Fisika Terapan : USG

Ilmu pengetahuan dan teknologi  dari tahun ke tahun mengalami perkembangan yang sangat pesat. Penemuan baru bermunculan setiap hari. Manusia awalnya hanya menggunakan peralatan sederhana yang terbuat dari kayu ataupun batu, sekarang telah beralih ke era digital yang mana semuanya dikendalikan oleh komputer. Manusia tidak pernah mencapai rasa puas sehingga apa yang diinginkannya tercapai.

Berkembangnya teknologi terapan tidak bisa lepas dari ilmu pengetahuan yang dikembangkan oleh ilmuwan-ilmuwan sejak zaman yunani kuno hingga sekarang. Tanpa mereka,kita tidak bisa menikmati penerangan pada malam hari, tidak bisa berbicara dengan sanak saudara yang jauh, tidak bisa pergi ke bulan dan masih banyak hal yang zaman dulu orang mengatakannya mustahil tapi sekarang adalah hal yang biasa terjadi. Segala bidang telah berkembang, baik bidang pendidikan, kesehatan, transportasi dan masih banyak lagi.

Salah satu aspek yang terkena efek perkembangan dunia IT adalah kesehatan. Dewasa ini dunia kesehatan modern telah memanfaatkan perkembengan teknologi untuk meningkatkan efisiensi serta efektivitas di dunia kesehatan. Salah satu contoh pengaplikasian dunia IT di dunia kesehatan adalah penggunaan alat-alat kedokteran yang mempergunakan aplikasi komputer, salah satunya adalah USG (Ultra sonografi) yang akan di jelaskan lebih lanjut.

USG adalah suatu alat dalam dunia kedokteran yang memanfaatkan gelombang ultrasonik, yaitu gelombang suara yang memiliki frekuensi yang tinggi (250 kHz – 2000 kHz) yang kemudian hasilnya ditampilkan dalam layar monitor. Pada awalnya penemuan alat USG diawali dengan penemuan gelombang ultrasonik kemudian bertahun-tahun setelah itu, tepatnya sekira tahun 1920-an, prinsip kerja gelombang ultrasonik mulai diterapkan dalam bidang kedokteran.

Ultrasonography adalah salah satu dari produk teknologi medical imaging yang dikenal sampai saat ini. Medical imaging (MI) adalah suatu teknik yang digunakan untuk mencitrakan bagian dalam organ atau suatu jaringan sel (tissue) pada tubuh, tanpa membuat sayatan atau luka (non-invasive). Interaksi antara fenomena fisik tissue dan diikuti dengan teknik pendetektian hasil interaksi itu sendiri untuk diproses dan direkonstruksi menjadi suatu citra (image), menjadi dasar bekerjanya peralatan MI.

Dari sumber lain menyatakan bahwa, Ultrasonografi medis (sonografi) adalah sebuah teknik diagnostik pencitraan menggunakan suara ultra yang digunakan untuk mencitrakan organ internal dan otot, ukuran mereka, struktur, dan luka patologi, membuat teknik ini berguna untuk memeriksa organ. Sonografi obstetrik biasa digunakan ketika masa kehamilan.

Pilihan frekuensi menentukan resolusi gambar dan penembusan ke dalam tubuh pasien. Diagnostik sonografi umumnya beroperasi pada frekuensi dari 2 sampai 13 megahertz.

Sedangkan dalam fisika istilah "suara ultra" termasuk ke seluruh energi akustik dengan sebuah frekuensi di atas pendengaran manusia (20.000 Hertz), penggunaan umumnya dalam penggambaran medis melibatkan sekelompok frekuensi yang ratusan kali lebih tinggi.

Penggunaan ultrasonik dalam bidang kedokteran ini pertama kali diaplikasikan untuk kepentingan terapi bukan untuk mendiagnosis suatu penyakit. 
Dalam hal ini yang dimanfaatkan adalah kemampuan gelombang ultrasonik dalam menghancurkan sel-sel atau jaringan “berbahaya” ini kemudian secara luas diterapkan pula untuk penyembuhan penyakit-penyakit lainnya. Misalnya, terapi untuk penderita arthritis, haemorrhoids, asma, thyrotoxicosis, ulcus pepticum (tukak lambung), elephanthiasis (kaki gajah), dan bahkan terapi untuk penderita angina pectoris (nyeri dada). Baru pada awal tahun 1940, gelombang ultrasonik dinilai memungkinkan untuk digunakan sebagai alat mendiagnosis suatu penyakit, bukan lagi hanya untuk terapi. Hal tersebut disimpulkan berkat hasil eksperimen Karl Theodore Dussik, seorang dokter ahli saraf dari Universitas Vienna, Austria. Bersama dengan saudaranya, Freiderich, seorang ahli fisika, berhasil menemukan lokasi sebuah tumor otak dan pembuluh darah pada otak besar dengan mengukur transmisi pantulan gelombang ultrasonik melalui tulang tengkorak. Dengan menggunakan transduser (kombinasi alat pengirim dan penerima data), hasil pemindaian masih berupa gambar dua dimensi yang terdiri dari barisan titik-titik berintensitas rendah.

Kemudian George Ludwig, ahli fisika Amerika, menyempurnakan alat temuan Dussik. Teknologi transduser digital sekira tahun 1990-an memungkinkan sinyal gelombang ultrasonik yang diterima menghasilkan tampilan gambar suatu jaringan tubuh dengan lebih jelas. Penemuan komputer pada pertengahan 1990 jelas sangat membantu teknologi ini.

Gelombang ultrasonik akan melalui proses sebagai berikut, pertama, gelombang akan diterima transduser. Kemudian gelombang tersebut diproses sedemikian rupa dalam komputer sehingga bentuk tampilan gambar akan terlihat pada layar monitor. Transduser yang digunakan terdiri dari transduser penghasil gambar dua dimensi atau tiga dimensi. Seperti inilah hingga USG berkembang sedemikian rupa hingga saat ini.

Gelombang ultrasonik adalah gelombang accustic memiliki daerah frekuensi diatas  daerah frekuensi  pendengaran  manusia. Gelombang  ultrasonik  berupa accustical yaitu vibrasi mekanik yang terjadi pada gas, cairan dan medium padat. Suara yang dapat didengar oleh manusia (audiosonik) adalah gelombang suara dengan frekuensi antara 20–20.000 Hz. Berdasarkan frekuensi gelombang suara dapat dibedakan dalam beberapa bagian seperti ditunjukkan pada tabel berikut ini :

Tabel 1.1 Daerah Frekuensi Gelombang Suara

Nama	Frekuensi
Infrasonik	<20 Hz
Audiosonik	20 Hz – 20000 Hz
Ultrasonik	>20000 Hz
Diagnostik	1        – 10 MHz

Refleksi  

Pada ultrasonik, citra yang dihasilkan melalui berkas suara yang direfleksikan. Berkas gelombang yang dipancarkan tidak memperbesar apapun pada formasi citra, tapi transmisi harus cukup kuat menghasilkan gema-gema ditingkat  yang lebih dalam. Prosentase suara  yang direfleksikan di antara muka jaringan tergantung pada impedansi. Impedansi adalah hasil kali kerapatan dan kecepatan suara dalam materi. Impedansi akustik merupakan sifat dasar materi atau zat, dalam satuan cgs didefinisikan sebagai gram/cm².det.

Z =

dengan Z  adalah impedansi akustik, r  adalah dentitas, dan c adalah kecepatan  suara pada medium. Berkas ultrasosik yang dipantulkan ditentukan oleh sudut yang terjadi antara berkas suara dan permukaan yang merefleksikan. Semakin tinggi sudut yang timbul   (lebih dekat tegak lurus) maka semakin kecil suara yang dipantulkan. Pada ultrasound medik, dimana tranduser yang sama memancarkan dan menerima ultrasound hampir tidak ada suara yang direfleksikan akan terdeteksi jika ultrasound membentur permukaan obyek pada sudut lebih dari  3 dari garis lurus.  Proses  refleksi ditunjukan pada gambar 1.  Jika berkas suara membentur permukaan medium, besar koefisien refleksinya yang diberikan:

dengan R adalah reflektifitas,  Z₁  adalah impedansi akustik medium 1(  , Z₂ adalah impedansi akustik medium 2 (  ,  sehingga  persamaan menjadi :

Refraksi

Bila gelombang suara melewati suatu medium  ke-medium lain frekuensi tetap tetapi panjang gelombang yang berubah dan arah gelombang yang berbelok hal ini disebut pembiasan. Peristiwa ini oleh hukum Snellius dinyatakan : 

                 

Dendan v₁ adalah kecepatan gelombang suara pada medium 1, v₂ adalah kecepatan gelombang  suara  pada medium 2. Proses   pemantulan  (refleksi) dan pembiasan (refraksi) ditunjukkan pada gambar 2, dengan adalah sudut gelombang suara datang,   adalah sudut gelombang suara refleksi,  adalah sudut gelombang suara yang refraksi.

Syarat persamaan tersebut, n₂  lebih rapat dari n₁  maka  , jika n₂ lebih renggang dari n₁ maka .

Atenuasi

Atenuasi adalah pengurangan intensitas berkas ultrasonik karena melalui suatu medium . Adapun besar dari nilai atenuasi dapat ditulis dengan persamaan :

dengan I_x  adalah intensitas setelah menembus bahan (Watt/m), I₀  adalah intensitas mula-mula (Watt/m), a  adalah koefisien absorbsi ( dB/m ), dan x adalah jarak kedalaman (m). Atenuasi dipengaruhi oleh dua macam faktor yaitu :

a)      Hamburan

Bila suatu energi gelombang ultrasonik menabrak dimensi-dimensi permukaan yang lebih kecil dari panjang gelombang maka gelombang datang akan tersebar ke segala arah. Hamburan ini tergantung pada perubahan impedansi akustik pada sasaran atau partikel, ukuran partikel dari medium dan panjang gelombang energi datang.  Intensitas gelombang yang terhambur meningkat dengan cepat bersama frekuensi dan sebanding dengan kuadrat frekuensi, oleh karena itu frekuensi tinggi terhambur dengan lebih mudah dari pada  frekuensi rendah.

b)      Penyerapan (Absorbsi)

Absorbsi ultrasonik dalam cairan merupakan hasil dari  gaya pergesekan yang berlawanan dengan gerakan partikel-partikel dalam media. Energi mekanik yang dipin dah dari suara ultra menjadi panas. Selama mengalami absorbsi gelombang ultrasonik, intensitas dengan amplitudonya berkurang secara eksponensial.   

Cara kerja USG adalah memantulkan gelombang suara dan menerima kembali gelombang suara yang telah dipantulkan setelah terkena suatu obyek. Obyek disini berupa organ tubuh. Gelombang suara dikeluarkan oleh transducer dengan panjang gelombang 2,5-14 kilohertz, panjang gelombang yang dikeluarkan bervariasi tergantung dari bentuk transducer. Hasil pemantulan gelombang suara tersebut kemudian akan diterima kembali oleh transducer dan diproses oleh mesin USG kemudian ditayangkan dalam monitor. Kinerja USG tergantung dari semua alat-alat yang ada pada mesin USG yaitu :

a.       Transduser

Transduser adalah komponen USG yang ditempelkan pada bagian tubuh yang akan diperiksa seperti  dinding dada  untuk pemeriksaan paru ataudinding  perut untuk  pemeriksaan kehamilan. Di dalam transduser terdapat kristal yang digunakan untuk menangkap gelombang yang disalurkan oleh transduser. Kristal ini bernama Piezo Electric, yang ditemukan oleh Piere Curie dan Jacques pada tahun sekitar 1880; tebalnya sekitar 2,85 mm. Apabila Kristal piezo electric dialiri tegangan listrik maka lempengan Kristal akan mengalami vibrasi sehingga timbul frekuensi ultra; begitu pula vibrasi Kristal akan menimbulkan arus listrik.

 Gelombang diterima dalam bentuk akuistik (gelombang pantul) sehingga fungsi kristal disini adalah untuk mengubah gelombang tersebut menjadi gelombang elektronik yang dapat dibaca oleh komputer sehingga dapat diterjemahkan dalam bentuk gambar.

Gambar 3.1 Probe Tansduser

Transduser Ultrasonik

Transduser adalah adalah piranti yang dapat mengubah suatu bentuk energi kedalam bentuk energi lain. Transduser ultrasonik untuk merubah suatu sinyal listrik kedalam energi suara ultra yang dapat dipancarkan kedalam jaringan, mengubah energi ultrasonik yang dipantulkan kembali dari jaringan/materi ke dalam sinyal listrik. Pada sistem elektronik, gelombang ultrasonik dapat dibangkitkan melalui kristal tipis yang bersifat piezoelektrik terbuat dari bahan alami kuarsa, garam rochelle, tourmaline atau bahan piezoelektrik buatan, misalnya: Barium Titanate, Lead Circonate-titanate, Lead Metaniobate. Bahan tersebut bersifat seperti kapasitor dengan konstanta dielektrik tertentu yang memiliki perbedaan muatan listrik dalam lapisannya.

      Penggunaan gaya perubahan bentuk atau tegangan pada kristal asimetris akan menciptakan suatu tegangan listrik, fonemena ini disebut dengan efek piezoelektrik. Ketika transduser piezoelektrik berfungsi sebagai pemancar (transmitter) akan mengubah energi listrik menjadi energi mekanis (efek piezoelektrik terbalik), dan bila sebagai penerima (receiver) maka akan mengubah energi mekanis menjadi energi listrik (efek piezoelektrik). Untuk membangkitkan gelombang ultrasonik, bahan tersebut digetarkan oleh rangkaian osilator.

Pola radiasi yang dipancarkan melalui tranduser yang berada didepan nya tergantung pada diameter transduser dan panjang gelombangnya sehingga transduser yang sama dapat memiliki pola radiasi yang berlainan jika medium yang dilalui juga berlainan.  Pola radiasi suatu transduser ultrasonik merupakan gabungan antara gelombang bidang datar (bergerak hanya ke satu arah) dan gelombang bola  seperti ditunjukkan gambar 3.  

    

Terlihat bahwa dari permukaan ransduser sampai jarak tertentu yang disebut medan dekat, gelombang ultrasonik  yang dipancarkan merupakan gelombang bidang datar. Panjang medan dekat ini dihitung dengan persamaan:

dengan D adalah diameter transduser  dan  adalah panjang gelombang yang dipancarkan. Intensitas gelombang ultrasonik yang diradiasikan dalam suatu medium akan mengalami proses atenuasi (pelemahan). Proses ini disebabkan oleh penyebaran gelombang dan absorbsi (penyerapan) gelombang.

b.      Monitor

Monitor adalah layar yang digunakan untuk menampilkan bentuk gambar dari hasil pengolahan data komputer.

 Monitor yang digunakan  pada awal penemuan USG masih berupa layar tabung besar yang terpisah dari mesin USG. Perkembangan teknologi yang terus berkembang pesat membawa kemajuan pada teknologi monitor. Kalau pada awal penemuan memakai layar tabung yang besar kini sudah menggunakan layar kecil dan tipis. Awal penemuan USG layar monitor masih hitam putih sekarang sudah berwarna. Layar monitor sekarang juga menjadi satu dengan alat USG sehingga bentuk USG lebih terlihat kecil.

Gambar 3.2 Monitor USG

c.       Mesin USG

Mesin USG merupakan bagian dari USG berfungsi mengolah data yang diterima dalam bentuk gelombang dan mengubah gelombang menjadi gambar. Mesin USG merupakan pusat pengolah data seperti  central processor unit (CPU) pada komputer. Mesin USG sangat mempengaruhi hasil pencitraan USG. Semakin baik CPU yang dipakai pada mesin akan semakin baik  dan  cepat  hasil yang ditayangkan  di layar monitor USG. Kemajuan teknologi juga mempengaruhi perkembangan bentuk mesin USG. Awal penemuan mesin USG masih berbentuk sangat besar dan berat  sehingga sulit untuk dipindah-dipindahkan, sekarang ukuran mesin USG sudah sangat kecil.

APLIKASI USG

Melihat fungsi dan cara kerja USG, dapat dikatakan bahwa kinerja USG identik dengan scanner secara umum yang membedakan hanyalah data yang diterima, USG menerima data berupa gelombang sedangkan scanner menerima data berupa barang 

Kamus mendefinisikan USG sebagai energi yang dihasilkan oleh gelombang suara 20,000 atau lebih getaran per detik. USG menggunakan gelombang suara yang jauh di atas frekuensi, yang telinga manusia dapat diartikan. Operasi yang didasarkan pada teknologi dari transduser memancarkan gelombang suara, yang menembus tubuh manusia tanpa risiko.Memasuki tubuh, gelombang ini perjumpaan tulang dan berbagai organ dalam. Gelombang frekuensi tinggi ini kemudian dipantulkan kembali dari organ-organ dan jaringan membentuk tubuh internal gambar pada layar bagian dari sumber. Sifat refleksi memungkinkan dokter untuk mengidentifikasi jenis jaringan.

Penemuan USG telah menjadi tengara dalam sejarah medis. Ini telah terbukti menjadi batu loncatan yang luas terhadap penelitian medis. USG telah membantu penelitian medis dalam memperoleh suatu pemahaman fungsi tubuh manusia. Sejarah dari penemuan kembali ke zaman Perang Dunia II. Studi radar dan sonar itu adalah pendahulu untuk pengembangan perangkat USG.

Nama dua ilmuwan menonjol dalam huruf tebal dalam sejarah USG dan pencitraan medis. Yang pertama adalah bahwa dari Dokter Karl Theodore Dussik dari Austria. Dokter Karl melakukan penelitian tentang investigasi USG transmisi otak. Berdasarkan temuan-temuannya, ia menerbitkan makalah pertama ultrasonik medis pada tahun 1942. Nama kedua adalah, tentu saja, terkenal di dunia. Itu adalah Profesor Ian Donald dari Skotlandia yang mengembangkan teknologi dan aplikasi praktis untuk USG pada 1950-an. USG pertama kali diuji oleh dia pada tahun 1957 dan setahun kemudian, fungsinya telah diuji pada wanita hamil.

Aplikasi yang paling luas dari teknik ini adalah penggunaannya dalam sonografi untuk menghasilkan gambar janin dalam rahim manusia. USG Kebidanan membantu untuk memeriksa kesehatan anak yang belum lahir. Ini membantu dalam mengevaluasi usia kehamilan, janin kelangsungan hidup dan pertumbuhan, lokasi plasenta dan di atas semua memeriksa kelainan fisik yang besar. USG memiliki berbagai keuntungan lain juga. Jaringan lunak pencitraan dari banyak bagian tubuh dilakukan dengan USG. Jantung, ginjal, hati dan kantong empedu scan sangat umum days.Ultrasound ini dapat digunakan untuk mencari tumor dan menganalisis struktur tulang. Teknik Doppler mesin ini membantu untuk memvisualisasikan arteri dan vena dan dengan demikian, memonitor aliran darah dalam setiap organ. Hal ini semakin sering digunakan dalam trauma dan pertolongan pertama kasus juga.

Kemajuan dalam penelitian ilmiah telah menyebabkan kemajuan dalam perangkat USG. Prinsip dasar tetap sama, perangkat medis baru bernama CAVITRON telah dibuat pada tahun 1980. Perangkat ini memiliki potensi untuk menghancurkan tumor dalam tubuh. Satu hal yang pasti. Penemuan-penemuan semacam itu tidak dapat dianggap sebagai prestasi tunggal ketika mereka bermanfaat bagi kemanusiaan secara keseluruhan.