Aplikasi Konsep Difraksi dalam Bidang Kesehatan

Transkripsi

1 Jurnal Materi dan Pembelajaran Fisika (JMPF) 1 Aplikasi Konsep Difraksi dalam Bidang Kesehatan 1, Mayang Dwinta Trisniarti 2 1,2 Prodi Pendidikan Fisika, FKIP Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia fauziuns@staff.uns.ac.id 1 Abstrak Cahaya adalah media utama untuk menyampaikan dan menerima informasi dari dan menuju benda-benda di seluruh alam semesta secara visual. Teori tentang karakteristik cahaya tidak terlepas dari kajian ilmuwan terdahulu yang menemukan bahwa cahaya memiliki sifat dualisme, yaitu dapat bersifat sebagai partikel dan gelombang. Salah satu karakteristik cahaya sebagai gelombang adalah cahaya dapat dilenturkan. Ciri inilah yang disebut difraksi cahaya. Konsep difraksi cahaya sangat menguntungkan, sehingga dimanfaatkan sebagai aplikasi pada bidang kesehatan, diantaranya adalah LASIK (Laser In Situ Keratomiulisis), optogenetika, dan pengukuran diameter rambut manusia. Pada operasi LASIK, difraksi cahaya digunakan untuk mengukur diameter pupil mata pasien. Pada optogenetika, difraksi cahaya digunakan untuk menyebarkan cahaya pada sel saraf otak untuk penyembuhan pasien dengan penyakit saraf stroke, alzheimer, dan PTSD (post-traumatic stress disorder). Pada pengukuran diameter rambut, difraksi cahaya digunakan untuk mengukur ketebalan rambut yang berguna sebagai sarana deteksi kerontokan rambut dan penyakit genetik manusia seperti kanker dan gejala kebotakan (androgenic alopecia). Kata kunci : difraksi cahaya, LASIK, optogenetika, diameter rambut 1. Pendahuluan Salah satu karakteristik cahaya sebagai gelombang adalah cahaya dapat dilenturkan. Panjang gelombang yang sama atau lebih besar daripada lebar suatu celah akan menyebar ke semua arah ke depan setelah melewati celah. Hal inilah yang disebut dengan difraksi cahaya. Perilaku ini menunjukkan bahwa ketika sebuah gelombang cahaya bidang melewati sebuah bukaan kecil dari halangan yang tidak tembus cahaya maka bukaan tersebut akan bertindak seolah sebagai sumber cahaya titik, dengan gelombang memasuki bagian bayangan di belakang halangan. Fenomena ini, yang dikenal sebagai difraksi, hanya dapat dijelaskan oleh model cahaya sebagai gelombang (Serway dan Jewett, 2010: 159). Salah satu konsep dasar dan klasik mengenai eksperimen difraksi celah tunggal adalah saat gelombang cahaya dengan panjang gelombang tertentu ( ) bergerak melewati suatu bukaan atau celah (d), hasil dari pelenturan atau difraksinya tergantung pada ukuran fisik dari celah tersebut dengan memperhatikan pula panjang gelombang berkas cahaya yang dilenturkan. Umumnya, cahaya bergerak dengan lintasan lurus ke segala arah. Difraksi atau pelenturan cahaya bisa terjadi karena cahaya menumbuk penghalang berupa celah, benda tajam, benda tipis, dan benda-benda lainnya. Hal ini dijelaskan pula karena sifat gelombang saat merambat, dan mengenai penghalang, maka setiap muka gelombangnya akan menjadi sumber titik cahaya yang baru (sekunder) jika penghalangnya betul-betul sempit. Berdasarkan prinsip Huygens, pada proses perambatan gelombang bebas, setiap titik pada suatu muka gelombang akan bertindak sebagai sumber cahaya titik yang baru atau sumber sekunder untuk anak gelombang (wavelet). Oleh karena itu, cahaya dari satu bagian tertentu dapat berinterferensi dengan cahaya dari bagian celah yang lain, dan resultan dari intensitas cahayanya di layar bergantung pada sudut Maka dari itu, saat mengenai celah atau penghalang, cahaya akan mengalami pelenturan seperti ditunjukkan oleh Gambar 1. Gambar 1. Pola Difraksi Gelombang Koheren (Britain Encyclopedia of Physics, 2009: 75)

2 Jurnal Materi dan Pembelajaran Fisika (JMPF) 2 Konsep difraksi cahaya memiliki banyak aplikasi dalam bidang kedokteran dan kesehatan. Pada aplikasi difraksi cahaya dalam bidang kesehatan, banyak digunakan laser sebagai sumber cahaya monokromatis dan koheren. Berkas cahaya yang membawa energi digunakan sebagai media untuk LASIK, optogenetika, dan pengukuran diameter rambut. Energi ionisasi atom laser mengindikasikan energi yang dibutuhkan untuk melepaskan satu elektron dari satu molekul atom. Saat laser sebagai sumber cahaya ditembakkan melalui celah sempit, yang lebar celahnya lebih kecil dibanding panjang gelombang sinar laser, maka akan terjadi difraksi atau pelenturan cahaya. Energi ionisasi yang dibawa oleh paket-paket cahaya (foton) akan dilenturkan pula. Pelenturan inilah yang dapat dijelaskan dengan hukum kekekalan energi. Untuk dapat melewati celah yang ukurannya lebih sempit daripada panjang gelombang, maka berkas sinar akan mengalami pelenturan saat melewati celah. Energi ionisasi yang digunakan sebagai energi gerak berkas cahaya akan menjadi energi pelenturan. Sesuai dengan hukum kekekalan energi bahwa energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan namun bisa berubah wujud (Rossi, 2008: 112). Energi pelenturan ini kemudian menjadi media untuk berbagai terapan kesehatan. Pada LASIK, energi yang dibawa berkas cahaya dapat melakukan mini-operasi untuk memodifikasi kornea mata. Sementara pada optogenetika, energi yang dibawa berkas cahaya dapat menutup dan membuka neuron (Mclroy, 2012: 3-4). 2. Pembahasan Metode penulisan artikel ini dilakukan berdasarkan kajian teori dari berbagai sumber dan referensi yang kredibilitasnya diakui. Penulisan artikel ini murni merupakan hasil sintesis dari berbagai sumber untuk menggeneralisasikan pembahasan mengenai aplikasi difraksi cahaya dalam bidang kesehatan dengan analisis kualitatif. Aplikasi difraksi cahaya pada bidang kjesehatan menitikberatkan pada energi ionisasi yang diperoleh dari proses difraksi cahaya untuk melakukan serangkaian operasi pada bidang kedokteran dan akurasi pada proses pengukuran. Energi ionisasi difraksi cahaya direpresentasikan oleh intensitas difraksi cahaya saat melentur. Intensitas difraksi cahaya dapat diperoleh dari derivatif analisis fasor seperti Gambar 2. Gambar 2. Difraksi Gelombang Datang (Tipler, 1991: 557) Titik-titik pada celah A dan B dapat dipandang sebagai sumber-sumber gelombang sekunder. Jadi pola difraksi celah ini dapat didekati dengan pola interferensi sistem banyak celah sempit. Apabila fungsi gelombang yang berasal dari celah sempit pertama (celah sempit paling atas di titik A) adalah: Misalkan: (1) (2) sehingga di titik P akan terjadi superposisi dari,..., (3) (4) sehingga saat dicari jumlah deretnya dapat digunakan: (5) dengan demikian persamaan 1 berubah menjadi: (6) (7) Misalkan: (N-1) a = b kemudian apabila jumlah pembagian celah sempit sebesar N diperbanyak sehingga menuju tak hingga, maka: sehingga karena nilai sin sangat kecil maka sehingga (8) (9)

3 Jurnal Materi dan Pembelajaran Fisika (JMPF) 3 misalkan dan maka sehingga (10) (11) (12) (13) (14) Dengan superposisi gelombang cahaya di titik P. Amplitudo di titik P ekivalen dengan superposisi gelombangnya yaitu: (15) Maka pola difraksinya dapat diperoleh melalui intensitas gelombang di titik P dengan: (16) Sehingga Karena Maka (17) (18) (19) Intensitas maksimum terjadi bila = 0 dimana sin / 1, sehingga A= A 0. merupakan nilai intensitas maksimum, yaitu pada pusat pola. Sehingga bila 0 maka I R I 0. Intensitas maksimum terjadi di titik O pada sumbu celah. Intensitas minimum terjadi bila m dengan m 1, 2, 3, Dari kedua persamaan di atas diperoleh: b sin m (20) sin m (21) b Intensitas maksimum relatif bila: 2m 1 b sin (22) 2 2m 1 sin (23) 2 b A 2 0 Intensitas difaksi menunjukkan terangnya pola hasil difraksi pada layar. Intensitas cahaya mengindikasikan energi yang dibawa oleh gelombang cahaya. Dengan demikian, pola difraksi makin lama makin redup saat menjauhi pusat pola terang. Berikut akan dibahas aplikasi difraksi cahaya dengan analisis energi dalam bidang kesehatan. LASIK (Laser In Situ Keratomieulisis) Pada operasi LASIK, jenis difraksi cahaya yang diterapkan adalah difraksi Fraunhofer untuk lubang lingkaran (Circular Apperture Fraunhofer Diffraction). Hal ini diterapkan karena pupil merupakan lubang pengatur banyak sedikitnya cahaya yang masuk pada mata dan bentuknya sirkular. Jarak antara sumber cahaya laser dengan lubang pupil cukup jauh (kurang lebih 1 meter) dan operasi dilakukan pada kornea mata. Saat diameter pupil sudah diukur, maka selanjutnya adalah menentukan sebaran pola difraksi (Point Spread Function) yang akan ditangkap oleh mata. Pada langkah ini, kornea mata difungsikan sebagai layar tempat jatuhnya pola difraksi oleh laser. Setelah pola sebaran ditentukan, maka operasi siap dilaksanakan (Feder, 2013: 41). Sebelum melakukan tahap utama, pasien akan diukur diameter pupilnya. Mengingat bahwa pupil adalah bagian mata yang mengatur banyak sedikitnya cahaya yang masuk, maka pupil adalah jalan yang akan dilalui laser untuk dilakukan bedah optik pada mata sesuai cacat matanya, dengan demikian pupil adalah lubang sirkular yang menjadi jalannya difraksi cahaya dari laser. Selanjutnya, pada pasien akan diukur luas penyebaran pola difraksi laser pada kornea mata atau yang disebut Point Spread Function. Bentuk kornea mata akan dimodifikasi agar bulat kembali sehingga jari-jari kelengkungannya normal melalui mikro operasi melalui arahan dokter pada pasien seperti ditunjukkan Gambar 3. Pasien akan diarahkan untuk melihat sumber cahaya berupa laser. Pada operasi LASIK panjang gelombang laser yang digunakan adalah panjang gelombang warna merah ( nm) sehingga energi dan frekuensinya tidak terlalu besar (Sinjab, 2014: ).

4 Jurnal Materi dan Pembelajaran Fisika (JMPF) 4 hilang. Dengan demikian pasien dapat mengingat kejadian periodik yang dilupakannya. Hal ini dilakukan pada pasien stroke dan alzheimer. Pada proses penutupan neuron, cahaya laser yang digunakan berwarna kuning, sehingga sinar kuning akan melewati katup protein ontohalorhodopsin dan merangsang adanya aliran ion Cl -. Ion Cl - akan menutup atau melakukan deaktivasi neuron sehingga pasien dapat melupakan memorinya. Hal ini dilakukan pada pasien penderita PTSD. Proses optogenetika ditunjukkan oleh Gambar 4 (Knopfel, 2012: ). Gambar 3. Operasi LASIK (Andy, 2015: 4) Optogenetika Pada optogenetika, jenis difraksi cahaya yang diterapkan adalah difraksi celah tunggal Fraunhofer. Celah yang dimaksud adalah katup protein. Laser ditembakkan pada jarak kurang lebih 1 meter. Pada optogenetika untuk membuka memori, panjang gelombang yang digunakan adalah panjang gelombang sinar biru. Sedangkan pada penutupan memori, panjang gelombang yang digunakan adalah panjang gelombang sinar kuning. Pada kulit kepala pasien akan disisipi elektrode dan optrode yang berfungsi sebagai pemindah transmisi ion Na + atau Cl - ke penyalur elektron pada neuron. Posisi sinar laser terhadap elektrode harus sejajar. Laser akan diarahkan pada elektrode dengan bantuan serat optik (bukan ruang hampa) sehingga cahaya akan diteruskan atau dibiaskan menuju sel saraf otak dan mengenai celah protein rhodopsin atau ontohalorhodopsin. Pada peristiwa ini berlaku difraksi celah tunggal Fraunhofer. Setelah mengenai celah protein, cahaya akan dilenturkan, sehingga menyebar pada sel saraf otak dan membuat transmisi ion berjalan. Sel saraf otak inilah yang berperan sebagai layar pada proses difraksi cahaya tersebut (Feldbauer, 2015: 20-22). Pada proses pembukaan atau aktivasi neuron, cahaya laser yang digunakan berwarna biru, sehingga sinar biru akan melewati katup protein rhodopsin dan merangsang adanya aliran ion Na +. Ion Na + akan membuka atau mengaktifkan neuron sehingga pasien dapat mengingat memorinya yang hilang. Apabila memori terjebak dalam neuron yang rusak, maka ion Na + akan mentransmisikan memori pada neuron yang masih hidup akan menjadi rumah baru bagi memori pasien yang sempat Gambar 4. Prinsip Kerja Optogenetika (Heggeman, 2013: 121) Pengukuran Ketebalan Rambut Salah satu penggunaan laser yaitu untuk mengukur diameter rambut dengan difraksi cahaya. Penentuan diameter rambut berdasarkan pada pola difraksi Fresnel maksimum orde pertama. Dengan mengukur jarak y maksimum, yaitu jarak antara pusat pita terang utama ke tepi awal dan tepi akhir pita terang orde pertama maksimum. Pengukuran diameter rambut dilakukan dengan menenempatkan sehelai rambut pada slide holder secara vertikal di depan laser seperti ditunjukkan Gambar 5. Nilai diameter rambut dapat diperoleh dari perbandingan antara orde difraksi, panjang gelombang cahaya, jarak rambut ke layar, dengan jarak y maksimumnya. Dengan persamaan: sehingga untuk mencari diameter rambut didapatkan persamaan: dengan d = diameter rambut (m) (25)

5 Jurnal Materi dan Pembelajaran Fisika (JMPF) 5 gelap = sudut antara rumbai/pola gelap dengan garis horizontal ( ) m = orde gelap ke- = panjang gelombang (m) y = jarak rumbai/pola gelap menuju terang pusat (m) L = jarak celah ke layar (m) Pengukuran yang dilakukan juga harus berulang baru kemudian dirata-rata dan dicari ralatnya untuk mendapatkan data diameter rambut yang presisi (Pratiwi, 2014: 45-46). Dengan mengetahui diameter rambut seseorang, maka dapat dihitung tegangan dan regangan rambut. Hal ini berfungsi untuk mengetahui elastisitas rambut seseorang. Untuk mencari tegangan pada rambut dapat menggunakan persamaan: (26) sedangkan untuk mencari regangan pada rambut seseorang dapat menggunakan persamaan: (27) sehingga untuk mencari modulus elastisitas (Young Modulus) rambut seseorang dapat digunakan persamaan: (28) atau (29) (Tipler, 1998: 139) Gambar 5. Proses Pengukuran Diameter Rambut Mengetahui modulus elastisitas rambut berguna untuk memprediksi jumlah kerontokan rambut (hair loss) pada manusia. Lebih lanjutnya hal ini berfungsi untuk diagnosis penyakit yang berhubungan dengan gen, dengan mengingat bahwa rambut adalah salah satu pembawa gen (gene carrier) yang biasanya digunakan untuk mengetahui kode genetik manusia (DNA). Beberapa penyakit yang dapat dideteksi lewat pengukuran diameter dan modulus elastisitas rambut ini adalah kanker dan kebotakan atau androgenetic alopecia (Yang, 2014: 9). 3. Kesimpulan dan Saran Aplikasi konsep difraksi dalam bidang kesehatan ada bermacam-macam. Beberapa di antaranya yang sedang dikembangkan adalah: 1) LASIK menggunakan laser untuk melakukan pengukuran diameter pupil sebelum dilakukan mikro-operasi refraktif pada penderita cacat mata miopi, hipermetropi, dan astigmatisma, 2) Optogenetika adalah metode pengaktifan atau penonaktifan neuron pada otak manusia menggunakan laser sebagai sumber cahaya monokromatis yang didifraksikan agar tersebar menuju neuron yang dikehendaki. Optogenetika sangat bermanfaat pada pasien stroke, Alzheimer, dan PTSD (Post-Traumatic Stress Disorder), dan 3) Pengukuran diameter rambut manusia melalui difraksi cahaya dapat digunakan untuk menganalisis elastisitas rambut, yang arahnya adalah diagnosa penyakit genetik seperti adalah kanker dan kebotakan atau androgenetic alopecia. Daftar Pustaka Serway dan Jewett. (2010). Fisika Jilid 3. Jakarta: Penerbit Salemba Teknika Mcilroy, Anne. (2012). Using Light to Probe The Brain s Self-Repair After a Stroke. Diperoleh tanggal 25 Maret 2016 dari Rossi, Bruno. (2008). Optics. London: Addison- Wesley Publishing Company Incorporation with Massachutes Institute of Technology Tippler, P.A. (1998). Fisika untuk Sains dan Teknik (Diterjemahkan oleh: Bambang Soegijono). Jakarta: Erlangga Feder, Robert S. (2013). The LASIK Handbook: A Case Based Approach. America: LWW Publisher Feldbauer. (2015). Optogenetics. Journal National Academy of Science United States of America Volume 106 No. 22 tanggal 20 Maret 2015 halaman Sinjab, Mazen M. (2014). Five Steps to Start Your Refractive Surgery: A Case Based Systematic Approach. Syria: Jaypee Brothers Medical Publisher Knopfel, Thomas dan Boyden, Edward S. (2012). Optogenetics Volume 196: Tool for Controlling and Monitoring Neural Activity (Progress in Brain Research). English: Elsevier Publisher Pratiwi, Nining Akurasi Pengukuran Diameter Rambut Menggunakan Laser He-He dengan Prinsip Difraksi. Skripsi Tidak

6 Jurnal Materi dan Pembelajaran Fisika (JMPF) 6 Dipublikasikan, Jember, FMIPA Universitas Negeri Jember Yang, Fei-Chi. (2014). The Structure of People Hair. US National Library of Medicine Volume 112 No. 169 tanggal 14 Oktober 2014 halaman 7-9