## UJI COBA METODE PENCITRAAN MULTIMODALITAS ULTRASONOGRAFI DAN FOTOAKUSTIK

## Edo Robby Sanjaya, Jodelin Muninggar, Andreas Setiawan
Program Studi Fisika, Falkutas Sains Dan Matematika, Universitas Kristen Satya Wacana,
Jl. Diponegoro No.52-60, Salatiga, 50711, Indonesia
E-mail: andreas.setiawan@uksw.edu

## Abstrak
Ultrasonografi  (USG)  adalah  pembentukan  citra  suatu  objek  menggunakan  gelombang  akustik frekuensi tinggi. Dengan penggunaan akustik ini maka USG tidak dapat digunakan untuk memantau suatu  warna  organ atau  jaringan  yang  memiliki  bentuk  dan  ukuran yang  sama,  namun  memiliki warna berbeda. Dalam penelitian ini diusulkan pengamatan USG multimode yaitu penggabungan antara    USG  dan fotoakustik.  Proses ini  diharapkan  dapat meningkatkan  fungsi  citra  USG  yang dapat sekaligus membedakan warna obyek. Efek fotoakustik adalah pembentukan gelombang suara akibat  penyerapan  cahaya  termodulasi  pada  obyek.  Percobaan  dilakukan  dengan  mengarahkan sinar laser termodulasi pada suatu titik wadah yang berisikan air. Dalam langkah ini diharapkan interaksi fotoakustik akan menghasilkan gelombang akustik yang dapat dideteksi oleh sensor USG. Hasil percobaan menunjukkan meskipun efek fotoakustik terjadi namun sinyal terlalu lemah untuk dideteksi USG. Oleh sebab itu pada percobaan ini dilakukan juga pengujian dengan sumber akustik eksternal.  Dapat  diperlihatkan  meskipun  perubahan  cukup  kecil  gelombang  akustik  mampu menggangu  obyek  yang  diukur  sehingga  menghasilkan  citra  USG  yang  berbeda.  Hasil  ini menunjukan potensi pengembangan lebih lanjut metode USG multimode dengan fotoakustik.
Kata kunci : USG; fotoakustik; sistem pencitraan

## Abstract
[Title: Trial of Ultrasonography and Photoacustic Multimodality Imaging Methods] Ultrasound is the formation of an image of an object using high-frequency acoustic waves. With the use of this acoustic, ultrasound cannot be used to monitor a color of an organ or tissue that has the same shape and size, but has a different color. In this study proposed multimode ultrasound observations that are  the  merger  between  ultrasound  and  photoacoustics  This  process  is  expected  to  improve  the function  of  ultrasound  images  that  can  simultaneously  distinguish  the  color  of  objects.  The photoacoustic effect is the formation of sound waves due to the absorption of modulated light on objects.The  experiment  was  conducted  by  directing  a  modulated  laser  beam  at  a  point  of  the container containing water. In this step it is expected that photoacoustic interactions will produce acoustic  waves  that can  be  detected  by ultrasound  sensors.The  results  showed  that although  the photoacoustic effect occurred, the signal was too weak for ultrasound to detect.Therefore, in this experiment also tested with an external acoustic source. It can be shown that even small enough changes  in  acoustic  waves  are  able  to  disrupt the  object  being  measured  resulting  in  a  different ultrasound  image.These  results demonstrate  the  potential  for  further  development for  multimode ultrasound methods with photoacoustics.
Keywords : USG;  photoacoustic; imaging system

## PENDAHULUAN
Seiring  perkembangan  teknologi  yang canggih  saat  ini  pemanfaat  gelombang  bunyi juga  semakin  maju.  Salah  satunya  metode ultrasonografi  untuk  pemeriksaan  bagian- bagian dalam organ tubuh manusia menggunakan  gelombang  ultrasonik  yang disebut  USG.  Ultrasonografi  (USG)  adalah pemeriksaan dalam bidang penunjang
diagnostic  untuk  menghasilkan  imajing,  tanpa menggunakan  radiasi,  tidak  menimbulkan  rasa sakit  (non  traumatik)  dan  efek  samping  (non invasif). Tidak seperti mode lainnya, citra yang dihasilkan  dari  USG  memiliki  karakter  yang khas  yaitu  hanya  memiliki  intensitas  warna hitam, putih dan abu-abu. Proses pembentukan citra  USG  dihasilkan  melalui  berkas  akustik yang  direfleksikan  pada  obyek.  Prosentase
akustik  yang  direfleksikan  tergantung  pada impedansi material yang dilalui oleh gelombang.  Apabila  gelombang  ultrasonik mengenai  permukaan  yang  berbeda  impedansi akustiknya,  maka  sebagian  dari  gelombang akan direflesikan atau ditransmisikan [1].
Efek  fotoakoustik  adalah  pembentukan gelombang  akustik  setelah  penyerapan  cahaya termodulasi  dalam  sampel  material.  Untuk mendapatkan  efek  ini,  intensitas  cahaya  harus bervariasi,  baik  secara  berkala  (cahaya  yang dimodulasi)  atau  sebagai  lampu  kilat  tunggal (cahaya berdenyut). Berpijak  dari hal ini  maka dalam laporan ini dilakukan ujicoba penggunaan fotoakustik bersama dengan USG. Tujuan  dari  penggabungan  ini  adalah  untuk mengetahui  sejauh  mana  potensi  fotoakustik membantu menghasilkan citra USG yang lebih variatif  terhadap  warna  memanfaatkan  efek fotoakustik.
Citra  ultrasonografi  (USG)  merupakan hasil citra yang dilakukan dengan menggunakan (gelombang suara) yang dipancarkan  oleh transduser. Suara merupakan fenomena fisika untuk menstransfer energi dari satu  titik  ke  titik  yang  lainnya  sehingga mendapat  gambaran  yang  jelas  hampir  semua bagian  tubuh,  kecuali  bagian  tubuh  yang dipenuhi udara atau yang ditutupi lubang [2].
Ultrasonografi  merupakan  salah  satu imaging  diagnostic (pencitraan  diagnostik) untuk pemeriksaan organ-organ tubuh, dimana dapat  mempelajari  bentuk,  ukuran,  anatomis, gerakan,  serta  hubungan  dengan  jaringan sekitarnya  [3].  Pemeriksan  ini  bersifat  non invansif,  tidak  menimbulkan  rasa  sakit  pada penderita, dapat dilakukan dengan cepat, aman dan  tidak  ada  kontra  indikasinya,  karena pemeriksaan ini sama sekali tidak memperburuk  penyakit  penderita  [4].  Tulang dan  udara  merupakan  konduktor  suara  yang buruk,  sehingga  tidak  dapat  divisualisasikan dengan  baik,  sedangkan  cairan  memiliki kemampuan  menghantarkan  suara  dengan sangat baik [5].
Pencitraan fotoakustik merupakan teknik pencitraan yang berbasis pada efek fotoakustik, yaitu  fenomena  timbulnya  sinyal  akustik  dari material  yang  terpapar  energi  elektromagnetik (EM) intermiten. Jaringan mengandung molekul fotoabsorber berupa kromofor endogen yang  dapat  mengabsorbsi  energi  EM  yang selanjutnya menginduksi ekspansi termoelastik dan  menghasilkan  sinyal  akustik.  Intensitas
warna  merah  dan  hijau  diperoleh  dengan pengolahan  citra  digital  berupa  ekstraksi  ciri statistika yang diterapkan pada citra fotoakustik [6].

## METODE
Saat  berkas  laser  menumbuk  permukaan maka  intensitas  yang  diserap  permukaan  akan menurun  secara  eksponensial  sebagai  fungsi kedalaman z mengikuti  persamaan    Lambert- Beer
0 ( ) z I z I e    (1)
dengan I 0 adalah  intensitas awal dan  α adalah koefisien absorbsi medium. Penyerapan cahaya pada  permukaan  akan  menimbulkan  ekspansi pada  material.  Hal  ini  akan  meningkatkan volume  yang  sebanding  dengan  peningkatan temperatur θ yang dapat dituliskan
v v    (2)
dengan β adalah koefisien ekspansi termal  dan v adalah  volume  awal  dimana  terjadi pemanasan.  Ekspansi  ini  akan  menimbulkan konsekuensi  terjadinya  stress  yang  akan memicu  munculnya  tekanan  dalam  bentuk sinyal akustik. Tekanan yang mula-mula terjadi p 0 dapat dituliskan
0 v p B v   (3)
dengan B adalah modulus Bulk isotermal. Dengan  menggunakan  persamaan  (2) dan  (3)  maka  fungsi  antara  tekanan  dan temperatur  dapat  dituliskan  dalam  bentuk
0 p B   . (4)
Lebih  lanjut  sesuai  hukum  termodinamika temperatur θ merupakan fungsi dari energi yang tersimpan  pada  medium  dan  berhubungan dengan  kapasitas  panas C dan  massa  jenis ρ dalam bentuk
  0 1 1 Z
I z I e C
C        . (5)
Persamaan  (4)  dan  (5)  dapat  disusun  kembali menjadi [7]
0 0 Z B p I e C      . (6)
Persamaan  (6)  memberikan  relasi  antara tekanan  akustik  awal  yang  terjadi  pada  suatu permukaan akibat terkena pulsa singkat cahaya laser. Dapat dilihat bahwa tekanan yang muncul sebanding  dengan  koefisien  absorbsi  medium dan fluktuasi dari berkas cahaya laser. Dengan demikian  karakteristik  absorbansi  cahaya  dari
suatu  medium  akan  mempengaruhi  besarnya tekanan  akustik  yang  muncul,  hal  inilah  yang menjadi prinsip dasar dari fotoakustik.
Gambar 1. Skema percobaan pembentukan citra USG dengan sumber akustik eksternal berupa laser yang dimodulasi
Gambar  2.  Skema  rangkaian  modulator  untuk menggerakan  laser,  terhubung  pada sinyal  generator  sebagai  sumber modulasinya
Susunan  percoban  ditampilkan  pada gambar  1.  Terdiri  dari  alat  USG  beserta sensornya,  wadah  berisi  air,  laser,  modulator dan  power  supply.  Untuk  tahap  pertama digunakan speaker berikut amplifiernya sebagai sumber  akustik  eksternal.  Selanjutnya  tahap berikutnya  digunakan  rangkaian  laser  yang
termodulasi  untuk  menghasilkan  frekuensi tinggi  3,5  MHz.  Modulator  bagian  ini  disusun dengan rangkain transistor tunggal (NPN) yang sebagai penguat arus yang digerakan oleh sinyal generator. Penggunaan frekuensi ini dikarenakan  karakteristik  sinyal  akustik  yang ditangkap oleh transduser pada USG adalah 3,5 MHz.  Gambar  2  memperlihatkan  rangkain instrumentasi modulasi laser pada frekuensi 3,5 MHz dengan transistor C2053 (NPN). Percobaan pertama dilakukan menggunakan speaker eksternal untuk mengetahui  pengaruh  gelombang  akustik terhadap citra USG. Percobaan kedua dilakukan dengan  mengarahkan  sinar  laser  termodulasi pada  suatu  titik  wadah  yang  berisikan  air. Dalam  langkah  ini  diharapkan  interaksi fotoakustik  akan  menghasilkan  gelombang akustik yang dapat dideteksi oleh sensor USG. Untuk  mendeteksi  perubahan  ini  untuk  suatu citra  diambil  dalam  2  kondisi  yaitu  jika  laser mati  ( off )  dan  hidup  ( on ).  Kemudian  hasilnya disubtraksi  untuk  mengamati  perbedaan  citra yang  didapatkan.  Jika  program  mendeteksi terjadi  selisih  pada  kedua  citra  maka  dapat diketahui dapat diketahui bahwa efek fotoakustik  mempengaruhi  citra  USG  yang dihasilkan.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hal  yang  pertama  dilakukan  dalam  uji coba  adalah  penggunaan  speaker  sebagai sumber  akustik  eksternal  untuk  mengetahui pengaruh  citra  USG  dengan  gangguan  luar. Susunan percobaan pada tahap ini diperlihatkan pada  gambar  3.  Transduser  USG  ditempatkan pada  wadah  air  dari  bagian  atas,  kemudian bagian bawahnya dihubungkan dengan speaker. Speaker digerakan oleh amplifier dengan input sinyal generator.
Prosedur ini bertujuan untuk memberikan gangguan  akustik  secara  langsung  pada  citra USG.  Selama  proses  ini  amplitudo  dan frekuensi sinyal generator diatur agar mendapatkan  efek  yang  paling  optimal.  Pada bagian ini obyek yang dideteksi berupa sebuah plat besi tipis.
Ketika  speaker  dinyalakan  wadah  yang diisikan  sebuah  plate  dan  air  akan  bergetar dengan  frekuensi  yang  diatur  oleh  sinyal generator.  Posisi,  amplitude  dan  frekuensi generator diatur sedemikian rupa agar menghasilkan  pengaruh  yang  optimal.  Hasil
percobaan citra USG yang dihasilkan ditampilkan pada Gambar 3.
Gambar  3.  Susunan  ujicoba  tahap  pertama digunakan speaker sebagai sumber akustik  eksternal.  Dalam  ujicoba ini  digunakan  sebuah  plat  besi sebagai obyeknya
Gambar  4  memperlihatkan  hasil  citra USG  yang  dihasilkan  dari  percobaan  tahap pertama yaitu saat tanpa plat speaker dimatikan dan dihidupkan (gambar 4a dan 4b). Dilanjutkan  dengan  penambahan  obyek  plat besi  saat  speaker  dimatikan    dan  dihidupkan (gambar  4c  dan  4d).    Perhitungan  berikutnya adalah  subtraksi  gambar  4c  dan  4d  untuk melihat  pengaruh  yang  muncul.  Dari  hasil gambar  5  tampak  perbedaan  ketika  gambar speaker  dimatikan  dan  dihidupkan.  Terlihat muncul perbedaan artefak diantara ke dua citra USG tersebut dimana terdapat warna merah dan orange  sebagai  indikasi  perbedaan  selisih  citra yang  cukup  signifikan  (tanda  panah  pada gambar 5).
Tahap  berikutnya  adalah  pengujian menggunakan  efek  fotoakustik.  Sebelumnya dilakukan  terlebih  dahulu  pengujian  rangkaian modulasi laser. Karena transduser bekerja pada 3,5  MHz  maka  modulasi  laser  diusahakan mendekati angka tersebut.  Pengujian dilakukan dengan  sumber  tegangan  10  V  yang  diatur frekuensinya  3,5  MHz,  sinyal  modulasi  yang diukur  dengan  osiloskop  ditampilkan  pada gambar 6.
Gambar  4.  Citra  USG  percobaan  tahap pertama  tanpa  plat  dengan speaker off (a),  speaker on (b), dengan plat speaker off (c), dan
speaker on (d).
Gambar 5. Citra perbedaan hasil substraksi dari citra plate saat speaker off dan on . Tanda panah menunjukan beberapa  artefak  perbedaan  yang muncul.
Gambar  6.  Susunan  penggunaan  laser  sebagai sumber  akustik  eksternal  dengan memanfaatkan efek fotoakustik.
Susunan  pada  tahap  ini  speaker  diganti dengan  rangkaian  modulasi  laser  yang  sudah menghasilkan  frekuensi  3,5  MHz,  seperti ditampilkan  pada  Gambar  6.  Modulator menggunakan sinyal generator dengan
frekuensi  dan  bentuk  gelombang  yang  dapat diatur.   Parameter  diatur  sedemikian  rupa agar mendapatkan efek pengaruh yang optimal pada citra USG yang dihasilkan. Rancangan alat pada gambar 6 dilakukan dengan cara menempatkan laser di bawah wadah yang diisi dengan air.
Gambar  7. Citra  USG  yang  dihasilkan  dengan kondisi  laser off (a),  laser on (b), citra subtraksi dari citra (a) dan (b).
Masing-masing  citra  adalah  hasil rata-rata  10  citra  USG  yang didapatkan.
Gambar  7  memperlihatkan  citra  USG yang dihasilkan dengan kondisi Laser off dan on (gambar  7a  dan  7b).  Masing-masing  citra adalah  hasil  rata-rata  10  citra  USG  yang didapatkan. Selanjutnya hasil substraksi diperlihatkan  pada  gambar  8.  Hasil  ini memperlihatkan hasil  yang cukup berbeda jika
dibandingkan  percobaan  sebelumnya  (gambar 5).  Pada  gambar  8  terlihat  belum  muncul substraksi  artefak  yang  menonjol  dari  obyek plat  besi  yang  diamati.  Karena  citra  8  adalah hasil  substraksi  maka  tidak  munculnya  artefak menandakan citra 7a dan 7b memiliki pola yang identik.  Dengan  data  citra  pada  gambar  8  ini dapat  dilihat  bahwa  efek  fotoakustik  sebagai sumber  akustik  eksternal  belum  mampu mempengaruhi obyek ujicoba. Hal ini kemungkinan disebabkan oleh masih lemahnya amplitudo akustik yang dihasilkan dalam proses fotoakustik.
Gambar 8. Citra USG hasil substraksi citra pada gambar  7a  dan  7b.  Tampak  belum terlihat artefak yang menonjol
Mengacu  pada  persamaan  6  maka  ada sejumlah  variabel  yang  dapat  ditingkatkan. Salah satu yang praktis untuk dilakukan adalah meningkatkan I 0 yaitu  intensitas  laser  yang digunakan.  Dari  persamaan  6  terlihat  tekanan akustik  yang  muncul  akan  berbanding  lurus dengan  intensitas  laser  yang  digunakan. Meskipun  demikian  perlu  diperhatikan  batas intensitas  yang  di  ijinkan  terutama  jika digunakan pada obyek-obyek biologis.
Peningkatan  absorbsi  energi  laser  akan mendorong  peningkatan  suhu  pada  obyek sehingga  bisa  menyebabkan  kerusakan  saat pengujian. Hal lain pada kasus penggunaan efek fatukstik  sebagai  sumber  akustik  eksternal  ini faktor  α  sebagai  koefisien  absorbsi  medium dapat  juga  dimanfaatkan.  Pemilihan  panjang gelombang  laser  pada  absorbsi  medium  yang tepat akan meningkatkan tekanan akustik secara signifikan karena relasinya eksponensial terhadap tekanan akustik yang muncul.

## SIMPULAN DAN SARAN
Berdasarkan  hasil  riset  ini,  dapat disimpulkan bahwa ujicoba penggunaan sumber akustik eksternal pada citra USG sesuai dengan  target  yang  diharapkan.  Selisih  citra obyek  sebelum  dan  sesudah  penggunaan sumber  akustik  memperlihatkan  munculnya artefak  yang  signifikan.  Meskipun  demikian sinyal akustik pada ujicoba fotoakustik ternyata belum  cukup  untuk  memberikan  perubahan signifikan  pada  citra  USG  yang  dihasilkan. Hasil substraksi citra masih belum menghasilkan  perbedaan  yang  signifikan. Kemungkinan diperlukan teknik tersendiri agar proses fotoakustik mampu menghasilkan sinyal akustik yang cukup kuat untuk dideteksi USG. Secara  teknologi  saat  ini  laser  diode  telah memiliki  jangkah  frekuensi  dan  daya  yang cukup  tinggi  sehingga  sangat  berpotensi  untuk dilakukan  pengembangan  USG  multimode lebih lanjut.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Penelitian  ini  didukung  oleh  Universitas Kristen Satya Wacana melalui skema penelitian internal dengan SK No. 130/Pen./Rek./6/V/2021.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Atika  TA,  2019.  Implementasi  Metode Geometric Mean Filter Untuk Mereduksi Noise  Pada  Citra  Ultrasonografi  (USG). 18 (4): 260.
2. Tyovenda  AA,  Aiyohuyin  EO,  dan Akaagerger NB. 2013. Diagnostic
Ultrasound Quality Assurance by Means of  Machine  Output  Parameters. 3 (5):
287.
3. Lichtenstein D, 2012. Fluid
administration limited by lung sonography: the place of lung ultrasound in assessment of acute circulatory failure (the  FALLS-protocol).  Expert  Rev Respir Med. 6 (2):155.
4. Drukker L, Noble JA, dan Papageorghiou AT,  2020.  Introduction  to  artificial intelligence  in  ultrasound  imaging  in obstetrics  and  gynecology.  Ultrasound
Obstet Gynecol. 56 (4):498.
5. Setiawan  A,  Setiaji  FD,  Dewantoro  G, dan  Wibowo  NA,  2019.  Photoacoustic
Tomography System for Roughly Painted  Micro  Objects,  Journal  of Electromagnetic Engineering and Science. 19 (3):197.
6. Setiawan  A,  Setiaji  FD,  Nugroho  DB, dan  Wibowo  NA,  2020.  Subsurface detection  of  opaque  and  solid  material defect  based  on  photoacoustic  effect,
Journal  of  Instrumentation. 15 (04):
P04010.
7. Setiawan A, Rondonuwu FS, dan Setiaji FD,  2019,  Analyzing  the  shape  of photoacoustic signal on audible frequency modulation, Journal of Physics Conference Series, 1307 (1):012017.