transcript of transcutaneous doppler flow detectors
TRANSCRIPT
Transcript of Transcutaneous Doppler Flow DetectorsEfek 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 kulituntuk mendeteksi adanya emboli udara pada pasien neurosurgery gelombang suara dengan frekuensi > 20 kHzyang digunakan pada peralatan medis umumnya 2 - 10 MHzreflektivitas 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 mediumvs: kecepatan sumber gelombang relatif thd mediumvr: kecepatan penerima gelombang relatif thd medium fd: perubahan frekuensifo: perubahan mula-mulaVd: kecepatan darahVs: kecepatan suarateta: 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 receiverPre Amplifier tegangan dari receiver dikuatkan oleh amplifier 10 MHzlalu outputnya disalurkan ke detector untuk mendeteksi apakah hasil penguatan sudah sebesar 10 MHzFilter tegangan difilter untuk meminimalisasi noise Manipulasi Data Mixermenggabungkan 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:
ä
2
u = c
2
ä
2
u
ä t
2
ä 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
ρ = 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
ρ = 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.