MAKALAH KLASIFIKASI SINYAL BIOMEDIS ”SINYAL BIOELEKTRIK BIOELEKTRIK” ”
[MATA KULIAH : INSTRUMENTASI MEDIS]
Disusun Oleh : Prama Eko Wicaksono
NRP. 2411.100.071
Bagus Rachman Fadhlillah
NRP. 2414.106.021
Dosen Pengampu Mata Kuliah : Ir. Ronny Dwi Noriyati, M.Kes.
JURUSAN TEKNIK FISIKA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2016
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Kelistrikan merupakan sesuatu yang biasa digunakan dalam kehidupan sehari-hari dan biasanya kita tidak terlalu banyak memikirkan hal tersebut. Pengamatan terhadap gaya tarik listrik dapat ditelusuri sampai pada zaman Yunani kuno. Orang-orang yunani kuno telah mengamati bahwa setelah batu amber digosok, batu tersebut akan menarik benda kecil seperti jerami atau bulu. Sedangkan kata Listrik itu sendiri berasal dari bahasa Yunani yaitu electron. Kelistrikan memegang peranan penting dalam bidang kedokteran. Ada dua aspek dalam bidang kedokteran yaitu listrik dan magnet yang timbul dalam tubuh manusia, serta penggunaan listrik dan magnet pada permukaan tubuh manusia. Nah, listrik yang ada pada tubuh kita disebut dengan Bioelektrik atau sering diartikan sebagai listrik yang terdapat pada makhluk hidup, yang mana berasal dari kata bio berarti makhluk hidup dan kata elektrik. Beberapa penyelidikan yang telah dilakukan berhubungan dengan bioelektrik antara lain :
a) Pada tahun 1856, Caldani meneliti kelistrikan pada otot katak mati. b) Pada tahun 1780, Luigi galvanic meneliti kelistrikan pada tubuh hewan. c) Pada tahun 1786, Luigi Galvani meneliti tentang terangkatnya kedua kaki katak setelah diberi aliran listrik melalui konduktor d) Pada tahun 1892, Arons merasakan aliran frekuensi tinggi melalui dirinya dan asistennya. e) Pada tahun 1899, Van Seynek meneliti tentang terjadinya panas pada jaringan akibat aliran frekuensi tinggi f) Pada tahun 1928, Schliephake meneliti tentang pengobatan dengan gelombang pendek ( short wave).
Makalah ini akan membahas bagaimana cara kerja bioelektrik di dalam ilmu kesehatan. Pada dasarnya, semua fungsi dan aktivitas tubuh sedikit banyak melibatkan listrik. Gaya-gaya yang ditimbulkan oleh otot disebabkan tarik-menarik antar a muatan listrik yang berbeda. Kerja Otot, otak dan jantung pada dasarnya bersifat elektrik (listrik). Sistem saraf berperan penting pada hampir semua fungsi tubuh. Otak, yang pada dasarnya adalah suatu komputer sentral, menerima sinyal eksternal dan internal dan (biasanya) menghasilkan respons yang sesuai. Informasi disalurkan sebagai sinyal listrik di sepanjang saraf-saraf. Saat
kita menjalankan fungsi-fungsi khusus tubuh, banyak sinyal listrik yang dihasilkan. Sinyalsinyal ini dihasilkan dari proses elektrokimiawi tertentu. Oleh karena itu maka makalah ini akan membahas sebagian dari sinyal-sinyal listrik dalam tubuh yaitu mengenai sistem saraf dan neuron, sinyal listrik dari otot dan jantung serta potensial listrik saraf.
1.2 Rumusan Masalah
Berikut merupakan rumusan masalah dalam makalah ini diantaranya adalah sebagai berikut : 1. Pengertian bioelektrik / biolistrik ? 2. Apa saja hukum-hukum fisika yang berlaku pada sinyal bioelektrik / biolistrik ? 3. Macam-macam gelombang arus listrik ? 4. Bagaimana kelistrikan dalam tubuh manusia ? 5. Bagaimana struktur dan jaringan tersusun pada sistem saraf dan fungsinya ? 6. Bagaimana aplikasi dan penerapan pada bidang medis ? 7. Bagaimana sinyal listrik dari jantung (Elektrokardiograph) ?
1.3 Tujuan
Berikut merupakan tujuan dari penulisan makalah ini, antara lain : 1. Dapat mengetahui asal mula dan pengertian dari biolistrik. 2. Dapat mengetahui hukum-hukum yang berlaku pada sinyal bioelektrik / biolistrik. 3. Dapat mengetahui macam – macam gelombang arus listrik. 4. Dapat mengatahui tentang kelistrikan yang timbul dalam tubuh manusia. 5. Dapat mengetahui apa saja bagian-bagian dari sistem saraf serta fungsinya. 6. Dapat mengetahui manfaat bioelektrik dalam bidang medis. 7. Dapat
mengetahui
proses
sinyal
listrik
yang
terjadi
dari
jantung
(Elektrokardiograph).
1.4 Tinjauan Pustaka
Dalam penyusunan makalah ini, penulis mendapatkan materi pembahasan dengan mencari ke media internet dan sumber dari buku. Kemudian dari berbagai sumber tersebut dirangkum dengan memperhatikan materi yang dibahas dalam makalah ini.
BAB II PEMBAHASAN 2.1 Sinyal Bioelektrik
Sinyal bioelektrik adalah sinyal elektrik yang dihasilkan oleh tubuh. Dengan adanya gerakan tubuh baik secara periodik maupun non periodik, yang membangkitkan sinyal elektrik dapat dimanfaatkan dalam bidang medis/kesehatan. Biolistrik/bioelektrik adalah energi yang dimiliki setiap manusia yang bersumber dari ATP (Adenosine Tri Posphate) dimana ATP ini di hasilkan oleh salah satu energi yang bernama mitochondria melalui proses respirasi sel. Biolistrik juga merupakan fenomena sel. Sel-sel mampu menghasilkan potensial listrik yang merupakan lapisan tipis muatan positif pada permukaan luar dan lapisan tipis muatan negative pada permukaan dalam bidang batas/membran. Kemampuan sel syaraf (neurons) menghantarkan isyarat biolistrik sangat penting. Transmisi sinyal biolistrik (TSB) mempunyai sebuah alat yang dinamakan Dendries yang berfungsi mentransmsikan isyarat dari sensor ke neuron. Stimulus untuk mentringer neuron dapat berupa tekanan, perubahaan temperature, dan isyarat listrik dari neuron lain. Aktifitasi bolistrik pada suatu otot dapat menyebar ke seluruh tubuh seperti gelombang pada permukaan air. Pengamatan pulsa listrik tersebut dapat dilakukan dengan memasang beberapa elektroda
pada
permukaan
kulit.
Hasil
rekaman
isyarat
listrik
dari
jantung
(Electrocardiogran-ECG) diganti untuk diagnosa kesehatan. Seperti halnya pada ECG, aktivitasi otak dapat dimonitor dengan memasang beberapa elektroda pada posisi tertentu. Isyarat listrik yang dihasilkan dapat untuk mendiagnosa gejala epilepsy, tumor, geger otak dan kelainan otak lainya.
2.2 Hukum Dalam Sinyal Bioelektrik
Ada beberapa rumus atau hukum yang berkaitan dengan biolistrik/bioelektrik antara lain yaitu sebagai berikut : 1. Hukum Ohm
Gambar 1. Arus Listrik Pada Konduktor
Perbedaan potensial antara ujung konduktor berbanding langsung dengan arus yang melewati, berbanding berbalik dengan tahanan dari konduktor. Hukum ini dapat dinyatakan dengan rumus :
= × → = ⁄ ∶ (ℎ) ∶ ( ℎ) ∶ () 2. Hukum Joule Arus listrik melewati konduktor dengan perbedaan tegangan (V) dalam waktu tertentu akan menimbulkan panas. Hukum ini dapat dirumuskan sebagai berikut :
( ) =
×× 3
∶ () ∶ ( ℎ) ∶ () ∶ (0.239 )
2.3 Macam-macam Gelombang Arus Listrik
1) Arus bolak-balik / sinusoidal 2) Arus setengah gelombang ( telah diserahkan) 3) Arus searah penuh tapi masih mangandung ripple/desir 4) Arus searah murni 5) Faradik 6) Surged Faradic/sentakan sinusoidal 7) Surged sinusoidal/sentakan sinusoidal 8) Galvanik yang interuptus 9) Arus gigi gergaji
2.4 Kelistrikan Dalam Tubuh Manusia A. Sistem Saraf dan Neuron
Sistem ini terbagi menjadi dua bagian inti, yaitu : 1. Sistem Saraf Pusat Terdiri dari otak, medulla spinalis dan saraf perifer. Saraf perifer ini adalah serat saraf yang mengirim informasi sensoris ke otak atau ke Medulla spinalis disebut
Saraf Affren, sedangkan serat saraf yang menghantarkan informasi dari otak atau medulla spinalis ke otot atau medulla spinalis ke otot serta kelenjar disebut saraf Efferen. 2. Sistem Saraf Otonom Serat saraf ini mengatur organ dalam tubuh. Misalnya jantung, usus dan kelenjarkelenjar. Pengontrolan ini dilakukan secara tidak sadar.
Gambar 2. Sistem Saraf Tak Sadar (Saraf Otonom)
Sistem saraf tak sadar disebut juga saraf otonom adalah sistem saraf yang bekerja tanpa diperintah oleh sistem saraf pusat dan terletak khusus pada sumsum tulang belakang. Sistem saraf otonom terdiri dari neuron-neuron motorik yang mengatur kegiatan organ-organ dalam, misalnya jantung, paru-paru, ginjal, kelenjar keringat, otot polos sistem pencernaan, otot polos pembuluh darah. Berdasarkan sifat kerjanya, sistem saraf otonom dibedakan menjadi dua yaitu saraf simpatik dan saraf parasimpatik. Saraf simpatik memiliki ganglion yang terletak di sepanjang tulang belakang yang menempel pada sumsum tulang belakang, sehingga memilki serabut pra-ganglion pendek dan serabut post ganglion yang panjang. Serabut pra-ganglion yaitu serabut saraf yang yang menuju ganglion dan serabut saraf yang keluar dari ganglion disebut ser abut postganglion. Saraf parasimpatik berupa susunan saraf yang berhubungan dengan ganglion yang tersebar di seluruh tubuh. Sebelum sampai pada organ serabut saraf akan mempunyai sinaps pada sebuah ganglion seperti pada bagan berikut. Saraf parasimpatik memiliki serabut pra-ganglion yang panjang dan serabut post-ganglion pendek. Saraf simpatik dan parasimpatik bekerja pada efektor yang sama tetapi pengaruh kerjanya berlawanan sehingga keduanya bersifat antagonis.
Contoh fungsi saraf simpatik dan saraf parasimpatik antara lain: Saraf simpatik mempercepat denyut jantung, memperlambat proses pencernaan, merangsang ereksi, memperkecil diameter pembuluh arteri, memperbesar pupil, memperkecil bronkus dan mengembangkan kantung kemih, sedangkan saraf parasimpatik dapat memperlambat denyut jantung, mempercepat proses pencernaan, menghambat ereksi, memperbesar diameter pembuluh arteri, memperkecil pupil, mempebesar bronkus dan mengerutkan kantung kemih.
B. Konsentrasi Ion Dalam dan Luar Sel
Melalui suatu percobaan dapat ditunjukan suatu model membrane permeable terhadap larutan KCL. merupakan suatu bentuk model potensial istirahat pada waktu 0 dimana ion K akan melakukan difusi dari kosentrasi tinggi ke konsntrasi rendah sehingga saat tertentu akan terjadi membrane dipole/membran dua kutub dimana larutan dengan konsentrasi yang tadinya rendah akan kelebihaan ion positif, kebalikan dengan larutan yang konsentrasi tinggi akan berubah menjadi kekurangan ion sehingga menjadi lebih negatif. Membrane permeabel biasanya terhadap ion K , Na dan Cl sedangkan terhadap protein besar (A) sangat tidak permeable.
C. Kelistrikan Saraf
Jika ditinjau besar kecilnya serat saraf maka serat saraf dapat di bagi dalam 3 bagian yaitu serat saraf tipe A, B, dan C. dengan mempergunakan mikroskop electron, serat saraf dibagi dalam 2 tipe: yakni serat saraf bermielin dan serat saraf tanpa myelin. Saraf bermielin banyak terdapat pada manusia. Myelin merupakan suatu insulator (isolasi) makin menurun apabila melewati serat saraf yang bermielin. Kecepatan aliran listrik pada serat saraf yang berdiameter yang sama dan panjang yang sama sangat tergantung kepada lapisan mielin ini. Akson tanpa mielin (diameter 1 mm) mempunyai kecepatan 20-50 m/detik. Serat saraf bermielin pada diameter 10 um mempunyai 100 m/detik. Pada serat saraf bermielin aliran sinyal dapat meloncat dari suatu simpul ke simpul yang lain. Suatu saraf atau neuron membrane otot-otot pada keadaan istirahat (tidak adanya proses konduksi implus listrik), konsentrasi ion Na+ lebih banyak diluar sel dari pda di dalam sel, di dalam sel akan lebih negative dibandingkan dengan di luar sel.
Apabila potensial diukur dengan galvanometer akan mencapai -90 m Volt, membrane sel ini disebut dalam keadaan polarisasi, dengan potensial membrane istirahat -90 m Volt.
D. Perambatan Potensial Aksi
Potensial aksi terjadi apabila suatu daerah membrane saraf atau otot mendapat rangsangan mencapai nilai ambang. Potensial aksi itu sendiri mempunyai kemampuan untuk merangsang daerah sekitar sel membrane untuk mencapai aksi kesegala jurusan sel membrane, keadaan ini disebut perambatan potensial aksi atau gelombang depolarisasi. Setelah timbul potensial aksi, sel membrane akan mengalami repolarisasi sel membrane disebut suatu tingkat refrakter. Tingkat refrakter dibagi dalam 2 fase : 1. Periode Refrakter Absolut Selama periode ini tidak ada rangsangan, tidak ada unsure kekuatan untuk menghasilkan aksi yang lain. 2. Periode Refrakter Relatif Setelah sel membran mendekati repolarisasi seluruhnya maka dari periode refrakter absolute akan menjadi periode refrakter relatif, dan apabila ada stimulus/rangsangan yang kuat secara normal akan menghasilkan potensial aksi yang baru. Sel membrane setelah mencapai potensial membrane istirahat, sel membran tersebut telah siap untuk menghantarkan implus yang lain. Gelombang depolarisasi setelah mencapai ujung dari saraf atau setelah terjadi depolarisasi seluruhnya, gelombang tersebut akan berhenti dan tidak pernah aliran balik kearah mulainya datang rangsangan.
E. Kelistrikan Pada Sinapsis dan Neuron
Hubungan antara dua buah saraf disebut sinapsi, berakhirnya saraf pada sel otot/hubungan saraf otot disebut Neuromyal junction. Baik sinapsis maupun neuromyal junction mempunyai kemampuan meneruskan gelombang depolarisasi dengan cara lompat dari satu sel ke sel yang berikutnya. Gelombang depolarisasi ini penting pada sel membrane otot, oleh karena pada waktu terjadi depolarisasi. Zat kimia yang terdapat pada otot akan tringger/bergetar/berdenyut menyebabkan
kontraksi otot dan setelah itu akan terjadi repolarisasi sel otot hal mana otot akan mengalami reaksi.
F. Macam-macam Sel Saraf dan Hantarannya
Secara umum ada 3 macam sel saraf, yaitu : 1) Neuron sensorik Neuron ini berawal dari reseptor, yang merupakan ujung dari dendrit selanjutnya menuju dendrit, lalu badan sel, akson dan akhirnya bersinapsis (hubungan antar neuron) dengan dendrit dari neuron penghubung 2) Neuron penghubung Neuron ini berawal dari sinapsis dengan neuron sensorik, berlanjut ke dendrit, lalu badan sel, akson dan diakhiri pada sinapsis dengan neuron motorik. Umumnya neuron ini terdapat pada sistem saraf pusat. 3) Neuron motorik Neuron ini berawal dari sinapsis dengan neuron penghubung, berlanjut ke dendrit lalu badan sel, akson dan diakhiri pada pilihan-pilihan di bawah ini : a) Neuromyal junction, yang berhubungan dengan sel otot. b) Neuroglandular junction, yang berhubungan dengan kelenjar. Kedua junction di atas merupakan jenis dari neuroeffector junction. Neuromyal junction jika efektornya berupa jaringan otot, sedangkan neuroglandular junction jika efektornya berupa kelenjar (misalnya kelenjar saliva, kelenjar keringat dll.)
Gambar 3. Hubungan antara neuron sensorik, neuron penghubung dan
neuron motorik
Impuls yang berjalan di sepanjang neuron akan berakhir pada bagian ujung yang mengandung vesikel sinaptik. Dengan adanya impuls tersebut maka vesikel akan terstimuli dan akhirnya mengeluarkan neurotransmitter (misalnya asetilkolin). Neurotransmitter inilah yang membantu meneruskan impuls menuju sel berikutnya. Reseptor sinaptik dari sel berikutnya akan menangkap neurotransmitter tersebut sehingga impuls dapat diteruskan ke sel berikutnya tersebut. Hubungan antara neuron satu dengan neuron lainnya tadi dinamakan sinapsis.
G. Kelistrikan Otot Jantung
Membran sel otot jantung (miokardium) sangat berbeda karakteristiknya dengan membran sel otot bergaris atau sel saraf. Pada membran sel otot bergaris atau sel saraf dalam keadaan potensial membran istirahat, jika ada rangsangan barulah ion-ion natrium akan berdifusi ke dalam sel hingga mencapai nilai ambang dan selanjutnya terjadi depolarisasi. Sedangkan pada sel otot jantung, mudah terjadi kebocoran ion natrium sehingga setelah selesai potensial aksi, ion natrium secara perlahan-lahan akan berdifusi kembali ke dalam sel. Akibatnya terjadilah depolarisasi spontan sampai mencapai nilai ambang dan terjadilah potensial aksi tanpa rangsangan dari luar.
Gambar 4. Potensial Aksi Pada Sel Otot Jantung
2.5 Aplikasi Pada Peralatan Biomedis
Membuat alat biomedik itu tidak boleh sembarangan, karena alat biomedik menyangkut nyawa seseorang. Faktor safety menjadi sangat penting untuk diperhatikan. Terutama pada alat yang memiliki elektroda yang tersentuh ke tubuh pasien. Contohnya adalah electrocardiograph (ECG). Bagian input harus mendapat catu dari baterai
dan terpisah dari bagian monitor untuk menghindari kejutan listrik. Karena arus listrik kecil yang mungkin tidak menimbulkan efek pada manusia normal, bisa saja berakibat serius pada pasien.
Gambar 5. Contoh Penggunaan Electrocardiograph (ECG)
1) Einthoven's Triangle Setiap organ tubuh manusia menghasilkan denyut-denyut listrik dengan spektrum frekuensi yang berbeda-beda. Salah satu sumber listrik yang terbesar adalah jantung. Beda potensial listrik jantung dapat dapat diukur melalui tiga titik yaitu Left Arm (LA), Right Arm (RA) dan Left Leg(LL) membentuk segitiga yang disebut segitiga Einthoven.
Gambar 6. Einthoven's Triangle
Pada alat EGC terdapat beberapa komponon sebagai berikut : 1. ECG Amplifier Beda potensial lead tadi diperkuat dengan instrumentati on amplifier. Elektroda yang ditempelkan ke tubuh manusia dirancang khusus dan diberi gel agar impedansinya sesuai. Pada ECG amplifier sinyal yang ditangkap dikuatkan. Setelah dikuatkan, kemudian sinyal masuk ke rangkaian filter. Frekuensi dari filter ini berbeda-beda untuk berbagai macam potensial tubuh. 2. Isolation Amplifier (Coupling) Setelah difilter, untuk menghubungkan ke stage selanjutnya digunakanlah isolasi. Isolasi dapat berupa magnetik, bisa juga optik. Syaratnya, isolasi yang digunakan haruslah mencakup range frekuensi jantung yang telah ditulis sebelumnya. 3. Driven Right Leg Rangkaian driven right leg ditambahkan ke rangkaian amplifier ECG untuk mengurangi interferensi common mode. ECG mengukur sinyal yang sangat kecil dari tubuh sampai beberapa microvolt . Padahal tubuh juga berperan sebagai antena yang menerima interferensi dari mana saja. Interferensi ini membuat sinyal jantung sulit untuk diukur. Driven right leg digunakan untuk mengeliminasi noise interferensi secara aktif. 4. Ground Fault Intrupter (GFI) Sistem pengamanan pada alat biomedik dibuat berlapis. Salah satunya adalah ground fault interupter yang berfungsi untuk memutus arus listrik secara otomatis ketika terjadi kesalahan pada arus (misalnya kejutan listrik). Kabel listrik itu ada dua, satu hot, satu netral. Jika ada sebuah perangkat terhubung ke listrik, maka arus mengalir dari hot menuju ke perangkat dan balik lagi ke netral. Besarnya arus yang mengalir di kawat netral dan hot seharusnya sama. Jika tidak sama maka ada kebocoran ke ground, misalnya kawat tersentuh tubuh manusia.
Gambar 7. Diagram Blok Electrocardiograph (ECG) A. Sistem EKG Fungsi dan Evolusi
Fungsi dasar dari sebuah mesin EKG termasuk EKG menampilkan bentuk gelombang, baik melalui layar LCD atau media kertas cetak, dan indikasi irama jantung serta antarmuka pengguna yang sederhana melalui tombol. Lebih banyak fitur,
seperti
penyimpanan
catatan
pasien
melalui
media
yang
nyaman,
wireless/transfer kabel dan tampilan 2D/3D pada layar LCD besar dengan kemampuan layar sentuh, yang diperlukan dalam produk EKG lebih dan lebih. Beberapa tingkat kemampuan diagnostik juga membantu dokter dan orang tanpa pelatihan EKG khusus untuk memahami pola EKG dan indikasi mereka dari kondisi jantung tertentu. Setelah sinyal EKG ditangkap dan digital, maka akan dikirim untuk tampilan dan analisis, yang melibatkan pemrosesan sinyal lebih lanjut.
BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan
Biolistrik adalah listrik yang terdapat pada makhluk hidup, tegangan listrik pada tubuh berbeda dengan yang kita bayangkan seperti listrik di rumah tangga. Kelistrikan pada tubuh berkaitan dengan komposisi ion yang terdapat dalam tubuh. Kelistrikan dan kemagnetan didalam tubuh sangat berpengaruh pada sistem saraf. Sistem saraf di dalam tubuh mempuanyai listrik. Pada sistem saraf pusat dan sistem saraf ootonom.
3.2 Saran
Penulis menyadari, dalam penyusunan makalah ini belum sepenuhnya sempurna. Untuk itu dapat kiranya memberikan kritik dan saran mengenai makalah ini. Semoga makalah ini dapat memberikan referensi dan manfaat untuk pembacanya.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Gabriel JF, F i si ka Kedokter an , EGC, Jakarta, 1996. [2] Young HD, Freedman RA, Sandin TR, Ford AL, F isika U niversitas Jil id I , Penerjemah: [3] Juliastuti E, Edisi X, EGC, Jakarta, 2001. [4] Junaedi A., Kumpul an Kul iah F isika Kedokteran , FKUGM, Yogyakarta, 2000 [5] Tortora G.J., Pri nciples of H uman Anatomy , Edisi IV, Harper and Row Publisher, New York, 1986. [6] Purwanto. 2007. Ensikl opedi f isika . Bandung : PT Kiblat Buku Utama. [7] Block Diagram (SBD) - ECG Electrocardiogram - T - Flash Pla yer Installation [8] http://www.scribd.com/doc/131796559/Pengertian-Biolistrik, diakses pada tanggal 01 April 2016 Pukul 03.18 WIB [9] http://focus.ti.com/docs/solution/folders/print/464.html, diakses pada tanggal 01 April 2016 Pukul 03.20 WIB [10] http://norma_hermawan.blogspot.com/2009_12_01_archive.html diakses pada tanggal 01 April 2016 Pukul 03.27 WIB
