Wednesday, July 16, 2014

Catatan Ramadhan 1435 H - 19 Ramadhan, "Melihat" dengan Gelombang Ultrasonik

Hari ini, di hari ke 19 Ramadhan aku ingin sedikit bercerita tentang salah satu teknologi yang sesungguhnya sangat akrab dalam keseharian kita, ultrasonik, khususnya pemanfaatannya dalam dunia medis. Seorang ilmuwan pernah berkata, bahwa ditinjau dari satu perspektif, jika diibaratkan dengan kehidupan itu sendiri, ultrasonik sesungguhnya berasal dari laut. Karena lautlah yang mula-mula mengilhami pemanfaatan teknologi ini sebagai "indera" yang menggantikan keterbatasan manusia. Di dalam laut, indera penglihatan, penciuman, peraba, dan perasa sangatlah terbatas atau hampir-hampir tak bisa digunakan. Salah satu harapan yang tersisa adalah indera pendengaran. Maka sesungguhnya "melihat" dengan ultrasonik adalah "mendengar" esensi terdalam dari berbagai fenomena alam yang tak tertangkap oleh telinga manusia.

Gelombang ultrasonik adalah gelombang suara yang mempunyai frekuensi sangat tinggi melebihi ambang batas pendengaran manusia, yaitu di atas 20 kHz. Dalam pencitraan medis, biasanya digunakan gelombang ultrasonik dengan frekuensi berkisar antara 2 - 18 MHz. Gelombang ultrasonik merupakan suatu bentuk energi akustik yang dihasilkan oleh kristal-kristal piezoelectric yang terdapat di dalam transducer. Pembangkitan energi ini didasarkan pada fenomena reverse piezoelectric effect, yaitu ketika material kristal piezoelectric dikenai tegangan elektrik, maka kristal tersebut akan bergetar dengan frekuensi yang sangat tinggi, membangkitkan energi akustik dalam bentuk gelombang ultrasonik.  

Gelombang ultrasonik yang ditembakkan oleh transducer ini selanjutnya ditransmisikan ke tubuh pasien, merambat secara longitudinal sebagai rangkaian rapatan (tekanan tinggi) dan renggangan (tekanan rendah). Gelombang ultrasonik dibedakan berdasarkan panjang gelombang spesifik (jarak antara puncak gelombang) dan frekuensi (jumlah puncak gelombang per detik). Kecepatan rambat gelombang ultrasonik di dalam tubuh manusia relatif konstan, yaitu sekitar 1.540 m/detik.

Untuk menghasilkan citra klinis yang dapat dimanfaatkan, gelombang ultrasonik harus dipantulkan kembali oleh tissue (jaringan tubuh) yang dijadikan objek pencitraan untuk diterima kembali oleh transducer. Pada tahap ini, transducer yang tadinya berada dalam transmission mode akan berganti menjadi receive mode. Selanjutnya akan terjadi fenomena piezoelectric effect, dimana energi akustik berupa pantulan gelombang ultrasonik dari tissue tadi menyebabkan perubahan bentuk pada kristal piezoelectric di dalam transducer sehingga membangkitkan energi elektrik yang selanjutnya akan diproses oleh mesin ultrasonik untuk diterjemahkan menjadi citra klinis. Proses kirim-terima ini dapat diulangi lebih dari 7.000 kali per detik, dan jika digabungkan dengan proses komputasi maka mampu menghasilkan citra 2 dimensi real time yang dapat dimanfaatkan secara klinis.

Jumlah gelombang ultrasonik yang dipantulkan oleh objek dan diterima kembali oleh transducer akan terukur dalam intensitas sinyal yang direpresentasikan oleh skala abu-abu (gray scale) dari citra yang dihasilkan. Objek yang memantulkan gelombang ultrasonik dengan kuat akan menghasilkan sinyal dengan intensitas yang lebih besar dan tampak lebih putih (hyperechoic). Sebaliknya, objek-objek yang mempunyai daya pantul lemah (hypoechoic) akan tampak lebih gelap (hitam). Ketika gelombang ultrasonik merambat melalui jaringan-jaringan tubuh, maka gelombang-gelombang tersebut akan mengalami fenomena-fenomena akustik, seperti refleksi (pemantulan), refraksi (pembiasan) dan attenuasi.
 
Citra ultrasonik dari jarum anestesi [Chin et al., 2008]

Jika gelombang ultrasonik mengenai perbatasan antara dua tipe tissue, maka sebagian gelombang akan dipantulkan dan sebagian lainnya akan diteruskan (ditransmisikan). Objek dengan permukaan mulus dan memiliki ukuran yang relatif besar (misalnya jarum anestesi) akan bertindak seperti cermin, sehingga disebut sebagai reflektor (pemantul) spekular. Sedangkan objek dengan permukaan tidak beraturan akan bertindak sebagai scattering reflector atau scatterer, di mana pola pemantulan yang terjadi menyebar ke segala arah. Sebagian besar citra jaringan saraf dihasilkan oleh fenomena pemantulan scattering. Besarnya pemantulan yang terjadi dipengaruhi oleh perbedaan impedansi akustik antara 2 tipe tissue tersebut. Semakin besar perbedaannya, maka semakin besar pula energi yang akan dipantulkan dan diterima kembali oleh transducer, sehingga dihasilkan 2 citra yang dapat dibedakan.

Jika gelombang ultrasonik mengenai perbatasan tissue (non-refleksi), maka gelombang tersebut akan cenderung berubah arah perambatannya. Peristiwa ini dikenal dengan refraksi atau pembiasan. Refraksi terjadi ketika gelombang mengenai perabatasan antara dua tipe tissue yang mempunyai perbedaan kecepatan rambat akustik yang sangat kecil. Fenomena refraksi ini biasanya menyebabkan efek kurang menguntungkan bagi pencitraan ultrasonik jika jumlah gelombang ultrasonik yang terbuang dan tidak diterima kembali oleh transducer lumayan besar.

Sedangkan attenuasi adalah fenomena berkurangnya energi akustik secara terus menerus seiring dengan perambatan gelombang melewati jaringan-jaringan tubuh. Fenomena ini menyebabkan berkurangnya intensitas sinyal yang akan diterima kembali oleh transducer, seiring dengan semakin dalamnya gelombang ultrasonik merambat melewati jaringan-jaringan tubuh. Penyebab utama attenuasi adalah perubahan sebagian energi akustik menjadi kalor, yang dikenal sebagai peristiwa absorpsi. Attenuasi berhubungan secara langsung dengan kedalaman penetrasi dan tipe tissue yang ingin dicitrakan, serta perubahannya dipengaruhi secara tidak langsung oleh frekuensi dari gelombang ultrasonik yang digunakan.

Gelombang-gelombang tak terdengar, tak terlihat, tak tercium, tak teraba dan tak terasa tadi merambat berliku-liku merasuki sudut-sudut otakku. Terkadang dia menari-nari di dalam layar monitor, mentertawakan aku yang sering kali terbengong-bengong memperhatikan tingkah polahnya. Mengakrabinya adalah sesungguhnya mengakrabi kehidupan itu sendiri, yang senantiasa menyimpan misteri dan belum juga hendak berhenti untuk mengajakku berlari.

Bochum, 16 Juli 2014