Sinar X

A. Tabung sinar-X

      Untuk pembuatan sinar-X diperlukan sebuah tabung rontgen hampa udara dimana terdapat elektron-elektron yang diarahkan dengan kecepatan tinggi (Rasad, 1992).

       Tabung sinar-X adalah bagian dari imaging system sinar-X yang jarang diperhatikan oleh radiografer. Struktur eksternal dari tabung sinar-X terdiri dari tiga bagian yaitu support structure, pelindung tabung, dan kaca atau metal pembungkus, sedangkan stuktur internal terdiri dari dua elektroda yang disebut anoda dan katoda (Bushong, 2001), sedang menurut Bushberg (2001), komponen utama tabung sinar-X adalah anoda, katoda, rotor/stator, metal atau gelas pembungkus, rumah tabung. Untuk gambaran diagnostik, elektron dari filament dipercepat kearah ke anoda oleh kilovolt peak (kVp) dengan rentang 20.000 sampai 150.000 V (20 sampai 150 kVp).

Gambar 1. Tabung Sinar-X (Bushberg, 2001)

             Keterangan gambar:

           1.   Copper Electrode

           2.   Tungsten Target (anoda)

           3.   Katoda

           4.   Evacuated Glass housing

1.    Katoda

       Sumber elektron tabung sinar-X adalah dari katoda, yaitu dari filament yang berbentuk helical terbuat dari kawat tungsten yang dikelilingi olehfocusing cup. Filament circuit memberikan voltase kurang lebih 10 V kepada filament, memproduksi arus hingga 7A melewati filament (Bushberg, 2001).Sudut negatif dari tabung sinar-X yang terdiri dari filament dan focusing cup. Filament adalah sebuah coil dari kawat yang biasanya mempunyai panjang kira-kira 1 atau 2 cm dan berdiameter kira-kira 2 mm. Filament biasanya terbuat dari tungsten. Tungsten memberikan emisi panas yang lebih tinggi dan mempunyai titik lebur yang lebih tinggi dibandingkan logam-logam yang lain (Bushong, 2001). Pada Focusing cup, sebelum semua elektron bergerak dari katoda menuju katoda, sinar elektron cenderung menyebar keluar karena penolakan elektrostatik (Bushong, 2001).

                                            Gambar 2. Katoda (Burshberg, 2001)

        Keterangan gambar:

                 1.     Focusing cup

                 2.    Small focal spot filament

                 3.    Large focal spot filament

                 4.    Focusing cup

2.    Anoda

            Anoda adalah sebuah target logam electrode yang mempunyai potensial positif. Elektron-elektron membentur lapisan anoda membentuk suatu energi yang sebagian besar energi menjadi energi panas dengan sedikit mengemisikan sinar-X (Bushberg, 2001).

        Anoda merupakan bagian positif dari tabung sinar-X. terdapat dua tipe anoda, yaitu anoda stationery atau anoda diam dan anoda berputar ataurotating anode (Bushong, 2001), serupa dengan yang dikumukakan Bushberg (2001), tabung sinar-X mempunyai bentuk anoda diam dan anoda berputar. Bentuk sederhana dari tabung sinar-X adalah stationary anode atau anoda diam. Anoda ini terbuat dari tungsten yang ditempelkan pada blok tebaga pada anoda.

                                   Gambar 3. Anoda Diam dan Anoda Putar (Bushong, 2001)

             Keterangan gambar:

                 1.    Tungsten

                 2.    Copper

                 3.    Molybdenum

Anoda mempunyai tiga fungsi dalam tabung sinar-X:

1)    Menerima pancaran elektron dari katoda, menginduksikan elektron tersebut malalui tabung yang dihubungkan kabel dan kembali pada bagian tegangan tinggi tabung dari pesawat sinar-X.

2)    Anoda sebagai support mekanik dari target.

3)    Anoda sebagai radiator suhu yang baik.

             Sudut target adalah sudut yang dibentuk oleh permukaan target dengan garis vertikal, sudut yang biasa digunakan dalam tabung sinar-X adalah antara 7-20 derajat. Rata-rata dalam diagnostik adalah 17 derajat dari garis vertikal (Carroll, 1987). Sedangkan menurut (Bushberg, 2001) sudut anoda didefinisikan sebagai sudut dari permukaan target terhadap bidang pertengahan dari sinar-X. Sudut anoda pada tabung sinar-X mempunyai rentang 7 hingga 20 derajat dan umumnya memakai kemiringan sudut 12 sampai 17 derajat.

B.     Produksi Sinar-X

        Sinar-X diproduksi dari perpindahan energi dari satu bentuk ke bentuk lain. Elektron yang bergerak cepat mempunyai energi kinetik dan energi kinetik tersebut diubah menjadi energi panas dan energi radiasi ketika elektron tersebut secara tiba-tiba terhenti oleh target.

           Dalam pembentukan sinar-X diagnostik sebagian besar menjadi energi panas (kira-kira 99%) dan sebagian kecil (kira-kira 1%) menjadi sinar-X (Bushong, 2001).

             Suatu tabung pesawat roentgen mempunyai beberapa persyaratan, yaitu: mempunyai sumber elektron, gaya yang mempercepat gerakan elektron, lintasan elektron yang bebas dalam ruang hampa udara, alat pemusat berkas elektron, dan penghenti elektron (Rasad, 1992).

1.      Proses Terjadinya Sinar-X

Menurut Rasad (1992), proses terjadinya sinar-X adalah sebagai berikut:

a.    Katoda (filament) dipanaskan lebih dari 2000oC sampai menyala menggunakan aliran listrik yang berasal dari transformator.

b.    Karena panas, elektron-elektron dari katoda terlepas.

c.     Sewaktu dihubungkan dengan transformator tegangan tinggi, elektron-elektron akan dipercepat gerakanya menuju anoda menggunakan alat pemusat (focusing cup).

d.    Filament dibuat relatif negatif terhadap target sehinnga terbentuk panas >99% dan sinar-X <1%.

e.    Pelindung atau perisai timah akan mencegah keluarnya sinar-X dari tabung sehingga sinar-X yang     terbentuk hanya dapat keluar melalui jendela tabung.

f.   Panas yang tinggi pada target akibat benturan elektron diminimalisasi oleh radiator pendingin.

2.      Jenis-jenis Sinar-X

a.      Sinar-X Karakteristik

            Sinar-X karakteristik terjadi jika proyektil elektron berinteraksi dengan elektron lintasan terdalam atom target kemudian terjadi ionisasi, atom elektron bagian dalam yang terionisasi tergantikan elektron pada lintasan terluarnya sambil memancarkan sinar-X karakteristik.

                                 Gambar 4. Pembentukan Sinar-X Karakteristik (Bushong, 2001) 

       Ketika proyektil elektron mengionisasi atom target pada lintasan K, sehingga terjadi ketidaksetabilan atom target yang kemudian untuk mencapai kesetabilan dengan cara mengisi kakosongan elektron pada kulit K yang terionisasi. Transisi dari lintasan elektron terluar ke lintasan terdalam ini sambil mengemisikan sinar-X karakteristik (Bushong, 2001).

b.      Sinar-X Bremsstrahlung

          sinar-X bremsstrahlung ditimbulkan setelah berkas elektron melintasi medan ini atom dan dipengaruhi oleh gaya tarik coulom sehingga mengalami perlambatan, pada peristiwa perlambatan tersebut disertai dengan pembentukan spektrum radiasi sinar-X yang bersifat kontinyu (Bushong, 2001)

                          Gambar 5. Pembentukan Sinar-X Bremsstrahlung (Bushong, 2001)

3.      Interaksi Sinar-X dengan Bahan

           Sinar-X merupakan radiasi elektromagnet yang membawa energi dalam bentuk paket-paket yang disebut foton. Sinar-X memiliki panjang gelombang yang sangat pendek, sekitar 10-8-10-9 meter. Semakin tinggi energinya maka semakin pendek panjang gelombangnya. Sinar-X dengan energi rendah cenderung berinteraksi dengan elektron dan energi tinggi cenderung berinteraksi dengan inti atom.

         Dalam imaging diagnostik ada tiga mekanisme interaksi sinar-X yaitu: efek Compton, efek fotolistrik, dan produksi pasangan.

a.      Efek Compton

           Sinar-X yang berinteraksi dengan bahan, mengenai elekron pada kulit terluar tidak hanya menghasilkan hamburan sinar-X tetapi juga terjadi pengurangan energi dan ionisasi atom target. Interaksi ini disebut efek Compton atau hamburan Compton.

                 Sinar-X yang mengenai elektron pada kulit terluar akan mengeluarkan elektron tersebut dan mengionisasi atom target. Elektron yang dipancarkan itu disebut elektron Compton atau uelektron skunder. Sinar-X terus berjalan setelah mengenai elektron namun dengan arah yang berbeda dan energinya lebih rendah daripada energi sinar-X datang.

                   Energi sinar-X datang sebanding dengan energi hamburan compton dan energi dari elektron yang terlepas. Energi elektron yang terlepas sebanding dengan energi ikat dan energi kinetik elektron saat meninggalkan kulitnya. Secara matematika dapat dirumuskan sebagai berikut:

      Ei = Es + (Eb + Eke)

      Dimana:

      Ei : energi sinar-X datang

      Es : energi hamburan sinar-X

      Eb : energi ikat elektron

      Eke : energi kinetik dari elektron

            Hamburan Compton dapat mengurangi kontras dalam hasil radiografi. Apabila suatu hasil radiografi terkena hamburan compton maka akan banyak terjadi fog, densitasnya sama sehingga akan mengurangi nilai kontras (Bushong, 2001).

                                      Gambar 6. Efek Compton (Bushong, 2001)

b.      Efek Foto Listrik

               Efek foto listrik terjadi apabila sinar-X yang mengenai elektron pada kulit terdalam terjadi ionisasi dan juga terjadi absorsi. Sinar-X tersebut tidak terjadi hamburan sinar-X karena semua energinya telah diserap.

                   Energi yang terlepas dari kulit atom disebut foto elektron, dimana mempunyai energi kinetik yang besarnya adalah selisih dari energi ikat elektron dan energi awal dari sinar-X. Secara matematika dapat dirumuskan sebagai berikut:

      Ei = Eb + Eke

     Dimana:

     Ei : energi awal sinar-X

     Eb : energi ikat elektron

     Eke : energi kinetik dari elektron (Bushong, 2001)

                                            Gambar 7. Efek Foto Listrik (Bushong, 2001)

  

c.      Produksi Pasangan

               Proses ini hanya dapat terjadi pada medan listrik disekitar partikel bermuatan, terutama dalam medan sekitar inti. Interaksi antara sinar-X dan medan listrik inti atom menyebabkan sinar-X menghilang dan menyebabkan dua elektron tampak. Elektron satu merupakan elektron positif dan elektron yang satu merupakan elektron negatif. Proses ini disebut produksi pasangan.

               Produksi pasangan ini terjadi apabila energinya lebih dari 1,02 MeV maka produksi pasangan ini tidak penting dalam pencitraan diagnostik, tetapi digunakan dalam pencitraan radioisotop dalam kedokteran nuklir (Bushong, 2001).

                                             Gambar 8. Produksi Pasangan (Bushong, 2001) 

4.      Sifat-sifat Sinar-X

         Sinar-X mempunyai beberapa sifat fisik, yaitu:

        a. Merambat menurut garis lurus.

        b. Tidak terpengaruh medan listrik maupun medan magnet.

        c.  Dapat menyebabkan bahan-bahan tertentu berpendar ketika ditumbuk sinar-X.

        d.  Sinar-X memiliki daya tembus besar

        e.  Bukan cahaya tampak.

        f.   Membuat foto film menjadi hitam

        g.  Ionisasi, merupakan perubahan elektron-elektron dalam bahan akibat radiasi dari sinar-X.

        h.  Efek biologi, yaitu sianr-X dapat membuat efek biologi pada tubuh. Tetapi apabila sinar-X t             tersebut dapat dikontrol dengan baik efek tersebut akan dapat kita kurangi (Meredith, 1977).

C.     Faktor-faktor yang Mempengaruhi Intensitas Sinar-X

1.      Arus Tabung Sinar-X

Arus tabung sinar-X dinyatakan dalam satuan mA. Pemilihan mA pada pembuatan radiograf perlu memperhatikan tegangan tabung sinar-X dan lamanya penyinaran. Jika tegangan tabung sinar-X dan lamanya penyinaran tetap maka penambahan mA akan berpengaruh pada banyaknya elektron yang mengalir pada tabung sinar-X, sehingga semakin banyak sinar-X yang diproduksi jika waktu eksposi tetap. Hubungan ini berbanding lurus dengan penambahan arus tabung. Ini berarti dengan penambahan mA dengan waktu eksposi tetap  akan berpengaruh terhadap penambahan kuantitas dan dosis radiasi yang diterima pasien (Bushong, 2001).

Perubahan mA atau lamanya waktu penyinaran akan mempengaruhi intensitas pada tiap tingkat energi dengan nilai berbanding lurus dengan perubahanya. Namun pada hakikatnya perubahan ini tidak berpengaruh terhadap besarnya energi yang dipancarkan (Carroll, 1985)

Intensitas sinar-X ditentukan oleh jumlah elektron per satuan waktu dari katoda ke anoda yang mencapai target dan dinamakan arus tabung. Dengan meningkatkan arus tabung akan meningkatkan jumlah elektron yang bertumbukkan ke anoda, sehingga sinar-X yang dihasilkan semakin banyak (Meredith, 1977). Intensitas sinar-X sebanding dengan arus tabung sinar-X (mA) dan lamanya waktu penyinaran (s) yang digunakan. Jika mAs dinaikkan dua kali maka elektron-elektron yang bertumbukkan pada target naik dua kalinya dan sinar-X yang dipancarkan menjadi dua kalinya.

Hal ini dirumuskan sebagai berikut:

I₁ dan I₂ adalah intensitas sinar-X pada mAs₁ dan mAs₂ (Bushong, 2001).

mAs hanya mempengaruhi kuantitas radiasi. Ketika mAs ditingkatkan, kuantitas radiasi juga meningkat atau sebanding (Bushong, 2001).

mAs juga berpengaruh terhadap densitas radiograf dan oleh karena itu juga mempengaruhi kontras (Carlton, 2001). Menurut Bushong (2001), mA berpengaruh terhadap densitas radiografi. Kenaikkan mA sebanding dengan kenaikan densitas radiografi. Sedangkan Meredith (1977), menyatakan teori bahwa mA mempengaruhi jumlah sinar-X yang menuju film. Jika semakin mA maka semakin besar jumlah sinar-X yang menuju film, dengan demikian densitas film semakin besar.

2.      Tegangan Tabung Sinar-X

kVp berpengaruh terhadap kontras film tetapi tidak terlalu besar. Faktor pengontrol atau pengendali utama dari radiograf adalah kVp. Jika kVp dinaikan maka kualitas dan kuantitas sinar-X akan bertambah. Banyak sinar-X yang di tranmisikan atau dipancarkan sampai tubuh pasien sehingga sinar-X primer banyak yang sampai ke film. Sinar-X akan berinteraksi dengan tubuh pasien sehingga jumlah interaksi Compton akan bertambah dengan bertambahnya kVp, yang menghasilkan perbedaan daya serap yang kecil dan akan mengurangi kontras subyek. Dengan penambahan nilai kVp radiasi hambur yang sampai ke film akan bertambah. Penambahan nilai kVp akan menurunkan kontras, dan ketika kontras radiograf rendah maka latitude menjadi tinggi dan terdapat faktor kesalahan yang besar (Bushong, 2001)

Perubahan tegangan tabung yang digunakan akan berpengaruh terhadap kualitas dan kuantitas sinar-X. Dengan bertambahnya kV, maka energi elektron akan bertambah sehingga kemampuan menembus bahan juga bertambah. Perubahan kV menyebabkan lebih banyak interaksi yang terjadi pada target sehingga kuantitas dari sinar-X juga bertambah (Carlton, 2001).

Intensitas sinar-X yang dihasilkan berbanding lurus dengan kuadrat tegangan tabung yang digunakan.

Dengan:

               I₁          :  intensitas sinar-X sebelum tegangan tabung dinaikkan.

I₂          : intensitas sinar-X sesudah tegangan tabung dinaikkan.

kVp₁    : tegangan tabung (kV) sebelum dinaikkan.

kVp₂    : tegangan tabung (kV) sesudah dinaikkan (Bushong, 2001).

  

3.      Jarak

Intensitas sinar-X yang dihasilkan oleh tabung sinar-X berbanding terbalik dengan kuadrat jarak yang digunakan. Hubungan ini berlaku hukum kuadrat terbalik (Bushong, 2001).

  Dengan I₁          :  intensitas sinar-X sebelum jarak fokus ke film berubah.

I₂          : intensitas sinar-X sesudah jarak fokus ke film berubah.

FFD₁   : jarak fokus ke film sebelum bertambah (cm).

FFD₂   : jarak fokus ke film sesudah bertambah (cm) (Bushong, 2001).

D.     Kualitas Radiograf

Kualitas radiograf adalah kemampuan sinar-X menembus bahan. Ada dua faktor yang berpengaruh terhadap daya tembus sinar-X, yaitu kVp dan filtrasi. Perubahan nilai kVp dapat mempengaruhi daya tembus sinar-X, radiasi hambur, dosis pasien, dan terutama kontras radiograf (Bushong, 2001).

Kualitas radiograf adalah kemampuan radiograf untuk menampakan objek sesuai aslinya (Curry, 1984), radiograf yang mempunyai kualitas tinggi akan menampakan detail objek secara jelas. Detail didefinisikan sebagai struktur terkecil dari suatu objek. Detail yang tinggi akan didapatkan apabila radiograf mempunyai resolusi yang tinggi. Resolusi adalah kemampuan radiograf untuk menangkap radiograf untuk menampilkan gambaran objek-objek yang berdekatan dengan jelas.

Kualitas radiograf sangat ditentukan oleh tiga hal yaitu, densitas, kontras, dan ketajaman (Carroll, 1985).

1.      Densitas

Densitas adalah derajat kehitaman didaerah-daerah pada radiograf (Carroll, 1985), sedang menurut Curry (1984), derajat kehitaman atau densitas berhubungan dengan intensitas radiasi sinar-X yang mengenai film. Sinar-X yang mengenai film mengakibatkan perak halida dalam emulsi direduksi pada waktu pembangkitan perak yang diruduksi mengakibatkan gambar hitam pada radiograf (Carroll, 1985).

Fungsi dari optical density adalah untuk membuat informasi didalam gambaran radiograf. Optical density diproduksi oleh sebuah film, optical density tersebut dapat diukur menggunakan densitometer (Papp, 2006)

Dalam setiap film mempunyai densitas dasar atau densitas film yaitu panghitaman pada film yang tidak dipengaruhi oleh radiasi atau cahaya. Nilai maksimal densitas dasar adalah 0.2, jika nilai dasar melebihi nilai maksimal akan mengurangi kualitas radiograf (Curry, 1984).

Rentang densitas dapat mendukung informasi yang disebut dengan rentang densitas guna, rentang densitas guna dalam diagnostic adalah 0.25 sampai 2.0 (Curry, 1984).

Gambar 9.  Step-Wedge Radiograph Representasi Range  dari OD (Bushong, 2001)

  

Optical density (OD) juga disebut radiographic density dapat diartikan sebagai derajat kehitaman dari radiograf. OD adalah aktualisasi logaritma dasar dari 10 rasio light incident pada sebuah film terhadap transmisi cahaya yang melewati film (Bushong, 2001).

Dalam medical radiography, kualitas gambar radiograf yang kurang baik dapat dikarenakan terlalu gelap atau terlalu terang. Jika radiograf terlalu gelap dikarenakan mempunyai optical density (OD) yang tinggi: terlalu besar radiasi sinar-X yang diterima oleh image reseptor dan film averexposed (Bushong, 2001).

2.      Kontras

Kontras radiografi adalah perbedaan densitas antara daerah-daerah dalam radiograf. Perbedaan densitas akan membuat kita melihat informasi yang tardapat dalam radiograf (Curry, 1984), sedang menurut Papp (2006), kontras didefinisikan sebagai perbedaaan diantara densitas pada sebuah radiograf dan berfungsi untuk melihat detail.

Kontras yang dapat diukur dengan alat densitometer dan dinyatakan dengan angka-angka. Kontras obyektif terdiri dari kontras radiasi, kontras film dan kontras radiografi (Chesney, 1985). Sedang kontras subjek adalah perbedaan kuantitas pada pancaran radiasi bagian tertentu karena perpedaan absorbsi karakteristik tissue dan bagian dalam. Faktor-faktor yang mempengerahi kontras subyek antara lain kualitas radiasi, radiographic part, media kontras, radiasi hambur, fogging, jenis penyakit (Papp, 2006)

3.      Ketajaman

Ketajaman adalah kemampuan radiograf menampakan tepi atau batas dari objek secara tegas. Ketajaman dapat dilihat dengan jelas pada radiograf yang mempunyai kontras tinggi. Faktor penentu ketajaman adalah ukuran Focal Spot, source-to-image receptor distance (SID), dan object-to-image receptor distance. Ketajaman dari detail gambar juga dipengaruhi oleh tipe intensifying screens dan adanya pergerakan (Bushong, 2001).