Medizintechnik – Diagnose und Therapie

Medizintechnik – Diagnose und Therapie Im Wesentlichen zwei Dinge werden von einem Arzt oder einer Ärztin erwartet – sie sollen erkennen, an welcher Krankheit der Patient leidet, also eine Diagnose stellen, und anschließend soll die Krankheit geheilt werden, indem die passende Therapie angewendet wird. Bis ins letzte Jahrhundert hinein musste sich ein Arzt beim Stellen einer Diagnose auf seine eigenen Sinnesorgane verlassen – er konnte zum Beispiel Haut und Aussehen des Patienten anschauen, Atemgeräusche oder den Herzschlag abhören, den Pulsschlag oder Schwellungen konnte er fühlen. Heute bietet die moderne Technik vielfältige Möglichkeiten, die ärztliche Wahrnehmung zu erweitern: Sie erlaubt es, quasi direkt in einen Patienten hineinzusehen – mit Röntgenstrahlen, Ultraschall oder anderen bildgebenden Verfahren. Damit entstehen ganz neue Diagnosemöglichkeiten. Beispielsweise lassen sich bei einer Vorsorgeuntersuchung heute auch ganz kleine Tumore finden, noch bevor der Patient Symptome spürt – wodurch sich die Heilungschancen deutlich erhöhen. Selbst Denkprozesse im lebenden Gehirn lassen sich heute bildlich darstellen. Auch bei der Therapie blieb ein Arzt früher auf einfache Hilfsmittel beschränkt. Musste der klassische Pirat noch mit einem Holzbein und einem Haken vorlieb nehmen, wird heute an Prothesen geforscht, die die Nervenfunktionen Querschnittgelähmter übernehmen sollen. Nicht nur Zähne lassen sich ersetzen, auch an künstlichen Herzen wird geforscht. Wichtig beim Einsatz der modernen Medizintechnik ist es, Vertrauen zwischen Arzt und Patient zu schaffen. Nur dann lassen sich die technischen Möglichkeiten nutzen, ohne den Menschen aus den Augen zu verlieren. Und sicher sollte man auch die verschiedenen Ansätze alternativer Heilberufe berücksichtigen, die den Menschen als Ganzheit aus Körper und Seele betrachten. Der menschliche Körper: Ein Wunderwerk der Natur Was ermöglichen Gelenke? Gelenke sitzen an den Stellen, an denen Knochen gegeneinander bewegt werden, und bilden eine bewegliche Verbindung zwischen den verschiedenen Knochen. Die Bewegungsmöglichkeiten eines Gelenks werden von der Form des Gelenkkopfs und der Gelenkpfanne bestimmt. Scharniergelenke wie das Kniegelenk erlauben nur die Bewegung in eine Richtung. Sattelgelenke, z. B. das Gelenk zwischen dem Mittelhandknochen und dem Handwurzelknochen des Daumens, bieten dagegen Bewegungsfreiheit in zwei Richtungen. Schulter- und Hüftgelenk lassen sich als Kugelgelenke nach allen Seiten bewegen. Bei Drehgelenken dreht sich ein Knochen um den Zapfen eines anderen Knochens. Was ist bei allen Gelenken gleich? Der Aufbau. Wenn sie auch, durch ihre Funktion bedingt, unterschiedliche Formen haben, zeigen doch alle Gelenke einen vergleichbaren Aufbau: Ein verdickter Gelenkkopf sitzt in einer Gelenkpfanne. Beide sind durch einen Gelenkspalt voneinander getrennt. Die Oberflächen von Gelenkkopf und Gelenkpfanne sind mit Gelenkknorpel überzogen. Er vermindert die Reibung und dient als Stoßdämpfer. Das ganze Gelenk ist von der Gelenkkapsel umschlossen. Sie sondert die Gelenkschmiere ab, eine schleimige Masse, die den Gelenkspalt ausfüllt und als Gleitmittel dient. Außerdem sorgt sie für die Ernährung des Gelenkknorpels, der nicht von Blutgefäßen durchzogen ist. Bewegt sich die Lunge von selbst? Nein, denn die Lunge verfügt über keine eigenen Muskeln. Sowohl bei der Bauch- oder Zwerchfellatmung als auch bei der Brustatmung bewirken die umgebenden Muskeln, dass sich die Lunge dehnt und zusammenpresst. Bei der Bauchatmung spannen sich die Muskeln des Zwerchfells an, das dabei nach unten gezogen wird. Dadurch vergrößert sich der Brustraum, und die Luft wird wie bei einem Blasebalg durch Unterdruck in die Lungen gesaugt. Entspannen sich die Muskeln des Zwerchfells, wölbt es sich wieder nach oben. Der Brustraum wird kleiner und presst so die Luft aus den Lungen heraus. Die Brustatmung wird besonders nach körperlicher Anstrengung deutlich, wenn sich der Brustkorb kräftig hebt und senkt. Beim Einatmen heben die Zwischenrippenmuskeln den Brustraum an, indem sie sich anspannen, und vergrößern so seinen Innenraum. Erschlaffen die Muskeln, senkt sich der Brustkorb, verengt sich dabei und presst die Luft aus den Lungen. Wie unterscheiden sich Sprinter und Langstreckenläufer? Unter anderem durch den Aufbau ihrer Muskulatur. Aber die Frage, ob jemand eher für Ausdauersportarten oder eher für Sprintsportarten geeignet ist, scheint auch genetisch bedingt. Bei den Muskelfasern der Skelettmuskulatur existieren nämlich schnelle FT-Fasern (Fast Twitch) und langsame ST-Fasern (Slow Twitch). Die FT-Fasern sind reich an Adenosintriphosphat (ATP), Kreatinphosphat und Glykogen und enthalten viele Enzyme der Glykolyse. Sie sind damit besonders geeignet, schnelle Bewegungen auszuführen. Die langsamen ST-Fasern haben mehr Mitochondrien und Myoglobin sowie Enzyme für den aeroben Stoffwechsel. Sie werden bei Dauerleistungen aktiv. Beide Fasertypen finden sich in jedem Muskel, ihr Mengenverhältnis kann allerdings durch Training fast nicht verändert werden, denn es ist genetisch festgelegt. Wie entsteht der Herzschlag? Durch rhythmisches Zusammenziehen und Ausdehnen der vier Herzkammern. In der Ansaugphase, der Diastole, wird sauerstoffarmes Blut aus der Hohlvene in den rechten Herzvorhof gesaugt. Gleichzeitig fließt sauerstoffreiches Blut aus den Lungenvenen in den linken Herzvorhof. Die Segelklappen zwischen Vorhöfen und Herzkammern sind in dieser Phase geschlossen. Fällt der Druck in den Herzkammern unter den Druck in den Vorhöfen, öffnen sich die Segelklappen und das Blut kann in die Kammern strömen. Die Vorhöfe unterstützen diesen Vorgang, der als Vorhofsystole bezeichnet wird, indem sie sich zusammenziehen. Nun beginnen sich die Muskeln der Herzkammern anzuspannen. Dadurch blähen sich die Trikuspidalklappe auf der rechten und die Mitralklappe auf der linken Herzseite wie Segel auf und verschließen die Öffnungen zu den Vorhöfen. Da das Blut nun keine Ausweichmöglichkeit mehr hat, steigt der Druck im Innern der beiden Herzkammern. Wird er größer als der Druck in den Schlagadern, öffnen sich die Taschenklappen und das sauerstoffreiche Blut wird aus der linken Herzkammer in die Aorta gepumpt, während das sauerstoffarme Blut aus der rechten Herzkammer in die Lungenarterie gepresst wird. Danach schließen sich Trikuspidalklappe und Mitralklappe wieder, so dass das Blut nicht mehr in die Herzkammern zurückfließen kann. Ist der Herzschlag immer gleich? Nein, bei leichter Tätigkeit schlägt das Herz eines gesunden Erwachsenen etwa 60- bis 70-mal pro Minute, bei körperlicher Anstrengung oder seelischer Erregung aber erheblich öfter – kurzzeitig noch verträgliche Spitzenwerte sind 180–190 Schläge in der Minute. Auch Krankheiten können die Herzfrequenz oder sogar den Herzrhythmus stören. Was bewirken die Nieren? Sie sorgen dafür, dass die wasserlöslichen, zum Teil giftigen Abfallstoffe den Körper mit dem Harn verlassen. Die Bildung des Harns beginnt in den Nierenkörperchen, Knäueln feinster Blutgefäße und Bindegewebe, die sich in der Nierenrinde befinden. Da deren abführende Gefäße enger sind als die zuführenden, staut sich das Blut. Damit erhöht sich der Blutdruck und presst Blutflüssigkeit durch winzige Poren in den Nierenzellen. Blutzellen und Eiweißstoffe werden aufgrund ihrer Größe von den Poren zurückgehalten, Wasser und die darin gelösten Stoffe treten jedoch ungehindert hindurch. Sie sammeln sich als sog. Primärharn. Der Primärharn enthält nicht nur die giftigen Abbauprodukte, sondern auch für den Körper wertvolle Substanzen wie Glucose, Kochsalz und Wasser. Diese werden dem Primärharn auf seinem langen Weg durch die Nieren zum größten Teil entzogen und dem Blut wieder zugeführt. Über diesen Prozess regulieren die Nieren also auch den Wasser- und Salzhaushalt des Körpers. Übrig bleibt schließlich der Endharn, der vor allem aus Wasser und Harnstoff, wenig Harnsäure und Kochsalz besteht. Er wird in der Blase gesammelt und als Urin ausgeschieden. Wieso braucht man im Alter eine Brille? Weil die Elastizität der Augenlinse mit dem Alter abnimmt. Das heißt, dass sich die Linse bei der Naheinstellung nicht mehr stark genug wölben kann, um ein Objekt in dieser Entfernung noch scharf auf der Netzhaut abzubilden. Diese sog. Altersweitsichtigkeit kann durch eine Brille behoben werden, deren Gläser als Sammellinsen die schwächer gewordene Brechkraft der Augenlinse ausgleichen. Während ein 20-Jähriger ein zehn Zentimeter weit entferntes Objekt gerade noch scharf sehen kann, erhöht sich dieser Mindestabstand bei einem 50-Jährigen bereits auf etwa 44 bis 45 Zentimeter. Weshalb lässt das Hörvermögen im Alter nach? Weil die Elastizität der Basilarmembran, die in der Hörschnecke sitzt und für den Hörvorgang eine wichtige Rolle spielt, geringer wird. Dabei leidet mit zunehmendem Alter vor allem die Wahrnehmung hoher Töne. Die tiefste Frequenz, die ein Mensch hören kann, liegt bei etwa 16 Hertz. Die obere Hörgrenze hängt stark vom Alter ab: Während sie bei Kindern rund 21 000 Hertz beträgt, sinkt sie bis zum Alter von 35 Jahren auf etwa 15 000 Hertz und bewegt sich bei sehr alten Menschen nur noch bei rund 5000 Hertz. Aber auch in jungen Jahren kann das Gehör bereits geschädigt werden, etwa durch zu laute Musik oder den Lärm des Straßenverkehrs. Besonders ständiger Lärm kann auf lange Sicht seelische und körperliche Störungen verursachen. Weshalb kann man scharf sehen? Weil sich die Augenlinse verformen kann. Diese Fähigkeit des menschlichen Auges, sich auf unterschiedliche Entfernungen einzustellen, wird als Akkommodation (Anpassung) bezeichnet. Sie wird durch elastische Linsenbänder hervorgerufen, die am ringförmigen Ziliarmuskel befestigt sind. Zieht sich dieser Muskel zusammen, lockern sich die Bänder und die Linse wölbt sich stärker. Diese Krümmung vergrößert die Brechkraft der Linse, so dass ein naher Gegenstand auf der Netzhaut scharf abgebildet wird. Bei dieser Naheinstellung werden Objekte in der Ferne nur unscharf wahrgenommen. Fixiert das Auge dagegen einen Gegenstand in der Ferne, erschlafft der Ziliarmuskel. Dadurch werden die Linsenbänder angespannt. Sie ziehen die Linse auseinander, so dass sie größer und flacher wird. Infolge der geringeren Lichtbrechung wird das weiter entfernte Objekt auf der Netzhaut scharf abgebildet, während der Vordergrund unscharf bleibt. Macht ein schweres Gehirn intelligent? Nein, die Intelligenz hängt von der Größe der Großhirnrinde ab, da die Zahl ihrer Nervenzellen über die geistige Leistungsfähigkeit entscheidet, welche mit zunehmender Größe der Hirnrinde ansteigt. Beim Menschen enthält die Großhirnrinde zahlreiche Furchen und Windungen. Sie erreicht eine Fläche von rund 1000 cm² und besteht aus drei Hauptrindenfeldern: den sensorischen Rindenfeldern, den motorischen Rindenfeldern und den mehr als 75 % der Großhirnrinde beanspruchenden Assoziationsfeldern. In diesen Regionen werden die Erinnerungen gespeichert. Warum fällt die Lunge nicht zusammen? Weil bei jeder Atembewegung ein kleiner Luftrest zurückbleibt, der dafür sorgt, dass die Lunge nicht völlig leergepumpt wird. Wäre dies nicht der Fall, würden die Lungenbläschen sich berühren und zusammenkleben. Die Lunge könnte sich dann nicht mehr bewegen und es bestünde Erstickungsgefahr. Das Problem tritt z. B. bei Verletzungen auf, in denen die Lunge durchbohrt wird oder reißt. Wussten Sie, dass … Knochen unterschiedliche Formen haben? Es gibt lang gestreckte Röhrenknochen, kurze Knochen wie Handwurzelknochen und flache Knochen wie Schulterblatt und Brustbein. es gesünder ist, durch die Nase zu atmen? Sie gibt ständig Wasserdampf ab, der die Atemluft anfeuchtet. Wussten Sie, dass … die Nieren täglich rund 50 Gramm an Giftstoffen aus dem Blut filtern? die Pupille regelt, wie viel Licht in das Auge fällt? Bei zunehmender Helligkeit verengt sie sich bis auf zwei Millimeter, bei abnehmender Helligkeit kann sie eine Größe von acht Millimetern erreichen. rechte und linke Herzkammer unterschiedlich dicke Wände haben? Die linke Herzkammer muss das Blut durch den ganzen Körper befördern und daher einem höheren Druck standhalten. Diagnosetechnik: Der Blick in den Körper Weshalb liefern Röntgenstrahlen Bilder des Körperinneren? Weil sie von den unterschiedlich dicken (und dichten) Geweben unterschiedlich stark absorbiert werden. Röntgenstrahlen durchdringen zwar organisches Gewebe, werden aber unterschiedlich stark geschwächt, abhängig von der Dichte des Gewebes. Befindet sich der Patient zwischen der Röntgenquelle und einem Röntgenfilm, dann treffen die Strahlen den Film mit unterschiedlicher Intensität, je nachdem, wie stark sie von den Organen des Patienten absorbiert wurden. Auf dem entwickelten Röntgenfilm zeigt sich das in unterschiedlicher Schwärzung: Knochen absorbieren mehr Strahlung als das umliegende Körpergewebe, daher sind sie auf den Aufnahmen als helle Schemen zu erkennen. Nebeneinander liegende innere Organe sind auf einem Röntgenbild aber nur schlecht zu unterscheiden. Man kann den Kontrast künstlich verstärken. Hohlorgane lassen sich beispielsweise durch eingelassene Luft oder Kohlendioxid sichtbar machen, da diese Gase Röntgenstrahlung kaum absorbieren und daher dunkel auf dem Röntgenbild erscheinen. In Arterien, Magen oder Darm werden hingegen Kontrastmittel eingebracht, welche die Röntgenstrahlen gut absorbieren. Daher erscheinen solche Körperregionen als helle Flächen auf den Bildern. Was ist Computertomographie? Ein Diagnoseverfahren, das als Weiterentwicklung des Röntgens entstand. Bei der Computertomographie, auch kurz CT genannt, rotieren Röntgenquelle und Detektor um den Patienten und nehmen dabei mehrere hundert Schnittbilder auf. Daraus lässt sich im Computer ein kontrastreiches dreidimensionales Bild des Körperinneren errechnen. Der Vorteil dieses bildgebenden Verfahrens liegt in der geringeren Strahlenbelastung als beim klassischen Röntgen. Nachteil ist der hohe Geräte- und Rechenaufwand, mit dem die Messungen durchgeführt und ausgewertet werden müssen. Warum sind Röntgenstrahlen schädlich? Röntgenstrahlen gehören zu den ionisierenden Strahlen. Sie können also Gewebezellen nicht nur durchdringen, sondern auch beschädigen. Bei einer Überdosis besteht sogar die Gefahr, dass sie Tumore verursachen. Die Belastung durch medizinische Röntgenaufnahmen ist jedoch zu gering, als dass ein Zusammenhang mit Krebserkrankungen nachweisbar wäre. Beispielsweise erhält der Körper bei einer Zahnaufnahme eine Strahlungsdosis von 0,01 Millisievert (mSv), bei einer Mammographie etwa 0,5 mSv und bei einer Aufnahme des Darms 17 mSv. Die mittlere Belastung eines Menschen durch die Röntgendiagnostik liegt bei einer effektiven Dosis von 1,5 mSv pro Jahr. Zum Vergleich: Die Belastung aus natürlichen Quellen beträgt im Mittel 2,4 mSv. Wie funktioniert die Magnetresonanzspektroskopie? Grundlage dieses Verfahrens sind die magnetischen Eigenschaften der Wasserstoff-Atomkerne im Körper. Vorteilhaft ist dabei, dass Wasserstoff in allen organischen Verbindungen – und damit in allen Teilen des Körpers – enthalten ist. Bei der Untersuchung wird der Patient zunächst in ein starkes Magnetfeld geschoben, das für den Körper unschädlich ist. Allerdings reagieren die Wasserstoffkerne nun wie kleine Magnete und richten sich teilweise parallel zur Feldrichtung aus. Im nächsten Schritt wird der Patient kurzzeitig einer Radiowelle ausgesetzt. Hat diese Welle eine ganz bestimmte Frequenz, dann geraten die ausgerichteten Wasserstoffkerne in Resonanz und kippen dadurch teilweise in die entgegengesetzte Richtung um. Damit ändert sich die Nettomagnetisierung des Körpers. Wird die Radiowelle abgeschaltet, richten sich die Kerne nach und nach wieder am Magnetfeld aus. Dabei strahlen sie ihrerseits ein elektromagnetisches Signal ab. Die Stärke dieses Signals und die Zeit, bis es abgeebbt ist, werden nun gemessen. Je nachdem, welche der beiden Parameter man zur Darstellung wählt, gewinnt man differenzierte Bilder mit einem jeweils unterschiedlichen Informationsgehalt. Welche Organe kann man mit Ultraschall untersuchen? Nur solche, die nicht durch Knochen verdeckt werden, z. B. im Bauchraum, da Knochen den Schall schlecht leiten. Denn Ultraschall arbeitet mit Schallwellen. Diese mechanischen Wellen erstrecken sich über den Frequenzbereich von einem Hertz bis zu über 100 Megahertz. Für das menschliche Ohr hörbar ist nur der Bereich von einigen Hertz bis etwa 20 Kilohertz, die höheren Frequenzen bezeichnet man als Ultraschall. Die Ausbreitung von Schallwellen wird von dem Material, das die Wellen durchlaufen, beeinflusst, d. h., sie werden unterschiedlich reflektiert. Flüssigkeiten wie beispielsweise Blut lassen dabei einen höheren Anteil an Schallwellen passieren als feste Materialien. Liegt nun ein Organ hinter einem Knochen, kann der Ultraschall nicht bis zu ihm vordringen, da er bereits von der Knochenoberfläche zurückgestrahlt wird. Wie wird ein Ultraschallbild erzeugt? Bei einer Ultraschalluntersuchung sendet der Ultraschallkopf Schallwellen in den Körper und misst die Zeit, bis das an einer Oberfläche reflektierte Signal zurückkommt. Da die Schallgeschwindigkeit in dem betreffenden Gewebe bekannt ist, kann das Gerät berechnen, wo sich ein Organ oder Tumor befindet. Jede eingestrahlte Ultraschallwelle erzeugt dabei mehrere reflektierte Wellen beim Ultraschallempfänger. Diese Signale werden nebeneinander als Bildpunkte dargestellt, entsprechend ihrer Intensität mehr oder weniger hell. Indem der Arzt die Messung etwas versetzt zur ersten wiederholt, entsteht ein Schnittbild durch ein Organ oder einen Tumor. Verschiebt er den Ultraschallkopf schnell genug, ist es sogar möglich, Bewegungen zu sehen – beispielsweise das Schlagen des Herzens. Parallele Aufnahmen von solchen Schnittbildern liefern ein dreidimensionales Bild eines Organs. Welche Diagnosemethoden arbeiten ebenfalls mit Strahlung? Beispielsweise die nuklearmedizinischen Diagnoseverfahren, bei denen die Strahlenquelle in das Körperinnere gebracht wird. Dabei werden dem Patienten Radiopharmaka verabreicht, also Stoffe, die im Stoffwechsel bestimmter Organe eine Rolle spielen, aber so verändert wurden, dass sie ein kurzlebiges radioaktives Element enthalten. Die Strahlung, die dieses Element aussendet, wird außerhalb des Körpers gemessen. Mit den Ergebnissen lassen sich Aussagen treffen über Ablauf oder Störungen des Stoffwechsels und damit über die Funktionsfähigkeit des Organs. Eingesetzt wird diese Untersuchungsmethode beispielsweise bei Schilddrüsenerkrankungen. Der Patient erhält ein mit Technetium markiertes Medikament, das vom Körper ähnlich verarbeitet wird wie Iod, ein Element, das für die Funktion der Schilddrüse wichtig ist. Nur die funktionierenden Teile der Schilddrüse nehmen Iod auf – und damit auch das Medikament. Misst man die abgegebene Strahlung, lassen sich kranke Bereiche der Schilddrüse eindeutig identifizieren. Was sind »künstliche« Antikörper? Es sind Antikörper, die unter Zuhilfenahme von Krebszellen im Labor gezüchtet werden. Im Unterschied zu »natürlichen«, vom Immunsystem erzeugten Antikörpern reagieren sie nur auf eine einzige körperfremde Substanz (Antigen) und werden deshalb auch als monoklonale Antikörper bezeichnet. Entwickelt wurde das Herstellungsverfahren von dem Deutschen Georges Köhler (1946–1995) und dem aus Argentinien stammenden Briten César Milstein (1927–2002); beide wurden für diese bahnbrechende Leistung 1984 mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin ausgezeichnet. Kernidee des Verfahrens ist, B-Zellen (die natürliche Antikörper produzieren) mit Tumorzellen zu sog. Hybridomzellen zu verschmelzen (lat. hybrida, »Mischling«). Diese sind einerseits unbegrenzt teilungsfähig, andererseits produzieren sie wie normale B-Zellen Antikörper. Man muss nun lediglich die Kulturflüssigkeit der Hybridomzellen so stark verdünnen, dass auf jede kultivierte Schale nur eine einzige Zelle kommt. Deren Nachkommen sind erbgleich (also »geklont«) und stellen damit bei geeigneten Wachstumsbedingungen beliebige Mengen des gewünschten Antikörpers her. Wo werden monoklonale Antikörper eingesetzt? Ein wichtiges Einsatzgebiet ist die medizinische Diagnostik, also der Nachweis von Krankheitserregern wie Röteln- oder Herpes-Viren oder auch des Aids-Erregers HIV. Für die Wissenschaft vielleicht am interessantesten sind monoklonale Antikörper als sog. Leuchtmarker: Stattet man sie nämlich mit radioaktiven Atomen oder fluoreszierenden Gruppen aus, so lassen sich ihre Antigene in einer Gewebeprobe unmittelbar sichtbar machen – ein Hilfsmittel, das für den untersuchenden Mediziner von unschätzbarem Wert ist. Ein vielversprechender Ansatz ist auch der Einsatz monoklonaler Antikörper in der Krebstherapie, der allerdings noch in den Kinderschuhen steckt. Ziel ist die Entwicklung von maßgeschneiderten Antikörpern, die Tumorzellen entweder selbst zerstören (indem sie mit einem Zellgift gekoppelt werden) oder aber die Zerstörung durch andere Moleküle befördern (ähnlich wie im natürlichen Immunsystem). Das Hauptproblem besteht darin, dass die meisten Antigene, die Krebszellen tragen, auch auf gesunden Zellen vorkommen, die damit ebenfalls angegriffen würden. Wilhelm Conrad Röntgen – ein Entdecker durch Zufall? Ja, denn Röntgen befasste sich 1895, dem Jahr, in dem er die nach ihm benannte Strahlung entdeckte, mit Gasentladungsröhren (die mit den heute bekannten Leuchtstoffröhren verwandt sind). Bei der Durchführung eines Experiments fiel ihm zufällig auf, dass eine mit fluoreszierendem Material beschichtete Fläche aufleuchtete, obwohl sie von der Gasentladung abgeschirmt war. Seiner Ansicht nach musste also dabei eine unsichtbare Strahlung entstanden sein, die den Schirm durchdringen konnte. Röntgen selbst nannte diese Strahlung »X-Strahlen« und untersuchte mögliche Anwendungen. Dabei gelangen ihm die ersten Röntgenaufnahmen von Teilen des menschlichen Körpers, auf denen die Knochen zu erkennen waren. Wussten Sie, dass … mit der Magnetresonanztomographie auch Hirnfunktionen untersucht werden können? Weil Gehirnaktivität immer mit dem Transport von Molekülen verbunden ist, die sich am Magnetfeld orientieren, geben aktive Hirnregionen ein stärkeres Signal ab als inaktive. es in Remscheid ein Röntgen-Museum gibt? Unter anderem kann man in einem Experimentallabor etwa 30 Versuche aus den Grundlagengebieten der Physik und der Technik selbst durchführen. Lassen sich elektrische Spannungen zur Diagnose einsetzen? Ja, u. a. bei der Elektroenzephalographie (EEG) und der Elektrokardiographie (EKG). Die Methoden basieren auf der Tatsache, dass bei allen Lebensvorgängen im Körper elektrische Spannungen entstehen. Bei einem Elektrokardiogramm werden die Spannungen gemessen, die den Herzmuskel zu Kontraktionen anregen. Aufgrund der guten Leitfähigkeit des Körpers sind diese Spannungen noch an der Hautoberfläche messbar. Die Form des aufgefangenen Signals verrät, ob Herzrhythmusstörungen oder ein Herzinfarkt vorliegen. Bei der Elektroenzephalographie dagegen werden die Ströme im Gehirn gemessen. So lässt sich beispielsweise der Hirntod feststellen. Daneben wird das EEG auch zu neurologischen Untersuchungen eingesetzt, wie sie etwa bei Schlafstörungen oder Epilepsie erforderlich sind. Wussten Sie, dass ... Röntgenstrahlen elektromagnetische Wellen sind? Damit gehören sie zur gleichen Kategorie wie Licht oder Radiowellen, aber mit viel kürzerer Wellenlänge. Röntgenstrahlen in einer sog. Röntgenröhre entstehen? Nahezu auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigte Elektronen werden plötzlich abgebremst, wobei sie schlagartig ihre Energie in Form der Röntgenstrahlung abgeben. Therapeutische Verfahren: Heilende Maschinen Wodurch werden Operationen am offenen Herzen möglich? Durch den Einsatz einer sog. Herz-Lungen-Maschine, welche die Aufgabe des Herzens übernimmt und den Blutkreislauf in Gang hält. Eine Operation am Herzen kann meist nur dann durchgeführt werden, wenn das Herz zuvor stillgelegt wird – ohne Herzschlag funktioniert jedoch der Blutkreislauf nicht mehr und der Körper wird nicht mehr mit Sauerstoff versorgt. Die Folge sind irreparable Schäden beim Patienten nach bereits drei Minuten. Deshalb wird bei solchen Operationen eine Herz-Lungen-Maschine eingesetzt, die den Blutkreislauf aufrechterhält. Dies gelingt mithilfe der vier »Anschlüsse« des Herzens: An einem wird sauerstoffarmes Blut in die Lunge gepumpt, wo es mit Sauerstoff angereichert wird, beim zweiten »Anschluss« wird es wieder angesaugt, um am dritten in den Körper gepumpt zu werden. Dort gibt das Blut den Sauerstoff an die Organe ab, wird in diesem sauerstoffarmen Zustand vom vierten »Anschluss« zurückgesaugt und durch den ersten erneut in die Lunge gepumpt. Um das Operationsrisiko zu verringern, legt man aber bei manchen Operationen lediglich den Lungenkreislauf still; dann sind nicht alle vier »Anschlüsse« zu versorgen. Wie funktioniert eine Herz-Lungen-Maschine? Zunächst wird das sauerstoffarme Blut aus den Venen abgepumpt. In einem Oxygenator wird es dann mit Sauerstoff versorgt und gelangt durch einen Wärmetauscher über einen Filter zurück in die Hauptschlagader. Der Oxygenator übernimmt dabei die Funktion der Lunge: Entweder lässt man Sauerstoffgas durch das Blut perlen oder den Sauerstoff durch eine Membran ins Blut diffundieren. Der Wärmetauscher soll bei Eingriffen Operationen das Blut auf Körpertemperatur halten, es bei langen Operationen hingegen abkühlen. Denn bei Körpertemperatur drohen dem Herzmuskel Schäden, die sich durch Unterkühlung für Zeiträume von etwa 20 Minuten vermeiden lassen, mit speziellen Spüllösungen sogar bis zu zwei Stunden lang. Der Filter schließlich verhindert, dass Blutgerinnsel in die Blutbahn gelangen. Übrigens: Operationen mit der Herz-Lungen-Maschine sind nicht ungefährlich. Obwohl ein solcher Apparat aus chemisch neutralen Materialien mit möglichst glatten Oberflächen besteht, werden die Blutkörperchen beschädigt. Der Zerfall der Blutzellen dauert sogar noch nach der Operation an. Weitere Gefahren sind Gefäßablagerungen durch das Einsetzen der Schläuche oder Infektionen. Was ist ein Endoskop? Endoskope sind, vereinfacht gesagt, dünne Schläuche oder Röhren, die zwischen einem und 15 Millimeter Durchmesser haben; sie werden durch eine natürliche Öffnung oder einen Schnitt in den Körper eingebracht. Wird ein flexibles Endoskop in natürliche Körperöffnungen eingeführt, z. B. in die Speiseröhre oder in den Darm, so ist gar kein Schnitt erforderlich; bei starren Endoskopen, die durch die Bauchdecke in den Bauchraum eingeführt werden, sind die Schnitte nur wenige Millimeter lang. Jedes Endoskop enthält mindestens ein Beleuchtungssystem und ein System zur Bildbetrachtung, das bei einer operationsvorbereitenden Untersuchung Einblicke in das Innere des Körpers gestattet. Das nötige Licht, das über Glasfasern geleitet wird, liefert eine Xenon- oder Halogenlampe. Wie gelangt das Endoskopbild zum Arzt? Um das Bild des Organs an das Auge des Chirurgen zu führen, verwendet man bei starren Endoskopen Linsensysteme; bei ihnen kann das Körperinnere also direkt durch ein Okular betrachtet werden. Bei flexiblen, mit Schläuchen ausgestatteten Endoskopen dagegen muss man die Bilder nach außen übertragen. Dies geschieht etwa über Bündel von Lichtleitfasern, die in einem Okular münden. Sollen mehrere Ärzte gleichzeitig die Aufnahmen ansehen können, wird eine Videokamera eingesetzt. Sie schickt das Bild an einen Monitor. Das gute Auflösungsvermögen der Kamera, das für ein brauchbares Bild unerlässlich ist, beruht auf digital arbeitenden Bildsensoren – lichtempfindlichen Chips, welche die Bildpunkte in elektronische Signale umwandeln. Sie werden dann in einem Computer verarbeitet und auf einem Monitor angezeigt. Lassen sich Endoskope auch bei Operationen einsetzen? Ja, mithilfe von Endoskopen kann man nicht nur Untersuchungen, sondern auch Eingriffe durchführen. Dazu werden durch den flexiblen Schlauch oder die starre Röhre des Endoskops miniaturisierte Instrumente wie Scheren oder elektrische Skalpelle in den Körper eingeführt. Auch Laserstrahlen lassen sich über Endoskope an eine zu behandelnde Stelle leiten. Da man mit diesem Verfahren nur noch minimal in den Körper des Patienten »eindringen« muss, werden solche Operationsverfahren als »minimalinvasive Chirurgie« (MIC) bezeichnet. Eine minimalinvasive Operation bedeutet für den Patienten in der Regel eine viel geringere Belastung als eine »klassische« Operation. Durch die kleineren Operationswunden reduziert sich vor allem die Heilungsdauer. Einige Operationen – beispielsweise am Meniskus – sind deshalb inzwischen sogar ambulant möglich. Eignen sich Röntgenstrahlen nur zur Diagnose? Nein, denn Röntgenstrahlung kann im Rahmen der Strahlentherapie auch zu therapeutischen Zwecken genutzt werden. Ihre Wirkung beruht darauf, dass sie den Atomen, auf die sie trifft, Elektronen entreißt und die Atome zu Ionen macht; man spricht deshalb auch von ionisierender Strahlung. Trifft ionisierende Strahlung auf lebende Zellen, lässt sie Molekülbindungen aufbrechen, löst biochemische Reaktionen wie Veränderungen der Erbsubstanz (Mutationen) aus und führt im Extremfall zum Zelltod. Dies kennen viele Menschen unter dem Begriff Strahlenschäden. Ihre negativen Auswirkungen sind jedoch gegen krankhafte Zellen wie Tumorzellen nützlich. Denn während sich gesunde Zellen von nicht zu hohen Strahlendosen erholen, werden Tumorzellen davon viel stärker geschädigt. Bestrahlt man also den Körper mehrmals in Zeitabständen, die gesundem Gewebe eine Regeneration erlauben, dann werden die Krebszellen zerstört. Um das kranke Gewebe so genau wie möglich zu bestrahlen und gesunde Zellen weitestmöglich zu schonen, muss vor der Strahlentherapie der Tumor genau lokalisiert werden. Welche Strahlen kommen in der Strahlentherapie zum Einsatz? Neben elektromagnetischer Strahlung in Form von Röntgen- und Gammastrahlen werden radioaktive Strahlen und sog. schwere Ionen eingesetzt. Die Anwendung der unterschiedlichen Strahlenarten richtet sich dabei nach den medizinischen Erfordernissen. Oberflächennahe Tumore beispielsweise werden mit weicher Röntgenstrahlung oder »schnellen« Elektronen bestrahlt. Für tiefer sitzende Tumore nutzt man härtere Röntgenstrahlung oder Gammastrahlung. Übrigens: Die sinnvolle Dosis hängt einerseits von der physikalischen Energiedosis der Strahlung ab, andererseits von der relativen Empfindlichkeit des Gewebes, in dem z. B. ein Tumor eingebettet ist. So liegt die Empfindlichkeit der Keimdrüsen bei 0,2, die der Haut bei 0,01. Hinzu kommt ein Faktor, der von der Strahlungsart abhängt und in etwa angibt, wie viel mal intensiver als Röntgenstrahlung die Strahlung ist. Das Ergebnis dieser drei Parameter wird in der Einheit Sievert (Sv) gemessen. Wie unterscheiden sich Röntgen-, Gamma- und Teilchenstrahlung? Der Unterschied zwischen Gamma- und Röntgenstrahlung liegt zum einen in ihrer Wellenlänge, zum anderen in der Art, wie sie entstehen. Während Gammastrahlen eine Wellenlänge unter 0,01 Nanometer (milliardstel Meter) haben, liegen Röntgenstrahlen im Bereich von 0,01 bis 10 Nanometer. Anders als Röntgenstrahlung wird Gammastrahlung nicht mithilfe von abgebremsten Elektronen in einer Röntgenröhre erzeugt, sondern stammt aus dem radioaktiven Zerfall von Atomkernen. Für den Einsatz in der Medizin werden meist Cobalt-60-Präparate verwendet, die zwar nur wenige Zentimeter Kantenlänge aufweisen, aber eine intensive radioaktive Strahlung aussenden. Röntgen- wie auch Gammastrahlen geben im Gewebe ihre Energie in einem größeren Gebiet ab, daher lässt sich ihr Wirkungsbereich nicht so genau festlegen. Anders ist dies bei Teilchenstrahlung, die in einer sehr scharf eingegrenzten Tiefe wirkt. Teilchenstrahlen wie Protonen, Alphateilchen oder Schwerionen lassen sich jedoch nur in sehr aufwendigen Teilchenbeschleunigern herstellen. Deshalb steht diese Therapiemöglichkeit nur in wenigen Großforschungslabors zur Verfügung. Kann man Nierensteine ohne Operation entfernen? Ja, mithilfe von akustischen Stoßwellen. Sie entstehen, wenn sich Schallwellen so überlagern, dass die mit ihnen verbundenen Schwankungen von geringem zu höherem Druck sehr rasch aufeinander folgen – bekannte Beispiele sind Überschallknall und Donner, die oft Fensterscheiben zum Scheppern bringen. Es ist leicht vorstellbar, dass die Scheiben zerspringen, wenn sie kurz hintereinander von vielen solcher Stoßwellen getroffen werden. Steine können sich in Nieren, Blase und Galle bilden, wenn der Harnsäurestoffwechsel gestört ist. Diese unlöslichen Kristalle können, wenn sie sich festsetzen, heftige Schmerzen verursachen. Bis in die 1980er Jahre hinein konnte man sie nur operativ entfernen. Heute lassen sie sich mithilfe der Stoßwellenlithotripsie meist von außen zertrümmern. Um dieses Verfahren anwenden zu können, muss die Position der Nierensteine zunächst durch eine Röntgenuntersuchung genau bestimmt werden. Dann wird der Stein von mehreren Ultraschallerzeugern gleichzeitig beschallt, so dass ihn eine sehr hohe Intensität trifft. Während die Ultraschallwellen das umliegende Gewebe kaum schädigen, regen sie den Stein zu mechanischen Schwingungen an, die ihn zerbrechen lassen. Die Bruchstücke werden mit dem Harn ausgeschieden. Wann lässt sich die Stoßwellentherapie nicht einsetzen? Wenn die Nieren- oder Gallensteine in der Nähe eines Knochens liegen, denn diese schirmen den Ultraschall ab. In diesem Fall müssen die Stoßwellen direkt im Körper in der unmittelbaren Nähe des Steins erzeugt werden. Dazu strahlt man über ein Endoskop einen Laserstrahl ein. Dieser erhitzt die Umgebung seines Auftreffpunkts und erzeugt dadurch eine Dampfblase, die nach dem Erlöschen des Strahls zusammenfällt. Lässt man nun durch sehr schnell aufeinander folgende Laserpulse die Blasen in rascher Folge entstehen und zerfallen, werden im Körperinneren Ultraschallstoßwellen erzeugt, die den Stein schließlich zertrümmern. Wie hilft der Laser bei Netzhautschäden und grünem Star? Durch verklumpen von Eiweißen im Auge. Bereits 1962, zwei Jahre nach dem Bau des ersten Lasers, wurde zum ersten Mal mit diesem besonderen Licht eine Netzhaut behandelt. Entzündungen oder Durchblutungsstörungen führen manchmal dazu, dass sich die Netzhaut ablöst. Mit Laserlicht können die um die Ablösungsstelle liegenden Gebiete koaguliert werden, d. h., die im Gewebe enthaltenen Eiweißstoffe beginnen zu verschmelzen und verklumpen. Dieses »Verkleben« beugt einer weiteren Ablösung der Netzhaut vor. Grüner Star (Glaukom) entsteht durch eine Überproduktion von sog. Kammerwasser. Der dadurch erhöhte Augeninnendruck schädigt den Sehnerv, was zur Erblindung führen kann. Laser werden hier sowohl zur Diagnose als auch zur Therapie eingesetzt. Ein Laserscanner tastet dabei die Oberfläche des Sehnervs ab und macht verdächtige Veränderungen sichtbar. Zur Behandlung des grünen Stars kann der Ziliarkörper des Auges, der das Kammerwasser produziert, durch infrarotes Laserlicht teilweise koaguliert werden. Danach produziert er weniger Kammerwasser. Wie wird Fehlsichtigkeit mithilfe von Laserstrahlen behandelt? Kurzsichtigkeit lässt sich beheben, indem die zu stark gekrümmte Hornhaut in der Mitte durch die fotoablative Wirkung des Laserstrahls abgetragen wird, d. h., der Laser führt zu einer gezielten Verdampfung dünner Gewebsschichten. Der Vorteil eines Lasers gegenüber konventionellen Diamantmessern, mit denen man früher gearbeitet hat, ist seine große Tiefengenauigkeit. Bei derartigen Operationen werden UV-Laser eingesetzt, die im sog. gepulsten Betrieb arbeiten. Sie versenden Laserpulse mit einer Pulsdauer von nur wenigen Nanosekunden. Dies schont das umliegende Gewebe und konzentriert die Energie auf die Operationsstelle. Geringe Weitsichtigkeit mit bis zu zwei Dioptrien lässt sich ebenfalls mit Laserstrahlen behandeln. Dabei wird ein ringförmiger Bereich um das Hornhautzentrum mithilfe von Laserlicht auf etwa 60 °C erwärmt. Das Bindegewebe schrumpft, die zu schwach gekrümmte Hornhaut zieht sich in dem bestrahlten Bereich zusammen und wölbt sich vor. Wie ersetzt ein Beatmungsgerät die natürliche Atmung? Ein solches Gerät liefert Sauerstoff und medizinische Druckluft, die in der richtigen Dosierung und nach Befeuchtung in die Lunge des Patienten gelangen. Die Beatmungseinheit sorgt dafür, dass die Ventile korrekt geschaltet werden. Dabei lassen sich verschiedene Möglichkeiten unterscheiden: Bei der totalen Atemunterstützung atmet der Patient überhaupt nicht mehr eigenständig, das Gerät liefert also die Atemluft und sorgt dafür, dass sie in die Lungen gelangt. Bei der teilweisen Atemunterstützung atmet der Patient noch selbst und das Gerät unterstützt lediglich dessen Atemzüge. Bei der reinen Spontanatmung ist der Patient in der Lage selbstständig zu atmen, das Beatmungsgerät sorgt nur für eine kontrollierte Sauerstoffversorgung, etwa im Rahmen von Operationen und postoperativer Pflege. Wenn in solchen Fällen die natürliche Spontanatmung gestört ist, kann die Atemversorgung durch ein Langzeitbeatmungsgerät übernommen werden. Ein Langzeitbeatmungsgerät belastet das Herz-Kreislauf-System schwer, da es die Luft mit Überdruck in die Lunge hineindrückt und sie nicht durch Unterdruck in das Organ strömt. Der Einsatz von Langzeitbeatmungsgeräten wie auch die Entwöhnung von ihnen müssen deshalb ständig überwacht werden, Übrigens: Das erste klinische Gerät, das die Beatmung eines Menschen mithilfe einer Maschine ermöglichte, war die sog. Eiserne Lunge. Sie wurde in den 1920er Jahren von dem Ingenieur Philip Dinker entwickelt und war zur Beatmung von Lungenkranken gedacht. Eine Eiserne Lunge besteht aus einem Hohlzylinder, der den Körper des Patienten bis zum Hals umschließt. Das Gerät erzeugt einen Unterdruck, wodurch die Außenluft über den Mund des Kranken in die Lungen eingesogen wird. Zum Ausatmen wird ein Überdruck in der Kammer aufgebaut, der die Luft herauspresst. Was bringt ein stehendes Herz wieder zum Schlagen? Ein Defibrillator. Dieses Gerät besteht aus einem Kondensator, der sich innerhalb einiger Sekunden auflädt, und zwei flachen Elektroden, die auf die Haut aufgelegt werden und dem Körper einen elektrischen Spannungsstoß abgeben, der das Herz nach einem Stillstand wieder zum Schlagen bringen soll. Daneben gibt es auch implantierbare, sog. Cardioverter-Defibrillatoren. Sie überwachen den Herzrhythmus und geben bei einer Herzrhythmusstörung (Herzkammerflimmern) einen Stromstoß ab. Anders als Herzschrittmacher arbeiten sie aber nur bei Bedarf. Wussten Sie, dass … im Mittelalter der Bader oder Wundarzt chirurgische Eingriffe vornahm? die Erfindung der Narkose 1846 eine der bahnbrechendsten Errungenschaften der modernen Medizin war? Erst sie eröffnete unter anderem Chirurgen die Möglichkeit, kompliziertere und lang andauernde Operationen durchzuführen. Wussten Sie, dass … die erste Operation unter Einsatz einer Herz-Lungen-Maschine 1953 stattfand? Bei dem Eingriff war die Patientin 45 Minuten lang an das Gerät angeschlossen. 1980 die erste Blinddarmoperation minimalinvasiv durchgeführt wurde? Warum gibt es nicht nur minimalinvasive Operationen? Weil minimalinvasive Chirurgie wesentlich aufwendiger als klassische Operationen ist und sich daher erst allmählich durchsetzt. An einer solchen Operation müssen meist mehrere Ärzte beteiligt sein: Während zwei die eigentliche Operation durchführen, übernimmt ein dritter die Rolle des »Kameramanns«. Außerdem werden kompliziertere Geräte verwendet als bei der klassischen Chirurgie; sie müssen beispielsweise aufwendiger gewartet und sterilisiert werden. Schließlich ist auch die MIC nicht risikolos: Beim Einführen der Endoskope können mechanische Verletzungen auftreten. Wussten Sie, dass … Laser wie Skalpelle in der Chirurgie zum Schneiden eingesetzt werden? Durch die hohe Lichtintensität wird das Gewebe auf einer dünnen Schnittlinie erwärmt und zerstört, gleichzeitig werden kleinere Blutgefäße versiegelt und so Blutungen reduziert. Hilft Licht gegen Krebs? Ja, sofern es sich um Laserlicht handelt u