Sejarah Perkembangan
Teknologi Ultrasonografi (USG)
Perkembangan
penggunaan USG dalam berbagai bidang ilmu kedokteran saat ini berawal dari
ditemukannya cara mengukur jarak di dalam air menggunakan gelombang suara. Pada
saat itu, dikenal istilah Sound Navigation
and Ringing. Lazzaro Spallanzani, seorang ahli biologi Italia, dapat
dikatakan sebagai orang yang mengilhami penemuan tersebut. Sekitar tahun 1794,
ia mendemonstrasikan kemampuan seekor kelelawar menentukan arah terbang dan
mencari mangsa dalam gelap dengan menggunakan gelombang suara berfrekuensi
tinggi (ultrasonik). Kelelawar tersebut memanfaatkan pantulan suara ultrasonik
yang dikeluarkannya setelah menumbuk suatu objek, sehingga ia tidak akan
menabrak sebuah benda atau sebaliknya dapat menentukan lokasi mangsanya.
Awal tahun 1826, Jean Daniel
Colladon, seorang ahli fisika dari Swiss berhasil menggunakan sebuah alat yang
dinamakan sound underwater untuk
mendeterminasi kecepatan suara dalam air di danau Geneva. Penemuan ini memacu
para ahli fisika lainnya untuk meneliti dasar ilmu fisika mengenai getaran,
transmisi, dan refraksi gelombang suara. Salah satu ahli fisika yang turut
andil dalam penelitian tersebut adalah Lord Rayleigh asal Inggris. Tahun 1877,
ia mengemukakan the theory of sound
yang intinya menerangkan bahwa gelombang suara adalah sebuah persamaan
matematika. Persamaan ini membentuk dasar teori sistem kerja akustik.
Sistem deteksi suara dalam air
kemudian dikembangkan dan dimanfaatkan untuk kepentingan navigasi kapal selam
selama perang dunia pertama berlangsung, khususnya setelah kejadian
tenggelamnya kapal Titanic pada tahun 1912. Hal itu terjadi berkat penemuan
alat hydrophone oleh seorang ahli
fisika Perancis, Paul Langevin. Alat ini juga memanfaatkan pantulan gelombang
ultrasonik.
Penemuan
radar (radio detection and ranging)
pada tahun 1953 oleh Robert Watson-Watt juga menerapkan sistem kerja gelombang
ultrasonik. Seperti sonar, alat ini pun menjadi inspirasi digunakannya
ultrasonik dalam bidang kedokteran kelak. Hanya pemanfaatannya saat itu lebih
banyak digunakan untuk kepentingan pelacakan kapal musuh di udara.
Perkembangan
pemakaian ultrasonik di bidang kedokteran berikutnya juga tak lepas dari
peranan penemuan alat detektor logam (Ultrasonic
Metal Flaw Detector) pada tahun 1928 oleh Sergei Y. Sokolov, seorang
ilmuwan Rusia. Dengan prinsip yang sama, pada waktu itu alat ini digunakan
untuk mengecek integritas lambung kapal laut dan lempeng baja pelindung tank.
a. Sejarah
perkembangan sistem pencitraan ultrasonik dan ultrasonografi (USG)
Sekitar
tahun 1920-an, prinsip kerja gelombang ultrasonik mulai diterapkan dalam bidang
kedokteran. Penggunaan ultrasonik dalam bidang kedokteran ini pertama kali
diaplikasikan untuk kepentingan terapi bukan untuk mendiagnosis suatu penyakit.
Hasil penelitian William Fry, dari Universitas Illinois dan Russel Meyers, dari
Universitas Iowa membuktikan bahwa gelombang ultrasonik dapat digunakan untuk
menghancurkan sel-sel basal ganglia pada penderita penyakit parkinsons.
Kemampuan gelombang ultrasonik dalam menghancurkan sel-sel atau jaringan
berbahaya ini kemudian secara luas diterapkan pula untuk penyembuhan
penyakit-penyakit lainnya. Misalnya, terapi untuk penderita arthritis, haemorrhoids, asma, thyrotoxicosis, ulcus pepticum (tukak lambung), elephantiasis (kaki gajah), dan bahkan terapi untuk penderita angina pectoris (nyeri dada).
Baru
pada awal tahun 1940, gelombang ultrasonik dinilai memungkinkan untuk digunakan
sebagai alat mendiagnosis suatu penyakit, bukan lagi hanya untuk terapi. Hal
tersebut disimpulkan berkat hasil eksperimen Karl Theodore Dussik, seorang
dokter ahli saraf dari Universitas Vienna, Austria. Bersama dengan saudaranya, Freiderich,
seorang ahli fisika, berhasil menemukan lokasi sebuah tumor otak dan pembuluh
darah pada otak besar dengan mengukur transmisi pantulan gelombang ultrasonik
melalui tulang tengkorak. Dengan menggunakan transduser (kombinasi alat
pengirim dan penerima data), hasil pemindaian masih berupa gambar dua dimensi
yang terdiri dari barisan titik-titik berintesitas rendah.
George
Ludwig, ahli fisika Amerika menyempurnakan alat temuan Dussik. Pemindaian
terhadap lokasi batu ginjal pada suatu jaringan tubuh dapat ia lakukan.
Gelombang ultrasonik yang menumbuk pada jaringan tubuh akan dipantulkan dan
hasilnya kemudian dapat dilihat pada layar osiloskop. Selanjutnya, diketahui
bahwa gelombang ultrasonik tersebut memerlukan panjang gelombang tertentu agar
suatu objek jaringan tubuh yang densitasnya beraneka ragam dapat
teridentifikasi.
Tahun
1949, John Julian Wild, ahli bedah Inggris yang bekerja di Medico Technological
Research Institute of Minnesota, berkolaborasi dengan John Reid, seorang
teknisi dari National Cancer Institute. Mereka melakukan investigasi terhadap
sel-sel kanker dengan alat ultrasonik. Beberapa jenis alat yang dibuat untuk
kepentingan investigasi tersebut antara lain B-Mode Ultrasound, tranduser/alat pemindai jenis A-Mode Transvaginal, dan Transrectal. Prinsip alat-alat tersebut
mengacu pada sistem radar. Oleh sebab itu, mereka kemudian menyebutnya sebagai tissue radar machine (mesin radar untuk
deteksi jaringan).
Akhirnya,
penggunaan ultrasonik mulai merambah bidang obstetri ginekologi. Penelitian
yang dilakukan oleh Ian Donald pada tahun 1955 terhadap krista ovarium dengan
menggunakan alat Metal Flaw Detector mulai
membuka peluang dilakukannya berbagai penelitian lanjutan. Penelitian lanjutan
ini tentu saja akan semakin menyempurnakan teknik pemakaian ultrasonik sampai
menjadi seperti sekarang.
Beberapa
hasil penelitian lanjutan yang cukup penting dalam bidang obstetri ginekologi
antara lain ditemukannya metode penentuan ukuran janin (fetal biometry), teknologi transduser/alat pemindai digital,
transduser dua dimensi dan tiga dimensi modern penghasil tampilan gambar
jaringan yang lebih fokus, dan penentuan jenis kelamin janin dalam kandungan (fetal anatomic sex assignment/FASA)
Penemuan
metode penentuan ukuran janin dalam kendungan (fetal biometry) dimulai sekitar tahun 1980-an. Berdasarkan tampilan
gambar pada layar USG, beberapa parameter yang biasa dijadikan standar
penentuan ukuran dan berat janin antara lain diameter kepala janin (Head Circumference/HC), panjang tulang
paha (Femur Leght/FL), dan lingkar
perut (Abdominal Circumference/AC).
Metode fetal biometry ini dapat
membantu para dokter ahli obstetri ginekologi menentukan apakah pertumbuhan
janin berjalan normal atau tidak.
Teknologi
transduser digital sekitar tahun 1990-an memungkinkan sinyal gelombang
ultrasonik yang diterima menghasilkan tampilan gambar suatu jaringan tubuh
dengan lebih jelas. Penemuan komputer pada pertengahan 1990 jelas sangat
memebantu teknologi ini. Gelombang ultrasonik akan melalui proses sebagai
berikut, pertama, gelombang akan diterima transduser, kemudian gelombang
tersebut diproses sedemikian rupa dalam komputer sehingga bentuk tampilan
gambar akan terlihat pada layar monitor. Transduser yang digunakan terdiri dari
transduser penghasil gambar dua dimensi atau tiga dimensi.
Berkat
penemuan-penemuan spektakuler tersebut, alat ultrasonik atau USG saat ini
sepertinya menjadi alat wajib seorang dokter ahli obstetri ginekologi. Apalagi
setelah diketahui bahwa USG tidak menimbulkan efek samping baik terhadap
kesehatan janin maupun kesehatan si ibu. Perjalanan panjang perkembangan
penggunaan ultrasonik yang mengilhami penemuan-penemuan tersebut tak boleh
dilupakan begitu saja. USG yang digunakan saat ini adalah hasil kerja keras
para ilmuwan di dunia dari berbagai bidang keilmuan.
b.
Perkembangan Metode Elemen Hingga
FEM berawal pada kebutuhan untuk
menyelesaikan permasalahan kompleks di bidang Teknik Sipil dan Teknik
Aeronautika terutama pada permasalahan elastisitas dan analisa struktur.
Perkembangan FEM diawali atas jerih payah Alexander Hrennikoff (1941) dan Richard
Courant (1942). Pendekatan yang dilakukan oleh para pioneer ini benar-benar
berbeda, namun mereka mempopulerkan satu nilai yang esensial, yaitu diskretisasi
jaringan/pembagian jaringan pada sebuah bidang pengaruh (domain) yang menerus
menjadi kumpulan sub-domain yang berbeda. Hrennikoff membagi domain dengan
menggunakan analogi kisi-kisi, sedangkan pendekatan yang dilakukan Courant
adalah mengubah domain menjadi sub-region dengan bentuk segitiga-segitiga
terbatas sebagai solusi untuk permasalahan lanjutan yaitu persamaan differensial
parsial ellips, yang muncul pada permasalahan di bidang torsi pada sebuah
silinder. Kontribusi courant berevolusi, penggambaran hasil awal PDEs dibuat
oleh Rayleigh, Ritz, dan Galerkin. Perkembangan FEM secara sungguh-sungguh
diawali pada pertengahan sampai dengan akhir dekade 1950-an untuk bidang
airframe dan analisa struktur dan meraih banyak energi tambahan untuk
berkembang pada University of California, Berkeley pada dekade 1960-an di
bidang teknik sipil. Di tahun 1973, Strang dan Fix melaui tulisannya “An Analysis Of The Finite Element Methode”
mengatakan bahwa FEM menawarkan solusi matematis yang setepat-tepatnya. Dan
pada kelanjutannya FEM digunakan pula pada bidang aplikasi matematika untuk
bidang modeling numerik pada sistem fisik (physical
system) untuk berbagai bidang engineering,
seperti pada elektro magnetik dan mekanika fluida.
Metode elemen hingga yang digunakan
untuk mengetahui interaksi gelombang ultrasonik dengan jaringan tubuh melalui
simulasi ultrasonik mulai diterapkan pada tahun 2002. Penelitian ini termotivasi
oleh kemungkinan penerapan gelombang ultrasonik terfokus untuk berbagai jenis
penyakit.
Metode elemen hingga yang menggunakan
perambatan gelombang akustik mulai dikembangkan pada tahun 2005. Metode elemen
hingga digunakan untuk mencari solusi permasalahan penerapan gelombang akustik
frekuensi tinggi 20 MHz – 60 MHz yang merambat melalui struktur tubuh. Metode
elemen hingga telah dirancang menjadi suatu software yaitu paket FEMLAB (COMSOLAB,
Stockholm) yang digunakan untuk mencari solusi model komputasi dan untuk
mengetahui solusi analisis digunakan software MATLAB. Kesalahan atau error yang
terjadi ketika menggunakan metode elemen hingga yaitu ~5%, dan ketika
menggunakan solusi analitis, rata-rata error ~12 % (Teori Faran atau Anderson).
Tahun 2006 metode elemen hingga
digunakan untuk menjelaskan penyebaran dan atenuasi gelombang suara dalam
tubuh. Hasilnya menunjukkan bahwa frekuensi gelombang suara mempengaruhi
penyebaran dan karakteristik gelombang suara. Pada tahun yang sama, COMSOL Multiphysics
juga digunakan untuk memprediksi hamburan balik ultrasonik dari sel.
