Fisika Dasar

Judi Januadi Endjun

Divisi Kedokteran Feto Maternal Departemen Obstetri dan Ginekologi

RSPAD Gatot Soebroto Ditkesad / FK UPN Veteran – Jakarta 2009

Fisika Suara Suara merupakan suatu energi gelombang mekanis yang berupa getaran-getaran partikel yang berjalan melalui suatu media perantara, misalnya udara. Telinga manusia dapat mendengar suara bila gelombang suara tersebut mempunyai frekuensi 20–20.000 siklus per detik (Hertz). Gelombang suara yang datang akan menggetarkan gendang telinga kemudian impuls getaran tersebut dihantarkan ke indera dan pusat pendengaran.

Ultrasound atau suara ultra adalah gelombang suara berfrekuensi lebih dari 20.000 Hz. Kebanyakan peralatan diagnostik dalam kedokteran memakai frekuensi 1–10 MHz (1 MHz = 1.000.000 siklus/detik). Gelombang suara yang melalui medium menyebabkan partikel yang ada di dalam medium bergerak maju mundur secara longitudinal sehingga terjadi pemadatan (kompresi) dan peregangan partikel yang berdekatan. Jarak antara dua kelompok partikel yang memadat dan meregang disebut panjang gelombang (λ = lamda).

Panjang gelombang menentukan resolusi gambar USG. Makin pendek gelombang suara resolusinya makin baik. Saat ini, umumnya mesin USG yang ada memiliki λ antara 0,1–1,5 mm. Kecepatan suara ditentukan oleh kepadatan dan kompresibilitas media yang dilaluinya. Makin padat maka makin cepat kecepatan suaranya. Terdapat korelasi antara kecepatan suara (v = m/detik), frekuensi (f = Hertz), dan panjang gelombang (λ = meter) dengan rumus: v = f.λ Jaringan tubuh memiliki kecepatan suara yang berbeda-beda, misalnya udara 330 m/detik, lemak 1500 m/detik, air 1495 m/detik, otot 1545–1630 m/detik, jaringan lunak 1460–1615 m/detik, dan tulang 2700–4100 m/detik. Tulang

Agenda bahasan pada bab Fisika Dasar terdiri dari : • Fisika suara • Transduser • Interaksi suara dengan jaringan • Keamanan pemeriksaan USG • Tampilan gambar • Artefak

2

memiliki kecepatan hantaran gelombang suara tertinggi karena merupakan jaringan tubuh yang paling padat.

Selain itu, perlu diperhatikan intensitas suara. Hal ini berkaitan dengan keamanan pemakaian USG. Intensitas suara adalah kekuatan suara per luas daerah tertentu (watt/cm2). Intensitas suara yang dipergunakan di kedokteran sangat kecil (milliwatt/cm2) dan biasanya tidak ditulis dalam bentuk absolut, tetapi dalam bentuk rasio (nisbah) dari dua intensitas suara, terutama dalam bentuk logaritmanya (dB). Makin tinggi intensitas suara yang dipergunakan, makin besar paparan energi yang diterima oleh sel, dan makin berbahaya bagi sel atau jaringan tersebut.

Gambar 2.1. Gelombang suara ( λ )

Transduser Transduser merupakan bagian terpenting dari peralatan USG karena dari alat ini suara ultra dihasilkan melalui zat yang bersifat piezoelectric. Suatu benda dikatakan mempunyai sifat piezoelectric apabila ketika bergetar akan menghasilkan listrik. Bila benda tersebut diberi aliran listrik kemudian bergetar maka disebut bersifat piezoelectric terbalik.

Suatu kristal alami yang disebut quartz mempunyai sifat piezoelectric dan pertama kali dipergunakan untuk menghasilkan suara ultra. Saat ini quartz telah digantikan oleh keramik sintetik, misalnya barium titanate dan lead zirconate titanate yang mempunyai kemampuan bergetar lebih baik dari quartz.

Di dalam sebuah transduser bisa terdapat lebih dari 64 buah elemen kristal piezo (tebalnya kurang dari 1 mm) yang tersusun berderet-deret. Elemen tersebut berfungsi menghasilkan getaran suara-ultra dan menangkap getaran gema suara yang kembali yang kemudian diubah menjadi impuls listrik dan diubah ke dalam bentuk gambar di layar monitor. Bentuk penjejak yang paling sering dijumpai dalam bidang diagnostik suara-ultra adalah yang yang memiliki eleman ganda (multi-element transducer array) yang sanggup menghasilkan gambar USG real-time. Alat untuk melakukan pemeriksaan USG yang langsung bersentuhan dengan tubuh pasien adalah transduser dan tersedia di pasaran dalam bentuk linear, kurvilinear, atau sektor.

Dalam bidang obstetri dan ginekologi, transduser yang sering dipergunakan adalah bentuk kurvilinear dan bulat atau sektor (untuk pemeriksaan

3

transvaginal). Bentuk linear masih dapat dipergunakan untuk USG obstetri dengan kehamilan di atas 12 minggu. Transduser transrektal hanya dipergunakan pada keadaan tertentu. Contoh transduser kurvilinear dapat dilihat pada Gambar 2.2

Gambar 2.2. Transduser Philips kurvilinear 2D dan 3D (Sumber : RSPAD Gatot Soebroto Ditkesad)

Interaksi Suara dengan Jaringan Gelombang suara yang melalui jaringan akan mengalami interaksi sehingga terjadi atenuasi (pelemahan intensitas suara) yang disebabkan oleh adanya pembiasan/penyimpangan berkas suara (divergensi), penyerapan energi suara (absorbsi), dan pantulan suara (defleksi). Energi yang diserap oleh jaringan akan menyebabkan peningkatan suhu jaringan. Makin tinggi frekuensi suara makin besar absorbsinya, makin banyak energi yang diserap jaringan makin sedikit suara yang dapat diteruskan. Oleh karena itu, untuk melihat organ tubuh yang terletak jauh dari transduser, diperlukan peralatan USG dengan frekuensi kurang dari 3 MHz, sedangkan untuk organ superfisial dipakai transduser dengan frekuensi tinggi, misalnya 7–10 Mhz.

Jumlah gelombang suara yang diabsorbsi juga tergantung pada kepadatan dan kekakuan jaringan yang dilewati. Makin padat dan kaku jaringan yang dilewati makin besar absorbsinya, misalnya tulang menyerap suara kira-kira 10 kali lebih besar dibanding jaringan lunak.

4

Pantulan gelombang suara dapat berupa scattering atau reflection. Scattering terjadi bila dimensi permukaan medium yang dikenai berukuran sama besar atau lebih kecil dari panjang gelombang suara yang datang yang kemudian suara akan dipantulkan ke berbagai arah. Reflection terjadi bila dimensi permukaan medium yang dikenai lebih besar dari panjang gelombang suara yang datang.

Selain itu, bila suatu gelombang suara mengenai batas antara dua media maka sebagian dari gema suara tersebut akan dipantulkan dan sebagian lagi akan diteruskan/dibiaskan. Besarnya gema suara yang dipantulkan tergantung pada perbedaan acoustic impedances dari kedua medium tersebut. Acoustic impedance adalah tahanan yang diberikan oleh suatu jaringan terhadap suara yang melewatinya.

Acoustic impedance (z) tergantung pada densitas (p) dan kecepatan suara (v) sehingga diperoleh rumus: z = p.v. Makin besar perbedaan acoustic impedance dua buah jaringan yang dilewati gema suara maka makin banyak suara yang dipantulkan. Udara mempunyai nilai z : 0,00004 (sangat kecil), dibandingkan jaringan lemak (z : 1,63), otot (z : 1,70) atau tulang (z : 7,80). Akibatnya hampir semua gema suara dari dan ke jaringan tertentu yang melewati udara akan dipantulkan sehingga hanya sedikit sekali gema suara yang akan diteruskan.

Agar gambar yang tampak pada layar monitor menjadi jelas, gelombang suara yang dipantulkan harus makin sedikit. Ada beberapa cara untuk mengurangi pantulan suara. Salah satu caranya dengan memberikan bahan perangkai (coupling agent), misalnya jeli atau aquasonic di antara permukaan kulit dan transduser. Cara-cara yang lain adalah membuat kandung kemih terisi cukup penuh sehingga kandung kemih tersebut berfungsi sebagai jendela akustik (acoustic window) untuk melihat organ pelvik di bawahnya atau dengan cara menggerakkan/mengubah posisi transduser agar tidak melewati gelembung udara yang berada di dalam usus atau tulang yang menghalangi organ atau jaringan di bawahnya.

Keamanan Pemeriksaan USG Gelombang suara ultra yang dipergunakan dalam bidang diagnostik kedokteran memiliki energi yang sangat kecil ( kurang dari 20 milliwatt per sentimeter persegi) sehingga sampai kini tidak ada bukti klinis yang menyatakan bahwa gelombang suara ultra tersebut berbahaya bagi janin. Meskipun demikian, ada prinsip umum yang harus diikuti yaitu lakukan pemeriksaan sesuai dengan kaidah-kaidah yang telah ditentukan dimana pemeriksa sudah kompeten didalam pemeriksaan USG. AIUM (American Institute of Ultrasound in Medicine) memberikan panduan dalam melakukan pemeriksaan USG diagnostik dan menyatakan bahwa USG aman dipergunakan dalam pemeriksaan obstetri dan ginekologi oleh mereka yang memiliki pengetahuan dan keterampilan yang memadai (kompeten). Meskipun alat ini aman, tetapi seorang Sonografer atau Sonologist haruslah orang yang berkompetensi dalam bidang pencitraan ini, artinya yang bersangkutan telah memiliki pengetahuan dan keterampilan yang memadai

5

dalam melakukan pemeriksaan USG obstetri dan ginekologi dan dibuktikan dengan Sertifikat Kompetensi yang dimilikinya. Pendidikan dan pelatihan USG perlu dilakukan secara berkala dan berkesinambungan untuk memelihara dan meningkatkan pengetahuan, keterampilan dan etika, mencegah malpraktek, dan melindungi pasien dari oknum-oknum yang tidak berkompeten dalam pemeriksaan USG. Pada tabel 2.1. di bawah ini dicantumkan beberapa hasil penelitian mengenai kemungkinan dampak negatif pemeriksaan USG terhadap janin.

Tabel 2.1. Penelitian Pengaruh USG Terhadap Janin Intra Uteri

Peneliti Tipe Penelitian

Jumlah Peserta Hasil Penelitian

Bernstine (1969)

Retrospektif 720 neonatus terpapar Doppler in utero

Tidak terdapat perbedaan bermakna kejadian anomali.

Hellman dkk (1970)

Retrospektif 1114 janin Angka kejadian anomali 2,7%

Serr dkk (1971)

Retrospektif 150 neonatus Tidak terdapat perbedaan kejadian anomali

Falus dkk (1972)

Retrospektif 171 neonatus Tidak terdapat perbedaan bermakna gangguan perkembangan anak usia 6 bulan hingga 3 tahun

Scheidt dkk (1978)

Retrospektif dan pengamatan lanjut

297 USG dan amnio-sentesis; 661 amnio-sentesis; 949 tanpa pemeriksaan

Abnormalitas reflek mencengkram dan tonus leher; tidak ada perbedaan pada 122 orang lainnya

Kinnier-Wilson dan Waterhause (1984)

Retrospektif 1731 ibu yang memiliki anak meninggal karena kanker; 1731 orang kelompok kontrol.

Tidak terdapat perbedaan terhadap paparan USG.

Cartwright dkk (1984)

Retrospektif 555 anak penderita kanker; 1110 orang kelompok kontrol

Tidak ada perbedaan bermakna risiko terkena kanker akibat paparan USG

Bakketeig dkk (1984)

Retrospektif 510 USG; 499 kontrol Tidak ada efek samping biologis jangka pendek

Stark dkk (1984)

Retrospektif dan pengamatan lanjut

425 USG; 381 kontrol Risiko disleksia meningkat, tetapi risiko kelainan neurologi lainnya tidak berbeda.

Lyons dkk (1988)

Retrospektif dan pengamatan lanjut

149 keturunan dengan jenis kelamin sama; 1 terpapar, 1 tidak terpapar

Tidak terdapat perbedaan pertumbuhan saat lahir dan pada usia 6 tahun

Sumber : Reece EA, Assimakopoulos E, Zheng X, et al. The Safety of Obstetric Ultrasonography : concern for the fetus. Obstet Gynecol. 1990;76:139-146.

6

Meskipun berbagai penelitian menyatakan bahwa pemeriksaan USG aman bagi janin (lihat Tabel 2.1), indikasi medis yang jelas tetap merupakan suatu keharusan yang harus ditaati oleh setiap pemeriksa. Selain pengetahuan tentang anatomi dan fisiologi, seorang sonografer atau sonologist harus juga mengenali artefak yang dapat terjadi pada saat pemeriksaan USG. Artefak tersebut dapat membuat salah interpretasi atau menyulitkan dalam penegakkan suatu diagnosis sonografis. Tampilan Gambar Peralatan utama pada mesin USG terdiri dari layar monitor, pusat pengolahan data utama (CPU : central processing unit) dan bidai untuk memasukkan perintah (keyboard). Tampilan gambar pada layar monitor dapat berupa ampiltudo (A), brightness (B), time-motion (T-M), dan Doppler. Tampilan Amplitudo saat ini sudah tidak dipergunakan lagi dalam bidang obstetri ginekologi. Tampilan brightness saat ini sudah merupakan gambaran yang nyata (real-time), artinya yang kita lihat adalah yang juga sedang diperiksa, misalnya pada waktu janin bergerak, maka pada saat yang sama kita juga dapat melihat pada layar monitor bayi yang sedang bergerak.

Gambar 2.3. Gambaran profil wajah janin pada tampilan B-mode. Pada gambar ini dapat diamati pergerakan kepala atau mulut janin

Pada pemeriksaan time-motion atau lebih sering disebut “M-mode” dapat dilihat suatu grafik pergerakan yang berhubungan dengan keteraturan dan satuan waktu, misalnya dari pergerakan katup jantung dapat diukur berapa frekuensi denyut jantung janin dalam satu menit dan dapat dilihat apakah teratur atau tidak. Selain itu, dapat juga diukur ketebalan dinding jantung janin, serta patologi yang ada pada jantung dan daerah sekitarnya.

7

Gambar 2.4. Pada gambaran M-mode tampak denyut jantung janin divisualisasikan dalam bentuk gambar sehingga mudah dinilai ada tidaknya

aritmia

Tampilan Doppler memungkinkan kita melihat denyut pembuluh darah, arah aliran darah (memakai doppler berwarna) dan melakukan kalkulasi kecepatan aliran darah dalam pembuluh darah (velositas).

Gambar 2.5. Pada pemeriksaan Doppler berwarna tampak pembuluh darah aorta keluar dari ventrikel kiri (lihat warna kuning)

8

Gambar 2.6. Pengukuran indeks resistensi (RI) dengan Power Doppler pada neoplasma ovarium

Semakin tinggi frekuensi gelombang suara, maka semakin pendek gelombang suara yang dipergunakan, sehingga gambar yang dihasilkan lebih jelas dan rinci (memiliki resolusi tinggi). Kebalikannya bila semakin tinggi frekuensi yang dipergunakan, maka kedalaman penetrasi gelombang suara semakin rendah (dangkal), artinya untuk pemeriksaan organ superfisial atau yang dekat dengan probe lebih baik memakai frekuensi tinggi (> 5 MHz), misalnya USG transvaginal atau payudara.

Ketajaman gambar juga dipengaruhi oleh fokus. Fokus dapat diatur melalui mesin USG oleh operator, fokus ditempatkan pada daerah yang akan diamati. Khusus untuk pemeriksaan jantung janin hanya dipergunakan satu fokus saja, sedangkan untuk organ lainnya cukup dua buah fokus. Semakin banyak fokus yang dipergunakan, semakin banyak energi yang dipakai, sehingga gambar USG semakin tidak tegas gambarannya.

Ketajaman gambar dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu frekuensi, fokus, resolusi aksial, resolusi lateral, artefak, dan resolusi near-field / far-field.

9

Gambar 2.7. Penempatan fokus pada gambar pengukuran tibia terlalu atas, sedangkan pada pengukuran femur fokusnya terlalu rendah

Resolusi aksial dan lateral juga mempengaruhi ketajaman gambar. Resolusi aksial adalah kemampuan untuk membedakan dua titik pada daerah yang tegak lurus dengan transduser. Resolusi lateral adalah kemampuan untuk membedakan dua titik pada daerah horizontal (lateral) terhadap transduser. Selain itu, ketajaman gambar juga dipengaruhi oleh adanya artefak.

Artefak Bagaimana terjadinya artefak sangat penting untuk diketahui dan dipahami sehingga sonografer/sonologist akan mampu meminimalisasikankan kesalahan interpretasi diagnostik yang mungkin terjadi. Beberapa artefak yang penting dan sering terjadi pada pemeriksaan USG antara lain : 1. Kelompok Propagasi a. Reverberasi

Reverberasi berupa gambaran gema yang tersusun berlapis-lapis sejajar. Hal ini disebabkan karena gema suara-ultra terpantul berulang-ulang antara penjejak dan suatu reflektor yang kuat.

10

Gambar 2.8. Reverberasi pada permukaan dalam dinding kista ovarium (lihat tanda panah)

b. Refraksi Refraksi terjadi oleh karena adanya reflektor yang kuat yang bertindak sebagai refracting boundary dari suara yang datang sehingga suatu benda tidak pada tempat yang sebenarnya. Contohnya gambaran double image pada tulang kepala yang menyerupai spalding sign.

c. Multipath

Multipath seperti pada artefak refraksi, tetapi suara yang datang dan dipantulkan berulang-ulang oleh setidaknya dua reflektor akan menyebabkan terlihatnya suatu benda dengan jarak yang lebih jauh dari keadaan sebenarnya.

d. Bayangan Cermin

Bayangan cermin adalah terlihatnya benda yang sebenarnya berada di hadapan benda yang terlihat. Misalnya suatu massa anekhoik yang ada di dalam hepar akan tampak seperti terletak di atas diafragma. Di sini diafragma bertindak sebagai reflektor yang kuat terhadap suara yang datang dan memantulkannya ke tempat lain.

e. Side Lobe dan Grating Lobe

Side lobe dan grating lobe tampak berupa gema-gema tambahan di daerah tepi suatu reflektor yang kuat. Hal ini terjadi karena adanya suara-ultra tambahan yang dipancarkan oleh transduser di samping berkas suara-ultra utama.

f. Beam-width Artifact

Gejala ini terjadi karena berkas suara-ultra lebar sehingga suatu titik reflektor dapat terekam oleh beberapa elemen transduser sehingga terlihat menjadi

11

suatu garis pendek. Pada keadaan lain bila berkas suara-ultra terlampau lebar sehingga sebagian mengenai objek yang diperiksa dan sebagian lagi mengenai jaringan di sekitarnya, maka gema-gema dari jaringan di sekitarnya dapat terekam seakan-akan berada di dalam objek (fill-in artifact).

2. Kelompok Atenuasi a. Bayangan Akustik (shadowing)

Bayangan akustik adalah pengurangan atau hilangnya intensitas suara di belakang suatu massa padat. Hal ini disebabkan oleh adanya atenuasi dan defleksi.

Gambar 2.9. Artefak bayangan akustik (dari potongan AKDR) IUD = intra uterine device

b. Enhancement

Enhancement adalah peningkatan intensitas gema yang terjadi di belakang suatu massa kistik.

c. Refraction (Edge) Shadowing

Refraction (edge) shadowing yaitu terlihat adanya pelemahan suara berupa shadowing dari tepi suatu massa nonekhoik yang bertindak sebagai lensa cembung.

d. Focal Enhancement atau Focal Banding

Focal enhancement atau focal banding bisa terjadi di tempat dimana suara yang datang di suatu tempat (misalnya near gain) lebih banyak dari tempat lain (misalnya far gain).

12

3. Kelompok Resolusi a. Resolusi Aksial dan Lateral

Resolusi adalah kemampuan alat USG untuk membedakan dua titik yang berdekatan sebagai terpisah dan tidak bersatu.

b. Acoustic Speckle

Acoustic Speckle merupakan pantulan gema yang tersebar yang merupakan efek intervensi dari sebaran suara yang mengenai jaringan.

c. Section Thickness

Section thickness merupakan akibat dari datangnya suara (beam width) yang tegak lurus dengan suatu benda. Misalnya terlihatnya seperti debris atau penebalan dinding dari suatu kista.

4. Lain-lain a. Commet-tail

Commet-tail merupakan contoh dari enhancement lokal yang merupakan kumpulan gema yang menyerupai short range reverberation. Biasanya terlihat di belakang diafragma.

b. Ring-down

Ring-down menyerupai gambaran commet-tail, tetapi asalnya adalah resonansi suara akibat melewati gelembung gas (di dalam usus atau kandung empedu).

c. Speed Error

Speed error adalah gambaran suatu benda ketika terlihat lebih dekat atau lebih jauh dari keadaan yang sebenarnya akibat perbedaan kecepatan suara.

d. Range Ambiguity

Gambarannya menyerupai speed error, tetapi ini disebabkan oleh kesalahan dalam pengiriman suara gema. Pulsa dikirim sebelum menerima gema suara yang dipantulkan kembali.

Kepustakaan 1. Chudleigh P, Pearce Malcolm. “Basic physics and ultrasound machine”.

Dalam: Obstetrics Ultrasound: How, Why and When, 1st Ed. Churchil Livingstone, London, 1992:247-286.

2. Wijayanegara H, Wirakusumah FF, Mose JC, Sukarya WS. Kursus Dasar

Ultrasonografi dan Kardiotokografi. Bagian/SMF Obstetri dan Ginekologi FK Universitas Padjadjaran, RSUP dr, Hasan Sadikin, Bandung, 2000.

13

3. Reece EA, Assimakopoulos E, Zheng X dkk. The Safety of Obstetrics

Ultrasonography : concern for the fetus. Obstet Gynecol.1990;76:139-146. 4. Pribadi A. Fisika Dasar Ultrasonografi. Dalam : Buku Ajar Ultrasonografi

Dasar Obstetri dan. Editor : Johanes C Mose dkk. Bagian/ UPF Obstetri dan Ginekologi FK Universitas Padjadjaran, 2006:1-13.