Proses pembentukan gambar pada alat radiologi di bidang kedokteran

Radiologi adalah ilmu kedokteran untuk melihat bagian tubuh manusia dengan menggunakan pancaran atau radiasi gelombang baik gelombang elektronik maupun gelombang mekanik. Pada dasarnya frekuensi yang dipakai berbentuk sinar-x (x-ray), CT scan, gelombang sangat tinggi (ultrasonic) seperti ultrasonografi dan juga MRI (Magnetic Resonance Imaging). Radiologi itu sendiri terbagi menjadi 2 yaitu Radiodiagnostik dan Radioterapi. 

Radiologi sangat penting dalam dunia kesehatan. Kelainan secara anatomis mampu tergambarkan dalam proses diagnostik. Namun setiap alat radiologi memiliki prinsip dan mekanisme yang berbeda, Sebagai tenaga medis harus mampu memahami prinsip kerja dari alat-alat tersebut untuk mempermudah dalam memanfaatkan teknologi ini.

Berikut mekanisme kerja dari beberapa alat radiologi :

1. X-Ray

X-ray merupakan salah satu gelombang elektromagnetik yang diantaranya adalah cahaya yang dapat kita lihat. Namun panjang gelombang dari X-ray sangat kecil sehingga frekuensi yang dimiliki X-ray sangat besar dan menyebakan energi yang dimilikinya pun sangat besar. Sinar X mempunyai ukuran panjang mulai dari 0,01 sampai 10 nanometer dengan frekuensi mulai dari 30 petaHertz sampai 30 exaHertz dan mempunyai energi mulai dari 120 elektroVolt hingga 120 kilo elektroVolt.

Sinar-X atau sinar Röntgen adalah salah satu bentuk dari radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang berkisar antara 10 nanometer ke 100 pikometer (sama dengan frekuensi dalam rentang 30 petahertz – 30 exahertz) dan memiliki energi dalam rentang 100 eV – 100 Kev. Sinar-X umumnya digunakan dalam diagnosis gambar medis dan Kristalografi sinar-X. Sinar-X adalah bentuk dari radiasi ion dan dapat berbahaya.

Pesawat Sinar-X medis (foto Radiologi konvensional) memiliki prinsip penembusan gelombang elektromagnetik dari sumber cahaya ke tubuh manusia, lalu menembus hingga mencapai pelat film untuk menghasilkan gambar berupa citra tubuh manusia (foto roentgen)

Proses terbentuknya X-ray?

Agar X-ray terbentuk dibutuhkan beberapa komponen berikut :
• X-Ray tube berfungsi untuk menghasilkan sinar-X yang merupakan suatu tabung hampa udara yang didalamnya terdapat catoda bermuatan negative yang berfungsi sebagai penghasil electron dan Anoda yang bermuatan positif yang berfungsi sebagai target penembakan electron.Sumber electron (filament). Filamen berfungsi sebagai penghasil electron Listrik bertegangan tinggi.

Proses terbentuknya X-ray

1. Filament dipanaskan untuk menghasilkan elektron, dengan cara mengalirkan arus listrik pada filament tersebut. Setelah filament berpijar, maka karena panas elektron-elektron dari katoda (filament) terlepas sehingga terbentuk awan-awan elektron di sekitar filament tersebut.
2. Setelah elektron terbentuk pada filamen, tabung X-ray diberi tegangan yang tinggi hingga ribuan volt (kilovolt) sehingga memicu elektron untuk bergerak ke anoda.
3. Elektron-elektron yang ditembakkan akan menumbuk target dan akan berinteraksi dengan atom-atom dari target tersebut. Interaksi elektron dengan target (anoda) akan menyebabkan terbentuknya panas (99%) dan sinar X (1%).

Kegunaan X-ray

Sinar Rontgen

Sinar X dapat dimanfaatkan untuk mengetahui kondisi tubuh bagian dalam (tulang) yakni dalam dunia kedokteran disebut sinar rontgen. Untuk memotret bagian dalam tubuh, seseorang harus berada di antara tempat penyimpanan film dan tabung yang memancarkan sinar X tersebut.Sinar X ini akan menembus kulit dan bagian tubuh lain kecuali tulang. Bayangan sinar ini kemudian direkam pada film. Setelah film tersebut dicuci, bagian yang tidak dapat ditembus sinar X akan berwarna hitam, sedang bagian yang dapat ditembus oleh sinar X akan berwarna putih.

Radioterapi

Sinar X pada intinya adalah sebuah gelombang elektroagnetik yang memiliki energi yang besar, sehingga dengan kemampuan yang juga dapat menembus hingga ke rongga dalam tubuh, sinar X dapat digunakan untuk membunuh sel-sel berbahaya yang ada pada tubuh misalnya kanker. Pengobatan model ini disebut dengan nama radioterapi

2. MRI

Magnetic Resonance Imaging (MRI) merupakan suatu teknik penggambaran penampang tubuh berdasarkan perinsip resonansi magnetic inti atom hydrogen. Untuk mengetahui lebih lanjut, Magnetic Resonance Imaging (MRI) adalah suatu alat kedokteran di bidang pemeriksaan diagnostik radiologi , yang menghasilkan rekaman gambar potongan penampang tubuh / organ manusia dengan meng-gunakan medan magnet berkekuatan antara 0,064 – 1,5 tesla (1 tesla = 1000 Gauss) dan resonansi getaran terhadap inti atom hidrogen.

      Dasar dari pencitraan resonansi magnetik (MRI-Magnetic Resonance Imaging) adalah fenomena resonansi magnetik dari inti benda. Resonansi magnetik sendiri adalah getaran inti atom (necleon) karena adanya penyearahan momen magnetik inti dari bahan oleh medan magnetik luar dan rangsangan gelombang EM yang tepat dengan frekuensi gerak gasing inti tersebut.

CARA KERJA MRI :

      Seperti yang kita ketahui bahwa Tubuh manusia sebagian besar terdiri dari air ( H2O) yang mengandung 2 atom hydrogen yang memiliki no atom ganjil ( 1) yang pada intinya terdapat satu proton. Inti hydrogen merupakan kandungan inti terbanyak dalam jaringan tubuh manusia yaitu 1019 inti/ mm3 , memiliki konsentrasi tertinggi dalam jaringan 100 mmol/ Kg dan memiliki gaya magnetic terkuat dari elemen lain.
Dalam aspek klinisnya, perbedaan jaringan normal dan bukan normal didasarkan pada deteksi dari kerelatifan kandungan air ( proton hydrogen ) dari jaringan tersebut. Sehingga melalui MRI dapat diketahui apakah di dalam tubuh pasien terdapat kanker yang notabene merupakan jaringan tidak normal dalam tubuh manusia.

      Berdasarkan dari kondisi yang ada maka, prinsip dasar dari cara kerja suatu MRI adalah Inti atom Hidrogen yang ada pada tubuh manusia (yang merupakan kandungan inti terbanyak dalam tubuh manusia) berada pada posisi acak (random), ketika masuk ke dalam daerah medan magnet yang cukup besar posisi inti atom ini akan menjadi sejajar dengan medan magnet yang ada. Kemudian inti atom Hidrogen tadi dapat berpindah dari tingkat energi rendah kepada tingkat energi tinggi jika mendapatkan energi yang tepat yang disebut sebagai energi Larmor.

            Ketika terjadi perpindahan inti atom Hidrogen dari tingkat energi rendah ke tingkat energi yang lebih tinggi akan terjadi pelepasan energi yang kemudian ini menjadi unsur dalam pembentukan citra atau dikenal dengan istilah Free Induction Decay (FID). Secara sederhana prinsip tadi dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

Gambar.1 :

Tingkatan Energi Sebuah Inti Atom dengan Nomer Spin

Quantum 3

            Kemudian perilaku atom Hidrogen lainnya ketika masuk kedalam daerah medan magnet yang cukup besar adalah dia akan melakukan presisi ketika di dalam medan magnet tadi diberikan lagi medan magnet pengganggu yang frekuensinya dapat diubah-ubah sehingga dengan peristiwa tersebut dapat dihasilkan signal FID yang akan dirubah kedalam bentuk pencitraan. Hal ini dapat dilihat pada gambar di bawah ini

Gambar.2 : Presisi inti atom Hidrogen ketika diberikan pulse berupa medan

magnet dengan frekuensi berubah-ubah

            Secara ringkas, proses terbentuknya citra MRI dapat digambarkan sebagai berikut: Bila tubuh pasien diposisikan dalam medan magnet yang kuat, inti-inti hidrogen tubuh akan searah dan berotasi mengelilingi arah/vektor medan magnet. Bila signal frekuensi radio dipancarkan melalui tubuh, beberapa inti hidrogen akan menyerap energi dari frekuensi radio tersebut dan mengubah arah, atau dengan kata lain mengadakan resonansi. Bila signal frekuensi radio dihentikan pancarannya, inti-inti tersebut akan kembali pada posisi semula, melepaskan energi yang telah diserap dan menimbulkan signal yang ditangkap oleh antena dan kemudian diproses computer dalam bentuk radiograf. 

Gambar 3 : Diagram Blok Proses MRI

      Dalam perkembangan dunia kedokteran,terutama dalam bidang instrumentasinya MRI berkembang pesat dengan bertambahnya kekuatan medan magnet yang dihasilkan, semakin tinggi kekuatan teslanya semakin tinggi kemampuan yang akan dihasilkan baik dari sisi pencitraan maupun dari sisi lain khususnya spektroskopi.

3. ULTRASONOGRAFI/USG

Pengertian dan Sejarah Perkembangan Ultrasonografi

Ultrasonografi atau disingkat USG adalah suatu kaidah pemeriksaan tubuh menggunakan gelombang bunyi pada frekuensi tinggi untuk mencitrakan organ internal, otot, ukuran, struktur, dan kejadian patologi sehingga membuat teknik ini berguna untuk memeriksa organ internal. Pemeriksaan ultrasonografi bersifat non-invasif, tidak menimbulkan rasa sakit pada penderita, dapat dilakukan dengan cepat, aman dan data yang diperoleh mempunyai nilai diagnostik yang tinggi.Ultrasonografi tidak mempunyai kontra-indikasi.

Pertama kali ultrasonik ini digunakan dalam bidang teknik untuk radar, yaitu teknik SONAR (Sound, Navigation and Ranging) oleh Langevin (1918), seorang warga kebangsaan Perancis pada waktu perang dunia ke I, yang digunakan untuk mengetahui adanya kapal selam musuh. Kemudian digunakan dalam pelayaran untuk menentukan kedalaman laut.Menjelang perang dunia ke II (1937), teknik ini digunakan pertama kali untuk pemeriksaan jaringan tubuh, tetapi hasilnya belum memuaskan (Orenstein, 2008).

Pada 1950-an, para ilmuwan mulai memanfaatkan teknologi itu untuk pemindaian tubuh manusia, dengan gambar-gambar awal tampak seperti rekaman seismograf (pencatat gempa bumi) yaitu berupa garis-garis. Pada 1970-an, pencitraan pertama yang menampilkan penampang anatomi manusia mulai dihasilkan.Berkat kemajuan komputer, kini USG dapat memberikan gambar visual yang dinamis dan rinci mengenai tubuh manusia. Sebagian mesin USG bahkan bisa menampilkan gambar berwarna (Orenstein, 2008).

Bagian-bagian USG

Pada prinsipnya, ada tiga komponen mesin USG.Pertama, transduser, komponen yang dipegang dokter atau tenaga medis, berfungsi mengalirkan gelombang suara dan menerima pantulannya dan mengubah gelombang akusitik ke sinyal elektronik. Kedua, monitor, berfungsi memunculkan gambar. Ketiga, mesin USG sendiri, berfungsi mengubah pantulan gelombang suara menjadi gambar di monitor. Tugasnya mirip dengan central proccesing unit (CPU) pada komputer personal (Chan dan Perlas, 2004).

Transduser

Transduser adalah komponen USG yang ditempelkan pada bagian tubuh yang akan diperiksa, seperti dinding perut atau dinding poros usus besar pada pemeriksaan prostat. Didalam alat ini terdapat material piezoelektrik yang mampu menghasilkan “piezoelektrik effect” yaitu bila diberikan energi listrik akan menimbulkan suatu getaran yang kemudian menghasilkan gelombang suara, begitu pula sebaliknya apabila ada gelombang suara yang dipantulkan oleh organ, maka piezoelektrik ini akan menangkap dan merubah menjadi sinyallistrik. Sinyal yang di pancarkan kemudian dipantulkan oleh organ dan ditangkap kembali oleh tranduser. Pulsa itu akan di ubah menjadi data digital dan diolah secara komputer sehingga menjadi sebuah gambar yang di tampilkan pada layar monitor. Ada dua jenis probe yang dipakai, sektorial dan linear. Probe sektorial biasanya dipakai untuk pengecekan kehamilan pada manusia. Probe ini akan menunjukkan gambar seperti kerucut terbalik di layar monitor. Probe linear biasanya dipakai untuk pemeriksaan kebuntingan sapi, probe dimasukkan ke rectum dan gambar yang ditampilkan di layar monitor akan berbentuk datar persegi panjang.

A                                                               B
Gambar Probe Linear (A) dan Probe Conveks (B)

Gambar. Transducers

Monitor dan mesin USG

Mesin USG merupakan bagian dari USG dimana fungsinya untuk mengolah data yang diterima dalam bentuk gelombang. Mesin USG adalah CPUnya USG sehingga di dalamnya terdapat komponen-komponen yang sama seperti pada CPU pada PC.

Gambar  Monitor USG

Gel USG

Gel berfungsi sebagai perantara gelombang suara dari transducer ke permukaan tubuh, gel membuat kontak antara transducer dan permukaan tubuh menjadi baik atau tidak terhalangi udara karena gelombang USG tidak dapat melalui udara, serta gel mempermudah pergerakan transducer (Anonim, 2009).

Gambar 24. Gel USG

Prinsip Kerja USG

Ultrasonografi atau disingkat USG adalah suatu teknik diagnosa menggunakan gelombang bunyi pada frekuensi tinggi.Gelombang suara yang digunakan untuk USG mempunyai frekuensi lebih tinggi daripada kemampuan pendengaran telinga manusia. Suara yang dapat didengar manusia mempunyai frekuensi antara 20 – 20.000 Cpd (Cicles per detik- Hertz). Sedangkan dalam pemeriksaan USG ini menggunakan frekuensi 1- 10 MHz (1- 10 juta Hz). Ultrasonografi juga dapat digunakan untuk pemeriksaan obstetrik ketika masa kehamilan.

Prinsip kerja dari USG adalah gambar yang dihasilkan dari USG adalah memanfaatkan hasil pantulan (echo) dari gelombang ultrasonik apabila ditrasmisikan pada tissue atau organ tertentu. Echo dari gelombang tersebut kemudian dideteksi dengan transduser, yang mengubah gelombang akusitik ke sinyal elektronik untuk diolah dan direkonstruksi menjadi suatu gambar.

Setiap jenis jaringan memiliki kemampuan memantulkan gelombang berbeda-beda. Jaringan padat seperti tulang, memantulkan gelombang dengan kecepatan tinggi sehingga memberikan gambaran putih di layar. Sedangkan cairan atau jaringan lunak hanya memantulkan lebih sedikit gelombang sehingga memberikan gambaran hitam di layar. Gambar  yang dihasilkan sangat cepat, dapat mencapai 40 frame/detik, sehingga dapat menampilkan gambaran bergerak yang real-time (AIUM, 2013).

Gambar 28. Prinsip kerja USG

Fungsi USG

Ultrasonografi atau yang lebih dikenal dengan singkatan USG digunakan luas dalam medis. Pelaksanaan prosedur diagnosis atau terapi dapat dilakukan dengan bantuan ultrasonografi. Ultrasonografi medis digunakan dalam:

1. Menemukan dan menentukan letak massa dalam rongga perut dan pelvis.

2. Mendeteksi kista, mempelajari pergerakan organ (jantung, aorta, vena kafa), maupun pergerakan fetus dan jantungnya.

3. Pengukuran dan penentuan volume massa ataupun organ tubuh tertentu (misalnya ginjal, kandung empedu, ovarium, uterus, dan lain-lain).

Cara Kerja

Ketika memulai ultrasonografi, posisi abdomen yang akan di cek menggunakan USG dibersihkan dengan dengan alkohol, setelah dibersihkan letakan alat yang disebut probe atau transducer pada kulit di atas bagian tubuh yang diperiksa. Probe itu berbentuk seperti pena tumpul yang lebar. Pelumas jeli (gel) dioleskan pada permukaan probe. Probe dihubungkan dengan kabel ke mesin USG, yang terhubung ke monitor. Sinyal gelombang suara dikirimkan terus-menerus oleh probe selama pemindaian. Frekuensi yang terpantul dari jaringan dan organ tubuh akan terdeteksi oleh probe dan dikirimkan ke mesin USG untuk diolah dan ditampilkan sebagai gambar di monitor. Gambar akan terus-menerus diperbarui sehingga pemindaian bisa menunjukkan gambar yang bergerak. Misalnya, fetus yang bergerak di dalam uterus atau katup jantung yang membuka dan menutup. Untuk mendapatkan sudut pandang yang berbeda posisi probe dapat dipindah-pindah di atas kulit (AIUM, 2013).

4. CT Scan
Computer Tomography (CT) Scanner merupakan alat diagnostik dengan teknik radiografi yang menghasilkan gambar potongan tubuh secara melintang berdasarkan penyerapan sinar-x pada irisan tubuh yang ditampilkan pada layar monitor tv hitam putih.

Prinsip Kerja 
Prinsip dasar CT scan mirip dengan perangkat radiografi yang sudah lebih umum dikenal. Kedua perangkat ini sama-sama memanfaatkan intensitas radiasi terusan setelah melewati suatu obyek untuk membentuk citra/gambar. Perbedaan antara keduanya adalah pada teknik yang digunakan untuk memperoleh citra dan pada citra yang dihasilkan. Tidak seperti citra yang dihasilkan dari teknik radiografi, informasi citra yang ditampilkan oleh CT scan tidak tumpang tindih (overlap) sehingga dapat memperoleh citra yang dapat diamati tidak hanya pada bidang tegak lurus berkas sinar (seperti pada foto rontgen), citra CT scan dapat menampilkan informasi tampang lintang obyek yang diinspeksi. Oleh karena itu, citra ini dapat memberikan sebaran kerapatan struktur internal obyek sehingga citra yang dihasilkan oleh CT scan lebih mudah dianalisis daripada citra yang dihasilkan oleh teknik radiografi konvensional.

CT Scanner menggunakan penyinaran khusus yang dihubungkan dengan komputer berdaya tinggi yang berfungsi memproses hasil scan untuk memperoleh gambaran panampang-lintang dari badan. Pasien dibaringkan diatas suatu meja khusus yang secara perlahan - lahan dipindahkan ke dalam cincin CT Scan. Scanner berputar mengelilingi pasien pada saat pengambilan sinar rontgen. Waktu yang digunakan sampai seluruh proses scanning ini selesai berkisar dari 45 menit sampai 1 jam, tergantung pada jenis CT scan yang digunakan( waktu ini termasuk waktu check-in nya). Proses scanning ini tidak menimbulkan rasa sakit. Sebelum dilakukan scanning pada pasien, pasien disarankan tidak makan atau meminum cairan tertentu selama 4 jam sebelum proses scanning. Bagaimanapun, tergantung pada jenis prosedur, adapula prosedur scanning yang mengharuskan pasien untuk meminum suatu material cairan kontras yang mana digunakan untuk melakukan proses scanning khususnya untuk daerah perut.

Dengan menggunakan tabung sinar-x sebagai sumber radiasi yang berkas sinarnya dibatasi oleh kollimator, sinar x tersebut menembus tubuh dan diarahkan ke detektor. Intensitas sinar-x yang diterima oleh detektor akan berubah sesuai dengan kepadatan tubuh sebagai objek, dan detektor akan merubah berkas sinar-x yang diterima menjadi arus listrik, dan kemudian diubah oleh integrator menjadi tegangan listrik analog. Tabung sinar-x tersebut diputar dan sinarnya di proyeksikan dalam berbagai posisi, besar tegangan listrik yang diterima diubah menjadi besaran digital oleh analog to digital Converter (A/D C) yang kemudian dicatat oleh komputer. Selanjutnya diolah dengan menggunakan Image Processor dan akhirnya dibentuk gambar yang ditampilkan ke layar monitor TV. Gambar yang dihasilkan dapat dibuat ke dalam film dengan Multi Imager atau Laser Imager Berkas radiasi yang melalui suatu materi akan mengalami pengurangan intensitas secara eksponensial terhadap tebal bahan yang dilaluinya. Pengurangan intensitas yang terjadi disebabkan oleh proses interaksi radiasi-radiasi dalam bentuk hamburan dan serapan yang probabilitas terjadinya ditentukan oleh jenis bahan dan energi radiasi yang dipancarkan. Dalam CT scan, untuk menghasilkan citra obyek, berkas radiasi yang dihasilkan sumber dilewatkan melalui suatu bidang obyek dari berbagai sudut. Radiasi terusan ini dideteksi oleh detektor untuk kemudian dicatat dan dikumpulkan sebagai data masukan yang kemudian diolah menggunakan komputer untuk menghasilkan citra dengan suatu metode yang disebut sebagai rekonstruksi. 

DAFTAR PUSTAKA

AIUM. 2013. Obstetric Ultrasound Examinations. American Institute of Ultrasound in Medicine : New York

Anonim. 2009. Ultrasound Sound Waves. Uniersity Of Washington : Washington

Chan, V., dan Perlas, A. 2004. Basics of Ultrasound Imaging. Department of Anesthesia, University of Toronto : Toronto

Kahn, W. 2004. Veterinary Reproductive Ultrasonografy. Hans Brockler-Alee. Hanover : Jerman

Orenstein, B.W. 2008. Radiology Today Vol.9. Mc Laughlin at The 2008 SDMS Conferencee.