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Röntgenaufnahmen, Röntgenstrahlung und Strahlenrisiko

Seit der Entdeckung der Röntgenstrahlung 1895 wurden verschiedenste Verfahren zur Untersuchung des menschlichen Körpers entwickelt. Viele dieser oft sehr belastenden Untersuchungen wurden mittlerweile durch modernere Verfahren ersetzt und haben allenfalls noch historische Bedeutung. Trotzdem ist die Röntgendiagnostik noch immer eine der tragenden Säulen der bildgebenden Diagnostik.

Konventionelles Röntgen findet Anwendung bei der Untersuchung von Skelett und Thorax (Herz und Lunge), sowie seltener bei der Untersuchung von Nieren und ableitende Harnwegen, Gallenblase und Gallenwege, Untersuchungen des Magen-Darm-Traktes sowie bei konventionellen Schichtaufnahmen. Auch die Mammographie zählt zu den konventionellen Röntgenuntersuchungen, wobei man für diese Aufnahmen ein spezielles Röntgengerät benötigt. Viele früher regelmäßig angewendeten Untersuchungen sind heute durch die so genannten Schnittbildverfahren (Computertomographie, Kernspintomographie) und den Einsatz der Sonographie ersetzt worden.

 

Wie entsteht ein Röntgenbild?
Mit Hilfe von Röntgenstrahlen entstehen Bilder des Körperinneren. Hierbei macht man sich zunutze, dass die durch den Körper tretende Strahlung an unterschiedlichen Geweben unterschiedlich stark abgeschwächt wird. Haut, innere Organe wie Leber, Herz, usw. lassen im Vergleich mehr Strahlung durch als Knochen oder Zähne.
Nach Durchtritt durch den Körper wird die verblieben Strahlenmenge zur Belichtung eines Bildes genutzt. Hierzu wird in erster Linie ein Röntgenfilm als typisches Wiedergabemedium verwendet. Dies ist ein hauptsächlich lichtempfindlicher Schwarz-Weiß-Film in Großformat, der in einer Kassette vor Lichteinstrahlung geschützt wird. In dieser Kassette sind Folien enthalten, die durch Röntgenstrahlung zum Leuchten angeregt werden. Der Röntgenfilm wird also tatsächlich eher durch die nachleuchtende Folie belichtet, als durch die Röntgenstrahlung selbst. Bedingt durch die Lichtempfindlichkeit muss der Film in einer Dunkelkammer oder speziellen Entwicklermaschinen entwickelt werden.
In der unserer Abteilung wurden bereits vor einigen Jahren die Röntgenfilme durch digital auslesbare  Speicherfolien ersetzt. Dadurch wurden erhebliche Einsparungen der Strahlendosis beim Röntgen, aber auch der Materialkosten erreicht.

 

Röntgenstrahlung wird in Röntgenröhren erzeugt.
Die Röntgenstrahlung besteht aus energiereichen Photonen und stellt eine elektromagnetische Strahlung dar. Diese Röhre besteht aus einer Kathode (negativ geladener Pol) in der durch Glühemission Elektronen (negativ geladene Teilchen) freigesetzt werden. Diese werden von der positiv geladenen Anode sehr stark beschleunigt und schlagen mit hoher Geschwindigkeit auf diese auf. Bei diesem „Aufschlagen“ (Eindringen in das Anodenmaterial) treten die Elektronen in Wechselwirkung mit den Atomkernen und Atomen der Anode. Hierbei entsteht Röntgenstrahlung, deren Qualität (d.h. Energie) somit von der Röhrenspannung, dem Anodenmaterial (in der Radiologie werden zumeist die Metalle Wolfram, Molybdän oder Rhodium verwendet) und dem Filter am Ausgang der Röhre ist. Man unterscheidet zwischen weicher (bis 100 Kilo Elektronen Volt - keV) und harter (über 100 keV) Röntgenstrahlung. Obwohl die Materialzusammensetzung der Kathode und die verwendete Spannung Unterschiede aufweisen, lässt sich eine Röntgenröhre gut mit einem Fernsehgerät vergleichen. Interessanterweise entsteht auch in einem Fernsehgerät Röntgenstrahlung, wenn auch nur in sehr geringer Menge.

 

Wie wird die Patientenbelastung durch Röntgenstrahlung gemessen?
Nicht alle menschlichen Organe sind gleich strahlenempfindlich, relativ unempfindlich ist beispielsweise die Haut, während die Keimdrüsen - Eierstöcke bei der Frau und Hoden beim Mann - am empfindlichsten sind. Die Einheit mit der man die Strahlenbelastung ausdrückt  nennt sich effektive Dosis und die Einheit heißt Sievert (Sv bzw. Milli Sievert, mSv, für ein tausendstel Sv).

 

Wie hoch ist die natürliche und die medizinische Strahlenbelastung?
Die natürliche Strahlung stammt aus natürlichen Quellen und der Mensch ist ihr seit jeher und zu jeder Tageszeit ausgesetzt.
Man unterscheidet eine innere Belastung durch Aufnahme (z.B. Einatmen radioaktiver Gase) und eine äußere durch radioaktive Stoffe im Boden oder in Baumaterialien (terrestrische Strahlung) oder durch Strahlen, welche aus der Atmosphäre auf uns treffen (kosmische Strahlung). Die jährliche Dosis der natürlichen Strahlung kann bis 10 Millisievert (mSv) reichen und liegt in der Bundesrepublik im Schnitt bei 2.1 mSv (entspricht 0.002 Sv). Hiervon entfallen 1.1 mSv/Jahr auf die Inhalation von Radon und dessen Zerfallsprodukten. Weiterhin werden etwa 0.3 mSv/ Jahr mit der Nahrung aufgenommen. Ferner besteht eine Belastung von 0.3 bzw. 0.4 mSv/Jahr durch direkte kosmische bzw. direkte terrestrische Strahlung.

 

Für alle diese Werte gibt es deutliche Abweichungen, beispielsweise beträgt die terrestrische Strahlenbelastung in bestimmten Gebieten Schleswig-Holsteins nur 0,14 mSv, während die Belastung in Teilen des Bayerischen Waldes bei 1,46 mSv liegt. In Brasilien gibt es Gegenden mit einer terrestrischen Strahlenbelastung bis zu 87 mSv Belastung jährlich.

 

Die Belastung der Durchschnittsbevölkerung durch medizinische Strahlung im Verhältnis zur totalen Belastung liegt bei etwa 40%, also bei ca. 2 mSv pro Jahr. Ein Transatlantikflug entspricht mit einer effektiven Dosis von 0,04-0,09 mSv aus der Höhenstrahlung etwa einer Lungenaufnahme (s.unten).

 

Was verursacht Röntgenstrahlung im Körper?
Röntgenstrahlung ist potentiell in der Lage, die menschliche Erbinformation (DNA) zu schädigen. In der weitaus überwiegenden Zahl der Fälle wird diese lokal so geschädigt, dass der Schaden von zelleigenen Enzymen repariert wird.
Findet eine vollwertige Reparatur nicht statt, können für die geschädigte Zelle zwei mögliche Folgen eintreten:

  1. Die Zelle verliert ihre Möglichkeit zur Teilung und es tritt der Zelltod ein. Handelt es sich nur um einzelne Zellen, ist auch dieser Vorgang ohne Folgen für den Betroffenen.
  2. Die veränderte Zelle kann sich weiter teilen und die veränderte Erbinformation breitet sich hierdurch aus. Es handelt sich um eine sogenannte Mutation. Hieraus kann potentiell eine unkontrollierte Neubildung, ein sogenanntes Karzinom (Krebs) entstehen.


Das erste Szenario, der Zelltod wird als deterministischer Strahlenschaden beschrieben. Ab einer bestimmten Dosis, welche zu einer deutlichen Steigerung des auch natürlich vorkommenden Zelltodes am geschädigten Areal führen muss, tritt dieser Schaden immer auf. Er ist somit genau vorhersehbar und jeder Mensch, der über diesem Schwellenwert bestrahlt wurde, wird erkranken. Dieses Phänomen ist nach Strahlenunfällen (z.B. in Tschernobyl oder nach Atomwaffenexplosionen) in direkter Nähe zum Explosionsherd bekannt. In der Medizin macht man sich diesen Effekt bei der sogenannten Strahlentherapie bösartiger Tumoren zu Nutze. Dort wird der Tumor lokal einer vorberechneten sehr hohen Dosis ausgesetzt um die bösartigen Zellen zu zerstören.

 

Für die Gesundheitsgefährdung durch diagnostische Röntgenaufnahmen ist der stochastische Strahlenschaden von Bedeutung. Dieser beruht auf einer Mutation (Veränderung des Erbgutes) einer betroffenen Zelle und es gibt keinen Schwellenwert. Anders gesagt kann er auch bei der geringsten Strahlung, also auch durch natürliche Strahlenbelastung, ausgelöst werden. Die Eintrittwahrscheinlichkeit dieses Schadens scheint mit steigender Dosis zuzunehmen. Es handelt sich aber bislang um eine Theorie, bewiesen ist das Phänomen letztlich nicht. Da die Theorie aber sehr wahrscheinlich korrekt ist, basiert darauf der Grundsatz des Strahlenschutzes: die Dosis stets so niedrig wie möglich zu halten und strahlenempfindlichere Gewebe oder Personen so weit wie möglich zu schonen.

 

Entsteht ein Tumor, ist der kausale Zusammenhang aber durchaus nicht immer herzustellen, da diese DNA-Veränderungen stets auch spontan, ohne Beteiligung von Strahlung aufgetreten sein können. Es entsteht sogar der überwiegende Anteil von Mutationen spontan.

 

Es ist heute wissenschaftlich gesichert, dass ionisierende Strahlen in höherer Dosis bösartige Neubildungen (Krebs) oder gar Missbildungen beim Ungeborenen verursachen können. Verschiedene Gewebe sind unterschiedlich empfindlich: am empfindlichsten ist das rote Knochenmark. Dieses sind gesicherte Tatsachen, welche allerdings bei Dosiswerten von >200 mSv gewonnen wurden. Solche Dosiswerte kommen in der Röntgendiagnostik üblicherweise nicht vor und würden z.B. mehr als 20 Computertomographien (CT) des Brustkorbs (Thorax) entsprechen. Wie sich die Strahlenbelastung mit geringerer Dosis auf die Gesundheit auswirken, darüber gibt es nur Vermutungen und Denkmodelle. Risikoabschätzungen in diesen Bereichen sind somit nur mit Einschränkungen möglich: nach dem heutigen Stand der Wissenschaft wird davon ausgegangen, dass auch hier Schäden nicht ganz ausgeschlossen werden können. Es besteht demnach nur ein geringes Risiko.

 

Aus diesen unterschiedlichen Theorien ist ersichtlich, dass das Risikos bei medizinisch-diagnostischen Anwendungen von Röntgenstrahlen schlecht abschätzbar sind. Zum Schutz von Patienten und Ärzten sieht daher die neue Röntgenverordnung eine strengere Abwägung des Nutzens gegenüber dem Risiko bei jeder einzelnen Aufnahme vor, jede Untersuchung muss ärztlich gerechtfertigt („indiziert“) sein.

 

Wie hoch ist die Strahlenbelastung bei einer einzelnen Untersuchung?
In der folgenden Tabelle sind eine Reihe von Strahlenexpositionen bei verschiedenen Röntgen- und CT-Untersuchungen dargestellt. Die Werte sind als 'effektive Dosis' in Millisievert (mSv) angegeben.
Diese Strahlenexpositionen sind das Ergebnis der Messungen an einem großen radiologischen Zentrum in den USA, und sind somit nur als bedingt repräsentativ anzusehen. Wichtig ist es außerdem, darauf hinzuweisen, dass die Strahlenexpositionen der jeweils geröntgten 'Körperregion' von den in der Tabelle als effektive Dosis angegeben Werten abweichen.

 

Untersuchung / Aufnahme

männlich (in mSv)

weiblich (in mSv)

Digitale Subtraktions Angiographie (DSA) intraarteriell Hirn

24,30

20,60

Digitale Subtraktions Angiographie Becken / Bein intraarteriell

21,40

32,30

Computertomographie (CT) Abdomen nativ

9,94

16,91

Computertomographie (CT) Thorax nativ

7,38

12,51

Computertomographie (CT) Lendenwirbelsäule nativ

5,10

7,20

Röntgen Thorax von hinten (p.a.)

0,04

0,04

Röntgen Becken von vorn (a.p.)

1,52

1,85

 

 

Nuklearmedizinische Untersuchungen sind manchen Patienten „unheimlich“, weil dabei eine radio­aktive Substanz in den Körper injiziert werden muss. Die folgende Liste zeigt jedoch, dass die effektive Dosis dabei ebenfalls klein bleibt (berechnet von Roser + Roth nach ICRP-Daten):

 

Skelettszintigraphie eff. Dosis

3,5 mSv

Schilddrüsenszintigraphie mit Pertechnetat eff. Dosis

0,8 mSv

Lungenszintigraphie (Ventilation und Perfusion) eff. Dosis

1,7 mSv

Nierenszintigraphie (Tc-99m-DTPA) eff. Dosis

2,1 mSv