Fenomena Bioelektrik Electrocardiogram (ECG)

Aspek Fisiologi dari Jenis Pengukuran ECG

Jantung mamalia cenderung sensitif terhadap pasokan oksigen dan kondisi temperatur lingkungan. Selain itu, jantung mamalia juga dapat berkontraksi dengan sendirinya tanpa ada rangsangan dari luar [1]. Instrumen Electrocardiogram (ECG) mampu merekam aktivitas potensial elektrik yang dihasilkan oleh jantung. Dari awal penemuannya hingga sekarang, masih ada beberapa prinsip utama yang tetap digunakan oleh instrumen ini. Beberapa diantaranya adalah identitas nama sinyal gelombang, standar penempatan tempat rekaman pada lengan dan kaki, serta teori pemodelan yang menyatakan jantung sebagai kutub yang berubah-ubah terhadap waktu.

Untuk merekam sinyal gelombang ECG, dibutuhkan diferensial rekaman dari titik-titik pengukuran pada permukaan tubuh. Einthoven [2] mendefinisikan beberapa diferensial tersebut sebagai Lead dengan simbol penomoran Romawi. Dengan bantuan kepingan logam sebagai elektroda yang ditempelkan pada permukaan kulit di titik-titik Einthoven, maka terdapat impedansi permukaan kulit yang bersarnya tergantung pada pilihan frekuensi.

Keterangan:
RA = tangan kanan (right arm), LA = tangan kiri (left arm), dan LL = kaki kiri (left leg). Lead I bertugas merekam keadaan jantung dari bahu bagian atas dan saling mempengaruhi dengan Lead yang lain dengan hubungan II = I + III.


                                                                    

                                                           Tiga Lead bipolar yang dikenal dengan segitiga Einthoven

Evolusi ECG berlanjut ketika F.N. Wilson [3] menambahkan konsep perekaman ”multikutub”. Pada konsep ini ada titik referensi yang merata-ratakan beda potensial ketiga cabang lainnya. Wilson menyusun tiga Lead cabang terminal dan enam Lead cabang yang ditempatkan pada dada depan untuk membentuk 12 Lead standar ECG. 




Gambar 2. Tiga Lead cabang Wilson (V_W) dan enam Lead cabang dada depan (V_i)
(J.D. Bronzino. The Biomedical Engineering Handbook. 2^nd Ed. CRC & IEEE Press. 2000)

Prinsip Pengukuran dan Instrumentasi yang digunakan

Sinyal pengukuran ECG memiliki rentang potensial sekitar 2 mV dan frekuensi 0.05 – 150 Hz. Huruf P, Q, R, S, T, dan U yang dipilih Einthoven sebagai identitas nama gelombang dipakai oleh standar Asosiasi Jantung Amerika (American Heart Association) dan Asosiasi Instrumen Medis tingkat lanjut (Association for the Advancement of Medical Instrumentation). Instrumen modern ECG merupakan sebuah sistem pengukuran yang mengintegrasikan peralatan komputer, 12-16 bit analog-digital (A/D) converter, micro controller, dan processor input-output (I/O). Sistem ECG menghitung matriks-matriks dari 12 sinyal Lead dan menganalisisnya dengan aturan yang baku sehingga tercipta hasil akhir pengukuran.

Jenis gelombang ECG:

Gelombang P disebabkan oleh arus listrik yang dibangkitkan sewaktu atrium mengalami depolarisasi sebelum kontraksi dan menunjukan depolarisasi pada otot-otot atrial. Gelombang QRS merupakan hasil gabungan repolarisasi otot-otot atrial dan depolarisasi ventrikular yang terjadi pada waktu yang hampir bersamaan. Selang waktu dari P – Q menunjukan waktu tunda didalam fiber-fiber didekat node AV. Gelombang T disebabkan oleh arus listrik yang dibangkitkan sewaktu ventrikel kembali dari keadaan depolarisasi.

[1]

Gambar 3. Hasil pengukuran Lead II
(Smeltzer SC, Bare BG. Brunner & Suddarth’s Textbook of Medical Surgical Nursing. 9th Ed. Lippincott Williams & Wilkins. 2000)

Prinsip Pengolahan Sinyal yang Diperlukan Pada Aplikasi Bidang Medis

Untuk mendapatkan sinyal informasi, objek pasien harus tersambung dengan ujung-ujung amplifier. Antarmuka pasien-amplifier dibentuk oleh hubungan bioelektroda yang mengkonversi arus listrik ionik pada tubuh menjadi arus elektron pada kawat logam. Larutan kimia yang mengandung ion-ion berkonsentrasi tinggi (Ag⁺/Ag⁺Cl^-) atau lapisan tipis perak/timah diperlukan agar transduksi elektroda-elektroda tadi terjadi. Sementara sinyal gangguan yang berasal dari instrumen-instrumen lain seperti respirator dan monitor tekanan darah tidak dapat dihindari hanya saja besarnya diusahakan tetap kurang dari 10^-5 A per alat.

Sistem ECG modern mampu merekam sinyal Lead menggunakan sebuah amplifier untuk setiap elektroda tanpa menunggu sinyal simultan dari Lead lainnya. Setiap sinyal potensial akan dikonversi menjadi informasi digital dan diolah secara matematis oleh suatu perangkat lunak. Dengan mengukur nilai Lead V₁ sampai V₆ dan dua buah Lead bipolar (contoh: Lead I dan III), sistem ini akan menghitung nilai Lead lainnya sehingga informasi 12 Lead ECG dapat diperoleh secara lengkap. Gabungan antara peralatan audio dan obat-obatan juga dapat diterapkan pada pengukuran ECG sehingga denyut jantung yang periodanya rendah tetap terdeteksi secara kontinu.

Contoh Aplikasi dalam Bidang Medik

Ambulatory ECG: Instrumen Ambulatory atau Holter ECG adalah hasil evolusi dari perkembangan klinis dan teknis yang ditujukan untuk memenuhi kepentingan mobilitas dan pengukuran. Teknologi ini mampu mengerjakan pengukuran secara kontinu dan merekamnya selama 24 jam untuk tujuan analisis terhadap pasien yang denyut jantungnya tidak normal. Dari kemampuan rekaman yang dimilikinya, penggunaan Ambulatory ECG berlanjut untuk kepentingan observasi PVC (Premature Ventricular Complexes) dan pengobatannya. Saat ini terdapat banyak sekali unit Ambulatory ECG sebagai alat diagnosis yang dilengkapi micro processor, RAM, dan disk drive dengan kapasitas sampai 400 Mbytes.

Pengawasan pasien: Berbeda dengan Ambulatory ECG, alat ini merupakan sebuah sistem kompleks dengan mobilitas statis. Teknik pengawasan pasien menggunakan ECG merupakan gabungan kepentingan pengukuran dan CCU (Coronary Care Unit). Pasien-pasien rumah sakit yang baru saja menjalani pembedahan atau menderita penyakit akut akan diobservasi dalam posisi tidur dan diawasi oleh staf medik yang terlatih. Saat ini telah lahir unit yang lebih modern dengan kemampuan ditribusi untuk mengukur 16 pasien secara bersamaan, mengirimkan seluruh informasi secara kontinu ke komputer server melalui ethernet, atau menyimpannya di RAM sebagai sumber data.

High Resolution (HR) ECG: HRECG telah menjadi standar bagi kebanyakan sistem ECG digital ataupun peralatan-peralatan medik yang memakai jasa micro processor. Kemampuannya dalam merekam sinyal dengan level rendah (~10^-6 V) menyebabkan instrumen ini cukup populer dibandingkan ECG biasa. Sinyal tersebut biasanya timbul sesaat setelah gelombang kompleks QRS namun tidak dapat dideteksi keberadaannya oleh instrumen ECG biasa. Sampai saat ini, para ilmuwan percaya bahwa sinyal yang dibangkitkan di daerah sekitar ventrikel itu cukup bertanggung jawab terhadap kelajuan denyut jantung yang terlampau berlebih (ventricular tachycardia) [4].

Seperti ECG lainnya, sinyal informasi HRECG diperoleh dari ketiga Lead bipolar yang dikonfigurasi ulang ke dalam sistem koordinat xyz. Informasi itu selanjutnya didigitasi pada rentang 1000 sampai 2000 Hz per saluran, disejajarkan terhadap alur waktu, dan gabungkan menjadi bentuk sinyal rata-rata. Dengan memakai beberapa asumsi [2], secara teori, sinyal rata-rata akan memperbaiki rasio sinyal-gangguan sebanding dengan nilai akar rata-rata dari jumlah denyut. Pada HRECG, sinyal informasi akan diperkuat lima kali lipat sementara informasi dari gelombang QRS (termasuk sinyal-sinyal potensial level rendah) dan akar dari nilai rata-rata tegangan terminal dapat digunakan untuk mengidentifikasi resiko ventricular tachycardia pada pasien.

Kesimpulan

ECG merupakan salah satu instrumen pengukuran medik tertua dalam sejarah. Alat ini bermula dari percobaan Waller di tahun 1889 yang merekam sinyal jantung pada anjing peliharaan menggunakan elektrometer kapiler [5]. Secara total, pengukuran ECG terdiri atas pengukuran gelombang depolarisasi dan gelombang repolarisasi. Gelombang radio yang digunakan memiliki intensitas atau energi yang rendah sehingga tidak membahayakan. Secara bertahap perkembangannya senantiasa mengikuti kemajuan teknologi instrumentasi. Tahap evolusi terbesarnya terjadi di saat sistem ECG diintregasikan dengan micro processor yang hasilnya adalah peningkatan efisiensi pengukuran dan digitasi yang membuka cakrawala baru terhadap peralatan analitik dan intrepetasi data medik.

Sumber :

1. Kay, I. Introduction to Animal Physiology. Bioscientific Publisher Springer Verlag, New York. 1998.
2. Einthoven, W. Die Galvanometrische Registrirung des Menschlichen Elektrokardiogramms, Zugleich eine Beurtheilung der Anwendung des Capillar-Elecktrometers in der Physiologie. Pflugers Arch Ges Physiol 99:472, 1903.
3. Wilson, FN, Johnson FS, Hill IGW. The interpretation of the falvanometric curves obtained when one electrode is distant from the heart and the other near or in contact with the ventricular surface. Am Heart J 10:176, 1934.
4. Berbari, E. J. “Principles of Electrocardiography.” The Biomedical Engineering Handbook. 2^nd Ed. Bronzino, J. D. Boca Raton: CRC Press LLC, 2000.
5. Waller, A. D. One of the electromotive changes connected with the beat of the mammalian heart, and the human heart in particular. Phil Trans B 180:169, 1889.