Röntgenstrahlen und Hochfrequenzanregung im magnetischen Feld – Physik für Fortgeschrittene

Forchheim – Wie werden die Erkenntnisse aus der Physik praktisch umgesetzt in der Medizintechnik? Dieser Frage gingen Elftklässler des Forchheimer Ehrenbürg Gymnasiums nach, als sie Ende Oktober 2017 die Radiologie des Klinikums Forchheim besuchten. Im Anschluss an den Besuch erarbeiten die zehn Schüler des wissenschaftspropädeutischen Seminars unter der Leitung von Physiklehrer Rainer Martin ein selbstgewähltes Thema in der Physiksemesterarbeit.

Der Leiter der Radiologie, Chefarzt Dr. Klaus Swoboda, testete gleich zu Beginn den Wissenstand der Schüler: Ausbreitungsgeschwindigkeit und Energiegehalt der Röntgenstrahlen? Röntgenspektrum? Die Schüler der Partnerschule der Siemens AG waren gut vorbereitet und wussten die Antwort.

Bildgebende Verfahren – Von Röntgen bis zum MRT

Der Rundgang folgte der chronologischen Entwicklung der bildgebenden Verfahren in der Medizin. Am 8. November 1895 entdeckte Wilhelm Conrad Röntgen in Würzburg die unsichtbaren, nach ihm benannten Strahlen. Die verschieden dichten Gewebe eines bestrahlten Organismus absorbieren die Röntgenstrahlen unterschiedlich stark. Dichtes Gewebe, beispielsweise Knochen, taucht als Schatten auf. Die ersten Bilder wurden mithilfe eines fluoreszierenden Schirms sichtbar gemacht. Später kam der Röntgenfilm, dann die Röntgenspeicherfolien zum Einsatz. Heute werden fast ausschließlich elektronische Festkörperdetektoren (CCD´s) verwendet, um die Bilder digital weiter verarbeiten zu können.

Die Schüler fragten nach der Strahlenbelastung der Mitarbeiter im Klinikum. Dr. Swoboda antwortete, dass diese heutzutage sehr gering sei. Der zulässige Grenzwert von 20 Millisievert (mSv) bei beruflich strahlenexponierten Erwachsenen sei am Klinikum Forchheim nie erreicht worden. 70 betroffene Mitarbeiter würden jährlich mit einem Filmdosimeter überwacht.

Scheibchenweise Computertomographie

Eine Weiterentwicklung der Röntgendiagnostik ist die Computertomographie. Diese basiert ebenfalls auf Röntgenstrahlung. Dabei nimmt ein schmaler Röntgenstrahl das Gewebe von allen Seiten auf. Mithilfe großer, moderner Rechner kann die Information detailgetreu eindeutig sichtbar gemacht werden. Die Aneinanderreihung der „Scheibchen“ kann in ein dreidimensionales Bild umgesetzt werden.

Auch die Mammographie zur Früherkennung von Brustkrebs nutzt Röntgenstrahlen zur Sichtbarmachung. Der Chefarzt war überzeugt, dass keine andere Methode so gute Ergebnisse zur Früherkennung liefere wie die Mammographie.

Die Magnetresonanztomographie macht sich eine andere Eigenschaft des menschlichen (und tierischen) Gewebes nutzbar: Der unterschiedlich hohe Wasser- und Protonenanteil in verschiedenen Gewebestrukturen. Das wechselhafte Verhalten der Wasserstoffprotonen in Magnetfeldern ist die Grundlage dieses bildgebenden Verfahrens. Es ergänzt die anderen Verfahren und eignet sich besonders zur Sichtbarmachung von Gelenken und Weichteilerkrankungen.

Eine Jugendliche fragte nach den Kontrastmitteln, die im Klinikum verwendet werden. Hier verwies der Radiologe auf Jod für die Röntgendiagnostik und auf Gadolinium, ein Element, das zu den seltenen Erden zählt.

Am Ende zeigten sich alle Schüler sichtlich beeindruckt von der Anwendung der bildgebenden Verfahren in der Praxis. Ein Schüler (16 Jahre) konnte sich noch nicht entscheiden, ob er seine Arbeit lieber über „Radioaktivität“ schreiben möchte oder über die „Röntgentechnik“.