, Ingrid Offenhäusser3 und Christel Vockelmann2
(1)
Schule für Gesundheitsberufe, Bereich MTRA, Klinikum Dortmund gGmbH, Dortmund, Deutschland
(2)
Radiologische Klinik, Christophorus-Kliniken GmbH, Coesfeld, Deutschland
(3)
MTA Schule, Universitätsklinikum Aachen (AöR), Pauwelsstraße 30, 52074 Aachen, Deutschland
Die 19-jährige Lisa schaut sich zusammen mit ihrer fünf Jahre jüngeren Schwester Johanna die Nachrichten an. Eigentlich nur, weil sie auf die Anschlusssendung warten. Die aktuellen Nachrichten werden beherrscht vom Gedenktag an die Atomkatastrophe in Fukushima am 11. März 2011. Damals kam es zu einem Reaktorunfall in dem japanischen Atomkraftwerk, bei dem radioaktive Stoffe freigesetzt wurden. In diesem Zusammenhang wurden zwischen 100.000 und 150.000 Menschen evakuiert.
„Sag´ mal,“ meint plötzlich Johanna, „du lernst doch MTRA. Da habt ihr doch auch mit Strahlen zu tun. Hast du da keine Angst? Guck mal, die berichten immer von Krebserkrankungen und Strahlenkrankheit. Was ist das überhaupt?“
„Wir müssen da keine Angst haben“, beschwichtigt Lisa, „zum einen arbeiten wir mit anderen Strahlenarten und zum anderen sind wir in der medizinischen Anwendung als Personal richtig gut geschützt. Das ist Teil der Ausbildung – was man tun muss, um nicht zu viel Strahlung abzubekommen. Aber natürlich lernen wir auch, was Strahlung im Körper macht. Das wird schließlich in der Strahlentherapie angewendet.“
2.1 Radioaktivität und deren Wechselwirkungen
I. Offenhäusser4
(4)
MTA Schule, Universitätsklinikum Aachen (AöR), Pauwelsstraße 30, 52074 Aachen, Deutschland
2.1.1 Historischer Hintergrund
Wir schreiben das Jahr 1895. Im physikalischen Institut der Universität Würzburg arbeitet Wilhelm Conrad Röntgen in seinem Labor. Mit einem Funkenindikator erzeugt er eine Hochspannung, die er auf zwei Metallelektroden in einer luftleeren Röhre leitet. Die Röhre leuchtet, neben ihr auch ein mit Bariumplatincyanür beschichteter Schirm. Röntgen umwickelt die Röhre mit schwarzem Papier, der Schirm leuchtet weiter. Der Physiker nennt die ihm unbekannten Strahlen, die dichtes Material durchdringen und fluoreszierende Eigenschaften haben, „X-Strahlen “.
Als Neujahrsgruß schickt er Sonderdrucke an Kollegen seines Fachbereiches. Unter ihnen ist auch der Mathematiker und Astronom Henri Poincaré , der das Phänomen in der Akademie der Wissenschaften in Paris vorträgt. Akademiemitglied Antoine-Henri Becquerel untersucht den Zusammenhang zwischen den X-Strahlen und der Fluoreszenz: Eine in schwarzes Papier gehüllte Photoplatte wird ohne Sonneneinstrahlung von Kaliumuranylsulfat geschwärzt. Anders als ursprünglich vermutet, kann Becquerel ausschließen, dass die X-Strahlung durch Sonneneinstrahlung ausgelöst wird, denn das Kaliumuranylsulfat strahlt ohne äußere Einwirkung. Er nennt die gefundene Strahlung „Uran“.
Niemand, außer der aus Polen stammenden Wissenschaftlerin Marie Skłodowska (ab 1895 verheiratet mit Pierre Curie), schenkt dieser Entdeckung Beachtung. Sie stellt fest, dass die Aktivität von Uran von der Anzahl der enthaltenen Uranatome abhängt, nicht aber zur Anzahl der enthaltenen Verbindungen in Beziehung steht.
Marie Curie isoliert die in Pechblende enthaltenen Stoffe, gewinnt ein schwarzes strahlendes Pulver – Polonium, nach ihrer Heimat benannt – und bezeichnet das Verhalten des Poloniums als radioaktiv. Sie entdeckt außerdem das in Pechblende enthaltene Radium. Ihre Tochter Irene liegt im Kinderwagen neben der Versuchsanordnung, die schädigende Wirkung der radioaktiven Strahlung ist noch völlig unbekannt.
1903 erhalten Antoine-Henri Becquerel , Marie Curie und ihr Mann (Abb. 2.1), der französische Physiker Pierre Curie, den Nobelpreis für Physik. 1911, Marie Curie für die Entdeckung des chemischen Verhaltens des Radiums ebenfalls den Nobelpreis für Chemie. Sie stirbt 1934 nahezu erblindet an Leukämie, als Folge des täglichen ungeschützten Umgangs mit radioaktiven Substanzen.
Abb. 2.1
Marie und Pierre Curie bei der Arbeit im Labor
Ein Jahr nach Maries Tod nimmt ihre Tochter Irène Joliot-Curie, gemeinsam mit ihrem Ehemann Frédéric Joliot den Nobelpreis für Chemie als Auszeichnung für die Entdeckung der künstlichen Radioaktivität in Empfang.
Auch Iréne verstirbt 1956 an Leukämie.
Anekdote für den Rand
Marie Curie ließ im 1. Weltkrieg Autos zu fahrbaren Röntgenstationen umbauen und bildete junge Frauen in der Durchführung radiologischer Untersuchungen aus. So konnten verwundete Soldaten in unmittelbarer Nähe der Front medizinisch versorgt werden.
2.1.2 Physikalische Grundlagen
Das Atom
Materie setzt sich aus extrem kleinen Teilchen, den Atomen, zusammen (Abb. 2.2).
Abb. 2.2
Aufbau eines Atoms
Atom e bestehen aus Atomkern und Atomhülle. Der Atomkern ist etwa um den Faktor 105 kleiner als die Atomhülle. Dies entspricht dem Verhältnis eines Sandkornes zu einem Fußballfeld. Er enthält Kernteilchen, die sog. Nukleonen. Sie bestimmen die Masse des Atoms, ihre Anzahl entspricht der Massenzahl A.
Nukleonen setzen sich aus den positiv geladenen Protonen P und den elektrisch neutralen Neutronen N zusammen. Die Protonenzahl bestimmt die Kernladung. Sie entspricht der Ordnungszahl Z, die eine Einordnung des entsprechenden Elementes in das Periodensystem ermöglicht.
Um den Atomkern kreisen negativ geladene Elektronen e–. Alle Elektronen, deren Bahn den gleichen Radius haben, bilden eine Schale. Ein Atom kann eine oder mehrere dieser Schalen besitzen. Sie werden von innen nach außen mit K,L,M,N,O … bezeichnet und mit n = 1,2,3,4,5 … durchnummeriert. Eine Schale kann mit maximal 2n2 Elektronen besetzt werden. Die Elektronen und Protonen ziehen einander an. Diese Anziehungskraft nimmt mit steigender Protonenzahl zu, mit größer werdendem Abstand der Elektronen vom Kern jedoch ab. Im elektrisch neutralen Zustand eines Elementes entspricht die Elektronen- der Protonenzahl.
Zwischen den im Kern vorhandenen Protonen befinden sich die Neutronen. Bei leichten Atomen entspricht die Neutronen- der Protonenzahl, schwere Atomkerne haben einen Neutronenüberschuss von bis zu 1:1,5. Ist das Protonen-Neutronen-Verhältnis gestört, so ist ein Kern instabil. Instabile Kerne wandeln sich ohne äußere Einwirkung unter Aussendung von Strahlung um. Dabei verändert sich die Protonen- bzw. Neutronenzahl.
Definition
Die Eigenschaft der spontanen Kernumwandlung unter Aussendung von Strahlung wird als Radioaktivität bezeichnet. Die Einheit der Radioaktivität ist das Becquerel (Bq). Ein Becquerel ist definiert als 1 Zerfall pro Sekunde.
Radioaktive Zerfallsarten
Radionuklide gehen unter Abgabe von Energie von einem instabilen in einen stabilen Zustand über. Dieser Übergang ereignet sich spontan, also ohne Einwirkung von außen. Die beim Zerfall freiwerdende Energie wird je nach Zerfallsart in Form von Teilchen- oder elektromagnetischer Strahlung abgegeben.
Die Art und Energie der ausgesandten Strahlung ist charakteristisch für jedes Radionuklid.
Alpha-Zerfall (α-Zerfall)
Der α-Zerfall findet nur bei schweren Nukliden statt. Ein α-Teilchen, bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen, wird ausgesandt (Abb. 2.3). Die Ordnungszahl Z sinkt um 2, die Massenzahl A um 4. Zwei Elektronen verlassen den Atomverband.
Abb. 2.3
Alpha-Zerfall
Die frei werdende Energie bekommt das α-Teilchen als Bewegungsenergie (kinetische Energie) mit, deren Betrag bei jedem α-Teilchen gleich ist. α-Strahlung ist also monoenergetisch.
Da α-Teilchen eine große Masse besitzen, werden sie von Materie schnell abgebremst. Sie geben ihre Energie an das Gewebe ab und haben eine hohe biologische Wirksamkeit, wirken also stark zerstörend auf die Zelle.
α-Strahlung ist schon durch ein einfaches Blatt Papier von der Umgebung abschirmbar. Wegen der stark zerstörenden Wirkung findet sie in der Medizin kaum noch Anwendung.
Beta-Minus-Zerfall (β–-Zerfall)
Bei Atomkernen mit hohem Neutronenüberschuss wandelt sich ein Neutron in ein Proton, ein Elektron (β–-Teilchen) und ein Antineutrino um (Abb. 2.4). Die Ordnungszahl Z steigt um 1, da nun der Kern ein Proton mehr besitzt. Die Massenzahl A bleibt gleich. β–-Teilchen und Antineutrino verlassen den Kern. Die frei werdende kinetische Energie wird auf das β–-Teilchen und das Antineutrino verteilt. Das β–-Teilchen kann also Energiewerte zwischen 0 und Maximalenergie haben. Es entsteht eine kontinuierliche Energieverteilung, ein sog. Energiespektrum. Das Antineutrino hat eine äußerst geringe Wechselwirkung mit Materie, muss aber bei der Energiebilanz des β–-Zerfalls berücksichtigt werden.
Abb. 2.4
Beta-Minus-Zerfall
β–-Strahler werden in der nuklearmedizinischen Therapie eingesetzt, am häufigsten in der Therapie benigner und maligner Schilddrüsenerkrankungen (131J). In der Diagnostik spielen β–-Strahler wegen ihrer geringen Reichweite keine Rolle.
Beta-Plus-Zerfall (β+-Zerfall)
Bei Atomkernen mit Protonenüberschuss wandelt sich ein Proton in ein Neutron, ein Positron (β+-Teilchen) und ein Neutrino um (Abb. 2.5). Die Ordnungszahl Z sinkt um 1, da nun der Kern ein Proton weniger besitzt, die Massenzahl A bleibt gleich. β+-Teilchen und Neutrino verlassen den Kern. Auch hier wird die frei werdende kinetische Energie auf das β+-Teilchen und das Neutrino ungleich verteilt, es entsteht ebenfalls ein kontinuierliches Spektrum. Das Neutrino tritt in vernachlässigbare Wechselwirkung mit Materie, muss aber bei der Energiebilanz des β+-Zerfalls berücksichtigt werden.
Abb. 2.5
Beta-plus-Zerfall
Das Positron hat als Antiteilchen nur eine kurze Lebensdauer und vereinigt sich innerhalb von Mikrosekunden mit einem freien Elektron der Umgebung. In Kernnähe wird die Masse beider Teilchen in zwei Photonen umgewandelt, die in einem Winkel von 180° und mit einer Energie von 511 keV je Quant auseinanderfliegen (Vernichtungsstrahlung).
Der β+– Zerfall kann sich also nur ereignen, wenn die Energiedifferenz zwischen Mutter und Tochter 1022 keV beträgt. Positronenstrahler werden in der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) zur Darstellung unterschiedlicher Stoffwechseleigenschaften oder molekularer Prozesse im Körper verwendet. Das regionale Verteilungsmuster wird bildlich sichtbar gemacht. Ein häufig verwendeter Positronenstrahler ist das 18Fluor.
Elektroneneinfang (Electron Capture)
Der zum β+-Zerfall konkurrierende Zerfallsprozess ist der sog. Elektronen-Einfang (Abb. 2.6). Ist die Zerfallsenergie bei Protonenüberschuss kleiner als 1022 keV, so tritt ausschließlich dieser auf. Ein Elektron aus der kernnahen Hülle wandert in den Kern und verbindet sich mit einem Proton. Es entsteht ein Neutron und ein Neutrino, das den Kern verlässt. Die Ordnungszahl Z sinkt um 1, da nun der Kern ein Proton weniger besitzt.
Abb. 2.6
Elektroneneinfang
Die Massenzahl A bleibt gleich. Die Elektronenlücke wird durch ein Elektron einer äußeren, energiereicheren Schale aufgefüllt und die Energiedifferenz beider Schalen in charakteristischer Röntgenstrahlung abgegeben. Einige in der nuklearmedizinischen Diagnostik verwendeten Nuklide entstehen durch EC z. B. 201Thallium oder auch alternativ zum β+-Zerfall 18 Fluor.
Neben der Entstehung von Röntgenstrahlung wird die Energie auch direkt auf Elektronen übertragen. Diese sogenannten Auger-Elektronen verlassen den Atomverband. Die Aussendung charakteristischer Röntgenstrahlung erfolgt bei Nukliden mit einer Ordnungszahl über 30, unter 30 dominiert die Emission von Auger-Elektronen.
Innere Konversion/γ–Strahlung
Nach Kernumwandlung verbleibt nicht selten eine Restenergie für kurze Zeit im Tochterkern. Man bezeichnet diesen Nuklidzustand als angeregt oder metastabil. Diese Restenergie kann über zwei miteinander konkurrierende Prozesse abgegeben werden.
Der Kern kann die Anregungsenergie direkt auf ein Elektron der Hülle übertragen. Dieses verlässt seinen Platz dann, wenn die Anregungsenergie größer als die Bindungsenergie des Elektrons ist. Die entstehende Lücke wird auch hier mit einem Elektron einer höheren, energiereicheren Schale aufgefüllt, es kommt zur Emission charakteristischer Röntgenstrahlung bzw. zur Aussendung von Auger-Elektronen in Abhängigkeit der Ordnungszahl des Elementes.
Die bei Anregung des Kerns frei werdende Energie kann aber auch als elektromagnetische Strahlung in Form von Gammaquanten gleicher bzw. unterschiedlicher Energie ausgesandt werden (Abb. 2.7).
Abb. 2.7
Innere Konversion
Ein häufig in der nuklearmedizinischen Diagnostik angewandter Gammastrahler ist das 99mTc.
Die physikalische Halbwertszeit
Eine weitere charakteristische Größe einer radioaktiven Substanz ist die sog. physikalische Halbwertszeit. Sie bezeichnet die Zeitspanne, in der die Hälfte der ursprünglich vorhandenen Atome zerfallen ist. Die physikalische Halbwertszeit kann Bruchteile von Sekunden bis Milliarden von Jahren betragen.
Das von Marie Curie entdeckte 210Polonium zerfällt über einen α-Zerfall, also unter Aussendung eines Heliumkerns zu Blei.
Die physikalische HWZ des 210Poloniums beträgt 138,4 Jahre.
In Kürze
2.1.3 Physikalische Wechselwirkungsprozesse elektromagnetischer Strahlung mit Materie
Bernd, 20 Jahre, sieht auf seiner Spur auf der Autobahn A1 vor sich einen liegengebliebenen PKW. Er tritt auf die Bremse und kommt wenige Zentimeter vor dem Hindernis zum Stand. Sein Hintermann ist nicht so reaktionsstark und fährt auf. Bernd wird in den Sicherheitsgurt gedrückt, berührt mit dem Kopf die Frontscheibe und prallt dann hart zurück in den Autositz. Er wird vorsorglich in ein nahegelegenes Krankenhaus gebracht. Ein Arzt mit entsprechender Fachkunde im Strahlenschutz ordnet umgehend eine Computertomographie der Kopf-Hals-Region an. Die MTRA legt Bernd vor Verlassen des Raumes eine Bleischürze um, die er als unbequem empfindet.
Bernd, der noch geschockt vom Unfallereignis ist und die Schürze unbedingt loswerden will, möchte wissen, warum er dieses „Monstrum“ nun tragen muss, obwohl ihm sowieso alles wehtut?
Wechselwirkung von Photonenstrahlung mit Materie
Bei der Wechselwirkung von Photonen mit Materie wird die Strahlungsintensität proportional zur Materialdicke d und dem Schwächungskoeffizienten µ abgeschwächt. Dies wird durch das Lambert-Beersche Gesetz gemäß I(d) = I(0) exp(-µd) beschrieben. Der Schwächunqskoeffizient µ hängt dabei vom Material (genauer gesagt von dessen Kernladungszahl Z) und auch von der Energie E der Photonen ab. Die Schwächung von Strahlung beim Durchgang durch Materie erfolgt durch Absorption (Photoeffekt, Paarbildung) und durch Streuung (Comptoneffekt).
Schwächung = Absorption + Streuung
Die Wechselwirkung, die Photonenstrahlung mit Materie eingeht, lässt sich im Wesentlichen in drei Effekten beschreiben:
Photoeffekt
Trifft Photonenstrahlung auf Materie, so kann die gesamte Energie auf ein Elektron der Atomhülle übertragen werden (Photoabsorption, Abb. 2.8). Das Hüllenelektron wird entweder auf eine Schale höherer Energie angehoben (Anregung) oder aus der Atomhülle herausgeschlagen (Ionisation). Letzteres ereignet sich dann, wenn die Energie des Photons die Bindungsenergie des Elektrons an den Kern übersteigt. Die vorhandene Restenergie gibt es dem durch Photoeffekt herausgelösten Elektron (Photoelektron) als kinetische Energie mit auf den Weg.
Abb. 2.8
Photoeffekt
Je höher die Restenergie ist, desto mehr werden die Photoelektronen in Richtung des primären Strahls emittiert.
Der freie Platz der Atomhülle wird durch ein Elektron aus einer energetisch höheren Schale aufgefüllt, die frei werdende Energie in Form von charakteristischer Röntgenstrahlung abgegeben.
Warum interessiert mich der Photoeffekt?
Der Photoeffekt ist Grundlage der Bildgebung in der diagnostischen Radiologie, die vorwiegend im Energiebereich bis 100 keV arbeitet. Die von der Röntgenröhre ausgesandte Strahlung wird durch verschieden dichte Gewebe, wie z. B. Knochen, Weichteil-, Fett-oder Bindegewebe unterschiedlich geschwächt, sodass das entstehende Strahlenbild entsprechend der Schwächung unterschiedliche Graustufen aufweist.
Der Kontrast wird umso schwächer je energiereicher die Photonenstrahlung ist, weil die Schwächung mit zunehmender Strahlenenergie abnimmt.
Da Hohlorgane und Gefäße sich im nativen Röntgenbild nicht darstellen lassen, appliziert man dem Patienten sog. Kontrastmittel hoher Ordnungszahl (J: Z = 53; Ba Z = 56…), die Röntgenstrahlung stärker absorbieren, als das umliegende Gewebe, und damit Hohlräume sichtbar machen (Kap. 8).
Mit den ungestreut aus dem Körper austretenden Photonen können in der nuklearmedizinischen Diagnostik aussagekräftige szintigrafische Abbildungen gewonnen werden.
Durch Photoeffekt angeregte Elektronen können die Energie wieder abgeben, indem sie auf ihre ursprüngliche Umlaufbahn zurückspringen (Klassische Streuung). Die dabei ausgesandte Photonenstrahlung hat die gleiche Energie und damit auch die gleiche Frequenz, wie die Ausgangsstrahlung. Wenn die Frequenz im Bereich des sichtbaren Lichtes liegt, so bezeichnet man die Abgabe dieser Lichtquanten als Lumineszens. Die Lumineszenz ist Grundlage der sog. Speicherfolientechnik. Diese Technik basiert darauf, dass z. B. Bariumhalogenide über einen Photoeffekt angeregt werden. Unter Einwirkung eines Lasers in der Ausleseeinheit fallen die vorher gehaltenen Elektronen in den Ursprungszustand zurück und die Speicherfolie leuchtet.
Comptonstreuung
Beim sog. Comptoneffekt (Abb. 2.9) gibt das Photon nur einen Teil seiner Energie an das Hüllenelektron einer äußeren Schale ab und wird mit seiner Restenergie in veränderter Richtung gestreut. Sekundärelektronen niederer Energie werden in Seitrichtung emittiert, solche höherer stärker in Vorwärtsrichtung.
Abb. 2.9
Comptoneffekt
Muss ich das wissen? Ja!
Gestreute Photonen führen in der radiologisch, diagnostischen und in der nuklearmedizinischen Aufnahmetechnik zur Bildverschlechterung. Technische Hilfsmittel, wie ein aus Bleilamellen bestehendes Streustrahlenraster in der radiologischen Diagnostik oder der Ausschluss niederenergetischer Streuphotonen durch Legen eines entsprechenden Energiefensters in der Nuklearmedizin, können die Auswirkung der Streueffekte minimieren.
Paarbildung
Bei hohen Photonenenergien ab 1022 keV kommt es zum sog. Paarbildungseffekt (Abb. 2.10). Hier findet die Wechselwirkung nicht in der Hülle, sondern im starken elektrischen Feld des Atomkerns statt. In Kernnähe kann aus dem Photon ein Elektronen-Positronen-Paar, bestehend aus einem negativ geladenen Elektron und einem positiv geladenen Positron, entstehen. Der Atomkern bleibt dabei unverändert. Hier wird also im Gegensatz zur Paarvernichtung (Abschn. 2.1) ein Paar gebildet, das allerdings mit einem Elektron des Absorbers zu zwei Vernichtungsquanten zu je 511 keV zerstrahlt.
Abb. 2.10
Paarbildung
Paarbildung in der täglichen Routine
Die Energieabgabe über den Paarbildungseffekt spielt in der Strahlentherapie bei Anwendung ultraharter Photonen eine wesentliche Rolle.
Sonstige Wechselwirkungsprozesse
Kernphotoeffekt
Wenn die Energie des einfallenden Quants größer ist, als die Bindungsenergie der Nukleonen im Kern (6–20 MeV), kann das Photon absorbiert und ein Neutron oder ein Proton aus dem Kern geschlagen werden (Abb. 2.11). Da das Neutronen-Protonen-Gleichgewicht gestört ist, wird der Atomkern in der Regel radioaktiv.
Abb. 2.11
Kernphotoeffekt
Kern-Fluoreszenz
Wenn die Energie des einfallenden Quants kleiner ist, als die Bindungsenergie der Nukleonen, kann der Kern angeregt werden und durch Emission von Gamma-Strahlung in seinen Grundzustand übergehen.
Wechselwirkung von Teilchenstrahlung mit Materie
Die Wechselwirkung von Teilchenstrahlen und Materie ist abhängig von Masse und Ladung der Teilchen. Die Masse eines Teilchens wird bestimmt von seiner Ruhemasse und von seiner Geschwindigkeit.
Elektrisch negativ geladene Teilchen können ihre Energie an Materie durch Anregung, Ionisation und Erzeugung von Bremsstrahlung abgeben. Elektronen geben proportional zur Dichte der Materie kontinuierlich ihre Energie ab und haben im Gegensatz zu Photonenstrahlung eine endliche Reichweite.
Als Faustregel gilt, die Hälfte der Energie in MeV entspricht der Reichweite der Elektronen in Zentimetern in gewebeäquivalenter Materie (Wasser).
Elektronen werden in der Strahlentherapie oberflächlich gelegener Tumoren eingesetzt. Die Elektronenenergie ist wählbar, sodass Tumorgewebe homogen bestrahlt, und das dahinterliegende gesunde Gewebe optimal geschont werden kann.
Neutronen und Protonen sind für tiefer gelegene Tumoren besonders geeignet. Sie geben ihre Energie bei einer bestimmten Resonanzenergie des Gewebes ab. Liegt ihre Ausgangsenergie über der Resonanzenergie, so dringen sie zunächst unter geringer Energieabgabe ein. Bei Näherung an die Resonanzstelle erhöht sich diese, sodass sich bei entsprechender Ausgangsenergie die tumorzerstörende Konzentration an das krankhafte Gewebe anpassen lässt.
Allerdings ist diese Technik so aufwendig, dass die Protonen- und Neutronentherapie nur an wenigen Zentren angeboten werden.
Die Schwächung ist abhängig von der Dichte der durchstrahlten Materie, je höher die Anzahl der vorhandenen Atome ist desto höher ist auch die Anzahl der Wechselwirkungsprozesse.
Die Wahrscheinlichkeit einer eintretenden Photoabsorption hängt von der Ordnungszahl der durchstrahlten Materie und damit auch von der Anzahl der zur Verfügung stehenden Elektronen ab.
Eine weitere Rolle spielt die Dicke der zu durchdringenden Schicht.
Hochenergetische Strahlung durchdringt Materie ohne wesentliche Photoabsorption.
Die Gonaden sind strahlensensibel und bedürfen bei jungen Menschen eines Strahlenschutzes. Die außerhalb des Nutzstrahlenbündels durch Comptoneffekt entstandene Streustrahlung muss weitestgehend vom Patienten ferngehalten werden.
Eine entsprechende Abschirmung erfolgt durch Materialien hoher Ordnungszahl, wie z. B. metallisches Blei (Z = 82) oder durch in gummiähnlichen Materialien integrierte Bleiverbindungen.
Die Bleischürze wird Bernd also von der MTRA aus Strahlenschutzgründen umgelegt und kann trotz des in dieser Situation unangenehmen Gewichtes nicht entfernt werden.
Wichtige Wechselwirkungsprozesse sind in Tab. 2.1 zu finden.
Tab. 2.1
Wechselwirkungen
Vorgang | Folge/Effekt | |
|---|---|---|
Photoeffekt | Übertragung der Gesamtenergie des Photons auf eine Elektron | Anregung oder Ionisation des Atoms |
Comptoneffekt | Übertragung einer Teilenergie des Photons auf eine Elektron | Ionisation → anschließende Streuung des Photons |
Paarbildung | Im elektrischen Feld des Kerns wird das Photon (Mindestenergie 1022 keV) in ein Elektronen-Positronen-Paar umgewandelt | Positron und Elektron des Absorbers werden vernichtet unter Aussendung zweier Gammaquanten |
2.2 Röntgenstrahlung
T. Hartmann5
(5)
Schule für Gesundheitsberufe, Bereich MTRA, Klinikum Dortmund gGmbH, Dortmund, Deutschland
Röntgenstrahlung zählt wie die Gammastrahlung ebenfalls zu den elektromagnetischen Strahlungsarten wie auch Licht, Radiowellen, Mikrowellen usw. Im Gegensatz zu Schallwellen können sie sich auch im Vakuum ausbreiten und zwar unabhängig von ihrer Frequenz immer mit Lichtgeschwindigkeit.
Im Gegensatz zu z. B. Radiowellen sind Röntgenstrahlen sehr kurzwellig und haben damit eine hohe Frequenz.
Röntgenstrahlen werden in einer Röntgenröhre erzeugt. Diese besteht aus einem evakuierten Glaskolben, in dem sich eine Kathode und eine Anode befinden.
An der Röhre liegen zwei unterschiedliche Spannungsarten an: eine Heizspannung für die Kathode und eine Hochspannung zwischen Kathode und Anode.
Durch die Heizspannung wird durch den thermoelektrischen Effekt zunächst an der Kathode eine Elektronenwolke „ausgedampft“, die dann mithilfe der Hochspannung (20.000 bis 200.000 Volt) auf die Anode beschleunigt wird. Beim Auftreffen der Elektronen auf die Anode werden die Elektronen abrupt abgebremst, und ihre kinetische Energie wird in Röntgenstrahlung, elektromagnetische Wellen und Wärme umgewandelt. Des Weiteren können die Elektronen mit dem Anodenmaterial direkte Wechselwirkungen eingehen.
Je höher die Ordnungszahl des Anodenmaterials und je höher die Hochspannung ist, mit der die Elektronen zur Anode hin beschleunigt werden, umso höher ist die Ausbeute an Röntgenstrahlung.
Die Energie der beschleunigten Elektronen vor dem Aufprall auf die Anode ergibt sich aus:
1.
der Anzahl der Elektronen, die zur Anode beschleunigt werden, also aus der Kathode ausgedampft wurden und
2.
aus der Röhrenspannung, welche die Elektronen zur Anode hin beschleunig.
Die Einheit dieser Energie ist das Elektronenvolt (eV).
Definition
Ein eV ist definiert als die Energie, die ein Elektron aufnimmt, wenn es beim freien Durchlauf einer Spannung von 1 V (ohne Widerstand im Vakuum) beschleunigt wird.
Dabei entstehen zwei Formen der Röntgenstrahlung: Röntgenbremsstrahlung und charakteristische Röntgenstrahlung
Röntgenbremsstrahlung entsteht durch das Abbremsen der Elektronen am Kern, in den sie nicht eindringen können. Dabei lösen manche Elektronen gleich beim Auftreffen der Elektronen auf die Anode Strahlung aus. Andere dringen tiefer in das Elektronenmaterial ein, geben dabei schon einen Teil ihrer Energie ab und erzeugen erst im Anschluss Röntgenstrahlen. Dadurch erzeugen die Elektronen Röntgenstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen. Wie viel Röntgenstrahlung frei wird, hängt davon ab, wie stark das Elektron abgebremst wird. Die sofort entstehende Röntgenbremsstrahlung hat eine kleinere Wellenlänge, als die Strahlung, die durch die zunächst abgebremsten Elektronen entstanden ist.
Das Ergebnis ist ein Konglomerat an Röntgenstrahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge. Fasst man diese alle in einer Grafik zusammen entsteht ein lückenloses, kontinuierliches Röntgenbremsspektrum. Dieses ist unabhängig vom Anodenmaterial.
Für die Praxis ist das entstandene Bremsspektrum dahingehend relevant, dass kurzwellige Strahlung eine größere Durchdringungsfähigkeit besitzt als langwellige.
Je höher die Aufnahmespannung (Hochspannung) am Generator eingestellt ist, umso kurzwelliger, also durchdringungsfähiger ist die Röntgenstrahlung.
Charakteristische Röntgenstrahlung entsteht zusätzlich zur Röntgenbremsstrahlung und ist ein sog. Linienspektrum, welches sich ausschließlich nach dem Anodenmaterial richtet. Es ist also für dieses charakteristisch.
Dieses Linienspektrum entsteht dadurch, dass die auftreffenden Elektronen die Fähigkeit besitzen, aus den Atomen des Anodenmaterials Elektronen der beiden inneren Schalen herauszuschlagen (Ionisation ) bzw. auf eine höhere Schale mit höherem Energieniveau anzuheben (Anregung). Da jedes Atom bestrebt ist, seine Elektronenschalen von innen nach außen zu besetzen, wird die dadurch entstandene Lücke durch ein Elektron einer höheren Schale aufgefüllt. Bei diesem „Sprung“ wird Energie in Form von Röntgenstrahlung frei. Diese ist eindeutig in ihrer Wellenlänge definiert und wird als Linienspektrum dargestellt.
Der gleiche Vorgang kann übrigens auch auf weiter vom Kern entfernte Schalen passieren. In diesem Fall wird allerdings keine Röntgen- sondern Licht- oder Wärmeenergie frei.
Legt man nun das Röntgenbremsspektrum und das Linienspektrum der charakteristischen Strahlung übereinander entsteht das typische Röntgenspektrum mit den beiden „Ohren“. I. d. R. entsteht mehr Brems- als charakteristische Röntgenstrahlung. Der Anteil der charakteristischen Strahlung kann, je nach Anodenmaterial, auf bis zu 30 % erhöht werden. Da die charakteristische Röntgenstrahlung allerdings auch sehr stark zu unerwünschten Wechselwirkungsprozessen führt, wird sie i. d. R. herausgefiltert. Eine gezielte Anwendung dieser Strahlenart findet nur in der Mammographie statt.
In einer Röntgenröhre entstehen nur zu 1–2 % Röntgenstrahlung, der Rest der Energie der beschleunigten Elektronen wird in Wärme umgewandelt.
Gammastrahlen besitzen die gleichen Eigenschaften wie Röntgenstrahlen. Die beiden Arten unterscheiden sich lediglich im Ort ihrer Entstehung und ihrer Energie. Während Röntgenstrahlen in der Atomschale entstehen, entstehen Gammastrahlen durch radioaktive Zerfälle im Atomkern.
Röntgenquanten haben eine Energie von 100 eV bis 200 keV. Bei Gamma-Quanten reicht dieser Bereich von ca. 1 keV bis hin zu mehreren MeV.
Die Röntgenstrahlen gehören, gemeinsam mit α-, β- und γ-strahlen zu den ionisierenden Strahlen. Das bedeutet, dass alle diese Strahlenarten Wechselwirkungen mit Materie eingehen.
Eigenschaften
unsichtbar, geruchlos und geschmacklos
Sie schwärzen photographische Schichten.
Sie breiten sich divergierend wie Licht aus.
Ionisationsfähigkeit, d. h. sie können durch Ausschlagen von Elektronen aus elektrisch neutralen Atomen reaktive Ionen machen mit der Folge biologischer Reaktionen, z. B. Behandlung von Erkrankungen oder Entstehung von Krankheiten
Fluoreszenz, d. h. Sie können bestimmte Stoffe zum Leuchten bringen und ermöglichen die digitale Bildgebung
Sie sind durch magnetische Felder nicht ablenkbar bzw. steuerbar.
2.3 Dosisbegriffe
C. Vockelmann6
(6)
Radiologische Klinik, Christophorus-Kliniken GmbH, Coesfeld, Deutschland
Herr Müller hat ein Plasmozytom, eine Erkrankung, die zu Osteolysen, also Löchern in den Knochen, führt. Im Rahmen der Diagnostik ist eine CT-Untersuchung des gesamten Skeletts erforderlich. Jetzt fragt Herr Müller Sie, ob eine Skelettszintigraphie oder projektionsradiographische Aufnahmen des Skeletts nicht eine geringere Strahlenexposition für Ihn bedeuten würde.
Was antworten Sie dem Patienten? Kann man die Dosiswerte vergleichen?
Wenn man sich mit ionisierender Strahlung beschäftigt, begegnen einem eine Unzahl an Dosisbegriffen, bei denen man schnell den Überblick verlieren kann. Versuchen wir, etwas Ordnung in die vielen Begriffe zu bringen und zu verstehen, wann wir welche Begriffe benötigen.
2.3.1 Kerma = Kinetic energy released in matter
Photonen- und Neutronenstrahlen, also indirekt ionisierenden Strahlen, lösen geladene Teilchen, sog. Sekundärteilchen, aus. Kerma ist also vom bestrahlten Medium abhängig. Die Summe der beim ersten Stoß übertragenen Energie entspricht der Kerma. Kerma wird in Gray (Gy) angegeben. Bei der Dosimetrie in der Medizin entspricht die Kerma in etwa der Energiedosis.
2.3.2 Ionendosis
Die Ionendosis beschreibt die elektrische Ladung der Ionen gleichen Vorzeichens, die durch ionisierende Strahlung in einer bestimmten Masse entstehen. Die Einheit der Ionendosis ist Coulomb pro Kilogramm. Früher wurde die Ionendosis in Röntgen angegeben.
Charles Augustin de Coulomb war ein französischer Physiker des späten 18. Jahrhunderts. Er begründete die Elektrostatik sowie die Magnetostatik.
Stabdosimeter oder Ionisationskammer n messen die Ionendosis.
Ionendosisleistung beschreibt die aufgenommene Ionendosis pro Zeiteinheit.
2.3.3 Energiedosis
Die Energiedosis ist die Basisgröße in der Dosimetrie (Abb. 2.12). Hiermit wird die absorbierte Strahlenenergie in Bezug auf die bestrahlte Masse beschrieben.
Abb. 2.12
Dosisbegriffe
Dosis = absorbierte Energie/Masse
Einheit der Energiedosis ist ebenfalls Gray (Gy). In älteren Büchern wird Ihnen möglicherweise der Begriff Rad (rd) begegnen, der bis 1985 verwendet wurde.
1 rd = 0,001 Gy = 0,001 J * kg-1
Die Energiedosis kann nicht im Körper gemessen werden. Daher wird in einer luftgefüllten Ionisationskammer die Ionendosis gemessen, aus der die Energiedosis für bestimmte Materialen oder den menschlichen Körper berechnet werden kann.
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