Physionet, Resource Penyedia Sinyal Biomedik

Anda ingin melakukan penelitian di bidang teknik biomedik tapi tidak mempunyai data atau sinyal biomedik? Jangan khawatir. Ada sebuah situs, yaitu Physionet, yang menyediakan berbagai rekaman sinyal biomedik dalam bentuk data digital yang dapat Anda download secara gratis.

PhysioNet  adalah sebuah situs sumber daya (Resource) yang bermanfaat bagi penelitian dan pendidikan. Setidaknya ada tiga hal yang ditawarkan oleh Physionet, yang ketiga-tiganya dapat diakses secara gratis, yaitu:

PhysioBank: menyediakan koleksi rekaman sinyal-sinyal fisiologis. PhysioBank merupakan arsip besar dan sedang berkembang yang berisi rekaman digital sinyal fisiologis, time series, dan data terkait untuk digunakan oleh komunitas riset biomedis.

PhysioBank saat ini mencakup lebih dari 50 koleksi cardiopulmonary, saraf, dan sinyal biomedis lainnya dari subyek sehat dan pasien dengan berbagai kondisi dengan implikasi yang besar pada kesehatan masyarakat, termasuk kematian jantung mendadak (sudden cardiac death – SCD), gagal jantung kongestif (congestive heart failure – CHF), epilepsi, gangguan gait, sleep apnea, dan penuaan. Koleksi ini termasuk data dari berbagai studi, yaitu yang dikembangkan dan disumbangkan oleh para anggota komunitas riset.

PhysioToolkit: menyediakan perangkat lunak open-source yang berkaitan dengan koleksi sinyal dalam PhysioBank. PhysioToolkit merupakan perpustakaan besar dan sedang berkembang, yang berisi perangkat lunak untuk pemrosesan dan analisis sinyal fisiologis, deteksi peristiwa fisiologis yang signifikan baik menggunakan teknik klasik maupun metode baru berdasarkan fisika statistik dan dinamika nonlinier, layar interaktif dan karakterisasi sinyal, pembuatan database baru, simulasi sinyal fisiologis dan sinyal lainnya, evaluasi kuantitatif dan perbandingan metode analisis, dan analisis proses nonequilibrium dan nonstasioner.

Sebuah tema pemersatu dari banyak proyek-proyek penelitian yang berkontribusi pada perangkat lunak untuk PhysioToolkit adalah ekstraksi informasi yang tersembunyi dalam sinyal biomedis, informasi yang mungkin memiliki nilai diagnostik atau prognostik dalam bidang kedokteran, atau sesuatu yang mempunyai kemampuan untuk memberikan penjelasan atau prediksi dalam penelitian dasar. Semua perangkat lunak PhysioToolkit tersedia dalam bentuk source di bawah GNU General Public License (GPL).

PhysioNetWork: menyediakan workspaces bagi anggota komunitas Physionet untuk mengerjakan proyek terbaru mereka, yang bila sudah selesai akan dibagikan secara gratis dalam PhysioBank dan PhysioToolkit.

PhysioNet tidak hanya digunakan sebagai nama Resource, tetapi sekaligus juga sebagai alamat situsnya, yaitu physionet.org. PhysioNet merupakan Resource dan mekanisme untuk penyebaran secara gratis dan terbuka, dan pertukaran rekaman sinyal biomedis dan perangkat lunak open-source untuk menganalisis sinyal tersebut, dengan menyediakan fasilitas untuk bekerja sama dalam analisis data, dan evaluasi algoritma baru yang diusulkan.

Selain menyediakan akses data gratis ke PhysioBank dan perangkat lunak ke PhysioToolkit, PhysioNet juga menawarkan layanan dan pelatihan melalui  tutorial on-line untuk membantu pengguna saat masuk dan tutorial untuk tingkat yang lebih tinggi (advanced levels). Dalam kerjasama dengan konferensi tahunan Computing in Cardiology, PhysioNet menyelenggarakan serangkaian tantangan, di mana para peneliti dan mahasiswa mengatasi masalah yang belum terpecahkan di bidang klinis atau ilmiah dasar dengan menggunakan data dan perangkat lunak yang disediakan oleh PhysioNet.

Perangkat lunak WAVE

Banyak bidang klinis praktis  dan penelitian saling berbagi sesuatu untuk digunakan bersama, misalnya mengenai visualisasi dan analisis sinyal fisiologis. Contoh sinyal fisiologis ini misalnya sinyal elektrokardiogram (EKG), respirasi, tekanan darah, elektroencefalogram (EEG), elektrookulograms (EOG), dan elektromyograms (EMG).  Sinyal tersebut biasanya dapat diperoleh selama prosedur klinis atau percobaan, untuk jangka waktu mulai dari beberapa detik sampai berjam-jam. Seringkali sinyal-sinyal ini harus dipantau dan dianalisis secara real time. Dalam kasus lain, sinyal dapat pula direkam untuk dianalisis nanti di waktu akan datang.

WAVE adalah sebuah program komputer yang membantu Anda (dokter atau peneliti), untuk menganalisis sinyal rekaman digital. Dengan menggunakan WAVE, Anda dapat melihat  bagian manapun dari sinyal yang Anda diinginkan, seolah-olah Anda sedang browsing melalui rekaman grafik. WAVE juga dapat mencetak kertas grafik rekaman  dari setiap bagian dari sinyal. Anda dapat membubuhi keterangan (label) semua fitur dari sinyal yang Anda pilih. Anda dapat memilih setiap subset dari sinyal, dan setiap interval waktu, untuk dianalisis oleh  Program eksternal di bawah kendali WAVE. Jika program analisis menghasilkan sinyal penjelasan (annotations), maka Anda dapat melihat dan memperbaikinya. Buku panduan penggunaan WAVE dan panduan lainnya yang terkait dapat Anda download melalui link di bawah ini.

WAVE  User Guide (WUG) (pdf)

WAVE Application Guide (WAG) (pdf)

WAVE  Programmer Guide (WPG) (pdf)

A Cardiovascular Simulator for Research User’s Manual and Software Guide (pdf)

Plotting Utility (plt) (pdf)

Yang Berlemak, Haruskah Anda Memakannya Juga?

 

Pada saat ini, lemak telah mendapat stigma yang buruk. Lemak memiliki reputasi yang buruk sebagai makanan diet untuk menurunkan berat badan dan kesehatan. Walaupun demikian, sebenarnya semua orang perlu sedikit lemak dalam diet mereka. Lemak membantu penyerapan nutrisi, transmisi saraf, menjaga integritas membran sel dll. Beberapa jenis lemak meningkatkan kesehatan Anda secara positif, tetapi beberapa jenis yang lain meningkatkan resiko penyakit jantung. Jadi, jenis lemak yang mana yang harus Anda makan?

Lemak Baik

Yang dimaksud dengan lemak baik adalah lemak-takjenuh, baik jenis takjenuh-ganda (polyunsaturated) maupun takjenuh-tunggal (monounsaturated). Jenis lemak atau minyak ini mempunyai banyak manfaat kesehatan, yaitu:

Buah dan minyak zaitun

Buah dan minyak zaitun

  • Mengangkut vitamin-vitamin A, D, E dan K yang larut dalam lemak ke seluruh tubuh.
  • Sebagai bantalan dan pelindung organ internal.
  • Asam lemak esensial (EFA), bermanfaat bagi jantung, metabolisme dan sistem kekebalan tubuh Anda.
  • Beberapa EFA digunakan oleh tubuh tidak hanya sebagai energi tetapi juga untuk fungsi struktural, hormonal dan kelistrikan. EFA ini meningkatkan kecepatan metabolisme dan meningkatkan pembakaran lemak yang mengakibatkan pengurangan berat badan.
  • Lemak merupakan sumber energi terkonsentrat.

Lemak takjenuh-tunggal

Lemak tak jenuh tunggal menurunkan kolesterol total dan kolesterol LDL (kolesterol jahat) sambil meningkatkan kolesterol HDL (kolesterol baik). lemak tak jenuh tunggal memiliki banyak manfaat yaitu:

Kacang macadamia

  • Buah dan minyak zaitun: Bagus untuk jantung serta pinggang, juga memiliki manfaat antioksidan dan anti-inflamasi karena mengandung polifenol dan vitamin E.
  • Kacang: Kacang Macadamia memiliki kandungan lemak takjenuh-tunggal yang tinggi, diikuti oleh hazelnut, pecans, dan almond. Bagus untuk jantung, karena merupakan sumber kalori yang baik yang mengandung serat terlarut. Studi juga menunjukkan bahwa minyak yang terkandung di dalamnya merangsang penurunan lemak.
Almond Hazelnut
Almond Hazelnuts
  • Alpukat:Menurut sebuah studi yang dilakukan di Brisbane, Australia, dengan memakan alpukat setiap hari selama tiga minggu akan memperbaiki kolesterol darah padawanita paruh baya, yang lebih baik bila dibandingkan dengan diet rendah-lemak.

    Avocados

                 Alpukat

  • Diet alpukat mengurangi 8 persen kolesterol total dibandingkan dengan 5 persen untuk diet rendah-lemak. Yang paling penting, alpukat meningkatkan rasio HDL-kolesterol sebesar 15 persen. Jumlah harian komsumsi alpukat berkisar antara 1/2 alpukat bagi perempuan berpostur tubuh kecil dan 1 1/2 untuk wanita berpostur tubuh besar. Hasil yang diharapkan: dengan makan alpukat, pasien jantung dapat mengurangi risiko serangan jantung 10-20 persen dan tingkat kematian 4-8 persen dalam 3-5 tahun.
  • Dark chocolate: Dengan memasukkan beberapa dark chocolate ke menu makanan Anda, maka ini merupakan cara yang lezat untuk mendapatkan beberapa lemak takjenuh-tunggal ekstra ke dalam tubuh Anda.

    Dark chocolate

     Dark chocolate
  • Sekitar sepertiga dari lemak yang ditemukan dalam dark chocolate adalah takjenuh-tunggal. Dark chocolate juga penuh dengan flavonoid, yang membantu melindungi sel dari kerusakan radikal bebas dan menurunkan tekanan darah. Jadi bila suatu saat Anda menatap rak coklat di toko swalayan, maka pastikan untuk memilih dark chocolate, bukan coklat susu atau coklat putih.

Lemak Takjenuh-ganda

Lemak tak jenuh ganda juga menurunkan kolesterol total dan kolesterol LDL. Lemak ini mengandung asam lemak esensial (EFA) seperti omega-6 (asam linoleat) dan omega-3 (asam alfa-linoleat) yang diperlukan dalam makanan kita. Jadi, sejumlah lemak tak jenuh ganda diperlukan karena asam lemak esensial dapat membantu dalam mencegah atau mengendalikan segala macam penyakit dan kondisi seperti:

  • Penyakit jantung
  • Kanker
  • Kekurangan sistem kekebalan tubuh
  • Arthritis
  • Obesitas

Lemak tak jenuh ganda juga merupakan salah satu sumber yang kaya vitamin E. Lemak tak jenuh ganda ditemukan dalam makanan yang berasal dari tumbuhan. Sumber terbaik adalah ikan berminyak, kenari, wijen dan biji labu. Sumber minyak nabati tinggi lainnya adalah bunga matahari dan safflower.

Lemak Jahat

Lemak jenuh telah terbukti meningkatkan kadar kolesterol keseluruhan dan berkontribusi pada penyakit jantung. Lemak jenuh kebanyakan ditemukan dalam makanan yang berasal dari hewan, termasuk:

Domba Minyak Sawit
Domba Palm Kernel Oil
  • Daging berlemak: daging sapi, domba, babi
  • Unggas dengan kulitnya
  • Daging olahan – bologna, hotdog, bacon, sosis
  • Susu, whole milk dan 2% milk
  • Mentega
  • Keju
  • Daging domba
  • Lemak babi

Kandungan lemak jenuh yang tinggi dapat ditemukan pada beberapa makanan yang berasal dari tanaman seperti:

  • Palm kernel oil
  • Kelapa sawit
  • Minyak kelapa
  • Mentega kakao

Lemak Terburuk

Lemak terburuk bagi kesehatan Anda adalah trans fats.  Trans fats terbentuk ketika dilakukan pengubahan lemak cair menjadi lemak padat. Proses ini dapat meningkatkan umur simpan produk tertentu dan membantu untuk melestarikan rasa. Namun, lemak tersebut sangat berbahaya. Bahkan, jumlah harian konsumsi trans fats yang direkomendasikan oleh Food and Drug Administration Amerika adalah nol. Seperti halnya lemak jenuh, trans fats terkait erat dengan penyakit jantung.

Lalu di mana Anda dapat menemukan trans fat?

Cake

Cake

Anda akan terkejut dan shock berat! Ya, trans fats banyak ditemui dalam cokelat dan wafer, mentega dan margarin, es krim, biskuit dan kue, cake, sereal untuk sarapan, burger, roti, kentang goreng, kue kering, pie dan puff, ayam goreng, dan pizza, yang merupakan makanan-makanan kesukaan Anda!

Es krim

Es krim

Apa Yang Sebaiknya Anda Lakukan?

  • Hindari menggunakan minyak goreng yang mengandung lemak-jenuh dan / atau trans fats tinggi seperti minyak kelapa, minyak kelapa sawit atau minyak sayur. Sebaliknya, gunakan minyak yang rendah lemak jenuh dan tinggi lemak takjenuh-tunggal dan takjenuh-ganda seperti minyak canola, minyak zaitun dan minyak biji rami.
  • Minimalkan mengkonsumsi makanan kemasan komersial yang tinggi trans fats. Biasakan Selalu membaca label untuk mencari alternatif bebas trans fats.
  • Gunakan susu rendah-lemak misalnya 1% atau  skim milk sebagai ganti whole milk.

Sinyal “Makan Saya” pada Sel Kanker, Kunci Penyembuhan Penyakit Kanker Dimasa Datang

Beberapa sel kanker dapat membawa jawaban untuk kehancuran diri mereka sendiri. Setidaknya itulah yang diharapkan oleh para peneliti di Stanford University School of Medicine. Para peneliti tersebut mengatakan bahwa beberapa sel kanker mengandung protein pada permukaan sel yang menginstruksikan sel-sel kekebalan tubuh untuk membunuh mereka. Jika peneliti medis dapat mencari cara untuk memanipulasi hubungan yang baru ditemukan ini, maka hal ini akan menjadi suatu kunci baru untuk menyembuhkan banyak penyakit kanker.

Penelitian ini diterbitkan dalam Science Translational Medicine edisi 22 Desember dan telah dibangun pada penelitian Stanford sebelumnya yang telah menunjukkan bahwa berbagai bentuk kanker membawa protein yang disebut calreticulin, juga disebut sebagai CRT, yang menginstruksikan sel kekebalan untuk “makan saya” (sel kanker). Tetapi sel kekebalan tubuh tidak selalu mengikuti instruksi ini. Mengapa? Alasan sel kekebalan tubuh tidak selalu mengikuti instruksi ini adalah karena sel-sel kanker yang sama juga dapat mengekspresikan protein lain yang disebut CD47 yang menginstruksikan sel-sel kekebalan tubuh untuk “jangan makan saya.”

Ketua penulis studi Mark Chao, seorang kandidat doktor Stanford, mengatakan bahwa ekspresi CRT adalah salah satu cara tubuh mencegah sel-sel yang rusak bermutasi menjadi sel pra-kanker dan kanker. Lebih lanjut dia menjelaskan bahwa meskipun banyak sel bisa dihilangkan dengan proses ini, tetapi mungkin ada sebagian kecil dari sel-sel yang mengekspresikan sinyal tingkat tinggi dari “jangan makan saya”, CD47, yang dapat melawan sinyal CRT “makan saya”. Hal ini memungkinkan sel yang rusak untuk bertahan hidup, memberikan mereka waktu untuk memperoleh tambahan mutasi dan berpotensi berkembang menjadi kanker.

Dalam studi sebelumnya, peneliti Stanford mengembangkan antibodi CD47 yang berhasil memblokir sinyal “makan saya” pada sel-sel kanker. Saat ini, tim Chao bekerja mengembangkan terapi antibodi anti-CD47 bagi pasien kanker. Kanker yang membawa protein CRT diantaranya adalah leukemia akut dan kronis, limfoma non-Hodgkin, kanker kandung kemih, kanker ovarium dan neuroblastoma. Fakta bahwa beberapa kanker dengan sifat yang berbeda secara fundamental mengekspresikan protein CRT menunjukkan bahwa CRT mungkin memainkan peran universal pada banyak tumor manusia.

Yang sangat menjanjikan tentang perawatan baru yang melibatkan antibodi CD47 adalah bahwa antibodi tidak muncul untuk menjadi racun bagi sel-sel sehat. Dengan demikian, dapat menghindari banyak efek samping toksik yang terjadi akibat pengobatan kanker tradisional seperti kemoterapi.

Chao mengatakan bahwa penelitian timnya juga dapat memberikan pilihan yang lebih baik untuk mendiagnosa kanker. Karena banyak penyakit kanker yang mengekspresikan CRT, maka akan dapat dikembangkan suatu tes diagnostik baru yang memungkinkan untuk mendeteksi kanker lebih awal dengan cara melihat CRT. Lewat temuan sinyal “makan saya” pada kanker dan pemahaman bagaimana sel kanker menghindari sinyal bahaya ini untuk bertahan hidup, akan dapat dikembangkan strategi terapeutik untuk menargetkan CRT guna memberikan obat kanker yang baru dan efektif.

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

HEART RATE VARIABILITY (HRV)

 

Pada kondisi normal tanpa ada pengaruh dari luar, besarnya heart rate intrinsik dalam keadaan istirahat adalah sekitar 90 bpm. Nilai heart rate ini dapat mengalami perubahan, baik perubahan yang bersifat fisiologis maupun patofisiologis. Perubahan nilai heart rate yang bersifat fisiologis misalnya adalah karena adanya pengaruh sistem syaraf  otonomik, volume darah yang kembali ke jantung (venous return), respirasi, dan lain sebagainya. Perubahan nilai heart rate yang bersifat patofisiologis misalnya adalah yang disebabkan oleh adanya penyakit aritmia.

PENGARUH SISTEM  SYARAF OTONOMIK PADA HEART RATE

Heart rate dan ritme berada di bawah pengaruh sistem syaraf otonomik. Ada banyak serat-serat syaraf motorik simpatetik dan vagal yang berujung di dekat simpul sinoatrial. Sistem syaraf otonomik mempengaruhi heart rate melalui stimulasi simpatetik dan vagal, seperti terihat dalam Gambar 1.  Stimulasi simpatetik meningkatkan heart rate, kecepatan konduksi, kontraktilitas, dan iritabilitas. Stimulasi vagal memberikan efek yang sebaliknya yaitu menurunkan heart rate, kecepatan konduksi, kontraktilitas, dan iritabilitas.

Gambar-1.-Pengaturan-fungsi-jantung-oleh-sistem-syaraf-otonomik

Gambar 1. Pengaturan fungsi jantung oleh sistem syaraf otonomik

Parasimpatetik mempengaruhi heart rate melalui media pelepasan acetylcholine oleh syaraf vagus . Acetylcholine ini mencegah ‘pacemaker’ diaktivasi-hiperpolarisasi. Muscarinic acetylcholine receptors merespon pelepasan ini dengan menaikkan konduktansi K+ dalam membran sel.

Simpatetik mempengaruhi heart rate melalui media pelepasan epinephrine dan norepinephrine. Aktivasi b-adrenergic receptor dihasilkan dalam fosforilasi protein membran dengan mediasi cyclic AMP, dan peningkatan IcaL dan If. Hasil akhirnya adalah percepatan depolarisasi diastolik yang semula lambat.

Pada resting condition, vagal tone yang berlaku, dan variasi perioda jantung sangat bergantung pada modulasi vagal. Aktivitas vagal dan simpatetik berinteraksi secara konstan. Bila sinus node mengandung banyak acetylcholin esterase, maka pengaruh vagal impulse hanya singkat karena acetylcholin ter-hidrolisa dengan cepat. Pengaruh parasimpatetik melampaui pengaruh simpatetik melalui dua mekanisme bebas yaitu:

  • Reduksi pelepasan norepinephrine dalam menanggapi aktivitas simpatetik melalui induksi cholinergik
  • Atenuasi cholinergik sebagai tanggapan terhadap stimuli adrenergik

Ketika aktivitas simpatetik meningkat, maka terdapat perioda laten sampai 5 s sebelum terjadi kenaikan heart rate. Keadaan steady state dicapai sesudah sekitar 30 s. Frekuensi aktivitas simpatetik berhubungan secara linier dengan perioda jantung. Syaraf simpatetik sebelah kanan mempunyai efek pada simpul sinus lebih besar dibanding syaraf simpatetik sebelah kiri.

Perioda laten pada simpul sinus dalam menanggapi stimulasi vagal sangat pendek dibandingkan stimulasi simpatetik, dan efek dari sebuah impuls vagal tunggal bergantung pada fase siklus jantung pada saat dikenai stimulan tersebut. Stimulasi vagal menghasilkan tanggapan puncak dalam denyutan pertama atau kedua sesudah onset-nya. Perlambatan herat rate meningkat terhadap frekuensi stimulasi vagal, dan mempunyai hubungan yang linier.

Pengaruh sistem syaraf otonomik pada rate sinoatrial diperlihatkan dalam Gambar 2 (a) dan (c). Stimulasi simpatetik dan transmiter adrenergik menaikkan rate sinoatrial melalui peningkatan slope fase 4. Stimulasi vagal dan acetylcholine menurunkan rate melalui pengurangan slope fase 4 dengan meningkatkan aliran masuk ion potasium. Faktor lain yang mempengaruhi rate sinoatrial adalah nilai potensial ambang (threshold). Kenaikan potensial mengakibatkan penurunan rate sinoatrial dan sebaliknya, penurunan nilai ambang mengakibatkan kenaikan rate.

Gambar-2.-Pengaruh-sistem-syaraf-otonomik-stimulasi-simpatetik-dan-vagal-terhadap-rate-sinoatrial.-Sumbu-tegak-menyatakan-potensial-membran-dan-sumbu-datar-menyatakan-waktu

Gambar 2. Pengaruh sistem syaraf otonomik stimulasi simpatetik dan vagal terhadap rate sinoatrial. Sumbu tegak menyatakan potensial membran dan sumbu datar menyatakan waktu

Biasanya terjadi kesetimbangan diantara kedua bagian sistem syaraf otonomik yang saling berlawanan tersebut. Kesetimbangan ini menghasilkan nilai heart rate normal. Kadang-kadang heart rate tidak berubah dari siklus ke siklus. Dalam keadaan seperti ini dikatakan jantung bekerja embriocardia atau ritme seperti-pendulum. Kasus seperti ini jarang terjadi. Dalam banyak kasus, periode jantung (heart rate sesaat) berubah pada setiap siklusnya, seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 16. Dalam gambar tersebut terlihat bahwa dari denyut ke denyut, nilai heart rate sesaat selalu berubah di sekitar nilai heart rate rata-rata yaitu 70 bpm. Perubahan secara terus menerus pada nilai heart rate tersebut menunjukkan adanya heart rate variability (HRV). HRV ini mencerminkan dinamika dalam pengaturan heart rate.

Gambar-3.-Ploting-nilai-heart-rate-sesaat-dari-satu-siklus-ke-siklus-berikutnya-yang-menunjukkan-adanya-perubahan-heart-rate-heart-rate-variability-HRV-secara-kontinyu

Gambar 3. Ploting nilai heart rate sesaat dari satu siklus ke siklus berikutnya yang menunjukkan adanya perubahan heart rate (heart rate variability – HRV) secara kontinyu

 

Video Heart Rate Variability

YouTube Preview Image

Electrocardiograph (ECG / EKG)

Elektrokardiograf (Electrocardiograph-EKG/ECG) adalah suatu gambaran grafis dari beda potensial antara dua titik pada permukaan tubuh. EKG biasanya direkam pada kertas grafik seperti terlihat dalam Gambar 1. Dalam gambar tersebut terlihat ada dua macam kotak yaitu kotak besar dan kecil. Kotak kecil mempunyai ukuran 1mm x 1mm, dan kotak besar mempunyai ukuran 5mm x 5mm. Dalam EKG ada dua variabel yang digunakan yaitu waktu dan tegangan. Variabel waktu dinyatakan dalam arah mendatar, dan variabel tegangan dalam arah tegak. Skala untuk variabel waktu adalah 0,04s/mm atau 25mm/s. Skala untuk tegangan adalah 0,1mv/mm atau 10mm/mV.

Gambar-1.-Ukuran-dan-skala-kertas-rekaman-EKG

Gambar 1. Ukuran dan skala kertas rekaman EKG

Tiap-tiap siklus jantung dalam EKG terdidri atas beberapa komponen, yang diberi nama berdasarkan definisi sebagai berikut :

Gelombang P adalah defleksi positif pertama sebelum kompleks QRS

Interval PR diukur dari permulaan gelombang P sampai permulaan defleksi garis isoelektrik berikutnya. Interval ini adalah waktu yang diperlukan impuls listrik dikonduksikan melalui atrium dan Simpul AV sampai mulai timbul depolarisasi ventrikel.

Kompleks QRS

Kompleks QRS terdiri atas tiga gelombang yaitu Q, R, dan S. Gelombang Q adalah defleksi negatif pertama sesudah interval PR. Gelombang R adalah defleksi positif pertama sesudah gelombang P. Gelombang S adalah defleksi negatif yang menyertai gelombang R. Pengukuran kompleks QRS dimulai dari permulaan gelombang Q (atau gelombang R jika Q tidak ada) sampai gelombang S mencapai garis isoelektrik (atau tempat gelombang S akan mencapai garis isoelektrik jika garis ini tidak melengkung ke dalam segmen ST). Segment ST adalah bagian garis yang berlanjut dari ujung gelombang S sampai permulaan gelombang T.

Gelombang T

Gelombang T adalah defleksi (dapat positif atau negatif) yang mengiringi segment ST.

TITIK-TITIK SADAPAN (LEAD) EKG

Untuk keperluan diagnosis, ada 12 macam titik sadapan (lead) EKG, seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 2 s/d 4. Sadapan ini terdiri atas:

  • Sadapan Einthoven, terdiri atas tiga sadapan yaitu sadapan I, II, dan III (Gambar 2)
Gambar-2.-Sadapan-Einthoven

Gambar 2. Sadapan Einthoven

  • Sadapan Goldberger augmented (Gambar 3), terdiri atas tiga sadapan yaitu VR, VL, dan VF (atau disebut juga aVR, aVL, dan aVF)
Gambar-3.-Sadapan-Goldberger-augmented

Gambar 3. Sadapan Goldberger augmented

  • Sadapan precordial (sadapan dada), terdiri atas enam sadapan yaitu V1, V2, V3, V4, V5, dan V6 (Gambar 4).
Gambar-4.-Sadapan-dada-precordial

Gambar 4. Sadapan dada precordial

 

Bentuk sinyal dari 12 sadapan tersebut diperlihatkan dalam Gambar 5 dan6.

Sinyal ECG 12 sadapan

Gambar 5. Sinyal EKG 12 sadapan

 

Bentuk sinyal EKG 12 sadapan

Gambar 6. Bentuk sinyal EKG 12 sadapan

 

HEART RATE (HR)

Heart Rate adalah ukuran untuk menyatakan kecepatan denyut jantung, yang dinyatakan dalam jumlah denyut per menit (beat per menit – bpm). Heart rate dapat diperoleh dari EKG dengan menghitung jumlah gelombang R selama satu menit. Tetapi cara ini sering dianggap kurang praktis, sehingga sering digunakan cara lain yang lebih cepat yaitu misalnya dengan menghitung jumlah gelombang R selama 3 detik kemudian hasilnya dikalikan 20.

Nilai heart rate yang diperoleh dengan cara di atas adalah nilai herat rate rata-rata. Disamping nilai heart rate rata-rata, terdapat juga nilai heart rate sesaat. Heart rate sesaat diperoleh dengan mengukur perioda jantung sesaat (perioda RR) seperti terlihat dalam Gambar 7. Nilai heart rate (HR) sesaat merupakan kebalikan perioda jantung dikalikan 60, yaitu:

         HR = 60/(R-R)       bpm (beat per minute)

dengan R-R adalah periode jantung yaitu interval waktu dari gelombang R ke gelombang R di sebelahnya, dengan satuan s (second). Satuan untuk heart rate adalah bpm (beat per minute).

Gambar 6. Periode R-R

Gambar 7. Periode R-R

Video: Skala waktu dalam EKG

YouTube Preview Image

 

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


 

Potensial Aksi Sel

Pada sebuah sel yang dalam keadaan istirahat terdapat beda potensial di antara kedua sisi membrannya. Keadaan sel yang seperti ini disebut keadaan polarisasi. Bila sel yang dalam keadaan istirahat/polarisasi ini diberi rangsangan yang sesuai dan dengan level yang cukup maka sel tersebut akan berubah dari keadaan istirahat menuju ke keadaan aktif. Dalam keadaan aktif, potensial membran sel mengalami perubahan dari negatif di sisi dalam berubah menjadi positif di sisi dalam. Keadaan sel seperti ini disebut dalam keadaan depolarisasi. Depolarisasi ini dimulai dari suatu titik di permukaan membran sel dan merambat ke seluruh permukaan membran. Bila seluruh permukaan membran sudah bermuatan positif di sisi dalam, maka sel disebut dalam keadaan depolarisasi sempurna.

Setelah mengalami depolarisasi sempurna, sel selanjutnya melakukan repolarisasi. Dalam keadaan repolarisasi, potensial membran berubah dari positif di sisi dalam menuju kembali ke negatif di sisi dalam. Repolarisasi dimulai dari suatu titik dan merambat ke seluruh permukaan membran sel. Bila seluruh membran sel sudah bermuatan negatif di sisi dalam, maka dikatakan sel dalam keadaan istirahat atau keadaan polarisai kembali dan siap untuk menerima rangsangan berikutnya.

Aktivitas sel dari keadaan polarisasi menjadi depolarisasi dan kemudian kembali ke polarisasi lagi disertai dengan terjadinya perubahan-perubahan pada potensial membran sel. Perubahan tersebut adalah dari negatif di sisi dalam berubah menjadi positif dan kemudian kembali lagi menjadi negatif. Perubahan ini menghasilkan suatu impuls tegangan yang disebut potensial aksi (action potential). Potensial aksi dari suatu sel akan dapat memicu aktivitas sel-sel lain yang ada di sekitarnya. Berikut ini akan diuraikan bagaimana proses terjadinya potensial aksi dari suatu sel yang semula dalam keadaan istirahat.

Kanal Sodium dan Potasium yang Terpicu-Tegangan (Voltage-Gated)

Yang berperan dalam proses depolarisasi maupun repolarisasi selama berlangsungnya potensial aksi adalah kanal-kanal sodium dan potasium yang terpicu-tegangan. Gambar 4 mengilustrasikan kanal terpicu tegangan tersebut.

Gambar-4.-Kanal-Terpicu-Tegangan

Gambar 4. Kanal terpicu-tegangan

Sebuah kanal (misalnya sodium) terpicu-tegangan mempunyai beberapa bagian fungsional. Salah satunya yaitu untuk menentukan selektivitas terhadap ion. Untuk kanal sodium, hanya dapat melewatkan ion sodium saja tidak untuk ion yang lain misalnya potasium. Bagian lainnya yaitu berfungsi sebagai gerbang (gate) yang dapat membuka atau menutup. Gerbang tersebut dikendalikan oleh sebuah sensor tegangan, yang menanggapi level potensial membran. Ada dua macam gerbang yaitu gerbang aktivasi dan gerbang inaktivasi. Ketika potensial membran normal yaitu -90 mV, gerbang inaktivasi terbuka tetapi gerbang aktivasi tertutup sehingga menghalangi masuknya ion sodium ke sisi dalam membran melalui kanal tersebut.

Bila karena sesuatu sebab potensial membran di sisi dalam berubah menjadi kurang negatif, yaitu manjadi sekitar antara -70 dan -50 mV, maka hal ini akan menyebabkan terjadinya perubahan konformasi dalam gerbang aktivasi, sehingga gerbang tersebut menjadi terbuka. Keadaan ini disebut keadaan teraktivasi, yang menaikkan permeabilitas membran terhadap ion sodium manjadi 500 sampai 5000 kali lipat, sehingga ion-ion sodium dapat dengan cepat masuk ke dalam sel melalui kanal ini. Masuknya ion sodium ke dalam sel melalui kanal sodium terpicu-tegangan ini menyebabkan kenaikan potensial membran dengan cepat dari -90 mV menjadi  +35 mV.

Kenaikan potensial membran sel tersebut menyebabkan gerbang inaktivasi yang semula terbuka menjadi tertutup. Penutupan ini terjadi sekitar 0,1 ms setelah terbukanya gerbang aktivasi. Berbeda dengan gerbang aktivasi yang membuka dengan cepat, gerbang inaktivasi ini menutup secara lambat. Tertutupnya gerbang inaktivasi mengakibatkan ion sodium tidak lagi dapat mengalir ke dalam sel melalui kanal ini, sehingga potensial membran berubah menuju ke keadaan istirahat. Proses ini disebut repolarisasi.

Gerbang inaktivasi yang tertutup tersebut akan tetap tertutup sampai potensial membran kembali ke atau mendekati level potensial istirahat. Oleh karena itu, biasanya kanal sodium terpicu-tegangan tidak dapat terbuka kembali sebelum sel kembali ke keadaan repolarisasi terlebih dahulu.

Dalam otot jantung, disamping kanal sodium terpicu-tegangan terdapat juga kanal kalsium-sodium terpicu-tegangan yang juga ikut berperan dalam proses depolarisasi. Kanal ini permeabel terhadap ion kalsium maupun sodium. Jika kanal ini terbuka maka ion-ion kalsium dan sodium dapat mengalir ke dalam sel. Kanal ini teraktivasi dengan lambat, yaitu memerlukan waktu 10 sampai 20 kali lebih lama dibanding kanal sodium terpicu-tegangan. Oleh karena itu kanal ini disebut sebagai kanal lambat, sedang kanal sodium disebut kanal cepat. Terbukanya kanal kalsium-sodium memungkinkan ion kalsium masuk ke dalam sel. Karena ion kalsium bermuatan positif, maka masuknya ion ini ke dalam sel mengakibatkan perpanjangan proses depolarisasi, atau dengan kata lain terjadi penundaan proses repolarisasi.

Dalam proses repolarisasi, yang juga ikut berperan adalah kanal potasium terpicu-tegangan. Dalam keadaan istirahat, gerbang kanal ini tertutup sehingga ion potasium tidak dapat mengalir melalui kanal ini. Pada saat potensial membran naik dari -90 mV menuju nol, pada kanal ini terjadi pembukaan konformasi gerbang sehingga ion potasium dapat mengalir keluar sel melalui kanal ini. Akan tetapi, karena adanya sedikit penundaan (delay), kanal potasium ini terbuka pada saat yang bersamaan dengan mulai tertutupnya kanal sodium. Kombinasi antara berkurangnya ion sodium yang masuk ke dalam sel dan bertambahnya ion potasium yang keluar sel mengakibatkan peningkatan kecepatan proses repolarisasi menuju potensial membran istirahat.

Perubahan-perubahan potensial membran mulai keadaan istirahat, depolarisasi, repolarisasi, dan kembali istrahat diperlihatkan dalam Gambar 5. Perubahan potensial tersebut berupa impuls yang disebut potensial aksi sel. Ada lima fase dalam potensial aksi tersebut yaitu fase 4, 0, 1, 2, dan 3. Fase 4 adalah fase istirahat sel.

Gambar-5.-Potensial-Aksi-Sel

Gambar 5. Potensial aksi sel

Fase 0 adalah fase pada saat kanal sodium terpicu-tegangan (kanal cepat) terbuka sehingga ion-ion sodium dengan cepat masuk ke dalam sel. Fase 1 adalah fase pada saat kanal potasium mulai membuka (dengan lambat). Fase 2 adalah kombinasi fase menutupnya kanal sodium terpicu-tegangan, membukanya kanal kalsium-sodium terpicu-tegangan (kanal lambat), dan membukanya kanal potasium terpicu-tegangan. Fase ini disebut plateau. Fase 3 adalah fase kombinasi menutupnya kanal-kanal sodium dan kalsium-sodium terpicu-tegangan serta membukanya kanal potasium terpicu-tegangan. Selanjutnya sel kembali ke fase 4, yaitu fase Pompa Na+-K+.

 

Video Potensial Aksi:

YouTube Preview Image

Potensial Istirahat Sel

Dalam keadaan istirahat, antara sisi dalam dan luar membran sel terdapat suatu beda potensial yang disebut dengan potensial istirahat sel (cell resting potential). Potensial ini berpolaritas negatif di sisi dalam dan positif di sisi luar membran sel. Berikut ini akan diuraikan bagaimana terjadinya potensial istirahat sel tersebut.

Dalam keadaan istirahat, di sisi dalam dan luar membran sel sama-sama terdapat ion-ion potasium dan sodium, tetapi dengan konsentrasi yang berbeda. Gambar 2 mengilustrasikan komposisi ion di kedua sisi membran sel. Konsentrasi ion potasium (K+) di sisi dalam membran sekitar 35 kali lebih tinggi  dibandingkan konsentrasi di sisi luar. Sebaliknya, konsentrasi ion sodium (Na+)di sisi luar membran sel sekitar 10 kali lebih tinggi dibandingkan konsentrasi di sisi dalam. Adanya perbedaan konsentrasi ion di sisi dalam dan luar membran ini mendorong terjadinya difusi ion-ion tersebut menembus membran sel.

Gambar-2.-Ion-potasium-berdifusi-ke-luar-membran-sel

Gambar 2. Ion potasium berdifusi ke luar membran sel

Difusi ion-ion potasium dan sodium menembus membran sel akan mempengaruhi potensial di sisi dalam dan luar membran sel. Untuk melihat pengaruh kedua jenis ion tersebut pada potensial membran sel, akan dilihat pengaruh masing-masing jenis ion tersebut secara sendiri-sendiri terlebih dahulu, setelah itu baru diperhitungkan interaksi keduanya secara bersamaan.  Untuk itu akan dilihat terlebih dahulu pengaruh difusi ion potasium.

Misalkan membran sel hanya permeabel terhadap ion potasium. Karena konsentrasi ion potasium lebih tinggi di sisi dalam sel maka menurut Hukum Fick untuk difusi, ion potasium akan bergerak menembus keluar membran sel. Gerakan ion potasium keluar membran sel ini menimbulkan arus listrik, yang karena terjadinya melalui peristiwa difusi, maka disebut arus difusi. Densitas (density) arus difusi bergantung pada gradien konsentrasi, yang secara matematis dinyatakan oleh Persamaan 1.

Persamaan-1 (1)

dengan :   J = kerapatan arus (A/m2)
D = konstanta difusi [(l.A/(mol.m)]
[C] = konsentrasi ion (mol/l)
X = posisi (m)

Tanda + dalam Persamaan 1 berlaku untuk ion negatif, dan tanda – berlaku untuk ion positif.

Keluarnya ion positif potasium dari dalam sel akan meninggalkan muatan negatif (anion) yang sama besar di dalam sel. Hal ini mengakibatkan terjadinya beda potensial antara sisi dalam dan sisi luar sel, dengan sisi dalam lebih negatif dibanding sisi luar. Adanya beda potensial ini akan menimbulkan medan listrik dengan arah dari luar ke dalam sel. Medan listrik yang mengarah dari luar ke dalam sel menimbulkan gaya elektrostatik yang mempengaruhi ion-ion yang ada di sekitar membran sel. Ion potasium, karena bermuatan positif, didorong oleh gaya elektrostatik ke arah dalam membran sel. Aliran ion potasium dari sisi luar ke sisi dalam membran sel menimbulkan arus listrik yang disebut arus drift (drift current). Densitas arus drift bergantung pada besarnya gradien potensial (medan listrik) di antara kedua sisi membran dan konsentrasi ion, yang berdasarkan hukum particle drift, dapat dinyatakan secara matematis sebagai berikut:

Persamaan-2 (2)

dengan :  µ= mobilitas [(l.A)/(V.m.mol)]
Z = valensi ion
E = dV/dx = intensitas medan listrik (V/m)
[C] = konsentrasi ion (mol/l)

Gaya elektrostatik ini akan melawan gaya difusi pada ion potasium. Interaksi kedua gaya ini suatu saat akan mencapai kesetimbangan, yaitu besarnya gaya elektrostatik yang ditimbulkan oleh adanya beda potensial antara kedua sisi membran sama dengan besarnya gaya difusi (atau dengan kata lain besarnya arus drift sama dengan besarnya arus difusi). Keadaan setimbang ini akan menghasilkan beda potensial antara kedua sisi membran bernilai konstan. Besarnya beda potensial membran pada saat dicapai kesetimbangan dapat diperoleh dengan menyamakan Persamaan 1 dengan Persamaan 2 dan dengan mengingat Hubungan Einstein (Einstein Relationship):

Persamaan-3 (3)

dengan : k = konstansta Boltzmann = 1,38 x 10-23 J/K
T = suhu absolut (K)
q = muatan elementer = 1,602 x 10-19 C

Dari ketiga persamaan di atas, kalau diselesaikan untuk mendapatkan beda potensial membran maka akan diperoleh suatu pernyataan matematis yang diberikan dalam Persamaan 4, dan dikenal dengan Persamaan Nernst. Dari persamaan tersebut terlihat bahwa besarnya beda potensial bergantung pada besarnya perbandingan konsentrasi ion potasium antara sisi dalam dan sisi luar membran sel.

Persamaan-4

(4)

Untuk komposisi ion potasium seperti dalam Tabel 1 dan suhu tubuh 310 K (37oC), maka diperoleh potensial membran sekitar -94 mV (sisi dalam lebih negatif dibanding sisi luar membran).

Dalam kenyataannya, yang mempengaruhi nilai potensial membran tidak hanya ion potasium saja, tetapi juga ion sodium. Pengaruh ion sodium pada potensial membran dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan Nernst. Jika dimisalkan hanya terdapat ion sodium saja, maka akan diperoleh potensial membran sebesar +61 mV.

Ion potasium dan ion sodium secara serentak mempengaruhi besarnya potensial membran sel. Meskipun demikian, pengaruh keduanya bukan merupakan penjumlahan secara langsung kedua potensial membran yang diperoleh secara sendiri-sendiri tersebut. Untuk jenis ion lebih dari satu, ada parameter lain yang juga berpengaruh pada besarnya potensial membran sel, yaitu perbedaan permeabilitas membran terhadap masing-masing ion.

Permeabilitas membran sel terhadap ion potasium jauh lebih besar (sekitar 100 kali) dibandingkan permeabilitas terhadap ion sodium. Hal ini mengakibatkan pengaruh ion potasium lebih dominan dibandingkan ion sodium. Interaksi kedua jenis ion ini dalam menghasilkan potensial membran dinyatakan dalam persamaan Goldman sebagai berikut:

Persamaan-5

(5)

dengan subscript i menyatakan sisi dalam membran, o menyatakan sisi luar membran,

dan :  PK = permeabilitas membran terhadap ion potasium

PNa = permeabilitas membran terhadap ion sodium

[K+] = konsentrasi ion potassium
[Na+] = konsentrasi ion sodium

Penerapan Persamaan 5 akan menghasilkan beda potensial membran sel sekitar -86 mV.

Disamping transportasi ion secara difusi, terdapat juga transportasi ion secara aktif yang juga mempengaruhi besarnya membran potensial sel. Transportasi ion tersebut adalah Pompa Na+-K+ ( Na+-K+ Pump), seperti yang diilustrasikan dalam Gambar 3.  Transport ini secara kontinyu memompa 3Na+ keluar sel dan 2K+ ke dalam sel. Karena lebih banyak ion positif yang dipompa ke luar sel, maka hal ini akan mengakibatkan tambahan potensial sekitar -4 mV, sehingga potensial akhir membran sel menjadi -90 mV. Potensial membran sel tersebut terdapat pada sel yang sedang istirahat, karena itu disebut sebagai potensial istirahat sel.

Gambar3. Pompa-Na-K-

Gambar 3. Pompa Na+-K+

Video Animasi: Terjadinya Potensial Membran

YouTube Preview Image

 

Buku Referensi:

Lecture Notes: Biomedical Science Biomedical Sensors and Instruments, Second Edition Biomedical Optics: Principles and Imaging
Lecture Notes: Biomedical Science
by Ian Lyons
Biomedical Sensors and Instruments, Second …
by Tatsuo Tagawa
Biomedical Optics: Principles and Imaging
by Lihong V. Wang
Introduction to Biomedical Engineering, Second Edition Basic Transport Phenomena in Biomedical Engineering,Third Edition Biomedical Engineering: Bridging Medicine and Technology (Cambridge Texts in Biomedical Engineering)
Introduction to Biomedical Engineering, Sec…
by John Enderle
Basic Transport Phenomena in Biomedical Eng…
by Ronald L. Fournier
Biomedical Engineering: Bridging Medicine and Technology
by W. Mark Saltzman