BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Tomografi merupakan teknik untuk memperoleh citra tampang lintang internal suatu benda yang menjadi pusat perhatian dengan menggunakan radiasi, gerakan gelombang, medan statis atau partikel yang bisa menembus benda tersebut (Bates, dkk., 1983). Adapun citra tersebut berisi struktur internal suatu benda dan berhubungan dengan kerapatan (density), misalkan koefisien atenuasi sinar-x, konsentrasi unsur radioaktif tertentu, tampang lintang hamburan/serapan, distribusi potensial Schrodinger berkas gelombang elektron, atenuasi ultrasonik dan seismik serta indeks bias gelombang akustik (Bates, dkk., 1983). Penggunaan cahaya tampak untuk memeriksa benda transparan yang menjadi pusat perhatian telah dikembangkan dan dikenal sebagai tomografi optis. Tomografi tersebut misalkan tomografi distribusi indeks bias (tomography of the refractive index distribution) atau TDIB (Vlad, dkk., 1996) yang digunakan untuk memperoleh distribusi indeks bias real dalam suatu benda yang menjadi pusat perhatian. TDIB menggunakan cahaya perunut berupa cahaya tampak tak koheren yang menembusi benda yang diperiksa dan menghasilkan citra rekonstruksi yang berkorespondensi dengan distribusi indeks bias real dalam benda tersebut (Vlad, dkk., 1996). Tomografi optis lain yang telah dikembangkan adalah tomografi-komputer emisi optis (optical emission computed tomography) atau TK-EO (Ohyama, dkk., 1997). TK-EO menggunakan cahaya perunut berupa cahaya tampak tak koheren yang diemisi dari dalam benda yang diperiksa dan menghasilkan citra rekonstruksi yang berkorespondensi dengan distribusi sel-sel hidup pengemisi cahaya tampak di dalam benda tersebut (Ohyama, dkk., 1997). Selain itu, terdapat tomografi optis lain yang juga telah dikembangkan, yaitu tomografi proyeksi optis (optical projection tomography) atau TPO (Sharpe, 2004). TPO menggunakan cahaya perunut berupa cahaya transmisi dari sumber cahaya dan cahaya emisi dari benda guna menghasilkan citra yang 1
2
berkorespondensi dengan distribusi aktivitas gen dalam benda tersebut (Sharpe, 2004). Ketiga macam tomografi tersebut menangkap proyeksi lengkap obyek transparan dari sejumlah sudut tinjauan di sekeliling obyek (Vlad, dkk., 1996; Ohyama, dkk., 1997; Sharpe, 2004). Citra rekonstruksi diperoleh dengan menerapkan teknik rekonstruksi citra berkas sejajar, seperti yang dipergunakan pada tomografi sinar-x, pada data proyeksi yang diperoleh (Vlad, dkk., 1996; Ohyama, dkk., 1997; Sharpe, 2004). Teknik rekonstruksi citra tersebut dapat diterapkan langsung karena dampak pembiasan cahaya dianggap dapat direduksi dengan cara membenamkan obyek transparan ke dalam lingkungan zat cair berindeks bias yang mendekati indeks bias obyek tersebut (Vlad, dkk., 1996; Ohyama, dkk., 1997; Sharpe, 2004). Berbeda dengan TDIB, TK-EO dan TPO, juga telah dikenalkan tomografi cahaya tampak pemeriksa benda transparan yang menghasilkan citra yang berkorespondensi dengan distribusi indeks bias kompleks dalam benda tersebut (Natalisanto, 2003). Untuk menyisihkan dampak pembiasan yang terkait dengan bagian real dari indeks bias kompleks dalam citra tersebut telah diusulkan tindakan fisika-matematis tertentu (Natalisanto, 2003). Namun, ide itu masih belum berkembang dan masih perlu dikaji lanjut. Tomografi cahaya tampak tersebut dapat tergolong tomografi optis karena menggunakan radiasi perunut (tracer) berupa cahaya tampak atau radiasi optis. Dibanding kedua macam tomografi optis lain yang telah berkembang pesat, yaitu: tomografi koheren optis (optical coherence tomography) atau TKO dan tomografi difusi optis (optical diffuse tomography) atau TDO, tomografi cahaya tampak nampaknya berbeda; utamanya berkenaan dengan daerah pemetaannya. Pada TKO berkas cahaya koheren diarahkan ke bagian benda transparan non-difusif
dan
non-refraksif
yang
diperiksa
dan
cahaya
pantulnya
diinterferensikan dengan cahaya koheren awal (Fercher, dkk., 2003). Perubahan intensitas cahaya pantul tersebut dimungkinkan terkait dengan perubahan fase cahaya ataupun perubahan polarisasi cahaya akibat interaksinya dengan bagian permukaan bahan (Everett, 2000; Strakowski, dkk., 2008; Li dan Wang, 2007).
3
Dari himpunan perbedaan fase atau polarisasi cahaya awal dan pantul untuk suatu luasan di kedalaman fokus tertentu direkonstruksi citra kontur permukaan daerah tersebut (Fercher, dkk., 2003). Citra tersebut berkorespondensi dengan distribusi koefisien refleksi dan koefisien atenuasi pada daerah permukaan bahan transparan atau daerah sedikit di bawah permukaan bahan transparan yang kurang membiaskan dan kurang menghamburkan cahaya tampak atau inframerah pemeriksa (Fercher, dkk., 2003). Pada TDO berkas cahaya koheren atau berkas cahaya tak koheren yang ditala disuntikkan ke dalam benda transparan difusif non-refraksif yang diperiksa (Durduran, 2010). Berkas cahaya difusi dan cahaya balistik yang timbul ditangkap dengan sejumlah detektor yang disebar di sekitar atau di seberang titik tempat penyuntikan berkas cahaya awal (Durduran, 2010). Perubahan intensitas cahaya yang disuntikan pada benda tersebut dimungkinkan terkait dengan perubahan waktu-lintas difusi cahaya di dalam bahan tersebut (Tromberg, dkk., 1993; Bevilacqua, dkk., 2000; Corlu, dkk., 2005). Dari himpunan perbedaan intensitas cahaya di setiap titik tersebut direkonstruksi citra di kedalaman tertentu (Durduran, 2010). Citra tersebut berkorespondensi dengan distribusi koefisien atenuasi dan koefisien hamburan pada daerah di bawah permukaan bahan transparan yang sangat menghamburkan cahaya tampak atau inframerah pemeriksa (Durduran, 2010). Sementara itu, riset dan pengembangan aplikasi tomografi komputer telah dikerjakan Grup Riset Fisika Citra (GRFC) di Laboratorium Fisika Atom dan Inti Jurusan Fisika FMIPA Universitas Gadjah Mada. Sistem tomografi komputer yang dikembangkan diupayakan menggunakan komponen dan bahan yang mudah diperoleh dan murah, tetapi tetap dapat digunakan untuk memperlihatkan bahwa konsep tomografi komputer dapat diterapkan. Beberapa sistem tomografi komputer telah dikembangkan, antara lain sistem tomografi komputer menggunakan radiasi transmisi gamma, sistem tomografi komputer menggunakan radiasi emisi gamma, mikrotomografi sinar-x, dan tomografi ultrasonik. Umumnya, sampel yang dideteksi bersifat opak, tidak dapat ditembus dengan sinar tampak.
4
Selanjutnya sebagai bagian GRFC, penulis bermaksud mengembangkan sistem tomografi komputer cahaya tampak untuk menguji dan menginspeksi obyek-obyek transparan. Sistem tersebut diharapkan suatu ketika nanti dapat dimanfaatkan untuk memeriksa obyek-obyek transparan bernilai ekonomis tinggi, seperti: minyak sawit dan batu mulia transparan. Sebagai langkah awal, suatu obyek rekayasa dikembangkan sehingga kajian terhadap sifat-sifat optis obyek tersebut dapat dilakukan demi menuju terwujudnya sistem tomografi cahaya tampak. Obyek tersebut dipilih yang bertampang lintang lingkaran dengan maksud menyederhanakan kompleksitas studi menggunakan konsep tomografi komputer yang telah dikembangkan dan dipahami oleh Grup Riset Fisika Citra. Disertasi ini mengkaji konsep tomografi cahaya tampak, meliputi: pendefinisian sifat optis bahan transparan yang diinspeksi, penyelesaian permodelan persoalan maju (forward problem) untuk memperoleh proyeksi, penyelesaian persoalan balik (inverse problem) untuk memperoleh formulasi teknik rekonstruksi citra tomografi, dan pengujian teknik rekonstruksi citra melalui percobaan simulasi komputer dan percobaan laboratorium. Untuk itu, suatu rancang bangun sistem tomografi cahaya tampak ditetapkan, kemudian strategi pencuplikan data dan strategi rekonstruksi citranya dirumuskan. Hasil kemudian diuji secara simulasi dan eksperimen. Untuk membedakan konsep tomografi cahaya tampak yang dikembangkan ini dengan TDIB, TK-EO, TPO, TKO dan TDO, maka konsep tomografi ini disebut dengan tomografi optis sinar terusan (TOST). 1.2 Permasalahan Berangkat dari latar belakang tersebut, rumusan masalah yang telah diselesaikan adalah: a. pemetaan indeks bias mengikuti konsep TOST; b. pengkajian dan pengukuran besaran fisis yang terlibat dalam TOST; c. permodelan interaksi cahaya tampak dalam sampel transparan untuk memperoleh citra struktur internal sampel transparan; d. perancang-bangunan sistem TOST secara simulasi dan eksperimen;
5
e. perumusan teknik pencuplikan data TOST; f. perumusan strategi rekonstruksi citra TOST. Adapun batasan masalah adalah: a. citra yang direkam dalam eksperimen TOST merupakan citra berwarna pseudocolor yang telah diubah ke grey-level dan pengubahan warna tersebut dianggap tidak mempengaruhi hasil riset; b. cahaya yang dipakai dalam eksperimen merupakan cahaya putih tak koheren; c. perilaku cahaya putih (polikromatis) yang telah dikonversi menjadi cahaya grey-level dalam eksperimen dianggap mendekati (limitasi dari) perilaku cahaya monokromatis yang digunakan dalam kajian teoretis; d. cahaya putih yang dibangkitkan dilewatkan medium difusif berbentuk bidang datar sehingga perilaku cahaya difusif yang timbul di seluruh bidang medium difusif tersebut dianggap dapat didekati dengan perilaku gelombang bidang cahaya monokromatis yang digunakan dalam kajian teori; e. obyek yang dipakai dalam eksperimen bertampang lintang lingkaran yang terbuat dari bahan amorf, yaitu kaca dan minyak sawit; f. besaran fisis optis TOST membangun citra tampang lintang internal obyek transparan. 1.3 Keaslian Sejauh penelusuran pustaka yang dilakukan, penelitian tentang tomografi optis yang memetakan distribusi indeks bias kompleks atau bagiannya masih terbatas, dan tampaknya belum banyak peminatnya (Vlad, dkk., 1996; Natalisanto, 2003; Suparta, dkk., 2003). Namun, tampaknya studi-studi terkait indeks bias tersebut, yang mungkin terkait dengan tomografi optis, makin menarik. Sejumlah penelitian terdahulu menunjukkan adanya kaitan tomografi optis yang memetakan distribusi besaran fisis selain indeks bias tersebut. TKO misalkan, dikembangkan untuk memetakan distribusi koefisien serapan energi cahaya putih pada email permukaan gigi (Everett, 2000), distribusi sifat fisis bagian optis tak isotrof dari permukaan bahan keramik (Strakowski, dkk., 2008),
6
dan distribusi koefisien gangguan serapan pada bagian bahan yang bersifat hampir mendifusi cahaya (Li dan Wang, 2007). Selain itu, TDO misalkan, dikembangkan untuk memetakan distribusi koefisien atenuasi dan koefisien hamburan suatu phantom jaringan (Tromberg, dkk., 1993), distribusi koefisien atenuasi dan hamburan jaringan payudara (Bevilacqua, dkk., 2000), dan distribusi koefisien atenuasi dan koefisien hamburan dalam suatu jaringan (Corlu, dkk., 2005). Selain itu, TPO misalkan, dikembangkan untuk memetakan distribusi aktivitas gen jaringan embrio (Sharpe, 2004), dan TK-EO untuk memetakan distribusi tetapan emisi cahaya sel-sel hidup (Ohyama, dkk., 1997). Kebaruan riset ini dapat dibandingkan dengan Tabel 1.1, dimana riset ini dicirikan oleh: a.
upaya pemetaan indeks bias mengikuti konsep TOST;
b.
upaya pengkajian dan pengukuran besaran fisis yang terlibat dalam TOST;
c.
adanya permodelan interaksi cahaya tampak dalam sampel transparan untuk memperoleh citra struktur internal sampel transparan rekayasa;
d.
upaya perancang-bangunan sistem TOST baik secara simulasi dan eksperimen;
e.
perumusan teknik pencuplikan data TOST;
f.
perumusan strategi rekonstruksi citra TOST.
7
Tabel 1.1 State of the art beberapa penelitian terkait tomografi optis Nama Penulis dan Tahun Strakowski, dkk., 2008 Li dan Wang, 2007
Corlu, dkk., 2005 Sharpe, 2004 Suparta, dkk., 2003 Natalisanto, 2003 Bevilacqua, dkk., 2000
Everett, 2000
Vlad, dkk., 1996
Judul dan Nama Jurnal
Fokus penelitian
Polarization sensitive optical coherence tomography for technical materials investigation, Sensors and actuators A Physical 142(2008) 104-110 Optical Coherence Computed Tomography, Applied Physics Letters, 91(14), 141107-1, American Institute of Physics
pemetaan distribusi sifat fisis bagian optis tak isotrof keramik
Diffuse Optical Tomography with Spectral Constraints and Wavelenght Optimization, Applied Optics, 44(11): 2082-2094 Optical Projection Tomography, Annual Review of Biomedical Engineering.6: 209-228 The Development of Optical Computed Tomography Apparatus for Fault Detection in Transparent Materials, Proc. SPIE 5144: 643-650 Model Simulator Tomografi Optis Sinar Terusan, Thesis S-2, UGM, Yogyakarta Broadband Absorption Spectroscopy in Turbid Media by Combined Frequency Domain and Steady State Methods, Applied Optics, Vol.39, No.34, 1 Desember, 6498-6507 Optical Coherence Tomography for Dental Applications, MTP, U.S. Department of Energy, UCRL-MI-129402 New Treatment of the Focusing Method and Tomography of the Refractive Index Distribution of Inhomogeneous Optical Components, Optical Engineering, Vol. 35, No. 5, May,1305-1310
pemetaan distribusi koefisien gangguan serapan bagian bahan yang hampir mendifusi cahaya pemetaan distribusi koefisien atenuasi dan koefisien hamburan dalam suatu jaringan pemetaan distribusi aktivitas gen jaringan embrio pemetaan distribusi indeks bias kompleks pemetaan distribusi indeks bias kompleks pemetaan koefisien atenuasi dan hamburan jaringan payudara pemetaan distribusi koefisien serapan energi cahaya putih pada email gigi pemetaan distribusi indeks bias real
8
Lanjutan Tabel 1.1 Nama Penulis dan Tahun Ohyama, 1997
Judul dan Nama Jurnal
Optical Image Reconstructing Apparatus Capable of Reconstructing Optical Three-Dimensional Image Having Excellent Resolution and S/N Ratio, United States Patent, No. Patent: 5.680.484, 21 Oktober Tromberg, dkk., Properties of Photon Density Waves 1993 in Multiple-Scattering Media, Applied Optics, Vol.32, No.4,1 January, 607-616.
Fokus penelitian pemetaan distribusi tetapan emisi cahaya tampak sel-sel hidup
pemetaan koefisien atenuasi dan koefisien hamburan suatu phantom jaringan
1.4 Tujuan Penelitian Tujuan umum penelitian adalah mengkaji kemungkinan peluasan konsep tomografi dari pemahaman tomografi yang menggunakan radiasi pengion menjadi juga mencakup tomografi radiasi gelombang elektromagnetik, yang diwakili oleh cahaya tampak (optis). Tujuan khusus penelitian adalah: a.
merumuskan dan memetakan indeks bias dengan konsep TOST;
b.
mengeksplorasi besaran dan pengukuran fisis yang digunakan dalam TOST;
c.
merumuskan model interaksi cahaya tampak di dalam obyek transparan sehingga dapat diperoleh citra tampang lintang internal obyek;
d.
merancang-bangun sistem TOST;
e.
menyusun teknis pencuplikan data TOST;
f.
menyusun strategi rekonstruksi citra TOST.
1.5 Manfaat Penelitian Dari penelitian ini diharapkan dapat diperoleh manfaat, antara lain: a.
terumuskannya model interaksi cahaya tampak dalam obyek, khususnya obyek transparan sehingga peta struktur internal berbasis perbedaan indeks bias bahan dapat diketahui;
9
b.
dihasilkannya model TOST sebagai salah satu bentuk perluasan implementasi fisika optik fundamental untuk tujuan analisis struktur internal obyek;
c.
dihasilkannya perangkat TOST yang potensial dapat dikembangkan untuk inspeksi benda transparan yang lebih kompleks.
1.6 Sistematika Penulisan Riset ini mencakup tiga aspek yaitu: kajian teori, simulasi komputer, dan eksperimen laboratorium. Oleh karena itu, disertasi ini disusun sebagai berikut. Bab I adalah bagian Pendahuluan yang menguraikan latar belakang munculnya masalah, permasalahan, keaslian masalah termasuk pemaparan state of the art, tujuan penelitian, manfaat yang diharapkan, dan sistematika penulisan. Bab II tentang Tinjauan Pustaka yang menjelaskan penelitian-penelitian terkait tomografi optis yang pernah dilakukan. Secara khusus, pada bagian ini dirujuk sistem tomografi distribusi indeks bias (TDIB), sistem tomografikomputer emisi optis (TK-EO) dan sistem tomografi proyeksi optis (TPO) yang sistemnya serupa dengan TOST, serta dirujuk sistem tomografi koheren optis (TKO) dan sistem tomografi difusi optis (TDO) yang sistemnya berbeda dengan TOST yang menjadi topik utama riset. Bab III menjelaskan Landasan Teori dengan tinjauan atas tomografi transmisi sinar-x generasi I, tinjauan optis yang meliputi interaksi cahaya tampak dengan bahan transparan dan sifat bahan transparan, persoalan peniruan langsung tomografi transmisi sinar-x generasi I untuk TOST, tomografi optis jenis lain dan citra digital. Pada Bab IV dibahas Metodologi yang menguraikan deskripsi dan penjelasan metode yang digunakan dalam kajian teori, simulasi komputer, dan eksperimen. Bab V membahas Kajian Teori yang menguraikan penurunan indeks bias yang dipetakan TOST, kemungkinan pemetaan indeks bias dan pembahasannya. Kemudian dilanjutkan dengan Bab VI yang menguraikan aspek Simulasi, yang meliputi
persoalan maju (forward problem) TOST, persoalan balik (inverse
problem) TOST, hasil simulasi komputer kedua persoalan tersebut dan
10
pembahasannya. Pada Bab VII diuraikan hasil Eksperimen yang meliputi akusisi data proyeksi sampel uji real, pembandingan data dan citra baik secara simulasi dan real. Pada Bab VIII diuraikan Simpulan yang diambil dari hasil kajian teori, simulasi komputer, dan eksperimen.
