Mengukur Kecepatan Aliran Darah dengan Ultrasonografi Doppler

Pernahkah Anda memperhatikan fenomena bunyi sehari-hari di sekitar Anda? Misalnya ketika ambulans dengan sirene meraung-raung kebetulan berpapasan dengan Anda di jalan raya. Ketika posisi ambulans mendekati Anda atau posisi Anda yang mendekati ambulans, sirene ambulans tersebut akan terdengar melengking dengan nada yang lebih tinggi. Tetapi, ketika ambulans tersebut telah berlalu menjauhi posisi Anda, Anda merasakan sensasi bunyi yang sedikit berbeda, bunyi sirenenya terdengar tak semelengking sebelumnya atau berubah menjadi bunyi dengan nada yang lebih rendah. Apa yang sebenarnya terjadi dalam fenomena ini?

Ilustrasi mobil ambulans. Niagara Region EMS Paramedic Ambulance on the site of a motor vehicle accident involving a motorcycle. The ambulance is carrying a casualty. The vehicle is based on a Mercedes Sprinter 3500 chassis by Dvermeirre. Wikipedia. (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Niagara_EMS_Ambulance_3-35.JPG).

Efek Doppler, dari Bintang Ganda ke Gelombang Bunyi

Tersebutlah seorang fisikawan sekaligus matematikawan berkebangsaan Austria bernama Christian Doppler yang pertama kali memberikan penjelasan tentang fenomena tadi pada tahun 1842 dalam risalahnya yang berjudul Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger andere Gestime des Himmels atau dalam terjemahan bebas dapat diartikan sebagai Cahaya Berwarna dari Bintang Ganda dan Beberapa Benda Langit Lainnya. Dalam hal ini, Doppler mengamati fenomena yang terjadi pada gelombang cahaya dari benda-benda langit yang ditelitinya. Dalam risalah tersebut, Doppler mengemukakan suatu prinsip bahwa frekuensi dari gelombang dipengaruhi oleh kecepatan pergerakan relatif dari sumber gelombang dan pengamat. Fenomena ini kemudian dikenal sebagai Efek Doppler.

Christian Doppler (1803-1853). http://www.scientificlib.com/en/Physics/Biographies/ChristianDoppler01.html. Wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Christian_Doppler.jpg)

Hipotesis ini kemudian diujikan pada gelombang bunyi oleh Christophorus Henricus Diedericus Buys Ballot, seorang kimiawan dan meteorologis berkebangsaan Belanda, pada tahun 1845. Ballot mengaminkan penemuan Doppler yang ternyata berlaku pula pada gelombang bunyi. Ballot menyebutkan bahwa nada bunyi akan terdengar lebih tinggi jika sumber bunyi mendekati pendengar, dan sebaliknya nada bunyi akan terdengar lebih rendah ketika sumber bunyi menjauhi pendengar.

Mengapa pergeseran frekuensi ini terjadi? Mari kita amati dari fenomena gelombang bunyi yang lebih mudah kita bayangkan dari peristiwa sirene ambulans tadi.

Ketika sumber gelombang bunyi mendekati pendengar, puncak gelombang setelahnya (misalnya, puncak gelombang kedua) dipancarkan pada posisi yang lebih dekat ke pendengar daripada puncak gelombang sebelumnya (misalnya, puncak gelombang pertama). Hal ini menyebabkan waktu tiba antar gelombang yang berurutan menjadi lebih singkat. Kemudian, ketika gelombang-gelombang yang berurutan tadi terus menjalar, jarak antara muka gelombang-gelombangnya menjadi lebih dekat satu sama lain, akibatnya muka-muka gelombang tersebut menjadi terkumpul atau bertumpuk di dekat posisi pendengar. Fenomena ini menyebabkan meningkatnya frekuensi gelombang bunyi yang sampai ke telinga pendengar atau bunyi terdengar lebih tinggi/melengking.

Visulasi Efek Doppler. Charly Whisky, Wikipedia. (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Dopplerfrequenz.gif)

Sebaliknya, ketika sumber gelombang bunyi menjauhi pendengar, puncak gelombang setelahnya (misalnya, puncak gelombang kedua) dipancarkan pada posisi yang lebih jauh dari pendengar daripada puncak gelombang sebelumnya (misalnya, puncak gelombang pertama), sehingga waktu tiba antar gelombang yang berurutan menjadi menjadi lebih lama. Selanjutnya, jarak antara muka gelombang-gelombang yang berurutan menjadi lebih jauh satu sama lain, akibatnya muka-muka gelombang tersebut menjadi lebih tersebar. Fenomena ini menyebabkan menurunnya frekuensi gelombang bunyi yang sampai ke telinga pendengar atau bunyi menjadi terdengar lebih rendah.

Efek Doppler ini ternyata tak hanya berlaku pada gelombang bunyi yang bisa kita dengar, namun berlaku pula pada gelombang bunyi dengan frekuensi di atas ambang pendengaran kita yang dikenal sebagai gelombang ultrasonik. Fenomena inilah yang kemudian mengilhami pemanfaatan gelombang ultrasonik untuk mengukur derasnya aliran darah yang mengalir lewat pembuluh darah kita.

Ultrasonografi Doppler

Gelombang ultrasonik dapat dimanfaatkan untuk mengetahui kecepatan aliran darah dengan mengukur perubahan frekuensi dari gelombang ultrasonik yang dihamburkan/dipantulkan kembali oleh sel-sel darah. Biasanya transduser atau probe ultrasonografi (USG) sebagai pemancar gelombang ultrasonik diletakkan pada posisi tetap/diam di atas permukaan kulit dan darah mengalir atau bergerak relatif terhadap posisi probe tersebut.

Gelombang ultrasonik yang dipancarkan oleh probe kemudian mengenai sel-sel darah yang mengalir di dalam pembuluh darah. Pada tahap ini, frekuensi gelombang ultrasonik yang “didengar“ oleh sel-sel darah dapat berubah dan dipengaruhi oleh pergerakan relatif antara sel-sel darah tersebut terhadap posisi probe, apakah mendekati atau menjauhi. Secara sederhana, pada tahap ini, probe USG kita anggap sebagai “sumber bunyi“ yang diam, sedangkan sel-sel darah, kita anggap sebagai “pendengar“ yang bergerak.

Kemudian, sel-sel darah tadi akan memantulkan kembali gelombang ultrasonik yang mengenainya. Pantulan gelombang ini sebagian akan diterima kembali oleh probe. Pada tahap ini, probe akan berlaku sebagai “pendengar“ yang diam, sedangkan sel-sel darah akan berlaku sebagai “sumber bunyi“ baru yang bergerak. Sebagaimana pada tahap sebelumnya, pada tahap kedua ini pun dapat terjadi perubahan frekuensi yang “didengar“ oleh probe, tergantung pergerakan relatif satu sama lain antara sel-sel darah dan probe.

Ilustrasi pembuluh dara di seluruh tubuh manusia. Simplified diagram of the human Circulatory system in anterior view by LadyofHats, Mariana Ruiz Villarreal. Wikipedia. (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Circulatory_System_en.svg)

Dari kedua tahap tersebut, terjadi dua kali perubahan frekuensi Doppler. Perubahan frekuensi Doppler (fD) ini merupakan perbedaan antara frekuensi asli dari gelombang ultrasonik yang mula-mula dipancarkan oleh probe (fT) dengan frekuensi gelombang pantul yang diterima kembali oleh probe (fR). Perubahan frekuensi Doppler (fD) ini dipengaruhi oleh frekuensi awal gelombang ultrasonik yang dipancarkan oleh probe (fT), kecepatan gelombang ultrasonik yang merambat melalui sel-sel darah (c) dan kecepatan aliran sel-sel darah (v). Hubungan antara parameter-parameter ini dapat dirumuskan dalam formulasi sederhana berikut ini:

fD = fR - fT=(2.fT.v.cos⁡θ)/c

Dalam hal ini, perubahan frekuensi Doppler (fD) juga dipengaruhi oleh kemiringan antara berkas gelombang ultrasonik dan arah aliran darah yang dinyatakan dalam cosinus θ. Sudut ini dikenal sebagai sudut insonasi (insonation angle). Sudut insonasi dapat berubah-ubah tergantung dari orientasi posisi probe terhadap pembuluh darah. Biasanya pada lengan dan tungkai, pembuluh-pembuluh darah sejajar dengan kulit atau θ = 0˚, meskipun pada daerah percabangan pembuluh darah, sudut insonasi akan berubah.

Untuk memperoleh nilai pergeseran frekuensi Doppler (fD) yang tidak nol, operator harus dapat mengatur sedemikian rupa sehingga sudut insonasi mendekati nol (cos⁡ 0°= 1) atau letak pembuluh darah hampir sejajar dengan arah dari berkas gelombang ultrasonik dari probe. Selanjutnya, jika sudut insonasi diketahui, maka pergeseran frekuensi Doppler (fD) ini dapat digunakan untuk menghitung kecepatan aliran darah yang mengalir di dalam pembuluh darah. Perhitungannya dapat kita tuliskan dengan memodifikasi rumus sebelumnya menjadi:

v = (c.fD)/(2.fT.cos ⁡θ)

Tampilan Layar USG Doppler

Fitur USG Doppler komersial yang beredar di pasaran dapat menampilkan informasi kecepatan aliran darah dalam 2 jenis tampilan, yaitu Doppler Spektral (Spectral Doppler) dan Citra Aliran Berwarna 2-Dimensi (2D Colour Flow Imaging).

Pada Doppler spektral, informasi kecepatan aliran darah dari satu titik lokasi di dalam pembuluh darah ditampilkan dalam sebuah kurva dengan sumbu mendatar yang menyatakan waktu dalam detik dan sumbu vertikal yang menyatakan perubahan frekuensi Doppler dalam kiloHertz (kHz). Jarak vertikal dari dasar kurva (baseline) menyatakan perubahan frekuensi Doppler, sedangkan skala keabuan (greyscale) dari kurva menyatakan amplitudo (besarnya) perubahan frekuensi Doppler tersebut.

Pada citra aliran berwarna 2-dimensi, perubahan frekuensi Doppler dinyatakan dalam bentuk citra berwarna 2-dimensi yang ditumpangtindihkan (superimposed) ke citra USG dari pembuluh darah. Warna yang ditampilkan merupakan warna semu dari hasil perhitungan kecepatan aliran darah yang diperoleh. Biasanya, warna merah menuju kuning digunakan untuk menunjukkan area di pembuluh darah dengan kecepatan aliran darah yang tinggi, sedangkan warna biru menuju hijau menunjukkan keadaan sebaliknya.

Tampilan USG Doppler: atas: citra aliran berwarna 2-dimensi, bawah: Doppler spektral. Medical spectral Doppler of common carotid artery By Daniel W. Rickey 2006. Wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/File:SpectralDopplerA.jpg)

Kedua tampilan ini saling melengkapi satu sama lain. Pada citra aliran berwarna 2-dimensi, dokter dapat mengamati aliran darah pada area yang lebih luas, misalnya pada area pembuluh atau rongga jantung. Sedangkan pada Doppler spektral, dokter dapat mengamati dengan lebih teliti perubahan kecepatan aliran darah pada area yang lebih sempit.

Dengan mengetahui kecepatan aliran darah, USG Doppler dapat dimanfaatkan untuk mendiagnosis adanya kelainan pada pembuluh darah, misalnya terjadinya penyempitan karena adanya plak (sumbatan), emboli, stenosis, bahkan kebocoran atau pecahnya pembuluh darah di area-area tertentu di dalam tubuh kita.

Manfaat Lainnya

Dalam perkembangan selanjutnya, dengan prinsip yang sama, selain bisa dimanfaatkan untuk mengukur kecepatan aliran darah, dalam dunia medis, USG Doppler juga dapat digunakan untuk mengamati pergerakan dari jaringan-jaringan lunak di dalam tubuh, misalnya pergerakan katup jantung dan dinding jantung.

Dari pengalaman ini, kita bisa mengamati bahwa alam raya ini senantiasa terhubung dalam keteraturan yang menakjubkan. “Apakah kamu tidak berpikir?” Begitulah frasa yang tak kurang dari 13 kali diulang-ulang dalam Al Qur’an.

Referensi

Hoskins, P., Martin, K., dan Thrush, A. Diagnostic Ultrasound, Physics and Equipment. Cambridge University Press, 2010.