Die Erkenntnis, daß Röntgenstrahlen in biologischen Geweben Wirkungen erzielen, ist beinahe so alt wie das Wissen um die Röntgenstrahlen selbst: 1895 entdeckte W.C.Röntgen eine bis dahin unbekannte Form von Strahlung ("X-Strahlen"), fertigte ein Röntgenbild der Hand an und veröffentlichte diese Erkenntnisse im Dezember 1895.
1896 zeigte eine Röntgenaufnahme eines gebrochenen Unterarms die diagnostische Einsatzmöglichkeit der Röntgen-Strahlen. Bereits im gleichen Jahr aber wurden neben dieser rein darstellenden Anwendung die zwei weiteren Aspekte der Strahlen entdeckt: der therapeutische und der schädigende. Es erschien ein Bericht über einen erstmaligen Behandlungsversuch an einem Naevus pilosus und im gleichen Jahr ein Bericht über die Strahlenschädigung an einer Hand mit Haarausfall und Hautveränderungen.
Parallel zu den technischen Weiterentwicklungen des Einsatzes von Röntgenstrahlen erweiterten sich auch die Kenntnisse über die Eigenschaften und Wirkungen der Strahlen: so wurde 1903 ein Bericht über die unterschiedliche Strahlensensibilität einzelner Gewebe veröffentlicht, 1908 wurde über die krebserrregende Wirkung berichtet und 1911 darüber, daß die Zellkerne weit strahlensensibler sind als das Zytoplasma.
Die Mechanismen strahlenschädigender Wirkungen sind seither weitestgehend erforscht worden. Der Schaden, den ionisierende Strahlung an biolgischem Gewebe verursacht, wird in der Strahlentherapie ausgenutzt, um Tumorzellen zu zerstören. Im Rahmen diagnostischer Maßnahmen aber sind die ionisierenden Einflüsse unerwünscht. Sie machen es notwendig, die Anwendung von Röntgenstrahlen genauestens durch gesetzliche Besimmungen zu regulieren. Im folgenden sollen einige Wirkungen ionisierender Strahlung aufgezeigt werden, die wichtigsten gebräuchlichen Dosiswerte erläutert und Grundlagen des Strahlenschutzes angesprochen werden.
Die möglichen schädigenden Einflüsse der Röntgenstrahlen bedingen die Notwendigkeit von Strahlenschutzmaßnahmen. Diese sind gesetzlich festgelegt für die Betreibung von Einrichtungen im Rahmen radiologischer Diagnostik durch die
Die gesetzlichen Bestimmungen für den Umgang mit radioaktiven Stoffen in der Nuklearmedizin und den Einsatz höherenergetischer Strahlung, insbesondere in der Strahlentherapie wurden festgelegt in der sog.
Die Strahlenwirkung ionisierender Strahlung auf biologische Gewebe beruht darauf, daß sie beim Durchtritt durch Materie einen Teil der Energie durch Absorption verliert.
Hierbei spielen Anregung und Ionisation im durchstrahlten Material die entscheidende Rolle. Wirksam werden kann nur die absorbierte Strahlung. Die Wahrscheinlichkeit und das Ausmaß biologischer Strahlenwirkung hängt von der absorbierten Strahlenenergie unter Berücksichtigung der Strahlenart ab (Röntgenstrahlung, Alphateilchen und Neutronen unterscheiden sich in ihrem schädigenden Einfluß).
Für die Strahlenwirkung in lebenden Zellen ist das Eiweiß am wichtigsten. Sie läuft in vier Stufen ab. Man unterscheidet:
Man unterscheidet direkte und indirekte Strahlenwirkungen:
Direkte Strahlenwirkung ("Treffertheorie"):
Herauslösen eines oder mehrerer Bindungselektronen aus einem Molekül der Zelle durch ionisierende Strahlenwirkung => Verlust der biologischen Eigenschaften der Moleküle, bei Schäden an lebenswichtigen Zentren Absterben der Zelle, durch Veränderungen im Genmaterial Mutationen. Mit der Dosis steigt die Trefferzahl und damit die Wahrscheinlichkeit des Zelltodes.
Ergebnis von Einzeltreffern:
Indirekte Strahlenwirkung
Durch die Strahlenwirkung verliert ein Wassermolekül ein Bindungselektron, wird zum hochreaktiven Radikal und holt sich ein Elektron aus einem organischen Molekül, meist sind Nukleotidbasen betroffen => Verlust der biologischen Wirksamkeit z.B. von DNS und RNS.
Um Röntgenstrahlung zu quantifizieren, mißt man ihre Wirkungen:
Energiedosis Einheit: Gray (Gy)
Die Energiedosis charakterisiert die in Materie absorbierte Strahlenmenge.
(1 Gray entspricht der Energie in Joule (J), die von 1 Kilogramm Materie aus der Strahlung absorbiert wird: 1 Gy = 1 J/kg.)
Ionendosis Einheit: Coulomb/Kilogramm (C/kg)
Die Ionendosis quantifiziert die Strahlenmenge anhand der durch sie hervorgerufenen Ionisation.
(1 Coulomb/Kilogramm entspricht der Menge elektrischer Ladung, die in 1 kg Materie durch die Strahlung entsteht.)
Äquivalentdosis Einheit: Sievert (Sv)
Die Äquivalentdosis entspricht einer Abschätzung der Strahlenmenge unter Berücksichtigung ihrer biologischen Wirkung.
Hierzu wird die Energie, die in 1 kg Materie absorbiert wird, mit einem sog. Wirkungsfaktor ("q") multipliziert. Dieser berücksichtigt die unterschiedliche biologische Wirksamkeit der verschiedenen Strahlenarten: für Röntgenstrahlen gilt q = 1, für Neutronen-strahlung gilt: q = 10.
(Die Anzahl der Sievert entspricht der Energiemenge in Joule
(J), die von einem Kilogramm Materie aus der Strahlung absorbiert
wird (also der Energiedosis) multipliziert mit dem Wirkungsfaktor
der vorliegenden Strahlenart: 1 Sv = 1 J/kg).
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Die beschriebenen biologischen Einflüsse ionisierender Strahlung auf biologisches Gewebe bedingen den möglichen schädigenden Einfluß der Röntgenstrahlung auf den menschlichen Organismus. Hierbei müssen prinzipiell verschiedene Formen von Strahlenschäden unterschieden werden:
"SOMATISCHE STRAHLENSCHÄDEN": hierunter versteht man Folgeerscheinungen am Körper des Individuums, das der Strahlung ausgesetzt war.
"GENETISCHE STRAHLENSCHÄDEN": Diese bezeichnen solche, die als Veränderungen des Genmaterials sich erst in der Nachkommen-Generation bemerkbar machen.
Insbesondere ist aber auch die Differentierung nach dem Entstehungsmechanismus wichtig: man unterscheidet "deterministische" von "stochastischen" Strahlenschäden.
"DETERMINISTISCHE STRAHLENSCHÄDEN": Hierunter versteht man Schäden, die als Summe vieler elementarer Strahlenwirkungsprozesse auftreten. Sie können erst oberhalb von Dosisschwellenwerten auftreten, sind also nicht zufallsabhängig: bis zu einer bestimmten Dosis tritt keine Schädigung auf, ab dem Schwellenwert jedoch regelhaft. Zu den deterministischen Strahlenschäden gehören z.B. das Hauterythem und die Trübung der Augenlinse.
"STOCHASTISCHE STRAHLENSCHÄDEN": Stochastische Schäden entstehen durch die Wirkung eines einzigen Röntgenquants. Ein Röntgenquant alleine setzt dabei die Schädigung in vollem Umfang, die Dosis der Strahlung hat keinen Einfluß auf das Ausmaß des Schadens (Alles-oder-Nichts-Gesetz), sondern nur auf die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines solchen. Die stochastischen Schädigungen sind also den Gesetzmäßigkeiten des Zufalls unterworfen.
Merke:
DETERMINISTISCHE STRAHLENWIRKUNG:
STOCHASTISCHE STRAHLENWIRKUNG:
VERSCHIEDENE STRAHLENSENSIBILITÄTEN
Zellkerne sind deutlich strahlensensibler als das Zytoplasma. Sie sind inbesondere in der Mitosephase besonders sensibel für schädigende Einflüsse.
Bei Teilkörperbestrahlung können Schäden an einzelnen Organen auftreten. Entsprechend der Verteilung sich häufig teilender Zellen und in Abhängigkeit von der Differenzierung ergeben sich Unterschiede in der Strahlensensibilität. Man unterscheidet Gewebe mit hoher, mittlerer und niedriger Strahlensensibilität:
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ERHOLUNG
Vorgeschädigte Zellen können sich durch Reparaturvorgänge an DNS und RNS erholen. Diese Möglichkeit wird z.B. in der Strahlentherapie im Rahmen der fraktionierten Bestrahlung ausgenutzt: durch Gabe mehrerer nicht so hoher Einzeldosen kann sich das gesunde Gewebe, nicht aber die Tumorzellen von den schädigenden Strahlenwirkungen erholen, so daß bei gleicher Wirkung am Tumor eine geringere Belastung des gesunden Gewebes resultiert.
STRAHLENSPÄTSCHÄDEN
Nach dem Zeitpunkt des Auftretens der Strahlenschäden unterscheidet man zwischen Früh- und Spätschäden. Früh einsetzende Schäden sind z.B. Schädigungen des Knochenmarks und des peripheren Blutbildes sowie Schädigungen von Magen- und Darmzellen i.R. der akuten Strahlenkrankheit nach Ganzkörperbestrahlung.
Strahlenspätschäden entstehen ebenfalls durch direkte Strahlenwirkung.
Zu den Strahlenspätschäden zählen:
Die Bestimmungen für die Betreibung von Einrichtungen im Rahmen radiologischer Diagnostik sind durch die Röntgenverordnung (RÖV) festgelegt.
Wichtige Grundsätze des Strahlenschutzes
1. Grundsatz der Notwendigkeit und Rechtfertigung
2. Grundsatz der Optimierung
3. Grundsatz der Überwachung individueller Dosisgrenzwerte
Die RÖV schreibt u.a. folgende Maßnahmen vor:
Bauliche Maßnahmen (nach RÖV und Strahlenschutzverordnung)
1. Sperrbereich: (nur nach Strahlenschutzverordnung definiert!)
2. Kontrollbereich: (Röngenverordnung!)
3. Überwachungsbereich: (Röntgenverordnung!)
SPERRBEREICH
KONTROLLBEREICH
ÜBERWACHUNGSBEREICH
PERSONENSCHUTZ
Zur Überwachung beruflich strahlenexponierter Personen und zur Einschätzung von Strahlenexpositionen bei Patienten sind Dosisbestimmungen erforderlich. Man unterscheidet:
Körperdosis:
Effektive Dosis:
Für den Strahlenschutz ist es notwendig, stochastische und deterministische Strahlenwirkungen in die Überlegung einzubeziehen. Man unterscheidet daher zwei Strategien des Strahlenschutzes:
1. Zur Minimierung deterministischer Schäden: Festlegung von Dosis-Maximalwerten, in der Diagnostik nur in Extremfällen ein Problem, da durch die technischen Möglichkeiten heute die Belastungen im Rahmen diagnostischer Maßnahmen normalerweise weit unter den Dosisgrenzwerten liegen.
2. Die Reduzierung stochastischer Strahlenschäden ist nur durch die Verminderung der Wahrscheinlichkeit für ihr Auftreten möglich, d.h. wenige Aufnahmen - niedrige Dosis!
Letzteres zeigt eines der Hauptprobleme beim Strahlenschutz: Strahlenschutzmaßnahmen (z.B. niedrige Dosis) stehen häufig in Konflikt mit den Notwendigkeiten der Diagnostik (z.B. ausreichende Dosis für erforderliche Bildqualität)! Bei gegensätzlichen Tendenzen von Maßnahmen zur Steigerung der Bildqualität einerseits und zur Reduzierung der Strahlenexposition des Patienten andererseits muß ein sinnvoller Kompromiß gefunden werden.
Die Einschätzung des Risikos durch eine Strahlenexposition beruht auf Angaben in der Literatur, die aus strahlenbiologischen Erkenntnissen, experimentellen Untersuchungen, quantitativen Angaben zu medizinischen Strahlenbehandlungen, Unfällen und Atomwaffenwirkungen zusammengetragen wurden. Mit ihrer Hilfe ist es möglich, eine Strahlenbelastung hinsichtlich ihrer schädigenden Wirkung einzuschätzen, wenn die konkreten Dosiswerte an risikorelevanten Organen bekannt sind, und die jeweils resultie-renden Risikowerte für den gesamten Körper summiert werden. Hierbei lassen sich natürlich nur statistische Aussagen treffen, der wirkliche Schadenseintritt im individuellen Fall bleibt im statistischen Sinne nach wie vor ungewiß.
Sinnvoll ist die Einschätzung dieser quantitativen Angaben nur, wenn sie zu anderen Risiken in Relation gesetzt wird: so z.B. zur natürlichen bzw. zivilisatorischen Strahlenexposition durch terrestische und kosmische Strahlung (der Anteil der Strahlenexposition durch medizinische Maßnahmen bezogen auf die Gesamtbevölkerung beträgt in Mitteleuropa etwa 40%) und zur spontanen Krebsentstehung, z.B. auch zum Risiko der Krebsentstehung bei bekannten Risikofaktoren.
Zu beachten bleibt letztlich immer das eventuell höhere gesundheitliche Risiko, das entsteht, wenn notwendige diagnostische Maßnahmen unterbleiben.
Damit bleibt als Grundsatz des Personenschutzes:
1. Sinnvolle Indikationsstellung
Diese ist nur gegeben, wenn die Röntgenaufnahme eine Konsequenz für die weitere Diagnostik und/oder Therapie hat und keine äquivalente, nicht oder weniger belastende Untersuchungsmethode zur Verfügung steht.
2. Ist eine Aufnahme medizinisch indiziert, hat sie - unter Berücksichtigung der Strahlenschutzmaßnahmen - so durchgeführt zu werden, daß sie die notwendige diagnostische Aussage zuläßt!
(Merke: Eine Aufnahme, die aufgrund verminderter Strahlenexposition und schlechter Bildqualität etc. an diagnostischer Aussagekraft entscheidend verliert, ist keine Strahleneinsparung für den Patienten, sondern im Gegenteil eine unnötige Belastung ohne diagnostischen Nettonutzen!)
Wichtige Einflußfaktoren auf die Strahlenexposition des Patienten:
Maßnahmen zur Reduzierung der Strahlenexposition des Personals:
A bschirmung
A bstand
A ufenthaltsbegrenzung.
