Thomas J. Vogl Wolfgang Reith Ernst J. Rummeny (Hrsg.) Diagnostische und Interventionelle Radiologie

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Thomas J. Vogl • Wolfgang Reith • Ernst J. Rummeny (Hrsg.)

Diagnostische und Interventionelle Radiologie

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Thomas J. Vogl • Wolfgang Reith • Ernst J. Rummeny (Hrsg.)

Diagnostische

und Interventionelle Radiologie

Mit Beiträgen von: J. O. Balzer, A. Beer, B. Bodelle, M. Brügel, Th. Diebold, M. Dobritz, M. Eiber, H.-P. Engels, J. Gaa, C. Hannig, P. Hellerhoff, C. Herzog, C. Hillerer, K. Holzapfel, T. Link, F. Marquart, D. Müller, P. Proschek,

W. Reith, E. J. Rummeny, S. Schmidt, J. Stollfuss, Th. Vogl, S. Waldt, A. Wetter, A. Wuttge-Hannig, S. Zangos

Mit 2551 Abbildungen

123

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Prof. Dr. med. Thomas J. Vogl

Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie Klinikum der Johann-Wolfgang Goethe-Universität Theodor Stern Kai 7

60590 Frankfurt

T.Vogl@em.uni-frankfurt.de

Prof. Dr. med. Wolfgang Reith

Klinik für Diagnostische und Interventionelle Neuroradiologie Universitätsklinikum des Saarlandes

66421 Homburg/Saar nrreith@uniklinik-saarland.de

Prof. Dr. med. Ernst J. Rummeny Institut für Radiologie

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München Ismaninger Straße 22

81675 München

rummeny@roe.med.tu-muenchen.de

ISBN 978-3-540-87667-0 Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

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Planung: Peter Bergmann, Heidelberg

Projektmanagement: Christiane Beisel, Heidelberg Lektorat: Dr. Susanne Meinrenken, Bremen

Zeichnungen: Emil Wolfgang Hanns, Gundelfingen, Ingrid Schobel, München Layout und Umschlaggestaltung: deblik Berlin

Satz, Reproduktion und digitale Bearbeitung der Abbildungen: Fotosatz-Service Köhler GmbH – Reinhold Schöberl, Würzburg SPIN: 10985953

Gedruckt auf säurefreiem Papier

(5)

V

Geleitwort

Die moderne Diagnostische und Interventionelle Radiologie ist von allen Disziplinen der Medizin in beson- derem Maße ständig sich wandelnden Bedingungen unterworfen. Vor dem Hintergrund eines stetig sich be- schleunigenden technischen Fortschritts und der sich weiter entwickelnden diagnostischen und interventio- nell-therapeutischen Möglichkeiten ist es für jeden angehenden Facharzt wie auch jeden gestandenen Kolle- gen trotz der zunehmenden Subspezialisierungen immens wichtig, einen möglichst kompletten Überblick über das gesamte Fachgebiet zu haben. Leider gibt es seit Jahren in unserem Fach kein einzelnes Buch in deutscher Sprache mehr, dass dem Anspruch, die gesamte Radiologie auf »state-of-the-art«-Facharztniveau darzustellen, gerecht wird.

Vor diesem Hintergrund haben sich die Herausgeber des vorliegenden Werkes der Herausforderung ge- stellt, ein solches aktuelles Übersichts- und Nachschlagewerk zu schaffen, welches den Anfänger durch seine Facharztweiterbildung begleitet und auch dem erfahrenen Praktiker einen Überblick über das gesamte Fach vermittelt.

Dieser großen Herausforderung wird das Werk voll und ganz gerecht. Den Herausgebern und Autoren ist es gelungen, in prägnanten Kapiteln mit über 2500 hochwertig reproduzierten Abbildungen von der Indika- tionsstellung und -überprüfung über die systematische Herangehensweise bei der Bildanalyse bis hin zu allen gängigen interventionellen Verfahren das gesamte Fachgebiet auf heutigem Standard darzustellen.

Angesichts der großen und wachsenden Bedeutung der bildgebenden Verfahren und der Zunahme sowohl der Patientenzahlen in der diagnostischen Radiologie wie auch der Zahl der interventionellen Eingriffe, ist die Zeit für eine strukturierte Facharztweiterbildung häufig genug begrenzt. Gerade deshalb ist diesem Buch eine große Verbreitung zu wünschen.

Prof. Dr. Maximilian Reiser

Direktor des Instituts für Klinische Radiologie am Klinikum der Universität München

(6)

VII

Vorwort

Die Fachgebiete der Diagnostischen und Interventionellen Radiologie wie auch der Neuroradiologie unterliegen einem enormen raschen Wandel und sowohl technische als auch klinische Innovationen stellen Tag für Tag eine große Herausforderung an diese Disziplinen dar. Auch neue Therapieverfahren stellen den Radio- logen täglich vor neue Herausforderungen. Jährlich ändern sich die Indikationen für die verschiedenen diagnostischen und interventionellen Fragestellungen, einzelne Techniken kommen hinzu und andere Techniken werden durch moderne, weniger invasive oder belastende Verfahren abgelöst. Die ständige Qualitätsverbes- serung resultiert in einer weiteren Standardisierung von diagnostischen Untersuchungen und Strukturierun- gen von Befunden. Im vorliegenden Buch sind einmal zunächst die technischen Grundlagen für alle bildgebenden Verfahren vorgestellt. Für die jeweiligen Kapitel der Diagnostischen und interventionellen Radio- logie sowie Neuroradiologie sind die klinischen Fragestellungen an die untersuchungstechnischen Aspekte angelegt.

Trotz weiterer Subspezialisierungen in den obigen Fachgebieten ist es enorm wichtig, das notwendige Facharztwissen und die Weiterbildungsinhalte zu definieren und die notwendigen Informationen für den angehenden Facharzt zusammenzutragen. Gerade die Konzentration auf die wesentlichen Informationen stellt die größte Herausforderung an Herausgeber und Autoren dar.

Die zunehmend eingeschränkten personellen und materiellen Ressourcen bei steigendem Leistungsvo- lumen erfordern auch einen gezielten Einsatz der einzelnen bildgebenden Verfahren entsprechend den Leit- linien. Dabei wurde versucht, den Einsatz der bildgebenden Verfahren den Leitlinien anzupassen, die sowohl für die radiologischen Disziplinen als auch für die klinischen Disziplinen und Fragestellungen gelten.

Zusammen mit den Mitarbeitern vom Springer Medizin Verlag haben wir dieses gesamte Wissen struk- turiert und in einem Buch zusammengefasst. Diesen dynamischen Prozess zu steuern, die wesentlichen In- formationen herauszugreifen, hat uns – den Herausgebern und den Autoren – sehr viel Freude gemacht und in den zahlreichen Kapiteln wird der Leser hoffentlich auf diesen Enthusiasmus stoßen.

Es ist uns gelungen, ein Kompendium für den angehenden Facharzt mit Zielrichtung einer strukturierten Weiterbildung und der Umsetzung in die tägliche Praxis zu verfassen. Da es sich um einen sehr dynamischen Prozess handelt, wird weiter an der Optimierung gearbeitet werden müssen.

Wir als Autoren und Herausgeber hoffen, dass ein hoher Bedarf an einer strukturierten systemischen und übersichtlichen Darstellung der Technik, der Indikationen, der diagnostischen Kriterien und der Differenzial- diagnostik wie auch der Interventionen auf dem Gebiet der Diagnostischen und Interventionellen Radiologie und Neuroradiologie besteht.

Wir bedanken uns bei all den Kollegen und Kolleginnen, die dieses Buch unterstützt haben – sowohl bei der Vorbereitung als auch bei der Erstellung und Zusammenstellung des Stoffs. Den Mitarbeitern des Springer Medizin Verlags und der Lektorin Susanne Meinrenken sei für die hochkompetente Beratung und den enormen Einsatz gedankt.

Thomas J. Vogl Wolfgang Reith Ernst J. Rummeny

(7)

IX

Inhaltsverzeichnis

I Allgemeine Radiologie

1 Physikalische Grundlagen . . . 3 W. Reith

2 Strahlenbiologie und Strahlenschutz . . . . 11 W. Reith

3 Konventionelle Röntgendiagnostik . . . 21 W. Reith

4 Computertomographie . . . . 29 W. Reith

5 Magnetresonanztomographie . . . 37 W. Reith

6 Angiographie und Intervention . . . 45 W. Reith

7 Ultraschall . . . 49 W. Reith

8 Kontrastmittel . . . 55 W. Reith

II Neuroradiologie

9 Gehirn . . . . 61 W. Reith

10 Wirbelsäule . . . 273 W. Reith

III Kopf und Hals

11 Felsenbein und mittlere Schädelbasis . . . 361 Th. Vogl

12 Nasopharynx und Parapharyngealraum . . . 385 Th. Vogl

13 Gesichtsschädel, Nasennebenhöhlen und Orbita 397 Th. Vogl

14 Orbita . . . 415 Th. Vogl

15 Kiefergelenk und Zähne . . . 445 Th. Vogl

16 Speicheldrüsen . . . . 455 Th. Vogl

17 Oropharynx und Mundhöhle . . . 465 Th. Vogl

18 Larynx, Hypopharynx und Weichteile . . . . 473 Th. Vogl

IV Thorax, Mediastinum, Pleura

19 Thorax, Mediastinum . . . 489 P. Proschek, Th. Vogl

V Mamma

20 Bildgebende und Interventionelle Diagnostik der Brustdrüse mittels Röntgen-Mammographie, Mamma-Sonographie und MR-Mammographie . . 613 Th. Diebold, Th.Vogl

VI Herz und Gefäße

21 Herz und Gefäße . . . 681 C. Herzog, Th. Vogl

22 Gefäßdiagnostik und Interventionstechniken . . . 715 J. O. Balzer, Th. Vogl

23 Vaskuläre interventionelle Therapieverfahren . . . 739 Th. Vogl, B. Bodelle

(8)

VII Gastrointestinaltrakt

24 Leber . . . 757 C. Hillerer, K. Holzapfel, J. Gaa, Th. Vogl

25 Gallenblase und Gallenwege . . . 827 M. Brügel, J. Gaa

26 Pankreas . . . 863 M. Brügel

27 Milz . . . 901 E.J. Rummeny, M. Eiber

28 Radiologische Diagnostik des Schluckakts

und des Ösophagus . . . 913 P. Hellerhoff, A. Wuttge-Hannig, C. Hannig

29 Magen und Darm (Dünndarm, Dickdarm

und Rektum) . . . . 951 J. Stollfuss, P. Hellerhoff

VIII Urogenitaltrakt

30 Nebenniere . . . 995 E. J. Rummeny, K. Holzapfel

31 Nieren, Harnwege und Harnblase . . . 1005 A. Beer, E. J. Rummeny

32 Prostata, Hoden und Nebenhoden . . . 1049 A. Wetter, Th. Vogl

33 Diagnostik der inneren weiblichen Genitalorgane 1061 S. Zangos, F. Marquart

IX Knochen und Gelenke

34 Allgemeine Traumatologie . . . . 1093 S. Schmidt, H.-P. Engels

35 Spezielle Traumatologie . . . 1099 H.-P. Engels

36 Entzündliche Erkrankungen des Knochens . . . 1131 S. Waldt, K. Holzapfel

37 Primäre und sekundäre Knochentumoren . . . . 1141 S. Waldt

38 Tumorähnliche Knochenläsionen

(Tumor-like lesions) . . . 1171 S. Waldt

39 Systemische Skeletterkrankungen . . . 1179 S. Waldt, D. Müller, T. Link

40 Erkrankungen der Gelenke . . . 1221 S. Waldt, M. Eiber

Anhang

Glossar . . . . 1271 Stichwortverzeichnis . . . . 1277 X Inhaltsverzeichnis

(9)

XI

Autorenverzeichnis

Dr. med. Jörn O. Balzer

Facharzt für Diagnostische Radiologie St. Vincenz-Elisabeth-Hospital Abteilung Radiologie

An der Goldgrube 11 55131 Mainz

PD Dr. med. Ambros Beer Klinik für Nuklearmedizin Klinikum rechts der Isar

der Technischen Universität München Ismaninger Straße 22

81675 München

Dr. med. Boris Bodelle Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie Klinikum der Johann Wolfgang Goethe- Universität

Theodor-Stern-Kai 7, Haus 23 C 60590 Frankfurt

Dr. med. Melanie Brügel Institut für Radiologie Klinikum rechts der Isar

81675 München

Dr. med. Thomas Diebold Radiologische Gemeinschaftspraxis Bad Homburg

Hessenring 64 61348 Bad Homburg

Dr. med. Martin Dobritz Institut für Radiologie Klinikum rechts der Isar

81675 München

Dr. med. Matthias Eiber Institut für Radiologie Klinikum rechts der Isar

81675 München

Dr. med. Hans-Peter Engels Radiologische Praxis Halderstraße 29 86150 Augsburg

Prof. Dr. med. Jochen Gaa Institut für Radiologie Klinikum rechts der Isar

81675 München

Prof. Dr. med. Christian Hannig Institut für Radiologie

Klinikum rechts der Isar

81675 München

Dr. med. Paul Hellerhoff Klinikum Dritter Orden Abteilung Radiologie Menzinger Straße 44 80638 München

Dr. med. Christopher Herzog Radiologie München

Ärztehaus Burgstraße 7 80331 München

Dr. med. Claudia Hillerer Klinik für Nuklearmedizin Klinikum rechts der Isar

81675 München

Dr. med. Klaus Holzapfel Institut für Radiologie Klinikum rechts der Isar

81675 München

Prof. Dr. med. Thomas Link Department of Radiology University of Southern California 1500 San Pablo Street

90033 Los Angeles, CA, USA

Dr. med. Franz Marquart Internist – Endokrinologie Lehrpaxis der Universität München Isabellastraße 31

80796 München

Dr. med. Dirk Müller Institut für Radiologie Klinikum rechts der Isar

81675 München

Dr. med. Petra Proschek

MedKonsil Medizinisches Versorgungs- zentrum GmbH

Friedrichstraße 43 65185 Wiesbaden

Prof. Dr. med. Wolfgang Reith Klinik für Diagnostische und Inter- ventionelle Neuroradiologie Universitätsklinikum des Saarlandes 66421 Homburg/Saar

Prof. Dr. med. Ernst J. Rummeny Institut für Radiologie

Klinikum rechts der Isar

81675 München

Dr. med. Stefan Schmidt Klinik für Nuklearmedizin Klinikum rechts der Isar

81675 München

PD Dr. med. Jens Stollfuss Abteilung für Radiologie und Nuklearmedizin Klinikum Memmingen Bismarckstraße 23 87700 Memmingen

(10)

Prof. Dr. med. Thomas J. Vogl Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie Klinikum der Johann Wolfgang Goethe-Universität

PD Dr. med. Simone Waldt Institut für Radiologie Klinikum rechts der Isar

81675 München

Dr. med. Axel Wetter

Klinik für Radiologie und Neuroradiologie Klinikum Duisburg-Wedau-Kliniken Zu den Rehwiesen 9–11

45133 Essen

Dr. med. Anita Wuttge-Hannig Gemeinschaftspraxis Radiologie – Strahlentherapie – Nuklearmedizin Karlsplatz 3–5

80335 München

PD Dr. med. Stephan Zangos Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie Klinikum der Johann Wolfgang Goethe-Universität

XII Autorenverzeichnis

(11)

I

Allgemeine Radiologie

1 Physikalische Grundlagen – 3

W. Reith

2 Strahlenbiologie und Strahlenschutz – 11

W. Reith

3 Konventionelle Röntgendiagnostik – 21

W. Reith

4 Computertomographie – 29

W. Reith

5 Magnetresonanztomographie – 37

W. Reith

6 Angiographie und Intervention – 45

W. Reith

7 Ultraschall – 49

W. Reith

8 Kontrastmittel – 55

W. Reith

(12)

1 1 Physikalische Grundlagen

W. Reith

1.1 Strahlungsarten – 4 1.1.1 Teilchenstrahlung – 4

1.1.2 Wellenstrahlung (elektromagnetische Strahlung) – 4 1.2 Struktur von Materie und radioaktiver Zerfall – 4 1.2.1 Aufbau von Atomen – 4

1.2.2 Formen des radioaktiven Zerfalls – 5 1.2.3 Das Zerfallsgesetz – 6

1.3 Wechselwirkung von Strahlung und Materie – 6 1.3.1 Allgemeines – 6

1.3.2 Röntgenstrahlung – 7

1.4 Messung von Strahlung/Dosimetrische Größen – 9 1.4.1 Messgrößen in der Nuklearmedizin – 9

1.4.2 Nachweis von Strahlung – 9

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4 Kapitel 1 · Physikalische Grundlagen

1

^1.1

Strahlungsarten

Als Strahlung wird jede freie Ausbreitung von Energie im Raum bezeichnet, wobei man Teilchenstrahlung (Korpuskularstrahlung) und Wellenstrahlung (elektromagnetische Strahlung) unterscheidet. Da in der Quantentheorie der Wellenstrahlung Teilcheneigen- schaften zugesprochen werden, wird elektromagnetische Wellen- strahlung auch als Photonen- oder Quantenstrahlung bezeichnet.

Die Energie der Strahlung wird in Joule oder Elektronenvolt gemessen. Ein Joule ist die Energie, die man aufwenden muss, um eine Masse von ca. 100 g um 1 m anzuheben. Eine Ladung Q kann durch elektrische Felder beschleunigt werden, wobei beim Durch- laufen einer Spannungsdifferenz U kinetische Energie gewonnen wird. Ein Elektronenvolt ist die Energie, die ein Elektron beim Durchlaufen einer Spannungsdifferenz von 1 V aufnimmt. Für die Umrechnung gilt:

1 J entspricht 6,242 · 10¹⁸ Elektronenvolt

1.1.1 Teilchenstrahlung

Die Bestandteile der Teilchenstrahlung, die Korpuskel, besitzen eine Ruhemasse (m0) und können eine Ladung tragen. Ihre Ener- gie setzt sich aus der so genannten Ruheenergie E0 und Bewe- gungsenergie Ekin zusammen:

E = E0 + Ekin

Die Ruheenergie ergibt sich aus der Ruhemasse und der Licht- geschwindigkeit (c):

E0 = m0 × c2

1.1.2 Wellenstrahlung

(elektromagnetische Strahlung)

Elektromagnetische Wellen bestehen aus einem elektrischen und einem magnetischen Feld. In der Quantentheorie werden elektromagnetischen Wellen Teilcheneigenschaften zugesprochen.

Diese Teilchen, Photonen, tragen weder Masse noch Ladung, sondern nur Energie der Strahlung.

Wellen werden durch ihre Wellenlänge λ, ihre Frequenz f und ihre Amplitude A beschrieben. Wellenlänge und Frequenz sind über die Ausbreitungsgeschwindigkeit C verknüpft:

C = λ × f

Elektromagnetische Strahlung breitet sich stets mit Lichtge- schwindigkeit aus. Die Energie der elektromagnetischen Strah- lung ist ihrer Frequenz f proportional:

E = h × f

Dabei ist h die Naturkonstante (Planck’sches Wirkungsquantum).

Zu den elektromagnetischen Wellen werden auch sichtbares Licht, Infrarotstrahlung, UV-Strahlung, Radiowellen, Röntgenstrah-

lung, γ-Strahlung und Mikrowellen gerechnet. Sie unterscheiden sich nur durch die Frequenz der Strahlung und damit durch ihre Energie.

1.2

Struktur von Materie und radioaktiver Zerfall

1.2.1 Aufbau von Atomen

Das Atom ist aus Protonen, Neutronen und einer Hülle aus Elek- tronen aufgebaut. Nach dem Atommodell von Rutherford bestehen Atome aus einer Hülle aus negativ geladenen Elektronen und einem positiv geladenen Kern. Die Elektronen werden durch die elektromagnetische Wechselwirkung an den Kern gebunden.

Der Atomkern besteht aus Nukleonen, den positiv geladenen Protonen und den ungeladenen Neutronen. Die Nukleonen werden durch die Kernkraft aneinander gebunden. Diese anziehende Kraft ist im Bereich der kurzen Distanz des Atomkerns sehr viel stärker als die abstoßende elektromagnetische Kraft, die zwischen den positiv geladenen Protonen wirkt.

Die Atome eines chemischen Elements werden durch die Zahl der Protonen charakterisiert, die als Ordnungszahl Z bezeichnet wird (. Abb. 1.1). Atome mit gleicher Protonenzahl, aber verschiedener Neutronenzahl N, werden als Isotope eines Elements bezeichnet. Eine durch eine bestimmte Protonen- und Neutronenzahl charakterisierte »Atomsorte« wird als Nuklid bezeichnet. Die Summe aus Protonen- und Neutronenzahl wird als Massenzahl A bezeichnet. Ein Atom ist dann nach außen hin elektrisch neutral, wenn die Anzahl der Elektronen in der Hülle der Anzahl der Protonen im Kern entspricht. Ist die Zahl der Hüllenelektronen verschieden von der Protonenzahl, so ist das Atom elektrisch geladen, wobei man dann nicht von einem Atom, sondern von einem Ion spricht. Dieser Zustand wird durch An- gabe des Ladungszustandes dargestellt, z. B. Na⁺, Cl^-, Fe²⁺.

Aus der zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelten Theorie der Quantenmechanik folgte, dass sich Elektronen nur auf Scha- len bestimmter Energie (Energieniveaus) bewegen können. Die Zahl der Elektronen pro Schale ist dabei begrenzt, die Schalen

Tab. 1.1. Die wichtigsten Korpuskel und ihre Eigenschaften .

Korpuskel Ladung Masse im Vergleich zum Elektron

Energie bei einer Reichweite von 10 cm

Elektron (β–) –1 1 20 MeV

Positron (β+) +1 1 20 MeV

Proton +1 1836 100 MeV

Neutron 0 1839 –

α-Teilchen (Heliumkern)

+2 7294 600 MeV

Die Reichweite von Neutronen ist wie bei Photonen nicht begrenzt, es findet nur eine exponenzielle Schwächung der Intensität statt

(14)

1

5

werden in der Reihenfolge zunehmender Energie angeordnet und als K-, L-, M-, N-Schalen etc. bezeichnet. Ihr Energiewert entspricht der Energie, die notwendig ist, um das jeweilige Elek- tron vollständig vom Atom zu trennen. Statt ein Atom zu verlassen (Ionisation), kann ein Elektron auf eine Schale höherer Energie übergehen (Anregung). Die Energiedifferenz muss dem Elektron, z. B. durch Strahlung, zugeführt werden. Geht ein an- geregtes Elektron wieder auf eine Schale geringerer Energie über, wird die Energiedifferenz in charakteristische Strahlung (Rönt- genstrahlung) oder bei leichtatomigem Material in Form eines Auger-Elektrons umgesetzt. Die Emission von Licht wird als Lumineszenz bezeichnet. Durch die Messung der Energie der charakteristischen Strahlungen (Spektroskopie) kann das chemische Element eindeutig identifiziert werden. Die Elektronen- hülle legt die elektronischen Eigenschaften eines Atoms fest.

Atome mit abgeschlossenen Schalen (z. B. die Edelgase Helium und Neon) sind chemisch reaktionsträge (. Abb. 1.2).

Auch der Atomkern zeigt eine Schalenstruktur, wobei die Schalenübergänge wie von Nukleonen nur unter Energieaufnah- me (Kernanregung) oder Energieabgabe (Kernzerfall) in Form von energetischer Strahlung möglich sind.

1896 stellte Becquerel fest, dass eine photographische Platte durch Urankristalle geschwärzt wird. Dies führte zur Entdeckung des radioaktiven Zerfalls. Beim radioaktiven Zerfall wandelt sich der Atomkern eines chemischen Elements spontan und unter Aussendung von Strahlung in den Atomkern eines anderen chemischen Elements um. Diese Eigenschaft bezeichnet man als Radioaktivität. Nuklide mit dieser Eigenschaft werden als radioaktive Nuklide bezeichnet. Bei den meisten Elementen lassen sich stabile und instabile Isotope (radioaktive) unterscheiden.

Der durch einen radioaktiven Zerfall neu entstehende Kern kann seinerseits instabil sein, sodass eine Zerfallskette entsteht. Der radioaktive Zerfall wird nach der dabei emittierten Strahlung eingeteilt. Wird beim radioaktiven Zerfall eines instabilen Kerns immer dieselbe Strahlungsart frei, spricht man von einem reinen Strahler. Bei manchen radioaktiven Nukliden treten verschiedene Zerfallsarten auf (z. B. bei ⁶⁴Cu).

1.2.2 Formen des radioaktiven Zerfalls

α-Zerfall. Beim α-Zerfall wird die α-Strahlung emittiert. Das Ele- ment X wandelt sich unter Aussendung eines Heliumkerns in das Element Y um. Dadurch verringert sich seine Massenzahl, die Ordnungszahl, um 2. Die frei werdende Energie wird in Be- wegungsenergie des Heliumkerns umgesetzt.

β-Zerfall. Beim β-Zerfall wird β-Strahlung in Form eines β-Teil- chens (Elektron und Positron) emittiert. Daher unterscheidet man zwischen β^‒ und β⁺-Zerfall. Beim β^‒-Zerfall wandelt sich ein Neutron unter Aussendung eines Elektrons und eines Anti- neutrinos in ein Proton um. Dadurch erhöht sich die Ordnungs- zahl des Elements um 1. Das Antineutrino besitzt keine Ladung und nur eine verschwindend geringe Masse, teilt sich jedoch mit dem Elektron die frei werdende Bewegungsenergie.

Beim β⁺-Zerfall wandelt sich ein Proton unter Aussendung eines Positrons und eines Neutrinos in ein Neutron um. Im Ge- gensatz zum β^‒-Zerfall verringert sich dadurch die Ordnungszahl des Elements um 1. Positron und Neutrino teilen sich die frei werdende Energie.

Kurz nach seiner Entstehung vereinigt sich das Positron mit einem Hüllenelektron. Dabei entstehen 2 Photonen (Vernich- tungsstrahlung) mit einer Energie von je 0,511 MeV. Bei Aussen- dung eines Positrons und Neutrinos kann ein Elektron aus der K-Schale in den Atomkern integriert werden (Elektronenein- fang, K-Einfang). Dabei wird charakteristische Strahlung frei- gesetzt. Beim β-Zerfall und beim Elektroneneinfang bleibt die Massenzahl gleich.

γ-Zerfall. Der γ-Zerfall ist keine echte Kernumwandlung, da sich weder die Massen- noch die Ordnungszahl verändert. Bei diesem Zerfall geht ein angeregter Kern X+, wie er z. B. nach einem α- oder β-Zerfall entsteht, unter Aussendung eines Photons (γ-Quant, daher γ-Strahlung) in einen Zustand geringerer Ener- gie über. Nuklide, deren Kerne längere Zeit im angeregten Zu- stand verweilen, bezeichnet man als metastabil. Dies wird durch

Abb. 1.1. Aufbau eines Atoms am Beispiel von ⁴He (Schemazeichung;

p: Protonen, n: Neutronen, e^-: Elektronen)

. Abb. 1.2. Das Schalenmodell am Beispiel des Natriums. Schematische

Darstellung von Anregung, Ionisation und Erzeugung der charakteristischen Strahlung (Einzelheiten im Text)

. 1.2 · Struktur von Materie und radioaktiver Zerfall

(15)

1

ein »m« neben der Massenzahl gekennzeichnet (z. B. ^99mTc). Sie sind reine γ-Strahler.

1.2.3 Das Zerfallsgesetz

Der radioaktive Zerfall ist ein stochastischer Prozess. Für einen einzelnen Atomkern kann nur die Zerfallswahrscheinlichkeit pro Zeitintervall oder die mittlere Lebensdauer angegeben werden.

Das Zerfallsgesetz N(t) = N0e^-λtgibt an, wie viele von den anfänglich vorhandenen Kernen (N0) nach Ablauf der Zeit t im Mittel noch vorhanden sind. Dabei ist λ die Zerfallskonstante.

Die Zerfälle pro Sekunde ergeben die Aktivität des radioaktiven Isotops (Einheit = Becquerel =1 Zerfall/s). Aus der mittleren Le- bensdauer des radioaktiven Isotops lässt sich dessen Halbwerts- zeit berechnen. Die Halbwertzeit ist die Zeitspanne, nach der die Hälfte der ursprünglich vorhandenen Kerne und damit nur noch die Hälfte der ursprünglichen Radioaktivität vorliegt.

Typische Radionuklide, die in der Medizin verwendet werden, und ihre Halbwertzeiten sind : ^99mTc (6 h),⁶⁰Co (5,3 Jahre),

131J (8 Tage) und ⁶⁷Ga (78 h).

1.3

Wechselwirkung von Strahlung und Materie

1.3.1 Allgemeines

Bei einer Wechselwirkung von Strahlung mit Materie wird Ener- gie auf Atome übertragen, was zur Anregung oder Ionisation führt. Die Wechselwirkungen, die hierzu führen, heißen auch Primärprozesse. Je nachdem, ob die übertragene Energie zur Ionisation ausreicht, spricht man von ionisierender oder von nichtionisierender Strahlung. Beispiele für ionisierende Strah- lung sind alle Arten von Korpuskularstrahlung sowie Röntgen-, γ-, und UV-Strahlung. Nichtionisierende Strahlung sind sichtbares Licht und Wärmestrahlung. Direkt ionisierende Strahlung führt durch Zusammenstoß mit Elektronen zu Anregung und Ionisation. Indirekt ionisierende Strahlung wird durch Atome absorbiert oder gestreut, wobei geladene Korpuskeln entstehen, die zu Anregung und Ionisation führen. Trifft indirekt ionisierende Strahlung auf Atome, kann sie durch diese absorbiert oder gestreut werden, wodurch sie geschwächt wird (. Abb. 1.3).

Zwischen Photonen und Materie gibt es 5 Formen der Wech- selwirkung:

Photoeffekt Compton-Effekt Paarbildung klassische Streuung Kernreaktionen

Dabei beruhen der Photoeffekt, Paarbildung und Kernreaktion auf der Absorption eines Photons durch ein Atom.

Photoeffekt

Beim Photoeffekt trifft ein Photon auf ein Hüllenelektron und wird absorbiert. Die gesamte Energie des Photons wird auf das Hüllen- 44

44 4

elektron übertragen. Das Elektron, auch als Photoelektron bezeichnet, löst sich dann aus der Atomhülle (Ionisation) (. Abb. 1.4).

Beim Photoeffekt ist die Energie des Photons größer als die Bin- dungsenergie des Elektrons. Der Photoeffekt findet vorwiegend an den inneren Schalen der Atomhülle statt. Die Schale wird durch ein Elektron aus einer äußeren Schale wieder aufgefüllt, wobei charakteristische Strahlung oder seltener ein Auger-Elektron emittiert wird. Unterschreitet die Strahlungsenergie absorbierter Photonen die Energie einer Schale, tritt eine Absorptionskante auf.

Compton-Effekt

Beim Compton-Effekt (Compton-Streuung) gibt ein Photon einen Teil seiner Energie an ein Hüllenelektron ab. Durch den Zusammenstoß wird das Photon aus seiner ursprünglichen Rich- tung abgelenkt, gestreut und fliegt mit geringerer Energie bzw.

Frequenz weiter (. Abb. 1.5).

Paarbildung

Bei hohen Strahlungsenergien tritt die so genannte Paarbildung auf, bei der ein Photon von einem Atom absorbiert wird (. Abb. 1.6).

Es wandelt sich im Feld des Atomkerns in ein Elektron-Positron- Paar um. Das Positron vereinigt sich in unmittelbarer Nähe seines Entstehungsorts mit einem Hüllenelektron, und es entsteht Ver-

Abb. 1.3a, b. Schwächungsvorgänge der diagnostischen Röntgenstrah- lung bei zwei verschiedenen Spannungswerten, schematische Darstellung.

a Bei niedriger Spannung überwiegt die Absorption; die Streuung erfolgt nach allen Richtungen. b Bei höherer Spannung nimmt die Absorption ab und die Streustrahlung nimmt relativ zu; die Strahlung wird mehr in Rich- tung der Primärstrahlung gestreut

.

(16)

1

7

nichtungsstrahlung mit einer Energie >1,022 MeV. Die bei diesen Wechselwirkungen gebildeten Elektronen erzeugen durch weitere Ionisationen sekundär Elektronen.

Klassische Streuung

Bei der klassischen Streuung, kohärenten oder Rayleigh-Streu- ung, trifft ein Photon auf ein Hüllenelektron und verändert dadurch seine Richtung, ohne Energie an das Elektron abzugeben.

Es findet also keine Ionisation statt, das Photon wird lediglich ohne Energieverlust gestreut.

Kernreaktion

Absorbiert ein Atom ein Photon mit genügend Strahlungsener- gie, können verschiedene Kernreaktionen auftreten, von denen

Abb. 1.4. Schematische Darstellung des Photoeffekts: Freisetzung eines Elektrons aus einer inneren Schale durch vollständige Absorption eines Photons .

Abb. 1.5. Schematische Darstellung des Compton-Effekts: Freisetzung eines Elektrons aus einer äußeren Schale durch Absorption eines Photons;

dabei wird ein Photon geringerer Energie in einem abweichenden Winkel abgestrahlt

.

Abb. 1.6. Schematische Darstellung der Paarbildung. Wechselwirkung mit einem Kernfeld, wobei je ein Elektron und ein Positron auftreten .

Abb. 1.7. Schematische Darstellung der klassischen Streuung (Einzelhei- ten im Text)

.

die Emission eines Protons oder eines Neutrons die größte Be- deutung hat (. Abb. 1.8).

1.3.2 Röntgenstrahlung

Bei der Wechselwirkung von Strahlung mit Materie wird Energie übertragen. Je nachdem, wie viel Energie auf Atome übertragen wird, kommt es zu einer Anregung oder zu einer Ionisation. Die Wechselwirkung von Strahlung mit Materie bezeichnet man auch als Primärprozess.

Reicht die übertragene Energie aus, um Atome zu ionisieren, spricht man von ionisierender Strahlung, reicht sie dazu nicht aus, spricht man von nicht ionisierender Strahlung. Ionisieren-

1.3 · Wechselwirkung von Strahlung und Materie

(17)

1

de Strahlung sind alle Arten von Korpuskularstrahlung, wie Röntgen-, y- und UV-Strahlung (. Abb. 1.9), nicht ionisierende Strahlung sind sichtbares Licht und Wärmestrahlung.

In der Radiologie und Nuklearmedizin wird ionisierende Strahlung eingesetzt, die sich in direkt und indirekt ionisieren- de Strahlung unterteilen lässt. Direkt ionisierend sind elektrisch geladene Korpuskel, die zu Anregung und Ionisation führen können. Indirekt ionisierend sind ungeladene Korpuskel (Neu- tronen), Röntgen- und y-Strahlung. Sie werden von Atomen in Materie absorbiert oder gestreut. Welche Atome ionisiert werden, hängt von der Energie der ionisierenden Strahlung ab. Die Häu- figkeit der Wechselwirkung ioniserender Strahlung mit Materie hängt v. a. von der Art der Materie ab: Je größer die Dichte der Materie (größere Ordnungszahl), desto häufiger finden Wechsel- wirkungen statt. Es gibt verschiedene Arten der Wechselwirkung:

Photoeffekt, Comptoneffekt, Paarbildung, klassische Streuung und Kernreaktion (s. oben).

Die Folgen der Wechselwirkung sind: Schwächung der Strahlung, an der die verschiedenen Wechselwirkungen je nach Strahlungsenergie und Material einen unterschiedlichen Anteil haben, und die Streustrahlung (. Tab. 1.2). Dabei zeigt sich, dass bei zunehmender Energie die Photoabsorption sich verringert, der Compton-Effekt dagegen zunimmt. Bei einer weiteren Energieerhöhung auf >1,02 MeV tritt Paarbildung auf, und der Compton-Effekt geht zurück. Bei der Röntgenstrahlung sind die Schwächungsvorgänge abhängig von der Röhrenspan- nung.

Durch den so genannten Schwächungskoeffizienten wird die Schwächung der Röntgenquanten in Materie ermittelt. Wesent- liche Faktoren für die Berechnung der Schwächungskoeffizienten sind Quantenenergie, Dichte und Ordnungszahl des schwächen- den Materials. Die Berechnung des Gesamtschwächungskoeffi- zienten findet in der Praxis keine Anwendung, denn die Rönt- genbremsstrahlung enthält im Gegensatz zur charakteristischen Strahlung ein relativ breites energetisches Quantenspektrum, das eine mathematische Berechnung kompliziert. Die Strah- lungsintensität nimmt mit wachsender Schichtdicke exponen- ziell ab. Die Halbwertschichtdicke gibt an, welche Schichtdicke die Strahlungsintensität halbiert. Zu bemerken ist, dass nieder-

energetische Strahlung mit einem großen Massenschwächungs- koeffizienten einhergeht und deshalb zu einer hohen Dosisbelas- tung führt.

Als Streustrahlung bezeichnet man die Ablenkung von Photonen aus ihrer ursprünglichen Richtung bei der Compton- und der klassischen Streuung, die zu einer Minderung der Qua- lität von Röntgenaufnahmen führt. Bei Energien um 100 keV wird Strahlung in Weichteilen fast ausschließlich durch den Compton-Effekt absorbiert; um diesen negativen Effekt auf die Qualität der Röntgenaufnahme zu verringern, wird in diesem Energiebereich ein Streustrahlenraster vor der Filmkassette platziert.

In der Mammographie kommen als einzige radiologische Untersuchung geringe Strahlungsenergien bis ca. 30 keV zum Einsatz. Der Anteil an der Schwächung der Strahlung ist in diesem Energiebereich niedrig, sodass man einen guten Kon- trast zwischen den unterschiedlichen Weichteilgeweben erhält.

Kleinste Verkalkungen können somit sichtbar gemacht werden, nachteilig ist die relativ hohe Dosisbelastung. Um den negativen Einfluss von Streustrahlung auf die Bildqualität zu reduzieren, werden auch hier Streustrahlenraster verwendet.

Abb. 1.8a, b. Schematische Darstellung der Kernreaktion; a Emission eines Protons, b Emission eines Neutrons

.

Abb. 1.9. Entstehung der charakteristischen Röntgenstrahlung (Sche- ma). Ein Elektron aus einem Anodenatom wird durch ein Kathodenelektron aus der k-Schale geschleudert; der frei werdende Platz wird durch ein Elek- tron der äußeren Schale oder durch ein Elektron der darüber liegenden Schale besetzt. Kommt es zu Elektronensprüngen auf niedrigere Energieni- veaus, dann werden Röntgenphotonen bestimmter Energiebeträge frei .

Tab. 1.2. Schwächung von Röntgen- und Photonenstrahlung .

Wechselwirkung mit den Elektronen der Atomhülle

Absorption Klassische Streuung Compton-Streuung Wechselwirkung mit dem Kernfeld Paarbildung >1,02 MeV Wechselwirkung mit dem Atomkern Kernreaktion

(sehr hohe Photonenenergie)

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1

9

1.4

Messung von Strahlung/

Dosimetrische Größen

Die Energiedosis ist ein Maß für die absorbierte Strahlungsmen- ge und ist die auf die Masse bezogene absorbierte Strahlenenergie (. Tab. 1.3). Sie gilt heute als dosimetrische Basisgröße:

E (absorbierte Menge) Energiedosis D =

M (Masse des Volumens)

Da die Energiedosis im Körper nicht direkt gemessen werden kann, wird sie aus der Energiedosis berechnet, die in einer Do- simetersonde erzeugt wird. Meist wird in einer luftgefüllten Ionisationskammer die Ionendosis gemessen, aus der sich die Energiedosis des zu interessierenden Materials ermitteln lässt.

Für den Strahlenschutz wird die äquivalente Dosis ermittelt.

Kerma

Kerma steht für »kinetic energy released in matter« und wird definiert als der Quotient aus der kinetischen Energie der in einem Volumen erzeugten Sekundärelektronen und der Masse dieses Volumens.

Dosisleistung

Die Dosisleistung beschreibt die pro Zeit absorbierte Dosis. Sie entspricht dem Quotienten aus der Dosis (Ionen-Energie- oder

Äquivalentdosis, oder Kerma) und der Expositionsdauer. Sie beschreibt die pro Zeiteinheit eingestrahlte Dosis. Ihre Einheit richtet sich nach der Dosis (Begriffe: Coulomb/kg/s: Ionendosis- leistung, Gray/s: Energiedosisleistung oder Kermaleistung, oder Sievert/s: Äquivalentdosisleistung).

1.4.1 Messgrößen in der Nuklearmedizin

Die Aktivität einer radioaktiven Substanz folgt dem exponen- ziellen Zerfallsgesetz. Die Aktivität gibt die Zahl der Zerfälle pro Sekunde an, ihre Einheit ist das Becquerel (Bq). Ein Bq ist ein Zerfall pro Sekunde. Die Dosierung radioaktiver Substanzen erfolgt in der Nuklearmedizin nach dem Gewicht des Patienten, sodass für die Untersuchung eines Patienten eine festgelegte Menge Aktivität vorbereitet werden muss.

Durch die spezifische Aktivität, d. h. die Zahl der Zerfälle pro Masse des absorbierten Substrats (Einheit Bq/kg), lässt sich die für den jeweiligen Patienten gewünschte Aktivität berechnen.

Die physikalische Halbwertzeit des verwendeten Isotops, die Applikationsart und Biokinetik sind ausschlaggebend für die Strahlenbelastung.

Als biologische Halbwertzeit wird die Zeitspanne bezeichnet, nach der die Hälfte der Aktivität des verabreichten Isotops aus- geschieden ist. Aus der physikalischen und biologischen Halb- wertzeit lässt sich die effektive Halbwertzeit berechnen, welche maßgeblich für die Strahlenbelastung des Patienten ist.

1.4.2 Nachweis von Strahlung

Radioaktivität ist für unsere Sinne nicht unmittelbar wahrnehm- bar, der Nachweis erfolgt indirekt durch so genannte Detektoren, die reproduzierbar auf Bestrahlung reagieren (. Tab. 1.4).

Ionisationskammer

Eine Ionisationskammer ist eine mit Gas gefüllte Kammer, in der sich 2 Elektroden befinden, zwischen denen eine Spannung an-

Tab. 1.3. Wichtige dosimetrische Größen .

Dosimetrische Größe SI-Einheit

Ionendosis (I) Coulomb/kg (C/kg)

Energiedosis (D) Gray (Gy)

Kerma (K) Gray

Äquivalentdosis (H) Sievert (Sv) Effektive Äquivalentdosis (Heff) Sievert

Tab. 1.4. Übersicht über Strahlungsdetektoren und ihre Anwendungsbereiche .

Detektor Messprinzip Bevorzugter Anwendungsbereich

Ionisationskammer Ionisation von Gas und Flüssigkeit Strahlentherapie: Dosismessung

Stabdosimeter Ionisation von Gas Strahlenschutz

Geiger-Müller-Zählrohr Nachweis durch Auslösung von Ladungslawinen Nuklearmedizin: Aktivitätsmessung

Röntgenfilm, Filmdosimeter Filmschwärzung Strahlentherapie: Strahlenschutz Dosismessung

Thermolumineszenzdetektor (TLD) Anregung und Speicherung von Elektronen in Kristallen

Strahlentherapie: Strahlenschutz, Dosismessung

Szintillationsdetektor Erzeugung von Photonen durch Stöße in Kristallen Nuklearmedizin: Nachweis der Kernzerfälle im Patienten Eisensulfatdosimeter Umwandlung von Fe²⁺ in Fe³⁺ Strahlentherapie: Bestimmung der Absolutdosis

Wasserkalorimeter Erwärmung von Wasser Strahlentherapie: Bestimmung der Absolutdosis

1.4 · Messung von Strahlung/Dosimetrische Größen

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1

gelegt ist. Aus der freigesetzten Ladung lässt sich die Energiedosis berechnen.

Stabdosimeter

Stabdosimeter werden im Strahlenschutz zur Überwachung von Personen eingesetzt. Ein Stabdosimeter besteht aus 2 Elektronen, die einen gasgefüllten Hohlraum umschließen. Vor Gebrauch werden Elektronen aufgeladen. Einfallende Strahlung ionisiert die Gasmoleküle im Messvolumen und die dadurch erzeugte Ladung führt zu einer Entladung der Elektroden. Das Maß der Entladung ist zur Dosis proportional.

Geiger-Müller-Zählrohr

Das Geiger-Müller-Zählrohr ist wie eine Ionisationskammer aufgebaut, hat aber im Vergleich zur Ionisationskammer eine höhere Spannung. Über eine Elektrodenlawine kommt es zu einer Ver- stärkung des Messimpulses, sodass die Teilchen gezählt werden können. Aus der Anzahl der Impulse kann die Aktivität bestimmt werden. Durch Einbringen von Material zwischen der Strahlen- quelle und dem Zählrohr kann die Reichweite der Strahlung ab- geschätzt und so mit einfachen Mitteln die Strahlungsart ermittelt werden.

α-Teilchen werden wegen ihrer geringen Reichweite durch ein Blatt Papier bereits vollständig absorbiert, für β-Strahlung ist wesentlich mehr Material erforder- lich (z. B. Aluminiumplatten), γ-Strahlung wird nur unwesentlich geschwächt.

Filmdosimeter

Die Filmdosimetrie hat eine besondere Bedeutung für die Strah- lenschutzüberwachung des Personals in Strahlenbetrieben. Pho- tographische Emulsionen und somit auch Röntgenfilme werden durch die Bestrahlung geschwärzt. Durch Bestimmung der Film- schwärzung kann die Dosis gemessen werden. Da in der Regel ein nichtlinealer Zusammenhang zwischen Schwärzung und Dosis besteht, muss die Dosis mittels eines anderen Dosimeters, z. B. einer Ionisationskammer ermittelt werden. Durch den Ver- gleich mit einer Dosisschwärzungskurve kann für eine gemes- sene Schwärzung die Dosis ermittelt werden. Autorisierte Mess- stellen werten die Filme hierzu an den Plaketten strahlenexpo- nierter Personen alle 4 Wochen aus. Die schriftlichen Unterlagen der Messergebnisse werden dem Strahlenschutzbeauftragten mitgeteilt, sie sind 30 Jahre lang aufzubewahren.

Bei den Plakettendosimetern wird die Dosismessung mit der Bestimmung der Strahlenqualität kombiniert. Die Filmkassette aus gepresstem Kunstharz ist in 5 Felder unterteilt. Ein Feld ist ohne Abdeckung, die anderen 4 Felder sind mit Metallfiltern abgedeckt. Das unbedeckte Feld wird nur von energiearmer Strahlung geschwärzt, während mit zunehmender Strahlen- energie die stärker gefilterten Felder geschwärzt werden. Da- durch können Rückschlüsse auf die Strahlenqualität gezogen werden. Filmplaketten sind sichtbar auf der Kleidung in Brust- höhe unter der Strahlenschutzkleidung zu tragen. Die untere Strahlennachweisgrenze liegt bei 0,2 mSv.

>

Thermolumineszenzdetektor

Der Thermolumineszenzdetektor besteht aus bestimmten Ionen- kristallen. Im Verfahren nehmen bestimmte Stoffe durch die Be- strahlung Energie auf, die unter Wärmeeinwirkung als Licht wieder abgestrahlt wird und gemessen werden kann. Die Licht- messung dient dann als indirekter Dosismesser.

Fingerdosimeter

Fingerdosimeter dienen zur Ermittlung der Teilkörperdosen an den Händen der mit Röntgen-, γ- oder β-Strahlen arbeitenden Personen. Der Dosisbereich liegt im Bereich bei 0,4 mSv bis 100 mSv. Der Energiebereich liegt bei Photonen zwischen 15 KeV bis 3 MeV und bei Elektronen >1 MeV. Ein Thermolumineszenz- detektor findet sich hinter einem 1 mm dicken Kupferfilter. Mit ihm ist es möglich, die Strahlenqualität zu identifizieren. Ring- dosimeter müssen kalt sterilisiert werden (maximal 60°C).

Szintillationsdetektor

Absorption von Strahlung führt im Kristall des Szintillations- detektors zur Emission von Photonen, die mittels eines Photo- multipliers, der hinter dem Kristall angeordnet ist, nachgewiesen werden kann. Szintillationsdetektoren werden v. a. in der Nuklear- medizin zur ortsempfindlichen Messung der Aktivität eingesetzt.

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2 2 Strahlenbiologie und Strahlenschutz

W. Reith

2.1 Strahlenwirkung auf biologisches Gewebe – 12 2.1.1 Phasen der Strahlenwirkung – 12

2.1.2 Strahlenschäden an der Zelle – 12

2.1.3 Akute Strahlenfolgen am menschlichen Körper – 14 2.1.4 Chronische Strahlenfolgen – 14

2.1.5 Lokale Strahlenfolgen – 14 2.1.6 Kanzerogenese – 15

2.2 Gefährlichkeit von Röntgenstrahlen – 15

2.3 Strahlenschutz und Qualitätssicherung in der Röngendiagnostik – 16 2.3.1 Strahlenschutzbeauftragter (RöV §13) – 16

2.3.2 Aufzeichnungspflicht bei Röntgenuntersuchung (RöV § 28) – 17 2.3.3 Aufbewahrungspflicht (RöV § 28 und 35) – 17

2.3.4 Belehrung (RöV § 36) – 17

2.3.5 Strahlenschutzbereiche (StrlSchV § 57 – 60) – 17

2.3.6 Qualitätssicherung in der Röntgendiagnostik (RöV §16) – 17 2.3.7 Auszüge aus der Röntgenverordnung – 18

(21)

12 Kapitel 2 · Strahlenbiologie und Strahlenschutz

2

2.1

Strahlenwirkung auf biologisches Gewebe

Die heutige moderne Strahlentherapie und die Radiologie wären ohne das Wissen der grundlegenden Wirkung ionisierender Strahlung nicht vorstellbar. Die Gefahren und Risiken einer un- kritischen Anwendung der Röntgenstrahlung in der Diagnostik müssen jedem Radiologen bewusst sein; dies dient sowohl der Sicherheit des Patienten als auch der eigenen Sicherheit. Durch die CT und die interventionellen radiologischen Verfahren nimmt die Dosisbelastung für Patienten und Arzt wieder zu.

Wissen über strahlenbiologische Grundlagen und der Umgang mit ionisierenden Strahlen sind notwendig.

Die ionisierende Strahlung verliert beim Durchtritt durch die Materie oder den Körper einen Teil ihrer Energie durch Ab- sorption. Die Energieabgabe erfolgt dabei durch Anregung und Ionisation (Primärprozesse). Im biologischen Gewebe ist nur die absorbierte Energie der Strahlung wirksam, die Zellschäden her- vorrufen kann. Durch chemische und biochemische Prozesse können Veränderungen an Biomolekülen hervorgerufen werden (Sekundärprozesse). Die Wirkung ionisierender Strahlung lässt sich in Phasen einteilen. Die Veränderungen an Biomolekülen entstehen durch unmittelbare oder mittelbare Übertragung von Strahlungsenergie auf Biomoleküle (direkte oder indirekte Strah- lenwirkung).

Durch die Energieabsorption im Gewebe kann es zu Ionisa- tion, Molekülanregung und Wärme kommen. Durch die Ionisa- tion von Wassermolekülen entstehen H2O⁺ und ein freies Elek- tron, in Folgereaktionen H- und OH-Radikale. Außerdem entstehen hydratisierte Elektronen. Die Reaktionsprodukte greifen direkt an Biomoleküle an und reagieren mit Sauerstoff zu Peroxid- radikalen, die an Biomolekülen angreifen können.

Biochemische Reaktionen können Veränderungen an Bio- molekülen bewirken. Veränderungen der Nukleinsäuren der DNA führen zu genetischen Schäden, Veränderungen an anderen Biomolekülen, z. B. Proteinen oder Lipiden, zu Schädigun- gen von Körperzellen oder des Embryos (somatische und terato- gene Strahlenschäden).

Durch direkte Strahlenwirkung kann es zur primären Schädigung der Zelle kommen. Indirekt können die Zellen über entstehende freie Radikale geschädigt werden (Strahlenwir- kung).

2.1.1 Phasen der Strahlenwirkung

Die Strahlenwirkung läuft im biologischen Gewebe über 4 Stufen ab. Die physikalische Phase entspricht der Energieabsorption im Gewebe, bewirkt Ionisation, Molekülanregung und Wärme. Sie erfolgt innerhalb von 10–60 s.

Physikalische/klinische Phase. Hierbei kommt es zu einer pri- mären Schädigung der Zelle durch die Reaktion der angeregten oder ionisierten Atome oder Moleküle mit anderen Molekülen.

Dabei entstehen freie Radikale, im Wesentlichen Wasserradikale.

Ca. 1 ms nach Strahlenexposition sind die Bildung und die Fol- gereaktion der freien Radikale abgeschlossen.

Biochemische Phase. In ihr laufen eine große Zahl chemischer und biochemischer Prozesse ab: Hydroxylierungen, Decarboxy- lierungen, Reduktionen und Oxidationen. Dadurch können sich organische Moleküle verändern. Ihre Dauer schwankt zwischen Sekunden und Jahren. In dieser Phase stehen enzymatische Re- aktionen sowie Reparaturprozesse der Veränderungen der Bio- moleküle im Vordergrund.

Biologische Phase. Die biologische Phase umfasst die Auswir- kung der physikalischen und chemischen Abläufe. Sie verursa- chen Störungen der Vitalfunktion am biologischen Substrat, die bis zum Zelltod führen können. Gleichzeitig können latente oder manifeste Schäden auftreten, die sowohl den Zelltod als auch Mu- tationen bewirken. DNA-Schäden sind dabei besonders schwer- wiegend (s. unten), da die DNA in der Zelle nur einmal vorhanden ist und sie alle für die Zelle relevanten Informationen enthält.

Diese Phase kann mehrere Jahre bis Jahrzehnte betragen.

2.1.2 Strahlenschäden an der Zelle

Radiobiologische Untersuchungen von Zellen haben wesentlich zum Verständnis der Wirkung ionisierender Strahlen auf Normal- oder Tumorgewebe beigetragen. Die Strahlenwirkung betrifft jede einzelne Zelle, wird aber durch den Zellverband modifiziert. Hemmung der Zellproliferation und Zelltod sind die schwerwiegendsten und in Tumorgewebe erwünschten Strahlen- wirkungen.

Ionisierende Strahlen schädigen dosisabhängig biologische Strukturen. Die Folgen der Schädigung werden nach einer Latenz- zeit, während die Zell- und Organgzerstörung abläuft, manifest.

Genetische Strahlenschäden entstehen nach der Einwirkung ionisierender Strahlung auf Erbfaktoren oder funktionelle Ab- schnitte der DNA (Mutation).

Jede proliferierende Zelle durchläuft einen Zyklus, der sich in Mitosephase und Intermitosephase einteilen lässt. In der Mito- sephase (M-Phase) findet die Zellteilung statt. Die Intermitose- phase lässt sich weiter unterteilen in die G1-Phase, S-Phase und G2-Phase.

In der G1-Phase werden Zytoplasma und Zellorganellen, Enzyme und DNA-Bausteine zur Vorbereitung auf die DNA- Synthese produziert. In der Phase wird die DNA repliziert, die Chromosomen haben nun 2 Chromatiden (Diploe der Chromo- somen) (. Abb. 2.1).

Abb. 2.1. Generationszyklus der Zellen. G1-Phase = Wachstumsphase der Zellen; G0-Phase = Ruhephase der Zelle

.

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2

13

In der G2-Phase werden Proteine und RNA synthetisiert und die Mitose vorbereitet. Die Mitosephase läuft in Abhängig- keit vom Zelltyp in einem genauen zeitlichen Rahmen von ca.

8–20 h ab.

In der G1-Phase dagegen gibt es eine erhebliche zeitliche Variationsbreite von wenigen Stunden bis Tagen. Proliferierende Zellen können den Zellzyklus verlassen und in eine Ruhephase, die G0-Phase, eintreten. Aus dieser G0-Phase können sie wiederum in die G1-Phase eintreten oder differenzieren und sterben nach einiger Zeit ab. Untersuchungen haben gezeigt, dass Zellen in den einzelnen Zyklusphasen eine unterschiedliche Strahlen- sensibilität aufweisen.

Die Strahlenempfindlichkeit ist in der M-Phase am größten, am zweitgrößten in der G2-Phase und in der frühen S-Phase. Im weiteren Verlauf ist die S-Phase sehr strahlenresistent, auch die lange G1-Phase ist relativ strahlenunempfindlich. Zu den ersten Strahlenwirkungen zählen die vorübergehende Teilsynchronisie- rung des Zyklus und die Abnahme der Mitoserate. Die Dauer des Zellzyklus nimmt zu, nach einiger Zeit treten überlebende Zellen wieder in strahlensensible Zyklusphasen ein und sprechen dann wiederum auf erneute Bestrahlung an.

Strahlenwirkung auf Zellbestandteile

DNA-Schäden wirken sich besonders ungünstig auf die Zellen aus. Durch direkte oder indirekte Strahlenwirkung können fol- gende DNA-Schaäden vorkommen (. Abb. 2.2, . Abb. 2.3):

Einzelstrangbruch Doppelstrangbruch

DNA-Vernetzung mit intra- oder intermolekularen Verbin- dungen (crosslinks)

Basenschäden, bei denen chemische Modifikationen oder Basenverluste auftreten.

Mehrfachschäden, wobei mehrere DNA-Schäden in Kombi- nation auftreten (bulky lesion).

Reparaturmechanismen

Zelluläre Systeme können Strahlenschäden z. T. vollständig wieder reparieren.Nach einer Strahlenexposition können innerhalb von Minuten bis Tagen Reparaturen des Schadens erfolgen.

So werden z. B. Einzelstrangbrüche sowie Basenschäden durch Herausschneiden des geschädigten Abschnitts behoben.

Doppelstrangbrüche können ebenfalls repariert oder un- schädlich gemacht werden. Auch Mehrfachschäden können 44

4 4 4

Abb. 2.2. Direkte und indirekte Strahlungswirkungen können zu Verän- derungen von Molekülen führen

. Abb. 2.3. Verschiedene Arten der DNA-Schäden durch ionisierende

Strahlung . 2.1 · Strahlenwirkung auf biologisches Gewebe

(23)

14 Kapitel 2 · Strahlenbiologie und Strahlenschutz

2

durch unterschiedliche Reperaturmechanismen beseitigt werden. Die Apoptose (programmierter Zelltod) stellt ein wichtiges Reparatursystem dar, um irreparable Zellschäden durch Zellun- tergang zu beseitigen.

Folgen von Strahlenschäden

Durch direkte und indirekte Strahlenwirkung und durch fehler- hafte Reparaturen können Mutationen auftreten. Mutationen sind irreversible Schäden der genetischen Information. Es gibt Gen- oder Punktmutationen, Chromosomen- und Genom- mutationen. Bei Punktmutationen treten Veränderungen eines Nukleotids auf, z. B. Verlust einer Base (Deletion) oder Ersatz einer Base durch eine andere (Transition und Transversion) sowie die Umkehrung der Reihenfolge der Basen (Inversion).

Bei Chromosomenmutationen treten Veränderungen der Chromsomenstruktur auf (Deletion, Duplikation, Translation, Inversion). Dabei können nur ein Arm, aber auch beide Arme eines Chromosoms betroffen sein. Auch die Ausbildung von Ring- oder dizentrischen Chromosomen kommt vor. Der Nach- weis dieser Veränderungen in Lymphozyten erlaubt eine Aussage über die empfangene Strahlendosis (Chromosomenaberrations- analyse).

Bei Genommutationen sind Veränderungen in der Anzahl der Chromosomen nachweisbar, z. B. Monosomie oder Trisomie.

Mutationen führen nicht immer zu klinischen Veränderun- gen, sie können stumm bleiben, aber auch zur Entartung oder Tod der Zelle führen.

2.1.3 Akute Strahlenfolgen am menschlichen Körper

Akute Strahlenfolgen treten in einem Zeitraum von bis zu 90 Ta- gen nach Strahlenexposition auf. Betroffen sind v. a. Gewebe mit einem hohen Zellumsatz und das Gefäßsystem. Rasch proliferierende und somit früh reagierende Gewebe haben eine hierar- chische Proliferationsorganisation; die Bestrahlung führt zu einem Verlust der Stammzellen, der sich bei diesen Geweben rasch in einem Mangel an funktionstüchtigen Zellen äußert und zu Funktionseinschränkungen führt.

Beim Gefäßsystem kommt es zunächst zu einer Vasodilata- tion der Kapillaren und einer Kontraktion der Venolen, was zu einer Hyperämie (Erythem) und erhöhter Gefäßpermeabilität (Ödem) führt.

Als »Akutes Strahlensyndrom« (akute Strahlenkrankheit) wird eine Vielzahl von Symptomen zusammengefasst, die nach ausgedehnten Teil- oder Ganzkörperstrahlenexposition auftritt.

Die Ausdehung der Strahlenkrankheit ist von der Dauer und Intensität der Strahlenexposition abhängig.

Das akute Strahlensyndrom verläuft üblicherweise in 3 Phasen:

Prodromalphase, gekennzeichnet durch Kopfschmerzen, Übelkeit, Erbrechen. Sie tritt umso früher auf, je höher die Dosis ist.

Latenzphase, in der der Betroffene weitgehend asymptomatisch ist.

Hauptphase, in der der Strahlenschaden manifest wird.

4

4 4

Eine Dosis von bis zu 2 Gy führt zu Ermüdungserscheinungen und Konzentrationsstörungen, ab 7 Gy ist die Dosis letal. Die mediane Letaldosis beträgt 3–4 Gy (LD 50, d. h. 50% der Strah- lenexponierten sterben innerhalb von 30 Tagen).

2.1.4 Chronische Strahlenfolgen

Chronische Strahlenfolgen treten ab 90 Tage nach der Strahlen- exposition auf. Betroffen sind Gewebe mit einem niedrigem Zell- umsatz, Bindegewebe, aber auch das Gefäßsystem. Durch den langsamen Zellumsatz zeigen diese Gewebe eine hohe Repara- turkapazität. Der Verlust an Stammzellen wirkt sich bei diesen Geweben jedoch nicht so gravierend aus. Chronische Strahlen- folgen sind von Strahlentherapeuten gefürchtet, da sie irreversi- bel, teilweise progredient und schlecht therapierbar sind.

2.1.5 Lokale Strahlenfolgen

Hämatopoetisches System. Das Knochenmark ist sehr strah- lenempfindlich, v. a. die pluripotenten Stammzellen sind sehr empfindlich. Eine Einzeitbestrahlung von 3–4 Gy reduziert die Stammzellen um ca. 90%. Stammzellen können aus der Periphe- rie oder unbestrahltem Knochenmarkbereichen nachwandern.

Gastrointestinaltrakt. Der Dünndarm ist am strahlenempfind- lichsten, es kommt durch Absterben der Epithelzellen zu einer Strahlenenteritis mit Resorptionsstörung, blutiger Diarrhoe, Wasser- und Elektrolytverlust. Am Colon entsteht eine Strahlen- proktitis.

Leber. Bei einer Strahlenexposition der Leber >30 Gy kommt es zu einer Strahlenhepatitis mit allmählichem Verschluss der Zentralvenen. Klinisch zeigt sich dies durch einen Anstieg der Leberenzyme, Ikterus, Hepatomegalie und Aszites.

Niere. Die Nieren sind relativ strahlenunempfindlich, nach ent- spechend hoher Strahlenexposition kommt es jedoch zu einer Strahlennephropathie mit Tubulusatrophie und interstitieller Fibrose, die sich etwa 6 Monate nach Bestrahlung manifestiert.

Ein strahleninduzierter Hypertonus kann sich auch noch 10 Jah- re nach Bestrahlung manifestieren.

Lunge. Nach einer Strahlenexposition von 20–30 Gy kann sich akut nach 4–8 Wochen eine Strahlenpneumonitis zeigen, die sich klinisch ähnlich wie eine atypische virale Pneumonie äußert (Husten, Dyspnoe), aber auch asymptomatisch verlaufen kann.

Als chronische Strahlenfolge kann sich dann eine Lungenfibrose ausbilden.

Herzkreislaufsystem. Als akute Strahlenfolgen können EKG- Veränderungen auftreten, als Langzeitfolgen Perikardergüsse, Perikarditis. An den Gefäßen treten Veränderungen in Abhän- gigkeit von der Gefäßgröße auf. An großen Gefäßen treten kaum akute oder chronische Strahlenschäden auf. An den Arteriolen und im Kapillarbett treten chronische Strahlenfolgen relativ spät