Computertomografie

Bei der Computertomografie (Abkürzung CT) handelt es sich um ein modernes, computergesteuertes Röntgenschichtverfahren. Bei der modernen Spiral-Computertomografie rotiert die ein Strahlenbündel aussendende Röntgenröhre um den zu untersuchenden Patienten, während der Untersuchungstisch kontinuierlich vorgeschoben wird. Die gegenüberliegenden Detektoren messen, wie stark die Strahlung vom Körper abgefangen wird. Es entstehen etwa 100 000 Messwerte, aus denen vom Computer errechnet wird, welche Bereiche im Körper wie viel Strahlung absorbiert haben, und die in ein Fernsehbild (Computertomogramm) umgesetzt werden.

Im Allgemeinen werden Strukturen, die wenig Röntgenstrahlen durchlassen (z. B. Knochen) weiß, solche, die viel Röntgenstrahlen durchlassen (z. B. Luft) schwarz dargestellt; alle anderen liegen als Grautöne dazwischen.

Die Vorteile der Computertomografie gegenüber konventionellen Röntgendarstellungen liegen in der höheren Bildauflösung, der besseren Darstellung von Weichgeweben und der besseren räumlichen Zuordnungsmöglichkeit von Veränderungen anhand der Schichtaufnahmen. Allerdings ist die Strahlenbelastung höher als bei einer Röntgenaufnahme, sodass der Einsatz der Computertomografie immer sorgfältig abgewogen werden sollte. Sie dient häufig zur Diagnostik von Veränderungen im Bereich des Oberkörpers (Thorax), Bauches (Abdomen), Bewegungsapparates und Skeletts, zum Tumornachweis in allen Körperabschnitten und v. a. zur Erkennung von Erkrankungen des Gehirns (z. B. Hirnblutungen, Hirntumoren). Auch der Nachweis geringer Veränderungen des Gehirns infolge Durchblutungsstörungen oder Ödemen ist mithilfe dieses Verfahrens möglich.

Ultraschalldiagnostik

̣Die Ultraschalldiagnostik oder Sonografie ist ein bildgebendes Untersuchungsverfahren, das die teilweise Reflexion von hochfrequenten Ultraschallwellen (1‒10 MHz) an Grenzflächen unterschiedlicher Gewebestrukturen im Körper nutzt. Ein Schallkopf sendet kurze Schallimpulse in den Körper und empfängt die reflektierten Echoimpulse, die zu Bildern umgewandelt werden (Impulsechoverfahren). Als A-Bild-Verfahren wird die eindimensionale Darstellung der Echos einfacher Strukturen in Form von Signalen unterschiedlicher Amplitude bezeichnet, als B-Bild-Verfahren die Erzeugung eines zweidimensionalen Schnittbildes durch manuelle oder automatische Bewegung des Schallstrahls, bei dem die Intensität des Echos in verschiedene Helligkeitsstufen umgesetzt wird und bei periodischer Abtastung Bewegungsabläufe sichtbar macht (Real-Time-Verfahren). Diese Methode bietet die breiteste Anwendungsmöglichkeit, z. B. in der Geburtshilfe zum Feststellen möglicher Anomalien des Fetus, in der inneren Medizin und Urologie zur Erkennung von Tumoren, Zysten und Steinbildungen, zur Herz-, Gehirn-, Schilddrüsen- und Gelenkdiagnostik und zur Krebsdiagnostik der weiblichen Brust.

Das Doppler-Verfahren (Doppler-Sonografie) arbeitet mit kontinuierlichen Schallwellen konstanter Frequenz oder mit Schallpulsen, die aufgrund des Doppler-Effekts von sich bewegenden Grenzflächen (v. a. rote Blutkörperchen in Blutgefäßen) mit veränderter Frequenz reflektiert werden und z. B. Gefäßverengungen oder -verschlüsse erkennbar machen. Die Duplexsonografie kombiniert das Doppler- und das B-Bild-Verfahren. Dabei kann die Fließrichtung des Blutes in einem Blutgefäß in unterschiedlichen Farben dargestellt und die Pulsfrequenz angezeigt werden. Gleichzeitig ist eine Beurteilung von Veränderungen der Gefäßwand möglich.

Eine Verbesserung der Auflösung und der Abbildungsdetails erbringt die digitale Bildverarbeitung (Computersonografie), bei der auch räumliche Bilder erzeugt werden können (3-D-Sonografie und Panoramabildverfahren). Eine neuere Entwicklung ist der Einsatz der Ultraschalldiagnostik bei der endoskopischen Untersuchung (Endosonografie) z. B. von Magen, Darm, Gallengängen und Scheide mittels eines schnell rotierenden Ultraschallwandlers in der Spitze des Endoskops. Spezialkatheter ermöglichen auch die Innendarstellung von Blutgefäßen.

Chromatografie

Chromatografie ist die Bezeichnung für eine Gruppe physikalisch-chemischer Trennverfahren, bei denen sich die zu trennenden Probenbestandteile zwischen zwei Phasen verteilen. } Die eine, die stationäre Phase, liegt dabei fest. Die andere, die mobile Phase, durchströmt die stationäre Phase oder wird an dieser vorbeigeführt. Apparativ wird dies meist in Säulen mit Innendurchmessern von einigen Mikrometern bis zu wenigen Zentimetern realisiert. Die stationäre Phase ist in solche Säulen »gepackt«; die Probelösung wird hinzugegeben, die Analyten lagern sich dabei an der stationären Phase an. Mit der mobilen Phase wird anschließend eluiert, d. h., der Analyt wird wieder abgelöst (Elution). Als stationäre Phase kann man Flüssigkeiten, Feststoffe oder Gele verwenden. Die Einzelkomponenten des Probengemischs haften in unterschiedlicher Weise an der stationären Phase und werden deshalb mit unterschiedlicher Geschwindigkeit zum Detektor transportiert und auf diese Weise getrennt. Das im Detektor aufgezeichnete Ergebnis wird als Chromatogramm bezeichnet. Nach Art des Trennprinzips oder des Trägermaterials unterscheidet man u. a. Ionenaustausch- und Papierchromatografie, nach der experimentellen Anordnung Säulen- und Dünnschichtchromatografie. Manche Trennungen werden in der Gasphase (Gaschromatografie) oder unter erhöhtem Druck (Hochdruckflüssigchromatografie, HPLC) durchgeführt. Mit einem Gel als stationärer Phase werden die Moleküle nach ihrer Größe getrennt (Gelchromatografie).

Teilchenbeschleuniger

Teilchenbeschleuniger oder Akzelerator ist eine Sammelbezeichnung für Geräte und Anlagen, in denen elektrisch geladene Teilchen (v. a. Elektronen, Protonen und ihre Antiteilchen sowie Atomkerne und Ionen) auf sehr hohe Energien (heute bis zu mehreren 1 000 GeV) beschleunigt werden und dadurch Kern- und Elementarteilchenreaktionen auslösen können. Dabei entsteht Brems- sowie Synchrotronstrahlung, zum Teil auch bestimmte Elementarteilchenstrahlen, die man u. a. für analytische Anwendungen nutzt. Die Beschleunigung erfolgt grundsätzlich durch elektrische Felder, die auf die Ladungen der Teilchen wirken.
Nach Form der Teilchenbahnen unterscheidet man Linearbeschleuniger und Kreisbeschleuniger (Ringbeschleuniger, Zirkularbeschleuniger), bei denen magnetische und elektrische Felder die Teilchen auf kreisförmigen Bahnen beschleunigen. Große Teilchenbeschleunigeranlagen, in denen Teilchen verschiedener Ladungen auf ringförmigen (Speicherringe) oder linearen Bahnen diametral gegeneinander geführt und zur Kollision gebracht werden, nennt man auch Collider. Die wichtigsten Kreisbeschleuniger für Elektronen sind das Betatron, das Mikrotron und das Elektronensynchrotron (Synchrotron), für Protonen, schwerere Atomkerne und Ionen das Zyklotron, das Synchrozyklotron und das Protonensynchrotron. ‒ Teilchenbeschleuniger haben v. a. in der Grundlagenforschung der Kern- und Elementarteilchenphysik große Bedeutung. Sie werden außerdem u. a. zur Herstellung von Radionukliden (z. B. in der Schwerionenforschung), in der Medizin zur Strahlentherapie und in der Technik zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eingesetzt.

Wichtige große Teilchenbeschleuniger und Speicherringanlagen befinden sich in Westeuropa am Europäischen Laboratorium für Teilchenphysik (CERN) bei Genf und am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) bei Hamburg, in Russland bei Serpuchow am Forschungsinstitut für Elementarteilchenphysik sowie in Nowosibirsk am Institut für Kernphysik, in Japan am Nationalen Laboratorium für Hochenergiephysik in Tsukuba und in den USA am Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL) in Batavia (Illinois), am Brookhaven National Laboratory (BNL) in Brookhaven (New York), an der Cornell University in Ithaca (New York) sowie am Stanford Linear Accelerator Center (SLAC).

Röntgenstrahlung

Bei den Röntgenstrahlen handelt es sich um eine elektromagnetische Strahlung mit kürzeren Wellenlängen als das Licht. Sie unterscheidet sich von den Gammastrahlen und dem elektromagnetischen Bestandteil der kosmischen Strahlung nur durch die Entstehungsweise. Röntgenstrahlen sind unsichtbar, erzeugen Fluoreszenz, schwärzen Fotoplatten und können Atome ionisieren. Ähnlich Lichtstrahlen zeigen sie Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz und Polarisation, haben aber im Unterschied zum Licht ein hohes Durchdringungsvermögen für die meisten Stoffe. Die Röntgenstrahlung setzt sich zusammen aus der Bremsstrahlung, die beim plötzlichen Abbremsen schneller Elektronen beim Aufprall auf Materie entsteht (Ablenkung der Teilchen im elektrischen Feld der Atomkerne), und der charakteristischen Röntgenstrahlung (Eigenstrahlung, Röntgenfluoreszenzstrahlung) der Atome. Diese entsteht, wenn die kernnächsten, inneren Elektronen der Atomhülle angeregt wurden und von dem angeregten in einen energetisch tiefer liegenden Zustand zurückfallen. Die Bremsstrahlung zeigt ein kontinuierliches Spektrum, die charakteristischen Röntgenstrahlen sind Strahlen einer bestimmten Wellenlänge, im Spektrum deshalb als einzelne Linien erkennbar. Die Linien werden danach benannt, welche innere Schale beim jeweiligen Elektronenübergang »aufgefüllt« wird (K, L, M, N, … ), das K-Spektrum z. B. entsteht als Folge des Elektronenüberganges von höheren Schalen in die K-Schale. Die Frequenz der charakteristischen Röntgenstrahlen verschiebt sich nach dem Moseley-Gesetz (Moseley) mit steigender Ordnungszahl des emittierenden Atoms in den kurzwelligen Bereich. Auf Materie auftreffende Röntgenstrahlung kann Elektronen herauslösen (Röntgenfotoeffekt) oder wiederum neue Röntgenstrahlen erzeugen (sekundäre Röntgenstrahlen).

Einteilung und Anwendung:

Technisch werden Röntgenstrahlen meist mit Röntgenröhren erzeugt, wobei man ultraweiche (Wellenlängen > 1 nm), weiche (1‒0,1 nm), harte (0,1‒0,01 nm) und ultraharte (< 0,01 nm) Röntgenstrahlen unterscheidet. Die Röntgenstrahlen überschneiden sich am langwelligen Ende des Spektrums mit der UV-Strahlung Röntgen-UV (< 100 nm), bei kurzen Wellenlängen mit der Gammastrahlung. Sehr viel kurzwelligere (härtere) Röntgenstrahlen lassen sich mit Elektronenbeschleunigern (bis etwa 10-7 nm) erzeugen (Synchrotronstrahlung). Technisch nutzt man die Röntgenstrahlen v. a. in der Medizin, Metallurgie, Kristallografie und chemischen Analytik. Die für verschiedene Stoffe unterschiedliche Durchdringungsfähigkeit der Röntgenstrahlen wird besonders für medizinische Zwecke (Röntgenuntersuchung, Strahlenschäden, Strahlentherapie) und zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung angewandt. Weitere Verfahren zur Strukturuntersuchung sind u. a. Röntgenstrukturanalyse, Röntgenspektroskopie und Röntgenmikroskopie. ‒ Der Umgang mit Röntgenstrahlen unterliegt den Verordnungen des Strahlenschutzes. Zur Bestimmung der Dosis (Dosisleistung) von Röntgenstrahlen dienen Dosimeter.