Was ist Röntgen und wie funktioniert es?

Ist Röntgen schmerzhaft oder gefährlich?

Eine Röntgenuntersuchung selbst ist schmerzlos – Sie spüren die Strahlung nicht, meist ist nur ein kurzes Stillhalten nötig. Röntgenstrahlen sind ionisierende Strahlung, die in hohen Dosen Gewebe schädigen kann, doch die in der Diagnostik eingesetzten Dosen sind gezielt niedrig gehalten und liegen bei den meisten Röntgenaufnahmen in einer Größenordnung, die mit der natürlichen Strahlenexposition vergleichbar ist, der wir ohnehin fortlaufend ausgesetzt sind. Wie hoch die Dosis bei Ihrer Untersuchung typischerweise ausfällt und wie sie im Vergleich zur natürlichen Strahlung einzuordnen ist, zeigt unser Strahlendosis-Vergleich für Röntgen, Mammographie und CT.

Wie läuft eine Röntgenuntersuchung ab?

Sie stellen sich oder legen sich je nach Körperregion vor den Detektor, halten für den Moment der Aufnahme kurz still, und das Bild steht in der Regel sofort digital zur Verfügung. Die gesamte Untersuchung dauert meist nur wenige Minuten. Alle Details zu Ablauf und Vorbereitung finden Sie auf unserer Röntgen-Seite.

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.



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.

Wir verwenden in unserer Praxis einen Detektor mit Cäsiumiodid zum Röntgen und einen Detektor mit amorphem Selen zur Mammographie.

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.