aplikasi gelombang ultrasonik pada usg toraks

II. PEMBAHASAN

Gelombang ultrasonik didefinisikan sebagai gelombang bunyi yang memiliki frekuensi diatas batas pendengaran manusia, atau lebih dari 20.000 Hz. Spektrum akustik dibagi dalam tiga daerah frekuensi ditunjukan pada gambar dibawah ini:

Ultrasonik merambat dalam bentuk gelombang, sama dengan merambatnya cahaya, tapi tidak seperti gelombang cahaya yang dapat merambat dalam ruang hampa udara (vacuum),  gelombang ultrasonik memerlukan medium untuk merambat seperti pada medium udara, cair dan padat.

Energi gelombang suara berkurang sepanjang perambatannya dari sumbernya. Karena gelombang suara menyebar keluar dalam bidang yang lebar, energinya tersebar kedalam area yang luas. Fenomena tersebut dikenal sebagai atenuasi. Gelombang suara audio akan merambat lebih jauh dan lebih lebar dari ultrasonik dengan energi yang sama, karena panjang gelombang audio lebih panjang dari panjang gelombang ultrasonik. Dengan alasan tersebut, gelombang ultrasonik lebih terarah dari sumbernya daripada gelombang audio yang mempunyai frekuensi yang lebih rendah.

Gelombang ultrasonik memiliki sifat yang sama dengan gelombang audio, tetapi memiliki panjang gelombang yang lebih pendek. Artinya gelombang ultrasonik dapat di refleksikan oleh permukaan yang kecil, seperti kerusakan didalam sebuah material. Karena sifatnya tersebut menjadikan gelombang ultrasonik sangat berguna untuk pengujian tak merusak untuk material.

Gelombang ultrasonik adalah gelombang yang timbul akibat getaran mekanik dengan frekuensi diatas batas ambang pendengaran manusia yakni diatas 20 kHz. Gelombang ultrasonik merambat dalam dua bagian.  Jika gelombang bolak-balik terjadi terus menerus secara periodik maka akan menghasilkan deretan gelombang periodik dimana pada setiap gerak periodik, partikel-partikel yang berada pada titik-titik yang sama pada gelombang tersebut akan berada dalam fase yang sama.

Sedangkan toraksdalah daerah pada tubuh manusia (atau hewan) yang berada di antara leher dan perut (abdomen). Toraks dapat didefinisikan sebagai area yang dibatasi di superior oleh thoracic inlet dan inferior oleh thoracic outlet; dengan batas luar adalah dinding toraks yang disusun oleh vertebra torakal, iga-iga, sternum, otot, dan jaringan ikat.Sedangkan rongga toraks dibatasi oleh diafragma dengan rongga abdomen. RonggaToraks dapat dibagi kedalam dua bagian utama, yaitu : paru-paru (kiri dan kanan).

Ultrasonografi (USG) toraks merupakan salah satu imaging diagnostik ( pencitraan diagnostik) untuk pemeriksaan alat alat dalam tubuh manusia, diman kita dapat mempelajari bentuk, ukuran anatomis, gerakan serta hubungan dengan jaringan sekitarnya di daerah toraks menggunakan gelombang ultrasonik. Ultrasonik dengan frekwensi lebih tinggi daripada kemampuan pendengaran telinga manusia, sehingga kita tidak bisa mendengarnya sama sekali. Suara yang dapat didengar manusia mempunyai frekwensi antara 20 – 20.000 Cpd (Cicles per detik- Hertz). Sedangkan dalam pemeriksaan USG ini menggunakan frekwensi 1- 10 MHz ( 1- 10 juta Hz) yaitu tergoling dalam gelombang ultrasonik. Namun yang digunakan pada umumnya adalah 3,5 MHz, 5 MHz, serta 7,5 MHz. Penggunaan 3,5 Mhz atau lebih untuk USG perabdominam dan 5 Mhz atau lebih untuk USG pervaginam. Sebelum membahas lebih jauh tentang USG, sebelumnya kita perlu mengetahui definisi dari gelombang ultrasonic itu sendiri. Gelombang ultrasonik adalah suara atau getaran dengan frekuensi yang terlalu tinggi untuk bias didengar oleh manusia, yaitu kira-kira diatas 20 kilohertz. Dalam hal ini gelombang ultrasonik merupakan gelombang diatas frekuensi suara. Gelombang ultrasonik dapat merambat dalam medium padat, cair dan gas. Reflektifitas dari gelombang ultrasonik ini dipermukaan cairan hampir sama dengan permukaan padat, tetapi pada tekstil dan busa dapat didengar, bersifat langsung dan mudah difokuskan. Kelebihan gelombang ultrsonik yang tidak dapat didengar, bersifat langsung dan mudah difokuskan. Jarak suatu benda yang memanfaatkan delay gelombang pantul dan gelombang datang seperti padasistem radar dan deteksi gerakan oleh sensor pada robot atau hewan.

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. Cara kerja USG adalah memantulkan gelombang suara dan menerima kembali gelombang suara yang telah dipantulkan setelah terkena suatu obyek. Obyek disini berupa organ tubuh.  Transduser yang digunakan terdiri dari transduser penghasil gambar dua dimensi atau tiga dimensi. Seperti inilah hingga USG berkembang sedemikian rupa hingga saat ini.

Adapun skema cara kerja dari USG yang memanfaatkan gelombang ultrasonik adalah sebagai berikut.

1.      Transducer

Transduser adalah komponen USG yang ditempelkan pada bagian tubuh yang akan diperiksa, seperti dinding perut atau dinding poros usus besar pada pemeriksaan prostat. Di dalam transduser terdapat kristal yang digunakan untuk menangkap pantulan gelombang yang disalurkan oleh transduser. Gelombang yang diterima masih dalam bentuk gelombang akusitik (gelombang pantulan) sehingga fungsi kristal disini adalah untuk mengubah gelombang tersebut menjadi gelombang elektronik yang dapat dibaca oleh komputer sehingga dapat diterjemahkan dalam bentuk gambar. 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.

Transduser ultrasonik terbuat dari material piezoeletrik, yaitu terbuat dari material quartz (SiO₃) ataubarium titanat (BaTiO₃) yang akan menghasilkan medan listrik pada saat material berubah bentuk atau dimensinya sebagai akibat gaya mekanik. Fenomena tersebut dikenal dengan efek piezoelektrik.

Sensor pizoelektrik terdiri dan bagian seperti housing, clip-type spring, crystal, dan seismic mass. Prinsipnya yakni ketika frekuensi energi akustikyang dipantulkan diterapkan, akan clip-type spring yang terhubung dengan seismik mass akan menekan crystal, karena energi akustik tersebut dirtai oleh gaya luar sehingga crystal akan mengalami ekspansi dan kontraksi pada frekuensi tersebut. Ekspansi dan lontraksi tersebut mengakibatkan lapisan tipis antara crystal dengan housing akan bergetar. Getaran dan crystal tersebut akan menghasilkan sinyal berupa tegangan yang nantinya akan diteruskan ke prosesor. Bahan piezoelektrik yang digunakan pada transduser ultrasonik mengubah sinyal listrik menjadi getaran mekanik dan mengubah kembali getaran mekanik menjadi energi listrik. Elemen aktif adalah inti dari transduser yang mengubah energi listrik menjadi energi suara dan sebaliknya. Elemen aktif pada transduser ultrasonik biasanya adalah sebuah material terpolarisasi (yaitu beberapa bagian molekul bermuatan positif dan sebagian yang lain bermuatan negatif) dengan elektroda-elektroda yang menempel pada dua sisi yang berlawanan. Pada saat medan listrik melewati material, molekul yang terpolarisasi akan menyesuaikan dengan medan listrik, dihasilkan dipole yang terinduksi dengan molekul atau struktur kristal materi. Penyesuaian molekul akan mengakibatkan material berubah dimensi. Fenomena tersebut dikenal dengan electrostriction.

Komponen utama dalam sebuah transduser ultrasonik adalah elemen aktif, backing dan wear plate.

·         Elemen aktif

Elemen aktif terbuat dari elemen piezo atau ferroelectric, yang mengubah energi listrik yang dihasilkan oleh pembangkit pulsa menjadi energi ultrasonik. Kebanyakan material yang sering digunakan adalah keramik yang terpolarisasi, seperti material quartz (SiO₂) atau barium titanate (BaTiO₃) yang akan menghasilkan medan listrik material berubah dimensinya akibat gaya mekanik. Fenomena tersebut dinamakan efek piezoelektrik.

·         Backing

Backing biasanya mempunyai penguatan yang tinggi, material yang mempunyai kerapatan yang sangat tinggi digunakan untuk mengontrol getaran dari transduser dengan menyerap radiasi energi dari bagian belakang elemen.

·         Wear plate

Untuk transduser tipe kontak wear plate berfungsi untuk melindungi bagian elemen aktif, serta sebagai medium yang kontak langsung dengan material yang akan diuji. Pengujian dengan menggunakan ultrasonik berdasarkan pada perubahan waktu deformasi atau getaran pada material, umumnya dikenal dengan akustik. Semua unsur materi tersusun atas atom-atom dapat diberi gaya oleh gerakan vibrasi pada posisi kesetimbangannya. Pada padatan, gelombang suara dapat merambat dalam empat prinsip mode yang berdasarkan bagaimana partikel berosilasi. Suara dapat merambat sebagai gelombang longitudinal dan gelombang transversal dan tentu hal ini berbeda dengan gelombang cahaya.

Intensitas berarti mengukur kekuatan gelombang bunyi. Jika terdapat suatu bidang datar imajiner tegak lurus gelombang bunyi, maka daya (P) menyatakan laju besarnya energi gelombang yang melewati bidang. Intensitas didefinisikan sebagai besarnya daya persatuan luas penampang dinyatakan dalam satuan watt/m².

Intensitas gelombang suara menurun dengan jarak dari sumber suara, yang terjadi pada semua fenomena gelombang. Penurunan ini adalah gabungan dari dua efek.  Pertama adalah hukum inversekuadrat atau divergensi sferis dimana intensitas turun 6 dB tiap dua kali jarak. Hal tersebut biasa untuk semua fenomena gelombang tanpa memperhatikan frekuensi. Kedua adalah efek yang menyebabkan intensitas menurun adalah penyerapan gelombang oleh udara. Efek penyerapan berbeda dengan kelembaban dan kandungan debu pada udara dan yang paling penting, efek penyerapan tersebut bervariasi dengan frekuensi gelombang. Penyerapan pada frekuensi 20 kHz sekitar 0.02dB/30 cm. Pada frekuensi yang lebih rendah cocok untuk daerah jangkauan panjang. Tentunya, pemilihan frekuensi yang lebih rendah akan menghasilkan arah yang kurang.

Peralatan USG kebanyakan sudah disesuaikan dengan organ yang akan diperiksa, sehingga gambaran yang dihasilkan lebih baik. Ada tiga jenis transducer yang digunakan dalam pemeriksaan USG toraks yaitu :

1. Linear array transducer, bentuk gelombang lurus dengan frekuensi tinggi 7,5-10 MHz untuk pemeriksaan organ yang lebih dangkal terutama struktur dari leher, empiema, efusi peura, massa pleura atau subpleura. Adapun bentuk transduser dan arah gelombang ultrasoniknya ditunjukkan pada gambar 1 dan 2.

Gambar 1.

Gambar 2

2. Curved array transducer, bentuk gelombang melebar dengan frekuensi rendah sehingga menghasilkan lapangan pandang yang luas danlebih dalam. Transducer ini sangat baik digunakan untuk pemeriksaan paru, efusi pleura, strukturperut dan gambaran paru dari arah perut. . Adapun bentuk transduser dan arah gelombang ultrasoniknya ditunjukkan pada gambar 1 dan 2.

Gambar 1.

Gambar 2

3. Phased array transducer, bentuk gelombang paling sempit dan dalam dengan frekuensi 2-5MHz. Transducer ini paling baik digunakan untuk pemeriksaan atelektasis paru, komplikasi efusi pleura dan jantung dari sela-sela iga. Selanjutnya transduser akanmeneruskannya ke amplifier berupa gelombang listrik, kemudian gelombang tersebut ditangkap oleh CRT (osiloskop).

Adapun bentuk transduser dan arah gelombang ultrasoniknya ditunjukkan pada gambar 1 dan 2.

Gambar 1.

Gambar 2

2.      Monitor

Monitor yang digunakan dalam USG. 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. Contoh monitor dapat dilihat pada gambar.

Gambaran yang diperoleh CRT tergantung teknik scanning yang digunakan. Ada 3 metode teknik scanning, yaitu A scanning, B scanning danM scanning.

·         A Scanning (Amplliitude Scanniing)

Ultrasonik dari transdusermencapai dinding b kemudian dipantulkan ke dinding

a dan diterima transduser lagi. Scanning ini digunakan untuk diagnosis tumor

otak (echo encephalography), penyakit mata misalnya bentuk kornea, lensa, tumor retina dll.

·         B Scanning ((Bright Scaning))

3.      Mesin USG

Mesin USG Doppler memanfaatkan efek Doppler, sebuah efek yang memantulkan gelombang suara untuk mengevaluasi darah yang bergerak melalui pembuluh darah. Dokter akan mengetahui apakah aliran darah normal sepanjang vena utama dan arteri dari kaki, lengan dan leher. Dokter juga dapet mendeteksi jika ada penyumbatan atau aliran darah mengalir ke arteri utama yang menyempit. Misalnya, jika penyumbatan atau penyempitan terdeteksi di leher, pasien bisa berisiko terkena  stroke. Jika pembekuan darah ada di pembuluh darah kaki, pasien bisa berisiko terkena  Deep Vein Thrombosis (DVT).

Ketika mesin ini bekerja, sebuah transduser (alat yang mengubah satu bentuk daya menjadi bentuk daya lainnya) yang berupa alat genggam, akan bersentuhan dengan sepanjang kulit di sepanjang pembuluh darah. Transduser mengirim dan menerima gelombang suara yang diperkuat melalui mikrofon. Gelombang suara akan dipantulkan dari satu bahan padat ke bahan padat lainnya di dalam tubuh, termasuk  sel-sel darah.

Perubahan pada pitch dari gelombang suara yang dipantulkan atau efek Doppler akan berlangsung melalui pergerakan sel darah. Pitch tidak akan berubah jika aliran darah tidak ada atau tidak cukup. Komputer lalu memproses gelombang suara yang dipantulkan dan menghasilkan gambar dan grafik yang akan menunjukkan aliran darah melalui pembuluh. Hasilnya akan disimpan untuk proses perbandingan dan evaluasi nantinya. 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. Penggunaan radiologi untuk pemeriksaan toraks dibandingkan USG toraks lebih menguntungkan terutama untuk pasien-pasien gawat darurat. Gambar mesin USG dapat dilihat pada gambar.

Jenis pemeriksaan USG

Pemeriksaan USG toraks berkembang sesuai dengan perkembangan teknologi. Jenis pemeriksaan USG juga berkembang sejalan dengan perkembangan teknologi yang ada. Pemeriksaan USG awalnya hanya ada satu jenis pemeriksaan yang dihasilkan akan tetapi karena kebutuhan akan hasil yang lebih baik dan didukung pula oleh kemajuan teknologi jenis pemeriksaan USG dapat bermacam-macam. Jenis pemeriksaan yang baru dikembangkan dari teknologi awal penemuan USG.

Perkembangan dari satu jenis menjadi empat jenis seperti yang ada sekarang disesuaikan dengan kebutuhan pemeriksa dan kemampuan pasien. Teknologi yang baik membutuhkan biaya lebih mahal dibandingkan dengan teknologi biasa. Jenis-jenis pemeriksaan USG toraks yaitu :

1. Ultrasonografi dua dimensi

Menampilkan gambar dua bidang (memanjang dan melintang). Kualitas gambar yang dihasilkan cukup baik, sebagian besar keadaan organ dapat ditampilkan.

2. Ultrasonografi tiga dimensi

Alat USG ini menampilkan tambahan satu bidang gambar lagi yang disebut koronal. Gambar yang ditampilkan mirip aslinya. Permukaan suatu benda dapat dilihat dengan jelas dan dapat dilihat dari posisi yang berbeda. Ini memungkinkan karena gambar dapat diputar.

3. Ultrasonografi empat dimensi

Ultrasonografi empat dimensi hanya istilah untuk USG tiga dimensi yang dapat bergerak. Gambar yang diambil dari USG tiga dimensi tidak dapat bergerak sementara pada USG empat dimensi gambarnya dapat bergerak seperti keadaan

sebenarnya.

4. Ultrasonografi Doppler

Pemeriksaan USG yang mengutamakan pengukuran aliran darah, baik di arteri maupun di vena, juga dapat menentukan kelenjar limfe.