M 1 Welche Körperteile wurden hier geröntgt?

M 1 Welche Körperteile wurden hier geröntgt?

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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.

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 werden. Dank jodhaltiger Kontrastmittel (Iod (Z = 53)), die 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.

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. 10: Schematische Anordnung bei der Radiografie

Abb. 11: Prinzip des „Schattenwurfs“ bei der Radiografie

Abb. 12: Röntgenaufnahme eines Thorax

© OZMedia/Shutterstock

Röntgenquelle Film

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M 5 Computer-Tomografie – Fortsetzung

Abb. 16 b: Einzelnes Tomogramm des Gehirns © Flik47/

Shutterstock

Abb. 17: BU: Coloured 3D computed tomography (CT) scan 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

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 erkranken ¹

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?

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

Quelle: http://www.uke.de/kliniken/strahlentherapie/strahlenbiologie/downloads/zentrum-radiologie/V09.pdf (Download:

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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 r i c h t e n s i c h n a c h d e n R e g e l n d e r

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. 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, w o b e i s i c h p a r a l l e l e u n d antiparallele in ihrer Wirkung gegenseitig aufheben (hell dargestellt).

Abb. 18: Bei der MRT wird der Patient einem starken Magnetfeld ausgesetzt.

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: 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).

Δ ₀

h f = E B∝

∝

7 Abb. 21: Magnetresonanz-Tomogramm des Gehirns ©

iStock/Thinkstock

M 7 Sonografie – Sehen mit Ultraschallwellen

Prinzip: Eine weitere Möglichkeit, Schnittbilder des Körperinneren ohne Röntgenstrahlung herzustellen, bietet die Sonografie. Hierbei werden Ultraschallwellen zum Informationstransport ² 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 wahrnehmen . Dieses Prinzip wird auch in der Schifffahrt zur Messung der ³ 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.

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 Ohrs . Im Schallkopf sind eine Vielzahl sog. ⁴ 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.

Ultraschallwellen sind Schallwellen mit Frequenzen zwischen etwa 20 kHz und 1 GHz. Sie sind für

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Menschen nicht hörbar.

http://www.schule-bw.de/unterricht/faecher/nwt/unterrichtseinheiten/bausteine/ultraschall/fledermaeuse.html

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Abb. 23: Funktions- prinzip des Echolots Abb. 22: Eine Fledermaus ortet einen Schmetterling mit Ultraschallwellen.

Aus der Frequenzänderung kann auf die Fließgeschwindigkeit v geschlossen werden. Es gilt:

bzw.

Hierbei bedeuten: c: Schallgeschwindigkeit im Körper, : Winkel zwischen Schallkopf und Blutgefäß.

D e r S c h a l l k o p f w i r d d i r e k t a u f d i e Körperoberfläche des Patienten (Haut) gedrückt, damit die Ultraschallwellen ohne Reflexion in den Körper eindringen. Dort breiten sie sich aus und treffen auf 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 Körper des Patienten reflektiert.

Die Piezokristalle im Schallkopf, die auch als Empfänger arbeiten, detektieren diese reflektierten Wellen. Die so gewonnenen S i g n a l e w e r d e n a n e i n e n C o m p u t e r 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.

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) g e m e s s e n w e r d e n . S o l a s s e n s i c h Gefäßverengungen aufdecken. Bei diesem V e 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 fr

reflektiert (Abb. 26). Diese Änderung der Frequenz bei der Reflexion ähnelt dem Doppler-Effekt bei Annäherung bzw.

Entfernung einer Schallquelle.

Abb. 26: Schematische Darstellung zur Doppler- Sonografie

Abb. 24: Ultraschalluntersuchung während der Schwangerschaft © Wavebreak Media/Thinkstock

Abb. 25: Dreidimensionales Bild eines Fötus im Mutterleib © Dr. Bernard Benoit, Centre Hospitalier Princesse GRACE, Monaco

0 θ

r 0

2 f v c o s ( ) f f f =

− =Δ c Δ

0 θ

c f

v = .

2 f c o s ( ) θ

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M 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 hat (Abb. 27). ⁵

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 180^o 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.

In der Nuklearmedizin werden Isotope mit kurzer Halbwertszeit eingesetzt, damit die Radioaktivität nach

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Abb. 27: Radioaktiver Zerfall von ¹⁸F in ¹⁸O