Elektrokardiograf dan Fotopletismograf Portabel Berbasis Mikrokontroler (Perancangan dan Realisasi)

Spesifikasi Alat

Alat yang direalisasikan adalah suatu perangkat yang dapat menampilkan kondisi sinyal PPG dan EKG serta suhu tubuh pasien secara bersamaan. Untuk hasil keluaran ditampilkan dalam dua cara, yaitu dapat melalui LCD grafik yang terdapat pada alat dan dapat ditampilkan pada PC dengan software aplikasi yang telah dibuat. Berikut adalah spesifikasi perangkat yang dibuat:
– PPG yang dibuat menggunakan sensor yang dibuat dari LED dan LDR.
– EKG yang dibuat adalah jenis monitoring EKG.
– Sensor suhu yang digunakan adalah LM35.
– Mikrokontroler yang digunakan adalah jenis AVR ATMega.
– Sumber tegangan berasal dari dua buah baterai dengan spesifikasi 6 V, 1.3AH.
– Progaram mikrokontroler yang digunakan adalah BASCOM AVR.
– Software yang digunakan untuk membuat program Aplikasi adalah Delphi.
– Sebagai penampil sinyal berupa LCD garfik 240×128 dan atau program aplikasi pada PC yang diberi nama “Heart Monitor”.

Blok Diagaram Sistem

Pada alat yang dibuat dibagi menjadi lima bagian utama, yaitu sebagai berikut:
– Blok EKG.
– Blok PPG.
– Blok Suhu.
– Blok Mikrokontroler.
– Blok display.

Blok EKG merupakan blok sistem yang digunakan untuk pengkondisi sinyal EKG sehingga didapatkan sinyal yang dapat diolah pada mikrokontroler. Blok EKG ini terdiri dari elektroda, rangakaian penguat awal, rangkaian filter LPF 40 Hz, rangkaian penguat, rangkaian filter LPF 20 Hz, dan rangkaian adder. Blok rangkaian PPG digunakan untuk pengkondisi sinyal PPG sehingga didapatkan sinyal yang dapat diolah pada mikrokontroler. Blok PPG ini terdiri dari sensor, pengut pertama, filter LPF 20 Hz pertama, penguat kedua, filter LPF 20 Hz kedua, penguat kedua, dan adder. Blok suhu hanya terdapat sensor LM35 yang langsung dihubung kepin ADC pada mikrokontroler.
Blok mikrokontroler terdiri dari sismin AVR , rangkaian konverter TTL ke USB, serta rangkaian LCD grafik. Blok display terdiri dari dua komponen, yaitu LCD grafik dan program aplikasi “Heart Monitor”.

Perancangan dan Realisasi EKG

Untuk mendapatkan sinyal EKG dari tubuh, diperlukan suatu rangkaian pengkondisi sinyal yang dapat mengakuisisi sinyal EKG. Secara umum rangkaian pengkondisi sinyal yang dibuat adalah sebagai berikut:

Transduser

Transduser merupakan suatu perangkat yang digunakan untuk mengubah suatu sinyal tertentu menjadi sinyal lain yang diinginkan. Transduser elektroda digunakan untuk mengubah ion-ion pada permukaan tubuh pasien untuk diubah menjadi sinyal elektrik sehingga dapat diproses dalam proses selanjutnya. Transduser yang digunakan adalah tipe transduser yang mempunyai kontak langsung dengan kulit. Transduser terbuat dari bahan metal seperti silver atau stainless steel. Pada proses pengambilan sinyal ini menggunakan transduser dari 3M Red Dot atau transduser berupa gelang karena memiliki sensitivitas yang cukup tinggi. Untuk meningkatkan sensitivitas transduser dan mengurangi noise yang dihasilkan dari gesekan antara transduser dan kulit serta gerakan otot digunakan jelly elektrolit yang mengandung chloride dan ion lainnya.

Penguat Awal

Penguatan awal digunakan untuk menguatkan sinyal EKG yang diambil oleh elektroda transduser. Sinyal EKG yang memiliki amplitudo sangat rendah (antara 0.05 -4mV) harus dikuatkan terlebih dahulu agar dapat diolah dalam proses selanjutnya.
Pada penguatan awal ini diperlukan suatu penguat instrumentasi yang dapat mengurangi noise yang berasal dari permukaan tubuh ataupun yang berasal dari lingkungan karena penguat instrumentasi hanya akan menguatkan beda sinyal input.

Untuk mendapatkan fungsi kerja yang optimal dari penguat instrumentasi dan memperkecil rangkaian, maka digunakan suatu penguat instrumentasi yang telah terintegrasi dalam satu IC yang biasa disebut dengan instrumentation amplifier. Pada tugas akhir ini digunakan INA118 karena mempunyai kualitas yang bagus dengan harga yang relatif murah dan juga mudah didapatkan di pasaran. Penguatan dari INA118 dapat diatur dengan menggunakan satu resistor eksternal.

Filter High Pass Filter

Sinyal EKG memiliki frekuensi pada interfal 0.01 to 250 Hz dengan informasi yang paling bermanfaat untuk monitoring dan diagnosa pada frekuensi:
Frekuensi diagnosa : 0,05 – 100 Hz
Frekuensi monitoring : 0,05 – 20 Hz
HPF pada rangkaian ini digunakan untuk mengurangi noise dengan frekuensi rendah yang dihasilkan oleh tubuh. Tubuh manusia juga mengeluarkan noise pada frekuensi antara 0 sampai 1Hz dan noise dari catuan DC pada frekuensi rendah. HPF akan melewatkan frekuensi diatas frekuensi cut-off-nya yang dalam alat ini digunakan frekuensi cut-off sebesar 0,05 Hz. Nilai cut-off diambil 0,05 Hz karena frekuensi monitoring EKG berkisar antara 0,05 – 20 Hz.

Filter LPF 40 Hz

Rangkaian LPF perlu ditambahkan pada rangkaian untuk menghilangkan noise yang terdapat pada sinyal EKG. Filter LPF yang digunakan adalah LPF aktif dengan orde 3 dengan jenis filter adalah butterworth dan topologi rangkaian Sallen Key. Rangkaian filter yang digunakan dapat dilihat pada berikut:

Rangkaian Penguat

Rangkaian penguat ini dimaksudkan untuk mendapatkan sinyal EKG dengan amplitudo yang dapat diolah oleh mikrokontroler. Level tegangan yang masuk ke penguat ini adalah 5 mV – 40 mV, agar dapat diolah dalam proses selanjutnya sinyal harus menpunyai level tegangan antara 0,1 V – 5 V sehingga diperlukan penguatan antara 50 – 125 kali. Rangkaian penguat yang digunakan adalah penguatan non inverting menggunakan OP07 dengan penguatan sebesar 100 kali.

Untuk mendapatkan penguatan sesuai dengan yang diinginkan maka harus menentukan nilai resistor yang dibutuhkan. Berikut adalah perhitungan untuk mencari penguatan sebesar 100 kali.
R_1=1 kΩ
G =(1+R_2/R_1 )
100=(1+R_2/(1 kΩ))
99 =R_2/1k
R_2=99 kΩ

Low Pass Filter 20 Hz

Rangkaian LPF perlu ditambahkan pada rangkaian untuk menghilangkan noise yang masih terdapat pada sinyal EKG. LPF yang digunakan adalah LPF aktif dengan orde 3 dengan jenis filter adalah butterworth dan topologi rangkaian Sallen Key. Rangkaian filter yang digunakan dapat dilihat pada gambar  berikut:

Rangkain Adder

Karena sinyal hasil keluaran dari rangkaian filter kedua ada nilai amplitudo yang negatif, maka diperlukan rangkaian adder untuk menggeser amplitudo ke sisi positif semua. Rangkaian adder ini dibuat agar dapat menaikkan sinyal sebesar 2,5 volt, sehinggan nilai R5 diatur sampai keluaran dari rangkaian ini sebesar 2,5 volt. Gambar rangkaian adder dapat dilihat pada gambar berikut:

Perancangan dan Realisasi PPG

Untuk mendapatkan sinyal PPG, diperlukan suatu rangkaian pengkondisi sinyal yang dapat mengakuisisi sinyal PPG. Secara umum rangkaian pengkondisi sinyal yang dibuat adalah sebagai berikut:

Rangkaian Sensor dan Penguat Pertama

Untuk mendeteksi adanya perubahan volume darah atau adanya aliran darah menggunakan sensor PPG yang dibuat menggunakan LED dan LDR di pasang pada jari tangan. Untuk konfigurasi pemasangan LED dan LDR dapat dilihat pada gambar 3.12. Pada saat volume darah pada jari tangan bertambah maka lebih banyak cahaya yang diserap dan intensitas cahaya yang diterima LDR berkurang sehingga nilai hambatan LDR naik. Dengan naiknya hambatan LDR maka tegangan yang timbul pada LDR ikut naik. Sebaliknya jika volume darah pada jari berkurang semakin banyak cahaya yang diserap LDR, nilai hambatan LDR turun dan besar tegangan pada LDR turun.

Karena keluaran sinyal dari sensor kecil, yaitu berkisar antara 10-40 milivolt, maka perlu dikuatkan beberapa kali. Pada rangkaian penguat pertama ini, digunakan OP07 dan R4 = 1 kΩ. Pada penguatan pertama ini dirancang sebesar 15 kali sehingga perhitungan nilai R5 adalah sebagai berikut:
R_1=1 kΩ
G =(1+R_2/R_1 )
15=(1+R_2/(1 kΩ))
14 =R_2/1k
R_2=14 kΩ
Karena nilai 14 kΩ dipasaran tidak ada, maka digunakan resistor 15 kΩ sehingan didapatkan penguatan sebesar 16 kali.

Rangkaian Low Pass Filter Pertama

Rangkaian LPF digunakan untuk menghilangkan noise yang masih terdapat pada keluaran penguat sinyal. Rangkaian filter yang digunakan adalah LPF aktif dengan orde 3 dengan jenis filter adalah butterworth dan topologi rangkaian Sallen Key. Rangkaian filter yang digunakan dapat dilihat pada gambar berikut:

Rangkaian Penguat Kedua

Karena amplitudo keluaran dari filter masih kecil yaitu sekitar 500 milivolt, maka perlu dikuatkan lagi agar sinyal dapat diolah pada proses ADC. Pada penguat kedua ini dirancang dengan penguatan sebesar 5 kali. Berikut adalah perhitungan untuk mencari nilai resistor yang digunakan pada penguat kedua ini.
R_1=1 kΩ
G =(1+R_2/R_1 )
5=(1+R_2/(1 kΩ))
4 =R_2/1k
R_2=4 kΩ

Rangkaian Low Pass Filter Kedua

Rangkaian filter LPF ditambahkan lagi karena masih ada noise yang terdapat pada keluaran penguat sinyal. Untuk filter digunakan LPF aktif dengan orde 3 dengan jenis filter adalah butterworth dan topologi rangkaian Sallen Key.

Rangkaian Adder

Karena sinyal hasil keluaran dari rangkaian filter kedua ada nilai amplitudo yang negatif, maka diperlukan rangkaian adder untuk menggeser amplitudo ke sisi positif semua. Rangkaian adder ini dibuat agar dapat menaikkan sinyal sebesar 2,5 volt, sehinggan nilai R5 diatur sampai keluaran dari rangkaian ini sebesar 2,5 volt. Gambar rangkaian adder dapat dilihat pada gambar berikut:

Perancangan dan Realisasi Sensor Suhu

Sensor suhu ini digunakan untuk mengukur suhu tubuh sehingga dapat diketahui berapa suhu tubuh seseorang saat dilakukan pengukuran dengan alat ini. Sensor yang digunakan adalah sensor suhu LM35 tipe LM35DZ.

Agar mudah dalam penggunaannya, sensor ini letakkan pada tempat khusus seperti pensil sehingga mempermudah dalam pemasangannya.

Perancangan dan Realisasi Pengolah Sinyal

Rangkaian Mikrokontroler

Rangkaian mikrokontroler digunakan untuk mengolah data dari blok rangkaian EKG, PPG, dan sensor suhu yang kemudian ditampilkan pada LCD grafik dan dikirim ke PC. Pada mikrokontroler ini sudah ada ADC internal sehingga tidak diperlukan lagi ADC tambahan untuk mngubah analog ke digital.

LCD Grafik 240×128

LCD Grafik digunakan untuk menampilkan sinyal PPG, EKG, suhu tubuh, serta Bit Rate. LCD Grafik yang digunakan adalah tipe GLCD 240×128. Pada layar LCD ini dibagi menjadi tiga bagian utama, bagian atas digunakan untuk menampilkan nilai suhu tubuh dan BPM, bagian tengah digunakan untuk menampilkan sinyal PPG, serta bagian bawah digunakan untuk menampilkan sinyal EKG.

Konverter TTL to USB

Konverter ini digunakan untuk mengubah data TTL menjadi data USB sehingga alat dapat langsung dihubungkan ke port USB pada PC. Berikut adalah gambar rangkaian dari konverter TTL to USB:

Perancangan dan Realisasi Program Mikrokontroler

Untuk membuat program mikrokontroler digunakan BASCOM-AVR. Hasil program dari BASCOM-AVR ini kemudian diubah format menjadi file hex agar dapat diprogramkan pada mikrokontroler.

Perancangan dan Realisasi Program Aplikasi

Aplikasi monitoring ini dibuat dengan meggunakan software Delphi 2010 dan diberi nama”Heart Monitor”. Untuk menghubungkan antara aplikasi ini dengan alat digunakan konektor USB. Pada aplikasi ini ditampilkan data-data berupa gambar sinyal PPG, gambar sinyal EKG, suhu tubuh pasien, serta bit rate jantung pasien. Data-data tersebut selain ditampilkan pada program aplikasi, juga dapat disimpan dalam suatu file berekstensi .txt yang nantinya dapat ditampilkan ulang dengan cara membuka file tersebut dengan program aplikasi yang telah dibuat.