Röntgen

Grundidee und Entwicklung

Röntgen, auch Röntgenuntersuchung, ist ein weit verbreitetes bildgebendes Verfahren: Ein Körper wird mit einem Röntgenstrahler durchstrahlt, und die unterschiedliche Durchdringung wird als Röntgenbild, Röntgenaufnahme oder Radiographie dargestellt. Die Geräte heißen Röntgenapparat oder Röntgengerät. Röntgenstrahlen dienen meist der Diagnostik, können aber auch ohne eigenen diagnostischen Zweck unterstützend eingesetzt werden.

Wilhelm Conrad Röntgen entdeckte die unsichtbaren Strahlen am 8. November 1895 in Würzburg bei Experimenten mit einer fast luftleeren Kathodenstrahlröhre. Am 22. Dezember bestrahlte er die linke Hand seiner Ehefrau Bertha Röntgen eine halbe Stunde lang; dies war die erste Röntgenaufnahme eines Menschen. Röntgen verzichtete auf ein Patent, damit Apparate schneller eingesetzt werden konnten, und erhielt 1901 den ersten Nobelpreis für Physik.

Röntgendiagnostik und Bildentstehung

In der Medizin werden Anomalien im Körper gesucht, die zusammen mit Symptomen, Zeichen und anderen Untersuchungen eine Diagnose ermöglichen. Gewebe absorbieren Röntgenstrahlen je nach Dichte unterschiedlich stark. Dadurch entstehen etwa Verschattungen, Aufhellungen und weitere Röntgenzeichen. Bei Verdacht auf einen Knochenbruch bestätigt eine Unterbrechung der Knochenkontinuität im Bild den Verdacht.

Eine herkömmliche Aufnahme bildet ein dreidimensionales Objekt auf einer zweidimensionalen Fläche ab. Deshalb werden beispielsweise Extremitäten meist in zwei Ebenen aufgenommen. Beim Sprunggelenk gehören dazu gewöhnlich eine seitliche, transversale Aufnahme sowie eine Aufnahme von vorne nach hinten, a.p. (anterior–posterior). Erst aus einer zweiten Richtung können etwa eine Verschiebung von Knochenbruchenden (Dislokation) oder eine Ausrenkung (Luxation) erkennbar sein. Standardaufnahmetechniken erleichtern die einheitliche Beurteilung.

Benötigt man Schnittbilder statt Übersichtsaufnahmen, wird Tomographie verwendet. Die moderne Röntgen-Computertomographie (CT) berechnet Schnittbilder aus elektronischen Daten von Aufnahmen aus verschiedenen Richtungen und liefert wesentlich höhere Bildqualität. Bei Eingriffen können Röntgen-Videos live angezeigt werden, etwa beim Einrenken oder Zurechtrücken von Knochen; so kann ein Skalpellschnitt teilweise vermieden werden. Hände im bestrahlten Operationsfeld werden möglichst mit Blei-Gummi-Handschuhen geschützt.

Die Röhrenspannung bestimmt die Strahlenqualität. Bei Mammografie werden etwa 25 bis 35 kV, bei anderen Körperregionen etwa 38 bis 120 kV verwendet. Weiche Strahlung mit niedrigen kV-Werten wird stärker absorbiert und macht feine Gewebeunterschiede sichtbar, belastet das durchstrahlte Gewebe aber relativ stark. Harte Strahlung über 100 kV durchdringt Gewebe und Materialien leichter, verringert jedoch Kontrastunterschiede; Lungenaufnahmen erfolgen beispielsweise mit 120 kV.

Kontrastmittel und digitale Verfahren

Die Absorption hängt vom Energieniveau der Strahlung sowie von Dicke, Atomdichte und Ordnungszahl Z des Materials ab. Luft in Hohlorganen und Körperhöhlen absorbiert wenig und kann diese Bereiche sichtbar machen. Calcium in Knochen hat Z = 20 und erzeugt gegenüber umgebendem Gewebe einen deutlichen Schatten. Titanprothesen (Z = 22) absorbieren stärker als Knochen, Stahl mit Eisen (Z = 26) noch stärker.

Kontrastmittel heben sonst schlecht abgrenzbare Strukturen hervor oder zeigen Funktionen eines Organsystems, etwa bei der Urografie. Thorium (Z = 90) wurde als Thorotrast in der Angiographie eingesetzt, aber wegen seiner Radioaktivität um 1955 verboten. Bariumsulfat BaSO₄ mit Barium Z = 56 dient als wässrige Aufschlämmung zur Darstellung von Magen-Darm-Trakt und Durchgangsgeschwindigkeit. Organische Iodverbindungen mit Iod Z = 53 werden intravenös oder intraarteriell für Angiographien eingesetzt.

Digitales Röntgen ist heute Standard in der bildgebenden Diagnostik. Es nutzt Phosphorplatten, auch Röntgenspeicherfolien, oder elektronische Sensoren wie CCD-Sensoren. Gegenüber analogem Röntgen senkt es die Strahlenbelastung, vermeidet Über- und Unterbelichtung, stellt Bilder sofort bereit und erlaubt ihre Nachbearbeitung am Computer. Dunkelkammer, Entwicklungsgerät und Verbrauchsmaterialien sind nicht nötig, was auch die Umweltbelastung reduziert. Die digitale Speicherung ist standardisiert und erleichtert das Weiterleiten der Dateien an andere Ärzte.

Strahlenbelastung und Schutz

Röntgenstrahlung ist nur ein Teil der gesamten Strahlenbelastung. Die natürliche Belastung beträgt jährlich etwa 2,4 mSv/a: 0,3 mSv/a kosmische Strahlung, 0,5 mSv/a Erdstrahlung, 1,3 mSv/a natürliche Radoninhalation und 0,3 mSv/a durch aufgenommene natürliche radioaktive Stoffe. Hinzu kommen etwa 1,53 mSv/a zivilisatorische Belastung; davon entfallen 1,5 mSv/a vor allem auf medizinische Anwendungen.

Als Vergleichswerte für eine einzelne Röntgenuntersuchung nennt der Artikel: Zähne/Kiefer und Thorax jeweils 0,02 mSv, Becken 0,1 mSv, Schädel und Halswirbelsäule jeweils 0,2 mSv, Rippen und Bauchraum jeweils 0,3 mSv, Lendenwirbelsäule 0,4 mSv und Brustwirbelsäule 0,5 mSv. Eine zehnstündige Flugreise entspricht 0,1 mSv. Strahleninduzierte Krebserkrankungen treten in der Regel erst nach Jahren auf; für Leukämie werden in diesem Dosisbereich 15 Jahre, für andere Krebsformen 40 Jahre genannt.

Strahlenschutz ist wichtig, weil die Dosen für Patienten und Anwender potenziell schädlich sind. In Deutschland kann ein Röntgenpass Datum und bestrahlte Körperregion dokumentieren. Der Operateur löst die Aufnahme aus einem Nachbarraum mit dauerhaft gedrücktem Knopf und beobachtet dabei den Patienten. Deutschland liegt laut Artikel bei etwa 1,3 Aufnahmen und 2 mSv pro Einwohner und Jahr. CTs machten 2003 gut 6 % aller Röntgenuntersuchungen aus, verursachten aber mehr als 50 % der medizinischen Strahlenexposition. Notwendige Untersuchungen sollen deshalb nicht unterbleiben, ihre Angemessenheit soll jedoch geprüft werden.

Serielle Aufnahmen und wissenschaftliche Nutzung

Beim seriellen Röntgen oder der seriellen Radiographie wird eine zeitlich geordnete Reihe von Aufnahmen erstellt. Sie dokumentiert Bewegungen oder Veränderungen anatomischer Strukturen, etwa den Verlauf einer Verletzung, Erkrankung, Heilung oder postoperativen Veränderung. Der Patient wird dazu in unterschiedlichen Positionen oder Bewegungen aufgenommen. Lewis Gregory Cole war ein Pionier dieser Technik; 1918 wurden Röntgenstrahlen mit Filmkameras eingesetzt, um das Skelett in Bewegung zu erfassen.

In der Biologie können röntgenbasierte Darstellungen beispielsweise Aufbau und Lage des Kreislaufsystems von Wirbellosen schneller untersuchen als Präparation unter dem Mikroskop oder histologische Schnitte. Die Röntgenbeugung an einer Probe ermöglicht die Aufklärung von Kristallstrukturen und die Visualisierung von Molekülen. Bei DNA, RNA und Proteinen lassen sich aus der Struktur Schlüsse auf die Funktion ziehen. Röntgenabsorptionsspektroskopie misst statt der Beugung die Absorption; sie ist nicht auf kristalline Proben beschränkt, klärt jedoch nur Nahstrukturen auf und wird unter anderem für aktive Zentren von Enzymen genutzt.

In Geologie und Mineralogie regt Röntgenfluoreszenz-Analyse bei etwa 50 kV Elemente einer Probe zu charakteristischer Fluoreszenzstrahlung an. Deren Wellenlänge bestimmt Elemente qualitativ; Intensität und Vergleich mit einer Standardprobe erlauben quantitative Analysen. Das Verfahren ist zerstörungsfrei, auch wenn Proben zuvor fein gemahlen und zu Tabletten gepresst werden. Archäologen durchleuchten Mumien oder geschlossene, kompliziert aufgebaute Funde, ohne sie zu öffnen oder zu zerstören. Bei Gemälden macht Röntgentechnik Schichten des Bildaufbaus sichtbar.

Technische Anwendungen

An Kontrollpunkten dienen Scanner zum schnellen Durchleuchten von Hohlräumen oder Menschen. Es gibt Anlagen für ganze LKW-Ladungen und Container sowie mobile Geräte für ganze Flugzeuge. Auch bei der Delaborierung von Bomben unterstützt Röntgentechnik die Analyse. In der Werkstoffprüfung werden Objekte bei der Durchstrahlungsprüfung auf innere Risse und Hohlräume untersucht; Röntgenrefraktionsanlagen können Mikrorisse durch einen Belastungsmechanismus leicht öffnen.

In der Nahrungsmittelproduktion suchen Röntgensysteme nach metallischen und nichtmetallischen Fremdkörpern. Röhre, Kollimator und Empfänger liefern ein Bild, das Computerprogramme auf Kontaminationen prüfen. Bei einem Fund steuert ein Gerät das betroffene Lebensmittel aus. Die Untersuchung selbst hat keine haltbarmachende oder zerstörende Wirkung auf das Produkt. Sie kann jedoch keine vollständige Kontaminationsfreiheit garantieren: Ähnliche Röntgeneffekte von Produkt und Fremdkörper sind schwer zu unterscheiden, etwa bei Fleisch und Fett. Große Unterschiede erleichtern die Erkennung, beispielsweise zwischen Käse und einem Stein, Eisen- oder Aluminiumstück.