Was ist Röntgenstrahlung:

Röntgenstrahlung ist eine energiereiche elektromagnetische Strahlung ähnlich der Radiowellen oder UV-Strahlung, wobei letztere deutlich weniger energiereich sind.
Röntgenstrahlen entstehen durch Beschleunigung geladener Teilchen (meistens Elektronen) oder durch hochenergetische Übergänge in den Elektronenhüllen. Beide Effekte werden beim Röntgen ausgenutzt, wobei Elektronen zunächst beschleunigt werden (dabei setzen sie keine Röntgenstrahlung frei, weil die Beschleunigung nicht groß genug ist) und anschließend auf einen Metallblock treffen, in dem sie stark abgebremst werden (hierbei entsteht Röntgenstrahlung: sog. Bremsstrahlung) und Elektronen aus den Schalen der Metallatome herausschlagen. Die Löcher in den Schalen werden durch andere Elektronen aufgefüllt, wobei Röntgenstrahlung mit einer elementspezifischen Energie entsteht (Charakteristische Röntgenstrahlung).

Röntgenstrahlung entsteht nicht nur in Röntgenröhren sondern auch in Fernsehröhren, in Monitoren oder als Bremsstrahlung in Beschleunigern. Natürliche Strahlungsquellen sind die sog. “Schwarzen Löcher” im All.

Eine Röntgenröhre besteht in der Regel aus einem evakuierten Glaskolben. In den Kolben ist eine Kathode mit einem darüber befindlichen sog. Wehneltzylinder sowie gegenüber eine Anode eingeschmolzen. Bei den medizinischen Röntgenröhren ist die Anode drehbar und besteht aus einer Legierung aus Wolfram und Rhenium. Die Drehung des Anodentellers erfolgt mittels eines Rotors, der sich auf der Tellerachse innerhalb des Kolbens befindet und einem außerhalb angebrachten Stator. Die Drehfrequenz kann bis zu 10 000 Umdrehungen pro Minute betragen. Aufgrund der Drehung des Anodentellers wird die einige Millisekunden dauernde und bis zu ca. 100 kW starke Leistung besser verteilt. Der Wehneltzylinder dient der Bündelung der aus der beheizten Kathode austretenden Elektronen.

Zwischen Kathode und Anode wird bei Diagnostikröhren mittels eines Hochspannungs-Generators eine Hochspannung von ca. 25 kV-35kV (Mammagrafie), 45-120kV (diagnostische Radiografie) oder 110- 150 kV (CT) angelegt, wobei die Kathode eine negative Spannung gegenüber der Anode besitzt.

Aufbau und Funktion einer Röntgenröhre

Wechselwirkung der Röntgenstrahlung mit der Materie

Röntgenstrahlen können Materie durchdringen. Sie werden dabei je nach Stoffart unterschiedlich stark geschwächt. Die Schwächung der Röntgenstrahlen ist der wichtigste Faktor bei der Bilderzeugung. Die Intensität des Röntgenstrahls nimmt mit der im Material zurückgelegten Weglänge  exponentiell ab. Die Schwächung ist dabei proportional der Wellenlänge des Röntgenstrahls und der Ordnungszahl der durchdrungenen Materie.

Die Absorption ist eine Summe der Photoabsorption und der Compton-Streuung:

Bei der Photoabsorption schlägt das ein Elektron aus der Elektronenhülle eines Atoms. Dafür ist eine bestimmte Mindestenergie notwendig.

Außer an stark gebundenen Elektronen wie bei der Photoabsorption kann ein Röntgen-Photon auch an ungebundenen oder schwach gebundenen Elektronen gestreut werden. Diesen Prozess nennt man Compton-Streuung. Die Photonen erfahren durch die Streuung eine vom Streuwinkel abhängige Verlängerung der Wellenlänge um einen festen Betrag und damit einen Energieverlust. Im Verhältnis zur Photoabsorption tritt die Compton-Streuung erst bei hohen Photonen-Energie und vor allem bei leichten Atomen in den Vordergrund.

Unter einer künstlichen Strahlenexposition, umgangssprachlich als Strahlenbelastung bezeichnet, versteht man die aus künstlichen Strahlenquellen herrührende Strahlenexposition, der die Menschen ausgesetzt sind.

In der Bundesrepublik Deutschland beträgt sie im Mittel pro Jahr 2,026 mSv .

Von diesen 2,026 mSv entstammen ca. 2 mSv pro Jahr allein aus der medizinischen Röntgendiagnostik und ein kleiner Anteil aus der Nuklearmedizin und Strahlentherapie.

Biologische Wechselwirkung der Röntgenstrahlung:

Grundprinzip der biologischen Strahlenschäden ist die Veränderung der DNA-Struktur. Ein Großteil der Schäden kann die Zelle reparieren. Die irreparablen Schäden können auf der einen Seite den Zelltod zur Folge haben  (man spricht in solchen Fällen von nichtstochastischen oder deterministischen Strahlenschäden), oder aber die Zelle besteht mit verändertem Erbgut weiter und behält die Fähigkeit zur Teilung. Die daraus resultierenden Transformationen oder Mutationen sind die sogenannten stochastischen Strahlenschäden.

Nichtstochastische Strahlenschäden:

Dies ist der weitaus häufigere biologische Strahleneffekt. Der natürliche Prozeß des Zelltodes (sog. Apoptose) wird durch die Strahlung potenziert. Damit gerät das natürliche Gleichgewicht zwischen Zelltod und Zellerneuerung aus den Fugen. Dieser Effekt ist dosisabhängig und wird zum Beispiel in der Strahlentherapie bösartier Erkrankungen erfolgreich medizinisch genutzt.
Die Palette der Symptome reicht von einfachen Hautrötungen (Erythem), der akuten Strahlenkrankheit über fibröse Spätschäden bis zu Krebsentwicklungen oder Schäden am ungeborenen Kind bei Bestrahlung in utero.
Symptome der ersten Phase der Strahlenkrankheit sind: Appetitlosigkeit, Mattigkeit, Nervosität, Reizbarkeit, Kopfschmerzen, leichte Temperaturerhöhung und insb. Übelkeit und Erbrechen, Symptome der zweiten Phase: Fieber, Geschwüre im Mund- und Rachenbereich, blutig-schleimige Durchfälle, Haarausfall, innere Blutungen und Spontanblutungen an den Schleimhäuten, starke Anfälligkeit gegenüber Infektionen.
In welcher Stärke die Symptome auftreten und wie lange die Krankheit bis zur Ausheilung oder zum Tod anhält, hängt von der applizierten Strahlendosis ab. Ausgelöst werden solche Erkrankungen aber erst ab einer Ganzkörperdosis von 0,5 bis 1 Sv (zwei Röntgenaufnahmen der Lunge machen zusammen eine Teilkörperdosis von 0,1mSv oder 0,0001 Sv, vgl. auch Abschnitte Strahlenschutz und Strahlendosis)..

Biologische Wirkung nach Strahlendosis (statistische Werte aus der Hiroshima-Nagasaki-Studie und amerikanischer Atomwaffentests)

0,05 bis 0,2 Sv Spätfolgen: Krebs, Erbgutveränderungen

0,2 bis 0,5 Sv keine Symptome; nur klinisch feststellbare Reduzierung der roten Blutkörperchen=

0,5 bis 1 Sv leichter Strahlenkater mit, temporäre Sterilität beim Mann

1 bis 2 Sv leichte Strahlenkrankheit, 10% Todesfälle nach 30 Tagen erhöhtes Infektionsrisiko. Temporäre Sterilität beim Mann ist die Regel.

2 bis 3 Sv schwere Strahlenkrankheit, 35% Todesfälle nach 30 Tagen, Verlust von weißen Blutkörperchen. Bei Frauen beginnt das Auftreten permanenter Sterilität. Die Genesung dauert einen bis mehrere Monate.

3 bis 4 Sv schwere Strahlenkrankheit, 50% Todesfälle nach 30 Tagen, unkontrollierte Blutungen

4 bis 6 Sv akute Strahlenkrankheit, 60% Todesfälle nach 30 Tagen. Bei Frauen iAuftreten permanenter Sterilität. Die Genesung dauert mehrere Monate bis zu einem Jahr.

6 bis 10 Sv akute Strahlenkrankheit, 100% Todesfälle nach 14 Tagen. Die Überlebenschance kommt auf den Einsatz medizinischer Intensivversorgung an. Das Knochenmark ist nahezu oder vollständig zerstört, Magen- und Darmgewebe ist schwer geschädigt.

10 bis 20 Sv akute Strahlenkrankheit, 100% Todesfälle nach 7 Tagen. Spontane Symptome innerhalb von 5 bis 30 Minuten. . Eine Therapie besteht nur noch aus dem Stillen der Schmerzen

20 bis 50 Sv akute Strahlenkrankheit, 100% Todesfälle nach 3 Tagen ansonsten wie bei "10 bis 20 Sv"

über 50 Sv Sofortige Desorientierung und Koma innerhalb von Sekunden oder Minuten. Der Tod tritt in wenigen Stunden durch völliges Versagen des Nervensystmes ein.

über 80 Sv Die U.S. Streitkräfte rechnen bei einer Dosis von 80 Sv schneller Neutronenstrahlung mit einem sofortigen Eintritt des Todes.

Stochastische Strahlenschäden

Stochastische Strahlenschäden bezeichnen die Transformationen der betroffenen Zellen und sind entscheidend für die Abschätzung des Gesundheitsrisikos geringer Strahlendosen. Der Schaden selbst ist dabei nicht proportional zur Dosisi, vielmehr bestimmt die Dosis die Wahrscheinlichkeit des Eintrittes eines Schadens.
Oder anders herum: nicht das Maß der Bösartigkeit einer Erkrankung hängt nicht von der Dosis ab, sondern die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer wie auch immer gearteten Mutation.

Die gesundheitlichen Risiken der Röntgendiagnostik beruhen auf solchen stochastischen Strahlenschäden. Darüber hinaus ist das teratogene Risiko für das ungeborene Leben zu beachten.

Bei einer Dosis von 1 mSv pro Jahr (das entspricht der mittleren natürlichen Ganzkörper-Strahlenexposition für jeden Erdenbürger) wird jede Zelle etwa ein bis zwei mal im Jahr von der Strahlung getroffen. Dabei werden hauptsächlich Radikale gebildet. Die Strahlung kann aber auch unmittelbar DNS-Schäden durch direkten Energieeintrag auf diese Moleküle erzeugen. Auf beiden Wegen zusammen entsteht im Mittel etwa ein DNS-Schaden pro Strahlentreffer auf eine Zelle. Auf den Tag umgerechnet verursacht eine Strahlung im Bereich der natürlichen Exposition daher in jeder Zelle etwa 5 x 10^-3 (0,005) DNS-Schäden.

Die Erfolgsquote der Reparatur von strahlenverursachten DNS-Schäden liegt etwa um den Faktor 20 unter der Erfolgsquote der Reparatur von stoffwechselbedingten Schäden. Im Bereich der natürlichen Strahlenexposition misslingt die Reparatur also in etwa 10^-5 (0,000 01) Fällen pro Tag. Die nachgeschaltete Stufe der Eliminierung ist wieder für beide Schadensursachen gleich. Die Strahlung verursacht also insgesamt ca. 10^-7 (0,000 000 1) bleibende Mutationen pro Zelle und Tag, etwa zehn Millionen mal weniger als der Stoffwechsel.

Krebs und Strahlen

Das Verhältnis der Mutationsraten macht klar, warum im Bereich kleiner Dosen keine Zunahme der Krebshäufigkeit mit zunehmender Strahlung gefunden wird. Angesichts der stark unterschiedlichen Schädigungsraten kann im Bereich kleiner Dosen die nützliche Wirkung sehr wohl größer sein als die schädliche Wirkung. Daraus ergibt sich dann eine insgesamt reduzierte Krebshäufigkeit. Erst wenn bei höheren Dosen die Reparatursysteme überfordert werden, nimmt die Gesamtzahl der Krebserkrankungen wieder zu. Der Effekt der möglichen Krebsreduktion bei kleinen Dosen wird als "Hormesis" bezeichnet. Seine Existenz ist trotz vielfacher Beobachtungen wissenschaftlich umstritten, passt aber in das generelle Bild, wie sich das Leben auf ständige Herausforderungen einstellt. Strahlung ist eine ständig vorhandene Herausforderung und war bei Entstehung des Lebens und Entwicklung höherer Formen sogar größer als sie heute ist. Möglicherweise ist das Leben daher auf höhere Strahlenpegel optimiert.

Erbschäden und Strahlung

Bleibend geschädigte Körperzellen können zu Krebs führen, bleibend geschädigte Keimzellen zu Erbkrankheiten und anderen Schäden in der Nachkommenschaft. Aber auch hier ist das kein Muss, sondern ein Können, da die Natur auch hier noch nachgelagerte Systeme zum Ausmerzen solcher Fehler vorgesehen hat. Es gilt heute als gesichert, dass das Krebsrisiko von Strahlen höher einzuschätzen ist als das Risiko von Erbschäden.

Kleine Dosen regen an

Niedrige Dosen ionisierender Strahlung verursachen nicht nur Zellschädigungen, sondern - zumindest unter bestimmten Bedingungen - auch eine Stimulierung der Reparatur- und Eliminierungsprozesse. Unter Umständen ergibt sich ein insgesamt gesundheitlich positiver Effekt der Strahlung, d. h. mit Strahlung gibt es weniger Krebserkrankungen (und vielleicht auch weniger Erbschäden) als ohne Strahlung. Dieser Effekt wird als "Hormesis" bezeichnet. Er ist nicht bewiesen, und um seine Existenz tobt ein erbitterter wissenschaftlicher Streit, aber eine ganze Reihe von Beobachtungen sprechen sehr wohl für ihn (Ebensowenig bewiesen ist übrigens umgekehrt, die biologische Wirkung hoher Strahlendosen einfach auf die entsprechende – geringere – Gefährlichkeit niedriger Strahlendosen herunterzurechnen, obwohl bei diesen ein schädlicher Effekte noch nie festgestellt werden konnten: sog. lineare Dosis-Wirkungs-Beziehung ohne Schwellenwert).

Zusammenfassend lässt sich resümieren:
Das Risiko durch diagnostische Strahlenanwendung an Krebs zu erkranken ist theoretisch vorhanden, in der Praxis aber verschwindend klein. Das ergibt sich sowohl aus den Beobachtungen des Geschehens im menschlichen Körper nach Strahleneinwirkung als auch aus den Statistiken von Personengruppen, die erhöhter Strahlung ausgesetzt waren.