Seminar Fisika dan Aplikasinya 2009 Surabaya, 3 Nopember 2009
RANCANG BANGUN SISTEM TOMOGRAFI TRANSMISI-EMISI SEBAGAI MEDIA PEMBELAJARAN Komang Gde Suastika Program Studi Pendidikan Fisika, FKIP, Universitas Palangkaraya, Kalimantan Tengah Khusnul Ain Departemen Fisika Fakultas Sains dan Teknologi ,Universitas Airlangga, Surabaya. Alamat : Jalan Thamrin No 26 Palangkaraya, Telp. (0536) 3221579, Email:
[email protected]
Abstrak Telah dilakukan penelitian tentang rancang bangun sistem tomografi transmisi-emisi dalam skala laboratorium yang dapat digunakan sebagai media pembelajaran dalam memahami prinsip-prinsip dasar dan mekanisme sistem tomografi tranmisi maupun emisi. Penelitian ini dilakukan secara eksperimen dengan cara mengembangkan beberapa sistem instrumen yang diperlukan, diantaranya adalah Singgle Channel Analyzer (SCA), meja pemayar, dan pengendali motor langkah gerak translasi-rotasi. Uji coba proses pemayaran dilakukan dengan cara melakukan pemayaran dengan dua sumber radiasi energi berbeda pada benda uji berbentuk lingkaran berlubang di dalamnya. Data hasil pemayaran kemudian direkonstruksi dengan metode Summation Convolution Filtered Back Projection (SCFBP). Analisis hasil dilakukan dengan cara membandingkan secara visual antara citra rekonstruksi terhadap objek uji. Hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan menggunakan peralatan laboratorium dan membuat beberapa sistem instrumen yang diperlukan, telah dapat dibangun sistem tomografi komputer transmisi-emisi yang dapat digunakan sebagai media pembelajaran dalam rangka memahami prinsip dasar dan mekanisme sistem tomografi komputer. Kata kunci : Tomografi Komputer, Transmisi-Emisi, SCA, SCFBP, Media Pembelajaran
Abstract The research about the design of Transmission-Emission Tomography in laboratory schale used as instructional media to understand the basic principle and mechanism of transmission-emission tomography was done. This research done experimentally by developing some instrumentation system required such as Singgle Channel Analyzer (SCA),a scanning table, and translation-rotation motion motor stepper controller. The scanning data testing were done by scanning using two different radiation sources on circular sample object with a hole in it. The data then reconstructed using Summation Convolution Filtered Back Projection (SCFBP).The results analysis were done by comparing reconstructed image and sample object visually. The results show that by using laboratory apparatus and making some required instrumentation system, Transmission-Emission Computed Tomography used as instructional media to understand the basic principle and mechanism of computed tomography has been constructed.
Keywords : Computed Tomography, Transmission-Emission Tomography, SCA, SCFBP, Instructional Media
INS01-1
Seminar Fisika dan Aplikasinya 2009 Surabaya, 3 Nopember 2009
1. Pendahuluan Tomografi telah digunakan pada berbagai bidang ilmu pengetahuan dan teknologi sebagai alat bantu untuk melihat bagian dalam suatu objek. Tomografi yang merupakan suatu teknik pencitraan struktur internal obyek dapat memetakan distribusi besaran fisis ( koefisien serapan linier) secara tak merusak (non destructive testing). Teknik tomografi melibatkan proses pengambilan (akuisisi) data proyeksi yang menggunakan instrumen-instrumen elektronik, misalnya sistem akuisisi data, yang perlu dikontrol oleh suatu sistem komputer. Demikian juga untuk proses rekonstruksi proyeksi-proyeksi yang melibatkan proses komputasi yang kompleks yang perlu diselesaikan dengan bantuan komputer. Oleh karena itu teknik tomografi saat ini lebih dikenal dengan nama teknik Tomografi Komputer (TK) (computed tomography). Berdasarkan letak sumber radiasi dalam pengambilan data, sistem TK secara garis besar terbagi menjadi dua bagian yaitu TK transmisi dan TK emisi. Sistem TK transmisi menggunakan sebuah sumber radiasi eksternal dimana citra yang dihasilkan merupakan distribusi koefisien serapan linier obyek. Teknik ini dalam aplikasi medis disebut CT Scan (Computed Tomography Scanner). Sistem TK emisi menggunakan sumber radiasi yang dimasukkan ke dalam objek yang diteliti dan menghasilkan citra yang menggambarkan distribusi bahan/unsur radioaktif dalam objek uji phantom, termasuk dalam katagori ini adalah SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) dan PET (Positron-Emission Tomography). Sistem TK yang dibangun untuk media pembelajaran dalam skala laboratorium menggunakan dua sumber radiasi yaitu sumber radiasi eksternal yang mentransmisikan radiasi gamma dari luar objek dan sumber radiasi internal yang berupa radioisotop pemancar gamma yang dimasukkan ke dalam objek. Pemayaran (scanning) untuk mendapatkan data sinogram transimsi dan data sinogram emisi dilakukan secara simultan.
INS01-2
Beberapa pendekatan matematis telah digunakan untuk proses rekonstruksi citra. Brooks dan Di Chiro (1976) menyatakan bahwa metode rekonstruksi citra secara garis besar terbagi atas tiga bagian yaitu metode proyeksi balik langsung, metode iterasi dan metode analitik. Proses metode proyeksi balik langsung umumnya dipakai terutama setelah dimodifikasi menjadi metode konvolusi (summation convolution filtered back projection, SCFBP) karena prosesnya relatif cepat. Dengan menggunakan program rekonstruksi SCFBP diperoleh citra TK transmisi dan citra TK emisi, 2. Metode Penelitian Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sistem TK translasi rotasi meliputi sistem deteksi menggunakan detektor sintilasi NaI(Tl) BICRON model 212/2P seri BT 778 dan berbasis penguat awal (preamplifier) CANBERRA model 20072 seri 117830, penguat (amplifier) dan dua buah penganalisa salur tunggal (Single Channel Analizer, SCA) yang terangkai dalam sistem spektrometer gamaspektra dan program pemayaran objek uji phantom buatan Grup Riset Fisika Citra (GRFC) FMIPA Universitas Gadjah Mada. Pada penelitian ini juga digunakan perangkat mekanik pemayar, osiloskop KENWOOD 20 MHz CS-4125 dan Notebook untuk proses akuisisi data, proses rekonstruksi citra hingga penayangan citra. Bahan yang diperlukan dalam penelitian ini adalah sumber radiasi internal yang dimasukkan ke dalam objek uji (phantom) yaitu radiofarmaka yang digunakan untuk emisi adalah radioisotop Iodine 131 (I131) yang memancarkan radiasi gamma berenergi 364,5 keV dengan waktu paruh pendek (T1/2 = 8,04 hari) dan sumber radiasi gamma eksternal yang digunakan adalah Technetium 99m (Tc99m) yang dapat memancarkan radiasi gamma 140,5 keV dengan waktu paruh pendek (T1/2 = 6,01 jam). Objek uji terbuat dari bahan acrylates atau plexsiglass yang berupa tabung dan terdapat lubang, di dalam lubang diisi air mengandung zat radioaktif I-131 dengan aktivitas 0,4 mCi. Dari luar objek
Seminar Fisika dan Aplikasinya 2009 Surabaya, 3 Nopember 2009 ditransmisikan sumber radiasi gamma Tc-99m dengan aktivitas 1 mCi.
berbagai sudut rotasi (mulai dari 0o hingga 360o).
Setup eksperimen rancang bangun sistem tomografi transmisi-emisi ditunjukkan pada Gambar 1.
Proses pengambilan data cacah radiasi transmisi dan emisi dilakukan secara simultan, serta proses translasi dilakukan sedemikian rupa sehingga data terusan radiasi dari tepi kiri objek hingga tepi kanan objek dapat diperoleh secara lengkap. Kumpulan data ray-sum ini kemudian disebut proyeksi sebagai satu set ray-sum yang melingkupi seluruh diameter objek pada sudut pandang tertentu. Setelah dua buah sinogram diperoleh, selanjutnya dilakukan proses rekonstruksi menggunakan program komputer CT-Imager. Dengan metode rekonstruksi SCFBP dilakukan rekonstruksi citra dan metode ini banyak dipakai pada sistem CT Scanner di bidang medik (ASTM, 1997).
Gambar 1. Setup eksperimen sistem tomografi (sumber: Suastika, 2009) Tahapan penelitian 1. Rancang bangun mekanik pemayar yang merupakan perangkat meja objek, kolimator sumber radiasi, kolimator detektor, tempat objek uji dan tempat sumber radiasi serta motor langkah untuk gerakan translasi dan rotasi. 2. Rancang bangun dual SCA dan sistem pencacah otomatis atau counter card serta pengembangan sistem spektroskopi dan pemayaran objek uji pada sistem TK transmisi-emisi. 3. Pengujian spektrum sumber radiasi yang digunakan dalam sistem TK transmisi-emisi. 4. Rancang bangun dan pengujian perangkat sistem TK transmisis-emisi yang meliputi setup perangkat, pengujian unjuk kerja dan proses pemayaran objek uji serta rekonstruksi citra TK transmisi dan TK emisi. Pemayaran objek uji dilakukan dengan mencuplik intensitas radiasi, yang kemudian disebut ray-sum, untuk TK transmisi dengan mengambil jendela energi Tc-99m dan TK emisi dengan mengambil jendela energi I-131. Pemayaran objek uji dilakukan dengan resolusi spasial medium dengan 63 raysum/proyeksi dan 100 data proyeksi dari
3. Hasil dan Pembahasan Hasil penelitian tentang sistem TK transmisi-emisi untuk aplikasi laboratorium meliputi: mekanik pemayar, driver motor stipper, objek uji, dual SCA, pengujian instrumen sistem spektroskopi radiasi gamma, pengujian sistem TK transmisi-emisi dengan objek uji dan hasil rekonstruksi citra. a.Mekanik pemayar Mekanik pemayar yang digunakan pada sistem TK transmisi-emisi adalah merupakan hasil pengembangan pada penelitian tentang tomografi komputer transmisi untuk identifikasi kualitas amethys yang telah dilakukan dan dapat membedakan antara kualitas amethys sebagai bahan uji dengan kuarsa sebagai bahan referensi (Suastika dkk, 2007; Suastika dkk, 2008). b.Driver motor stepper Driver motor stepper (motor langkah) berfungsi untuk mengontrol langkah dari motor stepper. Rangkaian driver motor stepper ini dapat mengontrol dua buah motor stepper. Motor stepper pertama berfungsi untuk menggerakkan mekanik langkah translasi dan motor stepper kedua dipakai untuk menggerakkan mekanik langkah rotasi. c. Bahan uji phantom Tipikal objek uji panthom yang digunakan dalam penelitian ini ditunjukkan
INS01-3
Seminar Fisika dan Aplikasinya 2009 Surabaya, 3 Nopember 2009 pada Gambar 2. Panthom berukuran diameter 45 mm dengan 1 lubang berdiameter 25 mm.
25mm
45 mm
Dari tampilan hasil spektroskopi sumber radiasi I-131 ( Gb. 3a) dan Tc-99m (Gb. 3b) diperoleh data cacahan dari masing-masing SCA seperti pada Tabel 1. Tabel 1 Measurement result of each SCA SCA
Channel
Counts/ sec(cps)
Epeak (mV)
Epeak (keV)
SCA1
21
601
2,100
140,5
31
1,930
3,100
364,5
(Tc-99m
Gambar 2. Tipikal objek uji phantom
SCA2 (I-131)
c. Dual SCA SCA adalah merupakan salah satu perangkat akuisisi data tomografi, oleh karena pada sistem TK transmisi-emisi menggunakan dua sumber radiasi yaitu sumber radiasi eksternal yang diletakkan di luar objek dan sumber radiasi internal yang diletakkan di dalam objek, maka diperlukan dua buah SCA yang telah dibuat kompatable dengan perangkat sistem DEETT lainnya (Swakarma, 2008). Sebelum dual SCA digunakan dalam sistem TK transmisi-emisi dilakukan pengujian/ kalibrasi yang dilakukan secara analog di P3TM BATAN Yogyakarta. Hasil kalibrasi menunjukkan bahwa secara analog sistem spektroskopi amplifier pada dual SCA dapat digunakan untuk melakukan pemayaran objek uji pada sistem tomografi secara tepat dan teliti. d. Hasil pengujian spektrum radiasi Tampilan hasil spektroskopi dari masing-masing sumber radiasi I-131 dan Tc99m ditunjukkan pada Gambar 3.
Sumber : Suastika (2009). e. Hasil pemayaran objek uji Pemayaran objek uji dilakukan dengan mencuplik intensitas radiasi, yang kemudian disebut ray-sum, dan mengambil jendela energi I-131 untuk sumber radiasi internal dan jendela energi Tc-99m untuk sumber radiasi eksternal. Resolusi spasial yang digunakan dalam eksperimen ini adalah resolusi medium dengan 63 jumlah ray-sum dan 100 data proyeksi dari berbagai sudut rotasi. Setelah proses pemayaran objek uji selesai dilakukan, diperoleh data yang disebut sinogram TK transmisi dan sinogram TK emisi seperti ditampilkan pada Gb. 4(a) dan Gb. 5(a). Sinogram yang diperoleh berukuran 100 proyeksi dan 63 ray-sum per proyeksi. Setelah diperoleh data sinogram TK tansmisi dan sinogram TK emisi, dilakukan rekonstruksi citra. Hasil rekonstruksi citra TK transmisi dan TK emisi ditampilkan pada Gb. 4 (b) dan Gb. 5(b).
(a) (a)
(b)
Gambar 3. (a) Spektrum energi I-131, (b) Spektrum energi Tc- 99m
INS01-4
(b)
Gambar 4. (a) Sinogram TK transmisi (Tc99m) (b) Citra hasil rekonstruksi (Tc-99m
Seminar Fisika dan Aplikasinya 2009 Surabaya, 3 Nopember 2009
Daftar Pustaka 1. ASTM. Standard Guide for CT Imaging. Anual Book of ASTM Standards, United State of America, 1997, E 1441-97.
(a)
(b)
Gambar 5. (a) Sinogram TK transmisi (I-131) (b) Citra hasil rekonstruksi (I-131)
Setelah dilakukan proses rekonstruksi terhadap kedua sinogram tersebut ternyata sinogram TK transmisi menghasilkan citra TK transmisi yang dapat memberikan gambaran tentang struktur anatomis dari obyek uji. Sinogram TK emisi menghasilkan citra TK emisi, dapat memberikan gambaran yang cukup jelas dari tampang distribusi radiofarmaka/unsur radioaktif dalam objek uji, sehingga keberadaan lubang pada objek uji juga nampak jelas pada citra hasil rekonstruksi. Hasil pencuplikan data pada rekonstruksi citra dengan menggunakan CTImager, diperoleh untuk diameter phantom = 63 piksel, sehingga dapat dihitung : 63 piksel = 45 mm sehingga 1 piksel = 0,7 mm. Pencuplikan diameter lubang phantom = 36 piksel, sehingga : diameter lubang phantom = 36 piksel= 36 x 0,7 mm = 25,2 mm. Sehingga hasil pengukuran diameter lubang tempat sumber radiasi adalah : (25 ± 0,2) mm yang sangat sesuai dengan ukuran nyata objek uji (25 mm). 4.Kesimpulan Hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan menggunakan peralatan laboratorium dan mengembangkan beberapa sistem instrumen yang diperlukan, telah dapat dibangun sistem tomografi komputer transmisi-emisi yang dapat digunakan sebagai media pembelajaran dalam rangka memahami prinsip dasar dan mekanisme sistem tomografi komputer.
2. Brook R. A. and Chiro G. D.. Principles of computer assisted tomography (CAT) in radiographic and radioisotopic imaging. Phys. Med. Biol., 1976, 21: 689-732. 3. Suastika, Suparta G. B.. Aplication of computed tomography on quality identification of amethys gem. Proceeding International Conference and Workshop Basic and Aplied Sciences, Surabaya, 6-7 Agustus 2007. 4.
Suastika, Suparta G. B., Kusminarto dan Suhartono. Analisis kualitas batuan dasar batu mulia. Prosiding 22nd National Physics Symposium and International Conference on Advance Materials for Energy, Gorontalo, 14-16 October 2008.
5. Suastika, Suhariningsih, Kusminarto, Suparta G.B., and Swakarma K.. Dual energy gamma ray in transmission and emission combination tomography system. Journal of Material Science and Engineering, ISSN1934-8959, USA, 2009, 3(10). 6. Swakarma I Ketut, Kusminarto, Suparta G.B. dan Komang G. Suastika, Karakterisasi Triple-Single Channel Analyzer Untuk Tomografi Komputer, Proseding Seminar Nasional Aplikasi Fotonika (SNAF-08) Surabaya, 24 – 25 April 2008.
INS01-5
