GELOMBANG PADA ULTRASONIK MEDIK

Arif Jauhari


A. Pendahuluan
Ultrasonografi (USG) merupakan salah satu sarana penunjang dalam pemeriksaan kedokteran yang dapat mendeteksi berbagai kelainan di dalam tubuh manusia yang memanfaatkan kegunaan gelombang ultrasound. Yang dimaksud dengan gelombang ultrasound adalah yaitu gelombang suara berfrekuensi tinggi di atas ambang batas pendengaran manusia. Pemeriksaan dalam bidang kedokteran yang memanfaatkan kegunaan ultrasound yaitu yang mempunyai frekuensi 1-10 MHz. jauh lebih tinggi dari batas pendengaran manusia yang hanya 20-20.000 Hz.

B. Gelombang Suara
Suara merupakan suatu perjalanan energi dari gelombang energi mekanik yang melalui suatu medium. Gelombang mekanik ini merupakan getaran dari partikel-partikel di dalam suatu medium. Dalam perjalanannya, suara memerlukan medium tertentu. Suara yang didengar oleh manusia merupakan getaran udara yang menyebabkan perubahan tekanan pada selaput pendengaran manusia akibat dari perjalanan gelombang mekanik melalui udara. Gelombang udara yang melewati suatu medium akan menyebabkan perubahan-perubahan partikel dalam medium tersebut dan bergerak secara longitudinal. Gerakan ini menyebabkan terjadinya pemadatan dan perenggangan dari partikel-partikel yang berdekatan. Jarak antara dua kelompok partikel yang memadat (compression) dan merenggang (rarefaction) disebut panjang gelombang (lamda). Panjang gelombang pada modalitas USG sangat penting peranannya karena menentukan resolusi alat tersebut. Pada umumnya panjang gelombang dari modalitas USG pada bidang medis berkisar antara 0,1-1,5 mm. Struktur partikel yang terdapat pada medium akan menentukan kecepatan, karakteristik gelombang dan perpindahan gelombang mekanik. Pergerakan getaran gelombang terhadap jarak dapat digambarkan berupa kurva sinusoidal gelombang.

C. Parameter Gelombang Suara
Gelombang suara dapat merambat (secara cepat atau perlahan) karena adanya perbedaan dorongan yang kuat yang disebut variable gelombang. Gelombang ini membawa energi yang tidak bermuatan, dari satu tempat ke tempat lain. Ini adalah suatu bukti adanya gelombang. Gelombang ini merambat karena adanya perbedaan tekanan yang disebut juga dengan variabel akustik (acustic variable). Variabel ini termasuk pressure, densitas, temperatur, dan gerakan partikel. Partikel adalah bagian kecil yang menembus medium pada perjalanan gelombang. Tidak seperti halnya gelombang cahaya dan gelombang radio, gelombang suara memerlukan medium untuk menembus dalam perjalanannya. Gelombang suara tidak bisa melewati atau menembus ruang yang hampa udara (vacuum). Gelombang suara adalah gelombang longitudinal yang gerakan partikelnya maju-mundur sejajar dengan arah rambat gelombang.
Seperti halnya semua gelombang, gelombang bunyi juga dapat dijelaskan dengan beberapa parameter, diantaranya frekuensi, periode, panjang gelombang, cepat rambat, amplitudo dan intensitas. Frekuensi, periode, amplitudo dan intensitas dipengaruhi oleh sumber suara, sedangkan cepat rambat dipengaruhi oleh medium. Dan panjang gelombang dipengaruhi oleh keduanya yaitu sumber suara dan medium.
Perhatikan sekali lagi, bahwa perbedaan perjalanan frekuensi suara tergambar dari berapa banyak siklus gelombang yang terjadi secara lengkap dari variable akustik dalam satu detik. Sebagai contoh tekanan dari variabel akustik yang mulai dari nilai normal lalu bertambah nilainya sampai maksimum lantas kembali ke normal lalu menurun pada nilai minimum dan bergerak kembali ke normal. Jadi dapat di gambarkan bahwa tekanan (pressure) dari variabel akustik itu adalah siklus yang lengkap. Arah gelombang suara berjalan dari beberapa titik dengan siklus yang terus-menerus, sehingga kesimpulannya jumlah waktu yang diperlukan untuk terjadinya gelombang dalam satu detik disebut frekuensi. Sedangkan untuk parameter dalam gelombang suara dan pencitraan diagnostik ultrasonik adalah terdiri dari:
1. Frekuensi
Frekuensi menyatakan banyaknya gelombang yang terjadi dalam satu detik. Satuan dari frekuensi adalah Hertz (Hz) dan Megahertz (MHz). 1 Hertz adalah 1 siklus per detik atau satu gelombang sempurna dalam satu detik. 1 Megahertz adalah 1.000.000 Hz. Suara dengan frekuensi 20.000 Hz atau lebih disebut suara ultra (ultrasound) karena rentang frekuensi tersebut di luar jangkauan pendengaran manusia. Sama halnya dengan cahaya ultra violet yang berbentuk frekuensi tinggi (di luar kemampuan penglihatan manusia). Frekuensi ini sangat menentukan resolusi citra dan kedalaman intensitas.
2. Periode
Adalah waktu yang diperlukan untuk membentuk satu gelombang sempurna, satuannya adalah detik. Periode ditentukan oleh sumber suara dan bukan oleh medium yang dilaluinya. Periode berbanding terbalik dengan frekuensi, periode kan meningkat atau bertambah bila frekuensinya menurun.
3. Panjang Gelombang
Menyatakan jarak satu siklus gelombang dalam satuan panjang, besarnya dipengaruhi oleh cepat rambat gelombang pada medium dan frekuensinya satuannya dalam meter.

4. Cepat Rambat Gelombang
Adalah kecepatan gelombang suara ketika berjalan menembus medium. Kecepatannya dipengaruhi oleh sifat dan kerapatan medium yang dilaluinya dan dinyatakan dalam meter per detik (m/detik). Pada medium yang sama cepat rambat gelombang akan sama walaupun frekuensinya berbeda.
Nilai ini mudah diidentifikasi pada rentang variable akustik karena ada nilai maksimum. Dengan kecepatan ini, nilai maksimum bergerak melewati medium sehingga disebut juga cepat rambat gelombang. Jadi cepat rambat gelombang tergantung pada medium tetapi tidak bergantung pada frekuensi. Rumusnya panjang gelombang dibagi cepat rambat gelombang dikali frekuensi.

λ = c/f (1)

Sebagai contoh hubungan antara frekuensi, panjang gelombang, cepat rambat gelombang bisa dilihat perbandingannya pada gbr.2.2. 2.4 dan 2.5. Yang termasuk satuan cepat rambat gelombang adalah meter per detik (m/s) dan millimeter per microsecond (mm/µs). 1 milimeter per microsecond sama dengan 1000 m/s. Jadi jika panjang gelombangnya pendek maka frekuensinya akan meningkat.
Cepat rambat gGelombang dapat merambat pada medium dengan densitas dan kekenyalan (stiffnes). Densitas atau kerapatan adalah medium yang mempunyai konsentrasi (massa per volume), sedangkan kekenyalan adalah kebalikan darinya. Cepat rambat gelombang meningkat jika kekenyalan juga meningkat atau jika densitas menurun. Sebagai ilustrasi, cepat rambat kuningan lebih rendah daripada aluminium walaupun rata-rata densitasnya hampir sama.
Secara umum, cepat rambat gelombang pada gas rendah, cepat rambat gelombang melewati cairan tinggi, dan cepat rambat gelombang pada jaringan solid lebih tinggi. Maka cepat rambat gelombang tidak ditentukan oleh densitas tetapi dari peningkatan kekenyalan. Sebab kekenyalan medium berbeda akan dengan densitas. Rerata cepat rambat gelombang pada soft tissue (jaringan lunak) adalah 1540 m/s atau 1.54 mm/µs. Nilai khusus pada jaringan ini dapat dilihat pada table 2.2. Contoh, dalam paru-paru (berisi gas) cepat rambat gelombangnya sangat rendah di bandingkan jaringan lunak lainnya (yang secara umum dalam rentang 0,3-1,2 mm/µs). Cepat rambat gelombang pada tulang (massa solid) lebih tinggi dari jaringan lunak yang berkisar antara 2-4 mm/µs. Nilai cepat rambat gelombang jaringan, untuk lemak kira-kira 1,44 mm/µs yang pengaruhnya sangat rendah dibanding rerata jaringan lainnya. Cepat rambat gelombang menjadi penting sebab digunakan sebagai alat menampilkan pencitraan.
5. Impedansi
Satuan impedansi adalah rayl. Impedansi dipengaruhi oleh densitas dan kekenyalan medium. Impedansi meningkat jika densitas juga meningkat atau jika kekenyalan meningkat. Diingatkan kembali, bahwa cepat rambat gelombang juga tergantung pada densitas atau kekenyalan, tetapi caranya saja yang berbeda. Impedansi tidak tergantung frekuensi, dan nilai impedansi diperoleh dengan mengalikan kerapatan medium dengan cepat rambat gelombang pada medium tersebut

6. Amplitudo
Amplitudo adalah besarnya nilai maksimum puncak gelombang atau lembah gelombang dalam nilai mutlak. Satuannya adalah amplitudo

7. Intensitas
Intensitas adalah kekuatan gelombang dibagi luas energi yang terpancar dan dinyatakan dalam Watt/cm².
Satuan dari luas area berkas adalah centimeter persegi (cm²), sedangkan satuan intensitasnya adalah watt per centimeter persegi (W/cm²). Intensitas adalah parameter penting yang menggambarkan produksi getaran suara dan sebagai alat penerima diagnostik. Jadi intensitas itu menerangkan banyaknya energi gelombang yang dipancarkan. Daya gelombang yang menembus organ itu berhubungan dengan kuat pancaran gelombang. Besarnya intensitas berbanding lurus dengan daya gelombang dan berbanding terbalik dengan kuadrat panjang gelombang.

Amplitudo dan intensitas mempunyai nilai yang tetap pada tiap-tiap pulsanya. Ketika terjadi intensitas puncak pada tiap pulsanya, maka hal itu disebut intensitas puncak semu. Sedangkan intensitas di atas rerata durasi pulsa disebut pulsa intensitas rerata.
8. Atenuasi
Atenuasi terjadi sebelum pantulan (refleksi) dari gelombang suara. Penting untuk memahami atenuasi sebab harus dapat dimanfaatkan untuk alat atau instrumentasi diagnostik.
Medium seperti jaringan (tissue) akan menurunkan amplitudo dan intensitas ketika suara menembusnya. Reduksi amplitudo dan intensitas gelombang dalam perjalanannya melewati medium disebut atenuasi. Peristiwa yang terjadi pada atenuasi ini terdiri dari absorpsi, refleksi dan scattering. Adapun satuan dari atenuasi adalah decibels (dB). Sedangkan koefisiensi atenuasi adalah atenuasi yang terjadi per satuan panjang gelombang yang satuannya decibels per centimeter ( dB/cm )

Attenuation (dB) = attenuation coefficient (dB/cm) x path length (2)

Bila koefisiensi atenuasi meningkat maka frekuensi akan meningkat pula. Setiap jaringan mempunyai koefisiensi atenuasi yang berbeda. Koefisiensi ini menyatakan besarnya atenuasi per satuan panjang, yaitu semakin tinggi frekuensi yang digunakan maka semakin tinggi koefisiensi atenuasinya.
Secara sederhana, jaringan lunak hampir sama atau di atas rata-rata 1 dB atenuasi per centimeter untuk tiap frekuensi. Oleh karena itu rerata koefisiensi atenuasi dalam decibels per centimeter untuk jaringan lunak adalah sebanding dengan frekuensi dalam MHz. Untuk menghitung atenuasi dalam decibels hanya perlu mengalikan frekuensi dalam megahertz (hasilnya mendekati/sebanding dengan koefisiensi atenuasi dalam dB/cm)
9. Velositas
Velositas adalah kecepatan gelombang yang bergerak melewati medium (cepat rambat dalam medium). Velositas ditentukan oleh karakteristik medium dan kerapatannya. Sedangkan gelombang yang berbeda frekuensi pada saat melewati medium yang sama maka velositasnya akan sama. Tetapi gelombang yang frekuensinya sama bila melalui medium yang berbeda maka velositasnya berbeda.
Velositas dipengaruhi oleh daya penekanan medium (compressibility). Velositas berbanding terbalik dengan daya penekanan medium. Tapi kerapatan berbanding terbalik dengan daya penekanan medium.

D. Pulsa Ultrasound
Dalam ultrasound digunakan dua pulsa yaitu Continous Wave (CW) dan Pulse Wave (PW). Untuk USG diagnostik, Continous Wave ( CW ) biasanya tidak digunakan tetapi yang digunakan adalah Pulse Wave (PW). Pulsa wave digunakan karena memproduksi pulsa elektrik pada transduser. Pulse Wave (PW) mempunyai beberapa parameter yaitu:
1. Pulse Repetition Frequency (PRF)
Adalah jumlah pulsa dalam satu detik satuannya Hz/detik dalam satu pulsa dapat terdiri lebih dari satu gelombang.

2. Pulse Repetition Period (PRP)
Menunjukan waktu dimulainya sebuah gelombang sampai terjadinya pulsa yang berikutnya. Besarnya PRP berbanding terbalik dengan PRF.

3. Durasi Pulsa
Satuannya dalam detik. Menyatakan waktu yang diperlukan untuk membentuk satu pulsa. Besarnya durasi ditentukan oleh jumlah gelombang dalam satu pulsa dan periode masing-masing gelombang.

4. Spatial Pulse Length (SPL)
Merupakan jarak yang ditempuh oleh satu pulsa per satuan panjang, selain di pengaruhi oleh pulsa gelombang, SPL juga dipengaruhi oleh sifat medium besarnya SPL dapat di cari dengan perkalian antara jumlah gelombang dalam pulsa dengan panjang gelombang.

5. Faktor Duty (Duty Factor)
Adalah ratio antara pulsa durasi dan pulsa repetition periode dalam menghasilkan suatu pulsa dengan persamaan