Rontgenstralen

Pas nadat alle afwijkingen zijn genoteerd komt de opgave om een diagnose te formuleren, waarbij uiteraard gegevens die door de verwijzende arts of door de patient zijn verstrekt van invloed zullen zijn. Vaak zijn afbeeldingen kenmerkend voor een bepaalde ziekte, helaas heeft een bepaalde aandoening niet altijd het karakteristieke röntgenbeeld, d.w.z. de variatie is groot, en andersom: een zelfde röntgenbeeld kan soms bij een verscheidenheid van ziekten passen. In dergelijke situaties kan de radioloog slechts constateren dat er sprake is van een ziekteproces en hierbij de meest waarschijnlijke oorzaken noemen. Ander, niet-radiologisch, onderzoek zal dan tot de specifieke diagnose moeten leiden.

2. Geschiedenis

Omstreeks 1890 waren natuurkundigen van mening, dat voor de voornaamste fysische problemen een theoretische oplossing was verkregen. Met behulp van de toenmalige natuurkundige theorieen (die men later aanduidde met de term "klassieke natuurkunde") kon men bijna alle verschijnselen die op dat moment bekend waren, op bevredigende wijze verklaren. In de klassieke natuurkunde was nog geen sprake van atoomkemen, elektronen of fotonen. Slechts heel enkele - destijds weinig belangrijk geachte -verschijnselen pasten niet in het imposante "bouwwerk" van de klassieke natuurkunde.

Tot deze verschijnselen behoorden de, met uitzending van zichtbaar licht gepaard gaande, processen in gasontladingshuizen. Verscheidene onderzoekers maakten omstreeks 1890 van deze gasontladingsbuizen gebruik om de fraaie lichtverschijnselen te bestuderen, die bij doorgang van elektrische stroom door verdunde gassen optreden. Een resultaat van deze onderzoekingen was de ontdekking van de kathodestralen. Later vond men dat kathodestralen elektronenbundels waren; het bestaan van elektronen werd echter pas in 1897 ontdekt.

In 1895 hield ook Wilhelm Conrad Röntgen zich bezig met het onderzoek van de kathodestralen. Omdat bij zijn onderzoek het door de gasontladingsbuis uitgezonden licht een storende factor was, had hij die buis omgeven met lichtdicht karton en werkte hij in een donker gemaakt vertrek. Tot zijn verrassing merkte hij op 8 november 1895 op, dat - desondanks - enige kristallen barium-platinacyanuur die toevallig in de nabijheid van de gasontladings-buis lagen, sterk gingen oplichten. Aangezien dit luminescentie-verschijnsel niet door de in de buis ontstane kathodestralen kon worden veroorzaakt, ging hij dit onverwachte verschijsel nader onderzoeken. In de daarop volgende dagen kwam hij tot de conclusie, dat een tot dusver onbekende straling (die tevens onzichtbaar was) deze luminescentie moest hebben veroorzaakt.

De door hem ontdekte straling noemde hij X-stralen (X voor de "onbekende"). Later kreeg deze straling de naam röntgenstraling; in de Angelsaksische landen gebruikt men nog steeds de term "X-rays". Zeer spoedig na zijn ontdekking kon Röntgen vaststellen, dat X-stralen ook fotografisch werkzaam zijn en een aanzienlijk doordringend vermogen hebben. Hij vond ook dat de ene stof de straling beter doorlaat dan de andere.

Reeds in 1895 maakte hij gebruik van een "cassette" om een röntgenfoto van een hand te maken, waarop het skelet duidelijk zichtbaar was. Op 28 december 1895 hield hij zijn eerste voordracht over de ontdekking van de X-stralen. Deze ontdekking maakte grote indruk, niet alleen op de fysische, maar ook op de medische wereld. Reeds in 1896 werden X-stralen voor medisch-diagnostische doeleinden toegepast. In de eerste jaren na de ontdekking werden voor opwekking van röntgenstralen uitsluitend de zogenaamde "ionenbuizen" gebruikt, gevuld met ren verdund gas. Deze ionenbuizen waren moeilijk te hanteren. Bovendien kon men daarmee de intensiteit en het doordringend vermogen ("hardheid") van de straling niet onafhankelijk van elkaar instellen.

In 1913 ontwikkelde Coolidge een van een gloeikathode voorziene vacuumbuis voor het opwekken van röntgenstralen. Tegenwoordig maakt men voor medische doeleinden uitsluitend gebruik van vacuumröntgenbuizen. Hoewel Röntgen reeds vaststelde, dat röntgenstraling niet uit geladen deeltjes bestaat, en daarom vermoedde dat deze straling een soort elektromagnetische straling was, kon hij dat laatste niet experimenteel bewijzen. Dat lukte pas in 1912 aan Von Laue, Friedrich en Knipping.

3. Techniek

De röntgenbuis Röntgenstraling ontstaat door botsing van snelle elektronen, d.w.z. elektronen met grote kinetische energie, op materie en wordt daarom ook wel 'remstraling' genoemd.

De elektronen worden vrijgemaakt door verhitting van een gloeidraad. Er komen meer elektronen vrij naarmate de temperatuur van de gloeidraad hoger is. De temperatuur is afhankelijk van de sterkte van de gloeistroom die wordt geregeld m.b.v. een speciale gloeistroomtransformator. Deze transformator bevindt zich in het hoogspanningscircuit en is onafhankelijk van de hoogspanningstransformator. In het hoogspanningscircuit vinden wij aan de ene zijde de negatieve pool (kathode), de gloeidraad, aan de andere zijde de positieve pool, de anode.

De uit de gloeidraad vrijgemaakte elektronen worden aangetrokken door de anode. De elektronenstroom tussen gloeidraad en anode heet buisstroom, die wordt uitgedrukt in milliampere (mA) en kan varieren van enkele tienden tot meer dan 1000 mA.

Voor het ontstaan van röntgenstraling is het nodig dat de elektronen met voldoende snelheid op materie botsen. De elektronen krijgen hun snelheid door een spanningsverschil (buisspanning) aan te brengen tussen de gloeidraad (kathode) en de anode. Naarmate het spanningsverschil tussen kathode en anode groter is, zullen de elektronen met grotere snelheid op de anode slaan en zullen meer röntgenstralen van hogere energie worden opgewekt. Hogere energie of kwaliteit betekent: kortere golflengte, hardere straling, groter doordringingsvermogen. De kwaliteit van de röntgenstralen is dus voornamelijk afhankelijk van de spanning tussen anode en kathode. De kwantiteit is zowel afhankelijk van de spanning als van de buisstroom.

Wil de gloeidraad niet voortijdig verbranden en willen de elektronen ongestoord de anode bereiken, dan is het noodzakelijk dat het proces zich in een vacuum afspeelt. Ook de anode moet aan speciale eisen voldoen, t.w.: 1 Het materiaal waarvan zij is vervaardigd moet een hoog atoomnummer hebben: hoe hoger het atoomnummer, des te groter de opbrengst aan röntgenstralen. 2 Het smeltpunt moet hoog zijn: de warmte-ontwikkeling is zeer groot, slechts circa twee promille van de opvallende elektronenenergie wordt omgezet in röntgenstraling, de rest veroorzaakt warmte. 3 De anode moet de geproduceerde warmte gemakkelijk kunnen afstaan.

Reeds spoedig ontdekte men dat wolfraam bijzonder gunstig anodemateriaal is; het voldoet goed aan de beide eerste voorwaarden, hoewel minder goed aan de derde omdat wolfraam warmte slecht geleidt. Dit was vroeger (en is voor kleinere buizen nog wel het geval) een reden de anode samen te stellen uit een dikke koperen staaf (goede warmtegeleider) met een dun plaatje wolfraam op de plaats waar de elektronen de anode treffen.

De elektronen worden door een elektrisch veld gericht zodat zij op een bepaald deel van de anode terechtkomen. Dit deel van de anode, waar de röntgenstralen van uitgaan, noemen we de focus. De focusgrootte wordt dus bepaald door de grootte van de gloeidraad en door het elektrisch veld om de gloeidraad. Toen Röntgen in 1895 zijn eerste foto van een hand maakte, was een belichtingstijd van enkele minuten nodig. Tegenwoordig worden foto's gemaakt van objecten die tientallen malen dikker zijn in honderdsten van een seconde. Behalve aan gevoeliger fotografisch materiaal en het gebruik van versterkingsschermen (waarover later meer), is dit vooral te danken aan de ontwikkeling die de röntgenbuizen hebben doorgemaakt. In de periode voor de uitvinding van de röntgenbuis met draaiende anode (Bouwers, Nederland) vormde de thermische belastbaarheid van foci van röntgenbuizen het grote struikelblok voor het vervaardigen van foto's met korte belichtingstijden.

Een grotere focus veroorlooft een zwaardere belasting van een röntgenbuis, maar omdat er een relatie bestaat tussen de focusgrootte en de (on)scherpte van de foto, kon men foci niet onbeperkt groter maken. Het eerste middel om de effectieve focus te vergroten, zonder toename van onscherpte, was het zodanig opstellen van de anode dat zij een scherpe hoek maakt (19 graden) met de as van de uittredende stralenbundel (Götze-focus). Hierdoor wordt bereikt, dat het thermisch oppervlak (d.i. het door elektronen getroffen deel van de anode, ook wel thermische focus genaamd) 3 x zo groot kan worden als het geprojecteerde oppervlak, de 'effectieve' focus of 'optische' focus (zie figuur 2); bij een hoek van 45 graden is het thermisch oppervlak slechts 1,4 X zo groot als het geprojecteerde oppervlak. Ook met deze constructie kan de röntgenbuis bij een optische focusgrootte van 3 x 3 mm hoogstens tot 6 kW belast worden en bij een optische focusgrootte van 1,7 X 1,7 mm slechts tot 2 kW.

Een volgende ontwikkeling was de draaiende anode: een grote (7-10 cm diameter) wolfraamschijf draait tijdens de belichting met grote snelheid om zijn as, waardoor telkens een ander deel van de periferie van de schijf met elektronen wordt gebombardeerd, zodat de warmte over een groot opperviak verdeeld wordt. Zodoende konden kleinere foci gerealiseerd worden, die toch zwaarder te belasten waren. Bij een draaisnelheid van 50 omwentelingen per seconde wordt bij een belichtingstijd van 0,02 seconde een cirkel ter breedte van de thermische focus eenmaal belast, en wel bij een optische focusbreedte van 1 mm gedurende omstreeks 0,0001 seconde. Dergelijke buizen zijn dus vooral bij korte belichtingstijden zeer hoog belastbaar doordat hetzelfde punt van de schijf slechts enkele malen door elektronen getroffen wordt. Afhankelijk van de diameter s) van de anodeschijf kan een optische focus van 1,2 x 1,2 mm met 20 a 30 kW belast worden gedurende 0,1 seconde en een 2 X 2 mm focus met 50kw.

Door verhoging van de draaisnelheid tot 150 omwentelingen per seconde, door vergroting Ic van de diameter van de anodeschijf en door het toepassen van een legering van wolfraam met renium heeft men de belastbaarheid weten op te voeren tot 100 kW op een 1,3 mm focus, en bij een nog grotere en dikkere schijf tot 200kw op een 2 mm focus.

Door twee gloeidraden in een buis in te bouwen, is het mogelijk in een buis over twee ver-schillende foci te beschik ken. Gebruikelijk zijn combinaties van een 0,6 mm met een 1 mm, of van een 1 mm met een 2 mm focus. Er bestaan ook röntgenbuizen met zeer kleine foci, van 0,1 mm en 0,3 mm, die doordat zij bijna puntvormig zijn, vergrotingsfoto's mogelijk maken zonder al te veel verlies aan scherpte. Als een focus namelijk niet puntvormig is, ontstaat onscherpte die groter is naarmate de film zich verder van het object bevindt.

De rontgenstraling die uit de focus treedt is ongebundeld. Er gaat dus nogal wat straling in ongewenste richtingen. Deze straling wordt ongewenst genoemd omdat zij niet bijdraagt aan de beeldvorming, maar wel onnodig delen van het lichaam bereikt die niet het object van onderzoek zijn. Opdat noch de patient, noch degene die het onderzoek doet door deze ongewenste straling getroffen wordt, is de röntgenbuis omgeven met een omhulling van lood, waarin een venster (buisvenster) is uitgespaard waardoor de welgewenste straling kan uittreden. Deze omhulling heeft nog twee andere functies; 1 Elektrische isolatie: voorkomen moet worden dat men in contact kan komen met de hoogspanning. Daarom bevindt zich tussen de röntgenbuis en de omhulling een Iaag olie die isolerend werkt. De omhulling is bovendien geaard. 2 Uitstraling van warmte: ten gevolge van de enorme hoeveelheid toegevoerde energie wordt de anodeschijf roodgloeiend, soms zelfs witgloeiend. De warmte straalt uit naar de glaswand, vervolgens naar de olie rondom de glaswand, waarna door convectie de warmte naar de metalen omhulling wordt geleid, die het tenslotte aan de omgeving afgeeft.

De Röntgengenerator De generator van een röntgenapparaat levert de elektrische voeding. De eisen die men aan deze voeding stelt, zijn duidelijk anders dan die welke men stelt aan de voeding van bijvoorbeeld een televisietoestel. Een ding hebben ze gemeenschappelijk: ze moeten beide werken met de energie die door het energiebedrijf wordt geleverd. Bij de kleinste apparaten is dat middels de 220 V via de wandcontactdoos, de grotere systemen werken met 380 V driefasenspanning. Hier komt meestal geen netsteker aan te pas, maar is elk toestel door middel van kabels en schakelaars verbonden met het elektriciteitsnet.

Eisen waaraan een generator moet voldoen: De door de generator op te wekken buisspanning kan, afhankelijk van het type röntgentoestel waar de generator aan is gekoppeld, varieren van 20 tot 150 kV. Niet voor niets spreekt men hier van hoogspanning.

Het gevolg van het werken met dergelijke hoge spanningen is, dat er speciale aandacht moet worden besteed aan de isolatie van die systeemdelen, die met deze hoogspanning in aanraking kunnen komen.

Het leveren van een spanning alleen is echter niet voldoende. De generator zal ook de buisstroom moeten leveren die kan liggen tussen de 1 mA en 4 A. De combinatie van hoogspanning en buisstroom (U x I = P) betekent dat men te maken heeft met een groot vermogen. Generatoren die in de diagnostiek worden gebruikt, hebben vermogens tot maximaal 200 kW.

Het leveren van een spanning alleen is echter niet voldoende. De generator zal ook de buisstroom moeten leveren die kan liggen tussen de 1 mA en 4 A. De combinatie van hoogspanning en buisstroom (U x I = P) betekent dat men te maken heeft met een groot vermogen. Generatoren die in de diagnostiek worden gebruikt, hebben vermogens tot maximaal 200 kW.

Om een correcte opname te krijgen is het van belang dat het in- en uitschakelmoment van de elektrische energie met een grote nauwkeurigheid plaatsvindt. Naarmate de belichtingstijden korter zijn, is niet alleen de tijd, maar ook de spanningsvorm bij het in- en uitschakelen van steeds groter belang.

Röntgenstralen

Röntgenstralen zijn elektromagnetische golven. In de röntgendiagnostiek worden golflengten gebruikt van circa 0,05 tot 0,008 nm. Hun golflengte is dus aanzienlijk kleiner dan die van het licht, zij planten zich voort met dezelfde snelheid als het licht. De bij een bepaalde buisspanning opgewekte röntgenstralen hebben niet allen een zelfde golflengte, er ontstaat een continu spectrum van golflengten. Oorzaak hiervan is enerzijds dat niet alle elektronen dezelfde snelheid hebben als zij de anode treffen, anderzijds dat de energieoverdracht van de elektronen aan de materie niet altijd even succesvol is.

Gammastralen zijn eveneens elektromagnetische trillingen. Zij verschillen principieel van röntgenstralen door hun ontstaanswijze: röntgenstralen ontstaan door botsing van snelle elektronen op materie (remstraling), gammastralen ontstaan door desintegratie in een atoomkern. Zij werden kort na de ontdekking van de röntgenstralen ontdekt door Mme. Curie als een vervalprodukt van radium. Tegenwoordig worden gammastralen behalve in de radiotherapie, voornamelijk toegepast voor de beeldvorming in de nucleaire geneeskunde. Zij ontstaan bij het verval van radionucliden en bezitten onderling aanzienlijke verschillen in doordringingsvermogen.

Volgens de quantentheorie van Planck vindt elektromagnetische straling plaats in de vorm van energiepakketjes, quanten of fotonen genaamd. Omdat de fotonen het vermogen hebben elektronen uit atomen te schieten, waardoor deze atomen een elektrische lading krijgen, worden gamma- en röntgenstraling bestempeld als ioniserende straling.

De röntgendiagnostiek maakt gebruik van het doordringend vermogen van röntgenstraling en van twee andere eigenschappen van ioniserende straling, nl. hun werking op een fotografische plaat en hun vermogen luminescentie op te wekken.

Al spoedig na het ontdekken van de röntgenstralen werd ook het biologische effect bekend, deels door ongewilde en onverwachte weefselbeschadigingen bij radiologen en patienten, deels door experimentele bestralingen van huidafwijkingen en tumoren. Hieruit is geleidelijk de radiotherapie ontstaan.