Bildgebende Verfahren

Die Röntgendiagnostik ist ein in der Medizin fest verankertes Verfahren, um innere Organe und das Skelett bildlich darzustellen. Grundlage dieses Verfahrens ist der Einsatz von Röntgenstrahlen. Dabei handelt es sich um elektromagnetische Wellen, deren Wellenlänge zwischen der Ultraviolett- und Gammastrahlung eingeordnet werden und die aufgrund ihrer Fähigkeit, Elektronen aus Atomen herauszuschleudern, zur ionisierenden Strahlung gehören. Die Röntgenstrahlung wurden 1895 von Wilhelm Conrad Röntgen im Physikalischen Institut der Universität Würzburg entdeckt und nach ihm benannt. Aufgrund der ionisierenden und somit potentiell zellschädigenden Wirkung von Röntgenstrahlung, muss eine rechtfertigende Indikation, also ein höheres Nutzen als Risiko dieser Untersuchung, vorliegen. Vor allem bei Kindern und Schwangeren sollte eine Röntgenuntersuchung, wenn möglich, vermieden werden.

Um Röntgenstrahlung gezielt für die medizinische Diagnostik einsetzen zu können, wird diese in einer sogenannten Röntgenröhre erzeugt. Durch eine hohe Heizspannung an der Kathode (Minuspol) werden negativ geladene Elektronen aus dem Kathodenmaterial, meist Wolfram, herausgelöst. Durch die starke Spannung zwischen der Kathode (Minuspol) und der Anode (Pluspol) werden die Elektronen stark in Richtung Anode (Pluspol) beschleunigt. Treffen die Elektronen nun auf die Anode (Pluspol) auf, werden diese stark abgebremst, wodurch Energie, die sogenannte Bremsstrahlung, freigesetzt und in Form von Röntgenstrahlen abgegeben wird. Treffen die Röntgenstrahlen auf Gewebe, so werden diese abhängig von der Gewebeart unterschiedlich strakt absorbiert, also aufgenommen. Bei einem klassischen Röntgengerät befindet sich gegenüber der Röntgenröhre ein Röntgenfilm, der bei Auftreffen von Röntgenstrahlen geschwärt wird. Zwischen Röntgenröhre und –film wird das zu untersuchende Körperteil des Patienten positioniert. Je nachdem, wie viel Strahlung durch das Körpergewebe absorbiert wurde, ist der Film mehr oder weniger stark geschwärzt. Man erhält somit ein Negativbild des untersuchten Gewebes. So werden beispielsweise Knochen, die viel Röntgenstrahlung absorbieren, heller dargestellt, als Weichteilgewebe, das weniger Strahlung aufnimmt. Da das Röntgenbild nur eine zweidimensionale Aufnahme ist, werden die untersuchten Organe überlappt dargestellt. Um eine Aussage über die genaue Lage einer möglichen Auffälligkeit machen zu können, werden Röntgenbilder deshalb in der Regel in mindestens zwei Ebenen aufgenommen.

Bei einem klassischen Röntgenbild wird das zu untersuchende Körperteil einmal kurz mit Röntgenstrahlen bestrahlt und das entstandene Röntgenbild stellt lediglich eine Momentaufnahme da. In der modernen Durchleuchtung wird das Röntgenbild nicht auf einem Röntgenfilm sondern auf einem Detektor digital erzeugt. Hierbei ist es möglich, die Röntgenstrahlung länger aufrecht zu erhalten und somit auch bewegte Röntgenbilder aufzunehmen. Außerdem werden hier starkabsorbierende Körperteile schwarz dargestellt, sprich es ist keine Negativ- sondern eine Positivdarstellung. Dieses Verfahren kommt beispielsweise bei einer Angiographie, also einer Darstellung von Blutgefäßen, oder auch während einer Operation zur korrekten Positionierung von Implantaten zum Einsatz.

Das Röntgen kommt häufig zur Untersuchung von knöchernen Strukturen oder als Diagnoseeinstieg zum Einsatz.

Bei einer Computertomographie werden innere Organe ebenfalls durch den Einsatz von Röntgenstrahlung dargestellt. Allerdings handelt es sich nicht wie beim Röntgen um eine zweidimensionale Aufnahme, sondern es werden Schnittbilder des Körpers erzeugt. Um einzelne Schnittbilder des Körpers aufnehmen zu können, rotiert die Gantry, ein großer Ring, der die Röntgenröhre und gegenüberliegend den Detektor beinhaltet, sehr schnell um den Patienten während der Patient immer weiter durch das CT-Gerät geschoben wird. Bei jeder Rotation werden Röntgenaufnahmen aus jedem Blickwinkel um den Patienten herum aufgenommen und somit eine Schnittbild wie eine „Scheibe“ erstellt. Daraufhin wird die Liege, auf der der Patient liegt, wenige Millimeter weiter geschoben, sodass nun die nächste „Scheibe“ aufgenommen werden kann. Zu Beginn der Computertomographie waren die „Scheiben“ noch sehr dick und zwischen den einzelnen „Scheiben“ befanden sich noch Gewebeschichten, die nicht mit aufgenommen wurde. Seit der Entwicklung des ersten CT-Geräts 1972, dessen Tischposition noch fest war, gab es ständig Weiterentwicklungen, sodass die „Scheiben“ immer dünner wurden und auch eine durchgängige Aufnahme möglich wurde, um auch kleinste Auffälligkeiten erkennen zu können. Auch können mittlerweile mehrere Schichten pro Rotation aufgenommen werden und zusätzlich durch den Einsatz mehrerer Röntgenröhren kann die Untersuchungszeit weiter verringert werden, sodass ein Ganzkörperscan innerhalb von wenigen Sekunden durchgeführt werden kann. Weiteres Ziel neuer Entwicklungen ist es, die Strahlendosis weiter zu verringern.

Mithilfe der Computertomographie lassen sich Knochen, aber auch innere Organe im Querschnitt gut darstellen. Vor allem die sehr kurze Untersuchungszeit bietet in der Traumatologie die Möglichkeit, schnell einen Überblick über innere Verletzungen und Blutungen zu gewinnen.

Durch Computerberechnungen ist es ebenfalls möglich, aus den zweidimensionalen Schichtbildern dreidimensionale Simulationen des Körpers zu berechnen, um so Organe, Knochen oder stark verzweigte Tumore besser veranschaulichen zu können.

Im Gegensatz zum Röntgen und CT ist für eine Magnetresonanztomographie keine Röntgenstrahlung oder andere ionisierende Strahlung nötig, sondern es werden Schnittbilder mit Hilfe eines starken Magnetfeldes und Radiowellen erzeugt. Bislang konnten keine langfristigen Folgeschäden benannt werden, weshalb das MRT ein schonendes Untersuchungsverfahren darstellt. Nachteile stellen nur die relativ lange Untersuchungsdauer von ca. 15 bis 30 Minuten und die Geräuschbildung da. Zusätzlich muss vor der Untersuchung sichergestellt werden, dass der Patient keine ferromagnetischen Metalle im oder am Körper, zum Beispiel in Form von Implantaten, hat.

Grundlage der Kernspinntomographie, wie das MRT auch genannt wird, ist, wie der Name schon sagt, der Kernspinn. Also die Eigenschaft von Protonen, beispielsweise eines Wasserstoffprotons, sich um seine eigene Achse zu drehen und somit ein eigenes kleines Magnetfeld zu erzeugen. In ihrem Naturzustand sind die Protonen einzelner Wasserstoffatome ungeordnet. Befinden sich diese jedoch in einem starken Magnetfeld, wie es in einem MRT erzeugt wird, so richten sie sich entweder parallel oder antiparallel, vergleichbar mit einer Kompassnadel, aus. Dieser Vorgang wird Präzession genannt. Die Frequenz mit der die Atomkerne um die Magnetlängsachse präzedieren nennt sich Lamor-Frequenz und befindet sich im Bereich der Radiofrequenz. Durch einen Hochfrequenzimpuls, der der Lamor-Frequenz entsprechen muss, werden die Wasserstoffatome angeregt, wodurch alle gleich ausgerichtet und somit „in Phase“ gebracht werden. Wird der Hochfrequenzimpuls abgeschaltet, verfallen die Wasserstoffatome wieder in ihren vorherigen Zustand, sie relaxieren.

Es gibt zwei Formen von Relaxation die gleichzeitig aber unabhängig voneinander ablaufen. Die T1-Relaxation beschreibt die Zunahme des Längsvektors, also die Zeit bis ca. 63% der Protonen wieder entlang der Längsachse ausgerichtet sind. Die T2-Relaxation hingegen beschreibt die Abnahme des Quervektors, also die Zeit bis nur noch ca. 37% der Protonen entlang der Querachse ausgerichtet sind.

Der Spin und somit auch die Relaxationszeiten einzelner Wasserstoffprotonen hängen davon ab, in welchen Bindungen, also auch in welcher Gewebe- oder Flüssigkeitsart sie sich befinden. Einzelne Gewebearten haben unterschiedliche T1- und T2-Zeiten und können so als unterschiedliche Bildkontraste dargestellt werden. In einer T1-gewichteten MRT-Aufnahme werden Flüssigkeiten dunkel und Fette oder hohe Proteingehalte hell dargestellt. In einer T2-gewichteten Aufnahme hingegen sind Flüssigkeiten hell und Fette dunkel. Mithilfe dieser unterschiedlichen Darstellungen können die Einstellungen an das Diagnoseziel oder zu untersuchende Gewebe angepasst werden.

Das MRT eignet sich besonders zur Darstellung von Weichteilgewebe oder Nervenfasern. Strukturen mit einem geringen Wassergehalt, wie Knochen, oder Luftreiche Gewebe, wie die Lunge, lassen sich hingegen nicht gut darstellen.