Präsentation, ausgearbeitete Fassung

Strahlung in der Medizin: Physikalische Grundlagen

Nach der Präsentation von Prof. Dr. Ulrich Frey, Stand 11/2025. 10 Lektionen, 60 Folien.

Abbildung aus Folie 1 der Präsentation.

Eine umfassende Einführung in die physikalischen Grundlagen ionisierender
Strahlung, Röntgentechnik und Strahlenschutz für Studierende und Ärzte.

Diese Lerneinheit führt den Inhalt der Präsentation als zusammenhängenden Text aus, ergänzt um Hintergrund und Erläuterungen. Die Bilder und komplexe Folien stehen an der passenden Stelle im Text. Wo die Folien fachlich zu korrigieren waren, ist der Text nach aktueller Evidenz richtiggestellt; eine Korrekturbox nennt die Abweichung und die Quelle. Der vollständige Folientext im Wortlaut folgt im letzten Abschnitt.

Passende Inhalte im E-Learning: Praktischer Strahlenschutz, Strahlenschutzrecht.

Lektion	Inhalt
1	Was Strahlung ist
2	Radioaktiver Zerfall
3	Die Röntgenröhre
4	Wechselwirkung mit Materie
5	Strahlenschäden
6	Dosisgrößen
7	Risiko in Zahlen
8	Personal- und Ortsdosimetrie
9	Patientendosimetrie
10	Dosisreduktion und Zusammenfassung

Lektion 1

Was Strahlung ist: Wellen, Teilchen und Ionisation

Folie 2: Was ist Strahlung überhaupt?. Aus der Präsentation.

Fragt man „Was ist Strahlung?“, landet man schnell bei der physikalischen Definition: Strahlung ist ein Transport von Energie, bei Teilchenstrahlung zusätzlich von Masse. Diese Aussage ist zunächst wertfrei; Strahlung ist nicht automatisch gefährlich. Sonnenlicht, Radiowellen und Wärmestrahlung sind ebenso Strahlung wie Röntgenstrahlung. Strahlung kann sich durch ein Medium ausbreiten, aber anders als Schall auch durch das Vakuum; nur deshalb erreicht uns die Energie der Sonne. Aus der Unterscheidung zwischen reinem Energietransport und Energie-plus-Masse-Transport ergeben sich die beiden großen Gruppen, elektromagnetische Strahlung und Teilchenstrahlung.

Elektromagnetische Strahlung

Elektromagnetische Strahlung wird auch Wellenstrahlung genannt. Sie transportiert Energie in Form von Photonen, Energiequanten ohne Ruhemasse, die ein physikalisches Modell sind, um die Wechselwirkung mit Materie zu beschreiben. Die Energie eines Photons ist durch seine Wellenlänge beziehungsweise Frequenz bestimmt, und die entscheidende Regel lautet: Je kürzer die Wellenlänge, desto höher Frequenz und Energie. Radiowellen und Mikrowellen haben lange Wellenlängen und wenig Energie, sichtbares Licht liegt bei etwa 400 bis 750 nm, Röntgenstrahlung ist deutlich kurzwelliger und energiereicher. Gammastrahlung hat dieselbe physikalische Natur wie Röntgenstrahlung; der Unterschied liegt nur in der Entstehung, sie stammt aus dem Atomkern beim radioaktiven Zerfall, Röntgenstrahlung aus der Elektronenhülle oder der Abbremsung von Elektronen.

Abbildung aus Folie 4 der Präsentation.

Teilchenstrahlung

Bei der Teilchenstrahlung fliegt tatsächlich ein Teilchen mit Masse durch den Raum. Wichtige Beispiele sind die Alphastrahlung aus Heliumkernen mit zwei Protonen und zwei Neutronen, die Betastrahlung aus schnellen Elektronen oder Positronen und die Elektronenstrahlung, etwa die Elektronen in der Röntgenröhre. In der Strahlentherapie kommen weitere Teilchen wie Protonen hinzu; für die Diagnostik sind vor allem Photonen und Elektronen relevant.

Abbildung aus Folie 6 der Präsentation.

Ionisierende Strahlung

Im medizinischen Alltag meint „Strahlung“ fast immer ionisierende Strahlung. Ionisierend heißt: Die Energie reicht aus, um ein Elektron dauerhaft aus einem Atom oder Molekül herauszuschlagen. Das unterscheidet die Ionisation von der bloßen Anregung, bei der ein Elektron nur kurzzeitig auf ein höheres Energieniveau gehoben wird und dann zurückfällt. Die dafür nötige Energie liegt in Wasser und damit näherungsweise im Gewebe in der Größenordnung von 10 bis 15 Elektronenvolt; die Präsentation rechnet mit 15 eV. Diese kleine Energiemenge genügt, um biologische Moleküle dauerhaft zu verändern, und sie ist die Grundlage aller Strahlenschäden.

Folie 7: Elektronenvolt: Die Energieeinheit der Strahlenphysik. Aus der Präsentation.

Das Elektronenvolt ist die Energie, die ein Elektron beim Durchlaufen einer Spannung von 1 Volt gewinnt; 1 eV entspricht etwa 1,6 × 10⁻¹⁹ Joule. In Joule ergäben sich unpraktisch kleine Zahlen, deshalb arbeitet die Strahlenphysik mit Elektronenvolt. Rechnet man die Ionisationsschwelle von 15 eV in eine Wellenlänge um, ergeben sich etwa 82 nm: Elektromagnetische Strahlung mit kürzerer Wellenlänge ist ionisierend. Das sichtbare Licht liegt weit darüber, wir sehen also nur nicht ionisierende Strahlung.

Korrektur gegenüber der FolieDie Folie erklärt die Hautschäden durch UV-Strahlung mit Ionisation. Nach der Schwelle von etwa 82 nm ist die UV-Strahlung der Sonne (280 bis 400 nm) nicht ionisierend. Ihre Schäden entstehen photochemisch: UV-B wird direkt von der DNA absorbiert und bildet Pyrimidin-Dimere, UV-A wirkt über reaktive Sauerstoffspezies.

Zum MitnehmenStrahlung ist Energietransport, bei Teilchen zusätzlich Masse. Röntgen- und Gammastrahlung sind physikalisch gleich, sie unterscheiden sich nur in der Entstehung. Ionisierend ist Strahlung ab etwa 10 bis 15 eV, das sind Wellenlängen unter etwa 82 nm; UV-Licht schädigt photochemisch.

Lektion 2

Wie Strahlung entsteht: radioaktiver Zerfall

Folie 8: Wie entsteht Strahlung?. Aus der Präsentation.

Strahlung entsteht auf zwei grundsätzlich verschiedenen Wegen. Natürlich durch radioaktiven Zerfall, bei dem sich Atomkerne spontan in andere Kerne umwandeln, und technisch in der Röntgenröhre durch die Beschleunigung von Elektronen. Beide sind medizinisch relevant, der Zerfall in der Nuklearmedizin, die technische Erzeugung in der Röntgendiagnostik.

Abbildung aus Folie 9 der Präsentation.

Atomkerne bestehen aus positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen; deren Summe ist die Massenzahl. Manche Kerne sind, bildlich gesprochen, mit ihrer Zusammensetzung unzufrieden: Sie sind instabil und streben einen stabileren Zustand an. Dazu wandelt sich ein Neutron in ein Proton um oder umgekehrt, oder der Kern stößt Protonen und Neutronen ab, und die freiwerdende Energie wird als Strahlung abgegeben. Voraussetzung ist, dass die Masse des Ausgangskerns größer ist als die Summe der Massen der Zerfallsprodukte; die „verschwundene“ Masse wird nach Einsteins E = mc² zur Zerfallsenergie.

Folie 10: Die verschiedenen Zerfallsarten. Aus der Präsentation.

Die Zerfallsarten

Beim Alphazerfall stößt der Kern einen Heliumkern aus zwei Protonen und zwei Neutronen aus. Alphateilchen haben in Luft eine Reichweite von wenigen Zentimetern und werden schon von einem Blatt Papier oder der obersten Hautschicht gestoppt. Beim Beta-Minus-Zerfall wandelt sich ein Neutron in ein Proton um, und ein Elektron wird ausgesandt; seine Reichweite beträgt in Luft einige Meter, einige Millimeter Aluminium schirmen es ab. Beim Beta-Plus-Zerfall wandelt sich ein Proton in ein Neutron um, und ein Positron wird ausgesandt; das ist die Grundlage der Positronen-Emissions-Tomographie. Die Gammastrahlung ist eigentlich kein Zerfall, sondern der Übergang eines angeregten Kerns in einen energieärmeren Zustand. Photonen haben keine feste Reichweite, sie werden exponentiell geschwächt; in Luft kommen sie weit, abgeschirmt werden sie mit Blei oder Beton.

Der stochastische Charakter des Zerfalls

Der radioaktive Zerfall folgt Wahrscheinlichkeitsgesetzen. Für einen einzelnen Kern, etwa einen Cäsium-137-Kern, lässt sich nie sagen, wann er zerfällt, nur mit welcher Wahrscheinlichkeit er es in einem bestimmten Zeitraum tut. Diese Unvorhersagbarkeit ist keine Wissenslücke, sondern eine grundlegende Eigenschaft der Quantenmechanik. Erwin Schrödinger hat sie mit seinem berühmten Gedankenexperiment veranschaulicht: Eine Katze sitzt in einer Kiste mit einem radioaktiven Kern und einem Geigerzähler, der bei einem Zerfall einen Hammer auslöst, der ein Giftfläschchen zerbricht. Solange niemand nachsieht, ist nicht entscheidbar, ob die Katze lebt; sie befindet sich in einem quantenmechanischen Überlagerungszustand. Das Experiment wurde natürlich nie durchgeführt.

Folie 12: Vom Einzelkern zur Population: Das Zerfallsgesetz. Aus der Präsentation.

Was für den einzelnen Kern unvorhersagbar ist, wird für eine große Zahl von Kernen berechenbar, weil sich das Zufallsverhalten herausmittelt. Die Aktivität ist die Zahl der Zerfälle pro Sekunde, gemessen in Becquerel; 50 Bq bedeuten 50 Zerfälle pro Sekunde. Die Halbwertszeit ist die Zeit, nach der die Aktivität auf die Hälfte gesunken ist; sie ist für jedes Isotop charakteristisch und reicht von Sekundenbruchteilen bis zu Milliarden Jahren. Die Aktivität fällt exponentiell: Nach einer Halbwertszeit sind noch 50 % vorhanden, nach zwei 25 %, nach drei 12,5 %. Diese Vorhersagbarkeit im Großen macht die Radioaktivität für die Medizin nutzbar.

Zum MitnehmenAlpha: Heliumkern, wenige Zentimeter Reichweite, Papier genügt. Beta: Elektron oder Positron, Aluminium genügt. Gamma: Photonen aus dem Kern, Blei oder Beton. Zerfall ist zufällig für den einzelnen Kern und exponentiell für viele.

Lektion 3

Die Röntgenröhre: Aufbau, Spektrum und Filterung

Folie 13: Die Röntgenröhre: Aufbau und Funktionsprinzip. Aus der Präsentation.

Röntgenstrahlung wird technisch in der Röntgenröhre erzeugt, einem evakuierten Glaskolben mit zwei Elektroden. Die Kathode ist eine Glühwendel, ähnlich der einer Glühbirne; sie wird elektrisch auf etwa 2 000 °C erhitzt und setzt dabei Elektronen frei. Die Zahl der Elektronen bestimmt den Röhrenstrom und wird über die Heizspannung gesteuert. Die Anode ist ein Metallkörper, meist aus Wolfram, in der Mammographie aus Molybdän; sie ist positiv geladen und zieht die Elektronen an, die mit hoher Geschwindigkeit auf sie prallen. Beim Aufprall entsteht Röntgenstrahlung, zum weitaus größten Teil aber Wärme, weshalb Anoden gekühlt und oft als Drehanoden gebaut werden.

Folie 14: Elektronenbeschleunigung in der Röntgenröhre. Aus der Präsentation.

Zwischen Kathode und Anode liegt die Röhrenspannung, der wichtigste Parameter für die Energie der Strahlung. Ein Elektron, das 1 Volt durchläuft, gewinnt 1 eV; bei 100 kV gewinnt es also 100 keV. Das ist die Maximalenergie der entstehenden Photonen; tatsächlich entsteht ein Spektrum mit 100 keV als Obergrenze. Typische Spannungen sind 20 bis 35 kV in der Mammographie, wo niederenergetische Strahlung den Weichteilkontrast erhöht, 100 bis 125 kV beim Röntgen-Thorax und 80 bis 140 kV in der Computertomographie. Die Wahl der Röhrenspannung ist eine der wichtigsten Entscheidungen der Bildgebung und richtet sich nach der Fragestellung.

Folie 15: Charakteristische Röntgenstrahlung: Der Ionisationsprozess. Aus der Präsentation.

Charakteristische Strahlung

Treffen die Elektronen auf die Anode, entsteht Strahlung auf zwei Wegen. Bei der charakteristischen Strahlung stößt das einfallende Elektron wie eine Billardkugel ein Elektron aus einer inneren Schale eines Anodenatoms heraus. Die entstandene Lücke wird von einem Elektron aus einer äußeren Schale aufgefüllt, und die Energiedifferenz der beiden Schalen wird als Röntgenphoton frei. Füllt ein Elektron der L-Schale eine Lücke in der K-Schale, entsteht K-Alpha-Strahlung, kommt es aus der M-Schale, K-Beta-Strahlung mit etwas höherer Energie. Diese Energien sind für das Anodenmaterial charakteristisch, daher der Name; das Spektrum ist hier diskret.

Bremsstrahlung

Quantitativ wichtiger ist die Bremsstrahlung. Das negativ geladene Elektron fliegt am positiv geladenen Atomkern vorbei, wird angezogen und abgelenkt und verliert dabei kinetische Energie. Diese Energie geht nicht verloren, sondern wird als Photon abgestrahlt. Je nachdem, wie nah und wie schnell das Elektron am Kern vorbeifliegt, fällt der Energieverlust verschieden aus; so entsteht ein kontinuierliches Spektrum von nahezu null bis zur maximalen Elektronenenergie.

Folie 17: Das Röntgenspektrum: Zusammenspiel beider Prozesse. Aus der Präsentation.

Das tatsächliche Spektrum ist eine Überlagerung beider Prozesse. Die Bremsstrahlung bildet eine Dreiecksverteilung bis zur Maximalenergie, bei 90 kV also bis 90 keV; darauf sitzen die charakteristischen Linien als scharfe Spitzen. Die mittlere Energie liegt nach der Filterung bei etwa einem Drittel bis der Hälfte der Maximalenergie. Im niederenergetischen Bereich ist die Intensität hoch, für die Bildgebung ist dieser Anteil aber problematisch.

Abbildung aus Folie 18 der Präsentation.

Filterung

Die niederenergetischen Photonen sind für die Bildgebung nicht nur nutzlos, sondern schädlich. Sie werden durch den Photoeffekt vollständig im Körper absorbiert, erreichen den Detektor nicht, tragen nichts zum Bild bei, erhöhen aber die Hautdosis. Deshalb enthält jede Röntgenröhre einen Filter, in der Regel mindestens 2,5 mm Aluminium Gesamtfilterung, oft ergänzt um Kupfer. Das Spektrum wird dadurch „härter“, seine mittlere Energie steigt, die Patientendosis sinkt, und es entsteht das für die Bildgebung nutzbare Spektrum.

Zum MitnehmenDie Röhrenspannung bestimmt die maximale Photonenenergie, der Röhrenstrom die Menge. Bremsstrahlung liefert das kontinuierliche Spektrum, charakteristische Strahlung die Linien. Filterung entfernt die weiche Strahlung und senkt die Hautdosis.

Lektion 4

Wechselwirkung mit Materie: Schwächung, Compton, Photoeffekt, Paarbildung

Folie 19: Wechselwirkung mit Materie: Was passiert mit den Photonen?. Aus der Präsentation.

Auf ihrem Weg durch den Körper tritt die Strahlung mit den Atomen des Gewebes in Wechselwirkung. Diese Prozesse sind die Grundlage sowohl der Bildgebung als auch des Strahlenschutzes. Die Intensität nimmt mit der Gewebedicke exponentiell ab; ein Teil der Photonen ändert durch Streuung Richtung und Energie und verschlechtert die Bildqualität; ein anderer Teil wird vollständig absorbiert, und die unterschiedliche Absorption verschiedener Gewebe erzeugt den Bildkontrast.

Folie 20: Exponentielles Schwächungsgesetz. Aus der Präsentation.

Das exponentielle Schwächungsgesetz

Die Schwächung folgt einem Exponentialgesetz wie der radioaktive Zerfall: I = I₀ · e^−μd. Der Schwächungskoeffizient μ hängt von der Ordnungszahl des Materials ab, höhere Ordnungszahlen schwächen stärker, von seiner Dichte und von der Energie der Strahlung. Praktischer ist die Halbwertsschichtdicke, die Dicke, die die Intensität halbiert. Für Photonen von 100 keV beträgt sie in Wasser und Weichgewebe etwa 4 cm, in Blei nur etwa 0,1 mm. Deshalb bestehen Strahlenschutzschürzen aus Blei oder Wolfram.

Abbildung aus Folie 21 der Präsentation.

Compton-Streuung

Bei der Compton-Streuung trifft ein Photon auf ein äußeres, schwach gebundenes Elektron, wie ein Stoß zwischen zwei Billardkugeln, von denen eine keine Masse hat. Das Elektron wird aus dem Atom geschlagen und erhält kinetische Energie, das Photon ändert seine Richtung und verliert Energie, seine Wellenlänge wird größer. Der Energieübertrag auf das Elektron deponiert Dosis im Gewebe, deshalb ist die Compton-Streuung dosisrelevant. Ihre Wahrscheinlichkeit pro Atom steigt mit der Zahl der Elektronen, also mit der Ordnungszahl; bezogen auf die Masse ist sie für die meisten Gewebe nahezu gleich. Im diagnostischen Bereich hängt sie kaum von der Photonenenergie ab, und die maximale Energieübertragung erfolgt bei Rückstreuung unter 180°.

Abbildung aus Folie 22 der Präsentation.

Für den Strahlenschutz ist die Richtung der Streustrahlung entscheidend. Die meiste Streustrahlung verlässt den Patienten auf der Seite, auf der der Strahl eintritt, also auf der Seite der Röhre, weil die Strahlung dort am intensivsten ist und die auf der Austrittsseite entstehende Streustrahlung im Patienten stärker geschwächt wird. Daraus folgt die wichtigste Aufstellungsregel: immer auf der Seite des Detektors stehen. Bei der Durchleuchtung liegt die Röhre unter dem Tisch und das Personal über dem Tisch; bei Aufnahmen mit mobilem Gerät steht man hinter dem Detektor und nie direkt neben der Röhre. Nach der Präsentation kann diese einfache Regel die Exposition des Personals um den Faktor 10 bis 100 senken.

Abbildung aus Folie 23 der Präsentation.

Photoeffekt

Beim Photoeffekt wird das Photon vollständig absorbiert. Es trifft auf ein Elektron einer inneren Schale, überträgt ihm seine gesamte Energie, und das Elektron verlässt das Atom mit der Photonenenergie abzüglich seiner Bindungsenergie. Das Photon existiert danach nicht mehr. Voraussetzung ist, dass die Photonenenergie mindestens so groß ist wie die Bindungsenergie.

Der Photoeffekt ist der Schlüssel zum Röntgenbild, weil seine Wahrscheinlichkeit sehr stark von der Ordnungszahl abhängt, etwa mit ihrer dritten bis vierten Potenz. Rechnet man mit der vierten Potenz, wie die Präsentation, ergibt sich für Wasserstoff mit Z = 1 der Wert 1, für Kohlenstoff mit Z = 6 bereits 1 296 und für Calcium mit Z = 20 rund 160 000. Weichgewebe hat eine effektive Ordnungszahl von etwa 7,4, vor allem aus Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff, Knochen von etwa 13,8 wegen seines Gehalts an Calcium und Phosphor, jodhaltiges Kontrastmittel mit Z = 53 absorbiert extrem stark. Knochen absorbiert viel, wenig Signal erreicht den Detektor, er erscheint hell; Weichgewebe erscheint grau, Luft absorbiert kaum und erscheint dunkel.

Folie 25: Energieabhängigkeit des Photoeffekts. Aus der Präsentation.

Die Wahrscheinlichkeit des Photoeffekts sinkt zudem stark mit steigender Energie, etwa mit der dritten Potenz. Bei niedrigen Energien von 20 bis 40 keV dominiert er: hohe Absorption, sehr guter Kontrast, aber hohe Patientendosis und wenig Signal am Detektor; genau das nutzt die Mammographie, die feine Weichteilunterschiede darstellen muss. Bei hohen Energien über 150 keV wird er vernachlässigbar: geringe Absorption, niedrigere Dosis, mehr Signal, aber schlechter Kontrast; deshalb arbeiten CT und Durchleuchtung mit höheren Spannungen. Die Wahl der Röhrenspannung ist also immer ein Kompromiss zwischen Kontrast und Dosis.

Abbildung aus Folie 26 der Präsentation.

Paarbildung

Der vierte Prozess, die Paarbildung, ist physikalisch faszinierend, aber für die Diagnostik ohne Bedeutung. Ein sehr energiereiches Photon wird im Feld eines Atomkerns vollständig umgewandelt, und es entsteht ein Paar aus Elektron und Positron. Jedes Teilchen hat eine Ruheenergie von 511 keV, zusammen also 1,022 MeV; das ist die Mindestenergie, praktisch relevant wird der Prozess erst ab etwa 10 MeV, also in der Strahlentherapie mit Linearbeschleunigern von 6 bis 18 MeV. In der Diagnostik mit 20 bis 150 keV spielt er keine Rolle.

Korrektur gegenüber der FolieDie Folie beschreibt, dass Elektron und Positron bei der Paarbildung unter 180° auseinanderfliegen. Das gilt nicht für die Paarbildung, sondern für die beiden 511-keV-Photonen, die entstehen, wenn das Positron später mit einem Elektron annihiliert. Auf diesen entgegengesetzt ausgesandten Photonen beruht die PET.

Abbildung aus Folie 27 der Präsentation.

Welcher Prozess wann dominiert

Die Prozesse dominieren in verschiedenen Bereichen von Energie und Ordnungszahl. Bei niedriger Energie und hoher Ordnungszahl überwiegt der Photoeffekt, ideal für Kontrastmittel und Abschirmung. Im mittleren Energiebereich überwiegt in Weichgewebe die Compton-Streuung, ab etwa 30 keV bis in den Bereich mehrerer MeV. Bei sehr hohen Energien über 10 MeV überwiegt die Paarbildung. Die Röntgendiagnostik arbeitet im Übergangsbereich zwischen Photoeffekt und Compton-Streuung und nutzt beide.

Daraus folgen klare Konsequenzen. Niedrige Energie bedeutet mehr Photoeffekt, hohen Kontrast, aber hohe Dosis und weniger Signal, das über ein höheres Strom-Zeit-Produkt ausgeglichen werden muss. Hohe Energie bedeutet mehr Compton-Streuung, niedrigere Dosis, kürzere Aufnahmezeiten und bessere Durchdringung, aber weniger Kontrast und mehr Streustrahlung, die mit einem Streustrahlenraster reduziert wird. Dichte Materialien mit hoher Ordnungszahl wie Blei (Z = 82) und Wolfram (Z = 74) eignen sich deshalb für Schürzen, Wände und Türen, Jod (Z = 53) als Kontrastmittel. Die optimale Technik ist immer ein individueller Kompromiss zwischen Bildqualität und Dosis, angepasst an die Fragestellung.

Zum MitnehmenPhotoeffekt: Absorption, stark abhängig von Ordnungszahl und Energie, erzeugt den Kontrast. Compton: Streuung, dosisrelevant, Hauptquelle der Personalexposition, vor allem auf der Röhrenseite. Paarbildung: erst ab MeV, nur Strahlentherapie. Auf der Detektorseite stehen.

Lektion 5

Strahlenschäden: stochastisch und deterministisch

Folie 29: Strahlenschäden: Zwei fundamental verschiedene Arten. Aus der Präsentation.

Die Internationale Strahlenschutzkommission (ICRP) unterscheidet zwei grundsätzlich verschiedene Arten von Strahlenschäden; eine Überarbeitung ihrer Empfehlungen wird für die kommenden Jahre erwartet. Stochastische Schäden treten zufällig auf: Man kann nie sagen, dass eine bestimmte Dosis einen bestimmten Schaden verursacht, nur mit welcher Wahrscheinlichkeit. Das klassische Beispiel ist die Krebsentstehung. Mit höherer Dosis steigt die Wahrscheinlichkeit, nicht aber die Schwere: Eine Leukämie bleibt eine Leukämie, ob sie durch 10 oder 100 mSv ausgelöst wurde. Einen Schwellenwert gibt es nach dem Vorsorgemodell nicht. Deterministische Schäden, heute auch Gewebereaktionen genannt, treten dagegen sicher auf, wenn eine Schwellendosis überschritten wird; unterhalb der Schwelle entsteht kein Schaden, oberhalb wird er mit steigender Dosis schwerer. Die Schwelle ist individuell verschieden und hängt von Alter, Genetik, Vorerkrankungen und dem betroffenen Gewebe ab.

Abbildung aus Folie 30 der Präsentation.

Der Sonnenbrand ist das perfekte Alltagsbeispiel für einen deterministischen Schaden, auch wenn er durch nicht ionisierende UV-Strahlung entsteht. Es gibt eine persönliche Zeit, die man ohne Sonnenbrand in der Sonne verbringen kann, abhängig von Hauttyp, Vorbräunung, UV-Index, Höhenlage und Reflexion durch Wasser oder Schnee sowie von Sonnenschutz. Wird diese Schwelle überschritten, entsteht ein Sonnenbrand, und je länger man danach in der Sonne bleibt, desto schwerer wird er, von leichter Rötung über Blasen bis zu schweren Verbrennungen. Genau so verhalten sich alle deterministischen Strahlenschäden.

Folie 31: Weitere deterministische Strahlenschäden. Aus der Präsentation.

Deterministische Schäden und ihre Schwellen

Die Katarakt, die Trübung der Augenlinse, ist besonders relevant, weil die Linse aus Zellen besteht, die sich nicht erneuern. Nach der Neubewertung durch die ICRP (Publikation 118, 2012) liegt ihre Schwelle bei etwa 0,5 Gy, und zwar auch bei fraktionierter oder chronischer Exposition über Jahre; diese Erkenntnis hat zur Senkung des Grenzwertes für die Augenlinse geführt. Die Sterilität betrifft die hochempfindlichen Keimzellen; beim Mann führen schon etwa 0,15 Gy zu einer vorübergehenden, 3,5 bis 6 Gy zu einer dauerhaften Unfruchtbarkeit. Für Herz-Kreislauf-Erkrankungen zeigen neuere Daten Gefäßschäden bei niedrigeren Dosen als früher angenommen; die Schwelle wird diskutiert, möglicherweise unter 1 Gy. Die akute Strahlenkrankheit entsteht durch massiven Zelltod mit Organversagen, mit Übelkeit, Erbrechen, Durchfall, Haarausfall und Immunsuppression; milde Symptome treten ab etwa 1 Gy auf, über 6 Gy verläuft sie ohne Behandlung oft tödlich. Hautschäden reichen von der Rötung ab etwa 2 Gy über Haarausfall und feuchte Epitheliolyse bis zu Nekrosen bei sehr hohen Dosen, nach den Tabellen der interventionellen Radiologie ab etwa 15 bis 18 Gy; sie sind besonders in der interventionellen Radiologie mit langen Durchleuchtungszeiten relevant.

Korrektur gegenüber der FolieDie Folie nennt für die Katarakt 0,5 Gy akut und 5 Gy bei chronischer Exposition. Nach ICRP 118 gilt die Schwelle von etwa 0,5 Gy unabhängig von der zeitlichen Verteilung; der höhere Wert für chronische Exposition ist überholt.

In der Strahlentherapie werden deterministische Wirkungen gezielt genutzt: Tumorzellen sollen durch den Zelltod zerstört werden, mit typischen Gesamtdosen von 60 bis 80 Gy in fraktionierten Einzeldosen.

Folie 32: Stochastische vs. Deterministische Schäden: Grafische Darstellung. Aus der Präsentation.

Grafisch unterscheiden sich die beiden Schadensarten deutlich. Bei stochastischen Schäden steigt die Wahrscheinlichkeit linear mit der Dosis, beginnend bei null und ohne Schwelle; oberhalb von etwa 100 mSv ist dieser Zusammenhang epidemiologisch gesichert, darunter wird er aus Vorsicht angenommen. Bei deterministischen Schäden passiert unterhalb der Schwelle nichts, oberhalb steigt die Schwere steil an.

Folie 33: Warum ist das Latenzzeit-Problem so kritisch?. Aus der Präsentation.

Latenz und das LNT-Modell

Stochastische Schäden treten mit langer Latenz auf, bei soliden Tumoren typischerweise nach 10 bis 30 Jahren, bei Leukämien nach 2 bis 10 Jahren. Bei niedrigen Dosen unter 100 mSv ist der strahlenbedingte Effekt so klein, dass er im statistischen Rauschen anderer Krebsursachen untergeht; etwa 40 % der Bevölkerung erkranken im Laufe ihres Lebens an Krebs. Ob eine CT mit 10 mSv, die ein Mensch heute erhält, für einen Lungenkrebs in 25 Jahren verantwortlich ist, lässt sich nicht klären, denn in dieser Zeit wirken weitere medizinische Expositionen, die natürliche Strahlung von jährlich etwa 2 bis 3 mSv, Rauchen, Umweltgifte, Ernährung, Genetik und das Altern. Oberhalb von 100 mSv zeigen die Daten der Atombombenüberlebenden von Hiroshima und Nagasaki und nach Tschernobyl einen Zusammenhang; darunter wird aus Vorsicht linear extrapoliert, nach dem Modell „linear no threshold“ (LNT). Große Kohorten beruflich exponierter Beschäftigter der Nuklearindustrie stützen einen linearen Zusammenhang auch im Bereich niedriger Dosen.

Zum MitnehmenStochastisch: Wahrscheinlichkeit steigt mit der Dosis, keine Schwelle, lange Latenz. Deterministisch: Schwelle, dann Schwere dosisabhängig. Katarakt ab etwa 0,5 Gy, Hauterythem ab etwa 2 Gy. Unter 100 mSv wird das Risiko nach dem LNT-Modell linear extrapoliert.

Lektion 6

Dosisgrößen: von der Energiedosis zur effektiven Dosis

Um Strahlenwirkungen zu quantifizieren und zu vergleichen, braucht es Messgrößen, und je nach Frage andere: physikalische Energiedeposition, biologische Wirkung, Ganzkörper- oder Organexposition. So entsteht ein regelrechter „Zoo“ an Dosisgrößen, in dem aber jede ihren Zweck hat.

Abbildung aus Folie 35 der Präsentation.

Energiedosis

Die Energiedosis ist die grundlegende Größe und die einzige, die sich direkt messen lässt: absorbierte Energie pro Masse, in Gray (1 Gy = 1 J/kg), unabhängig von der biologischen Wirkung. Messbar ist sie im Prinzip kalorimetrisch, weil absorbierte Energie Wärme erzeugt. Ein Rechenbeispiel zeigt, wie klein diese Energie ist: Eine Ganzkörperdosis von etwa 4 Gy ist ohne Behandlung für die Hälfte der Exponierten innerhalb von 60 Tagen tödlich; die Präsentation rechnet mit 4,2 Gy. 4,2 Gy sind 4,2 J/kg; bei einer spezifischen Wärmekapazität von Wasser von 4 200 J/(kg·°C) erwärmt das den Körper um ein Tausendstel Grad. Die biologische Wirkung hat also nichts mit Wärme zu tun, sie entsteht durch die Ionisation einzelner Moleküle.

Kerma

Kerma steht für „kinetic energy released per unit mass“, die pro Masse auf geladene Teilchen, vor allem Elektronen, übertragene Energie. Der Unterschied zur Energiedosis: Kerma misst die übertragene, Energiedosis die absorbierte Energie. Verlässt ein Elektron das betrachtete Volumen, bevor es seine Energie abgegeben hat, ist die Kerma höher als die Dosis. In der Röntgendiagnostik sind die Elektronenenergien so niedrig, dass die Elektronen im Gewebe bleiben; es herrscht Sekundärelektronengleichgewicht, und Kerma und Energiedosis sind praktisch identisch. Aus historischen Gründen wird in der Diagnostik die Kerma angegeben, etwa als „Einfalldosis-Kerma“ oder „Referenzluftkerma“ in Geräteprotokollen.

Folie 37: Äquivalentdosis: Berücksichtigung der Strahlenart. Aus der Präsentation.

Äquivalentdosis und Strahlungs-Wichtungsfaktor

Gleiche Energiedosis bedeutet nicht gleiche biologische Wirkung, denn es kommt auf die Dichte der Ionisation an. Der lineare Energietransfer (LET) beschreibt die pro Wegstrecke abgegebene Energie in keV/µm. Photonen und Elektronen sind locker ionisierend (niedriger LET), Protonen, Alphateilchen und schwere Ionen dicht ionisierend (hoher LET). Je dichter die Ionisation, desto wahrscheinlicher werden mehrere kritische Stellen der DNA zugleich getroffen, etwa beide Stränge, und desto größer ist die biologische Wirkung.

Folie 38: Strahlungs-Wichtungsfaktor wR. Aus der Präsentation.

Deshalb wird die Energiedosis mit einem Strahlungs-Wichtungsfaktor multipliziert: Äquivalentdosis H = D × w_R, in Sievert. Die Faktoren nach ICRP 103 lauten:

Strahlungs-Wichtungsfaktoren nach ICRP 103
Strahlung	w_R
Photonen (Röntgen, Gamma), Elektronen, Myonen	1
Protonen	2
Alphateilchen, Spaltfragmente, schwere Ionen	20
Neutronen	2,5 bis 20, energieabhängig

Photonen und Elektronen haben denselben Faktor, weil Photonen ihre Wirkung über die freigesetzten Elektronen entfalten. Alphateilchen sind von außen harmlos, weil sie schon die Hornschicht der Haut nicht durchdringen, im Körper aber sehr gefährlich, etwa bei eingeatmetem Radon.

Abbildung aus Folie 39 der Präsentation.

Effektive Dosis

Die Äquivalentdosis berücksichtigt die Strahlenart, aber nicht, welches Organ getroffen wurde, und Organe sind unterschiedlich strahlenempfindlich. Die effektive Dosis summiert deshalb die Organ-Äquivalentdosen, gewichtet mit einem Gewebe-Wichtungsfaktor: E = Σ w_T · H_T, in Sievert, praktisch meist Millisievert. Die Gewebe-Wichtungsfaktoren summieren sich zu 1. Die Stärke des Konzepts: Gleiche effektive Dosen bedeuten ein gleiches stochastisches Risiko, unabhängig davon, welche Organe und welche Strahlenart beteiligt waren; so werden sehr verschiedene Expositionen vergleichbar.

Folie 40: Gewebe-Wichtungsfaktoren wT. Aus der Präsentation.

Die Gewebe-Wichtungsfaktoren beruhen auf epidemiologischen Daten, vor allem der Atombombenüberlebenden, und wurden 2007 in ICRP 103 zuletzt aktualisiert:

Gewebe-Wichtungsfaktoren nach ICRP 103 (2007)
Gewebe	w_T
rotes Knochenmark, Dickdarm, Lunge, Magen, Brust, restliche Gewebe	je 0,12
Keimdrüsen	0,08
Blase, Speiseröhre, Leber, Schilddrüse	je 0,04
Knochenoberfläche, Gehirn, Speicheldrüsen, Haut	je 0,01

Korrektur gegenüber der FolieDie Folie ordnet der Brust und den restlichen Geweben 0,08, der Knochenoberfläche und der Haut 0,04 und den Keimdrüsen 0,01 zu. Nach ICRP 103 betragen die Faktoren 0,12 für Brust und restliche Gewebe, 0,01 für Knochenoberfläche und Haut und 0,08 für die Keimdrüsen.

Folie 41: Rechenbeispiel: Ganzkörper- vs. Teilkörperexposition. Aus der Präsentation.

Ein Rechenbeispiel macht das Konzept anschaulich. Im ersten Szenario wird der ganze Körper gleichmäßig mit 1,2 Gy Photonenstrahlung bestrahlt, etwa bei einem Strahlenunfall; weil die Summe aller Faktoren 1 ist, ergibt sich E = 1,2 Sv. Im zweiten Szenario erhält nur die Schilddrüse 30 Gy, etwa bei einer Radiojodtherapie, alle anderen Organe nichts; mit w_T = 0,04 ergibt sich ebenfalls E = 1,2 Sv. Trotz 25-fach höherer Organdosis ist das stochastische Gesamtrisiko nach dem Modell gleich.

Folie 42: Effektive Dosis: Anwendung und Grenzen. Aus der Präsentation.

Die effektive Dosis dient der Überwachung beruflich exponierter Personen, der Festlegung von Grenzwerten, dem Vergleich von Untersuchungsverfahren, der Rechtfertigung medizinischer Expositionen und der Risikokommunikation. Ihre Grenzen sind ebenso wichtig: Sie gilt nur für stochastische Risiken und sagt nichts über deterministische Schäden; sie ist ein Mittelwert über eine Referenzbevölkerung, individuelle Risiken hängen von Alter, Geschlecht und Genetik ab; sie beruht auf dem LNT-Modell; und über etwa 1 Sv verliert das Konzept seine Gültigkeit.

Zum MitnehmenEnergiedosis in Gray, physikalisch. Äquivalentdosis in Sievert, gewichtet nach Strahlenart. Effektive Dosis in Sievert, zusätzlich gewichtet nach Organ, für stochastische Risiken einer Referenzbevölkerung. Brust, Lunge, Dickdarm, Magen, Knochenmark je 0,12.

Lektion 7

Risiko in Zahlen: 5 % pro Sievert

Folie 43: Stochastisches Risiko quantifizieren: Die 5%-pro-Sievert-Regel. Aus der Präsentation.

Wie hoch ist das konkrete Risiko, durch eine Strahlenexposition an Krebs zu erkranken oder zu sterben? Für den Einzelfall lässt sich das nicht beantworten, zu viele individuelle Faktoren spielen hinein. Für eine große Bevölkerung gibt es aber eine Risikoabschätzung auf epidemiologischer Grundlage: das nominelle Risiko von etwa 5 % pro Sievert für tödliche Krebserkrankungen, gemittelt über alle Altersgruppen und beide Geschlechter. Die Erkrankungsrate ist etwa doppelt so hoch, weil nicht jeder Krebs tödlich verläuft. Das Risiko hängt stark von Alter und Geschlecht ab: Kinder haben ein zwei- bis dreifach höheres Risiko, weil ihre Zellen sich häufiger teilen und ihnen mehr Lebenszeit für die Entwicklung eines Tumors bleibt; Frauen ein etwa 1,5-fach höheres, unter anderem wegen des Brustkrebses; Menschen über 60 Jahre ein niedrigeres.

Folie 44: Praxisbeispiel: Risiko einer CT-Untersuchung. Aus der Präsentation.

Beispiel: das Risiko einer CT

Rechnen wir für eine Abdomen-CT. Moderne Geräte erreichen 5 bis 10 mSv, früher waren 20 mSv üblich; die Präsentation rechnet konservativ mit 20 mSv. Das Risiko ist effektive Dosis mal nominelles Risiko: 0,020 Sv × 5 %/Sv = 0,1 %, also 1 zu 1 000. Werden 10 000 Menschen so untersucht, ist mit etwa 10 zusätzlichen Krebstodesfällen im Laufe ihres Lebens zu rechnen. Zum Vergleich: Etwa 40 % der Bevölkerung erkranken ohnehin an Krebs, etwa ein Viertel stirbt daran, von 10 000 Menschen also rund 2 500. Die CT erhöht diese Zahl auf etwa 2 510, um 0,4 %; für den Einzelfall ist das statistisch nicht nachweisbar.

Korrektur gegenüber der FolieDie Folie folgert aus 0,1 % einen zusätzlichen Todesfall je 10 000 Untersuchte und eine Erhöhung von 2 500 auf 2 501. Richtig sind 10 zusätzliche Todesfälle je 10 000, also 2 510 statt 2 500, eine Erhöhung um 0,4 %.

Die klinische Konsequenz bleibt dieselbe: Das Risiko ist real, aber klein, und es wird gegen den diagnostischen Nutzen abgewogen. Eine CT zum Ausschluss einer Lungenembolie rechtfertigt es zweifellos, eine CT „zur Sicherheit“ ohne klare Indikation nicht.

Zum MitnehmenEtwa 5 % tödliche Krebsfälle pro Sievert, bei Kindern zwei- bis dreifach höher. 20 mSv entsprechen einem Risiko von etwa 1 zu 1 000, also 10 zusätzlichen Fällen je 10 000 Untersuchte. Klein, aber real, deshalb Rechtfertigung jeder Untersuchung.

Lektion 8

Dosimetrie beim Personal und im Raum

Folie 45: Dosismessung: Personendosimeter. Aus der Präsentation.

Die effektive Dosis ist eine berechnete Größe und nicht direkt messbar. Beim Personal wird deshalb die Personendosis Hp(10) gemessen, die Äquivalentdosis in 10 mm Tiefe an der Tragestelle, stellvertretend für tieferliegende Organe. Ein verbreitetes Messprinzip ist die Thermolumineszenz: Lithiumfluorid-Kristalle speichern die durch Strahlung angeregten Elektronen; beim Erhitzen im Labor fallen diese zurück und senden Licht aus, dessen Menge proportional zur Dosis ist. Die Dosimeter werden von einer behördlich bestimmten Messstelle ausgegeben und ausgewertet, in der Regel monatlich. Was das Dosimeter nicht berücksichtigt, sind die Gewebe-Wichtungsfaktoren; es misst an einer Stelle, nicht im ganzen Körper.

Folie 46: Das Problem der repräsentativen Trageposition. Aus der Präsentation.

Die Umrechnung auf die effektive Dosis setzt voraus, dass die gemessene Stelle für die Exposition des Körpers repräsentativ ist. In Deutschland wird das amtliche Dosimeter bei Tätigkeiten mit Schutzschürze unter der Schürze getragen, meist in Brusthöhe. Das führt zu systematischen Grenzen: Der Messpunkt liegt hinter 0,25 bis 0,5 mm Bleigleichwert, die die Streustrahlung im diagnostischen Bereich um etwa 90 bis 99 % schwächen, also um den Faktor 10 bis 100. Häufig lautet das Ergebnis deshalb 0,0 mSv, während Hände, Unterarme, Kopf und Hals ungeschützt exponiert sind. In anderen Ländern, etwa den USA, wird über der Schürze gemessen und der Wert mit einem Korrekturfaktor umgerechnet; das bildet die Exposition der ungeschützten Körperteile besser ab. Praktisch bedeutet das: Der Dosimeterwert unter der Schürze unterschätzt die Exposition von Augen, Schilddrüse und Händen, und die zusätzlichen Schutzmaßnahmen sind unverzichtbar.

Korrektur gegenüber der FolieDie Folie beziffert die Schwächung durch die Schürze auf den Faktor 100 bis 1 000. Schürzen mit 0,25 bis 0,5 mm Bleigleichwert schwächen die Streustrahlung im diagnostischen Bereich um etwa 90 bis 99 %, also um den Faktor 10 bis 100.

Ringdosimeter

Bei Tätigkeiten mit hoher Handexposition, in interventioneller Radiologie, Angiographie und Kardiologie, wird zusätzlich ein Ringdosimeter getragen. Es misst die Hautdosis Hp(0,07) in 0,07 mm Tiefe, der Tiefe der Basalzellschicht. Hände sind bei Durchleuchtungen oft nahe am Primärstrahl, lassen sich wegen der taktilen Arbeit nicht abschirmen und können deterministische Hautschäden erleiden. Nach § 66 StrlSchV ist die Messung an den Händen erforderlich, wenn dort mehr als 150 mSv im Jahr möglich sind. Der Ring wird am Finger der strahlennächsten Hand getragen, meist Zeige- oder Mittelfinger, unter dem Handschuh und immer an derselben Stelle. Die Jahresgrenzwerte in Deutschland betragen 20 mSv effektive Dosis, 500 mSv für Hände und Haut und 20 mSv für die Augenlinse; letzterer wurde 2019 von 150 mSv gesenkt.

Abbildung aus Folie 48 der Präsentation.

Augenlinsendosimetrie

Die Überwachung der Augenlinsendosis Hp(3) ist eine neuere Anforderung. Lange galt ein Grenzwert von 150 mSv; neue Daten zeigten, dass Katarakte bei niedrigeren Dosen auftreten, mit einer Schwelle von etwa 0,5 Gy, und dass interventionell tätige Ärztinnen und Ärzte häufiger Katarakte entwickeln. Seit 2019 gilt deshalb ein Grenzwert von 20 mSv im Jahr. Gemessen wird in 3 mm Tiefe mit einem Dosimeter an der Brille, am Stirnband oder seitlich an der Stirn, und zwar dann, wenn im Jahr mehr als 15 mSv an der Augenlinse möglich sind (§ 66 StrlSchV), vor allem in interventioneller Radiologie, Kardiologie und Angiographie.

Ortsdosimetrie

Neben den Personen werden auch Orte überwacht. Die Umgebungs-Äquivalentdosis H*(10) wird in 10 mm Tiefe in einem genormten Phantom definiert; sie ist konservativ, überschätzt also eher, und dient der Festlegung von Strahlenschutzbereichen. Die Richtungs-Äquivalentdosis H'(0,07) in 0,07 mm Tiefe dient der Abschätzung von Hautdosen bei gerichteter Strahlung. Angewendet werden sie bei der Festlegung von Kontrollbereichen (mehr als 6 mSv im Jahr möglich) und Überwachungsbereichen (mehr als 1 mSv im Jahr möglich), bei der Prüfung von Abschirmungen an Türen, Wänden und Fenstern, beim Nachweis der Einhaltung von Grenzwerten in benachbarten Räumen und bei Abnahmeprüfungen.

Zum MitnehmenHp(10) am Rumpf, bei Schürze darunter; der Wert unterschätzt die Exposition von Augen, Schilddrüse und Händen. Ringdosimeter ab möglichen 150 mSv an den Händen, Augenlinsendosimeter ab möglichen 15 mSv. Grenzwerte: 20 mSv effektiv, 20 mSv Augenlinse, 500 mSv Haut und Hände.

Lektion 9

Patientendosimetrie: Dosisflächenprodukt, CTDI und DLP

Folie 50: Patientendosimetrie: Dosisflächenprodukt (DFP). Aus der Präsentation.

Für die Patientendosis in der Projektionsradiographie und Durchleuchtung ist das Dosisflächenprodukt (DFP) die zentrale Größe, international „dose area product“ oder „kerma area product“ genannt. Es ist das Produkt aus Luftkerma und bestrahlter Fläche, in Gy·cm² oder cGy·cm², und wird mit einer großflächigen Ionisationskammer direkt am Strahlenaustritt gemessen, die bei modernen Geräten eingebaut ist.

Folie 51: Abstandsquadratgesetz und DFP-Konstanz. Aus der Präsentation.

Sein großer Vorteil ist die Unabhängigkeit vom Abstand. Die Dosis sinkt mit dem Quadrat des Abstandes, weil sich dieselbe Energie auf eine Kugelfläche von 4πr² verteilt; die bestrahlte Fläche wächst im selben Maß. Beide Effekte heben sich auf. Ein Beispiel: In 50 cm Abstand betragen die Dosis 100 mGy und die Fläche 100 cm², das DFP also 10 000 mGy·cm²; in 100 cm sind es 25 mGy auf 400 cm², wieder 10 000 mGy·cm². Das DFP ist deshalb die ideale Größe für die Patientendosis, unabhängig von der Geometrie der Untersuchung.

Folie 52: Von DFP zu Effektiver Dosis: Die Konversion. Aus der Präsentation.

Das DFP ist noch keine Risikoabschätzung. Die effektive Dosis erhält man über regionsabhängige Konversionsfaktoren, die berücksichtigen, welche Organe im Strahlenfeld liegen, wie stark der Körper schwächt und wie die typische Aufnahmegeometrie ist. Die Präsentation nennt als Beispiele etwa 0,18 mSv pro Gy·cm² für den Thorax p.a., 0,20 für das Abdomen, 0,26 für die Lendenwirbelsäule und 0,22 für das Becken; 500 mGy·cm² am Thorax entsprechen danach etwa 0,09 mSv. Die Faktoren werden vom Bundesamt für Strahlenschutz regelmäßig aktualisiert.

CT-Dosimetrie

In der Computertomographie gelten andere Größen. Der CT-Dosisindex, genauer der CTDIvol, beschreibt die mittlere Dosis im Scanvolumen und berücksichtigt Kollimation, Tischvorschub und Überlappung; er wird in mGy angegeben und liegt für Standardprotokolle bei etwa 5 bis 20 mGy, höher bei Hochauflösung oder sehr kräftigen Patienten. Das Dosislängenprodukt (DLP) ist der CTDIvol mal Scanlänge, in mGy·cm; es ist das CT-Gegenstück zum DFP und enthält Punktdosis und bestrahlte Länge.

Abbildung aus Folie 54 der Präsentation.

Der Pitch ist der Tischvorschub pro Rotation geteilt durch die Kollimation. Bei einem Pitch von 1 bewegt sich der Tisch genau um die Schichtbreite; unter 1 überlappen sich die Spiralen, mit höherer Dosis und besserer Bildqualität; über 1 entstehen Lücken, mit niedrigerer Dosis und schlechterer Auflösung in Längsrichtung. Der CTDIvol berücksichtigt den Pitch bereits, CTDIvol = CTDIw / Pitch. Typisch sind 0,5 bis 0,8 für hochauflösende Scans, 1,0 bis 1,5 für die Standarddiagnostik und über 1,5 für schnelle Übersichtsscans.

Folie 55: Von DLP zur Effektiven Dosis in der CT. Aus der Präsentation.

Vom DLP zur effektiven Dosis

Auch aus dem DLP lässt sich die effektive Dosis mit Konversionsfaktoren k abschätzen, die von Region und Alter abhängen. Die gebräuchlichen Werte stammen aus der Europäischen CT-Leitlinie und dem AAPM-Report 96:

Konversionsfaktoren k in mSv/(mGy·cm) nach AAPM-Report 96
Region	Neugeborenes	1 Jahr	5 Jahre	10 Jahre	Erwachsene
Kopf	0,011	0,0067	0,0040	0,0032	0,0021
Thorax	0,039	0,026	0,018	0,013	0,014
Abdomen und Becken	0,049	0,030	0,020	0,015	0,015

Ein Thorax-CT mit einem DLP von 500 mGy·cm entspricht beim Erwachsenen etwa 7 mSv (500 × 0,014), bei einem einjährigen Kind etwa 13 mSv (500 × 0,026) und bei einem Neugeborenen etwa 20 mSv. Die effektive Dosis ist bei Kindern bei gleichem DLP deutlich höher, weil der kleinere Körper die Strahlung weniger schwächt und die Organe näher beieinander und näher an der Oberfläche liegen; hinzu kommt die höhere Strahlenempfindlichkeit. Pädiatrische Niedrigdosisprotokolle sind deshalb unverzichtbar.

Korrektur gegenüber der FolieDie Folie ordnet die Konversionsfaktoren für Kinder teilweise falschen Altersgruppen und Regionen zu und rechnet für ein einjähriges Kind mit 0,093 mSv/(mGy·cm) beim Thorax. Nach AAPM-Report 96 beträgt der Faktor für den Thorax beim einjährigen Kind 0,026, beim Neugeborenen 0,039.

Typische Dosiswerte

Um ein Gefühl für die Größenordnungen zu bekommen, nennt die Präsentation typische effektive Dosen, jeweils ungefähr:

Typische effektive Dosen medizinischer Untersuchungen
Untersuchung	Effektive Dosis	Vergleich
Extremitäten-Röntgen	etwa 0,01 mSv	vernachlässigbar
Thorax-Röntgen p.a.	etwa 0,02 mSv	wenige Tage natürlicher Strahlung
Mammographie in zwei Ebenen	etwa 0,4 mSv	für niedrige Dosis bei hohem Kontrast optimiert
Abdomen-Röntgen	etwa 0,7 mSv	etwa 4 Monate natürlicher Strahlung
Thorax-CT	etwa 7 mSv	etwa 3 Jahre natürlicher Strahlung
Abdomen-CT	etwa 10 mSv, moderne Protokolle 5 bis 8 mSv	ältere Protokolle bis 20 mSv
PET/CT Ganzkörper	etwa 25 mSv	CT etwa 7 mSv, Radiopharmakon etwa 18 mSv
natürliche Jahresdosis	etwa 2,1 mSv in Deutschland	weltweit im Mittel etwa 2,4 mSv

Zum MitnehmenDFP in Gy·cm² für Röntgen und Durchleuchtung, abstandsunabhängig. CTDIvol in mGy und DLP in mGy·cm für die CT. Effektive Dosis über Konversionsfaktoren; bei Kindern ist sie bei gleichem DLP deutlich höher.

Lektion 10

Dosisreduktion und Zusammenfassung

Folie 57: Dosisreduktion: Der Weg zu „As Low As Reasonably Achievable". Aus der Präsentation.

Das Grundprinzip des Strahlenschutzes ist ALARA, „as low as reasonably achievable“: Die Dosis soll so niedrig sein, wie es vernünftigerweise erreichbar ist, unter Berücksichtigung des diagnostischen Nutzens. Es ruht auf drei Säulen. Die Rechtfertigung verlangt, dass jede Exposition medizinisch begründet ist; gibt es Verfahren ohne ionisierende Strahlung wie MRT oder Ultraschall, und ist die Fragestellung klar? Die Optimierung verlangt eine Dosis so niedrig wie möglich und so hoch wie nötig für die diagnostische Aussage, über angepasste Protokolle mit Röhrenspannung, Strom-Zeit-Produkt, Pitch und Rekonstruktion. Die Dosisbegrenzung verlangt die Einhaltung der Grenzwerte für das Personal und die Beachtung der diagnostischen Referenzwerte für Patienten, mit regelmäßiger Überprüfung der tatsächlichen Dosen.

Folie 58: Moderne Techniken zur Dosisreduktion in der CT. Aus der Präsentation.

Moderne CT-Technik hat die Dosis stark gesenkt. Iterative Rekonstruktionsverfahren ersetzen die gefilterte Rückprojektion und reduzieren das Bildrauschen erheblich; nach der Präsentation sind Dosisreduktionen von 30 bis 60 % bei gleicher Bildqualität möglich. Die automatische Röhrenstrommodulation passt den Strom in Echtzeit an die Körperregion an, weniger am Hals, mehr am Abdomen, sowohl entlang der Längsachse als auch während der Rotation; sie spart etwa 20 bis 40 %. Die Dual-Energy-CT arbeitet mit zwei Röhrenspannungen oder geschichteten Detektoren, erlaubt die Unterscheidung von Materialien und virtuelle Nativbilder, sodass eine eigene native Serie entfallen kann, und ermöglicht niedrigere Röhrenspannungen bei Kontrastmitteluntersuchungen. Die Photonenzähl-CT schließlich zählt einzelne Photonen und misst ihre Energie; sie verbessert Dosiseffizienz und Kontrast und liefert spektrale Information ohne eigenes Dual-Energy-System. Erste klinische Systeme sind seit 2021 verfügbar.

Folie 60: Kernbotschaften für die Praxis. Aus der Präsentation.

Zusammenfassung

Strahlung transportiert Energie, elektromagnetisch oder mit Masse; ionisierend ist sie, wenn sie Elektronen aus Atomen entfernen kann. Die Röntgenröhre erzeugt Strahlung durch die Beschleunigung von Elektronen, als Bremsstrahlung und charakteristische Strahlung. Im Gewebe wirken vor allem Photoeffekt und Compton-Streuung, die Paarbildung erst oberhalb von 1 MeV. Stochastische Schäden haben keine Schwelle und ein Risiko von etwa 5 % pro Sievert, deterministische eine Schwelle mit dosisabhängiger Schwere. Die Energiedosis in Gray beschreibt die Physik, die Äquivalentdosis gewichtet nach Strahlenart, die effektive Dosis zusätzlich nach Organ und dient der Risikoabschätzung. Beim Personal wird Hp(10) gemessen, ergänzt um Ring- und Augenlinsendosimeter, bei Patienten DFP, CTDIvol und DLP.

Die Präsentation schließt mit fünf Kernbotschaften. Wer die Physik versteht, kann Strahlung sinnvoll anwenden und sich und andere schützen; die Energieabhängigkeit der Wechselwirkungen erklärt, warum niedrige Spannungen mehr Kontrast, aber auch mehr Dosis bedeuten. Dosimetrie ist nicht trivial, jede Dosisgröße hat ihren Zweck. Das Risiko ist nicht null, aber quantifizierbar: Eine CT mit 10 mSv erhöht das Risiko eines tödlichen Krebses um etwa 0,05 %, relevant, aber meist durch den diagnostischen Nutzen aufgewogen. Optimierung ist Pflicht, die modernen Techniken müssen genutzt werden. Und Strahlenschutz betrifft alle, von der Ärztin oder dem Arzt, die die Indikation stellen, über die Medizinischen Technologinnen und Technologen bis zu den Medizinphysik-Experten.

Zum MitnehmenRechtfertigung, Optimierung, Dosisbegrenzung. Iterative Rekonstruktion, Strommodulation und Photonenzähl-CT senken die Dosis erheblich und müssen genutzt werden. Eine CT mit 10 mSv bedeutet etwa 0,05 % zusätzliches Risiko eines tödlichen Krebses.

Anhang

Folientext im Wortlaut

Der Text aller Folien, ungekürzt; geändert sind nur Zeilenumbrüche, Gedankenstriche und Kopfzeilen. Die Korrekturboxen stehen an den betroffenen Folien.

Folie 2: Was ist Strahlung überhaupt?

Wenn man die Frage stellt „Was ist Strahlung?", landet man schnell bei der physikalischen Definition: Strahlung ist ein Medium für den Transport von Energie oder auch Masse. Dies ist zunächst eine völlig wertfreie Aussage, Strahlung ist nicht automatisch gefährlich oder schädlich.

Energietransport

Reine Energie wird von elektromagnetischer Strahlung

Wichtig zu verstehen: Strahlung kann sowohl durch ein Medium transportiert transportiert werden (wie Schall durch Luft) als auch durch ein Vakuum. Dies ist entscheidend für die Weltraumfahrt und erklärt, wie uns die Energie der Sonne erreichen kann. Im

Gegensatz dazu benötigt Schall zwingend ein Übertragungsmedium.

Massetransport

Mit diesem Konzept können wir zwischen verschiedenen Strahlenarten
Energie plus Masse wird von unterscheiden und ihre spezifischen Eigenschaften verstehen.

Teilchenstrahlung transportiert

Folie 3: Elektromagnetische Strahlung: Das Wellenprinzip

Elektromagnetische Strahlung wird auch als Wellenstrahlung bezeichnet. Physikalisch betrachtet transportiert sie Energie durch Photonen, ein Begriff, den viele bereits gehört haben. Photonen sind jedoch keine physischen Teilchen mit Masse, sondern ein physikalisches Konzept, das uns hilft, die Wechselwirkungsprozesse zu verstehen.

Wellenlänge und Energie

Beispiele verschiedener Wellenlängen

Die Strahlungsenergie wird durch die Wellenlänge bzw. die
Sichtbares Licht: 400-800 Nanometer
Frequenz definiert. Die elektromagnetische Strahlung breitet sich
Röntgenstrahlung: Deutlich kurzwelliger, höhere Energie als Welle im Raum aus, und der Abstand zwischen zwei
Gammastrahlung: Gleiche physikalische Natur wie
Wellenbergen ist die Wellenlänge.
Röntgenstrahlung, resultiert aber aus radioaktivem Zerfall
Entscheidende Regel: Je kürzer dieser Abstand ist, desto mehr
Radiowellen & Mikrowellen: Längere Wellenlänge, niedrigere
Energie wird transportiert und desto höher ist die Frequenz. Dies ist
Energie fundamental für das Verständnis der Strahlenwirkung.
Alle diese Strahlungsarten sind physikalisch gesehen dasselbe Phänomen, elektromagnetische Strahlung, sie unterscheiden sich nur in ihrer Wellenlänge und damit in ihrer Energie.

Folie 4: Teilchenstrahlung: Masse in Bewegung

Im Gegensatz zur elektromagnetischen Strahlung wird bei der
Teilchenstrahlung tatsächlich Masse transportiert: ein Teilchen fliegt durch den Raum. Das Auslöseteilchen ist dabei das beschleunigte Teilchen selbst.

Wichtige Beispiele:

Alphastrahlung: Bestehend aus Heliumkernen (2 Protonen + 2 Neutronen)
Betastrahlung: Beschleunigte Elektronen oder Positronen
Elektronenstrahlung: Zum Beispiel aus der Röntgenröhre, die beschleunigt wird
In der modernen Strahlentherapie werden noch weitere Teilchenarten verwendet, wie Protonen, aber wir konzentrieren uns hier auf die diagnostisch relevanten Strahlungsarten.

Folie 5: Ionisierende Strahlung: Wenn Energie Schaden anrichtet

Wenn wir im medizinischen Kontext von „Strahlung" sprechen, meinen wir fast immer ionisierende Strahlung. Dies ist eine entscheidende
Unterscheidung, denn erst ab einer bestimmten Energieschwelle wird Strahlung biologisch wirksam.

Folie 6: Was bedeutet „Ionisation"?

Strahlung wird als ionisierend bezeichnet, wenn die transportierte Energie groß genug ist, um ein Atom oder Molekül dauerhaft zu ionisieren. Doch was heißt das konkret?
Ionisation bedeutet: Ein Elektron wird aus der Atomhülle herausgeschlagen und bleibt auch weg. Dies unterscheidet sich von einer bloßen Anregung, bei der das
Elektron nur kurzzeitig auf ein höheres Energieniveau gehoben wird.

Die Energieschwelle

Die Energiemenge, die dafür benötigt wird, beträgt im Wasser (und damit näherungsweise auch im menschlichen Gewebe): 15 Elektronenvolt (eV)
Diese scheinbar kleine Energiemenge ist ausreichend, um dauerhafte
Veränderungen in biologischen Molekülen zu verursachen, die Grundlage für
Strahlenschäden.

Folie 7: Elektronenvolt: Die Energieeinheit der Strahlenphysik

Was ist ein Elektronenvolt?
Warum nicht Joule verwenden?

Das Elektronenvolt (eV) ist ein mathematisches Konstrukt, eine Energieeinheit, die speziell für die Teilchenphysik praktisch ist. Es ist definiert als die Energie, die ein Elektron erhält, wenn es eine Spannung von 1 Volt durchläuft.

Die Umrechnung zeigt das Problem: 1 eV 1,6 × 10⁻¹⁹ Joule. Das sind extrem kleine Zahlen! Die Verwendung von Joule würde zu unpraktischen Werten führen, während Elektronenvolt handliche Größenordnungen liefert.
≈ Übersetzung in Wellenlänge
Die Ionisationsenergie von 15 eV entspricht einer Wellenlänge von etwa 82 Nanometer. Das bedeutet: Alle elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge kleiner als 82 nm ist ionisierend.

Das sichtbare Spektrum liegt zwischen 400 und 750 Nanometer, wir sehen also nur nicht-ionisierende Strahlung. Unterhalb von 400 nm beginnt der ultraviolette Bereich, der bereits ionisierend wirken kann. Dies erklärt, warum UV-Strahlung der Sonne zu Hautschäden und Krebs führen kann.

Einordnung (Fachgutachten 09/2026)Nach der Schwelle dieser Folie (etwa 82 nm) ist die UV-Strahlung der Sonne (280 bis 400 nm) nicht ionisierend. Ihre Hautschäden entstehen photochemisch, vor allem durch Pyrimidin-Dimere in der DNA, nicht durch Ionisation.

Folie 8: Wie entsteht Strahlung?

Natürliche Entstehung

Technische Entstehung

Radioaktiver Zerfall: Atomkerne wandeln sich spontan in andere
Röntgenröhre: Beschleunigung von Elektronen zur gezielten

Kerne um

Strahlungserzeugung

Diese zwei grundlegend verschiedenen Prozesse führen zu unterschiedlichen Strahlungsarten mit jeweils spezifischen Eigenschaften. Beide sind für die medizinische Anwendung relevant, der radioaktive Zerfall in der Nuklearmedizin, die technische Erzeugung in der

Röntgendiagnostik.

Folie 9: Radioaktiver Zerfall: Atomkerne auf der Suche nach Stabilität

Bei der natürlichen Strahlung sprechen wir von Radioaktivität. Was passiert dabei? Atomkerne bestehen aus Protonen (positiv geladen) und Neutronen (neutral). Die Summe aus Protonen- und Neutronenzahl ist die Massenzahl, sie bestimmt, wie „schwer" der Kern ist.

Manche Atomkerne sind, bildlich gesprochen, unzufrieden mit ihrer Konstitution aus Protonen und Neutronen. Sie befinden sich in einem instabilen Zustand und streben nach mehr Stabilität. Dies führt zu Umwandlungsprozessen:
Ein Neutron wandelt sich in ein Proton um (oder umgekehrt)
Der Kern stößt Protonen und Neutronen ab
Diese Prozesse setzen Energie in Form von Strahlung frei
Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, kann kein radioaktiver Zerfall stattfinden, der Kern bleibt stabil.
9 Bedingung für Zerfall
Die Masse des Ausgangskerns muss größer sein als die Summe der Massen der Zerfallsprodukte. Die „verschwindende" Masse wird nach Einstein (E=mc²) in Energie umgewandelt, die Zerfallsenergie.

Folie 10: Die verschiedenen Zerfallsarten

α-Zerfall (Alpha)

β⁻-Zerfall (Beta-Minus)

Der Kern stößt ein Heliumkern ab (2 Protonen + 2 Neutronen)
Ein Neutron wandelt sich in ein Proton um, dabei wird ein Elektron ausgesendet
Reichweite: Wenige Zentimeter in Luft
Reichweite: Einige Meter in Luft
Abschirmung: Bereits durch Papier möglich
Abschirmung: Wenige Millimeter Aluminium β⁺-Zerfall (Beta-Plus)

γ-Strahlung (Gamma)

Ein Proton wandelt sich in ein Neutron um, dabei wird ein Positron
Eigentlich kein Zerfall, sondern Energieübergang des Kerns von ausgesendet einem angeregten in einen niedrigeren Zustand

Anwendung: PET-Diagnostik (Positronen-Emissions-

Reichweite: Mehrere Hundert Meter in Luft

Tomographie)

Abschirmung: Blei oder Beton

Folie 11: Schrödingers Katze: Der stochastische Charakter des Zerfalls

Das Gedankenexperiment

Der radioaktive Zerfall ist ein stochastischer Prozess, das bedeutet, er folgt Wahrscheinlichkeitsgesetzen. Wenn wir einen
Schrödinger illustrierte dies mit seiner berühmten Katze: Eine Katze einzelnen Atomkern betrachten (beispielsweise einen Cäsium-137- wird in eine Box gesperrt, zusammen mit einem radioaktiven Kern,
Kern), können wir niemals mit Sicherheit sagen, wann genau dieser der an einen Geigerzähler angeschlossen ist. Wenn der Zerfall
Kern zerfallen wird.
registriert wird, fällt ein Hammer und zerbricht ein Giftfläschchen.
Wir können nur die Wahrscheinlichkeit angeben, dass er in einem
Da wir nicht vorhersagen können, ob und wann der Kern zerfällt, bestimmten Zeitraum zerfällt. Diese fundamentale können wir auch nicht sagen, ob die Katze lebt oder tot ist, sie
Unvorhersagbarkeit ist keine Wissenslücke, sondern eine befindet sich in einem quantenmechanischen grundlegende Eigenschaft der Quantenmechanik.
Überlagerungszustand.
Hinweis: Dies ist natürlich nur ein Gedankenexperiment, das nie tatsächlich durchgeführt wurde. Es dient zur Veranschaulichung quantenmechanischer Prinzipien.

Folie 12: Vom Einzelkern zur Population: Das Zerfallsgesetz

Obwohl wir für einen einzelnen Kern keine Vorhersage treffen können, wird das Verhalten für große Anzahlen von Atomkernen vorhersagbar.
Bei sehr vielen Kernen mittelt sich das stochastische Verhalten heraus, und wir können den Prozess mathematisch mit dem Zerfallsgesetz beschreiben.

Aktivität

Halbwertszeit

Exponentieller Abfall

Die Anzahl der Zerfälle pro Sekunde. Einheit:
Die Zeit, die vergeht, bis die Aktivität auf die
Die Aktivität nimmt exponentiell mit der Zeit
Becquerel (Bq). 1 Bq = 1 Zerfall/Sekunde. Eine
Hälfte des Ausgangswerts gesunken ist.
ab. Nach einer Halbwertszeit ist noch 50%
Probe mit 50 Bq bedeutet: In dieser Probe
Jedes radioaktive Isotop hat eine vorhanden, nach zwei Halbwertszeiten 25%, finden 50 Zerfälle pro Sekunde statt.
charakteristische Halbwertszeit: von nach drei 12,5% usw.
Sekundenbruchteilen bis zu Milliarden Jahren.
Diese Vorhersagbarkeit im Großen macht Radioaktivität für medizinische Anwendungen nutzbar, trotz der Unvorhersagbarkeit im Einzelfall.

Folie 13: Die Röntgenröhre: Aufbau und Funktionsprinzip

Während radioaktive Strahlung spontan aus Atomkernen entsteht, wird Röntgenstrahlung gezielt technisch erzeugt. Das zentrale Bauteil dafür ist die Röntgenröhre, ein evakuierter
Glaskörper mit zwei Hauptbestandteilen:

Die Kathode (Minus-Pol)

Die Anode (Plus-Pol)

Besteht aus einer Glühwendel (ähnlich
Besteht aus einem Metallkörper (meist einer Glühbirne)

Wolfram oder Molybdän)

Wird durch elektrischen Strom erhitzt
Ist gegenüber der Kathode positiv
Bei ca. 2000°C werden Elektronen geladen freigesetzt (thermoelektrischer Effekt)
Zieht die negativen Elektronen an
Die Anzahl freigesetzter Elektronen definiert den Röhrenstrom
Die Elektronen prallen mit hoher Geschwindigkeit auf
Steuerung über die angelegte

Beim Aufprall entsteht

Heizspannung

Röntgenstrahlung

Folie 14: Elektronenbeschleunigung in der Röntgenröhre

Zwischen Kathode und Anode wird eine hohe Spannung angelegt, die sogenannte
Röhrenspannung. Diese Spannung ist der entscheidende Parameter für die
Energie der entstehenden Röntgenstrahlung.

Typische Röhrenspannungen

Mammographie: 20-35 kV

Die physikalische Beziehung

(niederenergetisch für hohen

Ein Elektron, das eine Spannung von 1 Volt durchläuft, erhält eine Energie von 1
Elektronenvolt (eV). Das ist genau die Definition des Elektronenvolts, und der zweite wichtige Grund, warum wir in der Strahlenphysik mit dieser Einheit arbeiten.

Weichteilkontrast)

Thorax-Röntgen: 100-125 kV

Computertomographie: 80-140 kV

Beispiel: Bei einer Röhrenspannung von 100 kV durchläuft jedes Elektron eine
Spannung von 100.000 Volt und erhält damit eine kinetische Energie von 100 keV
(Kiloelektronenvolt).
Diese Energie ist dann die Maximalenergie der entstehenden Röntgenstrahlung.
Die tatsächlich entstehende Strahlung hat ein Spektrum von Energien, wobei 100 keV das Maximum darstellt.
Die Wahl der Röhrenspannung ist eine der wichtigsten Entscheidungen bei der Bildgebung und muss an die Fragestellung angepasst werden.

Folie 15: Charakteristische Röntgenstrahlung: Der Ionisationsprozess

Wenn die beschleunigten Elektronen auf die Anode treffen, kommt es zu zwei verschiedenen Prozessen der Strahlungsentstehung. Der erste ist die charakteristische Röntgenstrahlung.
Was passiert im Atom?

Das einfallende Elektron stößt mit einem Elektron in den inneren Schalen der Anodenatome zusammen. Man kann sich das vorstellen wie zwei Billardkugeln, die aufeinandertreffen. Das Elektron aus der Atomhülle wird dabei herausgeschlagen, das Atom wird ionisiert.

Jetzt entsteht eine Lücke in der inneren Schale, die nicht bleiben darf (energetisch ungünstiger Zustand). Ein Elektron aus einer äußeren Schale fällt in diese Lücke hinein.
Die verschiedenen Schalen haben unterschiedliche Energieniveaus. Wenn ein Elektron von einer höheren auf eine niedrigere Schale fällt, muss es Energie abgeben, diese Energiedifferenz wird als Röntgenphoton freigesetzt.

K-Alpha-Strahlung

K-Beta-Strahlung

Entsteht, wenn die Lücke in der K-Schale (innerste Schale) von einem Elektron aus der L-Schale (nächsthöhere) aufgefüllt wird
Entsteht, wenn die Lücke in der K-Schale von einem Elektron aus der M-Schale aufgefüllt wird, höhere Energiedifferenz, daher höhere Photonenenergie
Diese Energien sind charakteristisch für das Anodenmaterial, daher der Name. Wolfram hat andere charakteristische Linien als Molybdän. Die Strahlung ist diskret, es entstehen nur ganz bestimmte Energien.

Folie 16: Bremsstrahlung: Kontinuierliche Energieverteilung

Der zweite und quantitativ wichtigere Prozess ist die Bremsstrahlung. Hier kommt die elektromagnetische Wechselwirkung ins Spiel: Das negativ geladene Elektron fliegt am positiv geladenen Atomkern vorbei.

Ablenkung und Energieverlust

Warum kontinuierlich?
Aufgrund der entgegengesetzten Ladungen (Elektron negativ, Kern

Je nachdem, wie nah das Elektron am Kern vorbeifliegt und wie positiv) ziehen sich die beiden an. Das Elektron wird dadurch schnell es ist, wird es unterschiedlich stark abgelenkt. Jeder abgelenkt: seine Flugbahn ändert sich. Diese Ablenkung entspricht

Ablenkwinkel führt zu einem anderen Energieverlust und damit zu einer Verzögerung, und das Elektron verliert dabei kinetische einer anderen Photonenenergie.
Energie.
Das Ergebnis ist ein kontinuierliches Spektrum von Energien, von
Diese verlorene Energie kann nicht einfach verschwinden nahezu null bis zur maximalen Elektronenenergie (bei vollständiger
(Energieerhaltungssatz) und wird daher in Form eines
Abbremsung).
Röntgenphotons abgestrahlt: die Bremsstrahlung.

Folie 17: Das Röntgenspektrum: Zusammenspiel beider Prozesse

Das tatsächlich entstehende Spektrum ist eine Überlagerung aus Bremsstrahlung und charakteristischer Strahlung. Schauen wir uns das genauer an:

Aufbau des Spektrums

Auf der x-Achse sehen wir die Energie der Röntgenstrahlung (in keV), auf der y-Achse die

Mittlere Energie

Die mittlere Energie des relative Intensität (Wahrscheinlichkeit für diese Energie).
Dreieckskurve: Die Bremsstrahlung bildet eine charakteristische Dreiecksverteilung.
Die maximale Energie entspricht der Röhrenspannung (hier 90 kV = 90 keV bei vollständiger Abbremsung)
Röntgenspektrums liegt ungefähr bei der Hälfte der Maximalenergie.
Bei 90 kV Röhrenspannung haben wir im Mittel etwa 45 keV.
Scharfe Peaks: Auf dieser Kurve sitzen die charakteristischen Linien (K-Alpha, K-Beta)
als scharfe Spitzen: ihre Position ist materialabhängig
Niederenergetischer Bereich: Bei niedrigen Energien ist die Intensität hoch, aber dieser Bereich ist für die Bildgebung problematisch

Folie 18: Filterung: Optimierung des Spektrums

Der niederenergetische Bereich des Spektrums ist für die Bildgebung nicht nur nutzlos, sondern sogar schädlich. Diese Photonen werden aufgrund des Photoeffekts (dazu später mehr) vollständig im Körper absorbiert.

Das Problem:

Sie erreichen den Detektor nicht → tragen nicht zum Bild bei
Sie erhöhen die Patientendosis → unnötige Strahlenbelastung
Sie verschlechtern den Kontrast

Die Lösung: Aluminium-Filter

In jede Röntgenröhre ist ein Aluminiumfilter (typisch 2,5 mm Dicke) eingebaut. Dieser filtert die niederenergetische Strahlung heraus. Das Ergebnis:
Das Spektrum wird „härter" (höhere mittlere Energie)

Die Patientendosis sinkt

Der Bildkontrast verbessert sich
Nach der Filterung entsteht das nutzbare Spektrum für die Bildgebung, härter, energiereicher und besser geeignet für die Durchdringung des Gewebes.

Folie 19: Wechselwirkung mit Materie: Was passiert mit den Photonen?

Nachdem die Röntgenstrahlung erzeugt wurde, muss sie durch den Körper hindurch zum Detektor gelangen. Dabei kommt es zu verschiedenen Wechselwirkungsprozessen zwischen den Photonen und den Atomen im Gewebe. Diese Prozesse sind fundamental für

Bildgebung und Strahlenschutz.

Schwächung

Streuung

Absorption

Die Intensität der Strahlung nimmt mit
Photonen ändern ihre Richtung und
Photonen werden vollständig vernichtet zunehmender Gewebedicke ab –

Energie: reduziert Bildqualität

– Grundlage für Bildkontrast exponentielles Schwächungsgesetz

Folie 20: Exponentielles Schwächungsgesetz

Die Schwächung der Strahlung folgt einem exponentiellen Gesetz, ähnlich dem radioaktiven Zerfall. Die Intensität I nach Durchdringung einer Schichtdicke d lässt sich berechnen, wenn wir die Anfangsintensität I₀ und den Schwächungskoeffizienten μ kennen.

Der Schwächungskoeffizient μ

Halbwertsschichtdicke (HWS)

Dieser materialspezifische Parameter beschreibt, wie stark ein
Die HWS ist die Dicke eines Materials, die benötigt wird, um die
Material die Strahlung schwächt. Er hängt ab von:
Intensität der Strahlung auf die Hälfte zu reduzieren.
Der Ordnungszahl des Materials (höhere Ordnungszahl →
Beispiel: 100 keV Photonen stärkere Schwächung)
Der Dichte des Materials

In Wasser/Weichgewebe: HWS

Der Energie der Strahlung

In Blei: HWS

Aus dem Schwächungskoeffizienten folgt die
Halbwertsschichtdicke: das praktischere Konzept für den Alltag.

≈ 0,1 mm

≈ 4 cm

Daher verwenden wir Blei oder Wolfram für
Strahlenschutzschürzen!

Folie 21: Compton-Streuung: Richtungsänderung mit Energieverlust

Bei der Compton-Streuung trifft das Röntgenphoton auf ein Elektron im Gewebe. Man kann sich dies tatsächlich wie einen Stoß zwischen zwei Billardkugeln vorstellen, wobei eine „Kugel" (das Photon) keine Masse hat.

Der Streuprozess

1. Das Photon trifft auf ein äußeres Elektron
2. Das Elektron wird aus dem Atom geschlagen und erhält kinetische Energie
3. Das Photon ändert seine Richtung (Streuwinkel θ)
4. Das Photon verliert dabei Energie, seine Wellenlänge wird größer
Der Energieübertrag ans Elektron führt zu Dosisdeposition im Gewebe, deshalb ist Compton-Streuung dosisrelevant.

Abhängigkeiten

Ordnungszahl: Wahrscheinlichkeit proportional zur Ordnungszahl Z (mehr Elektronen
→ höhere Streuwahrscheinlichkeit)

Energie: Praktisch unabhängig von der Photonenenergie im diagnostischen Bereich
Streuwinkel: Maximale Energieübertragung bei 180° (Rückstreuung)

Folie 22: Winkelverteilung der Compton-Streuung

Ein entscheidender Aspekt für den Strahlenschutz ist die Winkelverteilung der gestreuten Photonen.
Diese ist stark energieabhängig.

Im diagnostischen Energiebereich
(50-150 keV)

Bei den Energien, die wir in der
Röntgendiagnostik verwenden, sind Rückstreuungen wahrscheinlicher als Vorwärtsstreuungen. Das bedeutet:

Auf der Eintrittsseite der Strahlung (wo die Röntgenröhre ist) entsteht mehr
Streustrahlung

Die Streustrahlung breitet sich in alle Richtungen aus
Konsequenzen für den Strahlenschutz
Aufstellungsregel: Immer auf der Detektorseite stehen!
• Bei Durchleuchtungen: Röhre unter dem Tisch → Personal über dem Tisch

• Bei Aufnahmen mit mobilem Gerät:
Hinter dem Detektor positionieren

• Niemals direkt neben der Röntgenröhre stehen
Besonders kritisch: Streuung zurück zum Personal
Diese einfache Regel kann die Strahlenexposition des Personals um einen Faktor 10-100 reduzieren!

Folie 23: Photoeffekt: Vollständige Absorption

Der Photoeffekt ist der wichtigste Wechselwirkungsprozess für die Bildgebung. Hier wird das Röntgenphoton vollständig vernichtet, es verschwindet komplett.
Der Prozess im Detail:
1. Das Photon trifft auf ein Elektron in einer inneren Schale
2. Das Photon überträgt seine gesamte Energie auf das Elektron
3. Das Elektron wird aus dem Atom herausgeschlagen
4. Das Photon existiert danach nicht mehr
Die kinetische Energie des Elektrons entspricht der Photonenenergie minus der Bindungsenergie (die Energie, die benötigt wurde, um das Elektron aus der Schale zu entfernen).
Bedingung für den Photoeffekt
Die Photonenenergie EPhoton muss mindestens so groß sein wie die Bindungsenergie EBindung des Elektrons. Ist die Energie zu gering, kann der Effekt nicht stattfinden.

Folie 24: Warum der Photoeffekt Bildkontrast erzeugt

Die Wahrscheinlichkeit für den Photoeffekt hängt dramatisch von der Ordnungszahl ab, und zwar proportional zu Z⁴! Diese starke Abhängigkeit ist der Schlüssel zur Röntgenbildgebung.
1 125 2401 Wasserstoff (H)

Kohlenstoff (C)

Calcium (Ca)

Z = 1, relative Wahrscheinlichkeit = 1
Z = 6, relative Wahrscheinlichkeit = 6⁴ = 1.296
Z = 20, relative Wahrscheinlichkeit

≈ 160.000

Verschiedene Gewebe haben unterschiedliche mittlere
Diese Unterschiede führen zu unterschiedlicher Absorption der

Ordnungszahlen:

Röntgenstrahlung:

Weichgewebe: Zeff

Knochen: Zeff

≈ 7,4 (hauptsächlich H, C, O)
Knochen absorbiert viel → wenig Signal am Detektor → erscheint hell
≈ 13,8 (enthält viel Calcium und Phosphor)

im Bild

Weichgewebe absorbiert weniger → mehr Signal → erscheint grau
Kontrastmittel (Jod): Z = 53 (extrem hoher Photoeffekt!)
Luft absorbiert kaum → maximales Signal → erscheint dunkel
Dies ist die Grundlage des Bildkontrasts in der Röntgendiagnostik!

Folie 25: Energieabhängigkeit des Photoeffekts

Eine weitere wichtige Eigenschaft: Die Wahrscheinlichkeit für den Photoeffekt nimmt mit steigender Energie stark ab, proportional zu 1/E³.
Niedrige Energien (20-40 keV)
Hohe Energien (>150 keV)
Bei niedrigen Photonenenergien dominiert der Photoeffekt komplett:
Bei hohen Photonenenergien wird der Photoeffekt vernachlässigbar:
Hohe Absorption im Gewebe
Geringe Absorption im Gewebe
Sehr guter Kontrast (große Unterschiede zwischen Geweben)

Schlechter Kontrast

Hohe Patientendosis (viele Photonen werden absorbiert)
Viel Signal erreicht den Detektor
Weniger Signal erreicht den Detektor

Niedrigere Patientendosis

Anwendung: Durchleuchtung, CT (will niedrige Dosis, benötigt weniger Kontrast)
Anwendung: Mammographie (will weiche Gewebestrukturen differenzieren)
Die Wahl der Röhrenspannung ist also immer ein Kompromiss zwischen Kontrast und Dosis!

Folie 26: Paarbildung: Nur bei sehr hohen Energien

Der vierte Wechselwirkungsprozess ist die Paarbildung, physikalisch faszinierend, aber in der Diagnostik irrelevant, da sie erst bei sehr hohen Energien auftritt.
Was passiert?
Das Photon rauscht am Atomkern vorbei und vernichtet sich spontan. Dabei entsteht ein Teilchen-Antiteilchen-Paar: ein Elektron (e⁻) und ein Positron (e⁺).
Die beiden Teilchen fliegen in einem Winkel von 180° auseinander. Jedes hat eine Ruheenergie von 511 keV (Einstein: E = mc²), zusammen also 1.022 MeV = 1,022 MeV.

Energieschwelle

Die Photonenenergie muss mindestens 1,022 MeV betragen, damit Paarbildung auftreten kann. Praktisch relevant wird der Effekt erst ab etwa 10 MeV.
Relevanz: Nur in der Strahlentherapie mit Linearbeschleunigern (6-18 MeV). In der Diagnostik (20-150 keV) spielt Paarbildung keine Rolle.

Einordnung (Fachgutachten 09/2026)Bei der Paarbildung fliegen Elektron und Positron nicht unter 180° auseinander. Die 180° gelten für die beiden 511-keV-Photonen, die entstehen, wenn das Positron später mit einem Elektron annihiliert; darauf beruht die PET.

Folie 27: Dominanzbereiche der Wechselwirkungsprozesse

Die verschiedenen Wechselwirkungsprozesse dominieren in unterschiedlichen Energie- und Materialbereichen. Diese Grafik zeigt die Zusammenhänge:
Niedriger Energie + hoher Ordnungszahl: Photoeffekt dominiert (untere rechte Ecke), ideal für Kontrastmittel, problematisch für hohe Dosis
Mittlerer Energiebereich (0,1-10 MeV): Compton-Effekt dominiert, typischer Bereich der Röntgendiagnostik und niedrigenergetischen Strahlentherapie
Sehr hoher Energie (>10 MeV): Paarbildung dominiert, nur Hochenergie-Strahlentherapie

Diagnostisc her Bereich

Röntgendiagn ostik arbeitet im
Übergangsber eich zwischen Photoeffekt und Compton-Streuung, so nutzen wir
beide Effekte optimal.

Folie 28: Konsequenzen für Strahlenschutz und Bildgebung

Niedrige Energie → Mehr Photoeffekt
Vorteile: Hoher Kontrast durch große Absorptionsunterschiede zwischen verschiedenen Geweben

Nachteile: Hohe Patientendosis, da viel Strahlung im Körper absorbiert wird; weniger Signal am Detektor
→ längere Belichtungszeit oder höherer Röhrenstrom erforderlich

Konsequenz: Muss durch höheres Stromzeitprodukt (mAs) kompensiert werden
Hohe Energie → Mehr Compton-Streuung
Vorteile: Niedrigere Patientendosis; mehr Signal erreicht den Detektor → kürzere Aufnahmezeiten möglich; bessere Durchdringung dicker Körperregionen
Nachteile: Reduzierter Kontrast; mehr Streustrahlung verschlechtert Bildqualität (muss durch Streustrahlenraster reduziert werden)
Konsequenz: Dosisreduktion möglich, aber Bildqualität muss beachtet werden
Dichtes Material (hohe Ordnungszahl)
Charakteristik: Viel Photoeffekt, wenig Compton-Streuung bei gleicher Energie
Anwendung Abschirmung: Blei (Z=82) und Wolfram (Z=74) sind ideal für Röntgenschürzen, Abschirmwände, Türverkleidungen
Anwendung Bildgebung: Jod-Kontrastmittel (Z=53) führt zu starker Absorption und damit exzellentem Kontrast in Gefäßen
Fazit: Die optimale Untersuchungstechnik ist immer ein individueller Kompromiss zwischen Bildqualität (Kontrast) und Patientenschutz (Dosis), angepasst an die klinische Fragestellung.

Folie 29: Strahlenschäden: Zwei fundamental verschiedene Arten

Nachdem wir die physikalischen Wechselwirkungen verstanden haben, stellt sich die Frage: Was passiert eigentlich mit dem Gewebe? Welche biologischen
Auswirkungen haben diese physikalischen Prozesse?
Die internationale Strahlenschutzkommission (ICRP) unterscheidet aktuell zwischen zwei grundlegend verschiedenen Schadensarten, eine Einteilung, die
2029 möglicherweise überarbeitet wird:

Stochastische Strahlenschäden

Deterministische Strahlenschäden

„Stochastisch" = zufallsbedingt

„Deterministisch" = vorhersagbar

Das Auftreten des Schadens ist wahrscheinlichkeitsabhängig. Wir
Der Schaden tritt sicher auf, wenn ein bestimmter Schwellenwert können nie mit Sicherheit sagen: „Diese Dosis führt zu diesem Schaden." Wir können nur Wahrscheinlichkeiten angeben.
überschritten wird. Unterhalb des Schwellenwerts: kein Schaden.

Klassisches Beispiel: Sonnenbrand

Klassisches Beispiel: Krebsentstehung (Cancerogene)
Charakteristik: Die Schwere des Schadens nimmt mit der Dosis zu. Je
Charakteristik: Höhere Dosis erhöht die Wahrscheinlichkeit, aber nicht die Schwere des Schadens. Eine Leukämie bleibt eine Leukämie, egal ob höher die Dosis über dem Schwellenwert, desto schlimmer der Schaden.
durch 10 mSv oder 100 mSv verursacht.
Der Schwellenwert ist individuell unterschiedlich (Alter, Genetik, Vorerkrankungen, betroffenes Gewebe).
Es gibt keinen Schwellenwert! Auch kleinste Dosen können theoretisch zu Schäden führen (nur sehr unwahrscheinlich).

Folie 30: Das Sonnenbrand-Beispiel: Deterministische Schäden verstehen

Der Sonnenbrand ist das perfekte Alltagsbeispiel für einen deterministischen Strahlenschaden. Analysieren wir ihn im Detail:

Der Schwellenwert

Es gibt eine bestimmte Zeit X, die Sie sich in der Sonne aufhalten können, ohne dass ein Sonnenbrand entsteht. Diese Zeit ist Ihr persönlicher Schwellenwert. Er hängt ab von:
Hauttyp (helle Haut: niedriger Schwellenwert)
Vorbräunung (Bräune erhöht den Schwellenwert)

UV-Index (Strahlenintensität)

Höhenlage, Reflexion (Wasser, Schnee)

Verwendung von Sonnenschutz

Die Dosiswirkungsbeziehung: Sobald Sie Ihren Schwellenwert überschreiten, entsteht Sonnenbrand. Je länger Sie danach noch in der Sonne bleiben, desto schlimmer wird der Sonnenbrand
– von leichter Rötung über Blasenbildung bis zu schweren Verbrennungen.

Genau so verhalten sich alle deterministischen Strahlenschäden: Es gibt einen Schwellenwert, oberhalb dessen der Schaden auftritt und mit zunehmender Dosis schlimmer wird.

Folie 31: Weitere deterministische Strahlenschäden

Katarakt (Grauer Star)

Sterilität

Trübung der Augenlinse. Die Augenlinse ist besonders strahlenempfindlich, da sie aus nicht-regenerierbaren Zellen besteht. Schwellenwert: ca. 0,5 Gy (akut) oder 5 Gy (chronisch über Jahre).
Temporäre oder permanente Unfruchtbarkeit. Keimzellen (Eizellen, Spermien) sind hochsensibel. Schwellenwert: 0,15 Gy (temporär), 3-6 Gy (permanent).

Herz-Kreislauf-Erkrankungen

Strahlenkrankheit (Akutes Strahlensyndrom)

Erhöhtes Risiko für Herzinfarkt und Schlaganfall. Neuere Erkenntnisse zeigen Gefäßschäden bei niedrigeren Dosen als früher angenommen. Schwellenwert:
diskutiert, möglicherweise <1 Gy.

Massiver Zelltod führt zu Organversagen. Symptome: Übelkeit, Erbrechen, Durchfall, Haarausfall, Immunsuppression. Schwellenwert: 1 Gy (milde Symptome), >6 Gy (oft tödlich ohne Behandlung).

Hautschäden

In der Strahlentherapie gewollt!
Von Rötung (Erythem) über Blasenbildung bis zu Nekrosen. Besonders relevant in der interventionellen Radiologie bei langen Durchleuchtungszeiten. Schwellenwert: 2 Gy (Rötung), 10 Gy (Nekrose).

In der Krebstherapie nutzen wir bewusst deterministische Schäden: Wir wollen Tumorzellen abtöten (Zelltod). Typische Dosen: 60-80 Gy in fraktionierten Einzeldosen.
Der Tumor soll den deterministischen Schaden erleiden.

Einordnung (Fachgutachten 09/2026)Nach ICRP 118 (2012) liegt die Schwelle für die strahlenbedingte Katarakt bei etwa 0,5 Gy, auch bei fraktionierter oder chronischer Exposition; die höhere Schwelle von 5 Gy für chronische Exposition ist überholt. Das gilt auch für Folie 48.

Folie 32: Stochastische vs. Deterministische Schäden: Grafische Darstellung

Links: Stochastische Schäden

X-Achse: Dosis (in mSv)

Y-Achse: Wahrscheinlichkeit des

Rechts: Deterministische Schäden

X-Achse: Dosis (in Gy)

Auftretens

Y-Achse: Schwere des Schadens
Die Kurve ist linear (oberhalb 100 mSv gesichert). Mit zunehmender Dosis steigt
Unterhalb der Schwellendosis (DSchwelle)
die Wahrscheinlichkeit stetig. Kein überschritten wird, steigt die Kurve steil an
Schwellenwert: die Kurve beginnt bei
– der Schaden wird schnell schlimmer.
Null!
Unterhalb von 100 mSv ist die Beziehung statistisch nicht nachweisbar (zu lange
Latenzzeiten, zu viele Störfaktoren), aber wir nehmen aus Vorsichtsgründen
Linearität an (LNT-Modell: Linear No-
Threshold).
passiert nichts. Sobald die Schwelle
Es gibt einen klaren Schwellenwert!
Unterhalb: sicher. Oberhalb: Schaden tritt auf, Schwere dosisabhängig.

Folie 33: Warum ist das Latenzzeit-Problem so kritisch?

Bei stochastischen Strahlenschäden liegt oft eine extrem lange Latenzzeit zwischen
Exposition und Schadenseintritt: typischerweise 10-30 Jahre für solide Tumore, 2-10 Jahre für Leukämien.

Statistisches Dilemma

Bei niedrigen Dosen (<100 mSv) ist der strahlungsinduzierte Effekt so klein, dass er im

Das Zurechnungsproblem

Stellen Sie sich vor: Sie erhalten heute eine Exposition von 10 mSv bei einer CT-
Untersuchung. In 25 Jahren entwickeln Sie Lungenkrebs. War die CT die Ursache?
statistischen Rauschen der anderen Krebsursachen untergeht.
Krebs ist häufig: ~40% der Bevölkerung erkranken im Laufe des Lebens. Einen einzelnen Fall der
Wir können es nicht wissen! In diesen 25 Jahren passiert so viel:
Strahlung zuzuordnen ist unmöglich.

Weitere medizinische Expositionen

Natürliche Hintergrundstrahlung (jährlich ~2-3 mSv)

Rauchen, Umweltgifte, Ernährung

Genetische Faktoren

Berufliche Expositionen

Natürliche Alterungsprozesse

Daher: Oberhalb 100 mSv können wir epidemiologisch einen Zusammenhang zeigen (Hiroshima/Nagasaki-Daten, Tschernobyl). Unterhalb 100 mSv extrapolieren wir vorsichtshalber linear, das LNT-Modell.

Folie 34: Dosisgrößen: Der „Zoo" der Strahlungsmessung

Um Strahlenschäden quantifizieren und vergleichen zu können, benötigen wir Messgrößen. Das Problem: Je nachdem, was wir bewerten wollen (physikalische Energiedeposition, biologische Wirkung, Ganzkörperexposition, Organexposition), brauchen wir unterschiedliche
Dosisgrößen.
Dies führt zu einem regelrechten „Zoo" an Dosisgrößen, was anfangs verwirrend wirken kann. Aber jede hat ihren spezifischen Zweck!

Folie 35: Energiedosis: Die physikalische Grundgröße

Die Energiedosis ist die fundamentalste Dosisgröße und die einzige, die wir direkt messen können. Für Physiker ist sie die wichtigste Größe.

Definition

Energiedosis D = Absorbierte Energie / Masse
Einheit: Gray (Gy) = Joule/Kilogramm (J/kg)
Sie beschreibt einfach, wie viel Energie pro Kilogramm Material absorbiert wurde, völlig unabhängig von der biologischen Wirkung.

Messung: Kalorimetrisches Prinzip

Wenn Strahlung Energie an Materie abgibt, entsteht Wärme. Diese können wir messen! Beispiel: Nehmen wir 1 Liter Wasser und exponieren es. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser ist 4,2 kJ/(kg·°C), das ist die Energie, die benötigt wird, um 1 kg Wasser um 1°C zu erwärmen.

1 Die letale Dosis
LD50/60 = 4,2 Gy (50% der Personen sterben innerhalb 60 Tagen ohne medizinische Behandlung)
2 Die Temperaturerhöhung

4,2 Gy entsprechen 4,2 J/kg. Bei Wasser mit c = 4200 J/(kg·°C): ΔT
= 4,2 / 4200 = 0,001°C

Dies zeigt eindrucksvoll: Die Energiemenge ist winzig, aber die biologische Wirkung auf zellulärer Ebene ist enorm!
35 3 Die Erkenntnis
Eine tödliche Strahlendosis erhöht die Körpertemperatur um nur ein Tausendstel Grad! Die biologische Wirkung hat nichts mit Wärme zu tun.

Folie 36: Kerma: Die übertragene Energie ≈ Energiedosis

Kerma steht für Kinetic Energy Released per unit MAss, also die auf geladene Teilchen (hauptsächlich Elektronen) übertragene kinetische Energie pro Masseneinheit.

Kerma-Gleichgewicht

Unterschied zur Energiedosis

In der Röntgendiagnostik (20-150 keV) sind die Energien so niedrig, dass die Elektronen im Gewebe verbleiben und ihre Energie dort deponieren.
Kerma misst die übertragene Energie, Energiedosis die absorbierte Energie. Warum ist das unterschiedlich?

Daher gilt: Kerma

Dies nennt man Kerma-Gleichgewicht oder charged particle equilibrium.
Wenn ein Elektron, das Energie vom Photon erhält, aus dem Gewebe austritt, wird diese Energie nicht im Gewebe absorbiert. Die Kerma ist dann höher als die Dosis.
Historischer Grund für Kerma: In der Röntgendiagnostik gibt man traditionell die Kerma an, nicht die Energiedosis, obwohl beide praktisch identisch sind. Sie sehen Begriffe wie „Einfalldosis-Kerma" oder „Referenzluft-Kerma" in Geräteprotokollen.

Folie 37: Äquivalentdosis: Berücksichtigung der Strahlenart

Gleiche Energiedosis bedeutet nicht gleiche biologische Wirkung! Die Art der Strahlung spielt eine entscheidende Rolle. Eine Alpha-Teilchenstrahlung ist bei gleicher Energiedosis viel schädlicher als Röntgenstrahlung.

Das Problem: Ionisationsdichte

Die biologische Wirkung hängt von der Dichte der Ionisation ab, also wie viele Ionisationen pro Wegstrecke entstehen. Diese Grafik zeigt Nebelkammeraufnahmen verschiedener Strahlenarten:
10 MeV Protonen: Weitläufig verteilte Ionisationen
500 keV Protonen: Deutlich dichtere Ionisation

Linearer Energietransfer (LET)

Der LET beschreibt die Energiedeposition pro Wegstrecke (keV/μm). Höherer LET = dichtere Ionisation = höhere Wirkung.

Niedrig-LET: Photonen, Elektronen

Alpha-Teilchen: Extrem dichte Ionisation
Je dichter die Ionisation, desto wahrscheinlicher werden mehrere kritische Moleküle (besonders DNA) gleichzeitig geschädigt → höhere biologische Wirkung.
37 Hoch-LET: Protonen, Alpha-Teilchen, schwere Ionen

Folie 38: Strahlungs-Wichtungsfaktor wR

Um die unterschiedliche biologische Wirkung verschiedener Strahlenarten zu berücksichtigen, wurde der Strahlungs-Wichtungsfaktor wR eingeführt. Die Äquivalentdosis H berechnet sich dann als:
H = D × wR
Einheit: Sievert (Sv): gleiche Dimension wie Gray, aber biologisch gewichtet.

Photonen & Elektronen

Protonen wR = 1 wR = 2
Referenzstrahlung. Röntgenstrahlung, Gammastrahlung und Betastrahlung haben den Wichtungsfaktor 1. Elektronen erzeugen dieselbe biologische Wirkung wie Photonen (da Photonen ihre Wirkung über freigesetzte Elektronen entfalten).
Doppelt so schädlich wie Photonen bei gleicher Energiedosis. Protonentherapie nutzt dies aus: hohe biologische Wirkung im Tumor, Schonung des umliegenden Gewebes.

Alpha-Teilchen

Neutronen wR = 20 wR = 2-20
20-fach höhere biologische Wirkung! Extrem dichte Ionisation. Im Körper sehr gefährlich (z.B. eingeatmetes Radon), von außen harmlos (Reichweite nur wenige cm in Luft, gestoppt durch Haut).

Energieabhängig. Neutronen sind ungeladen und durchdringen Materie leicht.
Wichtungsfaktor steigt mit Energie. Relevant in der Kernphysik, Teilchenbeschleunigern.

Folie 39: Effektive Dosis: Die Schlüsselgröße für den Strahlenschutz

Die Äquivalentdosis berücksichtigt die Strahlenart, aber nicht, welches Organ exponiert wurde. Verschiedene Organe haben unterschiedliche Strahlenempfindlichkeiten! Ein letzter Schritt ist nötig:

Das Konzept

Die effektive Dosis E ist die Summe der gewichteten Organdosen:
E = Σ (wT × HT)

Dabei ist:

wT = Gewebe-Wichtungsfaktor (organspezifisch)
HT = Äquivalentdosis im Organ T
Einheit: Sievert (Sv), praktisch meist Millisievert (mSv)
Die Summe aller Gewebe-Wichtungsfaktoren ist 1,0, sie repräsentieren den relativen Beitrag jedes Organs zum Gesamtrisiko.

Die fundamentale Bedeutung

Gleiche effektive Dosen bedeuten gleiches stochastisches Strahlenrisiko, unabhängig davon, welche Organe exponiert wurden oder welche Strahlenart verwendet wurde. Dies macht verschiedene Expositionen vergleichbar!

Folie 40: Gewebe-Wichtungsfaktoren wT

Die Gewebe-Wichtungsfaktoren wurden durch epidemiologische Studien (v.a. Atombombenüberlebende von Hiroshima und Nagasaki) ermittelt und zeigen die unterschiedliche Strahlenempfindlichkeit der Organe:
12% 12% 12% Knochenmark (rot)

Dickdarm

Lunge

Höchstes Risiko: schnell teilende Blutzellen, Leukämie-Risiko
Hohe Zellteilungsrate, hohes Krebsrisiko
Großes Organ, hohes Lungenkrebsrisiko
12% 8% 8% Magen

Brust (Brustdrüse)

Restliche Gewebe

Schleimhautzellen teilen sich häufig
Besonders bei jungen Frauen strahlenempfindlich
Blase, Leber, Speiseröhre, Schilddrüse, etc.
4% 4% 1% Knochenoberfläche

Haut

Keimdrüsen

Niedriges Risiko

Große Fläche, aber niedrige Krebsrate

Reproduktionsrisiko, genetische Effekte

Hinweis: Die Faktoren wurden 2007 aktualisiert und werden regelmäßig überprüft. Eine Revision wird für 2029 erwartet.

Einordnung (Fachgutachten 09/2026)Die Gewebe-Wichtungsfaktoren nach ICRP 103 (2007): rotes Knochenmark, Dickdarm, Lunge, Magen, Brust und restliche Gewebe je 0,12; Keimdrüsen 0,08; Blase, Speiseröhre, Leber und Schilddrüse je 0,04; Knochenoberfläche, Gehirn, Speicheldrüsen und Haut je 0,01. Brust, restliche Gewebe, Knochenoberfläche, Haut und Keimdrüsen sind auf der Folie falsch angegeben.

Folie 41: Rechenbeispiel: Ganzkörper- vs. Teilkörperexposition

Das Konzept der effektiven Dosis wird durch ein konkretes Rechenbeispiel am besten verständlich. Vergleichen wir zwei völlig unterschiedliche Expositionsszenarien:

Szenario A: Ganzkörperexposition

Szenario B: Schilddrüsen-Teilexposition

Situation: Gleichmäßige Bestrahlung des gesamten Körpers mit 1,2 Gy (z.B.
Strahlenunfall)

Situation: Nur die Schilddrüse erhält 30 Gy, Rest 0 Gy (z.B. Radiojodtherapie)

Berechnung:

E = 30 Sv × 0,04 + 0 Sv × 0,12 + 0 Sv × 0,12 + ...
E = 1,2 Sv × (0,12 + 0,12 + 0,12 + ... + 0,01)
Nur der Term für die Schilddrüse (wT = 0,04) trägt bei
Die Summe in der Klammer ist 1,0 (alle Organe addiert)
Ergebnis: E = 1,2 Sv
Ergebnis: E = 1,2 Sv
Trotz 25-fach höherer Organdosis ergibt sich die gleiche effektive Dosis!
Bei Ganzkörperexposition können wir einfach die Energiedosis mit dem Strahlungswichtungsfaktor multiplizieren.

Die Bedeutung

Beide Szenarien führen zum gleichen stochastischen Gesamtrisiko, obwohl die physikalischen Dosen völlig unterschiedlich sind. Das ist die Stärke des Konzepts der effektiven Dosis, sie macht verschiedene Expositionsszenarien vergleichbar.

Folie 42: Effektive Dosis: Anwendung und Grenzen

Wofür wird sie verwendet?

Wichtige Einschränkungen

Überwachung beruflich strahlenexponierter Personen
Nur für stochastische Risiken: Die effektive Dosis sagt nichts
Definition von Dosisgrenzwerten über deterministische Schäden aus!

Vergleich verschiedener Untersuchungsverfahren

Populationsmittel: Individuelle Risiken können abweichen

(Alter, Geschlecht, Genetik)

Rechtfertigung medizinischer Expositionen

Keine Schwellendosis: Basiert auf LNT-Modell (umstritten für
Kommunikation von Strahlenrisiken sehr niedrige Dosen)
Nicht für hohe Dosen: Über 1 Sv verliert das Konzept an

Gültigkeit

Folie 43: Stochastisches Risiko quantifizieren: Die 5%-pro-Sievert-Regel

Wie hoch ist nun mein konkretes Risiko, an Krebs zu erkranken oder zu versterben? Diese Frage können wir für den Einzelfall nicht beantworten, zu viele individuelle Faktoren spielen eine Rolle (Genetik, Lebensstil, Alter,

Geschlecht).
Kinder: 2-3× höheres Risiko (mehr Lebenszeit, höhere Zellteilungsrate)
Für eine große Population jedoch können wir eine Risikoabschätzung
Frauen: ~1,5× höheres Risiko als Männer (u.a.
treffen, basierend auf epidemiologischen Daten:

Brustkrebs)

Das nominelle Risiko

Sterblichkeitsrisiko

Alters- und Geschlechtsabhängigkeit

Ältere (>60 Jahre): Niedrigeres Risiko (weniger
≈ 5% pro Sievert

Lebenszeit für Krebsentwicklung)

Dies ist das nominelle Sterblichkeitsrisiko: der Mittelwert für eine gemischte Bevölkerung (alle Altersgruppen, beide Geschlechter). Die
Erkrankungsrate ist höher (ca. 10% pro Sv), da nicht jeder Krebs tödlich verläuft.

Folie 44: Praxisbeispiel: Risiko einer CT-Untersuchung

Rechnen wir das konkret durch für eine realistische medizinische Exposition:

Die Ausgangssituation

Die Risikoberechnung

In Perspektive setzen

Ein Abdomen-CT wird durchgeführt.
Risiko = Effektive Dosis × Nominelles Risiko
Hintergrundrisiko: ~40% der Bevölkerung
Effektive Dosis früher: ~20 mSv (moderne
Geräte: 5-10 mSv, aber wir rechnen mit 20 mSv als konservatives Beispiel). Wir exponieren 10.000 Menschen mit dieser
Dosis.
Risiko = 20 mSv × 5%/Sv = 0,020 Sv × 5%/Sv =
0,1% = 1:1000
Das bedeutet: Von 10.000 exponierten
Personen wird eine Person aufgrund dieser
Exposition im Laufe ihres Lebens an Krebs versterben.
erkranken ohnehin an Krebs (davon ~25% tödlich). Von 10.000 Personen sterben also
~2.500 an Krebs: mit oder ohne CT.
Das CT erhöht diese Zahl um 1 auf 2.501. Eine
Erhöhung um 0,04%: statistisch kaum nachweisbar für den Einzelfall!

Klinische Konsequenz: Das Risiko ist real, aber gering. Es muss gegen den diagnostischen Nutzen abgewogen werden. Ein CT zum Ausschluss einer Lungenembolie (potenziell lebensbedrohlich) rechtfertigt dieses Risiko zweifellos. Ein CT „zur Sicherheit" ohne klare Indikation nicht.

Einordnung (Fachgutachten 09/2026)Rechenfehler: 0,1 % entspricht bei 10 000 Exponierten 10 zusätzlichen Krebstodesfällen, nicht einem. Die Zahl steigt also von etwa 2 500 auf 2 510, eine Erhöhung um 0,4 %.

Folie 45: Dosismessung: Personendosimeter

Wie wird nun die Exposition von Personal überwacht? Die effektive Dosis können wir nicht direkt messen, sie ist eine berechnete Größe.
Stattdessen verwenden wir Personendosimeter.

Das Thermolumineszenz-Dosimeter (TLD)

Was wird gemessen?
Das gebräuchlichste System sind die TLD-Badges, die Sie vom
Das Dosimeter misst die Personendosis Hp(10):
Materialprüfungsamt (oder anderen Messstellen) erhalten. So
= Äquivalentdosis in 10 mm Körpertiefe (repräsentiert tieferliegende funktionieren sie:

Organe)

Enthält Lithiumfluorid-Kristalle (LiF)

Die gemessene Energiedosis wird mit dem
Ionisierende Strahlung erzeugt Elektronen in angeregten
Strahlungswichtungsfaktor multipliziert. Daher steht Hp (für „H" =
Zuständen gewichtete Dosis).
Beim Erhitzen fallen die Elektronen zurück → Lichtblitz
Was NICHT berücksichtigt wird: Die Gewebewichtungsfaktoren!

(Thermolumineszenz)

Das ist das zentrale Problem.
Lichtmenge ist proportional zur absorbierten Dosis
Messung im Labor nach 1, 3 oder 12 Monaten

Folie 46: Das Problem der repräsentativen Trageposition

Die Personendosis Hp(10) geht davon aus, dass der gesamte Körper der gemessenen Dosis ausgesetzt ist. Das ist die fundamentale Annahme bei der Berechnung der effektiven Dosis aus dem Dosimeterwert.

Alternative: Über-Schürze-Messung

Die Realität im Röntgenraum
In anderen Ländern (z.B. USA) wird über der Schürze gemessen und der Wert mit einem Korrekturfaktor (z.B. 0,01 für Bleischürze) multipliziert.
In Deutschland wird das Dosimeter unter der Bleischürze getragen (typisch: Brusttasche). Das führt zu systematischen Problemen:
Der Messpunkt liegt hinter 0,25-0,5 mm Bleiäquivalent
Vorteil: Man erhält einen messbaren Wert, der die reale Exposition besser abbildet.
Die Dosis am Messort wird um Faktor 100-1000 reduziert
Typisches Messergebnis: 0,0 mSv
Aber: Hände, Unterarme, Kopf/Hals sind frei exponiert!
Die reale Exposition ist deutlich höher als gemessen
Praktische Konsequenz: Die Dosimeterwerte unterschätzen die reale Exposition systematisch. Zusätzliche Schutzmaßnahmen (Bleischürze, Schilddrüsenschutz, Abstand!) sind essentiell.

Einordnung (Fachgutachten 09/2026)Bleischürzen mit 0,25 bis 0,5 mm Bleigleichwert schwächen die Streustrahlung im diagnostischen Bereich um etwa 90 bis 99 %, also um den Faktor 10 bis 100, nicht 100 bis 1 000.

Folie 47: Ringdosimeter: Messung der Extremitätendosis

Für Tätigkeiten mit hoher Handexposition (interventionelle Radiologie, Angiographie, Kardiologie) ist ein zusätzliches Ringdosimeter vorgeschrieben.
Was wird gemessen?
Hautdosis Hp(0,07) = Äquivalentdosis in 0,07 mm Tiefe (entspricht der Basalzellschicht der Haut)
Warum wichtig?
Hände sind bei Durchleuchtungen oft nahe am Primärstrahl
Keine Abschirmung möglich (taktile Arbeit erforderlich)
Deterministische Schäden (Hautrötung, Radiodermatitis) möglich
Der Hautgrenzwert ist deutlich höher als der Ganzkörpergrenzwert
Grenzwerte (Deutschland, pro Jahr)

Trageposition des Ringdosimeters

Ganzkörper: 20 mSv (effektive Dosis)
Am Finger der dominanten Hand, unter dem Handschuh. Meist Zeigefinger oder Mittelfinger (je nachdem, welcher näher am Strahl ist). Die Position muss konstant bleiben für vergleichbare Messungen.
Hände/Extremitäten: 500 mSv (Hautdosis)
Augenlinse: 20 mSv (seit 2019 reduziert, früher 150 mSv)

Folie 48: Augenlinsendosimetrie: Neuere Entwicklung

Seit einigen Jahren wird zunehmend auch die Augenlinsendosis Hp(3) überwacht. Dies ist eine relativ neue Anforderung, die auf neueren wissenschaftlichen Erkenntnissen basiert.
Warum überwachungspflichtig?
Lange galt ein Grenzwert von 150 mSv/Jahr für die Augenlinse. Neuere Studien zeigten jedoch:

Katarakte (Grauer Star) treten bereits bei niedrigeren Dosen auf
Der Schwellenwert liegt deutlich niedriger als gedacht (ca. 0,5 Gy akut, 5 Gy chronisch) Interventionell tätige Ärzte zeigen erhöhte Kataraktraten

Reaktion: Der Grenzwert wurde 2019 auf 20 mSv/Jahr gesenkt, gleich dem Ganzkörpergrenzwert!

Messung

Das Dosimeter wird getragen:

Über der Schutzbrille (falls vorhanden)
An der Brille befestigt oder
Auf einem Stirnband
Messung in 3 mm Tiefe (entspricht Linsenposition)

Wann erforderlich?
Bei Tätigkeiten mit potenziell >15 mSv Augenlinsendosis pro Jahr (v.a. Interventionelle Radiologie, Kardiologie, Angiographie)

Folie 49: Ortsdosimetrie: Raumüberwachung

Neben der Personendosimetrie gibt es auch Ortsdosisgrößen, Messungen, die nicht an Personen, sondern an festen Orten durchgeführt werden. Diese dienen der Raumüberwachung und Bereichsfestlegung.

Ambient Dose H*(10)

Directional Dose H'(0,07)

Die „Umgebungsäquivalentdosis" in 10 mm Tiefe in einem standardisierten Phantom. Sie ist konservativ (überschätzt eher) und wird für die Festlegung von Strahlenschutzbereichen verwendet.
Die „Richtungsäquivalentdosis" in 0,07 mm Tiefe, gemessen aus einer bestimmten Richtung. Wird für Hautdosis-Abschätzungen und bei stark gerichteter Strahlung verwendet.

Anwendungen

Festlegung von Kontrollbereichen (>6 mSv/Jahr möglich) und Überwachungsbereichen (>1 mSv/Jahr möglich)
Überprüfung von Abschirmungen (Türen, Wände, Fenster)
Nachweis der Einhaltung von Grenzwerten für Personen in benachbarten Räumen

Qualitätssicherung und Abnahmeprüfungen

Folie 50: Patientendosimetrie: Dosisflächenprodukt (DFP)

Für die Abschätzung der Patientendosis in der Röntgendiagnostik ist das Dosisflächenprodukt (DFP) die zentrale Größe. In anderen Ländern auch als DAP (Dose Area Product) oder KAP (Kerma Area Product) bezeichnet.

Definition

Vorteil 1: Abstandsunabhängig

DFP = Luftkerma × bestrahlte Fläche

Die Dosis nimmt quadratisch mit dem Abstand ab (Abstandsquadratgesetz).
Die bestrahlte Fläche nimmt quadratisch mit dem Abstand zu. Die Effekte heben sich auf!

Einheit: Gy·cm² oder mGy·cm²
Das DFP wird direkt am Strahlenausgang der Röntgenröhre mit einer großflächigen Ionisationskammer gemessen. Bei modernen Geräten ist dies standardmäßig eingebaut.
DFP ist konstant, egal wie weit der Patient von der Röhre entfernt ist.
Warum Fläche × Dosis?
Diese Kombination hat zwei entscheidende Vorteile...

Folie 51: Abstandsquadratgesetz und DFP-Konstanz

Beispielrechnung

Abstand 50 cm:

Dosis: 100 mGy

Fläche: 100 cm²

DFP: 10.000 mGy·cm²

Abstand 100 cm (doppelt):
Dosis: 25 mGy (ein Viertel)
Fläche: 400 cm² (vierfach)
DFP: 10.000 mGy·cm² (gleich!)
Diese Konstanz macht das DFP zur idealen Größe für die Patientendosimetrie, unabhängig von der Geometrie der Untersuchung.
Das Abstandsquadratgesetz ist fundamental für das Verständnis der Strahlungsausbreitung:

Intensität I

∝ 1/r²

Wenn ich den Abstand verdopple, sinkt die Intensität auf ein Viertel. Verdreifache ich den Abstand, sinkt sie auf ein Neuntel.

Physikalischer Grund

Die Strahlung breitet sich kegelförmig aus. Die gleiche Energie verteilt sich mit zunehmendem Abstand auf eine größere Fläche. Die Fläche einer Kugel ist 4πr², daher die quadratische Abhängigkeit.

Folie 52: Von DFP zu Effektiver Dosis: Die Konversion

Das DFP selbst ist noch keine Risikoabschätzung. Um die effektive Dosis E (in mSv) zu berechnen, benötigen wir Konversionsfaktoren, die von der untersuchten Region abhängen.
0.18 0.20 0.26 0.22 Thorax (PA)

Abdomen (AP)

Lendenwirbelsäule

Becken (AP)

E [mSv] = DFP [Gy·cm²] × 0,18
E [mSv] = DFP [Gy·cm²] × 0,20
E [mSv] = DFP [Gy·cm²] × 0,26
E [mSv] = DFP [Gy·cm²] × 0,22
Beispiel: 500 mGy·cm² → 0,09 mSv
Beispiel: 2000 mGy·cm² → 0,4 mSv
Beispiel: 1500 mGy·cm² → 0,39 mSv
Beispiel: 1000 mGy·cm² → 0,22 mSv

Diese Konversionsfaktoren berücksichtigen:

Welche Organe exponiert werden (Gewebe-Wichtungsfaktoren)
Schwächung durch den Körper

Typische Aufnahmegeometrie

Rückstreuung aus dem Körper

Quelle: Bundesamt für Strahlenschutz, regelmäßig aktualisierte Tabellen

Folie 53: CT-Dosimetrie: CTDI und DLP

In der Computertomographie (CT) werden andere Dosisgrößen verwendet als in der projektionsradiographischen Bildgebung. Die wichtigsten sind CTDI und DLP.
CTDI: CT Dose Index
DLP: Dose Length Product
Der Computed Tomography Dose Index ist die Dosis pro Schicht, eine Punktdosis.
Das Dosislängenprodukt berücksichtigt zusätzlich die Scanlänge:
Genauer: CTDIvol (volume CTDI) ist der
DLP = CTDIvol × Scanlänge wichtigste Wert. Er berücksichtigt:

Die Kollimation (Schichtdicke)

Einheit: mGy·cm

Den Tischvorschub (Pitch)

Das DLP ist das CT-Äquivalent zum DFP in der Projektionsradiographie, es enthält

Überlappung der Spiralen

Information über Punktdosis UND

Einheit: mGy

Typische Werte: 5-20 mGy für

Standardprotokolle, höher bei

Hochauflösung oder dicken Patienten.
bestrahlten Bereich.

Folie 54: Pitch-Korrektur in der Spiral-CT

Der Pitch ist ein entscheidender Parameter in der Spiral-CT, der die Dosis direkt beeinflusst.

Definition

Pitch = Tischvorschub pro Rotation / Kollimation
Pitch = 1: Tisch bewegt sich genau um die Schichtdicke → perfekte Abdeckung ohne Überlappung oder Lücken
Pitch < 1: Überlappende Schichten → höhere Dosis, bessere Bildqualität
Pitch > 1: Lücken zwischen Schichten → niedrigere Dosis, schlechtere z-Auflösung
Der CTDIvol berücksichtigt den Pitch bereits: CTDIvol = CTDI / Pitch. Ein höherer Pitch reduziert die Dosis proportional, da weniger Überlappung stattfindet.

Typische Pitch-Werte

Pitch 0,5-0,8: Hochauflösungs-Scans (z.B. HR-CT Thorax), höhere Dosis
Pitch 1,0-1,5: Standard-Diagnostik, optimales Dosis-Qualitäts-Verhältnis
Pitch >1,5: Schnelle Übersichtsscans, Dosisreduktion, geringere Bildqualität

Folie 55: Von DLP zur Effektiven Dosis in der CT

Auch in der CT können wir aus dem DLP die effektive Dosis abschätzen, wieder über Konversionsfaktoren, die alters- und regionsabhängig sind.
Beispiel: Thorax-CT (aus Europäischer CT-Leitlinie)

k-Faktoren (Auswahl)

Angenommen, ein Thorax-CT ergibt DLP = 500 mGy·cm

Kopf-CT:

Erwachsener (Standardkonversion):

Erwachsene: 0,0021 k-Faktor = 0,014 mSv/(mGy·cm)
10 Jahre: 0,0057
E = 500 × 0,014 = 7 mSv

Abdomen-CT:

10-jähriges Kind:
Erwachsene: 0,015 k-Faktor = 0,039 mSv/(mGy·cm)
10 Jahre: 0,030
E = 500 × 0,039 = 19,5 mSv

Becken-CT:

1-jähriges Kind:
Erwachsene: 0,019 k-Faktor = 0,093 mSv/(mGy·cm)
10 Jahre: 0,049
E = 500 × 0,093 = 46,5 mSv (!)
Die effektive Dosis bei Kindern ist bei gleichem DLP deutlich höher, daher sind pädiatrische Niedrigdosisprotokolle essentiell!
Diese starke Altersabhängigkeit reflektiert die höhere Strahlenempfindlichkeit jüngerer Patienten und die unterschiedliche Körpergröße (kleinerer Körper → weniger Schwächung → höhere Organdosen).

Folie 56: Typische Dosiswerte medizinischer Untersuchungen

Um ein Gefühl für die Größenordnungen zu bekommen, hier eine Übersicht typischer effektiver Dosen verschiedener Untersuchungen:
0,02 % 0,7 % Thorax-Röntgen (PA)

Extremitäten-Röntgen

~0,02 mSv: so niedrig wie eine natürliche Hintergrundstrahlung von 3 Tagen
~0,01 mSv: vernachlässigbar geringe Exposition
1,5 % 7% Abdomen-Röntgen

Thorax-CT (Standard)

~0,7 mSv: entspricht etwa 4 Monaten natürlicher Hintergrundstrahlung
~7 mSv: etwa 3 Jahre natürliche Hintergrundstrahlung
10% 3% Abdomen-CT

Mammographie (2 Ebenen)

~10 mSv: moderne Protokolle 5-8 mSv, ältere bis 20 mSv
~0,4 mSv: speziell optimiert für niedrige Dosis bei hohem Kontrast
25% 2,5 % PET/CT (Ganzkörper)

Natürliche Jahresdosis

~25 mSv: Kombination aus CT (~7 mSv) und Radiopharmakon (~18 mSv)
~2,1 mSv/Jahr in Deutschland (weltweit Durchschnitt ~2,4 mSv/Jahr)

Folie 57: Dosisreduktion: Der Weg zu „As Low As Reasonably Achievable"

Das ALARA-Prinzip (As Low As Reasonably Achievable) ist der Grundsatz des Strahlenschutzes: Die Dosis soll so niedrig wie vernünftigerweise erreichbar gehalten werden: unter Berücksichtigung des diagnostischen Nutzens.

Rechtfertigung

Optimierung

Dosisbegrenzung

Jede Exposition muss medizinisch
Die Dosis soll so niedrig wie möglich
Einhaltung der Grenzwerte (für gerechtfertigt sein. Gibt es alternative sein, aber so hoch wie nötig für die

Personal) und diagnostischen

Verfahren ohne Strahlung (MRT, diagnostische Aussage. Protokolle
Referenzwerte (für Patienten).
Ultraschall)? Ist die Fragestellung klar?
anpassen (kV, mAs, Pitch,

Regelmäßige Überprüfung der

Rekonstruktion).
tatsächlichen Dosen.

Folie 58: Moderne Techniken zur Dosisreduktion in der CT

Iterative
Rekonstruktion

Traditionell wurde CT-Bildern mit „Filtered Back Projection" rekonstruiert.
Moderne iterative
Algorithmen (ASIR,
iDose, SAFIRE, ADMIRE) reduzieren Bildrauschen dramatisch.
Dosisreduktion: 30-60% bei gleichbleibender
Bildqualität möglich. Die Algorithmen „erraten" das wahrscheinlichste Bild durch iteratives
Optimieren.

Automatische
Röhrenstrommodul ation

Dual-Energy CT

Zwei verschiedene
Röhrenspannungen (z.B.
80 und 140 kV) oder
Schichtdetektoren
erlauben
Materialunterscheidung.
Kontrastmittel kann
virtuell subtrahiert
werden, virtuelle Nicht-Kontrast-Bilder erstellen.
Ermöglicht niedrigere kV bei
kontrastmittelverstärkte n Scans →
Dosisreduktion.

Die Röhre passt den
Strom automatisch an die Körperregion an:
Weniger Strom bei
dünnen Regionen (Hals), mehr bei dicken
(Abdomen). Anpassung in Echtzeit während der Rotation.
Dosisreduktion: 20-40%.
Zusätzlich: Z-Achsen-Modulation (längs) und Angular Modulation (um die Achse).

58 Photon-Counting Detektoren
(Zukunft)

Revolutionäre neue
Technologie: Detektoren zählen einzelne
Photonen und messen deren Energie direkt.
Höhere Dosiseffizienz, besserer Kontrast,
spektrale Information ohne Dual-Energy-
Setup. Erwartete
Dosisreduktion: 40-
60%. Erste klinische
Systeme seit 2021
verfügbar.

Folie 59: Zusammenfassung: Von der Physik zum Strahlenschutz

Physikalische Grundlagen

Strahlenschäden

Strahlung transportiert Energie (elektromagnetisch) oder Masse

Stochastisch: Wahrscheinlichkeitsabhängig, kein

(Teilchen)

Schwellenwert (Krebs) → 5%/Sv Mortalitätsrisiko
Ionisierende Strahlung hat genug Energie, um Elektronen aus
Deterministisch: Schwellenwert, Schwere dosisabhängig
Atomen zu entfernen ( 15 eV)

(Katarakt, Hautschäden, Strahlenkrankheit)

≥ Röntgenröhre erzeugt Strahlung durch Elektronen-

Praktische Dosimetrie

Beschleunigung (Bremsstrahlung + charakteristische Strahlung)
Wechselwirkungen: Photoeffekt (Absorption), Compton-
Personal: Hp(10) unter Schürze, Ringdosimeter,
Streuung, (Paarbildung nur >1 MeV)

Augenlinsendosimetrie

Patienten: DFP (Röntgen), CTDI/DLP (CT) → Konversion zu

Dosimetrie effektiver Dosis

Energiedosis (Gy): Physikalisch absorbierte Energie
ALARA-Prinzip: Rechtfertigung, Optimierung, Dosisbegrenzung
Äquivalentdosis (Sv): Gewichtet nach Strahlenart (wR)
Effektive Dosis (Sv): Zusätzlich gewichtet nach Organ (wT) →

Risikoabschätzung

Folie 60: Kernbotschaften für die Praxis

1. Verstehen Sie die Physik
2. Dosimetrie ist nicht trivial
3. Risiko in Perspektive setzen
Nur wer die physikalischen Grundlagen
Die verschiedenen Dosisgrößen haben
Ionisierende Strahlung ist nicht harmlos, versteht, kann Strahlung sinnvoll anwenden jeweils ihren Zweck. Energiedosis für Physik, aber die Risiken sind quantifizierbar und im und sich sowie andere schützen. Die
Äquivalentdosis für Personal, effektive medizinischen Kontext meist

Energie-Abhängigkeit der

Dosis für Risikoabschätzung, DFP/DLP für gerechtfertigt. Ein CT mit 10 mSv erhöht
Wechselwirkungen erklärt, warum niedrige klinische Optimierung.
das Krebsrisiko um ~0,05%: relevant, aber kV mehr Kontrast aber auch mehr Dosis oft durch den diagnostischen Nutzen bedeuten.
überwogen.
4. Optimierung ist Pflicht
5. Strahlenschutz betrifft alle
Moderne Technik ermöglicht dramatische Dosisreduktionen
Vom Arzt, der die Indikation stellt, über MTRA, die das Gerät
(iterative Rekonstruktion, Modulation). Diese Möglichkeiten müssen bedienen, bis zum Medizinphysik-Experten: alle tragen genutzt werden. Jede vermeidbare Exposition ist eine zu viel.
Verantwortung. Nur durch Zusammenarbeit gelingt optimaler
Patientenschutz.
Die physikalischen Grundlagen sind das Fundament für verantwortungsvollen Umgang mit ionisierender Strahlung in der Medizin.

Nach der Präsentation von Prof. Dr. Ulrich Frey, Klinik für Anästhesiologie, Intensivmedizin, Schmerz- und Palliativmedizin, Marien Hospital Herne, Stand 11/2025. Ausgearbeitete Fassung für das E-Learning, September 2026.