Tomografi Resonansi Magnetik Inti; Teori Dasar, Pembentukan Gambar dan Instrumentasi Perangkat Kerasnya, oleh Daniel Kartawiguna Hak Cipta © 2015 pada penulis GRAHA ILMU Ruko Jambusari 7A Yogyakarta 55283 Telp: 0274-882262; 0274-889398; Fax: 0274-889057; E-mail:
[email protected] Hak Cipta dilindungi undang-undang. Dilarang memperbanyak atau memindahkan sebagian atau seluruh isi buku ini dalam bentuk apa pun, secara elektronis maupun mekanis, termasuk memfotokopi, merekam, atau dengan teknik perekaman lainnya, tanpa izin tertulis dari penerbit. ISBN: 978-602-262-423-3 Cetakan I, tahun 2015
KATA PENGANTAR
P
uji syukur kami panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan karunia dan bimbingan-Nya sehingga penyusunan buku yang membahas dasar-dasar magnetic resonance imaging (MRI) atau pencitraan tomografi resonansi magnetik inti dapat diselesaikan. Buku ini disusun untuk memenuhi kebutuhan materi pengenalan teknik pencitraan tomografi resonansi magnetik inti dan sistem instrumentasi perangkat kerasnya. Selain itu bahan ini juga digunakan untuk memberikan pengenalan mengenai MRI bagi para pembaca yang mendalami tentang Radiodiagnostik & Radioterapi. Diharapkan pula buku ini juga dapat bermanfaat bagi para dokter yang akan mengambil spesialisasi ahli radiologi. Pada kesempatan ini penulis juga menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Ibu Dr. Ir. Rusmini B., AIM., MM., Bapak Agus Komarudin, ST., MT. selaku Ketua Jurusan Teknik Elektromedik Politeknik Kesehatan Jakarta II, Bapak H. Abdul Gamal, SKM., MKKK., selaku Ketua Perhimpunan Radiografer Seluruh Indonesia, dan Ibu Hj. Susy Suswaty, M.Pd. selaku Ketua Jurusan Teknik Radiodiagnostik dan Radioterapi yang telah memberi kesempatan penulis membagikan pengalamannya di Jurusan Teknik Elektromedik dan Jurusan Teknik Radiodiagnostik & Radioterapi, Politeknik Kesehatan Jakarta II. Penulis juga
vi
Tomografi Resonansi Magnetik Inti
mengucapkan terima kasih kepada Bapak Wahyu Widhianto, S.Si. selaku Application Specialist MRI di PT. Siemens Indonesia yang telah memberikan masukan dan menyumbangkan sebagian tulisan pada Bab 4 dan 5. Tidak lupa pula penulis mengucapkan terima kasih kepada rekan-rekan sekerja penulis di PT. Siemens Indonesia, Healthcare Sector, Jakarta serta pimpinan dan rekan-rekan dosen Jurusan Sistem Informasi, Universitas Bina Nusantara, Jakarta yang telah memberikan bantuan dan dukungan dalam penulisan buku ini. Meskipun penulis telah berusaha menyusun buku ini dengan sebaikbaiknya dan semaksimal mungkin, namun penulis menyadari akan adanya kemungkinan kesalahan dan ketidaksempurnaan dalam penyusunan buku ini. Untuk itu segala saran dan kritik dari berbagai pihak sangat penulis harapkan demi perbaikan penulisan buku ini. Segala bentuk masukan dan kritik yang membangun penulis harapkan dari pembaca sekalian melalui surat elektronik yang dapat ditujukan ke alamat daniel.kartawiguna@ gmail.com. Akhir kata, semoga buku ini dapat berkenan dan bermanfaat bagi pembaca serta pihak-pihak yang membutuhkannya.
Jakarta, September 2014
Penulis
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR DAFTAR ISI BAB 1
BAB 2
vii
PENDAHULUAN
1
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
1 2 4 5 5
Latar Belakang Sejarah Pencitraan Resonansi Magnetik Inti Keuntungan Pencitraan Resonansi Magnetik Inti Lingkup Pembahasan Sistematika Penulisan
RESONANSI MAGNETIK INTI 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7
BAB 3
v
Pengertian Resonansi Magnetik Inti Atom, Spin, dan Momen Magnetik Sifat Spin dalam Medan Magnet Tingkat Energi Proton Magnetisasi (M) Percobaan Resonansi Magnetik Inti (NMR) Relaksasi (Relaxation)
7 7 8 11 12 16 18 23
TEKNIK PEMBENTUKAN CITRA MRI
35
3.1 Pembentukan Sinyal NMR 3.2 Matriks Data Mentah (Matriks Hasil Pengukuran) 3.3 Hubungan antara data mentah dan data citra
35 42 44
viii
BAB 4
BAB 5
BAB 6
Tomografi Resonansi Magnetik Inti
3.4 Waktu Pemindaian 3.5 Kontras pada Citra MRI 3.6 S/N (Signal to Noise Ratio)
46 46 48
METODA PENGUKURAN
51
4.1 Mekanisme Pembentukan Kontras 4.2 Metoda Pengukuran 4.4 Amplitudo Sinyal NMR dan Intensitas Citra
51 59 65
KUALITAS CITRA MRI
69
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6
Kualitas Citra Resolusi Citra Sinyal dan Derau (noise) Kontras Pengaruh Zat Kontras Kesimpulan
69 71 73 77 78 81
SISTEM INSTRUMENTASI MRI
83
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 BAB 7
Blok Diagram Peralatan Sistem MRI Sistem Magnet Sistem RF Sistem Gradien Measurement Control Unit Unit Pengolah Citra & Komputer Utama
83 86 100 102 106 107
KEAMANAN PADA SISTEM MRI
109
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8
110 116 119 121 122 122 123 129
Medan Magnet Utama Medan Magnet Gradien Medan Frekuensi Radio Efek Antena Radio Klaustrofobia (Claustrophobia) Keamanan Kriogen (Cryogen) Implan dan Organ Tubuh Tiruan Pelatihan Keamanan -oo0oo-
Bab 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
P
erkembangan teknologi elektronika dan komputer hingga saat ini banyak dimanfaatkan di berbagai bidang. Salah satu bidang yang banyak memanfaatkan peralatan elektronika dan komputer adalah bidang kedokteran. Dalam ilmu kedokteran ada cabang ilmu radiologi yang sarat dengan aplikasi teknik fisika, elektronika, dan komputer untuk melakukan pencitraan bagian-bagian tubuh manusia yang membantu dokter dalam menegakkan diagnosis suatu penyakit. Ada dua teknik yang digunakan untuk melakukan pencitraan diagnostik medis yaitu secara invasif dan secara non-invasif. Teknik invasif dilakukan dengan cara memasukkan sensor ke dalam tubuh baik tanpa pembedahan maupun dengan pembedahan. Sedangkan teknik pencitraan non-invasif dilakukan tanpa interferensi ke dalam tubuh manusia. Beberapa contoh aplikasi teknologi elektronika dan komputer di bidang pencitraan diagnostik kedokteran secara non-invasif adalah: ultrasonografi (USG), computed tomography (CT), magnetic resonance imaging (MRI), single photon emission computed tomography (SPECT) atau kamera gamma, dan positron emission tomography (PET). Tujuan utama peralatan pencitraan diagnostik medis ini adalah untuk menghasilkan citra bagian dalam tubuh secara noninvasif yang bermanfaat bagi dokter untuk memberikan diagnosis suatu penyakit secara tepat.
2
Tomografi Resonansi Magnetik Inti
Pertama kali teknologi komputer memegang peranan utama dalam pengolahan dan pembentukan citra diagnostik medis terjadi saat ditemukannya Computed Tomography Scanner (CT-Scan) pada tahun 1972. CT-Scan adalah instrumen pencitraan medis yang digunakan untuk memperoleh citra irisan aksial (transversal) dari bagian tubuh tanpa melakukan pembedahan. Oleh karena CT-Scan ini mempergunakan radiasi sinar-X maka penggunaannya mempunyai dampak bahaya radiasi terhadap tubuh. Untuk itu diupayakan metoda lain yang tidak menggunakan radiasi sinarX.
1.2 Sejarah Pencitraan Resonansi Magnetik Inti Sejarah sistem Pencitraan Resonansi Magnetik Inti diawali dengan penemuan teori Nuclear Magnetic Resonance (NMR) atau Resonansi Magnetik Inti. Percobaan NMR yang sukses pertama kali dilakukan pada tahun 1946 secara terpisah oleh dua orang ilmuwan di Amerika Serikat. Dua ahli fisika yaitu Felix Bloch, yang bekerja di Stanford University, dan Edward Purcell, dari Harvard University, menemukan bahwa saat nukleus diletakkan dalam suatu medan magnet maka nukleus akan menyerap energi dalam daerah spektrum frekuensi radio dan akan memancarkan kembali energi yang diserap tersebut saat nukelus kembali ke keadaan normalnya. Hubungan antara kekuatan medan magnet dan frekuensi radio dalam percobaan ini telah didemonstrasikan sebelumnya oleh fisikawan Irlandia yang bernama Sir Joseph Larmor (1857-1942). Oleh sebab itu hal ini dikenal dengan hubungan Larmor yang menyatakan frekuensi angular dari gerakan presesi (precession) spin inti atom akan sebanding dengan kekuatan medan magnet. Fenomena ini diberi nama NMR yang merupakan singkatan dari: • • •
“Nuclear” karena hanya inti atom (nukleus) dari jenis atom tertentu saja yang dapat mengalami gejala seperti ini; ”Magnetic” karena diperlukan medan magnet; ”Resonance” karena ada ketergantungan antara medan magnet dan frekuensi radio.
