Pengembangan Sistem Instrumentasi untuk Deteksi Aktifitas Jantung pada Mencit
1 Arief Adhi Nugroho, 2 Chaerani Chusnia, 3 Suprijanto
1,2,3 Institut Teknologi Bandung
1 ariefadhinugroho@gmail.com

## Abstrak
Telah dilakukan pengembangan sistem instrumentasi untuk mengidentifikasi aktifitas  jantung  pada mencit. Mencit (Mus musculus) adalah anggota muridae (tikus-tikusan) yang berukuran kecil. Mencit banyak  digunakan  oleh  dokter  ,  farmasi  atau  aktifitas  praktikum  lab  pada  universitas.  Mencit digunakan  sebagai  hewan  percobaan.  Hewan  mencit  sangat  berkesan  dalam  dunia  obat-obatan. Yang  sering  di  ketahui  bahwa setiap  obat  yang  digunakan  dalam  dunia  kesehatan hari  ini  pastilah pernah melalui masa pengujian preklinik. Biasanya untuk mengidentifikasi bagaimana pengaruh obat dan  reaksi  yang  terjadi    harus  membedah  dan  membunuh  hewan  tersebut.  Studi  yang  dilakukan pada penelitian ini adalah bagaimana membuat suatu sistem alat untuk mengamati aktifikas jantung dengan menggunakan Elektrokardiogram (EKG) dengan keluaran diharapkan mengidentifikasi tanpa harus  membunuh.  Untuk  menampilkan  aktifitas  tersebut  yaitu  menggunakan  alat  Open  Brain Computer Interface (BCI) dipasang dengan elektroda, kemudian elektroda tersebut dipasang dibagian jantung  dari  tikus  tersebut.  Open  BCI  yang  dipakai  adalah  Open  BCI  Ganglion  dengan  4  channel. Biasanya open BCI ganglion digunakan sebagai pengukuran dengan subjek manusia, tetapi studi ini mengimplementasikan  open  BCI  untuk  pengukuran  hewan  yaitu  mencit.    Analisa  sinyal  dilakukan dengan cara mengamati gelombang EKG dengan fitur interval RR, lebar QRS pada EKG. Keywords : EKG, Mencit, BCI

## 1 Pendahuluan
Dalam  dunia  medis  tentunya  tikus  putih  atau  mencit  banyak  digunakan  oleh  dokter  , farmasi  atau  aktifitas  praktikum  lab  pada  universitas.  Mencit  (Mus  musculus)  adalah anggota Muridae (tikus-tikusan) yang berukuran kecil. Hewan ini diduga sebagai mamalia terbanyak kedua di dunia, setelah manusia. Mencit banyak digunakan oleh dokter, farmasi atau  aktifitas  praktikum  lab  pada  universitas.  Mencit  banyak  digunakan  karena mengetahui  pengaruh  atau  reaksi  obat-obat  yang  diproduksi  sebagai  preklinik  sebelum digunakan oleh manusia Untuk  mengidentifikasi  bagaimana  pengaruh  obat  dan  reaksi yang    terjadi    dengan  harus  menyembelih  hewan  tersebut.    Biasanya  menggunakan beberapa  banyak  mencit  dalam    selang    waktu   tertentu    untuk    mengamatinya    dengan cara    dibedah.  Hal  tersebut  untuk  mengetahui  anatomi  pada  mencit.  Istilah  anatomi fungsional  yang  berkaitan  erat  dengan  fisiologi  atau  ilmu  faal  [1].  Sistem  dalam  tubuh mencit  terbagi  dengan  beberapa  sistem  yaitu  kardiovaskular,  digestonum,  respiratorium, urogenitale, dan nervosum. Pada sistem peredaran darah pada mencit terdiri atas atrium dexter  (tempat  bermuaranya  vena  cava),  atrium  sinister  (tempat  bermuaranya  vena pulmonalis), ventrikel sinister (dinding lebih tebal daripada atrium, tempat keluarnya aorta), dan kapiler dexster merupakan tempat keluarnya arteri pulmonalis.
Jantung mencit hampir sama dengan manusia yaitu terdiri dari empat ruang, dua serambi (atrium) dan  dua  bilik  (ventrikel).  Selain itu, Jantung juga  merupakan  salah satu  organ  di dalam tubuh manusia yang terdiri dari empat bagian, yaitu atrium (serambi) kanan, atrium kiri, ventrikel (bilik) kanan, serta ventrikel kiri [2]. Jantung dibentuk terutama oleh tiga jenis otot  jantung  yaitu  otot  serambi,  otot  bilik  serta  serabut  otot  perangsang  dan  pengantar khusus [3]. Pada dasarnya, fungsi serambi adalah sebagai tempat lewatnya darah dari luar
jantung ke bilik. Sistem konduksi listrik dari jantung terdiri dari nodal sinoatrial (SA), nodal atrioventrikular  (AV),  dan  sistem  his  –  purkinje.  Proses  depolarisasi  diawali  di  nodus  SA. Arus  dari  nodus  SA  ini  kemudian  melewati  bidang  internodal  menuju  nodus  AV.  Impuls listrik ini disebarkan kedalam kumpulan serabut-serabut di kanan dan kiri jantung sampai pada  bagian  serat  purkinje  yang  berada  di  ventrikel  kanan  dan  kiri  hingga  ke  dua  buah ventrikel bergerak secara bersamaan [4].
Elektrokardiogram  (EKG)  atau  Electrocardiogram  (ECG)  merupakan  suatu  sinyal  biologi yang terbentuk sebagai hasil dari aktivitas listrik jantung. EKG diambil dengan memasang elektroda  pada  titik  tertentu.  Terdapat  ciri  yang  ditampilkan  dalam  sinyal  EKG  yaitu morfologi, amplitude, segment, durasi dalam gelombang dan interval [5]. EKG juga disebut dengan teknik noninvasive karena pengukuran dilakukan di permukaan tubuh manusia [6]. Pada  penelitian  kedepannya  adalah  bagaimana  membuat    suatu    sistem    alat    untuk mengamati    aktifikas    jantung    pada  mencit  dengan  mengidentifikasi  sinyal  EKG.    Untuk menampilkan  aktifitas  tersebut  yaitu  menggunakan  alat  Brain  Computer    Interface  (BCI) dan  dipasang  dengan  elektroda kemudian elektroda tersebut dipasang di bagian jantung dari  mencit  tersebut.  Nantinya  dari    alat  tersebut  akan  terekam  sinyal-sinyal elektrokardigrafi    yang  menunjukkan  suatu    aktifitas    jantung    dari    tikus    putih    atau mencit.  BCI  adalah  sebuah  sistem  yang  mengukur  sistem  saraf  pusat  kegiatan  dan mengubahnya menjadi output buatan, seperti gerakan kursor atau tungkai robot, sehingga memberikan jalur alternatif untuk otak untuk berinteraksi dengan lingkungannya [7]. Sinyal yang digunakan untuk BCIs adalah pengukuran listrik atau magnet otak [8]. Telah banyak aplikasi bantu berdasarkan BCI yaitu pada kontrol bagian badan buatan [9], kontrol robot [9], games / permainan [10] dan kontrol lingkungan [11]. Alat yang dirancang dalam studi ini  menggunakan  open  BCI  ganglion  sebagai  pengukuran  serbaguna.  Biasanya  open  BCI ganglion  digunakan  untuk  mengukur  aktifitas  otak  (EEG),  aktifitas  jantung  (EKG),  dan aktifitas  otot  (EMG).  Studi  ini  mengimplementasikan  open  BCI  ganglion  untuk  mengukur aktifitas  jantung  pada  hewan  yaitu  mencit.  Tentu    saja    dengan  suatu  sistem  alat  yang menghasilkan  keluaran  alat  tanpa  harus  menyembelih  mencit  yang  biasanya  digunakan untuk mengamati pengaruh  obat.    Tantangan  terbesar  selanjutnya  adalah bagaimana di Negara  maju  seperti    jerman    mempunyai    lab-lab    sendiri    atau  alat  yang  digunakan sebagai  riset  pre  kilinik.  Diharapkan  dengan  adanya  alat  ini  di  Indonesia  bisa  dijadikan sebagai alat praktikum atau preklinik riset dengan biaya yang tidak mahal.
Makalah  ini  terdiri  dari  beberapa  bagian.  Bagian  pertama  yaitu  pendahuluan  yang  berisi latar belakang dan tujuan penelitian. Bagian dua perancangan sistem instrumentasi untuk EKG.  Bagian  ketiga  hasil  grafik  aktifitas  jantung  pada  mencit.  Bagian  keempat  adalah kesimpulan.

## 2 Metode

## 2.1 Sistem Deteksi
Dalam  hasil  studi  ini  diharapkan  menjadi  sebuah  system  untuk  mendeteksi  aktifitas jantung pada mencit. Tahapan penelitian ini dibuat dengan pengukuran EKG dihubungkan menggunakan elektroda yang ditempatkan di beberapa titik mencit. Deteksi sebuah system tersebut menghasilkan display keluaran dengan informasi aktifitas jantung. Sistem deteksi ditunjukkan pada gambar 1.

## Gambar 1 Sistem Deteksi Aktifitas Jantung

## 2.2 Perancangan
Gambar 2 Perancangan Alat Tabel 1 Keterangan huruf pada Gambar 2 Huruf Keterangan A Bagian penampang untuk meletakkan mencit B Bagian Atas Untuk meletakkan open BCI ganglion dan Baterai C Open BCI Ganglion D Baterai E Elektroda F Tiang penyangga bagian atas dan bawah
Pada  pencangan  holder  atau  alat  pada  gambar  2  terdapat  2  bagian  yaitu  bagian  bawah penampang untuk tempat diletakkan mencit yang akan diukur dan bagian atas digunakan untuk  meletakkan  open  BCI  dan  Battery.    Keterangan  huruf  ditunjukkan  pada  tabel  1. Gambar 2 diatas adalah bagaimana rancangan alat dimana menggunakan open BCI yaitu Brain Computer Interface sebagai otak atau program dari EKG diletakkan bagian atas agar
meminimumkan  noise  akibat  getaran.  Open  BCI  dipakai  karena  memiliki  amplifier  yang didalamnya sudah tersedia,  Elektroda yang bisa dipakai untuk EKG adalah dengan bahan AgCl yang memiliki half potensial yang rendah dan elektroda non polarisasi. Elektroda jenis Ag/AgCl terdiri  dari  perak  (Ag)  yang  dilapisi  oleh  senyawa  ionik  perak (Ag+) dengan anion (Cl-) yang sesuai, yaitu senyawa AgCl. Material AgCl ini kecil kelarutannya  dalam  air, sehingga    cenderung    stabil.    Elektroda    Ag/AgCl    memiliki  noise    elektrik    yang    lebih rendah  dibandingkan   elektroda   Ag   murni   tanpa   lapisan  AgCl.  Larutan  elektrolit  (gel) yang diberikan digunakan sebagai penghubung antara jaringan kulit dan elektroda.

## 2.2.1 Spesifikasi Open BCI Ganglion
Ganglion  OpenBCI  adalah perangkat bio-sensing berkualitas tinggi  dan  terjangkau.  Papan elektrik  openBCI  ganglion  ditunjukkan  pada  gambar  3.  Pada  sisi  input,  ada  4  input diferensial impedansi tinggi, ground driven (DRL), suplai tegangan positif (Vdd), dan suplai tegangan  negatif  (VSS).  Masukannya  dapat  digunakan  sebagai  input  diferensial  individu untuk  mengukur  EMG  atau  EKG,  atau  keduanya  dapat  dihubungkan  secara  terpisah  ke elektroda  referensi  untuk  mengukur  EEG.  Open  Board  dapat  dikatakan  mempunyai pengukuran yang serbaguna. Pemilihan papan elektrik OpenBCI sebagai perangkat akuisisi data  dikarenakan  opened  system  dan  nirkabel.  Data  perekaman  dikirim  oleh  papan elektrik (Gambar 3). Komponen pada open BCI ganglion adalah Power dengan baterai 3.3V ke  12V  DC  memungkinkan  untuk  terjadi  konsleting  sangat  kecil  karena  menggunakan baterai, 14mA saat idle, 15mA terhubung dan  streaming  data, Modul Radio Simblee BLE (Arduino Kompatibel), MCP3912 Analog Front End, LIS2DH 3 axis Accelerometer, Slot Kartu MicroSD,  Board  Dimensions  2.41  "x  2.41"  (oktagon  memiliki  1  "tepi),  dan  untuk menyambungkan / melepas input secara manual ke pin REF.
Gambar 3 Papan elektrik Open BCI Ganglion.

## 2.2.2 Elektroda
Elektroda  yang  dipilih  adalah  jenis  elektroda  basah  yang  ditunjukkan  pada  Gambar  4. Elektroda  dipasang  menggunakan  kabel  pelangi  dan  bentuk  ujung  elektroda  seperti lengkungan  atau  cekungan.  Elektroda  tersebut  termasuk  kategori  elektroda  basah dikarenakan  pada  saat  melakukan  pengukuran  ujung  elektroda  diberi  gel  konduktif  T20 pada tepi cekungan untuk menyesuaikan impedansi antara kulit mencit dengan elektroda sehingga sinyal EKG menghasilkan sinyal yang dapat ditangakap elektroda dengan baik.

## Gambar 4 Elektroda Basah.

## 2.3 Pemasangan Elektroda
Desain yang dirancang dibentuk menggunakan printer 3D dengan bahan akrilik. Setalah itu elektroda dipasang kebagian-bagian yang akan diukur, untuk ekg adalah seperti berikut :

## 2.3.1 Pemasangan dengan menggunakan 2 channel
Gambar 5 Pemasangan Alat elektroda pada Mencit dengan menggunakan 2 channel atau input.
Tabel 2 Keterangan huruf dari Gambar 5 Huruf Keterangan A Elektroda Channel 2 positif B Elektroda Channel 3 positif C Ground D Elektroda Channel 2 negatif E Elektroda Channel 3 negatif
Posisi  elektroda  yaitu  menggunakan  2  channel  pada  elektroda  yang  diletakkan  di  bagian tangan  kanan  ketiak,  ketiak  tangan  kiri  dan  lengan  kiri.  Tangan  kanan  channel  2  dan
channel  3  negatif,  tangan  kiri  channel  2  positif,  kaki  kiri  channel  3  positif  dan  ground berada  pada  kaki  kanan.  Pemasangan  elektroda  di  berberapa  titik  ditunjukkan  pada gambar 5 dan keterangannya ditunjukkan pada tabel 2. Tentu saja perlu penanganan yang sangat hati-hati dikarenakan mencit bergerak dan tidak bisa diam. Digunakannnya lakban atau solasi hitam agar mencit bisa diam dan mengukurnya lebih mudah.

## 2.3.2 Pemasangan dengan menggunakan 1 channel
Gambar 6 Pemasangan Alat elektroda pada Mencit dengan menggunakan 1 channel.
Tabel 3 Keterangan huruf dari Gambar 6 Huruf Keterangan A Ground B Elektroda Channel 3 positif C Elektroda Channel 3 negatif
Menggunakan  1  channel  pada  elektroda  yang  diletakkan  di  bagian  tangan  ketiak  kiri, tangan  ketiak  kanan  dan  bagian  kaki  kiri.  Posisi  elektroda  yaitu  pada  elektroda  positif diletakkan pada bagian kaki kiri, elektroda negative diletakkan pada bagian tangan kanan dan  ground  diletakkan  pada  bagian  tangan  kiri.  Pemasangan  elektroda  menggunakan  1 channel ditunjukkan  pada  gambar 6 beserta  keterangan  huruf ditunjukkan  pada  tabel 3. Digunakannnya lakban atau solasi hitam agar mengukurnya lebih mudah.

## 2.4 Pengujian :
Pada pengujian perlu penanganan khusus untuk mencit karena perlakuannya tidak seperti manusia  yang  gampang  diatur,  Bulu  mencit  lebih  tebel  dibandingkan  dengan  manusia. Untuk  meminimumkan  motion  artifact  sinyal  adalah  dengan  penggunaan  elektroda  non polarisasi harus menempel dengan kencang dan tepat. Setelah itu amati hasil sinyal yang ditampilkan.  Sinyal  yang  dihasilkan  dapat  ditampilkan  pada  GUI  open  BCI  ganglion  pada gambar 7.

## Gambar 7 Tampilan GUI pada open BCI Ganglion.

## 3 Hasil
Hasil  diperoleh  dengan  melakukan  variasi  pada  posisi  elektroda  dan  banyaknya  channel atau  input  pada  pengukuran  mencit.  Yang  pertama  adalah  dengan  menggunakan  2 channel ditunjukkan pada gambar 8 terdapat gelombang aktifitas jantung.
Gambar 8 Hasil grafik EKG dengan menggunakan 2 channel atau input Berdasarkan gambar 8 adalah menggunakan filter Bandpass dengan rentang frekuensi 15- 50  Hz.  Filter  digunakan  untuk  menghilangkan  noise  yang  terjadi  dari  pengukuran  agar gelombang  jantung lebih terlihat. Untuk windownya adalah rentang waktu sebesar 5 detik. Yang Kedua adalah dengan menggunakan 1 channel ditunjukkan pada gambar 9.
Gambar 9 Hasil grafik EKG dengan menggunakan 1 channel atau input Dari Hasil yang didapatkan bahwa open BCI ganglion dapat diimplementasikan juga untuk pengukuran aktifitas jantung pada hewan yaitu mencit. Biasanya openBCI masih digunakan untuk pengukuran dengan subjek manusia. Tentu saja dengan melihat hal ini menunjukkan bahwa openBCI ganglion bisa digunakan untuk pengukuran elektrokardiografi jantung pada mencit. Dari gambar 8 menggunakan dengan 2 channel atau input dengan channel 2 dan 3  dapat  terdeteksi  gelombang  EKG  dengan  ditandai  adanya  interval  RR,  gelombang  QRS yang  terlihat.  Begitupun  gambar  9  dengan  menggunakan  1  channel  atau  input  pada channel 3 dapat terdeteksi juga dengan adanya gelombang EKG dengan ditandai adanya interval  RR  dan  gelombang  QRS  yang  terlihat.  Denyut  jantung  mencit  lebih  cepat dibandingkan  dengan  denyut  jantung  manusia.  Denyut  jantung  mencit  berkisar  325-780 denyut / menit. Sedangkan untuk denyut jantung manusia yang nomal sekitar 60-100 per menit. Interval RR pada mencit panjangnya lebih cepat dibandingkan manusia. Lebar QRS yang  dihasilkan  pada  jantung  mencit  lebih  kecil  dibandingkan  lebar  QRS  pada  manusia. Berdasarkan  gambar    9  sama    adalah  menggunakan  filter  Bandpass  dengan  rentang frekuensi  15-  50  Hz  juga.  Filter  digunakan  untuk  menghilangkan  noise  yang  terjadi  dari pengukuran  agar  gelombang    jantung  lebih  terlihat.  Untuk  windownya  adalah  rentang waktu sebesar 5 detik
Beberapa  faktor  yang  harus  diperhatikan  pada  saat  pengukuran  adalah  biasanya  terjadi noise dan tidak terbentuk gelombang EKG. Hal itu dikarenakan oleh keadaan mencit yang tidak bisa diam oleh karena itu pada pengambilan data diberi obat bius agar mencit lebih tenang  dan  mudah  untuk  melakukan  pengambilan  data.  Yang  membedakan  manusia dengan  mencit  yaitu  pada  bulunya.  Bulu  mencit  lebih  tebal  mungkin  mempengaruhi  dari pengukuran. Posisi elektroda yang berpindah-pindah atau bergeser juga menjadi hasil yang tidak  baik  dikarenakan  bergeraknya  mencit  dan  proses  penelempalan  hanya  dengan menggunakan  solasi  atau  perekat  hitam.  Tetapi  dengan  cara  dipegang  atau  ditekan  bisa menyebabkan  berkurangnya  noise.  Penempatan  open  BCI  juga  sangat  berpengaruh terhadap  pengaruh  getaran.  Oleh  karena  itu  open  BCI  ditempatkan  dibagian  atas  untuk mengurangi pengaruh getaran yang terjadi.

## 4 Kesimpulan
Telah  dilakukan  pengembangan  sistem  instrumentasi  untuk  pengukuran  aktifitas  jantung pada mencit. Pengukuran menggunakan alat open BCI ganglion dimana open BCI ganglion biasanya  digunakan  untuk  pengukuran  Elektrokardiogram  (EKG),  Elektroensefalogram (EEG), dan  Elektromiografi (EMG). Subjek yang disering digunakan untuk open BCI adalah manusia  tetapi  dalam  studi  penelitian  ini  mengimplementasi  open  BCI  ganglion  untuk mengukur aktifitas jantung (EKG) pada hewan yaitu mencit. Dalam studi ini menggunakan elektroda basah yaitu elektroda permukaan. Keluaran yang dihasilkan dari alat pada open BCI  adalah  sinyal  gelombang  EKG  pada  mencit.  Berdasarkan  hasil  yang  diperoleh  pada open BCI ganglion dapat digunakan untuk mengukur aktifitas jantung pada mencit. Hal itu terbukti  dengan  melakukan  pengukuran  variasi  menggunakan  2  channel  input  dan  1 channel  input.  Dengan  2  channel  atau  input  dapat  terdeteksi  gelombang  EKG  dengan ditandai  adanya  interval  RR,  gelombang  QRS  yang  terlihat.  Begitupun  dengan menggunakan 1 channel atau input pada channel 3 dapat terdeteksi juga dengan adanya gelombang  EKG  dengan  ditandai  adanya  interval  RR  dan  gelombang  QRS  yang  terlihat. Tentunya  alat yang dirancang  nanti dapat digunakan  untuk riset  preklinik atau  praktikum jurusan biologi dibeberapa universitas.

## 5 Referensi
[1] Bickley,  L.S  and  Szilagyi,  P.G.  Physical  Examination  and  history  Taking,  9  th  ed. Philadelphia: Lippincot Williams& wilkins . 2006
[2] Sahoo,  J.  P.  Analysis  of  ECG  signal  for  Detection  of  Cardiac  Arrhytmias.  India:  Thesis National Institute of Technology India. 2011
[3] Jacob,  S..  Animal  Anatomy:  A  Clinically  Orientated  Approach.  New  York  :  Churchill Livingstone, Inc. 2008
[4] Manihuruk,  A.  S.  Rancangan  Akuisisi  Data  Frekuensi  Detak  Jantung  Berbasis
Mikrokontroller AT 89S51 Sebagai Pengukur Denyut Jantung. 2010 [5] Vazquez-Seisdedos, C. R., Neto, J. E., Reyes, E. J. M., Klautau, A., & de Oliveira, R. C. L. New  approach  for  T-wave  end  detection  on  electrocardiogram:  Performance  in  noisy conditions. Tutorial Praktis Belajar matlab Biomedical engineering online, 10(1), 1-11. 2011.
[6] Germann,  W.  J.  &  Standield,  C.  L..  Principles  of  Human  Physiology.  San  Francisco: Benjamin Cummings.2002
[7] Wolpaw  J,  Wolpaw  EW.  Brain-Computer  Interfaces:  Principles  and  Practice.  1st  ed. Oxford: Oxford University Press; 2011.
[8] Nicolas-Alonso  LF,  Gomez-Gil  J.  Brain  computer  interfaces,  a  review. Sensors.;12(2):1211–1279. pmid:22438708. 2012
[9] Muller-Putz,  G.R.,  Scherer,  R.,  Pfurtscheller,  G.,  Rupp,  R..  Eeg-based  neuroprosthesis control: a step towars clinical practice.Neuroscience letters. 382(1):169–174. 2005
[10] Nijholt, A.,Tan, D., Allison, B., del R  Milan, J., Graimann, B.. Brain-computer interfaces for  hci  and  games.  In:CHI’08  extended  abstractson  Human  factors  in  computing systems .ACM. p. 3925–3928. 2008 [11] Faller, J., M¨ uller-Putz, G., Schmalstieg, D., Pfurtscheller, G.. An application framework for controlling  an avatar  in  a  desktop-based  virtual  environment  via  a  software ssvep brain-computer  interface.Presence:  Teleoperators  and  Virtual  Environments19(1):25– 34. 2010