Gelombang dan Aplikasinya -Basic Science in Nursing IIIrwan Ary Dharmawan1, Hana Rizmadewi Agustina2 dan Maria Komariah2
1)
Jurusan Fisika, Universitas Padjadjaran 2) Fakultas Keperawatan, Universitas Padjadjaran
SLIDE
http://phys.unpad.ac.id/jurusan/staff/dharmawan/kuliah
Rujukan • Principles of Science for Nurses, Joyce James et.al, Blackwell Science • Human Body Dynamics, Aydin Tozeren, Springer • Physics of the Human Body, Irving P. Herman, Springer • Physics in Biology and Medicine, Paul Davidovits, Academic Press • Semua buku Fisika Dasar (Giancoli, Finn, Serway, Halliday, dll) • Googling !
Isi • Konsep Gelombang • Teori Dasar Gelombang • Gelombang Bunyi • Gelombang EM • Radiasi EM • Terapi EM
Definisi Gelombang • Gelombang adalah bentuk gangguan atau getaran yang menjalar • Terbagi menjadi dua yaitu Gelombang Mekanik dan Gelombang Elektromagnetik • Gelombang Mekanik dimana bentuk penjalarannya memerlukan medium • Gelombang Elektromagnetik dalam penjalarannya tidak memerlukan medium
Gelombang Mekanik • Dari segi arah penjalarannya terbagi menjadi dua yaitu gelombang transversal dan gelombang longitudinal
transversal
longitudinal
Bagaimana dgn gelombang permukaan air ? • Longitudinal + Transversal
Diskusi • Dalam antrian tiket yang panjang, pengantri paling depan meninggalkan antrian sehingga menimbulkan ‘pulsa’, kemudian pengantri di belakangnya maju ke depan untuk mengisi ruang yang kosong. Propagasi pengisian ruang kosong tersebut termasuk ke dalam gejala ? A. Longitudinal B. Transversal
Diskusi • Pada stadion sepakbola, dimana penonton membuat gerakan ‘berdiri kemudian duduk’ secara bergantian. Fenomena ini merupakan contoh dari gelombang A. Longitudinal B. Transversal
Gelombang Sinus λ
atau panjang gelombang adalah jarak dari puncak ke puncak, atau secara umum merupakan jarak minimum antara dua titik identik (puncak gelombang) (satuan meter)
A atau amplitudo merupakan simpangan terjauh (satuan meter) T atau perioda merupakan waktu yang diperlukan untun membentuk satu gelombang (satuan detik)
f atau frekuensi merupakan banyaknya gelombang dalam satu detik (satuan Hertz)
Fungsi Gelombang
Diskusi • Sebuah gelombang sinus berpropagasi pada arah x positif dengan amplitodo 15 cm, panjang gelombang 40 cm dan frekuensi 8 Hz. Pada saat t=0 dan x=0, simpangannya adalah 15 cm Tentukan bilangan gelombang k, perioda T dan frekuensi sudut dan kecepatan gelombang
Jawaban
Gelombang Bunyi • Bunyi adalah suatu gelombang yang dihasilkan oleh perubahan mekanik dari gas, cair atau padat akibat tumbukan antar molekul-molekulnya. • Bunyi merupakan contoh dari gelombang longitudinal • Bunyi menjalar pada suatu medium dan dapat mengalami efek transmisi dan refleksi • Kecepatan bunyi pada suatu medium dinyatakan dengan
• B menyatakan Bulk Modulus dan rho adalah densitas/kerapatan
Tabel kecepatan bunyi dalam berbagai media
Diskusi • Tentukan kecepatan bunyi dalam air bila modulus bulk air adalah 2.1 x 10-9 N/m2 pada temperatur 0o C dan kerapatan sebesar 103 kg/m3
Diskusi
Bunyi berdasarkan frekuensi 1. Infrasonik (frekuensi 0 – 16 Hz). Frekuensi ini tidak dapat ditangkap oleh indera pendengar manusia, misalnya getaran gempa, tanah longsor, getaran truk, dll. 2. Sonik (frekuensi 16 Hz sampai dengan 20.000 Hz). Frekuensi ini dapat ditangkap oleh indera pendengar manusia, misalnya suara pembicaraan, suara lonceng dan sebagainya. 3. Ultrasonik (frekuensi >20.000 Hz). Frekuensi ini tidak dapat ditangkap oleh indera pendengar manusia, misalnya getaran yang dihasilkan oleh magnet listrik, getaran kristal piezoelektrik. Frekuensi ini digunakan dalam bidang kedokteran (USG, diatermi dll), karena memiliki daya tembus yang cukup besar
Bunyi berdasarkan frekuensi
Intensitas Bunyi • Energi bunyi umumnya diungkapkan dengan intensitas, atau daya per satuan luas, yaitu banyaknya energi yang melewati suatu medium per satuan luas, dinyatakan oleh
Intensitas Bunyi • Karena spektrum Intensitas yang dapat didengar oleh telinga manusia sangat luas, maka Intensitas lebih umum dinyatakan dalam skala logaritmik db (decibels)
• Beta menyatakan level bunyi, I adalah Intensitas dan I0 adalah Intensitas acuan (ambang pendengaran manusia) dan nilainya adalah 10-12 W/m2
Intensitas Bunyi
Intensitas Bunyi
Intensitas Bunyi (contoh) • Tentukan level bunyi dari suatu mesin yang menghasilkan Intensitas bunyi sebesar 2x10-7 W/m2
Pendengaran Manusia • Telinga adalah organ yang berperan menerima getaran suara atau bunyi • Getaran yang merupakan energi mekanik diterima dan diolah di dalam telinga, selanjutnya akan diubah menjadi energi listrik setelah diterima oleh reseptor saraf sensorik di organ korti telinga dalam.
Proses pengolahan bunyi 1. Pada telinga luar - Aurikel (daun telinga) mengumpulkan gelombang bunyi - Meatus akustikus eksternus (lobang telinga luar) meneruskan gelombang bunyi menuju telinga tengah. - Membrana timpani (gendang telinga) sebagai pembatas telinga luar dan telinga dalam digetarkan dan menguatkan suara. Luas membrana timpani kira-kira 51 mm2.
Proses pengolahan bunyi 2. Pada telinga tengah Tulang-tulang pendengaran (malleus, inkus dan stapes) menguatkan suara dengan mekanisme gaya ungkit dan melanjutkannya menuju pembatas telinga dalam yaitu foramen ovale. Efek dari gaya ungkit tulang pendengaran terhadap getaran suara adalah 1,3 kali. Tulang-tulang pendengaran berawal dari membrana timpani seluas 51 mm2 dan berakhir pada foramen ovale dengan luas kira-kira 3 mm2. Dengan demikian getaran suara yang masuk ke dalam telinga mengalami amplifikasi sebesar: 51/3 x 1,3 = 22 kali 3. Pada telinga dalam Telinga dalam terdiri atas kokhlea (rumah siput) dan duktus semisirkularis (saluran setengah lingkaran). Di dalam kokhlea terdapat 3 saluran. Pertama dan kedua, skala vestibuli dan skala timpani yang berisi cairan perilimfe, yang akan bergetar meneruskan getaran dari foramen ovale. Selanjutnya getaran ini akan menggetarkan organ korti di skala ketiga (skala media). Organ korti merupakan sel-sel rambut sebagai reseptor pendengaran. Dengan kata lain energi mekanik berupa getaran tadi merangsang reseptor saraf sensorik pendengaran (Nervus VIII) dan diteruskan ke otak untuk ditafsirkan.
Ultrasonik Ultrasonik dihasilkan oleh magnet listrik dan kristal piezoelektrik dengan frekuensi di atas 20.000 Hz Jika batang ferromagnetik diletakkan pada medan listrik atau jika batang ferromagnetik tersebut dilingkari kawat, kemudian dialiri listrik, maka akan timbul gelombang ultrasonik pada ujung batang ferromagnetik tersebut. Fe2O3
Piezoelektrik Kristal piezoelektrik ditemukan oleh Piere Curie dan Jacques pada tahun 1880, dengan tebal 2,85 mm. Bila kristal ini diberi tegangan listrik, maka lempengan kristal akan mengalami vibrasi sehingga timbullah ultrasonik. Sebaliknya, vibrasi pada kristal akan menghasilkan listrik. Oleh karena itu maka kristal piezo elektrik digunakan sebagai transduser pada ultrasonografi. Plat logam
W
VAC
Kristal Quartz
Ultrasonik dalam kedokteran Frekuensi dan daya ultrasonik yang dipakai dalam bidang kedokteran disesuaikan dengan kebutuhan Untuk diagnostik digunakan frekuensi 1 – 5 MHz dengan daya 0,01 W/cm2. Untuk terapi digunakan daya 1 W/cm2, bahkan untuk menghancurkan kanker diperlukan daya 1000 W/cm2. Dasar penggunaan ultrasonik adalah efek Doppler, yaitu terjadi perubahan frekuensi akibat adanya pergerakan pendengar atau sebaliknya dan getaran yang dikirim ke obyek akan direfleksikan oleh obyek itu sendiri.
Efek Doppler Christian Doppler (1803 – 1853) mengatakan bahwa frekuensi atau panjang gelombang bunyi akan berubah jika pengamat bergerak relatif terhadap sumber bunyi. Begitupun jika sumber bunyi yang bergerak dan pengamatnya diam. Jadi frekuensi bunyi dapat berubah karena perubahan jarak antara sumber bunyi dan pendengar. A. SUMBER BUNYI YANG DIAM
Pendengar mendekati sumber bunyi
Pendengar menjauhi sumber bunyi
C f = f 0 1 + V
C f = f 0 1 − V
f = frekuensi yang didengar oleh pendengar, f0 = frekuensi sumber bunyi, C = kecepatan gerak pendengar, V = kecepatan bunyi (340 m/s)
Efek Doppler B. SUMBER BUNYI YANG BERGERAK
Pendengar 1
Pendengar 2
Sumber bunyi bergerak mendekati pendengar 1 dan menjauhi pendengar 2
Untuk sumber bunyi mendekati pendengar: f = fo . v/(v-c) Untuk sumber bunyi menjauhi pendengar: f = fo . v/(v+c)
Ultrasonik dalam kedokteran Sonografi medis (ultrasonografi, USG) adalah suatu teknik pencitraan/imaging menggunakan bunyi ultra (ultrasound) untuk memvisualisasikan otot, organ tubuh bagian dalam, menentukan ukuran, struktur organ tubuh dan kemungkinan adanya jaringan yang rusak (lesions) Sonografi obsetrik adalah yang paling banyak digunakan untuk pencitraan janin selama kehamilan dan merupakan USG yang paling dikenal oleh masyarakat Dalam Fisika kata “ultrasound" merupakan energi bunyi atau akustik dengan frekuensi siatas pendengaran manusia (20,000 hertz, 20 KHz). Tipikal dari scanner USG beroperasi pada rentang frekuensi 2 – 18 MHz (100 kali lebih besar dari batas pendengaran manusia). Pemilihan rentang frekuensi ini merupakan kompromi untuk memperoleh resolusi citra yang baik dan kedalaman pencitraan. Frekuensi yang rendah akan menghasilkan resolusi yang rendah namun mampu membuat citra untuk organ tubuh yang lebih dalam.
Ultrasonik dalam kedokteran USG digunakan secara luas dalam dunia medis. USG memungkinkan digunakan untuk prosedur diagnosa dan terapi. Menggunakan transduser sebagai probe (dipegang) dan diletakkan secara langsung pada pasen dan digerak-gerakkan di sekitar area bagian tubuh yang akan discan. Digunakan gel untuk mengkopel bunyi (ultrasound) antara transduser dengan pasien. USG efektif untuk pencitraan jaringan lembut dari tubuh, seperti otot, tendon, tertis, otak dengan frekuensi tinggi (7-18 MHz), sehingga memberikan resolusi citra yang baik. Untuk organ lebih dalam, seperti hati dan ginjal menggunakan frekuensi rendah ( 1-6 MHz) dengan resolusi yang rendah, namun kedalaman penetrasi yang tinggi.
Ultrasonik dalam kedokteran PRINSIP KERJA USG Transduser (kristal piezoelektrik) mengirim gelombang ultrasonik pada dinding berlawanan, kemudian gelombang dipantulkan dan terima lagi oleh transduser. Selanjutnya transduser akan meneruskannya ke amplifier berupa gelombang listrik, kemudian gelombang tersebut ditangkap oleh CRT (osiloskop). Gambaran yang diperoleh CRT tergantung teknik scanning yang digunakan. Ada 3 metode teknik scanning, yaitu A scanning, B scanning dan M scanning.
A Scanning (Amplitude Scanning) Ultrasonik dari transduser mencapai dinding b kemudian dipantulkan ke dinding a dan diterima transduser lagi. Scanning ini digunakan untuk diagnosis tumor otak (echo encephalography), penyakit mata misalnya bentuk kornea, lensa, tumor retina dll. a
a
b T
T
a T
d’
d
b
s
H2O
H2O d
b
s
H2O d’ d
B Scanning (Bright Scanning) • Metode ini banyak digunakan di klinik karena bisa diperoleh gambaran dua dimensi dari bagian tubuh. • Prinsipnya sama dengan A scanning, tetapi transdusernya digerakkan (moving). • Gerakan dari transduser mula-mula akan menghasilkan echo (terlihat adanya dot), dot ini disimpan dalam CRT. Setelah transduser digerakkan kearah lain, dihasilkan echo pula sehingga tercipta gambar 2 dimensi. • Scanning tipe ini digunakan untuk: 1. Memperoleh informasi tentang struktur dalam, misalnya hati, lambung, usus, jantung janin dll. 2. Mendeteksi kehamilan sekitar 6 minggu, kelainan uterus, kasus perdarahan abnormal, abortus dll. 3. Memberikan informasi lebih banyak daripada sinar X, dengan resiko lebih kecil.
B Scanning (Bright Scanning) T
gerakan trnasduser awal
T
gerakan transduser selanjutnya
du trans
c er
M Scanning (Modulation Scanning) • Scanning ini merupakan dua metode yang digunakan untuk memperoleh informasi tentang gerakan alat. (gabungan antara A scanning dan B scanning). • A scanning ada dalam keadaan diam dan echo terjadi oleh B scanning. • Scanning ini digunakan untuk: 1. Mencari informasi tentang gerakan jantung, gerakan vulva, atau mengukur aliran darah (teknik Dopppler), efusi pericardial (penimbunan cairan dalam kantong jantung). dll. 2. Dapat digunakan untuk diagnosa dan dapat memantau kemajuan hasil terapi
JENIS SONOGRAFI ATAU ULTRASONOGRAFI (USG)
Sonografi Medis Beberapa contoh sonografi medis : 1. Kardiologi (Echocardiography) : USG untuk jantung digunakan untuk diagnosa penyakit jantung. 2. Endocrinology 3. Gastroenterology 4. Gynaecology (Gynecologic USG) : organ wanita, oterus, ovarium dll. 5. Obstetrik (Obstetric USG) : perkembangan fetus selama kehamilan. 6. Ophthalmology (A-scan ultrasonography, B-scan ultrasonography) : pencitraan mata. 7. Urologi : menentukan jumlah cairan pada kantung kemih. 8. Tendon, otot, syaraf, permukaan tulang.
Sonografi Medis 9. Intravaskular ultrasound (IVUS) ; teknik pencitraan menggunakan kateter yang dirancang khusus dengan probe ultrasound kecil, sehingga dapat dimasukkan ke dalam pembuluh darah. Umumnya digunakan untuk pencitraan dari arteri jantung (koroner). 10.Intervensional, biopsi, transfusi (penyakit hemolitik dari bayi yang baru lahir) 11.Contrast-enhanced ultrasound (CEUS) : menggunakan contrast agent ultrasound pada USG biasa. Digunakan untuk mengukur laju alir darah.
Doppler Sonografi Kepekaan Sonografi atau ultrasonografi dapat ditingkatkan dengan pengukuran efek Doppler, dimana efek Doppler akan menentukan apakah struktur (umumnya darah) bergerak mendekati atau menjauhi probe dan menentukan kecepatan darahnya. Dengan menghitung pergeseran frekuensi dari volume sampel tertentu (contohnya aliran darah pada katup jantung, maka kecepatan dan arah dari aliran darah dapat ditentukan dan divisualisasikan. Doppler sonografi sangat penting mengkaji kardiovaskular dan hati.
dalam
Informasi dari Doppler sonografi adalah berupa tampilan layar dari spektral Doppler atau citra/image menggunakan warna Doppler.
Keunggulan Sonografi 1. Mampu membuat citra dari otot, jaringan lembut dan permukaan tulang dengan baik. 2. Mampu membuat citra “hidup”, jika operator dapat memilih bagian yang paling penting untuk diagnosa yang cepat. 3. Mampu memperlihatkan struktur dari organ. 4. Tidak memiliki efek samping dalam jangka panjang dan pasien merasa tidak terganggu. 5. Peralatan tersedia luas dan cukup fleksibel 6. Ukurannya kecil, sehingga dapat dilakukan diatas tempat tidur. 7. Relatif murah jika dibandingkan dengan peralatan citra yang lain, seperti computed X-ray tomography, DEXA (Dual Energi X-ray Absorptiometry : alat ukur densitas tulang) atau magnetic resonance imaging). 8. Resolusinya lebih bagus pada frekuensi tinggi dibanding alat citra yang lain.
Kelemahan Sonografi 1. Memiliki masalah jika harus menembus tulang, sehingga USG untuk otak orang dewasa sangat terbatas. 2. Kinerjanya jelek jika ada gas antara transduser dengan organ tubuh yang akan discan akibat perbedaan ekstrim pada imperdansi akustiknya. Contoh : gas yang berlebih pada lambung akan menyulitkan untuk scanning pankreas, dan tidak mungkin untuk membuat citra dari paru-paru. 3. Penetrasi kedalaman USG terbatas, sehingga sulit untuk membuat citra struktur/organ tubuh yang lebih dalam, terutama pada pasien yang gemuk. 4. Metoda USG bergantung pada operator. Keahlian yang tinggi dan pengalaman sangat diperlukan untuk memperoleh citra dengan kualitas yang bagus dan membuat diagnosa yang akurat.
APLIKASI ULTRASOUND UNTUK TERAPI Aplikasi terapi menggunakan ultrasound untuk memberikan panas atau agitasi kedalam tubuh. Karenanya diperlukan energi yang lebih tinggi daripada yang digunakan untuk diagnosa. Berikut adalah beberapa penggunaan ultrasound untuk terapi : • Membersihkan gigi. • Membangitkan panas dalam jaringan biologi, seperti pengobatan kanker. • Ultrasound yang difokuskan biasanya digunakan untuk pemanasan lokal dalam pengobatan tumor. Ini dikenal sebagai Focused Ultrasound Surgery (FUS) atau High Intensity Focused Ultrasound (HIFU). Alat ini menghasilkan frekuensi lebih rendah dibandingkan untuk diagnosa (250 kHz - 2000 kHz), namun energinya lebih besar. HIFU sering digunakan dalam MRI. Digunakan untuk menghancurkan batu ginjal. • Pengobatan katarak. • Ultrasound intensitas rendah digunakan untuk stimulasi pertumbuhan tulang, menghilangkan gangguan pada saluran darah di otak untuk pengiriman obat (drug delivery).
Brainwave (Gelombang Otak) Gelombang Otak dibagi dengan beberapa kategori Delta (0,5 – 3 Hz) deep sleep, Theta (4 – 7 Hz) REM, meditasi Alpha (8 – 14 Hz) relaxed state Beta (15 – 38 Hz) normal Gamma (38 – 100 Hz) high focus and consentration
