PENGUKURAN SENSITIVITAS TOMOGRAFI KOMPUTERTRANSMISI: STUDI EKSPERIMEN PENDAHULUAN

Chomsin S. WidodoJurusan Fisiko FMiPA Univeritas Brawijaya Malang

SudjatmokoBidang Akselerator P3TM BATAN Yogyakarta

Kusminarto, Agung B. S. Utomo. Gede B. SupartaJurusan Fisika FMiPA Univeritas Gadjah Mada Yogyakarta.

ABSTRAK

PENGUKURAN SENSlTlVlTAS TOMOGRAFl KOMPUTER TRANSMlSl: STUDl EKSPER/MENPENDAHULUAN. Makalah ini melaporkan hasil studi eksperimen pendahuluan tentang metodepengukuran sensitivitas tomografi kamputer. Sebuah peralatan tomografi komputer sederhana telah berhasildibuat di FMlPA Fisika UGM don unjuk kerja sistem melalui pengukuran sensitivitas telah dilakukan. Hasil

menunjukkan bahwa metode pengukuran sensitivitas yang diperkenalkan cukup meyakinkan untukdikembangkan sebagai standar pengukuran. Walaupun sistem tomografi komputer yang dibuat masih banyakkekurangan. namun hasil analisis berdasarkan pengukuran sensitivitas tersebut memberikan saranperbaikan don penyempurnaan sistem sedemikian sehingga citro CT hasil rekonstruksi yang lebih baik dapat

diperoleh.

ABSTRACTSENSITIVITY MEASUREMENT OF TRANSMISSION COMPUTER TOMOGRAPHY.. THEPRELlMINARY.EXPERlMENTAL STUDY This paper reports results of preliminary experimental study onmeasurement methodfor sensitivity of a computed tomography (C1) scanner. A CT scanner has been build atthe Department of Physics. FMIPA UGM and its performance based on its sensitivity was measured. Theresults showed that the measurement method for sensitivity confirmed this method may be developed furtheras a measurement standard. Although the CT scanner developed has a number of shortcoming, the analyticalresults from the sensitivity measurement suggest a number of reparations and improvements for the system sothat improved reconstructed CT images can be obtained.

PENDAHULUANT eknik tomografi komputer (computed

tomography, C7) telah dikenal sebagai teknik

membuat citra internal sebuah obyek tanpa merusakatau membelah obyek tersebut secara fisikll].

Perangkat tomografi komputer yang paling populerberbasis pada penggunaan sumber radiasi transmisi.Aplikasinya merambah ke berbagai bidanf sepertiaplikasi diagnose di bidang kedokteranl 3] dan

aplikasi pengujian nirusak (non-destructive testing)di bidang industri[4].

Pada teknik tomografi komputer transmisi,radiasi yang digunakan sebagai probe dapat berupasinar X, sinar gamma, neutron, positron, laser,inframerah, ultrasonic dan medan magnet. Prinsipyang harus dipenuhi adalah bahwa radiasi harusdapat ditransmisikan ke medium obyek. Kemudian,intensitas radiasi tersebut mengalami pelemahanintensitas sedemikian sehingga radiasi transmisinyadapat tercacah oleh sistem detektor. Oleh karena itu,teknik tomografi komputer berupaya memperolehsekumpulan data proyeksi tampang-lintang obyekdari berbagai sudut penyinaran untuk kemudiandirekonstruksi sehingga diperoleh citra tampang

lintang obyek tersebut[S].

Citra adalah rcpresentasi distribusi suatubesaran fisika atau kombinasi dari besaran fisikasuatu obyek dalam ruang 2-D atau 3-016]. Citra CTmenyatakan distribusi besaran fisis, misalnyakoefisien serapan linear (Ji) ataupun kerapatan (Pm)elemen bahan struktur internal. Karena itu, CTadalah alat yang paling ideal untuk mengetahuikeadaan internal obyek secara akurat[7].

Perolehan citra CT yang baik sedemikiansehingga proses analisa dapat dilakukanmemerlukan sensitivitas suatu perangkat CT yangbaik. Salah satu ukuran sensitivitas adalahkemampuan merepresentasikan detail obyekminimum pada citra Cy!3]. Ukuran sensitivitas yanglain dapat disebutkan seperti kontras citra,ketajaman, resolusi dinamis, resolusi ruang clanderau kuantum yang dapat dikuantisasi baik secararelatif terhadap sistem referensi ataupun secaraabsolut terhadap sistemnya sendiri.

Pada studi terdahulu[8] telah disampaikanstudi simulasi mengenai relasi parameter detailminimum, /, dengan kontras data proyeksi(sinogram), IPc -PRI, dengan kontras citra (CT

_0 0 ---00 0 0 Co 0

ISSN 0216-3128 Chomsin S. Widodo, dkk.

image), Ipc -fJRJ. HasiJ studi tersebut menunjukkanadanya reJasi yang gayut di antara ketiga parameterters~b.ut. Relasi ini m.erupakan perluasa~ konseranahtls yang telah dlkemukakan Kouns, dkJcl6.Penelitian tersebut amat prospektif untuk dikajiaspek implementasi praktisnya, terutama dikaitkandaJam upaya mencari sistem CT yang reliablesebagai perangkat analisis kuantitatif. Pada makalahini dipaparkan studi eksperimen terhadap konsepsensitivitas tersebut dengan menerapkannya padasistem CT transmisi yang menggunakan sumberraton gamma Cs-137.

METOD E EKSPERIMEN

Rancang Bangun Pemayar '.

Rancang bangun sistem CT yang digunakanterdiri atas unit sumber radiasi, unit sistem kolimasi,unit meja pemayar, unit sistem deteksi, unit sistemantar-muka dan unit pengontrol dan penampil citra(PC 486). Secara skematis, susunan sistemdilukiskan seperti Gambar 1. Pada sistem inidigunakan prinsip sistem CT yang paling sederhana,sistem generasi pertama menggunakan satu sumberterkolimasi dan satu detektor.

Meja Pemayar

PersonalComputer(PC) 486

Sistem penampil dan pemroses citra

Gambar 1. Susunan rancang bangun sistem CT eksperimen

tertentu. Motor rotasi digunakan untuk memutarobyek sedemikian sehingga proyeksi tampanglintang dari sudut pandang berikutnya dapatdiperoleh.

Sistem deteksi menggunakaI1; detektorsintilasi NaI(Tl) yang dilengkapi dengan photo-multiplier ORTEC 276 dengan sumber tegangandari unit power supply ORTEC 456. Detektortersebut bekerja pada tegangan operasi 800 Volt.Pulsa arus keluaran dari photo multiplier diubahmenjadi sinyal tegangan yang amat lemah.Tegangan ini diperkuat oleh pre-amplifier ORTEC113 hingga orde milivolt, untuk selanjutnyadiperkuat kembali dengan amplifier ORTEC 485hingga beberapa volt. Single chanel analyzer (SCA)

Sumber radiasi gamma yang digunakanadalah Cs-13 7, dengan energi monokromatis 662keY dan aktivitas 10 Ci. Sumber radiasi tersebutdikolimasi dengan 2 buah silinder timbal berukuranpanjang 9 cm dan diameter 10 cm, dengan diameterlubang kolimasi 1 rom. Sumber radiasi diarahkan keobyek yang diletakkan di atas meja pemayar, yangdapat bergerak translasi dan rotasi.

Proses translasi dan rotasi dikendalikan olehdua buah motor stepper yang diatur melalui sistemantar muka pengendali motor langkah "//0 andCounter Card" Advantech PCL- 720. Motor translasiberfungsi untuk mendapatkan sederetan data ray-sum atau proyeksi tam pang lintang pacta sudut

Chomsin S. Widodo, dkk ISSN 0216-3128.

Prosiding Perlemuan don Presenlasi J/miahP3TM-BATAN, Yogyakarla 25 -26 Juli 200 Buku I 55

ORTEC 485 digunakan untuk menyaring pulsa danditeruskan ke pencacah sebagai tegangan pulsa 5volt dan lebar pulsa 0,05 ~s. Pulsa tersebut dicacahmenggunakan antar muka sistem pencacah "I/O andCounter Card" Advantech PCL- 720. Semua prosespemayaran, yang meliputi kontrol terhadap motorpemayar dan sistem pencacahan dikendalikan olehkomputer program komputer bahasa Pascal yangtelah dimodifikasi dari program sebelumnya(9). Hasilpemayaran berupa sederetan data proyeksi daribcrbagai sudut (sinogram) disimpan sebagai filetext.

Model dan Bahan Obyek

Sam pel obyek berupa besi daD alumunium.Alumunium diasumsikan sebagai bahan referensidengan dimensi fisis pennukaan berupa segi empatukuran 6 cm x 6 cm daD tebal 3 cm. Sebagai obyekberkontras dibuat model obyek berkontras daTi besidengan dimensi fisis pennukaan berupa segitigasamakaki dengan panjang kaki 4 cm dan ketebalan 3cm. Bahan kontras besi terse but ditanam dalamaluminium referensi. Gambar 2. memperlihatkanmodel obyek uji.

~+w~

Gambar 2. Model uji yang mengasumsikan obyekreferensi dan obyek berkontras.

Proses Pemayaran

Untuk identiflkasi obyek model uji, terlebihdahulu dilakukan pemayaran untuk mengetahui nilaikoefisien serapan bahan uji pad a energi fotongamma 662 keY yang digunakan. Pada langkah inidilakukan pemayaran untuk satu posisi sudutpandang sumber-detektor dan obyek digerakkantranslasi seperti pada Gambar 3. Obyek uji yangdigunakan adalah berbentuk permukaan segitigasamakaki..

Obyek diletakkan pada jarak 40 cm darisumber dan 25 cm dari detektor. Selanjutnya prosespemayaran tomografi komputer pada benda ujidilakukan. Untuk mendapatkan sebuah diita proyeksipacta sudut tertentu, obyek digerakkan secaratranslasi dan radiasi terusan pada tiap posisidicuplik. Posisi awal obyek diasumsikan menunjukpacta orientasi 0°. Setelah didapatkan sekumpulanray-sum penyusun sebuah proyeksi pacta suduttertentu, obyek diputar dengan sudut 1,8° danpemayaran serupa dilakukan. Proses pemayarandihentikan jika sudah mencapai posisi orientasi 180°dari kedudukan mula-mula. Dengan demikian, untuktiap obyek diperoleh 100 proyeksi dan setiapproyeksi terdiri atas 125 ray-sum. Data ray-sumtercuplik yang berupa matriks nilai (sinogram)selanjutnya disimpan ke dalam sebuah fileberbentuk text untuk kemudian dapat diolahmenggunakan program rekonstruksi[IOI.

Metode Pemrosesan Data dan Rekonstruksi

Proses rekonstruksi citra yang menghasilkancitra yang baik memerlukan pemroses awal terhadapdata sinogram. Proses tersebut antara lain, koreksipusat rotasi dan filter data untuk menghilangkanderau(lll. Filter yang digunakan adalah filterRamlak['2]. Setelah proses awal tersebut, prosesrekonstruksi dilakukan. Semua fasilitas tersebuttelah tersedia pacta program rekonstruksi yang telahdibuat, yaitu program BPF331 [10].

Prinsip kerja dari program BPF331 adalahdata proyeksi dikonvolusi (disaring) menggunakanfilter Ram-Lak, kemudian proyeksi tersaringdiproyeksi-balikkan ke ruang kartesian pada setiappiksel sebagai bentuk diskrit citra. Pada setiapproses proyeksi balik memerlukan proses interpolasisebagai pendekatan karena sebagian besar pusatpiksel tidak berada tepat pada lintasan berkasradiasp51.

Metode Analisis

Data yang diperoleh dari eksperimenlaboratorium terdiri dari dua macam data, yaitu datayang pertama adalah data intensitas radiasi sebagaifungsi ketebalan bahan untuk penghitungankoefisien serapan linier bahan dan data yang keduaadalah data proyeksi obyek.

Data intensitas sebagai fungsi ketebalanbahan, diolah untuk mendapatkan koefis,ien serapanlinier bahan yang didasarkan pada persamaan1mM

(1)10In- = J.lX1

10 tertentu, x diubah-ubah dan 1 diukur. Koetisienserap bahan .u diperoleh secara gratis denganmemplotkan pacta gratik hubungan In(1t11) Vs x danmencari gradien dari gratik yang terbentuk.

Gambar 3. Prinsip mendapatkan nilai koefisienserap bahan uji.

Prosiding Pertemuan dan Presentari /ImiahP3TM-BATAN. Yogyakarta 25 -26 Ju/i 200056 Buku I

Selanjutnya, setelah proses rekonstruksi darisinogram-sinograrn obyek uji didapatkan citra-citrarekonstruksi dari seluruh benda uji. Untukkepentingan studi ini dilakukan pencuplikan padapiksel citra rekonstruksi pada kolom ke 40 sarnpai45 dan baris 35 sarnpai 62. Sensitivitas sistem CT(eksperimen laboratorium) ditentukan olehidentifikasi panjang terdeteksi pada citra berkontrasdibandingkan dengan panjang referensi, tanpakontras.

data proyeksi untuk masing-masing benda uji dalambentuk sinogram (Gambar 5). Pada Gambar 5(a)ditunjukkan sinogram obyek referensi dan Gambar5(b) menunjukkan sinogram obyek berkontras. PadaGambar 5(c) ditunjukkan perbedaan kontras yangtajam yang diperoleh menggunakan programaplikasi Adobe Photoshop 5.5. Selisih kontrasterse but menunjukkan bahwa penyelipan bahankontras mempengaruhi kontras sinogram.

HASIL EKSPERIMEN DANPEMBAHASAN

Hasil data pemayaran untuk identifikasimodel uji telah diplotkan dalam grafik sepertiGambar 4 sehingga koefisien atenuasi bahanreferensi daD bahan kontras dapat diukur. Darigrafik tersebut diperoleh nilai koefisien serapanlinier alumunium sebesar 0,0199 mm"1 dan nilaikoefisien serapan linier besi sebesar 0,0588 mm"l.Berdasarkan pustakal13J, nilai koefisien serapanlinier alumunium adalah sebesar 0,0195 mm"1 daDnilai koefisien serapan linier besi sebesar 0,0599mm"l.

(a)

2

1.5

~c

1

0.5

040 60

X(mm"1)

80 1000 20 (b)

(a)

(c)Gambar 5. Sinogram (a) obyek referensi

(alumunium), (b) obyek kontras(alumunium+besi) dan (c) Selisihsinograrn obyek berkontras danobyek referensi.

Citra-citra basil rekonstruksi dari sinogramdiperlihatkan seperti Gambar 6. Pada Gambar 6(a)ditunjukkan citra obyek referensi," sedangkanGarnbar 6(b) menunjukkan citra obyek berkontras.

(b)Gambar 4. Graflk In(IoiI) vs jarak untuk (a) bahan

alumunium dan (b) bahan besi untukmenentukan koefisien serapan linear.

Setelah proses pemayaran didapatkan satu set

Chomsin S. Widodo. dkk ISSN 0216-3128.

,Drosiding Ptrtemuan don Prtstntasi IImiahP3TM-BATAN. Yogyakarta 25 -26 Juti 200 Buku I 57

Kedua citra tersebut telah menunjukkanprofil obyek seperti model yang dikehendaki, namundi sekitar obyek di dalam daerah rekonstruksi masihterlihat adanya derau yang disebabkan oleh sistemakuisisi data yang belum sempurna dan efek deraukuantum. Gambar 6(c) menunjukkan selisih kedua;itra tersebut yang menunjukkan bahwa benar telahterdapat perbedaan kontras citra sebagaimanadiduga dari selisih sinogram yang diperoleh.

Dari basil identifikasi benda uji, terlihatbahwa idealnya selisih citra yang ditampilkan padaGambar 6(c) untuk model segitiga adalah sekitar0,0389 mm-l. Untuk itu hal ini diperiksa melaluipencuplikan profil koefisien serapan linear padaposisi piksel untuk kolom 40 sampai 45 dan padabaris 35-50 dan dipresentasikan pada Gambar 7,Gambar 8 menunjukkan profil selisih kontras padaGambar 6(c).

4

3,5

3

2,5

2

1,5

1.c:~ 0,5""OJIf) 0

-O,5~

~uVI

ee0~

(a)

-1,5

Nomer Baris Plksel

Gambar 7. Graftk hasil pencuplikan untuk citraselisih antara obyek kontras danobyek referensi.

(b)2,5

~l

2

t

£i3CI!EC0~

.c:~"Gi(/)

1,5

0,5

0

~5 'i1 $411 ~4'f,4I I ! I I I-0,5

(c)Gambar 6. Citra rekonstruksi (a) obyek referensi

(alumunium), (b) obyek berkontras(alumunium+besi) dan (c) selisih citraobyck bcrkontras dengan obyekrefcrensi.

-1

Nomer Baris Piksel

Gambar 8. Grafik untuk pencuplikan selisih citrapada kolom 40.

lSSN 0216-3128 Chomsin S. Widodo, dkk.

Seperti ditunjukkan pada Gambar 8, sistemCT eksperimen belum dapat mendeteksi nilaikoefisien serap dengan tepat untuk kolom 40 sepertiyang ditampilkan sebagai selisih koefisien serapanlinear, walaupun kontras sudah cukup signifikan.Kontras citra yang terdeteksi pada kolom 40 baris 41seharusnya sekitar 3,8 mm"l, akan twtapi yangterdeteksi barn sekitar 2,4 mm-l. Dalam studi ini,program rekonstruksi diasumsikan reliabel sehinggaketidak-sempumaan hasil tersebut lebih disebabkanoleh belum terpenuhinya prasyarat jumlah datatercuplik(14j pada sinogram dan ketidak-sempumaanpada sistem kolimasi sehingga memberikan derau

yang cukup signifikan.

KESIMPULANHasil pengukuran deteksi panjang sistem

tomografi komputer dapat digunakan sebaga.i salahsatu dasar untuk mengambil keputusan melakukankegiatan selanjutnya misalnya untuk meningkatkansensitivitas sistem CT melalui penambahan bahankontras, penguatan intensitas, penyempumaansistem pemayaran (sampling), penyempumaansistem akuisisi data dan penyempumaan proses danalgoritme rekonstruksi.

Dari sinogram dan citra rekonstruksi yangdihasilkan, berdasarkan parameter kontras citra,parameter kontras data proyeksi dan parameterdeteksi panjang yang terukur dapat dinyatakanbahwa sensitivitas sistem tomografi komputermenggunakan sumber raton gamma Cs-137 yangdibangun masih perlu untuk disempumakan baikmengenai sistem akuisisi data dan prosessamplingnya.

U CAP AN TERIMA KASIH

Ucapan terima kasih disampaikan kepadaBapak Domi Severinus dari Universitas SanataDharma atas bantuannya dalam mempersiapkansistem kontrol pemayarnya. Juga kepada star BagianAkselerator P3TM BAT AN atas bantuan teknisnya.

Baltimore.

3. HEGGIE, J. C. P., N.A. LIDDELL dan K. -PoMAHER, 1997, Applied Imaging Tomography,St. Vincent's Hospital, Melbourne.

4. COPLEY, D. C., J. W. EBERHARD dan G. A.MOHR, 1994, "Computed Tomography part I:Introduction and Industrial Application",Applied Physics, 34, 2722-2727.

5. SUPARTA, G. B., KUSMINARTO dan W.NUGROHO, 2000, "Tomografi Komputeruntuk Laboratorium", Prosiding SimposiumFisiko Nasional XVIII, Jakarta, 25-27 April(akan terbit)

6. KOURIS, K., N. M. SPYROU dan D. F.JACKSON, 1982, Imaging with IonizingRadiations, Surrey University Press, Guildford,UK.

7. ASTM, 1997, "EI441-97 Standard Guide forCT Imaging", Annual Book of ASTM Standards.

8. WIDODO, C. S., KUSMINARTO dan G. B.SUPARTA, 2000, "Parameter Deteksi panjanguntuk Menentukan Sensitivitas PerangkatTomografi Komputer". Prosiding SimposiumFisiko Nasional XVIII, Jakarta, 25-27 April(akan terbit)

9. SEVERINUS, D., 1995, "Tomografi TransmisiMenggunakan Foton Gamma Cs-137", Tesis,UGM, Yogyakarta.

10. SUPARTA, G. B., 1999, Focussing ComputedTomography, Ph.D. Thesis, Monash University,Victoria, Australia.

11. WELLS, P., J. DAVIS dan M. MORGAN,1994, "Computed Tomography", MaterialForum, 18, 111-133.

12. RAMACHANDRAN, G. N. dan A. V.LAKSMINARAYANAN, 1971, "Three-dimensional reconstruction from radiographsand electron micrographs: application ofconvolutions instead of Fourier transforms",Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 68(9), 22.~6-2240.

13. HALLIDAY, D., 1955, Introductory NuclearPhysics, John Wiley & Son Inc., USA

14. WELLS, P., R. SMITH dan G. B. SUPARTA,1997, "Sampling the Sinogram in ComputedTomography", Material Evaluation, 55(7), 772-776.

DAFTARPUSTAKA1. KUSMINARTO, A. B. S. UTOMO DAN G. B.

SUPARTA, 1991, "Sistem TomografiKomputer Sebagai Alat Uji Tak Merusak UntukMenentukan Distribusi Koefisien SerapanDalam Sampel", Laporan Pene/itian, LembagaPenelitian, UGM Yogyakarta.

2. ROMANS, L. E., 1995, Introduction toComputed Tomography, Williams and Wilkins,

Chomsin S. Widodo. dkk ISSN 0216-3128.

Prosiding Pertemuan don Presentasl IlmlahP3TM-BATAN, Yogyakarta 25 -26 Jull 200 BukuJ 59

Agus Santoso

-Untuk perbaikan citra apakah tidak bisa dirubahtenaga gammanya ?

TANYAJAWAB

Chomsin

-Bila dirubah energinya dengan yang lebihtinggi (energi yang dipakai pada ~enelitian inipada puncak spektrum gamma Cs1 7)

Pramudita Anggraita

-Mengingat teknologi CT sudah dipakaidimasyarakat, sumbangan apa yang dapatdiharapkan dari penelitian ini untukmemperbaiki sistem CT yang sudah ada ?

-Berapa lama waktu yang diperlukan untukscanning cuplikan yang dipakai ? Apakahpenambahan waktu scanning per pixel dapatmenambah resolusi ?

Tri Murni

-Pad a pengukuran sensitivitas tomografi, pemahdicoba dengan sumber apa saja ?

-Bagaimana pengaruhnya apabila yan~ dicacahradioisotop berumur pendek, seperti I C -tl/2 =

20 menit, mohon penjelasan.

Chomsin

-Sumber yang dicoba adalah hanya pada CSlJ7

-Prinsip dari CT adalah energi yangditransmisikan bukan emisinya

Chamsin

-Sistem CT yang dimasyarakat tidak dapatdirubah energinya, untuk memperbaiki sistemCT yang sudah ada dengan mengoptimalkansuntikan kontras pada pasien.

-Scanning butuh waktu sekitar 5 jam, untukgerak translasi J 25, penambahan waktuscanning akan dapat meningkatkan kuaJitascitra yang dihasilkan dan deteksi panjang yangdihasilkan akan lebih maksimal.

ISSN 0216-3128 Chomsin S. Widodo, dkk.