Laubenberger

2
Grundlagen
Strahlen sind scharf gebündelte Teilchen- oder Energieströme. Strahlung
ist die Gesamtheit der aus einer Quelle austretenden Strahlen. Strahlen,
deren Energie so groß ist, daß sie beim Durchtritt durch Materie Atome
ionisieren können, nennt man ionisierende Strahlen . Es gibt direkt ionisierende und indirekt ionisierende Strahlung.
Direkt ionisierende Strahlung besteht aus elektrisch geladenen Teilen, Elektronen, Protonen, Deuteronen und Alphateilchen. Sie rufen Ionisation unmittelbar durch Stoß hervor. Indirekt ionisierende Strahlung
wird von elektrisch neutralen Teilchen hervorgerufen, von Photonen.
Photonen sind Energiepakete, Quanten genannt. Sie besitzen weder
Masse noch Ladung, und sie breiten sich in einer transversalen Wellenbewegung aus. Daraus ergibt sich, daß sie keine unmittelbare Stoßionisation bewirken können .
Maßeinheit der Energie: Das Elektronenvolt (eV) ist die Maßeinheit
für die Energie der Atom-, Kern- und Elementarteilchen. Ein Elektronenvolt entspricht der kinetischen Energie eines Elektrons mit der Ladung 1,
das sich bei einer Potentialdifferenz von 1 Volt im Vakuum bewegt.
Das Spektrum der Photonenstrahlung (elektromagnetischen Strahlung) . Das Spektrum der Photonenstrahlung erstreckt sich über einen
großen Bereich von Quantenenergien: von den energiearmen Radiowellen über Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett, energiereiche Röntgenund Gammastrahlen bis zur kosmischen Strahlung.
Die Photonenflußdichte einer Strahlung entspricht der Photonenzahl,
die pro Zeiteinheit (s) eine definierte Fläche (m 2) durchdringt.
Gemeinsame Eigenschaften der Photonenstrahlung:
• Der Transport der Strahlung geschieht in Form von Quanten.
• Die Strahlung breitet sich geradlinig aus:
• Die Strahlung breitet sich von der Quelle als Bündel aus, im freien
Raum gilt für sie das Abstandsquadratgesetz (s. Kap . 4.14).
• Die Strahlung bewegt sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit fort,
3 · 1QKmJs.
32
•
•
2 Grundlagen
Die Energieflußdichte der Strahlung wird in Materie verringert
(Schwächung).
Die Strahlung wird von elektrischen oder magnetischen Feldern nicht
beeinflußt.
Fiir die Erklärung der Wirkungen der Bildentstehung durch die Röntgenstrahlung stehen zwei Modelle zur Verfügung:
• das Strahlenmodell,
• das QuantenmodelL
Das Strahlenmodell wurde zu Gunsten des Quantenmodells verlassen.
2.1
Elemente und Atome
Elemente lassen sich nicht mehr in weitere stoffliche Bestandteile zerlegen. Atome sind die kleinsten Teile eines Elementes, die noch dessen
Eigenschaften besitzen und chemisch nicht weiter zerlegt werden können, ohne diese zu verlieren.
Das Atom besteht aus einer Vielzahl von Elementarteilchen: Elektronen, Positronen, Neutrinos, Mesinos und vielen kleineren Komponenten.
Die Elementarteilchen unterscheiden sich durch die Eigenschaften der
Ruh emasse, der elektrischen Ladung, des Eigendrehimp ulses (Spin) und
durch die unterschiedliche mittlere Lebensdauer.
Ein Teil der Elementarteilchen, die Nukleonen , befindet sich im Kern.
Nukleone. bestehen aus Protonen, dem positiv geladenen Zustand des
Kerns, und aus Neutronen. Sie entsprechen seinem elektrisch neutralen
Zustand. Die Masse eines Nukleons beträgt das 1840fache der Elektronenmasse.
Der Durchmesser des Atomkerns beträgt 10-14 m, und der Abstand des
positiven geladenen Kerns von der Elektronenhülle ist verhältnismäßig
groß. Die Hülle besteht aus mehreren den Kern umgebenden Schalen, die
mit Elektron en besetzt sind. Atomkern und Hülle weisen einen Gesamtdurchmesser von 10·1r' m auf.
Die Zahl der Protonen entspricht der Kernladungszahl oder Ordnungszahl Z. Ein chemisches Element ist durch die Zahl der Protonen
definiert.
Die Elektronen sind negativ geladene Elementarteilchen. Sie bewegen
sich in definierten Bahnen um den Atomkern.
2.1 Elemente und Atome
33
Beim elektrisch neutralen Atom entspricht die Elektronenzahl der
Hülle der Zahl der positiv geladenen Protonen im Kern. Da sich die negative Ladung der Elektronen und die positive der Protonen entsprechen,
heben sich ihre Ladungen auf, das Atom wirkt sich nach außen elektrisch
neutral aus. Im Gegensatz dazu sind Ionen positiv oder negativ geladene
Atome, deren Protonen- und Elektronenzahlen nicht identisch sind.
Die Massenzahl gibt die Summe der Protonen und Neutronen im
Atomkern an, die Anzahl der Nukleonen. Atome einer bestimmten Protonen-, aber nicht identischen Neutronenzahl im Kern, werden als Isotope des betreffenden Elementes oder Nuklids bezeichnet.
Das Bohr-Atommodell ermöglicht eine bildhafte Vorstellung des Aufbaus
der Elektronenumlaufbahnen, der Elektronenhülle. Die Elektronen
umlaufen den Kern in einem Schalenmuster, jede Schale besitzt ein
bestimmtes geometrisches Muster. Die Schalen haben einen definierten
Abstand zum Kern und eine Maximalzahl an Elektronen. Die Schalen
werden in der Reihenfolge von innen nach außen alphabetisch mit Großbuchstaben bezeichnet. Die Schalenelektronen sind mit einer jeweils
typischen Bindungsenergie an den Atomkern gebunden. Die innerste
Schale ist die K-Schale, sie weist den kleinsten energetischen Zustand
auf.
Die Bindungsenergie (Potentialdifferenz) der Elektronen in Schalenposition ist bei den Elementen unterschiedlich, sie steigt mit zunehmender
Ordnungszahl der Elemente.
M-Schale
Abbildung 2-1:
Schematische Darstellung des Bohr-Atommodells
34
2 Grundlagen
2.2
Ionisation und Anregung
Gelangt Energie durch Strahlung oder durch freie Elektronen in das
System der Atomhülle, kann es zu Wechselwirkungen mit den gebundenen Elektronen oder mit dem elektrischen Feld des Atomkerns kommen.
Am Atom tritt Anregung auf, wenn ein gebundenes Hüllenelektron aus
seinem Grundzustand (mit niedriger Energie) einen Zustand höherer
potentieller Energie erreicht, indem es seinen Standort verläßt und einen
freien Platz einer kernferneren Schale besetzt, aber im Atomverbund
bleibt. Zustände der Anregung können hervorgerufen werden durch:
• die Absorption eines Photons mit passender Energie;
• einen unelastischen Zusammenstoß mit einem schnellen, d.h. energiereichen Elektron.
• den Zusammenstoß eines Atoms im Grundzustand mit einem angeregten Atom. Dabei wird die Anregungsenergie von einem Atom auf
das andere übertragen.
Da nach dem Energieminimierungsgesetz jedes physikalische System
ein möglichst kleines Energieniveau zum Ziel hat, strebt ein angeregtes
Elektron seine Ausgangsposition in der energieärmeren Schale wieder
an. Die zur Anregung aufgewendete Energie wird wieder freigegeben.
Dies geschieht meist in Form von Quantenstrahlung, zum Beispiel durch
Lichtausstrahlung.
Zur Ionisation eines Atoms kommt es, wenn einem Schalenelektron
Energie zugeführt wird und dieses sich ganz aus der Kernbindung löst.
Die kann erfolgen durch:
• Stoßionisation. Ein geladenes Teilchen (Elektron, Proton usw.), das
genügend kinetische Energie besitzt, stößt mit einem Atom zusammen.
• Photoionisation. Sie erfolgt durch Absorption eines Photons, dessen
Energie größer ist als die Bindungsenergie eines der Hüllenelektronen.
2.3 Energ ieübertragungen durch Elektronen
35
2.3
Energieübertragungen durch Elektronen - Erzeugung von
Röntgenstrahlung
Röntgenstrahlen werden mit Röntgenröhren erzeugt; energiereiche
(freie) Elektronen prallen auf Anoden auf. Die Atome des Schwermetalls
der Anoden dienen als Target (Zielscheibe). Dabei treten charakteristische Röntgenstrahlung und Bremsstrahlen auf.
Abbildung 2-2:
Vereinfachte schematische Darstellung der Erzeugung von Röntgenstrahlung . Aus der Kathode treten Elektronen aus und prallen mit hoher Geschwindigkeit auf die Anode, dabei entstehen Röntgenstrahlen .
2.3.1
Charakteristische Röntgenstrahlung (Abb. 2-3)
Am Metall der Anode werden die schnellen und freien Elektronen abgebremst und dringen von außen in das System der in der Atomhülle
gebundenen Elektronen ein. Die freien Elektronen treten in Wechselwirkun sowohl mit den Hüllenelektronen als auch mit dem elektrischen
36
2 Grundlagen
Feld des Atomkerns. Im ersten Falle wird dem Hüllenelektron durch
einen Stoß Energie übertragen, und es nimmt einen Platz auf einer kernferneren Schale {Anregung) ein , oder die Energieübertragung ist größer
als die Bindungsenergie und es tritt Ionisation ein, das Hüllenelektron
verläßt den Atomverband.
Mlmax. 18 Elektronen)
herausgeschossenes
K· lektron
Kathoden-
Eiekiro;-
Eigenstrahlung Kß
Abbildung 2-3:
Schematisches Modell der Entstehung der charakteristischen Röntgenstrahlung. Ein Kathodenelektron schleudert aus einem Anodenatom ei n Elektron aus der K-Schale. Der freiwerdende Platz wird entweder durch ein Elektron der äußeren Schale oder durch ein Elektron der
darüber liegenden Scha le besetzt. Bei den Elektronensprüngen auf Schalen niedrig erer Ener·
gieniveaus werden Röntgenphotonen bestimmter Energiebeträge frei .
In beiden Fällen entsteht ein freier Platz auf den Ausgangsschalen der
Hüllenelektronen, die von Elektr onen der kernferneren Schalen mit
höherem Energiepotential besetzt werden. Dabei verringert sich die
potentielle Energie der jeweiligen Elektronen. Die Differenz der Energiezustände geben die Atome als elektromagnetische Schwingungen ab.
Jedes Element im Periodensystem weist eine typische bestimmte
Zahl von Potentialdifferenzen auf. Diese sind festlie ende Werte, die
37
2.3 Energieübertragungen durch Elektronen
der Energie der emittierten Strahlung mit den typischen Linienspektren
entsprechen, der charakteristischen Röntgenstrahlung. Die Gesamtenergiezusammensetzung ist für die einzelnen Elemente charakteristisch.
Eine Linie entspricht der Strahlung einer Wellenlänge. Abbildung 2-4
zeigt ein Beispiel eines Linienspektrums einer charakteristischen Röntgenstrahlung.
Die im Spektrum auftretenden Emissionsspitzen werden mit den Buchstaben derjenigen Elektronenschalen des Atoms bezeichnet, auf welche
die Elektronen in den Grundzustand zurückgesprungen sind.
Bei Energieübergängen der äußeren Schalen mit geringen Bindungsenergien und daher kleinen Potentialdifferenzen emittiert das Atom
Lichtstrahlen. Bei Energieübergängen der inneren Schalen mit hohen
Bindungsenergien und daher großen Potentia,ldifferenzen emittiert das
Atom Röntgenstrahlen.
Dosisleistung
Abbildung 2-4:
I
Beispiel eines Linienspektrums; Dosisleistung
als Funktion der Photoenergie.
Energ1e
38
2 Grundlagen
2.3.2
Bremsstrahlung
Wenn freie energiereiche Elektronen in ein Atom eindringen, ohne daß
sie ihre Energie auf Schalenelektronen übertragen, treten sie in Wechselwirkung mit dem elektrischen Feld des positiv geladenen Atomkerns, das
zwischen den Schalenelektronen und dem Atomkern besteht. Dabei werden die Elektronen abgebremst und teilweise abgelenkt. Die Elektronen
geben einen Teil, in seltenen Fällen die ganze kinetische Energie in Form
Pinrs Photons ab. Photonen aus diesem Prozeß bilden die Bremsstrahlung (Abb. 2-5) .
Atomkern
Abbildung 2-5:
Wechselwirkung der Kathodenelektronen am Atomkern. Das Elektron wird entsprechend der
elektrostatischen Kraft in Hyperbelbahnen um die Atomkerne gelenkt. Es gibt je nach seinem
Abstand vom Kern kinetische Energie in Form von Strahlenenergie ab.
Mit der zunehmenden Ordnungszahl der Elemente der Targets (Anode)
wächst die Ausbeute an Bremsstrahlung. Die Bremsstrahlung (heterogene Strahlung) besitzt ein kontinuierlich ablaufendes Spektrum, dessen
obere Energiegrenze nahezu identisch mit der Energie der einfallenden
Elektronen ist.
Im Spektrum der Röntgenstrahlung ragen die Linienspektren der charakteristischen Röntgenstrahlung als Emissionsspitzen heraus (Abb. 2-6).
Die maximale Quantenenergie eines Bremsstrahlenspektrums entspricht der Grenzenergie (Grenzwellenlänge), die Strahlung weist dann
die höchste Frequenz und die niedrigste Wellenlänge auf.
2.3 Energieübertragungen durch Elektronen
39
11
l.okv......._
1--Ka
11 0 kV
~I
'-'
~"'
I r----...
SO kV
)I
0
20
..........
V'\Kß
~ .~
~
40
~
60
~ r--.
80
100 keV
Photonenenergie
Abbildung 2-6:
Photonenflußdichte (Intensität) der Röntgenbremsstrahlung einer Wolframanodenröhre bei
verschiedenen Röhrenspannungen. Bei der 11 0-kV-Strahlung sind die Ka- und Kß-Linien des
Linienspektrums deutlich nachweisbar.
2.3.3
Wärmeenergie
Beim Auftreffen eines freien Elektrons auf die Atome des Anodenmaterials (Target) tritt am Elektron mindestens ein elementarer Prozeß auf. Das
Elektron gibt Teile seiner kinetischen Energie an ein Schalenelektron ab.
Dabei wird das Schalenelektron angeregt oder vom Atom abgetrennt. Ein
Elektron kann mehrere Atome anregen oder ionisieren. Ein angeregtes
Atom gibt im Festkörper seine Anregungsenergie an Nachbaratome weiter. Ionisation und Anregung erhöhen die Energie des Atoms, es entsteht
Wärme.
Im Spannungsbereich der Röntgendiagnostik wird die kinetische Energie der eindringenden Elektronen vor allem in Wärme, weniger als ein
Prozent in Röntgenstrahlung umgesetzt. Dagegen liefern die hohen kinetischen Energien der Elektronen der Hochvolttherapie (Beschleuniger)
mehr Rönt enstrahlung als Wärme.
40
2 Grundlagen
2.4
Schwächung der Röntgenstrahlung (Photonenstrahlung) im
Körper (Abb. 2-7)
Die primäre Wechselwirkung der Photonen mit Materie bewirkt eine
Intensitätsabschwächung der Strahlung. Bei der Schwächung treten
Energieübertragungen, Energieabsorption und Energieumwandlung
auf. Sie werden in den folgenden 3 Kapiteln beschrieben: Photoeffekt,
Compton-EtTekt und Paarbildungsprozeß.
Eine einfache modellhafte Zeichnung (Abb. 2-7) soll die Abläufe bei der
Durchstrahlung von Materie erläutern. Paarbildungsprozesse haben nur
in der Strahlentherapie mit hohen Photonenenergien eine Bedeutung.
Streustrahlung
Abbildung 2-7:
Schematische Darstellung
der Abschwächung
von Röntgenstrahlen im
Diagnostikbereich.
Primärstrahlung
2.4.1
Photoeffekt.
Der Photoeffekt führt zur Absorption von Röntgenstrahlen . Die Energie
des in Materie einfallenden Photons wird vollständig auf ein Schalenelektron als Bewegungsenergie übertragen. Die Energieübertragung
geschieht vorwiegend an den inneren Schalen (K-, L-Schalen). Die Energie des Photons zur Freisatzung des Elektrons muß größer als dessen
Bindungsenergie sein. Das freigesetzte Elektron, das Photoelektron, kann
auch die Freisatzung eines weiteren sekundären Elektrons bewirken
(Abb. 2-8).
Die Möglichkeit des Auftretens des Photoeffektes ist von der einwi rkenden Photonenenergie und der Dichte des wechselwirkenden Materials
abhängig. Der Photoeffekt ist am ehesten bei Elementen mit hoher Ordnungszahl und bei niedriger Photonenenergie zu erwarten. Aus diesem
2.4 Schwächung der Röntgenstrahlung im Körper
41
Grunde verwendet man in der Röntgendiagnostik zur Abschirmung von
Räumen und für die Schutzkleidung Materialien mit hoher Ordnungszahl,
z.B. Materialien mit integrierten Bleioxidpartikeln.
Die Wahrscheinüchkeit des Auftretens des Photoeffektes wird mit Hilfe
des Photoabsorptionskoeffizienten beschrieben. Er wächst etwa mit
der 3. Potenz der Ordnungszahl der Atome eines in Wechselwirkung stehenden Elementes. In gleichem Maße nimmt der Photoabsorptionskoeffizient mit zunehmender Photonenenergie ab.
Wenn die eingestrahlte Photonenenergie gleich der Bindungsenergie
des Schalenelektrons ist, dann tritt ein Resonanzeffekt auf, der besonders günstige Bedingungen für das Auslösen eines Photoelektrons bietet.
Mit zunehmender Photonenenergie nimmt die Ausbeute der Photoeffekte
kontinuierlich ab. Sie wird beim Auftreten der Resonanzbedingungen
durch das Auftreten von Emissionsmaxima unterbrochen. Die graphische Darstellung der Photoabsorption in Abhängigkeit von der Energie
zeigt an diesen Stellen der Emissionsmaxima scharfe Kanten, die
Absorptionskanten (Abb. 2-9).
Die Richtung der emittierten Photoelektronen weist eine Abhängigkeit
von der Energie der wechselwirkenden Photonen auf. Mit zunehmender
Energie nähert sich der Emissionswinkel oound verläuft in gleicher Richtung mit dem einstrahlenden PhotonenbündeL
M
Abbildung 2-8:
Schematisches Modell des Photoeffektes. Beim Photoeffekt wird ein Elektron aus einer inneren Schale durch vollständige Absorption eines Photons freigesetzt.
2 Grundlagen
42
0,01
0.001 L __ _ _ _ _ _ ___,__ __ _ ,
1oo
10
0.01
0.1
Abbildung 2-9:
Absorptionskanten der Kurve des
Photoabsorptionskoeffizienten.
PhAK = Photoabsorptionskoeffizient
Pholonenenergie (MeV)
2.4.1.1
Absorption durch den Photoeffekt in der Röntgendiagnostik
Schwächung durch Absorption der Röntgenstrahlung in Abhängigkeit von der Materiedichte. Die Dichte errechnet sich aus dem Quotienten Masse durch Volumen. Mit der Zahl der Atome pro Volumeneinheit
wächst die Absorption. Es besteht ein direktes Verhältnis zwischen Dichte und Absorption (Tab. 2-1). Der Absorptionskoefftzient der Strahlung
wächst mit der Dichte einer zu durchstrahlenden Materie.
Lufthaltige Organe lassen sich von Weichteil- und Knochengeweben gut
abgrenzen; die Dichteunterschiede betragen nach Tabelle 2-1 etwa
1:1000.
Tabelle 2-1:
Dichte verschiedener Stoffe
Durchstrahlte Materie
Luft
Weichteile und Wasser
Knochen
Dichte, (g/cm3)
0,001283
1.0
2.0-2.5
2.4 Schwächung der Röntgenstrahlung im Körper
43
Schwächtmg durch Absorption der Röntgenstrahlwtg in Abhängigkeit von der Materiedicke. Die Absorption nimmt linear mit der Materiedicke zu.
Schwächung durch Absorption in Abhängigkeit von der chemischen
Beschaffenheit- Ordnungszahl. Der Absorptionskoeffizient einer Röntgenstrahlung bis zu 100 kVo ändert sich etwa proportional mit der 3.
Potenz der Ordnungszahl Z der durchstrahlten Materie. Die wesentlichen
in den Weichteilen enthaltenen Elemente sind in Tabelle 2-2 angegeben.
Tabelle 2-2:
Ordnungszahlen der wichtigsten Elemente
Atom
Wasserstoff
Kohlenstoff
Stickstoff
Sauerstoff
Kalzium
Chemisches Symbol
Ordnungszahl Z
H
1
c
6
7
N
0
8
Ca
20
Die effektive Ordnungszahl des Wassers und der Weichteile der tierischen
und menschlichen Körper beträgt etwa Z = 7. Die effektive Ordnungszahl
wird aus dem prozentualen Anteil der einzelnen Elemente des betreffenden Stoffes errechnet. Das Knochengewebe besitzt durch den großen Kalziumgehalt eine höhere effektive Ordnungszahl als die Weichteile. Aus
der unterschiedlichen Absorption entstehen die Kontraste (Tab. 2-3).
Tabelle 2-3:
Effektive Ordnungszahlen
Durchstrahlte Materie
Effektive Ordnungszahl
Wasser
7
Luft
7,54
Weichteile
Knochen
7.42
9-12
2 Grundlagen
44
Die Ordnungszahlen der kontrastgebenden Substanzen in den verschiedenen Kontrastmitteln wie Jod oder Barium sowie der Substanzen, die
zur Strahlenabschirmung verwandt werden, Blei und Wolfram, sind in
Tabelle 2-4 gezeigt.
Tabelle 2-4:
Ordnungszahlen von kontrastgebenden Elementen und von
strahlenabschirmenden Substanzen
Atom
Jod
Barium
Wolfram
Blei
Chemisches Symbol
Ordnungszahl
J
Ba
53
56
w
74
82
Pb
Schwächung durch Absorption der Röntgenstrahlung in Ab hängigkeit von der Strahlenenergie. Die Absorption der Strahlung in der Materie ändert sich proportional mit der 3. Potenz ihrer Energie. Energieärmere Strahlen werden pro Zentimeter Schicht gleichen Stoffes stärker
absorbiert als energiereichere.
Ordnungszahlenkontraste, das heißt die Absorptionsunterschiede zwischen Weichteilen und Knochen, sind bei energiearmer Röntgenstrahlung wesentlich größer als bei energiereichen Strahlen.
Photonenenergie (Wellenlänge Härte)
Ordnungszahl
Dichte (spez. Gew.)
Dicke
5
.
.
Absorption verringert sich proportional Absorption steigt mit der
mit der 3. Potenz der Photonenenergie 3. Potenz der Ordnungszahl
Absorption ändert sich
mit der Dichte
DD
Absorption ändert sich
mit der Dicke
Abbildung 2-10:
ln einem schematischen Modell sind Schwächungstaktoren der Röntgenstrahlung zusammengefaßt. Die Breite der Pfeile soll die Dosisleistung der Röntgenstrahlung andeuten.
46
2 Grundlagen
2.4.2
Compton-Effekt (Abb. 2-11)
Beim Compton-Effekt entsteht in der durchstrahlten Materie eine Wechselwirkung zwischen Photonen und den schwächer gebundenen äußeren
Schalenelektronen. Das Photon verliert durch den Ausstoß eines Elektrons einen Teil seiner Energie und wird aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt. Das Elektron verläßt als Compton-Elektron das dann
ionisirrte Atom. Seine kinetische Energie ist meist noch ausreichend für
rl11· Ionisation weiterer Atome aufseiner Bahn.
•
Abbildung 2-11:
Schematisches Modell des Compton-Effektes. Beim Campton Effekt wird ein Elektron aus
einer äußeren Schale durch Absorption eines Photons freigesetzt. Dabei wird ein Photon
geringerer Energie in einem abweichenden Winkel abgestrahlt.
Der Compton-Effekt wird als Streuw1g (inkohärente Streuung) bezeichnet. Die Compton-Streuung ist, im Gegensatz zum Photoeffekt,
weitgehend unabhängig von der Ordnungszahl der Atome. Dies ist auf
die abschirmende Wirkung des elektrischen Feldes der inneren Elektronenschalen zurückzuführen.
Die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten des Compton-Effektes wird
mit dem Compton-Wechselwirkungskoeffizienten berechnet. Da nicht
2.4 Schwächung der Röntgenstrahlung im Körper
47
die gesamte Photonenenergie bei der Wechselwirkung auf das Elektron
übertragen, sondern auch ein Teil absorbiert wird, setzt sich der Koeffizient aus den beiden Komponenten Campton-Streukoeffizient und Compton -Absorptionskoeffizient zusammen. Der Campton-Absorptionskoeffizient wächst mit zunehmender Dichte der Materie.
Eine Sonderform der Streuung ist die klassische Streuung oder die
kohärente Streuung. Sie liegt vor, wenn am Photon eine Richtungsänderung ohne Energieverlust eintritt. Eine Elektronenhülle nimmt die Energie des einfallenden Photons auf und gibt sie in Form eines Photons gleicher Energie wieder ab.
Parameter, die den Streustrahlenanteil beeinflussen. Die Untersuchungen .an Wasserphantomen ergaben folgende Abhängigkeiten:
• Der Streustrahlenanteil wächst mit dem durchstrahlten Körpervolumen.
• Bei einer Steigenmg der Feldgröße bis etwa 250 cm 2 nimmt der
Streustrahlenanteil signifikant zu. Ein weiterer Anstieg der Feldgröße
ändert nur unwesentlich den Anteil an Streustrahlung.
• Der in der Röntgendiagnostik augewandte Röhrenspannungsbereich hat einen nahezu konstanten Streustrahlenanteil an der
Primärstrahlung. Erst eine Erhöhung der Röhrenspannung bis zu 150
kV0 bringt eine unbedeutende Zunahme der Streustrahlung.
Beispiele für den Streustrahlenanteil bei verschiedenen Aufnahmen
der Röntgendiagnostik:
Der Streustrahlenanteil ist abhängig vom Typ der Organaufnahme und
von der Körperbeschaffenheit der Patienten. Bei der pa Beckenaufnahme
(90 kV0 ) eines mittelgewichtigen Patienten tritt ein Streustrahlenanteil
von 80% und beim schwergewichtigen eine solche von 85-90% auf. Die
seitliche Beckenaufnahme (80 kV0 ) weist einen noch höheren Streustrahlenanteil von bis zu 95% auf. Bei pa Lungenaufnahme beträgt der Streustrahlenanteil (120 kV0 ) 55-65% und bei der p.a.-Schädelaufnahme (70
kV0 ) mit kleinerem Format 45%.
Die Kontrastabbildtmg von Details im Körper hängt von deren Lage
im Körper ab. Der Kontrast eines von der Bildebene entfernteren Details
ist durch einen stärkeren Streustrahlenanteil im Detailschatten verschlechtert.
Die Streustrahlung erstreckt sich über das ganze Format des Röntgenfilmes und bewirkt eine nahezu homogene Schwärzung des Filmes
mit einem flachen Maximum in Formatmitte. Diese Zusatzbelichtung
48
2 Grundlagen
führt zu einer von der Streustrahlenintensität abhängigen Kontrastminderung des Röntgenbildes. Ein 50-%-Anteil der Streustrahlung an der
Primärstrahlung reduziert den Bildkontrast auf die Hälfte.
Die Maßnahmen zur Verringerung des Streuanteils in der Röntgendiagnostik werden im Kapitel 5.3 beschrieben.
2.4.2.1
Streuung (Compton-Effekt) in der Röntgendiagnostik
Wird ein Objekt von der aus dem Röntgenstrahler (Röntgenröhre) austretenden Nutzstrahlung getroffen, kann diese durch Absorption und auch
durch Streuung geschwächt werden. Die Strahlung, die aus dem Körper
ohne Richtungsänderung austritt, ist die bildgebende Primärstrahlung.
Strahlung, die eine Richtungsänderung erfährt, nennen wir Streustrahlung. Sie ist für die Bildgebung unerwünscht, sie hat keine bildge bende Funktion und sie vermindert die Bildkontraste. Ihre Energie
ist bei den verwendeten Energiebereichen nur wenig geringer als die aus
dem Röntgenstrahler emittierte Röntgenprimärstrahlung.
Streurichtung. Die auf die Elektronen übertragene Energie und der
Winkel, den die gestreuten Photonen mit der Primärstrahlenrichtung bilden, hängen von der primären..Photonenenergie ab. Die in der Röntgendiagnostik auftretenden Photonenenergien streuen einen hohen Anteil
der Photonen in die entgegengesetzte Richtung: Der Winkel zwischen
Primärstrahlung und gestreuten Photonen beträgt mehr als 90°. Photonen mit höherer Energie streuen bevorzugt in Richtung der Primärstrahlung (Abb. 2-12).
2.4 Schwächung der Röntgenstrahlung im Körper
Abbildung 2-12:
Schematische Wiedergabe der Schwächungsvorgänge der
diagnostischen Röntgenstrahlung bei
zwei verschiedenen
Spannungswerten.
a} Niedrige Spannung: Die Absorption
überwiegt. Die
Streuung erfolgt
nach allen Richtungen.
b} Höhere Spannung: Abnahme der
Absorption und
relative Zunahme
der Streustrahlung.
Die Strahlung wird
mehr in Richtung
der Primärstrahlung
gestreut.
niedrige Röhrenspannung
49
L
~
)
I
I
K:\
Primärstrahlung
absorbierte Strahlung
Streustrahlung
/
I
I
BildeoJne
I
L
höhere Röhrenspannung
'
'I
~
___..-"-\
'\.
~
"""'
/
a
-...
---.
I
...
b
2.4.3
Paarbildungsprozeß
Der Paarbildungsprozeß tritt bei einer Photonenenergie von über 1,2
MeV auf, er hat nur für Betrachtungen auf dem Gebiet der Strahlentherapie eine Bedeutung. Wenn ein energiereiches Photon in die Nähe eines
Atomkerns gelangt, tritt eine Wechselwirkung mit dem elektrischen
Kernfeld auf. Spontan entsteht ein Paar aus einem negativen und positiven Elektron (Positron). Das Photon verliert seine Energie und verschwindet. Der Paarbildungskoeffizient gibt die Wahrscheinlichkeit für
das Auftreten des Paarbildungsprozesses an. Er wächst mit der Ordnungszahl des wechselwirkenden Materials und mit dem Logarithmus
der Photonenenergie (Abb. 2-13).
50
2 Grundlagen
Abbildung 2-13:
Elektron
Schematisches Modell
der Paarbi ldung.
Wechselwirkung mit
einem Kernfeld.
Dabei treten je
ein Elektron und
Positron auf
+
Positron
2.5
Zusammenfassung der Schwächung der Röntgenstrahlung
(Photonen) in der Materie (Abb.2-14, 2-15)
Die Gesamtschwächung eines Photonenstrahlenbündels ist in der Röntgendiagnostik im wesentlichen bedingt durch die Absorption und die
Streuung, die Richtungsänderung der Photonen.
Bei der Absorption sind folgende Vorgänge beteiligt: Photoeffekt, Paarbildung und die Compton-Absorption.
Die bei den Wechselwirkungsprozessen freigesetzten Elektronen können weitere Prozesse auslösen, so daß das Strahlenbündel auf dem Weg
durch die Materie seine primären Eigenschaften verliert.
2.5 Schwächung der Röntgenstrahlung
51
Abbildung 2-14:
Schematische Darstellung sämtlicher
Schwächungsvorgänge.
I Photoeffekt I
e
IKlassische Streuung I
gestreutes Photon
gestreutes Photon
I Campton-Streuung I
-e
-e
I Paarbildung I
Proton
I Kernreaktion,!
Schwächung von Röntgen- oder Photonenstrahlen
Abbildung 2-15:
Schwächung von Röntgen- oder Photonenstrahlung.
2 Grundlagen
52
2.5.1
Schwächungsvorgänge in Abhängigkeit von der Strahlenenergie
Im vorliegenden Schema sind die Schwächungsvorgänge der Röntgenstrahlen bei zunehmender Strahlenenergie aufgezeigt. Mit zunehmender
Energie verringert sich die Photoabsorption, dagegen nimmt die Campton-Absorption zu. Bei einer weiteren Energieerhöhung über 1,02 MeV
tritt Paarbildung auf, und der Compton-Effekt geht zurück (Abb. 2-16).
Absorption
kV0
10
Streuung
Paarbildung
100%
200 1-------o ••-----~
400~----------
1000 t - - - - - - - - - - - \
100000 .___ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ j
Abbildung 2-16:
Schwächungsvorgänge der Röntgenstrahlung in Abhängigkeit von der Röhrenspannung. Die
schematische Abbildung soll eine Vorstellung der Vorgänge schaffen. Die Zahlenangaben
sind nur annährend zu werten.
2.5.2
Gesamtschwächungskoeffizient
Mit dem Gesamtschwächungskoeffizienten wird die Schwächung der
Röntgenquanten in Materie ermittelt. Wesentliche Faktoren für die Berechnung der Schwächungskoefilzienten sind uan..ten_ene:rgie, Dichte
2.5 Schwächung der Röntgenstrahlung
53
und Ordnungszahl des schwächenden Materials. Die Berechnung des
Gesamtschwächungskoeffizienten findet in der Praxis keine Anwendung,
denn die Röntgenbremsstrahlung enthält, im Gegensatz zur charakteristischen Strahlung, ein relativ breites energetisches Quantenspektrum
(heterogene Röntgenstrahlung). das eine mathematische Berechnung
kompliziert und erschwert.
2.5.3
Projektionsbedingte Reduktion der Röntgenstrahlung
Röntgenstrahlen werden als divergierendes Strahlenbündel emittiert. Die
Divergenz der Strahlung bewirkt mit zunehmender Entfernung von der
Quelle eine projektionsbedingte Reduktion (s. Geometriefaktor, Abstandsquadratgesetz. s. Kap. 4.1.4.
2.5.4
Aufhärtung
Beim Durchtritt durch Materie sind die energieabhängigen
Schwächungskoeffizienten für den Effekt der Aufhärtung verantwortlich.
Der Photoeffekt ist wesentlich an der Schwächung der Strahlung beteiligt.
Die energieärmeren Photonen sind weit mehr betroffen als die energiereicheren. Ein großer Teil der energieärmeren Quanten des Röntgenspektrums verschwindet. Es ist eine Filterwirkung. bei der eine relative
Zunahme der energiereichen Quanten eintritt und die Grenzenergie
(maximale Quantenenergie) gleichbleibt Der Vorgang wird als .,Aufhärtung" bezeichnet.
Zusammengofaßt ist zu sagen: Mit wachsender Eindringtiefe wird die
effektive Energie der Strahlung größer und die Photonenflußdichte kleiner. Daraus ist zu folgern. daß der Gesamtschwächungskoeffizient mit
steigender mittlerer Energie der Photonen im Strahlenspektrum
abnimmt.
Die Reduktion der Intensität eines Bremsspektrums wird in Abbildung
2-17 demonstriert. Aufgezeichnet ist die Dosisleistung der Strahlung als
Funktion der Wellenlänge. Hier tritt die oben beschriebene relative
Zunahme der energiereicheren Quantenanteile in Erscheinung.
54
2 Grundlagen
Abbildung 2-17:
II
111
IV
a
Dosisleistung
Schematische Darstellung der Filterung einer heterogenen Strahlung.
a) Die Strahlung
wird durch die Filter
geschwächt.
b) Darstellung der
Strahlenspektren der
einzelnen Phasen
der Filterung
Die Grenzwellenlänge bleibt gleich.
Der Anteil der langwelligen. energieärmeren Strahlen
nimmt ab
b
2.5.5
Halbwertschichtdicke - Homogenitätsgrad
Die Qualität einer Strahlung läßt sich durch ihre Schwächungskurve
bestimmen. Als schwächendes Material verwendet man Standardstoffe
mit hohem Reinheitsgrad z.B. Kupfer. Die Meßanordnung ist in der Abbildung 2-18 wiedergegeben. In der Praxis begnügt man sich mit der Messung von zwei IIalbwertschichtdicken. Die Halbwertschichtdicke (auch
kurz Ilaibwertdicke genannt) wird mit "s" bezeichnet. Diese ist die
Schichtdicke eines Stoffes, die die Standardionendosis (im großen
Abstand vom Absorber gemessen) auf die Hälfte herabsetzt. Je härter
oder energiereicher eine Strahlung ist, um so größer ist die entsprechende Halbwertschichtdicke. Bei monoenergetischer Strahlung sind die
Halbwertschichtdicken konstant (Abb. 2-19). Bei heterogener Strahlung,
die sich aus Quanten verschiedener Energien zusammensetzt, tritt eine
Aufhärtung auf, d.h., die llalbwertschichtdicken nehmen zu (Abb. 2-20).
2.5 Schwächung der Röntgenstrahlung
l
55
3 4
2
5
Abbildung 2-18:
Meßanordnung der Strahlendosisleistung zur Bestimmung der Halbwertsch ichtdicke. Zur
Reduzierung der Streustrahlung wird im schma len Strahlenbündel in großen Abständen zwischen Strah lenquel le, Filterschichten und Ioni sationskammer gemessen. 1 Strah lenquelle, Z
und 3 Einblendung, 4 Filterschichten, 5 loni sationsmeßkammer.
"/oder Dosis
100
60
50 -------
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I
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12,5
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12.5
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Abbildung 2-19:
Schwächungskurve für monoenergetische
Strahlung (einer Quantenenergie). Die
prozentuale Dosisleistung als Funktion
der Dicke eines Stoffes. Gleichbleibende
Dicken (s) reduzieren die Dosisleistung
jeweils um 50%.
Abbildung 2-20:
Schwächungskurve für heterogene Strahlung
(Strahlung mit unterschiedlicher Quantenenergie). Die prozentuale Dosisleistung als
Funktion der Dicke eines Dosis Stoffes. lnfo lge der Aufhärtung der Strahlung tritt eine
Zunahme der Halbwertschichtdicken ein.
2 Grundlagen
56
Der Homogenitätsgrad H entspricht dem Verhältnis der ersten zur zweiten Halbwertschicht
Halbwertschichtdicke 1
Gleichung 2-1
Homogenitätsgrad H =
Halbwertschichtdicke2
Der Homogenitätsgrad beträgt für monoenergetische Strahlung H = 1. für
heterogene Strahlung H = < 1
2.5.6
Filter in der Röntgendiagnostik
Niederenergetische (weiche) Bremsstrahlenanteile können wegen des
Überwiegens des Photoeffektes (hoher Schwächungskoeffizient) einen
Körper nicht durchdringen. Sie lösen im Körper zahlreiche Wechselwirkungsprozesse aus und stellen eine unzulässige Belastung dar.
Zur Reduktion energiearmer Strahlenanteile werden in der Röntgendiagnostik und Strahlentherapie Härtungsnlter verwandt. Die Filterwirkung bewirkt eine relative Zunahme der energiereichen Strahlen im
Bremsspektrum bei gleichbleibender Grenzenergie (= niedrigster Energieanteil im Bremsspektrum).
Jedes Material im Strahlengang zwischen der Strahlenquelle und dem
zu durchstrahlenden Objekt wirkt als Filter. Das Röhrenfenster ist als
Eigennlter zu werten. Zusatzftlter in der Röntgendiagnostik sollen die
Strahlung authärten, sie setzen die Strahlenbelastung des Körpers herab.
Der Gesamtfilter besteht aus Eigenfilter und Zusatzfilter. Die Wirkung
der Zusatzfilter und Eigenfilter wird mit dem Äquivalenzwert (Gleichwert) für Aluminium oder Kupfer angegeben. In der Röntgendiagnostik
kann der Gesamtfilter einen Al-Gleichwort von 1,5 mm bis 12 mm aufweisen.
Über Filter in der Röntgendiagnostik siehe auch Kapitel 6.1. 5 und
20.8.6.