Die klinische Bedeutung von Untersuchungsmethoden: Röntgen

2. Die klinische Bedeutung von Untersuchungsmethoden: Röntgen

Autor: Katalin Klára Kiss

 

2.1. Lernziel des Kapitels:

Die physischen Grundlagen der Entstehung von Röntgenstrahlen, die Bildproduktion, die Methode der Aufnahme und Durchleuchtung kennenzulernen/zu wiederholen. Die klinische Anwendung der Röntgenuntersuchungen (untersuchbare Organe, Organsysteme), deren Vorteile und Nachteile und deren Platz im Untersuchungsalgorithmus kennenzulernen.

Museum in der Bücherei der Abteilung Diagnostische Radiologie und Onkotherapie.:

 

2.2. Physikalische Grundlagen der Bildproduktion

Die physikalischen Grundlagen sind gültig für alle analogen, indirekt digitalen und direkt digitalen bildgebenden Verfahren. Der einzige Unterschied besteht zwischen den theoretischen Grundlagen der Detektion von Röntgenstrahlung.

Theorie der Röntgenstrahlung
Die Röntgenstrahlung ist eine Form der Energieverteilung, die zur Gruppe der elektromagnetischen Strahlung gehört.

Die physikalischen Eigenschaften:
C=μ×λ

μ= Frequenz
λ = Wellenlänge
C= Lichtgeschwindigkeit (ein konstanter Wert: 300.000km/s = 300.000.000 m/s)

Zwischen der Wellenlänge und der Frequenz besteht ein direkter physikalischer Zusammenhang, sie sind umgekehrt proportional zueinander.
Die Röntgenstrahlen werden durch die Wellenlänge charakterisiert:
Je kürzer die Wellenlänge, desto härter ist die Röntgenstrahlung und umso größer ist ihr Durchdringungsvermögen.

Übereinstimmend mit den Grundsätzen der Quantentheorie bestehen alle elektromagnetischen Resonanzen (einschließlich der Röntgenstrahlen) aus Energiepaketen, den Photonen. Alle Teilchen und auch Photonen besitzen Welleneigenschaften. In Korrelation zu den Prinzipien der klassischen Mechanik weisen Röntgenstrahlen zusätzlich Kollisionsphänomene auf.
Die Röntgenstrahlung ist über ihre Intensität charakterisiert. Die Intensität zeigt die ankommende Energie durch die Strahlung an; es ist die Energiedichte, die senkrecht eine Einheitsoberfläche durchdringt.

Röntgenstrahlen werden durch eine Röntgenröhre erzeugt.
Elektronen werden von einer Hochspannungs-Gleichstromkathode zunächst beschleunigt und freigesetzt und treffen dann innerhalb einer Vakuumröhre auf die metallische Anode. Die stark beschleunigten Elektronen treffen auf die Anode und werden dort abgebremst. Hierdurch entsteht Röntgenstrahlung und Wärme.

Der Aufbau einer Röntgenröhre:

Kathode Wolfram
Anode Wolfram-Rhenium-Molybdän
Netzspannung 10-20 kV
Beschleunigungsspannung 6-600 kV

Die Erzeugung von Röntgenstrahlung:
Man unterscheidet je nach Entstehungsmechanismus zwei Arten von Röntgenstrahlung:
- charakteristische Röntgenstrahlung
- Bremsstrahlung

• Charakteristische Röntgenstrahlung:

Sie entsteht durch ein energiereiches Elektron oder Strahlung, die ein gebundenes Elektron aus der inneren Atomschale herausschlägt. Die entstandene Elektronenlücke wird durch ein Elektron einer äußeren Hülle geschlossen. Die Elektronen der äußeren Atomschalen weisen eine höhere Energie auf und geben bei dem Wechsel auf eine innere Schale die Energiedifferenz ab. Diese Energiedifferenz hat je nach Element einen spezifischen Wert. Das entstandene Energiequantum hat eine definierte Wellenlänge.

• Bremsstrahlung:

Ein emittiertes Elektron passiert alle Elektronenschalen eines Atomkerns und wird in der Nähe des Atomkerns abgebremst. Durch die Entschleunigung des Elektrons entsteht ein Photon mit der gleichwertigen Energie, die für die Abbremsung benötigt wird.
Der Punkt, an dem das Elektron keine kinetische Energie mehr besitzt, wird Grenzwellenlänge genannt.

Röntgenspektrum
Eine stetige Kurve beschreibt das Spektrum der Wellenlänge mit überlagerten, charakteristischen Peaks, die spezifisch für das verwendete Anodenmaterial sind. Molybdän (verwendet in der Mammografie) hat einen charakteristischen Peak bei einer angelegten Beschleunigungsspannung von 35kV.
Wolfram hat seinen Peak bei einer Spannung von 60-70 kV. Diese Metalle sind besonders effektvolle Anoden, da ihre Peaks sich im diagnostisch anwendbaren Bereich befinden (medizinische Röntgendiagnostik).

Der Energieverlust ist sehr hoch, da 99 % der kinetischen Energie als Wärme und Licht abgegeben wird.
Die Anregung tritt meistens in der Laufbahn der Außenelektronen statt, da nur ein Elektron herausgeschlagen wird. Die Strahlenenergie hängt von der verwendeten Röhrenspannung ab. Die spektrale Zusammensetzung kann durch zunehmende Spannung oder durch Filterung der Strahlung verändert werden.

Filterung
Die produzierte Röntgenstrahlung besteht aus Photonen unterschiedlicher Wellenlänge. Die für die Bildherstellung unwichtigen Photonen, sowie diejenigen, die die Bildqualität verzerren, müssen gefiltert werden. Dies geschieht durch Aluminium und Kupferplatten. Das Filtern vermindert zudem die Strahlenbelastung.

Abstandsquadratgesetz
Die Intensität der Röntgenstrahlung sinkt mit dem Quadrat der Entfernung zur Strahlenquelle.
Die gemessene Dosis auf einer 1 x 1 qm Oberfläche verteilt sich bei Verdoppelung des Abstands zur Strahlenquelle von 1 auf 2 m auf einer Fläche von 4 x 4 qm.

Absorption
Röntgenstrahlung verliert ihre Intensität mit dem Abstand zu ihrer Strahlenquelle, da es zu Wechselwirkungen mit Materie im Raum kommt. Die Strahlung verändert zudem den Zustand der Materie (biologisch, chemisch und physikalisch).
Die Fähigkeit zur Strahlungsabsorption einer gegebenen Materie hängt von der Dicke, der Dichte und der Ordnungszahl ab (von der vierten Exponent der Ordnungszahl). Wenn die Röntgenstrahlung durch die Materie geht, können fünf verschiedene Phänomene auftreten. Dieser Prozess wird Absorption genannt.

• sie geht durch die Materie ohne Energieverlust
• Rayleigh-Streuung
• Compton-Streuung
• Photoeffekt
• Paarbildung

Die Compton-Streuung ist der wichtigste Faktor in der Beeinträchtigung der Bildqualität.

Zentrale Projektion
Verzerrt und vergrößert das Bild. Das Bild entsteht durch die Röntgenstrahlen, die vom punktförmigen Strahlenquelle kommen und sich auseinander bewegen. Die Folge dieser Prozess ist die Verzerrung und Vergrößerung. Die Objekte näher zum Röntgenfilm werden in kleinerem Maße vergrößert (und sie werden auch schärfer), im Gegensatz zu den weiter stehenden Objekten. Daher entsteht Verzerrung im Bild, weil die Körperteile näher zum Röntgenfilm kleiner werden, als die gleich große Körperteile vom Film entfernt.

2.3. Die Entstehung eines Röntgenbildes

Wenn man ein homogenes Strahlenbündel einen Körper durchlässt, wird ein Teil der Strahlung gestreut und ein anderer Anteil der Strahlung durchdringt den Körper. Sobald die Röntgenstrahlung absorbiert wird, verändert sich die Verteilung der Röntgenquanten, wird in verschiedenen Maßen schwächer, und dadurch herstellt unterschiedliche Schwärzungseffekte auf dem Röntgenfilm oder dem Detektor (digital). So entsteht das sogenannte Strahlbild. Es ist eine inhomogene Durchdringung des Strahles und hängt größtenteils mit der Qualität der Materie zusammen.

Die ankommenden Strahlen werden mittels einer Art von Transformationssystem detektiert. In der analogen Technik geschieht dies durch eine Großformat-Film-Folien-Kombination.
Dies ist das einfachste Detektorsystem.

Der Detektor ist ein ebener Film und enthält Silberhalogenide.
Der Verstärkerbildschirm und die Folie bestehen aus Kalziumwolframat und Zinksulfiden (blaue Folie).
Die seltenen Erdmetallfolien werden aus Titan und Gadolinium hergestellt (grüne Folie).
Letztere erreicht eine bessere Quantum-Auslastung und es werden weniger Röntgenphotonen für die Bildproduktion benötigt. Dies ist ein wichtiger Punkt im Bezug auf den Strahlenschutz (Effektivität, Hygiene). Eine schnellere Expositionszeit senkt wiederum die Unschärfe- und die Bewegungseffekte. Die Partikel in der Röntgenfolie fluoreszieren und emittieren Lichtphotonen, wenn sie von der Röntgenstrahlung getroffen werden. Blaue Folien emittieren 2-3 Photonen pro Röntgenphoton, während grüne Folien 8-10 Lichtphotonen emittieren. Die Bildqualität hängt von der Körnigkeit/Granularität des Films ab. Je körniger die Folie ist, umso schlechter wird die Bildauflösung sein.

Die Qualität/Auflösung eines Bildtransformationssystems wird in der Einheit: Linienpaare/mm gemessen.
Falls das Bild direkt auf einem einfachen Film entstehen würde, könnte die Auflösung 50 Linienpaare/mm erreichen, wobei die benötigte Dosis enorm hoch sein würde. Die Auflösung sinkt durch die Verwendung von Folien auf 5-10 Linienpaare/mm bei deutlichen weniger Dosis.

2.4. Bildbeeinflussende Faktoren

Die Streustrahlung senkt die Bildqualität. Sie senkt die Bildschärfe, sie macht das Bild verschwommen und mindert den Kontrast.

(Filterung, Röntgenröhre, Gitter, Bucky, Potter-Akerlund)

Die Bildqualität erhöht sich durch:

• einen kleineren Abstand zwischen Objekt und Abbildungsebene
• einen größeren Abstand zwischen Fokus und Objekt
• einen kleineren Brennpunkt
• Tele-Bildgebung erreicht die beste Bildqualität, die jedoch durch die Kapazität des Generators beeinflusst wird (siehe Abstandsquadratgesetz)

Die Qualität eines Röntgenbildes erhöht sich sobald sie mehr Informationen beinhaltet; dies wird hauptsächlich durch das Detektorsystem beeinflusst. Zusätzlich hängt die Qualität von der Konstitution des untersuchten Patienten ab. Zum Beispiel erzeugt ein übergewichtiger Patient mehr Streustrahlung.

Röntgen-Durchleuchtung
Während einer Röntgendurchleuchtung wird ein konstanter Röntgenstrahl verwendet. Dies wird durch die Verwendung von Drehanodenröhren erreicht.
Das Bild erscheint zunächst auf einer Zink-Kadmium-Sulfid oder Cäsium-Iod beinhaltenden Bildfläche. Eine elektronenoptische Kette wiederum verstärkt dieses Bild in ein mehrtausendmal stärkeres Bild, welches auf dem zweiten Bildschirm erscheint. Schließlich erzeugt eine Kamera das resultierende Bild auf dem Monitorbildschirm.

Indirekte digitale Technik
Diese Technik registriert das Bild auf einer digitalen Platte (wie zum Beispiel eine Phosphor-Platte). Die Phosphor-Platte wird am Ende der Strahlenexposition gescannt und das produzierte Bild wird an einem Monitor eingelesen. Dieses Bild ist nachbearbeitbar und kann an einem anderen medizinischen Arbeitsplatz angeschaut werden.
Die Phosphor-Speicherplatten bestehen aus Barium-Fluor-Brom-Molekülen eingebettet in Phosphor-Kristallen, dessen Elektronen - proportional zur verwendeten Energie der Röntgenquanten - in höhere Energielevel befördert werden. Durch das Scannen der Phosphorplatte mit einem Laserlicht zeigen die Barium-Fluor-Brom-Elektronen ein leuchtendes Phänomen und während sie Licht emittieren, fallen die Elektronen wieder zurück auf ihr ursprüngliches Energielevel. Die Lichtphotonen werden detektiert. Wenn die Kassette durch normales Licht getroffen wird, verliert sie ihren Anregungszustand und wird wieder verwendbar. Das Auslesen sollte binnen von 15 Minuten nach der Belichtung erfolgen, da innerhalb von 2 - 3 Stunden die in den Kristallen gespeicherten Daten verschwinden.

Direkte digitale Technik
Die Exposition findet statt sobald der Röntgenstrahl die Detektorplatte erreicht. Der Detektor ist eine dünne Transistor-Platte, die empfindlich gegenüber elektrischen Signalen ist. Sie ist mit einer amorphen Selenschicht abgedeckt. Die Wechselwirkung von Photonen und der Selenschicht induziert elektrische Ladungsdifferenzen und elektrische Löcher erscheinen proportional zur Röntgenintensität auf der Selenschicht. Dieses elektrische Signal wird von der dünnen Transistor-Platte detektiert, was wiederum in Zeilen und Spalten ausgelesen wird. Heutzutage gibt es mehrere Varianten von Detektorplatten (flat panels), die nach ihrer verschiedenen Vorteile und Nachteile für die bestimmten Aufgaben ausgewählt werden sollen.
Die registrierten Daten können als Bild dargestellt werden. Die Bilder werden dann über das Krankenhaus-Informationssystem (HIS=hospital information system) oder das Radiologie-Informationssystem (RIS) zum klinischen Informationszentrum und an Arbeitsplätze übermittelt.
Die Patientendaten und das digitale Bild können kombiniert werden und auf demselben Bild gesichert werden.

Direkte digitale Technik
Die Exposition findet statt sobald der Röntgenstrahl die Detektorplatte berührt. Der Detektor ist eine dünne Transistor-Platte, die empfindlich gegenüber elektrischen Signalen ist. Sie ist abgedeckt durch eine amorphe Selenschicht. Die Wechselwirkung von Photonen und der Selenschicht induziert elektrische Ladungsdifferenzen und elektrische Löcher erscheinen proportional zur Röntgenintensität auf der Selenschicht. Dieses elektrische Signal wird von der dünnen Transistor-Platte detektiert, was wiederum in Zeilen und Spalten ausgelesen wird.
Die registrierten Daten können als Bild dargestellt werden. Die Bilder werden dann über das Krankenhaus-Informationssystem (KIS) oder das Radiologie-Informationssystem (RIS) zum klinischen Informationszentrum und an Arbeitsplätze übermittelt.
Die Patientendaten und das digitale Bild können kombiniert werden und auf demselben Bild gesichert werden.

2.5. Die Klinische Anwendung von Röntgenuntersuchungen

Die Röntgenuntersuchung hat bis heute verschiedene klinische Vorteile. Sie hat sich in vielerlei Hinsicht ihre Priorität anderen diagnostischen Methoden gegenüber bewahrt. Im diagnostischen Algorithmus ist in den meisten Fällen das Projektionsröntgen die erste Untersuchungsmodalität. Tatsächlich ist die Röntgenuntersuchung die am häufigsten verwendete Untersuchungsmethode. Ist im Falle einer Thorax-Röntgenuntersuchung das Ergebnis negativ, so wird dies als ausreichend angesehen. Als allgemeine Regel kann man sagen, dass alle Röntgenuntersuchungen mit einem Bild und einem ergänzenden Befund dokumentiert werden müssen.

Vorteile der Röntgenuntersuchung:

• kostengünstig
• steht überall zur Verfügung
• kann für einige Erkrankungen spezifisch sein
• sie kann eine erste vorläufige Differentialdiagnose liefern und dabei helfen, Entscheidungen über weitere diagnostische Methoden zu treffen, um eine finale Diagnose auf dem schnellsten und günstigsten Weg zu erhalten. Dies ist besonders wertvoll bei Notfällen, wie zum Beispiel bei akutem Abdominalschmerz, Trauma und der Diagnose von postoperativen Komplikationen.

 
Nachteile der Röntgenuntersuchung:

• in vielen Fällen unspezifisch
• einige Krankheiten haben keine radiologischen Röntgenzeichen
• einige Läsionen sind im Röntgen nicht sichtbar (zum Beispiel ein nicht röntgenabsorbierender Gallenstein oder Nierenstein)

 
Die häufigsten Röntgenuntersuchungsmethoden:

• Röntgen-Thorax
• native Abdomenübersicht
• Röntgenuntersuchungen mit Kontrastmittel
• Knochenröntgen
• interventionelle radiologische Untersuchungen
• spezielle (HNO) Röntgenaufnahmen

 

2.6. Methoden der Röntgen-Thorax:

- Die sogenannten Zeiss- und Odelka-Aufnahmen an Reihenuntersuchungsstationen verwenden eine Rollfilmtechnik. Die Bilder werden in einem Abstand von 2 m gemacht; sie sind scheinbar klein - nur 10 x 10 cm oder 6 x 6 cm groß - haben aber eine sehr hohe Auflösung.
Diese Technik wurde für nationale Thorax-Screening-Untersuchungen verwendet, ist heutzutage aber obsolet.
- Das 1:1 posterior-anteriores (p.a.) Thorax-Röntgenbild
- Das Thorax-Seitenbild
- Die Thoraxdurchleuchtung ist immer eine Ergänzungsuntersuchung, wenn im Thorax-Röntgenbild eine suspekte Läsion identifiziert wird. Die Thoraxdurchleuchtung wird nicht als alleinige Untersuchung verwendet, da ihre Strahlenbelastung höher und ihre Auflösung niedriger ist als bei einem normalen Röntgenbild. Zudem ist sie abhängig vom Untersucher und nicht wirklich dokumentierbar.
- Liegende seitliche Untersuchungen (Friemann-Dahl)

Kontrastmitteluntersuchungen:

• Gastrointestinale Untersuchungen
• Biliäre Untersuchungen
• Fisteldarstellungen mit Kontrastmittel, Fistulografie
• Magensonde füllende Untersuchungen
• Kanülen-/Nadelpositionierung
• Radiologische Interventionen
• Kontrolluntersuchungen nach chirurgischen Eingriffen

 

2.7. Die Aussage dieses Kapitels

Das Wissen über die physikalischen Eigenschaften der Röntgenstrahlung ist fundamental für die korrekte Auswertung der Röntgenbilder. Daneben konnte man in die Methodik der konventionellen und speziellen Röntgenuntersuchungen, und in die Anwendung von Röntgenkontrastmittel bei der Untersuchung Einsicht gewinnen.

Deutsche Übersetzung von Emese Kristóf

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