Röntgenstrahlen: Wie ein Zufall die Medizin veränderte

Als Wilhelm Conrad Röntgen im November 1895 in seinem Labor spät abends noch arbeitet, ahnt er vermutlich nicht, dass ihm diese Nacht sechs Jahr später den Nobelpreis einbringen wird. Denn eher zufällig entdeckt der Physiker die später nach ihm benannte Röntgenstrahlung und legt damit den Grundstein für die bildgebende Diagnostik.

Conrad Röntgen Superstar

Kaum ein anderer Wissenschaftler steht dieses Jahr so sehr im Fokus. Und nein, ich meine damit nicht den Schlagabtausch zwischen Christian Drosten und der Bild-Zeitung. Sondern Wilhelm Conrad Röntgen (1845 – 1923), der mit 175 Jahren zum Posterboy avanciert. Zumindest ist er das Motiv des diesjährigen Röntgenkongresses (RöKo) in Leipzig.

Und doch läuft es für den ersten Preisträger des Nobelpreises für Physik nicht rund. Der RöKo ist abgesagt, das Röntgenmuseum in Remscheid derzeit geschlossen. Dem digitalen Hype um den deutschen Physiker tut das jedoch keinen Abbruch. 125 Jahre nach der Entdeckung X-Strahlen (= Röntgenstrahlen) erwacht Röntgen im Smartphone zu neuem Leben. Möglich macht das eine Augmented Reality App. Und auch für den RöKo gibt es mittlerweile eine digitale Alternative.

Hoppla, ein Meilenstein

Wie so vieles in der Wissenschaftsgeschichte verdankt sich auch die Entdeckung der Röntgenstrahlen einem Zufall. Es ist Freitag, spät abends. Wilhelm Conrad Röntgen experimentiert am Physikalischen Institut der Universität Würzburg mit elektrischen Entladungen in einer nahezu luftleer gepumpten Glasröhre (Kathodenröhre, Crookes-Röhre). Röntgen umhüllt die Röhre mit schwarzem Karton. Und beobachtet, dass sich ein entfernt stehender Leuchtschirm aufhellt. Sein Rückschluss: Die Röhre muss neben Kathodenstrahlen noch eine unbekannte Arte von Strahlen abgeben.

Zunächst untersuchte Röntgen das Phänomen hinter verschlossener Tür; er verbrachte etwa sechs Wochen nahezu Tag und Nacht im Labor. Am 22. Dezember 1895 macht er die wohl berühmteste Röntgenaufnahme der Geschichte: die Handknochen seiner Frau Bertha mitsamt Ring. Röntgens Leistung lag aber nicht allein in der Entdeckung, sondern vor allem auch in deren Deutung. Viele seiner Zeitgenossen unternahmen ähnliche Experimente, unter anderem der Physiker Heinrich Hertz (1857 – 1894) und sein Schüler Philipp Lenard (1862 – 1947) sowie der Erfinder Nikola Tesla (1856 – 1943). Letztere erzeugte ebenfalls Röntgenstrahlen, veröffentlichte seine Ergebnisse jedoch nicht. Anders Röntgen. Er vervielfältige die Aufnahme seiner Frau und verschickte sie mit seiner Schrift »Über eine neue Art von Strahlen« an Fachleute.

Urknall der Radiologie

1901 erhielt Röntgen für die Entdeckung der nach ihm benannten Strahlen den Physiknobelpreis.

1901 erhielt Röntgen für die Entdeckung der nach ihm benannten Strahlen den Physiknobelpreis. (Quelle: Uni Würzburg)

Weil Kathodenröhren damals in vielen Labors stehen, werden die spektakulären Ergebnisse international rasch bestätigt. »Es ging wie ein Lauffeuer um die Welt«, sagt Alfred Forchel, Präsident der Universität Würzburg. Die ursprüngliche Skepsis weicht schnell einem »Röntgenfieber« – zu faszinierend ist die neue Möglichkeit, in den Körper und verschiedene Gegenstände zu blicken. Auch Mediziner erkennen schnell den Nutzen, was schließlich zu einem neuen Zweig führt: der Radiologie.

Die Röntgenuntersuchung ist somit das ältestes medizinische Bildgebungsverfahren, vor allem für die Untersuchung von Knochen. Heute wie damals macht man sich zu Nutze, dass das in den Knochen vorkommende Element Calcium mit Z=20 eine deutlich höhere Ordnungszahl hat als die Elemente, aus denen die weichen Gewebe hauptsächlich bestehen, nämlich Wasserstoff (Z=1), Kohlenstoff (Z=6), Stickstoff (Z=7) und Sauerstoff (Z=8). Spezielle Varianten der Röntgentechnik finden sich in der Mammographie, der digitalen Subtraktionsangiographie und der digitalen Radiographie.

Kernstück jedes Röntgengeräts ist die Röntgenröhre als Strahlenquelle. In der Grundform besteht sie aus einem luftleeren Glaskolben, in den eine Kathode und Anode eingeschmolzen sind. Beim Anlegen einer Hochspannung werden Elektronen von der Kathode zur Anode beschleunigt und beim Aufprall abgebremst. Dabei entstehen vor allem Wärme, aber auch Röntgenstrahlen.

Auch außerhalb der Radiologie gefragt

Bewegung der Röhre beim Spiral-CT

Bewegung der Röhre beim Spiral-CT (© Nevit Dilmen/CC BY-SA 3.0)

Das Problem beim Röntgen ist, dass hintereinanderliegende Strukturen wie Knochen überlagert werden. Neu entwickelte Verfahren wie die Computertomographie (CT) erzeugen überlagerungsfreie Schnittbilder. Dabei handelt es sich um ein 1976 von Godfrey Hounsfield (1919–2004) eingeführtes, bildgebendes Verfahren. Das Funktionsprinzip eines CT-Geräts (zum Beispiel Somatom X.cite, Siemens Healthineers) basiert auf einer um den Patienten rotierende Röntgenröhre, deren abgegebene Strahlung von dessen Körper absorbiert wird. Detektoren registrieren den Grad der Strahlenabsorption von der jeweiligen Schicht und leiten diese an einen Computer weiter. Dieser rechnet die gemessenen Rohsignale in die Schichtbilder um.

Aus der medizinischen Diagnostik sind Röntgenstrahlen nicht mehr wegzudenken. Doch sie revolutionierten auch viele andere Bereiche der Forschung. In der Materialphysik, der Chemie und der Biochemie wird Röntgenstrahlung zur Strukturaufklärung benutzt. Ein bekanntes Beispiel ist die Strukturaufklärung der DNA. Genforschung und mittlerweile sogar Gentherapie sind erst dadurch möglich geworden, dass der Aufbau der DNA (Doppelhelix) verstanden ist. Aber auch die Pharmaindustrie macht sich die Strahlen zunutze, etwa bei der Entwicklung neuer Medikamente. Denn mit hochintensiven Röntgenstrahlen lassen sich auch Viren entschlüsseln.

Der nächste Röntgenmoment

 CT-Scanner Somatom X.cite (© Siemens Healthineers)

CT-Scanner Somatom X.cite (© Siemens Healthineers)

Heute ist die Aufnahme eines Röntgenbildes meist Routine; die Weiterentwicklung ist damit aber noch nicht abgeschlossen. Moderne CT-Geräte nehmen zahlreiche hochauflösende 3D-Bilder des Patienten auf. Radiologen setzen dabei zunehmend auf die Hilfe von Künstlicher Intelligenz (KI). Die entsprechenden Algorithmen erkennen in den Bildern Auffälligkeiten und weisen die Radiologen darauf hin. Was noch immer nach Science-Fiction klingt, ist bei den Herstellern der Geräte längst Normalität. Sie statten ihre Produkte zunehmend mit einer gewissen »Intelligenz« aus. Ob das der nächste Röntgenmoment ist, wird sich zeigen. Denn bisweilen sind die meisten KI-Algorithmen nach wie vor Assistenten.

Quellen
[1] A. Resenhoeft: So hat die Röntgenstrahlung die Medizin verändert. medical design, 24. März 2020, https://www.medical-design.news/praxiswissen/so-hat-die-roentgenstrahlung-die-medizin-veraendert.174773.html (Stand: 7. Juni 2020)
[2] Übersicht: Medizinsche Bildverarbeitung, Universität Trier, https://hpi.de/fileadmin/user_upload/fachgebiete/meinel/papers/Old_Source/TR_Med_Bildverarbeitung.pdf (Stand: 7. Juni 2020)
[3] A. Sigelen: Vom Aderlass zum Nanoskop. L&H Verlag, Berlin 2018

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