Komponen Transducer USG

TEKNIK PESAWAT RADIOLOGI IMAGING

KOMPONEN TRANSDUSER USG

Shofia Insani

Tingkat I / Program DIV

P2.31.30.1.12.033

JURUSAN TEKNIK RADIODIAGNOSTIK DAN RADIOTERAPI

POLITEKNIK KESEHATAN KEMENTRIAN KESEHATAN JAKARTA II

2013

Pendahuluan

Ultrasonografi (USG) merupakan salah satu imaging diagnostik (Pencitraan diagnostik) untuk pemeriksaan alat alat dalam tubuh manusia, diman kita dapat mempelajari bentuk, ukuran anatomis, gerakan serta hubungan dengan jaringan sekitarnya. Pemeriksaan ini bersifat non-invasif, tidak menimbulkan rasa sakit pada penderita, dapat dilakukan dengan cepat, aman dan data yang diperoleh mempunyai nilai diagnostik yang tinggi. Tak ada kontra indikasinya, karena pemeriksaan ini sama sekali tidak akan memperburuk penyakit penderita. Dalam 20 tahun terakhir ini, diagnostik ultrasonik berkembang dengan pesatnya, sehingga saat ini USG mempunyai peranan penting untuk meentukan kelainan berbagai organ tubuh.

 Sejarah USG 

            Pertama kali ultrasonik ini digunakan dalam bidang teknik untuk radar, yaitu teknik SONAR ( Sound, Navigation and Ranging) oleh Langevin (1918), seorang Perancis, pada waktu perang dunia ke I, untuk mengetahui adanya kapal selam musuh. Kemudian digunakan dalam pelayaran untukmenentukan kedalaman laut. Menjelang perang dunia ke II (1937), teknik ini digunakan pertama kali untuk pemeriksaan jaringan tubuh, tetapi hasilnya belum memuaskan. Berkat kemampuan dan kemajuan teknologi yang pesat, setelah perang dunia keII, USG berhasil digunakan untuk pemeriksaan alat-alat tubuh. Hoery dan Bliss pada tahun 1952, telah melakukan pemeriksaan USG pada beberapa organ, misalnya pada hepar dan ginjal. Sekarang Usg merupakan alat praktis dengan pemeriksaan klinis yang luas.

JENIS PEMERIKSAAN USG

1. USG 2 Dimensi

Menampilkan gambar dua bidang (memanjang dan melintang). Kualitas gambar yang baik sebagian besar keadaan janin dapat ditampilkan.

2. USG 3 Dimensi

Dengan alat USG ini maka ada tambahan 1 bidang gambar lagi yang disebut koronal. Gambar yang tampil mirip seperti aslinya. Permukaan suatu benda (dalam hal ini tubuh janin) dapat dilihat dengan jelas. Begitupun keadaan janin dari posisi yang berbeda. Ini dimungkinkan karena gambarnya dapat diputar (bukan janinnya yang diputar).

3. USG 4 Dimensi

Sebetulnya USG 4 Dimensi ini hanya istilah untuk USG 3 dimensi yang dapat bergerak (live 3D). Kalau gambar yang diambil dari USG 3 Dimensi statis, sementara pada USG 4 Dimensi, gambar janinnya dapat “bergerak”. Jadi pasien dapat melihat lebih jelas dan membayangkan keadaan janin di dalam rahim.

4. USG Doppler

Pemeriksaan USG yang mengutamakan pengukuran aliran darah terutama aliran tali pusat. Alat ini digunakan untuk menilai keadaan/kesejahteraan janin. Penilaian kesejahteraan janin ini meliputi:

- Gerak napas janin (minimal 2x/10 menit).

- Tonus (gerak janin).

- Indeks cairan ketuban (normalnya 10-20 cm).

- Doppler arteri umbilikalis.

- Reaktivitas denyut jantung janin.

Cara Kerja alat Ultrasonografi

            Transducer bekerja sebagai pemancar dan sekaligus penerima gelombang suara. Pulsa listrik yang dihasilkan oleh generator diubah menjadi energi akustik oleh transducer, yang dipancarkan dengan arah tertentu pada bagian tubuh yang akan dipelajari. Sebagian akan dipantulkan dan sebagian lagi akan merambat terus menembus jaringan yang akan menimbulkan bermacam-macam echo sesuai dengan jaringan yang dulaluinya.

Pantulan echo yang berasal dari jaringan-jaringan tersebut akan membentur transducer, dan kemudian diubah menjadi pulsa listrik lalu diperkuat dan selanjutnya diperlihatkan dalam bentuk cahaya pada layar oscilloscope. Dengan demikian bila transducer digerakkan seolah0olah kita melakukan irisan-irisan pada bagian tubuh yang dinginkan, dan gambaran irisan-irisan tersebut akan dapat dilihat pada layar monitor.

Masing-masing jaringan tubuh mempunyai impedance accoustic tertentu. Dalam jaringan yang heterogen akan ditimbulkan bermacam-macam echo, jaringan tersebut dikatakan echogenic. Sedang jaringan yang homogen hanya sedikit atau sama sekali tidak ada echo, disebut anecho atau echofree . Suatu rongga berisi cairan bersifat anechoic, misalnya : kista, asites, pembuluh darah besar, pericardial dan pleural efusion.

Prinsip USG

            Ultrasonik adalah gelombang suara dengan frekwensi lebih tinggi daripada kemampuan pendengaran telinga manusia, sehingga kita tidak bisa mendengarnya sama sekali. Suara yang dapat didengar manusia mempunyai frekwensi antara 20 – 20.000 Cpd (Cicles per detik- Hertz).. Sedangkan dalam pemeriksaan USG ini menggunakan frekwensi 1- 10 MHz ( 1- 10 juta Hz).

Gelombang suara frekwensi tingi tersebut dihasilkan dari kristal-kristal yang terdapat dalam suatu alat yang disebut transduser. Perubahan bentuk akibat gaya mekanis pada kristal, akan menimbulkan tegangan listrik. Fenomena ini disebut efek Piezo-electric, yang merupakan dasar perkembangan USG selanjutnya. Bentuk kristal juga akan berubah bila dipengaruhi oleh medan listrik. Sesuai dengan polaritas medan listrik yang melaluinya, kristal akan mengembang dan mengkerut, maka akan dihasilkan gelombang suara frekwensi tingi. Gelombang suara yang di pancarkan oleh alat USG di pantulkan kembali oleh fetus ataus uatu objek, lalu tertangkap oleh receiver dan di gambarkan ke monitor.

Sumber Cahaya

Citra yang dihasilkan dari USG adalah  memanfaatkan hasil  pantulan (echo) dari gelombang ultrasonik  apabila ditrasmisikan pada tissue atau  organ tertentu. Echo dari  gelombang tersebut kemudian dideteksi dengan  transduser, yang  mengubah gelombang akusitik ke sinyal elektronik untuk dioleh   dan direkonstruksi menjadi suatu citra. Perkembangan tranduser  ultrasonik dengan  kemampuan resolusi yang baik, diikuti dengan  makin majunya teknologi komputer  digital serta perangkat lunak  pendukungnya, membuat pengolahan citra secara  digital  dimungkinkan dalam USG, bahkan untuk membuat rekonstruksi  bentuk janin  bayi dalam 3 dimensi dan 4 dimensi sudah mulai dikenal.

                Peralatan Yang Digunakan

1. Transduser

2.Monitor yang digunakan dalam USG

3. Mesin USG

Proses Pengambilan Gambar

 Prinsip kerjanya menggunakan Gelombang Ultrasonik yang dibangkitkan oleh kristal yang diberikan gelombang listrik.Gelombang ultrasonik adalah gelombang suara yang melampaui batas pendengaran manusia yaitu diatas 20 kHz atau 20.000 Hz atau 20.000 getaran perdetik.Kristal nya bisa terbuat dari berbagai macam, salah satunya adalah Quartz. Sifat kristal semacam ini, akan memberikan getaran jika diberikan gelombang listrik.Alat ultrasonik sendiri ada berbagai tipe. Ada Tipe Scan A, B dan C.Yang biasa untuk mendeteksi crack pada baja adalah tipe A.Prinsip kerjanya mudah sekali. Tinggal menggunakan sensor ultrasonik untuk mengirimkan gelombang ultrasonik dan menangkapnya kembali.

Tipe B yaitu pada layar monitor (screen) echo nampak sebagai suatu titik dan garis terang dan gelapnya bergantung pada intensitas echo yang dipantulkan dengan sistem ini maka diperoleh gambaran dalam dua dimensi berupa penampang irisan tubuh.Yang tipe C dapat menampilkan Citra 3 Dimensi dengan cara menangkap pantulan-pantulan yang berbeda dari tebal tipisnya benda dalam suatu cairan. Karena ada berbagai macam gelombang ultrasonik yang dipantulkan dalam waktu yang berbeda, gelombang-gelombang ini lalu diterjemahkan oleh prosesor untuk dirubah menjadi gambar.

Sensor yang digunakan pada alat Ultrasonografi yakni sensor pizoelektrik, yang diletakkan pada komponen receiver yang menerima pantulan (refleksi) pola energi akustik yang dinyatakan dalam frekuensi. Sensor ini akan mengubah pergeseran frekuensi gelombang suara 1 – 3 MHz yang dipancarkan melalui transmitter pada jaringan tubuh dan kemudian gelombang tersebut dipantulkan (direfleksikan) oleh jaringan dan akan diterima oleh receiver dan selanjutnya diteruskan ke prosessor.

Sensor pizoelektrik terdiri dari bagian seperti housing, clip-type spring, crystal, dan seismic mass. Prinsipnya yakni ketika frekuensi energi akustikyang dipantulkan diterapkan, maka clip-type spring yang terhubung dengan seismic mass akan menekan crystal, karena energi akustik tersebut disertai oleh gaya luar sehingga crystal akan mengalami ekspansi dan kontraksi pada frekuensi tersebut. Ekspansi dan kontraksi tersebut mengakibatkan lapisan tipis antara crystal dengan housing akan bergetar. Getaran dari crystal tersebut akan menghasilkan sinyal berupa tegangan yang nantinya akan diteruskan keprosesor.Jadi USG menampilkan citra dari suara yang ditangkap.Jadi mungkin untuk saat ini hasil dari USG belum termasuk dalam karya fotografi. Berbeda dengan Scanner dan kamera lubang jarum yang masih “melukis dengan cahaya”.

Sedangkan pada transduser terdapat Kristal piezoelektrik yang ditemukan oleh Piere Curie dan Jacques pada tahun 1880, dengan 2,85 mm. Bila kristal ini diberikan tegangan listrik, maka lempengan kristal akan mengalami vibrasi sehingga timbullah ultrasonik. Sebaliknya, vibrasi pada kristal akan menghasilkan listrik. Oleh karena itu maka kristal piezoelektrik digunakan sebagai transduser pada ultrasonografi.

Pembahasan

Salah satu komponen dalam peralatan USG adalah transduser dimana transduser. Transduser adalah komponen USG yang ditempelkan pada bagian tubuh yang akan diperiksa, seperti dinding perut atau dinding poros usus besar pada pemeriksaan prostat. Di dalam transduser terdapat kristal yang digunakan untuk menangkap pantulan gelombang yang disalurkan oleh transduser. Gelombang yang diterima masih dalam bentuk gelombang akusitik (gelombang pantulan) sehingga fungsi kristal disini adalah untuk mengubah gelombang tersebut menjadi gelombang elektronik yang dapat dibaca oleh komputer sehingga dapat diterjemahkan dalam bentuk gambar. Secara umum dapat diartikan suatu perlatan yang dapat mengubah suatu bentuk energi ke bentuk yang lain.Misal : akustik ke kinetik, elektrik ke panas dan motor elektrik. Transducer bekerja sebagai pemancar dan sekaligus penerima gelombang suara. Pulsa listrik yang dihasilkan oleh generator diubah menjadi energi akustik oleh transducer, yang dipancarkan dengan arah tertentu pada bagian tubuh yang akan dipelajari. Sebagian akan dipantulkan dan sebagian lagi akan merambat terus menembus jaringan yang akan menimbulkan bermacam-macam echo sesuai dengan jaringan yang di laluinya.
                Pantulan echo yang berasal dari jaringan-jaringan tersebut akan membentur transducer, dan kemudian diubah menjadi pulsa listrik lalu diperkuat dan selanjutnya diperlihatkan dalam bentuk cahaya pada layar oscilloscope. Dengan demikian bila transducer digerakkan seolah olah kita melakukan irisan-irisan pada bagian tubuh yang dinginkan, dan gambaran irisan-irisan tersebut akan dapat dilihat pada layar monitor.
                Masing-masing jaringan tubuh mempunyai impedance accoustic tertentu. Dalam jaringan yang heterogen akan ditimbulkan bermacam-macam echo, jaringan tersebut dikatakan echogenic. Sedang jaringan yang homogen hanya sedikit atau sama sekali tidak ada echo, disebut anecho atau echofree . Suatu rongga berisi cairan bersifat anechoic, misalnya : kista, asites, pembuluh darah besar, pericardial dan pleural efusion.

Tranducer memiliki beberapa elemen, yaitu :

1.          Elemen aktif

Yaitu kristal piezo elektrik, biasanya lead titanate atau lead zirconate dalam bentuk bubuk, kemudian diproses sesuai bentuk dan ukuran yang dikehendaki. Efek Piezoelektrik yaitu bahan-bahan yang dapat menimbulkan tegangan ketika bentuk bahan tersebut berubah atau material yang mengalami perubahan bentuk bila menerima suatu tegangan. Kristal piezo elektrik, biasanya lead titanate atau lead zirconate dalam bentuk bubuk, kemudian diproses sesuai bentuk dan ukuran yang dikehendaki.

Efek yang merubah energi listrik menjadi energi mekanik dan selanjutnya energi mekanik dirubah menjadi energi listrik kembali.

2.          Elemen Samping (Backing Material)

Yaitu bahan yang berada tepat dibelakang elemen aktif dan berfungsi untuk menyerap suara  yang memantul kebelakang (menjauhi pasien) dan meningkatkan karakteristik imaging tranduser.

3.          Matching Layer

Terletak didepan kristal kontak langsung dengan kulit pasien, yang memiliki nilai impedansi antara kulit dan kristal sehingga energi suara dapat secara maksimal ditranmisikan.

4.          Wire (kabel)

Digunakan sebagai perantara pengirim dan menerima energi untuk diproses menjadi gambar.

            Tranduser mempunyai frekwensi (untuk pulse US) yang ditentukan oleh ketebalan dan cepat rambat bahan piezoelektrik. Semakin tipis aktif elemen, semakin tinggi frekwensi tranduser. Semakin besar cepat rambat aktif material, semakin besar frekwensi trandusernya.

                Kecepatan sebelum kembali eksitasi pulser ke tranduser disebut Pulse Repertition Frequency (PRF) yang ditentukan oleh timing section. Timing section juga memberikan sinkronasi pada bagian-bagian sistem lain sehingga echo yang kembali akan diproses dan di display sesuai dengan posisi aksialnya.

Frekwensi tranduser dipengaruhi oleh beberapa hal yaitu

a. Bandwidth (Hz)

Yaitu rentang frekwensi terendah dan tertinggi suara yang dikeluarkan oleh tranduser. Semakin kecil bandwidth nilai frekwensi yang dikeluarkan tranduser semakin tepat. Damping material akan meningkatkan nilai bandwith. Semakin pendek pulsa, semakin tinggi bandwidth. Misal tertulis 3,5 MHz yang dikeluarkan bisa 2-5 MHz. 

b. Faktor Q

Faktor Q menunjukan kemampuan tranduser untuk mengeluarkan frekwensi ultrasound yang bersih/jernih. Tranduser imaging cenderung mempunyai faktor Q yang rendah, hal tersebut diperlukan karena untuk menghasilkan pulsa pendek.Pulsa pendek akan menghasilkan resolusi aksial yang baik. Bandwidth lebar dan faktor Q rendah akan menghasilkan pulsa pendek sehingga resolusi aksial semakin baik.

c. Panjang pulsa (Pulse Length)

  Panjang pulse yang digunakan untuk diagnostik yang paling ideal adalah very short pulse yang dikeluarkan kristal, dan kristal menunggu waktu yang cukup panjang unutk menerimasuara yang kembali.       

d. Focusing Tranduser

Focus adalah lokasi dimana berkas suara mencapai diameter minimum. Focusing bertujuan untuk memfocuskan berkas suara, efektif pada daerah freze dan focal zone.

Macam – macam Transducer, yaitu :

1.      Statis (B-Scan)

-          cakupan gambar lebih luas

-          resolusi lebih bagus

tetapi waktu scan lebih lama, gerakan pasien movement structure.

2.      Real Time Imaging/dinamik

-          Mechanical scanning

-          Tranduser array

-          Water path scann

e. Resolusi

Resolusi terbagi atas 3 jenis, yaitu :

1.      Resolusi spatial, adalah kemampuan untuk menunjukan gambaran dari struktur yang terpisah yang sangat berdekatan agar terekam pada gambar.

2.      Aksial resolusi, adlah untuk membedakan jaringan/interface yang searah dengan datangnya berkas suara. Nilai resolusi aksial adalah separuh panjang pulsa.

3.      Lateral resolusi, adalah untuk membedakan jaringan/interface yang tegak lurus berkas suara.

Yang mempengaruhi resolusi, yaitu :

1.      Resolusi axial : tergantung oleh internal elektronik equipment dan karakteristik tranduser yakni damping dan frekwensi tranduser. Damping dan frekwensi akan menentukan panjang pulsa.Panjang pulsa sependek mungkin, untuk menghasilkan resolusi axial sebaik mungki. Frekwensi yang tinggi akan menghasilkan “short pulse”. Dalam USG diagnostik panjang pulse = 1 microsecond, sehingga mampu mennjukan resolusi hingga 1-2 mm.

2.      Resolusi lateral : ditentukan oleh lebar bandwidth. Karakteristik tranduse yang mempengaruhi bandwidth adlah ukuran kristal, frekwensi dan focusing. Resolusi lateral bagus pada daerah fresnel zone. Freze zone akan semakin panjang bila diameter kristal yang semakin lebar, dan semakin tinggi frekwensi. Resolusi lateral akan semakin baik pada daerah focal zone.

Best lateral resolutin diperoleh dfengan latge tranduser dan high frekwensi. Tapi perlu diingat bahwa semakin tinggi frekwensi tranduser, attenuasi jaringan akan meningkat, dan penetrasi suara ke dalam jaringan akan menurun.

Dengan face tranduser yang lebar dan high frekwensi akan menyebabkan berkas suara melebar dan penetrasinya ke dalam tubuh berkurang, untuk mengantisipasinya dengan menggunakn focusing.

Suatu image real time ultrasound di up date setiap detiknya untuk menghasilkan suatu display langsung. Kecepatan frame yang tinggi digunakan untuk imaging struktur-struktur yang bergerak cepat, sedangkan kecepatan frame yang rendah memperbaiki kualitas image dengan meningkatkan jumlah garis-garis akustik yang membentuk image tersebut. Kecepatan frame dapat tetap atau dipilih oleh operator atau dapat bervariasi secara otomatis.

Macam Macam Transduser :

O Transducer Linear digunakan untuk melihat superficial diluar rongga seperti testis, kelenjar tiroid, kelenjar payudara dll. Digunakan untuk frekuensi gelombang suara yang tinggi 5-10 MHz

O Transducer Kurvilinear digunakan pada pemeriksaan transvaginal dan transabdominalis. Transducer ini untuk melihat organ-organ yang dalam seperti abdomen, thorax dll. Digunakan untuk frekuensi gelombang suara 1-5 MHz.

O Transducer Sektor digunakan untuk melihat jaringan tapi dalam rongga, seperti cranial bayi.

EFEK PIEZO ELEKTRIK PADA ALAT USG

Energi ultrasonik dihasilkan melalui kristal atau 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. 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 bolakbalik (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).

Transduser elektronik terbuat dari bahan piezoelektrik

·         Bila mendapat tekanan (piezo) 

·         Timbul muatan listrik (elektrik)

BAHAN PIEZOELEKTRIK

Ø  Efek piezoelektrik langsung

§  Bila pelat piezoelektrik diberi tekanan, maka akan timbul muatan listrik pada kedua permukaannya

§  Pelat juga merupakan kapasitor dengan konstanta dielektrik tertentu, timbul beda tegangan

Ø   Efek piezoelektrik balik

§  Bila pelat piezoelektrik diberi tegangan listrik, maka kedua permukaannya mendapat tekanan

§  Pelat juga merupakan bahan elastik dengan konstanta elastik tertentu, tebalnya akan berubah

§  Tegangan bolak-balik   à   Pelat bergetar

Ø  Bahan Piezoelektrik Alam

§  Kuarsa, garam Rochelle, tourmaline

§  Sangat stabil

§  Sensitivitas rendah

§   Bahan Piezoelektrik Buatan

§  Barium titanate, lead circonate titanate, lead metaniobate

§  Sensitivitas tinggi

§  Kurang stabil