Biosignal Rev [PDF]

Citation preview

TUGAS INSTRUMENTASI DAN PENGOLAHAN SINYAL BIOMEDIKA



Kelompok 1 Muhammad Ilham Wisnu Aji Pamungkas



2211131001



Januar Akmalludin



2211131005



Ahmad Ramdani



2211131009



JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS JENDERAL ACHMAD YANI 2017



1



Biosignal Biosignal : 



SIGNAL adalah pembawa informasi.







INFORMASI : menjelaskan mekanisme fisik/tubuh tertentu saat terjadinya aktifitas sistem.







Signal ini dapat diukur dan dianalisa untuk mengetahui informasi mengenai struktur dan fungsi dari sistem biologi. –Mis: denyut jantung, kontraksi otot, aktifitas otak dll.







Medical diagnostics dari electrocardiogram (ECG) oleh Einthoven (1905) dan electro encephalogram (EEG) oleh Berger(1929).



Sinyal biomedis Pengolahan - Akuisisi dan pengolahan untuk mengekstrak informasi yang diinginkan - Sifat dari proses fisiologis didasarkan pada : a) pengamatan sinyal (explorative nature) b) pengamatan bagaimana proses mengubah karakteristik sinyal (pemantauan perubahan karakteristik yang telah ditetapkan) Tujuan untuk pengolahan sinyal biomedis:  Kuantifikasi dan kompensasi untuk efek mengukur perangkat dan kebisingan pada sinyal.  Identifikasi dan pemisahan yang diinginkan dan komponen yang tidak diinginkan dari sinyal.  Untuk menghasilkan sinyal pada dasar analisis karakteristik sinyal



2



Klasifikasi Sinyal Biomedis 1. Klasifikasi berdasarkan sumber : Bioelectric Signals : dihasilkan oleh sel-sel saraf dan sel-sel otot. pengukuran sel tunggal (Microelectrodes mengukur potensial aksi) dan pengukuran ‘gross' (elektroda permukaan mengukur tindakan banyak sel di sekitarnya). Biomagnetic Signals : otak, jantung, paru-paru menghasilkan medan magnet yang sangat lemah, ini mengandung informasi tambahan dengan yang diperoleh dari sinyal bioelectric. Dapat diukur dengan menggunakan SQUIDs. Bioacoustic Signals : banyak fenomena buat akustik kebisingan. Misalnya, aliran darah melalui jantung, yang katup, atau pembuluh dan aliran udara melalui atas dan saluran udara lebih rendah dan paru-paru, tetapi juga saluran pencernaan, sendi dan kontraksi otot. Merekam menggunakan mikrofon. Sinyal Biomekanik : gerak dan perpindahan sinyal, tekanan, ketegangan dan aliran sinyal. Berbagai pengukuran (tidak selalu sederhana, sering invasif pengukuran diperlukan). Sinyal Biokimia : pengukuran kimia dari hidup jaringan atau sampel yang dianalisis di laboratorium. Untuk contoh, konsentrasi ion atau tekanan parsial (pO2 atau pCO2) dalam darah. (Sinyal frekuensi rendah, sering sebenarnya sinyal DC). Sinyal Bioimpedance : impedansi jaringan mengungkapkan informasi tentang komposisi jaringan, darah volume dan distribusi dan lebih. biasanya dua elektroda untuk menyuntikkan saat ini dan dua untuk mengukur drop tegangan.



3



Sinyal Biooptical : oksigenasi darah dengan pengukuran ditransmisikan dan cahaya backscattered dari tisu, estimasi output jantung dengan pewarna pengenceran. teknologi serat optik. 2. Klasifikasi BIOSIGNAL berdasarkan bentuk fisik diantaranya : 



Mekanik: tekanan darah, aliran darah, nystagmus (gerakan mata involuntary), contractability (kemampuan kontraksi), bunyi/suara, tidal air volume (volume udara yg dihirup dan dikeluarkan pada siklus pernafasan).







Termal (temperatur, distribusi temperatur)







Listrik (perubahan tegangan, dapat dilihat pada EEG, ECG dan EMG, kulit)







Konduktansi (distribusi tegangan, depolarisasi sel syaraf)







Magnetik (magnetoencephalogram, magnetocardiogram)







Optik (micrographs, X-ray images)







Atom (konsentrasi radioaktif isotop, scintigrams, distribusi aktifitas)



3. Klasifikasi berdasarkan dimensi diantaranya : a. dimensi(time curve [misal: ECG]) b. dimensi(images [misal: distribusi temperatur pada permukaan kulit]) c. dimensi(konsentrasiatauvolume [misal: kadarO2 dalam darah]). 4. Klasifikasi berdasarkan perubahan sinyal : Analog: kontinyu Digital: diskrit 5. Klasifikasi berdasarkan statistik diantaranya :  Deterministic 



Periodical: (pengulangan sinyal pada periode waktu yang konstan)



4







Harmonic: bentuk sinyal yang sinusoidal (ideal, tidak muncul pada biosignal)







Non-harmonic: bentuk karakteristik yang berulang dengan interva tertentu (tekanandarah, ECG)







Non-periodical: evoked potential, wash-out-curves of radio-isotopes



 Stochastic (accidental) 



Stationary (pengujian statis EEG pada periode waktu yg pendek);







Non-stationary (pengujian dinamis EEG, depolarisasisel syaraf).



5



Analisa BioSignal 



Metode dasar analisa signal : penguatan, filtering, digitalisasi, processing dan penyimpanan dapat diterapkan pada analisa biosignal.







Atau dengan menggunakan metode pengembangan untuk analisa biosignal.



1. Masalah dalam pemrosesan sinyal biomedis Aksesibilitas - Keselamatan pasien, preferensi untuk noninvasiveness. - Pengukuran langsung (variabel yang tidak dapat diakses). Variance - Inter-individu, intra-individu. - Inter-hubungan dan interaksi antara sistem fisiologis. Gangguan Akuisisi - Instrumentasi dan prosedur memodifikasi sistem atau keadaan. Artefak dan Gangguan. - Gangguan dari sistem fisiologis lainnya (. E, g artefak otot dalam rekaman EEG). - Sinyal tingkat rendah (microvolts misalnya di EEG) membutuhkan amplifier sangat sensitif; mereka mudah sensitif terhadap gangguan. - Kemungkinan terbatas untuk melindungi atau perlindungan lainnya. Non-linear dan ketidakjelasan sistem yang diteliti. - Pada dasarnya semua nonlinier sistem pameran biologis sementara sebagian besar metode didasarkan pada asumsi linearitas → pendekatan - Struktur Exact dan fungsi sebenarnya dari banyak sistem fisiologis sering tidak diketahui. 2. Kesalahan Kuantisasi Kesalahan Quantization : adalah perbedaan antara asli dan amplitudo sinyal sampel pada saat sampling.



6



Kesalahan Quantization berasal karena memiliki jumlah terbatas tingkat kuantisasi (amplitudo diskrit) yang tersedia dengan jumlah terbatas N bit - Jumlah tingkat kuantifikasi = 2N. Minimalisasi kesalahan kuantisasi: - Jumlah Cukup tinggi bit - Skala sinyal yang tepat (aMplitudes sehingga benar "mengisi" rentang seluruh dinamis dari A / D-converter). -



Preamplifier.



-



Preconditioning (mis revormal dari DC hanyut dari sinyal AC seperti EKG, EEG, dll) teorema sampling dan aliasing.



-



Sampling (Shannon) teorema: sinyal kontinu dapat benar-benar pulih dari sampel yang jika, dan hanya jika, sampling rate lebih besar dari dua kali frekuensi tertinggi dari sinyal (Nyqvist frekuensi) jika teorema sampling dilanggar, aliasing terjadi. Aliasing dalam waktu domain.



-



Sinyal Asli: garis tipis.



-



Sampling (garis putus-putus) sebesar 1,3 * frekuensi sinyal



-



sinyal Direkonstruksi: garis tebal Pemetaan frekuensi di DFT & aliasing • DFT IS BERKALA DENGAN PERIODE RATE SAMPLING.



-



Satu periode adalah systemmetric dengan fsl2. Frekuensi dari fsl2 dengan fs peta ke fsl2 ke 0 Catatan: aliasing terjadi di



sampel dan karenanya tidak dapat diperbaiki atau dicegah di domain diskrit lagi. Gunakan tingkat enough sampling tinggi dan filter anti alias analog. 3. Pentingnya Teorema Sampling. •



Sampling salah menyebabkan kesalahan yang tidak dapat dipulihkan sinyal yang diperoleh.



•



Sampling Salah mengejutkan umum dengan sinyal biomedis.



•



Penting untuk mengenali dan memahami konsekuensi yang mungkin (dan mengelolanya).



7



4. Tingkat Pemrosesan Sinyal Utama •



Akuisisi - Sinyal deteksi: linear, amplitudo dan distorsi fase koreksi - Pengkondisian sinyal: prefiltering, normalisasi - Analog-ke-digital percakapan - Penyimpanan data



•



Pengolahan - Penyaringan: pengurangan kebisingan, restorasi - Transformasi: DFT, WT, STFT, SVD, PCA - Matching filter: ekstraksi gelombang karakteristik dari sinyal - Parameter (fitur) ekstraksi - Kompresi data - Klasifikasi - Modeling: matematika, fisiopatologis



•



Interpretasi - Asosiasi kelas parameter dengan negara physiopathologic pasien



5. Penyaringan/ Filtering Penyaringan = menghapus komponen frekuensi yang tidak diinginkan (noise) dari sinyal. •



Filter Linear: LPF, HPF, BPF, BSF



•



Filter FFT: menggunakan FFT untuk menghapus sinyal → IFFT



•



Filter Non Linear



•



Filter Adaptive



Penyaringan: Persamaan penyaringan •



Biarkan x (n) menunjukkan nilai arus masukan (EKG + Kebisingan) -x (n 1) adalah sebelumnya nilai input, x (n-k) k masukan sebelumnya



•



Biarkan y (n) menjadi arus disaring nilai output -y (n-1) adalah sebelumnya nilai output, y (n-k) k keluaran sebelumnya.



8



Contoh klasifikasi biosignal pengukuran tekanan darah •



Darah mengalir keseluruh tubuh jika jantung memompa dengan kekuatan tekanan 100 mmHg, untuk ke seluruh tubuh dan ke otak, dengan warna Merah, membawa sari-sari makanan, dan Oksigen.



•



Darah akan kembali ke jantung dengan tekananan 5 mmHg dengan warna biru, menggunakan CO2.



•



Darah dipompa ke paru-paru dengan tekanan 20 mmHg untuk mencuci kotorannya yang kemudian menjadi darah bersih kembali.



Beberapa faktor yang mempengaruhi aliran darah ke otak diantaranya : •



Tekanan Darah : Auto Regulasi bila ditekan darah turun akan menjadi Vasodilatasi serebal, jika tekanan naik akan terjadi Vaskontriksi Serebral.



•



CO2 : Perubahan tekanan Persial CO2 dalam ateri, mengakibatkan perubahan aliran darah ke otak.



•



O2 : Tekanan Akterial O2 kurang dari 50 mmHg, terjadi Vasodilatasi Serebal.



•



Visikositas Darah : Meningkatnya kekentalan darah akan mengakibatkan menurunnya aliran darah ke Otak.



•



Suhu (35-40) dibawah 35 akan mengakibatkan penurunan darah ke otak 7% Derajat C, suhu 40-42 Celcius aliran darah ke otak meningkat 30-50 %.



3 faktor yang mempengaruhi tekanan darah di Ateri diantaranya : 1. Kekuatan memompa Ventrikel (Darah Keluar). 2. Kekuatan membuka dan menutup Ateriola. 3. Jumlah darah yang bersikulasi di dalam tubuh.



9



Sphygmomanometer/Tensimeter Prinsip kerja alat pengukur tekanan darah sama dengan U-Tube Manometer. Manometer adalah alat pengukur tekanan yang menggunakan tinggi kolom (tabung) yang berisi liquid statik untuk menentukan tekanan. •



Fungsi Sphygmomanometer / Tensimeter Mengukur Tekanan Darah ( Systole , Diastole )



•



Standar Tekanan Darah pada orang Dewasa berdasarkan Penelitian sebagai berikut; o Tekanan Systolic sebesar 95 s/d 140 mmHg, shg rata rata ditetapkan pada nilai 120 mmHg o Tekanan Diastolic sebesar 60 s/d 90 mmHg, nilai rata rata ditetapkan sebesar 80 mmHg



•



Hasil diatas diukur pada Brachial Arteri lengan, total darah dalam tubuh 5 ~ 6 Ltr , 75%~80 % ada di Vena, 20% di Arteri.



•



Pengukuran di area Aorta nilai tekanana Darah 130/75 mmHg



Cara kerja Sphygmomanometer Manset dipasang ‘mengikat’ mengelilingi lengan dan kemudian ditekan dengan tekanan di atas tekanan arteri lengan (brachial), kemudian secara perlahan tekanannya diturunkan. Pembacaan tinggi mercuri dalam kolom (tabung manometer) menunjukkan peak pressure (systolic) dan lowest pressure (diastolic). Jenis-jenis Sphygmomanometer ada 3 yaitu :



10



1. Aneroid



Gambar 1. Aneroid 2. Air Raksa



Gambar 2. Air Raksa 3. Elektronik



Gambar 3. Elektronik Digital



11



RADIOLOGI RADIOLOGI Adalah ilmu yang mempelajari radiasi pengion digunakan dalam kedokteran untuk diagnosa maupun terapi. 1. RADIOLOGI DIAGNOSTIK Adalah untuk mendiagnosa suatu penyakit dengan menggunakan radiasi pengion. Kedokteran Nuklir pada saat ini



masih gabung dengan



Radiodiagnostik. 2. RADIOLOGI TERAPI Adalah untuk pengobatan / terapi suatu penyakit dengan menggunakan radiasi pengion. RADIASI PENGION Adalah gelombang elektromagnetik dan partikel bermuatan, karena energi yang dimilikinya mampu mengionisasi media yang dilalui. Meliputi: 1. Sinar X 2. Sinar Alpha 3. Sinar Beta 4. Sinar Gamma dan Neutron. 5. Dll SINAR X Adalah pancaran gelombang elektromagnetik yang sejenis dengan gelombang radio, panas , cahaya ,sinar ultra violet tetapi mempunyai panjang gelombang yang sangat pendek sehingga dapat menembus benda – benda yang dilaluinya. Sinar x ditemukan oleh seorang sarjana fisika berkebangsaan Jerman yaitu WC RONTGEN tahun 1895.



12



Sifat - Sifat Sinar X a. Mempunyai daya tembus yang tinggi, Sinar X dapat menembus bahan dengan daya tembus yang sangat besar dan digunakan dalam proses radiografi b. Mempunyai panjang gelombang yang pendek yaitu 1/10.000 amstrong. c. Mempuyai efek fotografi, Sinar X dapat menghitamkan emulsi film setelah diproses dalam kamar gelap. d. Mempunyai efek biologi, Efek primer sinar X apabila mengenal suatu zat akan menimbulkan ionisasi partikel – partikel e. Mempunyai efek ionisasi, Sinar X akan menimbulkan perubahan perubahan biologi pada jaringan. Efek biologi ini akan digunakan dalam pengobatan radioterapi. Spektrum Gelombang ElektroMagnetik



Gambar 4. Spectrum Gelombang Elektromagetik



13



Tabung Rontgen



Gambar 5. Tabung Rontgen/Xray Tube Proses Terjadinya Sinar X 1. Didalam tabung rontgen ada katoda dan anoda, bila katoda (filamen) di panaskan lebih dari 20.000 C sampai menyala dengan mengalirkan listrik dari transformator 2. Karena panas maka elektron – elektron dari katoda (filamen) terlepas 3. Dengan memberikan tegangan tinggi maka elektron elektron dipercepat menuju anoda (target) 4. Elektron elektron mendadak dihentikan pada anoda (Target) sehingga terjadi panas (99%) dan sinar X (1%) 5. Sinar X akan keluar diarahkan dari tabung melalui jendela yang disebut diagpragma 6. Panas yang ditimbulkan di dinginkan oleh radiator pendingin (yaitu oli).



14



Proses Terjadinya Gambaran Radiografi. 1. Terjadinya bayangan laten :  Bayangan laten ini terjadi bila x-ray film sudah diekspose sinar x.  Apabila sinar x menembus objek yang mempunyai kerapatannya tinggi maka Inst.Screen akan memendarkan cahaya flouroresensi sedikit sekali, maka pada X-Ray film akan terjadi bayangan laten yang radioopaque (Putih).  Apabila sinar x menembus objek yang mempunyai kerapatan rendah maka Inst. Screen akan memendarkan cahaya flourosensi tinggi, maka pada X-Ray film akan terjadi bayangan latent radiolucent (Hitam). 2. Terjadinya bayangan Tampak :  Bila X-Ray yang sudah diekspose diproses di cairan developer maka bayangan laten radioopaque yang terjadi pada x-ray film akan terjadi bayangan tampak radioopaque (Putih).  Begitu pula bila x-ray film yang sudah diekspose diproses dicairan devoleper maka bayangan laten radiolusen yang terjadi pada x-ray film yang akan terjadi bayangan tampak radiolusen (Hitam).  Lamanya dicairan developer ± 5 menit . Jenis Pemeriksaan dan Posisi Pemotretan. A. Pemeriksaan Rontgen Dasar 1. Pemeriksaan Tanpa bahan Kontras •



Thorax



•



Tulang Kepala



•



Tulang Belakang



•



Tulang Panggul



15



•



Tulang Tangan dan kaki



2. Pemeriksaan dengan bahan kontras •



Saluran Pencernaan makanan



•



Saluran Perkencingan



•



Saluran Empedu



B. Pemeriksaan Khusus -



Pemeriksaan Pembuluh Darah



-



Pemeriksaan pembuluh Darah jantung



-



Pemeriksaan Embolisasi



-



Pemeriksaan Flebografi



Posisi Pemotretan ini ada 3 komponen yang harus diketahui : 1. Arah Sinar : - Sinar Tegak Lurus - Sinar Horisontal 2. Posisi Objek : - AP/PA - Oblique - Lateral 3. Posisi Penderita - Berdiri - Tidur Terlentang - Tidur Tengkurap



16



Pemeriksaan dengan menggunakan sinar x menurut jenisnya ada 2 macam: 1. Pemeriksaan flouroskopi adalah : pemeriksaan radiologi dimana ahli radiologi secara langsung dapat melihat dan mempelajari organ organ dalam tubuh yang bergerak. Pada saat ini dihubungkan dengan TV Monitor dan digunakan Di ruang bedah untuk membantu pembedahan dan reposisi tulang yang patah. 2. Pemeriksaan radiografi adalah: pemeriksaan radiologi dimana ahli radiologi dapat melihat dan menyimpan dari hasil pemeriksaan untuk dokumentasi. Radiografi sering di sebut juga gambaran dari hasil pemeriksaan rontgen.



FLOUROSKOPI Pengguaan sinar x untuk mendiagnosa penyakit dapat dilakukan dengan cara fluoroscopy, Pada -penggunakan fluoroscopy secara konvesional, apabila sinar x mengenai intensifier sreen ketajaman gambar lama didapatkan dan sulit segera menganalisa, karena bekerja diruang gelap perlu penyesuaian penglihatan. Prinsip konvensional fluoroscopy:



Gambar 6. Conventional Fluoroscopy



17



Dengan menggunakan Image Intensifier fluoroscopy dapat dilalukan pada ruangan terang tidak memerlukan penyesuaian penglihatan serta dengan hasil yang lebih sempurna. Prinsip fluoroscopy menggunakan Image Intensifier :



Gambar 7. Image Intensifier



18



Diagram Image Intensifier



Gambar 8. Diagram Image Intensifier Keterangan gambar 1. Object



6. Output phospor



2. External metal housing



7. Optical system



3. Input phosphor



8. Light output



4. Photocathode



9. Photo electron



5. Internal glass housing



10. X – Ray



Tegangan pada tabung Image Intensifier



Gambar 9. Tegangan Pada Tabung Image Intensifier



19



Tabung image intensifier didalamnya diselubungi oleh glas envelope yang vacuum. Didalam glass envelope terdapat fluorescent yang dilapisi foto katode, sehingga terbentuk lapisan input screen. Pada bagian akhir glass envelope dipasang out put screen



dan dipasang pula silinder anode yang saling



berhubungan pada output screen. Apabila suatu obyek dikenai sinar x maka sebagian energinya diserap oleh obyek tersebut. Adapun besar kecilnya penyerapan tergantung dari dua faktor yaitu : a. Ketebalan obyek b. Nomor atom obyek



Untuk ketebalan obyek , semakin gemuk seseorang maka penyerapan energinya



semakin



besar, jadi semakin



tebal



obyeknya semakin



banyak



penyerapan energi sinar x. Untuk nomor atom obyek, semakin besar nomor atomnya semakin banyak penyerapan energinya , misalnya tulang dengan nomor atom yang lebih besar dibanding daging, maka penyerapan sinar x oleh tulang menjadi lebih banyak. Setelah sinar



x menembus



obyek, kemudian



membentur



bahan



fluorescent sceen, bahan itu akan memancarkan photon cahaya, dan photon cahaya akan mengenai bahan foto katode sehingga memancarkan electron. hal ini disebut emisi foto listrik. Berkas electron yang dihasilkan oleh photo katode akan dipusatkan kesatu titik pusat dengan menggunakan suatu sistim optic electron, dengan memberi tegangan yang berbeda dari photo cathode sampai output screen ( antara anoda – katoda ) sebasar 0V - 80V – 360V – 4KV – 25KV. Beda potensial antara katode dan anode menimbulkan medan listrik, apabila dilalui elektron maka gerakan elektron akan dipercepat dan elektron ditangkap oleh output screen , dan menimbulkan bayangan yang yang luasanya sama dengan luasan output screenn, namun lebih terang. Keluaran output screen akan diterima oleh kamera.



20



Diagram proses perubahan sinar x manjadi cahaya tampak



Gambar 10. Diagram Perubahan Sinar X Pengertian Secara umum diartikan seperangkat peralatan elektronik yang dirangkai secara tertutup dan berfungsi untuk menampilkan gambar pada TV monitor. Dalam bidang radiologi suatu peralatan elektronik yang dirangkai secara tertutup dan difungsikan untuk menampilkan gambar pada tv monitor sehingga dapat dipergunakan untuk fluoroscopy dan fotoseri. Peralatan yang terangkai pada CCTV a. Image intensifier



: Berfugsi untuk mengubah sinar x menjadi sinar



tampak memperkuat berkas sinar, memfocuskan , sehingga dihasilkan sinar x yang tampak , terfocus dan lebih terang (tajam). b. Camera



: Merubah cahaya tampak menjadi sinyal



listrik. c. Central TV



: Untuk mengolah



sinar



x mendistribusikan



kerangkaian lain dan merubah menjadi sinyal video.



21



d. TV monitor



:



Merubah sinyal video menjadi gambar yang dapat



dilihat. Blok diagram CCTV



Gambar 11. Blok Diagram CCTV Prinsip kerja CCTV 1. Sinar x yang dihasilkan oleh x-ray tube akan menembus pasien dan diterima image Intensifier 2. Pada image intensifier x – ray dirubah menjadi cahaya tampak diperkuat, diperkecil kemudian diterima lensa. 3. Setelah mendapatkan cahaya yang tajam , luasanya lebih kecil, akan diterima lensa , difocuskan sebagai masukan camera. 4. Cahaya yang mengenai camera ini akan diubah menjadi sinyal listrik (electric sinyal)dan diteruskan ke central TV.



22



5. Pada central monitor sebagian dirubah menjadi sinyal video kemudian diteruskan ke TV monitor dan sebagian ke automatic dose rate regulator kemudian ke generator. 6. Pada TV monitor dapat terlihat gambar yang sesuai dengan obyek, sedangkan yang ke automatic dose rate regulator diteruskan ke generator untuk menyesuaikan x-ray yang terjadi dengan ketebalan obyek. Keuntungan menggunakan CCTV 1. Gambar dilihat ditempat yang terang 2. Intensitas sinar x lebih kecil ( mA fluoroscopy 0.5 mA, sedang pada convensional minimum 3 mA) sehingga - dosis radiasi baik yang diterima pasien maupun petugas lebih kecil . - Beban pesawat ( tabung sinar X ) berkurang . 3. Hasil gambar dapat dilihat langsung 4. Gambar dapat direkam sehingga sewaktu waktu dapa dilihat klembali bila diperlukan.



23



DAFTAR PUSTAKA 1. Biosignalprocessing/www.embs.org 2. Biosignals.berndporr.me.uk 3. Xrayimaging/www.medicalradiation.com 4. Biosignal/lecturer.pens.ac.id



24