INHALTSVERZEICHNIS

INHALTSVERZEICHNIS   

ABK  ÜRZUNGSVERZEICHNIS  II

1  RÖNTGENDIAGNOSTIK  3

1.1  Physikalische Grundlagen von Röntgenstrahlen  3

1.2  Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie  4

1.3  Prinzipieller Aufbau einer Röntgenanlage  5

1.4  Abbildungsprobleme in der Röntgendiagnostik  8

1.5  Medizinische Anwendung und Bedeutung der Röntgendiagnostik  9

1.6  Strahlendosis.  12

1.7  Strahlenrisiko und Strahlenschutz  15

2  COMPUTERTOMOGRAPHIE (CT)  18

2.1  Grundprinzip der Computertomographie  18

2.2  Technische Verfahren der Computertomographie  19

2.3  Medizinische Anwendung und Bedeutung der Computertomographie  21

2.4  Strahlenrisiko  22

3  MAGNETRESONANZTOMOGRAPHIE (MRT)  23

3.1  Physikalische Grundlagen der Bildentstehung in der MRT  23

3.2  Prinzipieller Aufbau von Magnetresonanz-tomographen  27

3.3  Medizinische Anwendung und Bedeutung  28

4  ULTRASCHALLDIAGNOSTIK  30

4.1  Physikalische und technische Grundlagen der Ultraschalldiagnostik  30

4.2  Bildgebende Verfahren in der Ultraschalldiagnostik  32

4.3  Medizinische Anwendung und Bedeutung der Ultraschalldiagnostik  35

5  POSITRONEN-EMISSIONS-TOMOGRAPHIE  37

LITERATURVERZEICHNIS   38

TABELLARISCHER  ANHANG  46

Abbildungsverzeichnis   46

I

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS

ACR American College of Radiology Ag Argentum, Silber ALARA As Low As Reasonably Achievable bzw. beziehungsweise C Coulomb ca. cirka CCD Charge-Coupled-Devices cm CT d. h. das heißt DEGUM Deutsche Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin DIN Deutsches Institut für Normung DKFZ Deutsches Krebsforschungszentrum DMP Disease Management Programm DSA

EbM EFQM European Foundation for Quality Management et al. und andere g/cm³ Gramm pro Kubikzentimeter ICRP Internationale Strahlenschutzkommission (International Commission on Radiological Protection) IT Informationstechnologie (einschließlich der Kommunikationstechnologie) kg Kilogramm mGy milli Gray: Physikalische Einheit der Energiedosis mm Millimeter MRT Magnetresonanztomographie mSv Milli Sievert: Physikalische Einheit der Äquivalentdosis PACS Picture Archiving and Communication System RöV Röntgenverordnung SI Système International d’Unités u. a. unter anderem US Ultraschall VdAK Verband deutscher Angestellten-Krankenkassen WHO World Heath Organization z. B. zum Beispiel ZVEI Zentralverband Elektrotechnik- und Elektroindustrie II

1 RÖNTGENDIAGNOSTIK

1.1 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN VON RÖNTGENSTRAHLEN

Die Elektronen der Atomhülle umkreisen nach dem Bohrschen Modell auf spezifischen Schalen bzw. Bahnen den positiv geladenen Atomkern. Die erforderliche Energie, um die Elektronen auf ihren Schalen zu halten, ist die Bindungsenergie. Die inneren Schalen haben eine höhere Bindungsenergie als die kernferneren Schalen.

Abbildung 1: Entstehung charakteristischer Röntgenstrahlung (nach EWEN 2003)

Wird ein Kathodenelektron durch Zufuhr von Energie, die größer ist als die Bindungsenergie von einer inneren Schale, aus dem Atomverbund herausgeschleudert, springt nach dem Energieminimierungsgesetz (Laubenberger u. Laubenberger 2006) ein Elektron der nächst höheren Schale zurück auf den Platz des entfernten Elektrons. Die frei werdende Bindungsenergie wird in Form von elektromagnetischen Strahlen bzw. ionisierenden Strahlen z. B. UV-Licht, Röntgen-, Gamma-, Beschleunigerstrahlen, oder kosmischer Höhenstrahlen emittiert. Der Wirkungsgrad, also der Grad der umgesetzten elektrischen Energie in ionisierende Strahlungsenergie, die tatsächlich genutzt werden kann, liegt bei weniger als 1%. Der Rest von über 99% der emittierten Strahlung wird als Wärme freigegeben. Die Art der Strahlung ist abhängig von den an dem Elektronensprung beteiligten Schalen. Ionisierende Strahlen entstehen nach den Gesetzen der Quantenphysik nur bei Elektronensprüngen der inneren Schalen, da hier die kinetisch vorhandene

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Bindungsenergie größer ist als auf den äußeren Schalen. Elektronensprünge auf den äußeren Schalen hingegen emittieren sichtbares Licht (Goretzki 2004). Jedes Element im Periodensystem hat spezifische und konstante Energiedifferenzen der Schalen. Damit ist die emittierte Energie elektromagnetischer Strahlung für jedes Element individuell. Die charakteristische Röntgenstrahlung für jedes Element im Periodensystem wird nur bei ganz bestimmten Energiewerten emittiert. Die sichtbar werdenden Emissionsspitzen und damit die Strahlung werden mit dem Buchstaben der Schale bezeichnet, auf die das Elektron zurückspringt (K-Strahlung, L-Strahlung,...) (Ewen 2003). Trifft das Kathodenelektron nicht auf ein Elektron aus dem Atomverbund, wird es von dem positiv geladenen Atomkern abgebremst und abgelenkt. Dabei entsteht Bremsstrahlung. In Abhängigkeit von der Ordnungszahl des Anodenmaterials steigt die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten der Bremsstrahlung.

1.2 WECHSELWIRKUNG VON RÖNTGENSTRAHLEN MIT MATERIE

Treffen Röntgenstrahlen auf Materie, wie dem menschlichen Körper des Patienten, wird die Strahlung abgeschwächt. Dabei kann es zur Energieabsorption, Energieübertragung oder Energieumwandlung kommen.

Bei der Energieabsorption wird die auf die Materie einfallende Röntgenstrahlung vollständig auf ein Schalenelektron übertragen. Diese Reaktion wird als Photoeffekt bezeichnet. Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens des Photoeffekts wird mit dem Photoabsorptionskoeffizienten quantifiziert und hängt von folgenden Faktoren ab

(Laubenberger u. Laubenberger 2006):  Dichte - Absorption nimmt mit zunehmender Dichte zu.  Dicke der Schicht - Absorption nimmt mit zunehmender Schichtdicke linear zu.  Ordnungszahl - Absorption steigt mit 3. Potenz der Energie der Röntgenstrahlen.  Wellenlänge der Röntgenstrahlen - Absorption verringert sich proportional mit der 3. Potenz der Photoenergie.

Je weicher und damit energieärmer die Röntgenstrahlung (=Photonenstrahlung) und je höher Dichte, Dicke und Ordnungszahl der durchstrahlten Materie sind, desto wahrscheinlicher ist das Auftreten des Photoeffektes. Beispielsweise werden die weichen Röntgenstrahlen vom Knochengewebe (Dichte von 2,0-2,5 g/cm³, effektive Ordnungszahl 9-12) stärker absorbiert als von den Weichteilen (Dichte 1,0 g/cm³, effektive Ordnungszahl 7,4). Dies führt zu einer höheren Kontrastierung zwischen Knochen und Weichteilen, als es durch energiereiche Strahlung möglich wäre (Laubenberger u. Laubenberger 2006). Diese Erkenntnis wird zur

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Abschirmung von Räumen und für Schutzkleidung verwendet, indem Materialien mit möglichst hoher Ordnungszahl verwendet werden.

Bei der Energieübertragung wird ein Elektron aus einer äußeren Schale durch Absorption der Röntgenstrahlung freigesetzt. Das freigesetzte Elektron wird mit einem von der Richtung der Röntgenstrahlung abweichenden Winkel abgestrahlt. Die Energieübertragungsreaktion wird als Compton-Effekt oder Streuung bezeichnet.

Die Wahrscheinlichkeit für die Reaktion des Compton-Wechselwirkungskoeffizienten setzt sich aus dem Compton-Streukoeffizienten und dem Compton-Absorptionskoeffizienten zusammen, da der größte Teil der Energie zwar übertragen wird, aber ein kleiner Teil der Energie dabei absorbiert wird. Durch die Streustrahlung erfolgt eine gleichmäßige Schwärzung und damit eine Verminderung der Bildkontraste eines Bildes, wodurch dieser Effekt unerwünscht ist. Maßnahmen zur Reduzierung der Streuung sind:  Anwendung von Streustrahlungsrastern - Durch Anbringung von parallel verlaufenden Lamellen zwischen Objekt und Film wird nur die gerade gerichtete Primärstrahlung weitestgehend vorbeigelassen, wohingegen die Streustrahlung absorbiert wird.  Einblendung - Durch einen Tubus oder eine Tiefenblende wird das Bündel der Röntgenstrahlen auf die Größe des Röntgenbildformates eingeblendet.  Durch Kompression erfolgt die Reduktion der Objektdicke. Durch den geringeren Weg der Röntgenstrahlung durch das Objekt kann folglich weniger Streustrahlung entstehen.  Vergrößerung des Objekt-Filmabstandes - Ein Teil der Streustrahlung geht durch Vergrößerung des Abstandes von Objekt und Film an der Filmkassette vorbei.

Zur Energieumwandlung kann es nur bei relativ hoher Röntgenstrahlung von mehr als 1,2 MeV (Million Electron Volts) kommen, die bei der Strahlentherapie und nicht bei der Strahlendiagnostik verwendet werden. Gelangt energiereiche Röntgenstrahlung in die Nähe eines Atomkerns, entsteht durch die Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Atomkerns ein Paar, bestehend aus einem negativen und einem positiven Elektron. Durch das gegenseitige Aufheben der Ladungen verliert der Röntgenstrahl seine Energie. Diese Energieumwandlungsreaktion wird als Paarbildungsprozess bezeichnet. Die

Auftrittswahrscheinlichkeit wird mit dem Paarbildungskoeffizienten wiedergegeben, die mit wachsender Ordnungszahl und steigender Energie des Röntgenstrahls wächst.

1.3 PRINZIPIELLER AUFBAU EINER RÖNTGENANLAGE

Röntgenstrahlen werden in einer Röntgenanlage erzeugt. In der Röntgenröhre werden die ionisierenden Strahlen durch eine entsprechende Heizspannung der Kathode erzeugt, indem die Kathodenelektronen, wie in den vorherigen Abschnitten beschrieben, mit den Atomen

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des Anodenmaterials in Wechselwirkung treten. Dazu werden die Elektronen durch den Wehnelt-Zylinder auf einen möglichst kleinen Brennfleck auf der Anode fokussiert. Die meisten Röntgenröhren sind Doppelfokusröhren mit zwei Brennflecken unterschiedlicher Größe. Als Material für die Anode werden Legierungen von Wolfram und Rhenium in Verbindung mit einer Molybdänschicht verwendet. In modernen Röntgenröhren werden mit wenigen Ausnahmen Drehanoden verwendet. Der Anodenteller rotiert, um die große Wärmeerzeugung besser zu verteilen. Dennoch erreicht die Temperatur des Anodentellers ca. 1000° Celsius.

Abbildung 2: Prinzipieller Aufbau einer Röntgenanlage (nach GORETZKI 2004, S. 109f)

Die Stromversorgung der Röntgenröhre erfolgt über zwei Stromkreise. Der Röntgengenerator erzeugt für den Röhrenstrom eine gleichgerichtete Hochspannung von bis zu 200.000 Volt, dabei entsteht die Stromstärke von bis zu 1 Ampere. An der Glühkathode aus Wolfram erzeugt der zweite Stromkreis die Heizspannung, mit einer Wechselspannung von 10 bis 20 Volt und der Stromstärke von 5 bis 10 Ampere, Temperaturen von ca. 2000° Celsius. Durch die Veränderung der Heizspannung werden die Menge der aus der Kathode austretenden Elektronen und damit die Menge der Röntgenstrahlen geregelt. Die Steuerung erfolgt über eine Messelektronik, die von der Ionisationskammer die Information über die erreichte Ionisationsdosis erhält und den Röntgengenerator bei einem zuvor festgelegten Wert abschaltet.

Die Röntgenstrahlen erzeugen in einem Auffangsystem ein sichtbares Bild des Objektes, durch das die Strahlen gedrungen und mit dessen Atomen die Strahlen in Wechselwirkung getreten sind. Es existieren folgende Auffangsysteme:  Film-Folien-System

Der Röntgenfilm besteht aus sieben Schichten. In der Mitte befindet sich der Schichtträger aus Polyester, dieser gibt der Folie mechanische Festigkeit bei hoher Flexibilität. Nach außen schließen sich beidseitig die gleichen Schichten an. Die Haftschicht verbindet die Trägerschicht beidseitig mit der strahlenempfindlichen und mit 0,005 mm bis 0,05 mm sehr dünnen Emulsionsschicht. Sie besteht aus Gelatineschichten in denen gleichmäßig Silberhalogenidkristalle verteilt sind. Der Silbergehalt liegt bei Filmen ohne Verstärkerfolie bei ca. 25 g Ag/m ² und bei Verstärkerfolien bei 10 g Ag/m ² . Die Röntgenstrahlung reagiert mit den Silberhalogenidkristallen nach dem zuvor beschriebenen Photo- und dem Compton-Effekt. Bei der Entwicklung des Filmes wird die Menge des elementaren Silbers pro belichtetes Silberhalogenidkristall sehr stark vermehrt. Erst durch diesen Vorgang der Filmschwärzung entsteht ein sichtbares Röntgenbild. Außen befindet sich die Schutzschicht aus gehärteter Gelatine zum Schutz vor mechanischen Einflüssen. Bei Abbildung des Bildes der einfallenden Röntgenstrahlen nicht auf photochemische, sondern auf photoelektrische Weise ist das Verfahren als Xeroradiographie bezeichnet.  Digitale Fluoreszenzradiographie

Das Verfahren der Durchleuchtung nutzt die Eigenschaft der spektralen Verteilung des Fluoreszenzlichtes von Zinkcadmiumsulfid-Kristallen, die als Leuchtschicht verwendet werden. Die Bilder werden von dem Leuchtschirmbild auf einen Film übertragen. Das Bild wurde früher unter Qualitätseinbußen vom Bildschirm abfotografiert.  Leuchtschirme in Kombination mit elektronischen Bildverstärkern Durch die Anwendung von Leuchtschirmen in Kombination mit elektronischen Bildverstärkern wird die Strahlenexposition für den Patienten bei der Röntgendurchleuchtung verringert. Als Fluoreszenzmaterial wird Caesiumjodid verwendet. Das entstandene Bild kann digitalisiert und im Computer gespeichert, verarbeitet und über einen Monitor betrachtet werden.

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1.4 ABBILDUNGSPROBLEME IN DER RÖNTGENDIAGNOSTIK

Der sich durch das Gewebe bewegende Röntgenstrahl gibt die durch Schwächung in ihm gespeicherte Information an das Auffangsystem gemäß dem überlagernden Projektionsprinzip summarisch ab. Damit sind auf dem Röntgenbild alle Gewebsschichten zweidimensional übereinander liegend abgebildet. Neben diesem Problem der zweidimensionalen Darstellung gibt es in der Röntgendiagnostik weitere Abbildungsprobleme:  Projektionsprobleme

Röntgenstrahlen entstehen in einem kleinen Brennfleck an der Anode und werden auf ein größeres Auffangsystem projiziert. Dabei entsteht eine Gestaltverzerrung des geröntgten Objektes. Je näher sich das Objekt an der Quelle der Röntgenstrahlen befindet, umso größer ist die Verzerrung.  Bildunschärfe

Randkonturen von Organen werden in einem Röntgenbild nicht mit so großen Schwärzungsunterschieden wie tatsächlich vorhanden dargestellt. Die Randkonturen von scharf abgegrenzten benachbarten Objekten verlaufen mehr oder weniger stark. Die abzubildende Kontur wird mit einer gewissen Randunschärfe dargestellt. Die Bildunschärfe wird nach ihrer Art unterschieden in: a. Absorptionsunschärfe

Entsteht durch unterschiedliche Absorption von Röntgenstrahlen in den Randgebieten von Objekten. b. Geometrische Unschärfe

Entsteht durch die Größe bzw. flächenhafte Ausdehnung des Brennflecks. c. Bewegungsunschärfe

Durch die Bewegung eines Objekts während der Röntgenaufnahme entsteht die Bewegungsunschärfe. d. Film-Folien-Unschärfe

Durch die Verwendung von Verstärkerfolien wird die Belichtungszeit und damit auch die Strahlenbelastung des Patienten erheblich verringert. Verstärkerfolien bestehen aus fluoreszierenden Substanzen, die bei Anregung durch Röntgenstrahlen Licht aussenden, und den Film schwärzen. Entsprechend des zuvor beschriebenen Projektionsproblems nimmt mit zunehmender Dicke der Verstärkerfolie und damit mit vergrößertem Abstand von Schwärzungspunkt und Emulsionsschicht die Unschärfe zu.  Kontrast

Der Schwächungsunterschied eines Objektes zu seiner Umgebung resultiert in einem messbaren Unterschied der Strahlendosis, dem Strahlenkontrast (Kamm 2003). Der

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