Die Radiologie basiert im Großteil auf dem physikalischen Phänomen der Röntgenstrahlung. Wie diese entsteht und wie sie mit Materie bzw. dem menschlichen Körper interagiert wird Ihnen in diesem Kapitel in kurzen Texten und Videos näher gebracht.
Lernfragen:
- Wie werden Röntgenstrahlen erzeugt?
- Welches sind die wesentlichen Komponenten einer Röntgenröhre?
- Benennen sie die wesentlichen Komponenten eines Röntgenspektrums.
- Was versteht man unter dem Photo-Effekt und dem Compton-Effekt?
- Welche Strahlenenergien kommen in der Radiologie typischerweise zum Einsatz?
Röntgenstrahlung – Entstehung
Röntgenstrahlung ist eine spezielle Kategorie der elektromagnetischen Strahlung. Die kurzwelligen, nicht sichtbaren Strahlen liegen im Bereich von 10 bis 150 keV (medizinischer Nutzen). Der Wellencharakter spielt in diesem Bereich kaum eine Rolle, viel interessanter sind die Aspekte der Energieübertragung in Form des Partikelbilds.
Die Erzeugung der Röntgenstrahlung erfolgt über eine Röntgenröhre und viele weitere Einzelheiten, welche im folgenden Video visualisiert werden.
Wie im Video gezeigt, besteht der Großteil des erzeugten Spektrums aus der sogenannten Bremsstrahlung. Wie der Name verrät, entsteht dieses Spektrum während des Energieverlusts beim Abbremsen eines Elektrons, beispielsweise bei der Kollision mit einem fremden Atom. Das Spektrum (siehe nächste Abbildung) setzt sich aus einem ‘weichen’ und ‘hartem’ Teil zusammen. Diese Bezeichnungen spiegeln die Duchdringungskraft des jeweiligen Photons wieder.
Abbildung: Typisches Strahlenspektrum in der Röntgendiagnostik für verschiedene Spannungen (H.D. Nagel (2003) Strahlenphysikalische Grundlagen der Röntgendiagnostik).
Die Peaks auf dem Bremsstrahlungsspektrum sind die sogenannte charakteristische Röntgenstrahlung. Diese Ausschläge finden ihren Ursprung im Schalenmodell und den diskreten Energieabständen innerhalb eines Atoms. Durch Anregungen mit einer größeren kinetischen Energie als die der Bindung, können die Photonen Elektronen aus der Schale lösen. Durch einen weiteres Elektron welches den freien Platz füllt, kommt es zu einer diskreten Energieabgabe. Da sich diese Energieniveaus von Element zu Element unterscheiden, spricht man vom charakteristischen Spektrum. Das kleine Video im Anschluss veranschaulicht diesen Prozess.
Interaktion mit MaterieDie Interaktion von Strahlung mit Materie sollte den meisten von Ihnen bereits aus dem Studium bekannt sein. Als Erinnerung werden die drei wesentlichen Interaktionen im Folgenden erläutert.
Photoeffekt: Trifft ein Photon mit erhöhter Energie auf ein Atom, kann dieses Photon ein Elektron aus der Schale lösen. Das Atom befindet sich zu diesem Zeitpunkt nicht mehr im Grundzustand, welcher energetisch aber am sinnvollsten ist. Um diesen Zustand wieder zu erreichen, nimmt ein Elektron des Atoms diesen Platz wieder ein. Dabei wird Energie in Form von Photonen frei. Folgende Abbildung verdeutlicht diesen Prozess.
Abbildung: Schematische Darstellung des Photoeffekts (H.D. Nagel (2003) Strahlenphysikalische Grundlagen der Röntgendiagnostik).
Rayleighstreuung: Diese Art von Interaktion wird auch als elastische Streuung bezeichnet. Das einfallende Photon ändert bei der Kollision mit dem Atom lediglich seine Richtung. Es findet keine Energieübertragung statt.
Comptonstreuung: Eine weiterführende Form der Rayleighstreuung. Das einfallende Photon übertragt die Energie an das Elektron des Atoms, ändert seine Richtung und bewegt sich mit einer niedrigeren Energie weiter. Das angeregte Elektron (meist ein relativ schwach gebundenes) verlässt die Atomumgebung mit der resultierenden Energie aus Kollision und Bindung. Auch hier ist eine Skizze zum Verständnis sinnvoll.
Abbildung: Schematische Darstellung der Comptonstreuung (H.D. Nagel (2003) Strahlenphysikalische Grundlagen der Röntgendiagnostik).
Die eigentliche Schwächung der Röntgenstrahlung wird im Schwächungsgesetz angegeben. Es setzt sich aus der Intensität I0 des einfallenden Strahls, der Schichtdicke d und dem totalen linearen Schwächungskoeffizient μ zusammen:
I=I0∗exp(−μ∗d)
Der Schwächungskoeffizient setzt sich dabei aus den Anteilen des Photoeffekts, der Rayleighstreuung und der Comptonstreuung zusammen.
Die eigentliche Bildentstehung geschieht durch die Aufnahme der geschwächten bzw. absorbierten Strahlung mit Hilfe eines Empfängers. Verwendet werden hierfür Filme oder digitale Detektoren.