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 partikelpartikel 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 UserWritten 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 crosssectionnya 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.
