Prinsip dari X-ray, & perangkat X-ray & CT Scan

Daftar isi

Pendahuluan :- Sejarah singkat- Pendefinisian- Pembangkitan dari radiasi ion- Pendeteksian radiasi- Instrumentasi untuk pendiagnosisan X-ray- Visualisiasi dari X-ray- Perangkat X-ray

Perangkat khusus :- Grids- Contrast Media- Angiography- Cardiac Chateterization- 3-Dimensional Visualization- Computerized Axial Tomography (CAT) Scanners

Kualitas Citra RadiografiKomponen Utama dari Perangkat X-ray :

- X-ray Tube- High Voltage Generator- Switches

o Control of Exposure Time- Components and Controls pada X-ray Circuit- Electrical System dan Main Supply- Radiographic Tables- Electrical Safety

Prinsip dari X-ray, & perangkat X-ray & CT Scan

Pada tahun 1895, Conrad Röntgen, fisikawan Jerman, menemukan tipe radiasi yang tidak diketahui keika bereksperimen dengan tabung gas-discharege. Tipe radiasi ini dapat menembus benda padat dan menghasilkan citra dari struktur dalamnya. Karena kemisteriusan fenomena cahaya radiasi ini, disebut X-ray. Röntgen menerima hadiah Nobel pada tahun 1901 karena penemuannya.

Tidak lama setelah penemuannya, ternyata kegunaan penting lainnya ialah dalam pendiagnosisan medis. Juga untuk terapi medis. Aplikasi dari X-ray disebut juga Radiology. Perangkat X-ray menggunakan energi listrik untuk pembangkitannya.

Pendefinisian

Salah satu karakterisasi dari radiasi pada tabung X-ray atau pada material radioaktif ialah ion tersebut mengionisasi gas yang juga menjadi medium penyebarannya. Sehingga dibedakan antara istilah radiasi nonionisasi pada gelombang radio, cahaya tampak dan radiasi infra merah dan radiasi ionisasi seperti pada X-ray.

Banyak ditemukan radioisotop, yang digunakan pada tabung X-ray dan radium sebagai sumber radiasi. Kemampuannya untuk menembus material padat bervariasi yang dapat pula digunakan pada penelitian medis, selain untuk pendiagnosisan. Juga untuk terapi medis, seperti untuk kanker.

Ada 3 tipe radiasi, yaitu :Alpha rays, berupa partikel bermuatan positif, terdiri atas inti Helium, dan dapat bergerak dengan kecepatan 5-7 persen dari kecepatan cahaya. Kedalaman yang dapat ditembus yaitu 2 inci untuk media udara.Beta rays, berupa partikel bermuatan negatif. Kecepatannya bervariasi, dan dapat mendekati kecepatan cahaya. Kemampuannya untuk menembus medium tergantung dari kecepatannya, namun secara umum tidaklah besar. Baik Alpha dan Beta rays bila bergerak melalui media udara, dapat berinteraksi dengan molekul gas/udara sehingga mengionisasinya.Gamma Rays dan X-rays, berupa gelombang elektromagnetik yang memiliki panjang gelombang yang lebih kecil daripada gelombang radio/cahaya tampak, sekitar 10 -6 hingga 10-10 cm, dan berfrekuensi 1010 hingga 1014, dengan X-rays berada pada range terendah dan Gamma rays pada range tertinggi. Kemampuannya untuk menembus suatu benda padat, tergantung pada panjang gelombang, semakin kecil panjang gelombangnya, maka semakin besar daya tembusnya. Gamma rays tidak berinteraksi dengan molekul gas secara langsung, namun dengan photoelectrons yang dilepaskan ketika berinteraksi dengan benda padat.Gamma rays biasanya tidak dikarakterisasi dengan frekuensinya, namun dengan energi, yang besarnya proporsional.

E = hfdengan E = energi, ergs

h = konstanta Planck = 6,624 x 10-27 ergs sec f = frekuensi, hertz

Energi radiasi biasanya dituliskan dalam electron volts (eV), dengan 1 eV = 1,602 x 10 -12

ergADA GAMBARPembangkitan radiasi ion

X-rays dibangkitkan ketika elektron bergerak cepat, secara tiba-tiba diturunkan kecepatannya dengan menumbukkannya pada suatu target. X-ray tube merupakan dioda vakum bertekanan tinggi yang berisi katoda yang dipanaskan dilokasikan berseberangan dengan target yaitu anoda. Dioda ini dioperasian pada mode saturasi dengan temperatur katoda yang cukup rendah sehingga arus melalui tabung tidak bergantung pada tegangan anoda.

Intensitas dari X-rays bergantung pada arus yang melalui tabung. Arus ini dapat bervariasi dengan mengubah arus pemanas, yang mengontrol temperatur katoda. Panjang gelombangnya tergantung pada target materialnya dan kecepatan dari elektron yang menumbuk target, dapat divariaskan dengan mengubah tegangan target pada tabung. Tegangan yang biasanya digunakan untuk diagnosis, membutuhkan 30-100 kV, sementara arusnya memiliki rentang beberapa ratus miliampere. Tegangan tersebut didapatkan dari transformator tegangan tinggi yang diletakkan pada tangki berisi minyak untuk menghasilkan isolasi listrik. Ketika tegangan AC digunakan, tabung X-ray berkonduksi hanya selama ½ panjang gelombang, dan sisanya sebagai rectifier. Untuk perangkat terapi X-rays, dibutuhkan energi radiasi yang lebih tinggi, linear atau circular partikel accelerator digunakan untuk menghasilkan elektron berenergi tinggi. Ketika elektron menumbuk target, hanya sebagian kecil dari energi dikonversikan ke X-rays, selebihnya menjadi panas. Targetnya biasanya dibuat dari tungsteen, yang memiliki titik lebur yang tinggi. Atau juga dari material yang berpendingin air atau udara, atau berasal dari kerucut putar berpenggerak motor untuk meningkatkan pengurangan panas. Berkas elektron dikonsentrasikan untuk membentuk titik kecil pada target. X-rays tersebut bergabung dari berbagai arah pada titik ini, yang dapat disebut sebagai titik sumber radiasi.

Pendeteksian radiasi

Pierre dan Marie Curie menemukan bahwa radioaktivitas dapat dideteksi dengan 3 fenomena fisika :

- dengan pengemulsian fotografi- dengan ionisasi gas- kilatan cahaya ketika menumbuk material tertentu.

Untuk memvisualisasi konsentrasi radioisotop pada sampel biologi, digunakan suatu metoda fotografi yang disebut autoradiography. Yaitu irisan tipis jaringan biologis diletakkan pada pelat fotografi dan dibiarkan untuk membeku selama beberapa bulan. Lalu pelat fotografi tersebut menunjukkan citra sebuah distribusi isotop pada jaringan biologis tersebut.

Gas dilewatkan pada medan gaya listrik antara dua pelat kapasitor bermuatan, elektron berpindah diantara pelat tersebut sehingga membentuk aliran arus. Diatas tegangan tertentu, terbentuk semua ion berpasangan mencapai pelat yang berlawanan dan meningkatkan tegangan yang malahan tidak meningkatkan arus (terjadi saturasi). Aliran arus (biasanya sangat kecil) dapat digunakan untuk mengukur intensitas radiasi. Perangkat ini disebut ionization chamber.

Jumlah ion berpasangan yang terbentuk tergantung pada tipe radiasi. Terbanyak pada alpha dan terendah pada gamma. Jika tegangan ditingkatkan melewati suatu nilai tertentu, ion-ion dipercepat sehingga dapat menionisasi molekul gas tambahan (amplifikasi gas, proporsional counter). Jika tegangan ditingkatkan lagi, dapat terjadi ionisasi sempurna pada tabung (Geiger Counter). semakin tinggi tegangannya, tidak akan meningkatkan arus (plateau). Pembentukan ion merupakan suatu proses yang berkelanjutan sendiri dan perlu diakhiri, biasanya dengan pengurangan tegangan secara singkat. Geiger Counter

tidak dapat membedakan tipe radiasi, namun memilik kelebihan yaitu menghasilkan pulsa keluaran yang tinggi.

Konfigurasi fisis dari beberapa detektor didasarkan pada prinsip ionisasi gas. Mode operasinya ditentukan oleh tegangan kerjanya.

Tipe lain dari Geiger counter ialah spark chamber , yang terdiri dari elektroda yang letaknya berlawanan yang membutuhkan tegangan yang tidak terlalu tinggi untuk mendischarge-nya. Ionisasi terjadi karena lintasan radiasi, yang memicu percikan yang langsung men-discharge rangkaian dari kedua elektroda tersebut. Spark (percikan) dapat dideteksi oleh metoda fotografi atau gelombang bunyi yang dihasilkannya.

Logam garam tertentu (contohnya zinc sulfida) menghasilkan cahaya yang berpendar (fluorescence), ketika diradiasi dengan X-rays atau radiasi dari radioisotop. Ketika diamati dengan mikroskop untuk beberapa kondisi, terjadi scintilasi (kilatan cahaya yang cepat). Pada awalnya, scintilasi digunakan untuk mengukur radioaktifitas dengan menghitungnya. Baik scintilasi maupun fluorescence merupakan fenomena cahaya yang memiliki intensitas kecil, yang hanya dapat diamati dengan mata terlatih dalam gelap. Namun sekarang ini digunakan perangkat elektronis untuk pengamatannya, sehingga lebih baik.

Instrumentasi untuk X-ray diagnosis

Kegunaan dari X-rays sebagai salah satu cara pendiagnosisan didasarkan pada fakta bahwa komponen-komponen tubuh memiliki densitas yang berbeda terhadap cahaya. Ketika X-ray menembus tubuh, struktur dalam tubuh menyerap sejumlah radiasi. Radiasi yang meninggalkan tubuh memiliki intensitas sisa yang bervariasi, yang mencitrakan struktur dalam tubuh. Ketika intensitas sisa ini divisualisasikan dengan perangkat yang sesuai, citra negatif (bayangan) dihasilkan yang terkait dengan densitas X-rays dari organ tubuh. Tulang dan bagian luar dari tubuh menghasilkan citra yang lebih baik, karena memiliki perbedaan densitas yang besar dengan jaringan tubuh sekitarnya. Namun untuk organ lunak lainnya kurang baik hasil pencitraannya, kecuali bila digunakan teknik khusus.

Visualisasi dari X-rays

X-rays secara normal tidak dapat dideteksi dengan mata normal, sehingga perlu digunakan metoda yang tidak langsung, seperti pencitraan distribusi intensitas X-rays yang telah melewati tubuh. Ada tiga teknik untuk visualisasi X-rays :

Fluoroscopy : Rontgen menemukan X-rays ketika ia memperhatikan logam garam tertentu yang menyala dalam gelap ketioka ditumbuk oleh radiasinya. Kecerahan dari fluorescence merupakan fungsi dari intensitas radiasi. Fluoroscopi generasi awal hanya terdiri atas cardboard funnel, terbuka pada bagian lainnya untuk dilihat oleh observer, sementara bagian yang lebarnya untuk untuk diletakkan cardboardnya, yang telah dilapisi dengan

lapisan logam garam fluorescence. Citra yang dihasilkan agak buram, namun bila intensitas X-rays nya ditingkatkan maka akan berbahaya bagi tubuh penderita dan pengamat. Oleh karena itu, fluoroscopi secara langsung, dibatasi penggunaanya.

X-rays film : Meskipun X-rays memiliki panjang gelombang yang lebih pendek daripada cahaya tampak, mereka bereaksi dengan emulsi fotografi dengan cara yang sama. Setelah diproses dengan solusi yang masih terus dikembangkan, film tersebut diekspose ke X-rays yang menunjukkan citra dari intensitas X-rays. Sensitivitas X-rays dapat ditingkatkan dengan intensifying screen. Screen ini diletakkan dekat dengan permukaan film. X-rays film, dengan atau tanpa intensifying screen, dikemas dengan cassettes yang ringan padat dengan satu sisi terbuat dari plastik yang mudah ditembus oleh X-rays.

Image intensifiers. Citra yang buram dari fluoroscopy dapat ditingkatkan kualitasnya dengan bantuan image intensifier elektronik. Tabung intensifier berisi fluorescent screen dan permukaannya dilapisi oleh material yang bertindak sebagai photocathode. Citra elektron diproyeksikan ke layar phosphor pada bagian pangkal dari tabung, sebagai sistem lensa elektrostatik. Peningkatan kecerahan hasilnya tergantung dari percepatan elektron pada sistem lensa dan citra keluaran lebih kecil daripada image fluorescent. Citra yang dihasilkan memiliki kualitas kecerahan yang baik sehingga citra X-ray tersebut dapat dilihat pada ruangan berpenerangan normal. Digunakan TV camera untuk memudahkan penglihatan dari image intensified. Gambar dari TV ini direkam pada tape recorder.

Perangkat X-rays

Untuk mendapatkan citra X-rays dari bagian tertentu dari tubuh, bagian tersebut harus diekspose ke X-rays mesin dan perangkat pencitranya. Sinar dari X-rays yang menembus tubuh, membentuk citra pada perangkat pencitranya. Untuk mendapatkan citra yang baik, tubuh harus dekat dengan perangkat pencitranya dan jauh dari mesin X-rays.

Untuk portable X-rays, dengan pelat film yang ditempatkan dekat dengan pasien, dan tabung X-rays diposisikan menggunakan suatu lengan. Untuk mengatur kualitas dari X-rays, digunakan suatu bukaan (shutter).

Untuk perangkat X-rays statis, tabung X-rays ditempatkan menempel pada dinding ataupun atap ruang periksa, yang posisinya dapat diatur sedemikian rupa. Pelat filmnya ditempatkan di atas ranjang periksa, namun di bawah pasien. Apabila menggunakan image intensifyer tabung X-rays ditempatkan di bawah meja periksa sedangkan intensifyer-nya ditempatkan di atas pasien. Untuk beberapa model, image intensifyer dan tabung X-rays diletakkan sejajar, membentuk lengan C, sehingga saling berhadapan.

Tegangan tinggi yang dibutuhkan untuk pengoperasian X-rays, diperoleh dari transformer, yang biasanya ditempatkan dalam wadah yang berisolasi minyak, yang dihubungkan lewat kabel ke tabung X-rays. Panel kontrol X-rays biasanya terdiri atas 3 panel yang berbeda. Tegangan tabung, biasanya dituliskan dalam kilovolts peak (kVp),

menentukan daya tembus dari berkas X-rays. Arus berkas, biasanya dituliskan dalam miliampere, menentukan intensitas dari berkas X-rays, Pengontrol yang ketiga hanya berfungsi untuk mengatur durasi waktu selama penembakan (bisanya dalam orde detik, atau pecahan dari detik). Biasanya disediakan sebuah tabel untuk mempermudah dalam pengontrolan X-rays, sehingga dapat diperoleh suatu citra yang baik dari suatu bagian tubuh, namun terkadang perlu ada koreksi tertentu.

Perangkat Khusus

Bagian sebelumnya menjelaskan mengenai prinsip dari perwujudan citra X-rays, tetapi beberapa perangkat khusus perlu digunakan untuk mendapatkan ciitra yang lebih baik dari bagian tubuh.

GridsSeperti telah dijelaskan sebelumnya, sebenarnya beberapa berkas dari X-rays memasuki tubuh pasien, dan sisanya menyebar dan tidak menjalar dalam suatu garis lurus lagi. Jika suatu bagian tubuh hendak diperiksa ternyata tebal, dan jika penampang X-rays lebar, maka X-rays yang menyebar dapat menyebabkan citra yang dihasilkan menjadi kabur. Hal ini dapat diperbaiki denga menggunakan grid atau Bucky diaphragm ( sesuai dengan nama penemunya, Gustav Bucky ). Perangkat ini terdiri atas suatu struktur grid terbuat dari batangan timah tipis yang ditempatkan di bagian X-rays. Grid ini akan menghalangi berkas X-rays yang bergerak menyebar dan hanya meneruskan berkas yang bergerak lurus. Untuk menghindari bayangan yang akan ditimbulkan grid terhadap film, maka grid harus dipindahkan bergantian dengan suatu motor.

Media kontrasBagian tubuh luar dan tulang menyerap X-rays lebih baik daripada jaringan tubuh yang lunak. Untuk mendapatkan citra yang baik dari jaringan tubuh lunak, maka digunakan suatu media kontras. Media kontras tersebut diisikan ke suatu organ tertentu untuk mendapatkan citra X-rays yang lebih baik. Contohnya ialah pneumoencephalogram, ventrikel dari otak, dapat dilihat lebih jelas dengan mengisinya dengan udara, yang menyerap kurang X-rays daripada struktur otak. Seperti juga struktur gastrointestinal yang dapat dilacak keberadaannya dengan barium sulfate yang diberikan dengan cara diminum, yang memiliki daya serap X-rays lebih baik daripada jaringan tubuh di sekitarnya.

AngiographyPada prosedur angiografi, garis-grasi dari pembuluh darah dapat terlihat X-rays, dengan menyuntikkan suatu media kontras langsung menuju aliran darah pada bagian yang hendak diamati. Karena media kontras tersebut mudah larut dan hilang dalam aliran darah, maka proses pengambilan citra harus dilakukan secepat mungkin. Proses ini dapat dilakukan secara otomatis, dengan penggunaan power operated syringe dan electrical cassette charger.

Cardiac CatheterizationCardiac Catheterization merupakan suatu teknik untuk mendiagnosa gangguan katup, septal dan kondisi lain pada jantung yang ditandai dengan perubahan hemodinamika. Untuk mendiagnosanya, dilakukan dengan menyusupkan kateter khusus melalui pembuluh arteri, vena atau terkadang langsung melalui dada menuju jantung. Untuk mendapatkan hasil yang lebih baik lagi dengan fluoroskopi dengan image intensifier, kateter tersebut dimasukkan hingga ujungnya terletak pada posisi tertentu. Dengan menggunakan suatu kateter, dapat kita lakukan pengukuran tekanan jantung bagian dalam, dengan memposisikan kateter pada bagian tertentu. Gangguan septal dapat dideteksi dengan mengambil sampel darah dari beberapa bagian jantung, dan mengukur konsentrasi darah pada darah tersebut. Efisiensi pompa dapat dilakukan dengan mengukur tekanan pada ventrikel pada titik-titik tertentu pada siklus jantung. Dengan memasukkan suatu indikator pada kateter, maka dapat dilakukan pengukuran tersebut. Dengan menyuntikkan suatu media kontras ke bagian yang tepat melalui kateter jantung, (selective angiography), dapat divisualisaikan struktur pembuluh darah pada jantung termasuk pembuluh-pembuluh arteri.

Visualisasi 3 dimensiKeterbatasan dari citra X-rays ialah hanya dapat memvisualisikan dalam dua dimensi saja walau ogan tubuh yang dilihat berupa 3 dimensi. Suatu organ yagn terrletak di samping orang yang hendak kit amati, terkadang memberikan suatu informasi untu organ di sampingnya. Pada stereography, dua foto X-rays yang diambil dari sudut yang berbeda, yang bila dilihat dengan stereo viewer, maka akan didapat citra 3 dimensi. Dengan tomografi, foto X-rays menunjukkan struktur dari irisan bagian tubuh. Beberapa foto yang merepresentasikan irisan tersebut dengan level yang berbeda, maka akan didapat visualisasi 3 dimensi. Foto X-ray tomografi didapatkan dengan menggerakkan tabung X-ray dan pelat film pada arah yang berlawanan selama pengambilan gambar. Prosedur ini mengakibatkan citra pada struktur tersebut menjadi kabur karena pergerakan tersebut. Perangkat tomografi khusus yang dapat men-scan bagian tubuh dengan berkas X-ray tipis dan menentukan penyerapan X-ray dengan detektor radiasi telah dikembangkan. Citra yang didapatkan dari bagian tubuh ini akan direkonstruksi dari beberapa citra denngan bantuan komputer.

Computerized Axial Tomography (CAT) ScannersMerupakan suatu perangkat diagnosa medis yang terintegrasi dengan komputer. Prosedur pelaksanaannya ialah dengan mengkombinasikan pencitraan X-ray dengan aplikasi komputer sehingga menghasilkan visualisasi organ dalam dan struktur tubuh dengan kualitas yang lebih baik yang tidak dapat diraih dengan hanya menggunakan metode konvensional.

Prinsip dasar dalam pencitraan X-ray konvensional telah dibicarakan sebelumnya, yang intinya ialah foto X-ray merupakan bayangan dari semua organ dan struktur tubuh. Jika terdapat suatu obyek yang radioopaque, satunya berada di belakang yang lainnya, obyek yang memiliki ukuran yang lebih kecil akan tidak terlihat. Untuk mengatasinya maka digunakan metode tomografi linier, yang dikembangkan dengan mengkombinasikan tabung X-ray dan pelat film digerakkan secara bersama-sama dalam arah yang berbeda.

Untuk kombinasi kecepatan tertentu, maka akan didapatkan satu citra yang tegak lurus terhadap berkas X-ray.

Prinsip dari pembuatan citra X-ray dari beberapa titik juga digunakan dalam CAT, namun dengan cara yang berbeda. Titik-titik tersebut diambil secara axial dari tubuh. Berkas X-ray dikirimkan secara kecil (seperti batangan pensil) sehingga dapat men-scan irisan yang tegak lurus denga axis tubuh. Dengan men-scan beberapa irisan, maka akan didapatkan citra 3 dimensi. Selain mendiagnosa dengan bantuan film, dapat digunakan cara mengukur intensitas X-ray yang telah menembus tubuh dengan bantuan detektor kristal sodium iodide, xenon atau calcium chloride, yang berscintilasi. Cahaya scintilasi dapat diukur dengan tabung photomultiplier. Pada CAT, sumber berkas X-ray yang seukuran pensil diputar secara axial mengelilingi tubuh. Pada waktu yang sama detektor tersebut bergerak dengan arah yang sama, namun berseberangan tempat. Pengambilan gambar dilakukan setiap 1 0 hingga mencapai 180 0. Data-data tersebut diumpankan ke komputer, yang akan mengkombinasikan antara pola densitas dan rekonstruksi dari densitas anatomi dari citra 2 dimensi. Dengan mengulang proses ini untuk beberapa irisan, maka akan didapatkan representasi 3 dimensi.

Untuk mengurangi durasi waktu, CAT modern telah menggunakan sumber X-ray yang memproduksi fam beam dan berbagai detektor untuk mengukur secara simultan densitas yang melewati porsi irisan yang lebih besar. Untuk instrumen yang memiliki kinerja yang lebih cepat, memiliki fam beam yang dapat melingkupi seluruh bagian irisan. Beberapa ratus detektor dibutuhkan untuk mengukur pola densitas dari irisan dengan resolusi yang cukup untuk memenuhi standar interpretasi dokter. Untuk mempercepat durasi kerja CAT, dapat dilakukan dengan mengurangi titik yang akan diambil citranya. Contohnya untuk 15 scan, digunakan 12 0 setiap pengambilan citranya, atau 18 scan, digunakan 10 0

setiap pengambilan citranya. Sehingga durasi kerjanya dapat dikurangi sedikitnya 2,5 detik. Scanner dengan durasi kerja 100 mdet masih dalam pengembangan. Namun bila durasi kerja dipercepat, maka resolusi menjadi berkurang. Juga berlaku sebaliknya.

Laju scanning yang lebih tinggi memungkinkan untuk men-scan seluruh bagian dari tubuh, bilamana pasien diminta untuk menahan nafasnya dan tidak bergerak untuk beberapa detik. Dengan mensinkronisasi proses dengan instrumen ECG, memungkinkan untuk merekonstruksi irisan dari hati untuk beberapa fase pada siklus jantung.

Beberapa teknik matematika yang berbeda dapat digunakan untuk merekonstruksikan citra dari beberapa pola densitas selama pengambilan gambar. Sebagian besar melibatkan transformasi Fourier, dan beberapa membutuhkan operasi iteratif, yang kesemuanya dapat dilakukan oleh komputer. Filter digital ruang (spatial digital filter) digunakan untuk menghilangkan efek blurring pada citra X-ray yang dihasilkan. Pada gambar dapat dilihat contoh dari citra rekonstruks dari irisan otak. Pada beberapa sistem, efek kontras pada beberapa daerah dengan densitas yang berbeda dapat ditingkatkan kualitas perbedaannya dengan menggunakan TV monitor yang akan menambilkan perbedaan warna. Proses ini disebut color enhancement. Proses ini sangat membantu untuk meninterpretasi deteksi tumor atau keganjilan-keganjilan lain pada tubuh.