Simulasi Dinamika Osilator Heterogen untuk Reproduksi Sinyal Elektrokardiogram (EKG) Kondisi Aritmia

Abstract

Aritmia merupakan ketidaknormalan irama jantung dengan risiko ringan hingga fatal. Pemodelan matematika bermanfaat dalam memahami gangguan ritme jantung guna deteksi dini. Model osilator Van der Pol heterogen terkopel dikembangkan dengan penambahan suku nonlinear dan parameter kontrol ritme pada persamaan laju perubahan arus transmembran menggunakan Persamaan Diferensial Biasa (PDB). Pengembangan berdasarkan hasil analisis sensitivitas Morris dan simulasi secara numerik dengan metode Euler untuk menghasilkan ritme aritmia pengaruh suku dan parameter tambahan dengan analisis morfologi ritme, khususnya interval R-R, interval PR, dan puncak R. Analisis sensitivitas menunjukkan dua parameter kopling pada model Van der Pol perlu disesuaikan memaksa ritme menuju normal yang kaku. Hasil menunjukkan bahwa pengembangan yang dilakukan dapat membentuk dua ritme aritmia, yakni takikardia dan AV blok derajat pertama. Nilai parameter kontrol kemudian dapat digunakan sebagai informasi untuk menghubungkan pola dinamika dengan jenis aritmia yang bersesuaian.

Arrhythmia represents a spectrum of cardiac electrical abnormalities, ranging from minor to fatal risks. Mathematical modeling serves as a critical tool for elucidating these rhythm disturbances, facilitating early detection. In this study, a heterogeneous coupled Van der Pol oscillator model was extended by integrating nonlinear terms and rhythm-control parameters into the transmembrane current rate equations, formulated as Ordinary Differential Equations (ODEs). Morris sensitivity analysis informed the model refinement and was numerically simulated using the Euler method to generate arrhythmic rhythms influenced by the additional terms and parameters. The analysis focused on cardiac morphology, specifically RR intervals, PR intervals, and R-peaks. Sensitivity analysis revealed that two coupling parameters in the Van der Pol model required adjustment, as their inherent rigidity tended to drive the system toward a normal state. The results demonstrate that the proposed development successfully replicates two prominent arrhythmias: tachycardia and first-degree AV block. Furthermore, these control parameter values provide essential data for correlating dynamical patterns with their corresponding clinical arrhythmias.