Elektronika Kedokteran

 

Selamat datang di halaman download materi kuliah Elektronika Kedokteran.

Silakan download RPKPS dan materi kuliah di bawah ini:

1. RPKPS Elektronika Kedokteran 1

2. RPKPS Elektronika Kedokteran 2

3._Hukum Dasar Arus dalam Jaringan Biologis

4. Transduser dalam Instrumen Kedokteran

5. Penguat Biopotensial 1

6. Penguat Biopotensial 2

Video Animasi:

 

Terima kasih Anda telah berkunjung  dan mendownload materi-materi tersebut. Kami tunggu kunjungan Anda berikutnya…  :-)

PENGUAT BIOPOTENSIAL

 Aktivitas listrik dari sel-sel yang ada di dalam tubuh menimbulkan sinyal listrik yang disebut sinyal biopotensial. Untuk mengambil sinyal bipotensial digunakan ttransduser yang disebut elektrode. Elektrode ini berfungsi sebagai kopling dan interface antara sistem kelistrikan di dalam tubuh dan sistem kelistrikan di luar tubuh. Keluaran dari transduser sudah berupa tegangan listrik, tetapi levelnya masih relatif kecil sehingga biasanya belum bisa digunakan untuk menggerakkan bagian keluaran suatu instrumen medik. Untuk memperbesar sinyal biopotensial tersebut diperlukan suatu penguat yang memenuhi beberapa persyaratan, diantaranya:

  • Berupa penguat diferensial dengan CMRR yang tinggi
  • Mempunyai impedansi masukan yang besar
  • Penguatannya dapat diatur dengan mudah tanpa mempengaruhi nilai CMRR

 

Rangkaian Penguat Diferensial Dasar

Rangkaian penguat diferensial diperlihatkan dalam Gambar 1. Penguat diferensial dipilih karena kemampuannya dalam menyingkirkan sinyal mode common, sehingga dapat mengurangi pengaruh noise/interferensi yang menganggu sinyal EKG. Noise/interferensi yang menganggu sinyal EKG dapat dikurangi pengaruhnya dengan cara memasukkan noise tersebut ke dalam penguat diferensial dalam bentuk mode common, sementara sinyal EKG dimasukkan ke penguat dalam bentuk mode diferensial. Dengan demikian, sinyal EKG akan diperkuat dengan penguatan mode diferensial yang nilainya relatif besar, sementara itu noise akan diperkuat dengan penguatan mode common yang nilainya relatif kecil. Pada saat keluar dari penguat diferensial, sinyal EKG akan mempunyai nilai yang jauh lebih besar dibanding dengan noise, sehingga pengaruh noise tersebut akan dapat diabaikan.

Gambar-1.-Penguat-diferensial-dasar

Gambar 1. Penguat diferensial dasar

Hubungan antara tegangan keluaran dan tegangan masukan penguat diferensial dasar dapat diuraikan sebagai berikut. Dengan menganggap op-amp tersebut ideal, maka persamaan arus simpul pada terminal masukan negatif dapat dituliskan :

Persamaan 1Persamaan ini dapat diatur kembali menjadi:

Persamaan 2Tegangan pada simpul masukan positif sama dengan tegangan pada simpul masukan negatif yaitu νx, dapat diperoleh dengan menggunakan prinsip rangkaian pembagi tegangan sebagai berikut:

Substitusi persamaan (2) dengan persamaan (3) menghasilkan:

yang bila diselesaikan untuk mencari νo akan diperoleh:

Bila rangkaian penguat tersebut dalam keadaan setimbang, yaitu dengan membuat:

Maka diperoleh tegangan keluaran rangkaian penguat:

Persamaan (4) memperlihatkan bahwa penguat akan memperkuat sinyal mode diferensial (yaitu selisih tegangan pada masukannya) dengan penguatan sebesar R5/R6, dan memperkuat sinyal mode common (yaitu rata-rata tegangan pada masukannya) dengan penguatan yang kecil (idealnya sama dengan nol). Dengan demikian hanya sinyal mode diferensial saja yang muncul pada keluaran penguat, sedang sinyal mode common-nya telah disingkirkan.

Disamping memiliki keunggulan dalam menyingkirkan sinyal mode common, di sisi lain, penguat diferensial dasar memiliki kekurangan yaitu impedansi masukannya relatif kecil dan nilai penguatannya sulit diubah tanpa mempengaruhi kemampuannya dalam menyingkirkan sinyal mode common.

Impedansi masukan yang tinggi diperlukan untuk mengurangi pengaruh ketidak-seimbangan dalam rangkaian elektrode, karena ketidak-seimbangan ini akan dapat membuat noise masuk ke penguat dalam bentuk mode diferensial sehingga diperkuat dengan penguatan diferensial yang nilainya relatif besar. Untuk mengatasi hal ini maka di depan penguat diferensial dasar ditambahkan sebuah rangkaian penguat penyangga.

Rangkaian Penguat Penyangga

Rangkaian penguat penyangga yang digunakan harus mempunyai impedansi masukan yang besar dan merupakan penguat diferensial juga. Supaya memiliki impedansi masukan yang besar maka digunakan penguat non-inverting, dan supaya bersifat diferensial maka digunakan dua buah penguat non-inverting yang digabung menjadi satu, seperti diperlihatkan dalam Gambar 2.

Gambar-2.-Rangkaian-penguat-penyangga-untuk-penguat-diferensial

Gambar 2. Rangkaian penguat penyangga untuk penguat diferensial

Analisis rangkaian penguat penyangga dapat diuraikan sebagai berikut. Dengan menganggap op-amp tersebut ideal, maka persamaan arus pada simpul masukan negatif op-amp yang atas dapat dituliskan:

yang bila diatur akan diperoleh persamaan:
Dengan cara yang serupa, maka untuk rangkaian op-amp yang bawah akan diperoleh:

Persamaan (5) dan (6) merupakan tegangan keluaran pada tiap-tiap terminal keluaran op-amp penguat penyangga.

Dengan menggabungkan rangkaian penguat diferensial dasar dan rangkaian penguat penyangga maka akan diperoleh sebuah penguat diferensial yang mempunyai impedansi masukan yang sangat besar dan nilai penguatannya dapat diubah dengan mudah tanpa mempengaruhi kemampunannya dalam menyingkirkan sinyal mode common. Gabungan kedua rangkaian penguat ini sering disebut sebagai penguat instrumentasi yang rangkaiannya diperlihatkan dalam Gambar 3.

Gambar-3.-Gabungan-penguat-diferensial-dasar-dan-penguat-penyangga-yang-menghasilkan-penguat-instrumentasi

Gambar 3. Gabungan penguat diferensial dasar dan penguat penyangga yang menghasilkan penguat instrumentasi

Analisis rangkaian penguat instrumentasi dalam Gambar 3  dapat dilakukan sebagai berikut. Tegangan keluaran penguat tersebut dapat diperoleh dari substitusi Persamaan (4) dengan Persamaan (5) dan (6), yang menghasilkan:

yang dapat diatur kembali menjadi:

Dua resistansi R1 yang terhubung seri tersebut daJpat digantikan dengan sebuah resistansi tunggal, misalnya menjadi RG, dengan: RG=2R1 atau: R1=RG/2 sehingga Persamaan (7) dapat dituliskan kembali menjadi:

Dari Persamaan (7a) terlihat bahwa tegangan keluaran penguat instrumentasi merupakan hasil penguatan terhadap selisih tegangan pada masukan penguat penyangga, dan nilai penguatan dapat diubah dengan mengubah perbandingan antara 2R2 dan RG.

Handbooks:

Biomedical Device Technology: Principles And Design   Biomedical Instrumentation: Technology and Applications  Biomedical Ethics  Analysis and Application of Analog Electronic Circuits to Biomedical Instrumentation, Second Edition (Biomedical Engineering)   Virtual Bio-Instrumentation: Biomedical, Clinical, and Healthcare Applications in LabVIEW

Sistem Konduksi Jantung

Jantung merupakan organ tubuh yang tersusun dari serabut otot yang membentuk empat ruangan, seperti terlihat dalam Gambar 1. Ruangan yang atas disebut atrium (kanan dan kiri) dan yang bawah disebut ventrikel (kanan dan kiri). Diantara atrium dan ventrikel terdapat katup (valve) yaitu trikuspid dan Mitral. Katup tersebut dapat dilewati darah hanya dalam satu arah saja yaitu dari atrium ke ventrikel. Atrium kanan berhubungan dengan vena cava (superior dan inferior) dan berfungsi menampung darah dari seluruh tubuh. Atrium kiri berhubungan dengan pulmonary vein dan berfungsi menampung darah dari paru-paru. Ventrikel kanan berhubungan dengan pulmonary artery melalui pulmonary valve, berfungsi menampung darah dari atrium kanan dan memompakannya ke paru-paru. Ventrikel kiri terhubung ke aorta melalui aortic valve, berfungsi menampung darah dari atrium kiri dan memompakannya ke seluruh tubuh.

Gambar-1.-Ilustrasi-bagian-bagian-jantung

Gambar 1. Ilustrasi bagian-bagian jantung

SIKLUS KERJA JANTUNG

Jantung berfungsi memompa darah ke paru-paru dan ke seluruh tubuh. Cara jantung memompa darah adalah dengan melakukan kontraksi secara bergantian antara atrium dan ventrikel, dengan irama yang teratur dan terus menerus sepanjang hidup. Bekerjanya jantung didukung oleh dua sistem yang ada dalam jantung yaitu sistem kontraksi dan sistem konduksi.

Sistem konduksi diperlihatkan dalam Gambar 2 dan berfungsi mengatur kerja jantung melalui sistem kontraksi. Cara pengaturan kerja jantung dapat diuraikan sebagai berikut. Simpul SA membangkitkan impuls dengan rate normal sekitar 70 bpm (beat per menit). Impuls ini melalui bachmann’s bundle disebarkan ke seluruh dinding atrium, sehingga membuat sel-sel dalam dinding atrium mengalami depolarisasi. Depolarisasi pada atrium ini kemudian diikuti oleh kontraksi atrium.

Gambar-2.-Sistem-konduksi-jantung

Gambar 2. Sistem konduksi jantung

Dari atrium, impuls diteruskan ke Simpul AV melalui internodal fiber. Di dalam Simpul AV, impuls mengalami penundaan sekitar 100 ms yang fungsinya memberikan waktu kepada atrium untuk menyelesaikan kontraksinya sebelum ventrikel mulai berkontraksi. Dari Simpul AV, impuls diteruskan ke Bundle of His, ke Left dan Right Bundle branches, dan menyebar ke seluruh dinding ventrikel melalui Purkinje fibers. Menyebarnya impuls ke seluruh dinding ventrikel membuat ventrikel mengalami depolarisasi yang kemudian diikuti dengan kontraksi ventrikel. Setelah itu proses berulang kembali dimulai dari Simpul SA.

DEPOLARISASI SPONTAN

Dari proses kerja jantung tersebut terlihat bahwa Simpul SA membangkitkan impuls-impuls dengan ritme yang teratur. Simpul SA dapat membangkitkan impuls karena sel-selnya mempunyai otomatisitas. Otomatisitas ini terjadi karena sel-sel tersebut mempunyai potensial istirahat yang nilainya kurang negatif, yaitu antara -60 mV sampai -70 mV. Potensial membran yang kurang negatif ini membuat penutupan yang tidak penuh pada kanal sodium terpicu-tegangan. Akibat penutupan yang tidak penuh ini ion sodium masih dapat masuk ke dalam membran sel melalui kanal ini, yang membuat potensial istirahat membran (yaitu fase 4 depolarisasi) tidak konstan. Potensial ini menjadi semakin kurang negatif (potensial membran naik menuju nol), seperti terlihat dalam Gambar 3.

Gambar-3.-Potensial-membran-sel-pacemaker.-MDP-maximum-negative

Gambar 3. Potensial membran sel pacemaker. MDP (maximum negative diastolik potential) – potensial diastolik negatif maksimum, TP (threshold potential) – potensial ambang

Semakin kurang negatifnya potensial membran membuat konduktivitas membran terhadap ion sodium menjadi semakin tinggi sehingga aliran ion sodium ke dalam sel menjadi semakin cepat hingga dicapai potensial ambang (trheshold), yaitu sekitar -40 mV. Bila sel-sel dalam Simpul SA telah mencapai potensial ambang maka kanal kalsium-sodium terpicu-tegangan terbuka dan terjadilah proses depolarisasi yang disebut dengan depolarisasi spontan. Depolarisasi spontan inilah yang membangkitkan impuls potensial aksi yang selanjutnya dihantarkan ke atrium maupun ke ventrikel.

Disamping Simpul SA, masih ada beberapa bagian lain dalam sistem konduksi yang sel-selnya juga mempunyai kemampuan melakukan depolarisasi spontan. Bagian-bagian itu adalah Simpul AV, Bundle of His, Bundle branches, dan Purkinje fibers. Perbedaannya dengan sel di Simpul SA adalah rate impuls yang dibangkitkan lebih rendah dibandingkan rate yang dibangkitkan Simpul SA. Rate yang dibangkitkan Simpul SA berkisar antara 60 sampai 100 bpm, sedang yang dibangkitkan di tempat lain dalam sistem konduksi adalah antara 50 dan 60 bpm di Simpul AV, Bundle of His, Bundle branches, dan antara 30 dan 40 bpm di Purkinje fibers.

PEMACU ASLI (NATIVE PACEMAKER) DAN PEMACU TERSEMBUNYI (LATENT PACEMAKER)

Bagian-bagian dalam sistem konduksi yang sel-selnya mempunyai kemampuan melakukan depolarisasi spontan disebut sebagai pemacu (pacemaker). Dari uraian sebelumnya terlihat bahwa ada lebih dari satu pemacu dalam sistem konduksi. Akan tetapi, walaupun ada lebih dari satu pemacu, dalam kondisi normal hanya ada satu pemacu yang bekerja. Hal ini dimungkinkan oleh adanya perbedaan rate pada masing-masing pemacu. Rate dari Simpul SA yang lebih cepat dari rate yang dibangkitkan di tempat lain dalam sistem konduksi akan membuat sel-sel dalam sistem konduksi menerima rangsangan impuls dari Simpul SA lebih dulu sebelum sel-sel tersebut sempat melakukan depolarisasi spontan. Dengan demikian, pada kondisi normal, rate dari semua bagian dalam sistem konduksi selalu mengikuti rate dari Simpul SA. Oleh karena itu Simpul SA ini disebut sebagai pemacu asli (native pacemaker).

Pada kondisi tidak normal, ada kemungkinan sistem konduksi tidak dapat menerima impuls dari Simpul SA. Penyebabnya dapat karena Simpul SA memang tidak membangkitkan impuls, ataupun karena terjadi hambatan pada sistem konduksi sehingga impuls dari Simpul SA tidak sampai ke Simpul AV. Jika Simpul AV tidak menerima impuls dari Simpul SA maka sel-selnya dapat melakukan depolarisasi spontan. Dengan demikian, pada kondisi tidak normal ini fungsi Simpul SA sebagai pemacu telah diambil alih oleh Simpul AV. Bila misalnya ternyata Simpul AV ini juga mengalami kegagalan, maka fungsi pemacu akan diambil alih oleh pemacu di bawahnya, begitu seterusnya. Mekanisme ini merupakan pengamanan, agar jantung dapat tetap berdenyut walaupun terjadi gangguan pembangkitan impuls pada Simpul SA. Pemacu-pemacu yang bekerja hanya jika terjadi kondisi tidak normal ini disebut sebagai pemacu tersembunyi (latent pacemaker).

SIKLUS JANTUNG (CARDIAC CYCLE)

Aktivitas jantung yang dimulai dari keadaan istirahat, kemudian kontraksi atrium, disusul kontraksi ventrikel, dan kembali istirahat merupakan suatu siklus yang berulang terus menerus sepanjang hidup. Aktivitas kelistrikan yang mengatur siklus kerja jantung ini dapat direkam dengan menggunakan alat yang disebut elektrokardiograf, dan hasil rekamannya disebut elektrokardiogram yang disingkat EKG atau ECG. Gambar 4 memperlihatkan sebuah contoh rekaman EKG selama satu siklus jantung.

Gambar-4.-Contoh-rekaman-EKG-selama-satu-siklus-jantung

Gambar 4. Contoh rekaman EKG selama satu siklus jantung

Dalam rekaman EKG, satu siklus jantung terdiri atas beberapa gelombang, yaitu gelombang-gelombang P, Q, R, S, T, dan U. Gelombang-gelombang tersebut berhubungan dengan aktivitas listrik yang terjadi di dalam jantung, yang dalam Gambar 4 ditunjukkan oleh warna yang sama antara Gambar 4.(a) dan Gambar 4.(b). Gelombang P ditimbulkan oleh depolarisasi atrium; gelombang Q, R, dan S yang bersama-sama membentuk kompleks QRS ditimbulkan oleh depolarisasi ventrikel; dan gelombang T ditimbulkan oleh repolarisasi ventrikel. Gelombang U kemungkinan ditimbulkan oleh repolarisasi serabut Purkinje.

Video animasi sinyal biopotensial jantung:

YouTube Preview Image

Download Video