Teil 1 - Geschichte, Allgemeine Anforderungen und Bauteile

Die Röntgenröhre im medizinischen Einsatzbereich (1)

Karl-Heinz Szeifert 10 Dec, 2018 00:00

In dem Vortrag von Dr. Heinrich Behner werden in gut verständlicher Weise Funktionen und Zusammenhänge der Röntgenröhre beschrieben und erklärt. Eine empfehlenswerte Lektüre - nicht nur für MTA-R-Schüler.

A. Geschichte der Röntgenröhren

Der Startschuss der Röntgentechnologie fiel im Jahre 1895, als Prof. W. C. Röntgen in seinem Labor in Würzburg die durchleuchtende Wirkung seiner sog. „Kathodenstrahlen“ entdeckte. Sehr schnell wurde damals der medizinische Nutzen erkannt; Abbildungen auf Fluoreszenzschirmen oder Filmen erlaubten erstmals den Einblick in Knochenstrukturen ohne operativen Eingriff. Dementsprechend startete der Beginn der industriellen Nutzung nur wenige Monate später im Jahre 1896.
Technisch handelte es sich in der Anfangszeit (z.B. bei den ersten Versuchen von Hittorf, Crookes und Lenard) noch um Kathodenstrahlröhren, wobei die Glaswandung die Funktion der Anode übernahm.
Eine erste Verbesserung war die Verwendung einer Metallanode (Alu- oder Pt-Blech) in Gasionenröhren zur Erzeugung höherer Dosisleistungen bei gleichzeitiger Schonung der Glaswand.
Die folgenden Jahre bis zur heutigen Zeit waren geprägt von einer stetigen Weiterentwicklung und Verbesserung der Technologien mit dem Ziel der Leistungs- und Bildqualitätssteigerung.

Einige weitere Meilensteine:

  • 1904 Anodenmaterial Wolfram wird eingeführt
  • 1913 Glühkathoden-Hochvakuumröhre (Coolidge, GE)
  • 1918 Strichbrennfleck zur Erhöhung der Belastbarkeit (Goetze)
  • 1923 Doppelfokus-Röhre mit kleinem (F1) und großem Brennfleck (F2) (Kucher)
  • 1929 Drehanodenröhre „Rotalix“ (Bouwers, Philips)
  • 1993 erste 50 Hz Drehanodenröhre „Pantix“ mit massiver W-Anode und Hochtemperaturstrahlungskühlung im Strahlenschutzgehäuse (Ungelenk, Siemens)
  • 1959 Vorstellung der „Super-Rotalix“ mit 150 Hz Anodenantrieb (Philips)
  • 1962 Einführung der Wolfram-Rhenium-legierten Molybdän-Verbundanode (Silbermann,Siemens)
  • 1970 erste Glas-Metallkolbenröhre für Mammographie (Siemens)
  • 1973 Einführung der Verbundanode Graphit –Molybdän und 300 Hz Antriebsfrequenz (Friedel, Lauterbach, Siemens)
  • 1989 Vorstellung der Metall-Keramik-Röhre mit Flüssigmetall-Spiralrillengleitlager (Philips)
  • 1995 Einführung der kompakten Keramik-Metall-Röhre für High-End-Computertomographieanwendungen (Siemens)
  • 1996 Einführung des kompakten Gleitlagerstrahlers mit 150 Hz Anodenantrieb (Siemens)
  • 2003 Markteinführung des ersten Hochleistungs-Drehkolbenstrahlers mit Direktkühlung (Siemens)

B. Allgemeine Anforderungen an einen Röntgenstrahler

Für den Hersteller sind bei der Neukonzeption eines Röntgenstrahlers folgende Fragestellungen zu beachten:

  • Was ist die Hauptmotivation zu technischer Verbesserung und Design aus Sicht des Kunden?
  • Welche Anforderungen sind bei der Konzeption zu berücksichtigen?

Die Anforderungen stammen vorwiegend aus den Bereichen 1. Bildqualität, 2. Betriebsweise, 3. Wirtschaftlichkeit und 4.Umwelt.

1. Bildqualität

Folgende durch das Design beeinflusste Kenngrößen bestimmen seitens der Komponente Röntgenstrahler u.a. die Bildqualität im System:

Brennfleckgrößen, MÜF (MTF), Emissionsvermögen in Abhängigkeit von Belichtungszeit und Röhrenspannung und –strom, Strahlfeldsymmetrie bzgl. Dosisverteilung, Ausleuchtung, Einblendungen und Filterungen im Strahlengang, sei es aufgrund gesetzlicher Vorschriften oder Zusatzfilter zur Reduzierung der Hautdosis.

2. Betriebsweise

Die Arbeitsweise in der klinischen Anwendung wird im wesentlichen durch folgenden Parameter bestimmt:

Die Leistungsfähigkeit der Anode (Röhre) bzgl. Brennfleck-Nennleistung, ausgedrückt in Belastungskurven bei gegebener Anodenbezugsleistung (Vorlast), maximal mögliche Wärmeabstrahlung von Anode (oder allgemein: Wärmeabgabe der Röhre) und Strahler, kontinuierliche Wärmeabgabe des Strahlers und Hochlaufzeit der Anode. Möglichst geringe Baugröße des Röntgenstrahlers erleichtert die Patientenzugänglichkeit und erhöhte mechanische Stabilität erlauben schnellere Gerätebewegungen und damit raschere Untersuchungsabläufe.

3. Wirtschaftlichkeit

Qualität und Zuverlässigkeit des Systems, die sich direkt auf die Kosten pro Aufnahme oder Scan auswirken, werden u.a. beeinflusst durch die Lebensdauer des Röntgenstrahlers, dessen Funktionssicherheit (keine Unterbrechung oder gar Ausfall von UUntersuchungen), dessen Servicefreundlichkeit im Austauchfall oder die Wirksamkeit von Überwachungssystemen (gegenüber Überlast, Frühausfall, etc.)

4. Umweltaspekte

Gerade uns, als direkt Involvierte im globalen Gesundheitssystem, müssen die Umweltaspekte besonders am Herzen liegen, d.h. sorgsamer Umgang mit gefährlichen Stoffen, wie Blei, Beryllium oder Altöl durch fachgerechte Rücknahme und Entsorgung, wie auch die Schonung der natürlichen Ressourcen durch gezieltes Recycling von Bauteilen. Die Vielfalt der gesetzlich geregelten Faktoren, wie Strahlenschutz (Leckstrahlung), ausreichende Einblendungen zur Strahlenhygiene, Erfüllung der mechanischen und
elektrischen Sicherheitsanforderungen (Berstversuche, Hochspannungssicherheit) ist genauso zu beachten, wie die Reduzierung des Lärmpegels durch niedrige Laufgeräusche von Drehanode und Kühlung.


C. Bauteile einer Röntgenröhre

Die Technologie der Strahlerzeugung wird trotz aller Neuerungen und ingenieurwissenschaftlichen Verbesserungen in den letzten 100 Jahren durch eine Tatsache dominiert:
Die wesentlichen Bauteile sind – wenn auch in unterschiedlicher Ausführung und Performance – bei allen Röntgenröhren, aller Hersteller und aller Gerätetypen, sei es Durchleuchtung, Computertomographie oder technische Anwendung, immer die Gleichen:

1. Kathode, 2. Anode und 3. vakuumdichter Röhrenkolben mit Isolationsstrecke.

Dies liegt vor allem im physikalischen Prinzip der Röntgenstrahlerzeugung begründet:

Elektronen werden auf eine Geschwindigkeit von über 50% der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt (z.B. durch ein elektrisches Feld) und durch den Aufprall auf ein festes Medium (z.B. Metalle hoher Ordnungszahl) abgebremst. Die Bewegungsenergie wird dabei zu 99% in Wärme umgewandelt und zu 1% in nutzbare Röntgenstrahlung (Bremsstrahlung).

Realisierungsdetails der o.g. Hauptkomponenten sind im Folgenden erläutert:

1. Kathode

In der Kathode werden freie Elektronen durch Heizen eines Glühwendels erzeugt (treten aus der Oberfläche des glühenden Wolframdrahtes aus) und bilden eine Elektronenwolke vor dem sogenannten Fokuskopf. Durch die Ausbildung des Fokuskopfes als Wehnelt-Elektrode wird elektrostatisch eine Bündelung der zur Anode hin beschleunigten Elektronen erreicht. Dabei wird auf möglichst homogene Verteilung der Elektronendichte im Fokus geachtet.
Alternativ zu den Glühwendeln können für spezielle Anwendungen auch sog. Flachemitter (Dünne Wolframbleche, im Bild oben ein Ausführungsbeispiel mit mäanderförmig geschlitzter Oberfläche) verwendet werden.

Negative Vorspannungen oder die Einbringung von Elektrodengittern auf negativem Hochspannungspotential erlauben es sehr schnell, während des Betriebes die Emission von Elektronen zu verhindern, d.h. die Erzeugung von Röntgenstrahlung zu stoppen. Dies wird beispielsweise im Kinopulsbetrieb oder bei gepulster Durchleuchtung angewandt.
Materialien der Kathodenbauteile sind typischerweise Nickel, hochreine Edelstähle oder Molybdän.

2. Anode

Moderne Anoden bestehen aus hochschmelzenden Materialien hoher Ordnungszahl, um einerseits dem enormen Wärmeeintrag im Fokus zu widerstehen und andererseits den quantenmechanischen Wirkungsgrad der Bremsstrahlerzeugung zu optimieren. Als besonders geeignet hat sich hier eine Wolfram-Rhenium Legierung gezeigt.

Da die eingebrachte Energie während einer Aufnahme nicht vollständig ins Kühlmedium abgestrahlt (abgeleitet) werden kann, ist üblicherweise eine Zwischenspeicherung erforderlich – dies geschieht durch einen angelöteten Graphitring. Das Prinzip der Drehkolbenröhre beinhaltet allerdings eine direkte Anodenkühlung, ein Graphit-Wärmespeicher ist hier nicht mehr nötig.

3. Vakuumhülle

Die Vakuumhülle dient zwei Hauptzwecken: Konservierung des Vakuums und Isolation der Bauteile.
Da eine Glühwendel an Atmosphäre nicht betreibbar ist (vgl. Glühlampe) und Elektronen in Luft nur eine geringe Reichweite (< 1mm) haben, ist zum Betrieb der Röntgenröhre ein Hochvakuum notwendig.
Die Beschleunigung der Elektronen wird durch Hochspannung zwischen 30 kV und 150 kV erreicht; die Isolation gegenüber der Umgebung der in der Vakuumhülle befestigten Bauteile Kathode und Anode wird dabei durch Glas oder Keramik realisiert.
Die Metallhülle besteht dabei üblicherweise aus hochreinen Edelstählen, Kupfer oder Legierungen; die Innenseite ist geschwärzt oder aufgeraut um die Abstrahlung der Wärmeenergie auch durch die geschlossene Metallhülle zu ermöglichen.



Das Script wurde uns freundlicherweise von Herrn Dr. Heinrich Behner von der Siemens AG zur Verfügung gestellt.

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