Gerade bei Kindern mit idiopathischer Skoliose ist im Rahmen der Korsettversorgung die wiederholte Bildgebung erforderlich. Mit EOS steht ein Verfahren zur Anfertigung von Röntgenscanns der Wirbelsäule in 2 Ebenen zur Verfügung, mit dem einer Studie zufolge die effektive Dosis um über 95 % reduziert werden kann. Sollte EOS nicht zur Verfügung stehen, sollte bei konventionellen Systemen kritisch geprüft werden, wie weit zur ausschließlichen Kontrolle des Skolioseverlaufs auf Bildqualität verzichtet und die Dosis reduziert werden kann.
Goldstandard für die Diagnose und die Vermessung der idiopathischen Skoliose bei Kindern ist die Bestimmung des Cobb-Winkels, der die seitliche Ausbiegung der Wirbelsäule wiederspiegelt.
Je nach Typ der Skoliose und ggf. zusätzlicher Torsion und Hyperkyphose erfolgt ab etwa 20 Grad eine Korsettversorgung.
Bereits im Rahmen der initialen Diagnostik und dann im weiteren Verlauf der Therapie und der Therapiekontrolle ist die Überprüfung der Wirbelsäulenkrümmung erforderlich. Zwar gibt es optische Systeme zur 3D-Wirbelsäulenvermessung, die sich an definierten Punkten der Körperoberfläche (Oberflächentopographie) orientieren, doch können in der Darstellung erhebliche Abweichungen zur tatsächlichen Form der Wirbelsäule entstehen. In einer Studie von Knott et al. wurde ein durchschnittlicher Unterschied im Krümmungsgrad von 5,8 Grad im Bereich der Brustwirbelsäule und von 8,8 Grad im Bereich der Lendenwirbelsäule zwischen der oberflächengestützten Cobb-Winkel-Schätzung und der radiographischen Messung festgestellt(1).
Eine Haltungsüberprüfung im Korsett ist im Übrigen nur radiologisch möglich. Sie ist wichtig, um das Ansprechen der Wirbelsäule auf den äußeren Druck und somit die reale Wirkung der Korsettversorgung kontrollieren zu können.
Problematisch bei der Röntgenaufnahme der Wirbelsäule und des Beckens ist die Exposition von weiten Teilen des roten Knochenmarks in Sternum, Wirbelsäule und Beckenskelett und – gerade bei weiblichen Patienten – die Exposition der Brustdrüse und der Ovarien. Diese sind gerade bei Heranwachsenden bedeutsam. In den Empfehlungen der Strahlenschutzkommission wird von einem 3 bis 4fach höheren Strahlenrisiko bei Kindern gegenüber Erwachsenen ausgegangen, weshalb gerade bei ihnen über Möglichkeiten der Dosiseinsparung nachzudenken ist.
In einer Studie von Hui et al. aus dem Jahre 2016(2) wurde die Dosis der Untersuchung mit dem EOS-System und einem standardmäßigen digitalradiographischem System (DR) verglichen. Mittels Thermolumineszenzdetektoren (TLD´s) wurden in drei Regionen (Strenumoberrand, Mitte zwischen den Brustwarzen, Symphyse) die Eintrittsdosis gemessen. Mit dem Dosisanalyseprogramm PCXMC 2.0 wurden anschließend die effektive Dosis sowie die Organdosen der Schilddrüse, der Lunge und der Gonaden kalkuliert.
Wie bereits in der Studie von Zarghooni et al. aus dem Jahre 2011(3) zeigt sich auch in der Studie von Hui aus dem Jahre 2016 ein deutlicher Dosisunterschied der Verfahren. Die effektive Dosis belief sich mit EOS auf 2,6 +/- 0,5 uSv, die mit DR auf 67,5 +/- 23,3 uSv. Mit dem EOS ist die effektive Dosis demnach um mehr als 95 % reduziert und auch die Organdosen sind erheblich geringer als mit DR. Bei weiblichen Patienten ist die Dosis bei beiden Verfahren am höchsten mit folglich stärkster Reduzierung der absoluten Dosis bei diesem Klientel.
Es sollte also gerade bei notwendigen rezidivierenden Aufnahmen der Wirbelsäule vor allem bei Kindern mit idiopathischer Skoliose über den Einsatz von EOS zur Reduzierung der Exposition nachgedacht werden.
Nicht unüblich sind bei Kindern in der Korsettversorgung 3 Aufnahmen innerhalb eines Jahres einschließlich einer Kontrolle im Korsett. Mit der konventionellen digitalen Radiographie summiert sich die Dosis eines Jahres auf ca. 200 +/- 70 uSv; mit EOS auf 7,5 +/- 1,5 uSv.
Bei Behandlungszeiträumen von nicht selten 7 bis 8 Jahren stehen in der Summe ca. 1,6 mSv mit DR etwa 0,06 mSv mit EOS gegenüber. Zum Vergleich: Die jährliche natürliche Strahlenexposition pro Jahr beträgt zwar etwas über 2 mSv, jedoch ohne besondere Exposition einzelner Organe. Bedenkt man eine Erhöhung des Krebsrisikos nach kardiologischen Interventionen bei üblicherweise älteren Patienten um 3 % / 10 mSv(4), dann ist bei Kindern auch eine lokale Exposition, die zu einer Dosis von 1,6 mSv führt, nicht zu vernachlässigen.
Sollte kein EOS-System zur Verfügung stehen, so sollte die Dosis in der DR-Aufnahme bei der Kontrolle immerhin soweit wie möglich reduziert werden. Wenn die Feindiagnostik keine Rolle spielt, genügen auch Aufnahmen mit erheblich reduziertem Signal-Rausch-Verhältnis.
(1) Knott et al. Multicenter Comparison of 3D Spinal Measurements Using Surface Topography With Those From Conventional Radiography. Spine Deform. 2016 Mar; 4(2):98-103. doi: 10.1016/j.jspd.2015.08.008. Epub 2016 Feb 2.
(2) Hui et al. Radiation dose of digital radiography (DR) versus micro-dose x-ray (EOS) on patients with adolescent idiopathic scoliosis: 2016 SOSORT- IRSSD “John Sevastic Award” Winner in Imaging Research. Scoliosis Spinal Disord. (2016) 2016Dec 29;11:46. doi: 10.1186/s13013-016-0106-7. eCollection 2016.
(3) Zarghooni et al. Die 3D-Röntgenvermessung der Wirbelsäule mittels EOS: Vorstellung, Möglichkeiten und Grenzen der neuartigen Technik im klinischen Alltag. Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie. Berlin, 25.-28.10.2011. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2011. DocPO11-1363
(4) Eisenberg et al. Cancer risk related to low-dose ionizing radiation from cardiac imaging in patients after acute myocardial infarction. (2011) CMAJ. 2011 Mar 8;183(4):430-6. doi: 10.1503/cmaj.100463. Epub 2011 Feb 7.
Hybrid-OPs und andere multifunktionale Arbeitsplätze
DIN SPEC 91422 gibt Hilfestellung von der Planung bis zum Betrieb
Die Komplexität medizinischer Systeme im Umfeld von chirurgischen Eingriffen nimmt auch aufgrund der Kombination spezifischer Bildgebung und minimalinvasiver Interventionen immer weiter zu. Das fordert nicht nur Geräte mit entsprechenden Schnittstellen und effiziente und sichere Prozesse, sondern auch Menschen, die für den Einsatz geschult sind – bspw. in Strahlenschutz und der Steuerung komplexer Bildgebung. Die DIN SPEC 19422 bietet Orientierung.
Unter Federführung von Prof. Oliver Meissner, Steinbeis-Transfer-Institut Medical Innovations and Management, und unter Beteiligung diverser Spezialisten, unter ihnen auch die ccm-Campus, entstand die DIN SPEC 91422 „Anforderungen an Planung und Sicherheit im multifunktionalen technologisierten Arbeitsumfeld chirurgischer Operationssaal“ (mOP oder Hybrid-OP). Planer und Nutzer erhalten mit dem Dokument einen Leitfaden, der sie dabei unterstützt, die Patientensicherheit und Mitarbeitergesundheit, eine verlässliche Qualität in Strahlenschutz, Hygiene und interdisziplinärer Teamarbeit sowie ein insgesamt effizientes und stabiles System zu gewährleisten.
Damit dies gelingt, beschreibt der Standard die notwendigen Planungsschritte sowie Standardprozesse, Rollen und Verantwortlichkeiten mit dem Ziel, die Auftretenswahrscheinlichkeit von Gefährdungssituationen vor, während und nach einer OP zu minimieren. Die Themen der SPEC reichen von der Forderung eines Betriebs- und Organisationskonzepts über Raum- und Geräteplanung bis zu Anforderungen an den Strahlenschutz und die Qualifizierung des Personals.
In Anbetracht der Komplexität und Interdisziplinarität des Systems „mOP“ mit spezifischen Anforderungen an die Teilsysteme, bietet das vorliegende Dokument die notwendige Strukturierung und dadurch eine gute Hilfestellung in jeder Phase von der Planung bis zum eingespielten Betrieb eines multifunktionalen OPs. Die DIN SPEC ist über den Beuth Verlag kostenlos verfügbar unter: https://www.beuth.de/de/technische-regel/din-spec-91422/322832939
Die Sachverständigenprüfung
Zum Schutz von Anwender, Patient, Umwelt und unbeteiligter Dritter
Bevor ionisierende Strahlen eingesetzt werden dürfen, müssen Anlage und Umfeld dahingehend überprüft werden, ob ein ausreichender Schutz für Mensch umd Umwelt gewährleistet ist. So muss bspw. sichergestellt sein, dass das Gerät regelhaft funktioniert, der bauliche Strahlenschutz tatsächlich zum gewünschten Schutz des Umfeldes führt oder die für Patienten und Anwender erforderlichen Strahlenschutzmittel vorhanden sind. Dies zu prüfen ist die Aufgabe des staatlich anerkannten Sachverständigen. Die Sachverständigenprüfung hat jedoch nicht nur einmal vor in Betriebnahme zu erfolgen, sondern alle 5 Jahre und immer dann, wenn eine wesentliche, den Strahlenschutz tangierende Änderung an der Anlage oder ihrem Umfeld vorgenommen wurde.
Aufgabe der Ärztlichen Stelle
Qualitätssicherung mit Beratungsfunktion
Die Ärztliche Stelle ist nicht nur eine strahlenschutzrechtlich geforderte Kontrollinstanz mit Sanktionierungsautorität. Was sie erfasst wird ausgewertet und die daraus gewonnenen Erkenntnisse fließen ganz im Sinne des aus dem Qualitätsmanagement bekannten Deming-Zyklus zurück. Dies gilt jedoch nicht nur allgemein, sondern auch individuell. Die Ärztliche Stelle hat die Pflicht Anwender dahingehend zu beraten, wie sie die Qualität verbessern und die Dosis reduzieren können. Ein Service, den es zu nutzen gilt.
Vom Pixel zum Bild
Lange Zeit wurden Röntgenbilder mit Hilfe von Filmen als analoge Bilder erstellt.
Über Jahrzehnte war es üblich, Filme zu belichten und zu entwickelt. Heute ist die Verwendung digitaler Techniken üblich. Dabei werden winzige Bildpunkte, die Pixel belichtet. Alle Pixel gemeinsam ergeben die Bildmatrix, mit der das gesamte Bild zur Darstellung kommt.
Je kleiner die Pixel, also die einzelnen Punkte eines Bildes, um so genauer kann die örtliche Bildauflösung, also die Darstellung kleinster Bilddetails ausfallen. Doch ist die Pixelgröße nicht allein entscheidend. Wichtig ist auch die Differenzierbarkeit unterschiedlicher Graustufen. Je mehr Graustufen unterschieden werden können, um so größer ist die Kontrastauflösung. Die Güte des Bildes wird durch beide Faktoren gemeinsam bestimmt.
Streuung und Raster
Streustrahlung ist nicht gewünscht, aber unvermeidbar. Sie gilt es, geschickt zu minimieren.
Physikalische Grundlage der Streuung ist der Comptoneffekt. Beim Comptoneffekt handelt es sich energetisch um eine Teilabsorption von Photonenenergie durch die bestrahlte Materie. Weil das Hüllenelektron beim Comptoneffekt nicht alle Energie aufnimmt, entsteht ein neues Photon geringerer Energie (und Wellenlänge). Da dieses gestreut ist, trägt es keine Information.
Treffen gestreute Photonen auf einen Detektor, so führen sie zu einer Erhöhung des Rauschens und mindern dadurch die Bildqualität.
Eine Reduzierung der Streuung im Entstehungsprozess ist möglich durch eine geschickte Wahl der Untersuchungsparameter und eine Reduzierung der Objektdicke. Nach der Entstehung kann die Streustrahlung nur noch durch den Einsatz des Streustrahlenrasters reduziert werden.
Speicherfolientechnik
Die Lumineszenz- oder Speicherfolientechnik ist ein Verfahren mit zweizeitiger Bildentstehung.
Die Speicherfolientechnik unterscheidet sich äußerlich nicht von der Film-Folien-Technologie. Der Unterschied steckt in der Röntgenkassette: Statt Film und Verstärkerfolie wird eine Speicherfolie eingesetzt.
Speicherfolien sind mit einem Lumineszenzmaterial beschichtet. Am Lumineszenzmaterial setzen die Röntgenphotonen an. Bei der Absorption geben sie ihre Energie ab und heben damit Elektronen des Lumineszenzmaterials auf ein höheres Energieniveau.
Wird die Kassette in das Auslesegerät, den Reader geführt, dann wird die Speicherfolie mit einem sehr dünnen, punktförmigen Laserstrahl Zeile für Zeile, Bildpunkt für Bildpunkt angeregt. Hierbei gibt die Lumineszenzfolie punktuell Licht ab, das in seiner Intensität der zuvor aufgetroffenen Dosis ionisierender Strahlung entspricht. Alle Bildpunkte gemeinsam ergeben das Röntgenbild.
Röntgenröhre
Vakuum und beschleunigte Elektronen – und am Ende entsteht Röntgenstrahlung
Die Röntgenröhre ist eine vakumierte Röhre, in der sich Kathode und Anode gegenübestehen. An dieser grundsätzlichen Bauweise hat sich im wesentlichen über viele Jahre nichts geändert. Allerdings gibt es spezifische Bauweisen, die besonderen Anforderungen gerecht werden sollen. So müssen Hochleistungsröhren lange eingeschaltet werden können und eine hohe Belastung auf einem kleinen Fokus aushalten, ohne dass die Anodenoberfläche schmilzt. Hochleistungsröhren werden bspw. bei der Computertomographie und bei der Koronarangiographie benötigt. Dentalröntgenanlagen benötigen hingegen Röhren einer nur geringen Belastbarkeit.
Radiologie allgemein
Die Radiologie ist ein faszinierendes und breites Fach der Bildgebung – und der bildgestützten Therapie.
Die Radiologie begann zu Zeiten Wilhelm Conrad Röntgens mit der Leuchtschirmradiographie. Selbst wenn keine dynamische Darstellung beweglicher Strukturen erforderlich war, wurden Leuchtschirme eingesetzt, weil Bilderzeugung und -betrachtung so sehr einfach zu realisieren waren.
Später kam das Röntgen mit Filmen hinzu, während zugleich auch die Bedeutung der Durchleuchtung mit dem Einsatz von Kontrastmitteln wuchs.
Der Computertomograph war Anfang der 1970er Jahre das erste Röntgensystem, mit dem digitale Bilder erzeugt wurden. Es folgten die Digitale Subtraktionsangiographie und später digitale Detektorsysteme – zunächst für das konventionelle Röntgen und dann auch für Durchleuchtungsanlagen.
Heute umfasst das Fach der Radiologie nicht mehr nur die Bildgebung mit ionisierenden Strahlen. Ultraschall und Kernspintomographie sowie interventionelle, therapeutisch ausgerichtete Maßnahmen sind fest etabliert.
Schon seit den Anfängen der bildgebenden Diagnostik ist die Radiologie nicht nur in den Händen der Radiologen. Doch gerade im Hinblick auf minimalinvasive Therapieverfahren verschwimmen alte Fachgebietsgrenzen mehr und mehr.
Micro-dose mit EOS – Röntgenaufnahmen bei der Skoliosetherapie
Gerade bei Kindern mit idiopathischer Skoliose ist im Rahmen der Korsettversorgung die wiederholte Bildgebung erforderlich. Mit EOS steht ein Verfahren zur Anfertigung von Röntgenscanns der Wirbelsäule in 2 Ebenen zur Verfügung, mit dem einer Studie zufolge die effektive Dosis um über 95 % reduziert werden kann. Sollte EOS nicht zur Verfügung stehen, sollte bei konventionellen Systemen kritisch geprüft werden, wie weit zur ausschließlichen Kontrolle des Skolioseverlaufs auf Bildqualität verzichtet und die Dosis reduziert werden kann.
Goldstandard für die Diagnose und die Vermessung der idiopathischen Skoliose bei Kindern ist die Bestimmung des Cobb-Winkels, der die seitliche Ausbiegung der Wirbelsäule wiederspiegelt.
Je nach Typ der Skoliose und ggf. zusätzlicher Torsion und Hyperkyphose erfolgt ab etwa 20 Grad eine Korsettversorgung.
Bereits im Rahmen der initialen Diagnostik und dann im weiteren Verlauf der Therapie und der Therapiekontrolle ist die Überprüfung der Wirbelsäulenkrümmung erforderlich. Zwar gibt es optische Systeme zur 3D-Wirbelsäulenvermessung, die sich an definierten Punkten der Körperoberfläche (Oberflächentopographie) orientieren, doch können in der Darstellung erhebliche Abweichungen zur tatsächlichen Form der Wirbelsäule entstehen. In einer Studie von Knott et al. wurde ein durchschnittlicher Unterschied im Krümmungsgrad von 5,8 Grad im Bereich der Brustwirbelsäule und von 8,8 Grad im Bereich der Lendenwirbelsäule zwischen der oberflächengestützten Cobb-Winkel-Schätzung und der radiographischen Messung festgestellt(1).
Eine Haltungsüberprüfung im Korsett ist im Übrigen nur radiologisch möglich. Sie ist wichtig, um das Ansprechen der Wirbelsäule auf den äußeren Druck und somit die reale Wirkung der Korsettversorgung kontrollieren zu können.
Problematisch bei der Röntgenaufnahme der Wirbelsäule und des Beckens ist die Exposition von weiten Teilen des roten Knochenmarks in Sternum, Wirbelsäule und Beckenskelett und – gerade bei weiblichen Patienten – die Exposition der Brustdrüse und der Ovarien. Diese sind gerade bei Heranwachsenden bedeutsam. In den Empfehlungen der Strahlenschutzkommission wird von einem 3 bis 4fach höheren Strahlenrisiko bei Kindern gegenüber Erwachsenen ausgegangen, weshalb gerade bei ihnen über Möglichkeiten der Dosiseinsparung nachzudenken ist.
In einer Studie von Hui et al. aus dem Jahre 2016(2) wurde die Dosis der Untersuchung mit dem EOS-System und einem standardmäßigen digitalradiographischem System (DR) verglichen. Mittels Thermolumineszenzdetektoren (TLD´s) wurden in drei Regionen (Strenumoberrand, Mitte zwischen den Brustwarzen, Symphyse) die Eintrittsdosis gemessen. Mit dem Dosisanalyseprogramm PCXMC 2.0 wurden anschließend die effektive Dosis sowie die Organdosen der Schilddrüse, der Lunge und der Gonaden kalkuliert.
Wie bereits in der Studie von Zarghooni et al. aus dem Jahre 2011(3) zeigt sich auch in der Studie von Hui aus dem Jahre 2016 ein deutlicher Dosisunterschied der Verfahren. Die effektive Dosis belief sich mit EOS auf 2,6 +/- 0,5 uSv, die mit DR auf 67,5 +/- 23,3 uSv. Mit dem EOS ist die effektive Dosis demnach um mehr als 95 % reduziert und auch die Organdosen sind erheblich geringer als mit DR. Bei weiblichen Patienten ist die Dosis bei beiden Verfahren am höchsten mit folglich stärkster Reduzierung der absoluten Dosis bei diesem Klientel.
Es sollte also gerade bei notwendigen rezidivierenden Aufnahmen der Wirbelsäule vor allem bei Kindern mit idiopathischer Skoliose über den Einsatz von EOS zur Reduzierung der Exposition nachgedacht werden.
Nicht unüblich sind bei Kindern in der Korsettversorgung 3 Aufnahmen innerhalb eines Jahres einschließlich einer Kontrolle im Korsett. Mit der konventionellen digitalen Radiographie summiert sich die Dosis eines Jahres auf ca. 200 +/- 70 uSv; mit EOS auf 7,5 +/- 1,5 uSv.
Bei Behandlungszeiträumen von nicht selten 7 bis 8 Jahren stehen in der Summe ca. 1,6 mSv mit DR etwa 0,06 mSv mit EOS gegenüber. Zum Vergleich: Die jährliche natürliche Strahlenexposition pro Jahr beträgt zwar etwas über 2 mSv, jedoch ohne besondere Exposition einzelner Organe. Bedenkt man eine Erhöhung des Krebsrisikos nach kardiologischen Interventionen bei üblicherweise älteren Patienten um 3 % / 10 mSv(4), dann ist bei Kindern auch eine lokale Exposition, die zu einer Dosis von 1,6 mSv führt, nicht zu vernachlässigen.
Sollte kein EOS-System zur Verfügung stehen, so sollte die Dosis in der DR-Aufnahme bei der Kontrolle immerhin soweit wie möglich reduziert werden. Wenn die Feindiagnostik keine Rolle spielt, genügen auch Aufnahmen mit erheblich reduziertem Signal-Rausch-Verhältnis.
(1) Knott et al. Multicenter Comparison of 3D Spinal Measurements Using Surface Topography With Those From Conventional Radiography. Spine Deform. 2016 Mar; 4(2):98-103. doi: 10.1016/j.jspd.2015.08.008. Epub 2016 Feb 2.
(2) Hui et al. Radiation dose of digital radiography (DR) versus micro-dose x-ray (EOS) on patients with adolescent idiopathic scoliosis: 2016 SOSORT- IRSSD “John Sevastic Award” Winner in Imaging Research. Scoliosis Spinal Disord. (2016) 2016Dec 29;11:46. doi: 10.1186/s13013-016-0106-7. eCollection 2016.
(3) Zarghooni et al. Die 3D-Röntgenvermessung der Wirbelsäule mittels EOS: Vorstellung, Möglichkeiten und Grenzen der neuartigen Technik im klinischen Alltag. Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie. Berlin, 25.-28.10.2011. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2011. DocPO11-1363
(4) Eisenberg et al. Cancer risk related to low-dose ionizing radiation from cardiac imaging in patients after acute myocardial infarction. (2011) CMAJ. 2011 Mar 8;183(4):430-6. doi: 10.1503/cmaj.100463. Epub 2011 Feb 7.
kV und Absorption
Die Absorption ist nicht unwesentlich von der Qualität der Röntgenstrahlung abhängig.
Die Absorption von Röntgenstrahlung erfolgt über den Photoeffekt. Dabei geht die Energie eines Photons komplett in einem Hüllenelektron auf. Dadurch wird die Bindungs- oder Ionisationsenergie des Elektrons überschritten und es verläßt das Atom (Ionisation).
Je höher die Röhrenspannung und folglich die am Generator eingestellt kV (Kilovolt), um so kurzwelliger und härter ist die Röntgenstrahlung. Mit geringerer kV ist die Röntgenstrahlung langwelliger und weicher.
Weiche Strahlung wird von Gewebe grundsätzlich eher absorbiert, als harte Strahlung. Zusätzlich ist das Maß der Absorption bei sonst gleichen Rahmenbedingungen von der Ordnungszahl des Materials abhängig. Material höherer Ordnungszahl absorbiert besser, als Material geringerer Ordnungszahl. Im Bild führt weichere Strahlung gerade bei Strukturen geringerer Ordnungszahl deshalb zu einem besseren Kontrast.