und Christine Nowarra2
(1)
Hüttemannstr. 18, 44137 Dortmund, Deutschland
(2)
Klinik für Radiologie Neuroradiologie, Klinikum Dortmund gGmbH, Beurhausstr. 40, 44137 Dortmund, Deutschland
In der Notaufnahme stellt sich ein 23-jähriger Inline-Skater vor, der nach einem Sturz über Schmerzen im Unterarm klagt. Nach der primären Wundversorgung und der körperlichen Untersuchung durch den Chirurgen besteht der Verdacht eines Bruches des Unterarmes. Es wird eine Röntgenaufnahme des Unterarmes angefordert (Abb. 3.1a, b).
Abb. 3.1a,b
Röntgenaufnahme eines 23-jährigen Patienten nach Sturz auf den Unterarm
3.1 Geschichtlicher Rückblick
T. Doering3
(3)
Hüttemannstr. 18, 44137 Dortmund, Deutschland
Als Geburtsstunde der Röntgendiagnostik gilt mit Anfertigung der ersten Röntgenaufnahme der November 1895. In dieser Zeit beschäftigen sich viele Physiker mit Kathodenstrahlung. Und sie stellten fest, dass bestimmte photographische Emulsionen, die in der Nähe der Strahlung aufbewahrt waren, unbrauchbar wurden. Und halb aus Zufall, halb durch Genie entdeckten die Physiker, dass mit den sog. X-Strahlen, wie Röntgenstrahlen früher und auch heute noch in vielen anderen Ländern heißen, ein Fluoreszenzschirm zum Leuchten gebracht werden konnte. Zu der ersten Röntgenaufnahme gibt es folgende Legende: Frau Bertha Röntgen hatte liebevoll ein leckeres Abendbrot aufgetischt, ihr Mann schenkte den Speisen jedoch kaum Aufmerksamkeit. Auf ihre Vorwürfe hin nahm Wilhelm Conrad Röntgen (1845–1923) seine Frau mit in sein Laboratorium und sagte: „Ich habe etwas entdeckt, das die Leute zu sagen veranlassen wird: Röntgen ist verrückt geworden!“ Dann machte er die erste Röntgenaufnahme und zwar von der Hand seiner Ehefrau (Abb. 3.2).
Abb. 3.2
Erstes Röntgenbild: Die Hand von Fr. Röntgen
Die erste offizielle Mitteilung über die neuen Strahlen erfolgte am 28. Dezember 1895. Im Rahmen der Berichte der Physikalisch-medizinischen Gesellschaft in Würzburg erschien eine Veröffentlichung mit dem Titel: Eine neue Art von Strahlen. In dieser 17 Kapitel umfassenden Arbeit beschreibt Röntgen bereits die unterschiedliche Strahlendurchlässigkeit verschiedener Materialen. Auch die Absorption und Schwächung der Röntgenstrahlen durch z. B. Aluminium und insbesondere Blei hatte Röntgen bereits richtig erkannt und beschrieben. Was allerdings in den ersten Jahren vollkommen unbekannt war, war die Gefahr durch Röntgenstrahlen. Die Pioniere der Radiologie bezahlten ihren Forschungsgeist oftmals mit einer Radiodermatitis, Krebsentstehung und Leukämien.
Die Entdeckung Röntgens revolutionierte die Medizin. Bereits ein Jahr nach Entdeckung der Röntgenstrahlen standen überall in der Welt kleine Röntgenanlagen. Pionier dieser Entwicklung war der Franzose Antoine Béclère (1856–1939). 1902 beschrieb er Verfahren zu Erfassung von Pleuraergüssen, also Flüssigkeitsansammlungen zwischen Lungen- und Brust-/Rippenfell, mit Röntgenstrahlen. 1912 erstellte er einen Bericht über die radiologische Untersuchung von Magen und Darm nach chirurgischen Eingriffen. Neben der diagnostischen Nutzung war Béclère auch als Radiotherapeut tätig. Seine eigentlich allgemeinmedizinische Abteilung im Hôpital Saint-Antoine gilt als erste „röntgenologische und röntgenotherapeutische Klinik“ in Europa. Er war auch der erste, der sich um die Ausbildung in der Radiologie bemühte. Bereits 1897 schuf er ein Lehrsystem für die Radiodiagnostik und bildete in 30 Jahren tausende von französischen und ausländischen Studenten in der Radiologie aus.
Bei den Untersuchungstechniken wurde gerade nach der Entdeckung der Strahlen viel experimentiert. Ungeachtet der Gefahren der Röntgenstrahlen wurden alle Arten der Darstellung der verschiedenen Körperregionen und -funktionen ausprobiert und perfektioniert. So entstanden schon 1896 erste Aufnahmen der Zähne und des lebenden Herzens. 1897 wurde die erste Aufnahme der Speiseröhre mit Kontrastmittel gemacht, 1923 erfolgte die erste Darstellung von Blutgefäßen am lebenden Menschen.
Die Leistungsfähigkeit der Röntgenröhren wurde auch zunehmend verbessert. Die heute eingesetzte Art der Röntgenröhre wurde im Grunde schon 1929 (Drehanode) bzw. 1960 (Verbundanode) entwickelt.
Bei der Röntgentechnik wurde schon früh versucht, die Bildqualität zu verbessern. Die Tiefenblende, die unerwünschte Strahlung der Röntgenröhre abhält, wurde 1903 entwickelt, das Streustrahlenraster schon 1913. Auch die Verstärkerfolien wurden schon recht früh eingeführt.
Die Digitalisierung der Radiologie hat ihre Ursprünge schon 1948 als der erste Bildverstärker für die Durchleuchtungsuntersuchungen entwickelt wurde. Die Bilder dieses Systems wurden entweder auf einem 10 mm-Film dokumentiert und/oder auf einem Monitor dargestellt. Später wurden diese Bilder auch digital gespeichert und verarbeitet. Die digitale Subtraktionsangiographie wurde Mitte der 1970er Jahre eingeführt.
Die ersten Schritte der Digitalisierung der Röntgenaufnahmen begannen 1981 mit der Einführung der Speicherfoliensysteme. Diese waren jedoch noch zu teuer und kamen nicht an die Bildqualität der normalen Röntgenfilme heran. Zudem waren die Computersysteme zur damaligen Zeit nicht so leistungsfähig und günstig wie heute. 1994 brachte die Firma Philips einen digitalen Arbeitsplatz mit einem Selendetektor für Lungenaufnahmen auf den Markt, der jedoch 1998 von der jetzigen Festkörperdetektortechnik verdrängt wurde. Diese setzte sich ab dem Jahr 2000 auch für die Durchleuchtungsanlagen durch.
Mittlerweile ist eine Röntgenabteilung ohne eine Computernutzung und -vernetzung nur noch schwer vorstellbar.
3.2 Aufbau und Funktionsweise einer Röntgenanlage
T. Doering4 und Ch. Nowarra5
(4)
Hüttemannstr. 18, 44137 Dortmund, Deutschland
(5)
Klinik für Radiologie Neuroradiologie, Klinikum Dortmund gGmbH, Beurhausstr. 40, 44137 Dortmund, Deutschland
Eine Röntgenanlage besteht immer aus folgenden Komponenten:
einem Röntgenstrahler, der die Strahlen erzeugt,
einem Röntgengenerator, der den Röntgenstrahler mit Hochspannung versorgt,
einem Röntgenanwendungsgerät, das zur Lagerung des Patienten dient und
einem Röntgenbildwandler (Röntgenfilm, Detektor, …).
3.2.1 Physikalische Grundlagen
Wie genau entsteht nun die Röntgenstrahlung?
Das Bohr’sche Atommodell
Nach dem Atommodell von Nils Bohr (s. auch Kap. 1) besteht ein Atom aus dem Atomkern mit positiv geladenen Protononen und neutralen Neutronen und einer Atomhülle, in der die negativ geladenen Elektronen in bestimmten Bahnen diesen Atomkern umkreisen. Diese Bahnen werden, je nach Entfernung zum Kern, als K-, L-, M-Schale bezeichnet. In der K-Schale umkreisen höchstens 2 Elektronen, in der L-Schalte 8 und in der M-Schale 18 Elektronen den Kern.
K-Strahlung /Charakteristische Röntgenstrahlung
Triff ein Elektron auf ein Wolframatom, kann dort ein Elektron aus der K-Schale herausgeschlagen werden. Man bezeichnet diesen Vorgang als Ionisation. Diese freie Stelle in der K-Schale wird dann durch ein freies Elektron oder ein Elektron aus einer äußeren Schalte (L- oder M-Schale) wieder aufgefüllt. Da das Elektron auf der K-Schale weniger Bindungsenergie benötigt als auf der äußeren, wird diese Energie in Form von Energiequanten freigesetzt. Diese so entstehende Strahlung nennt man K-Strahlung bzw. charakteristische Röntgenstrahlung. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass sie immer eine bestimmte Wellenlänge/Energie besitzt, die der Energiedifferenz zwischen K- und L-Schale (Kα) bzw. die Differenz zwischen K- und M-Schale (Kβ) entspricht.
Die Frequenz dieser Strahlung (
) unterscheidet sich nur vom Material der Anode. Sie liegt bei Material mit hoher Ordnungszahl höher als bei Material mit niedriger Ordnungszahl.
) unterscheidet sich nur vom Material der Anode. Sie liegt bei Material mit hoher Ordnungszahl höher als bei Material mit niedriger Ordnungszahl.
Bremsstrahlung
Einen größeren Anteil an der Entstehung von Röntgenstrahlung macht jedoch die sog. Bremsstrahlung aus. Hierbei gerät das beschleunigte Elektron zwischen den Atomkern und die K-Schale. Hier wird es nun vom Kern angezogen, umgelenkt und abgebremst. Der Teil der nicht mehr benötigten Bewegungsenergie wird in Form von Strahlungsenergie abgegeben. Die Energie dieser Strahlung kann anders als die K-Strahlung das gesamte Energiespektrum einnehmen, aber nie höher sein, als die angelegte Beschleunigungsspannung.
Die größtmögliche Strahlungsenergie kann nur so groß sein, wie die angelegte Röhrenspannung (Ua) und würde entstehen, wenn das Elektron vom Kern vollständig abgebremst würde.
Betrachtet man nun dieses Spektrum, so fällt auf, dass mit höherer Spannung auch die Menge der niederenergetischen Strahlung ansteigt. Diese Verteilung der Bremsstrahlung ist stark abhängig vom Anodenmaterial. Aus diesem Grund besitzt auch jede Röntgenröhre eine eigene Kennlinie.
Schwächung der Strahlung im Körper
Photoabsorption
Trifft Strahlung auf einen Körper, werden diese Strahlen teilweise absorbiert. Man bezeichnet diese Absorption als Photoabsorption . Dabei trifft die Strahlung direkt auf ein Elektron in der Atomhülle des durchstrahlten Objektes und überträgt seine gesamte Energie. Dadurch wird das Elektron aus der Hülle geschleudert. Dieser Effekt tritt häufig bei niedrigen Strahlungsenergien auf und ist von vier Faktoren abhängig:
1.
Wellenlänge
Je energiereicher die Strahlung ist, desto kürzer ist ihre Wellenlänge. Mit einer kürzeren Wellenlänge ist es einfacher, Material zu durchdringen.
2.
Ordnungszahl
Je höher die Ordnungszahl des durchstrahlen Materials ist, desto höher ist die Absorption. Bei einer hohen Ordnungszahl existieren auch viele Elektronen in den Atomhüllen, also steigt auch die Wahrscheinlichkeit, dass eines dieser Elektronen getroffen wird.
3.
Dichte
Je höher das spezifische Gewicht (Dichte) des Materials ist, desto höher ist die Absorption. So wird Wasserdampf leichter durchdrungen als Wasser oder Eis. Sie hängt also auch von der Verteilung der Atome ab.
4.
Dicke
Je dicker das Material, desto mehr Strahlung wird absorbiert. Da mehr Material durchdrungen werden muss, existieren mehr Atome, die den Weg behindern.
Der Comptoneffekt
Auch beim Comptoneffekt trifft der Röntgenstrahl direkt auf ein Elektron und schleudert dieses aus der Hülle. Da es sich hier aber meistens um Elektronen aus der äußeren Atomhülle handelt, wird nicht so viel Energie wie beim Photoeffekt benötigt. Der Röntgenstrahl verliert somit nur genau den Anteil an Energie, die das Elektron vorher an den Atomkern gebunden hat (Bindungsenergie) und wechselt seine Richtung. Der Comptoneffekt ist hierbei unabhängig von der Ordnungszahl des durchstrahlen Materials, aber steigt ebenso bei zunehmender Dicke. Im Bereich der in der Röntgendiagnostik angewandten Spannungen ist er relativ unabhängig von der Wellenlänge.
Die für das Röntgenbild störende Streustrahlung wird hauptsächlich durch den Comptoneffekt verursacht.
Klassische Streuung
Bei der klassischen Streuung handelt es sich um einen Sonderfall. Hierbei kommt es nur zu einer Richtungsänderung des Röntgenstrahls, ohne dass der Röntgenquant Energie verliert.
3.2.2 Der Röntgenstrahler
Aufbau der Röntgenröhre
Wie schon im vorherigen Kapitel erwähnt, forschte Röntgen damals mit Kathodenstrahlen. Wie entsteht nun die von ihm entdeckte Strahlung?
Ein Kathodenstrahler besteht aus einer negativ geladenen Kathode und einer positiv geladenen Anode. Erhitzt man nun die Kathode, können Elektronen, kleine negative geladene Teilchen, aus der Kathode freigesetzt werden. Diese werden dann, aufgrund der unterschiedlichen Ladungen zwischen Kathode und Anode, in Richtung der Anode beschleunigt und treffen am Ende auf die Anode, wo unter anderem die Röntgenstrahlung entsteht (Abb. 3.3).
Abb. 3.3
Schematischer Aufbau eines Drehanoden-Röntgenstrahlers
Da die Elektronen in der normalen Luft abgebremst und abgelenkt würden, befinden sich Kathode und Anode in einem evakuierten (luftleeren) Glaskloben. Dieser wiederum sitzt in einem ölgefüllten Strahlenschutzgehäuse. Das Öl dient zum Schutz vor der Hochspannung und der Wärmeableitung nach außen. Das Schutzgehäuse schirmt zudem die Anteile der Röntgenstrahlung ab, die nicht durch das Strahlenaustrittsfenster austreten. Unterhalb des Strahlenaustrittsfensters muss aufgrund von gesetzlichen Vorschriften schon ein Filter aus 1,5 mm dicken Aluminium angebracht sein. Dieser hat die Aufgabe, die Strahlung herauszufiltern, die aufgrund ihrer Energie nicht in der Lage ist, den Körper zu durchdringen (Abschn. 3.2.2).
Die Kathode
Die Kathode besteht aus einer oder zwei Glühwendel, die durch den sog. Heizstrom erhitzt werden. Durch die Hitze werden die Elektronen in Schwingung gebracht (thermische Elektronenemission) und können durch die zwischen Kathode und Anode ausgelöste Spannung herausgelöst werden. Die Wendel bestehen hauptsächlich aus Wolfram, da Wolfram den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle besitzt (3680 K = 3406,85 °C) und sich zudem die Elektronen relativ leicht herauslösen lassen. Die freigesetzten Elektronen oder auch die Elektronenwolke wird nun Richtung Anode beschleunigt.
Da die Elektronen ungerichtet in Richtung der Anode wandern würden, werden diese durch einen Wehneltzylinder fokussiert (Arthur Wehnelt, * 4. April 1871 in Rio de Janeiro; † 15. Februar 1944 in Berlin). Dieser Zylinder befindet sich in unmittelbarer Nähe der Kathode. Durch Anlegen einer negativen Ladung kann der Austritt der Elektronen geregelt und die Flugrichtung fokussiert werden.
Die Anode
Beim Auftreffen der Elektronen an der Anode treten verschiedene Prozesse oder auch Wechselwirkungen ein. Ein Teil davon resultiert in der gewünschten Röntgenstrahlung. Diese macht aber nur 1 % der Leistung aus. Die restlichen 99 % resultieren in Wärme. Aus diesem Grund nennt man diesen Ort an der Anode auch Brennfleck oder Fokus.
Wegen der großen Wärmeentwicklung muss die Anode aus einem besonders hitzebeständigen und wärmeleitfähigen Material bestehen. Auch hier hat sich Wolfram oder eine Wolfram-Rhenium-Mischung als Ideal erwiesen. Um die entstehende Wärme auf ein großes Volumen zu verteilen, setzt man in der Röntgendiagnostik Drehanoden ein. Die Anode ist dabei wie ein Teller geformt und wird von einem Elektromotor in Drehung versetzt (typische Drehzahl: ca. 3000 U/min). Dadurch wird nicht nur ein einzelner Punkt, sondern eine ganze Kreisbahn erwärmt. Da die Elektronen immer winzige Teile der Anode „zerstören“, wird mit dieser Verteilung die Lebensdauer der Anode verlängert.
Heutzutage wird nicht mehr der ganze Teller aus Wolfram hergestellt, sondern besteht aus Molybdän und Graphit, um die Wärmeverteilung zu optimieren (Verbundanode). Nur die Brennfleckbahn besteht noch aus Wolfram.
Brennfleck/Fokus
Da Röntgenstrahlen in der Röntgenröhre nicht nur an einem Punkt entstehen, sondern an einer Fläche, kommt es zu dem Phänomen des Halbschattens (Abb. 3.4). Auf dem Röntgenbild wird die Abbildung von Details durch dieses Phänomen unschärfer.
Abb. 3.4
Halbschatten in Abhängigkeit der Fokusgröße
Um die Fläche möglichst zu verkleinern bedient man sich zweier Tricks:
1.
Durch eine Abschrägung des Tellerrandes erreicht man nicht nur die günstigere Richtungsänderung der Strahlung, sondern auch eine optische Verkleinerung des Brennflecks, abhängig vom Winkel der Abschrägung (Abb. 3.5).
Abb. 3.5
Elektrischer und optischer Brennfleck
2.
Die Röhren besitzen i. d. R. zwei verschieden große Kathodenwendel, den großen und den kleinen Fokus. Da der kleine Fokus nicht so leistungsstark ist, kommt dieser meistens nur im Extremitätenbereich zum Einsatz.
Der Heel-Effekt
Betrachtet man nun die Verteilung der entstehenden Röntgenstrahlung an der Anode, so stellt man fest, dass eine bestimmte Verteilung (Herzt‘scher Dipol) besteht.
Durch diese spezielle Verteilung und durch die, durch die Abschrägung der Anode bedingte Selbstabsorption kommt es dazu, dass es innerhalb des Feldes zu einer bestimmten Intensitätsverteilung kommt (Abb. 3.6). Hierbei nimmt die Strahlung in Richtung Kathode ab. Dieses Phänomen nennt man den Heel-Effekt. Dieser wird z. B. bewusst bei der Mammographie ausgenutzt, um eine homogene Belichtung zu erreichen.
Abb. 3.6
Strahlungsverteilung durch den Heel-Effekt am Brennfleck
Definition
Unter dem Heel-Effekt versteht man den anodenseitigen Dosisabfall.
Die Tiefenblende mit Lichtvisier
Unterhalb des Röntgenstrahlerschutzgehäuses ist die Tiefenblende angebracht.
Zusatzfilter
Im oberen Bereich der Tiefenblende sind Zusatzfilter angebracht, die entweder manuell oder elektronisch in den Strahlengang bewegt werden können. Diese Filter habe die gleiche Aufgabe, wie der Filter, der sich direkt am Strahlenaustrittfenster befindet. Die niederenergetischen Strahlenanteile, die nicht zur Bildgebung beitragen, werden herausgefiltert. Man spricht auch von einer „Aufhärtung“ der Strahlung (Abb. 3.7). Die Zusatzfilterung von 0,1 mm Kuper und 1 mm Aluminium ist bei Röntgenaufnahmen von Kindern gesetzlich vorgeschrieben.
Abb. 3.7
Röntgenspektren mit verschiedenen Filtern
Blenden
In der Tiefenblende (Abb. 3.8) befinden sich verstellbare Bleilamellen, die die Röntgenstrahlen blockieren. Man unterscheidet die fokusnahen und die objektnahen Blenden. Während die röhrennahen Blenden die Strahlung abschirmen, die nicht direkt am Fokus entstanden ist (Extrafokalstrahlung), dienen die objektnahen Blenden der Einstellung der Feldgröße, also dem Bereich, der dargestellt werden soll.
Abb. 3.8
Schematischer Aufbau der Tiefenblende
Damit dieses Feld sichtbar wird, ist im Strahlengang der Röntgenstrahlung ein durchlässiger Spiegel angebracht, der durch eine Glühbirne angestrahlt wird. Das abgelenkte Lichtfeld ist unterhalb der Tiefenblende sichtbar und entspricht genau dem Strahlungsfeld der Röntgenröhre. Die Tiefenblende ist zudem drehbar an dem Schutzgehäuse befestigt, um das Feld optimal an die Aufnahme anzupassen.
Da es durch eine minimale Verstellung des Spiegels oder der anderen Position der Glühbirne zu Abweichungen zwischen Licht- und Strahlfeld kommen kann, muss regelmäßig geprüft werden, ob diese Felder noch übereinstimmen.
Bei manchen Röntgenanlagen erfolgt die Einstellung der Blenden nicht mechanisch sondern elektrisch. Damit ist des z. B. möglich die Feldgröße in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Röhre und Detektor automatisch auf maximale Größe zu beschränken.
Flächendosismessgerät
Am Austrittsfenster der Tiefenblende ist ein Flächendosismessgerät angebracht. Wie der Name schon vermuten lässt, misst dieses die Dosis in Abhängigkeit der zu bestrahlenden Fläche. Es besteht aus einer Ionisationskammer, welche die Menge der Strahlung messen kann (Abschn. 3.2.4). Der Messwert, das Dosisflächenprodukt, ist eine Größe der Dosimetrie. Der Vorteil dieses Produktes aus Dosis und Fläche ist, dass der Messwert für jeden Ort des Strahlfeldes, also unabhängig von dem Fokus-Objekt-Abstand, gleich ist. Die Einheit lautet Gy · m2.
Ausgleichsfilter/Schablonen
Am untersten Ende der Tiefenblende sind von vielen Herstellern noch die Möglichkeit vorgesehen, Ausgleichsfilter (Abschn. 3.2.7) oder Schablonen anzubringen.
3.2.3 Der Röntgengenerator
Im vorherigen Kapitel haben Sie immer wieder gelesen, dass Elektronen mit mehreren Kilovolt (kV) zur Anode beschleunigt werden. Diese hohen Spannungen werden im Röntgengenerator erzeugt.
Hauptbestandteil eines Generators ist der Transformator (Abb. 3.9), auch Trafo genannt.
Abb. 3.9
Schematischer Aufbau eines Transformator s
In einem Transformator wird mit Wechselstrom an der Primärspule ein elektromagnetisches Feld im Traforing erzeugt (Induktionsgesetz). An der Sekundärspule wird durch dieses elektromagnetische Feld wieder ein Wechselstrom erzeugt. Die Stärke dieses Sekundärstroms ist abhängig von dem Verhältnis der Windungszahlen. Es gilt
Beispiel: Primärspannung: 220 V, 10000 Windungen = 100 Windungen → 22000 V = 22 kV
Da der Sekundärstrom ebenfalls ein Wechselstrom ist, muss dieser noch gleichgerichtet werden, da die Röntgenröhre nur mit Gleichstrom funktioniert, die Kathode immer negativ und die Anode immer positiv geladen sein müssen (Abb. 3.10).
Abb. 3.10
Spannungsgleichrichtung alter Generatortypen
Bei einem Einphasen-Generator entstehen durch die Sperrung der negativen Spannung immer wieder „Lücken“ in der angelegten Röhrenspannung. Nun kann man diesen negativen Anteil mittels eines Gleichrichters umwandeln. Aber auch dann ist die effektive Spannung noch voller Lücken (Zweiphasen-Generator ). Wählt man eine Drehstromversorgung (diese besteht aus 3 Wechselspannungen, die zeitlich verschoben an der Spule anliegen), werden diese Lücken zwar kleiner, man hat aber keine konstante Spannung in der Röntgenröhre (3-Phasen- bzw. 6-Phasengenerator).
Da diese Schwankungen in der Röhrenspannung die Qualität der entstehenden Röntgenstrahlung zum Patientennachteil verschlechtert, sind diese Generatoren in der Humanmedizin nicht mehr zugelassen.
Heutzutage benutzt man nur noch sog. Konverter- oder Hochfrequenzgeneratoren. Die Erzeugung der Röhrenspannung erfolgt prinzipiell nach dem gleichen Prinzip. Mittels elektronischer Schaltungen erreicht man jedoch eine wesentlich gleichmäßigere Röhrenspannung und kann diese zudem an die Kennlinien der Röhre anpassen, um eine optimale Ausbeute an Strahlung zu gewährleisten.
Wie arbeiten nun diese Konvertergenertoren?
Im ersten Schritt wird die angelegte Netzspannung (Wechselstrom- oder Drehstrom) mittels elektronischer Schaltungen gleichgerichtet und harmonisiert. Man erhält eine konstante positive Spannung. Da man Gleichstrom jedoch nicht hochtransformieren kann, muss dieser Gleichstrom wieder in Wechselstrom umgewandelt werden. Hier liegt der große Vorteil der Konvertergeneratoren . Die Wechselrichter im Generator sind in der Lage, einen Wechselstrom von 15– 400 kHz zu erzeugen (Zweiphasengenerator: 50 Hz).
Dieser Wechselstrom wird dann mittels eines Trafos auf die gewünschte Hochspannung transformiert, und die entstandene Hochspannung wieder gleichgerichtet. Aufgrund der hohen Frequenz erreicht man eine sehr gleichmäßige Röhrenspannung. Zudem wird die anliegende Röntgenspannung laufend gemessen und kann somit bei Abweichungen innerhalb kürzester Zeit (20 µs) vom Wechselrichter nachgesteuert werden.
In dem Generator wird nicht nur die Anodenspannung, sondern auch der Heizstrom für die Kathode bereitgestellt. Wurde früher noch der normale Wechselstrom auf die gewünschte Stromstärke transformiert, nutzt man auch hier mittlerweile das gleiche Prinzip wie bei der Anodenspannung. Die gleichgerichtete, harmonisierte Netzspannung wird mittels eines Wechselrichters transformiert und an die Kathode angelegt. Dieses Verfahren erlaubt eine höhere Ausbeute an der Kathode und eine schnellere Regelung des Röhrenstroms.
Zum Generator gehört auch das Generatorbedienpult. Mehr dazu im Kapitel Belichtungsautomatik (Abschn. 3.2.4).
3.2.4 Strahlenqualität und -quantität, Belichtungautomatik
Die Regelung des Generators und somit die Regelung der Strahlung der Röhre erfolgt am Bedienpult des Generators. An diesem Bedienpult regelt man die Spannung, den Kathodenstrom und die Zeit für die Röntgenaufnahme. Wurden diese Parameter früher noch mittels Drehreglern eingestellt, finden wir heute meistens nur noch einzelne Tasten oder einen berührungsempfindlichen Bildschirm (Touchscreen) (Abb. 3.11a, b).
Abb. 3.11a,b
Generatorbedienoberfläche . a Organprogramme b freie Belichtung
Man unterscheidet zwei Arten, die Aufnahmeparameter einzustellen: die freie Belichtung und die Belichtungs– oder Organautomatik.
Bei der freien Belichtung wählt man am Generator die gewünschte Spannung (kV), den gewünschten Fokus und das gewünschte Strom-Zeit-Produkt (mAs). Bei der Belichtungsautomatik werden die Spannung, der gewünschten Fokus und die gewünschte Messkammer mittels voreingestellter Parameter automatisch angewählt.
Im Folgenden werden die einzelnen Parameter und ihre Auswirkung auf das Bild vorgestellt.
Röhrenspannung
Mit der zwischen Kathode und Anode angelegten Spannung dosiert man die Geschwindigkeit der Elektronen und somit die Energie, mit der diese Elektronen auf die Anode treffen. Durch die o. g. Effekte wird die Strahlung energiereicher (Strahlenqualität).
Energiereichere Strahlung hat eine kürzere Wellenlänge als energiearme. Energiereiche (oder wie es in der Radiologie heißt „härtere“) Strahlung kann dichte Strukturen leichter durchdringen als energieärmere („weiche“ Strahlung).
Man nutzt diese Unterschiede, um z. B. auf einer Röntgenaufnahme des Brustkorbes die Rippen fast durchsichtig erscheinen zu lassen. Damit kann man dann die Lunge besser beurteilen.
Da die in der Röhre entstehende Strahlung vornehmlich aus der Bremsstrahlung besteht (Abschn. 3.2.1), führt eine Erhöhung der Spannung aber nicht nur zu einer Erhöhung der Energie. Durch die energiereicheren Elektronen werden auch am unteren Energiespektrum mehr Strahlen erzeugt. Die Spannung hat also einen überproportionalen Einfluss auf die Menge der Strahlung (Abb. 3.12).
Abb. 3.12
Strahlungsenergie in Abhängigkeit der Spannung
Röhrenstrom
Mit dem an der Kathode angelegten Heizstrom, kann die Menge der Strahlung dosiert werden.
Ein hoher Strom setzt mehr Elektronen frei, die zur Anode wandern können: man erhöht damit also die Menge der Strahlung (Strahlenquantität).
Die Menge der Strahlung ist weitgehend proportional zur Stromstärke (Abb. 3.13).
Abb. 3.13
Strahlungsenergie in Abhängigkeit der Stromstärke
Die Regelung des Röhrenstroms am Generator erfolgt meist über die Einstellung des Strom-Zeit-Produktes, also der Ladungsmenge. Nur bei Spezialaufnahmen oder Schichtaufnahmen werden der Röhrenstrom und die Zeit getrennt geregelt.
Dosis
Die Dosis ist immer eine Mischung aus Röhrenstrom und -spannung. Erhöht man z. B. bei einer Unterarmaufnahme die Spannung, können die entstandenen Strahlen leichter durch die Knochen wandern. Man braucht also für das Röntgenbild weniger Strahlung, als wenn man eine Strahlung wählt, von der ein Großteil „im Knochen stecken bleibt“.
Je höher die Spannung, also je härter die Strahlung, desto weniger Details erkennt man von den Knochenstrukturen.
Es ist also notwendig, für jede Körperregion die optimale Mischung zwischen Strahlenqualität und -quantität zu wählen.
Die (Eintritts-) Dosis berechnet sich folgendermaßen:
Wie man an dieser Formel erkennt, steigt die Dosis linear zum Strom-Zeit-Produkt (mAs) aber quadratisch zur Röhrenspannung. Den Faktor g bezeichnet man als Dosiskonversionsfaktor, mit dem die Filterung der Röhre einberechnet wird (f entspricht mm Aluminiumfilterung).
Das Belichtungspunktesystem
Wenn man am Röntgengenerator die Spannung (kV) oder die Ladungsmenge (mAs) für eine Röntgenaufnahme einstellen will, fällt als Erstes auf, dass diese Einstellung nur in bestimmten Stufen erfolgen kann. Diese einzelnen Stufen werden Belichtungspunkte (BP) genannt. Die Werte dieser Stufen sind von der Röntgenröhre abhängig und können sich von Röntgenanlage zu Röntgenanlage unterscheiden.
Diese Stufung ist so gewählt, dass eine Erhöhung um 3 Stufen bzw. Belichtungspunkte (BP) zu einer Verdoppelung der Dosis führt bzw. eine Verringerung um 3 BP zu einer Halbierung. Dabei ist es i. d. R. egal, ob diese Veränderung am kV- oder am mAs-Regler erfolgt.
Auch bei anderen Anwendungen sind ist das Belichtungspunktesystem von großem Vorteil. Ist z. B. bei einer Aufnahme die Strahlung zu hart (Kontrast zu gering), die Dosis für die Aufnahme jedoch korrekt, kann man durch gegenläufiges Ändern der kV und der mAs den Kontrast der Röntgenaufnahme verbessern (–1BP kV, +1BP mAs).
Meist sind die Standardwerte für die freien Belichtungen für Standardpatienten programmiert. Sollten Sie eine freie Belichtung bei einem dickeren oder dünneren Patienten machen müssen, hilft Ihnen auch hier das Belichtungspunktesystem. Pro Zentimeter Patientendicke müssen sie nur einen BP nach oben oder unten anpassen (beim Thorax pro 1,5 cm). In der folgenden Tabelle finden Sie weitere Beispiele für das Belichtungspunktesystem (Tab. 3.1).
Tab. 3.1
Beispiele für Belichtungspunktesysteme (nach Zimmer-Brossy)
Patientendicke | +1 cm | +1 BP |
– 1 cm | – 1 BP | |
Foliensysteme | Änderung SC200 auf SC400 | – 3 BP |
Änderung von SC200 auf SC100 | +3 BP | |
Rasteraufnahme | ohne Raster | – 6 BP |
Aufn. mit Gipsverband | Trocken | +3 bis 5 BP |
naß (konventioneller Gips) | +3 bis 7 BP (kV) | |
Abstandabweichungen | 110 cm → 100 cm | – 1 BP (mAs) |
110 cm → 90 cm | – 2 BP (mAs) | |
110 cm → 120 cm | +1 BP (mAs) | |
110 cm → 140 cm | +2 BP (mAs) |
Belichtungsautomatik
Eine genauere Einstellung der Dosis erreicht man mit der Belichtungsautomatik. Im Buckytisch und im Rasterwandstativ (Abschn. 3.2.8) sind vor dem Bildempfänger Dosismessgeräte angebracht, die die Strahlung vor dem Detektor messen. Erreicht die Strahlung einen bestimmten, für das System und die Aufnahme programmierten Wert, wird ein Abschaltsignal an den Röntgengenerator gesendet. Mit dieser Belichtungsautomatik erreicht man, dass der Detektor immer die optimale Dosis erhält.
Aufbau
Zum Messen der Strahlung werden, wie auch in anderen Bereichen, Ionisationskammern verwendet. Diese bestehen aus einer luft- oder gasgefüllten Kammer und zwei Kondensatorpatten. Wird eine Spannung an diese Kondensatorplatten angelegt, bekommt man somit eine negativ geladenen Anode und eine positiv geladene Kathode. Trifft nun ein Röntgenstrahl ein Gasatom, wird dieses ionisiert (Abschn. 3.2.1). Daraufhin wandern die freigewordenen Elektronen in Richtung Anode und die ionisierten Atome Richtung Kathode: es fließt ein elektrischer Strom.
Je mehr Röntgenstrahlen auf die Kammer treffen, desto mehr Atome können ionisiert werden. An der Höhe des Stroms kann man somit die Menge der Strahlung ablesen.
Position
Im Buckytisch und im Rasterwandstativ sind i.d.R. drei Messkammern angebracht. Am Rasterwandstativ sind diese auf der Platte markiert. Auf dem Buckytisch ist diese Kennzeichnung nicht möglich, da der Tisch verschoben werden kann. Bei manchen Anlagen kann man jedoch eine Plexiglasscheibe in die Tiefenblende schieben, auf der die Messkammern aufgezeichnet sind. So ist es möglich, die Messkammern auf den Patienten zu projizieren.
Die mittlere Messkammer befindet sich direkt im Zentralstrahl der Röhre, die Äußeren sind etwas nach oben verschoben. Meistens wird die mittlere Messkammer verwendet, da sich das darzustellende Objekt auch in der Bildmitte befindet (z. B. bei Schädel- oder Wirbelsäulenaufnahmen). Bei manchen Aufnahmen liegt jedoch das darzustellende Objekt nicht in der Filmmitte (z. B. bei bestimmten Hüftaufnahmen). Bei der Thoraxaufnahme wählt man die äußeren Messkammern, da die mittlere bei dieser Aufnahme im Bereich der Wirbelsäule liegt.
Alle Messkammern lassen sich am Bedienfeld des Generators einzeln oder kombiniert auswählen. Bei der Kombination von mehreren Kammern wird der Generator abgeschaltet, sobald eine der Kammern den programmierten Messwert erreicht hat.
Generatoreinstellungen
Bei der Auswahl der Belichtungsautomatik wählt man am Generator, wie oben schon erwähnt, die Spannung, die Fokusgröße und die gewünschte Messkammer an (Abb. 3.14). Wie legt man aber nun die Abschaltdosis fest?
Abb. 3.14
Generatoroberfläche der Belichtungsautomatik
Zum einen gibt es an den Generatoren die Möglichkeit, die Dosis an die Empfindlichkeit des Aufnahmesystems anzupassen. Diese Anpassung geschieht über die Auswahl der Empfindlichkeitsklassen der Röntgenkassetten. Diese wird entweder in diskreten Werten der Empfindlichkeitsklassen (200, 400, 800) oder in den alten Kassettenbezeichnungen (Detail, Universal, High) angegeben (Abschn. 3.3.1) Jeder dieser Tasten ist eine spezielle Abschaltdosis zugeordnet (Tab. 3.2).
Tab. 3.2
Programmierte Detektordosis der einzelnen Empfindlichkeitsklassen
Speed-Class | Detektordosis (µGy) |
|---|---|
100 | 10 |
200 (D) | 5 |
400 (U) | 2,5 |
800 (H) | 1,25 |
1600 | 0,65 |
Für bestimme Aufnahmesituationen ist es nötig, die eingespeicherte Dosis zu erhöhen. Für diese Fälle sind am Generatorpult Ausgleichstasten vorhanden, die entweder als Belichtungspunkte (–3 bis +3) oder als Piktogramme unterschiedlicher Patientendicken angegeben sind („dünnes Männchen“, „dickes Männchen“).
Fehlermöglichkeiten der Belichtungsautomatik
Auch wenn bei der Belichtungsautomatik die Dosis automatisch gemessen wird, sind doch ein paar Punkte bei ihrer Nutzung zu beachten.
1.
Obwohl es offensichtlich klingt: Achten Sie darauf, dass das Objekt im Bereich der Messkammer liegt. Meistens passiert ein Fehler nur dann, wenn beim Buckytisch die Röhre nicht korrekt auf die Rasterlade ausgerichtet ist.
2.
Bei der Nutzung der äußeren Messkammern am Buckytisch muss man wissen, welches Ende des Tisches das „Kopfende“ ist. Die äußeren Messkammern befinden sich – wie oben erwähnt – oberhalb der mittleren, d. h. sie sind beim Tisch in Richtung des Kopfendes verschoben. Danach richtet sich dann auch die Lagerung des Patienten.
3.
Die Belichtungsautomatik kann auch versagen, wenn sich im Messfeld Fremdkörper oder Luftansammlungen befinden. So wird bei einer Wirbelsäulenprothese oder Kontrastmittel in der Blase bei den entsprechenden Aufnahmen mehr bzw. weniger Dosis ausgelöst als zur Darstellung nötig wäre. Bei konventionellen Röntgenaufnahmen wären diese Aufnahmen unter- bzw. überbelichtet.
3.2.5 Abbildungsgesetze
Wie man es vom natürlichen Licht kennt, gelten auch bei Röntgenstrahlen die bekannten Gesetze:
Strahlensatz
Bei der Röntgenaufnahme handelt es sich immer um eine Zentralprojektion (Abb. 3.15), mit dem Fokus als Zentrum. Die Röntgenstrahlen stellen ein Objekt (G) auf einer Projektionsfläche (B) (Film, Detektor) dar. Dabei wird der Strahl, der direkt vom Fokus kommt und sich in der Mitte des bestrahlten Feldes befindet, Zentralstrahl genannt. Der Strahl, der senkrecht auf die bestrahlte Fläche trifft wird als Senkrechtstrahl bezeichnet.
Abb. 3.15
Strahlensatz/Zentralprojektion
Bei einer solchen Projektionsart gilt das Abbildungsgesetz:
In der Röntgenbildgebung spricht man beim Abstand g vom Fokus-Objekt-Abstand und beim Abstand b vom Fokus-Detektor-Abstand (FDA). Die Strecke B–G wird Objekt-Detektor-Abstand (ODA) genannt. Die Variable V kennzeichnet die Vergrößerung der Abbildung.
Je größer der Objekt-Film-Abstand ist, desto größer wird der Gegenstand abgebildet, wobei alle Objekte in einer Bildebene gleich vergrößert werden.
Grundsätzlich möchte man immer eine möglichst größengenaue Darstellung im Röntgenbild. Leider lässt sich das nicht erreichen, da der Patient eine gewisse Dicke hat. Bei der Einstelltechnik achtet man daher darauf, dass die zu beurteilende Region nah am Film liegt, um eine scharfe und größengenaue Darstellung zu erreichen. (Sternum in Bauchlage, Wirbelsäule in Rückenlage, …).
Bei manchen Röntgenaufnahmen macht man sich diese Abbildungsgesetze zunutze. Bei der Mammographie vergrößert man z. B. eine bestimmte Region, indem man den ODA (Objekt-Detektor-Abstand) vergrößert.
Bei der Thoraxaufnahme möchte man das Herz möglichst größengenau abbilden. Da das Herz aber immer einen gewissen Abstand zum Film hat, vergrößert man den FDA, um den Vergrößerungsfaktor zu verkleinern (1,10 m / 1,10 m–0,20 = 1,22 → 2,0 m / 2,0 m – 0,20 = 1,11).
Projektion/Parallaxe
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