MAKALAH LENGKAP
INSTRUMENTASI UNTUK PENCITRAAN KEDOKTERAN NUKLIR
Dipresentasikan pada Annual Scientific Meeting 2011 The Indonesia Society of Nuclear Medicine A The Indonesia Society of Nuclear Medicine and Biology Radioisotopes, Radiopharmaceutical and Cyclotron Bandung, November 4-5, 2011
A. Hussein S. Kartamihardja Departemen Ilmu Kedokteran Nuklir Fakultas Kedokteran Universitas Padjadjaran RSUP Dr. Hasan Sadikin Bandung
0
INSTRUMENTASI UNTUK PENCITRAAN KEDOKTERAN NUKLIR A. Hussein S. Kartamihardja Departemen Ilmu Kedokteran Nuklir Fakultas Kedokteran Universitas Padjadjaran RSUP Dr. Hasan Sadikin Bandung
Dipresentasikan pada Annual Scientific Meeting 2011 The Indonesia Society Of Nuclear Medicine A The Indonesia Society Of Nuclear Medicine And Biology Radioisotopes, Radiopharmaceutical And Cyclotron Bandung, November 4-5, 2011
Pendahuluan Keputusan
Menteri
Kesehatan
Republik
Indonesia
nomor
008/Menkes/SK/I/2009 memberikan definisi pelayanan kedokteran nuklir adalah pelayanan penunjang dan/atau terapi yang memanfaatkan sumber radiasi terbuka dari disintegrasi inti radionuklida yang meliputi pelayanan diagnotik invivo dan in-vitro melalui pemantauan proses fisiologi, metabolisme dan terapi radiasi internal Pelayanan kedokteran yang prima memerlukan beberapa persyaratan seperti sumber daya manusia yang kompeten, radiofarmaka yang memadai dan berkualitas baik serta peralatan atau instrumentasi yang prima. Peralatan utama dalam pelayanan kedokteran nuklir pada prinsipnya berkaitan dengan sistem deteksi radiaktif. Pemanfaatan teknologi nuklir dalam bidang kedokteran sudah dimulai sejak awal abad ke 20. Bebagai penemuan radionuklida untuk kesejahteraa manusia terus diupayakan sejalan dengan pengembangan peralatan teknologi nuklir. 1
Perkembangan
dalam
penggunaan
alat
diagnostic
ditandai
dengan
pengembangan alat pendeteksi radiasi, kemudian dikembangkan alat dengan kemampuan pencitraan sederhana berupa rectilinear scanner. Penemuan kamera gamma merupakan perkembangan yang sangat signifikan dalam bidang diagnostic pencitraan. Alat ini jauh dapat menghasilkan hasil pencitraan jauh lebih baik dan lebih cepat dibandingkan dengan menggunakan alat rectilinear scanner. Perbedaan tersebut terletak pada detektor dengan kristal lebih besar dan jumlah multi photo multiplier tube (PMT) lebih dimiliki oleh kamera gamma dibandingkan rectilinear scanner yang hanya memiliki satu PMT saja. Pengembangan dalam bidang diasnostik tidak terbatas pada perangkat kerasnya saja, tetapi juga pada perangkat lunak. Pemanfaatan computer memberikan konstribusi yang sangat bermakna dalam pemanfaatan teknologi nuklir. Perangkat lunak dikembangkan untuk menganalisa hasil pencitraan yang tadinya hanya bersifat kualitatif menjadi hasil yang sifatnya kuantitatif. Perangkat lunak dikembangkan selai untuk aplikasi klinik juga untuk program pada umumnya. Peralatan yang paling canggih saat ini adalah kamera gamma dengan teknologi positron emission tomography (PET) yang digabungkan dengan peralatan CT atau MRI sebagai pendukung khususnya untuk koreksi atenuasi dan penentuan lokasi lesi secara anatomi. Di Indonesia, pelayanan kedokteran nuklir dimulai sejak tahun 1967 setelah reaktor atom pertama didirikan di Bandung pada tahun 1965. Awalnya pelayanan kedokteran nuklir dilaksanakan di PRAB (Pusat Reaktor Atom Bandung) tempat reaktor atom didirikan. Pelayanan kedokteran tersebut pada tahun 1971 dipindahkan ke RSUP Dr. Hasan Sadikin yang merupakan RS
2
pertama di Indonesia yang memberikan pelayanan kedokteran nuklir. Beberapa rumah sakit seperti RSCM, RS Dr. Soetomo, RS Gatot Soebroto dan RS Dr. Sardjito kemudian membuka pelayanan kedokteran nuklir. RS Swasta pertama yang memberikan pelayanan kedokteran nuklir adalah RSP Pertamina. Selanjutnya beberapa rumah sakit lain ikut serta memberikan pelayanan kedokteran nuklir. Saat ini terdapat 12 RS yang dapat memberikan pelayanan kedokteran nuklir, 3 diantaranya sudah dapat memberikan pelayanan dengan kamera gamma PET/CT. Sebagian besar RS tersebut terletak di Jakarta.
Sistem deteksi radiasi Pencitraan dalam bidang kedokteran nuklir dibentuk melalui deteksi sinar gamma, sianr-x dan pada pemeriksaan Positron Emission Tomography adalah annihilation. Kamera gamma akan mendetksi densitas sinar gamma per unit area, energi dan arah cahayanya. Apabila cahaya tunggal dari foton yang digunakan, maka cahaya tersebut harus diarahkan menggunakan kolimator geometrik. Pada deteksi sinar koinsiden ditemukan gambaran yang unik dari annihilasi positron yang menghasilkan 2 sinar gamma berenergi tinggi dan secara simultan memancar ke arah yang berlawanan, sehingga diperlukan system deteksi yang juga simultan. Peralatan detektor skintigrafi terdiri dari Kristal skintilasi untuk merubah energy sinar gamma menjadi sinar tampak, sensor sinar, sistem elektonik dan unit pemroses gambar.
3
A
B
Gambar 1: A. Foto detektor kamera gamma. B. bagian-bagian dari kamera gamma terdiri dari kolimator, PMT dan rangkaian elektronik.
Kollimator Kollimator merupakan bagian terluar dari detektor kamera gamma. Kollimator terbuat dari timbal dengan penampang mirip sarang tawon, terdiri dari lubang dan septa diantara lubang-lubang tersebut. Bentuk lubang bisa bundar atau hexagonal. Lubang hexagonal lebih banyak digunakan, karena lebih banyak sinar yang dapat mencapai kristal dan tebal septa homogeny. Besar lubang dan tebal septa ditentukan oleh tingkat energi dari radionuklida yang akan digunakan. Fungsi kollimator adalah untuk menseleksi sinar gamma yang mana yang boleh mencapai kristal, sehingga sinar yang masuk ke satu area pada kristal detektor hanya berasal dari satu area pada organ yang diperiksa. Sinar gamma yang akan masuk ke satu area yang berasal dari area lain dari organ yang diperiksa akan tertahan oleh septa pada kollimator, dengan demikian resolusi gambar yang diperoleh lebih tajam. (lihat gambar 2) Ketajaman resolusi gambar yang dihasilkan juga ditentukan oleh jarak sumber atau organ yang diperiksa dan detektor. Jarak yang makin jauh akan memberikan resolusi gambar lebih kabur.
4
Gambar 2: sketsa pancaran sinar yang masuk ke dalam kristal detektor dan pengaruh jarak antara sumber radiasi dengan detektor.
Berdasarkan fungsinya kolimator dapat dikelompokan ke dalam pembagian berdasarkan bentuk atau alur lubang dan tingkat energi radionuklida yang digunakan. Jenis kollimator berdasarkan bentuk atau alur lubang kollimator (lihat gambar 3): 1. Parallel hole Kollimator parallel hole adalah kollimator dengan lubang yang tersusun sejajar, sehingga perbandingan antara gambaran yang diperoleh dan besar organ yang diperiksa berimbang. Kamera gamma yang menggunakan kollimator parallel hole biasanya memiliki diameter detektor cukup besar sehingga bisa mencakup lebar tubuh pasien. 2. Convergen Kollimator convergen adlah kollimator yang memiliki alur dengan diameter permukaan terluar (dekat dengan organ yang diperiksa) lebih kecil dibandingkan dengan diameter permukaan yang menempel pada kristal skintilator. Kollimator jenis ini biasnya digunakan pada kamera gamma dengan diameter detektor jauh lebih besar dibandingkan dengan organ yang akan diperiksa, misalnya jika bayi atau anak-anak. 5
3. Divergen Kollimator divergen merupakan kollimator dengan bentuk atau alur lubang yang berlawanan dengan kollimator convergen. Kollimator ini digunakan untuk pemeriksaan organ yang lebih besar dibandingkan dengan diameter detektor. Apabila organ tersebut diperiksa dengan kollimator parallel hole, maka ada bagian organ tersebut yang tidak terlihat pada pencitraan yang dibuat. 4. Pin hole Kollimator pin hole merupakan kollimator berbentu kerucut dengan lubang tunggal. Kollimator ini sering digunakan untuk pencitraan organ kecil seperti kelenjar tiroid dan persendian.
Gambar 3 : Jenis kollimator yang dapat digunakan tergantung pada diameter detektor dibandingkan dengan besar organ yang diperiksa. A. parallel hole digunakan pada organ besar tapi masih ada dalam lapang pandang detektor; B. convergen digunakan untuk organ kecil dan perlu diperbesar; C. pinhole digunakan untuk organ sangat kecil agar tampak lebih besar, dan D. divergen untuk organ lebih besar dari diameter detektor.
6
Jenis kollimator berdasarkan tingkat energi dan jenis pemeriksaan yang akan dilakukan adalah sebagai berikut : 1.
Kollimator energi rendah resolusi tinggi (Low Energy High Resolution/LEHR) Kollimator LEHR merupakan kollimator yang dirancang untuk kepentingan pemeriksaan yang memerlukan citra dengan resolusi tinggi, sehingga dapat mendeteksi kelainan dengan ukuran seminimal mungkin. Teknik pemeriksaan yang menggunakan kollimator ini adalah pemeriksaan statik dan bersifat kualitatif. Bentuk kollimator ini memiliki diameter lubang yang kecil dan septa yang tipis namun masih mampu menahan arah sinar gamma yang tidak diinginkan, sehingga dapat memberikan gambar dengan resolusi tinggi.
2.
Kollimator energi rendah sensitifitas tinggi (Low Energy High Sensitivity/LEHS) Pemeriksaan yang bersifat kuantitatif dan pencitraan dinamik memerlukan count rate yang tinggi dalam kurun waktu yang sempit, seperti pemeriksaan renografi dan laju filtrasi glomerulus. Pemeriksaan jenis ini memerlukan kemampuan kristal detektor menangkap lebih banyak sinar gamma. Makin banyak cacahan yang bisa diperoleh, makin kecil kemungkinan kesalahan. Kollimator ini memiliki lubang relatif lebih besar dengan septa yang tipis, sehingga memungkinkan lebih banyak sinar gamma yang dapat mencapat kristal detektor, namun demikian resolusi kurang dibandingkan dengan pencitraan yang dihasilkan menggunakan kollimator LEHR.
7
3.
Kollimator energi rendah multi fungsi (Low Energy General Purpose/LEGP) Kollimator LEGP merupakan kollimator kompromi dari kedua kollimator sebelumnya. Kollimator ini digunakan jika jumlah cacahan diperlukan dalam jumlah yang tinggi, namun resolusi tetap diperlukan. Pemeriksaan yang memerlukan kollimator jenis ini adalah pencitraan dinamik yang tidak memerlukan perhitungan kuantitatif.
4. Kollimator energi tinggi Kollimator ini memiliki septa yang tebal agar mempu nenahan sinar gamma dengan tingkat energi tinggi. Septa yang tebal diharapkan mampu untuk menahan sinar gamma yang tidak diharapkan dapat mencapai kristal detektor. Kollimator ini biasa digunakan pada pencitraan menggunakan radionuklida 131I.
Prinsip dasar detektor skintilasi Sinar tampak sebagai hasil dari proses skintilasi yang terjadi saat sinar gamma menembus kristal. Sinar tersebut merupakan sinar tampak dengan panjang gelombang seperti ultra violet. Intensitas dan waktu pendistribusian sinar dari proses skintilasi tersebut tergantung bahan yang digunakan untuk kristal skintilator tersebut.
Kristal skintilator Kristal skintilator tersebut dapat dibuat dari bahan organic seperti plastic atau inorganik yang masing-masing bahan tersebut memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing dalam mendeteksi sinar gamma, sinar-x atau partikel bermuatan.
8
Semua camera yang digunakan untuk kepentingan klinik kedokteran nuklir dibuat dengan skintilator inorganic, karena efisiensi pendeteksiannya lebih tinggi untuk sinar gamma dan sinar-x. Makin tinggi densitas dari bahan kristal skintilasi dan makin tinggi nomor atom, maka makin baik efisiensi detektor tersebut untuk sinar gamma. Makin banyak sinar skintilasi yang dipancarkan dalam kurun waktu yang pendek akan memberikan keuntungan proses deteksi dalam interval waktu yang pendek. Tabel 1. Karakteristik berbagai jenis kristal skintilator yang digunakan dalam bidang kedokteran nuklir.
NaI/Tl adalah Kristal natrium iodide yang diaktivasi dengan Thallium. BGO : bismuth germinat, YSO:Ce cerium yang diaktivasi oleh yttrium oxy-orthosilicate, LSO:Ce cerium diaktivasi oleh lutetium oxy-orthosilicate, GCO:Ce cerium yang diaktivasi dengan gadolinium orthosilicate
Kristal Na(Tl) atau kristal sodium iodide yang diaktivasi dengan thallium masih merupakan kristal pilihan untuk deteksi sinar gamma (single photon) dengan tingkat energy antara 70 keV sampai 360 keV. Kristal ini akan menghasilkan sinar yang tinggi, waktu peluruhan yang memadai dan relative murah untuk produksi dalam jumlah besar. Satu kelemahan dari Na(Tl) adalah material ini mempunyai sifat higroskopik, sehingga diperlukan pelindung dengan udara yang sangat terbatas pada kontener. Resolusi energi kamera gamma ditentukan oleh seluruh bagian dari system, namun banyaknya sinar yang dihasilkan oleh Kristal skintilasi menjadi sangat penting. Kontras hasil pencitraan yang baik akan diperoleh jika pemiian energy yang diperlukan lebih baik.
9
Skintilator yang paling sering digunakan pada kamera PET adalah bismuth germinate (BGO) yang memiliki efisiensi deteksi sangat tinggi untuk sinar annihilasi yang rendah dan waktu peluruhan yang panjang. Kristal cerium activated lutetium axy-orthosilicate (LSO) merupakan kristal memberikan potensi yang menjanjikan, memiliki efisiensi deteksi mirip dengan BGO namun count rate nya lebih tinggi.
Photo multiplier tube (PMT) PMT merupakan tabung sesuai dengan namanya berfungsi sebagai alat untuk menggandakan sinar tampak yang dilepaskan dari kristal detektor. Sinar tampak yang terbentuk akibat peristiwa skintilasi dengan masuknya sinar gamma sangat lemah, sehingga perlu dikuatkan dengan PMT. Selain memperkuat sinar, PMT juga mekonversikannya menjadi pulsa elektrik. Sinar yang tadinya berkekuatan 100 V dilipatgandakan menjadi 1200V.
1. Gambar 4: Photomultiplier tube, berfungsi untuk melipatgandakan sinar dan mengkonfersinya menjadi pulsa listrik. Selanjutnya signal yang terbentuk menjadi tiga jenis yang direpresentasikan menjadi x, y dan z. Signal x dan y merupakan signal yang digunakan untuk menetukan
lokasi
pada
lapang
pandang
detektor,
sedangkan
z
merepresentasikan kekuatan dari signal yang masuk tersebut.
10
Kesimpulan Kamera gamma merupakan salah unsur yang sangat penting dalam pelayanan kedokteran nuklir. Detektor yang terdiri dari kollimator, kristal skintilator dan PMT merupakan komponen kamera gamma yang dapat dikatakan jantungnya kamera gamma. Pemilihan jenis kollimator dan pemilihan seting energi sangat penting dan harus disesuaikan dengan jenis pemeriksaan yang diperlukan dan radiofarmaka yang digunakan.
Daftar pustaka 1. Becker CL. Myocardial perfusion. In Textbook of Nuclear Medicin vol.II : Clinical Application, 2nd ed., Herbert J and Da Rocha FGA (Eds.). Philadelphia, Lea & Febiger, 1984 2. Henkin RE. Nuclear Medicine, 2nd edition, Philadelphia, Mosby Elservier. 2006. 3. Lele RD. Principles and Practice of Nuclear Medicine and Correlative Medical Imaging. New Delhi, Jaypee Brother Medical Publisher(p) Ltd, 2009.
11
12
13
14
15
16
Photopeak selection
A : Tc-99m pyrophosphate B : Tc-99m uniformity test
17
18
19
20
21
