Grundlagen der Röntgenstrahlen und Kontrastmittel

Grundlagen der Röntgenstrahlen (X-Rays)

Röntgenstrahlen sind elektromagnetische Wellen mit sehr kurzer Wellenlänge und einer sehr hohen Frequenz.

Entdeckung und physikalische Eigenschaften

Entdeckt wurden sie von Wilhelm Conrad Röntgen im Jahre 1895. Sie gehorchen den Gesetzen des Lichts, besitzen jedoch einige besondere Eigenschaften:

• Sie können Materialien durchdringen oder reflektieren, die sichtbares Licht absorbieren.
• Sie bringen bestimmte Stoffe zum Fluoreszieren; sie regen also die Abgabe von sichtbarem Licht an.
• Sie schwärzen fotografische Filme und erzeugen so eine Bildaufzeichnung.
• Sie produzieren biologische Veränderungen, sowohl somatische als auch genetische.

Wenn ein Strom von Elektronen mit hoher Geschwindigkeit mit Materie kollidiert, werden Röntgenstrahlen erzeugt.

Die Erzeugung in der Röntgenröhre

Der effektivste Weg, sie zu produzieren, ist mit einer Röntgenröhre (X-ray tube). Eine einfache Röntgenröhre besteht aus einem Vakuum-Glaskolben, der Folgendes enthält:

• Anode: Besteht in der Regel aus Kupfer; an ihrem vorderen Ende befindet sich ein Block aus Wolfram.
• Kathode: Verfügt über eine gewickelte Wolfram-Glühfaden-Spule.

Der Prozess der Röntgenproduktion

Da der Glühfaden der Kathode einen Strom von Elektronen aussendet, trifft dieser Elektronenstrom auf die Wolfram-Anode. Der Aufprall der Elektronen erzeugt Wärme und Röntgenstrahlen.

Bildentstehung und Absorption

Röntgenstrahlen, die Materie durchdringen, bilden das Bild. Strahlen, die nicht durch die Materie gelangen (absorbiert werden), tragen nicht zur Bildentstehung bei. Der Grad der Röntgenabsorption hängt von drei Faktoren ab:

1. Der Wellenlänge der Strahlung.
2. Der Zusammensetzung des Objekts, das den Strahl unterbricht.
3. Der Dicke und Dichte des Objekts.

Die Absorption bezieht sich auf die Ordnungszahl des Materials, auf das die Strahlen auftreffen. Je höher die Ordnungszahl, desto größer ist die Fähigkeit, Röntgenstrahlen zu absorbieren. Blei ist beispielsweise ein hervorragender Absorber.

Röntgen-Kontrastmittel (RCM)

Röntgen-Kontrastmittel haben eine höhere Ordnungszahl als organisches Gewebe und absorbieren daher mehr Röntgenstrahlung, sodass sie im Film dichter erscheinen.

Definition und Anwendung

Röntgen-Kontrastmittel (RCM) sind Chemikalien aus komplexen Molekülen, die in die Blutbahn injiziert werden. Sie erhöhen die Dichte von Gefäßen und Gewebe, um einen Kontrast zu den umgebenden Strukturen zu schaffen. Sie können die Absorption von Röntgenstrahlen im Vergleich zu normalem Gewebe um das bis zu 50.000-fache steigern.

Verabrechnungswege:

• Magen-Darm-Trakt (oral oder als Einlauf)
• Intravenös

Intravenöse Kontrastmittel

Praktisch alle intravaskulären Kontrastmittel basieren auf Jod. Ausnahmen sind Gadolinium (für die Magnetresonanz-Tomographie/MRT) und Mikrobläschen (für den Ultraschall). Jodhaltige Kontrastmittel werden auf Basis der Trijodbenzoesäure synthetisiert, da die drei Jod-Atome im Molekül die Strahlung effektiv absorbieren.

Wichtige Begriffe: Osmolalität und Osmolarität

• Osmolalität: Anzahl der Teilchen gelöst in einem Kilogramm Wasser (Plasma-Osmolalität: ca. 300 mOsm/kg).
• Osmolarität: Anzahl der Teilchen gelöst in einem Liter Lösung.
• Ionische monomere MC Osmolalität: ca. 2100 mOsm/kg.

Jod ist wasserlöslich und wird über den Harn ausgeschieden, im Gegensatz zum nicht löslichen Barium.

Klassifikation der Kontrastmittel

• Ionisch: Dissoziieren in Ionen in der Lösung.
• Nicht-ionisch: Dissoziieren nicht in der Lösung.

Ionische Monomere

Entwickelt in den 50er Jahren. In Wasser dissoziiert jedes Molekül in zwei elektrisch aufgeladene Partikel. Da ein Molekül mit 3 Jod-Atomen 2 Teilchen in Lösung ergibt, entsteht eine hohe Osmolalität (1500–1600 mOsm/kg). Beispiele: Amidotrizoat, Meglumin-Amidotrizoat, Natrium-Amidotrizoat.

Aufgrund der hohen Osmolalität besteht eine höhere Rate an Nebenwirkungen. Indikationen: Urographie, Phlebographie, operative Cholangiographie, CT. Gegenanzeigen: Überempfindlichkeit gegen Jod-Verbindungen.

Ein weiteres Beispiel ist die Iopansäure (Iopanoic Acid), erhältlich als 500-mg-Tabletten zur Untersuchung der Gallenwege. Gegenanzeigen sind schwere Niereninsuffizienz und obstruktive Lebererkrankungen. Handelsnamen umfassen Hypaque, Angiovist, Telebrix, Conray und Relief.

Ionische Dimere

Beispiel: Meglumin-Iotroxat. Es enthält doppelt so viele Jod-Atome pro Molekül wie Monomere. Es wird in 100-ml-Fläschchen (105 mg/ml) zur Exploration der Gallenblase und Gallenwege eingesetzt.

Nicht-ionische Monomere

Diese sind elektrisch neutral und dissoziieren nicht in Wasser. Ein Molekül mit 3 Jod-Atomen bleibt ein Partikel, was zu einer niedrigeren Osmolalität (500–700 mOsm/kg) führt. Sie wurden in den 80er Jahren entwickelt. Beispiele: Omnipaque, Radiomiron, Xenetix, Optiray.

Nicht-ionische Dimere

Entwickelt in den 90er Jahren. Ein Molekül mit 6 Jod-Atomen ergibt ein Teilchen. Sie sind isoosmolal zum Blut (ca. 300 mOsm/kg). Ihre Konfiguration ergibt sich aus der Fusion zweier monomerer Moleküle, was die Osmolalität senkt. Beispiel: Visipaque.

Pharmakokinetik von Jod-Kontrastmitteln

• Kein enterohepatischer Kreislauf.
• Dialysierbar.
• Überwinden die Blut-Hirn-Schranke nicht.
• Übertritt in Muttermilch und Plazenta möglich.
• Minimale enterale Absorption.
• Lineare Pharmakokinetik, proportional zur Dosis.

Bariumsulfat

Ein Metallsalz, das verwendet wird, um den Magen-Darm-Trakt darzustellen. Es wird nicht aus dem Magen-Darm-Trakt resorbiert.

Nebenwirkungen (Adverse Reactions)

Bei nicht-ionischen Kontrastmitteln mit niedriger Osmolalität ist das Risiko 5-mal geringer, aber nicht ausgeschlossen. Nebenwirkungen treten bei 5 bis 12 % der Untersuchungen auf, wobei 0,1 % schwerwiegend (lebensbedrohlich) sind. Die Mortalität liegt bei 1:75.000 bis 1:160.000. 90 % der Reaktionen treten innerhalb der ersten 20 Minuten auf.

Symptome und Mechanismen

Symptome: Wärmegefühl, Rötung, Übelkeit, Erbrechen, Angst, vasovagale Reaktionen, Glottisödem, Bronchospasmus, Arrhythmien und im schlimmsten Fall der Tod.

Mechanismen der Nebenwirkungen:

• Chemotaktisch oder physiologisch: Abhängig von den Merkmalen des Kontrastmittels, der Verabreichungsrate, Dosierung und Konzentration. Ursache ist die Hyperosmolalität und die Bindung von Kalzium (Ca++).
• Anaphylaktoid: Identisch mit einer Anaphylaxie (Überempfindlichkeitsreaktion Typ I), wahrscheinlich durch die Aktivierung des Komplementsystems über den nicht-klassischen Weg. Manifestiert sich durch Bronchospasmus, angioneurotisches Ödem und Herz-Kreislauf-Kollaps.
• Anaphylaktisch oder idiosynkratisch: Nicht dosisabhängig und kann bereits bei Mengen von 1 ml oder weniger auftreten. Sie sind unberechenbar und beruhen auf schwachen unspezifischen Bindungen mit biologischen Makromolekülen.

Empfehlungen für die klinische Praxis

Der Nutzen der Untersuchung sollte das Risiko stets überwiegen. Die Untersuchung sollte in einer Institution mit entsprechender Notfallausstattung (z. B. Intensivstation-Anbindung) durchgeführt werden. Wenn die Ressourcen vorhanden sind, sollte die Verwendung von nicht-ionischen Dimeren (wie Visipaque) bevorzugt werden. Der Patient sollte während der Untersuchung hämodynamisch überwacht werden.