Searching for wisdom from the wildest view with largest open mind

Nurida Finahari

PDIK - 0730703012

PEMODELAN OSILASI REGANGAN DINDING DADA BERBASIS AUSKULTASI

SEBAGAI PARAMETER FISIOLOGIS SINKRONISASI KARDIORESPIRASI

UJIAN KUALIFIKASI

Penelitian-penelitian tentang sinkronisasi

kardiorespirasi pada awalnya ditujukan

untuk memahami mekanisme

patofisiologis (Mrowka, et.al; 2003)

Interaksi antara aktivitas jantung dan paru-paru

(interaksi kardiorespirasi) telah mulai dipelajari sejak

2 abad yang lalu dan terus dikembangkan

Posisi jantung dan paru-paru yang berdekatan

memungkinkan munculnya gelombang interferensi dari

gelombang vibrasi yang dihasilkan keduanya

Karakteristik gelombang interferensi tersebut

merupakan gambaran karakteristik masing-

masing gelombang sumbernya

HUBUNGAN FUNGSIONAL

y = f (x1; x2; x3)

x1: gerak jantung

x2: gerak diafragma

x3: gerak otot intercostal

y : osilasi regangan dinding dada

Model pernafasan: inspirasi maksimum

Dinamika diafragma dan otot interkostal: statis

Sulit dilakukan rekaman dinamis

Model matematis: linier elastis, terkendala

struktur tulang, dilakukan parsial

Model analitis jantung sulit dilakukan

Karena kompleksitas fisioanatomi

Deviasi nilai parameter jantung dan

paru-paru sangat lebar dan

berlawanan sifat mekanisnya

ALTERNATIF SOLUSI

Numerisasi, kompilasi dan

transformasi grafik gold

standar

Vibrasi berbasis

auskultasi

1. Bagaimanakah model matematis gelombang suara jantung dan paru

yang dapat menghasilkan interferensi ?

2. Bagaimanakah model rambatan gelombang interferensi suara jantung

dan paru melalui rongga intra torak hingga ke permukaan kulit dada ?

3. Bagaimanakah model matematis osilasi regangan dinding dada yang

terbentuk oleh gelombang interferensi tersebut ?

4. Apakah osilasi regangan dinding dada berhubungan dengan kondisi

fisiologis sinkronisasi kardiorespirasi ?

Penelitian ini bertujuan untuk :

1. Menyusun model matematis interferensi gelombang suara jantung

dan paru.

2. Menyusun model rambatan gelombang interferensi suara jantung

dan paru melalui rongga torak hingga ke permukaan kulit dada. 3. Menyusun model matematis osilasi regangan dinding dada dengan

gaya pembangkit bersumber pada gelombang interferensi suara

jantung dan paru.

4. Memvalidasi osilasi regangan dinding dada sebagai parameter

fisiologis sinkronisasi kardiorespirasi.

Penelitian ini merupakan langkah

awal untuk mencapai integrasi

peralatan pengukur, pemonitor dan

penganalisis sistem kardiorespirasi

dan sinkronisasinya.

Model matematis dan alat ukur baru

yang didesain sebagai sarana validasi

dapat dikembangkan sebagai sarana

untuk memprediksi ‘masa hidup’

kondisi jantung dan/atau paru. Hal ini merupakan dasar dari sistem

biopreventive maintenance.

Sinkronisasi kardiorespirasi didefinisikan sebagai koordinasi selaras

antara urutan siklus detak jantung dan siklus respirasi yang

bersesuaian (Cysarz et.al., 2004)

Analisis sinkronisasi dilakukan dengan cara menghitung jarak waktu

antara onset inspirasi dan gelombang R yang mendahuluinya

Penelitian tentang sinkronisasi kardiorespirasi awalnya ditujukan

untuk mendapatkan informasi kontinyu berbasis waktu (time

series information) sebagai data analisis patologi dan pelevelan

derajat resiko (Makikallio et.al., 2001)

Metode Synchronization merupakan

metode matematis yang digunakan untuk

menganalisis 2 kopel osilator dengan

fase 1 dan 2 (Rosenblum et.al., 2001)

Jika terjadi sinkronisasi maka 1 - 2

menghasilkan nilai yang konstan

Jika terjadi sinkronisasi maka nilai

= 1 sedangkan de-sinkronisasi

bernilai = 0

Metode Phase Recurrence

kuantifikasinya didasarkan pada

pengecekan beda interval antara 2

gelombang R yang berurutan

Jika beda interval tersebut tidak

melebihi nilai toleransi dan terulang

setidaknya k kali perhitungan yang

berurutan maka sinkronisasi terjadi

Untuk menjaga akurasi dianjurkan

nilai k ≥ m untuk sinkronisasi m:n,

dimana jumlah gelombang R

setidaknya sama dengan 2m

Pemantauan suara jantung masih menjadi standar penting dan

terintegrasi dalam diagnosa klinis penyakit jantung (Tavel, 1996)

Secara umum suara jantung dideteksi dengan menggunakan

stetoskop akustik atau stetoskop elektronik

Peralatan ini tidak dapat menyimpan dan memutar ulang suara, tidak dapat

menghasilkan tampilan visual dan tidak bisa diproses secara digital karena

berbentuk sinyal akustik (Tavel, 2006)

Stetostop elektronik yang lebih baik bahkan menghasilkan noise

yang cukup mengganggu disamping juga masih sulit dihubungkan

dengan komputer untuk memudahkan penganalisisan

S1 terdengar pada saat katup mitral

dan tricuspid (atrioventricular

valves) menutup di awal kontraksi

ventrikel

S2 terjadi pada saat katup aorta

dan pulmonaris tertutup di akhir

kontraksi ventrikel

S3 normal terdengar pada awal

diastol, yaitu pada periode awal

pengisian ventrikel secara pasif

S4 normal terdengar pada akhir

diastol, yaitu pada periode

pengisian ventrikel secara aktif

akibat kontraksi atrium

Terdapat beberapa variasi suara jantung yang

menggambarkan kondisi normal maupun

patologis (Bates, 2005)

- Suara murmur diakibatkan oleh turbulensi aliran darah

- Clicks adalah suara pendek dengan pitch tinggi yang

terdengar jika terjadi stenosis atau prolapse pada katup

mitral, stenosis pada saluran aorta dan pulmonar

- Rubs adalah suara gesekan, gemeretak dengan pitch

tinggi yang dikaitkan dengan adanya kelainan atau

inflamasi lapisan perikardium (perikarditis)

Suara jantung juga dipengaruhi oleh aktivitas pernafasan. Tekanan inhalasi dapat

menyebabkan peningkatan aliran darah dari vena pulmonar menuju ruang sisi kanan

jantung. Dalam hal ini murmur sisi kanan jantung meningkat intensitasnya

1. Kualitas suara

2. Visualisasi data (grafik – spektral)

3. Rekaman dan playback

4. Database

Suara pernafasan normal didefinisikan sebagai suara gemuruh ringan (slight

murmur) yang mengikuti masuk dan keluarnya udara pernafasan dari sel paru

(Laennec, 1935)

Suara pernafasan terjadi karena gerak udara membentuk aliran turbulen saat

mengalami perubahan lebar ruang aliran dari sempit menjadi lebih luas

Secara klinis intensitas suara paru umumnya dihubungkan dengan volume

paru dimana peningkatan intensitas suara paru merupakan indikasi terjadinya

ekspansi paru

Diketahui bahwa aliran udara yang memasuki paru kiri mengalami perlambatan

akibat adanya aliran dari arah berlawanan yang terjadi karena dorongan denyut

jantung

Secara umum suara pernafasan normal dibedakan atas suara trakeal dan

bronkial. Suara di sekitar alveoli masih menjadi perdebatan.

Karakteristik suara pernafasan trakeal dipengaruhi

oleh tinggi badan (Sanchez, Pasterkamp, 1993), laju

aliran udara (Soufflet et.al., 1990), usia dan jenis

kelamin (Gross et.al., 2000)

Frekuensi suara pernafasan dibedakan menjadi 3 rentang spektrum

(Pasterkamp et.al., 1997), yaitu rentang frekuensi rendah (100-300

Hz), menengah (300-600 Hz) dan tinggi (600-1200 Hz).

Pada rentang frekuensi rendah, terjadi tumpang tindih

antara suara jantung dan pergerakan otot

Visualisasi playback diperlambat

Konsepsi-konsepsi dasar konvensional auskultasi

pernafasan (Pasterkamp et.al., 1997a) :

1) asimetri pada amplitudo suara pernafasan

mengindikasikan adanya penyakit

2) suara yang didengar pada permukaan dada adalah versi saringan suara trakeal dan suara leher

3) kecepatan aliran udara tidak banyak berpengaruh pada

diagnosa klinis selama kecepatan normalnya terpenuhi

Konsepsi konvensional kurang akurat karena tidak

mempertimbangkan karakteristik laju aliran udara,

sehingga perlu dilakukan koreksi

Secara global rambatan gelombang pada rongga torak dibedakan

berdasarkan 3 area yang dilaluinya (Pasterkamp et.al., 1997a), yaitu

saluran respirasi atas, jaringan parenkim dan dinding dada

Saluran respirasi atas:

- terdiri atas jalur vocal, jalan nafas subglottal dan

percabangan nafas besar

- dimodelkan sebagai tube tunggal panjang yang tidak kaku,

ujungnya terbuka ke arah rongga udara yang relatif besar - sifat jaringan mudah menyerap energi suara

- resonansi suara berkisar pada frekuensi dasar 650 Hz pada

sistem subglottal atau lebih rendah jika keseluruhan jalur

bersih dari lendir atau debu-debu (Mansfield, Wodicka, 1995)

Jaringan parenkim:

- terdiri atas percabangan saluran nafas kecil, rongga alveoli, saluran

kapiler dan jaringan pendukung

- < 10 kHz (> diameter alveoli) dimodelkan sebagai busa berisi campuran

homogen antara udara dan jaringan fluida seperti air (Rice, 1983)

- suara merambat dengan kecepatan sekitar 50 m/s

- model lain berupa kumpulan gelembung udara dalam air

(D’yachenko, Lyubimov, 1988)

- kerugian energi terjadi jika panjang gelombang suara mendekati

diameter alveoli - proses rambatan suara sangat dipengaruhi level frekuensi suaranya

Dinding dada:

- lebih tipis tetapi lebih padat dan kaku

- analisis rambatan lebih kompleks karena adanya otot, tulang, kulit dan

jaringan lainnya

- terdapat dugaan bahwa perbedaan impedansi antara jaringan parenkim dan dinding dada menyebabkan terjadinya penurunan amplitudo yang

sangat besar, perubahan waktu rambatan dan bentuk gelombang suara

(Vovk et.al., 1995).

Ketiga area rambatan gelombang suara tersebut dimodelkan sebagai

tabung silinder besar dengan rongga tube ditengahnya dan terbuka di

ujungnya (Vovk et.al., 1994)

Model memberikan gambaran rambatan gelombang suara pernafasan pada

manusia sehat (Wodicka, Shannon, 1990) tetapi tidak dapat menjelaskan

terbentuknya suara pernafasan di jalur-jalur percabangan

Secara eksperimental, regangan dinding dada telah dijadikan

parameter pengukuran perubahan volume rongga rusuk dengan

menggunakan pletismograf induktansi (Palmer et.al; 2004)

Pemodelan dinding dada telah dilakukan

secara matematik pada penelitian terhadap

aktivitas paru-paru dan otot perut (Cappelo,

De Troyer; 2004)

Persamaan keseimbangan statis sistem pernafasan:

Pao = KR VR + KL VL

Pao = KDi VDi + Pab + KL VL

Pab = KA VA + PA

Volume paru-paru = volume dada – volume jantung – volume spinal – volume subphrenic

Gaya netto yang diakibatkan oleh gerak otot-otot pernafasan dada (Frc) dan

abdominal (Fab):

)()()()( ,1 rcrcmrcrcmrclercGrcrcrc xRxKAPAPxmF

sincoscos yorczorcorc GmGmxm

)()()()( ,1 abrcmabrcmableabGababab xRxKAPAPxmF

sincoscos yoabzoaboab GmGmxm

Salah satu model sistem pernafasan disusun dalam kondisi tubuh beraktivitas

dinamis sehingga mengalami percepatan aksial, seperti misalnya yang terjadi

pada saat berjalan atau berlari (Loring et.al., 2001)

Penggunaan sensor getaran sebagai alat ukur banyak dilakukan pada

penelitian-penelitian tentang kualitas tidur (Mack, et.al; 2003)

Sensor getaran murah, tidak bersifat intrusif sehingga dapat ditempatkan

pada kursi diagnosa, tempat tidur ICU dan keperluan pediatrik.

Sensor getaran didesain sebagai peralatan yang sensitif terhadap

denyut pembuluh darah dan gerakan badan akibat pernafasan

Penggunaan sensor getaran sebagai alat ukur karakteristik fisiologis

jantung dan aktifitas pernafasan dapat memberikan akurasi yang tinggi,

dalam rentang kesalahan 5% dari hasil pencatatan pulse-oximeter

KERANGKA KONSEPTUAL

Aktifitas Pernafasan

Dinamika Perubahan

Volume Paru

Denyut Jantung

Interferensi suara

Dinamika Perubahan

Tekanan Ventrikel

Sinkronisasi

Transmisibilitas

gelombang

Karakteristik aliran

udara

Karakteristik aliran

darah

Suara pernafasan Suara Jantung

Osilasi regangan

dinding dada

MULAI

PERSIAPAN:

- Ijin Komisi Etik

- Survei alat dan bahan

- Pembagian tugas

PENYUSUNAN MODEL MATEMATIS:

- Model pembangkitan suara

- Model rambatan

- Model interferensi

- Model osilasi regangan

DESAIN DAN PEMBUATAN VIBRATOMETER:

- Desain rangkaian sensor

- Desain rangkaian ADC

- Desain program interface dan visualisasi data

- Desain visualisasi analisis data

UJI DAN ANALISIS MODEL:

- Penyelesaian persamaan matematis

- Visualisasi hasil pemodelan

- Uji analitis

KALIBRASI VIBRATOMETER:

- Kalibrasi besaran

- Kalibrasi stabilitas

- Uji dan analisis performansi

PENGAMBILAN DATA ACUAN:

- Data sinkronisasi (ECG - Spyrometri)

- Data suara (Stetoskop digital)

ANALISIS & UJI PERBANDINGAN:

- Analisis karakteristik data acuan

- Perbandingan Model vs Data Acuan

- Perbandingan Model vs Vibratometer

- Perbandingan Data Acuan vs Vibratometer

PEMBAHASAN DAN

PENGAMBILAN KESIMPULAN

SELESAI

DIAGRAM ALIR PENELITIAN

2 tahap penelitian:

1. Pengembangan Model Matematis

2. Validasi Model Matematis

Validasi model matematis:

• Grafik kompilasi suara jantung dan

paru menggunakan fonokardiograf

atau stetoskop digital

• Grafik sinkronisasi kardiorespirasi berbasis fase hasil pencatatan ECG

dan spyrometri.

• Grafik hasil pengukuran

vibratometer

Tekanan udara

respirasi

Kecepatan aliran

darah di paru

Kecepatan aliran

darah dalam jantung

Frekuensi suara

jantung

Frekuensi suara

paru

Karakteristik aliran udara

pada saluran pernafasan

Superposisi

gelombang suara

Transmisibilitas

gelombang suara

melalui rongga dada

Regangan

dinding dada

Pembangkitan suara

ALGORITMA MODEL MATEMATIS

ADC

iMac

Komputer

Transducer

RENCANA DESAIN VIBRATOMETER

Pembangkitan tekanan akustik didasarkan

pada tensor Lighhill (Boersma, 2005)

Aliran pernafasan dan jantung didasarkan

pada persamaan kontinyuitas dan Navier

Stokes

There’s always another ways to reach your destiny

Be patient and flows along your ‘own river’