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Bilder aus dem Körperinneren - Computertomografie und Ultraschalldiagnostik
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Inhalt 1. Einleitung: Geschichte der Röntgenstrahlung (Video online, Video offline, Hilfe zum Real-Player) An einem Novemberabend des Jahres 1895 arbeitet der Wissenschaftler Wilhelm Conrad Röntgen noch in seinem Labor. Mit Hilfe eines Funkeninduktors erzeugt er eine sehr hohe Spannung, die sich in einem Glaskolben entlädt. Er beobachtet dabei das Aufleuchten von fluoreszierenden Materialien in der Nähe der Röhre. Der Effekt muss von einer durchdringenden unsichtbaren Strahlung herrühren, denn auch wenn er den Glaskolben abdeckt, bleibt das Leuchten. Röntgen beschäftigt sich in den nächsten Wochen intensiv mit den Strahlen und kann schon kurz nach Weihnachten der Öffentlichkeit von seiner Entdeckung berichten. Röntgens Labor in Würzburg ist heute ein Museum. Die Nachricht von der Entdeckung der später nach ihm benannten Strahlen verbreitet sich wie ein Lauffeuer. Schon kurz nach der ersten Veröffentlichung werden überall auf der Welt Röntgenstrahlen erzeugt, um ins Innere von Gegenständen und Körpern zu blicken. Denn die Strahlen besitzen die Fähigkeit, auch undurchsichtige Materie zu durchdringen und dahinter gelegte Photoplatten zu schwärzen. Festere Materialien wie Metalle oder Knochen dagegen absorbieren die Strahlen und werden so heller abgebildet. Die enorme Bedeutung der Röntgenstrahlung zeigte sich vor allem bei Bildern des Körpers. Zum ersten Mal war es möglich ohne Verletzung in einen lebenden Menschen hinein zu schauen und seine Knochenstruktur abzubilden. 2. Einleitung: Erklärung der Röntgenstrahlung Die Strahlung, die im Inneren der Röntgenröhre entsteht, hat ihren Ursprung in der großen kinetischen Energie, mit der Elektronen auf eine positiv geladene Metallplatte treffen. Ausgelöst wird dieser energiereiche Elektronenbeschuss durch die hohe Spannung in der Entladungsröhre. Die betroffenen Metallatome ändern dadurch ihren energetischen Zustand und senden dabei Strahlen aus. Schon Röntgen selbst hat die Verwandtschaft der Strahlen mit dem Licht vermutet. Sie unterscheiden sich aber durch ihre sehr viel kürzere Wellenlänge vom sichtbaren Licht. Wie Radiowellen oder das ultraviolette Licht sind Röntgenstrahlen ein Teil des gesamten Spektrums der elektromagnetischen Wellen . Auch die Sonne strahlt nicht nur im Bereich des sichtbaren Lichts, sondern auch im kurzwelligen Teil des Spektrums. Röntgenbilder der Sonne sehen besonders spektakulär aus. 3. Nutzen von Röntgenuntersuchungen Aus unserem Alltag sind die vielen verschiedenen Anwendungen der Röntgenstrahlen nicht mehr wegzudenken. Beim Sport zum Beispiel besteht erhöhte Verletzungsgefahr. Ein Arzt kann zwar mit seiner Erfahrung auch von außen feststellen, ob eine Knochenverletzung vorliegt. Letzte Gewissheit verschafft aber nur die Röntgenaufnahme. Glück gehabt, denn wenn ein Knochen gebrochen ist, dann muss er operiert werden. Wie das dann ausschauen kann, zeigt wieder ein Röntgenbild . Auch der Zahnarzt kontrolliert seine Arbeit ständig mit Hilfe von Röntgenaufnahmen. Der Patient bekommt dazu eine Bleischürze umgehängt, die den übrigen Körper vor der Strahlung schützt, denn Röntgenstrahlen können Blei nicht so gut durchdringen. In zu hoher Dosierung ist Röntgenstrahlung sehr gefährlich. Deshalb muss das medizinische Personal den Röntgenraum verlassen und steuert die Aufnahme von außen. Mit modernen Geräten kann so der ganze Kieferbereich auf einer einzigen Aufnahme dargestellt werden. Der Arzt kann deutlich die Kieferknochen, die echten und die falschen Zähne, die Füllungen und alle Metallteile erkennen. 4. Computertomographie (PDF-Datei, benötigt Acrobat Reader) Auch sichtbares Licht dringt durch Gegenstände hindurch. Eine Wasserflasche etwa aus durchsichtigem Kunststoff lässt das Licht einer Taschenlampe passieren. Die Lichtstrahlen der Lampe werden allerdings von der Struktur der Flasche mehr oder weniger gedämpft: es entsteht ein dunkles Schattenbild der Flasche. Auf einer lichtempfindlichen Filmschicht würde dieses Bild ein Negativ erzeugen. Es sieht dann fast genauso aus wie ein Röntgenbild; nur eben im sichtbaren Licht aufgenommen. Wie viele Flaschen zeigt eigentlich dieses Bild? - Von einem anderen Standpunkt aus sieht man aber offenbar fünf und nicht nur drei Flaschen; bei der ersten Aufnahme sind also zwei Flaschen verdeckt. Die Taschenlampe als Strahlenquelle hat einen ganz bestimmten Winkel zum abzubildenden Objekt. Stellt man fünf Flaschen auf, ergibt sich eine zunächst zufällige Anordnung der Schatten an der Wand. – Bewegt man jetzt die Strahlenquelle und verändert so den Abbildungswinkel, dann verschiebt sich die Anordnung und die aufgestellten Flaschen können sich gegenseitig verdecken. Bei einem schweren Unfall kann die richtige Interpretation einer Röntgenaufnahme (Video online, Video offline, Hilfe zum Real-Player) über Leben und Tod entscheiden. Um zum Beispiel solche Abdeckungsfehler zu vermeiden, hat die moderne Röntgentechnik das Verfahren der Computertomografie entwickelt. Der Patient wird dabei durch den röhrenförmigen Schacht eines Röntgengerätes geschoben, das den Körper aus allen Winkeln und von oben bis unten durchleuchten kann. Während der Patient langsam durch die Röhre des Computertomografen gleitet, entsteht eine Folge von Aufnahmen, die die betroffene Körperpartie scheibchenartig in lauter Querschnitte zerlegt zeigen. Erreicht wird dies durch eine um den Patienten rotierende Röntgenquelle. Aus vielen tausend Einzelmessungen errechnet dann ein Computer die Querschnittbilder, die das Gerät ausgibt. In der Praxis ist ein Computertomograf eine raumfüllende Apparatur. Von dem großen mechanischen und elektronischen Aufwand hinter der Abdeckung bekommt der Patient nichts zu sehen. Er ist allerdings einer wesentlich höheren Strahlenbelastung ausgesetzt als bei einer einzelnen Aufnahme. Immer bessere Technik und immer leistungsstärkere Computer ermöglichen immer noch genauere Einblicke ins Innerste des lebendigen Menschen. Während die Darstellung von Weichteilen und Organen am Beginn der Röntgendiagnostik noch sehr schwierig war, kann der Arzt heute einzelne Organe in dreidimensionalen Abbildungen betrachten; zur Abklärung seiner Diagnose kann er das kranke Herz seines Patienten nach allen Seiten wenden und er kann es beobachten, wenn er es mit elektrischen Reizen zu kräftigerem Schlagen anregt. 5. Weitere Nutzungsbeispiele Der Einsatz von Röntgenstrahlen war aber von Anfang an nicht nur auf die Medizin beschränkt. Am Flughafen zum Beispiel dienen Röntgengeräte der Sicherheit. Das Fluggepäck der Passagiere wird heute routinemäßig mit Röntgenstrahlen durchleuchtet. Fällt dabei ein Gepäckstück besonders auf, wird es mit Geräten geprüft, die es aus mehreren Blickwinkeln darstellen. Der Kontrolleur kann aufgrund der Farben bestimmte Materialien selbst in Behältern im Inneren des Koffers deutlich unterscheiden. Eine lange Reise hat auch diese wertvolle Holzfigur hinter sich, die hier ins Röntgenlabor des Germanischen Nationalmuseums in Nürnberg gebracht wird. Wie bei einem kranken Patienten sollen hier Röntgenaufnahmen der Hand und des Kopfes gemacht werden. Der röntgenempfindliche Film in den roten Hüllen wird entsprechend platziert und die Strahlenquelle von außerhalb des Raumes ausgelöst. Die Mitarbeiter sind auch hier gut vor der Strahlenbelastung geschützt. Die entwickelten Bilder bringen eine Überraschung: der mittelalterliche Bildhauermeister hat ein bisschen getrickst: Teile des Kopfes sind mit Nägeln befestigt, die man von außen nicht sieht. Und auch der Daumen ist angedübelt. Für die Restauratoren sind das unverzichtbare Informationen für ihre Arbeit. 6. Schallreflexion und Ultraschall (Video online, Video offline, Hilfe zum Real-Player) Auch der Schall einer Trompete kann Materie wie zum Beispiel die Luft durchdringen. Von den festen Felswänden rund um den Königssee allerdings wird der Trompetenschall als Echo zurückgeworfen. Der Trompetenton und jeder andere Ton, den wir hören können, pflanzt sich als Welle fort. – Und je höher der Ton, desto höher ist die Schwingungsfrequenz der Schallwellen. Der Mensch hört Schallwellen etwa zwischen 16 und 20.000 Hertz, so bezeichnet man die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde. Schallwellen mit Schwingungen unter 16 und solche über 20.000 Hertz können wir mit unseren Hörorganen nicht mehr wahrnehmen. Sie werden als Infraschall und als Ultraschall bezeichnet. Wie eine Trompete kann auch Ultraschall ein Echo an festeren Körpern erzeugen. Deshalb wird Ultraschall überall da eingesetzt, wo man die Belastung einer Röntgenuntersuchung vermeiden will. Mit seinem Ultraschallscanner kann der Arzt ohne Gefahr für Mutter und Kind in den Mutterleib hineinsehen. Das von den Schallwellen erzeugte Echo am Körper des Embryos wird von einem Computer in ein Bild umgesetzt, mit dem man zum Beispiel schon frühzeitig das Geschlecht des Ungeborenen feststellen kann. Auf dem so genannten Dopplereffekt beruht die Darstellung des Blutflusses mit Hilfe der Ultraschalldiagnostik. Verengte Gefäße oder die Funktion der Herzklappen lassen sich mit der Dopplersonografie überprüfen. Weil sich das Blut in Bezug auf Gefäße und Herzgewebe relativ schnell bewegt, kommt es beim Echo zu einer Frequenzveränderung. Der Scanner registriert diese Veränderung und setzt sie in diagnostisch besonders aufschlussreiche Bilder aus dem Herzinneren um. Da Ultraschallwellen hoher Intensität auch Materie zertrümmern können, werden sie in der Zahnmedizin zum Beispiel zur Entfernung von Zahnstein eingesetzt. Eine schon sehr lang gebräuchliche technische Anwendung von Ultraschall ist das Echolot. Schon seit vielen Jahrzehnten sind Schiffe damit ausgerüstet, um festzustellen, wie viel Wasser sie noch unterm Kiel haben. Mit Sonargeräten kann man aber nicht nur die Wassertiefe bestimmen, sondern auch Aussagen über die Beschaffenheit des Meeresgrundes machen. Schatzsucher zum Beispiel suchen damit nach untergegangenen Schiffen. Auch für Fischkutter gehört ein Echogerät zur Standardausrüstung. Denn Fischschwärme reflektieren den Ultraschall und lassen sich so gut orten. Besonders beanspruchte Metallteile, wie die Achsen des ICE, können für das Auge unsichtbare Haarrisse aufweisen. Deshalb werden die Achsen regelmäßig mit Ultraschall überprüft, um Unfälle zu vermeiden. 7. Rätsel mit Tobi Tüftler (PDF-Datei, benötigt Acrobat Reader) Wer jetzt noch mehr wissen will über Ultraschall und Röntgen, der kann im Internet nachschauen. Und jetzt besuchen wir noch Tobi Tüftler , der gerade einen Selbstversuch plant. Tobi experimentiert mit einer Thermofolie, die auf die Körpertemperatur mit Farbveränderungen reagiert. Wenn er die Hand auf die Folie legt, werden die wärmsten Stellen grün und blau, die kühleren rot. Toby will mit der Folie nachweisen, welchen Einfluss das Rauchen auf den Organismus hat. Mit schlechtem Gewissen zieht er ein paar Mal an einer Zigarette und legt die Hand erneut auf die Folie. Toby erschrickt: das Wärmebild seiner Hand zeigt jetzt viel mehr rote Stellen; die Hand ist offenbar viel kälter geworden. Warum das so ist könnt ihr im Internet nachlesen. Gesamte Folge als ZIP-Datei. Mit -d entpacken (/folge.htm/...)! Gemeinsame Bilder als ZIP-Datei. Mit -d entpacken (/img/...)! Adobe Reader kostenlos herunterladen |
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