Sinar-X (X-ray) Course Outline B7.1 BAB 7. Dr. Horasdia SARAGIH

Transkripsi

1 BAB 7 Sinar-X (X-ray) 7.1. Sinar-X Sebagai Gelombang Elektromagnetik Sinar-X ditemukan oleh seorang fisikawan Jerman, W.K. Roentgen, pada tahun Sinar-X termasuk gelombang elektromagnetik yang memiliki energi relatif sangat tinggi, yaitu: 200 ev sampai ev. Catatan : 1 ev = 1,602x10-19 Joule. Oleh karena itu, dapat menembus beberapa jenis bahan. Dahulu kala sebelum sinar-x ditemukan, untuk melihat segala organ yang ada di bagian dalam tubuh dilakukan dengan cara pembedahan. Untuk melihat kondisi keretakan tulang misalnya, suatu proses pembedahan harus dilakukan agar dapat mengamati bentuk dan tingkat keretakan yang terjadi. Setelah sinar-x ditemukan, pembedahan seperti itu tidak lagi dibutuhkan sehingga mengurangi tingkat kerusakan organ dan cacat yang ditinggalkan. Dengan menggunakan sinar-x, potret keadaan tulang dapat diperoleh dengan sangat jelas. Oleh karena itu, penemuan sinar-x merevolusi pengembangan teknologi peralatan kesehatan. Sebagaimana juga seperti beberapa jenis gelombang elektromagnetik yang lain, yang memiliki energi yang tinggi, sinar-x dapat membahayakan organ tubuh bila pemakaiannya atau dosisnya tidak pada porsi yang tepat. Penggunaan sinar-x harus mengacu pada aturan main yang dianjurkan. Energinya yang tinggi dapat merusak bagian-bagian tertentu dari organ tubuh, biasanya menyebabkan terjadinya sel kanker Pembangkitan Sinar-X Sinar-X dapat dibangkitkan (dihasilkan) dari atom-atom suatu material melalui suatu proses gangguan berupa tumbukan yang dilakukan dengan menggunakan elektron berenergi tinggi terhadap inti-inti atom material itu. Elektron pengganggu yang berenergi tinggi digerakkan dan dipandu untuk menuju dan menumbuk atom-atom material sampai ke pada inti atomnya, kemudian suatu reaksi fisika terjadi dan oleh peristiwa itu suatu sinar-x kemudian dipancarkan. Jenis material yang ditumbuk (digunakan) umumnya adalah logam tungsten dan logam molybdenum. Tumbukan antara elektron berenergi tinggi dengan atom-atom material akan menghasilkan panas yang sangat tinggi. Oleh karena itu, jenis material yang digunakan adalah jenis material yang memiliki titik leleh yang tinggi, seperti tungsten (titik leleh C) atau molybdenum. Proses tumbukan antara elektron berenergi tinggi dengan atom-atom tungsten atau molybdenum dilakukan pada suatu tabung ruang vakum (hampa udara). Sementara untuk menghasilkan elektron yang berenergi tinggi, suatu beda potensial (tegangan) yang tinggi harus diberikan, besarnya sekitar 25 kev. Sebelum elektron diberi energi tinggi, elektron yang dimaksud terlebih dahulu dibebaskan dari inti atomnya. Pembebasan ini biasa dilakukan melalui proses pemanasan. Untuk tujuan itu, dibuatlah material sumber elektron bebas dalam bentuk filamen yang dapat dialiri arus listrik. Ketika arus listrik dialirkan pada filamen, pada nilai tertentu filamen akan berpendar menyala, dan pada tingkat nyala tertentu, elektron-elektron terluar dari atom-atomnya akan terlepas bebas. Elektron-elektron yang terlepas bebas tersebut kemudian diberi energi yang tinggi melalui proses mempercepatnya dengan menggunakan tegangan yang tinggi. Tegangan pemercepatnya biasanya sekitar 25 kev. Elektron bebas yang dipercepat ini kemudian memiliki energi yang sangat tinggi dan diarahkan bergerak untuk menumbuk bahan tungsten, sehingga terjadi suatu reaksi terhadap inti-inti atom tungsten. Tumbukan dengan inti atom tungsten tersebut menghasilkan suatu reaksi fisika dan menghasilkan suatu pancaran sinar-x. Sistim tabung pembangkit sinar-x yang sederhana ditunjukkan pada gambar 7.1. B7.1

2 Gambar 8.1. Suatu sistim tabung pembangkit sinar-x. Filamen pemanas (heater filament) dipanaskan dengan mengalirkan arus listrik IF dari sumber tegangan VF. Pada saat nilai arus IF telah mencukupi, heater filament akan berpendar atau membara (menyala). Pada tingkat nyala tertentu, elektron-elektron yang ada di bagian permukaan filamen akan terlepas (tereksitasi). Untuk memberi energi yang tinggi kepadanya (melalui proses mempercepatnya), suatu beda tegangan yang tinggi kemudian diberikan, yang disuplai dari VA (high-voltage supply kv). Tegangan tinggi ini dihubungkan pada cathode dan rotating anode. Oleh karena itu, terjadi beda tegangan yang besar antara cathode dan rotating anode, sehingga apabila ada terdapat elektron bebas di sana akan mengalami percepatan dan bergerak menuju rotating anode. Dengan konfigurasi cathode dan rotating anode seperti gambar 7.1, yang mana material rotating anodenya dibuat dari bahan tungsten, elektron yang dipercepat tersebut akan bergerak menuju tungsten dan menumbuk atom-atom tungsten. Oleh karena terjadi proses tumbukan secara fisika, tungsten akhirnya memancarkan sinar-x. Material tungsten (rotating anode) dibuat dengan bentuk seperti piringan agar sinar-x dapat dihasilkan secara kontinu (berkelanjutan) dan homogen. Piringan tungsten dibuat dapat berputar (diputar oleh rotor pada kelajuan tertentu) agar panas yang dihasilkan oleh proses tumbukan tidak terkonsentrasi hanya pada satu titik sehingga bahan tungsten tidak meleleh. Elektron yang dipercepat yang berenergi tinggi itu akan menumbuk atom-atom tungsten dan bereaksi dengan inti-inti atom tungsten. Reaksi ini akan menghasilkan (memancarkan) radiasi sinar-x yang disebut dengan general radiation atau white radiation atau Bremsstrahlung radiation. Di samping itu elektron yang dipercepat yang berenergi tinggi itu dapat pula bereaksi dengan elektron-elektron orbital dari atom-atom tungsten yang akhirnya juga menghasilkan radiasi sinar-x yang disebut dengan characteristic radiation. Kedua jenis radiasi inilah yang dihasilkan di dalam suatu tabung sinar-x. White Radiation Ketika elektron berenergi tinggi itu masuk ke dalam atom tungsten pada saat terjadinya tumbukan dan bergerak mendekati intinya, gerak elektron itu akan dibelokkan (deflected) oleh inti atom tungsten (gambar 7.2). Arah gerak elektron berubah dari arah gerak awalnya. B7.2

3 Gambar 7.2. Skema proses pembelokan arah gerak elektron berenegri tinggi oleh inti atom tungsten. Dalam proses pembelokan ini, elektron dapat saja kehilangan energinya, dan dapat pula tidak. Jika elektron tidak kehilangan energinya, maka proses itu disebut hamburan elastis dan tidak ada sinar-x yang dihasilkan. Jika elektron kehilangan energinya, maka proses itu disebut hamburan tidak elastis dan energi yang hilang itu akan diubah dan diemisi dalam bentuk radiasi sinar-x. Radiasi yang dihasilkan dengan cara itu disebut white radiation. Probabilitas elektron kehilangan energinya bertambah besar bila nomor atom dari atom yang ditumbuk bertambah besar. Elektron berenergi tinggi dapat saja berinteraksi dengan lebih dari satu inti atom tungsten sebelum elektron itu kehilangan semua energinya dan berhenti. Interaksi terhadap banyak inti atom ini menghasilkan sebaran frekuensi radiasi sinar-x. Itulah sebabnya white radiation (general radiation) memiliki spektrum frekuensi yang lebar (gambar 7.3) Gambar 7.3. Spektrum sinar-x yang dihasilkan oleh atom-atom tungsten. B7.3

4 Characteristic Radiation Ketika elektron berenergi tinggi bertumbukan dengan atom-atom tungsten, elektron itu juga dapat berinteraksi dengan elektron-elektron orbital atom-atom tungsten, khususnya elektron yang berada pada orbital kulit paling dalam K. Elektron-elektron orbital pada kulit K ini dapat dieksitasi ke kulit yang lebih luar, yaitu L dan M. Elektron berenergi tinggi akan mentransfer energinya kepada elektron-elektron orbital kulit K atom tungsten untuk digunakan berpindah ke kulit yang lebih luar L atau M. Seseaat setelah energi yang diserap itu habis, elektron-elektron orbital yang tereksitasi tadi akan kembali ke kulit orbital awalnya K. Pada saat kembali ke kulit awalnya K, elektron-elektron orbital tersebut akan meradiasikan sinar-x dalam bentuk characteristic radiation α1, α2, β1, dan β2 (gambar 7.3). Charactersitic radiation ini tidak digunakan dalam bidang kesehatan. Sinar jenis ini digunakan untuk menelaah struktuk kristal dari suatu material yang sering digunakan pada ilmu material fisika dan kimia. Gambar 7.4. Konstruksi dasar cathode-anode suatu pembangkit sinar-x Teknologi Peralatan Sinar-X Teknologi peralatan sinar-x terus dikembangkan untuk tujuan kesempurnaan agar lebih efektif dan efesien. Konstruksi cathode-anode pada gambar 7.1 diperjelas bentuknya pada gambar 7.4. Komponen cahtode-anode ditempat-kan di ruang vacuum. Jumlah elektron-elektron yang akan dipercepat dapat diatur melalui besar arus yang dialirkan pada filamen. Proses penambahan tentu tidak dapat secara terus menerus dilakukan karena ada batas dimana filamen tidak lagi dapat bertambah panas walaupun arus listrik terus menerus diberikan. Atau, oleh karena terlalu panas (mendekati meleleh), filamen dapat menjadi putus. Bentuk cathode, dimana filamen ditempatkan, dibuat dengan bentuk cekung agar elektron-elektron bebas yang dihasilkan filamen dapat dikendalikan secara terfokus (tidak tersebar acak) bergerak menuju anode tungsten untuk menumbuk atom-atom tungsten. Permukaan anode tungsten dibuat bersudut agar sinar-x yang dihasilkan dapat keluar dari tabung pembangkit. Ukuran focal spot harus dikendalikan karena berkaitan dengan hasil potret pada film yang akan didapatkan nantinya. Sudut kemiringan focal spot di anode biasanya tersebar dari 5 15 derajat. Sudut yang semakin besar akan menghasilkan ukuran focal spot yang lebih lebar sehingga menghasilkan pancaran sinar-x yang melebar yang akibatnya menghasilkan potret pada film menjadi samar-samar (tidak dibutuhkan). Pada saat elektron bebas yang berenergi tinggi menumbuk (membombardir) permukaan anode, energi elektron tersebut hampir 90% dikonversi menjadi panas. Agar anode terhindar dari panas yang berlebihan, suatu teknik pemutaran kemudian dilakukan. Biasanya elemen anode diputar oleh suatu rotor pada kecepatan putar rpm (rotation per minute). B7.4

5 Gambar 7.5. Rangkaian listrik sederhana suatu pembangkit sinar-x. X-ray Tube Ratings Sejumlah faktor dapat mempengaruhi intensitas sinar-x yang dipancarkan oleh tabung generator, yaitu : (1) temperatur filamen yang dikendalikan melalui arus filamen (If), (2) beda potensial (besar tegangan) antara anode dan cathode (voltage tube, Vt), (3) jumlah elektron yang membombardir anode (tube current, ma), dan (4) jenis material anode. Rangkaian listrik sederhananya ditunjukkan pada gambar 7.5. Material Anode. Menggunakan jenis material yang bernomor atom yang lebih besar sebagai anode, menghasilkan efesiensi produksi sinar-x yang lebih tinggi. Misalnya : Platinum (nomor atom 78), menghasilkan white radiation yang lebih baik dibanding dengan tungsten (nomor atom 74) pada arus dan beda tegangan tabung yang sama. Tegangan Tabung. Tegangan tabung, Vt, dapat bersumber dari tegangan searah (dc) maupun tegangan bolak-balik (ac). Nilai tegangan tabung sangat bergantung pada tipe peralatan. Arus Tabung. Jumlah poton sinar-x yang dihasilkan suatu tabung pembangkit, bergantung pada jumlah elektron yang menumbuk anode, sehingga, oleh karena itu bergantung pada nilai arus tabung. Umumnya pada berbagai peralatan tabung sinar-x yang diproduksi saat ini, nilai arus tabung berada pada kisaran bebearapa ma sampai ratusan ma. Arus Filamen. Arus tabung akan bertambah bila tegangan tabung ditambah pada suatu arus filamen yang tetap. Namun, penambahan ini tidak secara terus menerus dapat terjadi. Akan ada suatu nilai tegangan tabung tertinggi dimana arus tabung tidak lagi dapat bertambah. Nilai tegangan tabung tertinggi itu disebut sebagai tegangan tabung saturasi. Pada keadaan seperti itu, arus tabung ditentukan oleh temperatur filamen atau arus filamen. Pada berbagai alat sinar-x yang ada saat ini, arus filamen adalah beberapa ampere yang dapat berbentuk arus dc atau arus ac. B7.5

6 Filter Tabung pembangkit sinar-x tentu saja juga menghasilkan sinar-sinar berfrekuensi lain yang tidak dibutuhkan pada saat dioperasikan untuk membangkitkan sinar-x. Sinar-sinar yang berfrekuensi yang tidak dibutuhkan ini perlu dihentikan agar tidak sampai mengenai tubuh pasien. Seperti telah disebutkan, tabung sinar-x akan menghasilkan sinar-x polycromatic (ragam panjang gelombang atau frekuensi). Frekuensi-frekuensi yang tidak dibutuhkan haruslah difiltrasi (disaring) dengan menggunakan suatu filter. Filter yang digunakan adalah suatu absorber (penyerap) dari frekuensi yang tidak dibutuhkan tadi. Absorbernya biasanya adalah suatu bahan metal atau compound yang dibuat dalam bentuk lembaran film tipis yang ditempatkan di antara pembangkit sinar-x dan pasien. Logam aluminium adalah suatu absorber yang sangat baik untuk menyerap sinar-x yang berenergi rendah. Sementara, logam tembaga (copper) sangat baik untuk menyerap sinar-x yang berenergi tinggi. Namun pada prakteknya, logam tembaga tidak pernah digunakan secara murni sebagai absorber karena logam tembaga juga dapat menghasilkan characteristic radiation (8 kev) yang seperti telah disebutkan tidak dibutuhkan untuk tujuan medis. Umumnya logam tembaga dicampur dengan logam aluminium (compound). Lapisan logam aluminium dengan tebal 3 mm dapat menyerap sekitar 90% sinar-x berenergi 20 kev. Pembatas Pancaran (Restrictors) dan Grids Agar supaya sinar-x yang dihasilkan oleh suatu generator dapat terkendali (luas dan pola penyinarannya serta dosisnya) sebelum menyinari si pasien, suatu restrictor (pembatas) dan suatu grids harus digunakan. Tipe restrictor yang paling umum digunakan adalah collimator (gambar 7.6). Gambar 7.6. Konstruksi dari suatu collimator. Dengan menggunakan collimator, ukuran luas pancaran dengan mudah dapat diatur (pengaturannya dapat dilakukan dengan bantuan pinyanaran lampu biasa). Luas penyinaran diatur dengan menggerakkan diaphragma. Bila pasien disinari dengan sinar-x, maka oleh tubuh pasien akan dihasilkan sinar-x terhambur (scattered X-ray). Sinar terhambur ini akan mengkaburkan potret yang akan terekam pada film, oleh karenanya haruslah dihilangkan. Untuk tujuan tersebut, suatu grids selalu digunakan yang diletakkan di antara pasien dan film perekam (gambar 7.7). Grids disusun oleh sekumpulan jalur-jalur yang memiliki pembatas-pembatas. Pembatas tersebut dibuat dari suatu bahan yang umumnya adalah logam aluminium atau material organic yang bertugas untuk menyerap sinar-x yang dihamburkan oleh tubuh pasien. B7.6

7 Gambar 7.7. Poton sinar-x yang dihamburkan oleh tubuh pasien yang dapat mengaburkan potret pada film, dapat dihilangkan dengan menggunakan suatu grids sehingga kualitas gambar pada film menjadi sangat baik. Detektor Sinar-X Detektor sinar-x yang biasa digunakan adalah suatu film atau suatu detektor radiasi. Namun yang sering kita jumpai adalah rekaman dalam bentuk film. Film Sinar-X Film sinar-x adalah suatu film photographic yang tersusun dari substrat plastik yang transparan yang terbuat dari acetate atau polyester yang kedua sisinya dilapisi dengan suatu light-sensitive emulsion. Komponen bahan emulsi adalah silver halide crystal dengan ukuran butir dari 0,1 sampai 1 μm. Ada juga silver bromide crystal dan gelatin. Silver bromide crystal, apabila terkena sinar, menghasilkan suatu elektron bebas yang dapat berikatan dengan ion-ion silver untuk membentuk suatu atom silver. Silver iodide 1 10% digunakan sebagai sensitizer. Atom silver adalah berwarna hitam. Sebagai hasilnya, ketika film dikenai sinar (atau hanya bagian-bagian tertentu), maka bagian film yang terkena sinar itu akan menjadi hitam. Proses penghitaman tersebut secara langsung dikaitkan dengan energi dari cahaya yang menyinarinya, yaitu perkalian dari intensitas sinar dengan lamanya penyinaran. B7.7

8 7.4. Metode Diagnosa Sinar-X A. Conventional X-ray Radiography Komponen-komponen dasar dari suatu sistim radiografi konvensional ditunjukkan pada gambar 7.8. Gambar 7.8. Komponen-komponen dasar dari suatu sistim radiografi konvensional. Sinar-X yang polychromatic dihasilkan dan dipancarkan dari anode. Sinar ini kemudian difiltrasi untuk menghilangkan sinar yang memiliki tingkat-tingkat energi tertentu yang tidak dibutuhkan. Suatu grid diletakkan di antara pasien dan film perekam, untuk menghilangkan radiasi terhambur yang dibangkitkan oleh tubuh pasien. Hasil akhir yang didapatkan adalah suatu potret yang terekam pada selembar film transparan yang selanjutnya dapat didiagnosa. B7.8

9 1. Penumbra atau Geometric Unsharpness Ukuran focal spot dari suatu pembangkit sinar-x akan menyebabkan terjadinya suatu efek pengaburan (blurring) dari potret sinar-x yang dihasilkan pada film (gambar 7.9). Gambar 7.9. Ukuran focal spot suatu pembangkit sinar-x menyebabkan terjadinya efek pengaburan potret pada film. Suatu objek titik P (yang terdapat pada tubuh pasien) seharusnya akan terpotret sebagai suatu titik juga pada film perekam. Namun, oleh karena focal spot memiliki ukuran tertentu sebesar f, sehingga potret yang dihasilkan pada film bukan suatu titik, akan tetapi seperti suatu noda, yaitu suatu titik yang samar-samar (kabur). Lebar dari pengaburan titik ini, yaitu: d, didefenisikan sebagai geometric penumbra atau geometric unsharpness. Hubungan d dengan ukuran focal spot dirumuskan sebagai : ft d = ( S t) dari perumusan di atas dapatlah kita nyatakan bahwa untuk mereduksi pengaburan pada potret di film, ukuran f dan t haruslah dibuat sekecil mungkin dan S dibuat sebesar mungkin. Untuk alasan inilah sehingga pada pemotretan dengan sinar-x, pasien harus diletakkan sangat dekat dengan film (yaitu : jarak t diusahakan sependek mungkin) dan sangat jauh dari sumber sinar (yaitu : jarak S harus dibuat sebesar mungkin). 2. Film Magnification Andaikan suatu objek O yang lebarnya Lo ada di dalam tubuh seorang pasien yang akan dipotret dengan sinar- X. Objek O tersebut berjarak t dari film (gambar 7.10). Lo akan diperbesar oleh suatu faktor penguatan : B7.9

10 r m L1 = L 0 = S ( S t) dimana L1 adalah ukuran objek pada film dan Sf adalah jarak antara focal spot dan film. Dari perumusan di atas terlihat bahwa, perbesaran ukuran suatu objek pada film ditentukan oleh nilai Sf dan t. Agar ukuran objek pada film mendekati sama dengan ukuran sebenarnya, maka Sf >> t. f f Gambar Suatu objek akan mengalami perbesaran dengan ratio Sf/(Sf-t). B. Conventional Tomography Metode X-ray conventional memiliki banyak keterbatasan. Pertama, metode ini hanya memberikan gambaran dua dimensi dari suatu benda yang berstruktur tiga dimensi. Beberapa struktur tertentu tidak dapat digambarkan dengan sempurna. Informasi tentang kedalaman suatu benda di dalam tubuh pasien tidak dapat disajikan. Bukan saja itu, oleh karena hasil potret dari beberapa bidang menjadi saling tindih menindih, maka penyelidikan terhadap ketidak normalan bagian tubuh yang halus sukar teramati. Kedua, hasil X-ray conventional tidak memberikan informasi tentang perbedaan terhadap jaringan-jaringan lunak (soft tissue) di dalam tubuh. Ketiga, dengan X-ray conventional kita tidak dapat mengukur kerapatan berbagai jaringan dengan cara kuantitatif. Suatu solusi terhadap permasalahan tersebut adalah dengan menggunakan tomographical imaging technique atau tomography (tomo artinya potong atau cut). Tomography X-ray adalah suatu teknik X-ray khusus yang dapat mengaburkan (menghilangkan) gambar-gambar yang tidak dibutuhkan dan menonjolkan gambar-gambar yang perlu diselidiki. Teknik ini pertama-tama dikembangkan oleh BOCAGE dari Francis. Prinsip tomography ditunjukkan pada gambar Bagian-bagiannya adalah X-ray tube (source), film, dan suatu struktur logam yang dapat berotasi di titik porosnya yang disebut sebagai fulcrum plane. Film digerakkan seiring dengan pergerakan sumber X-ray, namun arahnya berlawanan. Segala bagian yang ditempatkan (berada) pada bidang fulcrum akan terpotret secara jelas. Semua bagian yang ada di atas atau di bawah bidang fulcrum akan terpotret sangat samar. Misalkan ada dua objek di dalam tubuh seorang pasien seperti ditunjukkan pada gambar 7.11, yang direpresentasikan oleh benda lingkaran dan kotak. Lingkaran tepat berada pada bidang fulcrum, sementara kotak ada di atasnya. Pada saat X-ray source digerakkan secara continu ke kiri, film juga digerakkan B7.10

11 secara kontinu ke arah yang berlawanan. Kelajuan gerak film diatur sedemikian rupa pada saat X-ray source bergerak sehingga gambar dari lingkaran tetap berada pada posisi yang sama pada film, sementara gambar kotak bergeser, yang tadinya di sebelah kiri lingkaran menjadi ke sebelah kanan lingkaran. Kondisi seperti ini akan menghasilkan gambar lingkaran yang tajam dan gambar kotak menjadi sangat samar. Susunan peralatan dan cara kerja seperti di atas di sebut linier tomography. Gambar Prinsip kerja suatu sistim linier topography. DAFTAR PUSTAKA 1. Hill, C.R. (Physics Department, Institute of Cancer Research, UK), Physical Principles of Medical Ultrasonics, 2 nd Edition, John Wiley & Sons Ltd., UK, Davidovits, P. (Boston College Massachusetts, USA),, Second Edition, Elsevier Science, Academic Press, USA, Aston, R. (Pennsylvania State University, USA), Principles of Biomedical Instrumentation and Measurement, Macmillan Publ. Company, USA, Urone, P.P. (California State University, USA), Physics With Health Science Applications, John Wiley & Sons, Inc. USA, Cameron, J.R. (University of Wisconsin, USA), Medical Physics, John Wiley & Sons, Inc. USA, B7.11