Hak Cipta © dan Hak Penerbitan dilindungi Undang-undang Cetakan pertama, November 2020 Penulis : 1. Tri Bowo Indrato, ST., MT 2. Dr. Endro Yulianto, ST., MT 3. Muhammad Ridha Mak’ruf, ST., MSi Pengembang Desain Intruksional: Dra. Dina Mustafa, M.Sc Desain oleh Tim P2M2 : Kover & Ilustrasi : Bangun Asmo Darmanto, S.Des Tata Letak : Heru Junianto, S.Kom Jumlah Halaman : 220

iii DAFTAR ISI Halaman BAB I: RADIASI SINAR-X 1 Topik 1. Konsep Dasar Radiasi Sinar-X …………………………………………………… 3 Latihan ....…………………………………………….................................................................. 30 Ringkasan ..…………………………………………................................................................... 30 Tes 1 ..……………………………..……................................................................................. 31 Topik 2. Tabung Sinar-X …………………………………………….………………..……… 33 Latihan ....…………………………………………….................................................................. 66 Ringkasan ..…………………………………………................................................................... 66 Tes 2 ..……………………………..……................................................................................. 67 KUNCI JAWABAN TES ……………..……………............................................ 69 GLOSARIUM……………………...................................................................... 70 DAFTAR PUSTAKA ……………………………................................................. 74 BAB II: RANGKAIAN PEMBANGKIT SINAR-X 75 Topik 1. Pasokan Sumber Listrik pada Mesin Sinar-X ………………………………… 77 Latihan ....…………………………………………….................................................................. 86 Ringkasan ..…………………………………………................................................................... 87 Tes 1 ..……………………………..……................................................................................. 87 Topik 2. Rangkaian Filamen Tabung Sinar-X …………………………………………… 89 Latihan ....…………………………………………….................................................................. 121 Ringkasan ..…………………………………………................................................................... 122 Tes 2 ..……………………………..……................................................................................. 122

iv Topik 3. Rangkaian Primer Pembangkit Tegangan Tinggi ……………………….… 125 Latihan ....…………………………………………….................................................................. 140 Ringkasan ..…………………………………………................................................................... 141 Tes 3 ..……………………………..……................................................................................. 141 Topik 4. Rangkaian Sekunder Pembangkit Tegangan Tinggi ………………………. 144 Latihan ....…………………………………………….................................................................. 160 Ringkasan ..…………………………………………................................................................... 161 Tes 4 ..……………………………..……................................................................................. 162 KUNCI JAWABAN TES ……………..……………............................................. 165 GLOSARIUM……………………....................................................................... 166 DAFTAR PUSTAKA ……………………………................................................. 170 BAB III: PENGELOLAAN PERALATAN SINAR-X 171 Topik 1. Pemasangan dan Penerimaan Peralatan Radiologi ……………………….. 173 Latihan ....…………………………………………….................................................................. 182 Ringkasan ..…………………………………………................................................................... 183 Tes 1 ..……………………………..……................................................................................. 183 Topik 2. Pengoperasian Peralatan Radiologi …………………………………………… 186 Latihan ....…………………………………………….................................................................. 190 Ringkasan ..…………………………………………................................................................... 191 Tes 2 ..……………………………..……................................................................................. 191 Topik 3. Pemeliharaan Mesin Sinar-X ……………………………………………………. 194 Latihan ....…………………………………………….................................................................. 203 Ringkasan ..…………………………………………................................................................... 204 Tes 3 ..……………………………..……................................................................................. 204

v KUNCI JAWABAN TES ……………..……………............................................. 207 GLOSARIUM……………………....................................................................... 208 DAFTAR PUSTAKA ……………………………................................................. 212 RIWAYAT HIDUP PENULIS……………………………………………………….. 213

vi TINJAUAN BAHAN AJAR Buku ajar ini menguraikan konsep peralatan Radiologi dasar, dan pengelolaan peralatan tersebut secara umum, serta penilaian risiko peralatan Radiologi yang berbasis radiasi dan tegangan tinggi. Buku ajar ini terangkum dalam 3 bab yang diuraikan secara rinci dalam 9 (sembilan) topik bahasan. Masing-masing topik dilengkapi dengan ringkasan materi dan contoh-contoh soal beserta penyelesaiannya yang terkait uji kompetensi atau exit-exam. Buku ini ditujukan untuk memandu mahasiswa Teknik Elektromedik dalam menguasai konsep teoritis terkait pengetahuan peralatan Radiologi dasar dan aplikasi konsep-konsep itu, untuk mencapai kompetensi lulusan yang ditetapkan. Adapun kompetensi yang diuraikan dalam buku ajar ini adalah mampu menjelaskan tentang konsep dasar, pemasangan/instalasi; penggunaan/pengoperasian; perencanaan pemeliharaan; analisis teknis perbaikan; serta pemindahan dan pemasangan ulang alat elektromedis, Radiologi dasar.

enemuan sinar-X (Rontgen) merupakan suatu revolusi dalam dunia kedokteran, karena ternyata dengan hasil penemuan itu dapat diperiksa bagian-bagian tubuh manusia yang sebelumnya tidak pernah dapat dicapai dengan cara pemeriksaan konvensional. Setelah diketahui bahwa sinar Rontgen dapat mengakibatkan kerusakan yang dapat berlanjut sampai berupa kanker kulit bahkan leukemia, maka mulailah diambil berbagai tindakan untuk mencegah kerusakan tersebut. Pengaruh radiasi pada organ tubuh manusia dapat bermacam-macam, tergantung pada jumlah dosis dan luas lapangan radiasi yang diterima. Sinar-X merupakan radiasi gelombang elektromagnetik yang memiliki energi yang dapat menembus suatu obyek tertentu. Sifat inilah yang dapat digunakan sebagai teknik pencitraan medis yang berupa foto atau gambaran struktur tubuh yang dapat digunakan sebagai diagnosa suatu penyakit dalam tubuh manusia. Sinar-X adalah salah satu bentuk radiasi, maka selain memiliki manfaat juga memiliki potensi risiko bahaya. Dengan demikian diagnostik dengan menggunakan sinar-X harus diupayakan untuk memperoleh manfaat yang besar dengan menekan potensi risiko yang serendah mungkin. Sinar-X dapat merusak sel-sel di tubuh, karena berpotensi menimbulkan risiko kanker, dengan peningkatan risiko radiasi sangat bergantung pada prosedur penggunaan sinar-X dan jumlah pemeriksaan yang dilakukan. Setiap pemeriksaan menggunakan sinar-X akan memberikan dosis radiasi yang BAB 1 RADIASI SINAR-X Tri Bowo Indrato, ST., MT M. Ridha Mak’ruf, S.T., M.Si P PENDAHULUAN 1

2 Peralatan Radiologi Dasar berbeda-beda pada pasien tergantung pada jenis sinar-X yang digunakan, pengulangan pemeriksaan, dan lamanya pemeriksaan. Uraian pada bab 1 ini akan memberikan Anda kemampuan untuk menjelaskan konsep-konsep fisika, kelistrikan dan elektronika serta perkembangan teknologi, sehubungan dengan prinsip kerja dan sifat-sifat sinar-X pada peralatan radiologi (mesin sinar-X) yang ada di fasilitas-fasilitas pelayanan kesehatan (Fasyankes). Bab 1 ini juga akan memberikan Anda kemampuan untuk menjelaskan prinsip-prinsip keamanan dan keselamatan kerja (K3), serta patient safety terkait peralatan radiologi ini. Pada bab 1 ini akan dibahas 2 topik, yaitu: Topik 1: Konsep Dasar Radiasi Sinar-X, dan Topik 2: Tabung Sinar-X Anda diharapkan mempelajari setiap topik secara berurutan dimulai dari uraian, membuat Latihan dan mengerjakan Tes pada setiap topik tanpa melihat kunci jawaban terlebih dahulu. Dengan demikian Anda dapat menilai sendiri penguasaan Anda terhadap setiap topik untuk mempersiapkan diri menghadapi UAS mata kuliah ini atau Uji Kompetensi. Selamat belajar dan semoga sukses.

TOPIK 1 Konsep Dasar Radiasi Sinar-X ada tahun 1888 Wilhelm Conrad Rontgen (1845-1923) menjadi profesor fisika eksperimental di Universitas Wurzburg (Munich), dan menjadi direktur Institut Fisika. Dia telah mencatat sejarah dengan penelitiannya menggunakan koil induksi Ruhm-korff yang dihubungkan dengan sejenis tabung Crookes yang terbuat dari Glass Envelope. Tabung ini berisi gas Argon atau Xenon. Tabung ini memiliki anoda dan katoda, yang jika ada perbedaan potensial di antaranya maka gas-gas ini akan terionisasi sehingga elektronelektron akan membebaskan diri dari ikatan atomnya. Dia sering mengamati munculnya fluoresensi hijau pada dinding kaca tabung yang dihasilkan oleh pelepasan listrik (elektron) dari kutub negatif (katoda). Pada perkembangan selanjutnya, pada tahun 1913, Collige menyempurnakan penemuan Rontgen dengan memodifikasi tabung yang digunakan, yaitu tabung vakum yang di dalamnya hanya terdapat 2 elektroda yaitu anoda dan katoda. Tabung jenis ini kemudian disebut hot chatoda tube dan merupakan tabung yang dipergunakan untuk pesawat Rontgen konvensional sampai saat ini. Katoda/filamen tabung sinar-X selanjutnya dihubungkan ke ke transformator filamen. Transformator filamen akan memberi catu daya pada filamen tersebut sehingga mengakibatkan terjadinya pemanasan pada filamen tabung sinar-X sehingga menyebabkan thermionic emission, yaitu elektron-elektron akan membebaskan diri dari ikatan atomnya dan terbentuklah awan elektron. Anoda dan katoda di hubungkan dengan transformator tegangan tinggi (HTT) antara 10 kV–150 kV. Jika pada bagian primer HTT dihubungkan dengan catu daya AC (arus bolak-balik ), maka akan terjadi garis-garis gaya magnet (GGM) yang akan berubah–ubah. Akibat dari perubahan garis-garis gaya magnet ini akan menyebabkan timbulnya gaya gerak listrik (GGL) pada kumparan sekunder, yang besarnya tergantung dari setiap perubahan fluks pada setiap perubahan waktu (E = -d Φ/dt ). Dari proses ini didapatkanlah P

) dan katoda mendapat polaritas negatif (-) maka elektron-elektron bebas yang ada di sekitar katoda akan ditarik menuju anoda, akibatnya terjadilah suatu loop (rangkaian tertutup), yang menyebabkan terjadi arus elektron yang berlawanan dengan arus listrik yang kemudian disebut arus tabung. Pada saat yang bersamaan, elektron-elektron yang ditarik ke anoda tersebut akan menabrak target (anoda). Jika tabrakan elektron tersebut tepat pada inti atom, maka disebut peristiwa Breamstrahlung, dan apabila menabraknya pada elektron dikulit K disebut “K karakteristik”. Akibat tabrakan ini maka terjadi hole-hole pada susunan atom target (anoda), hal ini disebabkan karena terpentalnya elektronelektron yang ditabrak tersebut. Selanjutnya hole-hole ini akan diisi oleh elektron-elektron lain yang akan terjadi secara berantai. Perpindahan elektron ini akan menghasilkan suatu gelombang elektromagnetik (GEM) yang memiliki panjang gelombang berbeda-beda. Gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang 0,1 – 1 Å inilah yang kemudian disebut sinar-X atau sinar Rontgen A. PRODUKSI RADIASI SINAR-X Produksi sinar-X bergantung pada konversi energi kinetik elektron, yang bergerak dengan kecepatan tinggi yang akan menjadi energi radiasi. Konversi ini terjadi ketika elektron menabrak pada target (anoda). Dari hukum kekekalan energi, dapat disimpulkan bahwa energi sinar-X tidak dapat lebih besar daripada energi elektron. Menurut hukum Planck (E = hѵ) yang menunjukkan bahwa karena frekuensi radiasi inar-X sangat tinggi, dibandingkan misalnya dengan frekuensi sinar tampak, maka energinya juga akan lebih besar. Dengan demikian agar dapat menghasilkan radiasi sinar-X maka elektron-elektron tersebut harus memiliki energi kinetik yang tinggi. Karena massa elektron dan kelembamannya yang sangat kecil, maka memungkinkan electron untuk bergerak dengan kecepatan yang sangat tinggi ketika dikenai medan gaya yang sesuai antara katoda dan anoda pada tabung sinar-X. Energi kinetik sebuah elektron diperkirakan sama dengan ½ mV2 , dengan m merupakan massa elektron dan V merupakan kecepatannya. Karena energi kinetik sebanding dengan kuadrat kecepatan, elektron memperoleh energi yang sangat tinggi meskipun massanya kecil.

Peralatan Radiologi Dasar 5 Energi foton yang dihasilkan dari radiasi sinar-X dapat diekspresikan dalam satuan yang sama. Jika elektron dipercepat dalam medan gaya karena adanya beda potensial, maka energi yang diperolehnya adalah = (1⁄2) 2 electron-volts. Selanjutnya seluruh energi ini akan diubah menjadi energi foton tunggal radiasi sinar-X (elektron-volt). Perlu diperhatikan perbedaan antara kilovotage (kV) dan kilo elektron votage keV. Sebagai contoh, untuk sinar-X 100 kV menunjukkan radiasi yang dibangkitkan pada 100 kV, dan radiasi semacam itu akan terdiri dari foton-foton yang memiliki berbagai energi, yang sebagian besar kurang dari 100.000 elektron-volt. Hubungan W = eV = ½ mv2 benar-benar terjadi hanya jika kecepatan elektron lebih kecil dibandingkan dengan kecepatan cahaya. Dalam teori kesetaraan massa-energi, Einstein mengemukakan bahwa kecepatan cahaya dalam ruang hampa “C” tidak dapat dilampaui oleh bentuk materi atau energi yang seragam, dan juga massa partikel mana pun. Einstein menyatakan bahwa jika massa benda atau partikel yang diam adalah m, (massa pada kecepatan nol, bukan massa nol), maka massa pada kecepatan v dapat diformulasikan sebagai berikut. Persamaan 1: = 0 √(1 − 2 2 ) dengan m, mo, v, dan c masing-masing sebagai massa elektron; massa pada kecepatan nol; kecepatan elektron, dan kecepatan cahaya. Kecepatan sebagian besar objek yang dapat diamati secara langsung, bahkan kendaraan ruang angkasa, lebih kecil dibandingkan kecepatan cahaya. Dengan demikian parameter 2 / 2 dalam persamaan 1 memiliki besaran atau nilai yang dapat diabaikan, sehingga nilai √(1 − 2 ⁄ 2), secara virtual sama dengan satu. Maka tidak ada perbedaan yang nyata antara nilai m dan mo. Karena alasan inilah penambahan massa elektron tidak diikuti dengan kenaikan kecepatan elektron. Nilai √(1 − 2 ⁄ 2) kemudian berkurang dengan cepat, dan m menjadi jauh lebih besar daripada m0. Jadi massa partikel itu menjadi tidak terbatas dan tidak dapat digerakkan, sehingga tampaknya kecepatan materi tidak dapat melebihi atau bahkan mendekati kecepatan cahaya. Dengan menggabungkan formulasi Einstein untuk energi dan perolehan massa, maka energi elektron saat dipercepat dalam medan

6 Peralatan Radiologi Dasar tegangan (V volt) adalah selisih antara energinya saat relatif diam, (0. 2 ) dan energinya pada kecepatan v ( . 2 ), atau ( = . = . 2 − 0 . 2 ) = 2 ( − 0 ). Dari pernyataan tersebut maka energi dapat dituliskan dalam bentuk formulasi berikut. Persamaan 2: = = 2 ( 0 √1 − 2 ⁄ 2 − 0) atau, = = 0 2 ( 1 √1−2⁄2 − 1) Jika nilai yang sesuai dimasukkan ke dalam persamaan 1 ini, kecepatan elektron yang dipercepat pada 10 kV, misalnya ditampilkan hampir 6 x 109 cm detik-1 , atau sekitar 20% kecepatan cahaya. Pada 100 kV, elektron mencapai kecepatan 75x1010 cm. det-1 , atau 55% kecepatan cahaya. Energi elektron yang hilang ketika menumbuk pada target tabung sinar-X dapat diubah menjadi radiasi sinar-X dengan beberapa cara, antara lain, elektron dapat menumbuk karena interaksi dengan inti atom target. Massa inti sangat besar dibandingkan dengan elektron sehingga atom tidak memperoleh energi dari tumbukan dan seluruh energi elektron dapat diubah menjadi foton tunggal radiasi sinar-X. Peristiwa ini sangat kecil kemungkinannya, tetapi dapat menghasilkan produksi foton dengan energi maksimum atau panjang gelombang terpendek. Interaksi antara elektron yang dipercepat (elektron dari katoda) dan elektron orbital dalam atom dengan target lebih sering terjadi. Jika energi yang dilepaskan pada tumbukan dua elektron cukup, maka elektron orbital dikeluarkan, dan atom terionisasi kemudian memancarkan radiasi karakteristik. Elektron katoda dapat melepaskan semua energinya pada satu benturan tersebut, atau mungkin secara berturut-turut, setiap kali tumbukan akan kehilangan sebagian kecil energinya sampai akhirnya semua energi hilang. Dalam setiap kasus, frekuensi atau panjang gelombang radiasi yang dipancarkan sesuai dengan persamaan Planck, = ℎ = ℎ. Dari sini memungkin terjadinya pertukaran energi, terbukti bahwa radiasi sinar-X yang dihasikan memiliki spektrum relatif lebar.

Peralatan Radiologi Dasar 7 B. SPEKTRUM RADIASI SINAR-X Pertukaran energi yang paling sederhana terjadi ketika elektron dari katoda melepaskan semua energinya pada satu tumbukan dengan atom target. Ketika elektron dipercepat oleh beda potensial V volt, energinya adalah eV elektron-volt, dan jika semua energi ini diubah menjadi satu kuantum radiasi, frekuensi (v) dan panjang gelombang (λ) radiasi maka dapat direpresentasikan sebagai energi = . = ℎ. = ℎ. (⁄) dengan panjang gelombang ⋋= (ℎ⁄) ( 3). Tampak pada persamaan 3 ini, jumlah energi terbesar dapat diubah pada tegangan (kV) tertentu, dan karenanya menghasilkan panjang gelombang terpendek. Dari persamaan 3 ini terlihat bahwa panjang gelombang berbanding terbalik dengan tegangan yang melintasi tabung, yang sesuai dengan hukum Duane-Hunt. Energi yang dilepaskan pada setiap tumbukan kemudian kurang dari nilai maksimal, sehingga menghasilkan kuanta radiasi dengan panjang gelombang lebih panjang seperti yang dinyatakan oleh Duane-Hunt. Karena dalam batas maksimum dan minimum, maka dampaknya dapat dibuat sejumlah energi yang bervariasi dengan panjang gelombang yang berbeda. Gambar 1.1 Sinar X dalam ½ Siklus Gelombang Sejauh ini telah diasumsikan bahwa semua elektron dari katoda yang menumbuk di target (anode) memilki energi yang sama, tetapi dalam kenyataannya tidak seperti itu yang terjadi. Sekalipun tabung sinar-X diberi energi dari sumber potensial yang konstan, sejumlah faktor menyebabkan elektron dari katoda memiliki energi akhir yang bervariasi di target. Jika potensial bergelombang, maka energi elektron saat mencapai target mencakup jangkauan yang lebih luas, yaitu ketika tegangan yang diberikan selama satu siklus besarnya bervariasi.

8 Peralatan Radiologi Dasar Variasi tegangan yang diberikan pada tabung sinar-X dalam satu periode terjadi dua siklus puncak, siklus pertama terjadi pada ½ periode yang dimulai dari 0o hingga 180o , selanjutnya siklus kedua terjadi pada ½ periode dari 180o hingga 360o , sehingga dalam satu periode akan terjadi dua siklus dengan pola yang sama. Pada gambar 1.1 terlihat bahwa sinar-X dihasilkan hanya selama sebagian waktu dalam siklus gelombang. Elektron yang dipercepat pada tegangan di bawah nilai sinar-X akan menghasilkan energi panas dalam jumlah yang sangat tinggi pada target, dan radiasi sinar-X yang sangat sedikit. Pada pancaran radiasi sinar-X yang dihasilkan dengan metode konvensional, terdapat distribusi panjang gelombang yang luas. Karena kombinasi dari kedua faktor ini, maka ada energi yang sangat berbeda yang digunakan elektron untuk mencapai target, sehingga kemungkinan menyebabkan elektron kehilangan energinya secara bertahap. Total intensitas pancaran adalah jumlah dari intensitas yang dikontribusikan oleh setiap panjang gelombang di dalamnya. Intensitas dan panjang gelombang masingmasing komponen radiasi sinar-X dapat diukur dan hasil analisisnya dapat ditunjukkan dalam bentuk grafik pada Gambar 1.2. Gambar 1.2 Kurva Distribusi Energi Sinar-X Dengan menerapkan persamaan ini akan ditemukan, misalnya, pada 80 kV panjang gelombang batas kira-kira 0-155Å, sedangkan pada 250 kV adalah 0–0,5 Å. Batas panjang gelombang adalah salah satu faktor utama yang menentukan kualitas daya tembus sinar-X, karena bergantung pada tegangan puncak pada tabung. Ini menjadi sarana yang digunakan radiografer

Peralatan Radiologi Dasar 9 diagnostik untuk mengekspresikan penetrasi (daya tembus). Intensitas maksimum terjadi pada panjang gelombang yang sangat rendah, dan ini kemungkinannya sangat kecil karena semua berkas elektron dengan energi maksimum terjadi pada satu tumbukan. Intensitas radiasi yang dihasilkan ketika dilewatkan pada suatu jaringan atau obyek memiliki luaran yang berbeda, karena jaringan memiliki tingkat kerapatan yang tidak sama, sehingga sebagian akan diserap oleh jaringan tersebut sebelum mencapai lapisan film. Dengan demikian perlu menambah suatu filter guna mereduksi dosis radiasi yang tidak signifikan menembus ke pasien. C. KARAKTERISTIK RADIASI SINAR-X Jika elektron katoda memiliki energi yang cukup, maka dapat berinteraksi dengan elektron pada orbit dalam atom target. Dengan demikian atom akan terionisasi dan elektron dari orbit luar mengisi kekosongan dan melepaskan kelebihan energinya sebagai kuanta radiasi. Ketika atom dengan nomor atom tinggi (misalnya tungsten) terionisasi pada kulit elektron bagian dalam, radiasi karakteristik yang dihasilkan memiliki panjang gelombang dalam rentang sinar-X. Agar hal ini terjadi pada tungsten, elektron katoda harus memiliki energi tidak kurang dari kira-kira 80 keV, sehingga bila tegangan tabung adalah 80 kV atau lebih akan dihasilkan radiasi karakteristik. Elektron katoda dapat mengionisasi atom target pada salah satu kulit atomnya, dan kekosongan yang dihasilkan dapat ditempati oleh elektron dari kulit mana pun yang lebih jauh dari inti. Oleh karena itu sejumlah transisi sangat mungkin terjadi, yang masing-masing akan menghasilkan radiasi kuantum dengan panjang gelombang yang berbeda-beda. Namun dalam praktiknya spektrum radiasi karakteristik yang dipancarkan terbatas, oleh karena itu banyak transisi yang mungkin menjadi jarang terjadi, dan radiasi karakteristik dengan panjang gelombang terpanjang biasanya diserap oleh dinding kaca tabung sinar-X, sedangkan ionisasi di kulit terluar hanya akan menghasilkan panas.

10 Peralatan Radiologi Dasar Gambar 1.3 Spektrum Radiasi Karakteristik Garis karakteristik paling signifikan yang muncul dalam berkas sinar-X ditunjukkan secara grafis pada gambar 1.3 (a). Garis terjauh ke kiri memiliki panjang gelombang terpendek dan mewakili radiasi yang dihasilkan oleh konversi energi maksimum ketika elektron K dilepaskan. Di dekatnya ada dua garis radiasi karakteristik yang juga disebabkan oleh ionisasi K. Kelompok tiga garis ini disebut seri K. Dua garis utama dari deret L diperlihatkan ke kanan, karena ini memiliki panjang gelombang yang lebih panjang. Seri M juga dapat terjadi tetapi memiliki panjang gelombang yang sangat panjang sehingga radiasi diserap sebelum berkas muncul dari pelindung tabung. Spektrum radiasi karakteristik telah diilustrasikan secara terpisah pada gambar 1.3 (a) untuk menekankan bahwa itu hasil dari jenis konversi energi tertentu. Spektrum radiasi secara umum dihasilkan secara bersamaan, sehingga jika tegangan tabung melebihi 80 kV, berkas sinar-X akan terdiri dari radiasi umum dan radiasi karakteristik. Grafik yang ditunjukkan pada gambar 1.3(a) selanjutnya dimodifikasi seperti pada gambar 1.3 (b), puncak tajam yang mewakili garis karakteristik yang ditumpangkan pada kurva umum. Radiasi karakteristik memiliki panjang gelombang yang lebih panjang jika dibandingkan dengan sebagian besar spektrum radiasi umum dan akan dengan mudah diserap dalam jaringan. Puncak pada kurva menunjukkan

Peralatan Radiologi Dasar 11 bahwa intensitas sinar-X karakteristik relatif tinggi, dan dapat menambah dosis pasien secara signifikan. D. PENGARUH TEGANGAN TINGGI PADA TABUNG SINAR-X Ketika tegangan tinggi yang diterapkan pada tabung sinar-X dinaikkan, sebagian besar elektron yang meninggalkan katoda akan memperoleh energi yang cukup untuk menghasilkan sinar-X ketika berkas elektron tersebut menumbuk pada target. Hal ini karena intensitas berkas radiasi umum ditingkatkan dan batas panjang gelombang dipersingkat. Dalam gambar 1.4 (a) dua setengah siklus tegangan pulsasi dibandingkan V1 lebih besar dari V2. Seperti pada gambar 1.1, dimana tegangan minimum dipilih dan berubahubah (X) untuk produksi sinar-X yang berguna, sehingga akan terlihat bahwa pada tegangan tabung (kV) yang lebih tinggi akan lebih banyak elektron dari katoda yang menghasilkan sinar-X, karena nilai tegangan yang lebih besar terjadi secara proporsional. Peningkatan intensitas pada tegangan tabung (kV) yang lebih tinggi terjadi dengan potensial konstan serta potensial berdenyut, karena peningkatan tegangan tabung juga meningkatkan energi elektron yang hilang pada setiap rentetan tumbukan. Kurva spektrum pada gambar 1.4 (b) menunjukkan hasil perbandingan pada dua kondisi tegangan tabung (kV). Dari gambar 1.4 (b) tersebut terlihat bahwa V1 memiliki panjang gelombang dominan, maka V1 lebih intensif. Modifikasi lebih lanjut, karena jika tegangan tabung adalah 50 kV dan 100 kV misalnya, dan tabung mempunyai target tungsten, spektrum V1 akan mengandung radiasi karakteristik. Intensitas berkas radiasi sinar-X sebanding dengan ZV2 , di mana Z adalah nomor atom bahan target dan V adalah beda potensial pada tabung sinar-X. Korelasi ini menunjukkan bahwa intensitas meningkat dengan cepat bila tegangan pada tabung sinar-X ditingkatkan. Perlu juga dicatat bahwa ketergantungan intensitas pada Z menunjukkan keuntungan dalam menggunakan bahan target bernomor atom tinggi. Inilah salah satu alasan mengapa tungsten begitu umum digunakan dalam konstruksi target tabung sinar-X.

12 Peralatan Radiologi Dasar Gambar 1.4 Kurva Pengaruh Tegangan Tinggi terhadap Intensitas Sinar-X Hubungan ∝ 2 dengan sendirinya tidak memadai untuk penentuan film yang menghitam, karena peningkatan kV akan meningkatkan penetrasi sinar-X serta intensitasnya. Radiasi yang lebih sedikit diserap pada pasien, harus dipertimbangkan bersama dengan intensitas yang lebih besar saat menghitung faktor paparan. Pada kV tertentu kerapatan grafik foto (D) untuk tujuan paling praktis sebanding dengan produk arus tabung (mA) dan waktu pemaparan dalam detik (S), atau ∝ . Ketika dilakukan pengaturan tegangan tabung yang bervariasi, akan terjadi perubahan intensitas sebagai berikut: ∝ 5 . Ini bukan ekspresi yang mudah untuk dimanipulasi. Dalam prakteknya, garis lintang ekspos emulsi film biasanya mengizinkan penggunaan aturan yang lebih sederhana, bahwa peningkatan 15% dalam kV memerlukan separuh mAS dari kondisi awal, namun hal ini dilakukan pada kondisi pemeriksaan yang sama. Aturan yang umum diterapkan, bahwa film hitam yang sama akan terjadi jika tegangan dinaikkan sebesar 10 kV dan mA.S separuh dari kondisi awal, ini merupakan penyederhanaan dan harus digunakan hanya dalam kondisi tegangan tabung yang sangat terbatas. E. PENGARUH ARUS TABUNG Arus tabung diukur dalam mA yaitu merupakan arus yang mengalir dalam tabung sinar-X, hal ini juga merupakan aliran elektron dari katoda ke anoda. Arus diukur dan didefinisikan sebagai laju aliran (l), dan jika arus dinaikkan, maka laju aliran elektron katoda bertambah. Jumlah muatan litrik (Q) yang mencapai anoda dalam waktu t, adalah hasil kali laju aliran dan waktu,

Peralatan Radiologi Dasar 13 atau = .. Ahli radiografi lebih mengenal ungkapan I dan t dalam bentuk mA.S, karena I diukur dalam mA, dan t dalam detik (S). Karena produksi sinar-X disebabkan oleh interaksi atomik elektron katoda pada fokus tabung, intensitas berkas sinar-X berbanding lurus dengan jumlah elektron yang berinteraksi per detik. Oleh karena itu intensitas radiasi sinar-X sebanding dengan arus tabung (mA). Pengaruh perubahan arus tabung diilustrasikan pada gambar 1.5, dimana spektrum radiasi yang dihasilkan oleh arus I1 dibandingkan dengan spektrum radiasi yang dihasilkan oleh arus I2 yang lebih kecil. Akan terlihat bahwa perubahan arus tidak menyebabkan perubahan panjang gelombang baik batas maupun panjang gelombang dominan. Hal ini karena perubahan arus tabung tidak mengubah gaya yang bekerja pada elektron atau energi yang digunakan untuk mencapai target. Gambar 1.5 Kurva Pengaruh Arus Tabung terhadap Intensitas Sinar-X Jadi perubahan arus tabung hanya mengubah intensitas radiasi dan tidak mempengaruhi distribusi panjang gelombang dalam berkas radiasi sinar-X, pada kondisi tegangan tabung (kV) tetap konstan. Pada beberapa peralatan sinar-X, mA dan kV tidak saling bergantung satu sama lain, sehingga perubahan arus tabung dapat menyebabkan perubahan kV. Jika ini terjadi maka perubahan panjang gelombang pada berkas akan menyebabkan terjadinya perubahan pada intensitasnya.

14 Peralatan Radiologi Dasar F. PENGARUH FILTRASI TERHADAP INTENSITAS RADIASI SINAR-X Jika selembar logam tipis atau bahan lain ditempatkan di jalur berkas radiasi sinar-X, maka intensitas berkas sinar-X tersebut akan berkurang. Hal ini disebabkan karena sebagian radiasi diserap oleh bahan tersebut. Lembaran semacam itu dapat digunakan untuk memodifikasi dengan mereduksi spektrum radiasi sinar-X yang tidak berguna (merugikan), yaitu bertindak sebagai filter. Jumlah radiasi sinar-X yang diserap dalam filter tergantung pada ketebalan dan nomor atom bahan, serta panjang gelombang radiasi. Penyerapan lebih besar pada terjadi pada filter dan bahan yang lebih tebal dengan nomor atom lebih tinggi. Penyerapan juga lebih besar untuk radiasi dengan panjang gelombang yang lebih panjang. Ketika berkas radiasi sinar-X yang heterogen difilter, maka semua panjang gelombang akan berkurang sampai batas tertentu, tetapi radiasi tembus yang kurang (panjang gelombang lebih panjang) mengalami tingkat penyerapan terbesar. Efek filtrasi yang ditunjukkan pada gambar 1.6, terlihat bahwa dengan pemasangan filter akan mengurangi intensitas total berkas radiasi sinar-X, dengan reduksi terbesar pada ujung spektrum panjang gelombang. Hasilnya adalah bahwa setelah filtrasi, meskipun berkas radiasi sinar-X intensitasnya berkurang, namun memiliki proporsi yang lebih besar untuk panjang gelombang yang lebih pendek, dan panjang gelombang yang dominan adalah panjang gelombang yang lebih pendek. Intensitas radiasi sinar-X yang berkurang relatif terjadi pada panjang gelombang yang lebih panjang daripada yang terjadi pada panjang gelombang yang lebih pendek, sehingga jika melewati filter berikutnya atau filter kedua yang identik, maka pengurangan total intensitas akan lebih kecil daripada yang pertama. Terlepas dari filtrasi yang melekat, berkas sinar-X yang muncul biasanya mengandung proporsi radiasi sinar-X dengan panjang gelombang yang lebih besar daripada yang diinginkan. Oleh karena itu, biasanya penambahan filtrasi lebih lanjut, dengan menggunakan lembaran logam tipis yang ditempatkan di jalur berkas radiasi sinar-X, dapat dilakukan sebagai pelindung dan pengaman. Jenis dan ketebalan logam yang digunakan bergantung pada batas tegangan yang digunakan dan tingkat modifikasi yang diperlukan pada spektrum.

Peralatan Radiologi Dasar 15 Gambar 1.6 Spektrum Efek Filtrasi Dalam radiografi diagnostik dan terapi sinar-X superfisial, alumunium adalah logam yang paling umum digunakan. Ketebalan filter minimum harus sedemikian rupa sehingga total filtrasi (termasuk yang melekat) tidak boleh kurang dari ekuivalen alumunium 1 mm. Tetapi ketebalan yang lebih besar mungkin diperlukan dalam keadaan tertentu. Filtrasi harus diperhitungkan saat menghitung faktor ekspos, tetapi pengurangan penggelapan film akibat filter seringkali kurang dari yang diharapkan. Ini karena filter memiliki efek terbesar pada radiasi panjang gelombang yang panjang, yang jika tidak diserap oleh jaringan pada pasien, tidak akan mencapai film. Logam dengan nomor atom lebih tinggi dari alumunium diperlukan untuk berkas radiasi sinar-X yang dihasilkan dengan penggunaan tegangan tabung di atas 120 kV. Tembaga biasanya digunakan pada tegangan hingga 200 kV., timah untuk berkas radiasi sinar-X yang dihasilkan pada 200-400 kV., dan timah pada 800 kV hingga sekitar 2 MeV. Namun logam-logam ini tidak cukup sendirian, karena foton berenergi tinggi dalam berkas sinar-X mampu mengionisasi kulit elektron bagian dalam dari atom pada bahan filter, sehingga filter itu akan memancarkan sinar-X karakteristik. Radiasi karakteristik umumnya mudah diserap dalam jaringan secara intensif, dan untuk menyerap radiasi karakteristik ini dari filter primer ditambahkan filter sekunder. Seringkali filter sekunder juga memancarkan radiasi karakteristik yang tidak diinginkan, sehingga bahan filter ketiga harus ditambahkan. Filter yang terbuat dari dua atau lebih jenis logam disebut filter komposit. Filter tembaga biasanya memiliki

16 Peralatan Radiologi Dasar filter sekunder dari aluminium, sedangkan timah membutuhkan tembaga dan aluminium. Filter yang digunakan di atas 800 kV meliputi filter sekunder dari timah, tembaga, dan aluminium. Filter komposit yang terdiri dari timah ditambah tembaga ditambah aluminium sering disebut filter Thoraeus. G. FAKTOR YANG MEMPENGARUHI SPEKTRUM RADIASI SINAR-X Perubahan tegangan dan arus pada tabung sinar-X sangat berpengaruh terhadap intensitas radiasi sinar-X. Pertimbangan untuk melakukan modifikasi spektrum radiasi sinar-X akan berkaitan dengan adanya perubahan tegangan, arus tabung dan filtrasi. Gambar 1.7 menunjukkan beberapa faktor yang mempengaruhi spektrum radiasi sinar-X. 1. Peningkatan kV, gambar 1.7 (a). Panjang gelombang batas menjadi lebih pendek; panjang gelombang utama menjadi lebih pendek; intensitas pancaran meningkat. Radiasi karateristik dari target tungsten terjadi di atas kira-kira 80 kV. 2. Peningkatan arus, gambar 1.7 (b). Panjang gelombang batas tidak berubah; panjang gelombang utama tidak berubah; intensitas pancaran ditingkatkan. Distribusi panjang gelombang dapat dimodifikasi jika aparatus dikompensasikan secara tidak sempurna untuk regulasi tegangan. 3. Penambahan filtrasi, gambar 1.7 (c). Panjang gelombang utama menjadi lebih pendek; intensitas sinar berkurang. Emisi radiasi karakteristik dari filter dapat terjadi. Gambar 1.7 Spektrum Sinar-X terhadap Perubahan kV, mA dan Filter

Peralatan Radiologi Dasar 17 H. SIFAT DAN EFEK RADIASI SINAR-X Radiasi sinar-X ini memiliki panjang gelombang dalam kisaran 0,1 - 1 Å dan intensitasnya mengikuti hukum kuadrat terbalik dalam kondisi tertentu. Radiasi sinar memancar sebagai foton yang berenergi tinggi dan panjang gelombangnya terkait dengan hukum Planck (E = h.c/λ). Sinar-X mampu menembus semua material sampai batas tertentu yang diatur oleh energi radiasi dan nomor atom serta sifat fisik material. Setiap kali radiasi memiliki energi yang cukup untuk mengeluarkan elektron orbital, terjadi ionisasi, dan karena alasan ini radiasi tersebut sering disebut secara kolektif sebagai radiasi pengion. Spektrum elektromagnetik dapat menghasilkan ionisasi, tetapi dalam bidang medis biasanya dipahami hanya berlaku untuk sinar-X dan gamma. Banyak dari efek radiasi sinar-X lainnya pada dasarnya disebabkan oleh ionisasi, tetapi untuk kemudahan sering dijelaskan secara terpisah. 1. Efek fotografi sinar-X yang disebabkan oleh ionisasi yang terjadi di dalam kristal zat sensitif seperti perak bromida. Ketika sinar-X diserap oleh emulsi fotografis, ionisasi menghasilkan perubahan ionik dan kimiawi pada kristal, yang menjadi tidak stabil. Selama pengembangan, perak bromida direduksi menjadi perak metalik sehingga efek fotografi radiasi sinar-X terlihat. Pada efek inilah sebagian besar radiografi diagnostik bergantung. 2. Efek kimiawi dari sinar-X juga disebabkan oleh ionisasi. Contoh dari efek kimiawi sinar-X adalah perubahan warna yang terjadi pada zat tertentu saat diradiasi. Perubahan warna yang dihasilkan sinar-X dalam barium platinosianida pada suatu waktu merupakan dasar dari sistem pengukuran dosis, meskipun telah ditinggalkan seluruhnya. 3. Efek fluorescent dari sinar-X yaitu zat berpendar ketika menyerap radiasi sinar-X, terutama kalsium tungstat, seng sulfida, senyawa timbal-barium sulfat, dan seng-kadmium sulfida. Zat-zat ini diterapkan secara luas untuk pembentukan citra dengan sinar-X, karena zat-zat tersebut menggabungkan sifat pancaran cahaya yang sebanding dengan intensitas sinar-X yang jatuh padanya, dengan karakteristik yang diinginkan, seperti warna cahaya yang dipancarkan. Fluoresensi pada dasarnya adalah jenis radiasi karakteristik dalam rentang visual dan ultraviolet, dan dalam contoh ini adalah hasil ionisasi yang dihasilkan oleh radiasi sinar-X. 4. Efek biologis sinar-X sengaja diterapkan dalam radioterapi untuk pengobatan paliatif dan kuratif penyakit dan, kecuali tindakan

18 Peralatan Radiologi Dasar pencegahan yang memadai diambil, dapat mempengaruhi kesehatan staf dan pasien secara tidak menguntungkan. Ketika sel hidup menyerap radiasi tembus, ionisasi yang dihasilkan menghasilkan perubahan yang dapat menyebabkan sel kehilangan kekuatan pembelahannya atau menghasilkan pembelahan sel yang abnormal. Jika radiasi yang cukup diserap, sel dapat dihancurkan. Cara pasti dari perubahan biologis yang dihasilkan oleh radiasi tidak sepenuhnya dipahami, tetapi efek utamanya adalah ionisasi. Ionisasi udara dengan sinar-X diterapkan dalam sistem pengukuran kuantitas dan intensitas sinar-X. Sistem tersebut telah berhasil dirancang, dan diterapkan secara luas untuk pengukuran dosis dan untuk memantau jumlah radiasi yang diterima oleh personel. I. INTERAKSI RADIASI SINAR-X DENGAN MATERI Ketika sinar-X melewati materi, ada interaksi antara beberapa foton radiasi dan atom dari materi, sehingga semua energi foton yang berinteraksi, dapat dipertukarkan dan diubah menjadi bentuk lain. Efek serupa dapat dihasilkan oleh partikel berenergi tinggi, seperti partikel alfa, atau elektron yang dikeluarkan selama ionisasi. Berkas radiasi sinar-X divergen yang dipancarkan dari target T diilustrasikan pada gambar 1.8 (a). Jika intensitas diukur pada dua titik A dan B di dalam berkas radiasi sinar-X, ditemukan bahwa intensitas di A lebih besar daripada intensitas di B karena A lebih dekat ke target. Perbedaan intensitas (I) radiasi pada kedua titik bergantung pada hukum kuadrat terbalik, sehingga : = () 2 : () 2 Intensitas pada titik C di luar pancaran adalah nol hal ini memberikan efek arah radiasi yang salah (off-beam) dari tabung. Intensitas nol di C jika dihubungan dengan hukum kuadrat terbalik antara intensitas di A dan B yang benar hanya dalam ruang hampa. Perbedaan antara kondisi di ruang hampa dan di udara cukup kecil dan dapat diabaikan. Intensitas relatif pada tiga titik yang sama akan sangat berbeda jika berkas radiasi terpapar pada bahan yang lebih padat, seperti lilin paraffin (wax), ditempatkan pada berkas seperti yang ditunjukkan pada gambar 1.8 (b). Posisi titik A, B, dan C relatif terhadap satu sama lain dan terhadap berkas sinar-X tidak berubah, tetapi titik A bertepatan dengan permukaan berkas, titik B di bagian dalam dan titik C dibagian luar.

Peralatan Radiologi Dasar 19 Gambar 1.8 Interaksi Radiasi dengan Materi Dalam kondisi seperti ini intensitas radiasi di A akan lebih besar dari sebelumnya, sedangkan di B akan berkurang. Hubungan antara intensitas pada kedua titik ini tidak lagi mengikuti hukum kuadrat terbalik. Beberapa intensitas radiasi dapat diukur pada C. Perubahan yang terjadi pada intensitas berkas sinar-X adalah hasil interaksi antara beberapa foton radiasi dan atom medium yang dilewatinya. Saat radiasi melewati materi maka radiasi akan dilemahkan, yang berarti intensitasnya berkurang. Beberapa atenuasi disebabkan oleh penyerapan sebagian atau total energi foton ketika mereka berinteraksi dengan komponen atom dalam media penyerap. Absorpsi disertai dengan pancaran radiasi sekunder, yang dalam hal ini memiliki panjang gelombang yang lebih panjang dari pada radiasi primer. Atenuasi yang tersisa disebabkan oleh foton utama radiasi yang berubah arah, atau tersebar, tanpa mengalami perubahan panjang gelombang. Radiasi primer tersebar juga diklasifikasikan sebagai radiasi sekunder, untuk membedakannya dari radiasi primer yang melewati medium dengan perubahan pada arah atau panjang gelombang. Radiasi sekunder dapat dipancarkan di setiap sudut ke arah sinar primer, sudut dalam kasus tertentu disebut sudut hamburan. Istilah hamburan balik digunakan untuk menggambarkan radiasi sekunder yang tersebar melalui sudut lebih dari 90° terhadap sumbu longitudinal berkas sinar X, sedangkan radiasi yang tersebar melalui 90° atau kurang disebut hamburan maju. Pada gambar 1.8 (b) menunjukkan perubahan intensitas pada tiga titik tertentu dapat dijelaskan dalam istilah atenuasi, absorpsi, dan hamburan. Intensitas radiasi primer di A sama dengan sebelum dimasukkannya balok lilin,

20 Peralatan Radiologi Dasar tetapi intensitas total pada titik itu ditingkatkan oleh hamburan balik yang mencapai titik-titik yang tak terbatas di dalam blok. Intensitas di titik B juga disebabkan oleh radiasi primer dan sekunder. Intensitasnya lebih kecil dari sebelumnya, karena proporsi radiasi primer diserap atau dihamburkan dari B saat melewati blok. Radiasi yang dapat diukur pada C disebabkan oleh radiasi sekunder (primer tersebar) yang muncul melalui sisi blok. J. ATENUASI DAN KETEBALAN MATERIAL Perbandingan intensitas pada berbagai titik dalam suatu medium menunjukkan bahwa intensitas sinar-X yang berhubungan dengan kedalaman, jika radiasi bersifat monokromatik dan tingkat kerapatan medianya uniform (seragam), maka terjadi pengurangan intensitas radiasi dengan fraksi yang sama. Misalkan suatu bahan dipilih sehingga ketebalan 15 cm melemahkan radiasi dari panjang gelombang tertentu sebesar 10%. Kemudian jika intensitas radiasi pada permukaan material ini disebut 100% maka intensitas pada kedalaman 15 cm akan menjadi 90%. Jika berkas radiasi melewati ketebalan 15 cm lagi dari bahan yang sama, intensitas akan dilemahkan oleh 10% lagi, tetapi ini akan menjadi 10% dari intensitas yang tersisa setelah radiasi melewati ketebalan pertama, atau 10 % dari 90%. Intensitas akhir akan menjadi 90% - (1/10 dari 90) = 81% dari intensitas primer. Ketebalan yang sama ketiga akan mengurangi intensitas sebesar 10% dari 81%. Dalam hal ini intensitas akhir akan menjadi 81- (1/10 dari 81) = 72,9% dari intensitas primer, dan proses tersebut dapat diulangi untuk ketebalan yang sama berturut-turut dan pengurangan 10%. Pengurangan intensitas dengan fraksi konstan dari kuantitas yang berkurang adalah sesuai dengan hukum peluruhan eksponensial. Kurva peluruhan eksponensial radiasi sinar-X dalam bahan yang ketebalannya sama melemahkan berkas sebesar 20% ditunjukkan pada gambar 1.9. Karena atenuasi terjadi secara eksponensial, intensitas radiasi yang melewati x cm material dapat dihitung dengan persamaan: = 0 − , dengan Io adalah intensitas mula-mula; µ adalah probabilitas, dan x adalah ketebalan bahan.

Peralatan Radiologi Dasar 21 Gambar 1.9 Kurva Pelemahan Intensitas pada Material Konstanta µ dalam ekspresi = 0 −, disebut koefisien atenuasi linier total dari material yang diberikan sehubungan dengan radiasi pada panjang gelombang tertentu. Nilainya meningkat dengan meningkatnya nomor atom bahan dan panjang gelombang radiasi sinar-X. Dalam prakteknya, nilai µ, biasanya tidak konstan karena dipengaruhi oleh bahan, biasanya jaringan pada pasien tidak seragam baik kepadatan atau nomor atomnya. Jaringan pasien mengandung struktur dan organ yang memiliki kerapatan yang luas dan terdiri dari sejumlah unsur kimia dengan nomor atom berbeda. Tulang misalnya tidak hanya mengandung kalsium, tetapi juga lebih padat dari otot. Setiap struktur memiliki nilai khusus untuk koefisien µ, sehingga meskipun sinar-X secara keseluruhan berkurang intensitasnya saat melintasi pasien, ia akan berkurang secara berbeda sesuai dengan koefisien absorpsi dan ketebalan struktur yang dilaluinya. Dengan demikian berkas yang muncul dapat dikatakan mengandung informasi mengenai berbagai derajat atenuasi yang telah terjadi dalam tubuh pasien, dan informasi ini direkam pada sebuah film, yang setelah diproses, menampilkan gambar radiografi. Nilai µ bervariasi untuk alasan yang lebih jauh. Berkas radiasi yang dihasilkan dalam tabung sinar-X konvensional mengandung spektrum panjang gelombang yang luas, sehingga ketika berkas melewati bahan tersebut, radiasi dengan panjang gelombang yang lebih panjang (penetrasi yang kurang) dilemahkan ke tingkat yang lebih besar daripada yang lebih pendek. Efeknya

22 Peralatan Radiologi Dasar mirip dengan filtrasi yang dijelaskan sebelumnya, dan berkas radiasi menjadi semakin homogen meskipun intensitasnya berkurang, seiring dengan meningkatnya ketebalan material yang dilintasi. Dengan kata lain, berarti bahwa ketebalan material yang sama mengurangi intensitas balok dengan fraksi yang semakin berkurang, bukan dengan fraksi konstan. Akibatnya, dalam persamaan = 0 −, nilai µ berubah dengan jarak yang dilalui oleh balok, pada awalnya berkurang dengan cepat, tetapi kemudian lebih lambat pada ketebalan material yang lebih besar. K. PROSES ATENUASI, PENYERAPAN DAN HAMBURAN Untuk memahami dan menjelaskan proses di mana sinar-X dan sinar gamma dilemahkan dalam suatu medium, perlu untuk menganggap radiasi sebagai kuanta energi atau foton. Sifat radiasi seperti gelombang relatif tidak penting, kecuali untuk hubungan antara energi foton dan panjang gelombangnya, yang diberikan oleh persamaan: = ℎ Dengan E : Energi C : kecepatan cahaya λ : panjang gelombang Ketika suatu zat diiradiasi, hamburan dan absorpsi terjadi ketika foton berinteraksi dengan elektron atau inti atom dalam zat, dan efek apa pun yang dihasilkan, misalnya fotografi, fluoresen atau biologis, disebabkan oleh interaksi tersebut. Karena pemisahan atom atau molekul yang relatif luas di sebagian besar zat, banyak foton melewatinya tanpa interaksi apa pun, dan foton ini tidak menghasilkan efek apa pun. Radiasi primer yang muncul dari jaringan pasien misalnya adalah radiasi yang tidak terpencar dan tidak terserap, beberapa di antaranya kemudian diserap dalam layar yang mengintensifkan pada film untuk menghasilkan gambar radiografi. Apa yang terjadi ketika foton berinteraksi dengan elektron orbital bergantung pada apakah elektron dapat dianggap bebas atau terikat, sehubungan dengan energi foton. Elektron bebas sejati hanya ada pada logam dalam kondisi normal, dan semua elektron lain terikat pada atomnya masingmasing oleh gaya tarik elektrostatis antara elektron dan inti.

Peralatan Radiologi Dasar 23 Sebuah elektron hanya dapat dilepaskan dari sebuah atom jika ia menyerap energi yang cukup untuk mengatasi energi ikatnya, yang sebanding dengan nomor atom (Z) dan berbanding terbalik dengan jari-jari (r) orbit elektron; yaitu, Z/r. Elektron dapat dikatakan bebas jika energi ikatnya kecil dibandingkan dengan foton radiasi sinar-X. Misalnya elektron dalam atom jaringan hidup relatif bebas sehubungan dengan radiasi sinar-X yang digunakan dalam pengobatan (terapi). Jika energi foton jauh lebih kecil daripada energi ikat elektron yang berinteraksi dengannya, foton dibelokkan tanpa mengubah energinya. Karena tidak ada energi yang hilang, panjang gelombang foton tidak berubah, tetapi defleksi dapat terjadi di sembarang sudut, dan karena itu energi tersebar keluar dari berkas sinar-X, dan sinar dilemahkan tetapi tidak terjadi penyerapan. Karena tidak ada perubahan panjang gelombang yang terlibat, proses ini disebut hamburan tak termodifikasi, yang berkontribusi pada emisi total radiasi sekunder dari material. Ketika energi foton kira-kira sama dengan energi ikat elektron di kulit bagian dalam atom penyerap, foton dapat terserap seluruhnya dalam interaksi tersebut. Energinya sebagian digunakan untuk mengatasi energi ikat dan sebagian lagi untuk memberikan energi kinetik yang cukup kepada elektron untuk mengeluarkannya dari atom. Proses ini disebut absorpsi fotoelektrik dan disertai dengan pelepasan elektron secara simultan dengan kecepatan tinggi, dan produksi radiasi karakteristik sinar-X dalam media absorpsi. Radiasi karakteristik disebabkan oleh energi yang dilepaskan oleh elektron dari orbit yang lebih jauh ketika elektron menempati ruang kosong yang ditinggalkan oleh elektron yang terlontar, dan radiasi karakteristik seringkali disebut sebagai fluorescent. Jika foton berinteraksi dengan elektron yang memiliki energi ikat jauh lebih rendah daripada energi foton, elektron tersebut relatif bebas, dan proses lain terjadi. Proses ini disebut hamburan Compton, dinamai menurut fisikawan Amerika A. H. Compton. Dalam hamburan Compton, elektron dikeluarkan dari atom absorpsi, namun foton primer tidak sepenuhnya dimusnahkan, tetapi dibelokkan dari arah datangnya, dan karena sebagian energinya diserap dalam tumbukan, panjang gelombangnya juga berubah. Oleh karena itu hamburan Compton seringkali disebut hamburan termodifikasi, dan merupakan komponen lain dari radiasi sekunder. Jika energi foton yang datang ditingkatkan, efek Compton dapat terjadi di kulit elektron bagian dalam. Radiasi yang memiliki energi lebih dari 1 MeV dapat menghasilkan proses absorpsi lagi. Foton yang datang dapat

1 2 2 , di mana W adalah energi ikat elektron, m adalah massa, dan v adalah kecepatan pelepasannya. Interaksi jenis ini disebut absorpsi foto-listrik dan elektron yang dilepaskan dalam proses ini disebut foto-elektron. Setelah foto-elektron dikeluarkan, tempatnya diambil oleh elektron dari kulit yang lebih jauh. Atom kemudian meradiasikan foton atau kuantum, radiasi yang panjang gelombang

Peralatan Radiologi Dasar 25 diberikan oleh persamaan = ℎ.⁄, dengan E adalah perbedaan energi dari dua kulit yang terlibat dalam transisi elektron. Jumlah energi ini adalah karakteristik atom dan dua kulit tertentu yang terlibat, dan foton yang dipancarkan merupakan radiasi sinar-X karakteristik. Karena hanya sebagian energi foton datang yang sama dengan energi ikat elektron yang berinteraksi dengannya, panjang gelombang radiasi karakteristik yang dipancarkan lebih panjang daripada panjang gelombang foton datang. Efek foto-listrik, dengan salah satu dari banyak kemungkinan transisi elektron, ditunjukkan pada gambar 1.10. Intensitas berkas sinar-X dikurangi dengan absorpsi foto-listrik, dan karena dalam hal ini energi sebenarnya diserap dan tidak hanya tersebar keluar dari berkas, proses ini seringkali disebut absorpsi sejati. Jika hanya penyerapan fotolistrik yang dipertimbangkan, persamaan = 0 −x harus dimodifikasi menjadi = 0 −x , di mana (tau) disebut koefisien foto-listrik absorpsi linier. Probabilitasnya menurun dengan cepat ketika energi foton meningkat, dan berbanding terbalik dengan (keV)3 . Ini juga meningkat dengan meningkatnya nomor atom dari media penyerap, dan sebanding dengan Z3 . Gambar 1.10 Peristiwa Foto-listrik Jika panjang gelombang radiasi datang semakin berkurang, (yaitu energi meningkat) maka dalam material tertentu, penyerapan fotolistrik akan dimulai di kulit terluar dari atom, seperti kulit M dan N. Ketika energi foton yang meningkat, itu menjadi cukup untuk mengeluarkan electron pada kulit L, dan

26 Peralatan Radiologi Dasar akhirnya elektron K, sehingga terbentuk rangkaian lengkap panjang gelombang karakteristik tereksitasi. Absorpsi secara khusus ditandai ketika energi foton yang datang sama dengan yang dibutuhkan untuk mengeluarkan elektron dari kulit tertentu, dan sedikit berkurang untuk panjang gelombang menengah. Grafik derajat penyerapan foto-listrik terhadap panjang gelombang radiasi datang dalam bahan tertentu memiliki bentuk yang ditunjukkan pada gambar 1.11. Puncak tajam terjadi ketika panjang gelombang datang hanya memiliki energi yang cukup untuk ionisasi di kulit tertentu. Panjang gelombang di mana penyerapan foto-listrik dimulai di kulit tertentu disebut panjang gelombang serapan kritis untuk kulit itu. Gambar 1.11 Grafik Derajat Penyerapan Foto-listrik Elektron dalam kulit K dari setiap atom memiliki energi ikat terbesar, yang menentukan batas energi foton yang dibutuhkan untuk absorpsi fotolistrik. Ketika energi foton yang datang dinaikkan, penyerapan oleh proses foto-listrik menjadi lebih kecil kemungkinannya dan mulai digantikan oleh efek Compton. Energi pengikatan elektron K meningkat dengan meningkatnya nomor atom dari atom penyerap, dan oleh karena itu batas absorpsi K tercapai pada energi yang lebih rendah (panjang gelombang lebih panjang). Hal ini mengakibatkan pada proses diagnostik pada jaringan hidup, faktor tegangan tabung sinar-X menjadi lebih penting daripada yang digunakan dalam radioterapi. Karena energi radiasi karakteristik selalu sedikit lebih kecil daripada energi pengikat orbit, radiasi ini memungkinkan untuk ditransmisikan atau

Peralatan Radiologi Dasar 27 menjalani hamburan tak termodifikasi berikutnya saat melintasi bahan penyerap, daripada menjadi kembali terserap. Itulah sebabnya suatu bahan relatif tidak menyerap radiasi karakteristiknya sendiri. M. EFEK COMPTON Dalam efek Compton, hanya sebagian energi foton primer yang diserap dalam interaksi dengan electron, dan dalam mentransfer energi kinetik yang cukup ke elektron untuk mengeluarkannya dari atom induknya. Arah foton diubah oleh interaksi dan energinya lebih kecil daripada sebelum panjang gelombangnya bertambah. Perubahan panjang gelombang dapat dibuktikan dari hukum Planck. Frekuensi atau panjang gelombang radiasi selalu bergantung pada energinya, sehingga jika energi foton sebelum dan sesudah tumbukan berturut-turut adalah E1 dan E2 (E1> E2), maka panjang gelombang harus berubah dari hc /λ1 menjadi hc/λ2 (λ1