Download action potential

Bio Signal
Biosignal
1
Bio signal :
• SIGNAL adalah pembawa informasi.
• INFORMASI : menjelaskan mekanisme fisik/tubuh tertentu saat
terjadinya aktifitas sistem.
• Signal ini dapat diukur dan dianalisa untuk mengetahui
informasi mengenai struktur dan fungsi dari sistem biologi.
– Mis : denyut jantung, kontraksi otot, aktifitas otak dll.
• Medical diagnostics dari electrocardiogram (ECG) oleh
Einthoven (1905) dan electroencephalogram (EEG) oleh Berger
(1929).
Biosignal
2
Klasifikasi BIOSIGNAL berdasarkan
bentuk fisik
• Mekanik : tekanan darah, aliran darah, nystagmus
(gerakan mata involuntary), contractability (kemampuan
kontraksi), bunyi/suara, tidal air volume (volume udara yg
dihirup dan dikeluarkan pada siklus pernafasan)
• Termal (temperatur, distribusi temperatur)
• Listrik (perubahan tegangan, dapat dilihat pada EEG, ECG
dan EMG, kulit)
• konduktansi (distribusi tegangan, depolarisasi sel syaraf)
• Magnetik (magnetoencephalogram, magnetocardiogram)
• Optik (micrographs, X-ray images)
• Atom (konsentrasi radioaktif isotop, scintigrams, distribusi
aktifitas)
Biosignal
3
Klasifikasi berdasarkan dimensi
z 1 dimensi (time curve [misal : ECG])
z 2 dimensi (images [misal : distribusi temperatur pada
permukaan kulit])
z 3 dimensi (konsentrasi atau volume [misal : kadar O2 dalam
darah])
Klasifikasi berdasarkan perubahan sinyal
z Analog: kontinyu
z Digital: diskrit
Biosignal
4
Klasifikasi berdasarkan statistik
‹ Deterministic
¾ Periodical: (pengulangan sinyal pada periode waktu yang
konstan)
¾ Harmonic: bentuk sinyal yang sinusoidal (ideal, tidak
muncul pada biosignal)
¾ Non-harmonic: bentuk karakteristik yang berulang
dengan interva tertentu (tekanan darah, ECG)
¾ Non-periodical: evoked potential, wash-out-curves of
radio-isotopes
‹ Stochastic (accidental)
¾ Stationary (pengujian statis EEG pada periode waktu yg
pendek);
¾ Non-stationary (pengujian dinamis EEG, depolarisasi sel
syaraf).
Biosignal
5
Analisa bio signal :
• Metode dasar analisa signal : penguatan,
filtering, digitalisasi, processing dan
penyimpanan dapat diterapkan pada analisa bio
signal.
• Atau dengan menggunakan metode
pengembangan utk analisa bio signal.
– Signal averaging, wavelet analysis, AI
Biosignal
6
Sinyal Bioelectric :
• Sel syaraf dan otot menghasilkan sinyal
bioelectric
– sbg akibat adanya perubahan elektro-kimia didalam
dan antar sel.
stimulus
sel
syaraf
Perubahan
permeabilitas
membran
Biosignal
Action
Potential
7
Tubuh manusia terdiri dari trilyunan sel. Sel-sel sistem syaraf yg dikenal sebagai
nerve cells atau neurons, bertugas khusus sebagai pembawa "messages" lewat proses
electrochemical.
Otak manusia mempunyai 100 billion neurons.
Neurons ada dalam berbagai bentuk dan ukuran.
Ukuran terkecil sekitar 4 micron. Sedangkan sel tubuh yang terbesar mencapai 100
micron. ( 1 micron = l/1000 millimeter!!).
Biosignal
8
Persamaan Neuron dengan sel lain dalam tubuh :
•Neuron dikelilingi oleh membran sel.
•Neuron mempunyai nucleus yang berisi gen.
•Neuron terdiri dari cytoplasm, mitochondria dan "organelles“ lain.
•Neuron melakukan proses sel dasar seperti sistesis protein dan
produksi energi.
Perbedaan neuron dengan sel lain dalam tubuh :
•Neuron mempunyai percabangan khusus yg disebut dendrites dan
axons. Dendrites (input) membawa informasi kedalam sel dan axons
(output) membawa informasi keluar sel.
•Neuron saling berkomunikasi lewat proses elektrokimia.
•Neuron terdiri dari struktur yang khusus (mis : synapses) dan
kimiawi (mis : neurotransmitters).
Biosignal
9
Klasifikasi neuron berdasarkan jumlah ekstensi
Bipolar neurons mempunyai dua ekstensi
dari sel bodi (contoh : sel retina, sel olfactory
epithelium).
Pseudounipolar cells (contoh: sel dorsal root
ganglion). Mempunyai 2 axon. Satu axon
menuju ke spinal cord, axon yang lain
menuju ke kulit atau otot.
Multipolar neurons mempunyai banyak
ekstensi dari sel tubuh. Tetapi setiap neuron
hanya mempunyai satu axon (contoh: spinal
motor neurons, pyramidal neurons, Purkinje
cells).
Biosignal
10
Neuron juga diklasifikasikan berdasarkan
arah pengiriman informasi.
9 Sensory (afferent) neurons: mengirim informasi dari
sensor penerima (kulit, mata, hidung, lidah, telinga)
MENUJU central nervous system.
9 Motor (efferent) neurons: mengirim informasi KELUAR
dari central nervous system ke otot atau glands.
9 Interneurons: mengirim informasi antara sensory
neurons dan motor neurons. Kebanyakan interneurons
terletak pada central nervous system.
Biosignal
11
Biosignal
12
Kerja neuron dapat dilihat pada eksperimen
pada axon raksasa dari cumi-cumi. Axon ini
mulai dari kepala sampai ekor cumi-cumi,
dan digunakan untuk menggerakkan ekor
cumi-cumi. Besar axon ini berdiameter
sekitar 1 mm.
•Neuron mengirim informasi secara elektrokimia. Proses kimia
menyebabkan timbulnya sinyal listrik.
•Unsur kimia dalam tubuh dimuati oleh muatan listrik, yang disebut "ions."
•Ion yang penting dalam sistem syaraf adalah sodium dan potassium
(keduanya bermuatan positif 1, +), calcium (muatan positif 2, ++) dan
chloride (bermuatan negatif, -). Juga terdapat beberapa molekul protein
yang bermuatan negatif.
•Sel syaraf dikelilingi oleh membran yang melewatkan beberapa ion dan
menolak ion-ion yang lain. Tipe membran seperti ini disebut semipermeable.
Biosignal
13
Resting Membrane Potential
•Kondisi “rest” adalah saat neuron tidak mengirim sinyal.
•Saat neuron dalam kondisi “rest”, didalam neuron relatif lebih negatif dibanding
diluar.
•Pada kondisi “rest” ini, ion-ion potassium (K+) dapat melewati membran dengan
mudah. Ion-ion chloride (Cl-) dan sodium (Na+) lebih sulit dan membutuhkan
waktu lebih lama untuk melewati membran. Molekul-molekul protein yang
bermuatan negatif (A-) yang berada didalam neuron, tidak dapat melewati
membran.
•Terdapat semacam pompa yg menggunakan energi untuk mengeluarkan tiga ion
sodium dari dalam neuron untuk setiap dua ion potassium yang masuk.
•Akhirnya, saat semua setimbang, perbedaan tegangan didalam dan diluar neuron
disebut resting potential.
•Resting membrane potential dari neuron sekitar -70 mV (mV=millivolt), berarti
tegangan didalam neuron lebih kecil 70 mV dibanding diluar neuron.
•Pada kondisi “rest”, relatif lebih banyak ion-ion sodium diluar neuron, dan lebih
banyak ion-ion potassium didalam neuron.
Biosignal
14
• Magnitude dari equilibrium membrane resting potential diberikan pada suhu
tubuh, oleh persamaan Nernst
Vm = (RT/nF)ln[K+]e/[K+]i
Vm = 0.0615 log10[K+]e/[K+]I
• Pada 37 °C (body temperature), dimana
•Vm = transmembrane potential dalam millivolts,
•R = konstanta gas universal,
•T = temperatur absolut dalam K,
•n = ion valensi,
•F = konstanta Faraday,
•[K+]e = konsentrasi extracellular potassium, dan
•[K+]i = konsentrasi intracellular potassium.
• Typically, [K+]e = 4 mmol/L, [K+]i = 155 mmol/L, dimana menghasilkan Vm =
–97.7 mV.
• Ion-ion lain seperti Na+ dan Cl– mempunyai efek yang lebih kecil pada resting
potential karena permeabilitasnya lebih kecil, sehingga kondisi aktual Vm = –
85.3 mV (Clark, 1998). Tipikalnya, resting potential untuk neuron adalah –70
mV (Campbell et al., 1999).
Biosignal
15
Action Potential
•Action potential muncul saat neuron mengirim informasi ke axon, menjauh dari sel bodi.
Neuroscientists menggunakan istilah "spike" atau "impulse" untuk action potential ini.
•Action potential adalah ledakan/kejutan aktifitas listrik yang ditimbulkan oleh
depolarizing current. Hal ini berarti adanya suatu “event” (stimulus) mengakibatkan
resting potential bergerak menuju 0 mV.
•Saat depolarisasi mencapai -55 mV, neuron akan menembakkan action potential. Ini
adalah threshold. Jika neuron tidak bisa mencapai level threshold, tidak akan terjadi
action potential.
Biosignal
16
•Action potential disebabkan oleh adanya pertukaran ion-ion yang melewati membran
neuron.
•Stimulus, yang pertama menyebabkan membukanya sodium channel.
•Karena banyaknya ion sodium diluar, dan didalam neuron relatif lebih negatif dari diluar,
maka ion-ion sodium mengalir deras menuju kedalam neuron.
•Sodium mempunyai muatan positif, sehingga neuron menjadi lebih positif dan menjadi
ter-depolarisasi.
•Butuh lebih lama untuk membukanya potassium channel. Saat terbuka, potassium
mengalir deras keluar sel, membalik depolarisasi. Pada saat itu juga, sodium channel
mulai menutup.
•Hal ini menyebabkan action potential kembali menuju -70 mV (repolarization). Action
potential ini sebenarnya menuju dan melewati -70 mV (hyperpolarization) karena
potassium channel tetap terbuka lebih lama. Secara bertahap, konsentrasi ion kembali ke
Biosignal
17
level “rest” dan sel kembali ke -70 mV.
Na+
Na+
+ + + +
+ +
− − − −
− −
Outside cell
+ + +
Plasma membrane
− − −
Inside cell
+ + + +
+ +
+ + +
− − − −
− −
− − −
K+
1
K+
3
Resting phase
Na+
Repolarizing phase
Na+
− − − −
− −
− − −
+ + + +
+ +
+ + +
+ + + +
+ +
+ + +
− − − −
− −
− − −
K+
4
Depolarizing phase
2
+50
(mV)
Membrane potential
2
K+
0
1
Undershoot phase
3
4
−50
−100
t
Peranan voltage-gated ion channels dalam action potential. Nomor yang
dilingkari pada action potential berhubungan dengan empat diagram dari
voltage-gated sodium dan potassium channel dalam membran plasma
(Campbell et al., 1999).
Biosignal
18
Action potential
• Dihasilkan oleh sel yg dieksitasi, dpt dipancarkan dari
satu sel ke sel lain yg berdekatan
• jika banyak sel yg dieksitasi akan menghasilkan medan
listrik dan memancar/propagasi lewat medium biologis.
• Perubahan extracellular potential dpt diukur pada
permukaan dari organ atau organisme dng
menggunakan elektroda permukaan.
– Contoh : ECG, EEG, EMG
Biosignal
19
Perekaman action potential dari nerve axon invertebrata
(a) Stimulator elektronik memberikan pulsa arus sesaat ke axon, yang cukup membuat axon tereksitasi.
Pencatatan aktifitas ini lewat micropipet. (b) Perubahan artifact direkam lewat ujung micropipet yang
dimasukkan membran untuk merekam resting potential. Selang beberapa waktu kemudian, stimulus elektrik
dikirimkan ke axon; efek medannya direkam seketika pada daerah pengukuran sebagai stimulus artifact.
Action potential kemudian muncul pada axon dengan kecepatan propagasi yang konstan. Periode waktu L
adalah latent period atau waktu transmisi dari stimulus ke daerah perekaman.
Biosignal
20
V (t)
S2
S1
−
+
+
−
R
Reference
Muscle
D
D
S2
Velocity =
V (t)
L2
u=
L1− L2
t
1 mV
S1
V (t)
L1
2 ms
Pengukuran kecepatan konduksi syaraf lewat pengukuran latency dari respon
elektrik yang ditimbulkan dalam otot. Syaraf distimulasi pada dua daerah
berbeda yang terpisah dengan jarak D .
Biosignal
21
Lensa kontak transparan yang terdiri dari satu elektrode, The transparent contact
lens contains one electrode, (horizontal section dari mata kanan). Elektrode
Referensi diletakkan pada pelipis kanan (right temple).
Biosignal
22
Vertebrate electroretinogram
Biosignal
23