karakterisasi sinyal akustik untuk mendeteksi...
TRANSCRIPT
UNIVERSITAS INDONESIA
KARAKTERISASI SINYAL AKUSTIK UNTUK MENDETEKSI KEABNORMALAN JARINGAN TUBUH MENGGUNAKAN
ULTRASONIK
SKRIPSI
NENI WAHYUNI YATARIF 0304020523
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM PROGRAM STUDI FISIKA
DEPOK DESEMBER 2008
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
UNIVERSITAS INDONESIA
KARAKTERISASI SINYAL AKUSTIK UNTUK MENDETEKSI KEABNORMALAN JARINGAN TUBUH MENGGUNAKAN
ULTRASONIK
SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana
NENI WAHYUNI YATARIF 0304020523
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM PROGRAM STUDI FISIKA
PEMINATAN FISIKA MEDIS DEPOK
DESEMBER 2008
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS
Skripsi adalah hasil karya saya sendiri,
dan semua sumber baik yang dikutip maupun dirujuk
telah saya nyatakan dengan benar.
Nama : Neni Wahyuni Yatarif
NPM : 0304020523
Tanda Tangan :
Tanggal : 4 Desember 2008
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi ini diajukan oleh : Nama : Neni Wahyuni Yatarif NPM : 0304020523 Program Studi : Fisika Medis Judul Skripsi : Karakterisasi Sinyal Akustik Untuk Mendeteksi
Keabnormalan Jaringan Tubuh Menggunakan Ultrasonik
Telah berhasil dipertahankan di hadapan Dewan Penguji dan diterima sebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana Science pada Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Indonesia
DEWAN PENGUJI
Pembimbing : Dr. Warsito ( )
Pembimbing : Dwi seno Kuncoro, M.Si ( )
Penguji : Prof. Dr. Djarwani S. S. ( )
Penguji : : Dr. Prawito ( )
Penguji : Dr. Eng. Supriyanto Suparno ( )
Ditetapkan di : Depok
Tanggal : 4 Desember 2008
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
”Maha suci Engkau, tidak ada yang kami ketahui selain dari apa yang telah
Engkau ajarkan kepada kami ; Sesungguhnya Engkaulah yang Maha mengetahui
lagi Maha Bijaksana.”
[ Al Baqoroh : 32 ]
”Yang telah menciptakan tujuh langit berlapis-lapis, kamu sekali-kali tidak
melihat pada ciptaan Tuhan yang Maha Pemurah sesuatu yang tidak seimbang.
Maka lihatlah berulang-ulang. Adakah kamu lihat sesuatu yang tidak seimbang?”
[ Al Mulk : 3 ]
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
KATA PENGANTAR
Assalamu’alaikum Wr. Wb
Puji syukur kehadirat Allah S.W.T yang telah memberikan segala
kenikmatan dan anugrah terutama nikmat keimanan dan waktu untuk terus
memperbaiki diri, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini sesuai
rencana. Shalawat dan salam penulis sampaikan kepada teladan sepanjang zaman
Rasululah saw beserta para keluarga dan sahabatnya. Skripsi ini diajukan sebagai
salah satu syarat mencapai gelar sarjana S1 di Departemen Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Indonesia.
Telah banyak tenaga dan pikiran yang penulis curahkan untuk
menyelesaikan skripsi ini. Banyak kesulitan teknis maupun non teknis yang
ditemui selama pengerjaan, namun berkat jasa orang-orang di sekitar penulis
maka skripsi ini dapat diselesaikan. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis
menyampaikan terimakasih yang setulus-tulusnya kepada :
1. Dr. Warsito Purwotaruno selaku dosen pembimbing I dan direktur CTECH
Centre for Tomography Research (tempat dilaksanakannya penelitian ini)
yang telah memberi ilmu dan bantuan dengan penuh kesabaran di kala
waktunya yang begitu padat serta mengajarkan kepada penulis tentang arti
ketekunan.
2. Dwi Seno Kuncoro, M.Si selaku dosen pembimbing II atas ilmu,
semangat, dan arahannya kepada penulis.
3. Prof. Dr. Djarwani S. S. selaku penguji I dan ketua Peminatan Fisika
Medis yang telah mengenalkan penulis kepada dunia fisika medis dan atas
semangat beliau untuk menjadi mahasiswa yang berkarya. Dr. Prawito
selaku penguji II dan Dr. Eng. Supriyanto Suparno selaku penguji III atas
saran dan kritiknya sebelum penulis melaksanakan sidang.
4. Seluruh dosen dan staf Fisika UI yang telah memberi ilmu yang
bermanfaat selama penulis menjadi mahasiswa Fisika UI.
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
5. Pihak Edwar Technology terutama Dr. Edi S. selaku Dirut yang telah
banyak membantu dalam memperoleh data yang penulis butuhkan.
6. Kedua orang tuaku, mama dan bapak yang telah menanamkan cinta sejati
dan memberi bekal abadi pada buah hati mereka.
7. Kedua adikku, Nina dan Ridwan yang sangat istimewa karena tumbuh
dalam kecerdasan spiritual.
8. Kakakku Teti Suhaeti atas persaudaraan yang sangat indah selama ini.
9. Saudara-saudaraku, Ayu FT UI 2004, Retno FKM UI 2002, Nur Sejarah
UNJ 2002, Lusi FIK 2004, Habibah, Candra, dan Atikah MIPA 2004, Lia,
Dian, Rahmah, dan Sri Fisika UI 2005 yang memberi ruh semangat bagi
penulis.
10. Keluarga Ustadz Budi Azhari, Lc dan mba Alfi Zulhidayati yang tak
pernah bosan memberi ilmu berharganya bagi perubahan hidup penulis.
11. Keluarga Ibu Iyus Rusnani yang telah memberikan tempat tinggal dan
pelajaran hidup selama penulis menyusun skripsi.
12. Sahabat seperjuanganku yang sholeh dan sholehah, Elfira Wirza, Syamsul
Ma’arif, Ahmad Novian Rahman Hakim, Marlin Ramadhan Baidillah, dan
Sugiharto. Mereka para pejuang di Edwar Technology yang telah memberi
sejuk dalam gersang selama penulisan skripsi.
13. Teman-teman Fisika Medis 2004, Ira, Elly, Saad, Dewi, Syamsul, Vian,
Maulana, Aris, Wahyu, Wamid, Iim, dan Andes yang telah memberi warna
dalam kuliah-kuliah kita yang menyenangkan.
14. Seluruh rekan-rekan Fisika 2004 atas pelajaran berharga dan
kebersamaannya selama di masa perkuliahan.
Penulis hanya dapat berdoa semoga semua kebaikan yang telah diberikan
kepada penulis mendapat pahala berlipat dari Allah S.W.T. Dan dengan
kerendahan hati, penulis mengharapkan semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat.
Terimakasih.
Wassalamu’alaikum Wr. Wb.
Tangerang, November 2008
Penulis
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Sebagai sivitas akademik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan di
bawah ini :
Nama : Neni Wahyuni Yatarif
NPM : 0304020523
Program Studi : Fisika Medis
Departemen : Fisika
Fakultas : Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Jenis Karya : Skripsi
demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada
Universitas Indonesia Hak Bebas Royalti Noneksklusif (Non-exclusive Royalty
Free-Free Right) atas skripsi saya yang berjudul :
Karakterisasi Sinyal Akustik Untuk Mendeteksi Keabnormalan Jaringan Tubuh
Menggunakan Ultrasonik
beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti
Noneksklusif ini Universitas Indonesia berhak menyimpan,
mengalihmedia/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database),
merawat, dan memublikasikan tugas akhir saya selama tetap mencantumkan nama
saya sebagaipenulis/pencipta dan sebagai pemiliki Hak Cipta.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenar-benarnya.
Dibuat di : Depok
Pada tanggal : 4 Desember 2008
Yang menyatakan
(Neni Wahyuni Yatarif)
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
ABSTRAK
Nama : Neni Wahyuni Yatarif
Program Studi : Fisika Medis
Judul : Karakterisasi Sinyal Akustik Untuk Mendeteksi Keabnormalan Jaringan Tubuh Menggunakan Ultrasonik
Munculnya keabnormalan pada tubuh manusia perlu diketahui sedini mungkin untuk mempercepat proses terapi dan mempertinggi kesempatan sembuh. Informasi penting tentang anatomik fungsional jaringan tubuh, sebagai hadirnya kanker atau jaringan abnormal pada tubuh dapat diperoleh menggunakan karakterisasi parameter fisika pancaran ultrasonik pada jaringan tubuh seperti intensitas. Karakter sinyal akustik untuk mendeteksi jaringan abnormal diukur menggunakan metode pulsa. Pada penelitian ini, karakterisasi sinyal akustik diperoleh dengan simulasi menggunakan software Comsol Multiphysics 3.4 dan eksperimen menggunakan ultrasonik. Uji kasus secara simulasi dilakukan untuk mencari parameter optimal dalam diagnosis dengan impedansi akustik dan ukuran jaringan abnormal yang berbeda. Hasilnya menunjukkan ada perbedaan echo antara jaringan normal dan jaringan abnormal. Hubungan intensitas echo berbanding lurus dengan impedansi akustik jaringan abnormal dan ukuran jaringan abnormal. Noise yang terdapat pada sinyal dapat direduksi menggunakan wavelet.
Kata kunci :
Sinyal akustik, ultrasonik, ultrasonik untuk diagnostik, COMSOL Multiphysics
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
ABSTRACT
Name : Neni Wahyuni Yatarif
Study Program: Medical Physics
Title : Characterization Acoustic Signal for Detection Abnormal Tissue Using Ultrasonic
The appearances of abnormality in human body need to be known as early as possible to accelerate the process of therapy and enhance the opportunity to recover from illness. Important information about anatomic functionality of tissues as indication of cancer presence or abnormal tissue can be obtained using physical parameters characterization of ultrasound propagation in tissues such as intensity. Acoustic signal character for detection of abnormalities can be measured by pulse method. In this work, acoustic signal characterization is obtained by using simulation from software Comsol Multiphysics 3.4 and by experiment of ultrasonic. Simulation had been done to find optimum parameter for diagnosis on different acoustic impedancse and sizes of abnormal tissue. The results showed the differences in echos of normal tissue from abnormal tissue. This concludes that intensity echo is proportional with acoustic impedance and size of the abnormal tissue. Noise from the signal can be reduced by wavelet.
Key word :
Acoustic signal, ultrasonic, ultrasonic for diagnostic, COMSOL Multiphysics
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
DAFTAR ISI
halaman HALAMAN JUDUL ............................................................................................... i HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ................................................... ii HALAMAN PENGESAHAN ................................................................................ iii KATA PENGANTAR ........................................................................................... v HALAMAN PERSETUJUAN .............................................................................. vii ABSTRAK ........................................................................................................... viii DAFTAR ISI .......................................................................................................... x DAFTAR TABEL ................................................................................................. xii DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... xiii DAFTAR GRAFIK ............................................................................................. xvii DAFTAR LAMPIRAN ...................................................................................... xviii BAB I : PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ...................................................................................... 1 1.2 Perumusan Masalah .............................................................................. 3 1.3 Tujuan Penelitian .................................................................................. 3 1.4 Manfaat Penelitian ................................................................................ 4 1.5 Batasan Penelitian ................................................................................. 4 1.6 Metode Penelitian................................................................................... 5 1.7 Sistematika Penulisan ............................................................................ 5
BAB 2 : TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sejarah Teknologi Ultrasonik untuk Diagnosis ...................................... 7 2.2 Perkembangan Penelitian Interaksi Ultrasonik dengan Jaringan Tubuh 10
BAB 3 : LANDASAN TEORI 3.1 Pendahuluan Gelombang Ultrasonik ................................................... 13 3.1.1 Pengertian Gelombang Akustik dan Ultrasonik ................... 13 3.1.2 Perambatan Gelombang Ultrasonik ..................................... 14
3.2 Karakteristik Gelombang Ultrasonik .................................................. 17 3.2.1 Panjang Gelombang, Frekuensi, dan Kecepatan .................. 17
3.2.2 Energi dan Intensitas ............................................................ 19 3.3 Interaksi Gelombang Ultrasonik dengan Materi ................................. 21
3.3.1 Impedansi Akustik ............................................................... 22 3.3.2 Atenuasi ............................................................................... 22 3.3.3 Refraksi................................................................................ 23 3.3.4 Hamburan ............................................................................ 24 3.3.5 Refleksi ................................................................................ 25
3.4 Prinsip Ultrasonik ................................................................................ 27 3.4.1 Transduser ............................................................................ 27 3.4.2 Prinsip Kerja Ultrasonik ....................................................... 30 3.4.3 A-Mode ................................................................................. 31
BAB 4 : SIMULASI DAN EKSPERIMEN
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
4.1 Simulasi Ultrasonik 2 Dimensi ............................................................ 32 4.1.1 Preprocessing ......................................................................... 33 4.1.2 Processing .............................................................................. 37 4.1.3 Postprocessing ....................................................................... 37 4.1.4 Deskripsi Kasus ..................................................................... 37
4.2 Denoising dengan Wavelet ................................................................... 38 4.3 Eksperimen ........................................................................................... 39
4.3.1 Deskripsi Alat dan Bahan ...................................................... 39 4.3.2 Metode Pengukuran ............................................................... 41 4.3.3 Prinsip Kerja .......................................................................... 41
BAB 5 : HASIL DAN ANALISIS 5.1 Hasil dan Analisis Simulasi .................................................................. 44
5.1.1 Simulasi 1 ............................................................................. 44 5.1.2 Simulasi 2 ............................................................................. 45 5.1.3 Simulasi 3 ............................................................................. 46 5.1.4 Simulasi 4 ............................................................................. 50 5.1.5 Simulasi 5 ............................................................................. 53 5.1.6 Simulasi 6 ............................................................................. 57 5.1.7 Simulasi 7 ............................................................................. 59
5.2 Hasil dan Analisis Eksperimen ........................................................... 63 5.2.1 Pengaruh Jaringan Abnormal ............................................... 63 5.2.2 Perbandingan Hasil Eksperimen dengan Simulasi ............... 64
BAB 6 : PENUTUP 6.1 Kesimpulan .......................................................................................... 66 6.2 Saran .................................................................................................... 66 DAFTAR REFERENSI ...................................................................................... 67 LAMPIRAN .......................................................................................................... 71
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
DAFTAR TABEL
halaman
Tabel 2.1 Perkembangan teknologi ultrasonik ...................................................... 10
Tabel 3.1 Densitas dan kecepatan suara dalam berbagai medium ........................ 18
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
DAFTAR GAMBAR
halaman
Gambar 1.1. Prevalensi jenis kanker di Indonesia ................................................. 1
Gambar 3.1. Pembagian rentang frekuensi gelombang akustik ............................ 13
Gambar 3.2 Gelombang longitudinal .................................................................... 14
Gambar 3.3 Gaya yang terjadi ketika gelombang suara merambat ...................... 15
Gambar 3.4 Pemindahan elemen selama gelombang suara merambat ................. 15
Gambar 3.5 Interaksi ultrasonik dalam medium dengan impedansi akustik yang berbeda .................................................................................................................. 22
Gambar 3.6 Interaksi dengan medium yang menyababkan atenuasi .................... 23
Gambar 3.7 Refraksi ............................................................................................. 24
Gambar 3.8.a Hamburan pada batas dua medium................................................. 25
Gambar 3.8.a Hamburan pada medium heterogen ................................................ 25
Gambar 3.9 Transmisi dan refleksi ....................................................................... 26
Gambar 3.10 Transduser ....................................................................................... 27
Gambar 3.11 Efek piezoelektrik ........................................................................... 28
Gambar 3.12 Bandwidth ....................................................................................... 30
Gambar 3.12 Sistem pulsa echo ultrasonik ........................................................... 30
Gambar 3.13 A-mode ............................................................................................ 31
Gambar 4.1 Langkah simulasi menggunakan COMSOL Multiphysics................ 33
Gambar 4.2 Geometri jaringan normal ................................................................. 34
Gambar 4.3 Geometri jaringan abnormal.............................................................. 34
Gambar 4.4 Label nomor subdomain .................................................................... 35
Gambar 4.5 Kondisi batas ..................................................................................... 36
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Gambar 4.6 Tampilan finite element mesh ........................................................... 37
Gambar 4.7 Pulser generator ................................................................................ 39
Gambar 4.8 Osiloskop ........................................................................................... 40
Gambar 4.9 Transduser ........................................................................................ 40 Gambar 4.10 Medium I : agar-agar dan hati sapi.................................................. 40
Gambar 4.11 Contact scanning ............................................................................. 41
Gambar 4.12.a Perambatan gelombang ultrasonik pada medium I ...................... 42
Gambar 4.12.b Perambatan gelombang ultrasonik pada medium II ..................... 42
Gambar 5.1.a Snapshoot COMSOL jaringan normal ........................................... 44
Gambar 5.1.b Snapshoot COMSOL jaringan abnormal ....................................... 44
Gambar 5.2.a Sinyal jaringan normal ................................................................... 45
Gambar 5.2.b Sinyal jaringan abnormal ............................................................... 45
Gambar 5.3.a Sinyal jaringan abnormal dengan frekuensi 1 MHz ....................... 47
Gambar 5.3.b Sinyal jaringan abnormal dengan frekuensi 2 MHz ....................... 47
Gambar 5.3.c Sinyal jaringan abnormal dengan frekuensi 3 MHz ....................... 47
Gambar 5.3.d Sinyal jaringan abnormal dengan frekuensi 4 MHz ....................... 47
Gambar 5.3.e Sinyal jaringan abnormal dengan frekuensi 5 MHz ....................... 47
Gambar 5.3.f Sinyal jaringan abnormal dengan frekuensi 6 MHz ....................... 47
Gambar 5.4.a Sinyal dengan bandwidth 1 MHz ................................................... 49
Gambar 5.4.b Sinyal dengan bandwidth 1,4 MHz ................................................ 49
Gambar 5.4.c Sinyal dengan bandwidth 1,8 MHz ................................................ 49
Gambar 5.4.d Sinyal dengan bandwidth 2,2 MHz ................................................ 49
Gambar 5.4.e Sinyal dengan bandwidth 2,6 MHz ................................................ 49
Gambar 5.4.f Sinyal dengan bandwidth 3 MHz .................................................... 49
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Gambar 5.5.a Pulsa ultrasonik bandwidth 1,4 MHz ............................................. 50
Gambar 5.5.b Pulsa ultrasonik bandwidth 1,8 MHz ............................................. 50
Gambar 5.6.a Sinyal dengan kecepatan ultrasonik jaringan abnormal 1700 m/s . 51
Gambar 5.6.b Sinyal dengan kecepatan ultrasonik jaringan abnormal 1900 m/s . 51
Gambar 5.6.c Sinyal dengan kecepatan ultrasonik jaringan abnormal 2000 m/s . 51
Gambar 5.6.d Sinyal dengan kecepatan ultrasonik jaringan abnormal 2100 m/s . 52
Gambar 5.6.e Sinyal dengan kecepatan ultrasonik jaringan abnormal 2200 m/s . 52
Gambar 5.6.f Sinyal dengan kecepatan ultrasonik jaringan abnormal 2300 m/s .. 52
Gambar 5.6.g Sinyal dengan kecepatan ultrasonik jaringan abnormal 2400 m/s . 52
Gambar 5.6.h Sinyal dengan kecepatan ultrasonik jaringan abnormal 2500 m/s . 52
Gambar 5.6.i Sinyal dengan kecepatan ultrasonik jaringan abnormal 2600 m/s .. 52
Gambar 5.7.a Sinyal dengan ukuran jaringan abnormal 1 cm .............................. 54
Gambar 5.7.b Sinyal dengan panjang jaringan abnormal 1,4 cm ......................... 54
Gambar 5.7.c Sinyal dengan panjang jaringan abnormal 1,8 cm .......................... 54
Gambar 5.7.d Sinyal dengan panjang jaringan abnormal 2,2 cm ......................... 54
Gambar 5.7.e Sinyal dengan panjang jaringan abnormal 2,6 cm .......................... 54
Gambar 5.7.f Sinyal dengan panjang jaringan abnormal 3 cm ............................ 54
Gambar 5.7.g Sinyal dengan panjang jaringan abnormal 3,4 cm ......................... 55
Gambar 5.7.h Sinyal dengan panjang jaringan abnormal 3,8 cm ......................... 55
Gambar 5.8 Sinyal dengan sinyal jaringan abnormal dengan ukuran lebih kecil dari λ/2π ................................................................................................................ 56
Gambar 5.9.a Spektrum jaringan normal .............................................................. 57
Gambar 5.9.b Spektrum jaringan abnormal .......................................................... 58
Gambar 5.9.c Spektrum jaringan abnormal dengan ukuran lebih kecil λ/2π ........ 58
Gambar 5.10.a Sinyal jaringan normal noise ........................................................ 59
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Gambar 5.10.b Sinyal jaringan normal dengan noise ........................................... 59
Gambar 5.11.a Sinyal jaringan abnormal tanpa noise........................................... 60
Gambar 5.11.b Sinyal jaringan abnormal dengan noise ....................................... 60
Gambar 5.12 Proses dekomposisi tingkat 2 .......................................................... 60
Gambar 5.13.a Sinyal jaringan normal dengan noise ........................................... 61
Gambar 5.13.b Dekomposisi sinyal jaringan normal ............................................ 61
Gambar 5.13.c Sinyal jaringan normal hasil denoising ........................................ 61
Gambar 5.14.a Sinyal jaringan abnormal dengan noise ........................................ 62
Gambar 5.14.b Dekomposisi sinyal jaringan abnormal ........................................ 62
Gambar 5.14.c Sinyal jaringan abnormal hasil denoising .................................... 62
Gambar 5.15 Sinyal transmisi ............................................................................... 63
Gambar 5.16.a Sinyal jaringan normal ................................................................. 63
Gambar 5.16.b Sinyal jaringan abnormal ............................................................. 63
Gambar 5.17.a Sinyal jaringan normal hasil eksperimen ..................................... 65
Gambar 5.17.b Sinyal jaringan normal hasil simulasi .......................................... 65
Gambar 5.18.a Sinyal jaringan abnormal hasil eksperimen .................................. 65
Gambar 5.18.b Sinyal jaringan abnormal hasil simulasi....................................... 65
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
DAFTAR GRAFIK
Grafik 5.1 Hubungan kecepatan ultrasonik dalam jaringan abnormal dengan intensitas relatif echo............................................................................................. 53
Grafik 5.2 Hubungan ukuran jaringan abnormal dengan intensitas relatif echo... 55
Grafik 5.3 Hubungan jumlah jaringan abnormal berukuran lebih kecil dari λ/2π dengan intensitas relatif echo ................................................................................ 56
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran A COMSOL Multiphysics 3.4 .............................................................. 71
Lampiran B Karakteristik Transduser PTS5 ......................................................... 74
Lampiran C Karakteristik osiloskop Tektronix TDS2024 ....................................... 75
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Hati (liver) merupakan organ terbesar dalam tubuh manusia. Di dalam hati
terjadi proses-proses penting bagi kehidupan, yaitu proses penyimpanan energi,
pembentukan protein dan asam empedu, pengaturan metabolisme kolesterol, dan
penetralan racun yang masuk dalam tubuh. Sehingga timbulnya kerusakan pada
hati akan mengganggu proses penting dalam kehidupan tersebut.
Di dunia, diperkirakan 7,6 juta orang meninggal akibat kanker pada tahun
2005 (WHO, 2005) dan 84 juta orang akan meninggal hingga 10 tahun ke depan.
Data WHO menunjukkan bahwa kanker hati adalah jenis kanker tersering nomor
enam di dunia dan penyebab kematian urutan ketiga terbesar.
Di Indonesia, penyakit kanker juga menjadi salah satu masalah kesehatan
yang cukup penting karena angka kejadian dan jumlah kematian akibat kanker
terus meningkat setiap tahunnya. Kanker merupakan penyebab kematian nomor 6
di Indonesia (depkes, 2003) dan diperkirakan terdapat 100 penderita kanker baru
untuk setiap 100.000 penduduk per tahunnya. Pada 2005, kanker telah membunuh
lebih dari 206 ribu jiwa orang Indonesia, di mana 12,5% diantaranya pengidap
kanker hati. Dilaporkan pula ada 70-120 kasus baru tiap tahun dan kebanyakan
pasien datang pada stadium lanjut. Angka ''survival'' dari pasien kurang lebih 105
hari setelah diagnosis ditegakkan.
Gambar 1.1 Prevalensi jenis kanker di Indonesia
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Menurut Dr. Mellissa S Luwia, MHA, ketua panitia hari kanker sedunia
2006 di Indonesia, persoalan penyakit kanker di Indonesia karena kurangnya
pemahaman masyarakat bahwa sebenarnya kanker bisa disembuhkan bila
diketahui sejak dini dan segera diobati. Ini terbukti dari banyaknya penderita
kanker yang berhasil sembuh, karena penyakitnya terdeteksi sejak dini dan
disiplin menjalani pengobatan.
Sebelum melakukan tindakan terapi, maka diperlukan data diagnosis yang
mendukungnya. Diagnosis kanker dilakukan berdasarkan gejala yang dirasakan
pasien, temuan pada pemeriksaan fisik, pemeriksaan laboratorium, dan
pemeriksaan radiologi. Salah satu pemeriksaan radiologi menggunakan ultrasonik.
Beberapa keuntungan diagnosis menggunakan ultrasonik adalah :
1. Sensitif mendeteksi permukaan yang tidak homogen.
2. Jangkauan kedalaman yang cukup.
3. Hanya satu sisi tubuh sebagai akses yang dibutuhkan.
4. Memiliki akurasi tinggi dalam menetapkan posisi refleksi dan
memperkirakan ukuran ketidakhomogenan.
5. Memberikan hasil dalam waktu singkat.
6. Tanpa menggunakan radiasi pengion sehingga aman bagi tubuh manusia.
7. Lebih murah dibandingkan dengan modalitas lain.
Saat ini pemanfaatan gelombang ultrasonik sudah sangat berkembang dan
memiliki implikasi yang luas hampir di semua organ tubuh. Perkembangan
penggunaan ultasonik dalam bidang kesehatan saat ini, berawal dari
ditemukannya cara mengukur jarak di dalam air menggunakan gelombang suara.
Pada awal tahun 1940, gelombang ultrasonik digunakan sebagai alat
mendiagnosis suatu penyakit. Penggunaan ultrasonik mulai merambah bidang
obstetri ginekologi. Penelitian yang dilakukan Ian Donald pada tahun 1955
terhadap kista ovarium dengan menggunakan alat Metal Flaw Detector mulai
membuka peluang dilakukannya berbagai penelitian lanjutan. Pada tahun 1990-an
teknologi transduser digital berkembang.
Pemanfaatan gelombang ultrasonik dalam diagnosis suatu penyakit
berkaitan erat dengan kemampuannya mendeteksi sinyal. Sinyal yang
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
dimanfaatkan sebagai informasi adalah hasil hamburan balik gelombang
ultrasonik yang berasal dari jaringan tubuh. Interaksi antara gelombang ultrasonik
dengan jaringan tubuh yang berbeda jelas akan memberikan sinyal echo yang
berbeda pula. Inilah yang menjadi dasar informasi untuk mengetahui
keabnormalan suatu jaringan tubuh. Dengan mengetahui keabnormalan jaringan
tubuh dari sinyal A-mode yang diperoleh, maka permasalahan diagnosis
menggunakan ultrasonik yaitu kualitas citra yang rendah dapat diatasi.
Saat ini aplikasi ultrasonik untuk kepentingan diagnosis berhubungan erat
dengan citra yang dihasilkan. Kemampuan citra dalam diagnosis terbatas pada
mendeteksi jaringan abnormal dengan beberapa parameter yang harus dipenuhi
seperti ukuran jaringan abnormal. Ukuran jaringan abnormal akan mempengaruhi
intensitas refleksi yang menjadi informasi pada pencitraan. Untuk ukuran jaringan
abnormal kecil, refleksi pada batas tidak dapat dideteksi sehingga menjadi
kelemahan pada citra ultrasonik.
Perlu ada langkah identifikasi terhadap sinyal yang dihasilkan agar
informasi tentang jaringan abnormal dapat diketahui lebih awal. Oleh karena itu,
skripsi ini mengangkat tema tentang karakterisasi sinyal yang dihasilkan dari
gelombang ultrasonik untuk mendeteksi keabnormalan pada jaringan tubuh
sehingga diperoleh informasi yang bermanfaat tentang keabnormalan jaringan
tubuh untuk kepentingan diagnosis.
1.2 Perumusan Masalah
Dengan kelebihan yang dimiliki ultrasonik, saat ini aplikasinya berkaitan
erat dengan citra yang dihasilkan. Permasalahan ini kemudian diangkat untuk
memperluas aplikasi ultrasonik dalam bidang kesehatan dalma hal
mengidentifikasi jaringan abnormal. Sehingga pendeteksian keabnormalan
jaringan tubuh dapat dilakukan tanpa menggunakan radiasi pengion, aman bagi
tubuh manusia, nontraumatik (Wells, 1977; McDicken, 1991) dengan sistem
akuisisi data yang lebih sederhana dan akurat.
1.3 Tujuan Penelitian
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Atas dasar masalah yang telah dikemukakan maka diajukan suatu
penelitian yang memiliki tujuan sebagai berikut :
1. Memahami prinsip dasar karakteristik gelombang ultrasonik dan
interaksinya dengan jaringan tubuh yang memiliki karakteristik berbeda.
2. Mempelajari data akuisisi yang berhubungan dengan adanya
keabnormalan pada jaringan tubuh manusia (misal : kanker hati).
3. Mendapatkan karakteristik sinyal pada jaringan tubuh yang mengalami
ketidaknormalan dengan variasi impedansi akustik dan ukuran.
1.4 Manfaat Penelitian
Jika tujuan penelitian ini tercapai, maka hasil dari penelitian ini akan
membawa beberapa manfaat :
1. Bermanfaat untuk mengetahui keabnormalan jaringan tubuh dengan sistem
akuisisi data yang lebih sederhana.
2. Bermanfaat mengetahui hubungan intensitas echo dengan variasi
impedansi akustik dan ukuran jaringan abnormal.
1.5 Batasan Penelitian
Dalam penelitian ini, masalah yang akan diteliti dibatasi sesuai judul yang
diajukan, yaitu ”Karakterisasi Sinyal Akustik untuk Mendeteksi Keabnormalan
Jaringan Tubuh Menggunakan Ultrasonik”. Penelitian ini difokuskan pada analisis
interaksi gelombang ultrasonik dengan jaringan tubuh normal dan abnormal
sehingga diperoleh karakteristik sinyal jaringan tubuh yang abnormal.
Yang dimaksud dengan karakterisasi di sini adalah proses mencari
karakter sinyal jaringan abnormal dibandingkan dengan jaringan normal dan
karakter sinyal jaringan abnormal dengan jenis yang berbeda. Keabnormalan
jaringan tubuh dibatasi pada timbulnya jaringan lain (kumpulan sel-sel kanker)
pada organ hati yang berbeda densitas dan kecepatan ultrasonik di dalamnya.
Jaringan abnormal ini merupakan kanker hati primer artinya yang berasal dari hati
itu sendiri, bukan sebaran dari kanker di tempat lainnya.
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Metode karakterisasi yang digunakan adalah simulasi ultrasonik
menggunakan perangkat lunak Comsol Multiphysics 2 dimensi (versi 3.4) dan
eksperimen menggunakan ultrasonik. Karakterisasi dengan simulasi diawali
dengan mencari frekuensi yang paling optimal. Jaringan abnormal yang
digunakan dalam simulasi memiliki variasi ukuran 1 cm sampai 3,8 cm dan
variasi kecepatan 1900 m/s sampai 2600 m/s.
1.6 Metode Penelitian
Metode penelitian yang akan dilakukan terdiri dari beberapa tahap antara
lain :
a. Studi Kepustakaan
Studi kepustakaan digunakan penulis untuk melakukan kajian terhadap
perkembangan teknologi ultrasonik dalam bidang kesehatan, interaksinya
dengan jaringan tubuh serta memformulasikannya dalam bentuk tinjauan
pustaka dan landasan teori.
b. Simulasi Ultrasonik
Simulasi ultrasonik menggunakan model jaringan pada software Comsol
untuk memperoleh gambaran sinyal yang akan mendukung hasil
eksperimen.
c. Eksperimen
Eksperimen dilakukan dengan pengukuran sinyal ultrasonik dengan
menggunakan model jaringan untuk mengetahui sinyal jaringan tubuh
normal dan abnormal dengan jenis berbeda.
1.7 Sistematika Penulisan
Sistematika pada penulisan ini dibagi menjadi 6 bab, yang masing-masing
terdiri dari beberapa sub-bab untuk mempermudah penjelasan. Penulisan bab-bab
dilakukan sebagai berikut :
BAB 1. PENDAHULUAN
Pada bab ini merupakan penjelasan secara umum yang menjelaskan latar
belakang permasalahan, perumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
penelitian, pembatasan masalah yang ingin diselesaikan, metode penelitian, serta
sistematika penulisan.
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA
Pada bab ini penulis menguraikan sejarah dari perkembangan teknologi
ultrasonik untuk melakukan kajian terhadap perkembangan teknologi ultrasonik
dalam bidang kesehatan terutama diagnosis.
BAB 3. LANDASAN TEORI
Pada bab ini penulis menguraikan teori-teori dasar yang mendukung
simulasi dan analisis hasil pada skripsi ini.
BAB 4. SIMULASI DAN EKSPERIMEN
Bab ini menjelaskan proses mencari karakter sinyal akustik jaringan tubuh
yang normal dan abnormal dengan perangkat lunak COMSOL Multiphysics dan
sistem ultrasonik serta ha-hal yang dibutuhkan dalam proses tersebut seperti
model jaringan tubuh, kondisi batas, peralatan, dan metode pengukuran yang
digunakan.
BAB 5. HASIL DAN ANALISIS
Penelitian yang telah dilakukan memberikan hasil dan dijelaskan dalam
bab ini, serta penjelasan mengenai hasil yang telah dicapai BAB 4.
BAB 6. KESIMPULAN DAN SARAN
Setelah merancang dan menganalisis. Maka pada bab ini penulis menarik
kesimpulan terhadap penelitian yang telah dilakukan dan ditambah saran-saran
yang berguna untuk pengembangan sistem lebih lanjut.
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sejarah Teknologi Ultrasonik untuk Diagnosis
Gelombang ultrasonik merupakan gelombang mekanik longitudinal dengan
frekuensi di atas 20 kHz. Gelombang ini dapat merambat dalam medium padat,
cair dan gas, hal ini disebabkan karena gelombang ultrasonik merupakan rambatan
energi sebagai interaksi dengan medium yang dilaluinya (Bueche, 1986).
Karakteristik gelombang ultrasonik yang melalui medium mengakibatkan
getaran partikel dengan medium amplitudo sejajar dengan arah rambat secara
longitudinal sehingga menyebabkan partikel medium membentuk rapatan (strain)
dan tegangan (stress). Proses kontinu yang menyebabkan terjadinya rapatan dan
regangan di dalam medium disebabkan oleh getaran partikel secara periodik
selama gelombang ultrasonik melaluinya (Resnick dan Halliday, 1978).
Gelombang ultrasonik ini sering dipergunakan untuk pemeriksaan kualitas
produksi di dalam industri. Di bidang kedokteran, frekuensi yang tinggi dari
gelombang ultrasonik ini mempunyai daya tembus jaringan yang sangat kuat,
sehingga sering digunakan untuk diagnosis, penghancuran/destruktif, dan
pengobatan (Cameron and Skofronick, 1978).
Perkembangan penggunaan ultrasonik dalam berbagai bidang ilmu
kedokteran saat ini berawal dari ditemukannya cara mengukur jarak di dalam air
menggunakan gelombang suara. Pada saat itu dikenal istilah “sonar” atau Sound
Navigation and Ranging. Lazzaro Spallanzani, seorang ahli biologi Italia, sekitar
tahun 1794 ia mendemonstrasikan kemampuan seekor kelelawar menentukan arah
terbang dan mencari mangsa dalam gelap dengan menggunakan gelombang suara
berfrekuensi tinggi (ultrasonik).
Tahun 1826, Jean Daniel Colladon, seorang ahli fisika dari Swiss berhasil
menggunakan sebuah alat yang dinamakan “underwater bell” untuk
mendeterminasi kecepatan suara dalam air di Danau Geneva. Penemuan ini
memacu para ahli fisika lainnya untuk meneliti dasar ilmu fisika mengenai
getaran, transmisi, dan refraksi gelombang suara. Tahun 1877 Lord Rayleigh asal
Inggris mengemukakan the Theory of Sound.
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Sistem deteksi suara dalam air kemudian dikembangkan dan dimanfaatkan
untuk kepentingan navigasi kapal selam selama perang dunia pertama berlangsung
yang berawal dari penemuan alat hydrophone oleh seorang ahli fisika Perancis,
Paul Langevin. Alat ini digunakan terutama setelah kejadian tenggelamnya kapal
Titanic pada tahun 1912.
Penemuan radar (radio detection and ranging) pada tahun 1953 oleh
Robert Watson-Watt juga menerapkan sistem kerja gelombang ultrasonik. Alat ini
menjadi inspirasi digunakannya ultrasonik dalam bidang obstetri ginekologi
kelak. Perkembangan pemakaian ultrasonik di bidang obstetri ginekologi
berikutnya juga tak lepas dari peranan penemuan alat detektor logam (Ultrasonic
Metal Flaw Detector) pada tahun 1928 oleh Sergei Y. Sokolov, seorang ilmuwan
Rusia. Alat ini juga digunakan untuk mengecek integritas lambung kapal laut dan
lempeng baja pelindung tank.
Sekitar tahun 1920-an, prinsip kerja gelombang ultrasonik mulai
diterapkan dalam bidang kedokteran. Penggunaan ultrasonik dalam bidang
kedokteran ini pertama kali diaplikasikan untuk kepentingan terapi. Hasil
penelitian William Fry, dari Universitas Illinois dan Russel Meyers, dari
Universitas Iowa membuktikan bahwa gelombang ultrasonik dapat digunakan
untuk menghancurkan sel-sel basal ganglia pada penderita penyakit Parkinsons.
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).
Pada tahun 1929 dan 1935, Solokov mempelajari penggunaan gelombang
ultrasonik untuk mendeteksi objek logam. Mulhauser, pada tahun 1931, mendapat
paten menggunakan gelombang ultrasonik dengan dua transduser untuk
mendeteksi kecacatan pada logam.
Baru pada awal tahun 1940, gelombang ultrasonik dinilai memungkinkan
untuk digunakan sebagai alat mendiagnosis suatu penyakit. Hal tersebut
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
disimpulkan berkat hasil eksperimen Karl Theodore Dussik, seorang dokter ahli
saraf dari Universitas Vienna, Austria. bersama dengan 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.
George Ludwig, ahli fisika Amerika, menyempurnakan alat temuan
Dussik. Pemindaian terhadap lokasi batu ginjal pada suatu jaringan tubuh dapat ia
lakukan. Gelombang ultrasonik yang menumbuk pada jaringan tubuh akan
dipantulkan dan hasilnya kemudian dapat dilihat pada layar osiloskop.
Selanjutnya diketahui bahwa gelombang ultrasonik tersebut memerlukan panjang
gelombang tertentu agar suatu objek jaringan tubuh yang densitasnya beraneka
ragam dapat teridentifikasi.
Tahun 1949, John Julian Wild, ahli bedah Inggris yang bekerja di Medico
Technological Research Institute of Minnesota, berkolaborasi dengan John Reid,
seorang teknisi dari National Cancer Institute. Mereka melakukan investigasi
terhadap sel-sel kanker dengan alat ultrasonik. Beberapa jenis alat yang dibuat
untuk kepentingan investigasi tersebut antara lain B-mode ultrasound,
transduser/alat pemindai jenis A-mode transvaginal, dan transrectal. Prinsip alat-
alat tersebut mengacu pada sistem radar. Oleh sebab itu, mereka kemudian
menyebutnya sebagai Tissue Radar Machine (mesin radar untuk deteksi jaringan).
Tidak kurang dari 5 tahun setelah gebrakan yang dilakukan oleh Dussik
barulah dunia kedokteran dan teknik mulai menampakkan ketertarikan mereka.
Wild menjadi salah satu pelopor yang memperkenalkan prospek pengukuran
jaringan dengan ultrasonik di tahun 1950. Ia bersama French dan Neal, berhasil
mengadakan riset dalam hal deteksi tumor-tumor otak. Di tahun yang sama
Ludwig dan Struthers juga mengumumkan keberhasilan riset mereka dalam
deteksi kandung kemih ultrasonik. Beberapa waktu berikutnya, tahun 1952,
Howry dan Bliss mengeluarkan isu hasil penelitian mereka dalam visualisasi
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
ultrasonik untuk jaringan kulit dan otot. Momen-momen tersebut menguatkan
perkembangan teknologi ultrasonik dalam bidang kedokteran yang sangat pesat.
Waktu Perkembangan Ultrasonik
Sebelum Perang Dunia II Mengukur jarak dengan Echo
Tahun 1940an Dussik mencitrakan otak
Tahun 1950an Ultrasonik Doppler
M-Mode
Tahun 1960an Contact B-scanner
Pengamatan mekanik real-time
Echoencephalography
Tahun 1970an Pencitraan real-time
Scan-conversion
Gray-scale
Linear and phased arrays
Tahun 1980an Commercial array system
Puked wave Doppler
Pencitraan aliran berwarna
Wideband and spesialized transducer
Tahun 1990an Sistem digital
Pencitraan harmonik
Pencitraan 3 D
Tahun 2000an Handheld 2 D array for 3 D imaging Tabel 2.1 Perkembangan teknologi ultrasonik (Thomas L. Szabo, 2004)
2.2 Perkembangan Penelitian Interaksi Ultrasonik dengan Jaringan Tubuh
Penelitian tentang hamburan balik gelombang ultrasonik dari hati yang
normal dan abnormal sudah dimulai pada tahun 1981. Dari analisis amplitudo,
diperoleh bahwa sirosis hati memiliki karakter rata-rata amplitudo dan distribusi
amplitudo yang lebih besar dibandingkan hati yang normal. Finite element
methode untuk simulasi ultrasonik pada jaringan tubuh diaplikasikan untuk
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
mengetahui interaksi ultrasonik yang difokuskan dengan jaringan tubuh pada
tahun 2002. Penelitian ini dimotivasi oleh kemungkinan aplikasi medis focused
ultrasound dalam perlakuan invasiv yang minimal untuk berbagai jenis penyakit.
Efek mekanik dan termal disebabkan oleh penyebaran ultrasonik dalam medium
yang berbeda dihitung menggunakan finite element method.
Pada tahun 2005 dikembangkan finite element method pancaran
gelombang akustik pada medium berbentuk bulat untuk mencari solusi
permasalahan hamburan akustik frekuensi tinggi 20 MHz – 60 MHz. Paket
software FEMLAB (COMSOLAB, Stockholm) digunakan untuk mencari solusi
model komputasi dan MATLAB® (Mathworks, Inc.,Natick, MA) digunakan
untuk menghitung solusi analitis. Model hamburan elastis dapat digunakan untuk
memprediksi hamburan gelombang akustik frekuensi tinggi dari sel. Percobaan
pertama membangun model berdasarkan formulasi Faran dengan asumsi bahwa
sel homogen dan bulat. Modelnya tidak terlalu akurat dalm memprediksi
hamburan balik dari sel. Finite element method dapat memberikan model baru.
Ketika menggunakan solusi analitis rata-rata eror ~12% (Teori Faran atau
Anderson) dan ketika menggunakan finite element rata-rata eror menjadi ~5%.
Tahun 2006 dijelaskan fenomena khusus pancaran dan atenuasi
gelombang suara dalam tubuh. Mekanisme pancaran gelombang suara
menunjukkan bahwa energi gelombang suara mengalami pelemahan karena
hilang akibat proses absorbsi, hamburan, refleksi, dan refraksi. Atenuasi
gelombang suara pada tubuh meningkat dengan meningkatnya frekuensi pada
komposisi torax yang heterogen. Hasilnya menunjukkan bahwa struktur torax
heterogen dan frekuensi gelombang suara mempengaruhi kekuatan pancaran dan
karakteristik gelombang suara. Tempat pancaran gelombang suara dipengaruhi
oleh frekuensi. Perbedaan tempat memiliki pengaruh yang besar terhadap hasil
kecepatan dan panjang gelombang suara.
Pada tahun yang sama, dilakukan penelitian tentang pengaplikasian
COMSOL Multiphysics untuk memprediksi hamburan balik ultrasonik dari sel
untuk karakterisasi dan hamburan dari microbubble. Pada penelitian ini dihasilkan
peningkatan model menggunakan kondisi batas Bayliss-Gunzburger-Turkel
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
(BGT) tingkat dua. Ketika dibandingkan dengan model analitik hamburan
gelombang dari struktur bulat elastis (oleh Faran), akurasi model meningkat dari 2
% menjadi 8 % ketika menggunakan kondisi batas tingkat 1. Aplikasi model
ultrasonik dihamburkan oleh inti sel yang dikelilingi oleh sitoplasma. Sitoplasma
memiliki sifat elastis dengan kekakuan lebih kecil dari inti sel.
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
BAB 3 LANDASAN TEORI
3.1 Pendahuluan Gelombang Ultrasonik
3.1.1 Pengertian Gelombang Akustik dan Ultrasonik
Gelombang akustik atau gelombang bunyi adalah gelombang yang
dirambatkan sebagai gelombang mekanik yang dapat menjalar dalam medium
padat, cair, dan gas (Sutrisno, 1988). Gelombang bunyi ini merupakan getaran
molekul-molekul zat dan saling beradu satu sama lain namun demikian zat
tersebut terkoordinasi menghasilkan gelombang serta mentransmisikan energi
bahkan tanpa terjadi perpindahan partikel (Resnick dan Halliday, 1978). Apabila
gelombang bunyi merambat mencapai batas permukaan maka gelombang bunyi
tersebut akan mengalami transmisi dan refleksi.
Gelombang ultrasonik merupakan gelombang mekanik dengan frekuensi
di atas 20 kHz. Gelombang ini dapat merambat dalam medium padat, cair dan gas,
hal disebabkan karena gelombang ultrasonik merupakan rambatan energi sebagai
interaksi dengan medium yang dilaluinya (Bueche, 1986).
Gambar 3.1 Pembagian rentang frekuensi gelombang akustik
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Gelombang ultrasonik ini sering dipergunakan untuk pemeriksaan kualitas
produksi di dalam industri. Di bidang kedokteran, gelombang ultrasonik frekuensi
tinggi digunakan untuk diagnosis, dan pengobatan, karena mempunyai daya
tembus jaringan yang sangat kuat (Cameron and Skofronick, 1978).
3.1.2 Perambatan Gelombang Ultrasonik
Ada dua jenis perambatan gelombang akustik, yaitu gelombang
longitudinal dan gelombang transversal. Pada gelombang longitudinal, getaran
partikel dalam medium sejajar dengan arah rambat. Pada gelombang transversal,
arah getar partikel tegak lurus arah rambatnya. Perambatan gelombang ultrasonik
dalam medium gas, cair, dan tubuh manusia disebabkan oleh getaran bolak-balik
partikel melewati titik keseimbangan searah dengan arah rambat gelombangnya.
Maka, gelombang bunyi lebih dikenal dengan gelombang longitudinal seperti
yang ditunjukkan pada gambar 3.2.
Gambar 3.2 Gelombang longitudinal
Karakteristik gelombang ultrasonik yang melalui medium mengakibatkan
getaran partikel dengan medium amplitudo sejajar dengan arah rambat secara
longitudinal sehingga menyebabkan partikel medium membentuk rapatan (strain)
dan tegangan (stress). Proses kontinu yang menyebabkan terjadinya rapatan dan
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
regangan di dalam medium disebabkan oleh getaran partikel secara periodik
selama gelombang ultrasonik melaluinya (Resnick dan Halliday, 1992).
Dalam kasus ini, masing-masing partikel medium dengan panjang dx
mengalami gaya yang bekerja pada permukaannya seperti yang ditunjukkan pada
gambar 3.3.
dx
Fx
x x+dx
Gambar 3.3 Gaya yang terjadi ketika gelombang suara merambat
Gelombang yang merambat dalam medium mematuhi hukum Newton II,
xF ma∑ = (3.1)
dimana : m = massa dan a = percepatan.
x xx x x
F FdF F dx F dxx x
∂ ∂ = + − = ∂ ∂ (3.2)
Selama gelombang suara merambat, elemen akan berpindah seperti digambarkan pada gambar 3.4.
ξ ξ+dξ
x x+dx
Gambar 3.4 Pemindahan elemen selama gelombang suara merambat
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Perubahan panjang elemen karena perambatan gelombang suara dapat dirumuskan sebagai :
( )dl d dxxξξ ξ ξ ∂
= + − =∂
(3.3)
dimana rapatan elemen ε adalah
dldx x
ξε ∂= =
∂ (3.4)
Untuk menghubungkan rapatan dan gaya pada medium elastis, digunakan hukum Hooke sebagai berikut :
E σε
= (3.5)
dimana : E = modulus elastis dan tekanan σ dapat ditulis sebagai
FA
σ = (3.6)
dimana : F = gaya dan A = luas permukaan.
Kombinasi persamaan (3.4), (3.5), dan (3.6) menghasilkan
F AExξ
=∂ ∂
(3.7)
Persamaan (3.7) dapat ditulis
xF AExξ∂
=∂
(3.8)
2
2xdF AE dxxξ∂
=∂
(3.9)
Massa dan percepatan elemen dapat ditulis
( )m Adxρ= (3.10)
dan
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
2
2atξ∂
=∂
(3.11)
dimana : ρ = densitas medium dan t = waktu.
Persamaan (3.1) menjadi
2
2xdF Atξρ ∂
=∂
(3.12)
Menyamakan persamaan (3.9) dan (3.12) menghasilkan persamaan transmisi gelombang suara
2 2
22 2c
t xξ ξ∂ ∂=
∂ ∂ (3.13)
Dimana
Ecρ
= (3.14)
dengan c adalah cepat rambat gelombang suara dalam medium
Perambatan ultrasonik dalam medium sebagai gerak harmonik sederhana. Maka pemindahan partikel dalam medium adalah sebagai berikut :
( )j t kxAe ωξ −= (3.15)
dimana : ω = frekuensi angular, /k cω= , dan A = amplitudo.
Gelombang suara merambat dalam medium dengan panjang gelombang λ, yang dapat ditulis
/ (2 ) /c f cλ π ω= = (3.16)
dimana f adalah frekuensi.
3.2 Karakteristik Gelombang Ultrasonik
3.2.1 Panjang Gelombang, Frekuensi, dan Kecepatan
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Panjang gelombang (λ) adalah jarak yang ditempuh gelombang suara
dalam periode satu getaran. Frekuensi (f) adalah banyaknya gelombang yang
bergetar dalam waktu satu detik yang diberi satuan Hertz. Manusia dapat
mendengar gelombang suara antara 20 Hz sampai 20 kHz. Gelombang ultrasonik
merupakan gelombang suara dengan frekuensi di atas 20 kHz. Frekuensi
ultrasonik yang digunakan untuk diagnosis berkisar 1 sampai 10 MHz (Pauly and
Schwan, 1971; Parker, 1983).
Periode adalah waktu yang dibutuhkan gelombang menempuh satu
panjang gelombang dan sebanding dengan 1/f. Kecepatan ultrasonik (v) adalah
jarak yang dilalui oleh gelombang per satuan waktu dan sebanding dengan
panjang gelombang dibagi dengan periode. Karena periode dan frekuensi
berbanding terbalik, maka hubungan antara kecepatan, panjang gelombang, dan
frekuensi untuk gelombang ultrasonik adalah
c = λ f (3.17)
dimana c (m/s) adalah kecepatan gelombang ultrasonik dalam medium, λ (m)
adalah panjang gelombang, dan f (Hertz) adalah frekuensi.
Kecepatan gelombang ultrasonik di dalam jaringan tubuh manusia
diberikan dalam tabel 3.1.
Medium Densitas (kg/m3) Kecepatan (m/s)
Paru-paru 300 600
Lemak 924 1450
Air 1000 1480
Jaringan lunak 1050 1540
Ginjal 1041 1565
Darah 1058 1560
Hati 1061 1555
Otot 1068 1600
Tulang 1912 4080 Tabel 3.1 Densitas dan kecepatan suara dalam berbagai medium
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Pada tabel 3.1 memperlihatkan kecepatan bunyi melalui beberapa medium,
dimana kecepatan bunyi bergantung kepada kerapatan medium.
3.2.2 Energi dan Intensitas
Daya adalah energi yang ditransfer dan dikespresikan dalam satuan watt.
Intensitas adalah daya yang melewati suatu area tertentu. Intensitas adalah daya
per unit area dan diekspresikan dalam satuan watt per meter kuadrat. Intensitas
menunjukkan kuantitas energi ultrasonik yang diaplikasikan pada permukaan
tertentu dalam tubuh pasien.
Jika gelombang ultrasonik merambat dalam suatu medium, maka partikel
medium mengalami perpindahan energi (Giancoli, 1998). Besarnya energi
gelombang ultrasonik yang dimiliki partikel medium adalah :
E = Ep + Ek (3.18)
dimana Ep adalah energi potensial (Joule) dan Ek adalah energi kinetik (Joule).
Untuk menghitung intensitas gelombang ultrasonik perlu mengetahui
energi yang dibawa oleh gelombang ultrasonik. Intensitas gelombang ultrasonik
(I) adalah energi yang melewati luas permukaan medium 1 m/s atau watt/m
(Cameron and Skofronick, 1978). Untuk sebuah permukaan, intensitas gelombang
ultrasonik ( I ) diberikan dalam bentuk persamaan :
2 21 1(2 ) ( )2 2I VA f Z Aρ π ω= = (3.19)
dimana : ρ adalah massa jenis medium/jaringan (Kg/ m3 ), f adalah frekuensi (Hz),
v adalah kecepatan gelombang ultrasonik (m/s ), V adalah volume (m3 ), A adalah
amplitudo maksimum (m), Z adalah impedansi akustik (kg/m.s), dan ω adalah
frekuensi sudut (rad/s).
Gelombang ultrasonik merambat membawa energi dari satu medium ke
medium lainnya. Energi yang dipindahkan sebagai energi getaran dari partikel ke
partikel pada medium tersebut. Besarnya energi yang dibawa partikel tersebut
adalah :
12E kA= (3.20)
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
dimana :
k = konstanta = 4 π2 m/T2 = 4 π2 m f2
T = periode (s)
A = amplitudo geraknya (m)
m = massa partikel pada medium (kg)
Kemudian :
2 2 22E mf Aπ= (3.21)
jika :
m = ρ V = ρ S l = ρ S v t = massa (kg),
V = volume = luas . tebal = S l (m3 ),
S = luas permukaan penampang lintang yang dilalui gelombang (m ),
l = v t = jarak yang ditempuh gelombang dalam waktu t (m),
v = laju gelombang (m/s),
t = waktu (s),
maka :
2 2 22E rSvtf Aπ= (3.22)
Dari persamaan di atas diperoleh hasil bahwa energi yang dibawa oleh
gelombang ultrasonik sebanding dengan kuadrat amplitudo. Besarnya daya yang
dibawa gelombang ultrasonik (P) menjadi :
2 2 22P rSvf Aπ= (3.23)
Intensitas gelombang ultrasonik adalah daya yang dibawa melalui luas
permukaan yang tegak lurus terhadap aliran energi, maka :
2 2 22P rvf Aπ= (3.24)
Persamaan di atas menyatakan hubungan secara eksplisit bahwa intensitas
gelombang ultrasonik sebanding dengan kuadrat amplitudo (A) dan dengan
kuadrat frekuensi (f).
Gelombang ultrasonik yang keluar dari sumber transduser mengalir ke
semua arah. Gelombang ultrasonik merambat keluar, energi yang dibawanya
tersebar ke permukaan yang makin lama semakin luas. Karena merambat dalam
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
arah tiga dimensi, maka luas permukaan merupakan luasan permukaan bola
dengan radius r adalah 4 π r2.
Berarti intensitas gelombang ultrasonik menjadi :
PI Daya Luas A= = (3.25)
Jika keluaran daya P dari sumber konstan, maka intensitas berkurang sebagai
kebalikan dari kuadrat jarak dari sumber, sehingga :
2
1Ir
= (3.26)
Jika kita ambil dua titik dengan jarak r1 dan r2 dari sumber, maka
I1 = P/4 π r12 dan I2= P/4 π r2
2, sehingga : 2
2 12
1 2
I rI r= (3.27)
Jika amplitudo gelombang ultrasonik berkurang terhadap jarak, maka
amplitudo gelombang ultrasonik menjadi mengecil sebesar 1/r (Giancoli,
1998) karena intensitas sebanding dengan amplitudo maka akan sebanding dengan
kebalikan dari kuadrat jarak, sehingga :
1A r= (3.28)
Jika kita ambil dua jarak yang berbeda dari sumber trasduser, r1 dan r2 maka :
2 1
1 2
A rA r
= (3.29)
Ketika gelombang ultrasonik dua kali lipat lebih jauh dari sumber transduser,
maka amplitudo akan menjadi setengahnya (Giancoli, 1998).
Intensitas relatif digambarkan dalam satuan decibel (dB) sebagai
2
1
Re 10log IIntensitas latifI
= (3.30)
3.3 Interaksi Gelombang Ultrasonik dengan Materi
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Gelombang ultrasonik mempunyai sifat memantul, diteruskan dan diserap
oleh suatu medium. Interaksi gelombang ultrasonik dengan jaringan
mempengaruhi sinyal yang diterima oleh receiver.
3.3.1 Impedansi akustik
Impedansi akustik suatu materi didefinisikan sebagai perkalian antara
rapat jenis (ρ) dan kecepatan gelombang akustik (V)
Z Vρ= × (3.31)
dimana : Z adalah impedansi akustik (kg/ m2s), ρ adalah masa jenis (kg/ m3 ) dan
V adalah laju gelombang (m/s).
Ketika medium yang berdekatan memiliki impedansi akustik yang hampir
sama, hanya sedikit energi yang direfleksikan. Impedansi akustik memiliki peran
menetapkan transmisi dan refleksi gelombang di batas antara medium yang
memiliki impedansi akustik yang berbeda seperti yang pada gambar 3.5.
Gambar 3.5 Interaksi ultrasonik dalam dua medium dengan impedansi akustik yang berbeda
3.3.2 Atenuasi
Ketika gelombang suara melewati suatu medium, intensitasnya semakin
berkurang dengan bertambah kedalaman. Hal yang menyebabkan pelemahan
gelombang adalah proses refraksi, hamburan, dan absorbsi. Absorbsi adalah
penyerapan energi suara oleh medium dan diubahnya menjadi energi bentuk lain.
Hal ini menyebabkan pulsa ultrasonik yang bergerak melewati suatu zat akan
mengalami kehilangan energi.
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Besarnya energi yang diabsorbsi sebanding dengan koefisien pelemahan
dan tebalnya medium yang dilalui. Setiap medium memiliki koefisien pelemahan
yang berbeda-beda. Semakin kecil koefisien pelemahan maka semakin baik
medium itu sebagai media penghantar. Penyerapan energi gelombang ultrasonik
akan mengakibatkan berkurangnya amplitudo gelombang ultrasonik.
Atenuasi berguna untuk menjelaskan fenomena berkurangnya intensitas
gelombang ultrasonik. Besar amplitudo setelah mengalami atenuasi adalah :
0zA A e α−= (3.32)
dimana A0 adalah amplitudo awal. Amplitudo (A) adalah amplitudo yang terrduksi
setelah gelombang berjalan dengan jarak sejauh z. α adalah koefisien atenuasi.
Secara umum, atenuasi sebanding dengan kuadrat frekuensi gelombang.
Gambar 3.6 Interaksi ultrasonik dengan medium yang menyebabkan atenuasi
3.3.3 Refraksi
Ketika gelombang ultrasonik melalui dua medium yang berbeda dengan
sudut tertentu maka gelombang ultrasonik mengalami refraksi. Refraksi adalah
perubahan arah gelombang ultrasonik yang ditransmisikan pada batas antara
medium yang berbeda ketika berkas gelombang tidak datang tegak lurus terhadap
batas jaringan. Refraksi terjadi pada dua medium yang memiliki perbedaan
impedansi akustik.
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Hukum Snell menggambarkan hubungan antara sudut (sudut datang dan
sudut bias) dan kecepatan gelombang. Persamaan hukum Snell menggambarkan
perbandingan antara kecepatan gelombang di medium pertama (VL1) dan
kecepatan gelombang di medium 2 (VL2) dengan sinus sudut datang (θ) dan sinus
sudut bias (θ 2).
Gambar 3.7 Refraksi
Untuk sudut yang datang dan transmisi, maka:
1 2
1 2
sin sin
L LV Vθ θ
= (3.33)
Ketika VL2 > VL1, sudut transmisi lebih besar dari pada sudut datang dan
sebaliknya jika VL2 < VL1, tidak ada refraksi yang terjadi ketika kecepatan suara
sama dalam dua medium atau dengan gelombang datang yang tegak lurus. Ketika
refraksi terjadi, dapat menyebabkan artifak.
3.3.4 Hamburan
Peristiwa hamburan yang terjadi ketika gelombang ultrasonik berinteraksi
dengan batas antara dua medium. Jika batas dua medium relatif rata, maka pulsa
ultrasonik dapat disebut dengan specular reflection (seperti pemantulan pada
cermin) dimana semua pulsa ultrasonik akan dipantulkan ke arah yang sama.
Permukaan yang tidak rata menyebabkan gelombang echo dihamburkan ke segala
arah seperti pada gambar 3.8 (a). Hamburan juga terjadi dalam medium yang
heterogen seperti pada gambar 3.8 (b). Hamburan ke segala arah ini menyebabkan
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
hanya sedikit gelombang echo yang ditangkap kembali oleh tranduser dan akan
berperan dalam menampilkan citra.
(a) (b)
Gambar 3.8 Hamburan : (a) pada batas dua medium ; (b) pada medium heterogen
3.3.5 Refleksi
Apabila gelombang ultrasonik mengenai permukaan antara dua jaringan
yang memiliki perbedaan impedansi akustik (Z), maka sebagian dari gelombang
ultrasonik ini akan direflesikan/dipantulkan dan sebagian lagi akan
ditransmisikan/diteruskan.
Pulsa yang mengenai organ akan direfleksikan dan ditangkap oleh receiver
untuk diolah menjadi citra. Refleksi yang sangat kuat terjadi pada batas organ dan
dapat digunakan untuk mengetahui keabnormalan pada organ. Energi ultrasonik
yang direfleksikan pada perbatasan antara dua jaringan terjadi karena perbedaan
dari impedansi akustik dari kedua.
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Gambar 3.9 Transmisi dan refleksi (Cameron and Skofronicck, 1978) :
A0 adalah amplitudo gelombang ultrasonik mula-mula, R adalah amplitudo gelombang ultrasonik
yang dipantulkan, dan T adalah amplitudo gelombang ultrasonik yang ditransmisikan.
Proses perjalanan gelombang ultrasonik adalah sebagai berikut, mula-mula
gelombang ultrasonik dengan amplitudo tertentu mengenai medium, kemudian
gelombang ultrasonik tersebut akan dipantulkan permukaan jaringan.
Perbandingan amplitudo pantulan (R) terhadap amplitudo datang (Ao) bergantung
pada impedansi akustik (Z) dari dua medium itu. Hubungan pernyataan itu adalah
:
2 1
0 1 2
Z ZRA Z Z
−=
+ (3.34)
dengan Z1 dan Z2 adalah impedansi akustik dari kedua medium (kg/m2s).
Telah dikemukakan di atas bahwa gelombang ultrasonik sebagian akan
ditransmisikan. Perbandingan antara amplitudo transmisi (T) dan amplitudo
gelombang datang (Ao) adalah :
1
0 1 2
2ZTA Z Z
=+ (3.35)
Koefisien intensitas pantulan, RI, didefinisikan sebagai perbandingan dari
intensitas pantulan dan intensitas yang datang :
22 1
2 1
rI
i
I Z ZRI Z Z
− = = + (3.36)
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
dan koefisien intensitas transmisi adalah :
1 22
1 2
4( )I
t
i
I Z ZTI Z Z
= =+ (3.37)
Pada bagian tubuh yang lunak, hanya sebagian kecil pulsa yang
direfleksikan. Untuk medium yang keras seperti tulang, energi yang direfleksikan
sangat besar. Amplitudo pulsa dilemahkan oleh adanya absorbsi medium dan
energi yang direfleksikan. Hal ini menyebabkan gelombang echo yang dikirimkan
kembali ke transduser sangat kecil dibandingkan dengan pulsa awal yang
dihasilkan transduser.
3.4 Prinsip Ultrasonik
3.4.1 Transduser
Transduser adalah sebuah alat yang bila digerakan oleh suatu energi di
dalam sebuah sistem transmisi, akan menyalurkan energi tersebut dalam bentuk
yang sama atau dalam bentuk yang berlainan ke sistem transmisi berikutnya
(William D.C, 1993). Transmisi energi ini bisa berupa listrik, mekanik, kimia,
optik (radiasi), atau thermal (panas). Ultrasonik dihasilkan dan dideteksi oleh
transduser.
Gambar 3.10 Transduser
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Transduser ultrasonik bekerja berdasarkan prinsip piezoelektrik yang
ditemukan pada tahun 1880. Sifat bahan piezoelektrik adalah menghasilkan
muatan listrik jika diberi perlakuan mekanik. Sebaliknya, jika bahan ini diberi
tegangan listrik maka akan terjadi perubahan ketebalan (mengembang dan
mengkerut). Material yang biasa digunakan sebagai elemen transduser adalah
zirconate titanate (PZT). Elemen piezoelektrik mengubah energi listrik menjadi
energi mekanik untuk menghasilkan ultrasonik dan energi mekanik menjadi
energi listrik untuk mendeteksi ultrasonik. Transduser memiliki dua fungsi yaitu :
a. Menghasilkan pulsa ultrasonik
b. Menerima atau mendeteksi echo yang kembalI
Elemen aktif
Elemen aktif atau dikenal dengan elemen piezoelektrik adalah komponen
fungsional transduser. Piezoelektrik mengubah energi listrik menjadi energi
mekanik ketika mengirim gelombang ultrasonik dan mengubah energi mekanik
menjadi energi listrik ketika menerima gelombang ultrasonik. Energi ultrasonik
dihasilkan melalui transduser yang melibatkan efek atau fenomena piezoelektrik.
Efek piezoelektrik adalah sifat dari kristal tertentu jika diberikan tekanan akan
menghasilkan muatan-muatan elektrik positif dan negatif pada kedua belah
permukaan.
Gambar 3.11 Efek piezoelektrik
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Ketika tekanan luar memberikan efek tegangan mekanik pada permukaan
piezoelektrik, dipole-dipole akan terganggu dari posisi keseimbangannya. Hal ini
mengakibatkan adanya ketidakseimbangan distribusi muatan. Kemudian akan
mengakibatkan perbedaan potensial dimana satu sisi akan bermuatan positif dan
yang lainnya bermuatan negatif. Elektrode yang berada di permukaan akan segera
mengukur besarnya tegangan tersebut, dimana nilainya akan proporsional dengan
amplitudo mekanik yang timbul.
Begitupun sebaliknya, pemberian tegangan pada permukaan piezoelektrik
akan menyebabkan ekspansi dan kontraksi mekanik dari elemen transduser. Efek
satu dengan yang lainnya (mutually effect) dari kristal akan terjadi jika diberikan
beda potensial pada permukaan kristal maka kristal tersebut akan mengalami
pengecutan atau pengembangan mekanik. Keadaan ini akan menghasilkan tekanan
dalam bentuk energi ultrasonik. Andaikan beda potensial bolak-balik (alternative
voltage) yang diberikan, maka kristal piezoelektrik tersebut akan mengembang
dan mengecut mengikuti besarnya beda potensial yang diberikan, dan proses ini
akan menghasilkan gelombang ultrasonik (Kutruff. 1991) seperti pada gambar
3.11.
Damping Block
Damping block adalah lapisan di belakang elemen piezoelektrik yang akan
menyerap energi ultrasonik yang datang dan melemahkan sinyal ultrasonik yang
merambat pada casing transduser. Komponen ini juga berfungsi mengurangi
vibrasi transduser untuk menghasilkan pulsa ultrasonik dengan lebar pulsa yang
pendek.
Wear Plate
Penggunaan wear plate bertujuan untuk melindungi transduser.
Bandwidth
Bandwidth adalah lebar distribusi frekuensi yang dilibatkan pulsa.
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Gambar 3.12 Bandwidth
3.4.2 Prinsip Kerja Ultrasonik
Prinsip kerja ultrasonik memanfaatkan hasil pantulan (echo) dari
gelombang ultrasonik apabila ditransmisikan pada jaringan tertentu. Gelombang
suara frekuensi tinggi dikirimkan ke dalam medium dan akan dipantulkan kembali
ketika sampai pada batas medium yang berbeda. Echo dari gelombang tersebut
kemudian dideteksi dengan transduser yang mengubah gelombang akustik ke
sinyal elektronik untuk diolah dan ditampilkan. Ultrasonik bekerja dengan cara
memancarkan gelombang suara frekuensi tinggi ke tubuh pasien melalui
transduser. Gelombang suara ini menembus tubuh dan mengenai batas-batas antar
jaringan, misal antara cairan dan otot, antara otot dan tulang. Sebagian gelombang
suara ini dipantulkan kembali ke transduser, sebagian lain terus menembus bagian
tubuh lainnya sampai kemudian juga dipantulkan seperti pada gambar 3.13.
Gambar 3.13 Sistem pulsa echo ultrasonik
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Gelombang-gelombang suara pantulan ini ditangkap kembali oleh
transduser dan diteruskan ke mesin ultrasonik, yang akan menghitung berapa jarak
jaringan pemantul dengan probe berdasarkan kecepatan suara di dalam jaringan.
Lalu mesin ultrasonik menampilkan pantulan gelombang suara itu di layar dalam
bentuk sinyal.
3.4.3 A-Mode
Gambar 3.14 A-mode
A-mode display digunakan untuk menggambarkan hubungan amplitudo
pulsa echo dengan kedalaman jaringan tubuh. Posisi sinyal echo di kedalaman
jaringan dipengaruhi oleh interval waktu pulsa yang dikirim dan diterima. Gambar
3.14 menjelaskan proses terbentuknya A-mode, pantulan pertama terjadi sebagai
pulsa yang dikirim oleh transmitter. Pulsa ultrasonik merambat ke dalam jaringan
tubuh sampai pada batas A jaringan yang memiliki impedansi akustik berbeda.
Hal ini menyebabkan sebagian pulsa ultrasonik dipantulkan dan diterima oleh
receiver sehingga menghasilkan echo A. Sebagian pulsa ultrasonik yang telah
melewati batas A akan diteruskan sampai pada batas B sehingga dihasilkan echo
B. Proses yang sama berlanjut hingga dihasilkan echo C.
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
BAB 4 SIMULASI DAN EKSPERIMEN
4.1 Simulasi Ultrasonik 2 Dimensi
Simulasi adalah teknik penyusunan dari kondisi nyata (sistem) kemudian
melakukan percobaan pada model yang dibuat dari sistem. Simulasi merupakan
alat yang fleksibel dari model. Simulasi cocok diterapkan untuk menganalisa
interaksi masalah yang rumit dari sistem. Simulasi bertujuan untuk
memprediksikan hasil eksperimen (Avissar, et.all., 1982).
Salah satu teknik untuk memodelkan perambatan ultrasonik dalam
medium adalah Finite Element Method yang ditemukan oleh Clough pada tahun
1960. Finite Element Method adalah metode numerik untuk mendapat solusi
permasalahan fisika menggunakan persamaan diferensial. Metode numerik ini
merupakan sistem yang mapan dalam komputasi untuk medium kompleks dan
heterogen serta dapat digunakan oleh banyak kasus fisika dan salah satunya
adalah akustik. Dengan metode ini, medan dari gelombang akan direpresentasikan
berupa serangkaian persamaan diferensial parsial (Partial Differensial Equation).
Konsep dasar yang melandasi finite element method adalah prinsip
diskritisasi. Secara umum, diskritisasi dapat diartikan sebagai upaya untuk
membagi sistem dari problem yang akan diselesaikan (objek) menjadi bagian-
bagian yang lebih kecil sehingga pemodelan menjadi lebih sederhana.
Penggunaan software pada simulasi memberi kemudahan dalam perubahan
berbagai parameter yang akan mempengaruhi hasil sesuai dengan yang
diinginkan. Software yang digunakan untuk memodelkan pancaran gelombang
dalam simulasi ini adalah COMSOL (Computer Solution) Multiphysics 2 dimensi
versi 3.4 untuk mencari solusi permasalahan hamburan ultrasonik dari jaringan
tubuh. Model ini akan digunakan untuk memprediksi hamburan balik ultasonik
dari jaringan untuk karakterisasi sinyal.
Langkah dasar yang dilakukan dalam simulasi dijelaskan pada gambar 4.1
berikut :
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Gambar 4.1 Langkah simulasi menggunakan COMSOL Multiphysics
4.1.1 Preprocessing
Preprocessing adalah tahap mendefinisikan model simulasi yang akan
dilakukan. Tahap ini meliputi menentukan geometri domain, parameter
subdomain, parameter boundary condition atau kondisi batas, dan parameter
mesh.
1. Geometri Domain
Pada sistem ini dimodelkan sebuah perambatan gelombang ultrasonik
yang ditransmisikan oleh sebuah transmitter transduser linier dalam 2 dimensi.
Model jaringan terdiri dari transduser, jaringan tubuh berukuran yang di dalamnya
terdapat organ hati dan jaringan abnormal. Transduser yang dimodelkan tidak
sesuai dengan bentuk aslinya, namun yang diutamakan adalah posisinya sehingga
sesuai dengan prediksi perambatan gelombang ultrasonik di dalam medium.
Dalam kasus gelombang pulsa, transduser yang digunakan terdiri dari transmitter
(pengirim) dan receiver (penerima) dalam satu lokasi. Gelombang ultrasonik
dikirim, ditunggu selama interval waktu tertentu, kemudian sinyal echo diterima.
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Dalam simulasi ini frekuensi transduser yang digunakan adalah 1 MHz sampai 6
MHz.
Geometri jaringan tubuh normal ditunjukkan pada gambar 4.2 dan
geometri jaringan tubuh abnormal ditunjukkan pada gambar 4.3. Dari gambar
tersebut terlihat perbedaan antara jaringan normal dan abnormal. Pada jaringan
abnormal terdapat tambahan geometri yang memiliki impedansi akustik berbeda
dengan organ hati.
Gambar 4.2 Geometri jaringan normal
Gambar 4.3 Geometri jaringan abnormal
transduser
jaringan lunak
transduser
jaringan abnormal
jaringan lunak
hati
hati
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
2. Parameter Subdomain
Parameter subdomain menjelaskan mengenai karakteristik fisika pada
domain utama. Domain utama model dibagi ke dalam beberapa subdomain. Pada
subdomain diatur nilai yang menunjukkan karakter tiap jaringan.
Persamaan subdomain pada medium adalah :
(4.1)
Dengan ea adalah koefisien masa yang bernilai 1 dan f adalah source term
yang bernilai 0. Nilai c pada persamaan di atas jika dibandingkan dengan
persamaan perambatan gelombang merupakan kuadrat dari kecepatan gelombang
di medium.
1
2
3
Gambar 4.4 Label nomor subdomain
Subdomain medium jaringan lunak berada pada subdomain selection 1
dengan kecepatan gelombang ultrasonik 1540 m/s, subdomain medium hati
berada pada subdomain selection 2 dengan kecepatan gelombang ultrasonik 1555
m/s, dan subdomain jaringan abnormal berada pada subdomain selection 3 dengan
kecepatan gelombang ultrasonik bervariasi dari 1900 m/s sampai 2600 m/s.
3. Parameter Kondisi Batas
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Kondisi batas yang ditentukan saat pemodelan akan menentukan kondisi
yang menghubungkan geometri model dengan sekelilingnya. Kondisi batas
dimodelkan sebagai karakteristik setiap batas dalam memantulkan dan menyerap
gelombang ultrasonik. Semua batas dimodelkan sebagai kondisi batas Dirichlet
dan kondisi batas Neumann. Kondisi batas Dirichlet adalah kondisi yang
diberikan dalam bentuk nilai fungsi di perbatasan. Jika yang diberi pada suatu
batas adalah turunan fungsinya, maka kondisi batasnya Neumann.
Pemodelan transduser hanya dimodelkan sebuah boundary tambahan
seperti (angka 1) yang berjenis Dirichlet. Kondisi batas lain yang berjenis
Dirichlet (angka 2 dan 5) memiliki karakter memantulkan gelombang ultrasonik.
Dan kondisi batas lain yang berjenis Neumann (angka 3 dan 4) merupakan
potongan sebagai bentuk penyederhanaan geometri tubuh manusia.
1 2
3 4
5 Gambar 4.5 Kondisi batas
Sumber gelombang akustik dihasilkan transduser dengan persamaan
sebagai berikut :
2 2
0( ) cos(2 )exp( 1 4 ( ) )u t fc A t tπ= − − (4.2)
dengan :
ln 2Abwπ
=×
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
bw = transducer bandwidth, fc = frekuensi (Hz), dan t0 = waktu munculnya
puncak pulsa awal (s).
4. Parameter Mesh
Dalam upaya mendapat solusi permasalahan fisika, objek dibagi menjadi
bagian-bagian yang lebih kecil sehingga pemodelan menjadi lebih sederhana.
Proses ini dinamakan diskritisasi. Bagian-bagian kecil hasil diskritisasi dinamakan
mesh. Agar kondisi simulasi cukup stabil, maka ukuran mesh h diatur hingga lebih
kecil dari ukuran panjang gelombang yang merambat pada medium. Ukuran
elemen maksimum mesh = 1/6 x λ = 0,855x 10-5 m dengan jumlah mesh 39.393.
Geometri jaringan setelah dimesh ditampilkan pada gambar 4.6.
Gambar 4.6 Tampilan finite element mesh
4.1.2 Processing
Pada tahap ini, parameter solusi yang digunakan dalam simulasi ini adalah
solusi bergantung waktu (time dependent). Time stepping adalah waktu yang
dibutuhkan gelombang ultrasonik merambat dari dan kembali ke transduser.
Waktu yang digunakan dalam eksperimen ini adalah 110 μs dengan Δt 0.1 μs.
4.1.3 Postprocessing
Postprocessing merupakan tahap analisis dari solusi. pada tahap ini dapat
diketahui distribusi tekanan pada medium.
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
4.1.4 Deskripsi Kasus
Permasalahan yang diangkat pada penelitian metode simulasi ini adalah
mengetahui efek dari adanya jaringan abnormal dengan nilai intensitas yang
diterima oleh receiver. Jaringan abnormal yang biasa disebut kanker adalah suatu
kondisi dimana sel telah kehilangan pengendalian dan mekanisme normalnya,
sehingga mengalami pertumbuhan yang tidak normal, cepat dan tidak terkendali.
Sel-sel kanker akan terus membelah diri. Sejalan dengan pertumbuhan dan
perkembangbiakannya, sel-sel kanker membentuk jaringan ganas yang semakin
lama ukurannya semakin membesar. Sel kanker terlalu banyak memproduksi
protein. Kian tinggi jumlah protein itu, massa jenis kanker semakin bertambah.
Untuk itu ada beberapa hal yang akan dimodelkan dengan ketentuan
sebagai berikut :
1. Organ tubuh lain di sekitar hati disederhanakan menjadi jaringan lunak
homogen.
2. Dimensi keabnormalan jaringan disederhanakan berupa elips. Dengan
impedansi akustik dan panjang yang bervariasi.
3. Efek penggunaan couplant ditiadakan untuk mengurangi
kekompleksan analisis.
4. Perambatan ultrasonik divariasikan dengan perubahan frekuensi dan
bandwidth transduser.
4.2 Denoising dengan Wavelet
Dalam sistem ultrasonik yang sebenarnya, tidak seluruh echo yang
diperoleh dari jaringan tubuh diterima dengan baik seluruhnya oleh transduser.
Adanya noise mengakibatkan sinyal yang diterima mengalami kecacatan atau
bahkan menghilangkan informasi yang dibawa. Noise dapat diartikan sebagai
sinyal yang tidak diinginkan yang menyertai sinyal informasi dan merusaknya.
Untuk mengurangi noise dapat digunakan berbagai metode pemrosesan sinyal.
Proses untuk mengurangi noise disebut denoising.
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Salah satu metode pemrosesan sinyal yang dapat digunakan untuk
denoising adalah wavelet. Wavelet memiliki prinsip dasar membagi data menjadi
komponen-komponen frekuensi yang berbeda. Proses ini dinamakan dekomposisi.
Transformasi sinyal menjadi koefisien-koefisien wavelet diperoleh dengan
menapis sinyal menggunakan high pass filter dan low pass filter.
4.3 Eksperimen
4.3.1 Deskripsi Alat dan Bahan
Sistem yang digunakan terdiri dari pulse generator, osiloskop, dan
transduser. Pulse generator adalah rangkaian alat uji elektronik yang digunakan
untuk menghasilkan pulsa (gambar 4.7). Osiloskop adalah alat ukur besaran listrik
yang dapat memetakan sinyal listrik. Osiloskop yang digunakan berjenis
Tektronix TDS 2024 (gambar 4.8). Skala horizontal sebesar 500 mV/div dan
skala vertikal sebesar 10 μs/div.
Transduser yang digunakan memiliki frekuensi 5 MHz, berdiameter 1 cm,
dan terdiri atas dua elemen (dual element) (gambar 4.9). Transduser dual element
terdiri dari elemen pemancar (transmitter) dan elemen penerima (receiver)
dioperasikan secara mandiri dalam satu rumah dan dipisahkan oleh penghalang.
Ketika diberikan tegangan, elemen pemancar transduser mengirim ultrasonik ke
dalam objek. Pada batas akhir objek, ultrasonik dipantulkan kembali ke transduser
dan diterima oleh elemen penerima.
Gambar alat-alat yang digunakan dalam eksperimen ditunjukkan pada
gambar 4.7, 4.8, dan 4.9 berikut.
Gambar 4.7 Pulser generator
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Gambar 4.8 Osiloskop
Gambar 4.9 Transduser
Ada dua jenis medium yang digunakan dalam eksperimen ini. Medium I
terdiri dari agar-agar dan hati sapi. Medium II terdiri dari agar-agar, hati sapi, dan
karet. Agar-agar dimodelkan sebagai jaringan lunak, hati sapi dimodelkan sebagai
organ hati, dan karet diibaratkan sebagai jaringan abnormal yang terdapat pada
organ hati. Susunan medium yang digunakan ditampilkan pada gambar 4.10.
Gambar 4.10 Medium I : agar-agar dan hati sapi
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Masing-masing bahan penyusun medium memiliki karakteristik sebagai
berikut :
1. Agar-agar yang mewakili jaringan lunak memiliki kecepatan
gelombang ultrasonik sebesar 1500 m/s. Tebal agar-agar pada medium
I adalah 3,8 cm dan pada medium II adalah 2,4 cm.
2. Hati sapi yang mewakili organ hati memiliki kecepatan ultrasonik
sebesar 1550 m/s dan ketebalan 1,1 cm. Hati sapi terletak pada
kedalaman 0,5 cm dari permukaan agar-agar.
3. Karet yang mewakili jaringan abnormal memiliki kecepatan ultrasonik
sebesar 2286 m/s dan ketebalan 0,3 cm. Karet terletak di dalam organ
hati yaitu pada kedalaman 0,9 cm dari permukaan agar-agar.
4.3.2 Metode Pengukuran
Metode pengukuran yang digunakan dalam eksperimen ini adalah metode
Contact scanning. Contact scanning adalah salah satu teknik pulsa echo dimana
transduser menempel langsung dengan objek yang akan diperiksa. Gambar 4.11
menunujukkan teknik contact scanning.
Gambar 4.11 Contact scanning
4.3.3 Prinsip Kerja
Eksperimen yang dilakukan hanya memvariasikan jaringan normal dan
jaringan abnormal dengan variasi impedansi akustiknya. Ultrasonik
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
ditransmisikan pada medium I (agar-agar dan hati sapi) dan medium II (agar-agar,
hati sapi, dan karet). Ketika eksperimen, transduser menempel pada organ yang
diteliti yang terlebih dahulu diberi bahan couplant yaitu gel. Pemberian gel ini
dimaksudkan untuk menghilangkan ruang udara di antara transduser dan objek.
Transmisi ultrasonik dimodelkan garis hitam dengan ketebalan berbeda
yang mewakili besarnya energi. Pada setiap batas antara jaringan yang memiliki
impedansi akustik berbeda, sebagian ultrasonik ditransmisikan menuju jaringan
berikutnya dan sebagian lagi direfleksikan (dimodelkan oleh garis merah) ke
receiver. Gambaran umum mengenai hubungan kualitatif antara pengaruh
keabnormalan jaringan dengan intensitas yang diterima receiver dapat dijelaskan
melalui gambar berikut :
(a)
(b)
Gambar 4.12 Perambatan gelombang ultrasonik : (a) medium I ; (b) medium II
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Pada keadaan normal dimana organ hati tidak memiliki jaringan abnormal,
maka sinyal yang ditransmisikan oleh akan dipantulkan pada batas jaringan lunak
- hati, hati - jaringan lunak, dan batas akhir jaringan. Sedangkan ketika adanya
jaringan abnormal, pemantulan sinyal yang ditransmisikan terjadi pada batas
jaringan lunak - hati, hati - jaringan abnormal, jaringan abnormal - hati, hati -
jaringan lunak, dan batas akhir jaringan sehingga echo yang dihasilkan lebih
banyak dibandingkan dengan keadaan normal.
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
BAB 5 HASIL DAN ANALISIS
5.1 Hasil dan Analisis Simulasi
(a)
(b) Gambar 5.1 Snapshoot COMSOL : (a) jaringan abnormal ; (b) jaringan normal
5.1.1 Simulasi 1
Simulasi ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh keabnormalan jaringan
terhadap sinyal. Hasil pengukuran echo jaringan normal dan abnormal dalam
domain waktu ditampilkan pada gambar 5.2.
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
(a)
(b) Gambar 5.2 Sinyal : (a) jaringan normal ; (b) jaringan abnormal
Gambar 5.2 (a) merupakan sinyal yang tidak memiliki jaringan abnormal
dan gambar 5.2 (b) merupakan sinyal jaringan abnormal yang memiliki dua buah
echo tambahan. Pada awal sinyal masing-masing gambar terdapat pulsa awal yang
dikirim oleh transduser. Pulsa yang dikirim oleh transduser kemudian memasuki
jaringan tubuh hingga bertemu batas antara jaringan lunak dan hati. Pada batas,
pulsa ada yang direfleksikan dan ada yang ditransmisikan.
Jaringan lunak memiliki densitas (ρ) sebesar 1050 kg/m3 dan kecepatan
ultrasonik (v) sebesar 1540 m/s. Hati memiliki densitas (ρ) 1061 kg/m3 dan
Pulsa awal
Pulsa awal
Echo jaringan abnormal
Echo batas akhir tubuh
Echo batas akhir jaringan
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
kecepatan ultrasonik sebesar (v) 1550 m/s. Dari persamaan (3.31) jaringan lunak
dan hati masing-masing memiliki impedansi akustik 1,61x106 dan 1,65x106.
Impedansi akustik menentukan energi akustik yang direfleksikan dan
ditransmisikan pada batas antara medium.
Mengacu pada persamaan (3.36) koefisien refleksi antara jaringan lunak
dan hati sebesar 0,0015 dan intensitas yang direfleksikan hanya 0,15 %. Hal ini
menyebabkan pada gambar 5.2 (a) echo yang timbul akibat refleksi batas antara
jaringan lunak dan hati hampir tidak terlihat.
Sebagian besar pulsa ditransmisikan menuju batas kedua antara hati dan
jaringan lunak. Proses terjadi seperti yang telah dijelaskan sebelumnya. Pada batas
ini sebagian pulsa direfleksikan dengan intensitas sangat kecil dibanding
intensitas pulsa awal sehingga echo hampir tidak terlihat. Pulsa yang
ditransmisikan setelah melewati batas kedua antara jaringan lunak dan hati
menuju batas akhir tubuh. Pada batas akhir tubuh, pulsa direfleksikan dan diterima
oleh transduser.
Pada gambar 5.2 (b) terdapat dua buah echo yang tidak terdapat pada
gambar 5.2 (a). Echo tersebut merupakan pulsa yang direfleksikan pada batas
antara hati dan jaringan abnormal. Jaringan abnormal memiliki impedansi akustik
yang berbeda dengan hati. Mengacu pada persamaan (3.31) impedansi akustik
dipengaruhi oleh kecepatan ultrasonik dalam jaringan.
Intensitas echo hasil refleksi pada batas antara hati dan jaringan abnormal
lebih besar dibandingkan intensitas echo hasil refleksi pada batas antara jaringan
lunak dan hati yang hampir homogen (impedansi akustik hampir sama). Semakin
besar kecepatan ultrasonik, maka semakin besar impedansi akustik medium
tersebut. Hal ini menyebabkan semakin besar pula pulsa yang direfleksikan.
5.1.2 Simulasi 2
Frekuensi gelombang ultrasonik yang digunakan untuk keperluan medis
harus dipilih secara tepat karena akan mempengaruhi informasi diagnosis.
Simulasi ini bertujuan untuk memperoleh frekuensi optimal dalam diagnosis
keabnormalan pada organ hati. Hasil pengukuran echo jaringan abnormal dengan
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
variasi frekuensi 1 sampai 6 MHz dalam domain waktu ditampilkan pada gambar
5.3.
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Gambar 5.3 Sinyal jaringan abnormal dengan variasi frekuensi (a) 1 MHz ; (b) 2 MHz ; (c) 3
MHz ; (d) 4 MHz ; (e) 5 MHz ; (f) 6 MHz
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Gambar 5.3 menunjukkan sinyal jaringan abnormal dengan frekuensi 1
sampai 6 MHz. Mulai dari gambar 5.3 (a) sampai 5.3 (f), panjang gelombang
semakin lama semakin pendek dengan frekuensi yang semakin meningkat.
Mengacu pada persamaan (3.17), panjang gelombang dipengaruhi oleh kecepatan
ultrasonik dan frekuensi.
Persamaan (3.17) menunjukkan hubungan antara frekuensi dan panjang
gelombang. Panjang gelombang echo berbanding terbalik dengan frekuensi
transduser. Ketika diberikan frekuensi 1 dan 2 MHz, jumlah echo yang muncul
tidak begitu jelas terlihat karena panjang gelombangnya cukup besar sehingga
jarak antara echo berdekatan. Hal ini menandakan bahwa semakin kecil frekuensi
maka resolusi sinyal juga semakin rendah.
Ketika diberi frekuensi mulai dari 4 sampai 6 MHz, echo batas akhir
jaringan mengalami penurunan intensitas. Intensitas echo batas akhir jaringan
yang sangat kecil (mendekati nol) pada frekuensi 6 MHz menyebabkan echo ini
tidak terlihat pada gambar 5.3 (f). Semakin besar frekuensi menyebabkan
gelombang ultrasonik semakin banyak mengalami pelemahan sehingga jangkauan
kedalamannya berkurang. Tidak munculnya echo batas akhir tubuh disebabkan
karena gelombang suara frekuensi 6 MHz tidak dapat menjangkau hingga batas
akhir tubuh.
5.1.3 Simulasi 3
Bandwidth merupakan salah satu parameter penting yang mempengaruhi
sinyal ultrasonik. Simulasi ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh bandwidth
dalam diagnosis keabnormalan pada organ hati. Hasil pengukuran echo jaringan
abnormal dengan variasi bandwidth 1 hingga 3 MHz dalam domain waktu
ditampilkan pada gambar 5.4.
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f) Gambar 5.4 Sinyal dengan variasi bandwidth (a) 1 MHz ; (b) 1,4 MHz ; (c) 1,8 MHz ; (d) 2,2 MHz
; (e) 2,6 MHz ; (f) 3 MHz
1
1
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Bandwidth didefinisikan sebagai wilayah kerja transduser pada daerah
frekuensi. Bandwidth menggambarkan kemampuan maksimum transduser untuk
mentransmisikan ultrasonik per satuan waktu. Hasil sinyal pada gambar 5.3
menunjukkan bahwa bandwidth mempengaruhi panjang pulsa echo yang
dihasilkan.
Gambar 5.4 (a) dan (b) merupakan sinyal dengan bandwitdth sempit, yaitu
1 dan 1,4 MHz. Dari gambar tersebut dapat diamati bahwa jarak antara echo 1 dan
echo 2 sangat sedikit sehingga tampak seperti gelombang kontinu. Hal ini
menunjukkan resolusi bandwidth sempit kurang baik. Apabila dibandingkan echo
1 gambar 5.4 (b) yang diperbesar menjadi gambar 5.5 (a) dengan echo 1 gambar
5.4 (c) yang diperbesar menjadi gambar 5.5 (b), maka dapat dilihat pulsa pada
gambar 5.5 (a) lebih panjang dan jumlah gelombang yang lebih banyak dari pada
pulsa pada gambar 5.5 (b). Hal ini menunjukkan bandwidth yang lebih sempit
akan menghasilkan jumlah gelombang yang lebih banyak.
(a) (b)
Gambar 5.5 Pulsa ultrasonik (a) bandwidth 1,4 MHz ; (b) bandwidth 1,8 MHz
Dari sinyal yang diperoleh dan mengacu pada persamaan (4.2) semakin
lebar bandwidth, maka panjang pulsa yang dibangkitkan transduser berbanding
terbalik dengan bandwidth frekuensi transduser tersebut. Panjang pulsa akan
mempengaruhi resolusi sinyal yang dihasilkan. Pulsa yang panjang menyebabkan
jarak antar echo sedikit sehingga sulit untuk dibedakan.
5.1.4 Simulasi 4
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Impedansi akustik merupakan parameter penting dalam menetapkan
transmisi dan refleksi gelombang di batas antara jaringan yang memiliki
impedansi akustik yang berbeda. Impedansi akustik suatu medium dipengaruhi
oleh kecepatan ultrasonik merambat dalam medium tersebut. Pada gambar 5.6 (a)
jaringan abnormal yang memiliki kecepatan 1650 m/s sudah dapat dideteksi
dengan adanya echo yang dipantulkan. Untuk mencari hubungan antara impedansi
akustik dengan intensitas ultrasonik yang ditransmisikan oleh transduser, maka
pada simulasi ini dilakukan variasi impedansi akustik jaringan abnormal. Variasi
kecepatan dilakukan dari 1900 hingga 2600 m/s (gambar (b) sampai (i)).
(a)
(b) (c)
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
(d) (e)
(f) (g)
(h) (i)
Gambar 5.6 Sinyal dengan variasi kecepatan ultrasonik jaringan abnormal :(a) 1650 m/s ; (b) 1900
m/s ; (c) 2000 m/s ; (d) 2100 m/s ; (e) 2200 m/s ; (f) 2300 m/s ; (g) 2400 m/s ; (h) 2500 m/s ; (i)
2600 m/s
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Apabila diperhatikan mulai dari gambar 5.6 (b) sampai dengan 5.6 (i)
intensitas echo semakin lama semakin besar seiring dengan bertambahnya
kecepatan ultrasonik dalam jaringan abnormal. Seperti yang telah dibahas pada
5.1, semakin besar kecepatan ultrasonik maka semakin besar impedansi akustik.
Dengan impedansi akustik yang semakin besar, selisih impedansi akustik hati dan
jaringan abnormal juga semakin besar (ketidakhomogenan semakin besar). Hal ini
yang menyebabkan pulsa yang direfleksikan dan intensitas echo semakin besar.
Hubungan antara kecepatan gelombang ultrasonik dalam jaringan abnormal
dengan intensitas relatif echo ditunjukkan pada grafik 5.1.
Grafik 5.1 menunjukkan hubungan antara kecepatan ultrasonik dalam
jaringan abnormal dan intensitas echo berbanding lurus, artinya semakin besar
kecepatan ultrasonik dalam jaringan abnormal maka semakin besar pula intensitas
echo yang dihasilkan.
Grafik 5.1 Hubungan kecepatan ultrasonik dalam jaringan abnormal dengan intensitas relatif echo
5.1.5 Simulasi 5
Salah satu parameter keganasan jaringan abnormal adalah semakin
membesarnya ukuran. Untuk mencari hubungan antara ukuran jaringan abnormal
dengan intensitas ultrasonik yang ditransmisikan oleh transduser, maka pada
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
simulasi ini dilakukan variasi ukuran jaringan abnormal. Variasi ukuran dilakukan
dengan memvariasikan panjang dari 1 cm hingga 3,8 cm.
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
(g) (h)
Gambar 5.7 Sinyal dengan variasi panjang jaringan abnormal : (a) 1 cm ; (b) 1,4 cm ; (c) 1,8 cm ;
(d) 2,2 cm ; (e) 2,6 cm ; (f) 3 cm ; (g) 3,4 cm ; (h) 3,8 cm
Dapat dilihat mulai dari gambar 5.7 (a) sampai dengan 5.7 (h) intensitas
echo semakin lama semakin besar seiring dengan bertambahnya panjang jaringan
abnormal. Hubungan antara panjang jaringan abnormal dengan intensitas relatif
echo ditunjukkan pada grafik 5.2.
Grafik 5.2 Hubungan panjang jaringan abnormal dengan intensitas relatif echo
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Grafik 5.2 menunjukkan semakin besar panjang jaringan abnormal, maka semakin
luas daerah yang menghamburkan ultrasonik sehingga intensitas echo semakin
besar.
Perubahan jaringan diawali dari ukuran yang kecil. Simulasi ini memiliki
tujuan untuk mengetahui pengaruh jaringan abnormal yang memiliki ukuran lebih
kecil dari λ/2π terhadap sinyal yang dihasilkan dengan variasi jumlah yang
menunjukkan konsentrasinya.
Gambar 5.8 Sinyal jaringan abnormal dengan ukuran lebih kecil dari λ/2π
Grafik 5.3 Hubungan jumlah jaringan abnormal berukuran lebih kecil dari λ/2π dan intensitas echo
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Pada sinyal gambar 5.8 ukuran jaringan abnormal tidak menghasilkan
echo karena refleksi yang dihasilkan sangat kecil. Namun, jaringan abnormal
tersebut berpengaruh terhadap intensitas echo batas akhir jaringan. Intensitas echo
batas akhir jaringan semakin berkurang dengan bertambahnya jumlah jaringan
abnormal. Hal ini disebabkan pada ukuran jaringan abnormal lebih kecil dari λ/2π
mayoritas interaksi yang terjadi adalah hamburan dan absorbsi sehingga semakin
bertambah jumlah jaringan abnormal maka semakin banyak pula hamburan
absorbsi yang terjadi. Hamburan dan absorbsi menyebabkan gelombang ultrasonik
yang direfleksikan semakin berkurang.
5.1.6 Simulasi 6
Keabnormalan jaringan dapat pula dideteksi dari spektrum yang
dihasilkan. Spektrum dihasilkan dengan mencari Power Spectral Density (PSD)
yang menyatakan intensitas daya pada fungsi frekuensi. PSD menjelaskan
bagaimana kekuatan sinyal atau sebuah rangkaian waktu yang didistribusikan
dengan frekuensi.
(a)
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
(b)
(c)
Gambar 5.9 (a) Spektrum jaringan normal ; (b) Spektrum jaringan abnormal ; (c) Spektrum
jaringan abnormal ukuran lebih kecil dari λ/2π
Gambar 5.9 menunjukkan bahwa ada perbedaan spektrum jaringan
abnormal memiliki intensitas daya yang lebih besar dan puncak yang lebih
kompleks dibandingkan dengan spektrum jaringan normal. Intensitas daya yang
lebih besar dan puncak yang lebih kompleks menunjukkan adanya refleksi yang
berasal dari jaringan abnormal. Spektrum ini juga dapat mengindentifikasi adanya
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
jaringan abnormal dengan ukuran yang lebih kecil dari. Pada gambar 5.9 (c)
ditunjukkan bahwa jaringan abnormal memberi pengaruh pada pengurangan
intensitas echo dari batas akhir jaringan akibat interaksi hamburan dan absorbsi.
Hal ini menyebabkan intensitas daya spektrum jaringan abnormal lebih kecil
dibandingkan dengan jaringan normal.
5.1.7 Simulasi 7
Untuk memperoleh sinyal yang mendekati kondisi sebenarnya, maka
gambar 5.10 (a) dan 5.11 (a) yang menunjukkan sinyal jaringan normal dan
abnormal ditambahkan noise sebesar 5 %. Diasumsikan sinyal akustik yang akan
dianalisis adalah :
I = ttk + N (5.1)
Dengan I merupakan sinyal akustik yang memiliki noise, ttk adalah sinyal akustik,
dan N merupakan noise yang ditambahkan.
Simulasi ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh noise terhadap sinyal.
Hasil sinyal yang sudah ditambahkan noise ditunjukkan pada gambar 5.10 (b) dan
5.11 (b).
(a) (b)
Gambar 5.10 Sinyal jaringan normal (a) tanpa noise ; (b) dengan noise
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
(a) (b)
Gambar 5.11 Sinyal jaringan abnormal (a) tanpa noise ; (b) dengan noise
Apabila memperhatikan gambar 5.10 (b) dan 5.11 (b), jumlah echo yang
menjadi sumber informasi diagnosis menjadi tidak terlihat lagi. Hal ini
menandakan bahwa noise mengakibatkan sinyal yang diterima mengalami
kecacatan dan menghilangkan informasi yang dibawa. Oleh karena itu, noise perlu
dikurangi menggunakan wavelet.
Sinyal jaringan normal ditambahkan noise yang ditampilkan pada wavelet
(gambar 5.13 (a)) kemudian dilewatkan pada filter, yaitu low pass filter dan high
pass filter. Proses ini disebut dekomposisi tingkat satu. Keluaran low pass filter
disebut approximation (A) dan keluaran high pass filter disebut detail (D).
Keluaran dari low pass filter dijadikan masukan proses dekomposisi tingkat
berikutnya. Sinyal approximation hasil dekomposisi tingkat satu disebut A1
menjadi masukan dekomposisi tingkat dua yang akan menghasilkan
approximation 2 (A) dan detail 2 (D) seperti yang ditunjukkan pada gambar 5.12.
Gambar 5.12 Proses dekomposisi tingkat 2
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Proses dekomposisi ini dilakukan hingga tingkat delapan yang hasilnya
ditampilkan pada gambar 5.13 (b). Gabungan keluaran low pass filter dan high
pass filter (A8 dan D8) inilah yang menjadi sinyal hasil denoising pada gambar
5.13 (c).
(a) (b)
(c)
Gambar 5.13 Denoising pada sinyal jaringan normal dengan wavelet : (a) sinyal jaringan normal
dengan noise ; (b) dekomposisi sinyal ; (c) sinyal hasil denoising
Echo batas akhir jaringan terlihat lagi
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Proses denoising jaringan abnormal sama seperti yang telah dijelaskan pada
reduksi derau jaringan normal juga melalui tahapan yang ditunjukkan pada
gambar 5.14.
(a) (b)
(c)
Gambar 5.14 Denoising pada sinyal jaringan abnormal dengan wavelet : (a) sinyal jaringan
abnormal dengan noise ; (b) dekomposisi sinyal ; (c) hasil denoising
Echo batas akhir jaringan terlihat lagi
Echo jaringan abnormal terlihat lagi
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Echo yang merupakan informasi diagnosis tidak dapat dilihat karena
pengaruh noise (gambar 5.13 (a) dan 5.14 (a)) menjadi terlihat kembali (gambar
5.13 (c) dan 5.14 (c) setelah denoising menggunakan wavelet.
5.2 Hasil dan Analisis Eksperimen
Gambar 5.15 Sinyal transmisi
Pada osiloskop tampak data dari transduser transmitter pada channel 1
(warna kuning) dan transduser receiver pada channel 2 (warna biru). Eksperimen
yang telah dilakukan adalah perambatan gelombang ultrasonik dalam medium
untuk mengetahui ada atau tidaknya jaringan abnormal.
5.2.1 Pengaruh Jaringan Abnormal
(a) (b)
Gambar 5.16 Sinyal : (a) jaringan normal ; (b) jaringan abnormal
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Gambar 5.16 (a) merupakan sinyal dari medium I dimana tidak ada
jaringan abnormal. Hasil menunjukkan bahwa kecepatan ultrasonik dalam agar-
agar dan hati hanya memiliki sedikit perbedaan yang menyebabkan selisih
impedansi akustiknya pun menjadi kecil. Sehingga, intensitas yang direfleksikan
antara batas agar-agar dan hati sangat kecil. Hal ini menyebabkan pada gambar
5.16 (a) echo yang timbul akibat refleksi batas antara agar-agar dan hati hampir
tidak terlihat.
Pulsa yang ditransmisikan setelah melewati batas kedua antara jaringan
lunak dan hati menuju batas akhir tubuh. Pada batas akhir tubuh, pulsa
direfleksikan dan diterima oleh transduser menghasilkan pulsa echo dengan
intensitas peak-to-peak 0,6 volt. Waktu tempuh gelombang ultrasonik yang
diperoleh dari eksperimen pada medium I adalah berkisar 50,8 µs.
Gambar 5.16 (b) merupakan sinyal dari medium I dimana ada jaringan
abnormal. Hasil menunjukkan terdapat dua buah echo yang tidak terdapat pada
gambar 5.16 (a). Echo tersebut merupakan pulsa yang direfleksikan pada batas
antara hati - karet dan karet - hati. Jaringan abnormal memiliki impedansi akustik
yang berbeda dengan hati. Mengacu pada persamaan (3.31) impedansi akustik
dipengaruhi oleh kecepatan ultrasonik dalam medium.
Intensitas peak-to-peak hasil refleksi pada batas antara hati dan jaringan
abnormal pada medium II sebesar 0,4 volt. Intensitas tersebut lebih besar
dibandingkan intensitas echo hasil refleksi pada batas antara jaringan lunak dan
hati yang hampir homogen (impedansi akustik hampir sama). Semakin besar
kecepatan ultrasonik, maka semakin besar impedansi akustik medium tersebut.
Hal ini menyebabkan semakin besar pula pulsa yang direfleksikan.
5.2.2 Perbandingan Hasil Eksperimen dengan Simulasi
Dari segi jumlah echo yang dihasilkan oleh eksperimen dan simulasi tidak
mengalami perbedaan. Sinyal jaringan normal hasil eksperimen maupun simulasi
menunjukkan echo hanya terjadi pada batas akhir objek saja karena jaringan lunak
dan hati hampir homogen. Sinyal jaringan abnormal hasil eksperimen maupun
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
simulasi menunjukkan echo berasal dari batas hati-jaringan abnormal, jaringan
abnormal-hati, dan batas akhir jaringan lunak.
Sinyal eksperimen mengandung noise yang cukup besar sehingga echo
terlihat kecil. Oleh karena itu, proses denoising (pengurangan noise) yang telah
dilakukan pada simulasi 7 dibutuhkan agar informasi yang dibawa sinyal untuk
kepentingan diagnosis menjadi optimal.
(a) (b)
Gambar 5.17 Sinyal jaringan normal : (a) hasil eksperimen ; (b) hasil simulasi
(a) (b)
Gambar 5.18 Sinyal jaringan abnormal : (a) hasil eksperimen ; (b) hasil simulasi
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
BAB 6 PENUTUP
6.1 Kesimpulan
Dari hasil simulasi menggunakan software COMSOL Multiphysics dan
eksperimen menggunakan ultrasonik serta analisisnya maka dapat disimpulkan :
1. Semakin besar frekuensi, maka semakin kecil jangkauan kedalaman dan
semakin baik resolusinya. Untuk diagnosis kanker hati, frekuensi yang
paling optimum adalah 3 sampai 5 MHz.
2. Semakin lebar bandwidth, maka semakin pendek pulsa dan semakin baik
resolusi sinyal, namun sensivitasnya semakin berkurang. Untuk diagnosis
kanker hati, bandwidth yang paling optimum adalah 1,8 MHz.
3. Semakin besar perbedaan impedansi akustik antara dua medium, maka
semakin besar pula intensitas echo yang diterima receiver.
4. Semakin panjang jaringan abnormal, maka semakin besar pula intensitas
echo yang diterima receiver.
5. Sistem ultrasonik dapat digunakan untuk mengidentifikasi keabnormalan
jaringan dengan ukuran lebih kecil dari λ/2π dengan menganalisis
intensitas echo batas akhir jaringan.
6. Jaringan abnormal memiliki karakteristik spektrum yang berbeda dengan
jaringan normal, yaitu memiliki intensitas daya yang lebih besar dan
puncak yang lebih kompleks. Untuk kasus ukuran jaringan abnormal lebih
kecil dari λ/2π, intensitas dayanya lebih kecil dibandingkan dengan
spektrum pada jaringan normal.
7. Noise dapat direduksi menggunakan trnsformasi wavelet.
6.2 Saran
Beberapa saran untuk perbaikan penelitian ini di masa mendatang adalah :
1. Pada simulasi menggunakan COMSOL Muiltiphysics perlu dilakukan
permodelan tiga dimensi dan peningkatan jumlah mesh untuk
meningkatkan keakurasian hasil.
2. Pada penelitian selanjutnya perlu dilakukan penyelidikan efek biologis
ultrasonik terhadap jaringan tubuh manusia.
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
3. Untuk tahap selanjutnya perlu dilakukan penelitian tentang hubungan
karakteristik sinyal akustik terhadap spesifikasi jenis keabnormalan
jaringan.
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
DAFTAR REFERENSI
Allyn, Welch. “Physician Office Ultrasonic Imaging.” Thesis, Syracuse
University Coolege of Law Technology Transfer Reseach Center, 2004.
Brown, BH, RH Smallwood, D C Barber, P V Lawford, D R Hose. Medical
Physics and Biomedical Engineering. Medical Science Series. Bristol and
Philadelphia: Institute of Physics Publishing, 1999.
Burns, Peter N. “Introduction To The Physical Principles of Ultrasound Imaging
and Doppler.” Sunnybrook Health Science Centre 2075 Bayview Avenue
S660. Canada
Bushberg, Jerrold T,J.Anthony Seibert, Edwin M. Leidholdt, and John M.Bhoone.
The Essential Physics of Medical Imaging. Philadelphia: Lippincott
Williams & Wilkins, 2001.
Cotin, S. And D.N Metaxas, eds. “Proceedings of Medical Simulation :
International Symposium – ISMS 2004, Cambridge, MA, June 17-
18,2004, Lecture Notes in Computer Science vol. 3078, Springer-Verlag,
pp. 67-76.
Erikson, Kenneth R., Francis J. Fry, Joie P. Jones. Ultrasound in Medicine – A
Review. IEEE Transaction on Sonic and Ultrasonic, Vol. Su-21, No. 3
July 1974.
Everest, F. Alton. The Master Handbook of Acoustic. USA: The McGraw-Hill
Companies, Inc, 2001.
Falou, Omar, J. Carl Kumaradas, and Michael C. Kolios. “A Study of FEMLAB
for Modeling High Frequency Ultrasound.” COMSOL Multiphysics User's
Conference. Boston, 2005.
----------. “Modeling Acoustic Wave Scattering from Cells and Microbubbles.”
COMSOL Multiphysics User's Conference. Boston, 2006
Giancoli, Douglas C. Physics (Principles With Application). Fifth Edition.
Prentice-Hall International, Inc, 1998. Translated in Indonesian Language
by Yuhilza Hanum. Fisika. Edisi 5. Jakarta : Erlangga, 2001.
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Halliday, David and Robert Resnick. Physics. Third Edition. John Wiley &
Sons,Inc, 1978. Translated in Indonesian Language by Pantur silaban.
Fisika. Edisi kelima. Jakarta : Erlangga, 1985.
Hellier, Charles. Handbook of Nondestructive Evaluation. The McGraw-Hill
Companies, Inc, 2003.
Hongxia Yao. “Synthetic Aperture Methods for Medical Ultrasonic Imaging
Thesis.” IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics (1971) Vol. SU-21,
No. 3.
Huisman, Hendrikus Johannes. In Vivo Ultrasonic Tissue Characterization of
Liver Metastases. Rotterdam, 1966.
Hutton, David V. Fundamental of Finite Element Analysis. New York: The
McGraw-Hill Companies, Inc, 2004.
Markelin, René, Prashanth Kumar Chinta. “Numerical Modelling of Ultrasonic
NDT of a Wheel Shaft of an ICE Train.” Fundamentals in Medical
Biophysics MBP1007/1008 (2005). Germany
Mimbs, J.W., R. D. Bowens, R. D. Coben, M. O’Donnel, J. G. Miller, and B. E.
Sobel. “Effects of Myocardial Ischemia on Quantitative Ultrasonic
Backscatter Identification of Responsible Determinants.” Circ. Res. 49,
89-96 (1981).
Seghal, C. M. “Quantitative Relationship Between Tissue Composition and
Scattering of Ultrasound.” Journal Acoustic Soc Am. 94 (4) (1993).
Shung, K. Kirk. Diagnostic Ultrasound Imaging and Blood Flow Measurement.
New York: Taylor and Francis, 2006.
S.S. Yang, and J.K. Lee. FEMLAB and its applications Plasma Application
Modeling Lab. 2005
<http://www.ndted.org/EducationResources/CommunityCollege/Ultrasoni
cs/Introduction/history.htm>
Sprawls, Perry Jr.. Physical Principles of Medical Imaging. Madison. Wisconsin:
Medical Physics Publishing, 1995.
Szabo, Thomas L. Diagnostic Ultrasound Imaging : Inside Out. United States of
America: Elsevier Academic Press, 2004.
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Vollmers, Tony Stanley. “Surface Impedance Measurement.” Thesis, College of
Graduate Studies and Research in Partial Fulfillment of the Requirements for the
Degree of Masters of Science in the Department of Mechanical Engineering
University of Saskatchewan, Saskatchewan, 2005.
Walidainy, Hubbul dan Nazlun. “Simulasi Menghapus Derau Pada Sinyal Suara.”
Jurnal Rekayasa Elektrika 1 (2004) Volume 3 No. 2.
<http://www.ndted.org/EducationResources/CommunityCollege/Ultrasoni
cs/Introduction/history.htm>
Webb, Steve. The Physics of Medical Imaging. Medical Science Series. London:
Institute of Physics Publishing, 2000.
Xiangtao Yin. “The Study of Ultrasound Pulse-Echo Subwavelength Defect
detection Mechanism.” Thesis, Departemen of Electrical and Computer
Engineering University of Illinois at Urbana-Champaign, 2003.
Yi Liul, Amy E. Kerdok, and Robert D. Howel. A Nonlinear Finite Element
Model of Soft Tissue.
Z. H. Cho, Joie P. Jones, Manbir Singh. Foundation of Medical Imaging. A Wiley-Interscience Publication, 1993.
Zimmerman, William B. J. Process Modelling and Simulation with Finite Element Methods. World Science Publishing Co. Ptc. Ltd. Singapore, 2004.
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
LAMPIRAN
Lampiran A
COMSOL Multiphysics 3.4
COMSOL Multiphysics is a powerful interactive environment for modeling and solving all kinds of scientific and engineering problems based on partial differential equations (PDEs). With this software you can easily extend conventional models for one type of physics into multiphysics models that solve coupled physics phenomena—and do so simultaneously. Accessing this power does not require an in-depth knowledge of mathematics or numerical analysis. Thanks to the built-
in physics modes it is possible to build models by defining the relevant physical quantities—such as material properties, loads, constraints, sources, and fluxes—rather than by defining the underlying equations. COMSOL Multiphysics then internally compiles a set of PDEs representing the entire model. You access the power of COMSOL Multiphysics as a standalone product through a flexible graphical user interface, or by script programming in the COMSOL Script language or in the MATLAB language.
As noted, the underlying mathematical structure in COMSOL Multiphysics is a system of partial differential equations. We provide three ways of describing PDEs through the following mathematical application modes:
• Coefficient form, suitable for linear or nearly linear models • General form, suitable for nonlinear models • Weak form, for models with PDEs on boundaries, edges, or points, or for
models using terms with mixed space and time derivatives. (The weak form provides many additional benefits, and we review them in the context of specific models in other books in this documentation set.)
Using these application modes, you can perform various types of analysis including:
Gambar A.1 Logo COMSOL Multiphysics
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
(Lanjutan)
• Stationary and time-dependent analysis • Linear and nonlinear analysis • Eigenfrequency and modal analysis
When solving the PDEs, COMSOL Multiphysics uses the proven finite element method (FEM). The software runs the finite element analysis together with adaptive meshing and error control using a variety of numerical solvers. A more detailed description of this mathematical and numerical foundation appears in the COMSOL Multiphysics User’s Guide and in the COMSOL Multiphysics Modeling Guide.
PDEs form the basis for the laws of science and provide the foundation for modeling a wide range of scientific and engineering phenomena. Therefore you can use COMSOL Multiphysics in many application areas, just a few examples being:
• Acoustics • Bioscience • Chemical reactions • Diffusion • Electromagnetics • Fluid dynamics • Fuel cells and electrochemistry • Geophysics • Heat transfer • Microelectromechanical systems (MEMS) • Microwave engineering • Optics • Photonics • Porous media flow • Quantum mechanics • Radio-frequency components • Semiconductor devices • Structural mechanics • Transport phenomena • Wave propagation
Many real-world applications involve simultaneous couplings in a system of PDEs —multiphysics. For instance, the electrical resistance of a conductor often varies with temperature, and a model of a conductor carrying current should include resistive-heating effects. This book provides an introduction to multiphysics modeling in the section “Thermal Effects in Electronic Conductors” on page 33. In addition, the COMSOL Multiphysics Modeling Guide covers multiphysics modeling techniques in the section “Creating Multiphysics Models” on page 270. The “Multiphysics” chapter in the COMSOL Multiphysics Model Library also contains several examples.
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
(Lanjutan)
Along these lines, one unique feature in COMSOL Multiphysics is something we refer to as extended multiphysics: the use of coupling variables to connect PDE models in different geometries. This represents a step toward system-level modeling.
Another unique feature is the ability of COMSOL Multiphysics to mix domains of different space dimensions in the same problem. This flexibility not only simplifies modeling, it also can decrease execution time.
In its base configuration, COMSOL Multiphysics offers modeling and analysis power for many application areas. For several of the key application areas we also provide optional modules. These application-specific modules use terminology and solution methods specific to the particular discipline, which simplifies creating and analyzing models. The COMSOL 3.2 product family includes the following modules:
• Chemical Engineering Module • Earth Science Module • Electromagnetics Module • Heat Transfer Module • MEMS Module • Structural Mechanics Module
The CAD Import Module provides the possibility to import CAD data using the following formats: IGES, SAT (Acis), Parasolid, and Step. Additional add-ons provide support for CATIA V4, CATIA V5, Pro/ENGINEER, Autodesk Inventor, and VDA-FS.
You can build models of all types in the COMSOL Multiphysics user interface. For additional flexibility, COMSOL also provides its own scripting language, COMSOL Script, where you can access the model as a Model M-file or a data structure. COMSOL Multiphysics also provides a seamless interface to MATLAB. This gives you the freedom to combine PDE-based modeling, simulation, and analysis with other modeling techniques. For instance, it is possible to create a model in COMSOL Multiphysics and then export it to Simulink as part of a control-system design.
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Lampiran B
Karakteristik Transduser PTS5
Velocity : 1000 – 9999 m/s
Measurement Range : 1.0 mm to 200.00 mm in carbon steel, this is dependent upon the transducer used and the material measured
Diameter : 1 cm
Length : 8 cm
Weight : 50 g
Temperature Range : -200C - +500C
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Lampiran C
Karakteristik osiloskop Tektronix TDS2024
Gambar C. Osiloskop Tektronix TDS2024
Features:
60 MHz, 100 MHz and 200 MHz Bandwidths
Sample Rates up to 2 GS/s
2 or 4 channels
2.5 k Points Record Length
Color or Monochrome LCD Display
Auto-set Menu with Waveform Selection
Probe Check Wizard to Ensure Correct Probe Usage
Context-Sensitive Help
Dual Time Base
Advanced Triggering
11 Automatic Measurements
Multi-language User Interface
Waveform and Setup Memories
FFT Standard on All Models
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
(Lanjutan)
Optional RS232, GPIB and Centronics Printer Interfaces with TDS2CMAX Module
Optional CompactFlash Memory Storage, RS232 and Centronics Printer Interfaces with TDS2MEM Module
Only 12.75"W x 5.96"H x 4.9"D, 4.4 lbs.
Description
The TDS1000 and TDS2000 Series digital storage oscilloscopes deliver an
unbeatable combination of superior performance, unmatched ease-of-use, and
affordability in an ultra lightweight, portable package. These new products extend
the performance and ease-of-use features in the former TDS200 Series, the
benchmark for low-cost oscilloscopes.
Affordable Digital Performance
With up to 200 MHz bandwidth and 2 GS/s maximum sample rate, no other color
digital storage oscilloscope offers as much bandwidth and sample rate for the
price. The TDS1000 and TDS2000 Series oscilloscopes provide accurate real-time
acquisition up to their full bandwidth. These instruments offer advanced
triggering, such as pulse width triggering and line-selectable video triggering, and
11 standard automatic measurements on all models. The Fast Fourier Transform
(FFT) math function allows the user to analyze, characterize and troubleshoot
circuits by viewing frequency and signal strength (standard).
Ultra-fast Setup and Use
The simple user interface with classic, analog-style controls makes these
instruments easy to use, reducing learning time and increasing efficiency.
Innovative features such as the autoset menu, probe check wizard, context-
sensitive help menu and color LCD display (TDS2000 Series) optimize
instrument setup and operation.
Simple, Speedy Documentation and Analysis
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
(Lanjutan)
OpenChoice® solutions deliver simple, seamless integration between the
oscilloscope and the personal computer, providing you with multiple choices to
easily document and analyze your measurement results. Choose from optional
communication modules, CompactFlash mass storage capability, OpenChoice
software or integration with third-party software.
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008
Karakterisasi sinyal..., Neni Wahyuni Yatarif, FMIPA UI, 2008