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M 1 Welche Körperteile wurden hier geröntgt?
M2
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M 3 Der gläserne Mensch – Röntgenstrahlen machen’s möglich
Beim klassischen Röntgen (Radiografie) wird ein Teil des menschlichen (oder tierischen) Körpers
mit Röntgenstrahlung bestrahlt (Abb. 10). Mithilfe eines stark absorbierenden Blendensystems
wird erreicht, dass nur der interessierende Körper geröngt wird. Die Röntgenstrahlung dringt durch
den zu untersuchenden Körperteil. Je nach der Beschaffenheit (Dichte) des bestrahlten Gewebes
werden die Strahlen unterschiedlich absorbiert. Die Strahlung, die den Körper dann wieder
verlässt, wird mit einem ortsauflösenden Detektor gemessen. Auf diese Weise erhält man ein
schattenartiges Bild des durchleuchteten Körperteils (Abb. 11). Als Detektor eignen sich
Röntgenfilm (klassische Radiografie) oder elektronische Bilddetektoren (digitale Radiografie). Das
unmittelbar vor dem Detektor befindliche Streustrahlenraster eliminiert die im Körper gestreute
Strahlung und erhöht so den Kontrast der Aufnahme.
Abb. 10: Schematische Anordnung bei der Abb. 11: Prinzip des „Schattenwurfs“ bei der
Radiografie Radiografie
Knochen blockieren aufgrund ihrer hohen Dichte (bzw. des
eingelagerten Calziums) Röntgenstrahlen besonders gut.
Weniger dichtes Gewebe (z. B. Muskulatur) ist für die
Strahlung durchlässiger. Daher sind auf einem
Röntgenfilm (Negativ) Knochen als weiße Bereiche und
anderes Gewebe als dunklere Bereiche zu erkennen (Abb.
12). Nimmt ein Patient vor der Röntgenuntersuchung eine
bariumsulfathaltige Suspension mit hoher Dichte
(Kontrastmittel, Barium (Z = 56)) zu sich, so können
Speiseröhre, Magen, Dünn- und Dickdarm dargestellt
Abb. 12: Röntgenaufnahme eines Thorax werden. Dank jodhaltiger Kontrastmittel (Iod (Z = 53)), die
© OZMedia/Shutterstock
gespritzt werden, können z. B. Nieren, Harnwege, Venen,
Arterien auf dem Röntgenbild sichtbar gemacht werden.
Die Röntgenuntersuchung der weiblichen Brust wird als Mammografie bezeichnet. Sie dient der
Früherkennung von Brustkrebs (Mammakarzinom). Bei der Mammografie wird weiche
Röntgenstrahlung (Beschleunigungsspannung nur 25 bis 35 kV) verwendet, da damit
kontrastreichere Aufnahmen bei weichem Gewebe möglich sind.
Röntgenquelle
Film
Aufgabe
Skizzieren Sie die Röntgenbilder der Objekte a) und b). Diskutieren Sie
das Ergebnis. Hinweise: Die Röntgenquelle befindet sich links, der Film
rechts vom Objekt. Die Schwärzung des Objekts steigt mit seiner Dichte
(bzw. Kernladungszahl) an.
Abb. 13: a) b)
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3
M 5 Computer-Tomografie – Fortsetzung
Abb. 16 b: Einzelnes Tomogramm des Gehirns © Flik47/ Abb. 17: BU: Coloured 3D computed tomography (CT) scan
Shutterstock of the heart of a 54 year old patient. The right coronary
artery (white) is seen down centre, while the anterior
interventricular artery (white) is seen running along the right
hand edge of the heart. © mauritius images / Science
Photos Library
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M 6 Röntgenstrahlung und ihre Gefährlichkeit
Im Gegensatz zu Radiowellen, Mikrowellen oder sichtbarem Licht haben die Photonen der
Röntgenstrahlung eine wesentlich höhere Energie E = hf = hc/λ. Vom Körper absorbierte
Röntgenquanten können die Körperzellen daher schädigen. Insbesondere die Schädigung der
Erbsubstanz (DNA) stellt ein großes Risiko dar. 99,9 % der DNA-Schäden werden allerdings durch
körpereigene Reparaturmechanismen wieder beseitigt.
Schäden der DNA der Keimzellen (Eizelle, Spermien) können zu vererbbaren Erkrankungen
führen. Schäden der DNA der Körperzellen können Krebserkrankungen hervorrufen. In der Regel
dauert es viele Jahre, teilweise mehrere Jahrzehnte, bis eine strahleninduzierte Krebserkrankung
auftritt.
Unser Wissen über die Gefahren der Röntgenstrahlung basiert im Wesentlichen auf den
Krankheitsgeschichten von Personen, die einer bekannten hohen Strahlung ausgesetzt waren
(Opfer der Atombombenabwürfe über Hiroshima und Nagasaki, Personen, die durch
Atomwaffentestversuche erhöhter Strahlung ausgesetzt waren, oder Arbeiter, die im
Uranerzbergbau eingesetzt waren).
Bei den hierbei untersuchten Krankheitsfällen lag die freigesetzte Strahlung um ein Vielfaches über
der Dosis, die in der diagnostischen Medizin zum Einsatz kommt. Um auf die geringen
Strahlendosen in der medizinischen Diagnostik zurückzurechnen, geht man von einem linearen
Verlauf der Gefährdung aus: Eine Verdopplung der Strahlendosis führt zu einer Verdopplung des
Risikos, eine Halbierung zu einer Halbierung.
Bei der Beurteilung der Gefahren der Röntgenstrahlung muss man beachten, dass es sich stets
um statistische Berechnungen einer Erkrankungswahrscheinlichkeit handelt. Tabelle 3 zeigt
einige Beispiele.
Tabelle 3: Risiko, nach einer Röntgenuntersuchung an Krebs zu erkranken1
Art der Untersuchung Risiko
Hand, Zahn, Knochendensitografie 1 : 10 000 000
Ellenbogen, Knie 1 : 1 000 000
Lunge (2 Aufnahmen), Halswirbelsäule, Schädel 1 : 100 000
Brustwirbelsäule, Hüfte, Mammografie 1 : 40 000
Lendenwirbelsäule, Abdomen-Übersicht, Harntrakt, CT des Kopfes 1 : 10 000
Magen und Dünndarm (mehrere Aufnahmen), CT gesamte Wirbelsäule 1: 2 000
CT Thorax, CT Abdomen 1 : 1 000
Jede Röntgenuntersuchung birgt ein Risiko. Röntgenuntersuchungen dürfen daher nur bei
entsprechender Indikation durchgeführt werden, das heißt nur dann, wenn das Unterlassen einer
Röntgenuntersuchung ein höheres Risiko beinhaltet als die Untersuchung selbst.
Aufgabe
Ohne Röntgendiagnostik würde jeder vierte Mensch an einer Krebserkrankung sterben. Dies
entspricht somit einem Risiko von 25 % (ohne Röntgenaufnahmen). Auf welchen Wert steigt
statistisch gesehen das Risiko durch eine Röntgenuntersuchung (2 Aufnahmen) der Lunge?
1 Quelle: http://www.uke.de/kliniken/strahlentherapie/strahlenbiologie/downloads/zentrum-radiologie/V09.pdf (Download:
19.07.2015)
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M 7 MRT – Schnittbilder ohne Röntgenstrahlen
Allgemeines
Mit der Magnetresonanz-Tomografie (MRT) – auch Kernspin-Tomografie genannt – lassen sich
ähnliche Schnittbilder (Tomogramme) wie mit der Computer-Tomografie (CT) erzeugen. Jedoch
basiert die MRT auf einem anderen Prinzip als die CT, nämlich der Kernspin-Resonanz (engl.
Nuclear Magnetic Resonance, NMR). Da bei der MRT keine Röntgenstrahlen verwendet werden,
lassen sich auch Weichteile (wie Menisken, Bandscheiben, Sehnen, Tumore der Brust oder auch
das Gehirn), die kaum Röntgenstrahlen absorbieren, kontrastreich darstellen. Ein weiterer Vorteil
ist, dass der Patient keiner Röntgenstrahlenbelastung ausgesetzt wird.
Die MRT wurde als bildgebendes Verfahren von Paul C. Lauterbur (1929–2007) 1971 erfunden;
er veröffentlichte die Theorie zur Bildgebung im März 1973. Dafür erhielt er 2003 zusammen mit
Sir Peter Mansfield (geb. 1933) den Nobelpreis für Physiologie und Medizin. Das Prinzip der MRT
wird im Folgenden stark vereinfacht dargestellt.
Funktionsprinzip
Insbesondere Wasserstoff-Atomkerne (Protonen) besitzen eine Eigenrotation, den sog. Spin.
Jede rotierende Ladung stellt einen Kreisstrom dar, der ein Magnetfeld erzeugt. Die Protonen
wirken daher wie kleine Kompassnadeln (Stabmagnete, magnetische Dipole), d. h., sie besitzen
ein sog. magnetisches Moment (Nord- und Südpol).
Der menschliche Körper besteht zu zwei
Dritteln aus Wasser und damit aus einer
großen Zahl von Protonen. Im Normalfall sind d i e
magnetischen Momente der Protonen völlig
ungeordnet. Setzt man den menschlichen
Körper – wie bei der MRT – einem starken
Magnetfeld (ca. 1–3 Tesla) aus (Abb. 18), so
richten sich nach den Regeln der
Quantenmechanik die magnetischen Momente d e r
Protonen parallel oder antiparallel zum
Magnetfeld aus (Abb. 19). Hierbei besitzen die
antiparallel ausgerichteten Momente eine
höhere Energie als die parallel ausgerichteten.
Abb. 18: Bei der MRT wird der Patient einem starken
Magnetfeld ausgesetzt.
Abb. 19: Im Magnetfeld richten
sich die magnetischen Momente
parallel und antiparallel zum
Magnetfeld aus.
Magnetfeld aus: Die Protonen
haben eine zufällige Lage im
Raum.
Magnetfeld an: Im Magnetfeld
richten sich die Protonen aus,
wobei sich parallele und
antiparallele in ihrer Wirkung
gegenseitig aufheben (hell
dargestellt).
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Zusätzlich zu dem starken statischen Magnetfeld B0 wirkt auf den Probanden ein hochfrequentes
magnetisches Wechselfeld ΔB ein, dessen Frequenz f bei ca. 40 MHz liegt. Durch dieses
Wechselfeld wird Energie zugeführt (Abb. 20), d. h., ursprünglich parallel ausgerichtete
magnetische Dipole (niedrige Energie) richten sich antiparallel zum statischen Magnetfeld aus
(höhere Energie), sofern die Frequenz des Wechselfeldes geeignet gewählt ist, d. h., Resonanz
vorliegt. Dies ist der Fall, wenn die Bohr’sche Bedingung h f Δ= ∝E 0 B (h: Planck-Konstante)
erfüllt ist. Hierbei ist ΔE der energetische Unterschied der beiden in Abb. 20 skizzierten Niveaus,
der proportional zum statischen Magnetfeld ist.
Wird das hochfrequente magnetische Wechselfeld wieder ausgeschaltet, drehen sich die
magnetischen Dipole wieder teilweise in die Richtung des starken statischen Magnetfeldes zurück
(Abb. 20). Dabei geben sie die zuvor aufgenommene Energie wieder in Form schwacher
Hochfrequenzsignale (Radiowellen) ab. Die Stärke dieser Radiowellen ist u. a. von der
Wasserstoffdichte abhängig. Deshalb erhält man mit der Magnetresonanz-Tomografie
Informationen über die Gewebedichte. Eine hochempfindliche Antenne empfängt diese
Radiowellen, aus denen dann ein Computer ein Schnittbild (Tomogramm) berechnet.
Abb. 20: Ausrichtung der magnetischen Dipole im statischen Magnetfeld und Energieschema ohne (links) und mit
(rechts) magnetischem Wechselfeld geeigneter Frequenz
Ortscodierung
Um ein Schnittbild errechnen zu können, muss man genau wissen, aus welchem Körpergebiet
eine empfangene Radiowelle stammt. Wie kann man das aber herausfinden? Dazu wird mit
zusätzlichen Spulen das statische Magnetfeld in den drei Raumrichtungen x, y (quer zur
Körperachse) und z (längs der Körperachse) verändert, sodass ein inhomogenes statisches
Magnetfeld B0(x,y,z) vorliegt. Damit liegt an jedem Ort ein anderes Magnetfeld vor (z. B. ist das
Magnetfeld im Kopf stärker als im Bauch, oder umgekehrt).
Da der energetische Abstand der in Abb. 20 dargestellten Niveaus von der Stärke des statischen
Magnetfeldes B0(x,y,z) abhängt, benötigt man auch zum Umklappen der magnetischen Momente
eine ganz bestimmte, ortsabhängige Resonanzfrequenz f(x,y,z)
des Wechselfeldes, die zum Magnetfeld proportional ist:
f(x,y,z) ∝ B0(x,y,z).
Durch Variation der Frequenz des Wechselfeldes können somit
gezielt verschiedene Raumbereiche (sog. Voxels) im Patienten
angesprochen werden, was die Berechnung eines Schnittbildes
ermöglicht (Abb. 21).
Abb. 21: Magnetresonanz-Tomogramm des Gehirns ©
7 iStock/Thinkstock
M 7 Sonografie – Sehen mit Ultraschallwellen
Prinzip: Eine weitere Möglichkeit, Schnittbilder des Körperinneren ohne Röntgenstrahlung
herzustellen, bietet die Sonografie. Hierbei werden Ultraschallwellen2 zum Informationstransport
genutzt.
Dieses Prinzip nutzen auch Fledermäuse (Abb. 22). Fledermäuse senden Ultraschalllaute mit
Frequenzen zwischen 15 kHz bis 100 kHz aus. Die von der Umgebung reflektierten Ultra-
schallwellen dienen den Tieren zur Orientierung. Fledermäuse können so eine Motte in über fünf
Metern Entfernung wahrnehmen3. Dieses Prinzip wird auch in der Schifffahrt zur Messung der
Wassertiefe verwendet (Echolot). Dazu wird unter Wasser ein Schallimpuls ausgesendet und das
reflektierte Signal wieder empfangen (Abb. 23). Aus der Laufzeit des Schalls kann auf die
Wassertiefe geschlossen werden.
Abb. 23: Funktions-
Abb. 22: Eine Fledermaus ortet einen Schmetterling mit Ultraschallwellen. prinzip des Echolots
Anwendung in der Medizin
Bei einer Ultraschalluntersuchung erzeugt ein sog. Schallkopf Ultraschallwellen bei
typischerweise 1 bis 40 MHz (Abb. 24). Diese Schallwellen liegen oberhalb der Hörschwelle des
menschlichen Ohrs4. Im Schallkopf sind eine Vielzahl sog. Piezokristalle angeordnet. An diese
wird jeweils eine hochfrequente Wechselspannung gelegt. Dadurch beginnen die Kristalle mit der
Frequenz der Wechselspannung zu schwingen und emittieren nun wiederum Ultraschallwellen der
gleichen Frequenz.
2Ultraschallwellen sind Schallwellen mit Frequenzen zwischen etwa 20 kHz und 1 GHz. Sie sind für
Menschen nicht hörbar.
3 http://www.schule-bw.de/unterricht/faecher/nwt/unterrichtseinheiten/bausteine/ultraschall/fledermaeuse.html
4 http://www.digitalefolien.de/biologie/mensch/sinne/schall.html
8Aus der Frequenzänderung kann auf die Fließgeschwindigkeit v geschlossen werden. Es gilt:
Der Schallkopf wird direkt auf die
Körperoberfläche des Patienten (Haut)
gedrückt, damit die Ultraschallwellen ohne
Reflexion in den Körper eindringen. Dort
b r e i t e n s i e s i c h a u s u n d t r e ff e n a u f
verschiedene Organe und Gewebe (z. B.
Leber, Gallenblase oder Blutgefäße). Immer
dann, wenn Gewebe mit unterschiedlichen
Schallgeschwindigkeiten aneinandergrenzen,
findet an der Grenzschicht eine partielle
Reflexion der Schallwelle statt, d. h., die in
den Körper eindringenden Ultraschallwellen
werden an den verschiedensten Stellen im Abb. 24: Ultraschalluntersuchung während der
Körper des Patienten reflektiert. Schwangerschaft © Wavebreak Media/Thinkstock
Die Piezokristalle im Schallkopf, die auch als
Empfänger arbeiten, detektieren diese
reflektierten Wellen. Die so gewonnenen
Signale werden an einen Computer
weitergeleitet, der ein zweidimensionales
Schnittbild
(Tomogramm) oder ein dreidimensionales Bild
(Abb. 25) berechnet. Viele Bilder lassen sich
auch zu einem Video zusammenfassen. Die
Belastung durch Ultraschallwellen ist für den
Körper sehr gering. Daher können auch
sensible Gewebe und Ungeborene untersucht
werden.
Abb. 25: Dreidimensionales Bild eines Fötus im
Mutterleib © Dr. Bernard Benoit, Centre Hospitalier
Princesse GRACE, Monaco
Eine spezielle Art der Ultraschall-Unter-
suchung ist die sog. Doppler-Sonografie. Mit
ihr kann die Fließgeschwindigkeit des Blutes
in den Gefäßen (Arterien und Venen)
gemessen werden. So lassen sich
Gefäßverengungen aufdecken. Bei diesem
Ve r f a h r e n s e n d e t d e r S c h a l l k o p f
Ultraschallwellen einer bestimmten Frequenz f0
aus. Treffen diese Wellen auf die bewegten
Blutkörperchen in den Gefäßen, wird ein Teil
der Wellen mit veränderter Frequenz f r
reflektiert (Abb. 26). Diese Änderung der
Frequenz bei der Reflexion ähnelt dem
D o p p l e r - E f f e k t b e i A n n ä h e r u n g b z w. Abb. 26: Schematische Darstellung zur Doppler-
Sonografie
Entfernung einer Schallquelle.
2 f v c oθ s ( ) cΔ f
fr − f=0 Δ
f =0 v = .
c 2 0f c oθ s ( )
bzw.
Hierbei bedeuten: c: Schallgeschwindigkeit im Körper, θ : Winkel zwischen Schallkopf und
Blutgefäß.
9M 8 Positronen-Emissions-Tomografie in der Nuklearmedizin
Kernphysikalische Grundlagen
Bei der sog. Positronen-Emissions-Tomografie (PET) wird dem Probanden eine schwach
radioaktiv markierte Substanz – ein Radiopharmakon – verabreicht. Dies erfolgt meist durch
Injektion in die Armvene. Dieses Radiopharmakon verteilt sich dann im Gewebe und in den
Organen.
Als Radiopharmaka werden sog. β+ -Strahler
eingesetzt. Das sind radioaktive Stoffe, bei deren
Zerfall Positronen – positiv geladene Elektronen –
freigesetzt werden. Oft wird das radioaktive Fluor-18-
Isotop verwendet, das eine Halbwertszeit von 110
Minuten hat5 (Abb. 27).
Abb. 27: Radioaktiver Zerfall von 18F in 18O
Sobald ein radioaktiver Kern zerfällt, d. h., ein Positron entsteht, fängt sich das Positron sofort ein
Elektron ein und zerstrahlt. Das bedeutet, dass sich das Positron-Elektron-Paar in zwei
hochenergetische Röntgen-Quanten – in diesem Fall als Gamma-Quanten bezeichnet –
umwandelt. Diese Quanten haben jeweils eine Energie von 511 keV, was einer Wellenlänge von
2,4 pm entspricht. Sie fliegen unter einem Winkel von etwa 180o auseinander (Abb. 28).
Abb. 28: Schematische Anordnung der Positronen-Emissions-Tomografie
Bildentstehung
Das PET-Gerät enthält viele ringförmig um den Patienten angeordnete Strahlungsdetektoren (Abb.
28). Immer dann, wenn zwei gegenüberliegende Detektoren gleichzeitig (genauer: innerhalb von
10 ns) ein Signal liefern, weiß man, dass auf deren Verbindungslinie ein Positron-Elektron-Paar
zerstrahlt ist. Aus der Vielzahl der registrierten Zerfallsereignisse wird auf die räumliche Verteilung
des Radiopharmakons im Körperinneren geschlossen und eine Serie von Schnittbildern errechnet.
Je nach Stoffwechselaktivität reichert sich das Radiopharmakon unterschiedlich stark in
verschiedenen Körperregionen an. Tumore und Metastasen haben oft einen anderen Stoffwechsel
als gesundes Gewebe: Unterschiede lassen sich auf den PET-Bildern daher gut erkennen.
5In der Nuklearmedizin werden Isotope mit kurzer Halbwertszeit eingesetzt, damit die Radioaktivität nach
erfolgter Untersuchung schnell abklingt. Daher müssen i. d. R. die Präparate kurz vor der Anwendung –
beispielsweise mithilfe eines Zyklotrons – hergestellt werden.
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