Instrumentasi Lab. Elektronika dan Instrumentasi, UGM

Bab 1 Pendahuluan

1

Bab 1

Pendahuluan

Apakah yang dimaksud dengan instrument medis? Sebagian orang mengatakan EKG,

sebagian yang lain mengatakan biosensor kimia, sebagian yang lain lagi mengatakan sistem

pencitraan medis. Banyak instrumen yang termasuk dalam kategori instrumen medis.

Perkiraan pasar instrumen biomedis saat in adalah $200 milyar. Meskipun instrument medis

sangat bervariasi, hampir semuanya dapat digambarkan oleh diagram pada Gambar 1.1.

Gambar 1.1 Blok diagram sistem instrumentasi medis

Semua instrument harus mempunyai antarmuka dengan materi biologis. Pengantarmukaan

dapat melalui kontak langsung atau kontak tidak langsung.

Hal-hal yang harus dilakukan oleh komponen-komponen instrumen medis adalah

Sensor harus:

mendeteksi parameter biochemical, bioelectrical, atau biophysical

menghasilkan kembali tanggap waktu fisiologis parameter tersebut diatas

memberikan antarmuka yang aman

Actuator harus:

Instrumentasi Lab. Elektronika dan Instrumentasi, UGM

Bab 1 Pendahuluan

2

Menyampaikan agen eksternal melalui kontak langsung atau tidak langsung

Mengendalikan parameter biochemical, bioelectrical, atau biophysical

Menyediakan anatarmuka yang aman dengan material biologis

Antarmuka electronik harus:

Menyamakan karakteristik listrik antara sensor/actuator dengan unit komputasi

menjaga signal to noise ratio sinyal dari sensor

menjaga efisiensi actuator

menjaga bandwidth (i.e., tanggap waktu) sensor/actuator

menyediakan antarmuka yang aman dengan sensor/actuator

menyediakan antarmuka yang aman dengan unit komputasi

menyediakan fungsi pemrosesan signal sekunder untuk sistem instrument

Unit Komputasi harus:

Menyediakan antarmuka utama

Menyediakan kendali utama untuk keseluruhan sistem

Menyediakan penyimpanan data untuk sistem

menyediakan fungsi pemrosesan signal utama untuk sistem

mempertahankan pengoperasian yang aman untuk sistem keseluruhan

Pada kuliah ini kita akan mempelajari sistem dengan ujung depan berupan sensor (bukan

aktuator).

1.1 Tipe-tipe Instrumen medis (Biomedical Instruments)

Tipe-tipe instrumen medis adalah

Direct / Indirect: sistem mengukur parameter fisiologis secara langsung, misalnya

volume darah dalam pembuluh nadi, atau mengukur parameter yang berhubungan

dengan parameter fisiologis yang ingin diamati (misalnya EKG yang berhubungan

dengan aktifitas biopotensial jantung)

Invasive / Noninvasive: pengukuran potensial listrik dengan cara menancapkan

elektroda dalam daging adalah contoh sensor invasive. Sistem pencitraan yang

mengukur dinamika aliran darah dalam pembuluh nadi adalah contoh sensor non-

invasive.

Contact / Remote: sensor strain gauge yang dipasang pada otot dapat mengukur

deformasi dan gaya pada otot. Sistem MRI dan ultrasonic dapat mengukur

deformasi da gaya internal tanpa sentuhan dengan otot.

Sense / Actuate: Sensor mendeteksi parameter biochemical, bioelectrical, or

biophysical. Aktuator menyampaikan agen eksternal melalui kontak langsung

ataupun tak langsung dan atau mengendalikan parameter biochemical,

bioelectrical, or biophysical. Pemompaan insulin otomatis adalah contoh aktuator

langsung dan kontak. Operasi dengan high intensity, focused ultrasound (HIFU)

adalah contoh aktuator remote dan non-invasive.

Real-time / Static: Instrument Static mengukur parameter fisiologis rata-rata.

Instruments real-time mempunyai waktu tanggap lebih cepat atau sama dengan

konstanta waktu fisiologis parameter yang diukur. Sebagai contoh sistem ultrasonic

Instrumentasi Lab. Elektronika dan Instrumentasi, UGM

Bab 1 Pendahuluan

3

Doppler dapat mengukur perubahan kecepatan aliran darah dalam pembuluh nadi

dalam siklus jantung.

1.2 Parameter Umum Kinerja Instrument

Untuk membandingkan berbagai instrumen, diperlukan kriteria kuantitatif. Parameter kinerja

biasanya dibagi menjadi dua kelas berdasar frekuensi sinyal masukan. Karakteristik statis

menggambarkan kinerja untuk masukan dc atau frekuensi sangat rendah. Sifat keluaran untuk

jangkau masukan konstan yang besar menunjukkan kualitas pengukuran. Karakteristik

dinamis memerlukan persamaan diferensial untuk menggambarkannya dengan baik (lihat sub

bab berikut). Karakteristik keseluruhan biasanya didekati dengan jumlahan karakteristik statik

dan dinamik. Beberapa parameter kinerja statik ditunjukkan dibawah ini.

Akurasi (accuracy)

Akurasi kuantitas yang diukur sekali saja adalah beda antara nilai yang sesungguhnya

dengan nilai terukur dibagi dengan nilai sesungguhnya. Akurasi = (nilai sesungguhnya – nilai terukur) / nilai

sesungguhnya

Akurasi sering dinyatakan dengan persentasi. Bila nilai sesungguhnya tidak diketahui

maka nilai seungguhnya tersebut didekati dengan sutatu nilai standar.

Presisi (Precision)

Presisi pengukuran menunjukkan banyaknya alternatif darimana hasil pengukuran

dipilih. Pada kebanyakan instrumen modern presisi ditentukan oleh karakteristik

pengubah analog ke digital.

Resolusi (Resolution)

Resolusi adalah kuantitas terkecil yang dapat diukur. Resolusi menunjukkan derajat

pembedaan antara dua nilai yang hampir sama.

Reprodusibilitas (reproducibility)

Kemampuan sebuah instrumen untuk menghasilkan keluaran yang sama untuk

masukan yang sama pada suatu interval waktu tertentu disebut reprodusibilitas. Drif

adalah faktor utama yang membatasi reprodusibilitas.

Sensitifitas (sensitivity)

Sensitifitas menggambarkan perubahan keluaran sistem bila satu masukannya diubah.

Hal ini dilakukan dengan mempertahankan masukan yang lain tidak berubah. Masukan

yang diubah ini divariasi untuk jangkau operasional umumnya sehingga menghasilkan

perubahan keluaran untuk menghitung sensitivitas.

Nol ofset/drif (Zero (Offset) Drift)

Offset drift adalah satu parameter yang menentukan reprodusibilitas. Parameter ini

diukur dengan mengamati keluaran sistem tanpa mengubah masukan sistem. Setiap

perbahan yang terjadi adalah ofset sistem.

Sensitifitas drif (Sensitivity Drift)

Instrumentasi Lab. Elektronika dan Instrumentasi, UGM

Bab 1 Pendahuluan

4

Sensitifitas drift adalah penyumbang kedua terhadap reprodusibilitas. Sensitifitas drift

menyebabkan kesalahan yang sebanding dengan besarnya masukan. Parameter drift ini

ditunjukkan dalam kurva sensitifitas pada gambar 1.2.

Gambar 1.2 (a) Kurva sensitivitas statis yang menghubungkan masukan yang diinginkan xd

dengan keluaran y. Sensitivitas statis dapat konstan hanya untuk jangkau masukan terbatas. (b)

Sensitivitas statis: drift nol dan drift sensitifitas. Garis titik-titik menunjukkan bahwa drift nol

dan drift sensitivitas dapat negatif (dari Webster, 1998).

Lineartas (linearity)

Sistem yang linier memenuhi kondisi:

Jika

x1 y1

x2 y2

maka sistem akan linier jika dan hanya jika:

Instrumentasi Lab. Elektronika dan Instrumentasi, UGM

Bab 1 Pendahuluan

5

ax1 + bx2 ay1 + by2

Ini adalah ekspresi sederhana dari prinsip superposisi untuk sistem linier. Ada banyak

cara untuk menyatakan ketidak linieran sistem. Untuk sistem dinamik, tes multitone

banyak dipakai, dimana besarnya frekuensi denyut antar denyut individual dapat

menyatakan besarnya ketidak linieran. Untuk sistem statik, dipakai ukuran

nonlinearitas seperti pada gambar 1.3.

Gambar 1.3 (a) Definisi linearitas sistem atau element. (b) Ilustrasi nonlinieritas independen

±A% dari pembacaan atau ±B% skala penuh, mana yang lebih besar. (Dari Webster, 1998).

Jangkau dinamik (Dynamic Range)

Jangkau dinamik menentukan rasion antara sinyal maksimum tidak terdistorsi dengan

(sinyal yang memenuhi spesifikasi kelinieran sensor) dan sinyal minimum yang masih

terdeteksi. Jangkau dinamik sering dinyatakan dalam skala logaritmik (skala dB).

Impedansi masukan (input Impedance)

Laju transfer energi suatu sistem (power) adalah sebanding dengan hasil perkalian

antara variabel usaha (tegangan, tekanan, gaya) dengan variabel aliran (arus, aliran,

kecepatan). Impedansi dinyatakan sebagai:

Instrumentasi Lab. Elektronika dan Instrumentasi, UGM

Bab 1 Pendahuluan

6

Dimana tilde menyatkan variabel phasor (besar dan fase). Fase berhubungan dengan

ketertinggalan tanggap sistem untuk masukan sinusoidal.

1.3 General Dynamic Performance Parameters

Sebagian besar instrument biomedis harus memproses sinyal yang berubah terhadap waktu.

Oleh karena itu maka karakteristik dinamik system tersebut harus dipilih yang sesuai dengan

karakteristik variabel fisiologis yang diukur. Dalam kuliah ini hanya akan dibicarakan “time

invariant systems” kecuali secara eksplisit disebutkan. Untuk sistem yang demikian, dinamika

system dapat dikarakterstikkan dengan persamaan diferensial dalam bentuk:

dengan x(t) adalah sinyal masukan (biasanya parameter fisiologis yang diamati), y(t) adalah

sinyal keluaran (biasanya sinyal elektronik), ai adlah konstanta yang ditentukan oleh

karakteristik fisis sensor. Kebanyakan sensor dapat digambarkan dengan persamaan

diferensial orde ke nol, pertama atau kedua serta derifatif masukan biasanya tidak ada,

sehingga m = 0.

Sistem linier tak tergantung waktu dikarakterisasikan oleh tanggap mereka terhadap sinyal

masukan dalam bentuk

x(t) = A sin(ωt),

dimana keluarannya adalah sinusoidal dengan frekuensi yang sama dalam bentuk

y(t) = B(ω) sin(ωt + f(ω)).

Karakteristik ini terlihat dalam fungsi transfer sistem dengan frekuensi angular ω=2πf :

dengan j = (-1)1/2

and H(ω) ditulis dalam notasi komplek, dimana H(ω) sama dengan rasio

B(ω)/A dan fase H(ω) menyatakan ketertinggalan fase f(ω).

Dengan menggunakan notasi fungsi transfer, tanggap dinamis sistem sederhana dengan orde

nol, satu dan dua adalah sbb.

System orde Nol (Zero Order System)

Potensio linierr dapat dipakai untuk mengukur pergeseran dan merupakan sistem orde nol

sederhana. Persamaan diferensial yang menggambarkannya adalah:

dan fungsi transfernya adalah:

Instrumentasi Lab. Elektronika dan Instrumentasi, UGM

Bab 1 Pendahuluan

7

Perhatikan bahwa tidak ada ketertinggalan fase antara keluaran dengan masukan pada semua

frekuensi. Ini menunjukkan bahwa tanggap undaknya adalah seketika, seperti ditunjukkan

pada gambat 1.4.

Gambar 1.4 (a) Potensiometer linier, sebuah contoh sistem orde nol sederhana. (b)

Karakteristik statik linier untuk sistem tsb. (c) Tanggap undak sebanding dengan masukan. (d)

Tanggap frekuensi sinusiodal adalah konstan dengan pergeseran fase nol.

Sistem Orde Satu (First Order System)

Jika instrument memiliki satu elemen peyimpan energi, persamaan diferensial yang

menggambarkan sistem tersebut adalah:

dengan fungsi transfer:

dengan K=b0/a0 dan t=a1/a0. Filter lolos bawah RC berikut dalah contoh sistem order satu.

Perhatikan bahwa ketertinggalan fase merupakan fungsi frequency dan mengakibatkan

Instrumentasi Lab. Elektronika dan Instrumentasi, UGM

Bab 1 Pendahuluan

8

tanggap undak tertunda. Sistem tidak meneruskan frekuensi lebih besar dari ω = 1/t (frekuensi

cutoff). Konsekuensinya, untuk sensor orde satu tidak boleh ada frekuensi lebih tinggi dari

frekuensi cutoff tersebut pada parameter masukan fisiologisnya.

Gambar 1.5 (a) Filter lolos bawah RC, sebuah contoh instrumen orde satu. (b) Sensitivitas

statis untuk masukan konstan. (c) Tanggap undak untuk konstanta waktu besar (τL) dan

konstanta waktu kecil (τS). (d) Tanggap frekuensi sinusoidal untuk konstanta waktu besar dan

kecil.

Sistem Orde Dua (Second Order System)

Sistem orde dua mempunyai dua tingkatan peyimpan energi dengan dinamika yang

digambarkan oleh persamaan diferensial

dengan fungsi transfer:

Instrumentasi Lab. Elektronika dan Instrumentasi, UGM

Bab 1 Pendahuluan

9

dimana sensitifitas statis adalah K=b0/a0, frekuensi natural teredam adalah ωn = (a0/a2)1/2

,

dan rasio peredamannya adalah

Sistem pengukur gaya mekasnis berikut menunjukkan sifat-sifat sistem order dua. Perhatikan

tanggap undak untuk kasus underdamped, critically damped, and overdamped. Sekali lagi,

komponen frekuensi pada variabel masukan harus lebih kecil dari natural frequency sistem

order dua. Pre-amp, post-amp, sistem konversi ke digital dan sistem pemrosesan sinyal digital

harus disesuaikan dengan karakteristik sensor.

Gambar 1.6 (a) Sistem pengukur gaya mekanis, sebuah contoh instrument orde dua. (b)

Sensitifitas statis. (c) Tanggap undak untuk kasus overdamped ξ=2, criticallly damped ξ=1,

underdamped ξ=0,5. (d) Tanggap frekuensi steady-state ξ=2; ξ=1, ξ=0,5.