Was ist Röntgen?
Was sind Röntgenstrahlen?
Röntgenstrahlen sind
elektromagnetische Wellen, die eine sehr hohe Energie und eine sehr kurze Wellenlänge haben. Sie können viele Materialien durchdringen, die für sichtbares Licht undurchsichtig sind, wie z.B. Knochen oder Gewebe. Röntgenstrahlen werden in der Medizin zur Diagnose und Therapie von verschiedenen Krankheiten eingesetzt.
BruceBlaus, CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons
Die Entdeckung der Röntgenstrahlen geht auf den deutschen Physiker Wilhelm Conrad Röntgen zurück, der sie im Jahr 1895 zufällig in seinem Labor an der Universität Würzburg beobachtete, als er Experimente mit Kathodenstrahlen durchführte. Er bemerkte, dass eine fluoreszierende Platte in der Nähe seines Versuchsaufbaus leuchtete, obwohl er von einem schwarzen Karton abgeschirmt war. Er nannte die unbekannte Strahlung "X-Strahlen", da er ihre Natur nicht kannte. Später wurden sie zu seinen Ehren als "Röntgenstrahlen" bezeichnet.
Der Physiker machte die ersten Röntgenbilder von seiner eigenen Hand und der Hand seiner Frau, die er der Öffentlichkeit präsentierte. Die Bilder zeigten die Knochen und den Ehering seiner Frau, was für großes Erstaunen und Faszination sorgte. Er erhielt für seine Entdeckung den ersten Nobelpreis für Physik im Jahr 1901.
Röntgenstrahlen können je nach ihrer Energie in harte und weiche Strahlen eingeteilt werden.
Harte Strahlen haben eine höhere Energie und eine kürzere Wellenlänge als weiche Strahlen. Sie können stärker durch Materie dringen und werden daher vor allem zur Darstellung von Knochen oder der Lunge verwendet.
Weiche Strahlen haben eine niedrigere Energie und eine längere Wellenlänge als harte Strahlen. Sie werden stärker von Materie absorbiert und gestreut und werden daher vor allem zur Darstellung von Weichteilen wie in der Mammographie verwendet.
Wie funktioniert eine Röntgenröhre?
Eine Röntgenröhre ist ein Gerät, das Röntgenstrahlen erzeugt, die unter Anderem für medizinische Diagnostik, verwendet werden können. Aber wie funktioniert eine Röntgenröhre eigentlich?
Eine Röntgenröhre besteht aus zwei wesentlichen Teilen: einer Kathode und einer Anode. Die
Kathode ist eine Elektrode, die aus einem glühenden Metalldraht besteht. Die
Anode ist eine Elektrode, die aus einer rotierenden Metallscheibe besteht.
Die Kathode und die Anode befinden sich in einem evakuierten Glas-, Metall oder Metall-Keramikgehäuse, das als Röhre bezeichnet wird. Wenn eine
hohe Spannung zwischen der Kathode und der Anode angelegt wird, werden
Elektronen von der Kathode ausgestoßen und zur Anode beschleunigt. Diese Elektronen haben eine hohe kinetische Energie, die teilweise in Röntgenstrahlen umgewandelt wird, wenn sie auf die Anode treffen.
Muskid, CC BY-SA 3.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0>, via Wikimedia
Die Röntgenstrahlen entstehen im Wesentlichen durch zwei verschiedene Prozesse: Bremsstrahlung und charakteristische Strahlung. Bremsstrahlung bedeutet, dass die Elektronen abgebremst werden, wenn sie in das Anodenmaterial eindringen. Dabei geben sie einen Teil ihrer Energie als elektromagnetische Strahlung ab, die ein breites Spektrum von Wellenlängen hat. Charakteristische Strahlung bedeutet, dass die Elektronen Atome im Anodenmaterial ionisieren, indem sie Elektronen aus den inneren Schalen herausstoßen. Diese Lücken werden dann von Elektronen aus höheren Schalen gefüllt, wobei sie Energie als elektromagnetische Strahlung abgeben, die eine spezifische Wellenlänge hat, die vom Anodenmaterial abhängt. Diese charakteristische Röntgenstrahlung wird jedoch mit Ausnahme der Mammographie nicht oder nur zum kleinen Teil für die Röntgendiagnostik genutzt.
Die Röntgenstrahlen verlassen die Röhre durch ein Fenster aus dünnem Glas oder Metall, das für sie durchlässig ist. Die Röntgenstrahlen können dann auf ein Objekt gerichtet werden, das untersucht werden soll. Je nach Dichte und Zusammensetzung des Objekts werden einige Röntgenstrahlen absorbiert und andere durchgelassen. Die durchgelassenen Röntgenstrahlen können dann auf einen Detektor treffen, der ein Bild erzeugt, das die innere Struktur des Objekts zeigt.
Wie funktioniert digitales Röntgen?
Digitales Röntgen
ist eine moderne Methode der medizinischen Bildgebung, die auf der Verwendung von Röntgenstrahlen basiert. Im Gegensatz zur konventionellen Röntgentechnik, bei der ein Film belichtet und entwickelt werden muss, werden die digitalen Röntgenbilder elektronisch erfasst und gespeichert. Es gibt zwei Arten von digitalen Röntgensystemen: Speicherfoliensysteme und Flachbilddetektoren.
Speicherfolien
Mit
Speicherfoliensystemen bestehend aus einer speziellen Folie, die mit einem lichtempfindlichen Material beschichtet ist, können
ältere Röntgenanlagen nachgerüstet werden. Die Folie wird in eine Kassette eingelegt und wie ein herkömmlicher Röntgenfilm belichtet. Anschließend wird die Folie in einen Scanner eingelegt, der die gespeicherte Information ausliest und in ein digitales Bild umwandelt. Die Folie kann wiederverwendet werden, nachdem sie gelöscht wurde. Diese Systeme verfügen über eine nur begrenzte Ortsauflösung.
Flachdetektor
Die Funktionsweise von Flachbilddetektoren basiert auf der Umwandlung von Röntgenstrahlung in elektrische Signale. Dabei wird die Röntgenstrahlung entweder zunächst in sichtbares Licht umgewandelt, das dann von einem Fotodiodenarray detektiert wird, oder direkt in Elektrizität umgewandelt.
Cäsiumiodid dient als Szintillator, der die Röntgenphotonen in Lichtphotonen umwandelt. Das Fotodiodenarray besteht aus vielen einzelnen Pixeln, die jeweils eine Spannung erzeugen, die proportional zur Lichtintensität ist. Die Spannungssignale werden dann verstärkt und digitalisiert, um ein Röntgenbild zu erzeugen.
Detektoren aus seltenen Erden oder amorphem Selen wandeln die auftreffenden Röntgenphotonen ohne Umweg über sichtbares Licht direkt in Elektrizität um. Vollfelddetektoren sind dabei mindestens so groß wie das Röntgenbild.
Flachdetektoren verfügen über eine hohe räumliche Auflösung , großen Dynamikbereich , was bedeutet, dass sie sowohl sehr helle als auch sehr dunkle Bereiche auf einem Bild darstellen können, und benötigen eine geringere Strahlendosis .
Wir verwenden in unserer Praxis einen Detektor mit Cäsiumiodid zum
Röntgen und einen Detektor mit amorphem Selen zur
Mammographie.
Beevil, CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons
Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Gewebe
Der Photoeffekt und der Compton-Effekt sind zwei Phänomene, die bei der Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie auftreten.
Der
Photoeffekt beschreibt die Absorption eines Röntgenphotons durch ein Elektron in einem Atom oder Molekül, wobei das Elektron aus seiner Bindung herausgelöst wird und als Photoelektron emittiert wird. Die Energie des Photoelektrons entspricht der Differenz zwischen der Energie des Röntgenphotons und der Bindungsenergie des Elektrons.
Der Photoeffekt ist vor allem bei niedrigen Röntgenenergien dominant und wird in der Röntgenspektroskopie genutzt, um die chemische Zusammensetzung von Materialien zu bestimmen.
Der
Compton-Effekt
beschreibt die Streuung eines Röntgenphotons an einem freien oder schwach gebundenen Elektron, wobei das Photon einen Teil seiner Energie an das Elektron abgibt und seine Richtung und Wellenlänge ändert. Die Energie und der Winkel des gestreuten Photons hängen vom Winkel der Streuung und der ursprünglichen Energie des Photons ab.
Der Compton-Effekt ist vor allem bei hohen Röntgenenergien dominant. Dieser Effekt ist wichtig für die Röntgenbildgebung, da er die Streuung von Röntgenstrahlen an Materie erklärt. Die Compton-Streuung ist eine der Hauptursachen für den Kontrast zwischen verschiedenen Geweben in einem Röntgenbild. Die Compton-Streuung ist auch eine Quelle von Strahlendosis für den Patienten und das medizinische Personal, die bei der Röntgenbildgebung minimiert werden muss.