Berkas Ultrasonik Medis Dipotret Lewat Pola Garis di Air

Cekricek.id — Sebuah kamera digital dibidikkan ke latar bergaris hitam-putih yang disinari panel LED. Saat kerapatan air di depannya berubah, sinar garis itu membelok dan bergeser.

Pergeseran itulah yang dipakai dua fisikawan Universitas Ahmad Dahlan untuk memotret berkas ultrasonik medis. Metodenya mereka sebut background-oriented schlieren imaging, disingkat BOSI.

Margi Sasono dan Apik Rusdiarna IP menyusun naskah itu. Keduanya bekerja di Advanced Laboratory of Physics, Program Studi Fisika, Universitas Ahmad Dahlan, Yogyakarta.

Laporan berjudul Visualization of Ultrasonic Beam from a Medical Transducer using a Combination of Background-Oriented Schlieren Imaging with Hilbert Transformation terbit di Jurnal Ilmu Fisika. Penulisnya dua orang.

Naskah itu mengisi Volume 17 Nomor 2, September 2025, halaman 182 sampai 192. Redaksi menerima naskahnya pada 27 Mei 2025.

Versi revisi masuk 6 Juli 2025, lalu naskah dinyatakan diterima pada 31 Juli 2025. Versi daringnya terbit 7 Agustus 2025.

Margi Sasono tercatat sebagai penulis korespondensi. Alat yang diuji adalah transduser terapi yang dipakai di bidang medis.

Kamera dan Latar Garis Menggantikan Probe

Visualisasi berkas ultrasonik disebut penting untuk menjaga keamanan pada diagnosis, terapi, dan bedah. Intensitas gelombang yang tidak terkendali membuat penanganan pasien tidak efektif.

Selama ini pemindaian hidrofon menjadi acuan baku untuk memetakan berkas ultrasonik transduser medis. Acuannya adalah standar ISO/IEC 61689:2022.

Masalahnya, cara itu memakan waktu, bersifat intrusif, dan menuntut pengukuran di luar sumbu. Tiga hambatan itu membuat pemakaiannya di metrologi tidak meluas.

Schlieren optik pernah ditawarkan sebagai pengganti dan sudah terbukti berguna secara komersial. Namun alat itu menuntut penjajaran komponen optik yang presisi, medan pandangnya terbatas, dan sensitivitasnya rendah.

Karena itu schlieren belum menjadi standar dalam metrologi berkas ultrasonik. BOSI dipilih justru karena susunannya sederhana, hanya butuh latar berpola dan satu kamera digital.

Baca juga Mahasiswa UNAIR Kembangkan AI Deteksi Kegagalan Implan

Prinsipnya bertumpu pada perubahan kerapatan benda uji yang dilewati cahaya. Kamera merekam perubahan itu sebagai pola latar yang terdistorsi.

Teknik ini sudah dipakai untuk memvisualkan aliran fluida, aerodinamika, dan gelombang kejut. Perkembangannya kemudian memungkinkan pengukuran kuantitatif indeks bias dan kerapatan medium.

Umumnya BOSI memakai latar titik acak yang dipasangkan dengan korelasi citra digital. Sebaran titik pada bidang latar bisa tidak merata, dan perubahan kerapatan besar mendistorsi bentuk titiknya.

Penelitian terdahulu menyebut pola garis mengungguli titik acak sebagai latar pengukuran. Naskah ini memakai temuan tersebut sebagai dasar penggantian pola.

Perambatan ultrasonik di air memunculkan efek akustik-optik pada sinar yang lewat. Kamera merekam efek itu sebagai citra pola terdistorsi yang memuat keterangan tentang berkasnya.

Jenis pola latar dan metode pengolahan citra karena itu dinilai sangat menentukan. Keduanya yang memperbaiki mutu visualisasi gelombang ultrasonik.

Pola garis sinusoidal lalu dipasangkan dengan Transformasi Hilbert sebagai metode pengolahan citra. Transformasi itu dipakai menarik fase cahaya yang termodulasi.

Satu Megahertz di Bak Air 40 Sentimeter

Latar dibuat dari pola garis mendatar hitam-putih pada media transparan berukuran 30 sentimeter kali 30 sentimeter. Tebal tiap garis satu milimeter.

Panel LED putih komersial dipakai sebagai sumber cahaya penerang latar. Gambar skala keabuan direkam kamera digital Hayear beresolusi 1.080 kali 1.920 piksel.

Resolusi spasialnya 1,43 mikrometer, dengan lensa Fujian berjarak fokus 50 milimeter. Saat perekaman, lensa difokuskan ke pola garis di latar.

Jarak latar ke lensa kamera diatur 1.500 milimeter. Jarak latar ke kepala transduser yang diuji 400 milimeter.

Secara optik, jarak lensa ke latar dianggap jauh lebih besar daripada jarak fokus lensa. Susunan itu membuat berkas cahaya dianggap sejajar sepanjang sumbu optik.

Bak air berdinding transparan berukuran 40 sentimeter kali 40 sentimeter menjadi medium rambat gelombang. Posisi bak berada di antara latar dan kamera.

Kepala transduser dicelupkan beberapa milimeter ke dalam air dengan muka sejajar dasar bak. Lempeng karet setebal 50 milimeter dipasang di dasar bak.

Lempeng itu mencegah gelombang ultrasonik memantul balik ke muka transduser. Transduser terapi medis diuji pada modus gelombang kontinu.

Frekuensinya 1 megahertz dengan intensitas 1 watt per sentimeter persegi. Hanya satu titik kerja itu yang diuji dalam naskah ini.

Kesederhanaan susunan disebut menekan galat pengukuran akibat komponen optik yang tidak sejajar. Benda uji ditempatkan di antara latar dan kamera.

Baca juga Binaural Beats dan Gelombang Teta yang Diburu Terapis

Hilbert Mengubah Garis Menjadi Beda Fase

Rambatan ultrasonik di air menimbulkan gelombang tekanan dan mengubah kerapatan air. Perubahan itu memunculkan variasi indeks bias yang mirip kisi fase pada prinsip difraksi optik.

Sinar dari latar membelok ketika melewati variasi indeks bias tersebut. Lengkungan sinar yang membelok sebanding dengan kekuatan gradien indeks bias.

Sudut belok itu bergantung pada pergeseran pola garis di bidang latar. Kamera merekam pembelokan sebagai pergeseran garis terhadap pola acuan sebelum air dipapar ultrasonik.

Profil intensitas sepanjang satu garis mendatar pada citra menyerupai sinyal sinusoidal. Amplitudo, frekuensi spasial, dan fase menjadi besaran yang dibaca.

Selisih fase antara citra acuan dan citra termodulasi menjadi kunci kuantifikasinya. Transformasi Hilbert mengubah data bernilai nyata itu menjadi sinyal analitik bernilai kompleks.

Seluruh perhitungan dikerjakan di lingkungan MATLAB, menurut naskah ini. Fungsi hilbert dipakai lebih dulu, lalu fungsi arctan menghitung fase terbungkus.

Fase hasil arctan terbungkus pada rentang minus pi sampai pi. Fungsi unwrap kemudian membuka bungkusan itu menjadi fase yang dikehendaki.

Pengolahan berjalan kolom demi kolom pada piksel citra mentah. Penulisnya menyamakan prosesnya dengan pemindaian raster melintasi bidang gambar.

Rincian proses membuka fase dinyatakan berada di luar cakupan naskah. Pembaca tidak diberi uraian langkah algoritmanya.

Gelombang Naik Turun dan Puncak di Tengah

Begitu transduser memancarkan berkas, citra pola garis di daerah tertentu tampak kabur. Garis-garisnya terdistorsi bila dibandingkan dengan citra acuan.

Citra kabur serupa juga diperoleh Sasono dan rekan pada 2023. Kesamaan itu dipakai untuk menguatkan dugaan adanya berkas ultrasonik yang terpancar.

Perbandingan intensitas diambil pada kolom 400, sebanyak 150 data aras keabuan. Kurva termodulasi menunjukkan magnitudo intensitas yang menurun dibanding kurva acuan.

Penurunan kontras garis itu menandai pengaburan pola akibat pembelokan cahaya, bukan penyerapan cahaya. Beda fase antara kedua kurva justru tidak berarti.

Tanpa pengolahan citra sekalipun, susunan ini sudah dapat mendeteksi keberadaan berkas secara visual. Hasil semacam itu masih kualitatif, sementara metrologi menuntut hasil kuantitatif juga.

Citra beda fase diperoleh dengan mengurangkan fase terbuka citra termodulasi dari citra acuan. Hasilnya berupa citra dengan variasi terang dan gelap.

Bagian terang diperkirakan berkerapatan air tinggi, bagian gelap berkerapatan rendah. Variasi berkala itulah yang divisualkan sebagai berkas ultrasonik.

Data beda fase di kolom 400 membentuk kurva berombak mirip gelombang harmonik. Ombak itu dikaitkan dengan pemampatan dan perenggangan kerapatan air.

Citra amplitudo dihitung dari akar kuadrat penjumlahan data nyata dan data imajiner. Citra itu mewakili intensitas cahaya seperti yang ditangkap kamera biasa.

Data amplitudo pada baris 300 membentuk kurva sebaran amplitudo Hilbert. Kurva tersebut menjadi ukuran kontras garis setempat.

Bentuknya menyerupai kurva Gauss dengan intensitas tinggi di pusat kepala transduser. Lebar kurva dikaitkan dengan lebar berkas ultrasonik.

Citra beda fase dan citra amplitudo disebut berbeda secara nyata. Keduanya tetap dinilai penting untuk menggali informasi fisis berkas transduser.

Baca juga Radioterapi Kanker Payudara, Empat Bahan Bolus Dibandingkan

Batas Uji dan Selisih di Dalam Naskah

Naskah ini tidak membandingkan hasilnya dengan pengukuran hidrofon. Tidak ada angka tekanan, intensitas, maupun galat yang dilaporkan dari citra yang dihasilkan.

Pengujian hanya memakai satu kepala transduser terapi pada satu frekuensi dan satu intensitas. Modus yang diuji pun terbatas pada gelombang kontinu.

Ada selisih di dalam naskah itu sendiri. Abstraknya menyatakan modus amplitudo sebanding dengan profil intensitas ultrasonik.

Bagian hasil menyatakan sebaliknya, yaitu kurva amplitudo tidak sebanding secara kuantitatif dengan intensitas berkas. Di bagian itu kurva hanya disebut mencerminkan gradien indeks bias yang lebih kuat.

Simpulan naskah menyebut teknik ini sederhana, cepat, dua dimensi, dan tidak intrusif. Potensinya diarahkan untuk memperbaiki kalibrasi gelombang dari transduser medis.

Ucapan terima kasih ditujukan kepada asisten laboratorium AloP Universitas Ahmad Dahlan. Mereka membantu penyiapan eksperimen dan pengambilan citra dengan kamera.