Röntgen

Historisches Röntgengerät

Röntgen (nach dem Physiker Wilhelm Conrad Röntgen), auch Röntgendiagnostik steht für den Prozess des Durchstrahlens eines Körpers mit Röntgenstrahlen unter Verwendung eines Röntgenstrahlers sowie die Darstellung der Durchdringung des Körpers, etwa mittels eines fluoreszierenden Schirms oder eines Bildverstärkers (Durchleuchtung). Die Bilder werden entweder auf geeignetem Filmmaterial (Radiografie), Phosphorplatten oder mittels elektronischer Sensoren, zum Beispiel CCDs (digitale Radiografie), sichtbar. Röntgen ist ein weit verbreitetes bildgebendes Verfahren. Stand der Technik ist Digitales Röntgen.

Geschichte

Am 8. November 1895 entdeckte Wilhelm Conrad Röntgen in Würzburg die unsichtbaren Strahlen. Ausgehend von dieser Entdeckung entwickelte Carl Heinrich Florenz Müller gemeinsam mit Ärzten die erste wassergekühlte Anode.

Anwendungen

Medizin

Verschiedene medizinische Röntgenbilder

In der Medizin dient das Röntgen zur Feststellung von Anomalien im Körper, die im Zusammenhang mit Symptomen, Zeichen und eventuell anderen Untersuchungen eine Diagnose ermöglichen (Röntgendiagnostik). Die unterschiedlich dichten Gewebe des menschlichen (oder tierischen) Körpers absorbieren die Röntgenstrahlen unterschiedlich stark, so dass man eine Abbildung des Körperinneren erreicht (Verschattung, Aufhellung und andere Röntgenzeichen). Das Verfahren wird zum Beispiel häufig bei Verdacht auf einen Knochenbruch angewendet: Zeigt das Röntgenbild eine Unterbrechung der Kontinuität des Knochens, ist der Verdacht bestätigt.

Für unterschiedliche Bereiche des Körpers werden unterschiedliche „Strahlenqualitäten“ benötigt, um unterschiedlich dichte Gewebe, wie z. B. Fettgewebe oder Knochen zu durchdringen. In der Röntgendiagnostik spricht man von weicher und harter Strahlung. Ausschlaggebend ist die Spannung in Kilovolt (kV), die der Röntgenröhre zugeführt wird. Je nach dem abzubildenden Körperbereich bzw. der gewünschten Bildaussage wird die Röhrenspannung zwischen etwa 25–35 kV bei der Mammografie und etwa 38 und 120 kV bei den übrigen Körperregionen gewählt. Je weicher die Strahlung (niedrige kV-Werte), ein um so größerer Anteil der Strahlung wird vom Gewebe absorbiert. Dadurch werden auch feinste Gewebeunterschiede auf dem Röntgenfilm sichtbar gemacht. Dies ist der Fall bei der Mammografie (Röntgenuntersuchung der weiblichen Brust), jedoch ist die Strahlenbelastung des durchstrahlten Gewebes dadurch relativ hoch. Harte Strahlung (über 100 kV) durchdringt Gewebe und Materialien (Gips und sogar Bleischürzen von geringerer Dicke) wesentlich leichter. Kontrastunterschiede werden stark abgemildert, wie z. B. bei Lungenaufnahmen (120 kV), bei denen sonst im Bereich der Rippen keine Beurteilung der Lungenstruktur möglich wäre.

Häufig werden dem Patienten bei oder vor der Röntgenuntersuchung Kontrastmittel verabreicht. Manche Strukturen, die sich normalerweise nicht abgrenzen lassen, können so hervorgehoben werden. Zum Teil lässt sich mit einem Kontrastmittel auch die Funktion eines Organsystems darstellen, so etwa in der Urografie. Je nach Fragestellung bieten sich verschiedene Substanzen und Darreichungsformen an.

In Deutschland wird Patienten im Falle einer Röntgenuntersuchung vom untersuchenden Arzt angeboten, Informationen wie Datum und bestrahlte Körperregion in einen Röntgenpass eintragen bzw. sich einen solchen Pass ausstellen zu lassen.

Deutschland nimmt beim Röntgen einen Spitzenplatz ein: etwa 1,3 Röntgenaufnahmen und 2 mSv pro Einwohner und Jahr. Auf diese Strahlenbelastung lassen sich theoretisch 1,5 % der jährlichen Krebsfälle zurückführen. Ärzte unterschätzen laut Heyer die Strahlenbelastung bei der Computertomographie: Diese machten im Jahr 2003 gut 6 % aller Röntgenuntersuchungen aus, waren aber für mehr als 50 % der medizinischen Strahlenexposition verantwortlich Beispiel: Bei der Koronaruntersuchung mittels Computertomographie (CT) erkaufen sich Patienten die erhöhte Sensitivität mit einem gesteigerten Krebsrisiko. So errechneten amerikanische Wissenschaftler, dass bei Zwanzigjährigen eine von 143 mittels Koronar-CT untersuchten Frauen im Laufe ihres Lebens infolge dieser Angiographie-Strahlung an Krebs erkrankt, aber nur einer von 686 gleich alten Männern. Die CT-Angiographie der Koronarien scheint vor allem bei Frauen und jungen Menschen das Krebsrisiko nicht unerheblich zu erhöhen. Kommt ein Patient mit akutem Myokardinfarkt in die Klinik, wird ihm oft eine Strahlendosis von insgesamt 14,5 mSv verabreicht. Das ist so viel wie bei 725 Röntgen-Thorax-Bildern. Die Dosis, die ein Infarktpatient durch diese Katheteruntersuchung erhält, entspricht 3/4 der erlaubten Menge an ionisierenden Strahlen, die Arbeiter in deutschen Kernkraftwerken abbekommen dürfen — im ganzen Jahr (20 mSv/a). In einer groß angelegten Studie hatten sie die Daten von 64.074 Patienten analysiert, die zwischen 2006 und 2009 in Lehrkrankenhäusern der USA wegen eines akuten Herzinfarktes behandelt worden waren. Insgesamt wurden in diesem Zeitraum 276.651 Untersuchungen mit ionisierenden Strahlen an diesem Kollektiv durchgeführt. 83 % der Herzinfarktler erhielten Röntgenaufnahmen des Thorax, 77 % Katheteruntersuchungen. Zwar sollten laut Meinung des Referenten notwendige Untersuchungen, die ionisierende Strahlen beinhalten, nicht unterbleiben – man sollte aber sicher sein, dass diese angemessen sind. Jedes Jahr werden weltweit mehrere Milliarden Bilder mithilfe von Strahlentechnik angefertigt, informierte Kaul – ungefähr ein Drittel dieser Aufnahmen bei Patienten mit akutem Myokardinfarkt. Zwischen den Jahren 1980 und 2006 ist die jährliche Dosis um schätzungsweise 700 % angestiegen. Untersuchungen von US-amerikanischen Forschern ergaben, dass das Risiko für gutartige Hirntumore sich durch häufiges Röntgen der Zähne verdreifacht. Bei Kindern unter zehn Jahren sogar verfünffacht.

Unter welchen Voraussetzungen ein Arzt für Hautschäden wegen einer röntgenärztlichen Untersuchung haftet, ist Gegenstand einer Entscheidung des Oberlandesgerichts Jena.

Biologie

In biologischen Fachbereichen, wie beispielsweise der Zoologie, wird versucht, mit Hilfe von Röntgen-basierten Darstellungen verschiedenste Fragestellungen zu beantworten. So kann beispielsweise der Aufbau des Kreislaufsystems bei Wirbellosen und seine Lage im Körper besser und schneller untersucht werden, als es mit konventionellen Methoden wie Präparation unter dem Mikroskop oder histologischen Schnitten möglich wäre.

Materialprüfung

Weitere Anwendungen findet man beim Röntgen in der Werkstoffprüfung. Durch Röntgen kann man im Verlauf der Durchstrahlungsprüfung Objekte auf Risse und Hohlräume im Innern untersuchen. Dies geschieht mit sogenannten Röntgenrefraktionsanlagen, meist mit einem Belastungsmechanismus zum leichten Öffnen der Mikrorisse (engl. crazes).

Qualitätssicherung

Röntgenaufnahmen einer Token-Ring-Netzwerkkarte, verschiedene Vergrößerungen

Animiertes Set Röntgenaufnahmen einer Logitech C500 Webcam. 100kV, 12W, 2mm Alufilter, 3000ms Belichtung.

Immer häufiger verlangen große Handelsketten von den Nahrungsmittelherstellern eine bessere Detektion von Fremdkörpern zur Erhöhung der Produktqualität. Nachdem der Metalldetektor in den letzten Jahren das Mittel der Wahl war, kommen jetzt immer häufiger Röntgensysteme zum Einsatz. Diese Röntgensysteme bestehen zum einen aus dem bekannten Röntgensystem (Röhre/Kollimator und Empfänger) sowie aus einer weitentwickelten computergestützten Bildverarbeitung mit Aussteuergerät. Das heißt, das Röntgenbild des jeweiligen Nahrungsmittels wird hinsichtlich möglicher Verunreinigungen (Kontaminationen) mittels spezieller Computerprogramme untersucht. Sollte die Röntgenbildanalyse ergeben, dass ein Nahrungsmittel verunreinigt ist, so wird dem angeschlossenen Aussteuergerät umgehend mitgeteilt, dass dieses Nahrungsmittel auszusteuern ist. Es landet im Abfallbehälter.

Allerdings sind gerade zu Beginn des Einsatzes solcher Röntgensysteme in der Nahrungsmittelindustrie Hürden zu überwinden. Die Angst vor einer Belastung durch mögliche Strahlung ist oft groß und bedarf einer Aufklärung. Abgesehen von Röntgensystemen, die Nahrungsmittel bestrahlen, um sie haltbarer zu machen, ist die Röntgenuntersuchung hinsichtlich möglicher Kontaminationen absolut ohne jegliche Wirkung auf das Nahrungsmittel selbst. Das Röntgen hat hier weder eine haltbarmachende noch eine zerstörende Wirkung. Was bleibt, ist die Sicherheit des Röntgensystems für den Anwender. Da Röntgen in Deutschland gemäß der Verordnung über den Schutz vor Schäden durch Röntgenstrahlen genehmigungspflichtig ist, sind die Hürden für mögliche Verletzungen sehr hoch. Letzten Endes hängt die jeweilige Sicherheit von dem Betreiber selbst und dem erworbenen System ab. Vergessen sollte man jedoch nicht, dass das medizinische Röntgen und Flugreisen (in normaler Höhe) temporär weit größere Belastungen mit sich bringen, als es bei einem Röntgensystem zur Qualitätssicherung der Fall ist. Wer sich in feuchten Kellern von Häusern oder in Wasserwerken aufhält, bekommt in der Regel höhere Ausschläge auf dem Messgerät (Dosimeter) als vor dem eingeschalteten Röntgensystem. Sie kommt aus dem Erdboden wie auch aus dem Weltraum zu uns und wird mitgemessen.

Ein Röntgensystem kann metallische und nichtmetallische Kontaminationen detektieren, jedoch nicht alle. Röntgen ist zum heutigen Zeitpunkt (2005) die einzige Möglichkeit, um möglichst viele und unterschiedliche kleine Kontaminationen in Nahrungsmittel erkennen zu können. Die Annahme, das Produkt sei nach der Untersuchung zu 100 % kontaminationsfrei, ist jedoch falsch. Sicher ist, dass in den kommenden Jahren mittels besserer Technik das Detektionsvermögen noch weiter gesteigert werden kann. Man wird aber nie alles finden können. Das hängt in erster Linie damit zusammen, dass je näher die „Röntgeneffekte“ von Kontaminationen und dem eigentlichen Produkt zusammenliegen, es dem bildverarbeitenden System auch umso schwerer fällt, zwischen beiden zu unterscheiden. In der sogenannten Hounsfield-Skala sind Röntgeneffekte unterschiedlichster Materialien aufgelistet. Je näher sich die jeweiligen Materialien in dieser Liste sind, umso schlechter vermag ein Röntgendetektor sie zu unterscheiden (Beispiel: Fleisch und Fett). Ist hingegen der Unterschied groß, wie z. B. zwischen einem Käsestück (verpackt oder unverpackt) und einem kleinen Stein oder Eisen- oder Aluminiumstück, so fällt es dem Röntgendetektor besonders leicht, die Verunreinigungen im Käse zu erkennen und auszusortieren.

Archäologie

In der Archäologie wird die Röntgenaufnahme beispielsweise zum Durchleuchten von Mumien genutzt, wenn deren Einbandagierung nicht zerstört werden soll. Ferner können kompliziert aufgebaute Funde wie Waffen, verzierte Ornamente oder unter Verschluss befindliche Objekte in Truhen ohne Öffnung untersucht werden.

Geologie und Mineralogie

Die chemische Analyse von Gesteinen und Mineralen ist mit Hilfe der Röntgenfluoreszenz-Analyse möglich. Durch Bestrahlung mit Röntgenstrahlen von ca. 50 kV werden die in einer Probe enthaltenen chemischen Elemente zu einer Fluoreszenz-Strahlung angeregt, deren Wellenlänge charakteristisch für das betreffende Element ist. Durch Messung der Wellenlänge dieser Strahlung können die Elemente qualitativ bestimmt werden. Durch Messung der Intensität und Vergleich mit einer Standardprobe bekannter Zusammensetzung kann auch eine quantitative Analyse durchgeführt werden. Die Methode ist im Gegensatz zu nasschemischen Analyseverfahren zerstörungsfrei, d. h., die Probe ist nach der Analyse unverändert und kann für andere Zwecke verwendet werden. Allerdings muss eine geologische Probe fein gemahlen und zu einer flachen Tablette (gewöhnlich mit einem Bindemittel) gepresst werden.

Maltechnik

Kurt Wehlte setzte erstmals die Röntgentechnik ein, um die verschiedenen Schichten des Bildaufbaus bei Gemälden sichtbar zu machen. Er gründete in Berlin die Röntgenbildstelle für Gemäldeuntersuchung.

Astronomie

Im Januar 2003 gelang amerikanischen und japanischen Astronomen erstmals das Röntgen der Gashülle des Saturnmondes Titan. Möglich wurde diese Aufnahme durch den ersten Titan-Transit des Krebsnebels seit Beginn der Beobachtung; die nächste Konjunktion dieser Art wird im Jahr 2267 erwartet. Auch senden bestimmte Himmelskörper wie z. B. Röntgenpulsare Röntgenstrahlung aus, durch deren Messung man Daten der Körper bestimmen kann.

Strukturanalyse

Indem man die Beugung von Röntgenstrahlen beim Durchtritt durch eine Substanzprobe misst, lässt sich die Kristallstruktur von Substanzen aufklären. Moleküle können so visualisiert werden. Bei organischen Molekülen wie DNA, RNA und Proteinen lässt die Struktur Schlüsse auf die Funktion zu, daher greifen Molekularbiologen besonders oft auf die Röntgen-Strukturanalyse zurück. Die einzelnen Vorgänge bei diesem Verfahren werden in dem Artikel Kristallstrukturanalyse erläutert.

Neben der Röntgenbeugung kann auch Röntgenabsorption gemessen werden. Dies wird bei der Röntgenabsorptionsspektroskopie als Verfahren zur Strukturaufklärung verwendet. Die Methode ist nicht auf kristalline Proben beschränkt, allerdings ist sie nur für die Aufklärung von Nahstrukturen geeignet. Insbesondere im Bereich biologischer Proben wird die Röntgenabsorptionsspektroskopie zunehmend zur gezielten Aufklärung aktiver Zentren von Enzymen verwendet.

Technikgeschichte

Bis Ende der 1960er Jahre waren Pedoskope in Schuhgeschäften üblich, Röntgengeräte, um die Passgenauigkeit von Kinderschuhen zu überprüfen.

Sicherheit

Mobile Durchleuchtungseinheit für LKW und Busse der Bundeszollverwaltung

An manchen Kontrollpunkten wird Röntgentechnik in Scannern angewendet, um zeitsparend, aber wirksam Hohlräume oder Menschen zu durchleuchten. Es gibt Röntgengeräte (z. B. das "Cab2000"), die ganze LKW-Ladungen oder Container durchleuchten können.

Zudem wird das Röntgen auch bei der Delaborierung von Bomben zur Hilfe genommen; dies dient der Analyse.

Bildgebung

Um das Röntgenbild sichtbar zu machen, gibt es folgende Möglichkeiten:

• Röntgenfilm
• Röntgenbildverstärker
• Röntgenspeicherfolie
• Röntgenkamera
• Festkörperdetektoren

Bildergalerie

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  Historische Aufnahme einer Hand mit Ring (Röntgen, 23. Januar 1896)

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  Röntgengerät von Siemens, Foto 1950

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  Röntgenbild eines gebrochenen Unterarms mit Marknagel in der Elle

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  Linker gebrochener Oberarm

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  Röntgenbild einer Fersentrümmerfraktur mit Verplattung

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  Röntgenbild einer Radiustrümmerfraktur mit Verplattung und Fixateur externe

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  Eine moderne Aufnahme einer linken Hand mit 6 Fingern (Polydaktylie)

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  Röntgenbild eines männlichen Schädels

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  Panorama-Röntgenanlage für Bilder vom Kiefer

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  Dentitionsaufnahme der Zähne eines 6-8 Jährigen

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  Röntgenbild eines Thorax mit Bronchialkarzinom

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  Sprunggelenk

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  Röntgenbild eines Zwergkaninchens

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  Schematische Darstellung einer Röntgenröhre

Gefahren

Da die angewendeten Strahlendosen in der Röntgendiagnostik zwar sehr gering, aber dennoch potenziell schädlich für den Patienten und den Anwender sind, ist, wie in der Radiologie üblich, besonderen Wert auf den Strahlenschutz zu legen. Die Sicherheit des Operateurs wird dadurch gewährleistet, dass dieser in einem Nachbarraum eine Taste betätigen muss, ohne die der Röntgenapparat nicht arbeitet. Durch ständiges Gedrückthalten des Auslöseknopfes unter gleichzeitiger Beobachtung des Patienten wird verhindert, dass das Röntgen unkontrolliert ausgelöst oder bei Ohnmacht des Operateurs ungewollt fortgesetzt wird.

Siehe auch

• Radiologie
• Gustav Peter Bucky (Radiologe)
• Kristallographie
• PIXE (Partikel-induzierte Röntgenemission, bzw. Proton-induzierte Röntgenemission)
• Deutsches Röntgen-Museum
• Scanner (Sicherheitstechnik)
• Röntgenpass
• Röntgenstrahlung

Literatur

• E. C. Petri: Der Röntgenfilm. Eigenschaften und Verarbeitung. Fotokino, Halle 1960
• Günter W. Kauffmann (Hrsg.): Röntgenfibel: Praktische Anleitung für Eingriffe in der Röntgendiagnostik und interventionellen Radiologie, 3. Aufl., Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, Tokio, New York 2001, ISBN 3-540-41018-X
• Wilfried Angerstein (Hrsg.): Grundlagen der Strahlenphysik und radiologischen Technik in der Medizin. Hoffmann, Berlin 5. neu bearb. A. 2005, ISBN 3-87344-123-3
• Ulrich Mödder, Uwe Busch (Hrsg.): Die Augen des Professors. Wilhelm Conrad Röntgen – eine Kurzbiografie. Vergangenheitsverlag, Berlin 2008, ISBN 978-3-940621-02-3
• Howard H. Seliger: Wilhelm Conrad Röntgen and the Glimmer of Light. Physics Today, November 1995, 25-31, doi:10.1063/1.881456

Weblinks

Wiktionary: röntgen – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

 Commons: Röntgenstrahlung – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Röntgenuntersuchung
• Neues Deutsches Röntgen Museum
• Konstanzprüfungen an Therapiesimulatoren (PDF, 307 KiB)
• Röntgen-Gedächtnisstätte Würzburg
• Röntgendiagnostik – schädlich oder nützlich? (PDF, 1,5 MiB)