Abstrak — Elektrokardiograf secara konvensional menggunakan elektroda Ag-AgCl  sebagai conductive  contact dan  kabel  sebagai penghubung  antara elektroda dengan elektrokardiograf .  Metode yang  digunakan  bersifat direct sehingga elektroda melekat langsung pada kulit. Konfigurasi ini mengakibatkan ruang gerak pengguna  menjadi  terbatas  dan  dalam  jangka  panjang  dapat menyebabkan  iritasi  pada  kulit.  Oleh  karena  itu,  pada  tugas akhir  ini  akan  difokuskan  pada  perancangan  Instrumentasi Elektrokardiograf i  secara indirect menggunakan capacitive electrode . Elektroda dibuat  dengan  menggunakan  komponen  IC dengan  input  impedansi  tinggi  sehingga  sinyal  jantung  dapat direkam  walau  terhalang  oleh  pakaian  sekalipun. Elektroda dibuat  sejumlah  2  buah  dan  diletakkan  pada  sandaran  kursi, sedangkan untuk ground digunakan PCB berukuran 30cmx30cm sebagai alas duduk. Ketiga sinyal ini kemudian  dilewatkan pada rangkaian  penguat  instrumentasi,  filter  dan baseline  restoration untuk  menguatkan  dan  menghilangkan  komponen  sinyal  yang tidak  diperlukan.  Dari  pengujian  yang  telah  dilakukan,  sinyal QRS complex dapat terdeteksi dengan jelas. Kualitas sinyal yang dihasilkan  sangat  bergantung  dari  pakaian  yang  digunakan. Oleh karena itu capacitive electrode memiliki peluang yang besar untuk dijadikan sebagai elektroda alternatif yang bisa digunakan dalam jangka panjang.
Kata  Kunci — capacitive  electrode,  elektrokardiograf,  indirect, jantung

## I. PENDAHULUAN
ANTUNG  adalah  bagian  tubuh  manusia  yang  memiliki peran  sangat  vital.  Informasi  dari  sinyal  jantung  dapat digunakan  sebagai  alat  untuk  menentukan  kondisi kesehatan seseorang secara keseluruhan. Namun, tidak banyak orang  menyadari  pentingnya  mengetahui  kondisi  kesehatan jantung  mereka,  sehingga  ketika  mereka  merasakan  ada sesuatu  yang  tidak  wajar,  mereka  hanya  membiarkan  sakit tersebut berlarut-larut hingga akhirnya membahayakan nyawa. Faktanya,  data  dari  WHO  menyebutkan  bahwa  pada  tahun 2012,  31%  kematian  di  dunia  disebabkan  oleh  penyakit kardiovaskular [1].
Seiring  dengan  semakin  berkembangnya  teknologi,  sinyal jantung  saat  ini  dapat  dipantau  melalui  alat  yang  disebut dengan elektrokardiograf . Elektrokardiograf konvensional yang banyak digunakan  sampai saat ini  masih  bersifat " fixed- on-body "  dimana elektroda tersebut  terhubung  secara direct dengan  kulit  pengguna. Elektroda ini  dapat  menghasilkan sinyal  jantung  dengan  kualitas  baik.  Namun  konfigurasi  ini kurang  cocok  untuk  digunakan  untuk  jangka  panjang  karena
dapat  mengurangi  ruang  gerak  pengguna  dan  menyebabkan iritasi pada kulit.
Belakangan telah banyak dikembangkan metode pemantauan  sinyal  jantung    menggunakan elektrokardiograf menggunakan capacitive  electrode yang  diletakkan  pada benda yang berkaitan erat dengan aktivitas sehari-hari manusia seperti  kursi  [2],  kasur[3],  [4], bathub [5],  dan  tempat  duduk toilet[6].  Sistem  ini  mampu  menangkap  sinyal  jantung  secara indirect sehingga  tidak  memerlukan  kontak  secara  langsung dengan kulit pengguna.
Oleh karena itu, dirancang sebuah instrumentasi elektrokardiograf i  dengan capacitive  contact  electrode dengan  harapan  hasil  dari  penelitian  ini  dapat  menjadi elektroda alternatif  untuk  instrumentasi elektrokardiograf i yang dapat digunakan dalam jangka panjang.

## II. DESAIN SISTEM
Desain hardware pada  kursi  dapat  dilihat  pada  Gambar  1. Dua  buah elektroda kapasitif  diletakkan  pada  sandaran  kursi segaris dengan sadapan left arm dan right arm pada dada dan sebuah lembaran pcb pada alas duduk sebagai ground . Ketiga sinyal  ini  kemudian  dilewatkan  pada  rangkaian  penguat instrumentasi untuk dikuatkan dan filter untuk menghilangkan informasi  sinyal  yang  tidak  dibutuhkan.  Selain  itu,  untuk menjaga  sinyal  agar  tetap  stabil  ditambahkan  rangkaian baseline  restoration .  Selanjutnya  sinyal  dilewatkan  pada rangkaian non inverting adder untuk menaikkan tegangan agar bisa terbaca oleh mikrokontroler .
A. Elektroda Kapasitif
Elektroda kapasitif  dibuat  menggunakan dual  layer PCB berukuran  4cmx4cm  setebal  1  mm  dimana  salah  satu  sisi berfungsi  sebagai sensing dan  terhubung  dengan  sisi  lainnya yang  merupakan preamp .  IC  yang  digunakan  pada preamp merupakan  OPA124U  yang  memiliki  input  impedansi  tinggi. Pada input juga diletakkan resistor 1GΩ secara seri sebanyak 3  buah  yang  dihubungkan  dengan ground sebagai bias current .  Skematik  rangkaian  ditunjukkan  pada  Gambar  2. Sensor  kapasitif  sangat  dipengaruhi  besarnya  kapasitansi pakaian yang ditunjukkan pada Persamaan (1).
(1) dimana :
C  =  kapasitansi (F) =  permitivitas ruang hampa (8,85418781.. x 10 −12 Fm −1 )

## Instrumentasi Elektrokardiografi dengan

## Capacitive Contact Electrode pada Kursi
Monica Regina Emilia, Achmad Arifin, dan Nada Fitrieyatul Hikmah Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
e-mail : arifin@ee.its.ac.id
J
=  konstanta dielektrik pakaian yang digunakan A =  luasan permukaan yang bersentuhan (m) d  =  jarak antara elektroda dengan permukaan kulit (m)
Gambar 1. Konfigurasi pada kursi
Gambar 2. Skematik capacitive electrode
Gambar 3. Konfigurasi elektroda
B. Shield
Shield  b erfungsi  untuk  melindungi  rangkaian  dari noise yang  berasal  dari  lingkungan  sekitar.  Bahan  yang  digunakan adalah  kertas  karton  yang  dibentuk  menyerupai  tudung  dan dibungkus  dengan  alumunium foil dan  diletakkan  menutupi rangkaian seperti pada Gambar 3. Shield dihubungkan dengan ground .
C. Grounding
Pada grounding digunakan one-layer PCB  berukuran 30cmx30cm  setebal  1mm  yang  diletakkan  diatas  tempat duduk. Untuk menjaga ketahanan PCB terhadap beban tubuh, diberikan  kayu  berukuran  30cmx30cm  setebal  1,5cm  sebagai pembatas antara kursi dengan PCB.

## D. Penguat Instrumentasi
Rangkaian penguat instrumentasi terdiri atas 4 bagian utama yaitu low  pass  filter untuk  mengurangi  efek gain  bandwidth rangkaian  op  amp,  rangkaian  proteksi  melindungi  rangkaian dari tegangan tinggi, rangkaian penguat menggunakan AD620 dan  rangkaian drive  right  leg yang  berfungsi  memberikan feedback . Nilai penguatan dari AD620 bisa didapatkan dengan memvariasikan nilai R G seperti pada Persamaan (2).
(2)

## E. Filter
Filter  digunakan  untuk  menghilangkan  frekuensi  sinyal yang  tidak  dibutuhkan.  Filter  yang  digunakan  antara  lain low pass  filter dan high  pass  filter dengan pass  band 0,5-100  Hz dan band  stop  filter 50  Hz  untuk  menghilangkan  frekuensi jala-jala.

## F. Baseline Restoration
Baseline restoration digunakan  untuk  menstabilkan  sinyal akibat  dari  pergerakan  subjek,  interferensi  sinyal  dari lingkungan, dan berbagai faktor lainnya.

## G. Penjumlah tak Membalik (Adder)
Rangkaian  penjumlah  tak  membalik  ( adder )  bertujuan untuk menaikkan sinyal ECG sehingga range dari sinyal yang tadinya  negatif  menjadi  positif  dan  bisa  terbaca  oleh mikrokontroler .
H. ADC
Analog  to  Digital  Converter yang  digunakan  berasal  dari Mikrokontroler STM32F429.  Hasil  sinyal  ditampilkan  pada layar mikrokontroler .
III. HASIL DAN DISKUSI
A. Pengujian Elektroda Kapasitif
Pengujian elektroda dilakukan  dengan  mengalirkan  sinyal sinus  dengan  amplitudo  250mV  dari function  generator menuju  ke  bagian sensing pada elektroda secara  langsung tanpa penghalang. Sensor diberi label Sensor A dan Sensor B. Respon  dari  dua  buah  sensor  menunjukkan  penguatan  sensor sebesar  3,2.  Namun baseline sinyal  tidak  stabil  seperti  pada Gambar  4  dan  nilai  tegangan  maksimum  dan  mininum  yang terus  berubah-ubah  dengan  amplitudo  800  mV.  Oleh  karena itu,  ditambahkan  kapasitor  sebagai coupling untuk  memblok tegangan  DC.  Pengujian  dilakukan  dengan  menggunakan berbagai tipe dan nilai kapasitor. Hasil pengujian ditunjukkan pada  Tabel  1.  Dari  pengujian  yang  dilakukan,  kapasitor  yang baik  untuk  digunakan  sebagai coupling adalah  kapasitor non polar karena  kapasitor polar tidak  mampu  memblok tegangan DC. Kapasitor yang dipilih merupakan kapasitor 100 nF karena kapasitor tersebut menjaga gain tetap stabil.
Gambar 4 Baseline yang berbeda untuk sensor A dan sensor B
Tabel 1 Respon sensor dengan coupling kapasitor Jenis Kapasitor Nilai Kapasitor (F) Sensor A Sensor B Vpp (mV) Gain Vpp (mV) Gain Non Polar 10 n 0,392 1,63 0,420 1,75 Non Polar 100 n 0,760 3,17 0,780 3,25 Non Polar 1 µ 0,780 3,25 0,780 3,25 Polar 10 µ 0,800 TS a 0,800 TS a Polar 47 µ 0,800 TS a 0,800 TS a a TS = tidak stabil
Gambar 5. Respon sensor pengujian direct dan indirect
Gambar 6. Perbandingan tanpa shield (atas) dan dengan shield (bawah)
Selanjutnya,  respon  sensor  diuji  terhadap  perubahan frekuensi  dalam  2  kondisi  yaitu direct dan indirect dengan penghalang  kain  dengan  tebal  1mm.  Input  yang  diberikan berupa sinyal sinus dengan amplitudo 228mV. Hasil pengujian pada Gambar 5 menunjukkan bahwa gain saat kondisi indirect menurun hingga 2,7 kali dibandingkan saat kondisi direct .
B. Pengujian Shield
Pengujian shield dilakukan dengan memberikan interferensi berupa  jari  dengan  jarak  1  cm  dari  rangkaian.  Hasil  pada Gambar  6  menunjukkan  bahwa shield dapat  melindungi rangkaian  dari  interferensi  sinyal  dari  luar  sehingga  sinyal yang dihasilkan menjadi lebih stabil.

## C. Pengujian Penguat Instrumentasi
Pengujian  meliputi  pengujian  penguatan  dan Common Mode  Reject  Ratio pada  IC  AD620.  Uji  penguatan  bertujuan
untuk  membandingkan  penguatan  secara  teoritis  dengan  saat pengukuran  langsung.  Percobaan  dilakukan  saat  R G =900Ω. Pengujian  dilakukan  dengan  pengaturan  V in =100  mV.  Nilai V out =8,2V sehingga: Sedangkan uji CMRR bertujuan untuk mengukur kemampuan IC untuk  me- reject sinyal  yang tidak diinginkan. Pengujian  dilakukan  dengan  memvariasikan  frekuensi  dan dicari  nilai  penguatan  saat common  mode dan differential mode . Common  mode merupakan  keadaan  dimana  nilai tegangan pada input positif dan negatif adalah sama.
Tabel 2 Pengujian CMRR AD620 fi (Hz) Vd(mV) a Vc(mV) b Ad c Ac e CMRR f 10 10400 208 50 1 33,979 100 10400 208 50 1 33,979 250 10400 208 50 1 33,979 500 10400 208 50 1 33,979 1000 10400 208 50 1 33,979
a Vd-Tegangan keluaran differential mode
b Vc-Tegangan keluaran common mode c Ad-Penguatan differential mode d Ad-Penguatan common mode
Sedangkan differential  mode merupakan  keadaan  dimana input  positif  dialiri  tegangan  sedangkan  input  negatif diarahkan  menuju ground .  Hasil  pengujian  ditunjukkan  pada Tabel 2. Berdasarkan pengujian, nilai CMRR yang didapatkan sebesar  33,979.  Hasil  ini  berbeda  jauh  dengan  yang  tertulis pada datasheet yaitu sebesar 1000. Ketidaksesuaian CMRR IC dengan datasheet dapat  menyebabkan  IC  meloloskan  dan menguatkan komponen sinyal yang tidak dibutuhkan.
D. Pengujian Filter
Filter  yang  digunakan  meliputi low  pass  filter,  high  pass filter, dan band  stop  filter .  Sinyal  input  berupa  sinyal  sinus dengan  amplitudo  500  mV  dengan  variasi  berupa  frekuensi. Hasil pengujian filter ditunjukkan pada Gambar 9.
E. Pengujian Baseline Restoration
Pengujian baseline restoration dilakukan dengan menentukan  batas  atas  dan  batas  bawah  dari  masing-masing opamp.  Batas  atas  diatur  pada  angka  +2V  dan  batas  bawah pada -2V. Hasil pengujian menunjukkan bahwa saat tegangan input berada dibawah  -2V,  maka relay akan on dan  membuat kapasitor discharge lebih  cepat  dan  membuat  sinyal  kembali ke baseline . Sedangkan saat tegangan berada pada range -2V sampai dengan +2V, relay off karena sinyal masih berada pada baseline .  Kemudian  saat  tegangan  berada  diatas  +2V, relay kembali ON dan membuat kapasitor discharge lebih cepat dan sinyal kembali ke baseline .

## F. Pengujian Adder
Penambahan  rangkaian adder bertujuan  menaikkan  level tegangan  sinyal  agar  dapat  dibaca  oleh mikrokontroler . Pengujian  dilakukan  dengan  input  sinyal  sinus  520  mV.  Dari pengujian  yang  didapatkan  didapat  selisih  1,75V  sehingga tegangan dinaikkan sebanyak 1,75V ke atas.
Gambar 7. Respon filter terhadap perubahan frekuensi
Gambar 8. Pengujian Adder

## G. Pengujian Rangkaian Instrumentasi
Rangkaian  instrumentasi  terdiri  atas  rangkaian  penguat instrumentasi, filter, baseline restoration dan adder . Pengujian dilakukan  menggunakan  subjek  secara  langsung  untuk mengetahui  efektivitas  penggunaan  rangkaian  baik  melalui sadapan  pada  dada  maupun  pada  punggung.  Pengujian dilakukan  menggunakan disposable  electrode. Peletakan elektroda di  punggung  sama  seperti  dengan  di  dada  namun ditembuskan  ke  belakang  seperti  pada  Gambar  9.  Hasil pengujian ditunjukkan pada Gambar 10.

## H. Pengujian Sistem Keseluruhan
Pengujian  sistem  keseluruhan  meliputi  sensor  yang dihubungkan dengan
rangkaian
instrumentasi elektrokardiogram .  Pengujian  dilakukan  dengan  kondisi subjek  menggunakan  pakaian  dan  celana  lengkap  dan  duduk di  kursi. Elektroda diletakkan  lurus  dengan  titik  sadapan left arm (LA) dan right arm (RA) pada bagian dada.
Gambar 9. Ilustrasi peletakan elektroda di dada dan punggung
Gambar 10. Hasil pengujian  sadapan dada (atas) dan punggung (bawah)
Gambar 11. Konfigurasi pengujian subjek
Pengujian  dilakukan  pada  3  subjek  dengan  variabel ketebalan pakaian.
Gambar 12. Subjek menggunakan kemeja (1mm)
LA RA G RA LA G
Gambar 13. Subjek menggunakan kaos katun (2mm)
Gambar 14. Subjek menggunakan jaket (3mm)
Dari  pengujian  yang  dilakukan  dapat  dilihat  bahwa  QRS complex untuk  setiap  kondisi  pakaian  masih  dapat  terdeteksi dengan  baik.  Namun  semakin  tebal  pakaian  yang  digunakan, semakin  rendah  pula  kualitas  sinyal  yang  dihasilkan.  Hal  ini dikarenakan  semakin  jauh  jarak  antara elektroda dengan permukaan  kulit,  semakin  banyak noise yang  tertangkap  dan ikut terekam.

## IV. KESIMPULAN
Instrumentasi elektrokardiogram menggunakan capacitive electrode tidak  memerlukan  kontak  langsung  dengan  kulit pengguna.  Metode  ini  menggunakan elektroda yang diletakkan  pada  sandaran  kursi  dan grounding pada  alas duduk.  Kualitas  sinyal  yang  dihasilkan  masih  dibawah  sinyal dengan  metode direct menggunakan disposable electrode dan bergantung  dengan  pakaian  yang  digunakan.  Namun  QRS complex masih  dapat  dideteksi  dengan  baik  sehingga  metode ini berpotensi untuk digunakan sebagai instrumen elektrokardiografi yang nyaman untuk digunakan sehari-hari.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] World  Health  Organization,  Januari  2015.  " Cardiovascular  Disease". < http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs317/en/>. Februari 2016.
[2] Lim, Yong Gyu., Kim, Ko Keun., Park, Kwang Suk., Mei 2006. " ECG Measurement on a Chair Without Conductive Contact" . IEEE Transaction on Biomedical Engineering, Vol. 53, No. 5.
[3] M.  Ishijima,  Juni  1993.  " Monitoring  of  Electrocardiograms  in  Bed Without  Utilizing  Body  Surface  Electrodes ."  IEEE  Transaction  on Biomedical Engineering, Vol. 40, PP. 573-579.
[4] Lim, Yong  Gyu.,  Kim, Ko  Keun., Park, Kwang Suk., April 2007. " ECG Recording  on  a  Bed  During  Sleep  Without  Direct  Skin-Contact ".  IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 54, No.4.
[5] Lim,  Yong  Gyu.,  Kim,  Ko  Keun.,  Park,  Kwang  Suk.,  September  2004 " ECG  Measurement  in  The  Bathub  Using  The  Insulated  Electrodes ", Proceeding  26th  Annual  IEEE  EMBS  Conference  in  San  Fransisco, pp.2383-2385.
[6] Lim,  Yong  Gyu.,  Kim,  Ko  Keun.,  Park,  Kwang  Suk.,  September  2004. " The  Electrically  Noncontacting  ECG  Measurement  on  The  Toilet  Seat Using  The  Capacitively-Coupled  Insulated  Electrodes ".  Proceeding  26th Annual IEEE EMBS Conference in San Fransisco, pp.2375-2378.