Röntgen

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Historisches Röntgengerät zum „Durchleuchten“ der Lunge

Röntgen (nach dem Physiker Wilhelm Conrad Röntgen), auch Röntgendiagnostik genannt, ist ein weit verbreitetes bildgebendes Verfahren, bei dem ein Körper unter Verwendung eines Röntgenstrahlers durchstrahlt wird. Die Durchdringung des Körpers mit Röntgenstrahlen wird in Bildern dargestellt, die als Röntgenbilder, Röntgenaufnahmen oder Radiographien bezeichnet werden.

Die Bilder werden etwa auf einem fluoreszierenden Schirm sichtbar. Bei der Durchleuchtung mit einer Röntgenkamera wird ein Röntgenbildverstärker benötigt. Auch geeignetes Filmmaterial kann verwendet werden (Radiographie mit Röntgenfilm). Stand der Technik ist jedoch digitales Röntgen (digitale Radiografie). Hier kommen Phosphorplatten (Röntgenspeicherfolie) oder elektronische Sensoren zum Einsatz, zum Beispiel CCDs. Die medizinischen Verfahren werden unter Radiologie genauer dargestellt.

Geschichte

Am 8. November 1895 entdeckte Wilhelm Conrad Röntgen in Würzburg die unsichtbaren Strahlen. Er experimentierte mit einer fast luftleeren Kathodenstrahlröhre aus Glas. Er deckte sie mit Pappe ab, aber die Strahlen konnten sie durchdringen und zeigten ein zufällig auf dem Tisch liegendes Objekt auf dem Fluoreszenzschirm.[1][2] Am 28. Dezember übergab er seine erste schriftliche Mitteilung „Über eine neue Art von Strahlen“ der Physikalisch-Medizinischen Gesellschaft zu Würzburg und am 23. Januar 1896 kam es zur ersten öffentlichen Demonstration seiner neuen Entdeckung.[3][4] Er verzichtete auf eine Patentierung, damit die Röntgenapparate schneller eingesetzt werden konnten.[5] Für seine Entdeckung erhielt Röntgen 1901 den ersten Nobelpreis für Physik. Ausgehend von Röntgens Entdeckung entwickelte Carl Heinrich Florenz Müller gemeinsam mit Ärzten die erste wassergekühlte Anode.

Im Deutschen Röntgen-Museum in Röntgens Geburtsort Remscheid-Lennep sind zahlreiche historische Röntgenapparate ausgestellt.

Anwendung in der Medizin

Verschiedene medizinische Röntgenbilder (Computertomographie)
Röntgenbild eines gebrochenen Unterarms mit Marknagel in der Elle
Röntgenbild einer Fersentrümmerfraktur mit Verplattung
Panorama-Röntgenanlage für Bilder vom Kiefer
Dentitionsaufnahme der Zähne eines 5 Jahre und 7 Monate alten Mädchens

Prinzip

In der Medizin dient das Röntgen zur Feststellung von Anomalien im Körper, die im Zusammenhang mit Symptomen, Zeichen und eventuell anderen Untersuchungen eine Diagnose ermöglichen (Röntgendiagnostik). Die unterschiedlich dichten Gewebe des menschlichen (oder tierischen) Körpers absorbieren die Röntgenstrahlen unterschiedlich stark, so dass man eine Abbildung des Körperinneren erreicht (Verschattung, Aufhellung und andere Röntgenzeichen). Das Verfahren wird zum Beispiel häufig bei Verdacht auf einen Knochenbruch angewendet: Zeigt das Röntgenbild eine Unterbrechung der Kontinuität des Knochens, ist der Verdacht bestätigt.

Das herkömmliche Röntgenbild zeigt eine Abbildung des dreidimensionalen Objektes (z. B. eines Sprunggelenkes – ugs: Knöchel) auf einer zweidimensionalen Fläche. Daher werden viele Objekte – wie Extremitäten mit fraglich gebrochenen Knochen – aus zwei Richtungen (im Fachjargon: „in 2 Ebenen“) geröntgt. Was aus einer Perspektive (oder Betrachtungsrichtung) noch nicht auffällt, tut dies eventuell aus der anderen. Oder wenn zwei Knochenteile eines Bruches in einer Richtung hintereinander liegen, lässt sich eine Verschiebung der Knochenbruchenden (im Fachjargon: „Dislokation oder Luxation“) erst auf einer zweiten Aufnahme aus einer anderen Richtung darstellen. Hierzu stehen zu nahezu allen darstellbaren Körperteilen Standardaufnahmetechniken zu Verfügung, um es dem Betrachter nicht jedes Mal abzuverlangen, sich in die Darstellung „einzudenken“. Ordnet der Arzt Röntgenaufnahmen eines Sprunggelenkes in zwei Ebenen an, kann er davon ausgehen, dass er eine seitliche (im Fachjargon: „tranversale“) Aufnahme mit Darstellung der Gelenkflächen von Schienbein und Sprungbein (und ein paar anderen), sowie eine Aufnahme von vorne nach hinten (im Fachjargon: a.p. = anterior – posterior) mit gut beurteilbaren Innen- und Außenknöcheln erhält. Sollte es damit noch nicht klar sein, wird vielleicht eine Schichtaufnahme angeordnet, um statt der einfachen „Ubersichtsaufnahmen“ Schnittbilder zu erhalten.

Von den „konventionellen Schichtaufnahmen“ (Röntgentomographie) unterscheidet sich die modernere Röntgen-Computertomographie (CT). Bei dieser berechnet ein Computer die Schnittbilder aus den elektronischen Daten, die bei Röntgenaufnahmen aus verschiedenen Richtungen erzeugt werden. CT-Aufnahmen haben eine wesentlich höhere Bildqualität.

Häufig werden dem Patienten bei oder vor der Röntgenuntersuchung Kontrastmittel verabreicht. Manche Strukturen, die sich normalerweise nicht abgrenzen lassen, können so hervorgehoben werden. Zum Teil lässt sich mit einem Kontrastmittel auch die Funktion eines Organsystems darstellen, so etwa in der Urografie. Je nach Fragestellung bieten sich verschiedene Substanzen und Darreichungsformen an.

Um die räumliche Lage insbesondere gebrochener Knochen oder ausgerenkter Gelenke gut erkennen zu können, werden von einer Stelle im Körper zumeist zwei bis drei Bilder aus unterschiedlicher Projektionsrichtung angefertigt.

Neben Standbildern können – zumindest seit 2007 – etwa bei Einrenkungen und Zurechtrückung von Knochenteilen Röntgen-Videos gefilmt und live am Bildschirm angezeigt werden, um das Öffnen des Körpers per Skalpellschnitt zu vermeiden und dennoch ein aufschlussreiches Bild von der sich verändernden Lage der Knochen zu erhalten. Die im bestrahlten Operationsfeld agierenden Hände der Unfallchirurgen werden dabei möglichst mit Blei-Gummi-Handschuhen geschützt.

Weiche und harte Strahlung

Für unterschiedliche Bereiche des Körpers werden unterschiedliche „Strahlenqualitäten“ benötigt, um unterschiedlich dichte Gewebe, wie z. B. Fettgewebe oder Knochen zu durchdringen. In der Röntgendiagnostik spricht man von weicher und harter Strahlung. Ausschlaggebend ist die Spannung in Kilovolt (kV), die der Röntgenröhre zugeführt wird. Je nach dem abzubildenden Körperbereich bzw. der gewünschten Bildaussage wird die Röhrenspannung zwischen etwa 25 und 35 kV bei der Mammografie und etwa 38 und 120 kV bei den übrigen Körperregionen gewählt.

Je weicher die Strahlung (niedrige kV-Werte) ist, desto größer ist der Anteil der vom Gewebe absorbierten Strahlung. Dadurch werden auch feinste Gewebeunterschiede auf dem Röntgenfilm sichtbar gemacht. Dies ist der Fall bei der Mammografie (Röntgenuntersuchung der weiblichen Brust), jedoch ist die Strahlenbelastung des durchstrahlten Gewebes dadurch relativ hoch. Harte Strahlung (über 100 kV) durchdringt Gewebe und Materialien (Gips und sogar Bleischürzen von geringerer Dicke) wesentlich leichter. Kontrastunterschiede werden stark abgemildert, wie z. B. bei Lungenaufnahmen (120 kV), bei denen sonst im Bereich der Rippen keine Beurteilung der Lungenstruktur möglich wäre.

Gefahren

Da die angewendeten Strahlendosen in der Röntgendiagnostik potenziell schädlich für den Patienten und den Anwender sind, wird in der Radiologie besonderer Wert auf den Strahlenschutz gelegt. In Deutschland wird Patienten im Falle einer Röntgenuntersuchung vom untersuchenden Arzt angeboten, Informationen wie Datum und bestrahlte Körperregion in einen Röntgenpass eintragen bzw. sich einen solchen Pass ausstellen zu lassen. Die Sicherheit des Operateurs wird dadurch gewährleistet, dass dieser in einem Nachbarraum eine Taste betätigen muss, ohne die der Röntgenapparat nicht arbeitet. Durch ständiges Gedrückthalten des Auslöseknopfes unter gleichzeitiger Beobachtung des Patienten wird verhindert, dass das Röntgen unkontrolliert ausgelöst oder bei Ohnmacht des Operateurs ungewollt fortgesetzt wird.

Jedes Jahr werden weltweit mehrere Milliarden Bilder mithilfe von Strahlentechnik angefertigt – ungefähr ein Drittel dieser Aufnahmen bei Patienten mit akutem Herzinfarkt. Zwischen den Jahren 1980 und 2006 ist die jährliche Dosis um schätzungsweise 700 % angestiegen.[6]

Deutschland nimmt beim Röntgen einen Spitzenplatz ein: etwa 1,3 Röntgenaufnahmen und 2 mSv pro Einwohner und Jahr. Auf diese Strahlenbelastung lassen sich theoretisch 1,5 % der jährlichen Krebsfälle zurückführen.[7] Ärzte unterschätzen nach Meinung des Kinderradiologen Christoph M. Heyer die Strahlenbelastung bei der Computertomographie: Diese machten im Jahr 2003 gut 6 % aller Röntgenuntersuchungen aus, waren aber für mehr als 50 % der medizinischen Strahlenexposition verantwortlich.[8]

Beispiel: Bei der Koronaruntersuchung mittels Computertomographie (CT) erkaufen sich Patienten die erhöhte Sensitivität mit einem gesteigerten Krebsrisiko. So errechneten amerikanische Wissenschaftler, dass bei Zwanzigjährigen eine von 143 mittels Koronar-CT untersuchten Frauen im Laufe ihres Lebens infolge dieser Angiographie-Strahlung an Krebs erkrankt, aber nur einer von 686 gleich alten Männern. Die CT-Angiographie der Koronarien scheint vor allem bei Frauen und jungen Menschen das Krebsrisiko nicht unerheblich zu erhöhen.[9] Kommt ein Patient mit akutem Myokardinfarkt in die Klinik, wird ihm oft eine Strahlendosis von insgesamt 14,5 mSv verabreicht, was etwa 725 Thorax-Röntgen-Bildern entspricht. Die Dosis, die ein Infarktpatient durch diese Katheteruntersuchung erhält, entspricht 3/4 der erlaubten Menge an ionisierenden Strahlen, die Arbeiter in deutschen Kernkraftwerken abbekommen dürfen – im ganzen Jahr (20 mSv/a).[10]

In einer groß angelegten Studie hatten sie die Daten von 64.074 Patienten analysiert, die zwischen 2006 und 2009 in Lehrkrankenhäusern der USA wegen eines akuten Herzinfarktes behandelt worden waren. Insgesamt wurden in diesem Zeitraum 276.651 Untersuchungen mit ionisierenden Strahlen an diesem Kollektiv durchgeführt. 83 % der Herzinfarktpatienten erhielten Röntgenaufnahmen des Thorax, 77 % Katheteruntersuchungen. Zwar sollten laut Meinung des Referenten notwendige Untersuchungen, die ionisierende Strahlen beinhalten, nicht unterbleiben – man sollte aber sicher sein, dass diese angemessen sind.

Untersuchungen von US-amerikanischen Forschern ergaben, dass das Risiko für gutartige Hirntumoren sich durch häufiges Röntgen der Zähne verdreifacht. Bei Kindern unter zehn Jahren sogar verfünffacht.[11]

Unter welchen Voraussetzungen ein Arzt für Hautschäden wegen einer röntgenärztlichen Untersuchung haftet, ist Gegenstand einer Entscheidung des Oberlandesgerichts Jena.[12]

Kontrast und Kontrastmittel

Die Absorption von Röntgenstrahlung ist abhängig von ihrem Energieniveau (erzielt über unterschiedlich hohe Beschleunigungsspannung) und steigt mit der Anzahl der „im Weg liegenden“ Atome, also der Dicke des Objekt und seiner Atom-Dichte (Atome/Volumen) so wie der Ordnungszahl (Kernladungszahl) Z und Massenzahl A (Atommasse M als Richtwert) der Atome des Materials. Hohle Organe (Atemwege, Lunge, Magen, Darm, Blase) oder Körperhöhlen (Bauchraum) können durch ihren Gehalt an Luft (Gas), eventuell aufgeblasen (mit Luft, Lachgas, Helium) durch wenig Absorption im Gas dargestellt werden. Andererseits werden Knochen durch das vergleichsweise „schwere“ Calcium-Atom (Z=20/A=40) als Schatten abgebildet, wenn rundum im Wesentlichen Wasser und Kohlenwasserstoffe mit Sauerstoff als schwerstem Atom (Z=8/M=16) vorliegt. Schon Zahn- und Gelenksprothesen aus Titan (Z=22/M=47) heben sich durch ein Mehr an Absorption vom Knochen ab. Solche auf Basis von Stahl (Eisen: Z=26/M=ca. 56) noch stärker, ebenso die Rechts-/Links-Markierungsringerl aus NiRo-Stahl oder Messing.

Historisch als frühes oder erstes Kontrastmittel wurde Thorium (90/232) (Thorotrast) in der Angiographie eingesetzt, wegen seiner Radioaktivität um 1955 jedoch verboten. Bariumsulfat BaSO4 (Ba: 56/137) in wässriger Aufschlämmung dient zum Abbilden des Magen-Darmtrakts samt dem Tempo der Passage. Organische Iodverbindungen (I: 53/127) (Iod: 53/127) zur Angiographie (intravenös oder intraarteriell) früh schon Per-Abrodil = Diethanolamin-3,5-diiodpyridon-4-essigsäure mit akuten Nebenwirkungen, später verträglich aromatische Iodderivate.

Analoges und digitales Röntgen

Mittlerweile gilt digitales Röntgen als Standard in der Bildgebenden Diagnostik. Digitales Röntgen hat dabei große Vorteile gegenüber dem herkömmlichen analogen Verfahren. Als wichtigster Punkt gilt die Reduzierung der Strahlenbelastung.

Vorteile des digitalen Röntgens gegenüber dem analogen Röntgen:

  • Reduktion der Strahlenbelastung
  • Die Bilder sind nicht Über- oder Unterbelichtet
  • Aufnahmen sofort verfügbar
  • Nachbearbeitung am Computer
  • Weder Dunkelkammer noch Entwicklungsgerät mit Verbrauchsmaterialien benötigt
  • Reduktion der Umweltbelastung[13]

Die Speicherung der digitalen Röntgen-Bilder ist standardisiert. Dies ermöglicht es Ärzten die Dateien weiterzuleiten.

Weitere Anwendungsbereiche in der Wissenschaft

Biologie

In biologischen Fachbereichen, wie beispielsweise der Zoologie, wird versucht, mit Hilfe von Röntgen-basierten Darstellungen verschiedenste Fragestellungen zu beantworten. So kann beispielsweise der Aufbau des Kreislaufsystems bei Wirbellosen und seine Lage im Körper besser und schneller untersucht werden, als es mit konventionellen Methoden wie Präparation unter dem Mikroskop oder histologischen Schnitten möglich wäre.[14]

Strukturanalyse

Indem man die Beugung von Röntgenstrahlen beim Durchtritt durch eine Substanzprobe misst, lässt sich die Kristallstruktur von Substanzen aufklären. Moleküle können so visualisiert werden. Bei organischen Molekülen wie DNA, RNA und Proteinen lässt die Struktur Schlüsse auf die Funktion zu, daher greifen Molekularbiologen besonders oft auf die Röntgen-Strukturanalyse zurück. Die einzelnen Vorgänge bei diesem Verfahren werden in dem Artikel Kristallstrukturanalyse erläutert.

Neben der Röntgenbeugung kann auch Röntgenabsorption gemessen werden. Dies wird bei der Röntgenabsorptionsspektroskopie als Verfahren zur Strukturaufklärung verwendet. Die Methode ist nicht auf kristalline Proben beschränkt, allerdings ist sie nur für die Aufklärung von Nahstrukturen geeignet. Insbesondere im Bereich biologischer Proben wird die Röntgenabsorptionsspektroskopie zunehmend zur gezielten Aufklärung aktiver Zentren von Enzymen verwendet.

Geologie und Mineralogie

Die chemische Analyse von Gesteinen und Mineralen ist mit Hilfe der Röntgenfluoreszenz-Analyse möglich. Durch Bestrahlung mit Röntgenstrahlen von ca. 50 kV werden die in einer Probe enthaltenen chemischen Elemente zu einer Fluoreszenz-Strahlung angeregt, deren Wellenlänge charakteristisch für das betreffende Element ist. Durch Messung der Wellenlänge dieser Strahlung können die Elemente qualitativ bestimmt werden. Durch Messung der Intensität und Vergleich mit einer Standardprobe bekannter Zusammensetzung kann auch eine quantitative Analyse durchgeführt werden. Die Methode ist im Gegensatz zu nasschemischen Analyseverfahren zerstörungsfrei, d. h., die Probe ist nach der Analyse unverändert und kann für andere Zwecke verwendet werden. Allerdings muss eine geologische Probe fein gemahlen und zu einer flachen Tablette (gewöhnlich mit einem Bindemittel) gepresst werden.

Archäologie

In der Archäologie wird die Röntgenaufnahme beispielsweise zum Durchleuchten von Mumien genutzt, wenn deren Einbandagierung nicht zerstört werden soll. Ferner können kompliziert aufgebaute Funde wie Waffen, verzierte Ornamente oder unter Verschluss befindliche Objekte in Truhen ohne Öffnung untersucht werden.

Gemäldeuntersuchung

Kurt Wehlte setzte erstmals die Röntgentechnik ein, um die verschiedenen Schichten des Bildaufbaus bei Gemälden sichtbar zu machen. Er gründete in Berlin die Röntgenbildstelle für Gemäldeuntersuchung.

Siehe auch

Literatur

  • E. C. Petri: Der Röntgenfilm. Eigenschaften und Verarbeitung. Fotokino, Halle 1960
  • Günter W. Kauffmann (Hrsg.): Röntgenfibel: Praktische Anleitung für Eingriffe in der Röntgendiagnostik und interventionellen Radiologie. 3. Aufl., Springer Verlag, Berlin / Heidelberg / Tokio / New York 2001, ISBN 3-540-41018-X
  • Wilfried Angerstein (Hrsg.): Grundlagen der Strahlenphysik und radiologischen Technik in der Medizin. Hoffmann, Berlin 5. neu bearb. A. 2005, ISBN 3-87344-123-3
  • Ulrich Mödder, Uwe Busch (Hrsg.): Die Augen des Professors. Wilhelm Conrad Röntgen – eine Kurzbiografie. Vergangenheitsverlag, Berlin 2008, ISBN 978-3-940621-02-3
  • Howard H. Seliger: Wilhelm Conrad Röntgen and the Glimmer of Light. Physics Today, November 1995, 25–31

Weblinks

 Wiktionary: röntgen – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Röntgenstrahlung - Weitere Bilder oder Audiodateien zum Thema

Einzelnachweise

  1. Klaus Lüdtke: Die ganze Geschichte – Heureka Stories. In: heureka-stories.de. 30. Januar 2014, abgerufen am 15. Januar 2017.
  2. Katrin Pliszka: Philips Medical Systems DMC GmbH: Röntgenröhre „MRC“. In: hamburger-wirtschaft.de. Handwerkskammer Hamburg, Mai 2005, abgerufen am 16. Januar 2017.
  3. Heinz Otremba, Walther Gerlach: Wilhelm Conrad Röntgen. Ein Leben im Dienste der Wissenschaft. Würzburg 1970.
  4. Horst Teichmann: Die Entwicklung der Physik im 4. Saeculum der Universität Würzburg erläutert an der Geschichte eines Institutsgebäudes. In: Peter Baumgart (Hrsg.): Vierhundert Jahre Universität Würzburg. Eine Festschrift. Neustadt/Aisch 1982 (= Quellen und Beiträge zur Geschichte der Universität Würzburg. Band 6), S. 787–807; hier: S. 793 f.
  5. Röntgen verzichtete auf ein Patent. Die Welt, 3. Dezember 2001.
  6. aus Medical Tribune. 27. November 2009, S. 3
  7.  Amy Berrington de González, Sarah Darby: Risk of cancer from diagnostic X-rays: estimates for the UK and 14 other countries. In: Lancet. 363, Nr. 9406, 31. Januar 2004, S. 345–351, doi:10.1016/S0140-6736(04)15433-0.
  8.  C. M. Heyer, S. Peters, S. Lemburg, V. Nicolas: Einschätzung der Strahlenbelastung radiologischer Thorax-Verfahren: Was ist Nichtradiologen bekannt?. In: RöFö. 179, Nr. 3, 2007, ISSN 1438-9029, S. 261–267. zitiert nach  Der Allgemeinarzt: Fortbildung und Praxis für den Hausarzt. Nr. 8, 2007, ISSN 0172-7249, S. 18.
  9.  Andrew J. Einstein, Milena J. Henzlova, Sanjay Rajagopalan: Estimating Risk of Cancer Associated With Radiation Exposure From 64-Slice Computed Tomography Coronary Angiography. In: JAMA. 298, Nr. 3, 2007, S. 317–323 (Abstract).
  10. Prashant Kaul von der Abteilung für Kardiovaskuläre Medizin des Duke University Medical Centers in Durham und Kollegen, Bericht auf der AHA-Tagung 2009.
  11. Häufiges Röntgen beim Zahnarzt erhöht Risiko für Hirntumor: Strahlenbelastung für Kinder unter zehn Jahren besonders schädlich. In: scinexx.de. 11. April 2012, abgerufen am 16. Januar 2016.
  12. OLG Jena, Urteil vom 12. Juli 2006, Az. 4 U 705/05, Volltext. Der Senat befasst sich mit der Frage, ob und ggf. unter welchen Voraussetzungen ein Arzt für Hautschäden anlässlich einer Röntgenuntersuchung haftet.
  13. Medizinio GmbH: Digitales Röntgen und analoges Röntgen im Vergleich. In: https://medizinio.de/. Medizinio GmbH, 25. November 2017, abgerufen am 4. Dezember 2017 (deutsch).
  14. Keiler, J., Richter, S. and Wirkner, C. S. (2013): Evolutionary morphology of the hemolymph vascular system in hermit and king crabs (Crustacea: Decapoda: Anomala). J. Morphol., 274: 759–778. doi:10.1002/jmor.20133


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