Frage 22: Worauf beruhen die therapeutischen Wirkungen des

Frage 22: Worauf beruhen die therapeutischen Wirkungen des elektrischen
Stromes?
Obwohl der elektrische Strom in der Regel auch stark gesundheitsgefährdende
Aspekte beinhaltet (z.B. durch Elektrolyse körpereigener Substanzen, durch
Reizwirkung auf Nerven und Muskeln, sowie durch eine erhöhte Wärmebelastung des Organismus), gibt es wichtige Einsatzmöglichkeiten in der Medizin:
a) Hochfrequenztherapie (die wichtigste Anwendung)
Durch Anlegen von hochfrequentem Wechselstrom erreicht man, daß Strom
durch den Körper fließt. Dies führt zu einer gezielten Erwärmung des
Körperinneren ("Diathermie"). Der Einsatz von Hochfrequenz ist deshalb
erforderlich, da sich bei kleineren Frequenzen das Fettgewebe wesentlich
stärker als das Muskelgewebe (gerade das soll aber erwärmt werden!)
erwärmen würde (Effekte: Erwärmung durch Bewegung der Ionen ⇒ Ionenströme, schnelle Schwingung der Ionen um die Ruhelage bei hohen
Frequenzen. Keine Polarisation der Zellen).
b) Reizwirkung auf Nerven/Muskeln (el. Polarisation der Zelle)
Durch Anlegen eines niederfrequenten Wechselstromes lassen sich einige
therapeutische Anwendungen realisieren, wie z.B. Reizstromtherapie (Stimulation von Muskeln), Herzschrittmacher (Ständige Stimulation des Herzmuskels)und Elektroschock (Defibrillator)
c) Elektrochirurgie (el. Skalpell; endoskopische Chirurgie)
Einsatz hochfrequenter Wechselströme zum Schneiden von Geweben oder
Verschließen von Gefäßen (Große Elektrode/Nadelelektrode), Überhitzung
und Zerstörung von Zellen (Tumor!).
d) Elektroporation
Durch Einwirkung von Stromimpulsen lassen sich kurzzeitig Poren in den
Zellmembranen öffnen, die sich aber wieder von selbst schließen. Dadurch
soll z.B. der Transport bestimmter Pharmaka in die Zelle ermöglicht werden
(was aber noch ziemlich umstritten ist).
Merke: Der menschliche Körper hat von Arm zu Arm etwa einen Widerstand
von 1000 Ω. Da bereits 50 mA tödlich wirken können (bereits 10 mA spürt
man), sind also schon Spannungen von 50 V sehr gefährlich. (vgl. Skript, 7.6.)
22
Frage 23: Was versteht man unter Bandbreite und Grenzfrequenz eines
elektrischen Verstärkers und in welcher Beziehung stehen sie zu einer verzerrungsfreien Signalübertragung (z.B. EKG)?
Ein Verstärker besteht in der Regel aus mehreren Verstärkerstufen (Transistoren), die durch Koppelglieder (RC-Glied) untereinander verbunden sind. Der
Verstärkungsgrad ist stark von der Frequenz abhängig (Bandbreite, Frequenzbereich). Die zu verstärkenden Signale können sinusförmige Wechselspannungen
sein, aber auch kompliziertere Signale, zu denen ein Frequenzspektrum von
Oberwellen gehört, z.B. ein EKG-Signal. Der Verstärkungsgrad wird folgendermaßen definiert:
R-C-Glieder stellen einen sogen. "Hochpass" dar, d.h. niedrige Frequenzen
werden stärker abgeschwächt als höhere Frequenzen.
Dabei beobachtet man die folgende
Frequenz-Abhängigkeit (fU = Untere
U0, A
U0, M
Grenzfrequenz; fO = Obere Grenzfre1
U0, M quenz)
2
Den Frequenzunterschied zwischen fU
und fO bezeichnet man als Bandbreite
des Verstärkers (Bereich gleicher
f
fO
fU
Verstärkung)
Lineare Verzerrung: Veränderte Kurvenform (z.B. Amplituden anders, aber
Signal noch Sinusförmig)
Nichtlineare Verzerrung: Bei zu großer Eingangsspannung erhält man kein
sinusförmiges Signal mehr.
Beim EKG ist der Bereich um ca. 1 Hz wichtig (Herzfrequenz!). Die Oberwellen erstrecken sich aber bis zu 300 Hz. (vgl. Skript, 7.7.)
23
Frage 24: Was ist Kernmagnetismus und wie wird er in der Magnetischen
Resonanz-Tomographie genutzt?
Wie Elektronen besitzen auch die Protonen in den Atomkernen einen Eigendrehimpuls, der als Kernspin I
Im Magnetfeld
bezeichnet wird (h ist das Plancksche Wir- Ohne Magnetfeld
kungsquantum). Dieser Spin bewirkt einen
N
Kreisstrom und damit ein (wenn auch kleines) Magnetfeld ("Elementarmagnetismus") oder, ganz anschaulich gesprochen,
S
die Atome verhalten sich wie kleine Stabmagnete, die man im Magnetfeld ausrich- Regellose Verteilung Gerichtete Verteilung
ten kann. Da Wasser das häufigste Molekül im Gewebe ist und jedes Wassermolekül zwei Protonen trägt, sind die
Kontraste in einem MR-Schnittbild durch die Konzentrationen der H2O-Moleküle an jedem Punkt im Körper bestimmt. Grundsätzlich sind hier 2 Möglichkeiten der Ausrichtung der "Protonen-Magnete" gegeben: Parallel und antiparallel zum Magnetfeld. Aufgrund der Boltzmann-Verteilung resultiert ein
leichter Besetzungsunterschied der beiden Niveaus. Dieser kann durch Energieeinstrahlung mit der Frequenz f gesättigt werden, wobei bei der Resonanzfrequenz Absorption eintritt:
g: gyromagnetisches Verhältnis des Kernes; B0: Äußeres Magnetfeld.
Überlagert man dem B0-Feld ein räumlich unterschiedliches Magnetfeld ("Gradient") so ist an jedem Ort im Körper f verschieden und man kann die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz der H2O-Moleküle vom Ort zur bildlichen
Darstellung des Körpers verwenden (Protonenresonanz). Die Stärke des Signals
an jedem Punkt ist abhängig vom Wassergehalt. Die Signalintensität wird in
einem Schwarz-Weiß-Kontrast des Schnittbildes überführt. Die Methode ist
hochsensitiv auf Veränderungen im wasserreichen Gewebe (z.B. Tumordiagnostik). Es werden hohe B0-Felder benutzt, die mit supraleitenden Magneten
erzeugt werden. (vgl. Skript, 7.8.3.)
24
Frage 25: Wie hängt die Zusammensetzung der Röntgenstrahlung
von den Eigenschaften der Röntgenröhre ab?
Die Erzeugung und Anwendung von Röntgenstrahlen wurde erstmals 1895 von
Conrad Röntgen (in Würzburg) beschrieben. Röntgen wies z.B. Gewehrkugeln
(Blei bzw. Eisen ⇒ hohe Ordnungszahlen) in einem geeigneten "Probanden"
nach. Röntgen ist neben MRT, PET, CT und Ultraschall das wichtigste "bildgebende" Verfahren in der Medizin.
Erzeugung von Röntgenstrahlung:
Anode
Röntgenstrahlen
Elektronenstrahl
Kathode: Negativ geladen
Anode: Positiv geladen
Beschleunigungsspannung
Kathode
Heizspannung
Durch "Abbremsen" der beschleunigten Elektronen (W=eU) an der Anode wird
deren kinetische Energie (W=1/2mv2) in elektromagnetische Strahlung umgewandelt (W=hf).
Die entstehende Strahlung hängt im wesentlichen von 2 Parametern ab:
• Anliegende Heizspannung bzw. Stärke des Elektronenstrahles (Intensität der
Strahlung)
• Anliegende Beschleunigungsspannung (bestimmt die Grenzfrequenz und
somit die Energie der Röntgenstrahlung)
• Ordnungszahl des Anodenmaterials (Intensität der Strahlung)
Neben dieser "kontinuierlichen" Röntgenstrahlung existiert auch ein Röntgenspektrum mit diskreten Linien. Die Lage dieser Linien (z.B. Kα-Linie) hängt
(im Unterschied zur kontinuierlichen Strahlung) ganz entscheidend vom Anodenmaterial ab! (vgl. Skript, 8.1.2.)
25
Frage 26: Was ist und wie erzeugt man harte Röntgenstrahlung?
Je nach Beschleunigungsspannung, mit der die Röntgenröhre betrieben wird,
erhalten die Elektronen eine unterschiedliche kinetische Energie, die durch
folgende Gleichung gegeben ist: W = ½ m v2
W, kinetische Energie [J=Nm]; m, Masse des Elektrons [kg]; v, Geschwindigkeit des Elektrons [m/s]
Die Umsetzung dieser kinetischen Energie in elektromagnetische Strahlung
ergibt folglich auch unterschiedliche Strahlungsenergien bzw. Frequenzen:
e, Elementarladung (1.6×10-19 C bzw. As); h, Plancksches Wirkungsquantum
(6.626×10-34 Js); c, Vakuumlichtgeschwindigkeit (3×108 m/s).
Relativ willkürlich hat man Röntgenstrahlen eingeteilt:
Einteilung
Spannungsbereich
"Weich"
5-60 kV
"Mittelhart"
60-120 kV
"Hart"
120-400 kV
"Sehr hart"
400 kv - 3 MV
"Ultrahart"
> 3 MV
Allerdings findet man oft auch andere Einteilungen für Röntgenstrahlung. Nach
der angegebenen Tabelle müssen die anliegenden Spannungen für "harte"
Röntgenstrahlung zwischen 120 und 400 kV liegen.
Harte Röntgenstrahlung kann wegen der notwendigen hohen Spannungen nicht
mit Röntgenröhren erzeugt werden. Dafür werden Linearbeschleuniger eingesetzt, in denen durch kaskadenartige Beschleuniger Spannungen > 106 V erzeugt
werden.
Wichtig: Im Praktikum wurde bei den beiden Röntgenversuchen mit einer
Beschleunigungsspannung von ca. 25 kV gearbeitet, d.h. mit sehr weicher
Röntgenstrahlung. (vgl. Skript, 8.1.2.)
26
Frage 27: Welche primären Wechselwirkungen treten zwischen
Röntgenstrahlen und Stoffen auf?
Grundsätzlich gehört Röntgenstrahlung zu den ionisierenden Strahlen, d.h. ihre
Energie ist ausreichend, um Elektronen (e-) aus Atomen oder Molekülen herauszulösen. Die wichtigsten biologischen Effekte sind die Bildung freier Elektronen und freier Radikale oder allgemein die Bildung weiterer reaktiver Verbindungen (Sekundäreffekte), wobei es zur Schädigung von biologischen
Makromolekülen und Zellen kommen kann. Erwünscht sind diese Effekte z.B.
bei der Tumortherapie (Onkologie). Wichtige Effekte sind:
1. Elastische Streuung
Wenn die Energie der Röngenstrahlung nicht zur Ionisation ausreicht,
erfolgt nur eine elastische Streuung am Objekt, d.h. die Energie des Röntgenquants bleibt gleich, aber es erfolgt eine Richtungsänderung des Strahles.
2. Photoeffekt
Wenn die zur Ionisierung notwendige Energie überschritten wird, wird das
Röntgenquant mit der Energie hf vollständig absorbiert und ein Elektron
aus der Atomhülle abgelöst. Dabei entsteht ein freies Elektron. Für dessen
kinetische Energie gilt dann (A=Ablösearbeit):
3.
4.
Compton-Effekt
Wird ein Elektron aus einer äußeren Schale des Atoms abgelöst, so entsteht
gleichzeitig noch Streustrahlung mit geringerer Frequenz, d.h. geringerer
Energie.
Paarbildungseffekt
Trifft Röntgenstrahlung sehr hoher Energie (≥ 1.02 MeV) auf einen Atomkern, so tritt Umwandlung in ein Elektron und ein Positron ein. Elektron
und Positron bilden Teilchen und Antiteilchen, d.h. wenn beide aufeinander
treffen, "zerstrahlen" sie und Energie wird frei. (vgl. Skript, 8.2.2.)
27
Frage 28: Von welchen Eigenschaften des Stoffes und der Röntgenstrahlung hängt die Absorption der Röntgenstrahlen ab?
Grundsätzlich gehen hier 4 Faktoren ein, die sowohl die Strahlung (1) wie auch
das Material (2-4) betreffen:
1) Die Wellenlänge der Röntgenstrahlung (~ λ3)
2) Der Extinktions- bzw. Schwächungskoeffizient µ
3) Die Dicke des Absorbers d
4) Die Ordnungszahl des Materials (~ Z2)
Bei gegebener Wellenlänge wird die Intensität I0 beim Passieren eines Absorbers nach folgender Gleichung abnehmen:
Neben der Intensität der Strahlung ist die Halbwertsdicke d1/2 von besonderer
Bedeutung. d1/2 kann graphisch sehr einfach bestimmt werden kann:
I0
I0/2
d1/2
d
In der Regel nimmt dabei die Halbwertsdicke mit abnehmender Wellenlänge zu.
Der Schutz vor Röntgenstrahlen ist am besten durch Wände aus Elementen mit
hohem Schwächungskoeffizienten µ, d.h. großer Dichte und hoher Ordnungszahl (z.B. Blei) gegeben. (vgl. Skript, 8.2.1.)
28
Frage 29: Worauf beruht der Bildkontrast in einer Röntgenaufnahme?
Die Eigenschaft, die Röntgenstrahlen insbesondere in der medizinischen Diagnostik unverzichtbar gemacht haben, beruht darauf, daß die Röntgenstrahlen den
menschlichen Körper durchdringen (ihn "durchleuchten") und man somit ein
Bild vom Körperinneren aufnehmen kann. Obwohl man einem Patienten nicht
zu hohe Strahlendosen zumuten sollte, ist diese Untersuchung routinemäßig
durchführbar und für den Patienten schmerzfrei ("nicht-invasiv").
Grundlage der Röntgendiagnostik ist die sogen. Zentralprojektion:
Ideale
Zentralprojektion
Reale
Zentralprojektion
"Flächige"
Lichtquelle
Punktförmige
Lichtquelle
Halbschatten
Kernschatten
Halbschatten
Objekt
Bild
Da aber zum einen (im Realfall) die Röntgenquelle nicht punktförmig ist und
zum anderen durch die Gesetze der geometrischen Optik hintereinander liegende
Schichten mit unterschiedlicher Vergrößerung abgebildet werden (vgl. Praktikumsversuch "Röntgen I"), können hier größere Probleme auftreten.
Der Bildkontrast einer Röntgenaufnahme ist letztlich durch die Dichte des
untersuchten Objekts, wesentlich jedoch durch die Ordnungszahl der darin
enthaltenen Elemente gegeben: Besonders Knochen, die dichter sind als Weichteile und schwerere Elemente (v.a. Calcium und Phosphor) enthalten, können
von den übrigen Weichteilen gut abgegrenzt werden (vgl. Unterschiede H2O Knochen).
Wichtig: "Schatten" im Röntgenbild sind hell bei Filmaufnahmen, aber dunkel
bei Bildschirmdarstellung. Zur räumlichen Darstellung werden zwei Aufnahmen
benötigt (1 Aufnahme liefert nur eine Ebene!) (vgl. Skript, 8.3.1. und 8.3.2)
29
Frage 30: Vergleichen Sie die Bildentstehung der klassischen Röntgenaufnahme mit der Bilderzeugung bei der modernen Computertomographie!
Bei der Computertomographie (CT) werden bei der Röntgendurchstrahlung
einer Körperschicht die Schwächungswerte kleiner Objektbereiche für Röntgenstrahlung bestimmt. Diesen Werten (Pixeln), die mosaikartig das Röntgenbild
aufbauen (z.B. 512×512 Pixel je Körperschicht) werden dann sekundäre Graustufen zugeordnet. Das Bilderzeugungsverfahren ist grundsätzlich anders als bei
dem der klassischen Röntgendiagnostik. Bei der CT wird der Patient durch
zahlreiche engbegrenzte Röntgenstrahlbündel durchstrahlt, wobei die Ebene
zwar gleich bleibt, aber die Projektionsrichtungen ständig wechseln. Dazu ist es
notwendig den Röntgen-Fächerstrahl um den Patienten zu drehen (vgl. Abbildung) und z.B. alle 0.5° ein Bild aufzunehmen.
Die durch die Absorption im Patienten auftretende Schwächung des Röntgenstrahls kann
dann rechnerisch in die jeweiligen Schwächungskoeffizienten (Voxel) umgerechnet werPatient
den. Dadurch erhält man bei der CT eine sehr
viel bessere Auflösung der Röntgenbilder,
wenngleich die Röntgendosis auch wesentlich
höher ist. (Voxel entsprechen den Volumenelementen, während Pixel den Bildpunkten am
Bildschirm bzw. auf dem Film entsprechen).
Ei entspricht dabei der Extinktion im Voxel und I der Intensität.
Wichtig: Bei "normalem" Röntgen erhält man nur eine Frontalebene; DreiDimensionalität wird durch eine zweite Aufnahme erreicht. Bereits hier - und
nicht erst beim Thema Optik - sollte man die Abbildungsgleichung (d.h. das
Verhältnis von Bildgröße:Gegenstandsgröße entspricht dem Verhältnis von Bildweite:Gegenstandsweite) kennen! (vgl. Skript, 8.3.1. und 8.3.2)
30
Frage 31: Wie kann man radioaktive Strahlung nachweisen?
a) Fluoreszenz
Werden bestimmte chemische Substanzen (z.B. Zinksulfid) von ionisierender
Strahlung getroffen, so kommt es zur Aussendung von Licht (Fluoreszenz). Die
Intensität des Lichtes ist ein direktes Maß für die Radioaktivität und kann über
Sekundärelektronen-Vervielfacher (SEV) sehr sensitiv nachgewiesen werden.
b) Schwärzung von Photoplatten
Die Schwärzung eines Filmes ist die klassische Methode zum qualitativen und
quantitativen Nachweis radioaktiver Strahlung. Eine Quantifizierung ist durch
"Einscannen" der Platten und Bestimmung des Schwärzungsgrades möglich.
c) Ionisationskammer
Wird ein Plattenkondensator, der mit Luft gefüllt ist, mit einer Spannungsquelle verbunden, so bildet die Luft einen großen Widerstand und es kommt zu
keinem Stromfluß. Wird durch radioaktive Bestrahlung aber die Luft ionisiert,
so werden die dabei gebildeten Ionen an den Kondensatorplatten entladen und
es fließt ein Strom. I ist dann proportional zur Intensität der radioaktiven Strahlung (⇒ Die für diese Anwendung wichtigsten Kondensatorgleichungen sollte
man wenigstens einigermaßen beherschen!).
d) Geiger-Müller-Zähler
Hier liegt ein ganz analoges Prinzip zugrunde, allerdings wurde die Methode
verfeinert und empfindlicher. Grundprinzip ist aber wie in (c) die Ionisation
des enthaltenen Füllgases.
e) Szintillationszähler
Hierbei werden durch radioaktive Strahlung in einem Kristall "Lichtblitze"
erzeugt, die dann wiederum Photoelektronen bilden. Diese können dann sehr
selektiv und außerdem sehr empfindlich nachgewiesen werden.
f) Nebelkammer
Radioaktive Strahlen können hier in einer wasserdampfgesättigten Kammer als
Kondensationskeime wirken, d.h. ihre Bahnen können durch Nebelbildung
sichtbar gemacht werden. Dies ist ein mehr qualitativer Nachweis (vgl. Skript,
9.3.1.)
31
Frage 32: Wie kann man sich vor ionisierender Strahlung schützen?
Generell: Zu den ionisierenden Strahlungen gehören UV-, Röntgen,- und radioaktive (α-, β-, und γStrahlung.
Über Sekundärreaktionen führt ionisierende Strahlung zur Bildung von Radikalen, d.h. von Molekülen, die ein ungepaartes Elektron besitzen und somit
..
.
extrem reaktiv sind. Diese Radikale (z.B. O2 , NO oder HO ) greifen in
biochemische Reaktionskaskaden ein und können z.B. die menschliche DNA
verändern, was zur Entstehung von Krebs führen kann. Auf der anderen Seite
sollte man jedoch auch nicht vergessen, daß Radikale auch an vielen wichtigen
Reaktionen, wie z.B. bei der Atmungskette beteiligt sind; d.h. auch positive
Wirkungen besitzen.
Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten sich zu schützen:
a) Verhinderung der ionisierenden Strahlung
Nur schwer zu realisieren (wir sind ständig der kosmischen Strahlung und
innerer Strahlung (radioaktives K+) ausgesetzt), aber beste Möglichkeit!
b) Verminderung der Expositionsdauer
Je kürzer man sich der ionisierenden Strahlung aussetzt, umso geringer fallen
auch die Strahlenschäden aus! Wichtig für medizinische Anwendungen ist die
Minimierung der Strahlung durch immer empfindlichere Detektionsverfahren!
c) Möglichst großer Abstand zur Quelle
Die aufgenommene Strahlendosis sinkt quadratisch mit der Entfernung, d.h.
doppelt so großer Abstand senkt die aufgenommene Strahlenmenge auf ein
Viertel!
d) Möglichst guter Absorber
Je mehr Materie man zwischen sich selbst und die Quelle der radioaktiven
Strahlung bringt, umso geringer ist deren Wirkung. In der Regel gilt hier, je
dichter das Absorbermaterial und vor allem je höher seine Ordnungszahl ist,
desto besser der Schutz, den sie bieten. Blei ist z.B. fast ideal, um sich zu
schützen (vgl. auch Frage 28)! (vgl. Skript, 9.3.3.)
32