Prinzipien der Bildgebung: konventionelles Röntgen

Das konventionelle Röntgen beruht auf der Nutzung von X-Strahlung die im deutschen Sprachgebrauch Röntgenstrahlung genannt wird und durch den Elektronenbeschuss eins Atoms entsteht. Die Elektronen werden an einer Kathode (meist Wolfram) durch eine starke Aufheizung erzeugt und beschleunigt und treffen dann auf die Anode (meist Wolfram und Rhenium). Dabei werden im kernnahen Bereich der Anodenatome durch die eintreffenden und energiereichen Elektronen, Hüllenelektronen aus ihrer Position herausgeschlagen. Die freien Elektronenplätze werden dann von benachbarten Elektronen eingenommen, wobei die einspringenden Elektronen aus einer Position mit höherem Energieniveau in eine Position mit niedrigerem Energieniveau fallen. Die dabei freiwerdende Energie wird als Strahlung abgegeben. Diese Strahlung wird charakteristische Röntgenstrahlung genannt, da jedes Element in dieser Situation eine eigene charakteristische Strahlung abgibt. Weiterhin entsteht bei dem obigen Vorgang eine zweite Strahlungsart, die Röntgenbremsstrahlung, bei der elektromagnetische Strahlung durch Abbremsung und Ablenkung von Elektronen durch benachbarte Atomkerne entsteht. Ihre Charakteristik hängt dabei nicht vom Material ab, sondern von der Energie und Geschwindigkeit der Elektronen. Es ist vor allem diese Bremsstrahlung, die heute während einer Röntgenuntersuchung genutzt wird. Die Röntgenstrahlung hat die Eigenschaft Gewebe und Luft zu durchdringen und wird von dem durchdrungenen Gewebe, je nach dessen Dichte, abgeschwächt. Die Abschwächung der Röntgenstrahlung ist bedingt durch Streuung und Absorption. Bei der Streuung wird die Strahlung an den Elektronenhüllen oder an den Atomkernen in eine andere Richtung abgelenkt und erreicht somit nicht mehr den Röntgenfilm. Bei der Absorption erregt die eintreffende Strahlung Elektronen in der Hülle der Atome des durchstrahlten Gewebes oder schlägt Elektronen heraus. Dadurch geht Energie verloren und die Strahlung wird abgeschwächt. Je Dichter ein Gewebe ist, desto stärker ist der obige Prozess zu beobachten und desto weniger Röntgenstrahlung durchdringt das Gewebe. Diese Abschwächung macht man sich zu Nutze, um das Röntgenbild zu generieren, indem die Intensität der Strahlung während einer Röntgenaufnahme phototechnisch aufgenommen wird. Während einer Röntgenaufnahme wird die Intensität der auftreffenden Strahlung von digitalen Rezeptorsystemen oder einem Photofilm aufgenommen und in ein Bild verarbeitet. In diesem werden die dichten Gewebe hell dargestellt und die weniger dichten dunkel. Ein Röntgenbild stellt dabei je nach Strahlengang die kumulative Dichte der durchleuchteten Gewebe dar und ermöglicht es nicht, die Dichte einer einzigen, isolierten Gewebsschicht darzustellen.

Für eine Röntgenaufnahme ist die Belichtung eines Röntgenfilmes notwendig. Dieser kann entweder aus einem digitalen Rezeptorsystem bestehen oder aus einem lichtempfindlichen Photofilm.

Bei dem digitalen Rezeptorsystem wird die eintreffende Röntgenstrahlung entweder in sichtbares Licht umgewandelt welches dann mithilfe einer digitalen Photozelle registriert wird oder die Röntgenstrahlung wir direkt in einen elektrischen Impuls umgewandelt, der dann von einen Detektor erfasst und registriert wird. Hierfür sind verschiedene Verfahren und Methoden verfügbar und im klinischen Gebrauch.

Ein Zwischenschritt zwischen dem rein digitalen Röntgen und dem klassischen Röntgen mit einem Photofilm ist die Nutzung einer photosensiblen Speicherplatte. Hierbei wird durch die Röntgenstrahlung eine phosphoreszierende Substanz angeregt. Diese Anregung oder dieses Phosphoreszieren bleibt nach der „Belichtung“ über mehrere Stunden bestehen und kann nach der Aufnahme durch ein Lasersystem abgelesen und somit der Film „entwickelt“ und in ein digitales Bild umgewandelt werden. Die Speicherplatte kann im Folgenden nach Abklingen des Phosphoreszierens wiederverwendet werden.

Das digitale Röntgen wird meist zusammen mit einer digitalen Bildpräsentation auf einem Bildschirm verwendet. Die Bilder können ebenfalls digital mithilfe eines „Picture Archiving and Communication System“ = PACS Systems gespeichert oder verschickt werden. Eine digitale Bildpräsentation ermöglicht es ebenfalls nach der tatsächlichen Aufnahme die Belichtung oder den Kontrast zu verändern und somit die Aufnahme und die damit durchgeführte Diagnostik zu optimieren oder zu verbessern. Diese Bearbeitung erfolgt mit speziellen Bildverarbeitungssystemen und Befundungsprogrammen und erlaubt eine bessere Nutzung und verbesserte Diagnostik im Vergleich zum klassischen Röntgen. Das digitale Röntgen erlaubt ebenfalls eine Verringerung der Strahlenbelastung, da sensiblere Photorezeptoren genutzt werden können, welche ein geringere Beleuchtung und damit geringer Strahlenstärke brauchen. Außerdem können qualitativ unzureichende Bilder digital verbessert werden ohne eine erneute Aufnahme machen zu müssen.

Beim klassischen Röntgenfilm wird ein Photofilm mithilfe der Röntgenstrahlung beleuchtet. Der Röntgenfilm besteht aus dem lichtempfindlichen Photofilm und Verstärkerfolien die sich vor und hinter dem Photofilm befinden. Der Photofilm selber wird nur im geringen Masse durch die direkte Röntgenstrahlung belichtet. Der Hauptteil der Belichtung entsteht durch die Nutzung der Verstärkerfolien. Die Verstärkerfolien bestehen aus Leuchtstoffen, welche die Röntgenstrahlung absorbieren und dabei die resorbierte Energie in Licht umwandeln. Dieses Licht kann dann seinerseits den Photofilm belichten. Durch diesen Prozess kann die Strahlendosis, welche für eine Röntgenaufnahme notwendig ist, reduziert werden. Der Prozess führt aber gleichzeitig zu einem Streuungseffekt und damit zu einer gewissen Unschärfe, da bei der Lichtverstärkung auch benachbarte Bereiche belichtet werden. Der belichtete Film muss dann nach der Aufnahme wie ein normaler klassischer Photofilm entwickelt werden.

Eine Variation des konventionellen Röntgens ist die Durchleuchtungsuntersuchung (Fluoroskopie) mithilfe eines Bildverstärkers. Bei dieser Untersuchung wird kein Film für die Aufnahme genutzt, sondern ein Bildrezeptor und Bildverarbeitungssystem, welcher die Möglichkeit hat bewegte Bilder in Echtzeit auf einem Bildschirm darzustellen. Dabei wird das empfangene Röntgensignal elektronisch verstärkt (Bildverstärker) um eine bessere Darstellung zu erzielen und gleichzeitig mit einer möglichst geringen Strahlendosis zu arbeiten. Durch die Bildverarbeitung stellen sich in der Durchleuchtung die strahlenabsorbierenden Strukturen dunkel dar, also als Negativbild des konventionellen Röntgen. Auch bei der Durchleuchtung werden heutzutage digitale Systeme benutzt, zum Teil in Form von Flachdetektoren. Die Durchleuchtung wird vor allem bei dynamischen Untersuchungen und bildgesteuerten Eingriffen genutzt, wie zum Beispiel bei endoskopischen Eingriffen am oberen Harntrakt. Durch die zum Teil langen Durchleuchtungszeiten während dieser Eingriffe kann es zu erheblichen Strahlenbelastungen kommen (Tab. 1). Im Prinzip lassen sich mit der Durchleuchtung die gleichen Aufnahmen durchführen, wie mit der konventionellen Röntgenaufnahme, die Aufnahmequalität und die Auflösung ist jedoch qualitativ minderwertiger und erlaubt nicht die gleiche Befundungsgüte wie eine konventionelle Röntgenaufnahme. Die Möglichkeit der Echtzeitdarstellung, als auch die Möglichkeit des kontinuierlichen Röntgenbildes, ist jedoch ein entscheidender Vorteil gegenüber dem konventionellen Röntgen, wenn dynamische oder intraoperative Untersuchungen oder bildgesteuerte Eingriffe durchgeführt werden müssen (Miller et al. 2007).

Die elektromagnetische Strahlung des Röntgens ist ionisierende Strahlung und erzeugt Radikale, die dann wiederum im durchstrahltem menschlichen Gewebe und deren Zellen zu Strangbrüchen in der DNS und oxidativen Basenänderung führen können. Dies wiederum führt zu Mutationen. Die Strahlenbelastung und somit das Risiko für Mutationen, die für einen Patienten während einer Röntgenuntersuchung entsteht, wird üblicherweise in Sievert (Sv) angegeben und ist abhängig von der Geräteeinstellung und dem untersuchten Organ bzw. Körperabschnitt. Die Einheit Sv entspricht der biologischen Wirkung (Äquivalenzdosis) der Strahlung, die von der Strahlenenergie (in Gray [Gy]) und der Strahlungsart (z. B.: α-Strahlung, β-Strahlung, γ-Strahlung, …) abhängt und die mutagene Wirkung im untersuchten Gewebe ausdrückt. Tab. 1 zeigt eine Auflistung der Strahlenbelastung je nach Röntgenuntersuchung.

Eine fundierte Kenntnis der verschiedenen Funktionen einer Röntgenanlage oder Durchleuchtungsanlage, eine strenge Indikationsstellung für eine Röntgenuntersuchung und eine systematische und strikte Anwendung der Empfehlungen des Strahlenschutzes helfen, die Strahlenbelastung für Patienten und Untersucher maßgeblich zu vermindern und die Strahlenbelastung so gering wie möglich zu halten. Auf die Notwendigkeit des Strahlenschutzes und die zugrundeliegenden Maßnahmen kann in diesem Buche aufgrund des hierfür notwendigen Umfanges nicht eingegangen werde. Hierfür empfehlen wir die einschlägige Literatur heranzuziehen und die gesetzlich vorgeschriebenen Fortbildungen zu nutzen.

Heutzutage wird die digitale Röntgenuntersuchung als Standard angesehen und hat das analoge Röntgen weitgehend ersetzt. Wie bereits oben erwähnt, ermöglicht sie eine geringere Strahlenbelastung als das konventionelle Verfahren und die Bilder können nachträglich bearbeitet werden, um die diagnostische Aussagekraft der Röntgenaufnahme zu erhöhen. Beim urologischen Röntgen werden verschiedene Röntgenstrahlrichtungen genutzt. Der häufigste ist die anteriore-posteriore (ap) Aufnahme, wobei der Strahlengang von anterior oder ventral nach posterior oder dorsal erfolgt. Weitere Strahlengänge sind der laterale Strahlengang oder der quere Strahlengang. Diese Aufnahmen erflogen meist in Kombination mit der ap-Aufnahme, um, je nach Indikation, die Lokalisation einer Struktur im dreidimensionalen Raum darzustellen. Eine zusätzliche Möglichkeit, mehr Details über eine bestimmte Struktur innerhalb des Körpers zu gewinnen, ist die sogenannte Schichtaufnahme. Bei dieser wird die Strahlenquelle und der Photorezeptor gegensätzlich verschoben, so dass eine bestimmte Zone in einem definierten Abstand zur Röhre und Photorezeptor im Fokus der Aufnahme bleibt, während die Gewebsschichten oberhalb und unterhalb des Fokus verwischt und nicht dargestellt werden. Dieses Verfahren ermöglicht bessere Aussagen zum Beispiel bezüglich der Lokalisation eins Nierensteines. Das Verfahren der konventionellen Schichtaufnahme ist heute weitgehend von der Computertomographie abgelöst worden.

Wird eine Röntgenaufnahme des Abdomens ohne Einsatz eines Röntgenkontrastmittels durchgeführt spricht man von einer Nativaufnahme oder Abdomenleeraufnahme oder Abdomenübersichtsaufnahme (Abb. 1). Die Abdomenübersichtsaufnahme besteht aus einer Röntgenaufnahme von den Zwerchfellkuppeln kranial bis zum Beckenboden kaudal. Die häufigsten Indikationen für eine Abdomenübersichtsaufnahme in der urologischen Diagnostik sind der Nachweis bzw. Ausschluss von röntgendichten Konkrementen im Bereich der Nieren und ableitenden Harnwege, der Lagekontrolle von inneren Schienen oder Fistelkathetern oder der Nachweis von röntgendichten Fremdkörpern in Projektion auf den Urogenitalbereich oder die Beurteilung von Darmgasverteilung.

Während einer Röntgenaufnahme kann bei Bedarf Röntgenkontrastmittel eingesetzt werden. Diese Röntgenkontrastmittel beruhen auf einer Iodlösung, die entweder intravenös oder intrakavitär injiziert werden kann. Da ein Röntgenkontrastmittel eine hohe Dichte aufweist, absorbiert es Röntgenstrahlen und ist somit in der Röntgenuntersuchung sichtbar. Bei der intravenösen Kontrastmittelgabe ist auf eine Röntgenkontrastmittelunverträglichkeit oder -Allergie zu achten. Eine Kontrastmittelgabe kann eine bestehende kompensierte Niereninsuffizienz verschlechtern. Als beteiligte Mechanismen werden hier ein prolongierter Einfluss des Kontrastmittels auf die Vasokonstriktion, die Bildung freier Sauerstoffradikale und eine direkte Toxizität auf die Nierentubuli angesehen. Die Toxizität ist bei Gebrauch von hochosmolaren Kontrastmitteln erhöht. Der Einfluss der Kontrastmittel auf die Nierenfunktion ist abhängig von der vorliegenden Nierenfunktion (normal oder vermindert) als auch von der Menge des verabreichten Kontrastmittels. Bei einer bestehenden schweren Niereninsuffizienz sollte von einer Kontrastmittelgabe abgesehen werden. Bei einer mittelgradigen Niereninsuffizienz muss im Einzelfall über die Möglichkeit einer Kontrastmittelgabe entschieden werden. Durch eine verstärkte Hydrierung vor und nach der Kontrastmittelgabe kann die Ausscheidung des Kontrastmittels verbessert werden und seine Nephrotoxizität vermindert oder vermieden werden. Bei bekannter Kontrastmittelallergie kann eine Vorbehandlung mit Antihistaminika und Kortison erfolgen, bei schwerer Unverträglichkeit, sollte von einer intravenösen Gabe abgesehen werden. In der Urologie kann das Röntgenkontrastmittel auf zweifache Art eingesetzt werden.

Kontrastmittel kann in der Urologie intravenös verabreicht werden um ein sogenanntes i.v. Urogramm oder Ausscheidungurogramm durchzuführen. Bei einer intravenösen Injektion wird das Kontrastmittel im Blutkreislauf verteilt und gelangt dann über die Nierenarterien in die Nieren, über die es dann ausgeschieden wird. Nachdem das Kontrastmittel intravenös injiziert wurde, liegt nach ca. 30–100 sec. die sogenannte nephrografische Phase an. In dieser Phase befindet sich das Kontrastmittel im Bereich des Nierenparenchyms, ohne dass bereits eine Ausscheidung über die Glomeruli erfolgte. Ca. zwei Minuten nach der Injektion beginnt die sogenannte Ausscheidungsphase, in welcher das Kontrastmittel nach der Filtration in den Glomeruli über die Tubuli in die Nierenkelche ausgeschieden wird. Während dieser Phase werden mehrere Aufnahmen gemacht (z. B.: 3–5‘, 7–10‘). In Abhängigkeit von der klinischen Fragestellung können ggf. Spätaufnahmen indiziert sein (z. B.: 14‘, 30‘, …). Das ausgeschiedene Kontrastmittel erlaubt die Darstellung der Nierenbeckenkelche, Kelchhälse, des Nierenbeckens und im Folgenden des Harnleiters. Das Kontrastmittel wird mit Hilfe der normalen Ureterperistaltik über den Harnleiter in die Harnblase transportiert. Das i.v. Urogramm erlaubt somit eine nicht invasive Kontrastmitteldarstellung des gesamten Harntraktes. Aufgrund der diagnostischen Genauigkeit der Nativ-CT-Untersuchungen und Sonographie ist die Indikation für die Durchführung eines i.v.-Urogramms in den letzten Jahren deutlich zurückgegangen.

Die zweite Form der Kontrastmittelnutzung in der Urologie ist die intrakavitäre Injektion, welche zur Darstellung von Hohlorganen dient. Dies wird vor allem zur Darstellung des Harntraktes genutzt (Nierenbecken, Harnleiter, Blase und Harnröhre). Je nach Indikation und notwendigen Bildkontrast, kann dabei das Kontrastmittel unverdünnt oder verdünnt eingesetzt werden. Dabei unterscheidet man je nach Kontrastmittelfluss während der Injektion die antegrade Darstellung und die retrograde Darstellung.

Bei der antegraden Kontrastmitteldarstellung erfolgt der Fluss des Kontrastmittels nach der Injektion in Flussrichtung des Urins, das heißt von der Niere über den Harnleiter in die Blase oder von der Blase über die Harnröhre zur Ausscheidung. Somit ist bei dieser Untersuchung ein perkutaner Zugang zur Niere notwendig (zum Beispiel Nierenfistel) um ein antegrades Pyelogramm oder Ureterogramm durchzuführen oder ein perkutaner Zugang zur Blase (zum Beispiel Cystostomie) um eine antegrade Darstellung der Harnröhre durchzuführen.

Bei der retrograden Kontrastmitteldarstellung erfolgt der Fluss des Kontrastmittels nach der Injektion entgegen der Flussrichtung des Urins, das heißt von der blasenseitigen distalen Harnleiteröffnung über den Harnleiter zur Niere oder von der äußeren Harnröhrenöffnung über die Harnröhre zur Blase. Somit sind bei der retrograden Kontrastmitteldarstellung des oberen Harntraktes ein endoskopischer Zugang zur Blase und eine distale Harnleiterkatheterisierung notwendig. Bei der retrograden Darstellung erfolgt nach zystoskopischer Beurteilung der Blase das Sondieren des Harnleiterostiums mit einem Harnleiterkatheter. Über diesen kann eine seitengetrennte Urindiagnostik erfolgen und retrograd das Hohlsystem kontrastiert werden. Grundsätzlich muss eine Keimeinschwemmung während dieser Untersuchung vermieden werden, welche durch die Drucksteigerung im Hohlsystem hervorgerufen werden kann und im Folgenden eine Urosepsis auslösen kann.