Perancangan Perangkat Pembangkit Isyarat EKG Untuk Simulasi

Atthaullah Reyhan Pratama, Enas Dhuhri Kusuma, S.T., M.Eng.; Ridwan Wicaksono, S.T., M.Eng., Ph.D.

2025 | Skripsi | S1 TEKNIK BIOMEDIS

Pada tugas akhir ini, dikembangkan perangkat pembangkit isyarat EKG berbasis mikrokontroler yang dirancang untuk keperluan simulasi. Kebutuhan terhadap perangkat ini muncul karena kendala dalam pengambilan data isyarat EKG asli membutuhkan subjek manusia dan penerapan protokol ethical clearance. Prosedur tersebut menambah beban waktu dan biaya dalam penelitian. Perangkat pembangkit isyarat EKG menjadi alternatif solusi. Namun, perangkat tersebut saat ini hanya mampu membangkitkan heart rate pada nilai tertentu. Perangkat pembangkit isyarat EKG yang dikembangkan pada tugas akhir ini membangkitkan isyarat jantung menggunakan model persamaan matematika dan rangkaian elektronis. Persamaan ini diselesaikan menggunakan metode numeris Runge-Kutta orde keempat oleh komputasi mikrokontroler. Hasil komputasi dikonversi menjadi tegangan analog melalui komponen digital-to-analog converter (DAC) beresolusi 12-bit. Untuk menyamakan magnitudo dengan isyarat EKG sebenarnya, rangkaian atenuator diterapkan untuk menurunkan isyarat hingga level milivolt. Rangkaian low-pass filter orde dua dengan topologi Sallen-Key digunakan untuk meredam noise frekuensi tinggi. Sistem ini juga dilengkapi antarmuka pengguna berbasis rotary encoder dan LCD yang memungkinkan pengaturan parameter seperti heart rate, magnitudo isyarat, baseline wander, dan gangguan noise 50 Hz (power-line interference). Instrumentation amplifier digunakan sebagai alat uji untuk melakukan validasi terhadap output perangkat pembangkit isyarat EKG. Hasil penelitian menunjukkan bahwa perangkat pembangkit isyarat EKG mampu membangkitkan output sesuai karakteristik isyarat jantung dengan pengaturan sadapan Eithoven, yaitu bentuk isyarat P-Q-R-S-T dan level magnitudo sekitar 1 mV. Morfologi isyarat EKG pada sadapan II berkorelasi positif r = 0.78 terhadap dataset referensi. Rentang heart rate yang mampu dibangkitkan adalah 30 bpm sampai 130 bpm dengan mean absolute error (MAE) 2 bpm.

In this final project, a microcontroller-based ECG signal generator was developed for simulation purposes. The need for this device arose due to the challenges in capturing original ECG signal data, which required human subjects and the implementation of the ethical clearance protocol. This procedure adds to the time and cost burden in research. An ECG signal generator serves as an alternative solution. However, the device is currently capable of generating signals at specific heart rates. The ECG signal generator developed in this final project produces heart signals using a mathematical model and electronic circuits. This model is solved using the fourth-order Runge-Kutta numerical method implemented on a microcontroller. The computational results are converted into analog voltage through a 12-bit resolution digital-to-analog converter (DAC). To match the magnitude with the actual ECG signal, an attenuator circuit is employed to attenuate the signal to the millivolt level. A second-order low-pass filter circuit with a Sallen-Key topology is utilized to block high-frequency noise. The system also features a user interface based on a rotary encoder and an LCD that allows adjustment of parameters such as heart rate, signal magnitude, baseline wander, and 50 Hz power-line interference. An instrumentation amplifier is employed as a testing tool to validate the output of the ECG signal generator. The results showed that the ECG signal generator was able to generate the outputs consistently with the physiological characteristics of the heart signal using the Einthoven lead configuration, specifically the P-Q-R-S-T waveform and a magnitude level of approximately 1 mV. The morphology of the ECG signal at lead II has a positive correlation of (r = 0.78) to the MIT-BIH Normal Sinus Rhythm Database reference dataset using Pearson correlation. The range of heart rates that can be generated is from 30 bpm to 130 bpm, with a mean absolute error (MAE) of 2 bpm.

Kata Kunci : Pembangkit Isyarat (Elektrokardiograf) EKG, Atenuator, Low Pass Filter, Instrumentation Amplifier