4 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
II.1 Prinsip Kerja Sinar-X
Tabung yang digunakan adalah tabung vakum yang di dalamnya terdapat 2 elektroda yaitu anoda dan katoda. Katoda/filamen tabung Roentgen dihubungkan ke transformator filamen. Transformator filamen ini akan memberi supplai sehingga mengakibatkan terjadinya pemanasan pada filamen tabung Roentgen, sehingga terjadi thermionic emission, dimana elektron-elektron akan membebaskan diri dari ikatan atomnya, sehingga terjadi elektron bebas dan terbentuklah awan-awan elektron.
Anoda dan katoda dihubungkan dengan transformator tegangan tinggi 10 kV-150 kV. Primer HTT diberi tegangan AC (bolak-balik) maka akan terjadi garis-garis gaya magnet (GGM) yang akan berubah-ubah bergantung dari besarnya arus yang mengalir. Akibat dari perubahan garig-garis gaya magnet ini akan menyebabkan timbulnya gaya gerak listrik (GGL) pada kumparan sekunder, yang besarnya tergantung dari setiap perubahan fluks pada setiap perubahan waktu. Dari proses ini didapatkanlah tegangan tinggi yang akan disuplai ke elektroda tabung Roentgen.
Elektron-elektron bebas yang ada disekitar katoda akan ditarik menuju anoda, akibatnya terjadilah suatu loop (rangkaian tertutup) maka akan terjadi arus elektron yang berlawanan dengan arus listrik yang
5
kemudian disebut arus tabung. Pada saat yang bersamaan, elektron-elektron yang ditarik ke anoda tersebut akan menabrak anoda dan ditahan. Jika tabrakan elektron tersebut tepat di inti atom disebut peristiwa breamstrahlung dan apabila menabraknya dielektron di kulit K, disebut K karakteristik. Akibat tabrakan ini maka terjadi hole-hole karena elektron-elektron yang ditabrak tersebut terpental. Hole-hole ini akan diisi oleh elektron-elektron lain. Perpindahan elektron ini akan menghasilkan suatu gelombang elektromagnetik yang panjang gelombangnya berbeda-beda. Gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang 0,1 – 1 A° inilah yang kemudian disebut sinar X atau sinar Roentgen . ⁴
Gambar II.1 Blok Diagram Sinar-X ⁴
II.2 Interaksi Sinar-X dengan Bahan
Pada saat foton mengenai suatu bahan maka akan terjadi interaksi yang mengakibatkan penyerapan atau penghamburan foton. Proses penyerapan dan penghamburan akan berpengaruh pada pelemahan atau
6
attenuasi dari foton tersebut yang disebabkan oleh kerapatan, ketebalan dan nomor atom bahan yang dilalui. Apabila radiasi elektromagnetik masuk ke dalam bahan , maka sebagian dari radiasi tersebut akan terserap oleh bahan. Sebagai akibatnya, intensitas radiasi setelah memasuki bahan penyerap lebih kecil dibandingkan intensitas semula.
Proses pelemahan radiasi elektromagnetik baik sinar-X maupun sinar gamma dalam suatu bahan , maka akan terjadi pengurangan intensitas memenuhi persamaan : ¹³
I = Io e ̶ µ ………(II.1)
Dimana intensitas radiasi elektromagnetik setelah melalui bahan (I), intensitas radiasi elektromagnetik sebelum melalui bahan (Io), koefisien serapan bahan bahan (µ) dan ketebalan bahan (x).¹³
II.2.1 Efek Fotolistrik
Pada penyinaran, energi radiasi akan diserap seluruhnya. Energi yang diserap itu dipergunakan untuk mengeluarkan elektron dari ikatan inti atom. Elektron yang terlepas itu disebut fotoelektron. Proses pengeluaran elektron ini terjadi pada penyinaran dengan energi foton yang rendah berkisar antara 0,01 MeV hingga 0,5 MeV.
7
Gambar II.2 Efek Fotolistrik ⁴
Radiasi elektromagnetik dengan energi fotonnya kecil akan berinteraksi dengan elektron-elektron yang berada di orbit luar atom. Semakin besar energi foton maka elektron-elektron yang berada pada orbit lebih dalam akan dilepaskan. Efek fotolistrik ini umumnya banyak terjadi pada materi dengan nomor atom yang besar, seperti pada tembaga (Z=29) atau timah hitam (Z=82).
= ₀ + ..……….. (II.2) = − ₀ ..………...(II.3) = ℎ − ℎ ₀ ……….(II.4) = ℎ − ℎ ₀ ….………(II.5)
Energi foton datang (hf) sebagian besar berpindah ke elektron fotolistrik dalam bentuk energi kinetik elektron. Dimana energi kinetik (Ek), konstanta Planck (h) = 6,63 x 10⁻³⁴ J.s, energi
8 II.2.2 Efek Compton
Energi radiasi hanya sebagian saja diserap untuk mengeluarkan elektron dari atom (fotoelektron) sedangkan sisa energi akan terpancar sebagai hamburan radiasi dengan energi yang lebih rendah daripada energi semula. Elektron itu dilepaskan dari ikatan inti atom dan bergerak dengan energi kinetik disertai foton lain dengan energi lebih rendah dibandingkan foton datang. Foton lain itu disebut foton hamburan dengan energi hf dan terhambur dengan sudut θ terhadap arah foton datang. Efek Compton terjadi pada elektron-elektron bebas atau terikat secara lemah pada penyinaran dengan energi radiasi yang lebih tinggi yaitu berkisar antara 200-1.000 KeV. ⁵
Gambar II.3 Efek Compton ⁶
Dalam hamburan Compton, energi foton datang yang diserap atom diubah menjadi energi kinetik elektron dan foton hamburan yang berenergi lebih rendah. Elektron selanjutnya akan
9
kehilangan energinya melalui proses ionisasi atom bahan. Perubahan panjang gelombang foton dari λ foton primer menjadi λ' foton hamburan adalah : ¹³
∆ = λ′− ………..(II.6) = (1 − cos ф) ……..………(II.7) =
₀ (1 − cos ф) ………….………….(II.8) Dimana konstanta Planck (h) = 6,63 x 10⁻³⁴ J.s, massa diam elektron (m₀) = 0,000549 sma, kecepatan cahaya (c) = 3 x 10⁸ m/s dan sudut hamburan (θ). ¹⁶
II.3 Proses Terjadinya Radiografi
Bayangan laten yang terbentuk pada film Roentgen (radiografi) dihasilkan oleh berkas sinar-X sesudah menembus objek mengenai film atau berasal dari berkas cahaya tampak yang dihasilkan pada proses emisi cahaya dari interaksi radiasi sinar-X dengan lembar penguat.
Berkas radiasi sinar-X yang mengenai objek sebagian diserap oleh objek dan sisanya diteruskan (menembus objek). Berkas cahaya yang diteruskan tersebut mengenai emulsi film sehingga terbentuk bayangan objek. Berkas cahaya sinar-X yang menembus objek akan diserap oleh lembar penguat dan dipancarkan kembali dalam bentuk cahaya tampak. Berkas cahaya tampak tersebut selanjutnya mengenai emulsi film sehingga terbentuk bayangan laten. ¹
10 II.4 Lembar Penguat
II.4.1 Pengertian Lembar Penguat
Lembar penguat merupakan alat yang terbuat dari kardus berlapis fosfor. Diletakkan dalam kaset berhadapan langsung dengan film. Lembar penguat berfungsi mengubah sinar-X menjadi cahaya tampak dan cahaya tampak tersebut akan berinteraksi dengan film sehingga membentuk bayangan laten. Bila memakai film emulsi tunggal, digunakan sebuah lembar penguat yang berhadapan dengan sisi emulsi film, sedangkan pada film emulsi ganda digunakan dua buah lembar penguat yang masing-masing berhadapan dengan kedua permukaan film. ⁷
II.4.2 Prinsip Kerja Lembar Penguat
Foton sinar-X yang mengenai kristal fosfor, dapat menghasilkan beribu foton cahaya yang diemisikan kristal fosfor. Proses perubahan sinar-X menjadi cahaya tampak oleh screen disebut dengan luminisensi (perpendaran cahaya). Energi radiasi diserap (penyerapan fotolistrik oleh atom-atom dari material fosfor). Ada dua jenis luminisensi : ³
a. Fosforisensi, yaitu cahaya yang dipancarkan setelah terjadinya penyerapan energi dari radiasi gelombang pendek (sinar-X), pemancaran akan diteruskan walaupun radiasi gelombang pendek sudah berhenti menyinarinya. Istilah ini disebut after
11
glow. Waktu terjadinnya pencahayaan lebih besar dar 10⁻⁸ detik.
b. Fluoresensi, yaitu cahaya yang dipancarkan setelah terjadi penyerapan energi dari radiasi gelombang pendek, cahaya dipancarkan hanya selama adanya radiasi gelombang pendek tersebut. Waktu terjadinnya pencahayaan kurang dari 10⁻⁸ detik. ⁸
Ketika sinar-X mengenai butiran fosfor akan memendarkan cahaya, kerapatan lapisan fosfor juga terdapat celah antar butiran fosfor lainnya sehingga radiasi akan melewati celah tersebut yang juga akan memendarkan cahaya pada lapisan lembar penguat berikutnya. Elektron yang terlepas meninggalkan pita valensi menuju pita konduksi. Pada posisi ini elektron memasuki energi yang lebih tinggi. Material fosfor yang tidak murni menghasilkan luminisensi yang cenderung memiliki kekuatan menarik elektron kembali ke pita valensi. Karena energinya cukup tinggi maka
X-ray
12
terjadi lompatan elektron dari energi tinggi ke daerah energi rendah. Pada saat terjadi lompatan energi terebut terjadilah pelepasan energi foton cahaya, sebagai bentuk pencahayaan fluoresensi.
II.4.3 Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Kecepatan Lembar Penguat
a. Komposisi Fosfor
Komposisi yang diproduksi dengan baik tentu akan menghasilkan efisiensi pencahayaan yang baik pula. Pemakaian jenis fosfor yang berbeda pada lembar penguat akan mempengaruhi kecepatannya.
b. Ketebalan Lapisan Fosfor
lapisan fosfor lebih tebal akan menghasilkan lembar penguat lebih cepat karena menyerap banyak foton sinar-X dari pada lapisan tipis, tetapi lapisan tebal akan menyebabkan pengurangan ketajaman gambar yang tercatat pada film.
c. Ukuran Kristal Fosfor
Semakin besar ukuran kristal fosfor, semakin besar pula penyerapan yang terjadi maka semakin banyak cahaya yang dipancarkan setiap adanya interaksi dengan energi gelombang sinar-X, semakin besar pula kecepatan pada lembar penguat. Lembar penguat kecepatan tinggi ukuran kristalnya ± 8 mikro sedangkan kecepatan rendah ukuran kristalnya ± 4 mikro.
13
d. Adanya Lapisan Pemantul / Penyerap
Lapisan pemantul berfungsi memantulkan cahaya kembali ke arah permukaan lembar penguat untuk membantu proses pembentukan gambar sehingga menambah kecepatan tetapi mengurangi resolusi gambar. Lapisan penyerap memiliki sifat yang berlawanan dengan lapisan pemantul. Berfungsi mengontrol penyebaran cahaya, menyerap cahaya hamburan sehingga dapat menigkatkan ketajaman gambar.
e. Pemilihan Nilai Tegangan Tabung
Tegangan tabung merupakan beda potensial antara katoda dan anoda di dalam tabung yang diperlukan untuk memindahkan satuan muatan yaitu untuk menerik elektron dari filament ke permukaan target anoda. Menggunakan nilai tegangan tabung tinggi (kV) maka faktor penguatnya akan naik sehingga lembar penguat memperoleh penguatan yang maksimum. ¹⁰ ¹
II.4.4 Kecepatan Lembar Penguat
Kecepatan lembar penguat adalah kemampuan lembar penguat dalam mengubah energi sinar-X menjadi cahaya tampak pada eksposi yang diperlukan untuk menghasilkan densitas pada radiografi. Jenis lembar penguat menurut kecepatannya dibagi menjadi tiga :
14 a. Kecepatan Tinggi
Mempunyai butiran-butiran fosfor yang lebih besar sehingga gambaran yang dihasilkan memiliki detail yang rendah tetapi hanya membutuhkan sedikit nilai eksposi yang dapat menghitamkan film. Jadi dapat mengurangi dosis radiasi pada pasien dan ini bisa digunakan pada pemeriksaan pelvis, kepala dan abdomen.
b. Kecepatan Sedang
Jenis lembar penguat ini memiliki butiran fosfor yang sedang sehingga memberikan perbandingan yang baik antara kecepatan dan detail yang sedang.
c. Kecepatan Rendah
Lembar penguat dengan kecepatan rendah terdiri dari butiran butiran fosfor yang kecil sehingga dapat menghasilkan gambaran detail yang tinggi, tetapi untuk menghasilkan kehitaman tertentu yang dihasilkan lembar penguat kecepatan tinggi membutuhkan sedikit eksposi maka dengan menggunakan kecepatan rendah membutuhkan banyak eksposi. Dosis radiasi tidak terlalu dipertimbangkan serta bagian tubuh yang diperiksa, misalnya pemeriksaan ekstremitas. ⁸
II.4.5 Jenis-Jenis Bahan Lembar Penguat
Tidak semua fosfor berluminisensi menghasilkan warna yang sama. Hal ini penting menyangkut aplikasi dalam radiografi.
15
Ada fosfor yang digunakan dalam bentuk murninya dan ada beberapa fosfor yang membutuhkan pengaktif untuk berluminisensi. Pengaktif meningkatkan kemampuan fluoresensi juga mempengaruhi warna cahaya yang dipancarkan. Syarat utama bahan dasar lembar penguat mempunyai spesifikasi koefisien serap yang tinggi, biasanya bahan dengan nomor atom yang tinggi dan mempunyai after glow yang singkat.
a. Calsium Tungsten
Calsium tungsten dapat berluminisensi tanpa pengaktif. Memancarkan cahaya ultraviolet bila terkena radiasi gelombang pendek. Maksimum fluoresensi sekitar 420 nm. Namun jenis fosfor ini sudah jarang digunakan lagi karena efisiensi mengubah sinar-X ke cahaya hanya berkisar 5% jika dibandingkan dari fosfor jenis rare earth sekitar 15%.
b. Barium Fluorochloride
Jika dibandingkan dengan calcium tungsten maka barium fluorochloride mengabsorbsi sinar-X lebih banyak atau dengan kata lain koefisien absorbsinya lebih tinggi, selain itu barium fluorochloride lebih efisien dalam mengkonversikan sinar-X menjadi cahaya. Diaktifkan dengan europium. Sinar yang dihasilkan ultraviolet dan biru dengan panjang gelombang sampai 380 nm.
16 c. Rare Earth
Materi fosfor yang secara alamiah jumlahnya sangat terbatas. Rare earth merupakan material fosfor efisiensi yang tinggi dalam menyerap berkas sinar-X menjadi cahaya tampak sehingga banyak dipakai sebagai bahan baku lembar penguat radiografi. Pencahayaannya menghasilkan empat kali lebih besar dari bahan lembar penguat calsium tungsten. Fosfor rare earth dibagi dalam tiga jenis, yaitu :
1. Gadolinium oxysulphide, diaktifkan oleh terbium. 2. Lantanum oxysulphide, diaktifkan oleh terbium. 3. Ytrium oxybromide, diaktifkan oleh telerium.
Lanthanum oxysulphide, lanthanum oxysulphide, dan ytrium soxybromide dengan pengaktif terbium dan telerium akan mengemisikan sinar warna hijau dengan panjang gelombang antara 625-550 nm. ⁹ ⁸
II.4.6 Struktur Lembar Penguat
17
Lapisan penguat memiliki struktur yang tersusun atas beberapa lapisan secara berturut - turut sebagai berikut.
a. Lapisan Supercoat
Lapisan supercoat terbuat dari bahan selulosa asetat yang tipis dan kuat, tebalnya sekitar 5-10 µm. Fungsinya untuk melindungi seluruh permukaan lapisan bahan fluoresensi, serta tahan terhadap goresan.
b. Lapisan Phosphor Layer
Lapisan ini mengandung kristal bahan fluoresensi yang diikat oleh suatu bahan tebalnya sekitar 100-200 µm. Bahan fluoresensi yang dapat digunakan adalah kalsium tungsten, barium lead sulfat atau rare earth.
c. Lapisan Substratum
Digunakan untuk menempelkan lapisan fosfor dengan lapisan dasar. Lapisan ini dibuat setipis mungkin untuk menghasilkan perlekatan yang cukup antara kedua lapisan. Tebalnya sekitar 10-20 µm. Ada 2 jenis lapisan substratum yaitu lapisan reflektive dan lapisan absorptive. Lapisan reflektif berfungsi untuk memantulkan kembali cahaya menuju ke film. Sedangkan bila menggunakan lapisan absorptive cahaya akan diserap oleh zat warna pada lapisan ini.
18 d. Lapisan Base
Lapisan dasar yang berfungsi sebagai penyokong untuk lapisan lain. Terbuat dari polyester, cardboard dan plastik. Tebalnya sekitar 200-400 µm. Sifatnya tidak mempengaruhi bahan fluoresensi, tidak berkerut dan tembus sinar-X. ⁶ ⁷
II.5 Faktor Intensifikasi
Faktor intensifikasi adalah perbandingan antara eksposi yang dibutuhkan untuk menghasilkan densitas tertentu pada film tanpa menggunakan lembar penguat dengan eksposi yang dibutuhkan pada film yang menggunakan lembar penguat untuk menghasilkan densitas yang sama. Secara matematis dituliskan sebagai berikut : ¹
( ) =
Eksposi dengan IS
Radiografi memerlukan lembar penguat, yang berfungsi sebagai lembar
penguat gambar melalui proses pencahayaan akibat penyinaran. Bila
memakai lembar penguat dapat menghemat nilai penyinaran disamping
menghasilkan kualitas gambar yang lebih baik. Proses yang demikian disebut intensifikasi gambar. Dengan demikian apabila menggunakan
lembar penguat memerlukan faktor intensifikasi, yaitu nilai perbandingan
antara penyinaran tanpa menggunakan lembar penguat dengan penyinaran
dengan menggunakan lembar penguat. ⁸ ¹
Lembar penguat dengan ukuran kristal fosfor yang besar banyak menyerap radiasi bila dibandingkan dengan kristal ukuraan kecil, sehingga
19
faktor intensifikasi dari lembar penguat dengan ukuran kristal besar adalah tinggi tetapi kualitas gambarnya kurang baik. Jumlah kristal fosfor bilamana banyak dalam perunit volume maka faktor intensifikasinya tinggi. Kualitas radiasi bila menggunakan kV tinggi maka faktor intensifikasinya juga akan naik.
II.6 Pengaruh Lembar Penguat Terhadap Radiografi dan Tegangan Tabung
Lembar penguat dapat mempercepat proses terjadinya energi sinar-X menjadi cahaya tampak, karena foton sinar-sinar-X dapat menghasilkan 80-90 foton cahaya, perubahan ini mempercepat proses penyinaran film, sekitar 95% kepadatan gambar akan terbentuk dari foton cahaya yang dikeluarkan oleh lembar penguat, karena lebih banyak cahaya yang dikeluarkan dari lembar penguat. Alasan menggunakan lembar penguat untuk penyinaran radiografi adalah mengurangi dosis pasien. ⁵ ³
Dalam nilai kecepatan lembar penguat yang bervariasi akan berpengaruh terhadap kontras radiografi yang memungkinkan waktu eksposi singkat sehingga mengurangi artefak akibat pergerakan objek, selain itu dapat menghemat dan mengurangi beban kerja terhadap tabung pesawat sinar-X. ³
II.7 Stepwedge
Stepwedge merupakan benda berbentuk kotak bertingkat terbuat dari aluminium mempunyai ketebalan 2 mm yang paling tipis bertambah 2 mm pada step berikutnya pada setiap tingkat sampai step yang paling
20
tebal. Tujuannya untuk mengetahui intensitas radiasi yang ditransmisikan ke film atau variasi intensitas radiasi yang ditransmisikan ke film.
Step yang paling tipis menerima radiasi lebih banyak yang sampai ke film karena tingkat penyerapannya rendah. Nilai kehitaman film sangat bergantung pada intensitas radiasi setelah melewati step. Semakin tipis suatu step maka gambaran pada film semakin hitam dan semakin tebal suatu step gambaran pada film semakin putih. Untuk menghasilkan kurva karakteristik dengan menganalogikan konversi dari tingkat ketebalan.
