Wie Röntgenstrahlung entsteht
Alles beginnt in einer Röntgenröhre. Die Röhre besteht aus zwei Elektroden im Vakuum: der Kathode, der Elektronenquelle, und der Anode, dem Ziel, auf das die Elektronen treffen. Zwischen ihnen liegt eine hohe Spannung an — in der diagnostischen Radiologie typischerweise 20–150 kV.1
Diese Spannung beschleunigt die aus der Kathode austretenden Elektronen zur Anode. Die Elektronen gewinnen eine zur Spannung proportionale kinetische Energie: Ein durch 50 kV beschleunigtes Elektron erreicht 50 keV.1 Treffen sie auf die Anode, wird der größte Teil dieser kinetischen Energie in Wärme umgewandelt; nur ein kleiner Teil wird als Röntgenphotonen abgegeben. Deshalb ist das Management der Anodenwärme in einer Röntgenröhre entscheidend.
Zwei Erzeugungsmechanismen für Röntgenstrahlung
An der Anode erzeugen zwei verschiedene Mechanismen Röntgenstrahlung:
Bremsstrahlung. Ein deutscher Begriff für „Abbremsstrahlung“. Nähert sich ein schnelles Elektron dem Kern eines Anodenatoms, ändert es seine Richtung und wird abgebremst; die verlorene Energie wird als Röntgenstrahl abgegeben.1 Dies bildet ein kontinuierliches Spektrum — den Hauptteil des diagnostischen Strahls.
Charakteristische Strahlung. Ein schnelles Elektron schlägt ein Elektron aus einer inneren Schale eines Anodenatoms heraus. Ein Elektron aus einer äußeren Schale füllt die Lücke, und die Energiedifferenz wird als Röntgenstrahl abgegeben. Ihre Energie ist für das Targetmaterial spezifisch; sie wird nach der aufgefüllten Schale benannt (K, L usw.).1
Wie wirkt Röntgenstrahlung mit Gewebe?
Wenn der aus der Röhre austretende Strahl den Patienten durchquert, treten die Photonen mit dem Gewebe in Wechselwirkung. Im diagnostischen Energiebereich sind zwei Wechselwirkungen wichtig:
Photoeffekt. Das Photon gibt seine gesamte Energie an ein Elektron einer inneren Schale ab und schlägt es heraus, wobei es vollständig absorbiert wird (es bleibt kein Photon übrig). Die Erklärung dieses Effekts brachte Einstein 1921 den Nobelpreis für Physik ein.1
Compton-Streuung. Das Photon stößt mit einem äußeren Elektron zusammen, überträgt einen Teil seiner Energie und setzt seinen Weg in veränderter Richtung fort. Die Compton-Streuung ist im Weichgewebe und über den diagnostischen Energiebereich (oberhalb von etwa 26 keV) die vorherrschende Wechselwirkung.1 Diese gestreuten Photonen mischen sich als Rauschen/Schleier ins Bild und mindern den Kontrast.
Hier entsteht der Kontrast
Die Quelle der Schwarz-Weiß-Unterschiede im Bild sind genau diese Wechselwirkungen — insbesondere der Photoeffekt. Die Wahrscheinlichkeit der photoelektrischen Absorption ist näherungsweise proportional zur dritten Potenz der Ordnungszahl und umgekehrt zur dritten Potenz der Energie (≈ Z³/E³).1
Die praktische Bedeutung ist groß: In der standardmäßigen radiographischen Darstellung absorbieren Strukturen mit hoher Ordnungszahl (Kalzium im Knochen, Jod im Kontrastmittel) die Röntgenstrahlung weit stärker und erscheinen im Bild weiß; Weichgewebe lässt den größten Teil des Strahls durch und erscheint dunkler. In digitalen Systemen können Fensterung und Bildverarbeitung dieses Erscheinungsbild verändern; der zugrunde liegende Kontrastunterschied stammt jedoch aus der unterschiedlichen Schwächung der Gewebe — dieser differenziellen Absorption.1
Schwächung
Wenn ein Röntgenstrahl das Gewebe durchquert, nimmt seine Intensität aufgrund von Wechselwirkungen ab; dies nennt man Schwächung. Die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit pro Dickeneinheit wird durch den linearen Schwächungskoeffizienten ausgedrückt. Im diagnostischen Bereich nimmt dieser Koeffizient mit steigender Energie ab und ist proportional zur Dichte des Materials.1
Ein praktisches Maß für die „Härte“ des Strahls ist die Halbwertschichtdicke (HVL): die Materialdicke, die die Intensität des Strahls halbiert. Je größer die HVL, desto durchdringender (härter) der Strahl. Diese gesamte Kette — Erzeugung, Wechselwirkung, Schwächung — bestimmt letztlich das Muster der am Detektor ankommenden Strahlung, also das Bild.
Quellen
- Bushberg JT, Seibert JA, Leidholdt EM, Boone JM. The Essential Physics of Medical Imaging, 3rd ed. Lippincott Williams & Wilkins, 2011. Karakteristik ışın (s.32), bremsstrahlung (s.37), Compton (s.39), fotoelektrik ∝ Z³/E³ (s.42), X-ışını üretimi/kV (s.167). Atıflardaki sayfa numaraları bu baskıya aittir.