Pemrosesan Sinyal Biologis — Membaca Data yang Dipancarkan oleh Tubuh
Sinyal biologis (biosignal) adalah istilah kolektif untuk sinyal listrik, mekanik, dan kimiawi yang dihasilkan oleh sistem biologis.
ECG (Electrocardiography, elektrokardiogram) merekam aktivitas listrik jantung. Bentuk gelombang yang terdiri dari gelombang P, kompleks QRS, dan gelombang T sangat penting untuk diagnosis ritme jantung, aritmia, dan iskemia miokard. EEG (Electroencephalography, elektroensefalogram) merekam aktivitas listrik otak dari permukaan kulit kepala, dan mengevaluasi kondisi kognitif serta tahapan tidur melalui pita frekuensi gelombang α, β, θ, dan δ. EMG (Electromyography, elektromiogram) mengukur aktivitas listrik otot dan diaplikasikan dalam pengendalian gerak serta rehabilitasi. EDA (Electrodermal Activity, aktivitas elektrodermal) menangkap perubahan konduktansi kulit yang disebabkan oleh aktivitas kelenjar keringat, dan menjadi indikator tingkat kesiagaan sistem saraf otonom serta respons stres. PPG (Photoplethysmography, fotopletismografi) mengukur perubahan volume darah secara optis, dan banyak diadopsi oleh perangkat wearable seperti Apple Watch dan Oura Ring. RSP (Respiration, pernapasan) merekam pola pernapasan dari aliran udara atau ekspansi dinding dada. EOG (Electrooculography, elektrookulogram) mendeteksi gerakan bola mata.
Data mentah ini tidak dapat langsung digunakan. Data tersebut dipenuhi oleh derau seperti interferensi elektromagnetik, derau sumber daya, artefak gerak tubuh (18,7% waktu sinyal ECG hilang akibat artefak gerak), kegagalan sensor, dan kesalahan transmisi. Tanpa langkah-langkah pemrosesan sinyal — penghilangan derau, deteksi puncak, ekstraksi fitur, dekomposisi frekuensi, dan analisis nonlinear — informasi yang bermakna tidak dapat diekstrak dari sinyal biologis.
Secara tradisional, pemrosesan ini bergantung pada perangkat lunak komersial khusus (AcqKnowledge, Kubios, LabChart) atau alat berbasis MATLAB (Ledalab, PsPM). Tantangan yang dihadapi meliputi biaya lisensi yang tinggi, algoritma kotak hitam, dan keterbatasan reprodusibilitas. Kematangan ekosistem Python dan tren sains terbuka telah memungkinkan berkembangnya pustaka sumber terbuka seperti NeuroKit2.
NeuroKit2——Pemrosesan sinyal tingkat penelitian klinis dengan 2 baris kode
NeuroKit2 adalah perpustakaan sumber terbuka berbasis Python yang dikembangkan oleh tim peneliti yang dipimpin oleh Dominique Makowski (Asisten Profesor di Universitas Sussex). Makalahnya diterbitkan di jurnal *Behavior Research Methods* pada tahun 2021 (Makowski et al., 2021), dan tersedia di GitHub di bawah lisensi MIT.
Filosofi desainnya sangat jelas.
"Peneliti dan klinisi yang tidak memiliki pengetahuan luas tentang pemrograman atau pemrosesan sinyal biomedis pun dapat menganalisis data fisiologis hanya dengan 2 baris kode."
Faktanya, analisis ECG dapat diselesaikan dengan 2 baris berikut:
ecg = nk.ecg_simulate(duration=15, sampling_rate=1000, heart_rate=80)
signals, info = nk.ecg_process(ecg, sampling_rate=1000)
Modalitas Sinyal Biologis yang Didukung
NeuroKit2 mendukung 7+ modalitas: ECG, PPG/BVP, RSP, EDA/GSR, EMG, EOG, EGG (elektrogastrografi, dalam pengembangan), dan EDR (pernapasan yang diturunkan dari ECG). Sementara sebagian besar perpustakaan pesaing berfokus pada satu modalitas, keunggulan diferensiasi terbesar NeuroKit2 adalah kemampuannya memproses semua modalitas dengan API terpadu.
Pipeline Pemrosesan ECG
Fungsi ecg_process() menjalankan pembersihan, deteksi puncak, dan delineasi (deteksi gelombang P, kompleks QRS, gelombang T) secara sekaligus. Algoritma deteksi gelombang R mencakup 8 jenis: NeuroKit (default), Pan & Tompkins (1985), Hamilton (2002), Zong et al. (2003), Martinez et al. (2004), Christov (2004), Gamboa (2008), dan Elgendi et al. (2010), dengan akurasi 0,9761 pada basis data UoG. ECG multisaluran 12 sadapan juga didukung.
Analisis HRV (Variabilitas Detak Jantung) — 124 Indikator
Variabilitas detak jantung adalah indikator biologis penting yang mencerminkan aktivitas sistem saraf otonom. NeuroKit2 menghitung 124 indikator HRV sekaligus.
Domain waktu: RMSSD, MeanNN, SDNN, SDSD, CVNN, dan lain-lain. Domain frekuensi: daya ULF, VLF, LF, HF, VHF, rasio LF/HF, LFn, HFn, LnHF. Indikator nonlinear: SD1, SD2, SD2/SD1, CSI (Cardiac Sympathetic Index), CVI (Cardiac Vagal Index), SampEn (Sample Entropy).
Kelengkapan ini bahkan sebanding dengan Kubios, perangkat lunak komersial yang merupakan standar emas dalam analisis HRV.
Analisis Kompleksitas — 112 Indikator Nonlinear
Modul analisis kompleksitas NeuroKit2 menyediakan 112 indikator nonlinear, mencakup: kelompok entropi (Shannon, Approximate, Sample, Fuzzy, Multiscale, Composite Multiscale), dimensi fraktal (Sevcik, Katz, panjang garis), Detrended Fluctuation Analysis (DFA), eksponen Lyapunov, dan lain-lain.
Penelitian Makowski et al. berjudul "The Structure of Chaos" (2022, MDPI Entropy) membandingkan 112 indikator ini secara empiris dan menunjukkan bahwa 12 indikator terpilih menjelaskan 85,97% dari total varians seluruh indikator.
Analisis EDA
Komponen tonik EDA (SCL: Skin Conductance Level) dan komponen fasik (SCR: Skin Conductance Response) diuraikan secara otomatis, dengan deteksi puncak dan ekstraksi amplitudo. Fitur evaluasi kualitas sinyal juga telah terintegrasi.
Perbandingan dengan Alat Serupa——Apa yang Membedakan NeuroKit2
Ekosistem Python untuk pemrosesan sinyal biologis memiliki beberapa pustaka utama.
BioSPPy adalah pustaka multimodal yang mendukung ECG, RSP, EDA, EMG, EEG, dan PPG, serta merupakan pesaing paling langsung dari NeuroKit2. NeuroKit2 mengintegrasikan algoritma BioSPPy secara internal sebagai opsi, sehingga memastikan kompatibilitas bagi pengguna BioSPPy yang beralih ke NeuroKit2.
MNE-Python adalah standar industri yang berspesialisasi dalam sinyal otak (EEG, MEG, sEEG, ECoG). Pustaka ini memiliki performa state-of-the-art dalam source localization (estimasi sumber sinyal di dalam otak). Untuk analisis gelombang otak, MNE-Python adalah pilihan pertama dan bersifat komplementer dengan NeuroKit2.
HeartPy berspesialisasi dalam ECG dan PPG, dirancang untuk data lapangan yang banyak mengandung noise. Keunikannya terletak pada kemampuannya berjalan di mikrokontroler Arduino dan Teensy, sehingga HeartPy unggul untuk aplikasi embedded real-time.
WFDB adalah pustaka resmi PhysioNet yang berspesialisasi dalam input/output data. Dikembangkan oleh MIT-LCP, pustaka ini sangat diperlukan untuk mengakses basis data PhysioNet.
BrainFlow menyediakan SDK terpadu untuk perangkat keras biosensor. Dengan inti C++ dan binding untuk Python, C#, Java, MATLAB, serta Rust, pustaka ini unggul dalam koneksi dengan perangkat seperti OpenBCI.
pyEDA berspesialisasi dalam EDA/GSR dan mencapai akurasi deteksi stres 97% pada dataset WESAD.
Keunikan NeuroKit2 terletak pada dukungan multimodal yang mampu memproses 7 modalitas dengan API terpadu, 112 indikator kompleksitas, integrasi dan perbandingan 8 jenis algoritma deteksi gelombang R, serta hambatan masuk yang rendah dengan hanya 2 baris kode. Telah diverifikasi dan dibandingkan dengan pustaka pesaing seperti BioSPPy, HeartPy, Systole, dan nolds, dan filosofi desain komprehensif yang mengadopsi algoritma dari alat yang sudah ada sebagai opsi menjadi fondasi posisinya sebagai standar global.
Bidang Aplikasi——Masa Depan Kesehatan Digital yang Dibuka oleh Sinyal Biologis
Pengenalan Emosi dan Affective Computing
ECG, EDA, dan PPG merupakan indikator emosi yang sangat andal. EEG mencapai akurasi pengenalan 88,86% untuk 4 emosi, sedangkan multimodal ECG+EMG+sinyal biologis mencatat 79,3% untuk 4 kondisi emosi, dan deep learning ensemble meraih F1-score 90,96%. NeuroKit2 banyak digunakan dalam penelitian-penelitian ini untuk pra-pemrosesan sinyal biologis dan ekstraksi fitur.
Biomarker Digital dan Remote Patient Monitoring
Biomarker digital memungkinkan pengukuran fisiologis secara kontinu di luar lingkungan klinis. CMS Amerika Serikat (Centers for Medicare & Medicaid Services) mulai Januari 2026 melonggarkan persyaratan jumlah hari minimum untuk Remote Patient Monitoring (RPM) dari 16 hari menjadi 2–15 hari, sehingga mempercepat adopsinya. Peran alat open-source terstandarisasi seperti NeuroKit2 semakin besar dalam pengendalian kualitas data mentah yang dikumpulkan dari perangkat wearable dan ekstraksi fitur.
Ekosistem Wearable Health
Apple Watch (lebih dari 200 juta pengguna) dilengkapi ECG yang telah mendapat persetujuan FDA, riwayat fibrilasi atrium, oksigen darah, deteksi sleep apnea, serta peringatan hipertensi (disetujui FDA September 2025). Deteksi hipertensi diwujudkan melalui sensor detak jantung optik dan ML, divalidasi pada lebih dari 2.000 peserta. Pada tahun pertama, diperkirakan lebih dari 1 juta pengguna yang belum terdiagnosis akan menerima notifikasi.
Oura Ring (Gen 4) meraih penilaian akurasi HRV tertinggi di antara wearable konsumen, dan memperkenalkan biomarker "Cumulative Stress" pada paruh kedua 2025. WHOOP menyediakan pengambilan detak jantung 26Hz dan metrik "Healthspan", serta ECG dan deteksi fibrilasi atrium pada varian MG. Ultrahuman membangun ekosistem yang mengintegrasikan ring, monitor lingkungan, tes darah, dan interpretasi AI.
NeuroKit2 digunakan oleh para peneliti sebagai alat analisis data PPG dan akselerometer yang dihasilkan dari perangkat wearable ini, untuk memvalidasi algoritma wearable. Ini merupakan infrastruktur yang menjembatani data mentah perangkat konsumen dengan hasil analisis tingkat penelitian.
Aplikasi Klinis
Beacon Biosignals mewujudkan diagnosis neurologis di rumah dengan perangkat EEG Waveband yang telah mendapat persetujuan FDA. EpiWatch (spinout dari Johns Hopkins) memperoleh persetujuan FDA 510(k) untuk pemantauan kejang menggunakan Apple Watch. Di balik AI klinis semacam ini, pipeline pemrosesan sinyal EEG dan ECG sangat diperlukan, dan alat open-source seperti NeuroKit2 menyediakan fondasi bagi penelitian dan pengembangan.
Tren Investasi VC——Dana yang Mengalir ke Kesehatan Digital
Kasus Investasi Utama
Beacon Biosignals berhasil mengumpulkan $86 juta dalam putaran Seri B pada November 2025, dengan total pendanaan kumulatif lebih dari $121 juta. Innoviva, Google Ventures, Nexus NeuroTech Ventures, S32, Catalio Capital, dan Takeda Pharmaceutical turut berpartisipasi dalam investasi ini. Perusahaan berfokus pada biomarker kesehatan otak EEG berbasis AI.
TechDoctor dari Jepang mengumpulkan 12 miliar yen dalam putaran Seri B pada Mei 2025, sehingga total pendanaan kumulatif mencapai 18 miliar yen. JAFCO, NVCC, dan Sumitomo Mitsui Capital turut berpartisipasi. Perusahaan mengembangkan platform pengembangan biomarker digital bernama "SelfBase".
Tren Investasi Tingkat Makro
a16z Bio + Health mengalokasikan $700 juta pada tahun 2025, dengan 50% proyek AI dari a16z berada di sektor layanan kesehatan. a16z dan Eli Lilly mendirikan dana ekosistem bioteknologi senilai hingga $500 juta.
Startup kesehatan digital di Amerika Serikat berhasil mengumpulkan $14,2 miliar pada tahun 2025 (naik 35% dibanding tahun sebelumnya). Pendanaan kesehatan digital global mencapai $22,3 miliar pada tahun 2025 (naik 19% dibanding tahun sebelumnya), dengan rata-rata ukuran kesepakatan sebesar $20,3 juta (naik 29%).
Pasar sistem akuisisi dan pemrosesan sinyal biologis diperkirakan akan tumbuh dari sekitar $2,8 miliar pada tahun 2024 menjadi $5,2 miliar pada tahun 2033 (CAGR 7,1%). Pasar perangkat medis yang dapat dikenakan diperkirakan akan berkembang dari $103 miliar pada tahun 2025 menjadi $505,3 miliar pada tahun 2034 (CAGR 20%).
Tantangan dan Kendala
Artefak Gerak
Tantangan terbesar dari sinyal biologis yang dikumpulkan oleh perangkat wearable adalah artefak gerak. Sebesar 18,7% waktu sinyal ECG hilang akibat artefak gerak, yang berujung pada deteksi takikardia palsu. Peningkatan ketahanan terhadap noise dalam lingkungan sehari-hari memerlukan perbaikan berkelanjutan, baik dari sisi algoritma maupun perangkat keras.
Pemrosesan Real-Time
NeuroKit2 dirancang terutama untuk analisis offline/batch dan tidak dioptimalkan untuk penggunaan embedded real-time. HeartPy (kompatibel dengan Arduino/Teensy) dan BrainFlow (inti C++) lebih cocok untuk keperluan real-time/embedded.
Validasi Klinis
Alat sumber terbuka sering kali tidak memiliki validasi klinis formal yang diperlukan untuk status sebagai perangkat medis. Banyak biomarker digital yang tidak berhasil beralih dari tahap penelitian ke persetujuan regulator. Perangkat lunak medis berbasis AI/ML (SaMD) menuntut dataset berlabel yang besar dan berkualitas tinggi, sementara sistem pembelajaran berkelanjutan menghadapi tantangan regulasi terkait keamanan dan efektivitas.
Privasi
Sinyal biologis berpotensi memungkinkan re-identifikasi individu. Data EEG dapat mengungkap informasi sensitif. GDPR membatasi penggunaan sekunder data terkait kesehatan, dan pembatasan transfer data internasional mempersulit kolaborasi penelitian.
Tren Jepang——Biomarker Digital dan Masyarakat yang Sangat Menua
Jepang menghadapi tantangan struktural berupa penuaan populasi tercepat di dunia, disertai lonjakan biaya kesehatan dan ketimpangan layanan kesehatan daerah. Pemrosesan sinyal biologis dan biomarker digital merupakan jawaban yang menjanjikan atas tantangan ini.
TechDoctor berhasil mengumpulkan 12 miliar yen dalam putaran Seri B, dan melalui platform pengembangan biomarker digital "SelfBase", mengumpulkan serta menganalisis data biologis secara berkelanjutan dari perangkat wearable (tidur, aktivitas, detak jantung). Perusahaan ini memiliki rekam jejak penelitian kolaboratif dengan lebih dari 100 lembaga penelitian dan perusahaan, serta bermitra dengan IQVIA Japan dalam solusi penelitian klinis.
Chugai Pharmaceutical telah mengintegrasikan pengumpulan data fisiologis secara objektif dan berkelanjutan menggunakan perangkat wearable dalam berbagai proyek penemuan obat, dan mendorong program biomarker digital. Hitachi mengembangkan biomarker digital berbasis portabel, aplikasi, dan wearable, dengan fokus pada peningkatan kesehatan dan pencegahan penyakit pada lansia.
Revisi Undang-Undang Kesehatan tahun 2025 yang secara resmi mengakui konsultasi medis daring sebagai layanan yang sah merupakan tonggak penting yang mendorong penyebaran biomarker digital yang terintegrasi dengan pemantauan pasien jarak jauh.
Proyek Grant-in-Aid for Scientific Research (2024–2029) meneliti evaluasi frailty menggunakan biomarker digital; Universitas Tokyo melaporkan deteksi penurunan fungsi jantung melalui analisis ECG berbasis AI; dan pada konferensi JSAI 2025, dilaporkan estimasi infark miokard menggunakan analisis tensor ECG.
Pasar perangkat medis wearable di Jepang diperkirakan tumbuh dari sekitar 2,2 miliar dolar AS pada 2025 menjadi 8,6 miliar dolar AS pada 2034. Pasar terapi digital (DTx) diproyeksikan berkembang dari 150 juta dolar AS pada 2026 menjadi 11,3 miliar dolar AS pada 2035 (CAGR 23,6%).
Prospek Masa Depan——Hari Ketika Pemrosesan Sinyal Biologis Menjadi Infrastruktur Standar
2026–2027: Fitur-fitur yang mendapat persetujuan FDA dari perangkat wearable seperti Apple Watch, Oura Ring, dan WHOOP diprediksi akan terus berkembang, memicu ledakan data sinyal biologis untuk konsumen. Permintaan terhadap pipeline pemrosesan open-source yang terstandarisasi seperti NeuroKit2 pun akan semakin meningkat. Pembaruan Perangkat Wellness FDA 2026 akan memperjelas batas antara pelacak kebugaran dan perangkat medis, sekaligus menata kerangka regulasi yang lebih jelas.
2028–2030: Analisis sinyal biologis multimodal (pemrosesan simultan ECG+EDA+PPG+RSP+EEG) akan terintegrasi dengan model fondasi AI, sehingga pemantauan kesehatan individu secara real-time dan berkelanjutan menjadi kenyataan. Biomarker digital akan masuk ke dalam pipeline pengembangan obat sebagai diagnostik pendamping yang disetujui FDA, dan endpoint digital dalam uji klinis pun akan terstandarisasi.
Setelah 2030: Metadata sinyal biologis akan menjadi data pendamping standar dalam konten digital, serupa dengan subtitle dan timecode pada video. Sebanyak 112 indikator kompleksitas NeuroKit2 dan 124 indikator HRV akan tertanam langsung di firmware perangkat wearable dan dihitung secara real-time di perangkat edge. Pemrosesan sinyal biologis pun akan bertransformasi dari "keahlian teknis khusus" menjadi "infrastruktur standar".
Sebagaimana Clement Delangue, CEO Hugging Face, pernah menyatakan bahwa "era AI lokal telah tiba", pemrosesan sinyal biologis pun akan bergeser dari cloud menuju perangkat pribadi. NeuroKit2 adalah salah satu fondasi yang menopang transisi tersebut, dan filosofi desainnya—"pemrosesan sinyal setara penelitian klinis hanya dengan 2 baris kode"—menjadi simbol demokratisasi di bidang ini.
Dampak pada Industri
Pertama, NeuroKit2 sedang memantapkan posisinya sebagai "jQuery" pemrosesan sinyal biologis — yaitu, pustaka standar yang mengabstraksikan pemrosesan tingkat rendah yang kompleks sehingga dapat diakses oleh semua orang. Hal ini didukung oleh 93.500 unduhan per bulan, lebih dari 590 kutipan akademis, serta adopsi di universitas-universitas terkemuka dunia seperti Duke, University of Washington, dan University of Auckland.
Kedua, pertumbuhan pesat pasar perangkat kesehatan wearable (dari 103 miliar dolar pada 2025 menjadi 505,3 miliar dolar pada 2034, CAGR 20%) secara struktural mendorong permintaan terhadap pustaka pemrosesan sinyal biologis. Kebutuhan analisis data PPG, akselerometer, dan detak jantung yang dihasilkan oleh lebih dari 200 juta pengguna Apple Watch, Oura Ring, WHOOP, dan Ultrahuman tidak dapat terpenuhi tanpa alat sumber terbuka seperti NeuroKit2.
Ketiga, investasi VC terkonsentrasi pada kesehatan digital. Alokasi 700 juta dolar Bio + Health dari a16z, Seri B senilai 86 juta dolar dari Beacon Biosignals, dan Seri B senilai 12 miliar yen dari TechDoctor menunjukkan bahwa dana besar mengalir ke persimpangan sinyal biologis dan AI. NeuroKit2, yang menyediakan alat standar pemrosesan sinyal biologis, semakin penting sebagai infrastruktur dasar ekosistem ini.
Keempat, terhadap tantangan layanan kesehatan dalam masyarakat yang menua pesat di Jepang — lonjakan biaya medis, kesenjangan regional, dan kekurangan tenaga perawat — biomarker digital dan pemantauan pasien jarak jauh menawarkan solusi struktural. Pelembagaan konsultasi medis daring melalui revisi Undang-Undang Layanan Medis tahun 2025 mendukung arah ini secara institusional.
Kelima, alat pemrosesan sinyal biologis sumber terbuka menjamin reproduktifitas dan transparansi penelitian. "Publikasi dan verifikasi algoritma" yang tidak dapat diwujudkan oleh alat kotak hitam komersial menjadi mungkin melalui repositori GitHub dan lisensi MIT NeuroKit2. Ini merupakan kontribusi penting juga dari sudut pandang metodologi ilmiah.
Informasi Referensi: Makowski, D. et al. "NeuroKit2: A Python toolbox for neurophysiological signal processing" (Behavior Research Methods, 2021, DOI: 10.3758/s13428-020-01516-y), GitHub: neuropsychology/NeuroKit (2.200+ stars, MIT License), PyPI Stats: neurokit2 (~93.500 unduhan bulanan), Semantic Scholar: ~590 kutipan, Dominique Makowski (University of Sussex, Reality Bending Lab), akurasi deteksi puncak-R ECG NeuroKit2 0,9761 (database UoG), HRV NeuroKit2 124 metrik, Kompleksitas NeuroKit2 112 indeks, Makowski et al. "The Structure of Chaos" (MDPI Entropy, 2022), BioSPPy (GitHub: PIA-Group/BioSPPy), MNE-Python (mne.tools, BSD-3), HeartPy (paulvangentcom/heartrate_analysis_python), WFDB Python (PhysioNet), BrainFlow (brainflow-dev/brainflow), pyEDA (HealthSciTech/pyEDA, deteksi stres 97% WESAD), Kubios HRV (standar emas komersial), Apple Watch 200 juta+ pengguna / EKG / kadar oksigen darah / sleep apnea / hipertensi disetujui FDA (Sep 2025), akurasi HRV Oura Ring Gen 4, detak jantung WHOOP 26 Hz, Ultrahuman Ring + Blood Vision, Beacon Biosignals Seri B 86 juta dolar (Innoviva, Google Ventures, Takeda, Nov 2025), TechDoctor Seri B 12 miliar yen (JAFCO, NVCC, Mei 2025), a16z Bio + Health 700 juta dolar, a16z + Eli Lilly Dana 500 juta dolar, kesehatan digital AS 14,2 miliar dolar (2025, +35%), pasar akuisisi sinyal biologis 2,8 miliar → 5,2 miliar dolar 2033 (CAGR 7,1%), perangkat medis wearable 103 miliar → 505 miliar dolar 2034 (CAGR 20%), kehilangan sinyal EKG akibat artefak gerak 18,7% (Nature Reviews Bioengineering, 2024), pembaruan perangkat kebugaran FDA 2026, pengurangan minimum RPM CMS dari 16 → 2-15 hari (Jan 2026), EpiWatch FDA 510(k) (Johns Hopkins), biomarker digital Chugai Pharmaceutical, biomarker digital Hitachi, TechDoctor SelfBase / kemitraan IQVIA Japan, legalisasi konsultasi medis daring melalui revisi Undang-Undang Layanan Medis 2025, hibah penelitian KAKENHI penilaian frailty biomarker digital (2024-2029), deteksi penurunan fungsi jantung AI ECG Universitas Tokyo, wearable medis Jepang 2,2 miliar → 8,6 miliar dolar (2034), terapi digital Jepang 0,15 miliar → 1,13 miliar dolar (CAGR 23,6%)