8

BAB II

TERAPI RADIASI DAN DASAR-DASAR DOSIMETRY

2. 1 Terapi Radiasi

Terapi radiasi merupakan penggunaan radiasi pengion secara klinis untuk

menangani tumor dan penyakit lainnya pada tubuh manusia. Radiasi bekerja

dengan cara merusak DNA yang terdapat di dalam sel dan membuat sel tersebut

tidak dapat lagi menduplikasikan diri atau bereproduksi kembali. Sel kanker atau

tumor biasanya lebih sensitif terhadap radiasi karena sel ini bereproduksi sangat

cepat jika dibandingkan dengan sel normal. Karena pengaruh radiasi, lama

kelamaan sel yang tidak normal akan mati hingga akhirnya kanker atau tumor

menghilang. Sel normal juga dapat mengalami kerusakan akibat peristiwa radiasi

ini, namun sel normal ini memiliki kemampuan memperbaiki diri yang sangat

baik dan cepat.

Ada dua teknik terapi radiasi yang paling banyak digunakan saat ini:

a. Radiasi Eksternal (External beam radiation)

Radiasi eksternal merupakan jenis terapi yang paling sering digunakan.

Sumber radiasi ditempatkan di luar tubuh, menggunakan sebuah mesin

9

dengan berkas energy tinggi (sinar-X, sinar gamma atau foton) yang

disebut linear accelerator. Radiasi eksternal ini memungkinkan kita

melakukan treatment pada area tubuh yang lebih luas dan lebih dari satu

lokasi misalnya pada area utama kanker dan sekitar kelenjar getah bening.

b. Radiasi Internal (Internal radiation)

Sumber radiasi ditempatkan di dalam tubuh pasien dengan cara

menempatkan bahan radioaktif yang dibungkus kateter atau seed secara

langsung ke lokasi tumor atau kanker.

Ada beberapa tujuan utama dari terapi radiasi ini:

• Menyembuhkan atau mengecilkan kanker pada stadium dini.

Beberapa kanker sangat sensitif pada radiasi. Radiasi digunakan untuk

membuat kanker mengecil atau hilang sama sekali. Untuk beberapa kasus

kanker, terapi radiasi bisa digunakan untuk mengecilkan tumor sebelum

operasi (pre-operative therapy) atau setelah operasi yang tujuannya untuk

menjaga agar kanker tidak kambuh (adjuvant therapy). Terapi radiasi

dapat juga digunakan bersamaan dengan chemotherapy.

• Mencegah agar kanker tidak muncul di area lain.

• Mengobati gejala-gejala pada kanker stadium lanjut.

10

2.2 Linear Accelerator dan Ionization Chamber

Alat yang paling umum dipakai untuk terapi radiasi adalah Linear

Accelerator. Linear Accelerator merupakan suatu alat yang menggunakan

gelombang elektromagnetik dengan frekuensi tinggi untuk mempercepat partikel

bermuatan seperti elektron menjadi partikel berenergi tinggi melalui sebuah

tabung linier. Biasanya, elektron primer akan dipercepat sampai energy 4-25

MeV. Berkas elektron dengan energi tinggi ini akan dipaksa untuk menumbuk

target yang terbuat dari material dengan bilangan atom yang besar sehingga

menghasilkan photon bremsstrahlung. Berbagai macam filter dan kolimator dapat

digunakan untuk membentuk berkas foton yang keluar dari target [1].

Diagram blok tipe linier accelerator medis dapat dilihat seperti gambar dibawah

ini:

Gambar 1. Diagram Blok Linier Accelerator Medik.

Power Supply memberikan arus DC ke modulator yang didalamnya

terdapat jaringan pembentuk pulsa dan tabung switch yang dikenal dengan nama

11

hydrogen thyratron. Pulsa tegangan tinggi dari modulator merupakan pulsa DC

dengan puncak yang datar dan durasi beberapa mikro second. Pulsa ini dibawa ke

magnetron atau klystron dan secara bersamaan ke electron gun. Pulsa gelombang

mikro yang dihasilkan pada magnetron atau klystron diinjeksikan ke tabung

accelerator melalui system wave guide. Gelombang mikro ini akan menghasilkan

medan elektromagnet yang dapat mempercepat elektron.

Hasil percepatan elektron yang berupa elektron berenergi tinggi dari

tabung pemercepat dilewatkan ke magnet pembelok (bending magnet). Bending

magnet akan membelokkan elektron sebesar 2700. Pada bending magnet elektron

dengan energi yang sedikit lebih tinggi atau lebih rendah dari yang dikehendaki,

akan dibelokkan sedemikian rupa sehingga energi dan lintasannya dapat sesuai

kembali dengan yang dikehendaki. Sedangkan elektron dengan penyimpangan

energi agak besar akan dihilangkan oleh sebuah filter celah mekanis. Dengan

demikian, dapat dicapai pemfokusan yang sangat baik dari berkas elektron serta

energi yang monokromatis. Setelah mengalami pembelokan, berkas elektron

berenergi tinggi yang keluar dari bending magnet dapat langsung digunakan.

Gambar dibawah ini menunjukkan gambar Linear Accelerator serta

gambaran treatment radiasi menggunakan linear accelerator.

12

Gambar 2. Salah satu contoh Linear Accelerator, Siemens Oncor (kanan, Online Internet, 1),

Contoh Treatment radiasi menggunakan linier accelerator (kiri, Online Internet, 2)

Berkas radiasi yang keluar dari target akan diakumulasikan energinya pada

monitor chamber. Monitor chamber ini bekerja menggunakan prinsip dasar

ionization chamber yaitu kamar ionisasi. Kamar ionisasi ini memiliki dinding

yang terbuat dari bahan padat, yang mengelilingi gas (udara). Ionisasi terjadi di

bagian yang berisi udara, saat berkas radiasi tersebut berinteraksi dengan partikel-

partikel udara.

Ionization chamber yang digunakan di lapangan untuk pengukuran

distribusi dosis sangat beragam jenisnya dan jenis yang akan kita gunakan pada

simulasi kali ini adalah parallel plate – SL Series Ceramic Open Ion Chamber.

Energi berkas foton yang diakumulasikan pada monitor chamber dibagi ke dalam

dua daerah yang kita sebut sebagai dose zone 1 dan 2.

13

2.3 Dasar-Dasar Dosimetry

Dosimetry merupakan suatu metoda scientific untuk mengukur,

mengkalkulasikan, mengestimasi serta memprediksikan energi radiasi yang

diserap, baik melalui proses ionisasi maupun proses eksitasi atom, pada jaringan

tubuh manusia melalui proses penempatan radionuklida di dalam tubuh manusia

maupun melalui paparan dari luar tubuh manusia. Dalam dosimetry, besaran

radiologi yang biasanya diukur adalah dosis serap, kerma, fluence, exposure dan

sebagainya. Namun, pada penelitian kali ini, besaran radiologi yang dimaksudkan

adalah dosis serap.

Dosis serap merupakan suatu kuantitas yang mengekspresikan besarnya

konsentrasi energy radiasi yang diserap oleh jaringan tubuh manusia. Sinar-X

mengalami atenuasi saat melewati jaringan tubuh manusia karena adanya proses

penyerapan. Setiap jaringan tidak akan meyerap dosis yang sama. Besarnya dosis

yang diserap akan semakin besar pada jaringan yang berada dekat dengan

permukaan daripada jaringan yang jauh di dalam tubuh. Dosis serap secara umum

didefinisikan sebagai besarnya energi radiasi yang di serap per unit massa suatu

jaringan. Jadi, besarnya dosis serap pada suatu titik pada tubuh manusia

diekspresikan melalui persamaan berikut:

14

Dimana dЄ merupakan nilai ekspektasi energi radiasi (Joule) yang

diberikan kepada suatu volum berhingga V dengan elemen massa dm (kg). Satuan

dosis serap adalah J/kg atau yang biasa kita sebut dengan Gray [2].

Pengukuran distribusi dosis sangat jarang dilakukan langsung pada pasien

yang diterapi radiasi. Distribusi dosis biasanya diperoleh dari pengukuran pada

phantom, sebuah material yang komposisinya mirip dengan jaringan tubuh

manusia. Karena alasan tersebut, phantom yang paling banyak digunakan adalah

phantom air. Data yang digunakan pada perhitungan dosis digunakan untuk

memprediksikan distribusi dosis pada pasien yang sebenarnya.

Dosis yang diserap pasien sangatlah bervariasi. Variasi ini bergantung

pada beberapa kondisi seperti energi berkas yang digunakan, kedalaman, medan

paparan, jarak dari sumber serta system kolimasi berkas. Ada beberapa kuantitas

yang digunakan untuk mengkarakterisasi berkas radiasi, diantaranya adalah

percentage depth dose, beam profiles dan output factor.

2.3.1 Percentage Depth Dose

Salah satu cara untuk mengkarakterisasi distribusi dosis pada central axis

adalah dengan menormalisasi dosis pada suatu kedalaman dengan dosis pada

kedalaman referensi [3]. Kuantitas PDD (percentage depth dose) dapat

didefinisikan sebagai persentase perbandingan antara dosis yang diserap pada

15

suatu kedalaman d dengan dosis yang diserap pada kedalaman yang telah

ditetapkan d0, yang diekspresikan melalui gambar dan persamaan berikut ini:

Gambar 3. Perhitungan Percentage Depth Dose

Dimana PDD merupakan percentage depth dose, Dd adalah dosis pada

suatu kedalaman dan Dd0 merupakan dosis pada kedalaman referensi.

Untuk sinar-X dengan energy yang rendah (kurang dari 400 kVp),

kedalaman referensi biasanya pada permukaan (d=0) sedangkan untuk sinar-X

dengan energy yang lebih tinggi, kedalaman referensi biasanya pada posisi puncak

dosis serap (d0 = dm) dimana pada kondisi ini, dosis yang diserap adalah dosis

maksium (Dmax) [4] dan besar dosis maksimum ini dapat kita peroleh melalui

persamaan berikut ini:

16

Berikut dapat kita lihat kurva PDD untuk beberapa sumber radiasi.

Gambar 4. Kurva PDD untuk beberapa sumber radiasi yang berbeda (Online Internet, 3)

Dari gambar diatas, dapat kita lihat bahwa absorbed dose atau dosis serap,

pada awalnya meningkat sebagai fungsi kedalaman karena elektron dengan

kecepatan tinggi terus keluar pada berbagai kedalaman. Namun, karena dosis

serap bergantung pada electron fluence, nilainya akan mencapai maksimum pada

kedalaman yang kira-kira hampir sama dengan range elektron pada suatu medium.

Setelah melewati kedalaman tersebut, produksi elektron sekunder semakin

berkurang sehingga electron fluence juga akan berkurang. Oleh karena itu, dosis

yang diserap medium juga akan menurun.

17

2.3.2 Beam Profiles

Central axis depth dose saja ternyata tidak cukup untuk mengkarakterisasi

berkas radiasi yang menghasilkan distribusi dosis dalam arah 3 dimensi. Kita

harus melihat variasi dosis yang melewati medan paparan pada suatu kedalaman

yang kita tetapkan, pada arah lainnya. Representasi dari variasi dosis pada suatu

kedalaman ini kita sebut sebagai beam profiles. Kesimetrian berkas radiasi dapat

dilihat dengan cara menarik garis dosis pada setengah ukuran medan paparan ke

atas. Jika nilai antara bagian kanan dan kiri sama atau kurang lebih sama, maka

berkas radiasi dapat dikatakan simetri. Gambar berikut menggambarkan beam

profiles untuk berkas foton 6MV, dengan ukuran medan paparan 2.8x13 cm2,

pada tulang dengan menggunakan berbagai macam algoritma.

Gambar 5. Beam profiles berkas foton 6 MV pada ukuran field size 2.8x13 cm2, kedalaman 7 cm

pada tulang ([8])

18

Dosis pada bagian dalam pinggir berkas radiasi cenderung konstan.

Namun, setelah mencapai pinggir, dosis semakin berkurang dan jatuh dengan

cepat pada daerah penumbra sebagai akibat semakin berkurangnya hamburan

foton dan elektron sekunder. Pada beam profiles ini, kita dapat melihat apakah

filter pemerata yang dipasang berfungsi atau tidak untuk meratakan intensitas

berkas radiasi pada daerah medan paparan yang diinginkan.

2.3.3 Output Factor

Output berkas radiasi (exposure rate, dose rate pada free space maupun

energy fluence rate) yang diukur di udara bergantung pada ukura medan paparan.

Seiring dengan bertambahan ukuran medan paparan, besarnya output juga akan

meningkat karena adanya peningkatan collimator scatter yang ditambahkan pada

berkas primer.

Collimator scatter atau yang lebih sering disebut sebagai output factor

merupakan perbandingan data yang diukur pada suatu ukuran medan paparan

dengan data yang diukur pada medan paparan referensi. Ukuran medan paparan

referensi yang kita gunakan pada penelitian kali ini adalah lapangan 10x10 cm2.

19

2.4 Metoda Monte Carlo Untuk Verifikasi Perhitungan Dosis

2.4.1 Metoda Monte Carlo

Metoda Monte Carlo dikenal sebagai salah satu metoda simulasi statistik

yang memanfaatkan deret bilangan acak untuk menjalankan simulasi. Berbeda

dengan metoda numerik konvensional (diskritisasi) yang mendiskripsikan system

masalah (fisis dan matematis) dengan menggunakan persamaan differensial biasa

atau parsial, metoda Monte Carlo ini menggunakan fungsi rapat probabilitas untuk

menggambarkan system masalahnya.

Berikut contoh mudah untuk memahami metoda Monte Carlo. Misalnya,

kita ingin mengestimasi atau menentukan daerah dari sebuah lingkaran yang

terdapat di dalam sebuah persegi. Yang harus kita lakukan adalah sebagai berikut:

1. Gambar sebuah segi empat pada selembar kertas dengan panjang sisi sama

dengan diameter lingkaran

2. Gambar lingkaran dalam segi empat tadi dengan titik pusat lingkaran sama

dengan titik pusat segi empat.

3. Secara acak, tutupi permukaan segi empat dengan titik-titik. Visualisasi

untuk penempatan titik-titik pada langkah ketiga ini dapat kita lihat seperti

gambar dibawah ini:

20

Gambar 6. Contoh Metoda Monte Carlo (Online Internet, 4)

4. Hitung semua titik yang ada, lalu hitung semua titik yang masuk ke dalam

lingkaran. Daerah lingkaran dapat dihitung sebagai berikut:

Makin banyak jumlah titik yang digunakan, semakin besar keakuratan

perhitungan.

Metoda Monte Carlo banyak digunakan pada system stokastik, misalnya

proses kompleks dari transport elektron dan foton. Penerapan metoda ini

dilakukan karena hampir tidak mungkin untuk menyelesaikan masalah-masalah

tersebut secara analitik. Sistem perhitungan dosis Monte Carlo mensimulasikan

jalannya foton dan elecktron di sepanjang treatment head accelerator, collimator

hingga sampai ke pasien. Di sepanjang perjalannya, partikel dapat berinteraksi

dengan medium yang dilewatinya, Simulasi ini menggunakan pembangkit

bilangan random dan data cross-section, yang akan digunakan sebagai fungsi

peluang. Tipe interaksi akan disample serta perbedaan energy antara partikel yang

masuk dan partikel yang keluar akan dikalkulasikan. Dengan menambahkan

21

kontribusi atau pengaruh dari semua interaksi yang terjadi pada elemen volum

(voxel) pasien dan menghitung massa elemen volum, maka total dosis dapat

dihitung [5].

Banyak aplikasi program Monte Carlo yang telah digunakan pada bidang

Nuclear Imaging, dosimetri internal serta treatment planning. Sistem computer

code, EGS (Electron Gamma Shower) merupakan sebuah paket yang ditujukan

secara umum untuk simulasi Monte Carlo untuk transport pasangan antara foton

dan elektron pada sebuah geometri yang tidak beraturan untuk partikel dengan

energi dari beberapa KeV sampai beberapa ratus GeV. EGSnrc merupakan versi

baru dari EGS yang dikembangkan oleh National Research Council of Canada

(NRCC) dengan daerah energy dari 1 KeV - ~10 GeV. EGSnrc merupakan

pengembangan dari EGS versi sebelumnya yaitu EGS4.

2.4.2 EGS Code System

EGS Code terdiri dari dua User-Callable subroutines, HATCH dan

SHOWER yang akan memanggil subroutines lainnya, diantaranya adalah User-

Written subroutines HOWFAR, HOWNEAR dan AUSGAB. Untuk menggunakan

EGS, pengguna haruslah menuliskan sebuah User Code. User Code ini

mengandung MAIN program serta subroutines HOWFAR, HOWNEAR dan

AUSGAB, yang akan menentukan geometri dan output (scoring). Subprogram

tambahan dapat ditambahkan pada User Code. Pengguna dapat berkomunikasi

dengan EGS melalui berbagai macam variable COMMON [6].

22

Biasanya, MAIN akan memperlihatkan beberapa inisialisasi yang

dibutuhkan untuk geometry routines, HOWFAR dan HOWNEAR dan mengeset

nilai beberapa variable EGS COMMON yang telah dispesifikasi, misalnya nama

media yang digunakan, cutoff energy yang diinginkan serta unit jarak yang akan

digunakan (misalnya inci, sentimeter, radiation length dan sebagainya). MAIN

akan memanggil subroutine HATCH dengan melakukan satu kali inisialisasi dan

melalui pembacaan data material untuk media dari data set yang sebelumnya telah

dibuat oleh PEGS. Setelah inisialisasi selesai, MAIN dapat memanggil SHOWER

jika diinginkan. Gambar di bawah ini akan memperlihatkan struktur EGS system.

Gambar 7: Struktur EGS System ( [5] )

23

EGS Code System ini juga dilengkapi dengan PEGS4 yang merupakan

sebuah program yang akan mempersiapkan data set material, terkait dengan cross-

sectionnya yang dibutuhkan oleh EGSnrc untuk melakukan simulasi. PEGS code

mengandung lebih dari 4200 Mortran source line yang berisikan MAIN program,

subprogram BLOCK DATA, 12 subroutine serta 83 function [5].

Pada penelitian kali ini, User Code EGSnrc yang akan kita gunakan adalah

BEAMnrc untuk pemodelan transport pertikel pada geometri radiation head serta

DOSXYZnrc untuk memodelkan transport partikel pada elemen volum phantom

yang telah kita siapkan.

a. BEAMnrc

Keakuratan perhitungan dosis merupakan suatu hal yang sangat krusial,

sehubungan dengan kualitas treatment planning dan dosis yang akan

diberikan kepada pasien melalui terapi radiasi. Perhitungan dosis yang

akurat pada pasien hanya dapat diperoleh jika berkas treatmentnya

dimodelkan secara akurat juga. BEAMnrc merupakan user code EGSnrc

yang ditujukan untuk mensimulasikan transport partkel pada unit terapi

radiasi dalam 3-D. Semua tipe komponen penyusun Linear Accelerator

atau radiation head di pre-program pada BEAMnrc sebagai komponen

modul (CM). Pengguna dapat membuat sendiri model accelerator yang

mereka inginkan dengan memilih komponen modul yang telah disediakan.

Dimensi, material serta parameter transport pada masing-masing

24

komponen modul harus didefinisikan sendiri oleh pengguna sebagai input

file.

Secara umum, penggunaan BEAMnrc dalam mensimulasikan radiation

head therapy dapat terlihat pada gambar dibawah ini:

Gambar 8. Skema pengoperasian BEAMnrc.

Sebuah model akselerator medik membutuhkan file .module untuk

mendefinisikan jenis-jenis komponen modul penyusun kepala akselerator.

Setelah komponen modul ditentukan, model dapat langsung dikompilasi.

Informasi utama dari simulasi menggunakan model akselerator hasil

25

bentukan BEAMnrc disimpan dalam phase space file yang berisi informasi

tentang jenis partikel, energi, posisi, arah dan bobot dari distribusi partikel

di posisi tertentu pada geometri yang disimulasikan [6].

b. DOSXYZnrc

DOSXYZnrc merupakan user code EGSnrc yang ditujukan untuk

perhitungan dosis serap dalam 3-D. DOSXYZnrc mensimulasikan

transport foton dan elektron pada volume Cartesian dan menghitung

energi yang mengendap pada elemen volum (voxel) yang telah dirancang.

Gambar 9 . Elemen volum pada phantom (Online Internet, 5)

Dimensi elemen volum berupa variable dalam 3 arah yaitu X-Y-Z. Setiap

elemen volum dapat memiliki jenis material yang berbeda dan dengan

kerapatan massa yang bervariasi [7].

26

Proses penanganan kasus menggunakan DOSXYZnrc dapat terlihat

melalui flowchart berikut ini:

Gambar 10. Flow Chart Penanganan kasus menggunakan DOSXYZnrc.

Setelah memasukkan semua input file yang kita butuhkan, file dapat

langsung dieksekusi dan kita dapat melihat sebaran dosis pada setiap

elemen volum yang telah kita rancang nantinya.