Bioinformatika adalah bidang keilmuan multidisiplin yang berfokus pada pengembangan metode dan perangkat lunak untuk memahami data biologis, terutama ketika berhadapan dengan kumpulan data yang besar dan rumit. Bidang ini mengintegrasikan prinsip-prinsip dari biologi, kimia, fisika, ilmu komputer, pemrograman komputer, teknik informasi, matematika, dan statistik untuk menganalisis dan menginterpretasikan informasi biologis. Proses analisis dan interpretasi data selanjutnya ini umumnya dikenal sebagai biologi komputasi.

Teknik komputasi, statistik, dan pemrograman komputer digunakan untuk melakukan analisis simulasi komputer terhadap pertanyaan biologis. Teknik-teknik ini melibatkan penggunaan "jalur" analisis spesifik, terutama yang lazim dalam genomik, untuk tugas-tugas seperti identifikasi gen dan deteksi polimorfisme nukleotida tunggal (SNP). Pipeline semacam itu sangat penting dalam meningkatkan pemahaman mengenai dasar-dasar genetik penyakit, adaptasi yang unik, sifat-sifat yang diinginkan (terutama pada spesies pertanian), dan kesenjangan di antara populasi. Bioinformatika juga mencakup proteomik, yang bertujuan untuk menguraikan prinsip-prinsip organisasi yang melekat pada asam nukleat dan sekuens protein.

Pemrosesan gambar dan sinyal memfasilitasi ekstraksi wawasan yang berharga dari sejumlah besar data mentah. Dalam genetika, teknik-teknik ini membantu dalam mengurutkan dan membuat anotasi genom serta mengidentifikasi mutasi. Penambangan teks literatur biologi dan pengembangan ontologi biologi dan gen merupakan bagian dari bioinformatika, membantu dalam pengorganisasian dan pengajuan pertanyaan data biologi. Selain itu, hal ini juga berkontribusi pada analisis ekspresi dan regulasi gen dan protein. Alat bioinformatika memungkinkan perbandingan, analisis, dan interpretasi data genetik dan genom, sehingga berkontribusi pada pemahaman yang lebih dalam tentang aspek evolusi biologi molekuler.

Dalam skala yang lebih luas, bioinformatika membantu analisis dan kategorisasi jalur dan jaringan biologis, komponen penting dalam biologi sistem. Selain itu, bioinformatika juga memfasilitasi simulasi dan pemodelan DNA, RNA, protein, dan interaksi biomolekuler dalam biologi struktural.

Sejarah

Istilah "bioinformatika" pertama kali diciptakan oleh Paulien Hogeweg dan Ben Hesper pada tahun 1970 untuk menggambarkan studi tentang proses informasi dalam sistem kehidupan. Ini memposisikan bioinformatika sebagai bidang yang sebanding dengan biokimia, yang berfokus pada proses kimia dalam sistem biologis.

Bioinformatika dan biologi komputasi muncul sebagai disiplin ilmu yang terutama berkaitan dengan analisis data biologis, khususnya rangkaian DNA, RNA, dan protein. Bidang ini mengalami pertumbuhan yang signifikan mulai pertengahan tahun 1990an, didorong oleh kemajuan seperti Proyek Genom Manusia dan peningkatan dalam teknologi pengurutan DNA.

Untuk mendapatkan wawasan yang bermakna dari data biologis, program perangkat lunak yang memanfaatkan algoritma dari berbagai disiplin ilmu seperti teori grafik, kecerdasan buatan, penambangan data, dan pemrosesan gambar sangatlah penting. Landasan teoritis yang mendasari algoritma ini meliputi matematika diskrit, teori kontrol, teori informasi, dan statistik.

Urutan dari Bioinformatika

Kemajuan signifikan telah dicapai dalam teknologi pengurutan sejak selesainya Proyek Genom Manusia. Laboratorium kini mampu mengurutkan materi genetik dalam jumlah besar dengan biaya dan waktu yang lebih murah dibandingkan sebelumnya. Saat ini, genom lengkap dapat diurutkan dengan biaya $1.000 atau kurang.

Peran penting komputer dalam biologi molekuler menjadi jelas dengan tersedianya rangkaian protein, yang dipelopori oleh Frederick Sanger pada awal tahun 1950an. Perbandingan manual dari beberapa sekuens terbukti tidak praktis, yang mengarah pada pengembangan database sekuens protein oleh pionir seperti Margaret Oakley Dayhoff. Elvin A. Kabat juga memberikan kontribusi signifikan dengan merilis rangkaian antibodi dalam jumlah besar pada tahun 1970-an.

Pada tahun 1970-an, teknik pengurutan DNA diterapkan pada bakteriofag MS2 dan øX174, yang mengarah pada pengungkapan ciri-ciri genetik yang terkenal melalui analisis statistik. Studi-studi ini menunjukkan potensi bioinformatika untuk memberikan wawasan berharga ke dalam sistem biologis.

Tujuan

Bioinformatika telah berevolusi untuk mengatasi analisis dan interpretasi data biologis yang beragam, yang bertujuan untuk memahami bagaimana aktivitas seluler berubah dalam berbagai kondisi penyakit. Hal ini melibatkan pengintegrasian data biologis mentah untuk membentuk pemahaman yang komprehensif, termasuk urutan nukleotida dan asam amino, domain protein, dan struktur.

Sub-disiplin utama dalam bioinformatika dan biologi komputasi mencakup pengembangan program komputer untuk mengakses, mengelola, dan memanfaatkan berbagai jenis informasi secara efisien, serta menciptakan algoritma matematika baru dan ukuran statistik untuk menilai hubungan dalam kumpulan data besar. Contohnya termasuk prediksi gen, prediksi struktur/fungsi protein, dan pengelompokan urutan protein.

Tujuan utama bioinformatika adalah untuk meningkatkan pemahaman proses biologis melalui teknik komputasi intensif, seperti pengenalan pola, penambangan data, pembelajaran mesin, dan visualisasi. Bidang penelitian utama meliputi penyelarasan urutan, perakitan genom, desain obat, prediksi struktur protein, dan pemodelan ekspresi dan interaksi gen.

Bioinformatika melibatkan pembuatan database, algoritma, komputasi, dan teknik statistik untuk mengatasi tantangan formal dan praktis yang timbul dari pengelolaan dan analisis data biologis. Kemajuan dalam penelitian genomik dan molekuler, ditambah dengan teknologi informasi, telah menghasilkan data dalam jumlah besar, mendorong pengembangan pendekatan matematika dan komputasi untuk menguraikan proses biologis.

Aktivitas bioinformatika yang umum mencakup pemetaan dan analisis rangkaian DNA/protein, menyelaraskan rangkaian untuk perbandingan, dan membuat/melihat model struktur protein 3-D.

Analisis Sequence

Sejak pengurutan bakteriofag Phage Φ-X174 pada tahun 1977, sejumlah besar rangkaian DNA organisme telah diterjemahkan dan diarsipkan dalam database. Urutan ini diteliti untuk mengidentifikasi gen yang bertanggung jawab untuk mengkode protein, gen RNA, urutan pengatur, motif struktural, dan urutan berulang. Membandingkan gen di dalam atau antar spesies dapat mengungkap kesamaan fungsi protein atau hubungan antar spesies, sehingga membantu pembangunan pohon filogenetik menggunakan sistematika molekuler. Karena banyaknya data, analisis manual terhadap urutan DNA menjadi tidak praktis sejak lama. Akibatnya, program komputer seperti BLAST secara rutin digunakan untuk mencari secara berurutan, mengakses data dari lebih dari 260.000 organisme yang mengandung lebih dari 190 miliar nukleotida pada tahun 2008.

Analisis Ekspresi Gen

Analisis ekspresi gen melibatkan penentuan tingkat aktivitas berbagai gen, yang sering kali diukur dengan tingkat mRNA. Teknik seperti microarray, pengurutan tag sekuens cDNA yang diekspresikan, dan RNA-Seq biasanya digunakan untuk tujuan ini. Namun, metode-metode ini rentan terhadap kebisingan dan bias, sehingga memerlukan pengembangan alat statistik untuk mengekstrak sinyal yang bermakna dari data throughput tinggi.

Analisis Ekspresi Protein

Analisis ekspresi protein menggunakan microarray protein dan spektrometri massa throughput tinggi untuk mengidentifikasi protein yang ada dalam sampel biologis. Serupa dengan analisis ekspresi gen, metode ini menghadapi tantangan seperti noise dan kompleksitas statistik dalam analisis data.

Analisis Regulasi

Regulasi gen adalah proses multifaset yang dipengaruhi oleh berbagai faktor, termasuk sinyal ekstraseluler dan elemen genom. Alat bioinformatika membantu dalam mempelajari daerah promotor dan elemen penambah untuk memahami peran mereka dalam mengatur ekspresi gen. Data ekspresi digunakan untuk menyimpulkan pola regulasi gen, yang sering kali menggunakan algoritme pengelompokan untuk mengidentifikasi gen yang diekspresikan bersama dan elemen regulasi.

Analisis Organisasi Seluler

Berbagai metode telah dikembangkan untuk memeriksa distribusi spasial organel, gen, protein, dan komponen seluler lainnya. Sistem klasifikasi yang disebut ontologi gen, khususnya kategori komponen seluler, telah dibuat untuk mendokumentasikan lokalisasi subseluler di seluruh basis data biologis.

Mikroskopi dan Analisis Gambar:

Pencitraan mikroskopis memungkinkan visualisasi organel dan molekul di dalam sel, membantu dalam identifikasi kelainan yang terkait dengan penyakit.

Lokalisasi Protein

Menentukan lokasi protein membantu memprediksi fungsinya. Proses ini, yang dikenal sebagai prediksi fungsi protein, bergantung pada identifikasi lokalisasi subseluler protein. Sebagai contoh, protein yang ditemukan dalam nukleus mungkin terlibat dalam regulasi gen, sementara protein yang berada dalam mitokondria mungkin berperan dalam respirasi sel. Sumber daya seperti basis data lokasi subseluler protein dan alat prediksi memfasilitasi analisis ini.

Organisasi Kromatin Nuklir

Eksperimen penangkapan konformasi kromosom dengan kecepatan tinggi, seperti Hi-C dan ChIA-PET, memberikan wawasan tentang struktur tiga dimensi dan organisasi kromatin di dalam nukleus. Tantangan bioinformatika di bidang ini meliputi penggambaran domain genom, seperti Topologically Associating Domains (TAD), yang secara spasial terorganisir di dalam nukleus.

Bioinformatika Struktural

Memahami struktur protein adalah aspek penting dalam bioinformatika, dengan inisiatif seperti Penilaian Kritis Prediksi Struktur Protein (CASP) yang memfasilitasi kompetisi global untuk mengevaluasi model protein yang diajukan oleh kelompok penelitian.

Urutan Asam Amino:

Urutan linier asam amino dalam suatu protein, yang dikenal sebagai struktur primernya, mudah diturunkan dari urutan gen DNA yang sesuai. Meskipun struktur primer biasanya menentukan struktur 3D protein, terdapat pengecualian, seperti protein yang salah lipatan dalam kondisi seperti ensefalopati spongiform sapi. Detail struktural tambahan mencakup struktur sekunder, tersier, dan kuaterner, dengan prediksi fungsi protein masih menjadi masalah yang menantang.

Homologi:

Baik dalam bioinformatika genomik dan struktural, homologi memainkan peran kunci. Dalam analisis genom, ini membantu memprediksi fungsi gen berdasarkan kesamaan antar urutan gen. Dalam bioinformatika struktural, ini membantu mengidentifikasi daerah kritis untuk pembentukan struktur dan interaksi protein, seringkali melalui pemodelan homologi menggunakan struktur protein yang diketahui.

Biologi Jaringan dan Sistem

Analisis jaringan mengeksplorasi hubungan dalam jaringan biologis, mengintegrasikan beragam tipe data seperti gen, protein, dan molekul kecil. Biologi sistem menggunakan simulasi komputer untuk menganalisis dan memvisualisasikan proses seluler yang kompleks, termasuk jaringan metabolisme, jalur transduksi sinyal, dan jaringan pengatur gen. Kehidupan buatan dan simulasi evolusi virtual mencari wawasan tentang proses evolusi.

Informatika Keanekaragaman Hayati

Bidang ini berkaitan dengan pengumpulan dan analisis data keanekaragaman hayati, termasuk database taksonomi dan data mikrobioma. Metode analisis berkisar dari filogenetik hingga alat identifikasi spesies, dengan fokus yang semakin besar pada ekologi makro untuk memahami hubungan keanekaragaman hayati dengan ekologi dan dampak terhadap manusia, seperti perubahan iklim.

Disadur dari: en.wikipedia.org

Biomekanika, sebuah cabang biofisika, meneliti aspek mekanis dari sistem biologis, menganalisis struktur, fungsi, dan gerakannya di berbagai tingkatan, dari seluruh organisme hingga sel dan organel sel. Ilmu ini menggunakan prinsip-prinsip mekanika untuk menyelidiki fenomena biologis.

Di zaman sekarang, mekanika komputasi melampaui mekanika tradisional, yang mencakup berbagai fenomena fisik termasuk kimia, perpindahan panas dan massa, serta rangsangan listrik dan magnet.

Istilah "biomekanika," yang diciptakan pada tahun 1899, berasal dari kata Yunani "bios" yang berarti "hidup" dan "mēchanikē" yang berarti "mekanika," yang mencerminkan fokusnya pada pemahaman prinsip-prinsip mekanis yang mendasari pergerakan dan struktur organisme hidup.

Subbidang Biomekanik

• Mekanika Biofluida

Mekanika biofluida menyelidiki aliran cairan gas dan cair dalam organisme biologis. Contoh yang menonjol adalah studi tentang aliran darah dalam sistem kardiovaskular manusia, yang sering kali dimodelkan menggunakan persamaan matematika seperti persamaan Navier – Stokes. Pada tingkat mikroskopis, sel darah merah secara signifikan mempengaruhi dinamika cairan, mengubah asumsi tentang darah sebagai cairan yang tidak dapat dimampatkan. Bidang studi lainnya melibatkan respirasi manusia dan penerapannya dalam merancang perangkat mikrofluida.

• Biotribologi

Bidang ini berfokus pada studi tentang gesekan, keausan, dan pelumasan dalam sistem biologis, khususnya pada persendian manusia seperti pinggul dan lutut. Ini melibatkan analisis mekanika kontak dan tribologi, termasuk kerusakan bawah permukaan akibat interaksi permukaan selama gerakan, yang relevan dalam evaluasi tulang rawan yang direkayasa jaringan.

• Biomekanik Komparatif

Biomekanik komparatif menerapkan prinsip-prinsip biomekanik pada organisme non-manusia untuk mendapatkan wawasan tentang anatomi dan fungsi manusia atau untuk memahami adaptasi dan peran ekologi organisme lain. Ini mencakup studi tentang penggerak, makan, dan adaptasi hewan, sering kali menghubungkan dengan ekologi, neurobiologi, dan paleontologi.

• Biomekanik Komputasi

Bidang ini menggunakan alat komputasi teknik, seperti analisis elemen hingga, untuk mempelajari mekanisme sistem biologis. Model komputasi dan simulasi membantu dalam memprediksi hubungan antara parameter yang sulit diuji secara eksperimental dan digunakan dalam simulasi bedah untuk perencanaan, bantuan, dan pelatihan.

• Biomekanik Kontinum

Biomekanik kontinum melibatkan analisis biomaterial dan biofluida menggunakan konsep dari mekanika kontinum. Ini mempertimbangkan struktur hierarki biomaterial dan mengklasifikasikannya menjadi jaringan keras dan lunak, menganalisis perilaku mekanisnya dari tingkat molekuler hingga jaringan.

• Neuromekanik

Neuromekanik mempelajari bagaimana otak dan sistem saraf berinteraksi untuk mengontrol gerakan tubuh. Ini menyelidiki tugas motorik, adaptasi motorik, dan mekanisme pembelajaran menggunakan alat penangkapan gerak yang dikombinasikan dengan rekaman saraf.

• Biomekanik Tumbuhan

Subbidang ini menerapkan prinsip biomekanik untuk mempelajari tumbuhan, organ, dan selnya. Mulai dari memahami ketahanan tanaman terhadap tekanan lingkungan hingga mengeksplorasi perkembangan dan morfogenesis pada skala sel dan jaringan.

• Biomekanik Olahraga

Biomekanik olahraga menerapkan prinsip mekanis untuk menganalisis pergerakan manusia dalam olahraga. Hal ini bertujuan untuk meningkatkan kinerja atletik, mencegah cedera, dan mengoptimalkan teknik menggunakan metode dari teknik mesin dan listrik, ilmu komputer, dan analisis gaya berjalan.

• Biomekanik Vaskular

Biomekanik vaskular berfokus pada deskripsi perilaku mekanis jaringan pembuluh darah, yang penting dalam memahami penyakit kardiovaskular. Ini melibatkan mempelajari geometri kompleks, kondisi beban, dan sifat material jaringan pembuluh darah, mengingat sifat dinamisnya yang dipengaruhi oleh faktor fisiologis dan lingkungan.

Subbidang Biomekanik Terapan Lainnya Termasuk

• Alometri
• Penggerak hewan & analisis gaya berjalan
• Biotribologi
• Mekanika biofluida
• Biomekanik kardiovaskular
• Biomekanik komparatif
• Biomekanik komputasi
• Ergonomi
• Biomekanik Forensik
• Rekayasa faktor manusia & biomekanik kerja
• Biomekanik cedera
• Implan (pengobatan), Ortotik & Prostesis
• Kinestetik
• Kinesiologi (kinetika + fisiologi)
• Biomekanik muskuloskeletal & ortopedi
• Rehabilitasi
• Dinamika tubuh yang lembut
• Biomekanik olahraga

Sejarah Singkat

Pada zaman kuno, Aristoteles, murid Plato, sering dianggap sebagai tokoh biomekanik paling awal karena studinya di bidang anatomi hewan. Dia menulis "De Motu Animalium" atau "On the Movement of Animals," yang mengeksplorasi aspek mekanis tubuh hewan. Aristoteles memandang tubuh hewan sebagai sistem mekanis dan mendalami pertanyaan fisiologis, seperti perbedaan antara membayangkan dan melakukan tindakan. Selain itu, dalam "On the Parts of Animals", ia secara akurat menggambarkan mekanisme gerak peristaltik di ureter untuk pengangkutan urin dari ginjal ke kandung kemih.

Kekaisaran Romawi menyaksikan pergeseran ke arah pencarian teknologi dibandingkan pencarian filosofis, yang mengarah pada munculnya tokoh penting berikutnya dalam bidang biomekanik, Galen (129 M-210 M). Galen, seorang dokter yang melayani Marcus Aurelius, menulis "On the Function of the Parts," sebuah karya penting tentang anatomi manusia yang menjadi teks medis standar untuk 1.400 tahun berikutnya.

 Aplikasi

Biomekanik mencakup studi spektrum luas, mulai dari mekanisme seluler hingga pergerakan dan pertumbuhan anggota tubuh, serta sifat mekanik jaringan lunak dan tulang. Penelitian di bidang biomekanik mencakup berbagai bidang, termasuk menyelidiki gaya yang bekerja pada anggota tubuh, mempelajari aerodinamika penerbangan burung dan serangga, mengeksplorasi hidrodinamika ikan yang berenang, dan memeriksa pergerakan berbagai bentuk kehidupan, dari sel hingga seluruh organisme. Seiring dengan meningkatnya pemahaman kita tentang perilaku fisiologis jaringan hidup, biomekanik berkontribusi terhadap kemajuan dalam rekayasa jaringan dan pengembangan perawatan yang ditingkatkan untuk berbagai kondisi seperti kanker.

Dalam bidang sistem muskuloskeletal manusia, biomekanik memainkan peran penting. Penelitian di bidang ini menggunakan alat seperti platform gaya untuk menganalisis gaya reaksi tanah pada manusia dan videografi inframerah untuk melacak lintasan penanda yang menempel pada tubuh, sehingga memungkinkan studi tentang gerakan tiga dimensi manusia. Selain itu, elektromiografi digunakan untuk menyelidiki aktivasi otot dan respons terhadap kekuatan dan gangguan eksternal.

Selain itu, biomekanik dapat diterapkan secara luas dalam industri ortopedi, khususnya dalam desain implan ortopedi untuk sendi manusia, komponen gigi, fiksasi eksternal, dan tujuan medis lainnya. Biotribologi, sebuah aspek penting dari biomekanik ortopedi, berfokus pada penilaian kinerja dan fungsionalitas biomaterial yang digunakan dalam implan ini. Hal ini memainkan peran penting dalam meningkatkan desain dan produksi biomaterial yang sukses untuk aplikasi medis dan klinis, seperti tulang rawan yang direkayasa jaringan. Diskusi mengenai dampak pembebanan dinamis pada sambungan juga dibahas secara luas dalam penelitian biomekanik.

Disadur dari: en.wikipedia.org

Biomaterial, juga dikenal sebagai bahan hayati, merujuk pada substansi yang telah dihasilkan atau dirancang untuk berinteraksi dengan sistem biologis, baik untuk tujuan medis seperti terapi (pengobatan, perbaikan, penggantian fungsi jaringan tubuh) maupun untuk tujuan diagnostik. Sebagai disiplin ilmu, biomaterial telah ada sekitar lima puluh tahun, dan bidang studi yang berkaitan dengan biomaterial dikenal sebagai ilmu biomaterial atau rekayasa biomaterial. Selama sejarahnya, ilmu biomaterial telah mengalami pertumbuhan yang stabil dan signifikan, dengan banyak perusahaan mengalokasikan sumber daya yang besar untuk pengembangan produk baru. Studi biomaterial melibatkan unsur-unsur dari berbagai bidang seperti kedokteran, biologi, kimia, teknik jaringan tubuh, dan ilmu material.

Penting untuk memahami perbedaan antara biomaterial dan bahan biologis seperti tulang, yang dihasilkan oleh sistem biologis. Selain itu, penting juga untuk memperhatikan bahwa definisi biomaterial mencakup aspek biokompatibilitas, karena kecocokannya dalam aplikasi tertentu bisa bervariasi. Sebuah biomaterial yang biokompatibel untuk satu aplikasi mungkin tidak sesuai untuk aplikasi lainnya.

Ikhtisar Biomaterial

Biomaterial dapat berasal dari sumber alami atau disintesis di laboratorium menggunakan berbagai teknik kimia yang melibatkan komponen seperti logam, polimer, keramik, atau material komposit. Biasanya, biomaterial ini digunakan atau dimodifikasi untuk aplikasi medis, sehingga mencakup struktur hidup atau perangkat biomedis yang dapat melakukan, menambah, atau menggantikan fungsi organ alami sebagian atau sepenuhnya.

Fungsi biomaterial bisa bersifat pasif, seperti dalam penggunaan katup jantung, atau memiliki sifat bioaktif yang lebih interaktif, seperti pada implan pinggul yang dilapisi hidroksiapatit. Selain itu, biomaterial juga berperan penting dalam aplikasi sehari-hari seperti dalam kedokteran gigi, prosedur bedah, dan pengobatan. Sebagai contoh, alat medis yang mengandung produk farmasi dapat ditempatkan di dalam tubuh untuk memberikan pelepasan obat secara bertahap. Selain itu, biomaterial juga dapat berupa jaringan autograf, allograf, atau xenograf yang digunakan sebagai bahan untuk transplantasi.

Aktivitas Biologis 

Kemampuan biomaterial yang telah dirancang untuk menstimulasi respons fisiologis yang mendukung kinerja dan fungsi biomaterial dikenal sebagai aktivitas biologis. Istilah ini paling sering digunakan dalam konteks gelas bioaktif dan keramik bioaktif, yang merujuk pada kemampuan bahan tersebut untuk berinteraksi secara efektif dengan jaringan sekitarnya, baik untuk mendukung pertumbuhan tulang (osseokonduktif) maupun merangsang pembentukan tulang baru (osseoproduktif).

Biasanya, biomaterial untuk implan tulang dirancang agar merangsang pertumbuhan tulang sambil secara bertahap terurai oleh cairan tubuh sekitarnya. Karena itu, penting untuk memiliki biokompatibilitas yang baik, kekuatan yang memadai, dan laju pelarutan yang optimal. Evaluasi umumnya dilakukan dengan mengukur tingkat biomineralisasi di permukaan biomaterial, yang mencerminkan pembentukan lapisan hidroksiapatit sebagai indikator interaksi yang berhasil dengan jaringan biologis.

Self-assembly mengacu pada pengelompokan partikel secara spontan seperti atom, molekul, koloid, dan misel, tanpa pengaruh eksternal. Partikel-partikel ini membentuk susunan yang besar dan stabil secara termodinamika dengan struktur yang terdefinisi dengan baik, menyerupai sistem kristal yang terlihat dalam metalurgi dan mineralogi. Perakitan sendiri molekuler lazim terjadi dalam sistem biologis, membentuk struktur kompleks yang menginspirasi pengembangan biomaterial dengan sifat mekanik yang unggul. Fenomena ini semakin banyak digunakan dalam sintesis kimia dan nanoteknologi. Contohnya termasuk kristal molekuler, kristal cair, koloid, misel, dan monolayer yang dirakit sendiri, semuanya menunjukkan struktur yang sangat teratur melalui pengorganisasian diri.

Self-assembly (Perakitan sendiri)

Perakitan mandiri mengacu pada pengelompokan partikel secara spontan seperti atom, molekul, koloid, dan misel, tanpa pengaruh eksternal. Partikel-partikel ini membentuk susunan yang besar dan stabil secara termodinamika dengan struktur yang terdefinisi dengan baik, menyerupai sistem kristal yang terlihat dalam metalurgi dan mineralogi. Perakitan mandiri molekul lazim dalam sistem biologis, membentuk struktur kompleks yang menginspirasi pengembangan biomaterial dengan sifat mekanik unggul. Fenomena ini semakin banyak dimanfaatkan dalam sintesis kimia dan nanoteknologi. Contohnya termasuk kristal molekuler, kristal cair, koloid, misel, dan lapisan tunggal yang tersusun sendiri, semuanya menunjukkan struktur yang sangat teratur melalui pengorganisasian mandiri.

Structural Hierarchy

Hampir semua bahan dapat dilihat sebagai terstruktur secara hierarkis, karena perubahan skala spasial membawa mekanisme deformasi dan kerusakan yang berbeda. Namun, pada bahan biologis, organisasi hierarkis ini melekat pada struktur mikro. Salah satu contoh pertama dari hal ini, dalam sejarah biologi struktural, adalah pekerjaan hamburan sinar-X awal pada struktur hirarkis rambut dan wol oleh Astbury dan Woods. Pada tulang, misalnya, kolagen adalah blok bangunan dari matriks organik, triple helix dengan diameter 1,5 nm. Molekul tropokolagen ini disisipkan dengan fase mineral (hidroksiapatit, kalsium fosfat) membentuk fibril yang menggulung menjadi heliks dengan arah yang bergantian. “Osteon” ini adalah blok bangunan dasar tulang, dengan distribusi fraksi volume antara fase organik dan mineral sekitar 60/40. Pada tingkat kompleksitas yang lain, kristal hidroksiapatit adalah trombosit mineral yang memiliki diameter sekitar 70 hingga 100 nm dan ketebalan 1 nm. Mereka awalnya berinti pada celah di antara fibril kolagen.

Demikian pula, hierarki cangkang abalon dimulai pada tingkat nano, dengan lapisan organik yang memiliki ketebalan 20 hingga 30 nm. Lapisan ini dilanjutkan dengan kristal tunggal aragonit (polimorf CaCO3) yang terdiri dari “batu bata” dengan dimensi 0,5 dan diakhiri dengan lapisan sekitar 0,3 mm (mesostruktur). Kepiting adalah arthropoda, yang karapasnya terbuat dari komponen keras termineralisasi (menunjukkan patahan rapuh) dan komponen organik yang lebih lembut yang sebagian besar terdiri dari kitin. Komponen rapuh tersusun dalam pola heliks. Masing-masing “batang” mineral ini (diameter 1 μm) mengandung fibril protein-kitin dengan diameter sekitar 60 nm. Fibril ini terbuat dari kanal berdiameter 3 nm yang menghubungkan bagian dalam dan luar cangkang.
 

Disadur dari: en.wikipedia.org

Teknik biomedis (BME) atau teknik medis adalah penerapan prinsip-prinsip teknik dan konsep desain pada kedokteran dan biologi untuk aplikasi perawatan kesehatan (misalnya, tujuan diagnostik atau terapeutik). BME juga merupakan ilmu pengetahuan tradisional yang logis untuk memajukan perawatan kesehatan, termasuk diagnosis, pemantauan, dan terapi. Yang juga termasuk dalam ruang lingkup insinyur biomedis adalah pengelolaan peralatan medis saat ini di rumah sakit dengan tetap mematuhi standar industri yang relevan. Hal ini mencakup pengadaan, pengujian rutin, pemeliharaan preventif, dan membuat rekomendasi peralatan, peran yang juga dikenal sebagai Teknisi Peralatan Biomedis (BMET) atau sebagai insinyur klinis.

Teknik biomedis baru-baru ini muncul sebagai bidang studi tersendiri, dibandingkan dengan banyak bidang teknik lainnya. Evolusi seperti itu biasa terjadi ketika bidang baru bertransisi dari spesialisasi interdisipliner di antara bidang-bidang yang sudah mapan menjadi bidang yang berdiri sendiri. Sebagian besar pekerjaan di bidang teknik biomedis terdiri dari penelitian dan pengembangan, yang mencakup beragam subbidang (lihat di bawah). Aplikasi teknik biomedis yang menonjol meliputi pengembangan prostesis biokompatibel, berbagai perangkat medis diagnostik dan terapeutik mulai dari peralatan klinis hingga implan mikro, teknologi pencitraan seperti MRI dan EKG/EKG, pertumbuhan jaringan regeneratif, dan pengembangan obat-obatan farmasi termasuk biofarmasi.

Subbidang dan Bidang Terkait

• Bioinformatika

Bioinformatika adalah bidang interdisipliner yang mengembangkan metode dan perangkat lunak untuk memahami data biologis. Sebagai bidang ilmu interdisipliner, bioinformatika menggabungkan ilmu komputer, statistik, matematika, dan teknik untuk menganalisis dan menginterpretasikan data biologis.

Bioinformatika dianggap sebagai istilah umum untuk badan studi biologi yang menggunakan pemrograman komputer sebagai bagian dari metodologi mereka, serta referensi untuk "jalur pipa" analisis tertentu yang berulang kali digunakan, terutama di bidang genomik. Penggunaan bioinformatika yang umum meliputi identifikasi kandidat gen dan nukleotida (SNP). Seringkali, identifikasi tersebut dilakukan dengan tujuan untuk lebih memahami dasar genetik penyakit, adaptasi unik, sifat yang diinginkan (terutama pada spesies pertanian), atau perbedaan antar populasi. Dengan cara yang tidak terlalu formal, bioinformatika juga mencoba memahami prinsip-prinsip organisasi dalam asam nukleat dan sekuens protein.

• Biomekanika

Biomekanika adalah studi tentang struktur dan fungsi aspek mekanik sistem biologis, pada tingkat apa pun dari seluruh organisme hingga organ, sel, dan organel sel, dengan menggunakan metode mekanika.

• Biomaterial

Biomaterial adalah materi, permukaan, atau konstruksi apa pun yang berinteraksi dengan sistem hidup. Sebagai sebuah ilmu pengetahuan, biomaterial telah berusia sekitar lima puluh tahun. Studi tentang biomaterial disebut ilmu biomaterial atau teknik biomaterial. Ilmu ini telah mengalami pertumbuhan yang stabil dan kuat sepanjang sejarahnya, dengan banyak perusahaan yang menginvestasikan sejumlah besar uang untuk pengembangan produk baru. Ilmu biomaterial mencakup elemen-elemen kedokteran, biologi, kimia, rekayasa jaringan dan ilmu material.

• Optik Biomedis

Optik biomedis menggabungkan prinsip-prinsip fisika, teknik, dan biologi untuk mempelajari interaksi jaringan biologis dan cahaya, serta bagaimana hal ini dapat dieksploitasi untuk penginderaan, pencitraan, dan pengobatan. Bidang ini memiliki berbagai macam aplikasi, termasuk pencitraan optik, mikroskopi, oftalmoskopi, spektroskopi, dan terapi. Contoh teknik dan teknologi optik biomedis termasuk tomografi koherensi optik (OCT), mikroskop fluoresensi, mikroskop confocal, dan terapi fotodinamik (PDT). OCT, misalnya, menggunakan cahaya untuk membuat gambar tiga dimensi beresolusi tinggi dari struktur internal, seperti retina mata atau arteri koroner di jantung. Mikroskopi fluoresensi melibatkan pelabelan molekul tertentu dengan pewarna fluoresen dan memvisualisasikannya menggunakan cahaya, sehingga memberikan wawasan tentang proses biologis dan mekanisme penyakit. Baru-baru ini, optik adaptif membantu pencitraan dengan mengoreksi aberasi pada jaringan biologis, sehingga memungkinkan pencitraan dengan resolusi yang lebih tinggi dan akurasi yang lebih baik dalam prosedur seperti bedah laser dan pencitraan retina.

• Rekayasa Jaringan

Rekayasa jaringan, seperti halnya rekayasa genetika (lihat di bawah), merupakan segmen utama dari bioteknologi - yang secara signifikan tumpang tindih dengan BME. Salah satu tujuan dari rekayasa jaringan adalah menciptakan organ buatan (melalui bahan biologis) untuk pasien yang membutuhkan transplantasi organ. Para insinyur biomedis saat ini sedang meneliti metode untuk menciptakan organ tersebut. Para peneliti telah menumbuhkan tulang rahang dan trakea yang kokoh dari sel punca manusia untuk tujuan ini. Beberapa kantung kemih buatan telah ditumbuhkan di laboratorium dan berhasil ditransplantasikan ke pasien manusia. Organ bioartifisial, yang menggunakan komponen sintetis dan biologis, juga merupakan area fokus dalam penelitian, seperti perangkat bantuan hati yang menggunakan sel hati dalam konstruksi bioreaktor buatan.

Rekayasa Genetika

Rekayasa genetika, teknologi DNA rekombinan, modifikasi/manipulasi genetik (GM), dan penyambungan gen adalah istilah-istilah yang digunakan untuk memanipulasi gen organisme secara langsung. Tidak seperti pemuliaan tradisional, sebuah metode manipulasi genetik tidak langsung, rekayasa genetik menggunakan alat modern seperti kloning molekuler dan transformasi untuk secara langsung mengubah struktur dan karakteristik gen target. Teknik rekayasa genetika telah berhasil dalam berbagai aplikasi. Beberapa contohnya termasuk peningkatan teknologi tanaman (bukan aplikasi medis, tetapi lihat rekayasa sistem biologis), pembuatan insulin manusia sintetis melalui penggunaan bakteri yang dimodifikasi, pembuatan eritropoietin dalam sel ovarium hamster, dan produksi jenis tikus percobaan baru seperti oncomouse (tikus kanker) untuk penelitian.

• Rekayasa Saraf

Rekayasa saraf (juga dikenal sebagai neuroengineering) adalah disiplin ilmu yang menggunakan teknik rekayasa untuk memahami, memperbaiki, mengganti, atau meningkatkan sistem saraf. Insinyur saraf memiliki kualifikasi unik untuk memecahkan masalah desain pada antarmuka jaringan saraf hidup dan konstruksi tak hidup.

• Teknik Farmasi

Teknik farmasi adalah ilmu interdisipliner yang mencakup rekayasa obat, pengiriman dan penargetan obat baru, teknologi farmasi, operasi unit Teknik Kimia, dan Analisis Farmasi. Teknik farmasi dapat dianggap sebagai bagian dari farmasi karena fokusnya pada penggunaan teknologi pada bahan kimia dalam memberikan pengobatan yang lebih baik.

Teknik Klinis

Teknik klinis adalah cabang dari teknik biomedis yang berhubungan dengan implementasi peralatan dan teknologi medis di rumah sakit atau pengaturan klinis lainnya. Peran utama insinyur klinis termasuk melatih dan mengawasi teknisi peralatan biomedis (BMET), memilih produk/layanan teknologi dan secara logistik mengelola implementasinya, bekerja sama dengan regulator pemerintah dalam hal inspeksi/audit, dan melayani sebagai konsultan teknologi untuk staf rumah sakit lainnya (mis. dokter, administrator, TI, dll.). Insinyur klinis juga memberikan saran dan berkolaborasi dengan produsen perangkat medis mengenai perbaikan desain prospektif berdasarkan pengalaman klinis, serta memantau perkembangan teknologi terkini untuk mengarahkan pola pengadaan yang sesuai.

Rekayasa Rehabilitasi

Rekayasa rehabilitasi adalah aplikasi sistematis dari ilmu teknik untuk merancang, mengembangkan, mengadaptasi, menguji, mengevaluasi, menerapkan, dan mendistribusikan solusi teknologi untuk masalah yang dihadapi oleh individu dengan disabilitas. Area fungsional yang ditangani melalui teknik rehabilitasi dapat mencakup mobilitas, komunikasi, pendengaran, penglihatan, dan kognisi, serta aktivitas yang terkait dengan pekerjaan, hidup mandiri, pendidikan, dan integrasi ke dalam masyarakat.

Meskipun beberapa insinyur rehabilitasi memiliki gelar master dalam bidang teknik rehabilitasi, biasanya merupakan subspesialisasi dari teknik Biomedis, sebagian besar insinyur rehabilitasi memiliki gelar sarjana atau pascasarjana di bidang teknik biomedis, teknik mesin, atau teknik elektro. Sebuah universitas di Portugal menyediakan gelar sarjana dan gelar master di bidang Teknik Rehabilitasi dan Aksesibilitas. Kualifikasi untuk menjadi Insinyur Rehabilitasi di Inggris dapat diperoleh melalui program gelar BSc Honours Degree di Universitas seperti Health Design & Technology Institute, Coventry University. Proses rehabilitasi bagi para penyandang disabilitas sering kali melibatkan desain alat bantu seperti alat bantu jalan yang dimaksudkan untuk mendorong inklusi penggunanya ke dalam arus utama masyarakat, perdagangan, dan rekreasi.
 

Disadur dari: en.wikipedia.org 

Implan adalah perangkat medis yang diproduksi untuk menggantikan struktur biologis yang hilang, mendukung struktur biologis yang rusak, atau meningkatkan struktur biologis yang sudah ada. Sebagai contoh, sebuah implan bisa berupa batang yang digunakan untuk memperkuat tulang yang lemah. Implan medis adalah perangkat buatan manusia, berbeda dengan transplantasi, yang merupakan jaringan biomedis yang ditransplantasikan. Permukaan implan yang bersentuhan dengan tubuh mungkin terbuat dari bahan biomedis seperti titanium, silikon, atau apatit tergantung pada apa yang paling fungsional. Pada tahun 2018, misalnya, American Elements mengembangkan bubuk paduan nikel untuk pencetakan 3D implan medis yang kuat, tahan lama, dan biokompatibel. Dalam beberapa kasus, implan mengandung elektronik, misalnya pacemaker buatan dan implan koklea. Beberapa implan bersifat bioaktif, seperti perangkat pengiriman obat subkutan dalam bentuk pil yang dapat diimplan atau stent yang melepaskan obat.

Aplikasi Implan Medis dalam Berbagai Bidang Kesehatan

Implan dapat dikelompokkan berdasarkan aplikasinya ke dalam beberapa kategori utama:

1. Sensorik dan Neurologis: Implan sensorik dan neurologis digunakan untuk mengatasi gangguan yang memengaruhi indera utama dan otak, serta gangguan neurologis lainnya. Mereka digunakan terutama dalam pengobatan kondisi seperti katarak, glaukoma, keratokonus, dan gangguan penglihatan lainnya; otosklerosis dan masalah kehilangan pendengaran lainnya, serta penyakit telinga tengah seperti otitis media; dan penyakit neurologis seperti epilepsi, penyakit Parkinson, dan depresi yang sulit diobati. Contohnya termasuk lensa intraokular, segmen cincin kornea intrastromal, implan koklea, tabung timpanostomi, dan neurostimulator.

2. Kardiovaskular: Perangkat medis kardiovaskular diimplan dalam kasus di mana jantung, katupnya, dan sistem peredaran darah lainnya mengalami gangguan. Mereka digunakan untuk mengobati kondisi seperti gagal jantung, aritmia jantung, takikardia ventrikel, penyakit katup jantung, angina pektoris, dan aterosklerosis. Contohnya termasuk jantung buatan, katup jantung buatan, defibrilator kardioverter implan, pacemaker jantung buatan, dan stent koroner.

3. Ortopedi: Implan ortopedi membantu mengatasi masalah dengan tulang dan sendi tubuh. Mereka digunakan untuk mengobati patah tulang, osteoartritis, skoliosis, stenosis tulang belakang, dan nyeri kronis. Contohnya termasuk berbagai jenis pen, batang, sekrup, dan pelat yang digunakan untuk memperbaiki tulang yang patah saat penyembuhan.

4. Logam: Implan logam sedang diuji sebagai biomaterial logam potensial untuk implan medis biodegradable.

5. Elektrik: Implan elektrik digunakan untuk meredakan nyeri akibat artritis rematoid. Implan elektrik ditanamkan di leher pasien dengan artritis rematoid, dan mengirimkan sinyal listrik ke elektroda di saraf vagus. Aplikasi perangkat ini sedang diuji sebagai alternatif untuk mengobati orang dengan artritis rematoid seumur hidup.

6. Kontrasepsi: Implan kontrasepsi digunakan utamanya untuk mencegah kehamilan yang tidak diinginkan dan mengobati kondisi seperti menorrhagia non-patologis. Contohnya termasuk perangkat intrauterin berbasis tembaga dan hormon.

7. Kosmetik: Implan kosmetik, seringkali prostetik, bertujuan untuk mengembalikan sebagian tubuh ke norma estetika yang dapat diterima. Mereka digunakan sebagai tindak lanjut mastektomi akibat kanker payudara, untuk memperbaiki beberapa bentuk kecacatan, dan memodifikasi aspek tubuh (seperti peningkatan pantat dan peningkatan dagu). Contohnya termasuk implan payudara, prostesis hidung, prostesis mata, dan filler injeksi.

8. Organ dan Sistem Lainnya: Disfungsi organ lain dapat terjadi dalam sistem tubuh, termasuk sistem gastrointestinal, pernapasan, dan urologi. Implan digunakan di tempat-tempat tersebut dan tempat lainnya untuk mengobati kondisi seperti penyakit refluks gastroesofageal, gastroparesis, kegagalan pernapasan, sleep apnea, inkontinensia urin dan fekal, dan disfungsi ereksi. Contohnya termasuk LINX, stimulator lambung implan, stimulator saraf diafragma/frenik, neurostimulator, jaringan bedah, katup pengontrol urin buatan, dan implan penis.

Klasifikasi dan Material Implan Medis

• Klasifikasi di Amerika Serikat

FDA mengklasifikasikan implan medis ke dalam tiga kelas berbeda tergantung pada risiko yang dapat ditimbulkan oleh perangkat medis tersebut bagi pengguna. Menurut 21CFR 860.3, perangkat Kelas I dianggap menimbulkan risiko paling sedikit bagi pengguna dan membutuhkan pengendalian paling sedikit. Perangkat Kelas I mencakup perangkat sederhana seperti penyangga lengan dan instrumen bedah yang dipegang tangan. Perangkat Kelas II dianggap membutuhkan lebih banyak regulasi daripada perangkat Kelas I dan diharuskan untuk menjalani persyaratan tertentu sebelum mendapatkan persetujuan FDA. Perangkat Kelas II mencakup sistem sinar-X dan monitor fisiologis. Perangkat Kelas III membutuhkan kontrol regulasi paling ketat karena perangkat tersebut mendukung atau mempertahankan kehidupan manusia atau mungkin belum diuji dengan baik. Perangkat Kelas III mencakup katup jantung pengganti dan stimulator serebelum yang diimplan. Banyak implan biasanya termasuk dalam perangkat Kelas II dan Kelas III.

• Material 

Logam yang Biasa Diimplan Berbagai jenis logam yang minim reaktif secara biologis rutin diimplan. Bentuk stainless steel yang paling umum diimplan adalah 316L. Paduan logam kobalt-kromium dan titanium juga diimplan secara permanen. Semua ini dibuat pasif oleh lapisan oksida tipis di permukaannya. Namun, pertimbangan lain adalah bahwa ion logam menyebar ke luar melalui oksida dan berakhir di jaringan sekitarnya. Reaksi biologis terhadap implan logam termasuk pembentukan selubung kecil jaringan fibrosa. Ketebalan lapisan ini ditentukan oleh produk yang terlarut, dan sejauh mana implan bergerak di dalam jaringan penutup. Titanium murni mungkin hanya memiliki kapsulasi fibrosa minimal. Stainless steel, di sisi lain, dapat menimbulkan kapsulasi hingga 2 mm.

Komplikasi Implan

Dalam kondisi optimal, implan harus menghasilkan respons tubuh yang diinginkan tanpa memicu reaksi merugikan dari jaringan di dekatnya atau jauh. Namun, interaksi antara implan dan jaringan di sekitarnya dapat menimbulkan komplikasi. Komplikasi ini termasuk infeksi, peradangan, nyeri, risiko penolakan, dan respons alergi. Infeksi dapat terjadi segera setelah operasi atau berbulan-bulan hingga bertahun-tahun kemudian, disebabkan oleh bakteri yang ada di dekat lokasi operasi atau menempel pada implan sebelum pemasangan implan. Peradangan, suatu respons khas terhadap trauma bedah, melibatkan pembengkakan jaringan, nyeri, dan peningkatan aktivitas seluler. Koagulasi yang disebabkan oleh implan, dipicu oleh protein yang menempel pada permukaan implan, dapat menyebabkan aktivasi sistem kekebalan tubuh, peradangan kronis, dan enkapsulasi implan. Enkapsulasi ini dapat menghambat fungsi implan dan menjadi tempat berkembang biaknya bakteri, yang berpotensi menyebabkan komplikasi lebih lanjut. Dalam kasus respons alergi terhadap benda asing, pelepasan implan mungkin diperlukan.

Kegagalan 

Kegagalan implan memiliki banyak contoh termasuk pecahnya implan payudara silikon, sendi pengganti pinggul, dan katup jantung buatan, seperti katup Bjork–Shiley, yang semuanya menyebabkan intervensi FDA. Konsekuensi dari kegagalan implan tergantung pada sifat implan dan posisinya di dalam tubuh. Oleh karena itu, kegagalan katup jantung kemungkinan akan mengancam nyawa individu, sementara kegagalan implan payudara atau sendi pinggul kurang mungkin mengancam jiwa.

Kegagalan Implan di Otak

Perangkat yang diimplan secara langsung di materi abu-abu otak menghasilkan sinyal berkualitas tertinggi, tetapi rentan terhadap penumpukan jaringan parut, menyebabkan sinyal menjadi lemah, atau bahkan tidak ada, ketika tubuh bereaksi terhadap benda asing di otak.

Investigasi File Implan

Pada tahun 2018, Implant files, sebuah investigasi yang dilakukan oleh ICIJ mengungkapkan bahwa perangkat medis yang tidak aman dan belum diuji secara memadai diimplan dalam tubuh pasien. Di Inggris, Prof Derek Alderson, presiden Royal College of Surgeons, menyimpulkan: "Semua perangkat implan harus didaftarkan dan dilacak untuk memantau efikasi dan keamanan pasien dalam jangka panjang."

Disadur dari: en.wikipedia.org 

Britton Chance, seorang Ahli Kimia Fisika Amerika, memelopori pencitraan optik medis, yang menggunakan cahaya untuk berbagai keperluan medis. Bidang ini mencakup teknik seperti mikroskop optik, spektroskopi, endoskopi, pemindaian laser oftalmoskopi, pencitraan laser Doppler, dan tomografi koherensi optik. Teknik-teknik ini memanfaatkan cahaya, gelombang elektromagnetik, mirip dengan sinar-X, gelombang mikro, dan gelombang radio.

Sistem pencitraan optik dapat dikategorikan menjadi sistem pencitraan difusif dan balistik. Bonner dkk. mengembangkan model untuk migrasi foton dalam media biologis keruh, yang membantu dalam menafsirkan data dari monitor aliran darah laser Doppler dan dalam merancang protokol untuk eksitasi kromofor jaringan terapeutik.

Diffuse Optical Imaging (DOI)

Diffuse Optical Imaging (DOI) adalah metode pencitraan menggunakan spektroskopi dekat-inframerah (NIRS) atau metode berbasis fluoresensi. DOI digunakan untuk menciptakan model volumetrik 3D dari bahan yang diimajikan disebut tomografi optik difus, sedangkan metode pencitraan 2D diklasifikasikan sebagai topografi optik difus.

Teknik ini memiliki banyak aplikasi dalam neurosains, kedokteran olahraga, pemantauan luka, dan deteksi kanker. Biasanya teknik DOI memantau perubahan konsentrasi hemoglobin teroksigenasi dan deoksigenasi dan juga dapat mengukur status redoks sitokrom. Teknik ini juga dapat disebut sebagai tomografi optik difus (DOT), tomografi optik dekat-inframerah (NIROT), atau tomografi optik difusi fluoresensi (FDOT), tergantung pada penggunaannya.

Dalam neurosains, pengukuran fungsional yang dilakukan menggunakan panjang gelombang NIR, teknik DOI dapat diklasifikasikan sebagai spektroskopi dekat-inframerah fungsional (fNIRS).

Ballistic optical imaging (Foton Optik Ballistik)

Foton Optik Ballistik adalah foton cahaya yang menembus medium penyebaran (keruh) secara lurus. Jika pulsa laser dikirim melalui medium penyebaran seperti kabut atau jaringan tubuh, sebagian besar foton secara acak tersebar atau diserap. Namun, dalam jarak pendek, beberapa foton melewati medium penyebaran secara lurus. Foton koheren ini disebut foton ballistik. Foton yang sedikit tersebar, tetapi masih mempertahankan sebagian koherensinya, disebut sebagai foton ular.

Jika dideteksi dengan efisien, terdapat banyak aplikasi untuk foton ballistik terutama dalam sistem pencitraan medis resolusi tinggi koheren. Pemindai ballistik (menggunakan gerbang waktu ultra cepat) dan tomografi koherensi optik (OCT) (menggunakan prinsip interferometri) adalah dua dari banyak sistem pencitraan populer yang mengandalkan deteksi foton ballistik untuk membuat gambar yang terdifraksi terbatas. Keunggulan dibandingkan dengan modalitas pencitraan yang ada (misalnya, ultrasonografi dan pencitraan resonansi magnetik) adalah bahwa pencitraan ballistik dapat mencapai resolusi yang lebih tinggi dalam urutan 1 hingga 10 mikrometer, namun memiliki kedalaman pencitraan yang terbatas. Selain itu, foton 'kuasi-ballistik' yang lebih tersebar sering diukur juga untuk meningkatkan 'kekuatan' sinyal (yaitu, rasio sinyal terhadap noise).

Karena penurunan eksponensial (dengan jarak) foton ballistik dalam medium penyebaran, seringkali teknik pengolahan gambar diterapkan pada gambar ballistik yang ditangkap secara mentah, untuk merekonstruksi gambar berkualitas tinggi. Modalitas pencitraan ballistik bertujuan untuk menolak foton non-ballistik dan mempertahankan foton ballistik yang membawa informasi yang berguna. Untuk melakukan tugas ini, karakteristik khusus foton ballistik vs foton non-ballistik digunakan, seperti waktu terbang melalui pencitraan bergerbang koheren, kolimasi, propagasi gelombang, dan polarisasi.

Disadur dari: en.wikipedia.org