Röntgendiagnostik: Vom Röntgenbild zur Computertomographie

Röntgendiagnostik: Vom Röntgenbild zur Computertomographie

 

Heute scheint die Verwendung von Röntgenstrahlen in vielen Bereichen von Forschung und Praxis als etwas Selbstverständliches, ihre Entdeckung im Jahr 1896 durch Wilhelm Conrad Röntgen war allerdings der Beginn einer neuen Epoche der Medizin. Röntgenstrahlen machten es erstmals möglich, Bilder aus dem Inneren des menschlichen Körpers zu gewinnen. Röntgen führte damals Experimente mit Gasentladungsröhren durch und stieß dabei zufällig auf einen neuen Effekt: Eine mit einem fluoreszierenden Material beschichtete Fläche leuchtete in der Nähe der Gasentladungsröhre auf, obwohl sie durch schwarzen Karton von direkter Lichteinstrahlung durch die Gasentladung abgeschirmt war. Er schloss daraus, dass eine unsichtbare Strahlung durch die Abschirmung hindurch den Leuchtschirm zum Fluoreszieren gebracht haben musste. Wegen dieser neuen seltsamen und damals nicht zu deutenden Eigenschaft nannte er sie X-Strahlen. Durch sorgfältige Experimente fand er heraus, dass alle Körper für diese Strahlen mehr oder weniger durchlässig sind. Die Abschwächung der Strahlen ist allerdings für jedes Material sehr unterschiedlich. Schon Röntgen kam auf die Idee, die neuen Strahlen für medizinische Untersuchungen einzusetzen. Bereits zwei Wochen nach der Entdeckung fertigte er das erste Röntgenbild einer menschlichen Hand an. Deshalb wurde seine Entdeckung von Ärzten weltweit sofort mit großem Interesse aufgenommen. Der Anatom Kölliker schlug vor, die Strahlen in »Röntgen'sche Strahlen« umzutaufen, im Ausland wurde allerdings Röntgens ursprüngliche Bezeichnung beibehalten.

 

 Röntgenstrahlen

 

Erst 20 Jahre nach der Entdeckung der Röntgenstrahlen fanden die Physiker Max von Laue und William Bragg heraus, dass es sich bei Röntgenstrahlen um elektromagnetische Wellen mit sehr kurzer Wellenlänge handelt. Zum Spektrum der elektromagnetischen Wellen gehören auch das sichtbare Licht, die infrarote und ultraviolette Strahlung und die Radiowellen. Diese Wellenarten unterscheiden sich nur in ihrer Wellenlänge. Während der menschliche Körper für sichtbares Licht praktisch undurchlässig ist, werden die sehr viel kurzwelligeren Röntgenstrahlen nur teilweise absorbiert. Die Stärke der Absorption von Röntgenstrahlen nimmt mit der Dichte des Materials und der Ordnungszahl der Atome zu.

 

Für die Aufnahme von Röntgenbildern des menschlichen Körpers nutzt man aus, dass Röntgenstrahlen von unterschiedlichem Gewebe verschieden absorbiert werden. Wegen des Dichteunterschieds absorbieren Weichteilgewebe wesentlich stärker als lufthaltige Gewebe. Knochen heben sich wegen ihres Calciumgehalts sehr stark von Weichteilgewebe ab, da die Ordnungszahl des Calciums wesentlich höher ist als die Ordnungszahlen der Elemente, aus denen die Weichteile hauptsächlich bestehen. Für die Aufnahme von Röntgenbildern wird ein Röntgengerät benutzt. Es besteht aus einer Röntgenquelle und einem Detektor, in dem die Röntgenstrahlen nach Durchdringen des Patienten in ein Bildsignal umgewandelt werden. Im einfachsten Fall ist der Detektor ein Röntgenfilm. Auf dem Film bildet sich, ähnlich wie beim Fotografieren, eine zweidimensionale Projektion des dreidimensionalen Körpers ab. Die Information über die Tiefe geht dabei verloren. Deshalb werden Röntgenaufnahmen meist aus mehreren Richtungen aufgenommen.

 

 Wie werden Röntgenstrahlen erzeugt?

 

Röntgenstrahlen entstehen, wenn Elektronen, die durch elektrische Felder auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt wurden, durch Aufprall auf Materie abgebremst werden. Zur Erzeugung von Röntgenstrahlen wird eine Röntgenröhre verwendet. In dieser Glasröhre befindet sich eine Drahtspirale aus hitzebeständigem Wolframdraht, die Glühkathode. Diese wird durch elektrischen Strom auf rund 2000 Grad Celsius aufgeheizt, sodass Elektronen aus der Spirale austreten. Zwischen der Glühkathode und einem weiteren elektrischen Kontakt, der Anode, wird eine elektrische Hochspannung angelegt. Wenn nun die Röhre evakuiert ist, sodass die Elektronen nicht mit Luftteilchen zusammenstoßen, dann werden die Elektronen auf dem Weg zur Anode auf annähernd Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Um einen scharfen Brennfleck auf der Anode zu erreichen, werden sie durch weitere Elektroden fokussiert.

 

Beim Aufprallen auf die Anode, die meist auch aus Wolfram besteht, werden die Elektronen abgebremst und erzeugen dabei Röntgenstrahlen.

 

Der Wirkungsgrad einer Röntgenröhre ist sehr klein: Nur ein Prozent der eingesetzten Energie wird in Röntgenstrahlen umgewandelt, der überwiegende Teil geht als Erwärmung der Anode verloren. Das größte technische Problem bei der Konstruktion von Röntgenröhren ist deshalb die Ableitung der Wärme, die notwendig ist, damit es nicht zur Überhitzung der Anode kommt. Eine einfache Möglichkeit ist das Eingießen der Wolframanode in einen Kupferschaft, der sich in einer Kühlflüssigkeit (meist Öl) befindet. So konstruierte Röntgenröhren sind allerdings für die meisten Anwendungen nicht leistungsfähig genug, sie werden heute nur noch für Dental-Röntgengeräte eingesetzt, wo sehr kleine Leistungen ausreichen. Um die Wärmebelastbarkeit zu erhöhen, gab es schon früh die Idee, eine drehbar gelagerte Anode zu benutzen. Durch schnelle Rotation erreicht man, dass sich die Wärme auf eine größere Fläche verteilt. Durch Anoden aus speziellen Verbundmaterialien, die aus mehreren Schichten bestehen, können Probleme durch die Erhitzung (Spannungseffekte, Rissbildung und Aufrauung) vermieden werden. Mit heutigen Drehanoden erreicht man bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 3000 bis 10 000 Umdrehungen pro Minute etwa die 40fache Leistung einer feststehenden Anode. Auf diese Weise können sehr kurze Belichtungszeiten erreicht werden, wodurch Störungen durch Bewegungen des Patienten während der Aufnahme vermieden werden können.

 

 Sind Röntgenstrahlen schädlich für den Menschen?

 

Einige Jahre nach der Entdeckung der Röntgenstrahlen machte man die Erfahrung, dass intensive Bestrahlung zu Hautverbrennungen führt. Erst Anfang der 1950er-Jahre wurde klar, dass Röntgenstrahlen neben den Hautreaktionen auch langfristige Schäden erzeugen, und man begann Grenzwerte für die Exposition mit Röntgenstrahlen einzuführen. Heute weiß man, dass Röntgenstrahlen ionisierende Strahlen sind. Die Energiequanten von ionisierenden Strahlen reichen aus, um chemische Bindungen zwischen Atomen aufzubrechen. Wenn dies innerhalb einer Körperzelle passiert, kann sich diese Zelle in eine Krebszelle umwandeln. Daher haben Menschen, die hohen Dosen von ionisierender Strahlung ausgesetzt waren, ein erhöhtes Risiko, später an Krebs zu erkranken. Dies ergab sich aus den Erfahrungen mit Röntgenstrahlen, bevor moderne Sicherheitsbestimmungen eingeführt wurden. Der Mensch ist neben den künstlich erzeugten Strahlen auch natürlichen ionisierenden Strahlen vor allem aus dem Weltraum und von radioaktiven Substanzen aus der Erde ausgesetzt. Die Strahlenexposition durch medizinische Untersuchungen macht heute etwa ein Drittel der gesamten Strahlenexposition aus. Sie ist damit so gering, dass man keinen Zusammenhang mit Krebserkrankungen mehr feststellen kann. Da Krebserkrankungen sehr viele Ursachen haben, kann man statistisch nicht sicher sagen, ob und wie viele durch ionisierende Strahlen ausgelöst wurden. Es gibt verschiedene Theorien darüber, wie die Wahrscheinlichkeit für eine Krebserkrankung mit der Strahlenexposition zusammenhängt. Nach dem »linearen Modell« kann auch die kleinste Menge ionisierender Strahlung Krebs erzeugen. Einer anderen Theorie zufolge gibt es einen Schwellenwert für die Dosis, unterhalb dessen die Strahlung nicht schädlich ist. Schließlich gibt es auch die These, dass geringe Strahlenexposition sogar das Krebsrisiko verringert, was damit zusammenhängen soll, dass die natürlichen Reparaturmechanismen der Zelle durch kleine Schädigungen erst in Gang gesetzt werden. Solange nicht endgültig geklärt ist, welche Theorie stimmt, versucht man, die Strahlenexposition möglichst gering zu halten. Dabei hat die Verbesserung der Röntgengeräte einen großen Fortschritt gebracht. Trotzdem muss bei jeder Röntgenaufnahme sichergestellt sein, dass der Gewinn an diagnostischer Information die möglichen Gefahren durch die Strahlenexposition aufwiegt.

 

 Wie entsteht ein Röntgenbild?

 

Schon Röntgen hatte bei seinen ersten Versuchen festgestellt, dass normale fotografische Filme für Röntgenstrahlen empfindlich sind. Deshalb können solche Filme — wenn sie von sichtbarem Licht abgeschirmt werden — für Röntgenaufnahmen benutzt werden. Genau wie fotografische Filme zeigen Röntgenfilme nach dem Entwickeln und Fixieren eine Schwärzung, die davon abhängt, wie viel Strahlung aufgetroffen war. Allerdings sind die Filme für Röntgenstrahlen nicht sehr empfindlich, nur rund ein Prozent der Strahlung wird von einem Film absorbiert, die meiste Strahlung dringt durch sie hindurch, ohne eine Schwärzung hervorzurufen. Um trotzdem eine ausreichende Belichtung des Films zu erreichen, wäre also eine hohe Strahlendosis nötig. Um die Dosis zu verringern, wandelt man die Röntgenstrahlen mit Verstärkungsfolien in sichtbares Licht um. Sie enthalten Leuchtsubstanzen, als Lumineszenzstoffe bezeichnet, die bei der Bestrahlung mit Röntgenstrahlen sichtbares Licht aussenden. Solche Folien können je nach Typ zwischen 20 und 60 Prozent der einfallenden Röntgenstrahlen absorbieren. Heute verwendet man fast ausschließlich eine Kombination aus einem doppelseitig beschichteten Röntgenfilm mit zwei direkt daran anliegenden Verstärkungsfolien. Durch die Verwendung von beiden Seiten kann die Absorption verdoppelt werden. In einer solchen Film-Folien-Kombination absorbiert der Film selber nur sehr wenig Röntgenstrahlen, er wird zu 97 Prozent vom sichtbaren Licht der Verstärkungsfolien geschwärzt.

 

Wenn Röntgenstrahlen durch den menschlichen Körper dringen, werden sie nicht nur absorbiert, sondern zum Teil gestreut, sie ändern also ihre Ausbreitungsrichtung. Diese Streustrahlung überlagert wie ein Schleier das Röntgenbild und vermindert so den Kontrast. Die Intensität der Streustrahlung nimmt mit dem durchstrahlten Volumen zu, sie ist daher bei Untersuchungen des Bauchraumes ein besonderes Problem. Das wichtigste Mittel zur Verminderung von Streustrahlung ist das Streustrahlenraster (Röntgenkollimator). Es besteht aus Bleilamellen, die sich zwischen strahlendurchlässigen Abdeckplatten befinden und direkt auf die Röntgenkassette aufgelegt werden. Die Lamellen sind in Richtung des Verlaufs der direkten Röntgenstrahlung ausgerichtet, sodass die Streustrahlung, die aus anderen Richtungen auftrifft, größtenteils absorbiert wird.

 

 Die Röntgendurchleuchtung

 

Eine weitere Methode der Röntgenuntersuchung ist die Durchleuchtung. Dabei wird die durch den Patienten gehende Röntgenstrahlung direkt sichtbar gemacht, und das Bild kann wie ein Film beobachtet werden. Ein Vorteil dieser Methode ist, dass die Durchstrahlrichtung während der Untersuchung verändert werden kann und Organbewegungen direkt verfolgt werden können. Anfangs wurde zu diesem Zweck ein Leuchtschirm beobachtet, was wegen der geringen Intensität in einem verdunkelten Raum geschehen musste. Heute verwendet man Röntgenbildverstärker, mit denen die eintreffende Röntgenstrahlung elektronisch verstärkt und auf einem Bildschirm sichtbar gemacht wird. Obwohl die Entwicklung des Röntgenbildverstärkers eine starke Reduktion der notwendigen Strahlendosis brachte, liegt diese deutlich höher als bei einer einzelnen Röntgenaufnahme, was die Anwendungsmöglichkeiten einschränkt. Eingesetzt wird die Durchleuchtung hauptsächlich zur Untersuchung des Thorax und des Verdauungsraums. Nach der Gabe von Bariumsulfat als Kontrastmittel lassen sich die Passage durch die Hohlorgane direkt verfolgen und Organbewegungen beobachten. Da aber Bildschärfe und Detailreichtum wesentlich geringer als bei der Röntgenaufnahme sind, wird die Durchleuchtung nur zur Ergänzung von Röntgenaufnahmen eingesetzt.

 

 Digitale Aufnahme und Speicherung von Röntgenbildern

 

Die Möglichkeit, Bilder nicht auf Röntgenfilmen, sondern in digitaler Form aufzuzeichnen und in einem Computer zu speichern, ist ein großer Fortschritt für die Röntgendiagnostik. Während beim konventionellen Röntgen der Röntgenfilm sowohl als Detektor für die Röntgenstrahlung als auch als Speichermedium und als Betrachtungsmedium fungiert, lassen sich diese Bereiche bei digitaler Aufzeichnung voneinander trennen und einzeln optimieren.

 

Die digitale Lumineszenzradiographie arbeitet mit Speicherfolien als Röntgendetektoren. Sie sind ähnlich wie Verstärkungsfolien aufgebaut, allerdings wandeln sie die Röntgenstrahlung nicht sofort in sichtbares Licht um, sondern speichern die Bildinformation für längere Zeit. Speicherfolien bestehen aus speziellen Leuchtstoffen, meist werden Schwermetall-Halogenid-Phosphorverbindungen verwendet. Beim Auftreffen von Röntgenlicht werden Elektronen in diesem Material in einem höheren Energiezustand eingefangen. Dieses unsichtbare Bild bleibt für Stunden stabil gespeichert. Erst wenn die Elektronen des Leuchtstoffs durch sichtbares Laserlicht einer bestimmten Wellenlänge angeregt werden, fallen sie in ihren ursprünglichen Energiezustand zurück und senden dabei sichtbares Licht aus. Da das emittierte Licht eine andere Wellenlänge hat als das zur Anregung verwendete, lässt es sich einfach durch optische Filter trennen. Eine Speicherfolie wird wie ein normaler Röntgenfilm belichtet. Das Auslesen des Bilds findet computergesteuert in einem Laserscanner statt: Zeile für Zeile wird ein fokussierter Laserstrahl mit einer Punktgröße von circa 0,01 Millimeter über die Folie bewegt und gleichzeitig das emittierte Licht detektiert. Die gemessene Signalfolge wird anschließend digitalisiert. Im Computer kann dann das Röntgenbild aus den Einzelpunkten zusammengesetzt werden. Typischerweise besteht solch ein Bild aus einer Anordnung von 2500 mal 2500 Punkten. Durch Bestrahlung mit intensivem Licht kann der Ausgangszustand einer Speicherfolie wieder hergestellt werden. Der Hauptvorteil der Speicherfolien ist, dass sie weit weniger empfindlich gegen Fehlbelichtungen sind als Röntgenfilme. Außerdem lässt sich das gespeicherte Bild im Computer beliebig bearbeiten. So kann zum Beispiel im Nachhinein der Kontrast verändert werden, ohne dass eine neue Röntgenaufnahme nötig ist. Zur Dokumentation können solche Bilder mit einer Laserkamera auf Folien belichtet werden, die dann kaum von Röntgenfilmen zu unterscheiden sind. Zurzeit erreichen Speicherfolien allerdings noch nicht die gleiche Detailauflösung wie konventionelle Film-Folien-Kombinationen; in Zukunft werden sie diese aber wahrscheinlich ersetzen.

 

Die Durchleuchtung kann mit digitaler Bildspeicherung kombiniert werden: Dazu wird der Ausgangsschirm eines Bildverstärkers nicht direkt betrachtet, sondern von einer elektronischen Kamera aufgenommen und die Bildinformation in einem Computer aufgezeichnet. Eine mögliche Anwendung ist der Pulsbetrieb der Röntgenröhre. Hierbei werden im Abstand von rund einer Sekunde Bilder mit sehr kurzer Belichtungszeit von wenigen Millisekunden und geringer Strahlendosis aufgenommen. Im Computer wird fortlaufend das jeweils letzte aufgenommene Bild dargestellt, sodass man praktisch die gleiche Information wie bei der Durchleuchtung erhält, allerdings mit stark reduzierter Strahlenbelastung. Die gespeicherten Bilder können nach der Aufnahme beliebig weiterverarbeitet werden: Kontrast und Vergrößerung können variiert werden, dynamische Bildserien können mehrmals wiederholt betrachtet werden, und einzelne Bilder können zur Dokumentation mit einer Laserkamera ausgegeben werden. Die Möglichkeit der Weiterverarbeitung der Bilder hat zu einer wichtigen Anwendung bei der Darstellung von Blutgefäßen geführt, der digitalen Subtraktionsangiographie. Blutgefäße unterscheiden sich in der Absorption nicht stark vom Weichteilgewebe. Um einen Kontrast zu erzeugen, muss ein iodhaltiges Kontrastmittel in den Kreislauf injiziert werden. Bei der digitalen Subtraktionsangiographie wird zunächst ein Maskenbild aufgezeichnet, in dem die Gefäße nicht kontrastiert sind. Nach der Injektion wird das Füllungsbild mit Kontrastmittel aufgenommen. Diese Bilder können nun im Computer subtrahiert werden, und man erhält ein Bild, in dem nur die kontrastmittelgefüllten Blutgefäße zu sehen sind. So lassen sich beispielsweise Gefäßverengungen der Nierenarterien durch eine Auswertung am Computer genau quantifizieren.

 

Wichtig ist die digitale Durchleuchtung auch bei Methoden der interventionellen Radiologie: Hier werden mittels Kathetern Eingriffe am Herzen oder an Blutgefäßen vorgenommen. Beispielsweise werden verengte Blutgefäße mittels Ballonkathetern aufgedehnt oder Blutgerinnsel mit über Katheter applizierten Medikamenten aufgelöst. Diese Eingriffe müssen ständig mit Röntgenbildern überwacht werden. Durch digitale Durchleuchtung ist im Vergleich zur konventionellen Durchleuchtung eine Reduktion der Strahlendosis möglich, und durch nachträgliche Bildbearbeitung kann Kontrastmittel eingespart werden.

 

 Die Röntgen-Computertomographie

 

Trotz der vielen Anwendungsmöglichkeiten der bisher beschriebenen Röntgenverfahren besitzen sie alle einen entscheidenden Nachteil: Der dreidimensionale menschliche Körper wird auf das zweidimensionale Röntgenbild projiziert. Die Information über die Tiefe geht dabei verloren. Dies führt einerseits dazu, dass eine genaue räumliche Zuordnung zwischen Röntgenbild und der Anatomie des Körpers schwer möglich ist. Andererseits bewirkt die Projektion einen schlechten Bildkontrast, da die gesamte Information entlang der Strahlrichtung aufsummiert wird, was zu Überlagerungen führt. Verschiedene Weichteilgewebe lassen sich deshalb auf Röntgenbildern kaum unterscheiden. Abhilfe brachte die Computertomographie. Das Verfahren der Computertomographie wurde erstmals von Godfrey Newbold Hounsfield und Allen McLeod Cormack realisiert, die dafür 1979 den Nobelpreis erhielten. Es basiert darauf, aus vielen verschiedenen Einstrahlrichtungen Projektionsaufnahmen zu erstellen, um dann mit Computerhilfe die Überlagerungen herauszufiltern, sodass ein Schichtbild übrig bleibt. Voraussetzung für die Entwicklung der Computertomographie war einerseits die Möglichkeit, Röntgenstrahlen statt auf Film mit elektronischen Detektoren messen zu können, und andererseits Computer, die leistungsfähig genug waren, um die aufwendigen Rechnungen durchzuführen.

 

Ein Computertomograph besteht aus einer Röntgenquelle, die um die Achse des Patienten rotiert. Deren Strahl ist durch Blenden bis auf eine dünne Schicht, in der das Schnittbild erstellt wird, ausgeblendet. Der Röhre gegenüber befindet sich — auf dem gleichen rotierenden Rahmen montiert — eine Zeile von Röntgendetektoren. Diese registrieren die durch den Körper geschwächte Strahlung. Während der Rotation werden die Messdaten jeder Projektion digitalisiert und von einem Computer gespeichert. Für eine Schicht werden bei einem 360-Grad-Umlauf der Röhre etwa 1000 Projektionen aufgenommen. Aus den Schwächungsdaten der Projektionen wird dann im Computer das Schnittbild berechnet. Das Schnittbild entspricht in jedem Bildpunkt der Stärke der Röntgenabsorption. Starke Absorption wird dabei hell, geringe Absorption dunkel dargestellt.

 

Ein Problem der ersten Computertomographen waren die langen Aufnahmezeiten. Fortschritte brachten hier einerseits die Entwicklung von speziellen Schleifringsystemen zur Übertragung der Hochspannung auf die rotierende Röhre und andererseits die Verfügbarkeit von schnelleren Computern zur Verarbeitung der Messdaten. Heutige Computertomographen brauchen für eine Umdrehung, also ein Schnittbild, weniger als eine Sekunde. Mittels speziell zu diesem Zweck entwickelter Prozessoren kann das Schnittbild fast ohne Verzögerung berechnet werden. Einen weiteren Fortschritt brachte die Einführung der Spiral-Computertomographie. Hier wird während der Rotationsbewegung die Patientenliege kontinuierlich verschoben, sodass die Röntgenröhre relativ zum Patienten eine spiralförmige Bahn beschreibt. Auf diese Weise wird ein dreidimensionales Volumen, beispielsweise der gesamte Schädel oder der Brustkorb, in wenigen Sekunden aufgenommen.

 

Der große Vorteil der Computertomographie liegt in der Unterscheidbarkeit sehr geringer Kontraste. Die räumliche Auflösung ist allerdings mit etwa 0,5 Millimetern geringer als bei Röntgenbildern.

 

Dipl.-Phys. Jan Boese; Dipl.-Phys. Renate Jerei

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

Kernspintomographie: Kontrastreiche Schnittbilder des Körpers

 

Ultraschalldiagnostik: Erkundung des Körpers per Echolot

 

nuklearmedizinische Diagnostik

 

Literatur:

 

Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik. Röntgendiagnostik und Angiographie, Computertomographie, Nuklearmedizin, Magnetresonanztomographie, Sonographie, integrierte Informationssysteme, herausgegeben von Heinz Morneburg. München ³1995.

 Glasser, Otto: Wilhelm Conrad Röntgen und die Geschichte der Röntgenstrahlung. Berlin u. a. 1995.

 

Medizintechnik - Verfahren, Systeme und Informationsverarbeitung. Ein anwendungsorientierter Querschnitt für Ausbildung und Praxis, herausgegeben von Rüdiger Kramme. Berlin u. a. 1997.