May 27, 2007

Ulasan Teknik QUS untuk Investigasi Tulang: Bagian I

Kata kunci: Quantitative Ultrasound, Broadband Ultrasound Attenuation, Speed of Sound, Ultrasound bone
*Editorial: *Tulisan ini adalah bagian pertama dari dua bagian yang merupakan terjemah bebas (blog version) dari Review on Quantitative Ultrasound Techniques for Bone Investigation _(Manik Hapsara). Artikel ini menjadi milik publik dan dapat digunakan oleh siapa saja secara bertanggung-jawab dan tidak merugikan penulis secara moral dan legal. Akan tetapi, karena _nature-nya yang blog version, harap dimaklumi jika secara linguistik didalam tulisan ini terdapat penggunaan kata-kata yang ambiguous dan non-technical. Korespondensi lebih lanjut, silahkan email: maniqewiq@yahoo.com.

**

Metode penyidikan tulang dengan menggunakan Quantitative Ultrasonography (QUS) baru diperkenalkan sekitar awal tahun 80an [42]. Dibanding awal penggunaan-nya di bidang kedokteran lain, berkisar antara tahun 20an sampai 40an, aplikasi di bidang ini boleh dibilang baru. Semenjak itu, akan tetapi, metode ini telah menarik perhatian banyak ilmuwan karena karakteristik alami ultrasound yang memungkinkan aplikasi-nya relative lebih murah, sederhana, dan kompak dibanding konterpart: _Dual-Energy X-ray Absorptiometry _(DEXA), dan _Quantitative Computed Tomography _(QCT).

Broadband Ultrasound Attenuation (BUA)

Penyidikan tulang menggunakan QUS pada dasarnya mengambil dua parameter penting saat pemindaian: atenuasi dalam unit BUA (Broadband Ultrasound Attenuation, atau nBUA setelah normalisasi dengan tebal obyek ukur), dan kecepatan suara dalam SOS (Speed of Sound). Dari persamaan , BUA didefinisikan sebagai derajat kemiringan dari grafik atenuasi versus frequency . Untuk mendapatkan angka tersebut, dua buah broadband transducers yang biasa digunakan untuk pengukuran through-transmission diposisikan di bagian calcaneal dari tulang. Data pengukuran awal atas atenuasi amplitude dari sinyal dengan air sebagai medium digunakan sebagai referensi bagi data atenuasi dengan medium tulang. Dari keduanya, yang sama-sama merupakan fungsi dari frekuensi, kemudian didapatkan derajat kemiringan dari hasil kalkulasi besar penyusutan yang terjadi. Kebanyakan penelitian atas respon calcaneii terhadap perturbasi ultrasonik dilakukan dalam rentang 200KHz – 1 MHz untuk frekuensi rendah, dan 1 MHz – 2 MHz untuk frekuensi tinggi. Kesepakatan umum di antara para pengguna frekuensi rendah adalah ketergantungan linier atenuasi atas frekuensi [24,56,22].

Sampai saat ini perdebatan tentang model yang paling cocok untuk atenuasi dalam pipa tulang trabecular masih berlangsung. Beberapa teori, seperti Biot’s, Schoenberg’s, dan yang mutakhir adalah teori scattering dari Strelitzki et al [54], telah bermunculan. Biot dalam pemikiran-nya mempertimbangkan pergerakan terpisah antara bingkai padat yang membentuk trabecular, dengan marrow isian yang diinduksi gelombang ultrasonik [7]. Ini berpengaruh pada penjalaran bulk wave sepanjang rentang trabecular, yang pada gilirannya mengalami atenuasi oleh efek penyerapan akibat rugi-rugi viskos pada bagian-bagian antarmuka. Penyederhanaan dilakukan Schoenberg, seperti tersebut dalam Hughes et al [20], dengan asumsi tulang cancellous sebagai tumpukan barmacam lapisan tulang dan marrow. Yang perlu diperhatikan di sini adalah anggapan bahwa marrow fluidik adalah inviscid, akibatnya penyerapan viskos tidak dapat diprediksi. Kedua teori, terutama Biot’s, telah diakui kebasahan-nya walaupun mereka cenderung menghasilkan lebih baik jika digunakan untuk prediksi kecepatan suara daripada atenuasi [16]. Lebih jauh, karena model-model tersebut berdasar pada pergerakan cancellous bulk mass, mereka membuang kemungkinan atenuasi akibat scattering, yang justru menjadi perhatian dalam teori-teori Nicholson dan Strelitzki [41,54]. Yang terakhir inilah yang disebut sebagai model Strelitzki [54] yang berbasis pada perubahan kecepatan dalam kombinasi media marrow fat dan cortical matrix.

Mengaitkan BUA dengan Bone Mineral Density (BMD) in vitro telah menjadi studi extensif selama bertahun-tahun oleh banyak peneliti. Data BMD biasanya diperoleh dari hasil pengukuran DEXA. Beberapa penelitian menunjukkan korelasi yang signifikan antara keduanya mencapai angka r = 0.85 dalam McCloskey et al [30] dan r = 0.83 dalam McKelvie et al [31], sebagaimana dilaporkan Langton and Njeh [23]. Hal ini diperkuat dengan hasil-hasil lain yang juga menunjukkan kemiripan [22,17,51,11]. Sebagai tambahan, Nicholson et al [38] melaporkan, bahkan, nilai korelasi yang lebih tinggi r = 0.97 untuk sampel tulang punggung manusia diukur dalam arah anterior-posterior. Bagaimanapun hasil-hasil ini tidak mewakili kesepakatan umum atas hubungan BUA-BMD. Penelitian-penilitian lain [57,23] juga melaporkan adanya kemungkinan munculnya ke-tidaklinier-an dari hubungan keduanya terutama untuk wilayah kerapatan tulang yang lebih luas. Argumen yang mendasari adalah bahwa korelasi negatif yang cukup besar juga ditemukan dalam tulang dengan kerapatan tinggi [17,12,4,19,51]. Dengan dukungan data dari pengukuran-pengukuran bermacam material untuk fantom tulang [19,10,53], dapat ditarik garis kesimpulan bahwa fakta-fakta ke-tidaklinier-an dan parabolik tersebut adalah kerakteristik umum dari spongy, fluid-saturated solids (dalam hal ini cancellous) [40]. Dari sini, dapat dilempar argumen bahwa untuk bagian tulang cortical, dimana kerapatan lebih tinggi ketimbang bagian trabeculae, respon yang ditangkap akan memiliki amplitude yang lebih tinggi; dengan kata lain, atenuasi yang lebih rendah. Njeh et al [42] mencantumkan aproksimasi nilai atenuasi 7 dB/MHz/cm untuk bagian tulang cortical dan 10 to 40 dB/MHz/cm untuk cancellous.

Selanjutnya, tidak seperti BMD, kaitan antara atenuasi dengan struktur tulang bisa dikatakan lebih rumit. Studi-studi terakhir [23,57,42] berpendapat bahwa untuk menentukan model relasi BUA-struktur tulang harus diperhatikan satu parameter penting: scattering. Parameter ini berhubungan erat dengan komposisi ruang dari tulang, seperti pori-pori, yang pada digilirannya juga dipresentasikan oleh unit kerapatan. Perbedaan muncul atas dasar penurunan atenuasi pada komposisi-komposisi dengan kerapatan tinggi bukan semata disebabkan porositas rendah, atau ukuran pori yang lebih kecil, akan tetapi juga dipengaruhi oleh perubahan-perubahan karakteristik mekanis dari cairan intraselular-nya [57]. Njeh et al [42] dan Langton and Njeh [23] menyebutkan bahwa ketergantungan QUS terhadap struktur pada umumnya berkaitan dengan studi-studi anisotropik, histomorphometrik, dan analisa sempalan. Dua terakhir belum memberikan kontribusi positif yang signifikan untuk bidang ini, akan tetapi untuk anisotropi, hal ini telah dibuktikan dengan pengukuran kerapatan tulang dalam tiga arah orthogonal: anteroposterior, mediolateral, dan proximodistal. Hasilnya menunjukan pengaruh kuat dari anisotropi bahwa penggunaan gelombang ultrasonik dalam arah yang berbeda-beda mengakibatkan inkonsistensi dari amplitude respon yang ditangkap walaupun semua posisi dan arah memiliki kerapatan identik [42,14,38,61,37,48,18,8].

Speed of Sound

Jika BUA menunjukkan ke-tidaklinier-an dalam hubungan-nya dengan BMD, kecepatan gelombang ultrasonik SOS, sebaliknya, memberikan korelasi linier. Hasil yang mencapai r = 0.94 telah dilaporkan dalam [25,38,44]. SOS biasanya diukur dengan memperhitungkan rasio waktu-tiba dari sinyal atas jarak-tempuh. Cara ini sangat tergantung pada posisi marking dari sinyal yang ditangkap. Beberapa pendekatan diajukan, seperti penggunaan leading-edge [43], first zero-crossing [37,56], zero-crossing dari negatif pertama, dan sebagainya. Hal tersebut dapat menimbulkan efek dispersif jika penempatan marking tidak dilakukan dengan hati-hati [60]. Secara teori SOS bergantung pada frekuensi. Konsekuensinya, perbedaan antara phase-velocity yang datang dari komponen dengan frekuensi single, dengan group-velocity yang menandakan kecepatan tengah pulsa, dan frekuensi sinyal yang memberikan kecepatan muka pulsa harus sangat diperhatikan [35]. Perdebatan atas usulan pendekatan yang paling baik untuk menentukan SOS dan relasi-nya dengan BMD tidak berhenti sampai di sini. Dalam investigasi-investigasi calcaneal, teori Biot’s memegang peranan penting dalam memprediksi keberadaan dari dua gelombang longitudinal: fast-wave untuk trabecular-framework dan marrow yang bergerak satu fasa, dan slow-wave untuk yang berlawanan fasa [26]. Karena SOS dipengaruhi struktur, [23] mengusulkan thesis ke-tidaklinier-an hubungan SOS-BMD berlawanan dengan counterpart-nya yang disebutkan di depan. Kesimpulan ini didukung hasil studi material-material fantom tulang yang mengindikasikan bahwa model kwadratik mungkin lebih baik untuk representasi relasi SOS-BMD dalam jangkah kerapatan yang labih luas [53].

Yang menarik adalah kenyataan bahwa ada lebih banyak studi mengenai perilaku SOS ketimbang mengenai BUA dalam tulang. Observasi dilakukan pada tipe-tipe tulang yang berbeda in vitro, in vivo, maupun in situ; yang kebanyakan merupakan bagian-bagian kerangka seperti: tulang-tulang tibial [29,39,28,27,52,13,9], femoral [28,5,15,6], atau phalangeal [23]; juga fantom tulang [39,32] untuk mensimulasi perilaku dan struktur dari bony dan soft tissues. Dalam rentang frekuensi rendah,, penjalaran gelombang ultrasonik dalam tulang bergantung pada karakteristik-karakteristik anisotropi, elastisitas, porositas, dan geometry-nya, semisal: ketebalan [47].

Bersambung ke bagian-2

Penulis: Manik Hapsara

Klik untuk Bibliografi


PETA RUANG ARTIKEL

Engineering

Ulasan Teknik QUS untuk Investigasi Tulang: Bagian I
Ulasan Teknik QUS untuk Investigasi Tulang: Bagian II
Ulasan Teknik QUS untuk Investigasi Tulang: Bibliografi

Fun Science

Photography


September 2019

Mo Tu We Th Fr Sa Su
Aug |  Today  |
                  1
2 3 4 5 6 7 8
9 10 11 12 13 14 15
16 17 18 19 20 21 22
23 24 25 26 27 28 29
30                  

Search this blog

Galleries

Blog archive

Loading…
RSS2.0 Atom
Not signed in
Sign in

Powered by BlogBuilder
© MMXIX