Physikalische Grundlagen und Entstehung

Was ist Röntgenstrahlung?

Röntgenstrahlen/X-Strahlen bzw. Röntgenstrahlung ist eine Form der elektromagnetischen Strahlung. Sie ist physikalisch durch ihre hohe Energie und kurze Wellenlänge charakterisiert, welche es ihr ermöglichen, viele Materialien zu durchdringen. Elektromagnetische Strahlen sind wie Lichtwellen, die unterschiedlich lang sein können. Im elektromagnetischen Spektrum sind Röntgenstrahlen hinsichtlich ihrer Wellenlänge und Frequenz zwischen Ultraviolettstrahlung und Gammastrahlung angesiedelt.

Röntgenstrahlen werden in der Physik als Teil des elektromagnetischen Spektrums klassifiziert, das sich auf die unterschiedlichen Energieniveaus und Wellenlängen der Photonen bezieht. Die Wellenlängen von Röntgenstrahlen liegen typischerweise zwischen 0,01 und 10 Nanometern (nm), was Frequenzen zwischen etwa 30 Petahertz (PHz) und 30 Exahertz (EHz) entspricht. Innerhalb dieses Bereichs gibt es eine weitere Unterteilung:

• Weiche Röntgenstrahlen: Diese haben längere Wellenlängen (in der Nähe der 10 nm-Grenze) und entsprechend niedrigere Energien. Sie werden beispielsweise in der Medizin für die Bildgebung von Weichgeweben verwendet.
• Harte Röntgenstrahlen: Mit kürzeren Wellenlängen (näher an 0,01 nm) und höheren Energien sind harte Röntgenstrahlen in der Lage, dichteres Material wie Knochen und Metalle zu durchdringen. Sie finden Anwendung in der medizinischen Diagnostik und industriellen Bildgebung.

Die Photonenenergie, die in Kiloelektronenvolt gemessen und im Röntgenrohr generiert wird, bewegt sich typischerweise im Bereich von ungefähr 1 keV bis etwa 250 keV.

Die ionisierende Eigenschaft von Röntgenstrahlen ist für ihre Anwendungen in der Bildgebung und Therapie entscheidend. Ionisierende Strahlung hat genug Energie, um Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu entfernen und diese somit zu ionisieren, was zu chemischen Reaktionen führen kann. Aufgrund dieser Fähigkeit kann die Strahlung Zellschäden verursachen, die sowohl therapeutisch genutzt (Strahlentherapie) als auch sorgfältig vermieden werden müssen, um Strahlenschäden zu vermeiden.

Die Klassifikation und Handhabung von Röntgenstrahlung erfordert ein tiefes Verständnis ihrer Wechselwirkung mit Materie und der verschiedenen Faktoren, die ihre Ausbreitung beeinflussen, wie z.B. die Absorption und Streuung in verschiedenen Medien.

Wie entsteht Röntgenstrahlung?

Röntgenstrahlung entsteht in einem Prozess, bei dem Elektronen unter Hochspannung beschleunigt werden, um elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Zentral für die Produktion von Röntgenstrahlen sind eine im Vakuum platzierte Röntgenröhre und ein Generator. Innerhalb der Röntgenröhre befindet sich eine Glühwendel in der Kathode, die beim Aktivieren stark erhitzt wird und durch thermionische Emission Elektronen freisetzt. Diese Elektronen bilden an der Oberfläche des glühenden Kathodenfilaments eine Wolke, aus der sie bei Anlegung einer hohen Spannung durch den Generator zur Anode hin beschleunigt werden.

Die Intensität dieses Elektronenstroms bzw. die Anzahl der Elektronen wird in Milliampere (mA) gemessen, wobei 1 Milliampere 6,24 x 10^15 Elektronen pro Sekunde entspricht. Die kinetische Energie der Elektronen korreliert mit der angelegten Spannung. Die Röhrenspannung, der Röhrenstrom und die Belichtungsdauer sind vom Benutzer einstellbar.

Sobald die Elektronen mit hoher kinetischer Energie schließlich die Anode erreichen, beginnt der Prozess der Röntgenstrahlproduktion. Wolfram ist oft das übliche Anodenmaterial, obwohl auch andere Materialien verwendet werden. Elektronen kommen dem Kern des Zielmaterials extrem nahe, was zu einer Verzögerung und Richtungsänderung führt und die kinetische Energie in elektromagnetische Strahlung umwandelt, ein Prozess, der als „Bremsstrahlung“ bekannt ist. Das Ergebnis ist ein Spektrum von Röntgenenergien. Auftreffende Elektronen können auch in Ionisation resultieren, wobei das sich nähernde Elektron ein zweites Elektron, das zu einem Atom der Anode gehört, entfernt und seine Energie durch Ionisation oder Anregung verliert. Dieser Prozess führt zur Emission eines Photons, wenn die Elektronenorbitlücke durch ein Orbitalhüllenelektron aus einer weiter außen liegenden Schale gefüllt wird. Da die Orbitalenergien und ihre Unterschiede in Atomen einzigartig sind, führt dies zu einer „charakteristischen Röntgenstrahlung“ mit Energien, die als einzigartiger Fingerabdruck für jede Anode dienen können. Die Mehrheit der in diesem Prozess erzeugten Röntgenstrahlen besteht jedoch aus Bremsstrahlung.

Es ist wichtig zu verstehen, dass die Interaktion von Röntgenstrahlen mit dem Körpergewebe, das der Strahlung ausgesetzt ist, für die Erzeugung eines Röntgenbildes von Bedeutung ist. Es gibt drei wichtige Arten von Wechselwirkungen zwischen Röntgenstrahlen und den Geweben unseres Körpers: 

1. die klassische oder kohärente Wechselwirkung,
2. die Compton-Streuung,
3. und die photoelektrische Wechselwirkung, die alle zur Bildkontrastierung beitragen.

Die Bilderkennung erfolgt über digitale und analoge Filmdetektoren. Digitales Röntgen ermöglicht es dem Benutzer, Kontrast und Helligkeit zu korrigieren und bietet mehr Möglichkeiten für die Nachbearbeitung von Bildern.

Die effektive Dosis bezieht sich auf die Menge an Strahlung, die der gesamte Körper erhält, und wird in Millisievert (mSv) gemessen. Verschiedene Verfahren beinhalten unterschiedliche effektive Strahlendosen, abhängig von der Stelle und der Verwendung von Kontrastmitteln. Zum Beispiel hat eine Röntgenaufnahme der Wirbelsäule eine ungefähre effektive Dosis von etwa 1 mSv. Ein Röntgenbild der Extremität liegt im oberen Normalbereich zwischen 0,17 und 2,7 Mikrosievert. Um diese Dosen in einen Kontext zu setzen, kann man diese Expositionen mit der natürlichen Strahlung vergleichen, die wir aus unserer Umgebung erhalten, die normalerweise etwa 3 mSv pro Jahr beträgt.

Was ist der Unterschied zwischen Röntgenstrahlen und Gammastrahlen?

Der Hauptunterschied zwischen Röntgenstrahlung und Gammastrahlung ist ihre Herkunft. Röntgenstrahlen entstehen im Gegensatz zur Gammastrahlung außerhalb des Atomkerns, typischerweise in einer Röntgenröhre, wenn beschleunigte Elektronen auf ein Zielmaterial treffen und abgebremst werden. Die dabei freigesetzte Energie wird in Form von Röntgenphotonen emittiert. Diese Entstehung kann auch innerhalb eines Atoms stattfinden, wenn ein Elektron aus einer inneren Schale entfernt wird und ein Elektron aus einer äußeren Schale auf dieses niedrigere Energieniveau fällt, wobei die Energiedifferenz als Röntgenstrahlung abgegeben wird.

Gammastrahlen hingegen werden im Atomkern erzeugt, meist als Ergebnis radioaktiver Zerfallsprozesse oder Kernreaktionen. Sie sind das Resultat des Übergangs eines Atomkerns von einem höheren in einen niedrigeren Energiezustand.

Beide Strahlungsarten sind hochenergetisch und ionisierend, was bedeutet, dass sie Elektronen aus Atomen oder Molekülen entfernen können, jedoch sind Gammastrahlen in der Regel energiereicher als Röntgenstrahlen. Aufgrund ihrer höheren Energie haben Gammastrahlen oft eine größere Durchdringungsfähigkeit als Röntgenstrahlen.

Was versteht man unter der Wellenlänge und Frequenz von Röntgenstrahlen?

Die Wellenlänge ist der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellenbergen (oder Wellentälern) und bestimmt die Art der elektromagnetischen Strahlung. Bei Röntgenstrahlen liegt die Wellenlänge typischerweise zwischen 0,01 und 10 Nanometern. Die Frequenz hingegen gibt an, wie oft diese Wellenberge pro Sekunde an einem festen Punkt vorbeiziehen. Sie wird in Hertz (Hz) gemessen, wobei Röntgenstrahlen Frequenzen im Bereich von etwa 30 Petahertz bis 30 Exahertz aufweisen.

In der Beziehung zwischen Wellenlänge und Frequenz spiegelt sich das physikalische Prinzip wider, dass das Produkt aus Wellenlänge und Frequenz gleich der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist. Da Röntgenstrahlen einen festen Platz im elektromagnetischen Spektrum haben, sind ihre Wellenlänge und Frequenz spezifisch aufeinander abgestimmt und geben Aufschluss über die Energie der Strahlung: Je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Frequenz und damit auch die Energie der Röntgenstrahlen.

Wie wird die Energie von Röntgenstrahlen bestimmt?

Die Energie von Röntgenstrahlen wird über ihre Frequenz oder ihre Wellenlänge bestimmt, da die Energie eines Photons (also eines Licht- oder Röntgenstrahlenpartikels) direkt proportional zu seiner Frequenz ist. Diese Beziehung wird durch die Plancksche Beziehung beschrieben:

$$E = h \cdot f$$

E ist die Energie des Photons, ℎ das Plancksche Wirkungsquantum (eine fundamentale physikalische Konstante) und f die Frequenz der Strahlung.

Da Röntgenstrahlen eine sehr hohe Frequenz haben, besitzen sie auch eine entsprechend hohe Energie. Umgekehrt kann die Energie auch über die Wellenlänge bestimmt werden, indem man die Energieformel umformt zu:

$$E = \frac{hc}{\lambda}$$

c ist die Lichtgeschwindigkeit und λ die Wellenlänge. Da die Lichtgeschwindigkeit und das Plancksche Wirkungsquantum konstant sind, zeigt sich, dass je kürzer die Wellenlänge der Röntgenstrahlung, desto höher ihre Energie.

In der medizinischen Bildgebung und Strahlentherapie ist die präzise Kenntnis der Energie von Röntgenstrahlen entscheidend, um die Durchdringungstiefe und die Dosis, die ein Patient erhält, genau zu steuern. Moderne Röntgengeräte sind in der Lage, die Energie der Strahlung fein zu justieren, um optimale Bilder zu erzeugen und das Strahlenrisiko zu minimieren.

Medizinische Anwendung

Wie und in welchen medizinischen Verfahren werden Röntgenstrahlen angewendet?

Röntgenstrahlen werden in verschiedenen medizinischen Verfahren aufgrund ihrer Fähigkeit, Körperstrukturen zu durchdringen und zu visualisieren, angewendet. Hier sind einige der Hauptanwendungen:

• Diagnostische Bildgebung
  • Röntgenaufnahmen: Standardverfahren zur Untersuchung von Knochenbrüchen, Lungenentzündungen und Zahnerkrankungen.
  • Computertomographie (CT): Erstellt detaillierte Querschnittbilder von Körperstrukturen und ist besonders nützlich zur Diagnose von internen Verletzungen, Blutungen und Tumoren.
  • Mammographie: Spezialisierte Röntgenuntersuchung der Brustgewebe zur Früherkennung von Brustkrebs.
  • Angiographie: Verwendet Röntgenstrahlen, um Blutgefäße nach der Injektion eines Kontrastmittels darzustellen.
  • Fluoroskopie (Durchleuchtung): Live-Röntgenbildgebung, die Bewegungen von Körperteilen oder die Passage eines Kontrastmittels durch den Körper zeigt.
• Therapeutische Anwendungen
  • Strahlentherapie: Hier werden hochenergetische Röntgenstrahlen zur Schädigung und Zerstörung von Krebszellen eingesetzt.
  • Radiosynoviorthese: Ein Verfahren, bei dem radioaktive Substanzen in ein Gelenk injiziert werden, die Röntgenstrahlung emittieren und entzündetes Gewebe gezielt behandeln.
• Zahnmedizin
  • Dentale Röntgenaufnahmen: Wichtig für die Beurteilung des Zustands von Zähnen und Kieferknochen.

Welche Rolle spielen Röntgenstrahlen in der Diagnostik von Arthrose und Fersensporn?

Bei Arthrose wird die Röntgenbildgebung verwendet, um den Grad des Gelenkverschleißes zu bewerten. Typische Röntgenbefunde bei Arthrose sind eine Verschmälerung des Gelenkspalts, Veränderungen an den Gelenkrändern wie Osteophyten (Knochensporne) und subchondrale Sklerose (Verdichtung des Knochens unter dem Gelenkknorpel). Diese Veränderungen sind auf dem Röntgenbild gut sichtbar und helfen dabei, das Stadium der Arthrose zu bestimmen und die passende Behandlung einzuleiten.

Beim Fersensporn, einer knöchernen Wucherung am Fersenbein, ist die Röntgenaufnahme ein wichtiges diagnostisches Werkzeug, um die Anwesenheit und Größe des Sporns zu bestimmen. Obwohl ein Fersensporn selbst nicht immer schmerzhaft ist und die Beschwerden eher durch begleitende Entzündungsprozesse wie Plantarfasziitis verursacht werden, liefert das Röntgenbild wichtige Informationen, die zur Diagnosestellung und zur Planung weiterführender Therapiemaßnahmen beitragen.

Bei beiden Erkrankungen ist das Röntgen eine schnelle, weitverbreitete und vergleichsweise kostengünstige Methode, die für eine initiale Beurteilung und Verlaufskontrolle der degenerativen Veränderungen eingesetzt wird. Es ist zu beachten, dass die Röntgenbildgebung zwar sehr nützlich für die Bewertung von Knochenveränderungen ist, Weichteilveränderungen jedoch nicht immer ausreichend dargestellt werden können. Daher kann in einigen Fällen eine ergänzende Bildgebung, wie Ultraschall oder Magnetresonanztomographie (MRT), notwendig sein, um eine umfassende Diagnose zu stellen.

Welche Fortschritte in der Medizintechnik gibt es im Bereich der Röntgenanwendung?

• Digitale Röntgentechnik
  • Moderne Röntgensysteme nutzen digitale Bildsensoren anstelle der traditionellen Filmtechnik, was zu einer schnelleren Bildgebung und sofortiger Verfügbarkeit der Bilder führt. Zudem ermöglicht die digitale Technik eine bessere Bildbearbeitung und -speicherung.
• Dosisreduktion
  • Durch den Einsatz von modernen Detektormaterialien und verbesserten Bildverarbeitungsalgorithmen konnte die erforderliche Strahlendosis für die Erzeugung aussagekräftiger Bilder signifikant gesenkt werden.
• 3D-Bildgebung und Computertomographie
  • Weiterentwicklungen in der CT-Technologie ermöglichen dreidimensionale Bilder mit hoher Auflösung, die für die präzise Diagnostik und Planung chirurgischer Eingriffe unerlässlich sind. Die Einführung von Mehrschicht-CT-Scannern hat die Bildqualität weiter verbessert und die Untersuchungszeiten verkürzt.
• Dual-Energy-CT
  • Diese Technologie verwendet zwei verschiedene Energielevel der Röntgenstrahlen, um unterschiedliche Materialien wie Knochen und Weichteilgewebe besser zu differenzieren und spezifische Kontrastmittel hervorzuheben.
• Interventionelle Radiologie
  • Die Nutzung von Röntgenstrahlung in der interventionellen Radiologie ermöglicht minimal-invasive Eingriffe unter Echtzeit-Bildkontrolle, was die Genauigkeit verbessert und das Risiko für den Patienten senkt.
• Bildfusion und hybride Bildgebung
  • Die Kombination von Röntgenbildern mit anderen bildgebenden Verfahren wie Ultraschall, MRT oder Positronen-Emissions-Tomographie (PET) erlaubt eine umfassendere Beurteilung und Diagnostik.
• Künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen
  • KI-Algorithmen unterstützen die Auswertung von Röntgenbildern, erkennen Muster und Anomalien und können somit Ärzte in der Diagnosestellung unterstützen.

Was sind die Risiken und Nebenwirkungen einer Behandlung mit Röntgenstrahlen?

Risiken und Nebenwirkungen einer Behandlung mit Röntgenstrahlen sowie deren langfristige Auswirkungen auf den Körper sind bedeutsame Aspekte in der radiologischen Praxis und bedürfen sorgfältiger Abwägung und Kontrolle.

Risiken und Nebenwirkungen: Die Anwendung von Röntgenstrahlen in der Medizin, sei es zur Diagnostik oder Therapie, kann Nebenwirkungen haben. Zu den kurzfristigen Nebenwirkungen zählen Hautrötungen, Haarausfall im Bestrahlungsbereich, Übelkeit und Ermüdungserscheinungen. Besonders bei der Strahlentherapie können sich zudem Entzündungen in den bestrahlten Arealen entwickeln.

Langfristige Auswirkungen: Langfristig kann die Exposition gegenüber Röntgenstrahlen das Risiko für die Entwicklung von Krebs erhöhen, da sie die DNA in den Zellen schädigen kann. Auch das Risiko für Katarakte und bestimmte andere Erkrankungen kann bei hoher Strahlenexposition steigen.

Die Gefährlichkeit der Röntgenstrahlenbelastung hängt maßgeblich davon ab, welches Körperteil geröntgt wird. Ein wesentlicher Faktor dabei ist die Strahlenempfindlichkeit der verschiedenen Gewebe und Organe. Einige Körperteile, wie Haut und Knochen, sind weniger strahlenempfindlich, während andere, wie z.B. Lunge oder Brustgewebe, empfindlicher auf Strahlung reagieren. Beispielsweise ist die Belastung bei einem Fuß-Röntgen (< 0,01 – 0,1 mSv) relativ gering. Im Gegensatz dazu ist eine CT vom Kopf (1 – 3 mSv) potenziell belastender.

Die kumulative Wirkung von Röntgenstrahlen muss berücksichtigt werden. Wiederholte Exposition, selbst bei geringer Dosierung, kann das Risiko für bestimmte Erkrankungen, wie Krebs, erhöhen.

Schutzmaßnahmen und Sicherheit

Welche Schutzvorkehrungen sind bei der Arbeit mit Röntgenstrahlen zu beachten?

• Strahlenschutzkleidung: Das Tragen von Bleischürzen, Bleihandschuhen und Schilddrüsenschutz für medizinisches Personal und Patienten zur Absorption der Streustrahlung.
• Bleiglas-Schutzbrillen: Zum Schutz der Augen vor Strahleneinwirkung.
• Abschirmung und Abschrankung: Die Verwendung von fest installierten Bleiwänden im Röntgenraum oder mobilen Schutzschirmen im Untersuchungsraum sowie Bleivorhänge an den Fenstern der Röntgenkabinen.
• Strahlenschutzabstand: Der Abstand zur Strahlenquelle sollte so groß wie möglich sein, da die Intensität der Strahlung mit dem Quadrat des Abstands abnimmt.
• Zeitfaktor: Die Verweildauer in strahlenexponierten Bereichen sollte so kurz wie möglich gehalten werden.
• Strahlenschutzunterweisung: Regelmäßige Schulungen für das medizinische Personal über den sicheren Umgang mit Röntgenstrahlung und die damit verbundenen Risiken.
• Dosimeter: Das Tragen von persönlichen Dosimetern zur Überwachung der individuellen Strahlenexposition.
• Strahlenschutzbereiche: Klare Kennzeichnung und Abgrenzung von Kontrollbereichen, in denen eine erhöhte Strahlenexposition auftreten kann.
• Schwangerschaft: Besondere Schutzmaßnahmen für schwangere Mitarbeiterinnen, um das ungeborene Kind zu schützen.
• Wartung und Überprüfung: Regelmäßige Wartung und Funktionsprüfung der Röntgensysteme, um sicherzustellen, dass sie korrekt arbeiten und keine unnötige Strahlung abgeben.
• ALARA-Prinzip: Alle Maßnahmen sollten dem ALARA-Prinzip (As Low As Reasonably Achievable) folgen, das besagt, dass die Strahlenexposition so niedrig wie vernünftigerweise möglich gehalten werden soll.

Wie lange bleiben Röntgenstrahlen im Körper und wie verhalten sie sich im Raum?

Röntgenstrahlen bleiben nicht im Körper. Sobald die Röntgenquelle abgeschaltet wird, gibt es keine weiteren Röntgenstrahlen im Körper des Patienten. Die Strahlung durchdringt den Körper oder wird absorbiert und erzeugt dabei ein Bild auf einem Detektor oder Röntgenfilm, aber sie verbleibt nicht im Gewebe.

Im Raum verhalten sich Röntgenstrahlen ähnlich wie Licht, indem sie sich geradlinig ausbreiten. Sie können durch verschiedene Materialien hindurchgehen, wobei ein Teil absorbiert wird und ein anderer Teil gestreut werden kann. Diese Streustrahlung kann benachbarte Objekte oder Personen erreichen, wenn sie nicht entsprechend abgeschirmt sind. Sobald die Röntgenquelle ausgeschaltet ist, gibt es auch im Raum keine verbleibende Strahlung. Das Phänomen der radioaktiven Halbwertszeit, das bei radioaktivem Material dazu führt, dass Strahlung über längere Zeit verbleibt, trifft auf Röntgenstrahlen nicht zu.

Die Entdeckung der “X-Strahlung” durch Wilhelm Conrad Röntgen

Röntgen erkannte schnell, dass die Fluoreszenz von einer bisher unbekannten Art von Strahlung ausgelöst werden musste, die von der Röhre ausging und in der Lage war, den Karton sowie andere feste Objekte zu durchdringen. In den folgenden Wochen widmete er sich intensiv der Erforschung dieser Strahlung, wobei er systematisch deren Eigenschaften untersuchte, wie ihre Fähigkeit, verschiedene Materialien zu durchdringen, ihre Wirkung auf fotografische Platten und ihre Unbeeinflussbarkeit durch Magnetfelder.

Die Ergebnisse seiner Experimente fasste er in einer bahnbrechenden wissenschaftlichen Abhandlung zusammen, die er am 28. Dezember 1895 unter dem Titel „Über eine neue Art von Strahlen“ (Vorläufige Mitteilung) der Würzburger Physikalisch-Medizinischen Gesellschaft vorlegte. In dieser Arbeit beschrieb er detailliert die Entdeckung und stellte die Hypothese auf, dass es sich um eine neue Art von Strahlen handelte. Er entschied sich für die Bezeichnung „X-Strahlen„, um deren unbekannte Natur zum Ausdruck zu bringen.

Der Kürze halber möchte ich den Ausdruck Strahlen und zwar zur Unterscheidung von anderen den Namen X-Strahlen gebrauchen.

Wilhelm Conrad Röntgen

Die Veröffentlichung dieser Entdeckung verursachte weltweit großes Aufsehen. Röntgen selbst machte die erste medizinische Röntgenaufnahme von der Hand seiner Frau Bertha, auf der deutlich ihr Ehering und ihre Knochen zu sehen waren. Diese bahnbrechende Entdeckung revolutionierte nicht nur die medizinische Diagnostik, sondern eröffnete auch neue Forschungsfelder in der Physik und führte zur Entwicklung neuer Technologien.

Für seine Entdeckung erhielt Wilhelm Conrad Röntgen zahlreiche Ehrungen, darunter als erster den Nobelpreis für Physik im Jahr 1901. Die Röntgenstrahlen veränderten die medizinische Wissenschaft grundlegend und sind bis heute aus der diagnostischen Bildgebung nicht wegzudenken.

FAQ

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Quellen:

• https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK537046/