Anwendung von Röntgenstrahlung in der medizinischen Diagnostik incl. der experimentellen Bestimmung der Halbwertsdicke eines Materials

Inhaltsverzeichnis

1) Einleitung

- Entdeckung Röntgens

- Eigenschaften der Röntgenstrahlung

2) Röntgenapparatur

- Rö ntgenröhre

- Streustrahlenraster · Röntgenfilm

- dig. Bildverstärkerradiographie

3) Aufnahmeplätze

- Einstellungsmöglichkeiten

4) Computertomograph

- Gantry, Detektoren · Datenverarbeitung · Möglichkeiten

5) Strahlenschutz

- Strahlenschäden

- Dosisbegriffe, Daten & Fakten · Schutzmaßnahmen

6) abschließender Kommentar

- Chancen und Gefahren der Röntgentechnologie

7) Experiment

- Durchführung und Messwerte · Auswertung

- Absorptionsgesetz · Halbwertsdicke · Fazit

8) Literaturverzeichnis (inc l. Zitate)

Anwendung von Röntgenstrahlung in der med. Diagnostik

1895 experimentierte der an der Würzburger Universität tätige Physiker Wilhelm Conrad Röntgen an einer luftevakuierten Kathodenröhre, als er durch Zufall eine für die Medizin bahnbrechende Entdeckung machte. Ein Strahl traf ein in der Nähe liegendes Bariumplatinzyanidpapier, das, wie er erst ein wenig später erstaunt feststellte, den während seines Experiments darauf befindlichen Gegenstand nun deutlich als Schattenbild zeigte. Röntgen erkannte den Wert seiner Entdeckung, machte nur einen Monat später das erste Röntgenbild von der Hand seiner Frau und veröffentlichte einen Artikel über ,,eine neue Art von Strahlen", die in der internationalen Fachwelt wegen ihrer noch unbekannten Natur x-rays genannt wurden. Diesen Namen haben sie bis heute behalten, nur in Deutschland nennt man sie zu Ehren ihres Erfinders auch Röntgenstrahlung. 1901 erhielt Röntgen den Nobelpreis für Physik. Er legte den Grundstein für eine Technik, die zu einer für viele Wissenschaften fundamentalen Untersuchungsmethode avancierte, welche auch die Kommunikation unter Wissenschaftlern erleichtert hat. Im medizinischen Bereich hat sich eine eigenständige Fachrichtung, die Radiologie, entwickelt. Diese Arbeit soll sich auf ihre Anwendung speziell im medizinisch-diagnostischen Bereich beschränken.

Die von Röntgen damals entdeckten Strahlen sind elektromagnetische Schwingungen mit kleinerer Wellenlänge (15 nm bis 0,1 pm, für diagnostisch verwendete Röntgenstrahlung um 100pm) bzw. größerer Frequenz (10¹⁹-10²³) als das Licht und geradliniger Ausbreitung mit gleicher Geschwindigkeit von 2 * 10⁸m/s. Da Röntgenquanten keine Ladung transportieren, sind sie nicht durch elektrische Felder ablenkbar, ebensowenig wie auf magnetischem Wege. Röntgenstrahlung ist unsichtbar, hat aber ein sehr hohes Durchdringungsvermögen in Materie, das um so größer ist, je härter, d. h. kurzwelliger, die Strahlung ist. Sie wird nur von Stoffen großer Atommasse und Elektronendichte gut absorbiert. Aufgrund ihres hohen Ionisationsvermögens eliminiert sie in diesen einzelne Elektronen aus ihrem Atomverbund und gibt so einen Teil ihrer Energie weiter. Röntgenstrahlung zeigt auch starke chemische Wirkung, was sich z. B. in der Schwärzung von Photoplatten äußert, und Fluoreszenzeigenschaften auf einem bariumsulfidüberstrichenen Schirm, dessen Moleküle sie beim Auftreffen zur Abstrahlung von sichtbarem Licht veranlasst. Von der kurzwelligen ?- Strahlung unterscheidet sie sich nur in ihrem Entstehungsprozess durch Umwandlung von kinetischer in elektromagnetische Strahlungsenergie.

Für die medizinische Diagnostik ist insbesondere die unterschiedlich starke Abschwächung durch verschiedene Materialien von Bedeutung. Knochen bestehen aus Calcium, welches ein relativ guter Absorber ist, Fett- und Muskelgewebe aus Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Wasserstoffverbindungen, die Röntgenstrahlung kaum schwächen können. So lässt sich bei gezieltem Durchstrahlen des Körpers eine Zentralprojektion des Aufnahmeobjektes produzieren, die der unterschiedlichen Durchlässigkeit des Gewebes entspricht. Mit dessen Hilfe können krankhafte Prozesse aufgespürt, Diagnosen gestellt werden. Aufbau und Funktionsweise der dafür notwendigen technischen Geräte soll im folgenden erläutert werden.

Das Kernstück des Bilderzeugers bildet die Röntgenröhre, eine hochevakuierte Spezialglühkathoden-röhre, in der die Röntgenstrahlen erzeugt werden. Sie wird von einem Leistungskreis, in dem der Generator die vom Netzanschluss bereitgestellte Energie in Hochspannungsstrom im kV-Bereich umwandelt, gespeist. Sie besteht aus einer Kathode und einer Anode, zwischen denen eine hohe Potentialdifferenz herrscht. Die Kathodenspirale aus Wolframdraht dient bei Temperaturen von über 2000°C als Elektronenlieferant. Leitungselektronen, die sich auf dessen Oberfläche frei beweglich finden, da sie an kein Atom gebunden sind, lassen sich durch die Wärme in großen Mengen ablösen. Die Elektronen werden durch das elektrisch Feld im inneren der Röhre auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt. Sie prallen auf die Anode. Dabei werden sie abgebremst, es findet eine Energieumwandlung statt, für die der Energieerhaltungssatz gilt: Verliert ein Elektron die kinetischen Energie E, so wird ein Röntgenphoton mit der Photonenenergie h * f (h = plancksches Wirkungsquantum, f = Frequenz) ausgesandt, wobei der Energiebetrag dem vorigen entspricht; dies ist der umgekehrte Fotoeffekt. Er geht stufenweise vonstatten, bis das Elektron sämtliche kinetische Energie verloren hat. Es entsteht ein kontinuierliche s Röntgenbremsspektrum, da verschiedene Energiebeträge möglich sind, bis zu einer Grenzfrequenz, die dem Energieumsatz eines Elektrons in einem einzigen vollständigen Übertragungsvorgang entspricht und sich mit Hilfe der Formel ½ * m * v²= h * f errechnen lässt. Somit kann man diese über die Spannung, die die Geschwindigkeit vorgibt, variieren. Röntgenstrahlung hat etw 10⁴- 10⁵eV Energie, wobei 1 eV der Energie entspricht, die ein Elektron beim Durchlaufen einer Spannungsdifferenz von 1 V im Vakuum erhält. Neben den kontinuierlichen Strahlen entsteht auch Strahlung mit einem Spektrum diskreter Linien, das für das Anodenmaterial charakteristisch ist, die Röntgenfluoreszenzstrahlung. Sie entsteht, wenn ein auftreffendes Elektron ein inneres Hüllenelektron aus seinem Atomverbund herausschlägt (dieses hat isoliert eine Lebensdauer von lediglich 10-18 µs), die entstehende Lücke dann durch ein Elektron aus einer äußeren Schalen aufgefüllt und entsprechend der Energiedifferenz ein Röntgenphoton emittiert wird. Die Umwandlung in Röntgenstrahlungsenergie geschieht jedoch nur mit einem kleinen Teil der Energie, die restliche wird in Wärmeenergie umgesetzt, weshalb das Anodenmaterial einen hohen Schmelzpunkt haben muss - es wird Wolfram, Molybdän oder Tantal verwendet (hohe Ordnungszahlen im Periodensystem) - und zusätzlich Kühlung mit Wasser oder Öl notwendig ist. Jede Röhre hat einen Wirkungsgrad, der sich aus der Ordnungszahl des Anodenmaterials, der Spannung in kV und der Lichtgeschwindigkeit ergibt: ? = c * U * z. So z. B. hat eine Wolframanode bei 150 kV Röhrenspannung lediglich einen Wirkungsgrad von 1 %, die restliche Energie verpufft als überschüssige Wärme, also 99 %. Es werden schräg gelagerte Drehanoden verwendet, die vor der Aufnahme beschleunigt und dann abgebremst werden, da Rotation Kühlungseffekt hat und die geneigte Lage die Verluste bei seitlichem Austritt gering hält. Die Drehzahl pro Minute beträgt z. B. bei einer Antriebsfrequenz von 20 Hz 1200 bis zu 8500 bei 150 Hz. Die Bremsstelle der Anoden und somit der Entstehungsort der Röntgenstrahlen heißt Brennfleck oder Fokus. Von dort werden diese radial abgestrahlt. Seine Größe, bestimmt durch den Anodenneigungswinkel und den Kathodenstrom, beeinflusst die erzielbare Bildschärfe. Mit ihr wächst die Belastbarkeit der Röntgenröhre, jedoch auch die unerwünschte geometrische Unschärfe. Brennfleck-Nennwerte sind nach DIN und IEC genormt. Extrafokale Strahlung, bestehend aus am Fokus reflektierten Elektronen, auch Stielstrahlung genannt, wird durch das elektrische Feld wieder zur Anode zurückgelenkt. Ein Röhrenlastrechner kontrolliert und speichert die von Messsensoren und Temperatur- überwachungseinheiten innerhalb der Röhre gelieferten Daten und schützt sie durch zwangsweise Pausenverordnung vor Überlastung durch zu hohe Temperaturen. Sog. Röhrennomogramme legen die Belastbarkeit einer Röntgenröhre brennfleckabhängig fest. Die Nennleistung einer Drehanodenröhre beträgt z. B. 40 kW, wenn 400 mA bei 100 kV Spannung max. 0,1 s fließen dürfen. Der minimale Röhrenstrom, ausreichend für die der eigentlichen Untersuchung vorausgehende Duchleuchtung, beträgt 0,1 mA, der Maximalwert liegt bei 1000 mA. Erhöht man den Heizstrom der Glühkathode und vergrößert so den Anodenstrom, so erreicht man eine größere Zahl der in 1s erzeugten Quanten, also eine höhere Intensität, d. h. eine höhere pro Sekunde auf die Anodenfläche auftreffende Strahlungsenergie, und somit ein helleres Bild. Variiert man die Beschleunigungsspannung nach oben hin, so erhält man härtere Röntgenstrahlen (kleinere Wellenlänge und Frequenz) mit stärkerem Durchdringungsvermögen.

Röntgenröhre, Röntgenschutzgehäuse inklusive Isolier- und Kühlmittel sowie die Kontrollvorrichtungen bilden zusammen eine Einheit, den Röntgenstrahler. Er ist in jeder Röntgeneinrichtung vorhanden, sei es eine planare Röntgen oder eine Computer- tomographieanlage, und befindet sich in direktem Strahlungskontakt zum Untersuchungsobjekt.

Durch Wechselwirkungen zwischen der Röntgenstrahlung und den Atomen des Anodenmaterials entsteht unerwünschte Streustrahlung, das Rauschen. Um dieses Rauschen zu minimieren, durchlaufen die Strahlen ein Streustrahlen- oder Lysholmraster, welches aus fokussierten, gemäß den Strahleneinfallswinkeln schräg angeordneten Bleilamellen besteht, zwischen denen sich als Schachtmedium ein in hohem Maße strahlendurchlässiges Material befindet. Streustrahlen, die eine andere Richtung haben, werden durch die Rasterlamellen absorbiert, ebenfalls werden weiche Strahlungsanteile herausgefiltert, allerdings auch ein Teil der Direktstrahlung. Von 100 % Gesamtstrahlung sind normalerweise über 80 % Streustrahlung, durch ein Raster wird diese auf 25 % reduziert Insgesamt tritt allerdings nur noch 16 % der ursprünglichen Strahlung aus dem Raster heraus. Jedes Raster hat eine spezifische Selektivität, die seine Qualität als Streustrahlenfilter angibt. Der Film, auf den die Strahlen das Bild projizieren, befindet sich lichtgeschützt in einer Aluminium- oder Kunststoffkassette. Er besteht aus Polyester, das auf beiden Seiten mit lichtempfindlichen Emulsionsschichten, Silberbromidsalz in Gelatine, überzogen ist. Das Bild ergibt sich durch deren Reduktion: Indem ein Bromanion (Br-) in ein Bromatom und ein Elektron gespalten wird, welches zu einem sog. Reifekeim wandert, der wiederum aufgrund seiner negativen Ladung ein Silberkation anzieht und mit dem Elektron zu atomarem Silber vereinigt, entsteht ein latentes Bild, das durch 1-100 millionenfache Verstärkung bei der Entwicklung sichtbar gemacht wird. Außerdem enthält die Kassette Verstärkungsfolien aus fluoreszierenden Substanzen. Die Schwärzung erfolgt letztlich zu 97 % infolge von Verstärkung und nur zu 3 % durch in den Emulsionen absorbierte Röntgenstrahlen. Ein Film wird der Belichtung B = I * t, Intensität des Lichts mal Bestrahlungszeit, ausgesetzt. Wünschenswert ist also eine hohe Intensität, damit die Zeit möglichst gering gewählt werden kann. Hierfür ist wichtig, einen möglichst kleinen Objekt-Film-Abstand zu haben, da die Intensität mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt. Dies ist auch für einen realitätsnahen Maßstab wichtig. Ein 1:1 Maßstab wäre nur realisierbar, wenn sich der Film direkt in der Aufnahmeebene befände.

Bei modernen Röntgenanlagen wird häufig auf die Bilderstellung durch Filmprojektion zugunsten eines Computerbildes verzichtet. Die neue Technologie nennt sich digitale Bildverstärkerradiographie. Das hinter dem Patientin entstehende Strahlenrelief fällt auf einen Cäsiumiodidleuchtschirm, der durch hohe Quantenabsorption hohe Detailerkennbarkeit und eine Minimierung der Lichtstreuung begünstigt und der den Eingang der Bildverstärkerröhre (evakuierte Glasröhre) darstellt. Er ist mit einer Fotokathode gekoppelt, die proportional zur Anzahl der auftreffenden Röntgenlichtquanten gemäß des Fotoeffekts Elektronen aussendet, die durch eine hohe Potentialdifferenz zum Ausgangsschirm (Signalplatte) hin beschleunigt werden. Mit Hilfe des elektrischen Feldes findet dabei eine elektronenoptische Bündelung statt, so dass eine helle, umgekehrte, verkleinerte Abbildung des Röntgenleuchtschirmbildes auf dem elektronenempfindlichen Beleuchtungsschirm entsteht, deren mehrtausendfach verstärkte Helligkeit durch die Energiezufuhr, das elektrische Feld und die Verkleinerung bedingt ist. Die Qualität eines Bildverstärkers wird anhand seiner durch den Konversionsfaktor beschriebenen Verstärkungseigenschaften beurteilt, welcher das Verhältnis des Ausgangs- zum Eingangssignal wiedergibt. Das Bild auf der Halbleiterschicht der Signalplatte wird alle 40 ms von einer Fernsehröhre mit einem elektronisch horizontal und vertikal steuerbaren Ablenkstrahl Zeile für Zeile abgetastet. Die Fernsehsignale werden mit einem Konverter in analoge elektrische Signale umgewandelt, im Bildprozessor gespeichert, ans Netzwerk weitergegeben und auf einer Hardcopy per Konverter in analoge Bildsignale verwandelt, so dass auf dem Monitor das Röntgenbild zu erkennen ist. Verwendet werden hochauflösende Monochrommonitore mit kratzfester Oberfläche, Entspiegelung und Leitschicht gegen statische Aufladung, die bis zu 2000 Zeilen darstellen können. Kennzeichen der digitalen Radiographie ist die Aneinanderreihung von einzelnen optimierbaren Bildentstehungsprozessen. Die Vorteile bestehen in der Verringerung der Dosisbelastung für den Patienten um bis zu 50 %, der Verbesserung der Bildqualität durch diverse Bearbeitungsmöglichkeiten wie Bildsubtraktion und Kantenbetonung, Zoom, der Speicherung in digitalen Patientenmappen mit einer Kapazität von 180-250 Bildern sowie in der Vereinfachung des Untersuchungsablaufs, da ein Sofortbild ohne vorherige Entwicklung möglich ist. Letzteres wird jedoch noch selten ausgeschöpft, sondern, wie ich mich in einer Praxis überzeugen konnte, die digitalen Bilder werden über einen Spezialdrucker wie gewohnt auf Folien gebracht.

Je nach Anwendung gibt es z. B. Skelettaufnahmeplätze, Traumatologieanlagen für den Schock- und Unfallraum, bei denen alle Einstellungen ohne Patientenbewegung vorgenommen werden können, Lungenaufnahmeplätze, Mammographieanlagen zum Liegen oder Stehen mit variabler Tischhöhe und -breite. Untersucht werden hauptsächlich Knochen, aber auch feste Organe auf Schleimhäute, Zysten und Tumore. Bei letzteren wird dem Patienten Bariumsulfat als Kontrastmittel verabreicht, mit dessen Hilfe die Organkonturen markiert werden, da es die Absorption verstärkt (große Atommasse). Dieses liegt in einer wasserlöslichen Suspension fest im Molekül gebunden vor, da atomares Barium ein Körpergift ist, und wird hinterher als Fremdkörper vom Verdauungssystem wieder ausgeschieden. Weiterhin gibt es Katheteruntersuchungen, bei denen in die Blutgefäße ein röntgenempfindlicher Katheter eingeführt wird, mit dessen Hilfe z. B. Verengungen der Gefäße sichtbar werden.

Ziel jeder Röntgenaufnahme ist ein optimales Bild bei möglichst geringer Strahlenexposition. Dies wird durch die Wahl der Aufnahmedaten erreicht. Es gibt verschiedene Aufnahmetechniken: die sog. 0-Punkt-Technik, bei der eine automatische Einstellung aller Parameter nach den Daten einer vorherigen Durchleuchtung mit geringer Strahlung erfolgt, indem über den Wasseräquivalenzwert die Patiententransparenz errechnet und eine organspezifische Übernahmekurve erstellt wird, die 1-Punkt-Technik, bei der die Spannung manuell eingestellt wird (Wellenlänge/Frequenz) sowie die 2-Punkt- und 3-Punkt-Technik, wo Spannung, Stromstärke und bei letzterer auch die Dauer der Durchleuchtung manuell gesteuert werden. Spezielle automatische Organprogramme und organspezifische Tabellen leisten bei der Wahl der Parameter Hilfestellung bzw. übernehmen sie teils automatisch auf Knopfdruck. So gibt es unter anderem am Generatorpult die Optionstaste ,,Dickenkorrektur", die die Parameter einem etwas fülligeren Untersuchungsobjekt anpasst (höhere Spannung ? höhere Energie). Je nach Anwendung wird mit weicheren oder harten Strahlen z. B. bei Lungen- und Magen-Darm-Traktaufnahmen gearbeitet, was über die Spannung ausgewählt wird, da diese die Energie der Röntgenquanten festlegt. Die Röhrenspannung beeinflusst den Bildcharakter und Kontrast, über die mAs kann eine Schwärzungs- bzw. Helligkeitskorrektur erfolgen, die Größe des gewählten Brennflecks steuert die Detailerkennbarkeit. Kleinere Brennflecke werden z. B. beim Röntgen der Extremitäten angewandt, größere bei Aufnahmen von großen Details. Die Bildgüte wird beschrieben durch die Modulationsübertragungsfunktion, die den Zusammenhang zwischen Detailgröße, Bildkontrast und Grenzauflösung darstellt. Die geometrische Unschärfe, die auf Grund der Tatsache entsteht, dass der Fokus kein Punkt, sondern eine Fläche ist, wird durch den Quotienten aus Objekt-Film- Abstand festgelegt und Fokus-Objekt-Abstand, so dass ersterer möglichst klein, letzterer möglichst groß gewählt wird, was auch einen Vergrößerungseffekt liefert. Um Knochenschatten zu verdrängen, verschiebt man insbesondere bei Lungena ufnahmen Röntgenröhre und Röntgenfilm so gegeneinander, dass eine bestimmte Schicht scharf aufgenommen wird.

Die Geräte benötigen bei Betrieb bestimmte Umgebungsbedingungen, die, falls nicht gegeben, künstlich hergestellt werden müssen. So arbeiten die me isten Geräte bei Temperaturen zwischen 10° und 40° C, einem Luftdruck von 70-106 kPa und nicht kondensierender Luftfeuchtigkeit von 15-75 % fehlerfrei.

1968 entwickelten Allen MacLeod Cormack und Gofrey Newbold Hounsfield eine neue Röntgentechnik, die Comp utertomographie. Für dieses die Röntgentechnik revolutionierende Verfahren erhielten sie ebenfalls den Nobelpreis. Gemäß der griechischen Bedeutung von tomos können damit 2- oder 3-dimensionale scharfe Schichtaufnahmen als Dichtebilder des Körpers erstellt werden.

Der Röntgenfilm ist bei diesen Geräten durch eine Linie röntgenempfindlicher Detektoren ersetzt, welche analog zur mechanisch mit ihr verbundenen Röntgenröhre um die Längsachse des liegenden Patienten rotieren. Modelle der 1. und 2. Generation, sog. Translations- Rotations-Geräte, besitzen 10-30 Detektoren, die 3. und heute meist hergestellte Generation ist mit einer Leiste von 500-1000 Detektoren ausgestattet, was eine Abtastzeit von lediglich 1 s ermöglicht. Geräte der 4. Generation haben einen feststehenden Detektorenkranz mit über 1000 Detektoren. Verwendet werden entweder Halbleiterdetektoren, dies sind Kristallszintillatoren wie Caesiumiodid und Wismutgemanat, deren erzeugte Lichtblitze durch angekoppelte photoempfindliche Dioden in elektrische Signale übertragen werden, oder Edelgasdetektoren. Bei diesen befindet sich unter hohem Druck z. B. Xenongas im gemeinsamen Gasraum aller Kammern, dessen Atome von den eintreffenden Röntgenstrahlen ionisiert werden. Die Ionen wandern auf Grund der herrschenden Potentialdifferenz von 1000 V zu den Elektroden und erzeugen dort elektrische Signale. Edelgasdetektoren haben eine kurze Abklingzeit und werden deshalb für Serienuntersuchungen mit schneller Bildfolge bevorzugt.

Die mechanische Einheit aus Röntgenröhre, Lichtvisier und Detektorleiste heißt Gantry. Sie ist in Horizontalachse kippbar, so dass die Anfertigung schräger Schichten möglich ist. Während einer Rotation werden zwischen 100 000 und 1 000 000 Messwerte genommen. Die örtliche Verteilung der abgetasteten Daten wird vom Computer auf der Grundlage des Messwertprofils über die gefilterte Rückprojektion zu einem Graustufenbild verarbeitet, ein Algorithmenverfahren, bei dem die Daten auf eine rechnerische Projektionsebene projiziert und im Anschluss Fehler an Messwerten durch Korrekturfunktionen ausgeglichen werden, was man als Faltung bezeichnet. Die einzelnen Pixel des Bildes, deren Länge unter 1 mm liegt, geben die Abschwächung, als Zahlenwert kodiert, wieder, wobei ein Bild (2D) aus 1024²Pixeln besteht, die je einer bestimmten Schichtdicke zugeordnet werden (Voxel = Pixel * Schichtdicke). Aus dem so als 3D-Zahlenmatrix im Computer virtuell existierenden Volumenbild können einzelne beliebige Schnittbilder abgerufen werden. Der Hochgeschwindigkeitsrechner steuert sämtliche Bedienungsabläufe, erfasst die Daten, speichert sie, wandelt die Bildsignale in Videosignale um, speichert das dargebotene Bild und bietet weiter die Möglichkeit der Bildbearbeitung. So können interessierende Gewebestrukturen gefärbt, die Umgebung wegradiert und das Objekt auf diese Weise isoliert dargestellt werden, was die Diagnosefindung erleichtert.

Mit der EKG- Triggierung kann sogar über die Erstellung von Momentbildern des Herzens eine bestimmte Herzphase dokumentiert werden, Sonderprogramme ermöglichen u. a. die Darstellung der Hirndurchblutung und die Bestimmung des Mineralsalzgehaltes in Knochen. Tumore können exakt geortet werden, was die Behandlung erleichtert. Im Vergleich zu herkömmlichen Röntgenbildern ist hier eine hö here Kontrastauflösung und eine größere Tiefenschärfe vorhanden, Knochenschatten entfallen.

Die Qualität eines CT wird bestimmt durch seine Eigenschaft, mit einer geringen Strahlendosis eine möglichst große räumliche Auflösung sowie eine möglichst genaue Dichteauflösung zu erzielen. Diese hängen ab von der Stabilität des Aufnahmesystems (möglichst homogenes Strahlenbündel und hohe Quantenausbeute / Messstabilität der Detektoren), der Zahl der genommenen Messwerte, der Aufnahmedosis, dem (durch Raster und Filter möglichst gering gehaltenen) Rauschen sowie dem Auflösungsvermögen des Systems.

Ein Jahr nach der Erstellung des ersten Röntgenbildes bemerkte der Ingenieur Leppin bei einer geröntgten Hand Haarausfall und Hautveränderungen. Er war damit der erste, der feststellte, dass Röntgenstrahlen das Gewebe verändern. Sie rufen auf Grund ihres Ionisationsvermögens Störungen der Stoffwechselprozesse sowie somatische Schäden hervor, d. h. an Strukturen außerhalb der das Erbgut enthaltenden Keimzelle, und können, selbst in kleinsten Dosen, die genetische Erbinformation irreparabel verändern. Die biologische Strahlenwirkung wird bei der Strahlentherapie von Krebs therapeutisch genutzt, bei der diagnostischen Nutzung von Röntgenstrahlen ist sie jedoch unerwünschte Begleiterscheinung, die möglichst vermieden werden soll. Der Gesetzgeber hat seit 1959 nach Vorschlägen der International Commission on Radiological Pretection (ICRP) strenge Strahlenschutzverordnungen erlassen, die festlegen, in welchem Maße und wie mit der gefährlichen Strahlung umzugehen ist.

Mit Hilfe von Dosisbegriffen kann man verschiedene Strahlenexpositio nen miteinander vergleichen und bewerten. Die Strahlendosis 1 Röntgen (r) ist definiert, wenn sich in einem kleinen Kondensator mit Luft als Zwischenmedium in 1 cm³Luft in Folge von Ionisation 2,08*10⁹Ionenpaare bilden. Für Röntgenbilder wird der Körper mit 1-3 Röntgen bestrahlt. Eine dauernde Bestrahlung mit 0,3 r pro Woche ist (zumindest nach bisherigen Erkenntnissen) unschädlich, eine, selbst kurzfristige, Bestrahlung mit einer Strahlendosis von 400-500 r ist tödlich. Die Äquivalentdosis berechnet sich aus der Energiedosis D, die sich aus dem Quotient der von einem Gewebe absorbierten Energie und der Masse desselben ergibt (W/m), und dem Wichtungsfaktor der Strahlenart wr (für Röntgenstrahlung wr=1): H = wr * D in der Einheit 1 Sievert. Zusätzlich wird Empfindlichkeit der Organe bei Angabe der effektiven Dosis berücksichtigt, so dass damit Aussagen über das Strahlenrisiko des ganzen Körpers gemacht werden können. Gemessen wird mit Dosimetern, die entweder die Ortsdosis, die effektive Dosis für sich ständ ig am Messort aufhaltende Personen, oder die Personendosis, der eine strahlengefährdete Person, z. B. ein untersuchender Arzt, ausgesetzt ist, bestimmen.

In Deutschland beträgt die jährliche Dosis an Strahlenbelastung durchschnittlich etwa 4 mSv. Im Vergleich dazu liegt die durchschnittliche Jahresbelastung pro Person durch die medizinische Diagnostik bei 1,6 mSv pro Jahr, was einen erheblichen Prozentteil ausmacht, wie das Diagramm zeigt. Man erhält so eine deutlich größere Belastung als von der Natur eigentlich vorgesehen. Vereinzelt beträgt jedoch die natürliche Strahlenbelastung gar 10 mSv, bedingt durch die Bodenbeschaffenheit. Deswegen ist eine globale Beurteilung schwierig, da die Erhöhung des Strahlenrisikos für bestimmte Personenkreise je nach Umgebung also unterschiedlich ins Gewicht fällt. Dies ist eines der Probleme bei der Festlegung von Richtwerten. Eine weitere Schwierigkeit stellt der Fakt dar, dass verschiedene Gewebe und Organe unterschiedlich empfindlich sind, gleiches gilt für verschiedene Personen, wobei das

Alter und die spezifische Immunabwehr des Betroffenen entscheidend sind. Konkrete einheitliche Aussagen über die Strahlenempfindlichkeit kann man deshalb derzeit nicht mit absoluter Sicherheit tätigen. Trotzdem kann man das Risiko durch Richtlinien, die gemäß dem Stand der wissenschaftlichen Erkenntnisse ständig modifiziert werden, auf ein Minimum eindämmen.

Die technischen Möglichkeiten werden, wie oben beschrieben, so ausgenutzt, dass mit möglichst geringer Strahlenbelastung ein optimales Röntgenbild entsteht. So wird mit fortschreitender Technik (dig. Radiographie) diese immer geringer. Bei Inbetriebnahme der Geräte wird die in einer Zeiteinheit verabreichte Strahlendosis auf feste Werte justiert. Nach außen hin sind die Geräte durch Bleischutzwände abgeschirmt, die nur ein Minimum der ursprünglichen Strahlung nach außen lassen. Ganz verhindern lässt sich der Austritt von Strahlung jedoch nicht, nur so reduzieren, dass die entsprechende Dosis nicht mehr schädlich ist. Weshalb gerade Blei als Schutzmaterial verwendet wird, zeigt das an diesen Teil der Arbeit angeschlossene Experiment. In der Regel wird die Röntgenaufnahme am Generatorpult im Kontrollraum ausgelöst, so dass sich nur bei speziellen Untersuchungen wie Katheteruntersuchungen überhaupt davon nicht direkt betroffene Personen im Raum aufhalten. In diesem Fall sind der Arzt und seine Assistentin durch entsprechende Schutzkleidung, einen Bleimantel, Handschuhe und Brille, geschützt. In der Tasche tragen sie einen Kupferchip, der als Personendosimeter die Strahlenbelastung registriert. Dieser muss regelmäßig zu einer Kontrollstelle eingeschickt werden, die bei von einem Grenzwert abweichenden Werten sofort einschreitet. Zum Schutz der Patienten gilt für Röntgenuntersuchungen das ,,Prinzip der Indikation": Sie sind nur dann gerechtfertigt, wenn ihr eventuelles Risiko dem Nutzen gegenüber als gering einzustufen ist. So wird z. B. bei einer schwangeren Frau der Arzt eine Röntgenuntersuchung möglichst vermeiden, da dem ungeborenen Kind erheblicher Schaden entstehen könnte, den der Nutzen für die Mutter nicht aufwiegen kann. Nicht vorgeschrieben, aber empfohlen ist das Führen eines Röntgenpasses, in dem alle röntgenologischen Untersuchungen eingetragen werden und der so dem Arzt einen Überblick verschafft, den er in die Überlegungen der Indikation einbeziehen kann. Ab einer bestimmten durch bereits erfolgte Untersuchungen bedingten Belastung innerhalb eines Jahres, soweit diese bekannt ist, muss der Arzt, wie ich von einem in diesem Gebie t tätigen Spezialisten erfahren habe, jede weitere Maßnahme verweigern und auf andere Untersuchungsmethoden zurückgreifen, da andernfalls eine Schädigung wahrscheinlich ist.

,,Wenn Erfinder eines neuen Instruments dieses zur Beobachtung der Natur anwenden, so ist das, was sie davon gehofft haben, immer eine Kleinigkeit im Vergleich zu der Reihe nachfolgender Entdeckungen, wovon das Instrument der Ursprung war."¹, sagte bereits etwa 50 Jahre vor der Entdeckung Röntgens der französische Physiker Arago. Seine Aussage trifft auch auf die Röntgentechnologie zu. Ohne damit die Leistung Röntgens schmälern zu wollen, der selbst den ersten Schritt tat, seine Entdeckung für medizinische Zwecke zu nutzen, haben in den folgenden Jahren zahlreiche Wissenschaftler durch ihre Arbeit dafür gesorgt und tun dies stetig, dass uns heute eine hochmoderne, optimierte Röntgentechnologie zur Verfügung steht, wenn wir mit einem Gebrechen beim Arzt erscheinen und uns Hilfe erhoffen. Wo Ultraschall und andere Methoden nicht weiter helfen (z. B. weil Luft für Ultraschall nicht durchdringbar ist), da kommt sie zum Einsatz und ermöglicht dem Arzt die sichere Diagnosefindung. Allerdings, wie dies bei allen Erfindungen der Fall ist, wirft auch die Röntgentechnologie Probleme auf, die ihren Vorteil sicherlich nicht aufwiegen, die jedoch bedacht werden müssen, um eine Fehlentwicklung zu vermeiden.

Thomas Mann weist in seinem Roman ,,Der Zauberberg" auf eines davon hin. Rainer Otte resümiert es mit den Worten: ,,Verträgt der Mensch die ,,Wahrheit" der medizinischen Bilder? Kann er sich überhaupt von eigenen Körpergefühlen so weit lösen, dass er akzeptiert, dass ein Röntgenbild die ungeschminkte Wahrheit seines Lebens zeigt?"². Mit Sicherheit hat sich die Sichtweise der Menschen dem technischen Fortschritt angepasst und es ist für uns heute selbstverständlich, einer Röntgenuntersuchung unterzogen zu werden. Die Gefahr besteht jedoch darin, dass der Mensch auf eine ,,Körpermaschine"²mit Fehlfunktionen, die technisch behoben werden können, reduziert wird. Demzufolge werden biologische, psychologische, soziale und politische Dimensionen für medizinisches Handeln kaum berücksichtigt. Dem kann nur vorgebeugt werden, indem der Arzt den Patienten nicht einfach an Apparate abschiebt, sondern weiterhin das Patientengespräch, den direkten zwischenmenschlichen Kontakt sucht. Der Kranke, durch Schmerz und Angst belastet, bedarf einer Umsorgung, die über die Fähigkeiten von Apparaturen hinausgeht. Er braucht das Gefühl, bei seinem Arzt gut aufgehoben zu sein, muss also Vertrauen entwickeln können, für welches die persönliche Kontaktaufnahme unerlässlich ist. Und nicht zu letzt ist es schwierig, mit manchen Diagnosen umzugehen, wenn die diagnostizierte Krankheit nicht oder nicht hundertprozentig heilbar ist, wie dies bei Krebstumoren oder Osteoporose der Fall ist. Hier benötigt der Betroffene die psychische Unterstützung des behandelnden Arztes. Diesem - an sich als selbstverständliche Aufgabe des Arztes vorauszusetzenden - Verhalten des Arztes steht jedoch eines hinderlich gegenüber: die finanzielle Komponente. Die Anschaffung radiologischer Gerätschaften ist sehr kostspielig und muss meist per Darlehen finanziert werden. Die anfallenden Kosten müssen selbstverständlich durch Untersuchungen kompensiert werden und nicht zu letzt erwartet der Arzt nach seinem langen Studium und für seinen meist großen Arbeitseinsatz ohne feste Arbeitszeiten einen angemessenen Reinverdienst. Jedoch zahlen die Krankenkassen für eine Röntgenuntersuchung weit mehr als für ein persönliches Gespräch des Arztes mit dem Patienten, so dass dieses oft zwangsweise zu kurz kommt. Und selbst diese Leistungen der Krankenkassen werden ständig gekürzt, während für die Ärzte die gleichen Kosten anfallen bzw. sogar steigen. Demzufolge muss der Arzt so viel Patienten wie möglich an einem Tag ,,abfertigen", so dass für den Einzelnen kaum Zeit bleibt. Auch werden Höchstgrenzen nicht immer von den zuständigen Ärzten beachtet. Gefragt ist hier sicherlich in beiden Fällen der Gesetzgeber, indem er den ständigen Leistungskürzungen durch die Krankenkassen im Sinne der Betroffenen Einhalt gebietet, damit den Ärzten der Druck der Wirtschaftlichkeit genommen wird und sie ihrer Verantwortung gerecht werden können. Über allen wissenschaftlichen Fortschritt darf nicht der Kranke an sich vergessen werden. Die Maschine darf nicht den Arzt ersetzen. Viel mehr stellt sie ein wichtiges Hilfsmittel zur Diagnose bzw. in anderen Gebieten zur Behandlung dar und sollte auch als solches betrachtet werden.

Die weitere Forschung ist sicherlich sinnvoll, vor allem mit dem Ziel, die Strahlenexposition noch weiter zu senken. Vergessen werden sollte jedoch auch nicht, bei den Krankheiten, die mit Hilfe der Technik diagnostiziert werden können, nach Behandlungsmöglichkeiten zu suchen, denn der beste Fortschritt in der medizinischen Diagnostik bewirkt keine Heilung oder zumindest Linderung der Leiden des Patienten, sondern schafft nur die Voraussetzungen dafür, die auch genutzt werden müssen. In ihnen liegt mit Sicherheit noch ein gewaltiges Potential, welches wissenschaftlich ausgeschöpft werden kann.

In unserer Gesellschaft steigt die Zahl der Kranken ständig, auf der anderen Seite erreichen die Menschen ein immer höheres Alter. Dies liegt zum einen an den veränderten Umweltbedingunge n, zum anderen am Umgang damit. Manchmal scheint sich der Mensch zu sehr auf die Maschinen, die medizinischen Möglichkeiten zu verlassen, an die er sich doch gewöhnt hat, so dass er nicht mehr umsichtig genug mit seinem Körper umgeht. Vor 200 Jahren noch war ein Knochenbruch ein Gebrechen, das den Betroffenen zum Krüppel machen konnte. Heute kann die Beschaffenheit der Knochenfraktur per Röntgenbild genau bestimmt und dementsprechend operiert oder geschient werden. Deswegen erschreckt kaum jemand mehr wirklich, wenn er sich einen Armbruch oder ähnliches zuzieht. Die Folge ist mangelnde Vorsicht. Dies ist ebenfalls ein großer Fehler, denn man kann den Körper, selbst mit modernster Technologie, nur funktionstüchtig erhalten, nie jedoch seinen vorigen Zustand gänzlich wieder herstellen. Festzustellen bleibt also, dass Fortschritt in der Wissenschaft also auch ein wachsendes Maß an der Fähigkeit, mit der eigenen Verantwortung richtig umzugehen, erfordert. Der Mensch muss sich parallel dazu ebenfalls weiterentwickeln, um dieser Anforderung gewachsen zu sein.

Experiment zur Bestimmung der Halbwertsdicke

Experimentell soll die Halbwertsdicke eines Materials für Röntgenstrahlung bestimmt werden. Diese bezeichnet den Wert, bei dem die Abschwächung von elektromagnetischer Strahlung auf die halbe Impulsrate im Vergleich zur Nullrate erfolgt ist. Sie hängt von Atommasse und Elektronenzahl ab, da die Absorption, die Verringerung der Energie der Strahlung, mit Ionisation verbunden ist. Die Halbwertsdicke sinkt also mit steigender Ordnungszahl der Elemente.

Für den Versuch wird Aluminium ausgewählt, das in Plättchen von 0,5 und 1 mm zur Verfügung steht. Die Versuchsapparatur sieht folgendermaßen aus:

Ein Generator versorgt eine Röngenröhre mit Hochspannungsstrom, diese sendet Röntgenstrahlen aus. Die Zählrate der ankommenden Röntgenstrahlung wird mit einem Geiger-Müller-Zählrohr, welches zum Nachweis die ionisierende Eigenschaft der Strahlung nutzt, registriert, zunächst ohne Zwischenmedium (z0), dann nach Durchstrahlen von Aluminium. Diese Anordnung befindet sich zum Schutz vor der ,,aggressiven" Strahlung in einem geschlossenen Kasten mit Bleiwänden. Über ein Schiebetor kann das zu untersuchende Material zwischen Röhre und Zählrohr angebracht werden. Das Zählrohr ist mit einem Impulsratenmesser, der auch akustische Signale vernehmen lässt, und einem Voltmeter verbunden, an dem die Impulse pro Sekunde abgelesen werden können. Vorgegeben wird eine konstante Röhrenspannung von 33 kV und eine Emissionsstromstärke, das ist die Stromstärke, mit der die Elektronen auf die Anode auftreffen, von 0,2 A. Zunächst wird die sog. Nullrate gemessen, also die Impulsrate, die ohne Einwirkung eines absorbierenden Materials vorliegt. Diese beträgt, auch bei nochmaligem Nachmessen zur Kontrolle, 920 Imp/s. Nun werden Aluminiumplatten in 0,5 mm - Schritten zwischen Röhre und Zählrohr eingeschoben und die Messwerte tabellarisch festgehalten:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Ausschlag des Messgerätes schwankt ein wenig um diese Durchschnittswerte herum, die Abweichungen von ungefähr 10-15 Imp/s, ab dem 7. Messwert 5-7 Imp/s, können toleriert werden, sind aber bei evt. Fehlersuche in Betracht zu ziehen.

Eine vergleichende Messung mit einer 1mm dicken Bleiplatte ergibt kaum messbaren Ausschlag, also unter 1 Imp/s, auch akustisch ist kaum ein ,,Knacken" des Zählrohrs wahrzunehmen.

Zur Auswertung werden die Messergebnisse in ein Koordinatensystem eingetragen. Die

Dicke als vorgegebene Größe wird auf die x-Achse, die Zählrate als variables Parameter auf die y-Achse aufgetragen

Der Graph lässt experimentelles Wachstum vermuten. Er fällt zunächst steil ab, wird dann flacher und geht gegen 0, erreicht diesen Wert jedoch nie ganz, da nach jeder durchdrungenen Dicke d immer noch ein Rest Strahlung vorhanden ist.

Das exponentielle Wachstum soll überprüft werden, indem die Dicke der Aluminiumplättchen gegen den ln z/z0 aufgetragen wird; denn die Logarhitmusfunktion ist die Umkehrfunktion der Exponential-funktion. Der entstehende Graph ist eine Gerade durch den Ursprung mit negativer Steigung, wobei hier die letzten 3 Messwerte doch erheblich abweichen. Man muss jedoch in Betracht ziehen, dass bei diesen kleinsten Werten der prozentuale Fehler auch am größten ist.

Damit ergibt sich die Proportionalität:

ln z/z0 ~ d ? ln z/z0 = - const * d.

Die Konstante ist die Steigung der Geraden.

Da von einer Exponentialfunktion ausgegangen wurde, ergibt sich durch Erweitern mit e und anschließendem Umformen: z/z0 = e-const*d ? z = z0 * e-const*d.

Die Proportionalitätskonstante heißt linearer Absorptionskoeffizient µ. Er ist abhängig vom Absorbermaterial sowie der Frequenz, die durch die angelegte Röhrenspannung, damit die Energie der Röntgenquanten, bestimmt wird. Der Durchschnittswert für µ in diesem Versuch kann aus den Messdaten errechnet werden mit Hilfe der Geradengleichung:

µ = - (ln z/z0) /d · µ ˜ 0,88 mm-¹für Aluminium bei einer Spannung von 33 kV.

Die so gewonnene Formel z = z0 * e-µ*d ist das nach seinen Entdeckern benannte lambert- beersche Absorptionsgesetz, das die Schwächung von Röntgen- und ?-Strahlung in Materie beschreibt.

Es gilt: z0/2 = z0 * e-µ*d¹/².

Daraus ergibt sich: ln z0/2 = ln z0 * -µ * d1/2 ? - ln 2 = -µ * d1/2 ? d1/2 = ln 2 / µ.

Für Aluminium lässt sich aus diesem Experiment also die Halbwertsdicke d1/2 ˜ 0,78 mm bestimmen.

Blei dagegen scheint eine geringere Halbwertsdicke zu haben, da bei der nur 1 mm dicken Bleischicht kaum mehr Strahlung zum Geigerzähler durchdringt. Beeindruckend war der äußerst starke Effekt. Er wird durch eine Tabelle des Kernforschungszentrums in Karlsruhe, die bestimmten Materialien energieabhängig eine Halbwertsdicke zuordnet, bestätigt. Hier ist ersichtlich, dass der Wert für Blei wesentlich kleiner ist als der entsprechende für Aluminium. Die Tabelle zeigt auch, dass mit zunehmender Energie der Röntgenquanten die Halbwertsdicke steigt, und zwar nicht linear, sondern exponentiell, was der Formel entspricht. Blei ist also ein sehr guter Absorber. Dies erklärt seine Verwendung als Schutzmaterial. Röntgengeräte jeglicher Art werden damit ausgekleidet und so die Strahlung bestmöglichst abgeschirmt, Personen, die sich in Reichweite von Röntgeneinrichtungen aufhalten, tragen eine Bleischürze, wobei die Dicke hier weit über der Halbwertsdicke liegen muss, da möglichst wenig Strahlenbelastung eine maximale Sicherheit gewährleisten soll. Die Zählrate wird nie 0, nach jeder durchlaufenen Dicke ist noch ein Strahlungsrest vorhanden, jedoch ist dieser nach einer bestimmten Abschwächung, die man bei diesen Schutzmaßnahmen zu erreichen sucht, nicht mehr als schädlich einzustufen.

Literatur- und Quellverzeichnis

Theodor Laubenberger, Technik der medizinischen Radiologie Deutscher Ärzteverlag Köln, 5. Auflage 1990

Impulse Physik 2, Medizin + Physik Ernst Klett Verlag, 1. Auflage 1998

Schülerduden Physik Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG Mannheim, 4. Auflage 2001

dtv-Atlas zur Physik Band 1 Deutscher Taschenbuch Verlag München, Originalausgabe 1987

Hammer * Knauth * Kühnel, Physik 13 Oldenbourg Verlag München, 1. Auflage 1998

Universal-Durchleuchtungsanlagen, Ein AXD-Handbuch Aufnahmeplätze, Ein RMX-Handbuch (weiteres nicht bekannt, da auf Anfrage als Kopien zugeschickt von der Siemens AG)

Dorn * Bader, Physik 12-13 Schroedel-Verlag, Druck A 2000

Microsoft Encarta Enzyklopädie Plus 2000

Tabelle zur Halbwertsdicke verschiedener Materialien in cm Kernforschungszentrum Karlsruhe, Kursgruppe Strahlenschutz

Public-Relation-Material der Firma Siemens, Prospekte Besichtigung einer radiologischen Praxis und Gespräch mit einem Radiologen

Rainer Otte, Kann High- Tech-Medizin menschlich sein? Kreuz Verlag Zürich, 1. Auflage 1992

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¹Zitat S. 54: 1839 der Physiker Arago zu den Abgeordneten der frz. Deputiertenkammer

² Zitat S. 58: Rainer Otte