tahap Proses Pengujian JST ........................................................ .34

Gambar 4.1 Perbedaan ritme (a) Normal dan (b) OSA ..................................... 36

Gambar 4.1 Distribusi Data dengan Segmen 60 Denyut (a) RRmed (b) RRave

(c) RRgeo untuk OSA (Merah) dan Normal (Biru) Pada Seluruh

Pasien ............................................................................................. .38

Gambar 4.2 Grafik Pelatihan JST untuk Variasi Fitur Statistik ........................ .42

Gambar 4.3 Grafik Pelatihan JST untuk Fitur RRmedRRave dengan Variasi

Panjang Segmen ............................................................................. .44

xvi

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan

𝑤𝑖 Vektor bobot ke i

𝑥𝑖 Vektor masukan ke i

𝑤𝑏𝑎𝑟𝑢 Bobot baru

𝑤𝑙𝑎𝑚𝑎 Bobot lama

𝑡 Keluaran yang diharapkan (desire output)

𝑦 Keluaran sebenarnya

𝛼 Laju pembelajaran

xi Masing–masing sinyal input

Zj Unit pada suatu lapisan tersembunyi

Y Unit output

Target yang diinginkan

Error output

Update bobot

Update bias

Bobot baru pada masing – masing unit output

Bobot baru pada unit hidden

R(i) Puncak gelombang ke-i

R(i+1) Puncak gelombang ke-i+1

RR Interval RR

RRmed RR median

RRave RR average

RRgeo RR geomean

RR yang telah dilakukan normalisasi

RR dari setiap fitur

Sum square error

Kuadrat dari selisih nilai target dengan nilai keluaran

prediksi

i 1,2,3,...,n

TP True Positive

FP False Positive

FN False Negative

TN True Negative

xvii

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1. Gabungan Data EKG .................................................................. 53

Lampiran 2. Pembagian Panjang Segmen 30 denyut Dan Variasi Fitur .......... 54

Lampiran 3. Pembagian Panjang Segmen 60 denyut Dan Variasi Fitur .......... 55

Lampiran 4. Pembagian Panjang Segmen 90 denyut Dan Variasi Fitur .......... 56

Lampiran 5. Normalisasi segmen 30 denyut untuk Semua Fitur ..................... 57

Lampiran 6. Normalisasi segmen 60 denyut untuk Semua Fitur .................... 58

Lampiran 7. Normalisasi segmen 90 denyut untuk Semua Fitur ..................... 59

Lampiran 8. TrainTest segmen 30 denyut........................................................ 60

Lampiran 9. TrainTest segmen 60 denyut ....................................................... 61

Lampiran 10. TrainTest segmen 90 denyut...................................................... 62

Lampiran 11. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja Fitur Median ....... 63

Lampiran 12. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja Fitur Average ..... 66

Lampiran 13. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja Fitur Geomean ... 69

Lampiran 14. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja Fitur Gabungan

Median dan Average................................................................. 72

Lampiran 15. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja Fitur Gabungan

Median dan Geomean ............................................................... 75

Lampiran 16. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja Fitur Gabungan

Average dan Geomean ............................................................. 78

Lampiran 17. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja Fitur Gabungan

Median, Average dan Geomean ............................................... 81

Lampiran 18. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja dengan Panjang

Segmen 30 menggunakan Fitur Average dan Median ............. 84

Lampiran 19. Tahap Pelatihan JST dan Penentuan Kinerja dengan Panjang

Segmen 90 menggunakan Fitur Average dan Median ............. 87

54