Ein Atom besteht aus einem Atomkern und einer Atomhülle.
Der Atomkern besteht aus positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen.
Die Atomhülle besteht aus negativ geladenen Elektronen.
Erkläre das Prinzip des Bohr-Atommodells.
Antwort
In dem Modell wird der positiv geladene Atomkern von negativ geladenen Elektronen in geschlossenen Bahnen umkreist. Auf den Bahnen bzw. Schalen ist die Anzahl von Elektronen begrenzt. Die Elektronen verschiedener Schalen unterscheiden sich in ihren Bindungsenergien voneinander.
Wie wird ein Element im Periodensystem gekennzeichnet und geordnet?
Ein Element X wird mit einer Ordnungszahl Z und einer Massenzahl A gekennzeichnet.
Die Ordnungszahl Z gibt die Anzahl von Protonen an.
Die Massenzahl A gibt die Anzahl von Protonen und Neutronen an.
Insgesamt werden die Elemente nach steigender Ordnungszahl im Periodensystem geordnet.
Frage 4
Was ist ein Isotop?
Isotope eines Elements haben dieselbe Ordnungszahl (gleiche Anzahl an Protonen), aber eine unterschiedliche Massenzahl (unterschiedliche Anzahl an Neutronen).
Isotope werden z.B. in der Nuklearmedizin als Radionuklid für Radiopharmaka in der Positionen-Emissions-Tomographie (PET) eingesetzt. Das am häufigsten verwendete Radionuklid ist das radioaktive Isotop 18F von Fluor, welches an Fluordesoxyglucose (FDG) gebunden und dann als Tracer verwendet wird.
Frage 5
Nenne die Ordnungszahlen von Calcium, Jod und Blei.
Die Ordnungszahl von Calcium ist 20, von Jod 53 und von Blei 82.
Das ist deshalb wichtig zu wissen, da diese Elemente häufig in der Radiologie vorkommen bzw. eingesetzt werden. Aufgrund der hohen Ordnungszahl besitzen diese Elemente eine hohe Absorptionsfähigkeit für Röntgenstrahlung (bedingt durch den Photoeffekt). Daher erscheint Knochen (überwiegend Calcium-haltig) und jodhaltiges Kontrastmittel im Röntgen/CT-Bild weiß/hell. Mithilfe von Blei wird Röntgenstrahlung nahezu vollständig abgeschirmt, weshalb Blei für den Strahlenschutz eingesetzt wird.
Frage 6
Was versteht man unter der Ionisation eines Atoms?
Bei der Ionisation wird ein Elektron vollständig aus dem Atom entfernt.
Durch Zufuhr von Energie (z.B. eines beschleunigten Elektrons oder von ionisierender Strahlung) wird ein Elektron einer inneren Schale des Atoms herausgelöst und vollständig aus dem Atom entfernt. Die Lücke wird durch ein Elektron einer weiter außen gelegenen Schale wieder aufgefüllt. Dabei wird die Energiedifferenz freigesetzt. Den gesamten Vorgang bezeichnet man als Ionisation.
Falls Du es genauer wissen willst, kannst Du Dir das Video "Was war nochmal Ionisation?" anschauen - vielleicht kannst Du es Dir dann auch besser merken.
Frage 7
Was versteht man unter der Anregung eines Atoms?
Bei der Anregung wird ein Elektron durch Zuführung von Energie auf eine höher gelegene Schale des Atoms verschoben.
Die zugeführte Energie reicht nicht aus, um das innere Schalen-Elektron vollständig herauszulösen, sondern dieses wird auf eine äußere Schale angehoben. Beim Zurückwechseln auf die innere Schale wird ebenfalls Energie freigesetzt (überwiegend Wärme). Diesen Vorgang bezeichnet man als Anregung.
Frage 8
Woraus bestehen Röntgenstrahlen?
Röntgenstrahlen bestehen aus Photonen.
Frage 9
Welche Eigenschaften besitzen Photonen?
Photonen sind energiereich und bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit. Sie besitzen keine Masse und keine Ladung.
Photonen sind winzige Energiepakete ohne Masse, ohne Ladung und bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit.
Der deutsche Physiker Wilhelm Conrad Röntgen entdeckte 1895 die „X-Strahlen“ – die nach ihm benannten Röntgenstrahlen. 1901 erhielt er dafür den allerersten Nobelpreis für Physik.
Frage 10
Was sind Röntgenstrahlen?
Röntgenstrahlen sind energiereiche, elektromagnetische Wellen, die ionisierende Wirkung besitzen.
Sie sind Teil des elektromagnetischen Spektrums und liegen zwischen den Energiebereichen von UV-Strahlung und Gammastrahlung.
Alle Bereiche des elektromagnetischen Spektrums sind Photonenstrahlung!
Sie unterscheiden sich durch die Energie der Photonen. Die Energie wiederum ist abhängig von der Wellenlänge und Frequenz. Falls Du es genauer wissen willst, kannst Du Dir das Video "Was ist eigentlich Röntgenstrahlung?" anschauen.
Frage 11
Erkläre den Unterschied zwischen ionisierender und nicht-ionisierender Strahlung.
Ionisierende Strahlung ist in der Lage, ein Elektron vollständig aus dem Atom zu entfernen. Die Energie, die es dafür braucht, beträgt ca. 5 Elektronenvolt (eV). Strahlung, die eine Energie von über 5 eV besitzt, ist demnach ionisierend. Zurück bleibt ein positiv geladenes Atom (Ion).
Zu der ionisierenden Strahlung gehören z.B. die Röntgenstrahlung und die Gammastrahlung.
Nicht-ionisierende Strahlung besitzt eine Energie unter 5 eV wie z.B. sichtbares Licht und Radiowellen; Letztgenannte finden Anwendung in der MRT.
Ionisierende Strahlung wird im Röntgen und in der Computertomographie verwendet.
Nicht-ionisierende Strahlung wird in der Magnetresonanztomographie verwendet.
Die Hochfrequenzimpulse in der MRT sind Radiowellen und liegen im Bereich von 64 bis 700 MHz.
Frage 12
Welche weiteren ionisierenden Strahlenarten, die für medizinische Anwendungen verwendet werden, kennst Du?
Es gibt drei primäre Strahlungsarten: Alpha-(α), Beta-(β) und Gamma-(γ) Strahlung.
Sie entstehen, wenn instabile Atomkerne spontan ionisierende Strahlung aussenden, um in einen (präferierten) stabilen Zustand zu gelangen. Dabei werden entweder Teilchen (α, β) oder Photonen (γ) ausgesandt.
Frage 13
Erläutere die drei Strahlenarten kurz.
- Bei Alpha-Strahlung wird Energie frei unter Abgabe eines Alpha-Teilchens (Helium-Kern).
- Bei Beta-Strahlung wird Energie frei unter Abgabe eines Beta-Teilchens (ein Elektron oder ein Positron).
- Gammastrahlung ist elektromagnetische Strahlung (im Energiespektrum oberhalb von Röntgenstrahlung) und entsteht durch Umwandlungsprozesse im Atomkern; Gammastrahlung ist meist Folge von vorausgegangenem Alpha- oder Beta-Zerfall.
Die Abfolge der griechischen Buchstaben im Alphabet (α, β, γ) entspricht auch ihrer Abfolge bezüglich ihres Durchdringungsvermögens.
Alpha-Strahlung besitzt nur einige cm Reichweite in Luft und kann z.B. durch Papier abgeschirmt werden.
Beta-Strahlung besitzt mehrere m Reichweite und kann z.B. durch Aluminium abgeschirmt werden.
Gamma-Strahlung besitzt mehrere 100 m Reichweite und kann z.B. durch Beton oder Blei abgeschirmt werden.
Beispiele für medizinische Anwendungen:
Alpha-Strahlung: Behandlung von Skelettmetastasen beim Prostatakarzinom
Injektion von Radium-223-dichlorid (Alpha-Strahler mit einer Halbwertzeit von 11,4 Tagen). Das Molekül wird wie Calcium im Knochen eingebaut; in Gewebe mit erhöhtem Stoffwechsel wie bei Metastasen wird es vermehrt eingebaut und kann dort die Metastasen von innen bestrahlen.
Beta-Strahlung: Behandlung von Lebermetastasen oder hepatozellulärem Karzinom mittels selektiver interner Radiotherapie (SIRT)
Injektion von Yttrium-90 (Beta-Strahler mit einer Halbwertzeit von 64,1 Stunden) über einen Katheter, der über die Leiste in die A. hepatica geführt wird. Die injizierten Kügelchen (Mikrosphären) mit dem Beta-Strahler gelangen zur Tumormasse, verstopfen die arterielle Blutzufuhr und der Tumor wird effektiv von innen mit einer hohen lokalen Strahlenwirkung bestrahlt.
Gamma-Strahlung: Nuklearmedizinische Diagnostik
Ein radioaktives Nuklid (z.B. das Technetium-Isotop 99mTc), welches Gammastrahlen aussendet, wird an ein Molekül (Tracer) gebunden und Patient*innen intravenös verabreicht. Der Tracer wird verstoffwechselt und kann dann mit einer Gammakamera visualisiert werden. Damit lassen sich Stoffwechselprozesse im Körper der Patient*innen darstellen (Szintigraphie, Single-Photon-Emissionscomputertomographie (SPECT)).
Frage 14
Erkläre den Unterschied zwischen direkt ionisierender und indirekt ionisierender Strahlung.
Direkt ionisierende Strahlung entsteht durch Stoßionisation geladener Teilchen (korpuskuläre Strahlung). Alpha- und Beta-Strahlung gehören zu den direkt ionisierenden Strahlungen und finden vor allem Anwendung in der Strahlentherapie.
Indirekt ionisierende Strahlung ist die Photonenstrahlung (Röntgenstrahlung, Gammastrahlung). Die Ionisation erfolgt über Bildung eines geladenen Sekundärteilchens.
Frage 15
Wie entsteht Röntgenstrahlung?
Zur Erzeugung von Röntgenstrahlung braucht man eine Röntgenröhre mit einer negativ geladenen Kathode und einer positiv geladenen Anode.
1. Die Kathode wird durch einen Röhrenstrom (mA) – wie eine Glühbirne – erhitzt. Dadurch werden Elektronen freigesetzt.
2. Anschließend wird eine Röhrenspannung (kV) angelegt. Die Elektronen werden so von der negativ geladenen Kathode in Richtung der positiv geladenen Anode beschleunigt.
3. Bei Auftreffen der Elektronen auf dem Anodenmaterial entsteht 1% Röntgenstrahlung und 99% Wärme.
Die 1% Röntgenstrahlung besteht genauer gesagt aus:
- ca. 80% Bremsstrahlung (durch Abbremsen der Elektronen an der Anode) und
- ca. 20% charakteristischer Strahlung (Ionisation von Atomen im Anodenmaterial).
1. An der Anode entsteht vor allem Wärme (99%) und nur 1% Röntgenstrahlung!
2. Die Röntgenstrahlung setzt sich zusammen aus Bremsstrahlung (bedingt durch Abbremsen der Elektronen an der Anode) und aus der charakteristischen Strahlung (bedingt durch Ionisation von Atomen im Anodenmaterial).
Frage 16
Wie wirkt sich die Erhöhung des Röhrenstroms (mA) auf die erzeugte Strahlung aus?
Durch Erhöhung des Röhrenstroms (mA) erhöht sich die Anzahl der frei gesetzten Elektronen und damit die Anzahl an erzeugten Röntgenphotonen (= Strahlenquantität).
Erhöhung der mA ➝ Erhöhung der Anzahl freigesetzter Elektronen ➝ Erhöhung der Anzahl von erzeugten Röntgenphotonen (= Strahlenquantität)
Frage 17
Wie wirkt sich die Erhöhung der Röhrenspannung (kV) auf die erzeugte Strahlung aus?
Durch die Erhöhung der Röhrenspannung (kV) erhöht sich die Energie der beschleunigten Elektronen und damit die Energie der erzeugten Röntgenstrahlung (= Strahlenqualität, „harte Strahlung“).
Erhöhung des kVp ➝ Erhöhung der maximalen Energie der Elektronen ➝ relative Erhöhung der Energie der erzeugten Röntgenstrahlung (= Strahlenqualität)
Das Röntgenspektrum wird zum Hauptteil durch die Bremsstrahlung (80%) gebildet und zum geringen Anteil (20%) durch die charakteristische Strahlung.
Die Kurve der Bremsstrahlung erstreckt sich über einen großen Bereich von Energien, die von der Röhrenspannung (kV) vorgegeben werden.
Die charakteristische Strahlung überlagert das Bremsstrahlenspektrum als Linienspektrum mit spezifischen Energien („Spikes“).
Frage 19
Erkläre kurz den Vorgang wie Bremsstrahlung entsteht.
Das Elektron, welches auf das Anodenmaterial trifft, interagiert mit dem elektrischen Feld des gesamten Atoms und wird dadurch verlangsamt und abgelenkt. Dabei wird überschüssige Energie in Form eines Röntgenphotons bzw. Bremsstrahlung freigesetzt.
Frage 20
Wovon ist die Energie der Bremsstrahlung abhängig?
Die Energie der Bremsstrahlung ist abhängig von der Röhrenspannung.
Anders formuliert ist die Energie des freigesetzten Röntgenphotons abhängig von der Energie des eintreffenden Elektrons und damit von der Röhrenspannung (kV).
Neben der Röhrenspannung ist die Energie eines Bremsstrahlungs-Photons auch abhängig davon, wie nah das Elektron am Atomkern des Anodenmaterials vorbeikommt. Je näher das eintreffende Elektron am Atomkern vorbeikommt, desto mehr Energie in Form eines Röntgenphotons wird frei.
Frage 21
Erkläre kurz den Vorgang wie charakteristische Strahlung entsteht.
Das Elektron, welches auf das Anodenmaterial trifft, kollidiert mit einem Elektron auf der inneren Schale. Dabei wird ein Elektron herausgelöst (= Ionisation). Die entstandene Lücke wird durch ein anderes Elektron einer weiter außen gelegenen Schale wieder aufgefüllt. Die überschüssige Energie, die durch die Differenz der Energien der inneren und äußeren Schale entsteht, wird als charakteristisches Röntgenphoton bzw. charakteristische Strahlung nach außen abgegeben.
Bei der charakteristischen Strahlung wechselwirkt das Elektron mit dem inneren Hüllenelektron, bei der Bremsstrahlung interagiert das Elektron mit dem gesamten Atom.
Die erzeugten Röntgenphotonen haben spezifische und berechenbare Energien, daher der Begriff „charakteristisch“. Die Energie berechnet sich wie oben beschrieben aus der Differenz der Bindungsenergien der jeweiligen Elektronenschalen. Für die Bildgebung sind am wichtigsten die Übergänge der L- und K-Schale – diese machen den höchsten Peak aus und bestehen z.B. bei Wolfram (Material der Anode) bei 59,3 keV.
Frage 22
Wovon ist die Energie der charakteristischen Strahlung abhängig?
Die Energie der charakteristischen Strahlung ist abhängig vom Anodenmaterial bzw. dessen Ordnungszahl.
Frage 23
Welche sind die drei wichtigsten Wechselwirkungseffekte von Röntgenstrahlung mit Materie?
Der Photoeffekt, der Compton-Effekt und die kohärente Streuung.
Daneben gibt es der Vollständigkeit halber noch eine vierte Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit Materie: die Paarbildung. Diese tritt erst bei sehr hohen Strahlenenergien (ab ca. 1000 MeV) auf und ist daher für die Röntgendiagnostik nicht relevant. Anwendung findet sie in der Strahlentherapie und PET-Bildgebung.
Von den drei oben genannten Wechselwirkungseffekten spielen der Photoeffekt und der Compton-Effekt die maßgebliche Rolle in der Röntgendiagnostik.
Frage 24
Von welchen Faktoren sind die Wechselwirkungseffekte abhängig?
Die Wechselwirkungseffekte sind abhängig von der:
- Dicke des Materials
- Dichte des Materials
- Ordnungszahl des Materials
- Strahlenenergie (kV)
Die Wechselwirkungseffekte führen zu einer Schwächung der applizierten Röntgenstrahlung in der exponierten Materie. „Schwächung“ ist definiert als Reduktion der Intensität des Röntgenstrahls durch Absorption und Streuung in Materie.
Je größer die Dicke, je höher die Dichte und je höher die Ordnungszahl des durchstrahlten Materials ist, desto stärker werden die Röntgenstrahlen abgeschwächt. Je höher die Energie der Strahlen, desto geringer werden die Röntgenstrahlen abgeschwächt.
Frage 25
Was ist die kohärente Streuung?
Bei der kohärenten Streuung tritt ein Röntgenphoton in die Materie ein und wird als gestreutes Photon in eine andere Richtung aus dem Atom ausgestoßen. Die Energie des Photons bleibt dabei identisch und es findet keine Ionisation statt.
Die kohärente Streuung hat keinen Einfluss auf die Dosis der Patient*innen oder der umstehenden Personen. Sie hat einen geringen Einfluss auf die Bildqualität mit geringer Reduzierung des Kontrasts.
Die kohärente Streuung ist die unwahrscheinlichste aller Wechselwirkungen. Die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten ist am größten bei sehr niedrigeren Photonenenergien – wie bei der Mammographie.
Frage 26
Was genau ist der Compton-Effekt?
Bei dem Compton-Effekt (auch "inkohärente Streuung" genannt) tritt ein Röntgenphoton in das Atom ein und interagiert mit einem Elektron der äußeren Hülle des Atoms. Dabei verlässt das Elektron das Atom (= Ionisation) und die übrige Photonenenergie wird in alle Richtungen gestreut.
Der Compton-Effekt ist maßgeblich für die Streustrahlung in der Röntgendiagnostik verantwortlich. Er wirkt sich negativ auf Bildkontrast und Strahlendosis von Patient*innen und Personal aus.
Der Compton-Effekt ist hauptverantwortlich für die Streustrahlung und reduziert den Bildkontrast.
Das Elektron, welches aus dem Atom herausgelöst wird, kann in Patient*innen Zellen und Gewebe schädigen (Stichwort freies Radikal). Die erfolgte Ionisation beim Compton-Effekt ist ein wesentlicher Unterscheidungspunkt gegenüber der kohärenten Streuung.
Darüber hinaus erfolgt die Streuung der Photonenenergie beim Compton-Effekt in alle Richtungen; bei der kohärenten Streuung ist sie dagegen nur nach vorne gerichtet.
Wichtig zu verstehen:
Je dicker und je dichter das Material, desto größer ist der Compton-Effekt. Das ist der Hauptgrund dafür, warum dickere Patient*innen mehr Streustrahlung produzieren und der Bildkontrast geringer ist.
Die Ordnungszahl hat keinen Einfluss auf den Compton-Effekt.
Je höher die Strahlenenergie, desto größer ist der Compton-Effekt – daraus abgeleitet ist der Satz „kV macht grau“.
Frage 27
Was genau ist der Photoeffekt?
Beim Photoeffekt tritt ein Röntgenphoton in das Atom ein und wird vollständig von einem inneren Hüllenelektron absorbiert. Das Hüllenelektron wird aus dem Atom herausgelöst (= Ionisation) und ein anderes Elektron von einer außen gelegenen Schale füllt die Lücke wieder auf. Dabei entsteht ein charakteristisches Röntgenphoton.
Der Photoeffekt ist (verglichen mit dem Compton-Effekt) am stärksten ausgeprägt bei niedrigen Strahlenenergien.
1. Der Photoeffekt ist hauptverantwortlich für die Patientendosis und den (guten) Bildkontrast.
2. Der Photoeffekt ist abhängig von der Ordnungszahl und der Strahlenenergie.
Bei Materialien mit niedriger Ordnungszahl dominiert eine alternative Interaktion, die Bildung eines Auger Elektrons. Die Energie, die beim Auffüllen der inneren Schale durch ein außen gelegenes Hüllenelektron entsteht, wird nicht als charakteristisches Röntgenphoton abgestrahlt, sondern geht auf ein weiteres äußeres Elektron über, das dann emittiert wird.
Die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten des Photoeffekts ist direkt proportional zur dritten Potenz der Ordnungszahl des durchstrahlten Gewebes. Je größer die Ordnungszahl, desto größer der Photoeffekt.
Der Photoeffekt ist maßgeblich verantwortlich für die Patientendosis; zum einen durch das freie, herausgelöste Elektron (Stichwort freies Radikal) und zum anderen durch die vollständig absorbierte Photonenenergie, die zu einer Schädigung von Zellen und Gewebe führen kann.
Durch den Photoeffekt entsteht keine Streustrahlung, somit hat er keine Auswirkung auf umstehende Personen.
Der Photoeffekt ist für den Bildkontrast verantwortlich („ohne Photoeffekt kein Bild“).
Frage 28
Was ist weiche Strahlung, was ist harte Strahlung? Nenne Beispiele für die Anwendungen in der Röntgendiagnostik.
Weiche und harte Strahlung unterscheiden sich durch die Verwendung unterschiedlich hoher Röhrenspannungen.
In der Weichstrahltechnik wird eine Röhrenspannung von unter 100 kV verwendet. Diese ist energiearm und der Photoeffekt überwiegt. Je energieärmer, desto mehr ist die Absorption von der Ordnungszahl des durchstrahlten Gewebes abhängig. Weicheilstrahltechnik wird daher beispielsweise zur Diagnostik von Knochen (Röntgen-Hemithorax) verwendet.
In der Hartstrahltechnik wird eine Röhrenspannung von über 100 kV verwendet. Diese ist energiereich und der Compton-Effekt überwiegt. Je energiereicher, desto mehr ist die Absorption von der Dichte des durchstrahlten Gewebes abhängig (hohe Knochentransparenz). Hartstrahltechnik wird beispielsweise beim Röntgen-Thorax verwendet.
Bei der Weichstrahltechnik überwiegt der Photoeffekt, bei der Hartstrahltechnik überwiegt der Compton-Effekt.
Die Aufnahme des Röntgen-Thorax hat im Vergleich zum Röntgen-Hemithorax eine geringere Strahlendosis. Der weiche Anteil der Strahlung kann vermindert werden, da er in den oberen Hautschichten absorbiert wird und somit nicht zur Bildqualität beiträgt.
Neben Knochenaufnahmen sind Mammographie-Aufnahmen ein weiteres Beispiel für die Verwendung von Weichstrahltechnik. Bei bereits energiearmer Röhrenspannung von 25-35 kV kann ein sehr guter Weichteilkontrast erzielt werden, da keine störenden Knochenstrukturen vorliegen. Der Mikrokalk ist dabei besonders gut abgrenzbar, da Calcium eine hohe Ordnungszahl besitzt.
Frage 29
Erkläre die biologische Wirkung von Röntgenstrahlung.
Röntgenstrahlung wird von der Materie absorbiert und wirkt auf die Körperzellen direkt oder indirekt (über Bildung von freien Radikalen, die dann weiter reagieren).
Strahlenempfindlich sind insbesondere Zellen, die sich schneller teilen (z.B. Schleimhaut, Knochenmark).
Dabei kann es zu Schädigungen der DNA (z.B. Einzelstrangbruch, Doppelstrangbruch, Basenschaden) oder der Proteinsynthese kommen, die zum Zelltod führen können. Werden die Schäden der DNA fehlerhaft repariert, kommt es zu Mutationen. Diese können auf verschiedenen Ebenen wirksam sein (Genmutation, Chromosomenmutation, Genommutation) und letztendlich zu einer Entartung von somatischen Zellen (z.B. Krebs, Leukämie) oder Keimzellen (genetisch bedingte Erkrankungen) führen.
Nach Entdeckung der „X-Strahlen“ durch Wilhelm Conrad Röntgen im Jahr 1895 erfolgte der Umgang mit der „neuen“ Strahlung zunächst sehr leichtfertig. Die Radiologen waren die ersten Strahlenopfer und erlitten schwere Hauterkrankungen oder Amputationen und verstarben letztendlich an den Krebserkrankungen als Folge der Strahlenexposition. Im Laufe des 20. Jahrhunderts nahm das Bewusstsein für die Gefahren der Strahlung zu. Nach und nach wurden Schutzmaßnahmen eingeführt (z.B. Bleischürzen in 1920) und die ersten internationalen Strahlenschutzvorschriften formuliert (1928 durch die International Commission on Radiological Protection (ICRP)).
Frage 30
Was für Strahlenschäden kennst Du? Was sind die Unterschiede?
Man unterscheidet zwischen deterministischen und stochastischen Strahlenschäden.
Deterministische Strahlenschäden besitzen eine Schwellendosis; nimmt die Dosis zu, steigt auch die Ausprägung des Strahlenschadens. Meist treten deterministische Strahlenschäden akut innerhalb von Wochen nach Exposition auf (z.B. Hautrötung, Haarausfall, Knochenmarkstörungen).
Stochastische Strahlenschäden besitzen keine Schwellendosis. Sie treten zufällig auf; jedoch steigt die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines Strahlenschadens mit zunehmender Dosis. Meist treten stochastische Strahlenschäden nach einer längeren Latenzzeit nach Strahlenexposition auf (z.B. Krebs, Leukämie).
1. Deterministische Strahlenschäden besitzen eine Schwellendosis und treten häufig innerhalb von Tagen oder Wochen auf (z.B. Erythem der Haut).
2. Stochastische Strahlenschäden besitzen keine Schwellendosis und treten zufällig auf (z.B. Krebs).
Erwähnenswert ist, dass der Strahlen-induzierte Katarakt nach neuesten wissenschaftlichen Erkenntnissen nicht mehr den deterministischen Strahlenschäden zugeordnet wird. Das bedeutet, dass auch bei geringer Organdosis der Augenlinse ein Strahlen-induzierter Katarakt auftreten kann, sodass insbesondere bei Schädel CT-Untersuchungen darauf geachtet werden sollte, dass die Augenlinse außerhalb des Strahlungsfeldes liegt. Dies gelingt z.B. mit der Gantry-Kippung oder mit einer entsprechenden Kopflagerung der Patient*innen („Kinn zur Brust“).
Aktuell wird der Strahlen-induzierte Katarakt den stochastischen Strahlenschäden zugeordnet. Der Grenzwert der Augenlinse für beruflich Strahlen-exponierte Personen wurde auf 20 mSv/Jahr gesenkt (nach § 78 Strahlenschutzgesetz, vormals 150 mSv/Jahr).
Frage 31
Welche beiden verschiedenen Strahlungsquellen kennst Du, die für die Strahlenbelastung der Bevölkerung bedeutsam sind? Wie hoch ist jeweils die mittlere effektive Dosis pro Jahr?
Man unterscheidet die natürliche und die zivilisatorische Strahlenbelastung.
Die mittlere effektive Dosis der natürlichen Strahlenbelastung liegt bei ca. 2,1 mSv im Jahr.
Die mittlere effektive Dosis der zivilisatorischen Strahlenbelastung liegt bei ca. 1,8 mSv im Jahr.
Die mittlere effektive Dosis der natürlichen und der zivilisatorischen Strahlenbelastung ist jeweils ca. 2 mSv im Jahr – das entspricht ungefähr der Dosis einer Schädel-CT Untersuchung.
Frage 32
Was umfasst die natürliche Strahlenbelastung?
Die natürliche Strahlenbelastung umfasst folgende Quellen:
- Kosmische Strahlung aus dem Weltall
- Terrestrische Strahlung aus dem Boden (z.B. Uran im Gestein oder Radon im Boden)
- Nahrung (z.B. Kalium in Bananen)
Die natürliche Strahlung durch das Radionuklid Radon macht ca. die Hälfte des Gesamtanteils aus.
Wegen der kosmischen Strahlung zählt das fliegende Personal zu den Berufsgruppen mit der höchsten mittleren Strahlenexposition.
Frage 33
Wie ordnest Du z.B. einen Interkontinentalflug (Frankfurt - New York) im Vergleich zur Strahlenbelastung einer Röntgen-Thorax Untersuchung ein?
Ein Flug (Hin- und Rückflug) von Frankfurt nach New York hat eine durchschnittliche effektive Dosis von ca. 0,1 mSv. Damit besitzt der Flug aufgrund der kosmischen Strahlung eine höhere Dosis als eine Röntgen Thorax Untersuchung mit einer effektiven Dosis von ca. 0,04 mSv.
Das Ausmaß der Strahlenbelastung beim Fliegen hängt vor allem von der Flugdauer, der Flughöhe, der Flugroute und der Sonnenaktivität ab.
Frage 34
Was sind die Hauptanwendungen, die für die zivilisatorische Strahlenbelastung in Deutschland verantwortlich sind?
Die hauptursächliche zivilisatorische Strahlenbelastung wird durch die Anwendung radioaktiver Stoffe und ionisierender Strahlung in der Medizin, insbesondere in der Röntgendiagnostik hervorgerufen.
Den höchsten Anteil der medizinischen Strahlenexposition haben die Computertomographie und Angiographie/Interventionen.
Der Beitrag der Strahlenexposition durch Kernkraftwerke (z.B. durch Atombomben-Fallout, Tschernobyl) und sonstige kerntechnische Anlagen zur mittleren effektiven Dosis der Bevölkerung liegt unter einem Prozent der zivilisatorischen Strahlenexposition [Bundesamt für Strahlenschutz].
Den höchsten Anteil an der medizinischen Strahlenexposition hat wie oben beschrieben die Computertomographie. Dies liegt in der stetigen Zunahme der CT-Untersuchungen in den letzten Jahrzehnten (zwischen 2007 und 2016 Zunahme um ca. 45 Prozent).
CT-Untersuchungen tragen nur ca. 9% zur Gesamthäufigkeit bei, der Anteil an der kollektiven effektiven Dosis betrug im Jahr 2016 jedoch 67% [Bundesamt für Strahlenschutz].
Dies liegt unter anderem an der zunehmenden Verwendung von modernen Scannern, welche leistungsfähiger sind und sich technisch immer weiterentwickeln (u.a. Einführen der Spiral-Technik, Bolus-Tracking mit multiplen Kontrastmittelphasen).
Darüber hinaus wurden auch neue Untersuchungsmodalitäten wie das Kardio-CT erschlossen.
Den prozentualen Anteil der verschiedenen Untersuchungsarten an der Gesamthäufigkeit (links) und an der kollektiven effektiven Dosis (rechts) für das Jahr 2016 findest Du hier [Bundesamt für Strahlenschutz].
Frage 35
Erkläre kurz die wichtigsten Dosisbegriffe in der Röntgenstrahlung:
Was ist die Energiedosis?
Die Energiedosis D ist der Quotient aus der mittleren Energie, die durch ionisierende Strahlung auf ein Medium an ein Massenelement übertragen wird. Die Einheit ist Gray.
Energiedosis D = aufgenommene Energie/Masse [Gray, Gy]
Frage 36
Was ist die Äquivalentdosis?
Die Äquivalentdosis H entspricht der Energiedosis D multipliziert mit einem Strahlungswichtungsfaktor (wR). Dabei wird die biologische Wirksamkeit der Strahlungsart berücksichtigt. Die Einheit ist Sievert.
Äquivalentdosis H = Energiedosis D * wR [Sievert, Sv]
Der Strahlungswichtungsfaktor von Röntgenstrahlung ist 1 und von Alpha-Strahlung 20. Damit ist Alpha-Strahlung biologisch wirksamer.
Frage 37
Was ist die Organdosis?
Die Organdosis entspricht der Äquivalentdosis bezogen auf ein Organ.
Organdosis HT = mittlere an Organ übertragene Energie/Masse des Organs * wR [Sievert, Sv]
Frage 38
Was ist die effektive Dosis?
Die effektive Dosis E entspricht der Summe aller Organdosen (HT) multipliziert mit einem Gewebewichtungsfaktor (wT). Dabei wird die Strahlenempfindlichkeit der unterschiedlichen Gewebe berücksichtigt. Die Einheit ist Sievert.
Effekte Dosis E = ∑ HT * wT [Sievert, Sv]
Die strahlenempfindlichsten Gewebe sind Keimdrüsen, Knochenmark, Dickdarm, Lunge, Magen und Brust. Das Gehirn ist dagegen weniger strahlenempfindlich.
Frage 39
Erkläre den Begriff Dosis-Flächen-Produkt aus der Röntgendiagnostik.
Das Dosis-Flächen-Produkt berechnet sich aus der Multiplikation der Nutzstrahlenfläche und der Dosis, die von der Messkammer am Strahlenaustrittsfenster gemessen wird. Die Einheit ist cGycm2.
Die diagnostischen Referenzwerte, die vom Bundesamt für Strahlenschutz definiert werden, werden in Form von Dosis-Flächen-Produktwerten für röntgenologische Anwendungen veröffentlicht.
Der Vorteil an der Dosisgröße ist, dass sie unabhängig vom Abstand ist. Mit zunehmendem Abstand nimmt die Fläche quadratisch zu, während die Dosis quadratisch abnimmt (Abstandquadratgesetz). Somit heben sich bei dem Produkt aus Fläche und Dosis diese Effekte gegeneinander auf.
Frage 40
Was bezeichnet die Einfalldosis?
Die Einfalldosis ist die Dosis am Ort des Strahleintritts in die Patient*innen ohne Rückstreubeträge aus den Patient*innen.
Die Einfalldosis kann mithilfe der Messkammer am Strahlenaustrittsfenster mit einer Formel abgeschätzt werden.
Frage 41
Was bezeichnet die Oberflächendosis?
Die Oberflächendosis ist die Energiedosis (inklusive Rückstreuung) in einem bestimmten Abstand von der Strahlenquelle auf der Oberfläche des bestrahlten Körpers. Die Werte werden an der Hautoberfläche mittels Ionisationskammer gemessen.
Die Oberflächendosis umfasst auch die Rückstreuung aus den Patient*innen, die Einfalldosis nicht.
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