APLIKASI X RAY VOXEL MONTE CARLO (XVMC) UNTUK MENYELIDIKI KARAKTERISASI DOSIS DENGAN BANYAK BERKAS FOTON

Transkripsi

1 APLIKASI X RAY VOXEL MONTE CARLO (XVMC) UNTUK MENYELIDIKI KARAKTERISASI DOSIS DENGAN BANYAK BERKAS FOTON TUGAS AKHIR SARJANA Diajukan untuk Melengkapi Persyaratan dalam Menyelesaikan Tahap Sarjana di Departemen Fisika ITB Oleh Danio Delano DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008

2 Lembar Pengesahan APLIKASI X RAY VOXEL MONTE CARLO (XVMC) UNTUK MENYELIDIKI KARAKTERISASI DOSIS DENGAN BANYAK BERKAS FOTON TUGAS AKHIR SARJANA Oleh Danio Delano Bandung, Februari 2008 Telah diperiksa dan disetujui sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan tahap Sarjana di Departemen Fisika, Fakultas MIPA, Institut Teknologi Bandung Oleh: Pembimbing Tugas Akhir ( DR. rer. nat. Freddy Haryanto ) NIP: Sidang Sarjana Penguji I Penguji II : Rabu, 6 Februari 2008, pukul 15:00 WIB : DR. Siti Nurul Khotimah : DR. Eng. Enjang Jaenal Mustopa DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008

3 Abstrak Metode Monte Carlo adalah metode komputasi yang bergantung pada pengulangan bilangan acak untuk menemukan solusi matematis. Metode ini mempunyai ruang lingkup pemakaian yang luas, salah satunya dapat digunakan dalam radioterapi. Untuk memecahkan masalah lamanya waktu proses perhitungan dosis, beberapa algoritma Monte Carlo yang baru dikembangkan untuk mempercepat proses perhitungan dosis, salah satunya adalah Voxel Monte Carlo (VMC), yang kemudian dikembangkan menjadi X Ray Voxel Monte Carlo (XVMC). Baik instalasi maupun penggunaan aplikasi XVMC cukup mudah karena pengguna tidak perlu memahami kode pemrograman pada aplikasi. Untuk mengetahui karakterisasi dosis dengan menggunakan aplikasi XVMC, dilakukan lima simulasi, mulai dari satu buah berkas sampai lima buah berkas dengan posisi berkas yang berbeda. Selain itu, lima simulasi dilakukan dengan posisi sudut berkas yang sama. Setelah itu, penulis membandingkan baik dari segi persentase dosis yang diterima tumor, dosis yang diterima jaringan sehat lainnya, dan durasi waktu simulasi, serta kemudahan yang didapat dari aplikasi XVMC. Kemudian didapat kesimpulan bahwa aplikasi XVMC sangatlah cepat dalam mensimulasikan perhitungan dosis dan mudah karena juga memberikan suatu tool yang mempermudah visualisasi tumor dan kurva isodosis, yaitu xvmc_show. Kata kunci: metode Monte Carlo, X Ray Voxel Monte Carlo, treatment planning. i

4 Abstract Monte Carlo method is a computerized algorithm method which depends on random number generator to find mathematical solutions. This method has a large usage field, such as in radiotherapy. For solving the long duration dose calculation problem, there are several new developed Monte Carlo algorithms to make the calculation faster, one of them is Voxel Monte Carlo (VMC), which then developed further to X Ray Voxel Monte Carlo (XVMC). Installing and using XVMC are easy enough because users need no knowledge of the program's code to use it. For understanding the dose characteristics using XVMC, five simulations had been done. For those simulations, the gantry angle of each beam is different. Further more, another five simulations had been implemented using the same gantry angle. The following comparisons are done: dose percentage taken by tumour, dose taken by normal tissue around the tumour, and the duration of the simulations. However, it could be concluded that XVMC is very fast in calculating dose distribution and easy to use because of the tool which can visualize the tumour and isodose curves called xvmc_show. Keywords: Monte Carlo method, X Ray Voxel Monte Carlo, treatment planning. ii

5 Kata Pengantar Puji syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas limpahan kasih karunia Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini sebagai syarat untuk menyelesaikan tahap sarjana di Departemen Fisika ITB. Atas pertolongan Nya dan bantuan dari banyak pihak penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini tepat pada waktunya. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak yang telah membantu, antara lain: Kedua orang tua dan adik penulis. Semoga mereka semua selalu mendapat limpahan kasih karunia Nya. Bapak DR. rer. nat. Freddy Haryanto sebagai dosen pembimbing tugas akhir yang telah membimbing penulis dengan sabar dan penuh pengertian. Ibu DR. Siti Nurul Khotimah dan Bapak DR. Eng. Enjang Jaenal Mustopa sebagai dosen penguji yang telah bersedia untuk memberikan masukan kepada penulis. Segenap dosen Departemen Fisika yang telah mendidik penulis. Segenap staf Tata Usaha Departemen Fisika atas segala bantuannya. Segenap staf Perpustakaan Departemen Fisika atas segala bantuannya. Teman teman penulis yang sudah lulus: Evan, Aldi, dan juga Lemena yang sudah lolos, dan teman teman sepondokan yang telah memberikan dukungan, teman teman fisika seangkatan: Maureen, Novi, Erik, Hindra, dan terutama Hani, yang telah banyak membantu penulis selama perjuangan di Departemen Fisika, Aryo yang telah mengambilkan jurnal jurnal dari iii

6 internet, serta Yusdi yang telah mengajarkan sistem operasi Ubuntu kepada penulis. Dan berbagai pihak lain yang tidak bisa disebutkan satu per satu namanya di sini. Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih jauh dari sempurna sehingga masukan dan kritik membangun dari semua pihak atas tugas akhir ini sangat penulis harapkan. Akhir kata, semoga karya tugas akhir ini berguna bagi pembaca. Bandung, Februari 2008 Danio Delano iv

7 Daftar Isi Abstrak i Abstract ii Kata Pengantar iii Daftar Isi v Daftar Gambar vii Daftar Tabel ix Bab I. Pendahuluan 1 I.1. Latar Belakang 1 I.2. Rumusan Masalah 2 I.3. Tujuan 3 I.4. Sistematika Penulisan 3 Bab II. Teori Dasar 4 II.1. Metode Monte Carlo 4 II.2. Voxel Monte Carlo 6 II.3. Treatment Planning 8 Bab III. X Ray Voxel Monte Carlo (XVMC) 10 Bab IV. Studi Kasus 15 IV.1. Studi Kasus Pertama 21 IV.2. Studi Kasus Kedua 37 Bab V. Kesimpulan dan Saran 53 V.1. Kesimpulan 53 V.2. Saran 54 v

8 Daftar Pustaka 55 Lampiran 56 Instalasi XVMC di Ubuntu 7.04 Fiesty Fawn 56 Penggunaan XVMC di Ubuntu 7.04 Fiesty Fawn 57 Instalasi dan Penggunaan xvmc_show di Ubuntu 7.04 Fiesty Fawn 58 vi

9 Daftar Gambar Gambar II.1 Metode Monte Carlo dalam permainan battleship. 5 Gambar III.1 Aplikasi xvmc_show dan keterangannya. 14 Gambar IV.1 Phantom yang terdiri dari voxel voxel kecil. 16 Gambar IV.2 XZ Plane slice ke 8 dengan kisaran planning. 18 Gambar IV.3 Gambar XZ Plane polos slice ke 1, 8 dan Gambar IV.4 Gambar XY Plane polos slice ke 12, 17 dan Gambar IV.5 Gambar YZ Plane polos slice ke 26, 44 dan Gambar IV.6 XZ Plane 1 berkas, sudut gantry: 0 derajat. 22 Gambar IV.7 XY Plane 1 berkas, sudut gantry: 0 derajat. 23 Gambar IV.8 YZ Plane 1 berkas, sudut gantry: 0 derajat. 24 Gambar IV.9 XZ Plane 2 berkas, sudut gantry: 0 dan 180 derajat. 25 Gambar IV.10 XY Plane 2 berkas, sudut gantry: 0 dan 180 derajat. 26 Gambar IV.11 YZ Plane 2 berkas, sudut gantry: 0 dan 180 derajat. 27 Gambar IV.12 XZ Plane 3 berkas, sudut gantry: 0, 120, dan 240 derajat. 28 Gambar IV.13 XY Plane 3 berkas, sudut gantry: 0, 120, dan 240 derajat. 29 Gambar IV.14 YZ Plane 3 berkas, sudut gantry: 0, 120, dan 240 derajat. 30 Gambar IV.15 XZ Plane 4 berkas, sudut gantry: 0, 90, 180, dan 270 derajat. 31 Gambar IV.16 XY Plane 4 berkas, sudut gantry: 0, 90, 180, dan 270 derajat. 32 Gambar IV.17 YZ Plane 4 berkas, sudut gantry: 0, 90, 180, dan 270 derajat. 33 Gambar IV.18 XZ Plane 5 berkas, sudut gantry: 0, 72, 144, 216, dan 288 derajat. 34 Gambar IV.19 XY Plane 5 berkas, sudut gantry: 0, 72, 144, 216, dan 288 derajat. 35 Gambar IV.20 YZ Plane 5 berkas, sudut gantry: 0, 72, 144, 216, dan 288 derajat. 36 vii

10 Gambar IV.21 XZ Plane 1 berkas, sudut gantry: 0 derajat. 38 Gambar IV.22 XY Plane 1 berkas, sudut gantry: 0 derajat. 39 Gambar IV.23 YZ Plane 1 berkas, sudut gantry: 0 derajat. 40 Gambar IV.24 XZ Plane 2 berkas, sudut gantry: 0 dan 72 derajat. 41 Gambar IV.25 XY Plane 2 berkas, sudut gantry: 0 dan 72 derajat. 42 Gambar IV.26 YZ Plane 2 berkas, sudut gantry: 0 dan 72 derajat. 43 Gambar IV.27 XZ Plane 3 berkas, sudut gantry: 0, 72, dan 144 derajat. 44 Gambar IV.28 XY Plane 3 berkas, sudut gantry: 0, 72, dan 144 derajat. 45 Gambar IV.29 YZ Plane 3 berkas, sudut gantry: 0, 72, dan 144 derajat. 46 Gambar IV.30 XZ Plane 4 berkas, sudut gantry: 0, 72, 144, dan 216 derajat. 47 Gambar IV.31 XY Plane 4 berkas, sudut gantry: 0, 72, 144, dan 216 derajat. 48 Gambar IV.32 YZ Plane 4 berkas, sudut gantry: 0, 72, 144, dan 216 derajat. 49 Gambar IV.33 XZ Plane 4 berkas, sudut gantry: 0, 72, 144, 216, dan 288 derajat. 50 Gambar IV.34 XY Plane 4 berkas, sudut gantry: 0, 72, 144, 216, dan 288 derajat. 51 Gambar IV.35 YZ Plane 4 berkas, sudut gantry: 0, 72, 144, 216, dan 288 derajat. 52 viii

11 Daftar Tabel Tabel III.1 Daftar file input dan output dari XVMC. 10 Tabel IV.1 Daftar planning studi kasus pertama. 21 Tabel IV.2 Hasil output dari studi kasus pertama. 36 Tabel IV.3 Daftar planning studi kasus kedua. 37 Tabel IV.4 Hasil output dari studi kasus kedua. 52 ix