Proseding Seminar Pengembangan TeknologiDan Perekayasaan Instrumentasi Nuklir. Serpong 20 Mei 2003

ISSN NO : 1693 -3346

TANGGAPAN DETEKTOR DIODE TERHADAP BERKAS RADIASITELETERAPI

Lara Malinda 1 dan Nasukha21. Departemen Fisika - FMIPA - Universitas Indonesia, Depok

2. Bidang Dosimetri - P3KRBiN - Batan, Jakarta

ABSTRACTResponses of diode detectors to radiation beams from teletherapy machines. It has been carriedout responses to two sets of diode detector by using the beams of teletherapy Co-60 and medicallinear accelerator. Each set of consist of 8 diode detectors was irradiated by using gamma beamsfrom teletherapy Co-60 machine and 6 MVand 10 MV foton beams from medical linear acceleratorand 6.9.12.16.and 20 MeV electron beams from medical linear accelerator. The detectors werepositioned on the phantom circularly and radially and electronic equilibrium condidtion for all typeand energy beams. It was found that every detectors had own individual response and it is not to beunifromity, since the fluctuation in between 16.6 % to 30.9 %. All detectors responses are linear togamma and foton beams, and also for energy above 6 Me V for electron beams. Nonlinearityresponse occurs for 6 MeV electron beam, it is probably from the assumtion of electronicequilibrium.

ABSTRAKTanggapan detektor diode terhadap berkas radiasi teleterapi. Telah dilakukan penetitian tanggapandua set detektor diode dengan menggunakan berkas radiasi teleterapi Co-60 dan berkas radiasiakselerator linier medik. Masing-masing set terdiri dari 8 buah detektor diode dan diiradiasi denganberkas sinar gamma dari pesawat teleterapi Co-60, berkas foton bertegangan 6 MV dan 10 MVserta berkas elektron berenergi 6, 9, 12, 16 dan 20 MeV. Masing-masing detektor diodeditempatkan pada fantom secara metingkar dan radial dan disesuaikan dengan berkas dan energiradiasi yang digunakannya. Ditemukan bahwa setiap detektor diode memiliki tanggapannyamasing-masing dan tidak bisa diseragamkan untuk setiap setnya dengan fluktuasi tanggapanberkisar antara 16,6 % sampai 30,9 %. Tanggapan seluruh detektor diode linier untuk berkas sinargamma dari pesawat teleterapi Co-60 dan berkas foton dad pesawat akselerator tinier medik,demikian juga terhadap berkas elektron berenergi diatas 6 Me V. Ketidaktinieritasan tanggapanterjadi pada berkas elektron berenergi 6 MeV bisa dikarenakan dalam memberikan asumsiterhadap keadaaan keseimbangan elektronik.

PENDAHULUAN

Penggunaan radiasi pengion untukpengobatan penyakit maligna dikenaldengan istilah radioterapi. Tujuanradioterapi adalah untuk memberikandosis radiasi semaksimual mungkindengan arah yang tepat pada jaringanyang sakit dan 'target volume' secaraakurasi maupun presisi tanpamemberikan efek atau kerusakan yangberarti pada jaringan sehat disekitarnya.Berbagai upaya dilakukan untukmencapai optimisasi. Penggunaanakselerator linier yang merupakansebuah pesawat teleterapi adalah salahsatu metode untuk mencapai optimisasiradioterapi, yang pada sebagian besarnegara berkembang masihmenggunakan pesawat teleterapi Co-60.Dengan makin banyaknya penggunaanakselerator linier di bidang medik initernyata menggeser kedudukanpesawat teleterapi Co-60, sehingga diseluruh dunia tahun demi tahun jumlah

pesawat teleterapi Co-60 berkurang danpesawat akselerator linier bertambah[1]. Pesawat akselerator linier komersialdikenalkan pertama kali untukkepentingan medik sejak 1965, denganenergi felon bertegangan 7-10 MV danelektron berenergi 4-10 MeV [2].Akselerator linier komersial yang ada dipasaran dapat menghasilkan sumterradiasi sinar-x dan berkas elektronberenergi tinggi. Sedangkan untukberkas netron biasanya dirancangkhusus, seperti pada Rumah SakitHarper, Detroit, U.S.A dengan sebutan'the superconducting neutron system'[3]. Disamping menggunakan sinar-x.elektron dan netron, saat ini juga mulaibanyak dikembangkan dan digunakanpula berkas proton, helium, karbon,argon, silikon, neon dan pion sepertipada NIRS Jepang[4].Penggunaan radiasi pengion untukmengobati kanker memerlukankeakurasian yang sangat tinggi, jika

Halaman 12

Proseding Seminar Pengembangan TeknologiDan Perekayasaan Instrumentasi Nuklir. Serpong 20 Mei 2003

ISSN NO : 1693 -3346

tidak maka kegagalan pengobatansangat besar kemungkinannya terjadi.Hal ini telah dijelaskan pada hubunganantara probabilitas daripada local tumorcontrol atau kerusakan jaringan normaldan dosis serap absolut [5,6]. Sehinggaketidakpastian yang dikaitkan dengandistribusi dosis diharapkan lebih kecildaripada +/- 3,5 % [7]. Goiten [8] telahmenghitung bahwa keakurasian 5 %diperlukan dalam radioterapi.Ada beberapa tahapan dalam dosimetriradioterapi untuk sampai pad apelaksanaan pendistribusian dosis padapasien. Setiap tahapan tentunyamemiliki derajat ketidakpastian.Sehingga secara kumulatif derajatketidakpastian dari beberapa tahapantersebut dapat dideteksi denganmelakukan pengukuran dosis langsungpada pasien yang selanjutnya dikenaldengan dosimetri in-vivo.Dosimetri in-vivo pada teleterapi dapatdikelompokkan menjadi pengukurandosis masuk (entrance dose) danpengukuran dosis keluar (exit dose).Dosis masuk digunakan untukmengecek keluaran (output) radiasi dankinerja peralatan ketika pelaksanaanpengobatan termasuk keakurasiannya,sedangkan dosis keluar dapatdimanfaatkan untuk mengecek algoritmaperhitungan dosis dan menentukanbentuk, ukuran, variasi densitas tubuhpasien pada prosedur perhitungandosis.Sistem dosimetri yang digunakan secarain-vivopun sang at bervariasi danberkembang mengikuti kemajuanteknologi yang digunakan dalamradioterapi. Dosimeter termoluminisensi(TLD) merupakan satu dosimeter yangsering digunakan dalam dosimetri in-vivo, karena sederhana dan mudahdigunakan. Selain TLD, detektordiodepun ban yak dimanfaatkan untukkeperluan dosimetri in-vivo.Digunakannya detektor diode ini karenaTLD tidak bisa secara langsungmemberikan hasil, sedangkan detektordiode yang terintegrasi denganelektrometer secara langsungmemberikan informasi hasil bacanyadengan segera.Beberapa detektor diode digunakandalam penelitian ini untuk diketahuitanggapannya terhadap berkas radiasidari pesawat teleterapi Co-50 dan

pesawat akselerator linier medik denganberbagai energi. Sehingga detektor-detektor tersebut dapat dimanfaatkanuntuk keperluan in-vivo dosimetriataupun pengukuran dosis lainnya.TEaRIZat padat adalah bahan dasarpembentuk semikonduktor sebagaikomponen dasar elektronika semisaldiode, transistor ataupun IC (integratedcircuit). Kelebihan sifat semikonduktorberada diantara sifat isolator dankonduktor. Dengan energi celah yangcukup rendah, semikonduktor dapatbersifat memindahkan elektron ke pitakonduksi, seperti Silikon dengan energicelah 1,11 eV dan 0,65 eV untukGermanium.Tipe-P ataupun tipe-N suatusemikonduktor dapat dibentuk denganmenambahkan (dopping) suatu atompentavalent ataupun trivalent, sepertiPhospor dan Boron. Selanjutnya tipe-PNyang merupakan gabungan antara tipe-P dan tipe-N dapat diperoleh dansambungan ini dikenal dengan p-njunction atau diode, seperti terlihat pad agambar 1.

P N++-+++ + + + +

+-------

-+++-++ + + + ++-+ +-

+------+--

- +.... .

p-Type material(many free holes,

practically nofree electrons)

n-Type material(many freeelectrons,

practically nofree holes)

-{'~i- --(b)

Gambar 1. (a) p-n junction dan (b)gimbal diode

Diode dapat dimanfaatkan sebagaidetektor radiasi pengion denganmengaplikasikan kondisi dibias balik(reverse bias), yakni denganmenyambungkan kutub positif daritegangan listrik eksternal ke tipe-n dankutub negatifnya ke tipe-p. Padakeadaan ini, di dalam diode akan

Halaman 13

Proseding Seminar Pengembangan TeknologiDan Perekayasaan Instrumentasi Nuklir, Serpong 20 Mei 2003

ISSN NO: 1693 -3346

terbentuk lapisan deplesi (depletionlayer) dengan ketebalan sekitar 10mikrometer sampai 5 mm, tergantungstruktur diode tersebut dibuat. Pasanganion akan terbentuk dengan demikianradiasi pengion yang memasuki daerahini, yang selanjutnya akan bergerak kekutub positip dan negatif sehinggaterjadi gerakan muatan dalam artiterbentuk arus listrik dan pulsa, sepertiterlihat dalam gambar 2.

+ Ve bias ""ge (typaly 10 to 500 V)

--- """"""~,,,,'0u"'5~Depleted reg~

; :1

Motiono!"" el"""ons"-

+ + - + - +

+ + + . + -

:;, + - + . . + + + + +

Incident iona"g particle; ""' - +- + + + + + +

"' Motion of

holes

+ . + + + ++. + + + +

"""",,,"01_no""

ExVeme~ "'in ..type region

(typ;c.,I~O.1 utNck)

p-type single crystalo!s;l~on

Gambar 2. Berkas radiasi pengionmemasuki daerah deplesi

Dalam aplikasi dosimetri rangkaiansederhana untuk diode seperti dalamgambar 3.

'+J' '

(ti",

~" - )~

I * )

Gambar 3. Rangkaian sederhana diodeuntuk dosimetri

PERCOBAANPeralatan yang digunakan1. Pesawat teleterapi Co-60 Alcyon II2. Pesawat akselerator tinier medik

Varian 21OOC3. Dua set detektor diode ( A dan B),

amplifier dan elektrometer. Satu setdetektor diode A dirancang untukdigunakan pada pesawat teleterapiCo-60, sedang satu set detektordiode B dirancang untuk digunakanpada pesawat akselerator tiniermedik dengan berkas felonberenergi 6 MV sampai 10 MV.Masing-masing set detektor diodeberisi 8 buah detektor yang diberitanda warna yang berbeda-beda.

4. Fantom

PROSEDUR PERCOBAANSebelum percobaan dilakukan, berkasradiasi pengion yang akan digunakanbaik sinar gamma dari pesawatteleterapi Co-60 ataupun berkas felondan elektron dari pesawat tinierakselerator harus diketahuikarakterisktiknya, termasuk besarnyaenergi yang akan digunakan dalampenelitian ini. Berkas sinar gamma daripesawat teleterapi Co-60 memilikienergi sekitar 1,25 MeV, sedangkanberkas felon dari pesawat akseleratortinier medik bertegangan 6 MV dan 10MV. Untuk berkas elektron yangdihasilkan dari pesawat akselerator tiniermedik memiliki energi 6, 9, 12, 16 dan20 MeV. Dengan asumsi bahwa satu setdetektor diode A dan satu set detektordiode B rancangannya berbeda, makaprosedur percobaannyapun harusmengikuti dan disesuaikan dengankarakristik berkas radiasi pengion yangdigunakan dalam percobaan ini. Karenapengukuran ini harus dilakukan padakondisi keseimbangan elektronik yangterjadi dalam detektor tersebut,sehingga asumsi dosimetrinya benar.Dengan demikian perlu tidaknyapenambahan fantom dalammenempatkan diode untuk masing-masing berkas radiasi pengion yangdigunakan dapat dilihat pada label 1sebagai gambaran telah terjadinyaperistiwa keseimbangan elektronik.

Halaman 14

Proseding Seminar Pengembangan TeknologiDan Perekayasaan Instrumentasi Nuklir, Serpong 20 Mei 2003

ISSN NO : 1693 -3346

Tabel1. Penambahan fantom sesuai dengan berkas radiasi pengion dan set detektor

Irradiasi dilakukan dengan pesawatteleterapi Co-60 dan pesawatakselerator linier medik dengan berkasfoton dan elektron berbagai energi.Ketika irradiasi dengan menggunakanpesawat teleterapi Co-60, posisipermukaan fantom berjarak terhadapsumber radiasi (SSD-Souce SurfaceDistance) adalah 80 em. Luas lapanganradiasi pada permukaan fantom adalah10 em x 10 em. Ke delapan buahdetektor ditempatkan pada fantom yangberukuran diameter 14 em denganbahan acrylic dengan ketebalan yangberbeda-beda sesuai dengan berkasradiasi pengion yang digunakan sepertitelah dijelaskan pada tabel 1. Posisidetektor disusun melingkar untuk kedelepan buah detektor, sehinggadiharapkan setiap detektormendapatkan dosis radiasi yang sarnaseeara bersamaan.Pada pereobaan dengan menggunakan

pesawat teleterapi Co-60 irradiasidialkukan selama 1 menit dan diulangbeberapa kali untuk mengetahui tingkatstabilitasnya.Untuk irradiasi dengan menggunakanpesawat akselerator linier medik, posisipermukaan fantom berjarak terhadapsumber radiasi (SSD-Souce SurfaceDistance) adalah 100 em. Luaslapangan radiasi pada permukaanfantom adalah 10 em x 10 em. Irradiasidengan menggunakan pesawatakselerator linier medik diberikansebesar 200 MU (Monitor Unit).

PEM8AHASANDari hasil pereobaan diatas diperolehtanggapan set detektor diode A untukberkas sinar gamma dari pesawatteleterapi Co-60 dan berkas foton 6 MVdan 10 MV dari pesawat akselerator

linier medik seperti terlihat pada gambar4 dan gambar 5 untuk set detektor diode8.

1.6

~14~ 1.2.D>. I<:)~ 0.8

i 8.0.6'"~ 04<:~ 0.2

0

-+-1

2

3

~4

--*- 5

-'-6I

1-+-7 ~

I'-8Co-60 6MV 10MV

I

lGambar 4. Tanggapan set detektor diode A

terhadap berkas foton

Berkasradiasi foton

~ 13 1-+-1<: .

; 12 j: ~ ~1---2t ':. x--~- - _I I 3<:0.9 ~ 1--4'"a.

5~~1 ~- * ~ =:Co-60 6 MV 10 MV -I- 7

Berkas radiasi foton

L__--8

--- --~-_.~-

Gambar 5. Tanggapan set detektor diode 8terhadap berkas foton

Ditemukan dalam pereobaan ini bahwaset detektor diode A untuk detektordengan nomor 1 terlihat tidak berfungsilagi, meskipun dengan menggunakanketiga maeam berkas foton yang ada,baik dari pesawat teleterapi Co-60maupun dari berkas foton 6 Mv dan 10

Halaman 15

8erkas radiasi Ketebalan pada kondisi Penambahan fantom ( em )pengion

akselerator linier dosis maksimum (em) Set detektor A Set detektor 8medik6MV 1,4 -1,6 1,1 -10 MV 2,5 2,0 -6 MeV 1,4 - 1,6 1,1 -9 MeV 2,0 - 2,2 1,6 -12 MeV 2,9 2,4 0,416 MeV 3,0 2,6 0,620 MeV 3,0 2,6 0,6

Proseding Seminar Pengembangan TeknologiDan Perekayasaan Instrumentasi Nuklir. Serpong 20 Mei 2003

ISSN NO: 1693 -3346

MV.Sedangkan untuk detektor nomor 1,diperoleh tanggapan hanya pada berkasradiasi gamma dari pesawat teleterapiCo-60. Sementara untuk berkas teton 6MV dan 10 MV dari pesawat linierakselerator, detektor ini tidakmemberikan tanggapan.Oari ketuju buah detektor yang masihmemiliki tanggapan terhadap berkassinar gamma dari pesawat teleterapi Co-60 ini fluktuasi antara detektor satudengan lainnya cukup besar, yaknisekitar 17.9 %. Oengan demikianapabila detektor-detektor ini akandigunakan untuk keperluan in-vivodosimetri taktor kalibrasinya haruslahdimiliki oleh setiap individu detektor

5.1

i ~ 4.6. c

~ 4.1u

,e 3.6>-.0 3.1u';;' 2.6oj~ 2.101)~ 1.6oj

E-l.l

0.6

6 9

Energi berkas elektron (MeV)

12 16

L--

masing-masing, tidak dapatdiseragamkan meskipun digunakanpada in-vivo dosimetri pada pengobatanpasien dengan pesawat teleterapi Co-60. Kondisi ini juga ditemukan pad atanggapan terhadap 6 MV dan 10 MVberkas teton dari pesawat akseleratorlinier medik yang lebih besar, yakni 19,5% dan 30,9 % secara berututan untuk 6MVdan 10 MV.Tanggapan set detektor diode A dan Bterhadap berkas elektron dari pesawatakselerator tinier medik dengan energi6, 9, 12, 16 dan 20 MeV terlihat padagambar 6 dan 7 secara berututan.

,----

Gambar 6. Tanggapan set detektor diode A terhadap berkas elektron

1.5cl.4oj

~ I.3oj

~1.2>.ce l.l-; I.~oj

~ 0.9Igg 0.8-,c

~ 0.7 -

0.6

6 9

Energi berkas eIektron (MeV)

- --- ----

Gambar 7. Tanggapan set detektor diode B terhadap berkas elektron

12 16

Halaman 16

l

-8--2

3

'4

-?IE- 5

-+-- 6

I20 -+- 7

-8

l

-8--2

..,.J

'4

-?IE- 5!i

-+-- 6 '

-+-720 I

-81

Proseding Seminar Pengembangan TeknologiDan Perekayasaan Instrumentasi Nuklir, Serpong 20 Mei 2003

ISSN NO: 1693 -3346

Didapatkan dalam gambar 6 dan 7bahwa tanggapan setiap detektor diodeuntuk energi berkas elektron diatas 6MeV cenderung datar, kecuali untuk setdetektor diode B nomor 3. Selain ituditemukan pada set detektor diode A,detektor diode nomor 1 dan 2 tidakberfungsi untuk seluruh berkas energielektron yang digunakan. Sedangkanuntuk berkas elektron dengan energi 6MeV kedua set detektor diode, baik Amaupun B memberikan kecenderunganyang berlawanan terhadap energidiatasnya. Hal ini sangat dimungkinkanoleh penentuan asumsi 'bulid up'terhadap energi tersebut, karena padaberkas elektron dengan energi 6 MeVmempunyai daerah yang sangat curamsetelah daerah 'bulid up'. Ada sesuatuyang cukup menarik pada hasilpenelitian ini yaitu pada berkas elektrondengan energi 16 MeV dan 20 MeV,ditemukan tanggapan yang sarnadiperoleh antara set detektor A dan B.Sehingga dapat disimpulkan dalampenelitian ini bahwa untuk berkas energielektron diatas 12 MeV tanggapandetektor diode sarna untuk detektoryang sarna. Meskipun pada setiap setdetektor diode, baik set detektor diode Amaupun B didapatkan tluktuasi yangcukup tinggi untuk setiap berkaselektron, yakni sekitar 16,6 % sampai26,4 %.

KESIMPULAN

Dua set detektor diode A dan B yangdirancang secara berbedapenggunaannya memilikikecenderungan tanggapan yangmendekati linier untuk berkas tatoo, baikuntuk sinar gamma dari pesawatteleterapi Co-60 sampai berkas tetondari akselerator linier medik dengantegangan 6 MV dan 10 MV. Disampingitu juga kelinieritasan tanggapan jugaditemukan untuk berkas elektron daripesawat akselerator linier medik denganenergi diatas 6 MeV. Tangapan detektordiode terhadap berkas elektron 6 MeVmenjadi lebih besar untuk set detektordiode A, sedangkan set detektor diode Bmenjadi lebih keci! terhadap tanggapanpada berkas elektron energi-energidiatasnya. Tanggapan setiap detektordiode ini tidak dapat diseragamkankarena memilki tluktuasi yang cukuptinggi satu dengan lainnya hinggamencapai 30,9 %, dan disamping ituada beberapa detektor yang sudah tidakberfungsi lagi.

Halaman 17

Proseding Seminar Pengembangan TeknologiDan Perekayasaan Instrumentasi Nuklir, Serpong 20 Mei 2003

ISSN NO: 1693 -3346

DAFTAR PUSTAKA[1]. HANSON GP, ET AL. An Overview of The Situation in Radiotherapy with Emphasis

on The Developing Countries. Int. Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics.1990:5:1257- 1261

[2]. INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY. Technical Reports Series No. 188.Radiological safety Aspects of the Operation of Electron linear Accelerators. IAEA,Vienna. 1979

[3]. Rl MOUGHAN, ET AL. A Superconducting cyclotron for neutron therapy. MedicalPhysics.1994; 6 : 779-785

[4]. NATIONAL INSTITUTE OF RADIOLOGICAL SCIENCES ( NIRS ).Science andTechnology Agency, Japan ( Katalog ).

[5]. Al BOYER, dan T SCHULTHEIS. Radiotherapy and Oncology 11 ,65 ( 1988 )[6]. A BRAHME. Acta Radiologic Oncology 23, 379 ( 1984 )[7]. International Commission on radioogical Units and Measurements (ICRU) Report No.

24 ( 1976)[8]. M GOITEN. Int. Journal of radiation Oncology, Biology, and Physics, 12, 701 (1986 )

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis pada kesempatan ini ingin mengucapkan terima kasih kepada Kepala InstalasiRadioterapi, RSUPN Ciptomangunkusumo, Jakarta yang telah memberikan kesempatankepada penulis untuk melakukan penelitian dan pengambilan data. lebih utama lagikepada Pak Jumadi, DFM dan Dessy Ariyanti, S.Si yang telah banyak membantu dalamterlaksananya penelitian ini.

~~---------

Ha/aman 18