9
BAB 3
BORON NEUTRON CAPTURE THERAPY (BNCT)
Boron Neutron Capture Therapy (BNCT), merupakan terapi kanker dengan
memanfaatkan reaksi penangkapan neutron termal oleh isotop boron-10 yang
kemudian menghasilkan partikel alfa dan inti litium. Isotop boron-10 tidak bersifat
radioaktif, begitu juga dengan neutron termal. Neutron yang memiliki energi
rendah ini tidak menimbulkan efek yang serius pada jaringan yang terpapar oleh
radiasinya [4]. Partikel alfa termasuk kedalam partikel bermuatan berat, radiasi
pengion LET tinggi dengan tingkat ionisasi lebih tinggi jika dibandingkan dengan
radiasi pengion lainnya. Jangkauannya yang pendek dalam jaringan
memungkinkan partikel ini untuk melepaskan energi tingginya dalam jangkauan
yang terbatas. Ketika boron tepat terakumulasi pada tumor, penyinaran sinar
neutron berenergi rendah pada tumor dapat memberikan efek radiasi sel tumor
yang mematikan tetapi efek pada jaringan sehat disekitarnya dapat dibatasi atau
bahkan tidak ada sama sekali.
Gambar 3.1. Skema proses BNCT.
10
3.1 Sejarah dan Perkembangan BNCT
Konsep Neutron Capture Therapy (NCT) diusulkan setelah penemuan neutron
oleh Chadwick tahun 1932 dan penemuan cross section penangkapan neutron
termal yang lebih tinggi untuk isotop boron-10 oleh Goldhaber tahun 1934 [4]. Dia
menemukan bahwa isotop boron-10 memiliki daya tangkap yang tinggi terhadap
neutron termal. Isotop boron-10 menjadi tidak stabil segera setelah menangkap
neutron termal dan dalam waktu yang singkat menghasilkan partikel alfa dan inti
litium pada arah yang saling tegak lurus. Dan tahun 1936 untuk pertama kalinya
diusulkan prinsip BNCT oleh Golden Locher [4]. Dia mempostulatkan bahwa
ketika boron dapat terkonsentrasi dengan benar pada tumor, kemudian dilakukan
penyinaran pada target volume dengan menggunakan radiasi sumber neutron maka
akan dihasilkan dosis radiasi yang tinggi pada tumor dibandingkan pada jaringan
normal.
Periode pertama pengujian BNCT secara klinik pada manusia dilakukan tahun
1950-an di Brookhaven National Laboratory (BNL), dengan kasus tumor ganas
dan tahun 1960-an di Laboratorium nuklir MIT [5]. Pada periode ini pengujian
menunjukkan hasil yang mengecewakan. Hal ini disebabkan karena kurangnya
pengetahuan tentang karakteristik biodistribusi senyawa boron yang digunakan.
Senyawa boron yang digunakan tidak bisa terakumulasi dengan baik pada tumor.
Sehingga ditemukan banyak boron dalam darah yang mengakibatkan kerusakan
pembuluh darah pada otak dan kulit. Selain itu, kurang baiknya penetrasi sinar
neutron termal dalam jaringan juga menjadi faktor kegagalan tersebut. Neutron
termal mengalami atenuasi secara eksponensial pada jaringan, sehingga sulit untuk
mengantarkan paparan yang cukup pada tumor yang terletak jauh didalam kepala.
Oleh sebab itu tahun 1961 BNCT dihentikan di US.
Sekitar tahun 1970 pengujian klinik dilanjutkan kembali di Jepang dengan hasil
yang cukup memuaskan. Pasien tumor otak yang mendapatkan terapi BNC
memiliki masa hidup lebih lama [5]. Sementara itu, dalam periode ini di US masih
terus dilakukan riset mendasar tentang BNCT. Penelitian difokuskan pada
11
penemuan senyawa boron yang lebih tepat dan pengembangan sumber neutron
yang berenergi lebih tinggi dengan meningkatkan karakteristik penetrasi pada
jaringan serta pengembangan treatment planning yang tepat. Dua senyawa boron,
asam amino boronopenilalanin (BPA) dan sulfidril borane (Na2B12H11SH atau
BSH), telah diuji dan menunjukkan akumulasi yang lebih tinggi pada tumor otak
dibandingkan dengan jaringan normal disekitarnya, terutama pada tumor
melanoma dan intracranial melanoma metastatis, dan kedua senyawa ini telah
digunakan untuk pengujian klinik BNCT.
3.2 Prosedur BNCT
Proses BNCT secara garis besar dibagi menjadi dua bagian, treatment planning
dan terapi. Prosedur terapi BNCT berlangsung selama 5 sampai 7 hari [6]. BNCT
diawali dengan proses treatment planning pada hari pertama dan kedua, yang
meliputi beberapa proses kegiatan, yaitu penetapan dokter, pengurusan perizinan
untuk dilakukannya BNCT, serangkaian tes lab umum, serta evaluasi ukuran dan
lokasi tumor dengan bantuan MRI, CT scan, dan PET. Hari ketiga sampai hari
ketujuh merupakan hari pelaksanaan terapi. Sebelum dilakukan penyinaran, boron
dalam bentuk senyawa BPA dimasukkan ke dalam tubuh dengan cara infus.
Selama penginfusan, dilakukan pengambilan sampel darah, tujuannya adalah untuk
mengetahui perubahan konsentrasi boron dalam darah. Hal ini termasuk bagian
penting dalam proses BNCT, karena boron akan sampai ke tumor melalui sistem
sirkulasi darah (dengan proses difusi dari darah ke tumor). Menurut hasil
penelitian, perbandingan konsentrasi boron dalam tumor/darah adalah sekitar 3,5-
3/1 [7]. Dengan mengetahui konsentrasi boron dalam darah telah mewakilkan
konsentrasi boron dalam tumor. Ketika konsentrasi dalam darah mencapai
maksimum dilakukan penyinaran neutron termal. Proses terapi diakhiri dengan
evaluasi secara intensif pasien selama 2 – 3 hari.
12
3.3 Reaksi Fisi pada Boron Neutron Capture Therapy
Dalam setiap reaksi penangkapan neutron oleh boron, energi yang dihasilkan
sekitar 2.34 MeV. 64% energi diberikan oleh partikel alfa dan sekitar 36% energi
dibawa oleh inti litium. Terdapat 2 jalan reaksi pada penangkapan neutron termal
oleh boron. Pertama, reaksi yang menghasilkan Li dalam keadaan stabil. Pada
jalan reaksi ini, dihasilkan energi sebesar 2.792 MeV (6.308%). Reaksi kedua
menghasilkan Li dalam keadaan tereksitasi terlebih dahulu sebelum mencapai
keadaan stabil dan mengemisikan sinar gamma 478 keV dengan energi reaksi
sebesar 2.314 MeV [8]. Skema reaksi fisi yang terjadi dapat dilihat pada Gambar
3.2. Berdasarkan perbandingan reaksi yang terjadi, energi rata-rata dan panjang
jangkauan partikel alfa dan litium dapat dilihat dalam Tabel 3.1.
Gambar 3.2. Reaksi fisi inti pada BNCT.
Tabel 3.1. Energi dan panjang jangkauan partikel alfa dan litium reaksi BNC [8].
Partikel Energi (MeV) Jangkauan di air (µm)
Alfa 1.492 8.96
7Li 0.852 4.81
13
3.4 Prinsip dalam Perhitungan Dosis
Sebelumnya telah dilakukan perhitungan dosis serap pada reaksi 10
B(n,α)7Li yang
mengangkat masalah geometri. Namun metode itu tidak cocok untuk 10
B(n,α)7Li,
karena berdasarkan data partikel alfa hasil peluruhan radium atau thorium yang
memliki jangkauan relatif panjang. Dalam perhitungan ini digunakan data LET
dari alfa dan lithium dengan menggunakan data stopping power pada air. Dan
dalam perhitungan tersebut partikel litium juga dilibatkan sebagai pembawa energi
pada materi.
Di dalam perhitungan dosis digunakan asumsi-asumsi sebagai berikut (Gambar
3.3):
a. Partikel alfa dan inti litium bergerak dalam garis lurus
b. Range energi yang sama bisa dipakai untuk 2 keadaan, medium yang
mengandung boron dan medium yang bebas boron
c. LET (Linear energy transfer), yaitu energi yang ditransferkan partikel
bermuatan per unit panjang selama partikel bermuatan bergerak,
merupakan fungsi jangkauan dari partikel bermuatan dan digunakan data
range energi dalam air
d. Range energi terkait diekstrapolasi, dititik energi bernilai nol, berhubungan
dengan jangkauan nol.
e. Atom 10
B terdistribusi secara uniform dalam medium yang mengandung
boron
f. Pada perhitungan ini, energi yang diemisikan oleh partikel alfa tidak
dimasukkan kedalam perhitungan.
Energi yang disampaikan oleh partikel bermuatan dititik P yang berjarak r dari
daerah K, tempat dihasilkan partikel (lihat gambar 3.3) adalah [8]
14
dimana merupakan LET partikel bermuatan melewati P,
r jarak antara P dan titik partikel bermuatan dihasilkan,
R0 jangkauan partikel bermuatan dengan energi awal E0
N jumlah reaksi yang terjadi per unit volume dalam daerak K,
K‘ daerah K yang terpotong oleh R0 dengan pusat P
Karena litium dan patikel alfa teremisi secara isotropik dan dalam arah yang
berlawanan, energi yang terserap pada titik P menjadi
dimana α dan L berhubungan dengan partikel alfa dan inti litium.
Gambar 3.3. Skema perhitungan energi.
Jumlah reaksi yang terjadi per unit volume (N), bergantung pada konsentrasi 10
B,
cross section penangkapan neutron, fluks neutron termal, dan waktu penyinaran
neutron.
Ada boron
Daerah bebas boron
15
Nilai LET untuk masing partikel alfa dan litium telah dihitung secara teoritis dan
pengukuran oleh Northcliffe dan Schilling [9] serta oleh Michael A Davis dan
John B Little [10] (lampiran 1).
Karena jangkauan partikel alfa lebih panjang dari jangkauan inti litium (tabel 3.1),
dan dengan mengambil acuan jangkuan partikel alfa, persamaan (3.2) dapat
dituliskan
Persamaan di atas menunjukkan bahwa energi yang disampaikan dari reaksi dapat
diasumsikan sebagai “partikel tunggal“ dengan LET yang “terkombinasi“ (fα + fL)
[8]. Pendekatan ini telah dihitung oleh Kensuke Kitao. Dari data LET alfa dan LET
litium untuk nilai tengah jarak, dibuat suatu pendekatan linear
fα + fL = A(Rc – r) (3.4)
dengan menggunakan least-square fitting, diperoleh konstanta A dan Rc (A =
0.0592 MeV µm-2
dan Rc = 8.9 µm) (lampiran 2).
Substitusikan Persamaan (3.4) ke Persamaan (3.3) sehingga diperoleh
Dengan mengintegrasi nilai LET dari 0 sampai Rc diperoleh energi E0
16
E0 merupakan energi yang dihasilkan oleh setiap reaksi yang berhubungan dengan
energi transfer linear partikel terkombinasi dengan jangkauan partikel Rc. sehingga
persamaan (3.5) dapat ditulis dalam E0 dengan bentuk yang lebih sederhana
Ep = NE0G(K‘‘) (3.6)
di mana
G(K“) disebut juga dengan faktor geometri, didefinisikan sebagai rasio energi
terserap dalam volume pada titik K“ terhadap energi yang dihasilkan pada titik K.
Daerah K“ (batas integrasi), merupakan daerah K yang terpotong oleh Rc dengan
pusat P.
Dengan menggunakan koordinat polar , Persamaan (3.7) dapat ditulis
a
Jika sistem simetri aksial, maka persamaan di atas dapat ditulis
3.5 Perhitungan Numerik Faktor Geometri
Perhitungan numerik untuk faktor geometri dapat dipecahkan dalam 3 bentuk
permukaan geometri, faktor geometri permukaan datar, permukaan bola, dan
permukaan silinder.
3.5.1 Faktor geometri Gpl untuk permukaan datar.
17
Jika daerah yang mengandung boron berbentuk semi tak hingga atau irisan tak
hingga dengan kedalaman tertentu, sistem dapat dianggap simetri aksial. Untuk
memperoleh faktor geometri G(K“) = Gpl(d,Rc) dosis serap pada titik dengan jarak
d dari permukaan datar diantara daerah yang bebas boron (berada pada x < -T dan
x > T) dan yang mengandung boron (berada pada –T ≤ x ≤ T), dengan titik P
berada pada daerah yang bebas boron, faktor geometri Gpl(d,Rc) dapat diperoleh
mengikuti :
Untuk Rc ≤ 2T
Batas integrasi untuk r, dari r1 = -d/cosθ sampai r2 = Rc dan untuk θ dari θ1 = π-
arccos(d/Rc) sampai θ2 = π
Dengan mengintegrasikan persamaan (3.10) pada r dan θ maka diperoleh
dimana
Untuk jika
Untuk jika
18
Nilai faktor geometri untuk menghitung dosis serap dalam daerah yang
mengandung boron dan dalam daerah yang bebas boron pada permukaan datar
dapat dilihat pada Tabel 3.2 dan 3.3.
Tabel 3.2. Faktor geometri permukaan datar untuk daerah bebas boron [8].
Tabel 3.3. Faktor geometri permukaan datar untuk daerah yang mengandung boron [8].
2T/Rc d/Rc
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Faktor geometri daerah bebas boron
0.1 0.2353 0.1066 0.0643 0.0403 0.0251 0.0149 0.0082 0.0038 0.0013 0.0002 0
0.2 0.3419 0.1709 0.1046 0.0654 0.04 0.0231 0.011 0.0051 0.0015 0.0002 0
0.3 0.4062 0.2112 0.1297 0.0703 0.0482 0.0269 0.0133 0.0053 0.0015 0.0002 0
0.5 0.4716 0.2512 0.1528 0.0923 0.0533 0.0284 0.0135 0.0053 0.0015 0.0002 0
0.7 0.4947 0.2632 0.1579 0.0938 0.0535 0.0284 0.0135 0.0053 0.0015 0.0002 0
1 0.5 0.2647 0.1581 0.0938 0.0535 0.0284 0.0135 0.0053 0.0015 0.0002 0
2T/Rc d/Rc
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Faktor geometri daerah yang mengandung boron
0.1 0.2535
0.2 0.3419 0.4706
0.3 0.4062 0.5794
0.5 0.4716 0.6818 0.7484
0.7 0.4947 0.7218 0.8135 0.8527
1 0.5 0.7351 0.8404 0.9009 0.933 0.9432
1.2 0.5 0.7353 0.8419 0.906 0.945 0.9663 0.973
1.4 0.5 0.7353 0.8419 0.9062 0.9465 0.9714 0.985 0.9894
1.7 0.5 0.7353 0.8419 0.9062 0.9465 0.9716 0.9865 0.9947 0.9983
2 0.5 0.7353 0.8419 0.9062 0.9465 0.9716 0.9865 0.9947 0.9995 0.9998 1
19
3.5.2 Faktor geometri Gsp for permukaan bola
Faktor geometri untuk menghitung energi serap pada titik P yang berjarak d dari
permukaan bola dengan jari-jari r0 dengan Persamaan (3.9) adalah,
jika dan
jika dan
di mana,
dengan
20
Nilai faktor geometri untuk menghitung dosis serap dalam daerah yang
mengandung boron dan dalam daerah yang bebas boron pada permukaan bola
dapat dilihat pada Tabel 3.4 dan 3.5.
Tabel 3.4. Faktor geometri permukaan bola untuk daerah yang mengandung boron [8].
r0/Rc d/Rc
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Faktor geometri untuk daerah yang mengandung boron
0.3 0.24 0.4245 0.4906 0.51
0.5 0.3333 0.5505 0.6497 0.7081 0.7399 0.75
1 0.4167 0.6531 0.7688 0.8455 0.8987 0.9365 0.963 0.981 0.9922 0.9982 1
3 0.4722 0.7097 0.821 0.8904 0.9355 0.9646 0.9826 0.9929 0.9979 0.9997 1
5 0.4833 0.7202 0.8297 0.8971 0.9403 0.9677 0.9844 0.9937 0.9982 0.9998 1
10 0.4917 0.7278 0.8359 0.9018 0.9435 0.9697 0.9855 0.9942 0.9984 0.9998 1
30 0.4972 0.7328 0.8399 0.9048 0.9455 0.971 0.9862 0.9945 0.9985 0.9998 1
50 0.4983 0.7338 0.8407 0.9053 0.9459 0.9712 0.9863 0.9946 0.9985 0.9998 1
100 0.4992 0.7345 0.8413 0.9058 0.9462 0.9714 0.9864 0.9946 0.9985 0.9998 1
Tabel 3.5. Faktor geometri permukaan bola untuk daerah bebas boron [8].
r0/Rc d/Rc
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Faktor geometri untuk daerah bebas boron yang dikelilingi boron
0.3 0.76 0.5754 0.5094 0.49
0.5 0.6667 0.4495 0.3503 0.2918 0.2601 0.25
1 0.5833 0.3469 0.2312 0.1547 0.1013 0.0635 0.037 0.019 0.0078 0.0018 0
3 0.5278 0.2903 0.179 0.1096 0.0645 0.0354 0.0174 0.0071 0.0021 0.0003 0
5 0.5167 0.2798 0.1703 0.1029 0.0597 0.0323 0.0156 0.0063 0.0018 0.0002 0
10 0.5083 0.2722 0.1641 0.0982 0.0565 0.0303 0.0145 0.0058 0.0016 0.0002 0
30 0.5028 0.2672 0.1601 0.0952 0.0545 0.029 0.0138 0.0055 0.0015 0.0002 0
50 0.5017 0.2662 0.1593 0.0947 0.0541 0.0288 0.0137 0.0054 0.0015 0.0002 0
100 0.5008 0.2655 0.1587 0.0942 0.0538 0.0286 0.0136 0.0054 0.0015 0.0002 0
21
3.5.3 Faktor geometri Gcy untuk permukaan silinder
Faktor geometri untuk menghitung energi serap pada sebuah titik dalam daerah
bebas boron yang dikelilingi oleh daerah yang mengandung boron dengan bentuk
silinder panjang tak hingga yang memiliki jari-jari µ, dengan jarak d dari
permukaan tersebut dapat digunakan persamaan (3.9), dengan batas integrasi
bergantung pada jari-jari silinder µ, dan jangkauan partikel bermuatan Rc[6].
jika dan , akan diperoleh
di mana
,
dan
dengan
dan
Nilai faktor geometri untuk menghitung dosis serap dalam daerah yang
mengandung boron dan dalam daerah yang bebas boron pada permukaan silinder
dapat dilihat pada Tabel 3.6 dan 3.7.
22
Tabel 3.6. Faktor geometri permukaan silinder untuk daerah bebas boron [8].
µ/Rc d/Rc
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Faktor geometri untuk daerah bebas boron
0.3 0.3403 0.1527 0.0853 0.0489 0.0273 0.0143 0.0067 0.0026 0.0007 0.0001 0
0.5 0.4127 0.1978 0.1114 0.0632 0.0348 0.018 0.0083 0.0032 0.0009 0.0001 0
1 0.4579 0.23 0.1321 0.0762 0.0423 0.022 0.0102 0.004 0.0011 0.0001 0
3 0.4862 0.2527 0.1488 0.0872 0.0491 0.0258 0.0121 0.0047 0.0013 0.0002 0
5 0.4912 0.2574 0.1524 0.0897 0.0508 0.0268 0.0126 0.005 0.0014 0.0002 0
10 0.4962 0.2611 0.1552 0.0917 0.0521 0.0276 0.0131 0.0051 0.0014 0.0002 0
30 0.5 0.2635 0.1571 0.0931 0.053 0.0281 0.0135 0.0053 0.0015 0.0002 0
50 0.5 0.294 0.1575 0.0934 0.0532 0.0282 0.0135 0.0053 0.0015 0.0002 0
100 0.5 0.2644 0.1578 0.0936 0.0533 0.0283 0.0135 0.0053 0.0015 0.0002 0
Tabel 3.7. Faktor geometri permukaan silinder untuk daerah mengandung boron [8].
µ/Rc d/Rc
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Faktor geometri untuk daerah yang mengandung boron
0.3 0.3403 0.5418 0.5865 0.6371
0.5 0.4127 0.6415 0.7464 0.808 0.8413 0.8519
1 0.457 0.6948 0.8096 0.878 0.9252 0.9681 0.9772 0.9897 0.9965 0.9994 1
3 0.4862 0.7226 0.8316 0.8985 0.9412 0.9682 0.9846 0.9938 0.9983 0.9998 1
5 0.4914 0.7277 0.8359 0.9017 0.9435 0.9697 0.9855 0.9942 0.9984 0.9998 1
10 0.4962 0.7315 0.8389 0.904 0.945 0.9707 0.986 0.9945 0.9984 0.9998 1
30 0.5 0.734 0.8409 0.9055 0.946 0.9713 0.9863 0.9946 0.9985 0.9998 1
50 0.5 0.7345 0.8413 0.9058 0.9462 0.9714 0.9864 0.9946 0.9985 0.9998 1
100 0.5 0.7349 0.8416 0.906 0.9464 0.9715 0.9864 0.9946 0.9985 0.9998 1
Top Related