Transcript of Transcutaneous Doppler Flow Detectors

Efek Doppler Efek Doppler perangkat medis menggunakan efek doppler pada

gel.ultrasonik untuk mendeteksi pergerakan. Ultrasound Aplikasi Block Diagram

digunakan untuk memeriksa laju aliran darah pada pembuluh darah yang dekat

dengan permukaan kulit

untuk mendeteksi adanya emboli udara pada pasien neurosurgery gelombang suara

dengan frekuensi > 20 kHz

yang digunakan pada peralatan medis umumnya 2 - 10 MHz

reflektivitas gelombang ultrasonik pada zat cair hampir sama dengan zat padat

Transcutaneous Doppler Flow Detector Teknobiomedik Kelompok 4 perubahan

frekuensi yang terjadi ketika transmitter dan receiver bergerak secara relatif terhadap

satu sama lain

v: kecepatan gelombang dalam medium

vs: kecepatan sumber gelombang relatif thd medium

vr: kecepatan penerima gelombang relatif thd medium fd: perubahan frekuensi

fo: perubahan mula-mula

Vd: kecepatan darah

Vs: kecepatan suara

teta: sudut dari arah sumber bunyi Ultrasound Transducer komponen yang paling

efektif bekerja sebagai ultrasound transducer adalah piezoelektrik resonator (kristal)

terdiri dari 2 kristal, yaitu kristal transmitter dan receiver

Pre Amplifier tegangan dari receiver dikuatkan oleh amplifier 10 MHz

lalu outputnya disalurkan ke detector untuk mendeteksi apakah hasil penguatan sudah

sebesar 10 MHz

Filter tegangan difilter untuk meminimalisasi noise Manipulasi Data Mixer

menggabungkan tegangan yang belum dan telah difilter untuk mendapatkan ambang

batas pada variabel tertentu/ Trigger pemicu sinyal yang dihasilkan oleh mixer lalu

mengalirkan sinyal satu clock per satuan waktu Integrator mengubah sinyal untuk

ditampilkan pada display

Prinsip Doppler yang digunakan untuk pengukuran alat akan dijelaskan

melalui gambar (2.1) dan persamaan (2.3a). cadalah cepat rambat gelombang dalam

media, fp dan f s

masing-masing frekuensi pe ndengar dan sumber sedangkan v

p

dan v

s

adalah kecepatan pendengar dan sumber yang nilainya bergantung pada arah. Efek

Doppler terjadi karena apabila sebuah sumber suara bergerak maka permukaan

gelombang pada bagian depan sumber suara tadi menjadi termampat kan sedangkan

gelombang pada bagian belakang sumber tersebut menjadi lebih renggang. Pada

gambar (2.1) (a) sebuah sumber diam Amengeluarkan gelombang ultrasonik dan

observer Bmendeteksi gelombang yang dikeluarkan tadi tanpa adanya pergeseran

frekuensi. P ada gambar (b) sumber bergerak menjauhi observer dengan kecepatan v

dan observer mendeteksi adanya perbedaan frekuensi. Perubahan frekuensi ini disebut

dengan pergeseran Doppler. Besar dari pergeseran tersebut:

(2.3 b)

Dimana Df adalah pergesera n Doppler yang terjadi sedangkan f 0

adalah

frekuensi sumber dan fr

adalah frekuensi yang diterima oleh observer.

19

Pada gambar (2.2) sebuah transduser ultrasonik yang menghasilkan

gelombang ultrasonik dengan frekuensi f dan aliran darah dengan kecepatan V.

Receiver mendeteksi gelombang pantul f. Dan sudut yang terbentuk antara berkas

gelombang ultrasonik dengan vektor kecepatan aliran darah adalah q.

Gambar 2.2 Flowmeter Ultrasonik

Apabila v(m/dtk) adalah kecepatan aliran darah, c merupakan kecepatan

gelombang ultrasonik dalam jaringan (sekitar 1540 m/dtk), Df adalah pergeseran

frekuensi Doppler dan f adalah frekuensi yang dikeluarkan transduser maka formula

yang menghubungkan besaran - besaran tersebut adalah seperti pada persamaan (2.1)

2.3 Akustika Gelombang Ultrasonik

Ultrasonik didefinisikan sebagai suara yang memiliki frekuensi lebih tinggi

dari suara yang mampu didengar manusia, yaitu lebih dari 20 kHz. Semua gelombang

suara dapat direpresentasikan oleh kurva sinusoidal atau beberapa kurva sinuso idal.

Gelombang elektromagnetik juga dapat direpresentasikan oleh kurva sinusoidal

seperti suara. Tetapi ada beberapa perbedaan yang mendasar antara gelombang

ultrasonik dan gelombang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik adalah

gelombang transversal,sementara gelombang suara dan ultrasonik adalah gelombang

longitudinal. Perbedaan antara gelombang transversal dan longitudinal terletak pada

cara gelombang tersebut dipropagasikan, yaitu cara gelombang tersebut berjalan.

Ada beberapa jenis gelombang yangmerambat dalam bahan, diantaranya

adalah:

1. Gelombang transversal, yaitu gelombang yang arah gerak partikelnya tegak lurus

dengan arah perambatan gelombang.

20

2. Gelombang longitudinal, yaitu gelombang yang arah gerak partikelnya searah

dengan perambatan gelombang, sehingga pada bahan tersebut terjadi pemampatan

di suatu tempat dan peregangan di tempat lainnya. Gelombang ini dapat merambat

melalui medium padat, cair dan gas.

3. Gelombang Rayleigh, adalah gelombang yang arah gerak partikelnya berbentuk

ellips dan ha nya merambat pada permukaan medium padat sehingga sering

disebut gelombang permukaan.

4. Gelombang Lamb, yaitu gelombang yang arah gerak partikelnya berbentuk ellips

seperti gelombang Rayleigh namun gelombang ini hanya dapat merambat didalam

padatan berbentuk pelat. Gerak partikelnya dapat simetri dan asimetri terhadap

sumbu perambatan gelombang.

Gelombang longitudinal, misalnya ultrasonik, terbentuk dari pergerakan

partikel sepanjang sumbu propagasinya. Untuk menghasilkan suara, sebuah sumber

harus bergerak kedepan dan kebelakang secara mekanis. Pada saat alat mekanis

tersebut terdorong kedepan, molekul yang berada dekat dengan alat tersebut

terpadatkan. Kemudian alat tersebut bergerak kebelakang menuju posisi awalnya,

pada saat ini molekul - molekul yang dekat dengan alat tersebut menjadi lebih

renggang. Proses pergerakan sumber mekanis ini akhirnya menjadi tahap pemadatan

dan tahap perenggangan. Gelombang suara dapat ditransmisikan dengan mengubah ubah tahap

kepadatan dan kerenggangan molekul -molekul udara. Demikian juga

dengan gelombang ultrasonik, gelombang ini dapat ditransmisikan dengan mengubah

kerengggangan dan kepadatan molekul - molekul jaringan tubuh.

Dua tipe emisi ultrasonik yang digunakan untuk keperluan pengukuran

kecepatan aliran darah adalah :

1. Gel ombang Kontinyu (Continuous Wave) disingkat CW.

2. Gelombang Berpulsa (Pulsed Wave) disingkat PW.

Sebuah gelombang kontinyu dihasilkan oleh vibrasi yang kontinyu dari

kristal piezoelektrik yang ada di transduser. Pada alat yang menggunakan gelombang

berpulsa (PW), kristal piezoelektrik hanya bergetar dalam waktu yang sangat singkat

dan menghasilkan sekitar tiga sampai lima siklus gelombang. Kemudian piezoelektrik

diam dalam waktu yang relatif lama. Selama tidak bergetar, piezoelektrik

mendengarkan sinyal ref leksi yang dipantulkan oleh sel darah merah dalam aliran

21

darah. Sebagai gambaran, pulsa yang ditransmisikan berdurasi sekitar 1 mdetik dan

diam selama 999 mdetik.

2.3.1 Kecepatan Gelombang Ultrasonik

Dalam kasus ultrasonik, kecepatan suara berubah -uba h. Kecepatan ultrasonik

berubah -ubah bergantung kepada dua karakteristik media tempat gelombangnya

berpropagsi yaitu :

1. densitas ( density ) media, yaitu banyaknya partikel atau molekul per satuan ruang.

2. kompresabilitas ( compressibility ) media yang merupakan kemampuan suatu zat

untuk dipadatkan sehingga volumenya lebih kecil dari volume asalnya.

Kecepatan rambat gelombang akustik di dalam medium dapat dihitung dari:

E(1 - n) 1/2

v = ---------------------r(1 + n)(1 -2n)

(2.4)

dengan radalah rapat massa, E adalah modulus Young dan nperbandingan Poisson.

Kecepatan gelombang dalam persamaan (2.4) adalah kecepatan untuk gelombang

longitudinal.

Persamaan gelombang akustik dengan perpindahan partikel dalam arah x

adalah:

2

u = c

2

2

u

t

2

x

2

(2.5)

u adalah perpindahan elemen dalam arah x. Solusi dari persamaan (2.5) adalah seperti

pada persamaan (2.6).

u = U1

e

j( wt kx)

+ U2

e

j(w t + kx)

(2.6)

dengan U1 adalah amplituda gelombang yang menjalar dalam arah positif, U2

merupakan amplituda gelombang yang menjalar dalam arah negatif, w = 2 pf adalah

frekuensi sudut dan k = w/c yaitu bilangan gelombang.

22

Sedangkan kecepatan partikel adalah turunan dari persamaan diatas terhadap

waktu t, yaitu :

v = j w [ U1

e

j(w t kx)

+ U

2

e

j(w t + kx)

] (2.7)

Secara umum, lebih besar densitas sebuah media maka kecepatan ultrasonik

yang melewati media itu juga semakin bes ar. Sebagai contoh, gelombang ultrasonik

berjalan dengan kecepatan tinggi didalam logam karena densitas logam juga tinggi.

Sebaliknya, gas memiliki densitas yang rendah dan kompresabilitas yang besar. Oleh

karena itu kecepatan gelombang ultrasonik pada gas rendah. Tabel berikut

mengemukakan beberapa kecepatan ultrasonik pada materi- materi yang berhubungan

dengan dunia medis.

Tabel 2.1 Kecepatan Gelombang Ultrasonik pada Beberapa Media

Kecepatan Gelombang Ultrasonik

Materi Kecepatan (m/detik)

Udara 348

Air 1.480

Lemak 1.500

Jaringan Tubuh (Rata-rata) 1.540

Hati 1.550

Darah 1.570

Aluminium 2.700

Tulang 4080

Kecepatan ultrasonik di dalam jaringan tubuh adalah sebesar 1.540 m/det,

angka ini dipakai sebagai referensi untuk kalibrasi alat ukur kecepata n aliran darah.

2.3.2 Karakteristik Gelombang Ultrasonik yang Bergantung pada Frekuensi

Frekuensi juga merupakan parameter gelombang yang berperan penting

untuk alat ukur kecepatan aliran darah karena ada tiga karakteristik gelombang

ultrasonik yang ber gantung pada frekuensi, yaitu:

1. Resolusi ( resolution )

2. Penetrasi ( penetration)

3. Keterarahan ( directionality )

23

Resolusi adalah kemampuan untuk membedakan obyek kecil yang terletak

saling berdekatan. Resolusi berbanding lurus dengan frekuensi, sehingga frekuensi

tinggi menghasilkan tingkat kejelasan yang lebih baik dibandingkan dengan frekuensi

rendah.

Walaupun frekuensi tinggi memberikan resolusi yang baik tetapi pemakaian

frekuensi yang terlalu tinggi juga tidak disarankan karena ada variabel lain yang

terlibat disini yaitu penetrasi. Pada saat frekuensi meningkat, atenuasi timbul karena

adanya peningkatan interaksi gelombang ultrasonik dengan media yang dilaluinya.

Oleh karena itu, frekuensi tinggi menghasilkan penetrasi yang kurang baik/dangkal.

Keterarahan adalah karakteristik ultrasonik lain yang sangat bergantung pada

frekuensi. Apabila frekuensi meningkat, gelombang ultrasonik menyebar tidak terlalu

lebar dari sumbernya dan cenderung bereaksi seperti sinar yang berjalan lurus. Sebuah

analogi dengan suara da ri speaker radio dapat memperjelas hal ini. Suara bass yang

keluar dari speaker dapat terdengar dengan baik pada seluruh bagian ruangan, karena

suara tersebut cenderung untuk menyebar dari sumbernya. Sedangkan suara treble

terdengar paling baik didepan speakernya karena suara tersebut cenderung bergerak

lurus kedepan. Untuk keperluan simulasi pada bagian selanjutnya dari tugas akhir ini,

frekuensi yang digunakan sebesar 8 Mhz.

2.4 Interaksi Berkas Ultrasonik dengan Jaringan Tubuh

Gelombang ultrasonik mengalami pengurangan kekuatan saat melalui

jaringan tubuh. Hal ini dinamakan atenuasi. Semakin jauh gelombang berjalan

kedalam jaringan tubuh, berkas tersebut akan menjadi semakin lemah. Atenuasi ini

bergantung kepada beberapa faktor yaitu yang berhubungan de ngan karakteristik

jaringan tubuh dan berkas ultrasonik itu sendiri.

Atenuasi ini biasanya dinyatakan dengan penurunan intensitas dengan satuan

decibel (dB) yang didefinisikan sebagai :

10 log [ A0/ A x ] (2.8)

A0 = intensitas awal

Ax = in tensitas gelombang setelah menjalar sejauh x

24

Apabila dilihat secara rata -rata, berkas ultrasonik yang melalui jaringan

tubuh manusia akan mengalami atenuasi sebesar satu desibel per cm per MHz (1

dB/cm /MHz). Atenuasi terjadi karena tiga hal utama, yaitu:

1. Absorpsi ( absorption ). Absorpsi adalah peristiwa terserapnya energi berkas

ultrasonik. Energi yang terserap ini akan diubah menjadi panas. Absorpsi ini

berbanding terbalik dengan frekeunsi yang digunakan.

2. Penghamburan ( scattering). Penghamburan terjadi apabila berkas tertumbuk pada

benda yang lebih kecil. Sebagian berkas akan terhambur diberbagai arah. Hanya

sebagian kecil berkas saja yang mengalami penghamburan seperti ini.

3. Refleksi ( reflection). Antarmuka akustik (acoustic interface) dan impedansi

aku stik berperan penting dalam fenomena refleksi gelombang.

Antarmuka akustik terjadi jika ada dua jaringan dengan impedansi akustik

yang berlainan saling menempel. Refleksi timbul apabila berkas ultrasonik melewati

jaringan dengan impedansi akustik yang berlainan.

Apabila gelombang ultrasonik datang tegak lurus pada bidang batas antara

dua medium maka sebagian gelombang akan dipantulkan dan sisanya diteruskan.

Koefisien refleksi didefinisikan sebagai perbandingan antara intensitas gelombang

yang dipantulkan dan intensitas gelombang yang datang. Sedangkan koefisien

transmisi adalah perbandingan antara intensitas gelombang yang diteruskan dan

intensitas gelombang datang.

Z 1 Z 2

Gambar 2.3 Gelombang pada Bidang Batas Dua Medium

Jika medium pertama memiliki impedansi akustik Z 1 dan medium kedua

memiliki impedansi akustik Z 2 maka koefisien refleksi didefinisikan sebagai:

ar= Z 2 -Z1

2

Z 2 + Z 1

(2.9)

25

Sedangkan koefisien transmisi didefinisika n sebagai:

at= 1 - ar (2.10)

Atenuasi akibat absorbsi disebabkan oleh beberapa hal seperti konduktivitas

panas, histerisis elastik dan struktur molekul. Penurunan intensitas akibat adanya

atenuasi dalam medium dinyatakan dengan persamaan (2.1 1).

I

x

= I 0

e

- ax

(2.11)

I

0 = intensitas awal

Ix = intensitas gelombang setelah menjalar sejauh x

a= koefisien atenuasi = Cf

2

C = konstanta yang besarnya berbeda- beda untuk tiap

bahan

Impedansi akustik didefinisikan sebagai hasil kal i densitas (kerapatan)

jaringan dan kecepatan gelombang ultrasonik pada jaringan tersebut. Hanya

dibutuhkan sedikit perbedaan kerapatan jaringan tubuh untuk menimbulkan

antarmuka akustik. Dinding pembuluh darah dan sel darah merah sudah cukup baik

untuk m enimbulkan antarmuka akustik.

Z = r. n (2.12)

Z = Impedansi akustik (rayls)

r= rapat massa (kg/m

3

)

n = kecepatan gelombang (m/s)

Persamaan (2.12) berlaku apabila gelombang akustik hanya ditinjau dalam

arah x positif saja. Semakin besar perbe daan impedansi akustik, semakin banyak

energi yang dapat kembali ke transduser.

Tabel 2.2 Impedansi akustik longitudinal dari beberapa medium

Bahan

Rapat Massa r Kecepatan n Impedansi Akustik Z

Udara 1.2 330 0.0004

Aluminium 2700 6400 17

Brass 8500 44 90 38

Merkuri 13.600 1450 20

26

Air 1000 1480 1.5

Darah 1060 1563 1.62

Tulang 1380 1810 - 3,75 7,38

Otot 1070 1550 1635 1,65 1,74

Terlihat bahwa gelombang ultrasonik merambat dengan kecepatan tertinggi

pada jenis padatan kemudian cairan dan terendah udara. Dan kecepatan ultrasonik

dalam sel darah lebih cepat dibandingkan dalam air.

Amplitudo sinyal refleksi bergantung kepada perbedaan impedansi akustik.

Semakin besar perbedaan impedansi akustik maka pantulan sinyal refleksi juga

semakin besar, d emikian juga sebaliknya.

Ketidakhomogenan dalam bahan menimbulkan perbedaan impedansi akustik

dalam medium yang sama, sehingga menimbulkan refleksi dan transmisi. Bahan,

dalam hal ini darah dianggap homogen untuk keperluan simulasi. Hal -hal tersebut

ditam bah dengan faktor atenuasi lainnya adalah penyebab utama sedikitnya energi

yang sampai pada transduser receiver.

2.5 Profil Aliran Darah

Alat ukur aliran darah menggunakan efek Doppler mengukur kecepatan

aliran darah. Sedangkan kecepatan aliran darah tidak sama dengan kecepatan

volumetrik aliran darah. Kecepatan volumetrik aliran darah bisa didapat dengan

mengalikan kecepatan dengan luas penampang pembuluh darah apabila kecepatan

aliran darah sama di setiap titik aliran darah. Namun darah seperti juga aliran lain

pada umumnya memiliki profil kecepatan.

Kecepatan volumetrik dapat didekati dengan mengalikan kecepatan rata -rata

dengan penampang pembuluh darah.

q (t) = A . v (t) (2.13)

Dimana A adalah luas penampang pembuluh. Sedangkan v(t) adalah kece patan ratarata aliran darah.

Penyebab kecepatan aliran darah berbeda - beda adalah viskositas dan gesekan

yang terjadi antara darah dan pembuluh darah. Kecepatan aliran darah minimun pada

dinding pembuluh darah dan maksimum pada bagian tengah pembuluh. Aks elarasi

yang terjadi karena daya pompa jantung juga mempengaruhi profil kecepatan aliran.

27

Pada saat kecepatan aliran darah cukup tinggi, muncul turbulensi sehingga

prrofil aliran yang tadinya seragam menjadi cepat berubah -ubah.

2.5.1 Pantulan Gelombang Ultrasonik oleh Darah

Jika gelombang ultrasonik melewati bahan yang mengandung banyak butiran

dan partikel (misalnya darah), maka gelombang ultrasonik akan terpantul dan

terhambur diantara butiran - butiran.

Pengukuran kecepatan aliran darah yang akurat sa ngat bergantung pada efek

Doppler. Efek Doppler timbul karena adanya gelombang ultrasonik yang terkena sel

darah merah dan partikel lain yang mengalir didalam pembuluh darah. Baik

transmitter maupun receiver sinyal pada alat ukur kecepatan aliran darah sifatnya

stasioner (tidak bergerak), sedangkan gelombang akan dipantulkan oleh sel darah

merah atau partikel lain yang bergerak didalam pembuluh darah. Sel darah merah ini

berfungsi seperti sebuah sumber yang mentransmisikan sinyal dengan frekuensi yang

sed ikit bergeser dari frekuensi asalnya. Pergeseran sinyal ini besarnya ditentukan oleh

efek Doppler. Kemudian, sinyal ini akan ditangkap oleh receiver.

Darah manusia sebenarnya terdiri dari cairan darah yang disebut plasma

darah, sel darah merah, sel darah p utih dan platelet. Sel darah merah berbentuk seperti

piringan dengan permukaan yang bikonkaf dengan diameter sekitar 7 mikron dan

memiliki ketebalan rata-rata sekitar 2 mikron. Volume rata -rata sel darah merah

adalah sekitar 90 mikron ada sekitar 5 milyar sel darah merah dalam satu milimeter

kubik (1 mm

3

) darah. Sel darah merah menyumbang sekitar 45% komposisi darah,

sedangkan jumlah sel darah putih dan platelet sangat kecil apabila dibandingkan

dengan sel darah merah.

Sinyal yang direfleksikan oleh darah biasanya terhambur. Sel darah merah

adalah penyebab utama terhamburnya gelombang ultrasonik karena sel darah merah

jauh lebih besar dari plateletdan jauh lebih banyak dari sel darah putih.

Terhamburnya gelombang ultrasonik oleh sel darah merah adalah sebuah proses yang

acak. Proses acak ini mematuhi hukum penghamburan Rayleigh jika ukuran partikel

penghambur jauh lebih kecil dibandingkan panjang gelombang yang jatuh kepadanya

(dalam hal ini ukuran sel darah merah adalah 7x10

-6

meter dan panjang gelombang

ultrasonik dengan frekuensi 4 MHz adalah 3,75x10

- 4

meter). Panjang gelombang

ultrasonik lebih besar sekitar 100 kali dibandingkan dengan sel darah merah, sehingga

28

sel darah merah berfungsi sebagai titik penghambur bagi gelombang ultrasonik yang

datang.

Gambar 2.4 Hamburan oleh Sel darah merah

Gambar (2.4) adalah pembesaran dari sel darah merah. Sel darah merah ini

bergerak dengan kecepatan tertentu sesuai dengan arah panah (38). Arah pergerakan

sel darah merah ini membentuk sudut q dengan arah transmisi gelombang ultrasonik

yang dihasilkan transduser piezoelektrik. Pantulan yang dihasilkan oleh sel darah

merah akan memiliki pergeseran frekuensi yang sebanding dengan frekuensi

gelombang datang dan kecepatan aliran darah. Pergerakan sel darah merah yang

me nuju transduser akan memampatkan panjang gelombang yang terefleksi sehingga

akan menambah frekuensi. Sebaliknya, pergerakan sel darah merah menjauhi

transduser akan memperpanjang panjang gelombang yang terefleksi sehingga

mengurangi frekuensi.

2.6 Transd user Ultrasonik

Gelombang ultrasonik dihasilkan oleh sebuah transduser. Transduser adalah

alat yang mengubah energi dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Sebuah transduser

ultrasonik mengubah energi listrik menjadi gelombang ultrasonik, dan juga bisa

berfungsi sebaliknya. Hal ini dimungkinkan oleh efek yang dinamakan efek

piezoelektrik. Piezo berasal dari bahasa Yunani yang berarti tekanan, jadi efek ini

berhubungan dengan listrik dan tekanan. Molekul kristal tersusun dalam struktur yang

kaku dan tidak mudah untuk ditekan atau dideformasi. Jika kristal dideformasi oleh

sumber energi dari luar, maka kristal tersebut akan mencoba untuk mencapai

kesetimbangan ( equilibrium) dengan cara menciptakan medan listrik internal yang

menghasilkan beda potensial. Kristal piezoelektrik juga dapat melakukan sebaliknya

yaitu mengubah energi elektrik ke energi mekanik. Apabila kristal diberi tegangan,

bentuknya akan berubah.

29

Apabila beda potensial yang cukup tinggi diberikan pada ujung yang

berlawanan dari sebuah kristal piezo elektrik, maka kristalnya akan menjadi lebih

panjang. Jika tegangannya dimatikan maka kristal akan kembali ke ukuran asalnya.

Dan jika tegangannya diberikan kembali tetapi dalam polaritas yang berbeda maka

kristal piezoelektrik akan berkontraksi. Frekuen si gerakan kedepan dan kebelakang

dari kristal piezoelektrik ini sesuai dengan frekuensi dari lisrik bolak - balik yang

diberikan. Pada saat bahan piezoelektrik ini bersentuhan dengan kulit pasien maka

gelombang yang dihasilkan oleh piezoelektrik ini akan diteruskan kedalam jaringan

tubuh sebagai gelombang ultrasonik. Hal ini juga berlaku sebaliknya, sinyal pantulan

dari jaringan tubuh yang ditangkap oleh bahan piezoelektrik akan menyebabkan

sedikit deformasi pada kristal. Deformasi ini menghasilkan tegangan listrik. Semakin

besar amplitudo sinyal pantulan berarti semakin besar juga perubahan bentuk yang

dialami oleh bahan piezoelektik, sehingga tegangan yang dihasilkan juga semakin

besar.

2.6.1 Kristal Piezoelektrik

Quartz adalah salah satu kristal alami yang dipakai untuk bahan

piezoelektrik. Namun kebanyakan transduser ultrasonik yang dipakai sekarang terbuat

dari bahan sintetis Lithium Sulfat. Transduser ultrasonik sintetis diproduksi dengan

cara dipanaskan dalam medan listrik yang kuat supaya terjadi po larisasi. Polarisasi ini

bisa hilang apabila bahan piezoelektrik dipanaskan begitu saja tanpa kehadiran medan

magnet.

Ketebalan kristal piezoelektrik menentukan frekuensi ultrasonik yang

dihasilkan. Ketebalan kristal harus setengah panjang gelombang yang diinginkan.

Dikarenakan kecepatan ultrasonik pada jaringan tubuh dianggap konstan (1.540 m /

dtk), maka ada nilai frekuensi tertentu untuk tiap panjang gelombang. Misalnya

panjang gelombang transduser ultrasonik 2 MHz adalah 0,77 mm sehingga tebal

bahan pie zoelektriknya 0,385 mm. Untuk transduser 10 MHz, ketebalan bahan kristal

piezoelektik adalah 75 mm. diameter bahan piezoelektrik juga berperan penting dalam

menentukan profil berkas ultrasonik atau keterarahan dari berkas tersebut. Semakin

besar diameter, berkas semakin terarah.

30

2.6.2 Bandwidth

Secara ideal, sebuah transduser memancarkan satu frekuensi ultrasonik saja,

yaitu frekuensi yang ditentukan oleh ketebalan bahan. Tetapi dalam kenyataaannnya,

karena ketidaksempurnaan dalam pembuatan dan faktor l ainnya, sebuah transduser

bisa saja memancarkan sebuah range frekuensi yang cukup lebar. Hal ini dikenal

dengan bandwidth frekuensi ultrasonik.

2.6.3 Panjang Pulsa

Ketika sinyal elektrik diberikan, kristal piezoelektrik tidak seketika berhenti

apabila sinyal listriknya berhenti. Kristal tetap bergetar dalam waktu beberapa

mikrodetik sebelum benar- benar diam. Jika ini terjadi maka akan dihasilkan pulsa

yang cukup panjang sehingga pada akhirnya menurunkan resolusi. Sebuah damper

biasanya ditempatkan dibela kang bahan sehingga dapat meredam getaran kristal yang

tidak perlu. Damper ini terbuat dari bahan yang menyerap suara, fungsi lain dari

damper ini adalah untuk menjaga agar sinyal ultrasonik tidak berinteraksi dengan

penutup transduser.

2.6.4 Transduser Nonfokus

Ada dua jenis transduser yaitu fokus atau nonfokus. Berkas ultrasonik dari

transduser nonfokus memiliki dua macam area dengan karakteristik yang berbeda.

Area yang lebih dekat dengan transduser disebut zone Fresnel atau daerah dekat.

Dalam zone i ni berkas sangat terfokus dan diameternya relatif konstan. Didalam zone

Fresnel ini juga terdapat intensitas dan amplitudo yang sangat bervariasi. Walaupun

demikian, resolusi yang paling baik didapat pada zone ini.

Daerah jauh dikenal dengan nama zone Fra unhofer. Karakteristiknya

bertolak belakang dari zone Fresnel. Berkas dalam zone ini uniform dan lebar. Karena

lebarnya berkas dalam zone ini, resolusi berkurang dan atenuasi muncul. Diameter

dan panjang dari berkas yang terdapat pada masing - masing zone bergantung pada

frekuensi. Secara umum apabila frekuensi dan diameter piezoelektrik ditingkatkan

maka zone Fresnel akan bertambah panjang dan divergensi pada zone Fraunhofer.

Intensitas pada zone Fresnel tidak uniform. Sedangkan panjang zone ini

dapat dihit ung dengan persamaan :

31

dnf= D

2

4 l (2.14)

dimana : d

nf

= panjang zone Fresnel

D = diameter transduser

l = panjang gelombang

Pada zone Fraunhofer gelombang ultrasonik menyebar sehingga

intensitasnya berkurang yaitu berba nding terbalik dengan kuadrat jarak. Besarnya

sudut penyebaran yang terjadi dapat dihitung dari :

Sin q= 1,22 l

2 D (2.15)

dimana:

q = Sudut Penyebaran Zone Fraunhofer

D = diameter transduser

l = panjang gelombang

Dalam pemilihan frekuensi operasi beberapa faktor harus diperhatikan.

Koefisien absorpsi kurang lebih sebanding dengan frekuensi, sehingga frekuensi

operasi yang rendah relatif lebih disukai. Namun, model alat ukur aliran darah

menggunakan ultrasonik seperti ini bergantung pada daya hamburan balik dari sel

darah merah yang diukur. Sedangkan daya hamburan balik ini sebanding dengan f

4

,

sehingga diperlukan frekuensi yang cukup tinggi. Biasanya frekuensi yang dipakai

berkisar antara 2 sampai 10 MHz, untukkeperluan simulasi diambil 8 MHz.

2.6.5 Transduser Fokus

Sebuah transduser yang sisi luarnya rata akan menghasilkan berkas

ultrasonik yang relatif lebih tersebar. Transduser dengan sisi luar lebih melengkung

dapat menghasilkan berkas yang lebih terfokus . Kekurangan dari metode ini adalah

sulitnya terjadi kontak yang baik antara transduser dengan kulit. Oleh karena itu

biasanya digunakan lensa akustik untuk memfokuskan berkas ultrasonik. Lensa

akustik ini berfungsi serupa dengan lensa untuk memfokuskan ca haya. Selain itu, agar

32

terjadi kontak yang baik dengan kulit biasanya ditambahkan gelkhusus untuk

keperluan ini. Pengukuran Aliran fluida kali ini dikhususkan menggunakan metoda diferensial

tekanan. Pada aliran fluida itu dipasang suatu penghalang dengan diameter lubang yang lebih

kecil dari diameter pipa , sehingga tekanan maupun kecepatannya berubah. Dengan mengukur

perbedaan tekanan antara sebelum dan sesudah penghalang dapat ditentukan besarnya aliran

fluida.

Pada prinsipnya metode ini menggunakan hukum Bernoulli yaitu:

dimana: P = tekanan fluida

= masa jenis fluida

v = kecepatan fulida

g = gravitasi bumi

h = tinggi fluida (elevasi)

Gambar Hukum Kontiunitas

Jika h1 dan h2 dibuat sama tingginya maka

Perhatian : Rumus diatas hanya berlaku untuk aliran Laminer, yaitu aliran yang memenuhi

prinsip kontinuitas.

Pipa pitot, orifice plate, pipa venturi dan flow Nozzle menggunakan hukum Bernoulli

diatas. Prinsip dasarnya adalah membentuk sedikit perubahan kecepatan dari aliran fluida

sehingga diperoleh perubahan tekanan yang dapat diamati. Pengubahan kecepatan aliran

fluida dapat dilakukan dengan mengubah diameter pipa, hubungan ini diperoleh dari Hukum

kontiunitas aliran fluida.

- Orifice Plate

Alat ukur terdiri dari pipa dimana dibagian dalamnya diberi pelat berlubang lebih kecil dari

ukuran diameter pipa. Sensor tekanan diletakan disisi pelat bagian inlet (P1) dan satu lagi

dibagian sisi pelat bagian outlet (P2). Jika terjadi aliran dari inlet ke outlet, maka tekanan

P1 akan lebih besar dari tekanan outlet P2.

Gambar Orifice Plate

Jumlah fluida yang mengalir per satuan waktu ( m3/dt) adalah :

di mana : Q = jumlah fluida yang mengalir ( m3/dt)

K = konstanta pipa

A2 = luas penampang pipa sempit

P = tekanan fluida pada pipa 1 dan 2

= masa jenis fluida

g = gravitasi bumi

Rumus ini juga berlaku untuk pipa venturi

Keuntungan utama dari Orfice plate ini adalah dari :

Konstruksi sederhana

Ukuran pipa dapat dibuat persis sama dengan ukuran pipa sambungan.

Harga pembuatan alat cukup murah

Output cukup besar

Kerugian menggunakan cara ini adalah :

Jika terdapat bagian padat dari aliran fluida, maka padat bagian tersebut akan terkumpul pada

bagian pelat disisi inlet.

Jangkauan pengukuran sangat rendah

Dimungkinkan terjadinya aliran Turbulen sehingga menyebabkan kesalahan pengukuran jadi

besar karena tidak mengikuti prinsip aliran Laminer.

Tidak memungkinkan bila digunakan untuk mengukur aliran fluida yang bertekanan rendah.

- Pipa Venturi

Bentuk lain dari pengukuran aliran dengan beda tekanan adalah pipa venture. Pada pipa

venture, pemercepat aliran fluida dilakukan dengan cara membentuk corong sehingga aliran

masih dapat dijaga agar tetap laminar. Sensor tekana pertama (P1) diletakkan pada sudut

tekanan pertama dan sensor tekanan kedua diletakkan pada bagian yang plaing menjorok ke

tengah. Pipa venturi biasa dipergunakan untuk mengukur aliran cairan.

Gambar Pipa Venturi

Keuntungan dari pipa venturi adalah:

Partikel padatan masih melewati alat ukur

Kapasitas aliran cukup besar

Pengukuran tekana lebih baik dibandingkan orifice plate.

Tahan terhadapa gesakan fluida.

Kerugiannya adalah:

Ukuiran menjadi lebih besar

Lebih mahal dari orifice plate

Beda tekanan yang ditimbulkan menjadi lebih kecil dari orifice plate.

- Flow Nozzle

Tipe Flow Nozzle menggunakan sebuah corong yang diletakkan diantara sambungan pipa

sensor tekanan P1dibagian inlet dan P2 dibagian outlet. Tekanan P2 lebih kecil dibandingkan P1.

Gambar Flow Nozzle

Sensor jenis ini memiliki keunggulan dibanding venture dan orifice plate yaitu:

Masih dapat melewatkan padatan

Kapasitas aliran cukup besar

Mudah dalam pemasangan

Tahan terhadap gesekan fluida

Beda tekanan yang diperoleh lebih besar daripada pipa venturi

Hasil beda tekanan cukup baik karena aliran masih laminer

- Pipa Pitot

Konstruksi pipa ini adalah berupa pipa biasa sedang di bagian tengah pipa diselipkan pipa kecil

yang dibengkokkan ke arah inlet. Jenis pipa ini jarang dipergunakan di industri karena dengan

adanya pipa kecil di bagian tengah akan menyebabkan benturan yang sangat kuat terhadap

aliran fluida. Alat ini hanya dipergunakan untuk mengukur aliran fluida yang sangat lambat.