Electromyography (EMG), Ketika Otot Rangka Manusia Menghasilkan Listrik

Ilustrasi berlari untuk menjaga kesehatan. (Foto: pixabay).

Sadarkah Anda bahwa setiap waktu tubuh Anda menghasilkan listrik? Listrik yang mengalir dalam tubuh kita dihasilkan oleh aktivitas sel-sel saraf (neuron) yang bertanggung jawab atas berbagai proses dalam tubuh, mulai dari ketika Anda berpikir dan membaca tulisan ini sampai ketika tangan Anda bergerak menggeser-geser layar pada telepon pintar Anda.

Dari sekian banyak aktivitas dalam tubuh kita yang dikendalikan oleh aktivitas sel-sel saraf, dalam tulisan ini saya akan bercerita mengenai electromyography (EMG), yaitu ketika sel-sel saraf mengendalikan otot-otot rangka (otot skeletal) sehingga menghasilkan listrik. Namun, sebelum itu, saya akan bercerita lebih dahulu, dari mana listrik-listrik tersebut berasal dan bagaimana sampai mereka bisa mengendalikan gerakan tubuh kita.

Dengan membaca tulisan ini, lain waktu ketika Anda menonton kompetisi lari olimpiade di televisi, Anda akan melihat lari sebagai sebuah fenomena yang berbeda dari sebelumnya, sebagai salah satu representasi paling mengagumkan dari setiap desir aliran listrik yang menjalar melalui sel-sel saraf dan sel-sel otot dalam tubuh manusia.

Ilustrasi olahraga lari. Usain Bolt, 100 m heats-2013 World championships Athletics in Moscow. (Erik van Leeuwen, Wikipedia).

Bagaimana Sel Saraf (Neuron) Menghasilkan Listrik?

Secara anatomi sistem saraf dibagi menjadi sistem saraf pusat dan sistem saraf tepi (periferal). Sistem saraf pusat terdiri dari otak dan sumsum tulang belakang. Sistem saraf ini berfungsi menyatukan, memproses dan mengkoordinasikan informasi yang ditangkap oleh pancaindra dengan perintah motorik (gerakan). Informasi yang ditangkap oleh pancaindra memberikan gambaran bagaimana kondisi bagian dalam dan luar tubuh. Sedangkan perintah motorik (gerakan) akan mengatur aktivitas organ periferal seperti jaringan otot.

Sistem saraf tepi merupakan perpanjangan dari sistem saraf pusat. Serabut saraf tepi tersebar di seluruh bagian tubuh kecuali kuku dan rambut. Oleh karena itu, kuku dan rambut tidak bisa merasakan sakit. Fungsi dari sistem saraf tepi, antara lain sebagai saraf sensorik (merasakan melalui pancaindra), dan sebagai saraf motorik yang mengatur perintah gerakan otot.

Ilustrasi sel saraf (neuron) dan bagian-bagiannya. (US National Institutes of Health, National Institute on Aging, http://www.nia.nih.gov/alzheimers/publication/alzheimers-disease-unraveling-mystery/preface - Wikipedia).

Informasi dari seluruh sistem saraf, baik yang tertangkap oleh pancaindra maupun yang mengatur gerakan motorik, dikirimkan oleh sinyal listrik yang ditimbulkan oleh reaksi elektrokimia. Reaksi elektrokimia adalah reaksi kimia yang bisa menghasilkan arus listrik. Sel saraf dilingkupi oleh selaput yang bersifat selektif dalam melewatkan ion. Ion-ion yang penting dalam sistem saraf adalah Natrium (Na+), Kalium (K+), Kalsium (Ca2+), Klor (Cl-) dan molekul-molekul protein yang bermuatan negatif.

Ion-ion ini dapat berpindah melalui selaput sel sehingga mempengaruhi tegangan listrik pada sel saraf. Sekarang Anda mulai terbayang kan, apa hubungannya nutrisi berupa mineral-mineral yang Anda peroleh dari makanan terhadap apa yang akan terjadi dalam tubuh Anda? Bisa saja misalnya Anda menjadi mudah lupa karena kekurangan mineral berupa Kalsium.

Pada saat sel saraf beristirahat, tegangan listrik pada bagian dalam sel lebih negatif dibandingkan bagian luarnya. Tegangan ini disebut tegangan istirahat, besarnya sekitar 70 miliVolt (miliVolt = seperseribu Volt). Hal ini disebabkan adanya perbedaan konsentrasi ion Na+ dan K+ yang menyebabkan suatu sistem pemompaan ion, yaitu tiga ion Na+ keluar dari sel saraf untuk setiap dua ion K+ yang masuk ke dalam sel saraf.

Tegangan istirahat sebesar 70 miliVolt ini sangat kecil, 20 kali lebih kecil jika dibandingkan dengan tegangan listrik baterai AA sebesar 1,5 Volt yang biasa Anda pakai untuk jam dinding di rumah Anda.

Adanya rangsangan tertentu pada sel saraf menyebabkan timbulnya perubahan sementara tegangan listrik lokal. Kemudian, perubahan tegangan listrik sementara ini mungkin akan menghasilkan tegangan aksi berupa lonjakan listrik (impulse) yang menjalar sepanjang permukaan neuron ke sinapsis (lihat gambar sel saraf dan bagian-bagiannya di atas).

Lalu, akan terjadi pelepasan bahan-bahan kimia yang disebut neurotransmitter pada sinapsis. Selanjutnya, informasi ini akan diproses oleh otak kita dengan menyatukan semua rangsangan untuk menghasilkan respons misalnya pada sel-sel otot berupa gerakan.

Tidak semua rangsangan dapat menghasilkan tegangan aksi. Tegangan aksi akan tercapai jika besarnya rangsangan yang diterima oleh tubuh kita berkisar antara 10-15 miliVolt, sehingga mampu mengubah tegangan istirahat (-70 miliVolt) menuju tegangan ambang batas (-55 miliVolt). Setelah mencapai ambang batas ini, besarnya tegangan aksi yang dihasilkan akan sama meskipun besarnya rangsangan melebihi yang dibutuhkan.

Meskipun agak sulit untuk kita bayangkan, tapi dari tegangan listrik sekecil inilah semua gerakan tubuh kita bermula, mulai dari gerakan sederhana ketika Anda menggosok gigi di pagi hari sampai ketika atlet senam melompat di gelanggang dengan gerakan yang mengagumkan.

Bagaimana Listrik dari Sel Saraf (Neuron) diantarkan ke Otot?

Listrik dari sel-sel saraf selanjutnya akan melanglang buana menuju otot untuk menghasilkan apa yang kita sebut sebagai proses kontraksi dan relaksasi. Mekanisme kontraksi dan relaksasi inilah yang menghasilkan gerakan pada otot untuk mengendalikan pergerakan rangka anggota gerak pada tubuh kita, seperti tungkai dan kaki, lengan dan tangan, jari, dan sebagainya.

Kontraksi adalah suatu keadaan ketika serat-serat otot berada dalam keadaan bekerja (memendek), sedangkan relaksasi adalah kebalikannya, yaitu ketika serat-serat otot berada dalam keadaan istirahat (memanjang).

Rangsangan tunggal dari sel saraf menuju otot akan menghasilkan kontraksi tunggal dengan durasi waktu yang sangat singkat, yaitu sekitar 7-100 milidetik (milidetik = seperseribu detik). Untuk menghasilkan kontraksi otot yang berkelanjutan maka dibutuhkan rangsangan yang berulang. Proses kerja otot berlangsung dalam 3 tahap, yaitu permulaan kontraksi, kontraksi, dan relaksasi.

Pada tahap permulaan kontraksi, listrik berupa tegangan aksi yang menjalar dari sel saraf (neuron) tiba di sinapsis dan melepaskan neurotransmitter yang disebut acetylcholin (Ach). Ach lalu menyeberang dari sinapsis menuju sel otot yang menyebabkan ion Natrium (Na+) masuk ke dalam sel otot. Peningkatan jumlah ion ini kemudian menyebabkan meningkatnya tegangan listrik yang menjalar di sepanjang serabut-serabut otot. Peningkatan tegangan listrik ini akan menyebabkan dilepaskannya ion Kalsium (Ca2+) sehingga memicu terjadinya kontraksi.

Ilustrasi serat otot dan bagian-bagiannya. (Foto: dokumen pribadi, Hesty Susanti).

Proses selanjutnya adalah tahap terjadinya kontraksi. Pada serat-serat otot, terdapat protein pengatur yang disebut troponin dan tropomyosin. Pada tahap kontraksi, ion Ca2+ akan terikat pada troponin, sehingga ikatan troponin-tropomyosin menjadi berubah yang mengakibatkan sisi aktif filamen tipis (actin) dari serat otot menjadi terekspos (terbuka). Selanjutnya, kepala filamen tebal (myosin) dari serat otot akan berinteraksi dengan filamen tipis (actin), keduanya tarik-menarik membentuk suatu jembatan.

Interaksi antara filamen tebal dan filamen tipis dari serat otot inilah yang menyebabkan serat-serat otot berkontraksi (memendek) menarik rangka tubuh kita untuk menghasilkan suatu gerakan, (lihat gambar serabut otot dan bagian-bagiannya di atas).

Setelah bekerja, seperti mekanisme lainnya di alam ini, otot akan memasuki fase istirahatnya, atau yang kita kenal sebagai relaksasi. Pada tahap relaksasi, jumlah ion Ca2+ akan menurun dan berangsur-angsur lepas dari troponin. Lalu, sisi aktif filamen tipis serat otot yang tadinya terekspos (terbuka) akan kembali tertutup oleh tropomyosin. Selanjutnya, keadaannya akan kembali seperti semula, ketika otot berada dalam fase istirahatnya (relaksasi).

Apa itu Electromyography (EMG)?

Segala aktivitas sel-sel saraf yang menghasilkan listrik tadi, sampai terjadinya mekanisme kontraksi dan relaksasi otot yang menjadi alasan bagaimana kita bisa bergerak, selanjutnya dapat direkam menjadi suatu informasi yang bermanfaat.

Electromyography (EMG) adalah suatu metode perekaman sinyal listrik yang dihasilkan oleh otot-otot rangka menggunakan alat perekam yang disebut electromyograph dan hasil rekamannya disebut electromyogram. Istilah-istilah ini berasal dari tiga kata: electro yang berarti listrik, myo yang berarti otot, dan graphy yang berarti hal-hal yang berkaitan dengan tulisan atau dapat juga diartikan sebagai bidang keilmuan.

Sinyal listrik yang terekam oleh electromyograph berasal dari aktivitas listrik yang ditimbulkan oleh sel-sel saraf ketika otot berkontraksi maupun berelaksasi. Sinyal listrik tersebut berasal dari kumpulan sinyal fisiologis yang dibawa oleh sel-sel saraf motorik menuju serat-serat otot. Sel-sel saraf motorik berfungsi mengantarkan rangsangan berupa impulse (lonjakan listrik) dari sumsum tulang belakang hingga ke bagian neuron yang berhubungan langsung dengan serat otot. Kumpulan sel-sel saraf motorik beserta serat-serat otot ini disebut motor unit.

Perangkat electromyograph terdiri dari elektrode, sensor, perangkat perekam (encoder), dan perangkat lunak di komputer. Elektrode merupakan komponen yang direkatkan pada permukaan kulit dari otot yang ingin direkam sinyal listriknya. Salah satu jenis elektrode EMG yang paling banyak digunakan adalah jenis elektrode permukaan sekali pakai yang berbentuk cakram (surface disc snap electrode).

Sistem EMG yang terdiri dari, elektrode (6 dan 7), sensor (4), perangkat perekam/encoder (2), dan perangkat lunak (1). (Foto: dokumen pribadi, Hesty Susanti).

Elektrode permukaan (a) dan sensor (b) yang dihubungkan dengan 3 elektrode. (Foto: dokumen pribadi, Hesty Susanti).

Salah satu metode peletakan elektrode permukaan adalah metode bipolar, di mana elektrode positif dan negatif diletakkan pada tonus otot (bagian paling tebal dari kumpulan serat otot) dengan jarak 1 cm, serta elektrode referensi diletakkan pada daerah netral berupa tonjolan tulang yang relatif jauh dari kedua elektrode lainnya. Tegangan listrik yang terekam merupakan selisih dari tegangan elektrode positif terhadap referensi dengan tegangan elektrode negatif terhadap referensi.

Sinyal listrik yang berasal dari aktivasi serat otot dan terdeteksi di sekitar elektrode disebut motor unit action potential (MUAP). Sinyal MUAP yang terekam oleh elektrode merupakan gabungan dari berbagai sinyal MUAP yang berada di sekitar elektrode. Rentang amplitudo sinyal EMG, yaitu antara 0-10 miliVolt (peak to peak) atau 0-1,5 miliVolt (rms).

Selanjutnya sinyal listrik yang terekam oleh elektrode akan dikirimkan ke sensor, kemudian diproses lebih lanjut oleh bagian perekam (encoder). Proses pengolahan sinyal oleh encoder, antara lain, pemisahan sinyal listrik dari derau (noise), yaitu komponen sinyal pengganggu yang bukan berasal dari aktivitas otot, proses penguatan sinyal oleh amplifier, dan lain-lain. Sederhananya, encoder ini akan mengolah sinyal listrik yang dikirimkan dari elektrode sehingga benar-benar menjadi sinyal listrik otot murni yang mampu terbaca oleh perangkat lunak di komputer.

Pada gambar berikut, sinyal yang dilingkari merah dan biru adalah sinyal listrik EMG yang terekam ketika otot berkontraksi untuk melakukan gerakan tertentu, seperti menggenggam atau mengangkat beban dalam durasi waktu tertentu.

Contoh rekaman sinyal EMG yang terbaca oleh perangkat lunak di komputer. (Foto: dokumen pribadi, Hesty Susanti).

Apa Manfaat Sinyal EMG?

Sinyal EMG dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan, mulai dari diagnosis penyakit-penyakit yang berhubungan dengan saraf dan otot, sampai ke aplikasi dalam dunia olahraga, dan sistem interaksi manusia dan komputer (human-computer interaction). Dalam dunia kedokteran, misalnya EMG dapat digunakan untuk mendiagnosis gangguan menelan (dysphagia) pada pasien pasca stroke melalui analisis sinyal EMG yang terekam dari otot-otot di sekitar leher. Dalam dunia olahraga, sinyal EMG dapat dimanfaatkan untuk mempelajari tingkat kelelahan dan pemulihan otot-otot tertentu yang dominan digunakan untuk gerakan dalam olahraga tertentu.

Pengembangan selanjutnya hingga merambah ke sistem interaksi manusia dan komputer (human-computer interaction). Dalam bidang ini, sinyal EMG misalnya dapat digunakan untuk mempelajari pola gerakan (biomechanics) dan gestur manusia sebagai masukan (input) pada sistem interaksi manusia dan komputer. Aplikasinya bisa sangat beragam, mulai dari dunia gaming sampai bidang pertahanan.

Referensi

1. Cameron, John R. and Skofronick, James G. (1978): Medical Physics, John Wiley & Sons, USA.

2. De Luca, C.J. (2006): Electromyography in Encyclopedia of Medical Devices and Instrumentation, Webster, John G., Editor, John Wiley Publisher, 98-109.

3. De Luca, C.J. (2002): Surface Electromyography: Detection and Recording, Delsys Incorporated.