Tomografi Resonansi Magnetik Inti; Teori Dasar, Pembentukan Gambar dan Instrumentasi Perangkat Kerasnya, oleh Daniel Kartawiguna Hak Cipta 2015 pada penulis GRAHA ILMU Ruko Jambusari 7A Yogyakarta 55283 Telp: 0274-882262; 0274-889398; Fax: 0274-889057; E-mail: info@grahailmu.co.id Hak Cipta dilindungi undang-undang. Dilarang memper banyak atau memindahkan sebagian atau seluruh isi buku ini dalam bentuk apa pun, secara elektronis maupun mekanis, termasuk memfotokopi, merekam, atau dengan teknik perekaman lainnya, tanpa izin tertulis dari penerbit. ISBN: 978-602-262-423-3 Cetakan I, tahun 2015
KATA PENGANTAR Puji syukur kami panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan karunia dan bimbingan-nya sehingga penyusunan buku yang membahas dasar-dasar magnetic resonance imaging (MRI) atau pencitraan tomografi resonansi magnetik inti dapat diselesaikan. Buku ini disusun untuk memenuhi kebutuhan materi pengenalan teknik pencitraan tomografi resonansi magnetik inti dan sistem instrumentasi perangkat kerasnya. Selain itu bahan ini juga digunakan untuk memberikan pengenalan mengenai MRI bagi para pembaca yang mendalami tentang Radiodiagnostik & Radioterapi. Diharapkan pula buku ini juga dapat bermanfaat bagi para dokter yang akan mengambil spesialisasi ahli radiologi. Pada kesempatan ini penulis juga menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Ibu Dr. Ir. Rusmini B., AIM., MM., Bapak Agus Komarudin, ST., MT. selaku Ketua Jurusan Teknik Elektromedik Politeknik Kesehatan Jakarta II, Bapak H. Abdul Gamal, SKM., MKKK., selaku Ketua Perhimpunan Radiografer Seluruh Indonesia, dan Ibu Hj. Susy Suswaty, M.Pd. selaku Ketua Jurusan Teknik Radiodiagnostik dan Radioterapi yang telah memberi kesempatan penulis membagikan pengalamannya di Jurusan Teknik Elektromedik dan Jurusan Teknik Radiodiagnostik & Radioterapi, Politeknik Kesehatan Jakarta II. Penulis juga
vi Tomografi Resonansi Magnetik Inti mengucapkan terima kasih kepada Bapak Wahyu Widhianto, S.Si. selaku Application Specialist MRI di PT. Siemens Indonesia yang telah memberikan masukan dan menyumbangkan sebagian tulisan pada Bab 4 dan 5. Tidak lupa pula penulis mengucapkan terima kasih kepada rekan-rekan sekerja penulis di PT. Siemens Indonesia, Healthcare Sector, Jakarta serta pimpinan dan rekan-rekan dosen Jurusan Sistem Informasi, Universitas Bina Nusantara, Jakarta yang telah memberikan bantuan dan dukungan dalam penulisan buku ini. Meskipun penulis telah berusaha menyusun buku ini dengan sebaikbaiknya dan semaksimal mungkin, namun penulis menyadari akan adanya kemungkinan kesalahan dan ketidaksempurnaan dalam penyusunan buku ini. Untuk itu segala saran dan kritik dari berbagai pihak sangat penulis harapkan demi perbaikan penulisan buku ini. Segala bentuk masukan dan kritik yang membangun penulis harapkan dari pembaca sekalian melalui surat elektronik yang dapat ditujukan ke alamat daniel.kartawiguna@ gmail.com. Akhir kata, semoga buku ini dapat berkenan dan bermanfaat bagi pembaca serta pihak-pihak yang membutuhkannya. Jakarta, September 2014 Penulis
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR v DAFTAR ISI vii BAB 1 PENDAHULUAN 1 1.1 Latar Belakang 1 1.2 Sejarah Pencitraan Resonansi Magnetik Inti 2 1.3 Keuntungan Pencitraan Resonansi Magnetik Inti 4 1.4 Lingkup Pembahasan 5 1.5 Sistematika Penulisan 5 BAB 2 RESONANSI MAGNETIK INTI 7 2.1 Pengertian Resonansi Magnetik Inti 7 2.2 Atom, Spin, dan Momen Magnetik 8 2.3 Sifat Spin dalam Medan Magnet 11 2.4 Tingkat Energi Proton 12 2.5 Magnetisasi (M) 16 2.6 Percobaan Resonansi Magnetik Inti (NMR) 18 2.7 Relaksasi (Relaxation) 23 BAB 3 TEKNIK PEMBENTUKAN CITRA MRI 35 3.1 Pembentukan Sinyal NMR 35 3.2 Matriks Data Mentah (Matriks Hasil Pengukuran) 42 3.3 Hubungan antara data mentah dan data citra 44
viii Tomografi Resonansi Magnetik Inti 3.4 Waktu Pemindaian 46 3.5 Kontras pada Citra MRI 46 3.6 S/N (Signal to Noise Ratio) 48 BAB 4 METODA PENGUKURAN 51 4.1 Mekanisme Pembentukan Kontras 51 4.2 Metoda Pengukuran 59 4.4 Amplitudo Sinyal NMR dan Intensitas Citra 65 BAB 5 KUALITAS CITRA MRI 69 5.1 Kualitas Citra 69 5.2 Resolusi Citra 71 5.3 Sinyal dan Derau (noise) 73 5.4 Kontras 77 5.5 Pengaruh Zat Kontras 78 5.6 Kesimpulan 81 BAB 6 SISTEM INSTRUMENTASI MRI 83 6.1 Blok Diagram Peralatan Sistem MRI 83 6.2 Sistem Magnet 86 6.3 Sistem RF 100 6.4 Sistem Gradien 102 6.5 Measurement Control Unit 106 6.6 Unit Pengolah Citra & Komputer Utama 107 BAB 7 KEAMANAN PADA SISTEM MRI 109 7.1 Medan Magnet Utama 110 7.2 Medan Magnet Gradien 116 7.3 Medan Frekuensi Radio 119 7.4 Efek Antena Radio 121 7.5 Klaustrofobia (Claustrophobia) 122 7.6 Keamanan Kriogen (Cryogen) 122 7.7 Implan dan Organ Tubuh Tiruan 123 7.8 Pelatihan Keamanan 129 -oo0oo-
Bab 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Perkembangan teknologi elektronika dan komputer hingga saat ini banyak dimanfaatkan di berbagai bidang. Salah satu bidang yang banyak memanfaatkan peralatan elektronika dan komputer adalah bidang kedokteran. Dalam ilmu kedokteran ada cabang ilmu radiologi yang sarat dengan aplikasi teknik fisika, elektronika, dan komputer untuk melakukan pencitraan bagian-bagian tubuh manusia yang membantu dokter dalam menegakkan diagnosis suatu penyakit. Ada dua teknik yang digunakan untuk melakukan pencitraan diagnostik medis yaitu secara invasif dan secara non-invasif. Teknik invasif dilakukan dengan cara memasukkan sensor ke dalam tubuh baik tanpa pembedahan maupun dengan pembedahan. Sedangkan teknik pencitraan non-invasif dilakukan tanpa interferensi ke dalam tubuh manusia. Beberapa contoh aplikasi teknologi elektronika dan komputer di bidang pencitraan diagnostik kedokteran secara non-invasif adalah: ultrasonografi (USG), computed tomography (CT), magnetic resonance imaging (MRI), single photon emission computed tomography (SPECT) atau kamera gamma, dan positron emission tomography (PET). Tujuan utama peralatan pencitraan diagnostik medis ini adalah untuk menghasilkan citra bagian dalam tubuh secara noninvasif yang bermanfaat bagi dokter untuk memberikan diagnosis suatu penyakit secara tepat.
2 Tomografi Resonansi Magnetik Inti Pertama kali teknologi komputer memegang peranan utama dalam pengolahan dan pembentukan citra diagnostik medis terjadi saat ditemukannya Computed Tomography Scanner (CT-Scan) pada tahun 1972. CT-Scan adalah instrumen pencitraan medis yang digunakan untuk memperoleh citra irisan aksial (transversal) dari bagian tubuh tanpa melakukan pembedahan. Oleh karena CT-Scan ini mempergunakan radiasi sinar-x maka penggunaannya mempunyai dampak bahaya radiasi terhadap tubuh. Untuk itu diupayakan metoda lain yang tidak menggunakan radiasi sinar- X. 1.2 Sejarah Pencitraan Resonansi Magnetik Inti Sejarah sistem Pencitraan Resonansi Magnetik Inti diawali dengan penemuan teori Nuclear Magnetic Resonance (NMR) atau Resonansi Magnetik Inti. Percobaan NMR yang sukses pertama kali dilakukan pada tahun 1946 secara terpisah oleh dua orang ilmuwan di Amerika Serikat. Dua ahli fisika yaitu Felix Bloch, yang bekerja di Stanford University, dan Edward Purcell, dari Harvard University, menemukan bahwa saat nukleus diletakkan dalam suatu medan magnet maka nukleus akan menyerap energi dalam daerah spektrum frekuensi radio dan akan memancarkan kembali energi yang diserap tersebut saat nukelus kembali ke keadaan normalnya. Hubung an antara kekuatan medan magnet dan frekuensi radio dalam percobaan ini telah didemonstrasikan sebelumnya oleh fisikawan Irlandia yang bernama Sir Joseph Larmor (1857-1942). Oleh sebab itu hal ini dikenal dengan hubungan Larmor yang menyatakan frekuensi angular dari gerakan presesi (precession) spin inti atom akan sebanding dengan kekuatan medan magnet. Fenomena ini diberi nama NMR yang merupakan singkatan dari: Nuclear karena hanya inti atom (nukleus) dari jenis atom tertentu saja yang dapat mengalami gejala seperti ini; Magnetic karena diperlukan medan magnet; Resonance karena ada ketergantungan antara medan magnet dan frekuensi radio.