## Jenis Artikel: original research

## Pengaruh Diameter Phantom Silinder terhadap Dosis Puncak pada Tabung Sinar-X

## Menggunakan Simulasi Monte Carlo-EGSnrc

## Muhammad Nasir 1
1 Pendidikan Fisika, Universitas Islam Negeri Ar-Raniry, Banda Aceh
*Corresponding e-mail : muh.nasir@ar-raniry.ac.id

## KATA  KUNCI
Phantom Silinder, Dosis Puncak,
Tabung Sinar-X, Monte Carlo
Diserahkan: 29 Mei 2021 Direvisi: 27 juni 2021 Diterbitkan: 30 Juli 2021 Terbitan daring: 18 Juli 2021

## Jurnal Phi
ABSTRAK. Telah  dilakukan  suatu  penelitian  untuk  mengetahui  pengaruh diameter phantom terhadap dosis puncak yang dihasilkan oleh tabung sinar-X Varian  OBI  CBCT  v1.4  menggunakan  simulasi  Monte  Carlo.  Simulasi pemodelan tabung sinar-X Varian OBI v1.4 dilakukan menggunakan program BEAMnrc dan simulasi pemodelan phantom silinder dilakukan menggunakan program  DOSRZnrc.  Data phase  space  file yang  dihasilkan  melalui  simulasi pemodelan  tabung  menjadi  input  untuk  simulasi  pemodelan  phantom. Penelitian ini dilakukan dengan memvariasikan diameter phantom 10, 15, 20, 25 dan 30 cm. Kurva profil dosis dipilih sepanjang sumbu pusat aksis phantom pada  kedalaman  0,5  cm  dari  permukaan  phantom.  Dari  hasil  analisis  data diperoleh dosis puncak untuk setiap variasi diameter phantom adalah 2.24 x 10 -18 Gy, 1.78 x 10 -18 Gy, 1.50 x 10 -18 Gy, 1.28 x 10 -18 Gy dan 1.08 x 10 -18 Gy. Dosis puncak  semakin  rendah  seiring  pertambahan  diameter  phantom.  Diameter phantom  silinder  memberikan  efek  yang  signifikan  terhadap  dosis  yang diserap  phantom.  Dosis  puncak  pada  phantom  yang  kecil  lebih  tinggi dibandingkan phantom yang besar. Hal ini disebabkan karena pada phantom yang  lebih  besar  berkas  radiasi  akan  menempuh  jarak  yang  lebih jauh saat memasuki phantom sehingga dosis yang diserap menjadi lebih rendah.

## 1. Pendahuluan
Kanker  merupakan  salah  satu  penyakit  penyebab  kematian  yang  saat  ini  banyak  diderita  oleh  masyarakat Indonesia.  Jumlah  penderita  baru  penyakit  kanker  tahun  2020  diperkirakan  akan  meningkat  hingga  20  juta penderita  (Nakagawa,  2016).  Pengobatan  kanker  dapat  dilakukan  dengan  cara  kemoterapi,  pembedahan  dan radioterapi.  Proses  radioterapi  menggunakan  berkas  radiasi  berenergi  tinggi    untuk    menghancurkan    sel-sel kanker  yang  berada  didalam  tubuh.
Keakuratan  di  dalam  proses  radioterapi  dipengaruhi  oleh  beberapa  faktor,  salah  satunya  adalah  teknologi yang  digunakan.  Pada  kasus  radioterapi  tumor,  deformasi  (pergerakan)  tumor  akan  menjadi  salah  satu  faktor yang  harus  dipertimbangkan. Cone  Beam  Computed  Tomography (CBCT)  merupakan  modalitas  citra  yang dapat  digunakan  untuk  merekam  pergerakan  tumor.  CBCT  terdiri  atas  sebuah  tabung  dan  sebuah  detektor yang  dapat  berputar  (Suwarni,  2016).  Sistem  CBCT  memungkinkan proyeksi citra radiografik dua dimensi yang diperoleh  dari  suatu  sumber  tegangan  dan  sistem  citra  flat  panel  detektor  yang  berotasi  mengelilingi  pasien. Sistem  CBCT  memungkinkan  pengambilan  gambar  scan  CT  pasien  secara  penuh  pada  pengobatan  radioterapi segera  sebelum  pemberian treatment radiasi  (Nakagawa,  2016).  CBCT  memungkinkan  penempatan  yang  lebih tepat  dari  pengobatan  isosenter  dengan  menggeser  citra  yang  muncul  sebelum  setiap  sesi  pada  pencitraan dosimetri  awal  (Bretonniere,  2017).  Dosimetri  pada  CBCT  menjadi  cukup  penting  karena  penggunaan IGRT dan CT scanner  multislice yang  cukup  sering.  CBCT  memiliki  beberapa  jenis modalitas  salah satunya adalah varian On  Board Imager (OBI) v1.4  yang  dirilis pada tahun  2008  (Yani,  2019).
Dosis  radiasi  yang  diterima  oleh  pasien  akan  menyebabkan  perubahan  dalam  sistem  biologis  dan  dapat meningkatkan  risiko  kanker  pada  organ  sensitif.  Oleh  karena itu, dosis radiasi CBCT yang diterima oleh pasien harus diketahui dan  diperhitungkan  secara tepat  (Anam,  2017). Dosis  radiasi yang  diterima oleh pasien selama proses  pemindaian  akan  bervariasi  dan  tergantung  pada  beberapa  faktor  teknis  dan  klinis.  Faktor  teknis  yang mempengaruhi  dosis  radiasi  umumnya  adalah kualitas  sinar-X,  geometri,  pembatasan  perangkat,  serta  akuisisi pengaturan  tingkat  dosis  citra.  Jumlah  dosis  radiasi  yang  diterima  dari  pemindaian  juga  tergantung  pada geometri,  bentuk,  dan  material  bahan  phantom,  termasuk  ukuran  phantom  (Bretonniere,  2017).  Phantom merupakan  alat  peraga  anatomi  tubuh  untuk  mewakili  tubuh  pasien.  Umumnya  phantom  yang  digunakan dalam  penelitian  simulasi  dosis  radiasi  ada  dua  jenis,  yaitu  phantom  kubus  dan  phantom  silinder.  Phantom silinder dianggap  lebih mewakili bentuk  anatomi  tubuh  manusia  dibandingkan  phantom  kubus.
Metode  Monte  Carlo  (MC)  adalah  metode  numerik  untuk  simulasi  statistik  yang  menggunakan  urutan bilangan  acak  dalam  memodelkan  proses  eksperimen  melalui  proses  simulasi.  Simulasi  MC  telah  banyak diterapkan  dalam  berbagai  bidang,  seperti  fisika  medis, khususnya dosimetri radiasi, serta untuk menganalisis reaktor  nuklir  (Anam,  2017).  Metode  ini  telah  banyak  digunakan  dalam  detektor  nuklir  dan  perhitungan  dosis dalam  radioterapi.  MC  adalah  metode  paling  akurat  untuk  mensimulasikan  distribusi  dosis  dalam  jaringan homogen  maupun  tidak  homogen  ketika  efek  transpor  elektron  tidak  dapat  dihitung  secara  akurat  dengan metode  konvensional  (Reedy,  2015).  Simulasi  MC  terdiri  dari  beberapa  jenis  program,  seperti  MCNP,  GEANT4, PENELOPE,  ITS  dan  EGSnrc.  Simulasi  Monte  Carlo  pada  tabung  sinar-X  OBI  varian  CBCT  v.1.4  untuk menentukan  dosis  dalam  phantom  silinder  dilakukan  menggunakan  paket  program  EGSnrc,  yang  terdiri  dari BEAMnrc  dan  DOSRZnrc.  karena  akan  lebih  Hasil  penelitian ini akan memberikan informasi tentang dosis yang dihasilkan oleh tabung  sinar-X  Varian  OBI CBCT  v.1.4  pada  phantom  silinder.
Penelitian  terkait  dosis  radiasi  menggunakan  simulasi  Monte  Carlo  telah  banyak  dilakukan.  Anam  (2017) melakukan  suatu  penelitian  tentang  pengaruh  dosis  efektif  terhadap  dosis  yang  diterima  oleh  pasien. Penelitian  memperoleh  hasil  bahwa  dosis  radiasi  dipengaruhi  oleh  diameter  tubuh  pasien.  Hal  ini  senada dengan  penelitian  yang  dilakukan  oleh  Patmawati  (2018)  terkait  dengan  pengaruh  volume  dan  material phantom silinder terhadap nilai Size Specific Dose Estimates (SSDE) dan diperoleh hasil bahwa nilai dosis SSDE semakin  berkurang  seiring  pertambahan  volume  phantom.  Sementara  itu  Aprilyanti  (2016)  juga  melakukan penelitian  tentang  pengaruh  diameter  phantom  terhadap  nilai  dosis  CTDI  ( Computed  Tomography  Dose  Index ) dan  diperoleh  bahwa  semakin  besar  ukuran  diameter  phantom  maka  semakin  kecil  nilai  dosis  CTDI  yang
dihasilkan.  Suwarni  (2016)  juga  melakukan    penelitian    tentang    perbandingan    dosis    radiasi    pada    beberapa model  phantom  dan  diperoleh  bahwa  diameter  phantom  yang    digunakan    mempengaruhi    besar    dosis    radiasi yang  dihasilkan.  Semakin  besar  diameter  phantom  yang  digunakan  maka  semakin  kecil  dosis    radiasi    yang diterima  permukaan  phantom.
Adapun  keterbaruan  dari  penelitian  ini  yaitu  simulasi  perhitungan  dosis  menggunakan  phantom    silinder dengan  diameter  yang  lebih  bervariasi  (bukan  phantom  standar  16    cm    atau    32    cm)    yang    lebih    umum digunakan.  Di  samping  itu,  perhitungan  dosis  radiasi  dalam  penelitian  ini  melibatkan  sisi  lateral  (LAT)  dan anterior-posterior  (AP).

## 2. Metoda
EGSnrc  Monte  Carlo  adalah  program    yang    digunakan    untuk    mensimulasikan    foton    dan    elektron    yang melalui  suatu  media  (Kawrakow,  2015).  Partikel  yang  disimulasikan  memiliki  rentang  energi  dari  beberapa  keV hingga  ratusan  GeV  (Bretonniere,  2017).  EGSnrc  memiliki  fleksibilitas  sangat  tinggi    yang    memungkinkan pengguna  dapat  menjalankan  simulasi  tanpa  memiliki  pemahaman  yang  mendalam    tentang    program.    EGSnrc tidak  hanya  dapat  digunakan  di  Linux/Unix,  tetapi  juga  dapat  digunakan  pada  Windows.
Dalam  EGSnrc,  transportasi  foton  dan    elektron    disimulasikan    dalam    beberapa    langkah    dengan    setiap langkah  memiliki  jangkauan  yang  acak.  Untuk  mendapatkan  hasil  akhir  dari    simulasi,    jumlah    partikel    yang banyak  sangat  direkomendasikan  untuk  digunakan.  Semakin  banyak  jumlah  partikel  yang  digunakan  maka semakin  akurat  hasil  simulasi  yang    diperoleh.    Simulasi    EGSnrc    Monte    Carlo    yang    digunakan  dalam    penelitian ini  dibagi  menjadi  dua  bagian.  Bagian  pertama  adalah  simulasi  tabung  sinar-X  varian    OBI    CBCT    v1.4 menggunakan  BEAMnrc.
Gambar  1.  Pengaturan  Geometri  Simulasi  Tabung  Sinar-X  Varian  OBI  CBCT  v1.4
Pemodelan  tabung  terdiri  dari  beberapa  komponen  yaitu target,  exit  windows,  pre-filter,  pre  collimator, upper  blades,  glass,  bowtie  filter  dan  collimator. Gambar 1 menunjukkan pengaturan geometri simulasi tabung sinar-X  Varian  OBI  CBCT  v1.4  yang  digunakan  dalam  simulasi ini. Partikel setelah disimulasikan dalam tabung sinar-X  akan  disimpan  pada  bidang  skor  yang  disebut phase  space  file (phsp).  Parameter  berkas  sinar  untuk simulasi tabung sinar-X adalah sebagai berikut: ISOURC = 10 ( parallel circular beam incident from side ), energi elektron  =  100  keV,  radius  berkas  sinar  =  0,5  cm  dan  ketebalan slice = 1  cm.  Jumlah  histori yang  digunakan
Diameter
adalah  250  juta  partikel.  Proses  simulasi dijalankan  di Linux  Ubuntu  dengan  spesifikasi CPU intel core  i5 3,4 GHz  dan  prosesor  2 GB  RAM.
Bagian  kedua  adalah    simulasi    phantom    air    berbentuk    silinder    menggunakan    DOSRZnrc.    Dalam    penelitian ini  dipilih  phantom  air  karena  tubuh  manusia  sebagian  besar  terdiri  dari  air.  Setelah  simulasi  BEAMnrc  selesai, diperoleh  file    phsp    yang    akan    digunakan    sebagai    input    dalam    simulasi    DOSRZnrc    untuk    menentukan distribusi  dosis  dalam  phantom  air  yang  berbentuk  silinder.  Penelitian  ini  dilakukan  dengan  memvariasikan diameter  phantom  10,  15,  20,  25,  dan  30  cm,    dan    panjang    phantom    15    cm.    Sumber    berkas    sinar    yang digunakan  berarah  tegak  lurus  dengan  poros  pusat.  Jumlah    histori    yang    digunakan    adalah  500    juta    partikel. Hasil  dari  simulasi  ini  yaitu  berupa  kurva  profil  dosis  yang  di-plot  sepanjang  pusat  sumbu  phantom  pada kedalaman  dosis  maksimum.  Untuk  perhitungan  dalam  penelitian  ini,  energi cut  off foton  dan  elektron  yang digunakan  masing-masing  0,512  MeV    dan  0,01    MeV.    Desain    phantom  silinder    yang    digunakan    dalam  simulasi ini  ditampilkan  pada  Gambar  2  berikut.

## Panjang  = 15  cm
Gambar  2. Desain Phantom  Silinder

## 3. Hasil  dan  Pembahasan
Waktu  simulasi  dan  ketidakpastian  statistik  untuk  simulasi  dengan  variasi  diameter  phantom  ditunjukkan pada  Tabel  1.
Tabel 1. Waktu  simulasi dan ketidakpastian  statistik untuk tiap simulasi variasi diameter phantom
Diameter  Phantom (cm) Waktu  Simulasi  (jam) Ketidakpastian  Statistik (%) 10 2,5 4,86 15 2,9 4,74 20 3,1 6,10 25 3,5 5,31 30 3,8 5,83
Dari  tabel  1  di  atas  terlihat  bahwa  waktu  simulasi  meningkat  sebanding  dengan  bertambahnya  diameter phantom  dan  diperoleh  rata-rata  waktu  simulasi  3,2  jam.  Sementara  itu  ketidakpastian  statistik  untuk  setiap variasi  diameter  phantom  relatif  kecil  dengan  nilai  rata-rata  5,4%.  Hal  ini  disebabkan  karena  jumlah  partikel pada  file phsp terdapat  cukup  banyak  sehingga  hasil output  simulasi menjadi  lebih akurat.
Profil  dosis  adalah  distribusi  dosis  sepanjang  sumbu    pusat    (z-axis)    atau    sejajar    sumbu    rotasi.    Profil dosis  dapat  dipengaruhi  oleh  beberapa  faktor,  seperti  kolimator  primer,  jarak  antara  kolimator    dan    tabung  sinar- X,  penumbra  serta  penyebaran  radiasi.  Profil    dosis    dapat    diukur    baik    di  air  atau    phantom.    Profil  dosis   yang ideal  memiliki  bentuk  blok  persegi  panjang  dengan  lebar  tertentu  (Ramdani,  2016).
Kurva  profil  dosis  pada  phantom  silinder  untuk  variasi  diameter  phantom  ditunjukkan  pada  gambar  3 berikut.  Kurva  profil dosis di-plot sepanjang  sumbu  pusat  pada  kedalaman  0,5  cm dari permukaan  phantom.

## Gambar  3. Kurva  profil dosis untuk variasi diameter  phantom
Pada  gambar  3  di  atas  terlihat  dosis  radiasi  menurun  dengan  meningkatnya  diameter  phantom  silinder. Dosis  puncak  untuk  setiap  variasi  diameter  phantom  10,  15,  20,  25,  dan  30  cm  berturut-turut  adalah  1.89  x  10 - 18 Gy,  1.51  x  10 -18 Gy,  1.30  x  10 -18 Gy,  1.11  x  10 -18 Gy,  dan  9.59  x  10 -19 Gy.  Hasil    ini    menunjukkan    bahwa    saat digunakan  phantom  silinder  dengan  ukuran  diameter  lebih  besar  menyebabkan  jangkauan  berkas  radiasi  akan menempuh  jarak  yang  lebih  jauh  ketika  memasuki  phantom    sehingga    kalkulasi    dosisnya    akan    lebih    rendah. Hasil  ini  tidak  jauh  berbeda  dengan  penelitian  yang  diperoleh  oleh  Patmawati  (2018)  terkait  dengan  pengaruh volume  dan  material  phantom  silinder  terhadap  nilai Size  Specific  Dose    Estimates (SSDE)  dan  diperoleh  hasil bahwa  nilai  dosis  SSDE  semakin  berkurang  seiring  pertambahan  volume  phantom.  Suwarni  (2016)    juga melakukan  penelitian  tentang  perbandingan  dosis  radiasi  pada  beberapa  model  phantom  dan  diperoleh  hasil bahwa  semakin  besar  diameter  phantom  yang  digunakan  maka  semakin  kecil  dosis  radiasi  yang  diterima permukaan  phantom  dan  begitu  juga  sebaliknya.  Hal  ini    terkait    dengan    jangkauan    berkas    radiasi    yang    lebih jauh  sehingg a  memperkecil  total  dosis  yang  diserap  phantom.
Daerah  penumbra  berkurang  dengan  meningkatnya  diameter    phantom    dan    juga    menyebabkan penurunan  dosis  untuk  ukuran  diameter  phantom  yang  lebih  besar  (Aprilyanti,  2016).  Oleh  sebab  itu  semakin gemuk  seorang  pasien  yang  berarti  semakin    besar    ukuran    diameter    tubuh,    maka    dosis    yang    diterima    akan lebih  rendah  dibandingkan  pasien  yang  lebih  kurus.  Dosis  yang  diterima  oleh  orang  dewasa  akan  lebih  rendah daripada  dosis  yang  diterima  oleh  anak-anak.  Hal  ini    sesuai    dengan    penelitian    yang    dilakukan    oleh    Anam (2017)  bahwa  dosis  radiasi  dipengaruhi  oleh  diameter  tubuh  pasien.    Aprilyanti    (2016)    juga    melakukan penelitian  tentang  pengaruh  diameter  phantom  dengan  variasi    diameter    10    cm,    16    cm    dan    32    cm    terhadap nilai  dosis  CTDI  ( Computed  Tomography  Dose  Index )  dan  diperoleh  bahwa  semakin  besar  ukuran  diameter phantom  maka  semakin  kecil  nilai  dosis  CTDI  yang  dihasilkan.  Dosis  CTDI  terkecil  diperoleh  pada  diameter phantom  32  cm  yang  merupakan  ukuran  standar  diameter  tubuh  orang  dewasa    Nilai    dosis    puncak    ini memainkan  peran  penting  dalam  menentukan  dosis  pada  kulit.  Nilai  dosis  pada  kulit  dapat  ditentukan  dengan mengalikan  nilai  dosis  puncak  dengan  jumlah  pemindaian  (Yani,  2020).

## Profil Dosis Variasi Diameter Phantom pada Tegangan 100 kV
2.0
1.5
10 cm 1.0 15 cm 20 cm 0.5 25 cm 30 cm 0.0 3 6 9 12 Distance  (cm) D os is ( x1 0 ^ -18 G y)

## 4. Kesimpulan
Dari  hasil  penelitian  diperoleh  bahwa  diameter  phantom  silinder  memberikan  pengaruh  yang  signifikan terhadap  dosis  puncak  yang  diterima  oleh  phantom.  Dosis  puncak  pada  phantom  yang  berukuran  lebih  kecil jauh  lebih  tinggi  dibandingkan  phantom  yang  berukuran  lebih  besar.  Sementara  itu,  waktu  simulasi  meningkat dengan  meningkatnya  diameter  phantom  silinder.  Penelitian  ini  juga  menunjukkan  keakuratan  metode  Monte Carlo dalam  proses simulasi dosis radiasi pada  phantom  silinder dengan  ketidakpastian  statistik 5,4%.

## Ucapan  Terimakasih
Peneliti  mengucapkan  terima  kasih  kepada  Bapak  Defrianto  Pratama  yang  telah  banyak    memberikan    saran kepada  penulis  sehingga  dapat  menyelesaikan  penelitian  ini.

## Daftar  Pustaka
Anam, C. (2017). The Evaluation of the Effective Diameter (Deff) Calculation and its Impact on the SSDE. Jurnal Atom Indonesia , 55-60.
Aprilyanti, D. D. (2016). Pengaruh Diameter Phantom dan Tebal Slice Terhadap Nilai CTDI Pada Pemeriksaan Menggunakan CT-Scan. Jurnal Fisika Unand , 6-10.
Bretonniere,  B.  (2017).  Integration  of  Geometric  Data  Recorded  During  Irradiation  Sessions  for  Post-Treatment  Dosimetry Calculation  in External Radiotherapy. Unite de Physique Medicale Journal , 234-240. Kawrakow, E. (2015). The EGSnrc Code System: Monte Carlo Simulation of Electron and Photon Transport. Ottawa: Walters Publisher.
Nakagawa, K. (2016). Effect of low-dose x-ray irradiation eggshells on radical production. Free Radical Research Journal , 679-683.
Ramdani,  R.  (2016). Perbandingan  Dosis  Serap  Berkas  Foton  16  MV  Pada  berbagai  Jenis  Phantom  Menggunakan  Metode Monte  Carlo-EGSnrc. Jurnal  Wahana  Fisika ,  129-139. Reedy, G. M. (2015). The Science Behind Radiation Therapy. Georgia: American Cancer Society. Suwarni.  (2016). Perbandingan  Dosis  Radiasi  di Udara  Terhadap  Dosis  Radiasi  di Permukaan  Phantom  Pada  Pesawat  CT- Scan. Jurnal  Fisika  Unand ,  16-21.
Yani.  (2020).  Study  of  Efficiency  in Five-Field  and  Field-by-Field  Intensity  Modulated  Radiation  Therapy  (IMRT)  Plan  Using DOSXYZnrc Monte Carlo Code. Reports of Practical Oncology and Radiotherapy , 482-435.
Yani, S. (2019). Comparison Between EGSnrc and MCNPX for X-ray Target in 6 MV Photon Beam. Journal of Physics , 23-29.