Perkembangan Teknologi Pengimejan Dalam Perubatan

Oleh : Ashrani Aizuddin Abd. Rahni

University of Surrey, UK

Ramai yang mengetahui secara umum alat pengimejan bioperubatan (biomedical imaging) dan mungkin pernah melalui prosedur yang menggunakan alat tersebut seperti imbasan Sinar-X dan juga ultrasound. Namun mungkin tak ramai yang mengetahui dengan mendalam tahap teknologi yang membolehkan alat tersebut berfungsi, manfaat yang diperolehi daripadanya serta perkembangan peralatan  sedemikian yang merupakan gabungan pelbagai disiplin bidang sains dan teknologi dalam penciptaannya. Dalam artikel ini saya akan menjelaskan secara ringkas tentang teknologi pengimejan dalam perubatan, yang lazimnya disebut sebagai radiologi. Istilah radiologi digunakan disebabkan teknologi ini melibatkan penggunaan radiasi. Walaubagaimanapun tidak  semua radiasi bersifat mengion seperti Sinar-X. Contohnya seperti radiasi ultrasound dan Magnetic Resonance Imaging (MRI) yang tidak bersifat mengion.

Diagnosis Secara Kurang Invasif

Antara manfaat umum terbesar pengimejan perubatan adalah membolehkan diagnosis dilakukan tanpa sebarang prosedur yang memerlukan pembedahan. Sebelum adanya teknologi tersebut, diagnosis hanya dapat dibuat secara tidak langsung melalui gejala atau  simptom penyakit ataupun melalui biopsi (analisis sampel daripada badan). Kadangkala situasi keadaan badan yang tidak normal hanya diketahui setelah melalui sesuatu pembedahan. Diagnosis sedemikian masih wujud dan masih digunakan, namun pengimejan bioperubatan membolehkan penyakit kronik seperti kanser diketahui lebih awal.

Sinar-X Pencetus Revolusi

Pengimejan bioperubatan moden boleh dikatakan bermula dengan penemuan Sinar-X oleh W. C. Roentgen pada tahun 1895 (Sinar-X juga dinamakan Sinar Roentgen). Sinar-X adalah gelombang elektromagnet yang mempunyai panjang gelombang antara 0.01 hingga 10 nanometer (nm) dan tenaga antara 120 voltan elektron (eV) hingga 120 (keV). Maka dari segi panjang gelombang ia berada antara Sinar Gamma yang lebih bertenaga dan Sinar Ultraungu (UV). Penemuan ini melayakkan Roentgen menerima Hadiah Nobel pertama dalam bidang fizik pada tahun 1901.

Sinar-X yang digunakan untuk tujuan pengimejan bioperubatan adalah sinar ’berkekuatan tinggi’ yang mempunyai tenaga antara 12 hingga 120 keV. Pengimejan Sinar-X lazimnya dibuat dengan satu sumber sinaran dan pengesan terdiri daripada filem foto, sintilator ataupun yang terkini diod semikonduktor. Bahagian badan yang lebih tumpat seperti tulang akan kelihatan lebih cerah kerana lebih menyerap Sinar-X sebaliknya bahagian yang kurang tumpat seperti otot, lemak dan udara akan kelihatan gelap. Proses ini juga disebut sebagai radiografi unjuran kerana imej tulang dan organ akan bertindih antara satu sama lain.

Variasi pada radiografi adalah flouroskopi di mana imej unjuran dibentuk pada pengesan yang terdiri daripada paparan flourescent. Proses ini ditemui oleh Roentgen pada 8 November 1895. Imej akan sentiasa terbentuk maka ia seolah-olah adalah suatu ‘wayang’ Sinar-X. Seterusnya Thomas Edison mencipta flouroskop pertama yang dipasarkan. Penciptaan kamera TV menggantikan paparan flourescent pada tahun 1950-an. Flouroskop terkini menggunakan kamera video berasaskan Charge Couple Device (CCD) dan membolehkan imej dimanipulasi secara digital. Flouroskopi biasanya digunakan bersama ejen kontras untuk melihat bahan tersebut dibawa di dalam badan. Prinsip sama juga digunakan di dalam angiografi di mana satu kateter (catheter) halus dimasukkan ke dalam saluran darah, bagi mengesan saluran darah menggunakan Sinar-X.

Proses pengimejan Sinar-X

Contoh imej Sinar X

Angiogram menunjukkan saluran darah di sekitar otak

Pengimejan Fungsi Badan

Pengimejan berasaskan Sinar-X hanya menghasilkan imej yang menyifatkan tubuh badan dari segi struktur. Pengesan Sinar-X memberi maklumat dos Sinar-X yang diserap oleh tisu-tisu berbeza di dalam badan. Ada kemungkinan adanya tisu yang berfungsi secara berbeza tetapi kelihatan sama dalam imej Sinar-X. Jika ada tisu yang berfungsi secara luar biasa akibat penyakit, maka adalah perbezaan ini dapat dikesan. Ini adalah tujuan utama pengimejan perubatan nuklear, iaitu untuk membentuk imej dimana tisu yang berbeza fungsi dapat dikenal pasti.

Radionuklida Buatan Pencetus Perubatan Nuklear

Perubatan nuklear melibatkan sumbangan daripada saintis dalam pelbagai bidang yang terdiri daripada pakar-pakar dalam bidang fizik, kimia, kejuruteraan dan perubatan. Bidang perubatan berasaskan teknologi nuklear boleh dikatakan bermula dengan penemuan dan hipotesis bahawa bahan seperti aluminium boleh diubah supaya ia membebaskan radiasi. Ia dinamakan radionuklida buatan (artificial radionucleid) dan penemuan ini diterbitkan oleh pasangan Frederic dan Irene Joliot-Curie pada bulan Februari 1934 dalam penerbitan jurnal terkenal iaitu Nature. Mereka mendapat inspirasi dari kajian terdahulu yang dimulakan oleh Roentgen, H. Becquerel dan ibu-bapa Irene sendiri iaitu pasangan Pierre dan Irene Curie. Becquerel dan pasangan Curie telah menerima hadiah Nobel dalam bidang fizik pada tahun 1903. Pasangan Joliot-Curie mengulangi pencapaian ibu-bapa dan mertua dengan penerimaan hadiah Nobel dalam bidang kimia pada tahun 1935 atas penemuan radionuklida buatan tersebut.

Konsep Perubatan Nuklear

Berbeza dengan pengimejan Sinar-X, di dalam perubatan nuklear, sumber radiasi adalah suatu radionuklida yang disuntikkan kedalam badan. Tisu yang aktif akan menyerap radionuklida tersebut seterusnya membebaskan Sinar Gamma. Detik-detik pembebasan Sinar Gamma ini akan dikesan dengan lebih teliti berbanding pengesan dalam mesin Sinar-X. Ini kerana jumlah sinaran yang dibebaskan pada satu-satu masa adalah jauh lebih sedikit.

Antara radionuklida yang terawal digunakan adalah iodin-131. Ia telah dipopularkan oleh sebuah rencana dalam Jurnal Persatuan Perubatan Amerika pada 7 Disember 1946 tentang rawatan metastasis kanser kelenjar tiroid pada seorang pesakit. Seterusnya technetium-99m yang ditemui pada tahun 1937 mula dipopularkan pada tahun 1960-an dan menjadi radionuklida yang paling banyak digunakan dalam perubatan nuklear sehingga hari ini. Seperti radiografi unjuran menggunakan Sinar-X, dalam pengimejan perubatan nuklear terdapat sebuah pengesan yang dipanggil kamera sintilasi/gamma. Kamera gamma tercipta pada tahun 1960-an oleh H. Anger, yang membawa kepada nama alternatifnya sebagai kamera Anger. Proses pembentukan imej ini dinamakan sebagai sintigrafi (scintigraphy). Ia juga merupakan imej unjuran, maka imej tisu-tisu yang menyerap radionuklida akan bertindih antara satu sama lain.

Sintigraf kalenjar tiroid menggunak iodin-123

Pengimejan 3 Dimensi

Radiografi dan sintigrafi seperti yang dijelaskan sebelum ini adalah merupakan pengimejan dua dimensi, di mana unjuran dibuat ke atas satu satah. Seperti yang diperkatakan, imej yang diambil akan bertindih di dalam dimensi ketiga (lazimnya daripada depan ke belakang badan). Untuk membolehkan imej badan dihasilkan dengan lebih jelas, ia perlu dibuat dalam 3 dimensi, dan ia boleh dilakukan dengan proses yang dinamakan tomografi.

Tomografi Terhitung (Computed Tomography)

Dalam Tomografi Sinar-X, pasangan sumber dan pengesan Sinar-X berputar dalam bulatan sekeliling pesakit. Melalui pemprosesan Sinar-X yang dikesan, imej badan pada satah bulatan tersebut dapat dihasilkan. Apabila satah-satah berlainan disusun, suatu imej 3 dimensi dapat dibentuk.

Pemprosesan yang diperlukan dalam tomografi telah dapat dilakukan dengan lebih mudah sejak munculnya komputer pada tahun 1960-1970 dan ini membawa kepada penamaan proses ini sebagai tomografi terhitung (computed tomography – CT). Teori asas CT telah diterbitkan oleh A. M. Cormack, seorang ahli fizik zarah pada tahun 1963 (sebenarnya asas matematik tomografi telah dibuat oleh J. Radon pada tahun 1917 tetapi hanya dikembangkan oleh Cormack pada tahun 1972). Aplikasi teori tersebut dibuat oleh G. Hounsfield, seorang jurutera. Ciptaannya membolehkan imbasan CT pertama dibuat di Hospital Atkinson Morley di London pada 1 Oktober 1971 keatas seorang pesakit yang mempunyaan ketumbuhan di otak. Hounsfield seterusnya mencipta mesin CT yang dapat mengimbas keseluruhan badan seseorang pesakit. Usahasama Cormack dan Housfield melayakkan mereka menerima hadiah Nobel dalam bidang fisiologi/perubatan pada tahun 1979. Sehingga kini, keamatan atau intensiti imej CT diukur dalam unit Hounsfield, sempena pencipta teknologi tersebut.

Pengimejan menggunakan tomografi

Imej pada satah bulatan selepas diproses

Single Photon Emmision Computed Tomography (SPECT)

Di dalam bidang perubatan nuklear, tomografi turut digunakan oleh D.E. Kuhl pada tahun 1960-an untuk membentuk imej. Dengan memutarkan sebuah pengesan (yang sama  dengan kamera gamma) dalam bulatan sekitar pesakit, imej badan pada satah bulatan tersebut dapat dibentuk dan seterusnya satah-satah berlainan disusun untuk membentuk imej 3 dimensi. Ini dinamakan Tomografi Terhitung Pembebasan Foton Tunggal (single photon emission computed tomography – SPECT).

SPECT

Positron Emmision Tomography (PET)

Pada masa yang sama, Kuhl turut menggunakan radionuklida yang membebaskan positron (anti-zarah kepada elektron). Apabila positron bertemu dengan elektron, ia akan membentuk positronium sementara dalam suatu tempoh, sebelum kedua-duanya akan saling memusnah atau membinasa antara satu sama lain. Pembinasaan ini membebaskan dua foton sinar gamma pada arah yang bertentangan antara satu sama lain. Kedua-dua foton ini akan dikesan oleh dua pengesan yang bertentangan pada bulatan sekitar pesakit. Seterusnya pemprosesan secara tomografi dibuat untuk membentuk imej. Walau bagaimanapun, disebabkan adanya dua sinar gamma dibebaskan pada arah bertentangan daripada satu-satu lokasi, penganggaran lokasi tisu yang menyerap radionuklida tersebut adalah lebih jitu berbanding dengan SPECT. Kaedah ini dinamakan Tomografi Pembebasan Positron (positron emission tomography – PET).

PET

Penutup

Rencana ringkas ini memberikan penjelasan sepintas lalu tentang perkembangan pengimejan bioperubatan merentasi jangka masa hampir seabad bermula dengan penemuan Sinar-X pada hujung abad ke-19 hingga tahun 1970-an. Dekad tersebut juga menjadi satu titik penting dalam perkembanga kaedah pengimejan moden iaitu Magnetic Resonance Imaging (MRI). Sonografi diagnostik (ultrasound) juga sudah makin meluas di pasaran pada dekat itu. Kedua-dua kaedah pengimejan ini berbeza daripada pengimejan berasaskan sinar-X dan pengimejan nuklear dimana MRI dan sonografi tidak menggunakan radiasi mengion. InsyaAllah dalam siri rencana akan datang saya akan menyelami kedua-dua kaedah pengimejan tersebut di samping perkembangan pengimejan pelbagai modaliti yang menggabungkan lebih daripada satu kaedah pengimejan bioperubatan.

Catatan :// Penulis merupakan pensyarah di Jabatan Elektrik, Elektronik dan Sistem (JKEES), Fakulti Kejuruteraan UKM yang kini sedang melanjutkan pengajian di peringkat PhD di University of Surrey, United Kingdom

credit:MajalahSains.com