TUGAS AKHIR INSTRUMENTASI MEDIK

RINGKASAN MATERI PERKULIAHAN

OlehNur Hasanah4211411005

JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAMUNIVERSITAS NEGERI SEMARANG2014RADIASI ELEKTROMAGNETIKRadiasi elektromagnetik adalah salah satu dari banyak jenis energi dan nampak dalam bentuk cahaya tampak, sinar-X, radiasi inframerah, atau gelombang radio. Variasi radiasi elektromagnetik ini berupa: energi, frekuensi, dan panjang gelombang. Energi radiasi diukur dalam satuan elektron volt (eV).

Gambar 1. Spektrum elektromagnetik

Gambar 1 menggambarkan daerah yang berbeda dari spektrum elektromagnetik. dari panjang gelombang-panjang energi-rendah yaitu gelombang radio ke panjang gelombang-pendek energi-tinggi yaitu sinar gamma. Hubungan antara panjang gelombang dan frekuensi sesuai persamaan 1.1 dan diilustrasikan oleh gambar 2. = c/f (1.1) = panjang gelombangf = frekuensic = cepat rambat cahaya = 3 x 108 m/s

Gambar 2. Hubungan antara panjang gelombang dan frekuensi

Ketika radiasi elektromagnetik bertindak sebagai partikel, partikel itu disebut foton. Energi radiasinya dapat dituliskan seperti persamaan 1.2 dan 1.3.E = hf (1.2)atauE = hc/ (1.3)dengan h = 4,2 x 10-15 eV.s = faktor konversi, tetapan Planck

Hukum kuadrat terbalikIntensitas radiasi yang berkurang dengan meningkatnya jarak dari sumber, dikenal sebagai hukum kuadrat terbalik. Intensitas I2 pada jarak d2 sebanding dgn intensitas I1 pada jarak d1 sesuai persamaan 1.4.

Gambar 3. Intensitas radiasi terhadap jarak dari sumber

(1.4)

RANGKAIAN SINAR-XRangkaian sinar-X mengkonversi energi listrik menjadi energi sinar-X. Rangkaian sinar-X tegangan tinggi (High Voltage) terdiri dari trafo, pemilih kVp dan mA, penyearah, dan pewaktu. Tabung sinar-X beroperasi hanya dengan arus searah (direct current). Trafo mengkonversi tegangan input dari beberapa ratus volt AC menjadi tegangan output ribuan volt AC; Penyearah mengkonversi tegangan tinggi AC menjadi tegangan tinggi DC. Tegangan tinggi DC dikenakan pada tabung sinar-X dan menghasilkan sinar-X. Rangkaian pewaktu akan mematikan tegangan tinggi untuk mengakhiri paparan sinar-X setelah waktu paparan selesai.Komponen Tegangan Tinggi1. TrafoSuatu trafo terdiri dari sepasang gulungan kawat yang dihubungkan bersama di sekitar inti besi. (a) (b) (c)Gambar 4. (a)Trafo dengan lilitan primer dan sekunder, (b)Trafo step-up, (c)Trafo step-down

Suatu trafo dengan lilitan lebih banyak pada bagian sekunder dibanding dengan lilitan pada bagian primer dikenal sebagai trafo step-up. Bila sebaliknya disebut trafo step-down. Trafo step-down digunakan dalam menghasilkan arus tinggi pada kawat pijar (filament) untuk mulai memanaskan elektron shg diperoleh arus tabung, atau mA.

2. PenyearahDigunakan ntuk mengubah tegangan tinggi AC pada bag sekunder trafo step-up menjadi tegangan tinggi DC, yang digunakan pada tabung sinar-X.

PENGENALAN KESELAMATAN RADIASI BIDANG MEDIKObyek Pengawasan di Bidang Kesehatan meliputi:1. Diagnostik (Perka 8/2011), meliputi Radiografi (umum & mobile) Fluoroskopi (c-arm, u-arm,konvensional) Mamografi Pesawat Gigi (ekstra oral & intra oral) CT-Scan2. Radioterapi(Perka 3/2013), meliputi Brakhiterapi (manual & remote afterloading) Terapi Eksternal (teleterapi Co-60, gamma knife, cyber knife, Linac, sinar-X ortovolt & superficial)3. Kedokteran Nuklir (Perka 17/2012) Diagnostik (in vivo & in in vitro) Terapi

Radiografi umum

Gambar 5. Prinsip Kerja Radiografi

Radiografi Mobile Pesawat Sinar-X Portabeladalah pesawat sinar-X ukuran kecil dilengkapi dengan wadah pembungkus (suitcase) sehingga mudah dibawa dari satu tempat ke tempat lain. Pesawat Sinar-X mobile di dalam mobile stationadalah pesawat sinar-X yang terpasang secara permanen di dalam mobil sehingga dapat dipergunakan untuk pemeriksaan umum secara rutin di beberapa tempat.

FluoroskopiFluoroskopi adalah pesawat sinar-X yang memiliki tabir atau lembar penguat fluorosensi yang dilengkapi dengan sistem video yang dapat mencitrakan obyek secara terus menerus. Pesawat Sinar-X Fluoroskopi harus dilengkapi dengan sistem pencitraan, paling kurang meliputi clossed circuit television (CCTV); atau charge coupled device (CCD).

Gambar 6. Prinsip Kerja Fluoroskopi

Untuk keselamatan radiasi pada pesawat fluoroskopi untuk pekerja radiasi, pesawat harus dilapisi kaca Pb dengan ketebalan setara dengan: 1,5 mm Pb untuk tegangan s/d 70 kV; 2,0 mm Pb untuk tegangan 70 100 kV; dan tambahan 0,1 mm Pb / kV untuk tegangan di atas 100 kV

MamografiMamografi adalah pesawat sinar-X dengan energi radiasi rendah yang secara khusus dipergunakan untuk pemeriksaan payudara dengan obyek berada di antara film radiografi dan tabung sinar-X.

Gambar 7. Prinsip Kerja MamografiPesawat sinar-X mamografi tidak boleh digunakan untuk pemeriksaan payudara apabila tidak ada indikasi klinis, kecuali untuk:a) perempuan yang berusia di atas 40 tahun dengan pertimbangan bahwa manfaat yang diperoleh lebih besar daripada risiko; danb) perempuan yang berusia di bawah 40 tahun dan memiliki sejarah faktor risiko yang tidak semestinya, diantaranya memiliki sejarah karsinoma payudara dalam keluarga terdekat.

Pesawat Gigi Pesawat Intra oraladalah pesawat sinar-X yang digunakan untuk pemeriksaan radiografi gigi geligi dan struktur disekitar intraoral, yang menggunakan film radiografi khusus gigi. Pesawat Ekstra oral:a. Panoramicb. Cephalometricc. Pesawat dental CBCTCone Beam Computed Tomography Scanning (CBCT-Scan) adalah pesawat sinar-X tomografi yang merupakan pengembangan dari sistem CT-scan, yang didesain untuk memperoleh gambaran visualisasi jaringan keras daerah maksilofasial serta evaluasi morfologi skeletal dalam 3(tiga) dimensi, dengan kemampuan menampilkan citra rekonstruksi sesuai bentuk, ukuran dan volume obyek.

Aspek keselamatan pesawat gigi:a. Pesawat sinar-X kedokteran gigi intraoral harus dilengkapi dengan konus.b. Konus hanya boleh digunakan dengan spesifikasi: panjang konus tidak boleh kurang dari 20 cm untuk tegangan operasi di atas 60 kV; panjang konus tidak boleh kurang dari 10 cm untuk tegangan 60 kV; dan diameter konus tidak boleh lebih dari 6 cm.

Pesawat CT ScanPesawat Sinar-X CT-Scan adalah pesawat sinar-X yang menggunakan metode pencitraan tomografi dengan proses digital yang dapat membuat gambar tiga dimensi organ internal tubuh dari pencitraan sinar-X dua dimensi yang dihasilkan dari sejumlah data dasar yang dapat dimanipilasi sesuai pencitraannya.Aspek keselamatan: Untuk setiap pemeriksaan, seorang bisa menerima dosis radiasi sampai dengan 10 mSv (1rem) pada bagian tubuh yang sangat sempit. Karena dapat memberikan dosis cukup tinggi, maka pesawat CT-scan harus ditempatkan pada ruang khusus yang berpenahan radiasi cukup. Selama penyinaran, operator/radiografer tidak diperkenankan berada di dalam ruang pemeriksaan. Ruangan perlu diberikan tanda-tanda/lampu ketika pemeriksaan sedang berlangsung. Desain dinding penahan radiasi adalah seperti halnya pada pesawat sinar-X konvensional.

RadioterapiRadioterapi adalah modalitas pengobatan dengan menggunakan zat radioaktif terbungkus dan/atau pembangkit radiasi pengion.

Brakhiterapi Brakhiterapi manualadalah jenis brakhiterapi dengan zat radioaktif yang dimasukkan secara manual ke dalam atau menempel pada tumor Brakhiterapi remote afterloadingadalah jenis brakhiterapi yang menggunakan perangkat kendali jarak jauh yang dikendalikan komputer untuk memasukkan zat radioaktif terbungkus ke dalam aplikator yang telah dipasang dalam tubuh pasien.

Aspek keselamatan: Prinsip dasar proteksi radiasi (waktu, jarak, dan perisai) harus menjadi pedoman dalam bekerja dengan sumber radiasi eksterna. Sumber perlu diuji secara reguler, meliputi uji hasil Uji Keberterimaan (Acceptance Test), Uji Komisioning (Commissioning Test); dan pengukuran Paparan Radiasi. Inventarisasi terhadap semua sumber radioaktif perlu dilakukan untuk mencegah hilangnya sumber dengan cara pemeriksaan dan perhitungan sumber secara periodik. Jika jarum radioaktif dimasukkan ke dalam tubuh pasien maka tubuh pasien dimana jarum radioaktif dimasukkan harus dijahit. Setiap tindakan dengan brakhiterapi harus diperiksa secara rutin, misalnya 2 kali sehari untuk menjamin bahwa posisi jarum/tabung radioaktif tidak berubah atau tetap. Setiap ada perubahan harus segera diberitahukan pada dokter spesialis onkologi.

Terapi Eksternal Teleterapi Co-60adalah pesawat terapi eksternal yang menggunakan zat radioaktif Co-60. Gamma knifeadalah pesawat terapi eksternal yang menggunakan sinar gamma untuk pengobatan kanker dengan metode radiasi stereotaktik. Linac (Linear Accelerator)adalah pesawat terapi eksternal yang menggunakan tabung lurus tempat partikel bermuatan (elektron) mendapat peningkatan energi akibat osilasi medan elektromagnetik sehingga menghasilkan berkas elektron dan/atau sinarX energi tinggi. Cyber knifeadalah pesawat Linac yang menggunakan teknologi robot untuk pengobatan kanker dengan metode radiasi stereotaktik.

Optimisasi proteksi dan keselamatan radiasi harus diterapkan dalam pelaksanaan radioterapi dengan mengupayakan agar: Paparan radiasi terhadap jaringan normal selama radioterapi dipertahankan serendah mungkin yang dapat dicapai sesuai dengan pemberian dosis yang diperlukan pada volume target perisai organ digunakan sesuai dengan kebutuhan tindakan radioterapi yang menyebabkan paparan radiasi pada wanita hamil atau diduga hamil dihindari, kecuali adanya indikasi klinis yang mengharuskannya setiap tindakan terapi pada wanita hamil direncanakan sehingga dosis yang diterima embrio atau janin serendah mungkin; pasien diberi penjelasan mengenai risiko yang mungkin diterima; pasien menandatangani surat persetujuan tindakan medik (informed consent).

Kedokteran NuklirKedokteran nuklir adalah kegiatan pelayanan kedokteran spesialistik yang menggunakan sumber radioaktif terbuka dari disintegrasi inti berupa radionuklida dan/atau radiofarmaka untuk tujuan diagnostik, terapi, dan penelitian medik klinik, yang didasarkan pada proses fisiologik, patofisiologik, dan metabolisme.

Teknik Pengamanan Sumber Radiasi1. Pada penanganan zat radioaktif sumber terbuka yang sebagian besar berbentuk cairan perlu dihindarkan terperciknya cairan ke permukaan tempat kerja, pembentukan aerosol, dan terkontaminasinya bagian luar.2. Bila yang ditangani adalah sumber beraktivitas tinggi maka semua sentuhan langsung harus dihindarkan sekalipun menggunakan sarung tangan; dalam hal ini pekerjaan pemindahan instrument yang komplek: Alat dan jarum suntik untuk menyedot isi vial yang tertutup karet yang kedap udara. Pipet dengan bola karet Pemindahan cairan dengan tekanan positif atau negatif memungkinkan pengendalian jarak jauh

PENAHAN RADIASI SINARX UNTUK RUANG RADIODIAGNOSTIKAgar dosis radiasi yang diterima dapat ditekan serendah mungkin sehingga prinsip ALARA (as low as reasonably achievable) terpenuhi, maka salah satunya diperlukan penghalang radiasi untuk dinding ruangan pengoperasian sumber radiasi. Untuk pengungkung ruang penyimpanan sumber radiasi dalam keperluan radiodiagnostik diperlukan dinding beton dan atap beton untuk mencegah hamburan radiasi melalui bagian atas maupun dinding beton tersebut sehingga mampu mengurangi dosis radiasi yang kemungkinan diterima oleh masyarakat di sekelilingnya.

Gambar 8. Sifat daya tembus radiasi ionisasi

Pada fasilitas yang sudah permanen, seperti Rumah Sakit, penggunaan dinding penahan yang permanen sebagai pelindung ruangan sumber radiasi untuk keperluan radiodiagnostik ditunjukkan pada Gambar 9. Dinding penahan radiasi ini, dilengkapi dengan tombol penyetop operasi sumber radiasi secara otomatis pada keadaan darurat, lampu peringatan tanda bahaya, panel kontrol pengendali, jalan berliku (maze) masuk ke ruang sumber radiasi, serta pintu terkunci otomatis (interlock). Tujuan digunakan jalan masuk yang berliku, adalah untuk menahan radiasi hamburan, sehingga radiasi tidak langsung mengenai pintu jalan masuk paramedik atau petugas dan keluarga pasien.

Gambar 9. Contoh rancangan dinding penahan radiasi sinarX dilihat dari atas

Laju dosis pada bagian tengah jalan berliku (titik C) tersebut jika titik S berada 1 meter dari titik B dapat dihitung secara sederhana dengan rumus: (1.5)Laju dosis pada jarak 1 meter pada jalan berliku di titik M dapat dihitung dengan rumus:(1.6)Dan laju dosis pada pintu d dapat dihitung melalui rumus:(1.7)

Paparan sinarX sedapat mungkin dibatasi dengan pajanan (exposure) radiasi timbal atau timah hitam, sehingga sinarX tersebut tidak menyebar kemana-mana. Rancangan penahan radiasi sebaiknya dilakukan dengan cara mengukur langsung sehingga yakin tidak ada laju dosis yang melebihi ambang batas yang telah ditentukan, dan tidak hanya berdasarkan perhitungan saja. Untuk sumber radiasi sangat tinggi dan pada jarak 1 meter dari sumber tersebut mempunyai laju dosis lebih dari 10 mSv per menit, maka perlu titik pengendalian yang terletak di luar dinding penahan sumber radiasi, sehingga pada titik pengendalian tersebut laju dosisnya tidak melebihi 2 mSv per jam.Untuk sinarX keperluan diagnostik di Rumah Sakit atau PUSKESMAS, memerlukan minimum timbal setebal 2 mm atau dinding beton setebal 15 cm dan untuk sinarX industri bertegangan 250 kV memerlukan timbal 10 mm atau dinding beton setebal 50 cm. Penahan utama tersebut dirancang untuk laju dosis dengan penahan radiasi berkurang sebesar sepersepuluh dari laju dosis tanpa penahan radiasi atau disebut harga ketebalan sepersepuluh (Tenth Value Thickness, TVT). Dengan demikian, agar laju dosis berkurang seperseratusnya perlu penahan radiasi setebal dua TVT dan agar berkurang seperseribunya diperlukan penahan radiasi tiga TVT dan seterusnya.Jika arah radiasi sinar-X terbatas hanya pada satu dinding saja, maka dinding tersebut dapat digunakan sebagai dinding penahan radiasi primer (primary shield wall), sedang dinding lainnya dapat lebih tipis dan disebut dinding penahan radiasi sekunder. Karena pesawat sinarX biasanya dioperasikan pada dasar atau diatas tanah, maka perlu mendapat perhatian daerah di atas dan di bawah ruangan sinar-X selain di sekeliling ruang sinarX tersebut. Daerah-daerah tersebut harus ada tanda-tanda yang dapat dilihat dari ruang kontrol, sehingga orang yang tidak berkepentingan tidak berada atau melewati daerah-daerah tersebut saat pesawat sinar-X dioperasikan.

PERKEMBANGAN TEKNOLOGI RADIOLOGIa. Conventional Radiographyb. Computed Radiography (CR)c. Digital Radiography (DR)

Beberapa masalah radiologi konvensional(dari sisi Pasien): Harus menunggu beberapa waktu untuk pencetakan film Harus menunggu lagi untuk mengirimkan film kepada dokter radiologi Harus menunggu lagi untuk mengirim hasil analisa (expertise) kepada dokter perujuk Waktu tunggu menjadi lebih lama apabila dokter radiologi tidak sedang berpraktek(dari sisi Dokter & RS): Dalam situasi darurat, tidak dapat langsung membaca film Film tidak selalu berada di dalam ruang arsip Biaya yang cukup besar untuk pembuatan film, bahan kimia, jasa pengiriman, ruang penyimpanan dsb. Adanya limbah B3 yang membutuhkan penanganan khusus

Dengan adanya masalah-masalah pada sistem radiografi konvensional maka perlu beralih ke sistem radiografi digital yang mempunyai kelebihan antara lain: Diagnosa tepat melalui gambar digital Efisiensi waktu untuk mendistribusikan gambar Mengurangi biaya-biaya pencetakan gambar Arsip digital, menghilangkan ruangan penyimpanan film dan memudahkan pencarian gambar Mengurangi resiko kehilangan film (dengan adanya backup) Tidak memerlukan bahan kimia, sehingga mengurangi tingkat polusi dan lebih ramah lingkungan Awet, kualitas gambar digital tidak menurun dari waktu ke waktu Konsisten, dapat diperbanyak sesuka hati tanpa menurunkan kwalitasnya Fleksibel, dapat dimanipulasi tanpa merubah aslinya, seperti diperbesar, dipotong, diwarnai dsb. Dapat dihubungkan dengan data-data text Dapat disimpan dan dikirim secara elektronik melalui jaringan internet, telepon dsb.

PERBEDAAN ANTARA DIGITAL RADIOGRAPHY DAN COMPUTTED RADIOGRAPHYDigital X-ray adalah penangkapan secara elektronik dari paparan sinar-X. Paparan ini ditangkap oleh suatu alat yang mengubah sinar-X menjadi sinyal digital, yang kemudian direpresentasikan pada tampilan monitor untuk diagnosis. Sebuah gambar dari sistem sinar-X yang muncul di monitor tampilan mungkin berasal dari salah satu dari tiga teknologi yang kita akan kenalkan yaitu CR, CCD dan DR/DDR.

A. Digital Radiography (DR)Sistem Radiografi Digital (RD) adalah suatu bentuk pencitraan sinar-X yang menggunakan penangkap gambar (detector) sebagai pengganti kaset dan film. Pada radiografi digital ada dua metode yang digunakan yaitu metode langsung (konversi dengan menggunakan foto konduktor) dan metode tak langsung (konversi menjadi cahaya dengan menggunakan sintilator).Pada metode tak langsung, digunakan matriks fotodiode yang dapat mengkonversi cahaya dan sinar-X menjadi muatan listrik. Pada setiap fotodiode muatan pembawa diintegrasikan untuk jangka waktu tertentu sebelum dibaca setiap pikselnya untuk mendapatkan representasi grafis dalam akusisi data. Setiap foto diode dihubungkan dengan batas switch TFT (TFT=Thin Film Transistor) yang secara aktif membaca akumulasi muatan pada titik tertentu dalam suatu waktu.Pada metode langsung atau yang disebut dengan DDR (Direct Radiography Digital) digunakan generator asli sinar-X untuk mengekspos layar yang terletak di bawah meja sinar-X. Layar ini terdiri dari bahan scintillated seperti silikon amorf, cesium atau selenium yang mengubah sinar-X menjadi cahaya tampak dan kemudian diubah menjadi sinyal digital yang dikonversi menjadi citra. Proses ini membutuhkan waktu beberapa detik meskipun menggunakan kaset terbesar yaitu 35 x 43cm. Resolusi dan kualitas citra yang dihasilkan sangat baik karena ukuran panel dan sensitivitasnya.

Gambar 10. Contoh perangkat direct digital radiographyB. Computed Radiography (CR)Teknologi ini membutuhkan generator tabung X-ray asli yang ditembakkan pada kaset CR, sebagaimana dilakukan kaset film. Sebaliknya CR kaset berisi layar fosfor yang dapat digunakan kembali. Kaset ini tersedia dalam beberapa ukuran yang berbeda.Kaset CR ditempatkan dalam prosesor yang selanjutnya menghapus layar dari kaset. Pembaca CR kemudian memberi energi pada layar dengan menggunakan laser. Hal ini menyebabkan emisi cahaya sesuai dengan energi yang diberikan oleh paparan sinar-X. Waktu yang diperlukan antara pengambilan paparan dan kemudian melihat gambar pada layar komputer dengan CR adalah sekitar satu menit. Pembaca CR kemudian menghapus layar fosfor dengan cara mengarahkan sinar ultraviolet ke layar fosfor tersebut. Sistem tercepat menghasilkan 60 plat per jam dan lainnya turun sampai 20 plat per jam.Teknologi CR ini menggunakan detector photostimulable storage phosphor (PSP) yang menggantikan kaset screen film (SF) pada sistem Radiografi Konvensional (RK). Plat storage-phosphor ditunjukkan di dalam kaset dengan dimensi standard untuk radiografi hitam-putih khas tanpa mengubah generator sinar-X, dinding Bucky dan tabung sinar-X atau sistem meja paparan. Teknologi CR memberikan keleluasan radiografer untuk memperoleh citra radiografi hitam putih lebih baik dibanding unit SF pada sistem RK.Perbedaan dengan sistem RK adalah bagaimana citra laten diciptakan dan bagaimana pengolahan citra ini dikerjakan. Siklus pencitraan CR dasar mempunyai tiga langkah yaitu: (i) pemaparan, (ii) readout, dan (iii) pengolahan citra. Keluaran dari CR ini adalah citra radiograf yang bisa dinyatakan dalam bentuk tingkat keabuan pixel berupa angka-angka secara kuantitatif.

Gambar 11. Skema penyinaran sinar-X pada sistem CR

SISTEM RD DI LAB FISIKA MEDIK UNNESSecara skematis, rancang bangun sistem radiografi digital yang disusun dilukiskan seperti Gambar 12. Gambar ini menjelaskan tentang sistem radiografi konvensional yang dimodifikasi menjadi sistem radiografi digital berbasis Intensifying Screen dengan menggunakan sensor CMOS yang terdapat pada kamera DSLR sebagai penangkap bayangan objek.

Gambar 12. Sistem Radiografi Digital berbasis kamera DSLR

Dengan menambah tabung kedap cahaya (light tight tube) dibelakang intensifying screen maka bayangan obyek bisa ditangkap oleh camera CCD untuk ditampilkan pada layar monitor PC (radiograph), sehingga pemrosesan film radiografi konvensional tidak diperlukan lagi.

Gambar 13. Diagram alir Sistem Pencitraan Radiografi Digital (RD) modifikasi dari Sistem Radiografi Konvensional

Dengan pemrograman GUI dari Matlab, pada citra radiograf digital yang dihasilkan dapat dilakukan perbaikan kontras citra serta sekaligus menghitung kualitas citra dengan menggunakan metode CNR (contras to noise ratio) serta menampilakn histogram dan MSE (Mean square error).