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 .

Gambar II.1 Blok Diagram Sinar-X

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 :

I = Ioe (II.1) Dimana intensitas radiasi elektromagnetik setelah melalui bahan

(I), intensitas radiasi elektromagnetik sebelum melalui bahan (Io),

koefisien serapan bahan bahan () dan ketebalan bahan (x).

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

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).

= + .... (II.2) = .........(II.3)

= .(II.4) =

.(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 J.s, energi

ambang ().

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 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.

Gambar II.3 Efek Compton

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 foton primer menjadi '

foton hamburan adalah :

= ..(II.6) = (1 cos) ..(II.7)

=

(1 cos) ..(II.8) Dimana konstanta Planck (h) = 6,63 x 10 J.s, massa diam

elektron (m) = 0,000549 sma, kecepatan cahaya (c) = 3 x 10 m/s

dan sudut hamburan ().

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.

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.

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 :

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

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

detik.

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

Gambar II.4 Proses Terjadinya Fluoresensi

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.

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.

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.

II.4.6 Struktur Lembar Penguat

Gambar II.5 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 m. 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 m. 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 m. 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 m. Sifatnya tidak mempengaruhi bahan

fluoresensi, tidak berkerut dan tembus sinar-X.

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 : () = EksposidenganIS

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.

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-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.

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.

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.

Gambar II.6 Stepwedge