Wichtig zum Verständnis der Grundlagen der modernen bildgebenden Verfahren sind geringe physikalische und apparative Grundkenntnisse, die im folgenden erläutert werden sollen.

Erzeugung von Röntgenstrahlen durch Röntgengeneratoren und Röhren

Zur Durchführung von Röntgenuntersuchungen ist es notwendig, einerseits Röntgenstrahlen zu erzeugen und mit diesen das zu untersuchende Objekt zu durchdringen und andererseits die in den einzelnen Teilen des Objektes unterschiedlich geschwächten, unsichtbaren Röntgenstrahlen im sog. Röntgenbild für unser Auge sichtbar werden zu lassen.
Die Röntgenstrahlen werden in der Röntgenröhre erzeugt, zu deren Betrieb der Röntgengenerator erforderlich ist. In eine Glasröhre ist ein Glühdraht („Glühkathode“) in Form eines hitzebeständigen Drahtes aus Wolfram als Sender und ein Empfänger („Anode“) eingeschmolzen. Wird nun der Sender auf eine Temperatur von etwa 2000 °C geheizt, so treten aus ihrer Oberfläche Millionen von kleinsten, elektrisch geladenen Teilchen („Glühelektronen“) aus. In der Glasröhre befindet sich ein Vakuum, damit die entstandenen Teilchen nicht mit Luftbestandteilen zusammenstoßen können und durch ein angelegtes elektrisches Feld in ihrer Richtung bestimmt werden. In dem Vakuum werden die Teilchen auf den Empfänger gerichtet beschleunigt. Beim Aufprallen auf die Anode werden die elektrisch geladenen Teilchen abgebremst. Hierbei entsteht die charakteristische Röntgenstrahlung. Der Ausgangspunkt der neuen elektromagnetischen Wellen, der Röntgenstrahlen, auf die Anode wird “Fokus” oder “Brennfleck” genannt.
Ein moderner Röntgengenerator besteht aus dem Bedienterminal, an dem die Aufnahmeparameter (physikalischen Parameter der elektromagnetischen Strahlen) eingestellt und angezeigt werden können, und aus den Steuerelementen für die Röntgenröhre.

Wesen und Eigenschaften der Röntgenstrahlen

Die von der Anode ausgehenden Röntgenstrahlen sind elektromagnetische Schwingungen mit wohldefinierter Wellenlänge, die sich geradlinig nach allen Richtungen ausbreiten und sich mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzen.

Röntgenbild

Die Wiedergabe des durch die Röntgenstrahlen erzeugten Röntgenbildes geschieht am häufigsten durch die Röntgenphotographie auf dem Röntgenfilm. Die Prinzipen sind denen der Photographie ähnlich. Heute ist auch eine digitale Speicherung der Aufnahmen unter Verwendung von Computern als Speichermedium möglich. Bei der Röntgenaufnahme erfolgt die Verteilung von Hell und Dunkel in umgekehrter Weise, d. h. bei der geringsten Absorption (der größte Anteil der Strahlung durchdringt den Körper) entsteht durch die stärkste Strahlenintensität die dunkelste Tönung. Diese Bereiche erscheinen auf dem Röntgenbild schwarz. Mit zunehmender Absorption kommt es durch die abnehmende Strahlenintensität zu verminderter Schwärzung des Films, die Strukturen erscheinen hell. So kommen die Knochen hell, die Weichteile dunkel und die Luft am dunkelsten zur Darstellung. Infolge der unterschiedlichen Strahlenabsorption des untersuchten Objektes resultieren verschiedene Schattenintensitäten auf dem Film.

Röntgenstrahlen werden bei den folgenden bildgebenden Verfahren in der Medizin eingesetzt:

• Konventionelle Röntgenaufnahme
  Unter der konventionellen Röntgenaufnahme versteht man das nahezu jedem bekannte Röntgenbild.
• Voraussetzung für das Zustandekommen eines Bildes ist der Kontrastunterschied der einzelnen Organe. Erzeugen die Organe einen genügend natürlichen Kontrast, wie bei der Aufnahme des Brustkorbes, so brauchen keine zusätzlichen künstlichen Kontrastmittel verwendet zu werden. Hierbei stehen neben Luft und Sauerstoff zur Darstellung von Hohlorganen (Magen, Darm, Harnblase) vor allem wasserlösliche, röntgendichte (nahezu vollständige Absorption der hindurchtretenden Strahlung) Kontrastmittel zur Verfügung. Anwendungsgebiet ist hier z. B. die Untersuchung des Gallensystems, der Nieren oder der Harnblase.
  Bedeutung in der Medizin
  Das klassische Röntgenbild stellt zumeist die erste Untersuchungsmodalität im Rahmen der Diagnostik dar. Haupteinsatzgebiete sind die Diagnostik des Skelettsystems, des Brust- und Bauchraumes sowie nach Kontrastmittelgabe des Magen-Darm Traktes.
• Computertomographie
  Grundlagen:
  Die Computertomographie (CT) ist ein Verfahren zur Herstellung von Querschnittsbildern (scheibenförmigen Abbildungen) des Körpers mit Hilfe von Röntgenstrahlen. Eine CT-Anlage besteht dabei im wesentlichen aus den folgenden Komponenten: der Röntgenröhre, dem Detektorsystem und einem Rechner.
  Die Anfertigung eines Schnittbildes erfolgt durch ein eng begrenztes Röntgenstrahlenbündel, welches die gewünschte Körperschnittebene aus verschiedenen Richtungen abtastet. Die so gewonnenen Körperquerschnitte haben eine variable Schichtdicke. Die durch den Körper abgeschwächten Röntgenstrahlen werden durch Detektoren erfasst, in elektrische Signale umgewandelt und an einen Computer gegeben, wo sie in ihrer räumlichen Verteilung rechnerisch zu einem Querschnittsbild aufgebaut werden.
  Bedeutung in der Medizin
  Die Computertomographie hat in der radiologischen Diagnostik neue Perspektiven eröffnet. Durch die Abbildung eines dünnen Körperabschnittes erhält man neben den konventionellen Röntgenaufnahmen gewissermaßen eine dritte Dimension. Überlagerungen durch umliegende Strukturen sind weitgehend ausgeschlossen. Mit der hohen Messgenauigkeit können auch sehr geringe Absorptionsunterschiede erfasst, Organ- und Weichteilstrukturen bei nur geringen Kontrastunterschieden dargestellt werden. Durch den zusätzlichen Einsatz von Röntgenkontrastmitteln, die gewöhnlich in eine Unterarmvene injiziert werden, kann die diagnostische Sicherheit durch ein Anheben der Kontrastdifferenzen angehoben werden. Die Haupteinsatzgebiete sind die Abbildungen im Bereich des Kopfes, des Brust- und des Bauchraumes. Durch die Verwendung von Filter- und Nachbearbeitungsverfahren können spezielle Körperstrukturen gezielt untersucht werden (z. B. Knochenabbildungen im Bereich der Wirbelsäule).

Die folgenden Untersuchungsverfahren werden nicht mit Röntgenstrahlen durchgeführt. Dazu zählen:

• Ultraschall (Sonographie)
  Zur Ultraschallerzeugung in der Medizin dienen sog. piezoelektrische Schallgeber. Die Ultraschallgeräte arbeiten dabei nach dem Pulsechoverfahren. Die in der Sendeeinheit des Ultraschallgerätes erzeugten elektrischen Impulse werden im Schallkopf in Ultraschallimpulse umgesetzt und ausgesandt. Dabei werden in periodischen Abständen kurze Schallimpulse erzeugt. Diese setzen sich im Körper fort und können absorbiert, reflektiert, gebrochen und gestreut werden. Wegen der gegenüber der Lichtgeschwindigkeit niedrigen Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit von 1540 m/s dauert es je nach Tiefenlage der Reflexionsstelle, bis die Echos als Antwort auf den Sendeimpuls an den Sendeort der Hautoberfläche zurückkehren. Im Schallkopf finden sich auch die Empfänger. Aus der Zeitdifferenz zwischen Sendemoment und Empfang eines Echos, der Schallaufzeit, kann bei bekannter Schallgeschwindigkeit auf die Tiefenlage der echogebenden Struktur geschlossen werden. Die Ultraschallsignale werden vom Schallkopf tiefenabhängig verstärkt und dargestellt.
  Bedeutung in der Medizin
  Die Bedeutung des Ultraschalls liegt vor allem in der leichten Durchführbarkeit, der weiten Verbreitung und schmerzlosen, ungefährlichen Anwendung für den Patienten. Alle oberflächlich gelegenen Strukturen im Bereich des Halses (z. B. Schilddrüse), des Bauchraumes sowie des Muskel- und Skelettsystems können sehr gut abgebildet und untersucht werden.
• Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT oder Kernspintomographie)
  Grundlage des Verfahrens ist die sog. Kernspinresonanz. Hierbei handelt es sich um eine Eigenschaft von Atomkernen, die aufgrund einer ungeraden Anzahl von Unterbestandteilen einen sog. Eigendrehimpuls (Spin) und damit ein magnetisches Moment aufweisen. Dies ist einem Kinderkreisel vergleichbar, der um seine Achse rotiert. Es bedeutet, dass sich unter Einfluss eines magnetischen Feldes Wechselwirkungen dieser Atomkerne ergeben. Dabei ist die Frequenz der Abweichung dem eingestrahlten Magnetfeld proportional.
  Gegenwärtig wird im wesentlichen Wasserstoff zur Bilderzeugung herangezogen, das im menschlichen Körper bei weitem am häufigsten vorkommt. Gegenüber der Computertomographie besitzt die MR-Tomographie folgende Vorteile:
  1. Keine ionisierende Strahlung,
  2. Beliebige Schnittebenen durch den Körper ohne Umlagerung des Patienten,
  3. Hohe Kontraste zwischen normalem und pathologischem Gewebe entsprechend den Unterschieden in der Auslenkung durch das Magnetfeld,
  4. Aufgrund von Flussphänomenen Darstellung des Gefäßsystems ohne Kontrastmittelanwendung,
  5. Störungsfreie Darstellung der Grenzflächen zwischen Knochen- und Weichteilgewebe.

  Gesundheitliche Risiken durch die Anwendung der Kernspintomographie sind nicht bekannt. Allerdings können Patienten mit magnetischen Implantaten oder Herzschrittmachern aufgrund des eingestrahlten Magnetfeldes nicht untersucht werden (Gefahr von Rhythmusstörungen durch Fehlfunktion des Herzschrittmachers). Andererseits bedeutet der Aufenthalt in dem engen Gerätetunnel für manche Patienten eine erhebliche psychische Belastung.
  Bedeutung in der Medizin
  Die Kernspintomographie hat in den letzten Jahren eine rasche Entwicklung durchgemacht. Aufgrund des gegenüber Ultraschallwellen und Röntgenstrahlen völlig anderen physikalischen Prinzips eröffnet sie der medizinischen Diagnostik eine neue Dimension. Die klinische Indikation zur MRT kommen vor allem aus dem Bereich der Neuroradiologie (Veränderungen der Gehirnstrukturen, des Rückenmarkes), Untersuchungen des Herzens, der Leber, Nieren und des Muskel-Skelett-Systems.

• Szintigraphie
  Die Szintigraphie wird in der nuklearmedizinischen Diagnostik verwendet. Das Wesen der Diagnostik basiert auf der Darstellung von Funktionen des lebenden Organismus in Form von Bildern, Daten oder Kurven. Sie unterscheidet sich von anderen bildgebenden Verfahren, die die örtliche Verteilung von Gewebeeigenschaften (durch Absorption von Röntgenstrahlen z. B. durch Knochen oder Weichteile) bildlich darstellen und ein hoch auflösendes Bild der Morphologie (morphe= Aussehen) ergeben.
  Prozesse, die mit nuklearmedizinischen Verfahren untersucht werden können, sind der Transport einer radioaktiven Substanz durch den Blutstrom zum Gewebe, die Aufnahme ins Gewebe oder die Verstoffwechselung (Umsetzung, Abbau) im Zielorgan. Neben der relativen Verteilung von Funktionsparametern können physiologische oder biochemische Parameter nahezu nur durch nuklearmedizinische Verfahren quantitativ beschrieben werden (z. B. seitengetrennte Nierenausscheidung).
  Die örtliche Darstellung der Verteilung der radioaktiven Substanzen erfolgt durch Detektoren, d. h. in der bildgebenden Nuklearmedizin überwiegend durch sog. „Gammakameras“. Die gewonnen Aufnahmen, die als Szintigramme bezeichnet werden, stellen idealisiert betrachtet die topographische Verteilung der radioaktiven Substanz bildlich dar. Von den Szintigrammen kann die Aktivität (Ausmaß des Vorliegens einer Substanz) innerhalb einer interessierenden Region direkt abgeleitet werden.
  In der nuklearmedizinischen Diagnostik ist es im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Verfahren erforderlich, die radioaktive Substanz durch Injektion in eine Armvene in den Körper zu bringen. Registriert werden also nur Impulse, die aus dem Körper an das Detektorsystem gelangen. Eine zusätzliche Erzeugung von Strahlen außerhalb des Körpers findet nicht statt. Durch die Verwendung von kurzlebigen und niedrig energetischen radioaktiven Substanzen kann die Strahlenbelastung sehr niedrig gehalten werden.
  Bedeutung in der Medizin
  Die Abbildung physiologischer Vorgänge in der Medizin ist ein weit verbreitetes Standardverfahren, das es erlaubt, Aussagen über Stoffwechsel oder Rezeptorstatus von Geweben zu machen. Eine hochauflösende Darstellung, wie aus den zuvor beschriebenen Verfahren, kann jedoch nicht erreicht werden. Nuklearmedizinische Verfahren finden vor allem Anwendung in der Diagnostik von Schilddrüsenerkrankungen, Skelettveränderungen, Mangeldurchblutung des Herzmuskels, seitengetrennten Nierenfunktion sowie Rezeptorverhalten von Gewebe. Die Entwicklung neuer spezifischerer Substanzen und die Verbesserung der Abbildungsvorrichtungen werden den Einsatz der diagnostischen Verfahren noch verstärken.

Strahlenbelastung der dargestellten Untersuchungsverfahren:

Ultraschall und Kernspintomographie gehen mit keiner Strahlenbelastung einher. Da sich jedoch nicht alle Untersuchungen mit diesen Techniken durchführen lassen, kann häufig eine Strahlenbelastung des Patienten nicht umgangen werden. Diese ist im Sinne der medizinisch ethischen und der gesetzlichen Grundlagen jedoch so gering als irgend möglich zu halten.
Die folgende Tabelle gibt einen Vergleich der Untersuchungsmethoden wider. Berücksichtigt werden sollte, dass allen Menschen einer natürlich vorkommenden Strahlungsbelastung zwischen 1,5 und 5 mSv pro Jahr ausgesetzt sind, die vor allem mit dem Wohnort variiert.

Dr. med. Carsten Körber
Nuklearmedizinische Praxis Fulda