Dalam dunia medis, penusukan jarum dapat dikategorikan ke dalam prosedur
intervensional invasif minimal (minimally invasive interventional procedure) yang
menekankan kepada upaya meminimalkan luka. Untuk menjamin keberhasilan
prosedur penusukan jarum, informasi citra sebagai umpan balik visual sangat
diperlukan. Ultrasonografi dipilih sebagai modalitas pencitraan karena tidak ada
risiko radiasi, resolusi temporal tinggi, ukuran perangkat dan transduser yang relatif
kecil serta kemudahan dalam menentukan orientasi bidang pencitraan (imaging
plane).
Dalam pencitraan ultrasonografi untuk aplikasi penusukan jarum, salah satu
masalah krusial adalah inkonsistensi visibilitas jarum. Konsistensi visibilitas jarum
yang optimal memiliki berbagai keuntungan, antara lain menghindari risiko
kesalahan penusukan, mempercepat waktu pelaksanaan prosedur, sekaligus
mengurangi rasa sakit dan tidak nyaman pada pasien.
Eksperimen awal pencitraan jarum modus-B (B-mode/brightness modulation)
melalui pengembangan metode kuantifikasi visibilitas jarum menunjukkan bahwa
visibilitas jarum dipengaruhi oleh beberapa parameter fisis antara lain, sudut
penusukan, frekuensi gelombang ultrasonik, serta karakteristik jarum. Namun,
tidak ditemukan adanya linieritas dari hubungan antara visibilitas jarum dengan
parameter-parameter fisis tersebut. Metode kuantifikasi dan peta visibilitas jarum
yang dikembangkan dalam penelitian ini dapat merepresentasikan visibilitas jarum
secara aktual, sehingga dapat digunakan untuk memprediksi pola visibilitas jarum
dalam rentang sudut dan frekuensi operasional penusukan.
Secara fisis, visibilitas jarum dipengaruhi oleh mekanisme perambatan gelombang
ultrasonik melewati medium perantara dan jarum hingga dipantulkan kembali
sebagai propagasi balik (back propagation) yang diterima transduser. Inkonsistensi
visibilitas jarum pada citra modus-B (B-mode image) berhubungan erat dengan
amplitudo tekanan hamburan akustik (acoustic scattering) dari propagasi balik total
jarum yang diterima oleh transduser. Dalam penelitian ini dikembangkan suatu
metode evaluasi untuk memahami fenomena fisis fundamental yang
melatarbelakangi inkonsistensi visibilitas jarum pada citra modus-B ultrasonografi
melalui pendekatan pemodelan dan simulasi yaitu berupa pengembangan model
analitik dan simulasi numerik, serta pendekatan eksperimental menggunakan
simulator.
Pola inkonsistensi visibilitas jarum mula-mula diamati melalui penurunan model
analitik berdasarkan teori hamburan resonansi (resonance scattering) dan simulasi
numerik perambatan gelombang ultrasonik melewati jarum dengan memvariasikan
parameter fisis berupa frekuensi, sudut penusukan, dan karakteristik jarum. Melalui
pendekatan ini diperoleh spektrum medan tekanan (pressure field) propagasi balik
dari jarum.
Model analitik perambatan gelombang ultrasonik berdasarkan teori hamburan
resonansi dapat merepresentasikan pola hamburan akustik pada jarum spinal yang
berhubungan dengan modus-modus gelombang resonansi di sekitar sudut-sudut
kritis ???????? = 17,4°, ???????? = 27,8°, dan ???????? = 30,5° dalam rentang frekuensi dan sudut
penusukan. Parameter frekuensi, sudut datang berkas gelombang, serta parameter
karakteristik jarum mempengaruhi secara simultan pola spektrum amplitudo
tekanan hamburan akustik pada jarum spinal dengan pola yang tidak linier.
Kombinasi seluruh parameter fisis ini mempengaruhi tekanan hamburan akustik
total yang menjadi dasar pola inkonsistensi visibilitas jarum spinal pada citra
modus-B ultrasonografi.
Selanjutnya, melalui pendekatan eksperimen spektroskopi ultrasonik modus-A,
parameter sinyal hamburan balik (back scattering) dari jarum spinal ukuran 18G,
20G, dan 22G dalam fantom air yang bersifat homogen dan anechoic, dibandingkan
dengan model analitik sebagai referensi standar. Sinyal mentah (raw signal)
Frekuensi Radio (FR) (Radio Frequency/RF) yang terekam pada setiap elemen
transduser diolah menjadi parameter-parameter sinyal yang menjadi parameter
rekonstruksi citra modus-B yang dapat merepresentasikan informasi unik propagasi
balik total jarum yang diterima oleh transduser.
Karakteristik hamburan akustik jarum spinal dengan sudut penusukan presisi pada
rentang 0°–45° (resolusi 5°) dan frekuensi optimal transduser 1,87 MHz dapat
direpresentasikan oleh rancangan sistem evaluator visibilitas jarum dengan metode
spektroskopi ultrasonik modus-A. Parameter sinyal dalam domain frekuensi berupa
Densitas Spektral Daya (DSD) (Power Spectral Density/PSD) maksimum dan
Densitas Spektral Energi (DSE) (Energy Spectral Density/ESD) lebih
merepresentasikan karakteristik hamburan akustik jarum spinal dengan pola
dominan peningkatan visibilitas pada rentang sekitar sudut-sudut kritis 15°–30°,
dibandingkan parameter rekonstruksi standar citra modus-B dalam domain waktu
berupa sinyal deteksi selubung (envelope detected signal). Oleh karena itu, kedua
parameter ini dapat digunakan dalam rekontruksi citra modus-B untuk
meningkatkan kontras jarum sehingga lebih optimal.
Perbedaan antara nilai amplitudo hamburan akustik hasil simulasi numerik dan
parameter sinyal modus-A hasil eksperimen dapat disebabkan oleh ketidakidealan
sistem pengukuran dengan nilai dan asumsi ideal dalam pemodelan dan simulasi,
antara lain pada sumber gelombang ultrasonik, karakteristik akustik medium, dan
pemosisian jarum.
Spektrum amplitudo tekanan hamburan akustik dan parameter sinyal hamburan
akustik modus-A mengonfirmasi bahwa inkonsistensi visibilitas jarum merupakan
pengaruh simultan dari parameter-parameter fisis berupa frekuensi gelombang
ultrasonik, sudut penusukan, dan karakteristik jarum, yang berhubungan dengan
kemunculan modus-modus gelombang resonansi di sekitar sudut-sudut kritis.
Rekonstruksi citra jarum pada citra modus-B ultrasonografi dari sinyal modus-A
dapat ditingkatkan kualitasnya dengan mengekstraksi parameter sinyal dalam
domain frekuensi berupa Densitas Spektral Daya dan Densitas Spektral Energi.