Gelombang dan Aplikasinya

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