RESUME FISIKA MEDIS “ELECTROMYOGRAPHY”
OLEH : KELOMPOK 2 SITI NUR RAHMAH AZYYATI NUR SHOFIA HIDAYATI H IDAYATI RAEHAN YURIZA AIDHA BUDI NUR’AINI
SITI HAJAR
JURUSAN PENDIDIKAN FISIKA FAKULTAS TARBIYAH DAN KEGURUAN (FTK) UNIVERSITAS ISLAM NEGERI (UIN) MATARAM 2018
RESUME ELECTROMYOGRAPHY A. Pengertian Elektromiografi
Elektromiografi (EMG) adalah teknik untuk mengevaluasi dan rekaman aktivitas listrik yang dihasilkan oleh otot rangka. EMG dilakukan menggunakan alat yang disebut Electromyograph, untuk menghasilkan rekaman yang disebut Elektromiogram. Sebuah EMG mendeteksi potensial listrik yang dihasilkan oleh sel-sel ketika sel-sel ini elektrik atau neurologis diaktifkan. Sinyal dapat dianalisis untuk mendeteksi kelainan medis, tingkat aktivasi, perintah rekrutmen atau untuk menganalisis biomekanik kondisi manusia atau hewan. Otot adalah bagian tubuh manusia yang berfungsi dalam sistem gerak. EMG berfungsi untuk mendeteksi adanya potensial listrik yang dihasilkan pada saat otot kontraksi dan relaksasi. Sinyal listrik otot dapat diperoleh melalui pemasangan elektroda EMG yang diletakkan di permukaan kulit pada otot yang akan diambil data sinyalnya. Elektroda EMG yang ditempelkan ini menyimpan data beragam kondisi sesuai dengan peletakkan elektrodanya. Sehingga dapat digunakan untuk mengendalikan suatu sistem. Elektroda tersebut akan mengenali kondisi dengan memonitor sinyal otot yang sesuai dengan yang ada pada data yang tersimpan. Hasil perekaman sinyal EMG juga telah banyak digunakan sebagai sinyal kendali untuk berbagai macam sistem diantaranya komputer, robot, dan perangkat lainnya. Perangkat antarmuka berbasis pada EMG juga dapat digunakan untuk mengendalikan objek bergerak, seperti robot mobile atau kursi roda listrik. Hal ini sangat membantu individu yang tidak bisa mengoperasikan kursi roda yang dikendalikan joystick . Sistem yang dihasilkan dari EMG mampu mempelajari sinyal otot dari permukaan kulit saat seseorang melakukan kondisi tertentu. Ada banyak aplikasi untuk penggunaan EMG. Penelitian tentang EMG yang merupakan bagian dari biomedical engineering telah berkembang pesat, sebagai contoh yaitu penelitian aplikasi biosignal pada manusia untuk kontrol buatan pada manusia maupun untuk mendeteksi adanya kelainan
aktivitas pada otot, gangguan gerak, kontrolpostural, dan terapi fisik. Sinyal EMG juga digunakan dalam aplikasi klinis dan miomedis. EMG digunakan sebagai alat diagnostik untuk mengidentifikasi penyakit neuromuskuler, menilai nyeri punggung bawah,kinesiologi, dan gangguan kontrol motor sinyal EMG juga digunakan sebagai sinyal kontrol untuk perangkat palsu seperti tangan buatan, lengan, dan tangkai bawah. ( Siti Nur Rahmah) B. Sinyal Elektris Pada Otot - E lectromyogram
Pencatatan potensial otot/biolistrik selama pergerakan otot disebut elektromiogram. Otot diladeni banyak unit motor. Suatu unit motor terdiri dari cabang tunggal neutron/saraf dari otak atau medulla spinalis. Ada 252.000 serat otot (sel), dihubungkan dengan saraf via motor end plate, sehingga potensial istirahat yang melewati serat otot serupa dengan potensial istirahat yang melewati serat saraf. Oleh sebab itu gerakan otot berkaitan dengan satu potensial aksi yag merambat sepanjang akson dan diteuskan ke serat otot melalui motor end plate. Teknik pengukuran EMG : a. Pengukuran sel otot tunggal Biasanya tidak dikerjakan oleh karena sulit mengisolasi serat otot tunggal. Tetapi secara skematis dapat ditunjukkan sebagai berikut :
Gambar 1.1 Cara mengukur potensial aksi sel otot tunggal. Dikutip dari John R. Cameron and James G Skofronick “ Medical Physiscs” John Wiley & Sons 1978. hlm.190 Sumber : Buku Fisika Kedokteran hlm. 220
b. EMG pada beberapa serat otot Pencatatan aktivitas listrik pada beberapa serat otot dapat dilakukan sebagai berikut : Elektroda permukaan diletakkan pada permukaan kulit dengan tujuan mengukur isyarat listrik dari sejumlah unit motoris. Sebuah elektroda jarum konsentris dimasukkan ke dalam kulit untuk mengukur aktivitas unit motoris tunggal.
Gambar 1.2. Elektromyogram diperoleh dengan jarum elektroda yang terkonsentrasi dan permukaan elektroda Dikutip dari John R. Cameron and James G. Skofronick “ Medical Physics” John- Wiley & Sons, 1978, hlm. 191 Sumber : Buku Fisika Kedokteran hlm. 221
A = Potensial unit motoris yang normal B = Potensial Fibrillasi C = Potensial motor unit yang polyphasik
Gambar 1.3. Suatu elektromiogram pada otot bisep yang menunjukkan denervasi parsial Dikutip dari Bryan O. Scott “ The Principles and Practice of Electrotherapy and Actino therapy” William Heinemann Medical Books Ltd, London, 1959, hlm. 167 Sumber : Buku Fisika Kedokteran, hlm. 221 (Nur Shofia H idayati)
Sinyal juga dapat dikirimkan pada sebuah amplifier dan dapat terdengar di pengeras suara. Rekaman terintegrasi (dalam volt/detik) adalah pengukuran jumlah elektrisitas yang bersosiasi dengan potensial kegiatan otot. Gambar 5 menunjukakan EMG dan bentuk terintegrasinya untuk derajat kontraksi otot berbeda. Kontraksi perlawanan yang lebih menjadikan aktivitas potensial kegiatan membesar. Lebih mudah untuk mengevaluasi bentuk terintegrasi dari aktivitas potensial kegiatan karena berbentuk kurva halus. Dalam klinik, EMG yang dapat didengar dan bentuk terintegrasi sering digunakan untuk menentukan kondisi otot selama kontraksi.
Gambar 1.4. Rangkaian Instrumen untuk memperoleh EMG Sumber : Buku Fisika Tubuh Manusia, hlm. 249
EMG dapat diperoleh dari otot atau unit motor yang distimulasi secara elektris, dan metode sering dipilih untuk kontraksi dengan sengaja. Kontraksi yang di sengaja biasanya tersebar sekita 100 milidetik karena seluruh unit motor mungkin tidak membakar pada waktu yang sama; juga setiap unit motor mungkin ada yang menghasilkan potensial kegiatan tergantung pada sinyal yang dikirimkan dari sistem syaraf pusat. Dengan stimulasi elektris, waktu stimulasi dipastikan dan seluruh serat otot membakar hampir pada waktu yang bersamaan. Pulsa stimulasi sejenis mungkin memiliki amplitudo 100 v dan berlangsung selama 0,1 sampai dengan 0,5 milidetik.
Gambar 1.5. EMG untuk (a) Kontraksi minimal memperlihatkan potensial aksi dari unit motor tunggal, dan (b) Kontraksi maksimal memperlihatkan potensial aksi dari banyak unit motor. (a) dan (b) memppunyai skala berbeda. (diadaptasi dari P. Strong, Biophysics measuremants, Textronix, Inc, Beaverton, OR, 1970, p. 183, dengan ijin Textronix, Inc). Sumber : Buku Fisika Tubuh Manusia, hlm. 250
EMG yang diperoleh selama stimulasi elektris dari unit motor ditunjukkan pada (gambar 1.6). Potensial kegiatan tampil dalam EMG setelah periode laten (waktu antara stimulasi dan permulaan respon). Kadang-kadang EMG dari otot simetris dalam tubuh dibandingkan satu dengan lainnya atau dengan individu-individu normal untuk menentukan apakah potensial aksi dan periode laten adalah sama.
Gambar 1.6. Rangkaian instrumen untuk memperoleh EMG selama stimulasi elektris dari unit motor. Sumber : Buku Fisika Tubuh Manusia, hlm. 250 ( Raehan)
Sebagai tambahan, untuk menstimulasi unit motor secara elektris, kita dapat merangsang syaraf sensorik yang membawa informasi menuju sistem syaraf pusat. Sistem refleks dapat dipelajari dengan memahami respon
refleksi pada otot (gambar 1.7). Pada tingkat stimulasi rendah beberapa syaraf sensorik yang sensitif diaktifkan tetapi syaraf motorik tidak diaktifkan dan tidak ada respon M yang terlihat pada (gambar 1.7 b). Potensial kegiatan dari syaraf sensorik bergerak menuju otak kecil dan menggenerasikan respon refleks yang bergerak sepanjang s yaraf motorik dan mengukuhkan penundaan respon H pada otot. Seiring peningkatan perangsang, kedua syaraf motorik dan sensorik distimulasikan dan kedua respon M dan H terlihat (gambar 1.7 c). Pada tingkat stimulasi yang besar hanya respon M yang terlihat pada (gambar 1.7 d).
1.7. Simulasi elektris syaraf sensoris dan motoris bayi menunjukkan kondisi relaks. Respon diperlihatkan pada CTR. (a) Skema diagram instrumen, (b) Untuk stimulasi tingkat rendah t=0, 14 detik respon terlambat sensoris H terlihat pada rekaman elektroda, (c) Untuk stimulasi menengah, dua respon diperoleh : syaraf motor M merespon pada 5 detik sesudah stimulasi, dan respon H pada 14 detik, dan (d) Untuk stimulasi yang lebih luas hanya respon M yang diperoleh. (Diadaptasi dari J.E. Thomas dan J.H. Lambert, J. App l.Physiol, 15; 1-9 1960) Sumber : Buku Fisika Tubuh Manusia, hlm. 252 (Y uriza Aidha Budi F .) Gambar
Kecepatan potensial kegiatan pada syaraf motorik juga dapat ditentukan. Pada perangsang juga diaplikasikan pada dua lokasi, dan periode laten untuk setiap respon diukur pada (gambar 1.8). Perbedaan antara dua periode laten adalah pada waktu yang dibutuhkan untuk potensial kegiatan adalah jarak yang terbagi oleh waktu ini.
Gambar 1.8. Metode pengukuran kecepatan konduksi syaraf motorik. Periode tersembunyi untuk respon ke stimulasi 1 adalah 4 detik lebih lama dari respon ke stimulasi 2 ( ∆ = 4 × 10−3 detik). Perbedaan jarak ∆ adalah 0,25 m;
kecepatan
konduksi
syaraf
10−3 = 625 / . Sumber : Buku Fisika Tubuh Manusia, hlm. 253
=
∆ ∆
= 0,25
×
Kecepatan konduksi biasa digunakan untuk syaraf sensorik yang dapat di ukur dengan menstimulasi satu bagian dan merekam pada beberapa bagian atau beberapa lokasi yang diketahui sebagai jarak dari titik stimulasi pada (gambar 1.9). Seringkali kerusakan syaraf terjadi pada penurunan kecepatan konduksi. Kecepatan sejenis sekitar 40 sampai 60 m/detik, jika kecepatan dibawah 10 m/detik akan mengindikasikan masalah. Elektromyogram yang dibuat selama proses stimulasi ganda digunakan untuk menentukan karakteristik ketegangan pada otot manusia. Otot yang besar pada manusia dapat distimulasi ulang selama tingkat stimulasi mengizinkan peridoe relaksasi sekitar 0,2 detik di antara denyutan. Seorang pasien dengan penyakit langka yang dideritanya yaitu myasthenia gravis
menunjukkn kelemahan
otot ketika melakukan kegiatn pada otot berulang-ulang. EMG pada pasien tersebut menunjukkan bahwa pada stimulasi berulang-ulang otot tidak merespon lebih lama.
Gambar 1.9. Kecepatan konduksi syaraf sensoris dapat ditentukan dengan stimulasi pada satu lokasi dan merekam respon dengan elektrode ditempatkan pada jarak yang diketahui. Perjalanan respon 0,25 m dari 1 ke 2 selama 4,3 m detik, kecepatan konduksi 0,25 m/ 10−3 detik = 58 m.detik. kecepatan konduksi dari 2 ke 3 adalah 0,20 m/ 4 x 10−3 detik = 50 m/detik. Sumber : Buku Fisika Tubuh Manusia, hlm. 253 ( Azyyati) C. Desain dan Perancangan Sistem
1. Sensor Elektroda Sensor elektroda pada kulit merupakan sensor yang dapat digunakan untuk membantu mendeteksi sinyal biolistrik yang dikeluarkan
tubuh manusia melalui kulit. Sensor tersebut dibuat dari bahan Ag│AgCl. Untuk mendapatkan kontak listrik dalam penggunaannya pada sensor ini terdapat pasta elektrolit yang terletak diantara elektroda dengan kulit. Jenis sensor elektroda dapat dilihat pada gambar 2.1.
Gambar 2.1. Elektroda jenis AgCl yang dipasang pada Rangkaian EMG
Jenis sensor ini banyak digunakan di bidang kesehatan sebagai pendeteksi detak jantung atau denyut nadi pada otot manusia. Dalam elektroda ini terdapat jely yang menepel langsung pada kulit. Jely ini yang akan mendeteksi listrik dalam tubuh manusia yang kemudian ion yang ditangkap oleh elektroda ini masuk dan diproses di dalam penguat. 2. Penguat Instrumentasi ( Instrumentation Amplifier ) Sinyal yang dihasilkan oleh tubuh manusia memiliki amplitudo yang sangat kecil yaitu berorde mikro Volt. Oleh karena itu sinyal tersebut perlu dikuatkan. Penguat Instrumentasi merupakan rangkaian elektronika yang didefinisikan sebagai suatu rangkaian untuk memperesar daya, arus dan amplitudo. Komponen yang digunakan sebagai penguat instrumentasi adalah IC tipe AD620 besar penguatannya dicari melalui persamaan : G=1+
9,9
(1)
Penentuan gain ditentukan dengan resistor yang di pasang pada IC tersebut. Resistor ini berfungsi sebagai tahanan luar agar tidak terjadi offset DC dari elektroda. Ada 2 masukan dalam penguatan ini yaitu positif, penguat, dan negatif. Ada dua jenis tegangan yang dibutuhkan yaitu +9V dan -9V Sehingga Amplitudo yang akan naik turun menyesuaikan sinyal otot yang masuk ke dalam penguat. Perancangan secara simulasi dilakukan dengan menggunakan software Multisim 2010 seperti ditunjukkan pada gambar 2.2 di bawah ini.
(a) Gambar
2.2.
(b) Simulasi
Rangkaian
Penguat
Rangkaian, (b) Hasil Simulasi
Instrumentasi
(a)
3. High Pass Filter Filter frekuensi berfungsi untuk mengkodisikan keadaan sinyal sesuai dengan yang diinginkan. Fungsi High Pass Filter ialah untuk menentukan batas bawah frekuensi, dengan nilai cut-off tertentu yang ditentukan oleh Persamaan 2 :
=
(2)
Rangkaian high pass filter terdiri dari rangkaian pasif dan rangkaian aktif. Rangkaian filter pasif terdiri dari kapasitor dan resistor yang di pasang seri. Sinyal dengan frekuensi yang lebih besar dari cut-off HPF akan dilewatkan sedangkan yang dibawahnya akan tertahan.
Gambar 2.3. Simulasi Rangkaian High Pass Filter (Nur’aini)
4. Low Pass Filter (LPF) Rangkaian LPF berfungsi untuk menentukan batas atas frekuensi yang dapat diloloskan sesuai Persamaan 3. Rangkaian LPF yang dibuat mengikuti desain Butterworth orde 1.
=
(3)
Pada rangkaian LPF dapat pula ditambahkan penguat non-inverting seperti pada rangkaian HPF. Dengan gain 1,586, rangkaian ini dapat diketahui karakteristik sinyal yang masuk akan bergantung dari aktivitas otot yang dilakukan. Fungsi dari Low Pass Filter akan meloloskan sinyal yang berprekuensi rendah. Pada gambar 2.4 menunjukkan desain dan simulasi dari rangkaian LPF.
Gambar 2.4. Simulasi Rangkaian Low Pass Filter
5. Rangkaian Level Shifter Pada bagian ini sebelum sinyal masuk ke mikrokontroler akan terlebih dahulu melaluirangkaian level shifter . Tujuan dibuatnya level shifter adalah agar seluruh sinyal yang masuk dapat terbaca oleh pin analog mikrokontroler, termasuk bagian tegangan yang bertanda negatif. Rangkaian
level
shifter
sebenarnya
merupakan
tipe
rangkaian
noninverting op-amp dengan sedikit modifikasi pada inputnya. Cara kerja rangkaian ini dengan menyeting resistor variabel agar sinyal selalu bernilai positif sehingga dapat terbaca di osiloskop maupun ADC mikrokontroler. Gambar berikut menunjukkan desain dan realisasi dari rangkaian level shifter.
Gambar 2.5. Rangkaian Level Shifter
Dengan adanya rangkaian seperti gambar sinyal akan dapat terbaca oleh osiloskop maupun ADC, karena rangkaian ini akan mengatur sinyal yang di bawah nol dan di atasnol dengan cara mengubah-ubah nilai potensiometernya. (Si ti H ajar)
DAFTAR PUSTAKA
Cameron, John R., dkk. 2006. Fisika Tubuh Manusia. Jakarta : Sagung Seto Gabriel, J.F. 2005. Fisika Kedokteran. Jakarta : EGC Multazam, R., dkk. 2016. Desain dan Analisis Electromyography (EMG) Serta Aplikasinya Dalam Mendeteksi Sinyal Otot. Bandung : Jurnal Fisika. Vol 2, No. 2 : 37-47, ISSN : 2407-9073 Pratiwi, I., dkk. 2014. Electromyography In Ergonomics. Yogyakarta : Jurnal Simposium Nasional Teknologi Terapan (SNTT) 2, 31-38, ISSN : 2339028X
