Inhaltsverzeichnis

I

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis .......................................................................................................... I Abbildungsverzeichnis ................................................................................................ IV Tabellenverzeichnis ..................................................................................................... VI Formelzeichenverzeichnis .......................................................................................... VII 1

Einleitung ....................................................................................................... 1

2

Grundlagen der Röntgendiagnostik............................................................. 3

2.1

Entstehung der Röntgenstrahlung ................................................................... 3

2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3

Aufbau und Technik von Röntgenstrahlern ...................................................... 4 Allgemein ........................................................................................................ 4 Dentales Tubusgerät ....................................................................................... 6 Dentales Panoramaschichtgerät...................................................................... 8

2.3 2.3.1 2.3.2

Aufnahmesysteme........................................................................................... 9 Analoge Aufnahmesysteme ............................................................................. 9 Digitale Aufnahmesysteme ............................................................................ 11

2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4

Bildgüte ......................................................................................................... 13 Zeichenschärfe .............................................................................................. 13 Räumliches Auflösungsvermögen ................................................................. 14 Bildkontrast ................................................................................................... 15 Bildrauschen ................................................................................................. 15

2.5

Ausbreitung und Wechselwirkung von Röntgenstrahlung .............................. 16

2.6

Biologische Strahlenwirkung ......................................................................... 18

3

Grundlagen zum Strahlenschutz ................................................................ 21

3.1 3.1.1 3.1.2

Dosisgrößen .................................................................................................. 21 Physikalische Dosisgrößen ........................................................................... 21 Dosisgrößen im Strahlenschutz ..................................................................... 22

3.2 3.2.1 3.2.2

Strahlungsmessung....................................................................................... 25 Ionisationskammern ...................................................................................... 25 Halbleiterdetektoren ...................................................................................... 26

II

Inhaltsverzeichnis

3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4

Rechtliche Grundlagen.................................................................................. 27 Allgemein ...................................................................................................... 27 Strahlenschutzverantwortlicher und -beauftragter ......................................... 28 Beruflich strahlenexponierte Personen .......................................................... 28 Strahlenschutzbereiche................................................................................. 29

4

Einrichtung eines Strahlenschutzbereichs ............................................... 31

4.1

Röntgengerät SIRIUX und digitales Aufnahmesystem .................................. 31

4.2 4.2.1 4.2.2

Strahlenschutzanforderungen der RöV und DIN 6812................................... 32 Allgemeine Regeln ........................................................................................ 33 Bemessung der erforderlichen Abschirmungen ............................................. 34

4.3 4.3.1 4.3.2

Umsetzung der DIN 6812 .............................................................................. 41 Ermittlung der Schutzschichtdicke................................................................. 41 Einrichtung und Ausbau zum Strahlenschutzbereich .................................... 47

5

Zulassung und Überprüfung der Röntgengeräte ...................................... 51

5.1 5.1.1 5.1.2

Rechtliche Grundlagen.................................................................................. 51 Inverkehrbringen von Medizinprodukten........................................................ 51 Inbetriebnahme von Röntgengeräten ............................................................ 53

5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3

Zulassung, Anzeige und Inbetriebnahme des Röntgengerätes SIRIUX......... 54 Konformitätserklärung/CE-Kennzeichnung .................................................... 54 Anzeige der Inbetriebnahme der Röntgeneinrichtung.................................... 55 Erstellung der erforderlichen Dokumente ...................................................... 56

5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3

Prüfungen ..................................................................................................... 58 Prüfmittel....................................................................................................... 58 Werksüberprüfung des Röntgengerätes SIRIUX nach DIN 6868-151 ........... 60 Durchführung der Abnahmeprüfungen nach DIN 6868-151........................... 62

6

Zusammenfassung ..................................................................................... 65

Literaturverzeichnis .................................................................................................... 67 Anlagen ………………………………………………………………………………………A-1 Anlagen, Teil 1 ........................................................................................................... A-3 Anlagen, Teil 2 ........................................................................................................... A-9 Abmessungen des Strahlenschutzraumes ................................................................... A-9 Veranschaulichung der Strahlungsrichtung ................................................................ A-10 Dokumentation Strahlenschutzraum .......................................................................... A-11

Inhaltsverzeichnis

III

Anlagen, Teil 3 ......................................................................................................... A-13 Konformitätserklärung für das Röntgengerät SIRIUX .................................................A-13 Prüfprotokoll der Sachverständigenprüfung ................................................................A-14 Strahlenschutzanweisung...........................................................................................A-16 Mitarbeiterunterweisung .............................................................................................A-20 Arbeitsanweisung .......................................................................................................A-21 Checkliste zur Abnahmeprüfung nach DIN 6868-151 .................................................A-22 Abnahmeprüfung nach DIN 6868-151 ........................................................................A-25 Benennung des Strahlenschutzbeauftragten ..............................................................A-27 Sicherheitstechnische Kontrolle am intraoralen Röntgengerät ....................................A-33 Verfahrensanweisung für den Bereich Röntgen .........................................................A-35 Anlagen, Teil 4 ......................................................................................................... A-39 Dokumentation der Abnahmeprüfung .........................................................................A-39 Prüfprotokoll Abnahmeprüfung ...................................................................................A-41 Selbstständigkeitserklärung .................................................................................. A-43

IV

Abbildungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Aufbau eines Röntgenstrahlers ................................................................... 4 Abbildung 2: Darstellung der Tiefenblende im Strahlengang und des eingeblendeten Lichtvisiers ....................................................................................................................... 6 Abbildung 3: Prinzip der intraoralen Radiographie ........................................................... 7 Abbildung

4:

Typisches

Panoramaschichtgerät

(links);

Darstellung

einer

Panoramaaufnahme (rechts) ............................................................................................ 8 Abbildung 5: Aufbau eines Röntgenbildverstärkers ......................................................... 10 Abbildung 6: Aufbau eines Flachdetektors mit direkter Konversion ................................ 12 Abbildung 7: Aufbau eines Flachdetektors mit indirekter Konversion ............................. 12 Abbildung 8: Vergleich zwischen punktförmigem und ausgedehntem Brennfleck............ 14 Abbildung 9: Darstellung zur Definition des räumlichen Auflösungsvermögens............... 15 Abbildung 10: Schematische Darstellung des Abstandsquadratgesetzes ....................... 16 Abbildung 11: Schematische Darstellung des Photoeffekts ............................................ 17 Abbildung 12: Schematische Darstellung des Compton-Effekts ...................................... 18 Abbildung 13: Prinzipieller Aufbau einer Ionisationskammer .......................................... 26 Abbildung 14: Tubusgerät der Firma Ritter Concept GmbH ............................................ 31 Abbildung 15: Umgebungs-Äquivalentdosisausbeute ..................................................... 40 Abbildung 16: Nomineller Schwächungsfaktor ................................................................ 40 Abbildung 17: Abmessungen und Einteilung des Strahlenschutzraumes ........................ 48

Abbildungsverzeichnis

V

Abbildung 18: Multimeter MagicMax Sensor und USB der Firma IBA Dosimetry zur Messung von Röntgenröhrenspannung, Dosis, Dosisleistung, Expositionszeit und Halbwertsschichtdicke ..................................................................................................... 59 Abbildung

19:

Prüfanordnung

für

die

Werksüberprüfung/Abnahmeprüfung

des

Röntgengerätes SIRIUX .................................................................................................. 60 Abbildung

20:

Ausgangszustand

des

Strahlenschutzbereiches

(links);

Strahlenschutzbereich nach Trockenbauarbeiten der Firma Akustik- und Trockenbau Bukall Chemnitz GmbH (rechts) ...................................................................................... 11 Abbildung 21: Strahlenschutzbereich nach Montage der Türen, Streichen der Wände und Anbringen der Warnschilder (links); Strahlenschutzbereich, eingerichtet mit Schreibtisch, PC und Röntgengerät (rechts) ......................................................................................... 11 Abbildung 22: Prüfungsaufbau bei der Messung von Filterung und Expositionszeit (links); Prüfungsaufbau

bei

der

Messung

der

Bildempfängerdosis

und

der

Röntgenröhrenspannung (rechts) .................................................................................... 39 Abbildung 23: Ermittlung des Linienpaar-Auflösungsvermögen und des MinimalKontrastes durch Aufnahme des Linienpaarrasters und der Kontrastelemente mittels eines CCD-Sensors und der Panther DS Software von Ritter Concept GmbH.......................... 39 Abbildung 24: Software-Oberfläche bei der Messung der Filterung und der Expositionszeit mittels des Multimeters MagicMax der Firma IBA Dosimetry GmbH ................................ 40 Abbildung 25: Software-Oberfläche bei der Messung der Bildempfängerdosis mittels des Multimeters MagicMax der Firma IBA Dosimetry GmbH .................................................. 40

VI

Tabellenverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Typische technische Daten von Tubusgeräten ................................................. 7 Tabelle 2: Typisch technische Daten von Panoramaschichtgeräten .................................. 9 Tabelle 3: Zahlenwerte des Strahlungs-Wichtungsfaktors .............................................. 24 Tabelle 4: Zahlenwerte des Gewebe-Wichtungsfaktors .................................................. 25 Tabelle 5: Technische Daten des intraoralen Röntgengerätes SIRIUX ........................... 32 Tabelle 6: Kategorien der zu schützenden Aufenthaltsplätze und Grenzwerte für die effektive Dosis von Personen an den zu schützenden Aufenthaltsplätzen ...................... 33 Tabelle

7:

Bleischichtdicken

gegen

Störstrahlung

beim

Betrieb

von

dentalen

Tubusgeräten.................................................................................................................. 35 Tabelle

8:

Bleischichtdicken

gegen

Störstrahlung

beim

Betrieb

von

dentalen

Panoramaschichtgeräten ................................................................................................ 36 Tabelle 9: Konstanten zur Gleichung (17) ...................................................................... 37 Tabelle 10: Ausbeutekoeffizient für Streustrahlung ......................................................... 38 Tabelle 11: „Gehäusedurchlassstrahlungs“- Faktor ......................................................... 39 Tabelle 12: Aufenthaltsfaktor .......................................................................................... 39

Formelzeichenverzeichnis

VII

Formelzeichenverzeichnis

Abstand des Mittelpunktes des Streukörpers vom Brennfleck des Röntgenstrahlers 1

x Meter Abstand des Mittelpunktes des Streukörpers vom Brennfleck des Tubusgerätes Abstand des Mittelpunktes des Streukörper vom Brennfleck des Panoramaschichtgerätes Breite des Brennflecks , , ,

Konstanten zur Ermittlung der Schutzdicke Energiedosis Energiedosis im Weichteilgewebe

,

Organ-Energiedosis ( - Art des Körperteils; - Strahlungsqualität) „die Summe der Anfangswerte der kinetischen Energien aller geladener Teilchen, die von indirekt ionisierender Strahlung aus dem Material in einem Volumenelement

freigesetzt werden“ [17, S. 4]

Massenelement des bestrahlten Mediums Volumenelement ̅

mittlere lokal absorbierte Energie der ionisierenden Strahlung vom Massenelement Effektive Dosis Schwächungsfaktor

."

.", .",

#,"

#." , #." ,

Schwächungsfaktor für Streustrahlung am zu schützenden Aufenthaltsplatz Schwächungsfaktor für Streustrahlung bei Tubusgeräten Schwächungsfaktor für Streustrahlung bei Panoramaschichtgeräten Schwächungsfaktor für Störstrahlung Schwächungsfaktor für Störstrahlung bei Tubusgeräten Schwächungsfaktor für Störstrahlung bei Panoramaschichtgeräten

.$

nomineller Schwächungsfaktor für Nutzstrahlung im Bezugsabstand von

.$,

nomineller Schwächungsfaktor für Nutzstrahlung bei Tubusgeräten

%& = 1

VIII .$,

Formelzeichenverzeichnis nomineller Schwächungsfaktor für Nutzstrahlung bei Panoramaschichtgeräten

."

nomineller Schwächungsfaktor für Streustrahlung im Bezugsabstand von (& = 1

Film-Fokus-Abstand )

*+

Film-Objekt-Abstand Faktor zu Umrechnung des Schwächungsfaktors für Streustrahlung in den für Störstrahlung

*,

Ausbeutekoeffizient für Streustrahlung

-

-.,

-/ ∗ 1103

∗ -/& 1103

Äquivalentdosis Umgebungs-Äquivalentdosisausbeute Umgebungs-Äquivalentdosisleistung mit Abschirmung Umgebungs-Äquivalentdosisleistung ohne Abschirmung

-/

."

Ortsdosisleistung der Streustrahlung am zu schützenden Aufenthaltsplatz

-

,

Organdosis

-/4 5

ohne Abschirmung

Ortsdosisleistung der Nutzstrahlung am zu schützenden Arbeitsplatz Röntgenröhrenstromstärke

5

Röntgenröhrenstromstärke des Tubusgerätes

6

Intensität der Röntgenstrahlung

5

61%3 6& 6 6

7

Röntgenröhrenstromstärke des Panoramaschichtgerätes

Intensität der Röntgenstrahlung nach Materiedurchgang Intensität der Röntgenstrahlung vor Materiedurchgang Intensität der Röntgenstrahlung in einem Meter Abstand Intensität der Röntgenstrahlung in x Metern Abstand Kerma

8

Anzahl der auf dem Bildempfänger einfallenden Röntgenquanten pro

9

Anzahl der Aufnahmen mit Tubusgerät

:

Qualitätsfaktor

9

(

(&

;A

innere Unschärfe

>

Röntgenröhrenspannung des Tubusgerätes

>&

100 B

>

Röntgenröhrenspannung des Panoramaschichtgerätes

C

Betriebsbelastung

C

Betriebsbelastung des Tubusgerätes

D

Strahlungs-Wichtungsfaktor

C

Betriebsbelastung des Panoramaschichtgerätes

D

Gewebe-Wichtungsfaktor

%

Dicke des Materials

%E % %

%&

%F@ %F@ G

G& J

Schutzschichtdicke eines Materials Bleischichtdicke 1

,& , ,

Bezugsabstand 1

vom Brennfleck des Röntgenstrahlers

erforderliche Betonschutzdicke beim Tubusgerät erforderliche Betonschutzdicke beim Panoramaschichtgerät Filterdicke des Kupferfilters 1

HI

Ordnungszahl des Targetmaterials

K

Wirkungsgrad einer Röntgenröhre

L&

Dichte des Materials M 1 N

L O

linearer Schwächungskoeffizient

Einleitung

1

1 Einleitung

Röntgen ist in der Zahnmedizin als diagnostisches Verfahren nicht wegzudenken. Mittels Röntgenaufnahmen können oberflächlich nicht sichtbare Strukturen, Veränderungen und Erkrankungen von Zähnen, Zahnfleisch und Knochen frühzeitig erkannt werden. Weiterhin können Informationen zur Lage der Zähne zueinander und zum Zustand der Zahnwurzeln gewonnen werden. Die Ritter Concept GmbH, 1887 gegründet, mit dem Hauptsitz in Zwönitz gehört zu den führenden Herstellern von dentalen Behandlungseinheiten und widmet sich nun auch der Herstellung von dentalen Röntgengeräten. Das dentale Röntgengerät SIRIUX wurde von der Ritter Concept GmbH entwickelt und dient der Untersuchung von einzelnen Zähnen oder Zahngruppen. Dieses Röntgengerät soll in Verkehr gebracht werden. Des Weiteren soll jedes hergestellte Röntgengerät einer Werksüberprüfung unterzogen werden. Im Rahmen des Masterprojektes war es die Aufgabe, sich mit den Anforderungen und Voraussetzungen für das Inverkehrbringen eines Medizinproduktes auseinander zu setzen. Um Werksüberprüfungen durchführen zu können, war es außerdem das Ziel des Masterprojektes, einen Strahlenschutzbereich zur Überprüfung des Röntgengerätes SIRIUX und zur Messung strahlenschutztechnischer Parameter einzurichten, um eine Strahlenexposition der allgemeinen Bevölkerung und Mitarbeiter der Firma Ritter Concept GmbH zu vermeiden. Die Masterarbeit ist wie folgt gegliedert: Am Anfang der Masterarbeit stehen die Grundlagen der Röntgendiagnostik im Vordergrund. Es werden unter anderem die Entstehung, Ausbreitung, Wechselwirkung und biologische Strahlenwirkung der Röntgenstrahlung, der Aufbau von Röntgenstrahlern sowie von Aufnahme- und Bildsystemen und die Bildgüteparameter erläutert. Im Anschluss werden die Grundlagen zum Strahlenschutz behandelt. Dabei werden die rechtlichen Grundlagen des Strahlenschutzes dargelegt. Es werden physikalische Dosisgrößen und Dosisgrößen im Strahlenschutz definiert und zwei Gerätetypen zur Strahlungsmessung beschrieben. Im vierten Kapitel steht die Einrichtung des Strahlenschutzbereiches im Firmengebäude der Ritter Concept GmbH im Mittelpunkt. Das neue Röntgengerät SIRIUX und das dazu gehörige Aufnahmesystem werden vorgestellt. Des Weiteren setzt sich dieses Kapitel mit den Strahlenschutzanforderungen der Röntgenverordnung und der DIN 6812 auseinander. Die Umsetzung der Strahlenschutzanforderungen und der Ausbau der räumlichen Gegebenheiten zum Strahlenschutzbereich werden erläutert.

2

Einleitung

Im anschließenden Kapitel werden die rechtlichen Grundlagen und Voraussetzungen zum Inverkehrbringen des Medizinproduktes SIRIUX dargelegt. Der erforderliche Prüfungsinhalt einer Werksüberprüfung wird beschrieben und veranschaulicht. Am Ende der Masterarbeit werden die Ergebnisse zusammengefasst und es wird ein Fazit gezogen.

Grundlagen der Röntgendiagnostik

3

2 Grundlagen der Röntgendiagnostik

In diesem Kapitel werden die wesentlichen Grundlagen für diese Masterarbeit bezüglich der Röntgendiagnostik erläutert. Es wird unter anderem auf die Entstehung, Ausbreitung und Wechselwirkung von Röntgenstrahlen und die Gerätetechnik eines Röntgenstrahlers und von Aufnahmesystemen eingegangen. Im Kapitel Gerätetechnik werden speziell die dentalen Röntgenstrahler Tubusgerät und Panoramaschichtgerät beschrieben.

2.1 Entstehung der Röntgenstrahlung Röntgenstrahlung ist eine elektromagnetische Strahlung hoher Energie und umfasst einen Wellenlängenbereich von 10-8 m bis 10-13 m [2, S. 322]. Sie entsteht durch die Wechselwirkung energiereicher Elektronen mit Materie und kann mittels einer Röntgenröhre erzeugt werden. Die Röntgenröhre besteht hauptsächlich aus einer Glühkathode und einer Anode (Target). Die Glühwendel der Kathode wird dabei durch einen elektrischen Strom erhitzt und dampft infolgedessen Elektronen ab. Diese Elektronen werden, durch die zwischen Kathode und Anode anliegende Hochspannung, in Richtung der Anode beschleunigt. Beim Aufprall der Elektronen auf das Target können folgende Wechselwirkungen auftreten: Bei den inelastischen Zusammenstößen der Elektronen mit den äußeren Hüllenelektronen der Targetatome können die Atome angeregt und ionisiert werden. Beim Durchgang durch Materie erleiden die Elektronen dabei Energieverluste, welche in vielen Einzelschritten erfolgen. Die abgegebene Energie wird letzten Endes in Wärme umgewandelt. Trifft ein Elektron auf ein inneres Hüllenelektron der Targetatome, so wird über einen unelastischen Stoß ein Teil der Energie des Elektrons auf das Hüllenelektron übertragen. Das Hüllenelektron wird herausgeschlagen. Das entstehende Elektronenloch wird durch ein weiter außen liegendes Elektron ersetzt. Durch den Übergang von einem höherenergetischen in einen niederenergetischen Zustand wird die überschüssige Energie in Form eines Röntgenquants abgegeben. Da diese Röntgenquanten nur diskrete Energiewerte besitzen, die durch das jeweilige Targetmaterial bestimmt werden, bezeichnet man diese Strahlung als charakteristische Röntgenstrahlung. Es ergibt sich ein Linienspektrum. Die beschleunigten Elektronen können des Weiteren mit dem elektrischen Feld der Atomkerne der Targetatome wechselwirken. Die Elektronen werden dabei abgebremst, abgelenkt und geben ihre „überschüssige“ Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung ab. Diese wird als Bremsstrahlung bezeichnet. Die Bremsstrahlung hat, im Gegensatz zur charakteristischen Röntgenstrahlung, ein kontinuierliches Spektrum.

4

Grundlagen der Röntgendiagnostik

Der Wirkungsgrad K einer Röntgenröhre lässt sich wie folgt abschätzen: K ≈ 1,1 ∙ 10RS

1 ∙J∙> B

( 1 ), [9, S. 19]

Dabei ist > die Röhrenspannung in Kilovolt und J die Ordnungszahl des Targetmaterials. Der Wirkungsgrad von Röntgenröhren liegt in der Größenordnung von nur 1 %. Die restliche Energie wird in Form von Wärme abgegeben, wodurch eine effektive Kühlung notwendig ist. [7, 9]

2.2 Aufbau und Technik von Röntgenstrahlern 2.2.1 Allgemein Röntgenstrahler setzen sich aus einer Röntgenröhre, einem Kühlsystem, dem Schutzgehäuse, einem Strahlungsfilter, der Tiefenblende und den elektrischen Zuführungen für die Hochspannung und die Kathodenheizung zusammen (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: Aufbau eines Röntgenstrahlers [26]

Die Röntgenröhre ist ein abgedichteter Glaskolben, in dessen Inneren ein Vakuum herrscht. In dieser befinden sich die Kathode und die Anode (Target). Die Kathode besteht aus einer heizbaren Glühwendel, welche von einem kleinen metallischen Zylinder, dem Wehneltzylinder, umgeben ist. Der Wehneltzylinder liegt auf negativem Potential und dient der Fokussierung der Elektronenstrahlen.

Grundlagen der Röntgendiagnostik

5

Bei der Anode unterscheidet man zwischen einer Steh- und einer Drehanode. Stehanoden bestehen aus einer in Kupfer eingeschmolzenen Wolframplatte und werden hauptsächlich in den Geräten eingesetzt, bei denen geringe Röntgenintensitäten und damit kleine Röhrenströme verwendet werden. Die Wärmeabfuhr dieser Anoden ist jedoch sehr ineffektiv, wodurch die Strahlungsleistung eingeschränkt wird. Drehanoden finden bei Röntgenröhren mit sehr hohen Röntgenintensitäten und Röhrenströmen Anwendung. Heutzutage werden hauptsächlich Verbundanoden, bestehend aus einem Target aus Wolfram-Rhenium und einem Anodenteller aus Molybdän, eingesetzt. Die durch das Elektronenbombardement entstehende Wärme wird zum einen durch die Anodenumdrehung „abgeführt“. Zum anderen wird durch die Sandwichbauweise die Wärmeaufnahme und Wärmeverteilung begünstigt. Die Fläche des Targets, die vom Elektronenstrahl getroffen wird, wird als tatsächlicher Brennfleck bezeichnet. Um eine möglichst gute Strahlausbeute und eine räumliche Verteilung der entstehenden Wärme zu erreichen, sollte ein möglichst großer tatsächlicher Brennfleck erzielt werden. In der Röntgendiagnostik ist jedoch der effektive Brennfleck von Bedeutung. Dieser ergibt sich aus der Projektion des tatsächlichen Brennflecks längs der Verbindungslinie Brennfleck – Objekt – Bildebene. Der effektive Brennfleck sollte möglichst klein sein, um eine gute Bildschärfe zu erhalten. Um einen großen tatsächlichen Brennfleck und einen kleinen effektiven Brennfleck zu erzielen, wird die Anodenfläche mit einem Winkel von 7° bis 20° abgeschrägt (Strichfokusprinzip). Der Anodenwinkel befindet sich dabei zwischen Anodenoberfläche und Vertikale. Um die von der Röntgenröhre erzeugte Strahlung außerhalb des Nutzstrahlenfeldes abzuschirmen, befindet sich die Röntgenröhre in einem Schutzgehäuse mit einer Bleiinnenauskleidung. Das Gehäuse dient außerdem dem mechanischen Schutz der Röntgenröhre, dem Hochspannungsschutz und der Befestigung elektrischer Zuleitungen. Das Schutzgehäuse kann mit Öl gefüllt sein, wodurch eine Kühlung erzielt wird. Im Strahlenaustrittsfenster des Röntgenstrahlers befinden sich weiterhin Filter, die die niederenergetische (weiche) Röntgenstrahlung herausfiltern. Diese Strahlung trägt nur zur Strahlenexposition des Menschen bei, aber nicht zur Bildgebung. Bei der Filterung unterscheidet man zwischen der Eigenfilterung durch das Target und durch das Strahlenaustrittsfenster und der Zusatzfilterung, welche zusätzlich in den Strahlengang eingesetzt werden kann. Die Filterung bewirkt eine Erhöhung der mittleren Energie der Röntgenstrahlung und eine Reduzierung der Gesamtstrahlungsintensität erlangt. Des Weiteren wird in den Strahlengang der Röntgenstrahlung eine Tiefenblende aus Blei gebracht, welche die laterale Ausdehnung des Strahlenfeldes in x- und y-Richtung bestimmt (siehe Abbildung 2). Mit Hilfe der Tiefenblende wird zum einen die Streustrahlung reduziert, wodurch der Bildkontrast erhöht wird. Zum anderen kann mittels der Tiefenblende das Strahlenfeld an die Größe der zu untersuchenden Körperregion eingestellt werden, um eine unnötige Patientenstrahlendosis zu verhindern. Durch die Einblendung eines Lichtvisiers lässt sich die Lage und Größe des Strahlenfeldes kontrollieren.

6

Grundlagen der Röntgendiagnostik

Abbildung 2: Darstellung der Tiefenblende im Strahlengang und des eingeblendeten Lichtvisiers [9, S.51]

Zur Erzeugung einer konstanten Hochspannung zwischen Kathode und Anode im Bereich von etwa 20 kV bis 150 kV wird ein Röntgengenerator eingesetzt. Heutzutage werden ausschließlich bei modernen Röntgengeräten Hochfrequenzgeneratoren verwendet. [7] Bei diesen Generatoren wird aus der Netzspannung mittels eines Schwingkreiswechselrichters (Inverter) eine hochfrequente Wechselspannung hergestellt. Diese wird mittels eines Hochspannungstransformators gleichgerichtet und durch einen Kondensator geglättet. [7, 9]

2.2.2 Dentales Tubusgerät Dentale Tubusgeräte sind intraorale Röntgenstrahler, die hauptsächlich aus einem Tubuskopf, einem Bedienelement und einer Fernbedienung bestehen. Der Tubuskopf ist an einem Stativ oder einer Wandhalterung montiert. Die Röntgenröhre befindet sich im Tubuskopf. Die emittierte Röntgenstrahlung wird durch einen 21 cm langen Tubus geführt. Dieser Tubus dient dem Parallelisieren der Röntgenstrahlung und ist vollständig abgeschirmt, um die Streustrahlung zu beseitigen und die Strahlungsqualität zu verbessern. Das intraorale Röntgen wird eingesetzt zur: -

Abbildung des Zahnes und der Zahnwurzel zur Bestimmung der Form, Größe und Lage Erkennung von Entzündungen, Zysten und Geschwülsten an Wurzelspitzen oder im Kieferknochen Feststellung von Kieferbrüchen und Zahnwurzelbrüchen Erkennung von angelegten oder noch nicht durchgebrochenen Weisheitszähnen Feststellung von Mängeln an Kronen und Brücken Kontrolle bei Wurzelbehandlungen und chirurgischen Eingriffen

Grundlagen der Röntgendiagnostik -

7

besseren Diagnose von Karies, besonders zwischen Zahn und Zahnwurzel [32]

Um Aufnahmen zu tätigen, wird der Tubus an den aufzunehmenden Bereich gelegt. Intraoral bedeutet, dass sich das Aufnahmesystem, ein Röntgenfilm oder ein digitaler Sensor, in der Mundhöhle der zu untersuchenden Person befindet. Abbildung 3 veranschaulicht das Prinzip der intraoralen Röntgenaufnahme.

Abbildung 3: Prinzip der intraoralen Radiographie [31]

Typische technische Daten der dentalen Tubusgeräte befinden sich in Tabelle 1. Tabelle 1: Typische technische Daten von Tubusgeräten

Röhrenspannung:

60 – 70 kV

Röhrenstrom:

7 mA

Aufnahme-/Umlaufzeit:

0,01 – 3,2 s

Brennfleckdurchmesser:

0,4 – 0,7 mm

Gesamtfilterung:

1,5 – 2,1 mm Al

2.2.2.1 Aufnahmetechniken mit dem Tubusgerät Bei der intraoralen Radiographie unterscheidet man drei Aufnahmetechniken: die Paralleltechnik, die Halbwinkel- und die Rechtwinkeltechnik. Bei der Paralleltechnik ist der Röntgenfilm oder der Sensor mittels Film- oder Sensorhalter parallel zur Längsachse des Zahnes positioniert (vergleiche Abbildung 3). Der Röntgentubus wird mit Hilfe eines Visierrings parallel zur Führungsschiene, die am Halter befestigt ist, justiert. Ist die Paralleltechnik anatomisch bedingt nicht durchführbar, so wird die Halbwinkeltechnik eingesetzt. Bei der Halbwinkeltechnik muss der Patient den Röntgenfilm bzw. Sensor selbst drucklos in der Mundhöhle halten. Zahnachse und Film-/Sensorachse stehen in einem Winkel zueinander. Der Zentralstrahl wird so ausgerichtet, dass er senkrecht auf der Winkelhalbierenden zwischen Zahn- und Film-/Sensorachse steht. Durch diese Technik entstehen größere Verzerrungen der Bilder als bei den anderen Techniken.

8

Grundlagen der Röntgendiagnostik

Bei der Rechtwinkeltechnik steht der Zentralstrahl senkrecht auf der Film- bzw. Sensorachse. Aufnahmen der Paralleltechnik und der Rechtwinkeltechnik sind im Idealfall miteinander identisch. Des Weiteren können mit dem intraoralen Röntgengerät neben Einzelzahnaufnahmen auch Bissflügel- und Aufbissaufnahmen angefertigt werden. Bei der Bissflügelaufnahme beißt der Patient auf einen Plastikflügel, der am Film bzw. Sensor befestigt ist. Film oder Sensor befindet sich dabei längs zur Zahnachse. Der Zentralstrahl wird senkrecht auf den Film bzw. Sensor justiert. Bissflügelaufnahmen dienen der Abbildung der Kronenbereiche der Ober- oder Unterkieferseitenzähnen und somit zur erweiterten Kariesdiagnostik. Dagegen wird bei der Aufbissaufnahme der Film oder Sensor zwischen den Kauflächen eingeklemmt. Der Röntgenstrahl wird senkrecht zu Film oder Sensor ausgerichtet. Aufbissaufnahmen werden zur Diagnostik von verlagerten Zähnen, überzähligen Zahnanlagen oder von Speichelsteinen eingesetzt. [24, 33, 34, 35]

2.2.3 Dentales Panoramaschichtgerät Dentale Panoramaschichtgeräte, auch als Orthopantomographen oder OPG-Geräte bezeichnet, nutzen die Technologie der Röntgentomographie. Hauptbestandteile des Panoramaschichtgerätes sind eine Aufnahmeeinheit, bestehend aus einer Filmkassette oder einer digitalen Zeilenkamera, und die Röntgenröhre. Die Röntgenröhre sendet ein keilförmiges, senkrechtes Strahlenbündel aus. Die Aufnahmeeinheit und die Röntgenröhre bewegen sich dabei synchron um den Kopf des Patienten. Während die Aufnahmeeinheit von links nach rechts vor dem Patienten einen Halbkreis beschreibt, bewegt sich die Röntgenröhre von rechts nach links hinter dem Patienten. Dabei wird mittels der Röntgentomographie eine gekrümmte, halbellipsenförmige Fläche auf die Filmebene projiziert.

Abbildung 4: Typisches Panoramaschichtgerät, hier von der Firma KaVo Dental GmbH das Gerät Pan eXam (links); Darstellung einer Panoramaaufnahme (rechts) [37]

Grundlagen der Röntgendiagnostik

9

Die Orthopantomographie wird zur Darstellung des Ober- und Unterkiefers des Menschen, der angrenzenden Kieferbereiche, der beiden Kiefergelenke und der Kieferhöhlen genutzt und erlaubt dabei die Diagnostik in den Bereichen der Kariologie, Endodontie, Paradontologie und Oralchirurgie. Dabei ist die Abbildung der Zusammenhänge des Zahnsystems und der umliegenden Gewebe von großem Vorteil. Im Gegensatz zur intraoralen Röntgenaufnahme mit dem Tubusgerät befindet sich bei der Orthopantomographie der Röntgenfilm bzw. –sensor außerhalb der Mundhöhle. Dadurch können Verstärkerfolien genutzt werden, die die Strahlendosis reduzieren können. Für den Patienten ist die Strahlenbelastung bei Panoramaaufnahmen geringer als bei intraoralen Aufnahmen. Jedoch können mit intraoralen Aufnahmen detailgenauere Bilder erzeugt werden als mit Panoramaaufnahmen. [38, 39, 40] Typische technische Daten von Panoramaschichtgeräten befinden sich in Tabelle 2. Tabelle 2: Typisch technische Daten von Panoramaschichtgeräten

Röhrenspannung:

60 – 90 kV

Röhrenstrom:

3 – 16 mA

Aufnahme-/Umlaufzeit:

bis zu 16,1 s

Brennfleckdurchmesser:

0,5 mm

Gesamtfilterung:

> 2,5 mm Al

2.3 Aufnahmesysteme In der Röntgendiagnostik können analoge und digitale Aufnahmesysteme eingesetzt werden.

2.3.1 Analoge Aufnahmesysteme Analoge Aufnahmesysteme umfassen unter anderem die Röntgenfilme, die Film-FolienSysteme und die Röntgenbildverstärker. 2.3.1.1 Röntgenfilm Röntgenfilme bestehen aus einem Schichtträger, der auf beiden Seiten mit einer Haftschicht, einer Emulsion und einer Schutzschicht beschichtet ist. Als Schichtträger wird eine transparente Plastikschicht eingesetzt. Die Emulsionsschicht ist der eigentliche lichtempfindliche Teil des Röntgenfilms. Sie besteht aus Gelatine und Silberhalogensalzen (AgBr, AgI). Trifft Röntgenstrahlung auf den Film, so werden Silberionen zu Silberatomen reduziert und es entstehen winzige, schwarze Silberkeime auf dem Film. Das erzeugte latente Röntgenbild kann durch Entwicklung zu einem permanenten Bild umgewandelt werden. Dabei lagern sich beim Entwickeln weitere Silberteilchen an die Keime an,

10

Grundlagen der Röntgendiagnostik

wodurch kleine Silberkörner entstehen. Durch Hinzugabe eines Fixierers auf den Röntgenfilm wird das überschüssige Silberbromid ausgewaschen und der Film wird haltbar gemacht. Der Zustand des Filmentwicklers beeinflusst dabei maßgeblich die Qualität der Entwicklung, weshalb eine regelmäßige und gründliche Qualitätssicherung notwendig ist. 2.3.1.2 Film-Folien-System Da jedoch nur ein geringer Teil der Röntgenstrahlung mit dem Film wechselwirkt, werden heutzutage meist Film-Folien-Systeme eingesetzt, bei denen zusätzlich zum Film eine Verstärkerfolie hinzugezogen wird. Die Verstärkerfolie besteht aus einer Leuchtschicht. Sie erzeugt aus der Röntgenstrahlung über Lumineszenzeffekte sichtbares Licht, welches dann auf den Röntgenfilm trifft und diesen belichtet. Die Filmschwärzung entsteht dabei durch 5 % Schwärzung durch die Röntgenstrahlung, die direkt im Röntgenfilm wechselwirkt, und 95 % Schwärzung durch das Licht der Verstärkerfolie. Film-Folien-Systeme haben den Vorteil, dass sie gegenüber einem Röntgenfilm die Patientenstrahlendosis um einen Faktor 10 bis 50 herabsetzen können. Die Kontrasterhöhung ist außerdem von Vorteil. Als Nachteil ist die größere Unschärfe als bei Röntgenfilmen zu nennen. 2.3.1.3 Röntgenbildverstärker Der Röntgenbildverstärker ist ein weiteres analoges Aufnahmesystem. Dieser wird in der Durchleuchtung eingesetzt. In Abbildung 5 ist der Aufbau eines Röntgenbildverstärkers dargestellt.

Abbildung 5: Aufbau eines Röntgenbildverstärkers [28]

In diesem wird die einfallende Röntgenstrahlung beim Auftreffen auf dem Leuchtschirm über Lumineszenzeffekte in Licht umgewandelt. Aus dem Licht werden beim Durchdringen der Photokathode Elektronen erzeugt, welche anschließend durch die Anodenspannung in Richtung des Ausgangsleuchtschirms beschleunigt werden. Dort entsteht aus der Elektronenstrahlung ein sichtbares, elektronisches Bild mit hoher Leuchtdichte, welches mittels eines nachgeschaltetem Systems, wie zum Beispiel einer Video- oder CCDKamera, verarbeitet werden kann. Mit Hilfe der Durchleuchtung kann eine Serie von Echtzeitbildern mit Röntgenstrahlung niedriger Intensität erzeugt werden, wodurch Untersu-

Grundlagen der Röntgendiagnostik

11

chungen dynamischer Vorgänge möglich sind. Das Strahlenfeld ist außerdem während der Untersuchung repositionierbar. Der Nachteil von Röntgenbildverstärkern ist, dass der Patient teilweise einer hohen Strahlendosis ausgesetzt sein kann.

2.3.2 Digitale Aufnahmesysteme Heutzutage werden die analogen Röntgenbildaufnahmesysteme immer mehr durch die digitale Aufnahmetechnik ersetzt. Digitale Röntgenaufnahmen bieten zum einen den Vorteil der digitalen Bildverarbeitung und –speicherung. Zum anderen erlauben sie eine Bildbearbeitung am Monitor. Zu den digitalen Aufnahmesystemen zählen unter anderem Speicherfolien und Flachdetektoren. 2.3.2.1 Speicherfolien Speicherfolien sind ähnlich wie Verstärkerfolien aufgebaut. Im Gegensatz zu diesen speichern sie ein latentes Bild, welches mit einem Laserscanner ausgelesen und digitalisiert wird. Speicherfolien bieten den Vorteil, dass die Schwärzungskurve einen großen dynamischen Bereich aufweist und somit die Folien unempfindlicher gegenüber Fehlbelichtungen sind. Die Schwärzungskurve ist eine Dichtekurve, die „den Zusammenhang zwischen der Belichtung und der im Bild resultierenden optischen Dichte [wiedergibt]“ [7]. Des Weiteren entfällt die Filmentwicklung. Von Nachteil ist die relativ umständliche Handhabung, da kein direktes digitales Bild erzeugt wird. 2.3.2.2 Flachdetektoren Bei Flachdetektoren unterscheidet man Detektoren mit direkter und mit indirekter Konversion der Röntgenstrahlung. Im Vergleich zu den Speicherfolien erhält man mit dieser Technik direkt digitale Aufnahmen. Man erlangt mit Flachdetektoren eine bessere Bildqualität bei gleichzeitig geringerer Strahlendosis und es sind Bildaufnahmen mit hoher Rate möglich, was für die Durchleuchtung dynamischer Prozesse von Bedeutung ist. Des Weiteren ist auch bei dieser Technik der große dynamische Bereich von Vorteil. Flachdetektoren mit direkter Konversion bestehen aus einer Elektrode, einem Fotoleiter und einem Array, einer matrixförmigen Anordnung von Detektorelementen, welche sich auf einem Glassubstrat befinden (siehe Abbildung 6). Im Fotoleiter werden beim Auftreffen von Röntgenstrahlung Elektronen-Loch-Paare erzeugt, welche mittels der angelegten Hochspannung separiert werden. Die erzeugten elektrischen Ladungen können mittels der Detektorelemente erfasst werden. Dabei dienen die Elektroden jedes Detektorelements zum Sammeln, der Kondensator zum Speichern und der Dünnschichttransistor zum Auslesen der elektrischen Ladungen. Jedes Detektorelement ergibt einen Bildpunkt. Das Auslesen des Detektors kann mit Hilfe der Dünnfilmtechnologie erfolgen. In der Pra-

12

Grundlagen der Röntgendiagnostik

xis haben die Flachdetektoren mit direkter Konversion jedoch keine wesentliche Bedeutung. [9]

Abbildung 6: Aufbau eines Flachdetektors mit direkter Konversion [5, S.747]

Flachdetektoren mit indirekter Konversion setzen sich aus einer Szintillatorschicht und einer matrixförmigen Anordnung von Detektorelementen, die jeweils aus Photodiode, Kondensator und Transistor bestehen, zusammen (siehe Abbildung 7). Als Szintillatormaterial wird hauptsächlich Cäsiumjodid oder Gadoliniumoxysulfid eingesetzt. Die Photodioden bestehen in der Regel aus amorphem Silizium. Die Röntgenstrahlung wird über die Erzeugung von Licht indirekt erfasst. Dabei wird die Röntgenstrahlung mittels des Szintillators in sichtbares Licht umgewandelt. Anschließend werden aus dem Licht elektrische Ladungen in der Photodiode erzeugt. Der Dünnfilmtransistor liest diese Ladungen aus, welche anschließend vom Kondensator gespeichert werden. Hierbei liefert jedes Matrixelement einen Bildpunkt. Der Detektor wird wiederum mittels Dünnfilmtechnologie ausgelesen. [7, 9]

Abbildung 7: Aufbau eines Flachdetektors mit indirekter Konversion [5, S. 747]

Bei kleinformatigen Röntgenuntersuchungen, wie bei der Mammographie oder dem Dental-Röntgen, gewinnen immer mehr CCD- und CMOS-Systeme an Bedeutung. Bei den CCD-Systemen wird die Szintillatorfläche entweder optisch oder faseroptisch an das CCD-Array gekoppelt. Bei CMOS-Sensoren erfolgt eine optische Ankopplung an den Szintillator. [7]

Grundlagen der Röntgendiagnostik

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CCD-Sensoren (Charged-Coupled Device) und CMOS-Sensoren (Conplementary Metal Oxide Semiconductur) sind Halbleiterdetektoren, die aus einer Matrix an Photodioden bestehen. Trifft Röntgenstrahlung auf den Szintillator, so wird Licht erzeugt, welches anschließend von jeder Photodiode in elektrische Ladungen umgewandelt wird. Die auftreffende Lichtmenge ist dabei proportional zur entstehenden elektrischen Ladung. [41, 42] Zum Auslesen der elektrischen Ladungen beim CCD-Sensor werden die Ladungen (Elektronen) pixelweise von Photodiode zu Photodiode und anschließend zeilenweise verschoben. Dieser Prozess erfolgt bis zum Rand des CCD, an dem sich ein Ausleseverstärker befindet. [41, 42] Im Vergleich zum CCD-Sensor besitzt jeder Pixel beim CMOS-Sensor einen Ausleseverstärker, sodass jede elektrische Ladung noch im Pixel ausgewertet und in die entsprechende Spannung umgewandelt werden kann. Der Vorteil der CMOS-Sensoren ist, dass diese viel schneller ausgelesen werden können als CCD-Sensoren. [41, 42]

2.4 Bildgüte In der Röntgendiagnostik spielt die Güte der Röntgenbilder eine wesentliche Rolle. Diese wird durch das Zusammenwirken mehrerer Bildgüteparameter, zu denen unter anderem die Zeichenschärfe, die räumliche Auflösung, der Bildkontrast und das Bildrauschen zählen, beeinflusst.

2.4.1 Zeichenschärfe Die Zeichenschärfe >?@ ergibt sich aus der geometrischen Unschärfe >? , der inneren Unschärfe >A und der Bewegungsunschärfe > wie folgt: >?@

= >? + >A + >

Durch die Abbildungsgeometrie, die sich aus Brennfleck mit der Breite Film-Abstand )

und den Film-Fokus-Abstand

( 2 ), [9, S. 128] , den Objekt-

zusammensetzt, wird die geometri-

sche Unschärfe beeinflusst. Während punktförmige Brennflecke keine geometrische Unschärfe erzeugen, wird bei ausgedehnten Brennflecken eine geometrische Unschärfe (Halbschatten) der Breite >? verursacht (siehe Abbildung 8).

14

Grundlagen der Röntgendiagnostik

Abbildung 8: Vergleich zwischen punktförmigem und ausgedehntem Brennfleck. Der Halbschatten entspricht der geometrischen Unschärfe [9, S. 130]

Die Breite der geometrischen Unschärfe ergibt sich aus: >? =

− ) )

( 3 ), [9, S. 129]

Aus der Unschärfe des Bildempfängers ergibt sich die innere Unschärfe. Diese wird bei Film-Folien-Systemen auch als Film- und Folienunschärfe bezeichnet. Die innere Unschärfe wird unter anderem bei Filmen durch die Größe der Silberhalogenkristalle und die Dicke der Filmemulsion bei Verstärkerfolien und die Dicke der Leuchtschicht der Verstärkerfolie hervorgerufen. Bei digitalen Systemen wird diese Unschärfe durch den Durchmesser des Detektors und die Anzahl der Detektoren pro mm beeinflusst. Bewegt sich das Aufnahmeobjekt während der Belichtungszeit, so entsteht die Bewegungsunschärfe. Diese ist von der Belichtungszeit, dem Ausmaß und der Art der Bewegung des Objektes abhängig. Durch Reduzierung der Belichtungszeit kann die Bewegungsunschärfe verringert werden. Bei einer geringen Zeichenschärfe wird ein scharf abgegrenztes Objekt im Bild mit einem unscharfen Saum abgebildet. Die Zeichenschärfe wird quantitativ als die Anzahl der Linienpaare je Millimeter (Lp/mm) angegeben [7].

2.4.2 Räumliches Auflösungsvermögen Das Auflösungsvermögen steht in enger Verbindung zur Zeichenschärfe. Es beschreibt den kleinstmöglichen Abstand, bei dem zwei Objekte mit einem bestimmten Abstand zu-

Grundlagen der Röntgendiagnostik

15

einander räumlich getrennt wahrgenommen werden können (siehe Abbildung 9). Die quantitative Größe der Auflösung wird in Linienpaare je Millimeter (Lp/mm) angegeben. Sie kann experimentell mittels eines Linienpaarphantoms bestimmt werden.

Abbildung 9: Darstellung zur Definition des räumlichen Auflösungsvermögens [7, S. 154]

2.4.3 Bildkontrast Der Bildkontrast ist die Abgrenzung einer Struktur von ihrer Umgebung und wird durch die Art des Objektes, die Röntgenröhrenspannung und die Streustrahlung beeinflusst. Bestehen die abzubildenden Strukturen aus Materialien mit sehr unterschiedlichen Ordnungszahlen oder unterschiedlichen Dichten, so kann ein Bild mit hohem Kontrast erzeugt werden. Um einen hohen Bildkontrast zu erhalten, muss außerdem die Streustrahlung minimiert werden. Die Streustrahlung entsteht im Objekt durch die primäre Röntgenstrahlung und ist von der Größe des durchstrahlten Volumens abhängig. Sie kann durch Verwendung eines Streustrahlenrasters, welches zwischen Objekt und Bildempfänger gebracht wird, reduziert werden. Der Nachteil dieser Streustrahlenraster ist jedoch die Notwendigkeit einer höheren Strahlendosis, da zum Teil auch ungestreute Photonen von den Lamellen des Rasters absorbiert werden.

2.4.4 Bildrauschen Das Bildrauschen entsteht durch stochastische Bildsignalschwankungen, die keine Objekteigenschaften widerspiegeln. Das Rauschen kann zu einer Minderung des räumlichen Auflösungsvermögens und des Bildkontrastes führen. Hauptsächlich wird das Bildrauschen durch das Quantenrauschen ausgelöst. Das Quantenrauschen ist von der Intensität der primären Röntgenstrahlung, der Größe des Detektorelements und der Quanteneffizienz abhängig. Zur Angabe der Qualität eines Nutzsignals wird das Signal-RauschVerhältnis hinzugezogen. Dieses Verhältnis ist für die Anwendung in der Röntgendiagnostik wie folgt definiert:

16

Grundlagen der Röntgendiagnostik VWM9 X −

I( Y − Z[YäX;9W( =

Z;ZB;][(WM9 X ~√8 :I 9;Z9[ I( YZ9

( 4 ), [9, S. 137]

Dabei ist 8 die Anzahl der auf dem Bildempfänger einfallenden Röntgenquanten pro Flächeneinheit. Aus der Formel ergibt sich, dass das Signal-Rausch-Verhältnis bei einer höheren Strahlendosis besser ist. [7, 9]

2.5 Ausbreitung und Wechselwirkung von Röntgenstrahlung Röntgenstrahlung breitet sich von einer punktförmigen Quelle divergent im Raum aus. Dabei nimmt die Intensität der Röntgenstrahlung 6 mit dem Abstand zur Quelle nach dem Abstandsquadratgesetz quadratisch ab (siehe auch Abbildung 10): 6~

1

GD.

6 = 6

( 5 ), [9, S. 55]

Abbildung 10: Schematische Darstellung des Abstandsquadratgesetzes [9, S. 56]

Dieses Abstandsquadratgesetz ist sowohl in der Nuklearmedizin als auch in der Strahlentherapie und im Strahlenschutz von großer Bedeutung. Dringt die Röntgenstrahlung in Materie ein, so erfährt sie eine Schwächung. Diese wird durch das Schwächungsgesetz beschrieben: 61%3 = 6& ∙ Z R`∙#

( 6 ), [9, S. 61]

5& und 51%3 entsprechen der Röntgenintensität vor bzw. nach dem Materiedurchgang. % ist die Dicke des Materials und O der lineare Schwächungskoeffizient. Der lineare Schwächungskoeffizient ist dabei von der Röntgenquantenenergie, von der Ordnungszahl und

Grundlagen der Röntgendiagnostik

17

der Dichte der Materie abhängig. Da das Schwächungsgesetz jedoch nur für den Fall der Schmalstrahlgeometrie angewandt werden kann, spielt dieses in der Praxis keine wesentliche Rolle. [9] Die Schwächung der Röntgenstrahlung steigt „grob gesprochen“ mit zunehmender Ordnungszahl, Dichte, Dicke des Materials und mit abnehmender Röntgenstrahlungsenergie. Die Schwächung erfolgt durch Absorption und Streuung der Röntgenstrahlung. Während „bei diagnostischen Energien“ die Absorption durch den Photoeffekt verursacht wird, erfolgt die Streuung im Wesentlichen infolge des Compton-Effekts. Beim Photoeffekt wird ein einfallendes Röntgenquant von einem inneren Hüllenelektron absorbiert, wobei die gesamte Energie des Photons auf das Elektron übertragen wird. Das Elektron wird anschließend aus dem Atom „geschleudert“, wodurch ein Elektronenloch entsteht. Dabei muss das Photon eine Energie besitzen, die mindestens so groß wie die Bindungsenergie des Hüllenelektrons ist, um das Elektron aus dem Atom zu entfernen. Die Abbildung 11 dient der Veranschaulichung des Photoeffekts.

Abbildung 11: Schematische Darstellung des Photoeffekts [25]

Beim Compton-Effekt erfolgt eine Wechselwirkung zwischen dem einfallenden Röntgenquant und einem äußeren Hüllenelektron. Dabei wird ein Teil der Photonenenergie auf das Elektron übertragen. Das Photon wird aus seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt und das Hüllenelektron wird aus dem Atom entfernt. Die abgelenkten Photonen ergeben die Streustrahlung. Der Vorgang des Compton-Effekts wird in Abbildung 12 dargestellt.

18

Grundlagen der Röntgendiagnostik

Abbildung 12: Schematische Darstellung des Compton-Effekts [25]

Neben Photo- und Compton-Effekt können noch weitere Wechselwirkungen zwischen Röntgenstrahlung und Materie, wie zum Beispiel kohärente Streuung, Paarbildungen und Kernphotoreaktionen, auftreten. Diese werden, aufgrund untergeordneter Bedeutung für dieses Masterprojekt, nicht näher erläutert. [9, 10]

2.6 Biologische Strahlenwirkung Biologische Strahlenwirkungen entstehen durch die Energieübertragung der Strahlung auf Körperzellen durch Ionisation und Anregung. Die Wechselwirkung zwischen Strahlung und Zellen wird als ein stochastischer Prozess betrachtet. Dieser kann zur Zellmodifikation oder zur Abtötung von Zellen führen. Bei der biologischen Strahlenwirkung unterscheidet man zwischen den deterministischen Effekten und den stochastischen Effekten. Deterministische Effekte werden durch die Abtötung einer größeren Anzahl von Zellen in Gewebe verursacht. Zu diesen Effekten zählen unter anderem auch der Tod eines Organismus durch eine Ganzkörperbestrahlung und der Funktionsverlust von bestimmten Geweben oder Organen. Deterministische Strahlenschäden können sofort erfolgen. Die Schwere der Schäden nimmt dabei mit steigender Dosis zu. Folgende deterministische Schäden können entstehen: • • •

Akute Frühschäden: Erythem, akute Strahlenkrankheit Spätschäden: fibrotische Gewebsveränderungen, Trübung der Augenlinse, Beeinträchtigung der Fruchtbarkeit Teratogene Effekte: Fehl-/Missbildungen des Kindes während der Schwangerschaft

Bei stochastischen Effekten existieren zwei Arten. Die eine Art kann in somatischen Zellen (Körperzellen) der betroffenen Person Krebs verursachen. Die andere kann in Keimzellen der Fortpflanzungsorgane zu vererbbaren Veränderungen führen. Bei stochasti-

Grundlagen der Röntgendiagnostik

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schen Effekten geht man davon aus, dass sie selbst bei den kleinsten Strahlendosen auftreten können. Stochastische Effekte sind oftmals erst nach Jahren erkennbar. Dabei steigt das Risiko von stochastischen Strahlenschäden mit zunehmender Dosis. Zu stochastischen Effekten gehören unter anderem: • • • •

Zelltransformationen, die zu Krebs führen können Mutationen Erbkrankheiten Teratogene Effekte.

Um die Strahlenexposition von Menschen so gering wie nur möglich zu halten und damit Strahlenschäden zu verhindern, müssen spezielle Maßnahmen für den Strahlenschutz ergriffen werden. Die Thematik des praktischen Strahlenschutzes wird im nächsten Kapitel behandelt. [7]

Grundlagen zum Strahlenschutz

21

3 Grundlagen zum Strahlenschutz

Zur Gewährleistung des Strahlenschutzes ist die Einhaltung bestimmter Regularien erforderlich. Dieses Kapitel setzt sich mit diesen gesetzlichen Vorgaben auseinander. Als Basis für das Unterkapitel „Rechtliche Grundlagen“ wird zuvor auf die physikalischen Dosisgrößen, die Dosisgrößen im Strahlenschutz und die Strahlungsmessung eingegangen.

3.1 Dosisgrößen 3.1.1 Physikalische Dosisgrößen Zur Beschreibung der Wirkung ionisierender Strahlung auf Materie werden die physikalischen Größen Energiedosis und Kerma eingesetzt. Diese Größen besitzen die Einheit Gray: 1 ab = 1

6 BM

( 7 ), [10, S. 67 ]

3.1.1.1 Energiedosis Die Energiedosis ist der Quotient aus der mittleren lokal absorbierten Energie der ionisierenden Strahlung ̅ und dem Massenelement des bestrahlten Mediums mit der Dichte L und dem Volumen . Sie ist wie folgt definiert: ≔

̅

=

1 ∙ L

̅

( 8 ), [17, S. 3]

Die Energiedosis ist vom bestrahlten Medium und vom Strahlungsfeld, welches sich unter anderem aus Strahlungsart, Strahlungsenergie, räumliche Verteilung der Strahlung und dem Teilchenfluss zusammensetzt, abhängig. Sie wird als fundamentale Dosisgröße betrachtet, da im Grunde genommen alle Strahlenwirkungen auf den Menschen von der Absorption von Strahlungsenergie im Gewebe ausgehen. Die Energiedosis ist eine rein mathematische Größe, die sich nur mit großem Aufwand näherungsweise experimentell bestimmen lässt.

22

Grundlagen zum Strahlenschutz

3.1.1.2 Kerma Aus mess- und rechentechnischen Gründen wurde die physikalische Dosisgröße Kerma 7 (kinetic energy released per unit mass) eingeführt. Diese ist definiert durch „die Summe der Anfangswerte der kinetischen Energie aller geladenen Teilchen , die von indirekt ionisierender Strahlung aus dem Material in einem Volumenelement freigesetzt werden“ [17, S. 4], dividiert durch das Massenelement : 7≔

=

1 ∙ L

( 9 ), [17, S. 4]

3.1.2 Dosisgrößen im Strahlenschutz Da im Strahlenschutz die Wirkung ionisierender Strahlung auf Gewebe von großer Bedeutung ist, wurden weitere Dosisgrößen eingeführt, die die biologische Wirkung berücksichtigen. Dabei unterscheidet zwischen operativen Größen und Schutzgrößen. Operative Größen werden für die Orts- und Personendosimetrie verwendet. Ihre gemeinsame Größenart ist die Äquivalentdosis. Operative Größen sind unter anderem die Äquivalentdosis, die Ortsdosis und die Personendosis. Schutzgrößen sind „unmittelbar auf den Körper und einzelne Organe bezogene Dosisgrößen zur Festlegung von Dosisgrenzwerten und daraus abgeleiteten Schutzmaßnahmen“ [17, S. 8]. Für Schutzgrößen, zu denen die Organdosis und die effektive Dosis gehören, wird der Sammelbegriff Körperdosis verwendet. Operative Größen und Schutzgrößen ergeben sich aus Produkten von Energiedosis und strahlenbiologischen Wichtungsfaktoren. Im Gegensatz zu den physikalischen Dosisgrößen wird bei diesen Größen die Einheit Sievert verwendet: 1 Vd = 1

6 BM

( 10 ), [17, S. 8]

3.1.2.1 Äquivalentdosis Die Äquivalentdosis - ist definiert als das Produkt aus der Energiedosis gewebe und dem Qualitätsfaktor :: -≔:∙

im Weichteil-

( 11 ), [17, S. 8]

Grundlagen zum Strahlenschutz

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Der Qualitätsfaktor ist ein Wichtungsfaktor, der in vereinfachter Weise die biologische Wirkung der Strahlung miteinbezieht. Für Photonen- und Elektronenstrahlung aller Energien ist ein Qualitätsfaktor von 1 definiert. Bei allen anderen Strahlungsarten wird der Qualitätsfaktor durch die Art und Energie der Strahlung beeinflusst. 3.1.2.2 Ortsdosis Wird die Äquivalentdosis an einem bestimmten Ort gemessen, so spricht man von der Ortsdosis. Die Ortsdosis wird durch die Größen Umgebungs-Äquivalentdosis - ∗ 1103 und gh3 beschrieben. Die Umgebungs-Äquivalentdosis ist Richtungs-Äquivalentdosis - ∗ 10,07, gΩ die im Strahlenfeld in 10 mm Gewebetiefe gemessene Äquivalentdosis. Die RichtungsÄquivalentdosis entspricht der Äquivalentdosis in 0,07 mm Gewebetiefe und ist mit der Hautdosis gleichzustellen. 3.1.2.3 Personendosis Die Personendosis ist die Äquivalentdosis, die „an der für die Strahlenexposition repräsentativen Stelle der Körperoberfläche“ [17, S.11] gemessen wird. An dieser repräsentativen Stelle wird das Personendosimeter getragen. Die Personendosis wird in die TiefenPersonendosis -= 1103 und die Oberflächen-Personendosis -= 10,073 eingeteilt. Die Tiefen-Personendosis ist die Äquivalentdosis in 10 mm Gewebetiefe, die OberflächenPersonendosis die in 0,07 mm Gewebetiefe, gemessen an der Tragestelle des Personendosimeters. 3.1.2.4 Organdosis Die Organdosis -

,

ist definiert durch das Produkt aus Organ-Energiedosis

Strahlungs-Wichtungsfaktor D :

-

,

≔D ∙

,

,

und dem

(12 ), [17, S. 13]

Die Organ-Energiedosis wird durch die Strahlungsqualität und durch die Art des Körperteils beeinflusst. Der Strahlungs-Wichtungsfaktor ist von der Strahlungsqualität abhängig. Die Strahlungsqualität setzt sich aus Strahlungsart und –energie zusammen. Es gelten die, in Tabelle 3 aufgelisteten, Strahlungs-Wichtungsfaktoren.

24

Grundlagen zum Strahlenschutz

Tabelle 3: Zahlenwerte des Strahlungs-Wichtungsfaktors ij [36]

Bei verschiedenen Strahlungsarten und -qualitäten wird die Summe der Organdosen gebildet: - ≔ k-

,

= kD ∙

,

( 13 ), [17, S. 13]

3.1.2.5 Effektive Dosis Die effektive Dosis ergibt sich aus der Summe der Produkte aus Organdosis - und Gewebe-Wichtungsfaktor D : := kD ∙ -

( 14 ), [17, S. 14]

Unter Einbeziehung der Formel 13 gilt: := kkD ∙ D ∙

,

( 15 ), [17, S. 14]

Anhand der effektiven Dosis kann das Risiko bei einer Strahlenexposition von einzelnen oder mehreren Körperteilen oder vom gesamten Körper abgeschätzt werden. Als Risiko wird die Erkrankung an Krebs und die Schädigung des Erbgutes betrachtet. Der GewebeWichtungsfaktor ist von der Art des Gewebes abhängig und umfasst die relativen Beiträge der einzelnen Gewebe und Organe zu den stochastischen Strahlenwirkungen. Die Gewebe-Wichtungsfaktoren sind in Tabelle 4 definiert.

Grundlagen zum Strahlenschutz

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Tabelle 4: Zahlenwerte des Gewebe-Wichtungsfaktors im [36]

Für alle in diesem Kapitel beschriebenen Dosisgrößen lassen sich die Dosisleistungen ermitteln, indem die Differentialquotienten der Dosen nach der Zeit gebildet werden. [10, 17]

3.2 Strahlungsmessung Grundlage für die Messung von Strahlung ist die Wechselwirkung der Teilchen des Strahlungsfeldes mit dem Detektormaterial. Dabei kann die Strahlung unter anderem durch Effekte, wie Ionisation, Umwandlung in Wärmeenergie, Erzeugung von Lichtquanten oder chemische Reaktionen, nachgewiesen werden. Zu den wichtigsten Strahlungsdetektoren gehören unter anderem Ionisationskammern, Zählrohre, Halbleiter-, Lumineszenzdetektoren, auf chemische Effekte beruhende Detektoren und Kalorimeter. Da die Erläuterung all dieser Strahlungsdetektoren den Umfang dieser Arbeit übersteigen würde, werden nur die, Ionisationskammern und Halbleiterdetektoren beschrieben.

3.2.1 Ionisationskammern Ionisationskammern bestehen im Wesentlichen aus zwei Elektroden, zwischen denen sich ein Gasvolumen befindet (vergleiche Abbildung 13). Dringt direkt ionisierende Strahlung, wie zum Beispiel Alpha-, Beta-, Elektronen- oder Protonenstrahlung, in die Ionisationskammer ein, entstehen durch die Ionisation des Gases Elektron-Ion-Paare. Diese Ladungsträger werden infolge des elektrischen Feldes getrennt, gelangen zur jeweiligen Elektrode und werden dort zur Signalerzeugung gesammelt.

26

Grundlagen zum Strahlenschutz

Abbildung 13: Prinzipieller Aufbau einer Ionisationskammer [1, S. 57]

Gelangt indirekt ionisierende Strahlung, wie zum Beispiel Röntgen- und Gammastrahlung, durch das Gasvolumen, so entstehen hauptsächlich elektrisch geladene Sekundärteilchen in der Wand der Ionisationskammer. Diese Sekundärteilchen führen anschließend zu Ionisationen im Gas. Trifft ein Ladungsträger auf die Elektrode, so wird ein elektrischer Impuls registriert. Bei Einfall mehrerer Ladungsträger wird ein elektrischer Strom gemessen. Dieser entspricht einer bestimmten Dosisleistung, welche über eine entsprechende Kalibrierung des Messgerätes abgelesen werden kann. Ionisationskammern sind durch ein hohes Ansprechvermögen, eine geringe Messunsicherheit und durch eine gute Langzeitstabilität gekennzeichnet. [7, 8, 10]

3.2.2 Halbleiterdetektoren Ein Halbleiterdetektor besteht aus einer Halbleiterdiode, welche sich aus Silizium- oder Germanium zusammensetzt. Die Halbleiterdiode ist in Sperrrichtung geschaltet, wodurch zwischen der p- und der n-leitenden Schicht eine ladungsträgerarme Zone entsteht. Dringt ionisierende Strahlung in diese Zone ein, entstehen Elektron-Loch-Paare, die dann zu den Elektroden wandern und dort als Ladungsimpuls messbar sind. Halbleiterdetektoren haben ein sehr viel höheres Ansprechvermögen und Energieauflösungsvermögen als Ionisationskammern. Sie werden zur Messung von Dosisverteilungen mit hoher Ortsauflösung und in der Spektrometrie von Röntgen- und Gammastrahlung angewandt. [7, 10]

Grundlagen zum Strahlenschutz

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3.3 Rechtliche Grundlagen 3.3.1 Allgemein Grundlage für den Strahlenschutz in Deutschland ist das Atomgesetz, das „Gesetz über die friedliche Verwendung der Kernenergie und den Schutz gegen ihre Gefahren“. Ziel des Atomgesetzes ist der Schutz von „Leben, Gesundheit und Sachgüter vor den Gefahren der Kernenergie und den schädlichen Wirkungen ionisierender Strahlen“[4, S. 349]. Es wird gefordert, dass die „Bundesrepublik Deutschland [ihre internationalen Verpflichtungen] auf dem Gebiet der Kernenergie und des Strahlenschutzes“ [4, S. 349] erfüllt. Das Atomgesetz legt die Zuständigkeiten der Behörden, die Regeln für die Genehmigungspraxis und die Aufgaben der staatlichen Aufsicht fest. Die staatliche Aufsicht wird dabei von den Landesbehörden übernommen. Weitere Regeln für den Strahlenschutz sind außerhalb des Atomgesetzes durch Verordnungen, zu denen unter anderem die Strahlenschutzverordnung (StrlSchV) und die Röntgenverordnung (RöV) gehören, definiert. Die Strahlenschutzverordnung legt Grundsätze und Regeln für den Gebrauch von radioaktiven Stoffen und den Betrieb von Anlagen zur Erzeugung ionisierender Strahlung, die nicht schon in den Geltungsbereich der Röntgenverordnung fallen, fest. Die Röntgenverordnung regelt den Betrieb aller Röntgeneinrichtungen und Störstrahler, die Elektronen mit Energien zwischen 5 keV und 1 MeV erzeugen. Neben den Gesetzen und Verordnungen gelten des Weiteren Verwaltungsvorschriften, Empfehlungen, DIN-Normen und Richtlinien. Diese haben jedoch keine Allgemeinverbindlichkeit, außer sie wurden in den Gesetzen und Verordnungen genannt. Richtlinien, wie zum Beispiel die „Richtlinie Strahlenschutz in der Medizin“, „werden in Übereinkunft mit Landesbehörden von der obersten für den Strahlenschutz zuständigen Bundesbehörde erlassen“[4, S. 350] und legen konkrete Anforderungen an den Strahlenschutz fest. Ziel ist ein „einheitliches Vorgehen der zuständigen Behörden und der mit dem Strahlenschutz befassten Verwaltungen“ [4, S. 350]. DIN-Normen stehen für den aktuellen Stand der Technik. Sie werden von nichtstaatlichen Organisationen, wie zum Beispiel von bestimmten Industrieverbänden, beschlossen. DINNormen sind zwar nicht rechtsverbindlich, jedoch „erleichter[n] [sie] bei Streitfällen […] die Beweislage, da bei Beachtung der in den Normen festgehaltenen Regeln der Beweis des ersten Anscheins besteht“ [4, S. 350f]. DIN-Normen unterstützen die praktische Arbeit im Bereich Strahlenschutz. Für dieses Masterprojekt wurde die „DIN 6812 – Medizinische Röntgenanlagen bis 300 kV – Regeln für die Auslegung des baulichen Strahlenschutzes“ herangezogen. Die DIN 6812 wird für die „Bemessung von bautechnischen Strahlenschutzvorkehrungen im Rah-

28

Grundlagen zum Strahlenschutz

men des ortsbezogenen Strahlenschutzes für Personen, die sich während des Betriebs der Röntgeneinrichtung im Röntgenraum oder in benachbarten Bereichen aufhalten“ [16, S. 6], angewandt. [4]

3.3.2 Strahlenschutzverantwortlicher und -beauftragter Sowohl die Röntgenverordnung als auch die Strahlenschutzverordnung unterscheiden zwischen Strahlenschutzverantwortlichen und –beauftragten. In der Regel ist der Strahlenschutzverantwortliche der Inhaber oder Leiter eines Betriebes, in dem Röntgen- oder Störstrahler betrieben oder mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird. Der Strahlenschutzverantwortliche ist für die Einhaltung aller Schutzvorschriften der Röntgen- und Strahlenschutzverordnung [14, § 15; 15, §33] zuständig. Er muss keine Fachkunde besitzen. Über eine Strahlenschutzanweisung bestellt der Strahlenschutzverantwortlichen einen oder mehrere Strahlenschutzbeauftragte und legt deren Aufgaben und Pflichten fest. Der Strahlenschutzbeauftragte verfügt über die nötige Fachkunde, die alle 5 Jahre aktualisiert werden muss. Er ist im Bereich Strahlenschutz weisungsbefugt und übernimmt die eigentlichen Aufgaben. Zu diesen gehören unter anderem folgende: „Belehrung, Aufzeichnung, Kennzeichnung, Überwachung, Kontrollen, Wartung, Beachtung von Tätigkeitsverboten und –beschränkungen, Qualitätssicherung und –kontrolle, Lagerung und Beseitigung radioaktiver Abfälle“ [4, S. 352].

3.3.3 Beruflich strahlenexponierte Personen Die Röntgenverordnung und die Strahlenschutzverordnung unterscheiden außerdem zwischen beruflich strahlenexponierten Personen und der allgemeinen Bevölkerung. Beruflich strahlenexponierte Personen sind Personen, die während ihrer Berufsausübung einer Strahlenexposition oberhalb einer effektiven Dosis von 1 mSv ausgesetzt sind. Beide Verordnungen teilen diese Personen in Kategorie A und Kategorie B ein. Personen der Kategorie A sind einer Strahlenexposition ausgesetzt, die zu einer effektiven Dosis zwischen größer als 6 mSv und maximal 20 mSv im Jahr führen kann. Bei Personen der Kategorie B kann eine effektive Dosis zwischen größer als 1 mSv und maximal 6 mSv im Jahr erreicht werden. Die Einteilung in die Kategorie erfolgt durch den Strahlenschutzbeauftragten. Im Vergleich dazu liegt der Grenzwert der effektiven Dosis für die allgemeine Bevölkerung bei 1 mSv im Jahr. Personen der Kategorie A müssen regelmäßig einer ärztlichen Untersuchung unterzogen werden. Des Weiteren müssen beruflich strahlenexponierte Personen, die sich innerhalb des Kontrollbereiches aufhalten, ihre Personendosis erfassen.

Grundlagen zum Strahlenschutz

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3.3.4 Strahlenschutzbereiche Strahlenschutzbereiche sind Bereiche, bei den Personen bestimmten effektiven Dosen ausgesetzt sein können. Die Röntgen- und die Strahlenschutzverordnung unterscheiden zwischen dem Überwachungsbereich und dem Kontrollbereich. Im Überwachungsbereich liegt die effektive Dosis zwischen mehr als 1 mSv und maximal 6 mSv in einem Jahr. Des Weiteren können im Überwachungsbereich Organdosen von mehr als 15 mSv für die Augenlinse oder 50 mSv für die Haut, die Hände, die Unterarme, die Füße und die Knöchel erhalten werden. Im Kontrollbereich können effektive Dosen zwischen mehr als 6 mSv und maximal 20 mSv im Jahr erreicht werden. Die Organdosen im Kontrollbereich liegen bei mehr als 45 mSv für die Augen oder 150 mSv für die Haut, die Hände, die Unterarme, die Füße und die Knöchel. Für den Kontrollbereich, der ortsfest oder ortsveränderlich sein kann, ist eine eindeutige Abgrenzung und Kennzeichnung erforderlich. Nur „Personen, die zur Durchführung oder Aufrechterhaltung der vorgesehenen Betriebsvorgänge und zu Ausbildungszwecken darin tätig werden müssen, oder deren Anwesenheit als Patient oder Begleitperson nach Ansicht eines Strahlenschutzbeauftragten erforderlich ist“ [4, S. 355], dürfen den Kontrollbereich betreten. Bei der Bestimmung der Grenzwerte wird von einer 40-Stunden-Arbeitwoche und 50 Wochen im Jahr ausgegangen. [4]

Einrichtung eines Strahlenschutzbereichs

31

4 Einrichtung eines Strahlenschutzbereichs

Die Firma Ritter Concept GmbH möchte im Jahr 2013 ein intraorales Tubusgerät auf den Markt bringen. Aus diesem Grund ist es notwendig zur Überprüfung dieses Gerätes ein Strahlenschutzbereich am Standort Zwönitz einzurichten, um die Mitarbeiter der Firma und Dritte vor einer Strahlenexposition und deren Auswirkungen zu schützen. Im Folgenden wird das Röntgengerät SIRIUX und das dazugehörige digitale Aufnahmesystem vorgestellt. Anschließend stehen die Anforderungen für den Strahlenschutzbereich im Vordergrund. Am Ende dieses Kapitels wird die Durchführung des Baus des Strahlenschutzbereiches erläutert.

4.1 Röntgengerät SIRIUX und digitales Aufnahmesystem Das Gerät SIRIUX von der Ritter Concept GmbH ist ein Tubusgerät und wird zur intraoralen Radiographie genutzt. Es besteht aus einem Tubuskopf, einer Bedieneinheit, einer Fernbedienung und einem Stativ oder einer Wandhalterung (siehe Abbildung 14).

Abbildung 14: Tubusgerät der Firma Ritter Concept GmbH [6]

32

Einrichtung eines Strahlenschutzbereichs

Das Tubusgerät SIRIUX wird durch die, in Tabelle 5 aufgelisteten, technischen Daten charakterisiert: Tabelle 5: Technische Daten des intraoralen Röntgengerätes SIRIUX

Röhrenspannung:

70 kV ± 10 %

Röhrenstrom:

7 mA ± 15 %

Belichtungszeit:

0,06 s bis 2 s

Brennfleckdurchmesser:

0,7 mm

Gesamtfilterung:

2,1 mm Al

Durchmesser des Tubus:

6 cm

Die Ritter Concept GmbH bietet zum Tubusgerät SIRIUX ein digitales Aufnahmesystem, bestehend aus CCD- oder CMOS Sensor und Aufnahme- und Bearbeitungssoftware, an. Die Software wird von einem Zulieferer bezogen. Sie dient der Aufnahme, Verwaltung und Archivierung von digitalen Bildern und bietet zahlreiche Filterfunktionen zur Bearbeitung der Bilder an. Zusätzlich werden Sensorhalter angeboten. Neben dem hier beschriebenen intraoralen Tubusgerät möchte die Ritter Concept GmbH in nächster Zukunft ein Panoramaschichtgerät auf den Markt bringen. Deshalb soll der Strahlenschutzbereich gleichzeitig auch für dieses Röntgengerät ausgelegt sein.

4.2 Strahlenschutzanforderungen der RöV und DIN 6812 Die Gewährleistung des Strahlenschutzes ergibt sich aus den Forderungen der Röntgenverordnung. Diese Verordnung verlangt unter anderem Folgendes: Es ist vorgeschrieben, dass bei Betrieb von Röntgeneinrichtungen Strahlenschutzbereiche einzurichten sind [14, § 19 (1)]. Diese Strahlenschutzbereiche sind in Kontroll- und Überwachungsbereich je nach Höhe der Strahlungsexposition zu unterscheiden. Dabei wird gefordert, dass die „Kontrollbereiche […] abzugrenzen und während der Einschaltzeit zu kennzeichnen [sind]“ [14, § 19 (1)]. Es wird darauf hingewiesen, dass diese Bereiche nur während des Betriebes des Röntgenstrahlers als Strahlenschutzbereich bezeichnet werden. Die Röntgenverordnung fordert außerdem den Betrieb einer Röntgeneinrichtung „in einem allseitig umschlossenen Raum (Röntgenraum), der in der Genehmigung oder in der Bescheinigung des Sachverständigen nach § 4a bezeichnet ist“ [14, § 20 (1)]. Ziel der Röntgenverordnung ist es, dass „jede unnötige Strahlenexposition von Mensch und Umwelt [vermieden wird]“ [14, § 2c (1)], die „Dosisgrenzwerte dieser Verordnung nicht überschritten werden“ [14, § 2b] und „jede Strahlenexposition von Mensch und Umwelt unter Beachtung des Standes der Technik und unter Berücksichtigung aller Umstän-

Einrichtung eines Strahlenschutzbereichs

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de des Einzelfalls auch unterhalb der Grenzwerte so gering wie möglich [gehalten werden]“ [14, § 2c (2)]. Als Grundlage für den Bau des Strahlenschutzbereichs dient die DIN 6812. Diese umfasst „strahlenschutztechnische Festlegungen im Sinne der Verordnung über den Schutz vor Schäden durch Röntgenstrahlen (Röntgenverordnung – RöV)“ [16, S.5] und „gilt für die Errichtung von Röntgenanlagen zur medizinischen Anwendung mit Nennspannungen bis 300 kV“ [16, S. 6].

4.2.1 Allgemeine Regeln Bevor eine Röntgeneinrichtung in Betrieb genommen werden kann, muss ein Strahlenschutzbereich eingerichtet werden. Der Strahlenschutzbereich, zu dem der Kontroll- und der Überwachungsbereich gehören, muss deutlich von den anderen Bereichen, die nicht zu dem Strahlenschutzbereich zählen, wie Arbeits- und Aufenthaltsbereiche, abgegrenzt sein. Die DIN 6812 unterscheidet zwischen folgenden, in Tabelle 6 dargestellten, Kategorien der Aufenthaltsplätze und deren Grenzwerten: Tabelle 6: Kategorien der zu schützenden Aufenthaltsplätze und Grenzwerte für die effektive Dosis von Personen an den zu schützenden Aufenthaltsplätzen [16, S. 9, S. 27] Typ des zu schützenden Aufenthaltsplatzes

Kategorie

Grenzwerte für Körperdosis (effektive Dosis) im Jahr (mSv)

Wohnungen und andere Daueraufenthaltsplätze im sonstigen Bereich Arbeitsplätze außerhalb des Kontrollbereichs für Einzel-

I

1

II

6

III

10

personen der Bevölkerung Arbeitsplätze außerhalb des Kontrollbereichs für beruflich strahlenexponierte Personen, Arbeitsplätze für Schwangere Kabinen, Toiletten sowie Flure und Wartezimmer, in denen sich keine Arbeitsplätze befinden Im Freien, innerhalb von Bereichen, die der Verfügungsgewalt des Betreibers unterliegen und bei denen durch organisatorische Maßnahmen sichergestellt ist, dass sich dort während des Betriebs keine Daueraufenthaltsplätze befinden

Die DIN 6812 legt des Weiteren fest, dass sich die Bedienung bei Einrichtungen zur Röntgendiagnostik außerhalb des Röntgenraumes befinden soll. Da der Betriebsablauf nicht gestört werden darf, wird gefordert, dass sich nur Aufenthalts- und Arbeitsplätze im Strahlenschutzbereich befinden, die mit dem Betrieb der Röntgeneinrichtung zu tun haben. Befindet sich eine Person bzw. ein Patient im Röntgenraum, so ist zu beachten, dass zu klein gebaute Räume die Ortsdosisleistung durch Rückstreuung der Röntgenstrahlung von Wänden, Fußboden und Decken steigern können. Um dies zu verhindern soll die Ein-

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Einrichtung eines Strahlenschutzbereichs

schaltzeit reduziert oder der Raum mit einem rückstreuarmen Belag ausgestattet werden. Weiterhin wird gefordert, dass sich die Achse des Nutzstrahlenbündels des Röntgenstrahlers mindestens 1,5 m von der Wand entfernt befinden soll, wenn sich weitere Personen, als der zu Untersuchende, im Röntgenraum befinden. Bei Röntgentherapieeinrichtungen mit Nennspannungen über 100 kV muss außerdem bei Betreten des Röntgenraumes die Strahlung unterbrochen werden und darf erst bei geschlossener Tür wieder einschaltbar sein. Des Weiteren muss nach § 19 Absatz 2 der RöV eine Kennzeichnung der Zugänge der Kontrollbereiche vorgenommen werden. Bei Anbringung weiterer Warnschilder muss die DIN 25430 berücksichtigt werden. Strahlenschutzdokumente, zu denen Strahlenschutzbauzeichnungen und Aufzeichnungen zu den vorgenommenen Strahlenschutzmaßnahmen zählen, müssen aufbewahrt werden.

4.2.2 Bemessung der erforderlichen Abschirmungen Da die „Abschirmberechnungen nach dem Schwächungsgesetz […] selbst bei Berücksichtigung der Streuprozesse äußerst schwierig [sind]“, „schlägt [die DIN 6812] […] ein halbempirisches Verfahren zur Berechnung von Abschirmungen vor, das experimentell ermittelte Schwächungsgrade benutzt“ [3, S. 555]. Die DIN 6812 unterscheidet zwischen der Abschirmung gegen Nutzstrahlung und gegen Störstrahlung. Die Nutzstrahlung ist die am tatsächlichen Brennfleck emittierte Röntgenstrahlung vor Eintritt in den Patienten, welche zur Bildgebung verwendet wird. Die Störstrahlung setzt sich unter anderem aus Streu- und Durchlassstrahlung zusammen. Bei der Durchlassstrahlung wird zwischen der Blenden- und der Gehäusedurchlassstrahlung unterschieden. Die DIN 6812 legt außerdem fest, dass eine Abschirmung nur bis einer Raumhöhe von 2,2 m erfolgen muss, wenn die Nachbarräume auf dem gleichen Höhenniveau liegen und die notwendige Bleischichtdicke 0,5 mm nicht übersteigt. Bei Bleischichtdicken größer 0,5 mm muss die Abschirmung oberhalb einer Raumhöhe von 2,2 m die Differenz aus der erforderlichen Bleischichtdicke und 0,5 mm betragen. Die DIN 6812 ist in den Hauptteil und Anhang gegliedert. Der Hauptteil beschreibt die Ermittlung der Schutzschichtdicken ohne Gleichungen, anhand von Tabellen. Der Anhang dagegen erläutert die Bestimmung der Schutzschichtdicken anhand von Gleichungen und Definitionen.

Einrichtung eines Strahlenschutzbereichs

35

4.2.2.1 Bestimmung der Schutzschichtdicke nach Tabellen Die Dicke der Schutzschicht kann anhand der Tabellen der DIN 6812 ermittelt werden. Die Tabellen sind nach der in Anhang A beschriebenen Methode für verschiedene Röntgengerätetypen, wie zum Beispiel für dentale Tubusgeräte, dentale Panoramaschichtgeräte, dentale Fernaufnahmegeräte und Computertomographen, berechnet worden. Für jeden Röntgengerätetyp sind typische Parameter, wie Röntgenröhrenspannung, Filterung und Betriebsbelastung, festgelegt. Dabei ist die Betriebsbelastung C in der Röntgendiagnostik das „Produkt aus mittlerer Röhrenstromstärke 5 und Einschaltzeit ;< der Röntgeneinrichtung bezogen auf den Zeitraum einer Woche ;“[16, S. 7]: C = 15 ∙ ;< 3/; Die Einheit der Betriebsbelastung ist

∙

W9/C] YZ oder

( 16 ), [16, S. 7] ∙ (/C] YZ.

Ist die Betriebsbelastung größer als die in den Tabellen aufgeführte, muss die Schutzschichtdicke nach Anhang A der DIN 6812 (siehe Kapitel 4.3.1.3) berechnet werden. Für ein dentales Tubusgerät und ein Panoramaschichtgerät gelten die, in Tabelle 7 und 8 dargestellten, Tabellen der DIN 6812:

Tabelle 7: Bleischichtdicken gegen Störstrahlung beim Betrieb von dentalen Tubusgeräten (op qr, s = tp uv ∙ uwx/syz{| 1= }pp uv ∙ ~/ syz{|3) [16, S. 15]

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Einrichtung eines Strahlenschutzbereichs

Tabelle 8: Bleischichtdicken gegen Störstrahlung beim Betrieb von dentalen Panoramaschichtgeräten (•€ qr, s = tpp uv ∙ uwx/syz{| 1= }ppp uv ∙ ~/syz{|3) [16, S. 15 ]

Variable Parameter für die Bestimmung der Bleischichtdicke sind lediglich die Kategorie der Aufenthaltsplätze und der Abstand zwischen Brennfleck bzw. Isozentrum des Röntgengerätes und dem zu schützenden Aufenthaltsplatz. Des Weiteren berücksichtigt die DIN 6812 bei Abschirmung von dentalen Tubusgeräten und Panoramaschichtgeräten nur den Schutz vor Störstrahlung, da die emittierte Röntgenstrahlung bei diesen Geräten in den Patienten bzw. in ein Phantom eindringt und dort praktisch vollständig geschwächt wird. Werden andere Materialien zur Abschirmung als Blei verwendet, so kann die Dicke dieser Materialien nach einer Gleichung oder anhand von Tabellen ermittelt werden. Zur Berechnung der Schutzschichtdicke verschiedener Materialien %E ist in der DIN 6812 folgende Gleichung festgelegt:

%E = mit L

, , ,

†

( 17 ), [16, S. 21]

Konstanten (siehe Tabelle 7) ?

‡

Röntgenröhrenspannung in B M 1 N

L& %

,&

…

Dichte des Materials in ƒ

>

>&

L > ƒ % ∙• ‚ ∙• ‚ ∙„ L& >& %

,&

100 B 1

.

Einrichtung eines Strahlenschutzbereichs

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Zur Ermittlung der Schutzschichtdicke wird zusätzlich folgende Tabelle, in der die Konstanten , , , festgelegt sind, benötigt: Tabelle 9: Konstanten zur Gleichung (17) [16, S. 21]

Alternativ zur Gleichung (17) kann die Tabelle A.1 im Anhang zur Ermittlung der Schutzschichtdicke verschiedener Materialien verwendet werden. 4.2.2.2 Bestimmung der Schutzschichtdicke nach Anhang A der DIN 6812 Die Ermittlung der Bleischichtdicke nach Anhang A der DIN 6812 erfolgt in mehreren Schritten. Diese Schritte werden jedoch nicht näher erläutert, da dies den Umfang dieser Arbeit übersteigen würde. Die in Anhang A der DIN 6812 beschriebenen Schritte werden durch die Gleichungen (18) und (19) zusammengefasst. Bei der Berechnung der Schutzschichtdicken wird zwischen der Abschirmung von Nutzstrahlung, Streustrahlung und Störstrahlung unterschieden. Da nur die Abschirmung gegen Streu- und Störstrahlung relevant ist, wird auf diese Berechnungen näher eingegangen. Zur Bestimmung der Schutzschichtdicken ist die Berechnung von Schwächungsfaktoren erforderlich. Anhand dieser Schwächungsfaktoren lassen sich die erforderlichen Bleischichtdicken in der Tabelle A.3 in den Anlagen, Teil 1 ablesen. Der Schwächungsfaktor ergibt sich aus den Quotienten aus Umgebungs∗ Äquivalentdosisleistung ohne Abschirmung -/& 1103 und der Umgebungs∗ Äquivalentdosisleistung mit Abschirmung -/ 1103 am gleichen Ort: ∗ -/& 1103 = ∗ -/ 1103

( 18 ), [16, S. 7]

Die Berechnung des Schwächungsfaktors für Streustrahlung ist wie folgt definiert: ."

=

-/ ." = -/4

(& ‰ = *, ∙ (

." ˆ

%&

.$ ˆ

(& ‰ ∙ˆ ‰ (

( 19 ), [16, S. 33]

38

Einrichtung eines Strahlenschutzbereichs ."

mit

Schwächungsfaktor für Streustrahlung am zu schützenden Aufenthaltsplatz

-/

."

Ortsdosisleistung der Streustrahlung am zu schützenden Aufenthaltsplatz ohne Abschirmung in

-/4

Ortsdosisleistung der Nutzstrahlung am zu schützenden Arbeitsplatz in

."

(&

*,

"Š 4 ƒ‹@

nomineller Schwächungsfaktor für Streustrahlung im Bezugsabstand von (& = 1

Bezugsabstand 1

(

"Š 4 ƒ‹@

vom Mittelpunkt des Streukörpers

Abstand des Aufenthaltsplatzes vom Mittelpunkt des Streukörpers in Ausbeutekoeffizient für Streustrahlung .$

%&

nomineller Schwächungsfaktor für Nutzstrahlung im Bezugsabstand von %& = 1

Bezugsabstand 1 m vom Brennfleck des Röntgenstrahlers Abstand des Mittelpunktes des Streukörpers vom Brennfleck des Röntgenstrahlers in

Die Werte für die Größen .$ und können aus der Tabelle A.2, in der typische Parameter für verschiedene Röntgengerätetypen zusammengefasst sind, entnommen werden. Für den Ausbeutekoeffizienten für Streustrahlung *, gelten die Werte der Tabelle 10. Tabelle 10: Ausbeutekoeffizient für Streustrahlung Œq [16, S. 37]

Einrichtung eines Strahlenschutzbereichs

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Die Formel zur Berechnung des Schwächungsfaktors für Störstrahlung #."

mit

#."

*+

= *+ ∙

."

#."

lautet:

( 20 ), [16, S. 37]

Schwächungsfaktor für Störstrahlung empirisch gewonnener Faktor zur Umrechnung des Schwächungsfaktors für Streustrahlung in den für Störstrahlung – „Gehäusedurchlassstrahlungs-Faktor (siehe Tabelle 11)

Für den „Gehäusedurchlassstrahlungs-Faktor“ *+ sind folgende Werte festgelegt:

Tabelle 11: „Gehäusedurchlassstrahlungs“- Faktor Œ• [16, S. 37]

Der ermittelte Schwächungsfaktor für Störstrahlung #." kann weiterhin mit dem Aufenthaltsfaktor * multipliziert werden. Dieser Faktor berücksichtigt die „Aufenthaltsplätze, an denen aufgrund der vorgesehenen Nutzung und infolge der Zuordnung zu Strahlenschutzbereichen Zutritts- und Aufenthaltsbeschränkungen bestehen“ [16, S. 32]. Für den Aufenthaltsfaktor sind folgende Werte definiert: Tabelle 12: Aufenthaltsfaktor Œm [16, S. 31]

Unterscheiden sich die Parameter Röntgenröhrenspannung, Filterung und Betriebsbelastung des Röntgengerätetyps von denen in Tabelle A.2 angegebenen, so muss der nomianhand der in Abbildung 15 und Abbildung 16 dargestellten nelle Schwächungsfaktor Diagramme ermittelt werden.

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Einrichtung eines Strahlenschutzbereichs

Abbildung 15: Umgebungs-Äquivalentdosisausbeute mit Wolframanode und Gesamtfilterung von 2,5 mm Al und zwischen 0,5 mm Cu und 3,0 mm Cu, gemessen 1 m Brennfleckabstand in Luft [16, S. 38]

Abbildung 16: Nomineller Schwächungsfaktor in Abhängigkeit von der Betriebsbelastung W für verschiedene Umgebungs-Äquivalentdosisausbeuten [16, S. 38]

Befindet sich im Röntgenstrahler ein 2,5 mm Al- oder ein Cu-Filter, so können auch die Gleichungen (21) zur Berechnung der Umgebungs-Äquivalentdosisausbeute angewandt

Einrichtung eines Strahlenschutzbereichs

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werden. Diese Gleichungen gelten sowohl für Tubusgeräte als auch für Panoramaschichtgeräte. •

-., = 10 ∙ Ž0,016 ∙ ˆ• ‰ − 0,76 ‘

• •‘

” ”‘

-., = 10 ∙ Ž0,01 ∙ ˆ ‰ − ln ˆ ‰ + 1,5 mit

-.,

Röntgenröhrenspannung in B

G

Filterdicke in

G&

(Cu-Filter)

( 21 ), [16, S. 28]

Umgebungs-Äquivalentdosisausbeute

>

>&

(2,5 mm Al)

1B 1

HI

HI

Nach Ermittlung des Schwächungsfaktors für Störstrahlung mit Hilfe der Tabelle A.3 im Anhang ermittelt werden.

#."

kann die Bleischichtdicke

4.3 Umsetzung der DIN 6812 4.3.1 Ermittlung der Schutzschichtdicke Um die Bleischichtdicke festzulegen, ist es notwendig die Kategorie des zu schützenden Aufenthaltsplatzes, den Abstand zwischen Brennfleck bzw. Isozentrum des Röntgengerätes zum zu schützenden Aufenthaltsort und die Betriebsbelastung zu definieren. Zum Ausbau eines Strahlenschutzbereiches wurde ein Raum mit den Abmessungen 540 x 360 x 350 cm³ ausgewählt. Er befindet sich im ersten Obergeschoss des Hauptgebäudes der Firma Ritter Concept GmbH in Zwönitz. Dieser Raum soll in den eigentlichen Röntgenraum und in einen Bedienungsraum unterteilt werden. Das Röntgengerät soll sich immer im Zentrum des Röntgenraumes befinden und somit mindestens 1,5 m von jeder Wand entfernt sein. An den Strahlenschutzbereich grenzen Büros und Werkstätten, „die der Verfügungsgewalt des Betreibers unterliegen“. Somit sind die zu schützenden Arbeitsplätze in Kategorie I mit einem Grenzwert der effektiven Dosis von 1 mSv im Jahr einzuordnen. Des Weiteren wird zunächst die in der DIN 6812 festgelegte typische Betriebsbelastung von 600 mAs/Woche bei dentalen Tubusgeräten und 6000 mAs/Woche bei Panoramaschichtgeräten angenommen.

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Einrichtung eines Strahlenschutzbereichs

Nach Gleichung (22) würde sich bei dentalen Tubusgeräten mit einer Expositionszeit von 2 s und einer Röntgenröhrenstromstärke von 7 mA eine Einschaltzeit von 85,7 s je 40 hWoche ergeben. Es können somit 42 Aufnahmen in der Woche getätigt werden. Bei Panoramaschichtgeräten mit einer Expositionszeit von maximal 16,1 s und einer Röntgenröhrenstromstärke von maximal 16 mA (vergleiche Kapitel 2.2.3) würde die Einschaltzeit nach Gleichung (23) 375 s je 40 h-Woche betragen. Somit könnten 23 Panoramaaufnahmen in der Woche erstellt werden. C = 5

;