Elektromyograph (EMG)

Elektromiografi (EMG) adalah teknik yang digunakan untuk mengevaluasi fungsi saraf dan otot dengan cara merekam aktivitas listrik yang dihasilkan oleh otot skeletal. Ini merupakan tes penting yang digunakan untuk mendiagnosis kelainan otot dan saraf. Ini sering digunakan untuk mengevaluasi kelainan sistem saraf periferal.

     Elektromiografi mencakup penyematan elektroda pada bagian tubuh tertentu untuk mendeteksi potensial listrik yang dihasilkan oleh sel-sel otot ketika sel-sel ini elektrik atau neurologis diaktifkan, kemudian aktivitas listrik otot direkam pada komputer. Hasil tes ini memungkinkan ahli saraf mendiagnosis setiap aktivitas otot atau saraf yang abnormal. Sinyal yang dihasilkan dapat dianalisis untuk mendeteksi kelainan medis seperti membedakan kelainan yang terletak pada antara akar saraf dan penyakit otot, tingkat aktivasi, perintah rekrutmen atau untuk menganalisa biomekanik gerakan manusia atau hewan.

• Pemanfaatan EMG Dalam Ilmu Kesehatan

   Ada banyak aplikasi untuk penggunaan EMG. EMG digunakan secara klinis untuk diagnosis masalah neurologis dan neuromuskular. Hal ini digunakan diagnosa oleh laboratorium kiprah dan oleh dokter terlatih dalam penggunaan biofeedback atau penilaian ergonomis. EMG juga digunakan dalam berbagai jenis laboratorium penelitian, termasuk mereka yang terlibat dalam biomekanik, kontrol motor, fisiologi neuromuskuler, gangguan gerak, kontrol postural, dan terapi fisik

    Sinyal EMG digunakan dalam aplikasi klinis dan biomedis. EMG digunakan sebagai alat diagnostik untuk mengidentifikasi penyakit neuromuskuler, menilai nyeri punggung bawah, kinesiologi, dan gangguan kontrol motor. sinyal EMG juga digunakan sebagai sinyal kontrol untuk perangkat palsu seperti buatan tangan, lengan, dan tungkai bawah.

• Prinsip Kerja

    Prinsip kerja EMG adalah mengukur potensial otot. Seperti diketahui adanya aktifitas otot akan menimbulkan potensial aksi. Potensial listrik dalam otot tersebut terjadi akibat adanya reaksi kimia dalam otot. Dalam pemeriksaan EMG, karena kesulitan untuk mengisolasi sel otot tunggal maka perekaman aktivitas listrik selalu dilakukan untuk beberapa serabut otot. Sinyal listrik otot atau sekelompok otot berbentuk gelombang mirip bising (“noise”) yang amplitudonya bervariasi terhadap aktivitas otot. Pada kontraksi sedang, ampiltudonya kira-kira 1 mV untuk 100Hz < frekuensi< 500 Hz dan 0,5 mV untuk 500 Hz<frekuensi<2000 Hz (Cameron, 1978 dalam Chalimatus, 2008)

• Prosedur Kerja EMG

     Ada dua jenis EMG digunakan secara luas: EMG permukaan dan intramuskular (jarum dan fine-kawat) EMG. Untuk melakukan EMG intramuskular, jarum elektroda atau jarum mengandung dua elektroda-kawat halus dimasukkan melalui kulit ke dalam jaringan otot. Seorang yang sudah terlatih atau profesional (seperti physiatrist, ahli saraf, atau terapis fisik) mengamati aktivitas listrik ketika memasukkan elektroda. Kegiatan insersional memberikan informasi berharga tentang keadaan otot dan saraf yang innervating. Otot normal saat kegiatan istirahat, sinyal-sinyal listrik normal ketika jarum dimasukkan ke dalamnya. Kemudian aktivitas listrik dipelajari ketika otot yang diam. Aktivitas spontan abnormal mungkin menunjukkan beberapa saraf atau kerusakan otot. Kemudian pasien diminta untuk kontrak otot lancar. Bentuk, ukuran, dan frekuensi potensi unit motor yang dihasilkan tentukan. Kemudian elektroda ditarik beberapa milimeter, dan sekali lagi kegiatan ini dianalisa sampai setidaknya 10-20 unit telah dikumpulkan. Setiap lagu elektroda hanya memberikan gambaran yang sangat lokal dari aktivitas seluruh otot. Karena otot berbeda dalam struktur batin, elektroda harus ditempatkan pada berbagai lokasi untuk mendapatkan penelitian yang akurat.

EMG Permukaan

    Intramuscular EMG dapat dianggap terlalu invasif atau tidak perlu dalam beberapa kasus. Sebaliknya, permukaan elektroda dapat digunakan untuk memantau gambaran umum aktivasi otot, sebagai lawan kegiatan hanya beberapa serat seperti yang diamati menggunakan EMG intramuskular. Teknik ini digunakan dalam beberapa jenis, misalnya, di klinik fisioterapi, aktivasi otot dipantau menggunakan  EMG permukaan dan pasien memiliki stimulus auditori atau visual untuk membantu mereka tahu kapan mereka mengaktifkan otot (biofeedback).

EMG Intramuscular

     Sebuah unit motor didefinisikan sebagai satu neuron motor dan semua serat otot itu innervates. Ketika kebakaran unit motor, dorongan (disebut potensial aksi) dilakukan menuruni neuron motor ke otot. Daerah mana kontak saraf otot disebut sambungan neuromuskuler, atau akhir pelat motor. Setelah potensial aksi ditransmisikan di persimpangan neuromuskuler, suatu potensial aksi adalah elicited di semua serat otot diinervasi dari unit motor tertentu. Jumlah dari semua aktivitas elektrik ini dikenal sebagai potensial aksi unit motor (MUAP). Kegiatan ini elektropsikologi dari unit motor multiple sinyal biasanya dievaluasi selama EMG sebuah. Komposisi unit motor, jumlah serat otot per unit motor, jenis metabolisme dari serat otot dan berbagai faktor lainnya mempengaruhi bentuk potensi motor unit di myogram tersebut.

         Uji konduksi saraf juga sering dilakukan pada waktu yang sama sebagai EMG untuk mendiagnosa penyakit saraf.

        Beberapa pasien dapat menemukan prosedur agak menyakitkan, sedangkan yang lain hanya mengalami sedikit ketidaknyamanan ketika jarum dimasukkan. Otot atau otot sedang diuji mungkin sedikit sakit untuk satu atau dua hari setelah prosedur.

• Cara Memperoleh Sinyal EMG

Sinyal EMG bisa diperoleh dengan dua cara, melalui penanaman elektrode dan tanpa penanaman elektrode di dalam tubuh pasien. Elektrode yang ditanam memberikan sinyal yang lebih baik dan langsung dari sumber otot yang diinginkan. Namun, proses pemasangannya harus melalui operasi bedah sehingga kurang disukai dan dihindari. Elektrode yang tidak ditanam atau diletakkan di permukaan lebih banyak digunakan. Hanya saja, sinyal yang diperoleh tidak sebagus yang ditanam serta sering kali dipengaruhi oleh sinyal dari otot-otot yang di sekitarnya atau dikenal dengan crosstalk. Untuk diskusi selanjutnya, kita hanya memfokuskan pada sinyal EMG yang diperoleh dari permukaan kulit atau dikenal dengan surface EMG. Untuk mendapatkan sinyal EMG, perlu dilakukan desain sistem yang tepat yang mempertimbangkan noise yang mungkin terjadi.

Peletakkan elektroda biasanya diletakkan langsung pada otot yang akan diamati dengan cara menempelkan pada permukaan kulit sebagai pendeteksi sinyal dari pergerakan otot. Sinyal yang ditangkap meliputi daerah yang diberikan elektroda. Akibatnya sinyal yang diperoleh merupakan penjumlahan seluruh sinyal yang ada. Karena proses kontraksi dan relaksasi tiap-tiap otot gerak pada daerah tersebut tidak bersamaan, maka sinyal yang didapat terkesan seperti sinyal acak.

 Elektroda juga berfungsi sebagai grounding yang ditempelkan pada daerah yang memiliki resistansi tubuh yang kecil, contohnya pada kaki atau telinga. Karakteristik dari sinyal otot EMG yang umumnya dianalisa mempunyai range frekuensi antara 20 Hz sampai 500 Hz dan range tegangan antara 0,4 volt sampai 5 volt. Terdapat amplitudo yang tinggi lagi apabila terjadi kontraksi.

METODE PENGAMBILAN SINYAL

    Amplifier yang dirancang memiliki penguatan berkisar 1500 kali agar sinyal yang dihasilkan otot dapat mencapai 1 Vpp. Jika diperlukan penguatan yang lebih besar, bisa merubah besar komponen yang memengaruhi penguatannya.
   Sensor ini akan mendeteksi perubahan amplitudo sinyal sebesar 0.2 mikro volt yang merupakan sinyal kontraksi otot yang dideteksi dan sensor ini memiliki range kerja pada frekuensi dibawawh 130 Hz.

SENSOR BIOPOTENSIAL

      Sistem saraf tubuh manusia menggunakan perbedaan kadar ion untuk berkomunikasi. Transportasi ion dalam dan di sepanjang serabut saraf dapat diukur pada permukaan kulit menggunakan jenis sensor elektrokimia tertentu yang sering disebut sebagai Surface recording electrode. Tujuan dari elektroda adalah untuk bertindak sebagai transduser antara transportasi ionik saraf dan aliran elektron dalam kawat tembaga. Transduser ini adalah persimpangan antara elektroda dan elektrolit yang memungkinkan seperti transduksi untuk mengambil tempat. Aliran ion dalam elektrolit menimbulkan elektron di elektroda karena adanya reaksi oksidasi atau reduksi yang terjadi pada antarmuka. Artinya anion dalam elektrolit akan mengalir ke batas antarmuka. Kation dalam elektrolit akan mengalir jauh dari batas antarmuka. Untuk mengatasi ini, elektron pada elektroda akan mengalir menjauh dari batas antarmuka menciptakan arus di elektroda.

Noise bisa terjadi pada semua tahapan dari proses akuisisi. Padahal, proses akuisisi data diupayakan semaksimal mungkin untuk mendapatkan sinyal EMG yang mengandung sebanyak mungkin informasi dengan seminimal mungkin noise. Satu hal yang bisa dilakukan untuk mengatasi noise, khususnya dari radiasi listrik pada frekuensi 50 atau 60 Hz, adalah menggunakan penguat beda (differential amplifier). Hal ini dilakukan dengan menggunakan dua elektrode dari dua lokasi yang berbeda (C. J. De Luca, 2002). Ide dari penguat beda ini adalah membuang sinyal yang sama dari dua elektrode dan menguatkan beda sinyal dari keduanya. Sinyal yang sama mewakili sinyal yang berasal dari lokasi yang jauh dari pendeteksian sinyal, sedangkan beda sinyal mewakili area langsung dari permukaan yang dideteksi. Jadi, sinyal EMG lokal akan dikuatkan dan noise karena daya listrik yang jauh akan dibuang.
DESAIN DAN PERANCANGAN SISTEM
Sensor Elektroda
Sensor elektroda pada kulit merupakan sensor yang dapat digunakan untuk membantu mendeteksi sinyal biolistrik yang dikeluarkan tubuh manusia melalui kulit. Sensor tersebut dibuat dari bahan Ag│AgCl. Untuk mendapatkan kontak listrik dalam penggunaannya pada sensor ini terdapat pasta elektrolit yang terletak diantara elektroda dengan kulit [ 11 ]. 
Jenis sensor ini banyak digunakan di bidang kesehatan sebagai pendeteksi detak jantung atau denyut nadi pada otot manusia. Dalam elektroda ini terdapat jely yang menepel langsung pada kulit. Jely ini yang akan mendeteksi listrik dalam tubuh manusia yang kemudian ion yang ditangkap oleh elektroda ini masuk dan diproses di dalam penguat.

Penguat Instrumentasi (Instrumentation Amplifier)
Sinyal yang dihasilkan oleh tubuh manusia memiliki amplitudo yang sangat kecil yaitu berorde mikro Volt. Oleh karena itu sinyal tersebut perlu dikuatkan [12 ]. Penguat Instrumentasi merupakan rangkaian elektronika yang didefinisikan sebagai suatu rangkaian untuk memperesar daya, arus dan amplitudo. Komponen yang digunakan sebagai penguat instrumentasi adalah IC tipe AD620 besar penguatannya dicari melalui persamaan
G=1+49,9k/Rg...........…......… (1)
Penentuan gain ditentukan dengan resistor yang di pasang pada IC tersebut. Dalam penelitian ini, penguatan yang di inginkan dalam pada penguat instrumentasi adalah 10.19 kali maka resistor yang digunakan sesuai Persamaan 1 adalah 5,48 kΩ. Resistor ini berfungsi sebagai tahanan luar agar tidak terjadi offset DC dari elektroda. Ada 2 masukan dalam penguatan ini yaitu positif, penguat, dan negatif. Ada dua jenis tegangan yang dibutuhkan yaitu +9V dan -9V Sehingga Amplitudo yang akan naik turun menyesuaikan sinyal otot yang masuk ke dalam penguat. Perancangan secara simulasi dilakukan dengan!! menggunakan software Multisim 2010 seperti ditunjukkan pada Gambar 2 di bawah ini.

Dari gambar diatas kenaikan tegangan yang dilakukan oleh IC AD620AN sebesar 101,169 mV.

High Pass Filter
Filter frekuensi berfungsi untuk mengkodisikan keadaan sinyal sesuai dengan yang diinginkan [ 3]. Fungsi High Pass Filter ialah untuk menentukan batas bawah frekuensi, dengan nilai cut-off tertentu yang ditentukan oleh Persamaan 2:
fco = 1/(2 πRC)............. (2)
Rangkaian high pass filter terdiri dari rangkaian pasif dan rangkaian aktif. Rangkaian filter pasif terdiri dari kapasitor dan resistor yang di pasang seri. Sinyal dengan frekuensi yang lebih besar dari cut-off HPF akan dilewatkan sedangkan yang dibawahnya akan tertahan. Pada filter aktif selain rangkaian seri seperti pada Gambar 5, ditambahkan rangkaian penguat non-inverting dengan besar penguatan:
Av = (Rf/Ri) +1............ (3)
Rangkaian HPF aktif menggunakan basic op-amp OP07CP. Dalam penelitian ini, HPF dibuat dengan 3 kali pemfilteran sehingga mendapatkan frekuensi tanpa noise. Rangkaian filter ini akan meloloskan sinyal yang berfrekuensi rendah yaitu 0,28 Hz, sehingga jika ada frekuensi di bawah 0,28 Hz tertahan oleh High Pass Filter. Sinyal yang keluar dari OP07CP akan dikuatkan 20 kali, hal ini dapat dilakukan dengan menentukan Rf dan Ri sesuai Persamaan 3. Gambar 3 memperlihatkan desain dan hasil simulasi HPF dengan penguatan non-inverting.

Low Pass Filter (LPF)
Rangkaian LPF berfungsi untuk menentukan batas atas frekuensi yang dapat diloloskan sesuai Persamaan 4. Rangkaian LPF yang dibuat mengikuti desain Butterworth orde 1.
fco = 1/2 π RC............  (4)
Pada rangkaian LPF dapat pula ditambahkan penguat non-inverting seperti pada rangkaian HPF. Dengan gain 1,586, rangkaian ini dapat diketahui karakteristik sinyal yang masuk akan bergantung dari aktivitas otot yang dilakukan. Fungsi dari Low Pass Filter akan meloloskan sinyal yang berprekuensi rendah. Pada bagian ini frekuensi yang dibutuhkan sebesar 50 Hz. Pada Gambar 4 menunjukkan desain dan simulasi dari rangkaian LPF. 

Rangkaian Level Shifter
Pada bagian ini sebelum sinyal masuk ke mikrokontroler akan terlebih dahulu melalui rangkaian level shifter. Tujuan dibuatnya level shifter adalah agar seluruh sinyal yang masuk dapat terbaca oleh pin analog mikrokontroler, termasuk bagian tegangan yang bertanda negatif. Rangkaian level shifter sebenarnya merupakan tipe rangkaian non inverting op-amp dengan sedikit modifikasi pada inputnya. Cara kerja rangkaian ini dengan menyeting resistor variabel agar sinyal selalu bernilai positif sehingga dapat terbaca di osiloskop maupun ADC mikrokontroler. Gambar berikut menunjukkan desain dan realisasi dari rangkaian level shifter.

Dengan adanya rangkaian seperti gambar 12 sinyal akan dapat terbaca oleh osiloskop maupun ADC, karena rangkaian ini akan mengatur sinyal yang di bawah nol dan di atas nol dengan cara mengubah-ubah nilai potensiometernya.

BLOK DIAGRAM EMG

          CARA PEMASANGAN

A. Pemasangan secara unipolar. B. Pemasangan secara bipolar

    REFERENSI

[1] P. S. Wardana and A. Arifin, “Instrumentasi dan Pendeteksian Sinyal EMG
Dinamik selama Elbow Joint Bergerak,” pp. 1–5, 2012.
[2] Nomiyasari, Ratna Adil, Paulus Susetyo W, “ Perancangan Dan Pembuatan ECG
dan EMG Dalm Satu Unit PC. Sub Judul: Pembuatan Rangkaian EMG dan
Software Emg Pada Pc”. Artikel Jurusan Teknik Elektronika, Politeknik
Elektronika Negeri Surabaya. “1 , 2 , 3 4,” pp. 1–9. 2011.
[3] O. Andriawan, E. Putera, and I. S. Faradisa, “Rancang Bangun
Electroencephalograph ( EEG ) Sebagai Perekam Dan Pendeteksi Sinyal Biolistrik
Otak Yang Terintegrasi Dengan PC Berbasis Mikrokontroler ATMEGA8535,” vol.
2, no. 1, pp. 8–13, 2011.