PERSEKTIF INSTRUMENTASI MEDIS

DEFINISI INSTRUMEN MEDIS

Bentuk fisika yang diambil oleh kebanyakan contoh alat kesehatan, seperti instrummen, alat, dan mesin, digambarkan oleh diagram blok pada gambar 1.1. setiap pertukaran posisi mengatur instrument naik satu tingkat pada bentuk fisika sebagai alat untuk mengukur, memantau, mendiagnosis penyakit, terapi pasien, atau untuk operasi. Kebanyakan instrumentasi medis masuk ke dalam salah satu kategori tersebut.

Instrument medis menampilkan fungsi spesifik pada system biologis. Fungsi ini mungkin merupakan pengukuran tepat pada parameter fisiologis—tekanan, aliran, tegangan, pH kimia, volume, berat, dan suhu—dan perubahan laju dari parameter ini. Dalam system fisioligis, karena parameter sering memiliki jarak yang kecil atau jika tidak, maka sulit untuk diproses, sebuah transduser (diilustrasikan pada gambar 1.1.) diperlukan untuk mengubah bentuk sinyal fisiologis menjadi bentuk yang dapat dibaca oleh signal prosessor. Transduser, misalnya, amplify voltage atau tekanan, memilih sebuah parameter yang tepat untuk pengukuran, menyediakan medium transisional, atau efek impedansi yang sesuai dengan system biologis ke signal processor.

Pada system fisiologis, parameter yang dapat diukur meliputi range yang luas. Range tegangan dari 1 mikrovolt (μV) sampai beberapa milivolt (mV) dan naik hingga beberapa ribu volt (V) dari muatan statis. Range frekuensi dari d.c. sampai 20 kilohertz (kHz). Range dinamis dari amplitude suara yaitu 10 desibel (dB) dan diatasnya. Range tekanan dari 0.1 milimeter merkuri (mmHg) sampai kira-kira 1000 mmHg. Laju aliran fluida meningkat sampai 25 liter per menit (liter/min) dan aliran udara sampai 600 liter/min. diperlukan untuk memelihara stabilitas fisiologis dan control umpan balik yang diilustrasikan oleh range suhu yang kecil dalam tubuh manusia, 90 sampai 140 derajat Fahrenheit (oF).

Keluaran dari transduser harus berupa sinyal yang sesuai dengan sinyal prosesor yang diilustrasikan pada gambar. Keluaran ini dapat berupa gaya maupun laju aliran yang cukup untuk memindahkan suatu ukuran, tegangan ataupun arus yang dapat membelokkan jarum suatu alat, kemampuan suara untuk dikuatkan diatas gangguan suara lingkungan sehingga dapat diukur, atau konsentrasi ionic yang diperlukan untuk proses lebih jauh. Untuk signal processor yang banyak (misalnya, yang memiliki komponen digital), sinyal yang sesuai merupakan suatu biner, biasanya +5 atau 0 V. Hanya pada proses yang sesuai, sinyal dapat dihitung dan fungsi logis pada mikroprosesor dan rangkaian digital dapat dilakukan.

Jenis pemprosesan signal bergantung pada fungsi dari suatu instrument—mengukur, meninjau, mendagnosis, terapi, atau operasi. Fungsi ini dipilih oleh sebuah switch pada gambar.

Contoh umum untuk instrument yang mengukur yaitu thermometer. Transdusernya berupa gelaskaca dan skala; signal processor dan monitor merupakan pengamat yang merekam pengukuran. Contoh lain alat yang digunakan untuk mengukur yaitu sphygmomanometer, electroencephalograph, dan electrocardiograph. Instrument untuk meninjau (monitoring) mewakili tingkat kompleksitas yang lebih tinggi yang didalamnya termasuk memory, yang dapat mengambil bentuk perekam kertas, osiloskop penyimpanan, atau memory komputer, yang menggenggam informasi untuk penggunaan selanjutnya. Tingkat yang lebih tinggi lagi paa kecerdasannya biasanya disertakan mesin diagnose. Fungssi diagnostic dapat ditampilkan oleh sebua instrument sesederhana sebuah alarm yang memperingati adqanya

kelebihan laju jantung, atau sekompleks mainframe computer yang memproses suatu gejala dan menentukan program health care yang sesuai.

Agar instrument medis ddigunakan dalam kinerja therapy , maka instrument tersebut harus memiliki umpan balik sinyal atau gaya pada system biologis, sebagaimana yang ditunjukkan oleh posisi transformasi umpanbalik pada gambar 1.1. Terapi diterapkan oleh sebuah penopang, misalnya, membiarkan satu kaki sembuh ketika pasien tetap dapat berjalan. Terapi yang lebhi kompleks dapat diterapkan oleh instrumen bio-umpanbalik seperti alat terapi bicara yang mampu menurunkan elemen hubungan-informasi dari percakapan dan menerapkannya ke indra yang lain seperti penglihatan ataupun peraba. Instrument terapi lainnya dapat dioperasikan dengan bebas dari parameter biologis dalam system dimana terapi diterapkan. Sebuah contoh yaitu pemijat ultrasonic yang dioperasikan oleh terapis fisik. Hal ini berhubungan dekat dengan kategori instrument lain yang digunakan dalam operaso dan prosedur operasi, yang disebut dengan unit invasive, yang mempenetrasi kulit pasien. Hal ini termasuk dalam pisau electrosurgical, jarum hypodermic, dan laser.

Instrument medis diilustrasikan pada gambar 1.1. biasa digunakan dalam hubungan dengan pasien. Kategori lain yang diangkat pada instrument laboratorium digunakan untuk menyelidiki dan mengkaji fluida dan jaringan biologis. Penguluran pH merupakan dasar pada operasi dari beberapa instrument, sebagai teknik untuk menyelidiki partikel dalam fluida.

HISTORICAL CONSIDERATION (PERTIMBANGAN HISTORIS)

Tujuan dasar dari alat adalah untuk menambah kemampuan manusia dalam membantunya mengangkat beban yang lebih berat, bergerak lebih cepat dan lebih nyaman, untuk berkomunikasi pada jarak jauh, dan untuk menggunakan ke lima panca indera lebih efektif. Seiring dengan perkembangan teknologi, jumlah fungsi manusia bertambah dengan menigkatnya penggunaan alat. Akhir-akhir ini, pengenalan computer telah meluas bahkan kemampuan untuk berpikir, menghitung, menganalisa, dan menyimpan sejumlah informasi.

Dengan mempertimbangkan, misalnya, indera peraba. Dahulu kala bangsa Yunani menggunakan teknik “ laying on of hands” untuk menentukan besar organ, luka alami, dan pertumbuhan tubuh secara luas; teknik ini masih digunakan sampai hari ini. Instrument modern yang memperluas indera peraba termasuk alat untuk memijat, speperti simulator listrik, vibrator otomatis, dan peralatan terapi ultrasonic. Pada metode terapi bicara Tadoma, terapis menempatkan satu tangan pad wajah pembicara selama pelatihan percakapan ----dimana suara ditempatkan. Tactile vocoder elektronik dapat digunakan untuk memperluas kempauan terapis untuk menempatkan penempatan ini dengan memperkuat isyarat akustik dan mentransfernya ke yang lain, lebih tepatnya pada sisi tubuh yang berhubungan dengan kulit.

Satu spesifik dari sedikit informasi diperoleh dari indera peraba adalah ukuran relative suhu tubuh. Dalam fungsi ini, thermometer memperluas indera peraba , melayani untuk mengukur sebuah pengukuran yang hanya merupakan suatu perkiraan.

Penemuan thermometer

Pada tahun 1603, ilmuwan Italia menunjukkan bahwa tabung kaca tertutup yang dimasukkan kedalam sebuah bejana air dapat di susun sehingga tinggi air terisap kedalam tabung oleh sebuah vakum parsial yang bervariasi dengan suhu. Pada tahun 1625, Santorio Santonio, Dokter Fisika dari Slavia, membangun

alat yang sama, dan digunakannya untuk mengukur suhu pada tubuh manusia. Masalah dengan alat ini (gambar 1.2a) berupa tinggi air juga dipengaruhi oleh tekanan atmosfir. Masalah ini diselesaikan tiga abad kemudian ketika Ferdinan II, Bangsawan Tuscany, menutup air didalam suatu kapal tertutup untuk mengurangi efek tekanan atmosfir. Thermometer modern ditunjukkan pada gambar 1.2(b) diperkenalkan oleh pembuat instrument Belanda Gabriel D. Fahrenheit, pada abad 18 mengganti air dengan air raksa dan meningkatkan ketepatan instrument. Thermometer ini masih digunakan secara luas, meskipun akhir-akhir ini thermometer kristal cair telah diangkat untuk aplikasi khusus.

Stetoskop dan Penambah Pendengaran

Dimulai pada zaman Yunani, ahli fisikatelah menggunakan pendengaran mereka untuk mendiagnosa, seperti menempatkan telinga pada dada atau punggung untuk mendengarkan suara pernafasan dan jantung. Penambahan untuk indera pendengaran ini dicapai dengan menggunakan “hearing tube” (tabung pendengaran) atau disebut juga stetoskop.

Stetoskop merupakan perbaikan dari tabung pendengaran, diatribusikan untuk Rene T.H. Laennec, Fisikawan Prancis yang kemungkinan digunakan untuk menghindari sentuhan tubuh pasien dengan telinga sebagaimana untuk meningkatkan kemampuannya untuk mendengar suara jantung dan pernafasan. Alat ini, sebuah tabung cekung sederhana, dilaporkan pada tahun 1819 dalam acuannya , “On Mediate Auscultation.” Dia secara jelas mendesain alat ini untuk menigkatkan suara, karena alat ini mengandung runcingan (gambar 1.3) yang disediakan untuk meningkatkan alat penghubung pada dada ke telinga dengan prinsip penyesuaian impedansi.

Perbaikan lebih lanjut dicapai dengan stetoskop binaural (stetoskop untuk dua telinga) yang dibuat oleh American George P. Cammann pada tahun 1851. Stetoskop ini memiliki campuran dari flens (pinggiran roda) atau runcingan yang dapat digunakan pada daerah tubuh yang berbeda. Penambahan ini memperbaiki alat karena impedansi akustik bervariasi diantara pasien dan disetiap sisi tubuh. Sebuah binaural , stetoskop berbeda ditemukan oleh S. Scott Alison pada tahun 1860. Perbaikan ini meningkatkan jumlah variable (peubah) pada instrument yang harus dibenarkan oleh fisiakawan. Beberapa fleksibilitas cenderung memperkenalkan kerumitan, sehingga hal ini sedikit mengagumkan para fisikawan hari ini masih mengunakan alat sederhana Cammann. Stetoskop berumur 100 tahun ditampilkan pada gambar 1.4.

Penambahan Penglihatan

Sebagai sebuah alat untuk meningkatkan indera penglihatan, lilin digunakan dalam jangka waktu yang lama, dari zaman prasejarah sampai pada abad ke-19, ketika hal ini digantikan oleh lampu pijar. Selain itu, untuk menambah penglihatan, kaca pembesar digunakan untuk membaca. Lensa yang dikembangkan dari mereka secara sistematis dipelajari oleh ilmuwan Inggris Isaac Newton pada tahun 1666. Sebagai penerapan medis, lensa lebih sering digunakan pada kacamata dan contact lense.

Opthalmoscope yang ditemukan pada pertengahan abad ke-19 oleh ilmuwan Jerman Herman Von Helmholtz merupakan salah satu contoh instrument yang memungkinkan penguji untuk melihat kedalam rongga tubuh, seperti telinga, mata, dan hidung, secara non invasive—yaitu, tanpa memotong kulit. Opthalmoscope sangat penting karena hal ini merupakan satu dari contoh instrument yang memberikan citra organ internal, dan dalam penertian ini merupakan sebuah awal untuk X-ray.

Kaca translucent pada sketsa opthalmoscope Helmholtz (gambar 1.5) mengarahkan fraksi cahaya kedalam mata subjek, dari fraksi lain yang direfleksikan kedalam mata pengamat. Pengamat kemudian dapat melihat retina dari subjek. Tanpa kaca tanslucent, kepala pengamat akan mencetak bayangan diatas kornea subjek, sehingga membuatnya tampak hitam dan tidak tembus cahaya.

Pada pengembangan yang sama di tahun 1855, Manuel Garcia menggunakan cermin dibagian belakang tenggorokan untuk mengamati getaran pita suara.

Sebuah terobosan dalam penambahan penglihatan muncul pada tahun 1895 dengan penemuan x-ray oleh fisikawan Jerman Wilhelm Roentgen, yang bereksperimen dengan sinar katoda. Suatu hari di dalam ruangan gelap, Roentgen mengetahui bahwa kertas yang dipenuhi dengan barium platinocyanida mulai bersinar meskipun keluar dari range sinar katoda. Ekperimen berurutan menunjukkan bahwa material yang lebih tebal ditempatkan diatas kertas yang mencetak bayangan pada kertas. Berdasarkan pengamatan ini, tabung X-ray dikembangkan. Pada Desember 1895, pengamatan ini dilaporkan pada Physio-Medical Society of Wurzberg, dan alat ini menjadi alat diagnostic yang memiliki masih digunakan sampai hari ini. Salah satu dari mesin X-ray ditunjukkan pada gambar 1.6.

Instrumentasi Kimia dan Panca Indera

Indera perasa dan pencium digunakan dalam dunia kesehatan untuk mendiagnosa cairan tubuh. Fisikawan pertengahan melaporkan bahwa urin diabetes memiliki rasa yang manis. Pada tahun 1776 Mathew Dobson, fisikawan Inggris, memberitahukan bahwa sisa yang diperoleh dengan urin yyang menguap memiliki rasa dan aroma seperti gula. Pada tahun 1797, fisikawan Inggris John Rollo dan anatomis Scotlandia William Cruicshank melaporkan analisis residu mereka, berupa sebuah contoh pada aplikasi analisis kimia untuk praktek medis.

Analisa darah berkembang pesat pada tahun 1877 ketika bangsa Inggris William Gowers mengumumkan penemuannya pada “haemacytometer”, sebuah alat yang memiliki 110 mm2 garis pada bagian bawah dari sebuah lekukan pada glass slide. Menggunakan mikroskop, pengamat kemudian dapat menghitung cel darah merah yang berada didalam darah. Untuk meningkatkan ketepatan penghitungan, pada tahun 1899 Magnus Blix dan Sven Hedin dari Swedia mengembangkan sebuah centrifuge, yang dikenal sebagai hematocrit, untuk memisahkan sel darah merah dari darah dengan gaya sentrifugal.

Tekhnik yang memlibatkan analisa kimia menjadi meningkat dengan rumit, fisikawan melepaskan tugas pada ahli untuk mengembangkan laboratorium klinis. Pada tahun 1885, German Hugo von Zeimssen mendirikan laboratorium klinis yang pertama. Rumah sakit yang terkenal seperti rumah sakit umum Massachussets mendirikan sebuah laboratorium pada awal pergantian abad.

Perkembangan Abad Ke-20

Pencetus utama untuk perkembangan instrumentasi medis pada abad ke-20 adalah elektronika. Dimulai pada tahun 1903 dengan penemuan electrocardiograph (ECG) oleh fisiologis Belanda Willem Einthoven, perkembangan in berlanjut sampai pada hari ini dengan alat seperti magnetic resonance imaging (MRI) dan laser digunakan pada praktek medis. Alat Einthoven, diilustrasikan pada gambar 1.7., menggunakan kawat yang melilit antara kutub magnet. Gerakan dari kawat berdasarkan pada arus tubuh antara dua lengan, yang dihasilkan oleh jantung, diukur oleh rekaman cahaya terpantul pada cermin didukung oleh kawat. Sebagaimana penguat elektronik yang dikembangkan, maka ECG juga ikut berkembang. Jejak

perekaman ECG pada kertas perekam diperkenalkan pada tahun 1940. Empat bentuk modern dari ECG digambarkan pada gambar 1.8.

Terobosan dasar dibuat oleh M.Cremer pada tahun 1906 dengan mengenalkan elektroda pH untuk mengukur kandungan asam/basa pada cairan biologis. Alat ini mengukur hasil perubahan potensial membrane dari perubahan kandungan dan aktifitas ionic. Penemuan ini menuntun pada rentetan alat untuk mengukur gas darah, termasuk alat yang mengukur tekanan parsial oksigen dan karbondioksida.

Kemajuan pada bidang elektronika juga membuat kemungkinan pada penemuan Electroencephalograph (EEG) pada tahun 1924. Psikiater German Hans Berger menggunakan galvanometer untuk mengukur arus dari potongan metal yang yang dipasang pada kulit kepala dan ditemukan bahwa arus yang dihasilkan ini berasal dari aktifitas otak. Penyelidikan sistematis Berger diletakkan sebagai dasar untuk pembelajaran mengnai hubungan antara gelombang otak, tidur, dan epilepsy.

Pencetus celah transmitter untuk komunikasi radio menyediakan komponen untuk keperluan klinis electrosurgical unit (ESU) yang diperkenalkan pada tahun 1928 oleh W.T. Bovie dan ahli bedah Harvey Cushing. ESU menunjukkan bahwa bedah dapat dilakukan dengan mengurangi kehilangan darah, namun penggunaannya dibatasi oleh bahaya ledakan anestesis yang mudah terbakar (flammable anhestetics) pada penggunaan di waktu tersebut. Energy radio frekuensi menguapkan sel-sel ketika diterapkan dengan elektroda metal, dan berakhir dengan membakar vessel darah untuk mengurangi pendarahan. Penggunaan ESU yang meluas didorong oleh pengenalan anestesi non-flammable pada tahun 1950.

Perkembangan mekanisme otomatis pada awal abad ke-20 menuntun pada instrumen mekanis dan pneumatic yang baru. Bantuan mekanis untuk pernafasan muncul pada tahun 1928 dengan memperkenalkan iron lung untuk pasien dengan kelumpuhan pernafasan. Pasien yang ditutup dalam alat ini dari leher ke bawah. Dan tekanan negative diterapkan oleh iron lung untuk menarik udara kedalam paru-paru. Tekanan positif respirator digunakan untuk membantu pernafasan dengan menekankan udara ke dalam paru-paru menjadi praktik klinis pada pertengahan tahun 1940. Respirator tekanan positif modern ditunjukkan pada gambar 1.9.

Aplikasi klinis untuk radiasi nuklir diperkenalkan pada tahun 1936 oleh fisikawan Amerika John Lawrence, yang secara buatan menghasilkan radionuklida dalam cyclotron dan menggunakannya pada pengobatan leukemia, dengan demikian muncullah bidang pengobatan nuklir. Kamera gamma untuk perekaman citra pengobatan nuklir digambarkan pada gambar 1.10. penggerak badan (exerciser) digunakan untuk mempengaruhi reaksi stress pada pasien.

Aplikasi klinis untuk defibrilasi jantung listrik dimulai pada tahun 1956, ketika P.M. Zol memimpin sebuah kelompok peneliti yang sukses dalam membalikkan fibrilasi jantung, bentuk dari serangan jantung, dengan menerapkan arus a.c. melalui dinding dada. Keandalan defibrillator meningkat secara signifikan ketika B.Lown memperkenalkan defibrillator d.c. pada tahun 1962. Alat ini diterapkan pada arus d.c. dari kapasitor tidak bermuatan melalui dinding dada menuju jantung untuk menghentikan fibrilasi jantung. Jenis defibrillator ini digambarkan pada gambar 1.11.

Pacemaker merupakan “spare part” jantung pertama, yang mendahului katup artificial dan akhirnya jantung artificial, diimplantasikan pertama pada Barney Clark oleh W.C.deVries dan R. Jarvik pada tahun 1984.

Jenis prosthesis lainnya, tabung artificial untuk mengganti bagian arteri,,diperkenalkan pada tahun 1954, dan berkembang pada artificial ginjal. Meskipun hemodialisis. Suatu proses untuk mengganti ketidakmurnian darah, pertama kali ditemukan pada 1944, secara klinis penggunaan alat tidak dikembangkan sampai pada tahun 1960, ketika B.H. Scribner memimpin suatu kelompok yang mengembangkan teknik untuk melanjutkan hemodialisis. Alat yang digunakan dalam teknik ini disebut artificial ginjal karena alat ini mengganti adanya kegagalan ginjal.

Pada tahun 1970, teknik untuk mengukur tekanan, suhu, dan aliran laju darah pada jantung dan paru-paru secara signifikan berkembang dengan pengenalan balloon-tripped catheter oleh Harold J. Swan dan William Ganz. Kateter ini diulur melalui pembuluh darah halus (nadi) menuju jantung; balon pada ujungnya kemudian dipompam, dan aliran darah membawa kateter ke dalam paru-paru. Kemajuan dalam bidan material kemudian membawa pada penemuan balon pompa intra-aortis oleh W.J. Kolft dan J.Lawson pada tahun 1975. Alat ini meningkatkan tekanan darah dan membantu aliran darah. Balon diimplantasikan ke dalam aorta dan dipompa dalam satu langkah dengan tindakan memompa-jantung untuk membantu aliran darah pasien yanglemah jantung. Kateter dengan balon yang dapat dipompa digunakan untuk membuka aliran darah yang terhalangidan dipomba untuk membuka lintasannya sehingga aliran ini tetap terbuka meski balon telah ditarik.

Prinsip ultrasonik dikembangkan selama Perang Dunia II untuk penggunaan sonar pada navigasi bawah laut, telah ditemukan aplikasi medis untuk hal ini. Untuk mengukur aliran darah, misalnya, transduser ultrasound memancarkan gelombang suara yang dipantulkan oleh pergerakan sel dan partikel darah. Jika darah mendekati transduser, maka suaranya akan meningkat pada bagian puncak dan berbunyu seperti deringan. Perbedaan frekuensi selama durasi deringan menandakan kecepatan atau laju aliran darah.

Sonar Perang Dunia II juga menyediakan komponen citra ultrasonik kemudian diujikan pada aplikasi klinis di tahun 1957 oleh O.H. Houry dan W.R. Bliss. Instrumen ini mengukur pantulan jenis sonar dari organ internal untuk membangun struktur citra termasuk katup jantung dan garis tengah otak. Scanner ultrasound modern ditunjukkan pada gambar 1.14. Ultrasound memiliki keuntungan dibandingkan X-ray karena alat ini tidak menghasilkan dampak negative yang ada pada X-ray yaitu efek karsinogen radiasi ionisasi. Namun, citra ultrasound tidak sebaik x-ray pada beberapa kasus, sehingga x-ray masih tetap digunakan.

Kemungkinanannya, kemajuan yang paling penting dalam pencitraan struktur internal tubuh sejak penemuan x-ray adalah Computed Tomography (CT) scanner. CT scanner ditemukan pada tahun 1970 oleh Allan Cormack dan Geoffrey Hounsfield, yang menemukan bahwa dengan menghitung sejumlah penyerapan x-ray pada persimpangan kolom dan baris pada daerah matrix dalam jaringan, mereka dapat menentukan dimensi dari daerah tersebut. Melalui teknik ini, mereka mampu menghasilkan citra dari tiap potonan yang melalui tubuh. Perkembangan dari minicomputer pada tahun 1970 membuatnya semakin mungkin untuk membangun mesin pencitraan yang secara otomatis menampilkan penaksiran yang dibutuhkan.

Perkembangan pada mikroprosesor dan minikomputer telah meningkatkan banyak instrumen medis. Pada kasus CT scanner, computer merupakan komponen pokok, karena penaksiran yang menhasilkan citra akan membutuhkan waktu yang lama jika dikerjakan secara manual.

Peningkatan yang lebih lanjut pada pencitraan organ internal , khususnya jaringan lunak, dicapai dengan memperkenalkan magnetic resonance imager (MRI) pada tahun 1982. Alat ini mengukur frekuensi dan durasi resonansi magnetik nuklir pada proton. Untuk memperoleh citra, pasien ditempatkan pada bidang bermagnet kuat dan diradiasi dengan pulsa berenergi radiofrekuensi (RF). Frekuensi dan durasi dari deringan proton setelah bidang RF dinonaktifkan menyediakan data dari citra yang dihitung. MRI ditunjukkan pada gambar 1.15.

Keuntungan dari MRI dibandingkan X-ray yaitu MRI memberikan citra yang lebih baik untuk beberapa jaringan lunak dan tidak memancarkan radiasi ionisasi. Namun kelemahannya yaitu alat ini tidak merespon untuk tulang dan tidak dapat digunakan untuk diagnosa luka tulang. MRI van-mounted ditunjukkan pada gambar 1.16.

PERANAN TEORI RANGKAIAN ELEKTRONIKA

Sejarah singkat instrumentasi medis yang telah dihadirkan pada sub bab sebelumnya dimaksudkan untuk membantu Anda mengembangkan perspektif, atau ikhtisar mengenai instrumentasi medis dan meningkatkan pemahaman dasar Anda mengenai instrumen medis tersebut. Untuk membahas instrumen ini lebih lengkap, maka perlu untuk menganalisa instrumen tersebut. Pengetahuanumum yang diperlukan oleh seorang ahli mesin atau jasa professional adalah kemampuan untuk menganalisa, menggambarkan sesuatu, menentukan bagaimana sebagian dari alat dapat bekerja. Kemampuan ini merupakan bagian dasar untuk ahli mesinm dalam mendesain dan memperbaiki suatu peralatan.

Kemungkinan ungkapan menyeluruh pada prosedur analisis ahli mesin yaitu teori rangkain elektronik. Teori ini tentu saja menerapkan mengenai rangkaian elektronik, namun hal ini juga diterapkan pada system fluida, system pneumatic, dan mesin mekanik, serta segala sesuatu yang mewakili peralatan medis. Analogi tegas dapat dibuat untuk mengijinkan Anda menerapkan apa yang Anda pelajari pada teori rangkaian dari jenis system ini. Untuk mempelajari analisa ahli mesin,akan sangat membantu untuk mempelajari rangkaian listrik dan elektronik. System yang menggunakan komponen ini biasanya sangat kompleks dan memiliki sejumlah besar komponen. Jika Anda terampil pada analisa rangkaian listrik dan elektronika, berhadapan dengan pneumatic, mekanika, dan fluida—dari beberapa instrumen yang diciptakan—akan lebih mudah.

Variable (peubah) pada system elektronik berupa tegangan dan arus. Potensial fisiologis timbul dari jantung, seperti electrocardiogram (ECG), berkala dan dapat diwakili oleh sinyal sinusoidal. Bentuk matematis umum dari tegangan sinusoidal yaitu:

v1=V 1cos (ωt+θ)

Tegangan ini didefinisikan oleh frekuensi ω (dalam radian per detik), dengan fase θ (dalam rad), dan puncak tertinggi V1. Dalam instrumentasi demikian, sinyal dioperasikan oleh elemen seperti resistor, R (dalam ohm, Ω), kapasitor, C (dalam Faraday, F), dan inductor (dalam henry, H). Aplikasi dari elemen ini menaikkan kerumitan hubungan arus dan tegangan, beberapa dari hal ini digambarkan oleh persamaan yang berbeda yang digunakan tidak secara luas dan sulit untuk dipecahkan. Untungnya, meskipun metode matematis telah dikembangkan untuk mengubah bentuk persamaan differensial menjadi persamaan aljabar yang memiliki bilangan kompleks. Proses untuk solusi dari beberapa persamaan disebut sebaai teori a.c.., dan teori ini menggunakan fasor.

Rangkaian elektronika seca terstruktur disusun oleh resistor R, inductor L, dan kapasitor C. hubungan antara elemen ini disebut node. Variable tegangan dan arus dibuat berdasarkan sumber yang ideal. Sumber tegangan yang ideal ditunjukkan pada gambar 1.17, menjaga tegangan vs, melintasi node, tanpa memperhatikan arus yang melewatinya sehingga menyebabkan impedansi internal sama dengan nol.

Sumber arus ideal menjaga arus Is tanpa memperhatikan adanya tegangan yang melaluinya sehingga impedansi internal mencapai nilai tak terbatas.

Rangkaian a.c.

Teori rangkaian arus didasarkan pada ekspresi fasor untuk tingkat arus dan tegangan yang tetap. Sebuah fasor mewakili bilangan kompleks dari banyaknya rangkaian, memiliki bagian real [Re], dan bagian imaginer [Im]. Fasor dimanipulasi secara matematis oleh bilangan kompleks aljabar.

Sekumpulan fasor memiliki hubungan yang menggambarkan R, L, dan C untuk tingkat tetap sinusoidal sebagai berikut:

V R=(R)I R

V L=( jωL)I L

V C=( 1jωC )I C

Dimana j merupakan bilangan imaginer √−1 digunakan dalam aljabar bilangan kompleks, dan ω

merupakan frekuensi radian. Hubungan ini merupakan dasar dari teori rangkaian a.c. kuantitas yang berada didalam tanda kurung disebut resistansi (R), reaktans induktif (jωL) dan reaktan kapasitif (1/jωC). Simbol R, L, dan C memiliki arti yang sama pada indikasi sebelumnya.. persamaan (1.1) sampai (1.3) merupakan ekspresi dari hukum Ohm pada daerah fasor.

Setiap persamaan ini memiliki bentuk sebagai berikut, umumnya dkenal dengan ukum Ohm:

V=ZI

Dimana V merupakan tegangan fasor, I merupakan arus fasor, dan Z merupakan impedansi. Kuantitas fasor, V,I, dan Z ini merupakan bilangan kompleks yang memilikki bagian real dan imajiner. Impedansi pada sebuah resistor yang sejajar dengan kapasitor, misalnya, diberikan oleh:

Z=R+ 1jωC

Diekspresikan dalam bentuk persegipanjang. Persamaan dalam bentuk polar memiliki tanda:

Z=|Z|<θ

Dimana |Z| merupakan jarak impedansi dan θ merupakan sudut fase. Konversi antara bentuk persegi panjang dan bentuk polar sangat mudah dilakukan dengan bantuan kalkulator ilmiah. (diasumsikan bahwa kebanyakan mahasiswa memiliki kalkulator jenis ini dan tidak akan melakukan konversi secara manual).

Daftar luas dari program key-stroke secara spesifik dituliskan untuk analisa rangkaian dalam teks ini diberikan pada Apendiks A dan dapat diunakan dengan kalkulator umum yang tersedia.

Impedansi dari resistor, kapasitor, dan inductor yang dihubungkan secara seri yaitu:

Z=R+ jωL+ 1jωC

Z=R+ j(ωL− 1ωC )

Karena kalkulator ilmiah modern yang dapar deprogram menerima dan memanipulasi bilangan kompleks secara langsung, usaha yang diperlukan dalam penghitungan impedansi sangat minim. Penggunaan kalkulator dengan kemampuan ini didorong dengan kuat sebagai sebuah bantuan untuk melakukan penghitungan pada rangkaian instrumen medis. Misalnya merencanakan impedansi kompleks melawan frekuensi seringkali tidak mungkin tanpa menggunakan kalkulator programmable.

Salah satu dari sering digunakan dan merupakan teknik yang paling efektif untuk memperbaiki kerusakan instrumen melibatkan pengukuran tegangan pada uji titik. Membandingkan tegangan terukur dengan tegangan yang diprediksi dapat menyatakan ketidakcocokan yang dapat digunakan sebagai tanda untuk menempatkan bagian atau komponen yang rusak.

Tips perbaikan

Sinyal tiruan dapat dilakukan dengan mengukur tegangan pada node dan membandingkannya dengan tegangan yang telah dihitung untuk hal ini. Perbedaan membantu menentukan dimana letak

permasalahannya.

Untuk memprediksi tengangan pada suatu titik dalam rangkaian berdasarkan tegangan yang diketahui dititik lain, lebih sering membutuhkan penggunaan analisa rangkaian. Analisa rangkaian pada daerah fasor merupakan proses dengan menemukan satu rangkaian variable, seperti pada Tabel 1.1., pada kondisi nilai maupun variable komponen jaringan. Pada suatu jaringan tetap, variable R,L, dan C lebih sering konstan, dimana frekuensi radian ω=2πf , dimana frekuensi f yang diukur dalam Hertz merupakan suatu variable. Arus yang melalui percabangan rangkaian , maupun tegangan yang melalui percabangan, lebih sering dihitung sebagai fungsi dari frekuensi.

Pada gambar 1.18., setiap cabang mengilustrasikan baik sumber fasor maupun impedansi. Nilai positifm, arus konvensional melintas kearah panah arus, dan terminal tegangan positif ditunjukkan oleh tanda positif (+). Reaktansi kapasitif dan reaktansi induktif diwakili oleh bilangan imajiner.

Tabel 1.1.

Komponen dan variable daerah fasor

Variable (satuan) komponen SatuanV (Volt) R, Resistansi (ohm)I (amp) jωL, reaktansi induktif (var)

(var)

1jωC

, reaktansi kapasitif

Tegangan fasor yang melawati elemen percabangan dan arus fasor yang memasuki (atau meninggalkan) node dikuasai oleh hukum Kirchoff.

Hukum arus Kirchoff (Kirchoff current law,KCL) : jumlah bilangan kompleks dari arus fasor yang memaski node sama dengan nol. Pernyataan yang sama dari hukum ini yaitu: jumlah bilangan kompleks dari arus node yang meninggalkan node sama dengan nol. Pada gambar 1.19(a), setiap arus digambarkan meninggalkan node. KCL kemudian menyiratkan bahwa:

I 1+ I 2+ I 3+ I 4+ I 5=0

Hukum tegangan Kirchoff (Kirchoff Voltage Law, KVL): jumlah bilangan kompleks pada tegangan fasor yang turu maupun naik, disekitar loop tertutup dari percabangan yang dilintasi dengan arah yang sama adalah nol. Pada gambar 1.19 (b), menerapkan KVL sebagai arus yang melintas searah dengan jarung jam melalui loop tertutup menyiratkan bahwa;

V 1+V 2+V 3+V 4+V 5−V S=0

Tanda plus (+) sebelum V1 sampai V5 mengindikasikan bahwa mereka termasuk dalam penurunan tegangan. Tanda minus (-) pada VS mengindikasikan bahwa penignkatan tegangan terjadi sebagai lintasan arus melalui percabangan dengan searah jarum jam.

Contoh 1.1.

Terapkan hukum arus Kirchoff pada gambar 1.20 dan dapatkan persamaan untuk penurunan tegangan node V3 dari node 3 untuk ground acuan pada batas kuantitas yang diberikan V1, V2, I1, I2, dan I3.

Jawab:

Arus I1, I2, dan I3 digambarkan meninggalkan node 3.

I 1+ I 2+ I 3=0

Hukum Ohm diterapkan pada cabang yang memiliki Z1, sehingga:

I 1=V 3−V 1

Z1

Demikian juga:

I 2=V 3−V 2

Z2

Dan

I 3=V 3−0

Z3

Letakkan tiga persamaan tersebut pada persamaan pertama:

V 3−V 1

Z1

+V 3−V 2

Z2

+V 3−0

Z3

=0

Persamaan ini dapat diselesaikan untuk V3, menghasilkan:

V 3=Z1 Z2 Z3

Z1 Z2+Z2 Z3+Z1 Z3(V 1

Z1

+V 2

Z2)

Setiap kuantitas pada persamaan ini adalah bilangan kompleks, yang pada bentuk polar memiliki jarak dan fase.

Contoh 1.2.

Terapkan hukum Ohm dan KCL untuk gambar 1.21. dan dapatkan persamaan untuk tegangan node V1 dan V2.

Jawab:

KCL diterapkan pada node 1 dengan menggambarkan tiga arus yang meninggalkannya. Pada beberapa kasus, hukum Ohm digunakan untuk menulis arus pada batasan tegangan node sebagai:

V 1−V ¿

Z1

+V 1−V 2

Z3

+V 1

V 2

=0

Persamaan kedua diperolej dengan menurunkan tiga arus berbeda yang meninggalkan node 2 dan menerapkan hukum Ohm untuk setiap cabang. Kemudian KCL diberikan:

V 2−V 1

Z3

+V 2

Z4

+V 2−V OUT

Z5

=0

Jika VIN, VOUT, dan semua impedansi rangkaian merupakan kuantitas yang diketahui, dua persamaan sebelumnya dapat dipecahkan sekaligus untuk menemukan taganan node V1 dan V2. Hal ini kemudian merupakan informasi yang cukup untuk menghitung semua cabang arus dengan menggunsksn hukum Ohm.

Divisi Tegangan

Hukum Ohm dan hukum arus dan tegangan Kirchoff dapat menghitung tegangan dan arus pada beberapa rangkaian R,L,dan C. meskipun lebih sering tepat jika menggunakan prinsip divisi sebagaimana yang diturunkan pada gambar 1.22. penerapan KVL kemudian sbb:

V ¿=IZ1+ IZ2

Kemudian, hukum Ohm diterapkan pada Z2, sehingga:

I=V OUT

Z2

Arus ini disubstitusikan ke dalam persamaan pertama,

V ¿=V OUT ( Z1

Z2

+Z2

Z2)

Penyelasaian untuk VOUT diberikan:

V OUT=Z2

Z1+Z2

V ¿

Persamaan 1.6. merupakan ekspresi dari prinsip divisi tegangan untuk impedansi yang terhubung pada rangkaian seri. Cara mudah untuk mengingan penggunaan rumus ini secara luas untuk divisi tegangan adalah dengan menganggap bahwa tegangan keluaran sebanding dengan jumlah impedansi pada rangkaian seri.

Divisi Arus

Prinsip divisi arus diturunkan dri gambar 1.23.

I ¿=VZ2

+ VZ1

Dan

V=I OUT Z1

Menghilangkan tegangan V antara dua persamaan ini, sehingga:

I ¿=I OUT ( Z1

Z2

+Z1

Z1)

Menyusun kembali persamaan ini untuk divisi arus antara dua impedansi parallel:

I OUT=( Z2

Z1+Z2) I ¿

Cara mudah untuk mengingat persamaan yang digunakan secara luas ini adalah dengan menganggap baha arus sebanding dengan kebalikan dari jumlah impedansi parallel.

Analisa Funsi Tambahan

Fungsi tambahan untuk tegangan atau arus didefinisikan dari gambar 1.24. Tambahan tegangan (voltage gain) AV sama dengan perbandingan tegangan keluaran VOUT dengan tegangan masukan VIN yang dihitung sebagai fungsi dari R,L,S dan frekuensi f.

AV =V OUT

V ¿

Demikian juga tambahan arus A1 digambarkan sebagai perbandingan antara arus keluaran dan arus masukan sbb:

A1=I OUT

I ¿

Penghitungan fungsi tambahan, AV maupun A1, diselesaikan dengan aplikasi hukum Kirchoff dan Hukum Ohm pada jaringan rangkaian.

Contoh 1.3:

Hitung fungsi tambahan tegangan AV untuk rangkaian pada gambar 1.24 sebagai fungsi dari frekuensi f. perhatikan nilai R, L, dan C pada nilai yang diberikan.

Jawaban:

Terapkan prinsip divisi tegangan pada gambar 1.24

V OUT=R

R+1

jωC

V ¿

Karena itu:

AV =V OUT

V ¿= R

R+ 1jωC

Atau:

AV = 1

1− j1

2 πfRC

Sehingga jelas bahwa AV merupakan fungsi f, R,dan C.

Contoh 1.4.

Ambil nilai C= 1μF dan R =100kΩ dan gambarkan AV melawan frekuensi.

Jawab:

Letakkan nilai ini pada persamaan 1.8

AV = 1

1− j1

2 πf (10−6 ) (105 )

¿ 1

1− j1.59

f

Meletakkan bentuk polar ini, sehingga diperoleh:

AV = 1

√1+[ 1.59f ]

2<θ

Dimana θ=tan-1(1.59/f). Dengan demikian, jarak |AV| dan sudut θ dapatdihitung dari bentuk plot/garis pada gambar 1.25.

Rangkaian Ekuivalen BJT

Sebagai tambahan untuk elemen R,L, dan C, rangkaian elektronika memiliki beberpa alat semikonduktor junction, termasuk diode semikonduktor, bipolar junction transistor (BJT), dan rangkaian yang digabungkan. Untuk menggunakan analisa rangkaian elektronik, BJT dapat dimisalkan sebagai rangkaian ekuivalen, mmengandung elemen R, L, dan C dan sumber arus maupun tegangan yang ideal.

Bipolar junction transistor memiliki tiga lapisan material semikonduktor dengan ketidakmurnian yang membuatnya terbagi menjadi jenis-p dan jenis-n. simbol rangkaian untuk BJT (gambar 1.26) mewakili dua jenis: transistor PNP dan NPN. Pada gambar 1.26(a) , IB merupakan arus dasar yang memasuki node dasar B, IC merupakan arus pengumpul yang memasuki node pengumpul C, IE merupakan arus pemancar yang meninggalkan node pemancar E pada transistor NPN.

Karaktristik dari transistor digambarkan oleh tegangan pengumpul ke pemancar, VCE melawan IC. kurva yang menggambarkan tegangan ini digambarkan pada gambar 1.27. setiap bagian dari kurva diukur pada nilai arus dasar yang berbeda IB, ditandai dengan IB0, IB1, IB2 dan seterusnya. Pada analisa d.c. elemen transistor, parameter penting yang biasanya dispesifikkan oleh pabrikan adalah tambahan arus d.c., βdc, digambarkan sebagai berikut:

βdc=I C

I B

Menerapkan hukum arus Kirchoff untuk mendefinisikan gambar 1.26(a)

I E=IC+ I B

Dengan menggabungkan kedua persamaan tersebut, maka diperoleh;

I E=(1+βdc) I C

Dikarenakan transistor dibuat sebagai alat penambah arus, maka diperkirakan βdc >> 1 lebih sering dipertahankan.

Berdasarkan pada prinsip superposisi dalam teori rangkaian elektronik, analisa rangkaian berdasarkan pada pemberian d.c. dapat dilakukan secara terpisah dari hasil analisa tegangan sinyal a.c. Analisa a.c. terbentuk menggunakan sinyal kecil rangkaian ekuivalen a.c. yang diberikan pada gambar 1.28. Pada gambar 1.28 pparameter rangkaian ekuivalen didefinisikan sbb:

βac= iC/iB merupakan tambahan arus a.c.

re merupakan resistansi pemancar pada arus a.c.

rb merupakan resistansi dasar (base) pada arus a.c.

rc merupakan resistansi pengumpul pada arus a.c.

huruf “r” digunakan untuk menunjukkan elemen rangkaian ekuivalen a.c. huruf “R” menunjukkan nilai resistor pada teks ini.