QUENCH: Apakah helium pada modalitas MRI berbahaya?

Saat ini banyak penggunaan MRI (Magnetic Resonance Imaging) secara luas digunakan untuk kepentingan klinis, hal tersebut membuat pertimbangan keamanan penggunaan MRI menjadi sangat penting untuk dilakukan.

Sebagian besar modalitas MRI untuk kepentingan klinis yang dipasang di seluruh dunia menggunakan prinsip superkonduktor, yaitu penggunaan helium cair pada temperatur 4.2 K atau setara dengan -268.9° C yang digunakan sebagai cairan kriogenik untuk menjaga agar koil medan magnet statis (B₀) tetap dalam kondisi konduktifitas yang sangat tinggi (super-conductive).

Penting bagi pekerja radiasi seperti radiografer dan dokter spesialis radiologi serta dokter pengirim untuk dapat mengevaluasi keamanan penggunaan modalitas MRI serta kompatibilitas perangkat medis dan implan pada pasien yang digunakan.

Hal ini dikarenakan profesi tersebut menjadi profesional perawatan kesehatan pertama yang akan berhubungan langsung dengan pasien tentang pemeriksaan MRI, potensi risiko dan keamanan dari modalitas MRI yang digunakan.

Apa itu helium?

Istilah helium berasal dari bahasa Yunani: ἥλιος, romanized: Helios, atau ‘Matahari’. Helium adalah unsur kimia dengan simbol He dengan nomor atom 2. Helium adalah gas monatomik yang tidak berwarna, tidak berbau, tidak berasa, tidak beracun, inert, gas monoatomik, dan merupakan unsur pertama dalam golongan gas mulia dalam tabel periodik.

Helium memiliki titik didih yang paling rendah di antara semua unsur. Helium adalah unsur kedua yang paling ringan dan paling banyak urutan kedua di alam semesta yang dapat diamati.

Jumlahnya yang melimpah berada di Matahari dan planet Jupiter. Hal ini disebabkan oleh energi ikat inti (per nukleon) helium-4 yang sangat tinggi, sehubungan dengan tiga unsur berikutnya setelah helium.

Energi ikat helium-4 ini juga menjelaskan mengapa helium-4 merupakan produk dari proses fusi nuklir dan peluruhan radioaktif. Kebanyakan helium di alam semesta adalah helium-4, yang sebagian besar terbentuk selama proses Big Bang. Sejumlah besar helium diproduksi oleh fusi nuklir hidrogen di bintang.

Bagaimana helium diproduksi?

Meskipun helium adalah unsur paling melimpah kedua di alam semesta, di Bumi persediaan helium relatif sedikit. Helium (⁴He) secara alami diproduksi oleh peluruhan radioaktif (emisi partikel α) uranium atau thorium yang ada di kerak Bumi.

Namun, proses tersebut sangat lambat jadi secara efektif pasokan helium di Bumi terbatas (dan tidak tergantikan). Helium yang bersifat gas keluar melalui kerak Bumi dan terlepas ke atmosfer dengan cara diikat oleh gas alam dalam volume konsentrasi sebesar 7%. Terdapat pula helium yang tetap berada didalam Bumi karena terperangkap dibawah batuan yang tidak dapat ditembus.

Helium biasanya diambil sebagai produk sampingan dari produksi gas alam. Pasokan helium dunia berasal dari beberapa pertambangan gas alam dimana helium di ekstraksi dengan proses pemisahan suhu rendah yang disebut distilasi fraksional atau bisa disebut dengan proses pemurnian seperti yang terjadi di Amerika Serikat, Aljazair, Qatar, Rusia, dan Australia.

Kegunaan helium?

Helium sebagai gas mulia kriogenik dan inert telah banyak digunakan dalam industri, laboratorium penelitian, eksplorasi militer dan luar angkasa serta pada dunia kesehatan yaitu pada modalitas MRI.

Dalam dunia industri, helium digunakan dalam produksi semikonduktor, arc welding, deteksi kebocoran dalam sistem high-vaccum, dan banyak bidang lainnya.

Di laboratorium penelitian, termasuk penelitian militer dan luar angkasa, helium digunakan di beberapa jenis reaktor nuklir, bahan bakar roket, teleskop surya, detektor partikel subatomik, pembersihan mesin roket, dan aplikasi lainnya. Selain itu, isotop helium-3 digunakan dalam detektor neutron untuk mendeteksi penyelundupan bahan nuklir di pos keamanan perbatasan.

Bagi masyarakat umum, penggunaan helium yang paling umum adalah pada balon udara dan balon pesta.

Dalam aplikasi medis, helium memainkan peran yang sangat penting karena MRI berkualitas tinggi membutuhkan medan magnet yang kuat, stabil dan homogen. Kondisi tersebut dapat dengan mudah dicapai hanya dengan melalui penggunaan magnet superkonduktor.

Meskipun bahan superkonduktor “suhu tinggi” telah dikembangkan, bahan tersebut biasanya tidak memiliki kapasitas pembawa arus yang cukup untuk menghasilkan kekuatan medan yang dibutuhkan untuk modalitas MRI.

Karena saat ini tidak ada alternatif yang dapat secara efisien membuat magnet superkonduktor untuk MRI, permintaan helium menjadi tinggi dan terus meningkat.

Bahaya helium bagi tubuh?

Helium cair dan nitrogen cair merupakan kriogen yang paling umum digunakan pada modalitas MRI. Sifat fisik cairan kriogenik ini memiliki potensi bahaya keamanan yang signifikan. Jika terkena udara ruangan, cairan kriogenik ini akan dengan cepat mendidih dan menguap menjadi gas. Hal ini menghasilkan beberapa potensi masalah keamanan sebagai berikut:

Apa yang dimaksud dengan quench?

Hilangnya super-konduktivitas koil secara secara tiba-tiba disebut dengan quench, dimana kenaikan suhu koil mengakibatkan penguapan cepat bahan helium cair dan mengakibatkan peluruhan cepat medan magnet statis B₀. Perubahan helium sedemikian rupa sehingga setiap 1 liter helium cair diubah menjadi 757 liter gas helium.

Oleh karena itu, karena modalitas MRI untuk kepentingan klinis pada umumnya dapat menyimpan antara 1500 dan 2000 liter helium cair, sistem modalitas MRI dirancang dengan sistem pipa pembuangan yang dapat melepaskan cairan kriogenik yang memiliki suhu rendah dan bertekanan tinggi dengan aman ke luar bangunan rumah sakit.

Dampak quench terhadap tubuh?

Penghentian medan magnet modalitas MRI yang digunakan untuk kepentingan klinis yang dilakukan baik secara manual selama keadaan darurat atau secara spontan karena kecelakaan atau kegagalan sistem, dapat menimbulkan risiko kesehatan bagi pasien yang berada didalam modalitas MRI.

Risiko yang dapat ditimbulkan adalah resiko quench yang berkaitan dengan turunnya kuat medan magnet statis (B₀) yang mungkin dialami pasien jika berada didalam bore magnet selama proses quench (B₀ melemah ke tingkat medan magnet Bumi).

Selama akuisisi MRI, risiko stimulasi tersebut diakomodir oleh fluktuasi gradien medan magnet yang digunakan untuk pengkodean spasial (spatial encoding).

Telah terbukti bahwa gradien medan magnet memang dapat merangsang saraf perifer dan melampaui ambang batas. Gradien medan magnet ini dapat menyebabkan ketidaknyamanan, nyeri, dan bahkan dapat menstimulasi jantung.

Dampak lain quench?

Quench terjadi ketika sebagian dari koil superkonduktor dipanaskan diatas ambang dan berhenti menjadi superkonduktor. Hal ini menyebabkan peningkatan suhu secara tiba-tiba diseluruh koil utama, yang menyebabkan peningkatan hambatan listrik dengan cepat.

Ruang pemeriksaan MRI umumnya dilengkapi dengan pipa pembuangan yang dirancang sebagai jalur keluarnya cairan helium dengan aman keluar dari gedung. Namun, terdapat kemungkinan terjadi pelepasan energi besar yang tidak stabil sehingga pipa yang digunakan sebagai jalur keluarnya helium menjadi rusak.

Volume besar gas helium yang tiba-tiba dapat bertindak sebagai bahan yang menyebabkan afiksia dan menghasilkan kabut yang tercipta dari gas bersuhu rendah dapat memperburuk jarak pandang. Jika desain bukaan pintu ruang pemeriksaan MRI didesain ke arah dalam dan sedang dalam kondisi tertutup, peningkatan tekanan didalam ruangan yang tiba-tiba juga dapat mencegah pintu terbuka.

Pintu ruang pemeriksaan MRI dirancang sebagai pelindung radiofrekuensi yang umumnya tebal dan berat. Hal ini juga dapat menjadi bahaya jika terbuka atau tertutup secara tiba-tiba karena ada perubahan tekanan udara pada ruang pemeriksaan MRI.

Antisipasi jika terjadi quench?

International Electrotechnical Commission (IEC), dalam standar internasional untuk keselamatan dasar dan kinerja peralatan resonansi magnetik (IEC 2015), memperkenalkan tiga tingkat kerja gradien magnetis MRI yang berbeda.

Menjaga keamanan ruang magnet kriogen

Untuk sebagian besar sistem MRI jika terjadi quench, gas kriogenik yang keluar akan disalurkan ke luar gedung ke area pembuangan yang bebas dari kegiatan manusia.

Namun, telah pernah terjadi kegagalan pipa ventilasi atau pipa pembuangan kriogenik yang menyebabkan sejumlah besar gas kriogenik secara tidak sengaja keluar ke ruang pemeriksaan MRI (Zona IV).

Ekspansi termal dari kriogen, jika dilepaskan ke dalam ruang pemeriksaan MRI secara positif dapat memberi tekanan pada ruang pemeriksaan dan menjebak siapa pun didalamnya sampai tekanan tersebut kembali normal.

Desain dan konstruksi rangkaian sistem MRI yang direkomendasikan berikut ini dapat mengurangi risiko pasien dan staf jika terjadi quench dan jalur ventilasi kriogenik (pipa pembuangan) pecah atau bocor ke Zona IV:

Beberapa ruang pemeriksaan MRI dibangun tanpa jendela observasi ke wilayah Zona IV. Pada desain ruang pemeriksaan MRI ini memiliki potensi risiko jebakan tekanan positif yang bahkan lebih besar dan mungkin memerlukan perhatian khusus.

Dalam situasi terjadi tekanan positif yang parah didalam ruang pemeriksaan MRI, membuka kunci pintu dengan desain bukaan pintu ke luar dapat menyebabkan pintu terbuka dengan tekanan yang luar biasa besar dan dapat berpotensi melukai orang yang membuka pintu.

Jika digunakan sebagai satu-satunya alat untuk mengembalikan tekanan ke kondisi normal, pintu dengan desain bukaan ke luar sebenarnya dapat menimbulkan bahaya baru bagi setiap orang yang mencoba membuka pintu ke ruang pemeriksaan MRI bertekanan tinggi dari luar.

Demikian pula, meskipun telah terbukti efektif dalam situasi yang mengancam jiwa, mendobrak jendela kontrol tidak dianjurkan sebagai cara utama untuk mengembalikan tekanan Zona IV agar kembali normal pada saat terjadinya quench.

Tindakan jika terjadi quench?

Mematikan medan magnet secara paksa dengan quench tidak disarankan menjadi pilihan utama untuk keadaan darurat seperti serangan jantung atau masalah pernapasan atau keadaan darurat medis lainnya.

Proses quench secara teoritis dapat berbahaya, idealnya seseorang harus mengosongkan ruang pemeriksaan sebelum melakukan quench.

Sebaiknya mengutamakan untuk melakukan tindakan BLS (Basic Life Support) sambil memindahkan pasien dari Zona IV ke lokasi dimana kekuatan medan magnet tidak cukup untuk menjadi perhatian medis. Pembatasan akses Zona III dan IV harus dipertahankan selama resusitasi dan situasi darurat lainnya.

Jika terjadi quench, semua personel dan pasien harus dievakuasi dari ruang pemeriksaan MRI secepat mungkin dan akses lokasi segera dibatasi untuk semua individu hingga datang teknisi yang memiliki kompetensi dibidang tersebut.

Hal ini terutama terjadi jika gas kriogenik terlihat keluar ke dalam ruang pemeriksaan. Masuknya cairan kriogenik dibuktikan dengan munculnya “awan” atau “kabut” putih secara tiba-tiba disekitar atau diatas modalitas MRI.

Sangat penting untuk memastikan bahwa semua pihak berwenang seperti polisi dan petugas pemadam kebakaran dilarang untuk memasuki ruang pemeriksaan MRI dengan peralatan yang mereka bawa seperti kapak, tangki udara, senjata dan lain – lain sampai dapat memastikan bahwa medan magnet telah berhasil dihilangkan. Karena mungkin masih ada medan magnet statis yang cukup meskipun telah terjadi quench.

Sumber:

1. Medicines and Healthcare Products Regulatory Agency 2015 Safety Guidelines for Magnetic Resonance Imaging Equipment in Clinical Use. Diakses pada 20 Januari 2021.
2. Department of Veterans Affairs 2008 VA Design Guide: Magnetic Resonance Imaging (MRI). Diakses pada 20 Januari 2021.
3. Hipp E, Sammet S, Straus C. MR Safety Standards for Medical Students Nationwide. Proceedings of the 19th Annual Meeting of ISMRM; Melbourne, Australia. 2012. P.
4. Meija, Juris; et al. (2016). “Atomic Weights of The Elements 2013 (IUPAC Technical Report)”. Pure and Applied Chemistry. 88 (3): 265–91.
5. Shuen-Chen Hwang, Robert D. Lein, Daniel A. Morgan (2005). “Noble Gases”. Kirk Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. Wiley. pp. 343–383.
6. Magnetic Susceptibility of The Elements and Inorganic Compounds, In Handbook of Chemistry and Physics 81st Edition, CRC press.
7. Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. pp. E110. ISBN 0-8493-0464-4.
8. Grochala, Wojciech (1 November 2017). “On the Position of Helium and Neon in The Periodic Table of Elements”. Foundations of Chemistry. 20 (2018): 191–207.
9. Bent Weberg, Libby (18 January 2019). “”The” Periodic Table”. Chemical & Engineering News. 97 (3). Diakses 20 Januari 2021.
10. Grandinetti, Felice (23 April 2013). “Neon Behind the Signs”. Nature Chemistry. 5 (2013): 438. Bibcode:2013NatCh…5..438G.
11. Kurushkin, Mikhail (2020). “Helium’s Placement in The Periodic Table from A Crystal Structure Viewpoint”. IUCrJ. 7 (4): 577–578.
12. Labarca, Martín; Srivaths, Akash (2016). “On the Placement of Hydrogen and Helium in the Periodic System: A New Approach”. Bulgarian Journal of Science Education. 25 (4): 514–530.
13. Lewars, Errol G. (5 December 2008). Modeling Marvels: Computational Anticipation of Novel Molecules. Springer Science & Business Media. pp. 69–71.
14. Connor, Steve (23 August 2010). “Why the World Is Running Out of Helium”. The Independent. London.
15. Siegel, Ethan (12 December 2012). “Why the World Will Run Out of Helium”. Starts with a Bang. Scienceblogs.com.
16. Szondy, David (24 August 2015). “We may not be running out of helium after all”. www.gizmag.com.
17. Sample, Ian (28 June 2016). “Huge helium gas find in east Africa averts medical shortage”. The Guardian.
18. Briggs H. Helium discovery a “game-changer”. Diakses 20 Januari 2021.
19. Mahesh, Mahadevappa, Peter B. Barker. 2016. The MRI Helium Crisis: Past and Future. Journal of the American College of Radiology. VOLUME 13, ISSUE 12, P1536-1537.
20. Rose, Melinda (October 2008). “Helium: Up, Up and Away?”. Photonics Spectra.
21. Kanal, Emanuel et all. 2013. ACR Guidance Document on MR safe Practices: 2013.
22. Wilks, J. 1967. The Properties of Liquid and Solid Helium (Oxford: Clarendon).
23. Reilly, J. P. 1989. Peripheral Nerve Stimulation by Induced Electric Currents: Exposure to Time-Varying Magnetic fields. Medical and Biological Engineering and Computing 27 101–10.
24. Egerter, D. E. 1990. MR Nerve Stimulation: new safety concern? Diagnostic Imaging 12 127–31 PMID: 10149364.
25. Kanal, E., Shellock F. G. and Talagala L. 1990. Safety Considerations in MR imaging Radiology. 176 593–606.
26. Ham, C. L. G, Engels J. M. L, Van de Wiel G. T. and Machielsen A. 1997. Peripheral Nerve Stimulation During MRI: Effects of High Gradient Amplitudes and Switching Rates. Journal of Magnetic Resonance Imaging 7 933–7.
27. Tsai, Leo L. 2015. A Practical Guide to MR Imaging Safety: What Radiologists Need to Know. RadioGraphics. Vol. 35, No. 6.
28. IEC 2015 IEC 60601-2-33:2010+AMD1:2013+AMD2:2015 CSV: Medical Electrical Equipment—Part 2–33: Particular Requirements for The Basic Safety and Essential Performance of Magnetic Resonance Equipment for Medical Diagnosis.
29. IEC 60601–2‐33, Ed. 2.0 Medical Electrical Equipment‐Part 2: Particular Requirements for The Safety of Magnetic Resonance Equipment for Medical Diagnosis. Geneva, Switzerland: International Electrotechnical Commission (IEC); 2002.