Tugas Mata Kuliah Sistem Sensor

Sejarah dan Perkembangan SensorBiologi

Department of Physics, Institut Teknologi Bandung

Muhammad Yangki Sulaeman, Imam Priyono, Renadi Permana

10209014,10209031,10209074

Abstrak

Sistem sensor telah menjadi suatu penelitian yang sangat menarik untuk dipela-jari dari penemuan pertama mengenai sifat kelistrikan hingga saat ini dan digu-nakan sebagai sarana komunikasi antara dunia (sebagai besaran fisis seperti fisika,kimia, dan biologi) dengan alat-alat elektronik. Tulisan ini akan bertujuan untukmembahas konsep dasar dari sensor agar dapat memahami prinsip-prinsip dasardari sistem tersebut dan dilanjutkan dengan sejarah singkat beberapa sensor yangsering digunakan oleh ahli medis maupun ilmuwan pada bidang medis dan kese-hatan, yaitu Electrocardiograph (ECG) dan Electroencephalograph (EEG), sehinggadapat dijadikan rujukan untuk tulisan-tulisan lainnya yang akan membahas men-genai sistem sensor, terutama pada sensor biologis pada dunia medis dan kesehatan.

Kata kunci : Electroencephalography, Electrocardiography, Sensor Biologi, Sis-tem Sensor

1 Pendahuluan

Sensor adalah suatu perangkat yang mampu untuk mengubah suatu besaran fisis, baikitu fisika, kimia, maupun biologi menjadi suatu sinyal listrik yang dapat dihitung dandisimpan [15]. Sensor dapat digunakan untuk mendeteksi temperatur, tekanan, getaran,intensitas suara, intensitas cahaya, berat, konsentrasi molekul, dan lain-lain dan telahmemainkan peran penting dalam kegiatan industri di dunia pada saat ini [12]. Kemam-puan sensor dalam mengubah suatu besaran menjadi besaran listrik, mampu menjadikansensor suatu media komunikasi antara dunia (dalam hal besaran fisis) dengan perangkatelektronik seperti komputer.

Menurut sudut pandang sumber sinyal listrik yang didapatkan, maka sensor dapat dik-lasifikasikan sebagai berikut [3]

1. Active sensor, sensor yang membutuhkan sumber listrik dari luar untuk meng-hasilkan sinyal listrik

1

2. Passive sensor, sensor yang menghasilkan sinyal listrik tanpa membutuhkan sumbertegangan atau arus dari luar

sensor juga dapat diklasifikasikan berdasarkan sinya ouput-nya, yaitu

1. Analogue sensors, sensor dengan sinyal ouput analog

2. Digital sensors, sensor yang sinyal output digital

Sensor dapat digunakan untuk memudahkan kerja manusia, seperti pada Gambar (1),ditunjukkan peran manusia dalam mengatur ketinggian air berdasarkan beberapa param-eter terntu, seperti suhu, kelembapan, dan lain-lain pada suatu tempat dapat digantikanoleh suatu sistem sensor yang sesuai dan lebih akurat [12]. Mengacu kepada Gambar (1),maka sensor dapat dengan mudah menggantikan peran manusia dalam dunia industri,khususnya industri yang mempunyai skala besar [15].

Gambar 1: Pengatur ketinggian air yang dikendalikan oleh manusia [3]

Namun, sensor mempunyai karakteristik performa yang harus diketahui terlebih dahulusebelum digunakan dalam proses pengukuran suatu besaran, baik itu fisika, kimia, maupunbiologi, yaitu [3, 16]

1. Transfer function, yaitu fungsi yang dapat mengetahui hubungan antara besaranyang diukur dengan sinyal listrik yang didapatkan, biasanya hubungan tersebutdirepresentasikan dalam bentuk grafik antara input dan output sinyal.

2. Sensitivitas, yaitu hubungan antara sinyal input dari besaran yang diukur dengansinyal ouput listrik yang dihasilkan dan biasanya merupakan rasio antara perubahanterkecil antara sinyal listrik dengan sinyal masukan.

2

3. Span atau Dynamic Range, sensor diharapkan dapat menerima sinyal input dengannilai tertentu, namun ketika sensor mendapatkan input melebihi batas nilai terse-but, maka sensor akan mengalami suatu ketidakakuratan dalam penghasilan ouputsinyal.

4. Accuracy atau Uncertainty, merupakan suatu nilai error yang didapatkan dari hasilinput dan output sinyal ideal. Semakin kecil nilai error yang dipunyai suatu sensor,maka dapat dikatakan sensor tersebut mempunyai akurasi yang sangat baik.

dan lain-lain seperti noise, calibration, dan hysteresis.

Semua sensor mempunyai sistem yang sama ketika akan mengubah sinyal input menjadisinyal ouput berupa sinyal listrik. Sensor membutuhkan suatu rangsangan sinyal ataustimulus dari suatu medium agar dapat diubahnya menjadi suatu sinyal listrik [3, 16].Sensor akan berbeda dengan transducer yang mempunyai sifat mengubah suatu tipe en-ergi menjadi energi lainnya, sensor hanya mengubah suatu besaran menjadi sinyal listrik,namun biasanya sensor merupakan gabungan beberapa transducer yang digunakan untukmengubah stimulus menjadi sinyal listrik. Output sinyal listrik dapat berupa teganganlistrik, arus listrik, resistansi, maupun kapasitansi. Sensor seperti thermocouple dapatmengukur besaran suhu, dan merupakan sensor passive dengan sinyal output berupategangan listrik. Sensor LVDT dapat digunakan untuk mengukur posisi dan merupakansensor active yang menghasilkan sinyal output berupa tegangan AC [16].

2 Sensor Biologi

Seperti yang dibahas pada Bab (1), sensor mempunyai peranan penting dalam kehidupanmanusia, terutama dalam bidang industri. Walaupun demikian, sistem sensor juga dapatdigunakan dalam mendapatkan besaran biologis, baik dari hewan, tumbuhan, maupunmanusia. Pada bahasan kali ini, sensor biologis yang dimaksud hanya akan meliputi sen-sor yang digunakan pada tujuan kesehatan agar cakupan tulisan ini tidak terlalu besardan hanya meliputi sensor biologis pada manusia.

Pada dunia kesehatan, terdapat irisan yang sangat penting antara teknologi informasidan bioteknologi [15], sehingga mengakibatkan naiknya penggunaan dari transducers,actuators, dan mesin-mesin berukuran kecil yang digunakan sebagai sarana penunjangdunia medis. Sensor yang dapat mengukur besaran seperti suhu, tekanan, tegangan,arus, laju fluida, dan lain-lain merupakan sensor-sensor yang paling penting dalam duniamedis [2, 15].

2.1 ECG : Electrocardiography

Salah satu sensor medis yang sering digunakan adalah ECG, atau Electrocardiographyyang mempunyai kegunaan dalam mendapatkan sinyal listrik dari jantung manusia. ECGpertama kali ditemukan oleh ahli anatomi bernama Luigi Galvani. Pada percobaan-nya terhadap potongan kaki katak yang disentuh oleh scapel, kaki katak tersebut akan

3

terangsang untuk berkontraksi [7]. Luigi kemudian menemukan bahwa terdapat hubun-gan antara kontraksi otot dengan sinyal listrik yang diberikan dan akhirnya Luigi mene-mukan suatu alat pengukur besaran listrik yang dinamakan galvanometer dan merupakancikal bakal dari ECG.

Penemuan galvanometer oleh Luigi berlanjut pada penelitian-penelitian yang berhubun-gan dengan sifat kelistrikan dari tubuh manusia, terutama jantung [7] dan berujungpada penemuan ECG oleh Willem Einthoven pada tahun 1902 [4] yang digunakan un-tuk mendiagnosa penyakit jantung, terutama arrhythmias dan infeksi myocardial [4,10].Pada saat itu Eithoven menggunakan electrometer berbentuk kapiler untuk mendapatkangrafik sinyal listrik dari jantung dan berlanjut pada penemuannya untuk mendapatkanarus listrik yang mengalir permenit, sehingga dapat dideteksi gelombang-gelombang yangberhubungan dengan aktivitas jantung, yaitu gelombang P, Q, R, S, dan T [10].

Gambar 2: Mesin ECG modern dengan elektrodanya [6]

Grafik sinyal listrik jantung yang didapatkan dari ECG adalah suatu sinyal yang menggam-barkan detak jantung yang dihasilkan oleh sel-sel otot jantung yang dapat bereksitasisendiri akibat perubahan polarisasi pada sel tersebut. Ketika sel otot jantung mengalamiperubahan polarisasi, sel tersebut akan menyebarkan sinyal listrik dari beda potensialyang dihasilkannya melalui serat-serat purkinje sehingga sinyal tersebut akan tersebarpada seluruh jantung dan akan mengontrol kapan jantung akan berkontraksi atau re-laksasi. Sel otot jantung yang dapat menghasilkan sinyal listrik ini berada pada atriumkanan dan disebut sebagai sinoatrial node yang merupakan sel pacemaker, atau sel yangmampu menghasilkan impuls tegangan di jantung [13].

ECG akan melakukan pengambilan data tegangan jantung pada pasien secara terusmenerus agar didapatkan suatu grafik aktivitas jantung pasien tersebut. Pada Gam-bar (2), terlihat alat ECG modern dengan beberapa elektroda yang akan dipasang padabagian dada pasien untuk mendapatkan tegangan jantung pasien tersebut. Aktivitas

4

jantung yang didapatkan melalui ECG merupakan grafik beberapa gelombang ang ter-diri atas gelombang P, Q, R, S, dan T, seluruh gelombang tersebut merepresentasikanaktivitas-aktivitas jantung yang berbeda-beda. Sebagai contoh, gelombang P merupakanrepresentasi dari perubahan polarisasi atrium jantung.

Sinyal listrik yang dihasilkan oleh sel-sel otot jantung dapat dideteksi pada permukaankulit manusia, secara teori seharusnya sinyal listrik tersebut dapat diukur melalui gal-vanometer biasa, namun karena sinyal elektrik yang diteruskan pada serat purkinje san-gat cepat, maka diperlukan instrumentasi yang lebih baik daripada galvanometer seder-hana. Sistem sensor yang dibangun untuk dapat mendeteksi sinyal listrik tersebut mem-butuhkan sistem penguat karena sinyal listrik yang dihasilkan jantung sangatlah kecil.Sinyal listrik jantung akan ditangkap oleh elektroda pada permukaan kulit dan diteruskanpada sistem penguat, lalu sinyal listrik tersebut akan diolah oleh suatu sistem sehinggadidapatkan gelombang-gelombang aktivitas jantung.

ECG terus berkembang hingga saat ini, bentuk dari ECG modern dapat dilihat padaGambar (2) dan merupakan salah satu alat uji diagnostik paling sering digunakan padabidang kesehatan. Willem Einthoven sebagai ayah dari ECG berhasil menemukan kasus-kasus arrhythmias dan ditemukannya angina serta arteriosclerosis pada tahun 1910 berkatECG yang mampu mendeteksi gelombang T yang mengalami keanehan. Luigi akhirnyamendapatkan hadiah nobel pada bidang kesehatan berkat penemuan ECG yang meru-pakan salah satu penemuan terpenting pada dunia kesehatan terutama pada bidang kar-diovascular [10].

2.2 EEG : Electroencephalography

Apabila ECG mempunyai peranan dalam pendeteksian sinyal listrik yang dihasilkan olehjantung, maka EEG atauh Electroencephalography mempunyai fungsi untuk mendeteksisinyal listrik yang dihasilkan oleh otak. EEG pertama kali ditemukan oleh Richard Cal-ton, seorang dokter yang berasal dari Liverpool [14]. Richard menemukan aktifitas ke-listrikan yang terjadi di otak kelinci dan monyet pada bagian cerebral hemisphere, lalukemudia diikuti oleh penemuan aktifitas listrik yang terjadi secara spontan pada kelincidan anjing yang diakibatkan oleh stimulus cahaya oleh Adolf Beck [14].

Penelitian mengenai fenomena kelistrikan yang terjadi pada bagian otak terus berlanjuthingga pada tahun 1924, seorang dokter asal Jerman, Hans Berger berhasil merekamaktifitas otak pertama dengan alat yang merupakan cikal bakal dari EEG [5]. EEG yangditemukan oleh Hans menjadi daya tarik ilmuwan lain untuk melakukan penelitian men-genai otak dan sinyal kelistrikannya, hingga pada tahun 1947, perkumpulan mengenaiEEG yang bernama, The American EEG Society didirikan.

EEG digunakan baik pada bidang kesehatan maupun penelitian mengenai cara kerja sis-tem syaraf. EEG mempunyai bentuk seperti ditunjukkan pada Gambar (3), dengan meng-gunakan elektroda yang dipasangkan pada bagian kepala pasien, EEG mampu merekamaktifitas kelistrikan otak pasien tersebut. Pada bidang kesehatan, EEG digunakan untukmendiagnosa beberapa penyakit, seperti

5

1. Seizure disorders, seperti pada epilepsi

2. Abnormalitas pada struktur otak, seperti pada tumor otak dan abscess otak

3. Cedera pada bagian kepala

4. Encephalitis atau inflammasi pada bagian otak

dan lain-lain seperti pendarahan pada bagian otak, maupun cerebral infarct atau kerusakanjaringan otak yang diakibatkan oleh kurangnya pasokan darah pada otak [8].

Gambar 3: Pasien yang sedang menjalani tes EEG [1]

Fenomena kelistrikan yang terjadi pada otak diakibatkan oleh jutaan sel-sel syaraf yangmenjadi pembentuk utama dari otak. Sel syaraf mampu menghasilkan sinyal listrik seba-gai sarana komunikasi melalui pertukaran ion yang diregulasi oleh protein yang terdapatpada membran sel syaraf. Pertukaran ion tersebut mampu menghasilkan suatu potensialaksi yang berpropagasi dari satu sel syaraf ke sel syaraf yang lain dan akan menghasilkansuatu sinyal listrik yang mampu dideteksi oleh elektroda EEG. Pada dasarnya, satu selsyaraf hanya menghasilkan sinyal listrik yang sangat kecil dan tidak mampu untuk dide-teksi oleh EEG, namun apabila sel syaraf yang mempunyai orientasi yang sama melakukanpengiriman potensial aksi secara bersamaan, maka sinyal listrik tersebut dapat dideteksioleh EEG [11].

Meskipun demikian, sinyal listrik yang dihasilkan oleh sel-sel syaraf tersebut masih sangatkecil untuk dideteksi secara langsung. EEG memerlukan suatu instrumentasi yang serupadengan ECG, yaitu penguat sinyal atau amplifier, agar sinyal listrik yang dihasilkan olehsel-sel syarat tersebut dapat direkam dan dianalisis untuk kepentingan medis maupunpenelitian. Selain itu, otak tidak hanya mengirimkan sinyal listrik yang sama. Sinyal

6

listrik yang dihasilkan oleh sel-sel syaraf akan berbeda-beda tergantung kepada titik pele-takan elektroda EEG, sehingga diperlukan banyak sekali elektroda dan penguat sinyalyang harus dimasukkan pada rancangan EEG agar dapat merekam aktifitas otak denganakurat [1].

2.3 Sensor Medis Lainnya

ECG dan EEG yang dibahas pada Bab (2.1) dan (2.2), merupakan dua contoh sensormedis yang sering digunakan para dokter untuk menegakkan hasil diagnosis mereka.Namun, dua contoh sensor tersebut hanya merupakan contoh kecil dari sensor biologisyang digunakan pada dunia medis dan kesehatan. Beberapa sensor yang digunakan untukkeperluan medis dan kesehatan, adalah

1. Sistem sensor yang digunakan untuk mendeteksi konsetrasi gula darah pada pasiendiabetes. Beberapa penelitian dan pengembangan telah dilakukan pada sistemsensor ini, agar didapatkan suatu sistem sensor konsentrasi gula yang sederhanadan presisi.

2. Sistem sensor berukuran kecil untuk mendeteksi dan mengukur sistem organ tubuhmanusia, seperti sistem muskular, peredaran darah, pencernaan, dan sistem organlainnya.

3. Sistem sensor yang digunakan untuk melakukan analisa darah (tes darah), tanpamelakukan tindakan invasif pada pasien.

dan sistem sensor lainnya baik yang sedang dikembangkan, maupun telah masuk padadunia klinis [15]

Sensor pada dunia kesehatan dan medis telah menjadi bidang penelitian yang terusberkembang hingga saat ini. Banyak sekali jenis sensor yang digunakan untuk diag-nosa dan meningkatkan kualitas dari pemeriksaan pasien yang telah digunakan dokter.Salah satu kegunaan sensor yang terus diteliti dan dikembangkan pada bidang ini adalahkecepatan dan keakuratannya dalam diagnosa dini [15], sehingga pasien yang mempun-yai penyakit tertentu yang sulit untuk didiagnosa dapat segera mendapatkan hasil jenispenyakit yang sedang dideritanya. Salah satu contoh penelitian yang sedang dikem-bangkan dalam hal tersebut adalah sensor pendeteksi kanker [9].

Potensi sensor dalam memberikan hasil diagnosis dini, terutama untuk diagnosis kankertelah menjadi penelitian yang terus dikembangkan hingga saat ini. Kanker termasukdalam penyakit yang telah membunuh jutaan jiwa dan kebanyakan pasien terlambatmengetahui bahwa dirinya sedang mengidap kanker, sehingga pasien baru mengetahuibahwa dirinya terkena kanker ketika kanker tersebut telah masuk pada tahapan peng-ganasan (stadium akhir). Dijelaskan pada [9], bahwa telah dikembangkan sensor pende-teksi kanker paru-paru dengan menggunakan sensor yang dapat mendeteksi perbedaanhembusan nafas antara pasien penderita kanker paru-paru, pasien penyakit paru-paru,dan pasien sehat.

7

3 Pembahasan dan Kesimpulan

Pengenalan mengenai sensor telah dibahas pada Bab (1), yang menjelaskan secara singkatmengenai teorema dasar sensor. Pada bab tersebut, dijelaskan bahwa sensor dapat dik-lasifikasikan menjadi beberapa jenis, namun dengan tujuan yang sama, yaitu sebagaisarana komunikasi antara dunia dengan alat elektronik. Dunia yang dimaksud adalahbeberapa fenomena fisis, baik secara fisika, biologi, maupun kimia yang dapat dilihatlangsung oleh manusia, maupun yang tidak dapat dilihat secara langsung perubahannya.Bab (1) menjelaskan secara singkat mengenai peran sensor dalam hal mempermudahhidup manusia, seperti yang ditunjukkan pada Gambar (1), ketika manusia perlu secaramandiri mengatur ketinggian air, namun dengan menggunakan sistem sensor yang terin-tegrasi pada sistem tersebut, maka manusia tidak perlu lagi mengaturnya secara mandiri.

Pada Bab (2), dijelaskan secara singkat sejarah dan contoh tentang sensor biologi yang di-aplikasikan pada dunia medis dan kesehatan, seperti ECG (Bab (2.1) dan EEG (Bab 2.2).Baik ECG dan EEG merupakan dua contoh sensor biologis yang paling sering ditemuidi dunia kesehatan maupun penelitian. Dokter akan menggunakan ECG dan EEG seba-gai alat penegak diagnosa yang dia berikan kepada seorang pasien, sedangkan ilmuwanmenggunakan kedua sensor tersebut untuk mengamati fenomena-fenomena fisis lainnyayang terjadi pada sistem peredaran darah (ECG) dan sistem syaraf pusat (EEG). Bab2) juga menjelaskan mengenai potensi penelitian mengenai sistem sensor dalam bidangmedis dan kesehatan, beberapa contoh mengenai sensor yang terkait telah disebutkanpada bab tersebut.

8

Daftar Pustaka

[1] Stacey L. Blachford. Eeg machine : How products are made, Septem-ber 2013. http://www.enotes.com/topics/electroencephalogram/reference#

reference-eeg-machine.

[2] Gerard L Cote, Ryszard M Lec, and Michael V Pishko. Emerging biomedical sensingtechnologies and their applications. Sensors Journal, IEEE, 3(3):251–266, 2003.

[3] Jacob Fraden. Handbook of modern sensors. Springer, 2010.

[4] W Bruce Fye. A history of the origin, evolution, and impact of electrocardiography.The American journal of cardiology, 73(13):937–949, 1994.

[5] LF Haas. Hans berger (1873–1941), richard caton (1842–1926), and electroen-cephalography. Journal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry, 74(1):9–9, 2003.

[6] healthadvocate. Everything you need to know about having an ecg, April 2013. http://healthadvocate.net.au/everything-you-need-to-know-about-having-an-ecg/.

[7] Dean Jenking. A (not so) brief history of electrocardiography, December 1996. http://www.ecglibrary.com/ecghist.html.

[8] Kristine Krapp. Electroencephalogram, September 2013. http://www.enotes.com/

topics/electroencephalogram/reference#reference-electroencephalogram.

[9] Roberto F Machado, Daniel Laskowski, Olivia Deffenderfer, Timothy Burch, ShuoZheng, Peter J Mazzone, Tarek Mekhail, Constance Jennings, James K Stoller,Jacqueline Pyle, et al. Detection of lung cancer by sensor array analyses of exhaledbreath. American journal of respiratory and critical care medicine, 171(11):1286,2005.

[10] Nirav J Mehta and Ijaz A Khan. Cardiology’s 10 greatest discoveries of the 20thcentury. Texas Heart Institute Journal, 29(3):164, 2002.

[11] Paul L Nunez. Electric fields of the brain: the neurophysics of EEG. Oxford Uni-versity Press, 2006.

[12] Felix Orefuwa. Beyond Your Senses. AuthorHouse, 2007.

[13] Edward Pullen. Explaining how an ekg works, June 2011. http://www.kevinmd.com/blog/2011/06/explaining-ekg-works.html.

[14] Barbara E Swartz. The advantages of digital over analog recording techniques.Electroencephalography and clinical neurophysiology, 106(2):113–117, 1998.

[15] Charles B Wilson. Sensors in medicine. Western Journal of Medicine, 171(5-6):322,1999.

[16] Jon S Wilson. Sensor technology handbook. Access Online via Elsevier, 2004.

9