Low Pass Filter Frekuensi Cut Off 100 Hz untuk membuat Instrumentasi Elektrokardiografi (EKG)

      Low Pass Filter adalah instrumentasi yang berfungsi untuk meloloskan sinyal yang memiliki nilai frekuensi di bawah frekuensi yang di potong (cut off). Misalkan sinyal yang akan di diloloskan adalah sinyal dengan frekuensi di bawah 100 Hz, maka harus di buat instrumentasi Low Pass Filter dengan frekuensi potongnya 100 Hz (cut off). Maksudnya adalah sinyal di bawah frekuensi potong (cut off) 100 Hz akan diloloskan dan sinyal yang memiliki frekuensi diatas 100 Hz akan di hilangkan.
Low Pass filter, Band Pass Filter, High Pass Filter, Butterworth Filter, dan Notch Filter termasuk dalam Instrumentasi Pengkondisian Sinyal. Pada artikel ini, saya akan berbagi pengalaman dalam membuat instrumentasi Low Pass Filter dengan frekuensi potong (Cut Off) 100 Hz, sebagai instrumentasi pendukung dalam membuat Instrumentasi Elektrokardiografi (EKG).

Berikut ini beberapa metode yang dapat digunakan dalam membuat Instrumentasi Low Pass Filter dengan frekuensi potong (Cut Off) 100 Hz. Yaitu metode Butterworth Low-Pass Filters, Tschebyscheff Low-Pass Filters, Bessel Low-Pass Filters. Tiga metode tersebut memiliki keunggulan masing-masing. Berikut analisa masing-masing metode yang di gambarkan berdasarkan grafik.

1. Di tinjau berdasarkan tingkat ketajaman memotong frekuensi berdasarkan tingkatan Orde

   

   Gambar Grafik Frekuensi terhadap Gain untuk tingkatan orde

2. Perbandingan respon fase orde 4 terhadap masing-masing metode

   

   Gambar Grafik Perbandingan respon fase orde 4 terhadap masing-masing metode

   Berdasarkan analisa perbedaan sinyal tersebut, Pada artikel ini kita akan menggunakan metode Butterworth Low-Pass Filters orde 4 untuk membuat Low Pass Filter.

Pemahaman Elektrokardiografi (EKG) dan cara pembuatan Instrumentasi Elektrokardiografi (EKG)

Elektrokardiografi (EKG)

Elektrokardiografi (EKG) merupakan metoda yang umum dipakai untuk mengukur kinerja jantung manusia melalui aktivitas kelistrikan jantung, dan aktivitas kelistrikan jantung tersebut dapat di interpretasikan dalam bentuk sinyal dan dapat direkam dengan bantuan Instrumentasi EKG. Sinyal EKG hasil rekaman dengan Instrumentasi EKG dapat digunakan untuk mendiagnosa penyakit jantung seperti Arrhythmia (gangguan irama jantung), heart murmur dan penyakit lainnya. Perlu diketahui bahwa Sinyal EKG tidak sepenuhnya menggambarkan karakter jantung, karena jantung di pengaruhi oleh membuka dan menutupnya katup jantung. Membuka dan menutupnya katup jantung adalah faktor terjadinya suara jantung. Oleh sebab itu meganalisa kondisi jantung seseorang akan sangat lengkap dan komprehensif jika melibatkan sinyal EKG dan PCG. Disiplin ilmu yang membahas suara jantung adalah Phonokardiografi (PCG). Perlu diketahui bahwa Instrumentasi EKG berbeda dengan Defibrillator maupun Ultrasound. Topik Phonocardiograpi akan di bahas di artikel saya berikutnya.
Berikut ini Video tentang EKG yang akan memberikan gambaran awal kepada anda sebelum memahami EKG lebih dalam.

 Video oleh Youtube tentang EKG

Jika anda sudah melihat video yang sudah saya sajikan, sekarang akan saya bahas bagaimana cara membuat Instrumentasinya EKG lengkap beserta cara pengujian alat, pengambilan data dan analisa datanya. Kita perhatikan dahulu diagram Blok Pembuatan Instrumentasi Elektrokardiografi (EKG) berikut ini.

Gambar 1. Diagram Blok Pembuatan Instrumentasi Elektrokardiografi (EKG) 

Berdasarkan Gambar 1 diagram blok diatas, Instrumentasi Diferensial Amplifier berfungsi untuk menangkap sinyal jantung pada tubuh pasien dengan bantuan 3 buah elektrode (metode endoven). Sinyal yang sudah di tangkap oleh Instrumentasi Diferensial Amplifier kemudian diteruskan ke instrumentasi pengkondisian Sinyal (Low Pass Filter, Penguat, dan 2 buah Notch Filter) menuju Osiloskop. Osiloskop berfungsi untuk menampilkan sinyal EKG dan berfungsi juga untuk menyimpan tampilan sinyal dalam bentuk file Gambar (file JPEG) dan file excell (file CSV). File hasil rekaman osiloskop dapat diolah lagi dengan metode tertentu untuk mendapatkan hasil analisa sesuai yang di inginkan. Beberapa metode yang dapat digunakan antara lain adalah metode Diskrit Forier Transform, Continus Wavelet Transform, Sort Time Forier Transform, Neural Network dan metode lainnya.

Untuk memudahkan anda dalam membuat Instrumentasinya EKG, maka ikutilah proses pembuatannya berikut ini.

1. Diferensial Amplifier adalah instrumentasi yang berfungsi untuk menangkap sinyal jantung pada tubuh pasien. 

   

   Gambar 2. Skematik Diferensial Amplifier

   Nilai Resistor R1 = R2 = 100 k Ohm; nilai Resistor R4 = R5 = R6 = R7 = 5600 Ohm; besar tegangan V2 dan tegangan V1 didapatkan dari beda tegangan tubuh. untuk komponen IC yang bisa anda gunakan sebagai penguat (OP AMP) pada skematik Diferensial Amplifier adalah IC CA3240 dan IC CA 3140 (Penempatannya IC sesuaikan Gambar 2). Elektrode yang terhubung di tubuh pasien akan di hubungkan ke Instrumentasi Diferensial Amplifier melalui input 1 (V2 sebagaimana Gambar 2) dan Input 2 (V1 Sebagaimana Gambar 2). Untuk Ground pada instrumentasi Diferensial Amplifier akan di hubungkan pada bagian tubuh yang lain seperti kaki. Berdasarkan peletakan elektrode dengan metode segitiga Eithoven pada Instrumentasi Elektrokardiografi (EKG), pergelangan tangan kanan, pergelangan tangan kiri dan salah satu pergelangan kaki adalah posisi peletakan elektrode. sebagaimana Gambar berikut.

   

   Gambar 3. Peletakan Elektrode dengan metode Segitiga Eithoven
   

   

2. Low Pass Filter adalah instrumentasi yang berfungsi untuk meloloskan sinyal yang memiliki nilai frekuensi di bawah frekuensi yang di potong (cut off). Misalkan sinyal yang akan di diloloskan adalah sinyal dengan frekuensi di bawah 100 Hz, maka harus di buat instrumentasi Low Pass Filter dengan frekuensi potongnya 100 Hz (cut off). Maksudnya adalah sinyal di bawah frekuensi potong (cut off) 100 Hz akan diloloskan dan sinyal yang memiliki frekuensi diatas 100 Hz akan di hilangkan. Sehingga jika sinyal tersebut di tampilkan dalam grafik koordinat kartesian dengan sumbu X adalah frekuensi (Hz) dan sumbu Y adalah tegangan (volt) maka bentuk grafiknya adalah sebagai berikut. 

   

   Gambar 4. Grafik Low Pas Filter dengan frekuensi potong (fc) 100 Hz

   Cara membuat instrumentasi Low Pass Filter dengan frekuensi potong (cut off) 100 Hz dan persamaan matematis yang digunakan dalam menghitung nilai resistor pada sekematik instrumentasi Low Pass Filter frekuensi potong (cut off) 100 Hz akan di jelaskan pada artikel saya berikutnya.
3. Notch Filter pada pembuatan instrumentasi EKG berfungsi untuk menghilangkan frekuensi 50 Hz pada sinyal EKG. Frekuensi 50 Hz pada sinyal EKG dapat di sebabkan oleh nois yang di timbulkan oleh sumber tegangan, terutama sumber tegangan yang berasal dari sumber tegangan utama suatu negara tertentu (jika di negara Indonesia sumber tegangan berasal dari Pembangkit Listrik Negara (PLN)). Frekuensi 50 Hz dapat merusak tampilan sinyal EKG, karena sinyal EKG bekerja pada rentang frekuensi dibawah 8 Hz ( < 8 Hz ). Gambar 5 berikut ini adalah salah satu bentuk grafik Notch Filter dengan frekuensi potong (cut off) 50 Hz.

   

   Gambar 5. Grafik Notch Filter dengan frekuensi potong 50 hz

   Cara membuat instrumentasi Notch Filter dengan frekuensi potong (cut off) 50 Hz dan persamaan matematis yang digunakan dalam menghitung nilai resistor pada sekematik instrumentasi Notch Filter frekuensi potong (cut off) 50 Hz akan di jelaskan pada artikel saya berikutnya.
4. Jika Instrumentasi Diferensial Amplifier sudah jadi, begitu juga Instrumentasi Low Pass Filter dan Notch Filter. Maka langkah berikutnya adalah menggabungkan keseluruhan instrumentasi tersebut menjadi satu kesatuan sebagaimana Gambar 1. Diagram Blok Pembuatan Instrumentasi Elektrokardiografi (EKG). Untuk tampilan sinyalnya, anda dapat menggunakan Osiloskop sebagai alat bantu.

Untuk kalibrasi sinyal Instrumentasi Elektrokardiografi (EKG), anda dapat membandingkan sinyal yang di keluarkan Instrumentasi Elektrokardiografi (EKG) dengan sinyal berdasarkan literatur beserta link berikut ini :

1. Jurnal 
2. Buku 1, Buku 2
3. Bank data base sinyal EKG seperti PhysioNet.org.

Perlu diketahui bahwa Instrumentasi EKG berbeda dengan Defibrillator. Defibrilator adalah stimulator detak jantung yang pengoprasiannya menggunakan listrik dengan tegangan tinggi untuk memulihkan korban serangan jantung.

Video by YouTube : how to use a defibrillator

Begitu juga Instrumentasi EKG berbeda dengan Echocardiography. Echocardiography adalah adalah suatu pemeriksaan jantung menggunakan gelombang suara frekuensi tinggi (Ultrasound), sebagaimana prinsip kerjanya seperti USG.