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Was ist Röntgenstrahlung?
Strahlung bedeutet Transport von Energie in Form von Wellen (Photonenstrahlung) oder Teilchen (Korpuskularstrahlung). Röntgenstrahlung ist eine Photonenstrahlung, besteht also aus elektromagnetischen Wellen. Zum Spektrum der elektromagnetischen Wellen gehören nebst der Röntgenstrahlung auch z. B. Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot, sichtbares Licht oder UV-Licht. Der Unterschied besteht in der Wellenlänge (die bei Röntgenstrahlen sehr klein ist) und in der Energie (die bei Röntgenstrahlen sehr gross ist).
Die Röntgenstrahlung ist keine Korpuskularstrahlung, wie sie beim radioaktiven Zerfall von Atomkernen entsteht, also keine α- oder β-Strahlung. γ-Strahlung (eine Photonenstrahlung, die ebenfalls bei radioaktiven Zerfall entsteht) ist kurzwelliger und energiereicher als Röntgenstrahlung.
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Wie entsteht Röntgenstrahlung?
Eine Röntgenröhre besteht aus einem hochevakuierten Glaskolben, in dem sich eine Kathode und eine Anode befindet. Die Kathode, ein Wolframdraht, wird durch einen Heizstrom so hoch erhitzt, dass sie Elektronen aussendet. Diese Elektronen werden durch Anlegen einer Hochspannung zur Anode hin beschleunigt und in den oberflächlichen Schichten des Anodenmaterials (meist Wolfram) abgebremst. Der Grossteil der Elektronenenergie (ca. 99%) wird dadurch in Wärme umgewandelt. Nur ein kleiner Teil der Elektronen durchläuft das elektrische Feld eines Anoden-Atomkerns und wird durch die elektrische Anziehungskraft des Kerns aus der ursprünglichen Bewegungsrichtung abgelenkt. Diese Ablenkung ist mit einem Energieverlust des Elektrons verbunden, der in Form von Photonenstrahlung, der Röntgenstrahlung, abgegeben wird. Diese Photonenstrahlung durchdringt in der Folge das zu untersuchende Organ des Patienten und trifft anschliessend auf den Röntgenfilm oder die digitale Detektorplatte, wo das Röntgenbild erzeugt wird.
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Sind Röntgenstrahlen schädlich?
Durch ihre hohe Energie gelten Röntgenstrahlen, im Gegensatz zu den elektromagnetischen Wellen von Licht oder Mikrowellen, als ionisierend. Das bedeutet, dass sie in der Lage sind, Elektronen aus Atomhüllen zu entfernen und somit geladene Teilchen, Ionen, zu erzeugen. Findet diese Ionisation im Körper statt, kann es über chemische und biochemische Reaktionen zu molekularen Veränderungen von Nukleinsäuren (DNA), Proteinen oder Enzymen kommen. Dies wiederum hat zelluläre Veränderungen zur Folge, die Schäden im bestrahlten Individuum (Körperzellen) oder Schäden bei den Nachkommen (Keimzellen) verursachen können.
Schäden der DNA treten in unseren Körperzellen auch spontan auf: innerhalb einer Minute entstehen in einer Zelle spontan ungefähr gleich viele Schäden wie bei einer Strahlendosis von 10 mSv (mSv = Millisievert, Einheit der Strahlendosis). Unsere Körperzellen verfügen über ein ausgezeichnetes Reparatursystem, um diese DNA-Schäden zu beheben.
Eine durch ionisierende Strahlung geschädigte Zelle kann in Abhängigkeit von der erhaltenen Strahlendosis drei Wege gehen:
1. Reparatur der DNA-Schäden
2. Zellveränderungen (niedrige Dosen, stochastischer Schaden)
3. Zelltod (hohe Dosen, deterministischer Schaden)
Für das Auftreten von deterministischen Schäden ist eine Schwellendosis von 100 mSv nötig. Die darüber hinaus gehende Dosis bestimmt den Schweregrad des Schadens. Beispiele deterministischer Schäden sind Hautrötung, Haarausfall oder Sterilität.
Für das Auftreten von stochastischen Schäden gibt es keine Schwellendosis. Die Höhe der Dosis bestimmt die Wahrscheinlichkeit eines Schadens.
Das Risiko, durch Röntgenstrahlung eine Krebserkrankung hervorzurufen, ist nur sehr schwierig abschätzbar, da auch spontane DNA-Veränderungen und weitere Karzinogene (natürliche, chemische, virale etc.) Krebs auslösen können. In grossen epidemiologischen Studien, denen die Atombombenabwürfe in Hiroshima und Nagasaki zugrunde liegen, hat man das theoretische Risiko, an einer strahleninduzierten Krebserkrankung zu sterben, auf 5% pro Sv geschätzt. Exemplarisch bedeutet dies, dass bei einem Röntgenbild der Lunge (Dosis 80 µSv = 0,08 mSv) statistisch mit 4 Krebstodesfällen pro Million Untersuchungen gerechnet werden müsste. Bei einer CT des Bauchraumes (Strahlendosis ca. 10 mSv) muss man auf 2000 Personen 1 zusätzliche tödliche Krebserkrankung erwarten. Diese Tumoren entstehen erst nach einer langen Latenzzeit von 10-15 Jahren (Leukämien) bzw. 30-40 Jahren (solide Tumoren).
Diesen Zahlen muss man entgegensetzen, dass das natürliche Krebstodesfallrisiko 20% beträgt. Durch die oben genannte Röntgenaufnahme der Lunge erhöht sich dieses Risiko somit von 200‘000 pro Million auf 200‘004 pro Million – eine Zunahme von 0,002%.
Man darf auch nicht vergessen, dass diese Zahlen rein statistischer Natur sind und von höheren auf kleine Strahlendosen umgerechnet worden sind. Die gesicherte Nachweisgrenze für die Strahleninduktion von Krebs liegt bei 200 mSv (darunter kann man eine Zunahme von Krebserkrankungen nicht mehr von der spontanen Häufigkeit unterscheiden). Die Dosis einer Röntgenaufnahme der Lunge liegt somit etwa einen Faktor 2500 unter der Nachweisgrenze für strahleninduzierten Krebs.
Möchte man das durch eine Lungenaufnahme erhöhte Krebstodesfallrisiko (4 pro Million) mit anderen Situationen vergleichen, so entspricht dies
– dem Rauchen von 2 Zigaretten,
– einer Autofahrt von 100 km,
– 3 Stunden Arbeit im Kohlebergwerk,
– 8 Tagen Fabrikarbeit oder
– 20 Minuten lang 60 Jahre alt zu sein.
Natürlich muss vor jeder Röntgenuntersuchung die Indikation, d. h. die Notwendigkeit, genau überprüft werden. In der Regel übersteigt der Nutzen, der durch die Erkenntnisse der Untersuchung gewonnen werden kann, das Risiko der Strahlenbelastung bei Weitem.
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Wie hoch ist die Strahlendosis bei einer Röntgen- oder CT-Untersuchung?
Um die Grössenverhältnisse von Dosiswerten einschätzen zu können, ist es wichtig, einige Vergleichswerte zu kennen, z. B. die Dosis der Strahlenbelastung, der wir natürlicherweise täglich ausgesetzt sind. Natürliche Strahlenquellen umfassen v. a. Radon und Folgeprodukte, die z. B. im Granitgestein der Alpen vorkommen, aber auch die Inkorporation von Radionukliden in Nahrungsmitteln (z. B. Milch, Pilze), die Inhalation von Radon mit der Atemluft oder die kosmische Strahlung (Sonne, Milchstrassensystem). Insgesamt sind diese natürlichen Strahlenquellen für eine durchschnittliche Strahlenbelastung von ca. 3 mSv pro Jahr (mSv = Millisievert, Einheit der Strahlendosis) verantwortlich. Dazu kommen künstliche Strahlenquellen aus Medizin, Industrie und Auswirkungen des Reaktorunfalls von Tschernobyl, die 1 mSv pro Jahr zur Strahlenbelastung beitragen.
Neben der natürlichen Strahlenbelastung können als Vergleichswerte auch andere Strahlendosen, denen wir ausgesetzt sind, beigezogen werden: Z. B. ergibt ein Langstreckenflug (Transatlantikflug in 10‘000 m Höhe) durch die verstärkte kosmische Strahlung eine zusätzliche Belastung von 0,05 mSv oder das Rauchen von 20 Zigaretten pro Tag durch die Inhalation von Radionukliden im Tabak eine zusätzliche Belastung von 0,1 mSv in drei Tagen (oder ca. 10 mSv in einem Jahr).
Nun aber zu den Strahlendosen, die für diagnostische Untersuchungen ermittelt worden sind. Es handelt sich hierbei um statistische Mittelwerte einiger häufiger Untersuchungen:
Die Strahlendosis bei einer Röntgenuntersuchung der Lunge beträgt 0,07 mSv, diejenige des Bauchraumes 0,5 mSv. Gleich hoch ist der Wert bei einer Mammographie (4 Bilder). Das Röntgenbild der lumbalen Wirbelsäule verursacht eine Dosis von 0,7 mSv. Die Dosis bei Untersuchungen der Extremitäten ist mit max. 0,1 mSv meist deutlich kleiner.
Die Strahlendosis bei CT-Untersuchungen ist wesentlich höher und beträgt bei einer Untersuchung des Schädels 2 mSv, des Brustraumes 5-7 mSv, des Bauchraumes 8-11 mSv und bis zu 40 mSv, wenn mehrere Kontrastmittelphasen abgebildet werden müssen. Die Computertomographie macht zwar nur ca. 6% der radiologischen Untersuchungen aus, durch die hohen Dosiswerte ist sie aber für 60% der gesamten durch radiologische Untersuchungen abgegebene Strahlenbelastung verantwortlich.
Anlässlich einer Studie des Inselspitals Bern (2010), die die Reduktion der Strahlendosis bei CT-Untersuchungen zum Ziel hatte, konnten wir als teilnehmendes Institut sehr gute Resultate erzielen und unsere verabreichte Strahlendosis markant reduzieren. Nähere Informationen dazu finden Sie hier.
Die MR-Tomographie (MRI) und die Sonographie (Ultraschall) sind bildgebende Verfahren, die ohne Röntgenstrahlung auskommen.
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