X-Ray, 'Sinar Ajaib' yang Mampu Menembus Tubuh Manusia

X-ray from cancer Foto: Thinkstock

Anda mungkin pernah pergi ke rumah sakit untuk membuat foto Röntgen dada, setidaknya sekali seumur hidup. Atau di lain kesempatan, dokter pernah memindai bagian tubuh Anda yang lain dengan X-Ray untuk keperluan yang lebih khusus, misalnya ketika Anda mengalami patah tulang.

Sejarah Sinar-X

Seperti banyak terobosan-terobosan penting lainnya dalam sains, X-ray pertama kali ditemukan karena suatu ketidaksengajaan. Pada musim gugur tahun 1895, seorang fisikawan Jerman di Universitas Wurzburg, Wilhelm Conrad Röntgen sedang mempelajari sinar katode di laboratoriumnya. Röntgen menggunakan listrik bertegangan tinggi melintasi sebuah tabung yang ditutupi dengan kertas hitam yang ia kondisikan pada tekanan rendah. Kemudian, ketika ia “menyalakan” tabung tersebut dengan tegangan tinggi, Röntgen memperhatikan bahwa beberapa kristal yang tergeletak di bangku sekitar tabung menjadi bersinar. Röntgen juga mengamati bahwa sinar yang menyebabkan efek fluoresens ini ternyata dapat menembus benda padat.

Foto X-Ray Pertama. Hand mit Ringen (Hand with Rings): a print of one of the first X-rays by Wilhelm Röntgen (1845–1923) of the left hand of his wife Anna Bertha Ludwig. It was presented to Professor Ludwig Zehnder of the Physik Institut, University of Freiburg, on 1 January 1896. (Wikipedia: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:First_medical_X-ray_by_Wilhelm_R%C3%B6ntgen_of_his_wife_Anna_Bertha_Ludwig%27s_hand_-_18951222.jpg)

Beberapa hari kemudian, Röntgen membuat foto X-ray pertama dengan mengarahkan sinar tadi ke tangan istrinya. Dari nama Röntgen inilah, citra yang dihasikan dengan X-ray kemudian dikenal sebagai foto Röntgen. Hanya berselang beberapa pekan kemudian, penemuan ini menjadi berita hangat yang dibicarakan di mana-mana, termasuk di negara-negara lain dengan perkembangan sains yang mulai maju ketika itu, seperti Amerika Serikat dan Inggris. Menjelang musim panas tahun 1896, jurnal kedokteran yang membahas X-ray untuk pertama kalinya diterbitkan di Inggris.

Dari mana X-Ray Berasal?

X-ray atau dalam Bahasa Indonesia kita kenal sebagai sinar-X merupakan bagian dari keluarga gelombang elektromagnetik, seperti halnya cahaya tampak, sinar infra merah, sinar ultraviolet, gelombang radio, dan sebagainya. Dalam pita gelombang elektromagnetik, sinar-X berada pada rentang frekuensi yang lebih tinggi (atau panjang gelombang yang lebih pendek) dari pada sinar ultraviolet dan cahaya tampak. Lalu, dari mana sinar-X ini berasal?

Pita gelombang elektromagnetik. Revised diagram with re-aligned spectrum by Philip Ronan, Gringer. (Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/File:EM_spectrumrevised.png)

Seperti yang telah kita ketahui, benda-benda sekitar kita tersusun dari partikel-partikel tak kasat mata yang dikenal sebagai atom. Lalu, jika dipilah-pilah lagi ke komponen yang lebih kecil, atom ini terdiri dari elektron, proton, dan neutron. Elektron yang bergerak dengan kecepatan tinggi dan menabrak atom lain dapat mengubah sebagian atau seluruh energinya menjadi foton dalam bentuk X-ray. Dari fakta ini, untuk menghasilkan X-ray, maka kita perlu mempercepat elektron.

Mempercepat sebuah elektron di udara akan sulit dilakukan, karena terdapat banyak sekali elektron pada atom-atom yang tersebar, yakni sekitar 400 juta triliun (4 × 10 pangkat 20) dalam volume 1 cm kubik udara. Pada keadaan sepadat ini, sebelum sebuah elektron bergerak, ia akan bertabrakan satu sama lain. Bayangkan keadaannya seperti ketika Anda berbelanja di supermarket pada awal bulan menjelang Ramadan, tentu saja sebelum pandemi merebak.

Oleh karena itu, kita perlu membuang sebagian besar elektron yang ada, lalu membiarkan sebuah elektron untuk menjadi juara olimpiade lari. Hal ini dilakukan dengan menggunakan tabung kaca (tabung X-ray) seperti yang digunakan oleh Röntgen tadi, di mana sebagian besar atom telah dikeluarkan. Untuk setiap 1 miliar atom di udara, hanya satu atom yang tersisa dan terkurung di dalam tabung X-ray, sehingga elektron dari atom tersebut dapat berlari dengan cepat tanpa halangan.

Komponen utama dari tabung X-ray modern, terdiri dari sumber elektron berupa filamen atau disebut katode, ruang bebas di mana elektron dapat berlari dengan kecepatan tinggi, tegangan listrik positif yang sangat tinggi untuk mempercepat elektron, serta sebuah target atau anode di mana elektron akan menabrak target tersebut dan menghasilkan X-ray.

Skema sederhana dari perangkat tabung X-ray. Simplified schematic of a rotating anode X-ray tube envelope and housing. Keterangan: A (Anode), B (Expansion bellows (provide space for oil to expand)), C (Cathode (and heating-coil)), E (Tube envelope (evacuated)), H (Tube housing), O (Cooling dielectric oil), R (Rotor), S (Induction stator), T (Anode target), W (Tube window (Aluminium or Beryllium)). (Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Xraytubeinhousing.png)

X-ray yang dihasilkan pada percobaan Röntgen tadi dihasilkan dari gas terionisasi yang terkumpul di dalam tabung katode. Pada tahun 1915, William David Coolidge, seorang fisikawan berkebangsaan Amerika Serikat menemukan tabung X-ray yang dapat menghasilkan elektron dengan “mendidihkannya” pada sebuah filamen dengan suhu yang sangat tinggi. Tabung X-ray modern yang digunakan sampai sekarang merupakan pengembangan dari tabung Coolidge ini. Pada tabung X-ray modern ini, jumlah elektron yang dapat dipercepat pada tabung tergantung pada suhu filamen, sedangkan energi maksimum dari foton X-ray ditentukan oleh tegangan listrik yang digunakan untuk mempercepat elektron.

Ilustrasi tabung X-ray modern. Rotating anode x-ray tube with labels. (Daniel W. Rickey, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Rotating_anode_x-ray_tube_(labeled).jpg)

Elektron pelari juara olimpiade ini kemudian akan menabrak anode di sisi seberang filamen. Insiden tabrakan inilah yang kemudian menghasilkan X-ray. Sebenarnya apa yang terjadi? Sekarang kita lihat kembali atom dari bahan anode yang ditabrak oleh elektron tadi. Jika kita masuk ke alam renik, sebuah atom memiliki inti atau nukleus, kemudian elektron bergerak mengelilingi inti atom pada lintasan-lintasan atau orbit melingkar yang biasa disimbolkan dengan huruf K, L, M, dan seterusnya. Keadaannya mirip dengan tata surya, di mana inti atom berlaku selayaknya matahari, dan elektron adalah planet-planet yang mengelilinginya.

X-ray kemudian dihasilkan dengan dua kemungkinan. Kemungkinan pertama adalah ketika elektron dari filamen yang bergerak dengan kecepatan tinggi tadi menabrak atom anode dan berbelok sedikit ketika bertemu dengan inti atom anode yang bermuatan positif (+). Setelah dibelokkan, elektron tadi akan melambat dan melanjutkan perjalanannya dengan sisa energi, lalu sisa energi lainnya berubah menjadi foton X-ray yang dikenal dengan istilah fancy dalam Bahasa Jerman: Bremsstrahlung. Jika diterjemahkan secara bebas dapat diartikan sebagai radiasi pengereman (braking radiation).

Bremsstrahlung. (Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Bremsstrahlung.svg)

X-ray dapat pula dihasilkan dari skenario kedua yang sedikit lebih dramatis, yaitu ketika elektron si pelari menabrak elektron milik atom anode. Misalnya elektron dari atom anode yang ditabrak ini berada pada orbit K. Elektron ini kemudian akan terlempar dari orbit lintasannya sehingga orbit K menjadi kosong. Sesaat setelahnya, karena kekosongan ini, elektron lain yang berada pada orbit di luarnya, yaitu pada orbit L akan luruh dan berpindah ke orbit K. Elektron yang berpindah dari orbit L ke orbit K akan kehilangan sebagian energinya yang dilepaskan dalam bentuk foton X-ray. Foton X-ray jenis ini dikenal sebagai foton X-ray karakteristik.

Ilustrasi terjadinya X-ray dengan skenario X-ray karakteristik. Characteristic Interaction.A characteristic interaction event. Note that as outer-shell electrons fill inner-shell vacancies, their excess energy is released as characteristic x-ray photons. (Source: https://radiologykey.com/x-ray-production/)

Anode target biasanya terbuat dari bahan dengan nomor atom (Z) yang besar, karena semakin berat atom dari bahan anode yang digunakan, maka semakin efisien foton X-ray yang dihasilkan. Selain itu, bahan anode juga harus memiliki titik lebur yang tinggi karena kejadian tabrakan elektron yang terjadi tadi dapat menyebabkan pemanasan yang cukup tinggi. Kebanyakan anode target terbuat dari bahan Tungsten dengan nomor atom 74 dan titik lebur 3400˚C. Selain itu, untuk mencegah panas berlebih (overheating), anode dirancang agar dapat berputar dengan kecepatan tinggi, yakni sekitar 10 ribu putaran per menit.

Bagaimana X-ray Diserap?

X-ray diserap dengan kadar berbeda-beda oleh bahan-bahan yang berbeda-beda. Bahan-bahan dengan berat atom yang lebih besar seperti Kalsium adalah penyerap X-ray yang baik jika dibandingkan dengan bahan lain dengan berat atom yang lebih ringan seperti Karbon, Oksigen, dan Hidrogen. Oleh karena itu, tulang yang mengandung banyak Kalsium akan terlihat jelas pada film X-ray jika dibandingkan dengan latar belakangnya yang berupa jaringan lunak. Jaringan lunak yang terdiri dari campuran lemak, otot, dan sejenisnya menyerap X-ray dengan kadar yang hampir sama sehingga lebih sulit dibedakan satu sama lain.

Ilustrasi foto Röntgen. (Owen Beard: https://unsplash.com/photos/DK8jXx1B-1c).

Bagaimana Membuat Foto X-ray?

Secara sederhana, membuat foto X-ray tidaklah terlalu sulit. Kita hanya memerlukan sumber X-ray (tabung X-ray) dan film yang dibungkus dengan kertas hitam. Yang sulit adalah bagaimana menghasilkan foto X-ray (foto Röntgen) yang bagus menggunakan X-ray dengan paparan yang relatif rendah. Untuk mencapai tujuan ini, selain pengembangan dari sisi teknologi, keterampilan operator juga memainkan peran yang cukup penting.

Sayangnya, X-ray tidak dapat difokuskan sebagaimana halnya cahaya tampak ketika kita ingin memotret dengan kamera biasa. Foto X-ray secara sederhana adalah gambar bayangan di atas film X-ray dari bahan-bahan yang ditembusnya.

Agar lebih mudah dibayangkan, sekarang kita anggap sumber X-ray sebagai bohlam lampu biasa. Cahaya dari bohlam berdiameter besar yang mengenai benda objek di bawahnya akan menghasilkan bayangan kabur pada kertas di bawahnya karena cahaya dari bohlam menyebarkan bayangan ke berbagai arah yang lebih luas. Daerah tepi dari bayangan kabur ini disebut penumbra.

Lebar penumbra ini bisa dikurangi jika bohlam diganti dengan diameter lebih kecil, atau dengan menjauhkan benda objek dari bohlam (mendekatkan benda objek lebih dekat ke kertas). Dengan trik ini, bayangan yang dihasilkan di atas kertas menjadi lebih jelas.

Masalah lain muncul jika benda objek berada di dalam air keruh. Sebagian cahaya akan diserap dan sebagian lagi dihamburkan oleh molekul-molekul air, sehingga kontras bayangan dari benda objek yang terlihat di kertas akan menjadi lebih rendah. Bayangkan jika objek yang dimaksud adalah organ-organ dalam tubuh kita yang terendam dalam cairan seperti darah, air seni dalam kantung kemih, dan sebagainya.

Ilustrasi pembuatan foto Röntgen. Shown is a male technician taking a x-ray fluoroscope of a female patient. The x-ray tube is behind the patient, and a glass screen with a fluorescent coating in front of the patient makes the image visible. Fluoroscope exams gave much higher radiation exposures than film x-ray images. This image was used to demonstrate the myth about exposure to radiation during the x-ray procedure. (National Cancer Institute, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Historical_X-ray_nci-vol-1893-300.jpg)

Dengan analogi ini, untuk menghasilkan foto Röntgen yang bagus, operator dapat menggunakan titik fokus sumber X-ray yang lebih kecil, atau memposisikan pasien sedekat mungkin ke film (menjauhkan pasien sejauh mungkin dari sumber X-ray). Selain itu, kontras foto Röntgen juga dapat ditingkatkan dengan menghindari gerakan dan objek penghalang lainnya yang bisa menghamburkan X-ray ke film.

Tentu Anda masih ingat, dalam prosedur pengambilan foto Röntgen ini biasanya operator akan memerintahkan pasien agar menempelkan anggota tubuhnya ke film dan menahan napas sekitar 1 detik untuk menghindari terjadinya gerakan.

Perkembangan Selanjutnya

Dalam perkembangan selanjutnya, teknologi pencitraan medis berbasis X-ray semakin berkembang, tidak melulu hanya foto Röntgen sederhana di atas film saja. Teknologi yang berkembang selanjutnya melibatkan digitalisasi citra, hingga teknik pengambilan gambar yang dilakukan lapis-perlapis.

Anda tentu familiar dengan CT-scan, bukan? CT-scan (Computed Tomography-scan) ini adalah salah satu teknik pencitraan medis berbasis X-ray yang mencitrakan tubuh manusia dalam lapis-lapis dua dimensi dari segala arah untuk kemudian digabungkan menjadi gambar tiga dimensi. Bayangkan misalnya tubuh manusia adalah sebatang pohon yang dipotong-potong dalam irisan melintang.

Modern CT scanner located at the Lochotín University Hospital in Pilsen, Czech Republic. (Tomáš Vendiš, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Modern%C3%AD_v%C3%BDpo%C4%8Detn%C3%AD_tomografie_s_p%C5%99%C3%ADmo_digit%C3%A1ln%C3%AD_detekc%C3%AD_rentgenov%C3%A9ho_z%C3%A1%C5%99en%C3%AD.jpg)

X-ray kemudian merambah ke arena yang lebih luas. Tak hanya di rumah sakit, X-ray kini menjadi salah satu teknik pencitraan yang paling diandalkan untuk mencitrakan dan menginspeksi sifat-sifat bahan, misalnya untuk memeriksa komponen-komponen mesin, mencitrakan barang bawaan penumpang di bandara, hingga “mendiagnosis” lukisan dan barang-barang seni yang terpajang di museum.

Referensi

Cameron, J.R., Skofronick, J.G., Medical Physics, John Wiley and Sons, 1978.