Ein Computertomograph - oder kurz CT - in einer Klinik. Röntgenröhre und Detektor kreisen um den Patienten. Es entstehen Schichtaufnahmen, die ein Computer zu einem dreidimensionalen Bild zusammensetzt. Über Jahrzehnte hat sich an der Technik, mit der die Röntgenstrahlen erzeugt werden, kaum etwas geändert. In einer Vakuumröhre trifft ein hochenergetischer Elektronenstrahl auf einen Metallkörper, die Anode. Beim Aufprall der Elektronen entsteht unter anderem Röntgenstrahlung. Der überwiegende Teil der Energie wird allerdings in unerwünschte Wärme umgewandelt. Um diese Wärme auf eine möglichst große Oberfläche zu verteilen, ist die Anode bei Hochleistungs-Röntgenröhren als Teller ausgeführt, der sich dreht. Die aufgeheizte Zone wandert sofort aus dem Elektronenstrahl heraus und kann die Wärme wieder abgeben. Trotzdem erhitzt sich die Anode bis zur Weißglut.
"Bei einer konventionellen Röntgenröhre treten auf dem Anodenteller Temperaturen bis zu 2000 Grad Celsius auf. Und das bedingt, dass man also bei manchen Untersuchungen, wo man also bis zur Höchstgrenze geht und dann praktisch auf die 2000 Grad Celsius kommt, mehrere Minuten, bis zu neun Minuten bei den Untersuchungen warten muss, bis sich die Röhre wieder einigermaßen abgekühlt hat. Wenn man weitermachen würde, würde ja der Anodenteller schmelzen."
Professor Wolfgang Knüpfer, er ist bei Siemens Medical Solutions in Erlangen für Vakuumtechnik verantwortlich - und somit auch für Röntgengeräte. Die Ingenieure stehen bei der Konstruktion von Röntgenröhren vor einem Problem: Wie lässt sich die enorme Wärme abführen? Bislang konnte die Anode die Hitze nur über Wärmestrahlung an das Gehäuse der Röhre abgeben, nicht über Wärmeleitung. Schließlich rotiert die Anode im Vakuum und hat keinen Kontakt zum Gehäusematerial. Diese Form der Kühlung ist allerdings nicht besonders wirkungsvoll. Wolfgang Knüpfer hat deshalb gemeinsam mit Peter Schardt und Karin Söldner - sowie mehreren Dutzend Mitarbeitern - eine Röntgenröhre entwickelt, die auf einem völlig neuen Konzept basiert. Bei dieser Straton genannten Röhre dreht sich nicht mehr eine Anode in einem luftleeren Gehäuse. Vielmehr ist die Anode ein Teil des Gehäuses selbst, das sich als Ganzes dreht. Auf diese Weise hat die heiße Anode direkten Kontakt mit einem speziellen Kühl-Öl, welches das Gehäuse umströmt. Knüpfer:
"Die Wärme, die sozusagen auf der Gehäusewandung auftritt, wird sofort von dem Ölstrom abgeführt. Und dieser Effekt, das ist also Wärmekonvektion, ist wesentlich effizienter als der Prozess der Wärmeabstrahlung, so dass eben hundertmal schneller die Wärme abgeführt wird. Wir haben gemessen: es treten nicht höhere Temperaturen als 120, 140 Grad Celsius auf in dem Ölbad, bei Höchstleistungen des Stratons, die konventionelle Röhren überhaupt nicht verkraften würden."
Rund sieben Jahre Entwicklungszeit vergingen, bis die ersten Computertomographen mit der neuen Röhre ausgeliefert werden konnten. Diese Geräte profitieren auch davon, dass die Straton aufgrund der neuen Bauweise sehr viel kompakter ist als bislang übliche Röhren. Statt 80 Kilogramm wiegt sie nur noch 30. Dadurch lassen sich unter anderem die hohen Fliehkräfte besser beherrschen, die im Betrieb in der Klinik auftreten. Etwa wenn es darum geht, krankhafte Veränderungen am Herzen festzustellen. Knüpfer:
"Bei Untersuchungen, CT-Untersuchungen am schlagenden Herzen ist es ganz entscheidend, wie schnell die Röhre mit dem Detektor um den Patienten sich bewegt. Das heißt, es treten enorme Fliehkräfte auf, von 20 bis 30 g bei Umdrehungszeiten von 0,35 Sekunden - also pro einen Umlauf. Man möchte natürlich noch schneller werden, man möchte die Herzbilder noch schärfer, noch mit besserer Auflösung haben. Und hier ist die herkömmliche Technologie an der Grenze. Wir können aber, dadurch dass die Straton-Röhre so klein ist, andere technische Konzepte realisieren, dass wir um Faktoren noch schneller werden können, also was die Umdrehungszeit anbelangt, als die herkömmliche Technologie."
Davon werden auch Unfallopfer etwas haben. In wenigen Sekunden durchleuchtet sie der Computertomograph komplett von Kopf bis Fuß. Und der Arzt bekommt so einen genauen Überblick über eventuelle Knochenbrüche und innere Verletzungen des Patienten.
"Bei einer konventionellen Röntgenröhre treten auf dem Anodenteller Temperaturen bis zu 2000 Grad Celsius auf. Und das bedingt, dass man also bei manchen Untersuchungen, wo man also bis zur Höchstgrenze geht und dann praktisch auf die 2000 Grad Celsius kommt, mehrere Minuten, bis zu neun Minuten bei den Untersuchungen warten muss, bis sich die Röhre wieder einigermaßen abgekühlt hat. Wenn man weitermachen würde, würde ja der Anodenteller schmelzen."
Professor Wolfgang Knüpfer, er ist bei Siemens Medical Solutions in Erlangen für Vakuumtechnik verantwortlich - und somit auch für Röntgengeräte. Die Ingenieure stehen bei der Konstruktion von Röntgenröhren vor einem Problem: Wie lässt sich die enorme Wärme abführen? Bislang konnte die Anode die Hitze nur über Wärmestrahlung an das Gehäuse der Röhre abgeben, nicht über Wärmeleitung. Schließlich rotiert die Anode im Vakuum und hat keinen Kontakt zum Gehäusematerial. Diese Form der Kühlung ist allerdings nicht besonders wirkungsvoll. Wolfgang Knüpfer hat deshalb gemeinsam mit Peter Schardt und Karin Söldner - sowie mehreren Dutzend Mitarbeitern - eine Röntgenröhre entwickelt, die auf einem völlig neuen Konzept basiert. Bei dieser Straton genannten Röhre dreht sich nicht mehr eine Anode in einem luftleeren Gehäuse. Vielmehr ist die Anode ein Teil des Gehäuses selbst, das sich als Ganzes dreht. Auf diese Weise hat die heiße Anode direkten Kontakt mit einem speziellen Kühl-Öl, welches das Gehäuse umströmt. Knüpfer:
"Die Wärme, die sozusagen auf der Gehäusewandung auftritt, wird sofort von dem Ölstrom abgeführt. Und dieser Effekt, das ist also Wärmekonvektion, ist wesentlich effizienter als der Prozess der Wärmeabstrahlung, so dass eben hundertmal schneller die Wärme abgeführt wird. Wir haben gemessen: es treten nicht höhere Temperaturen als 120, 140 Grad Celsius auf in dem Ölbad, bei Höchstleistungen des Stratons, die konventionelle Röhren überhaupt nicht verkraften würden."
Rund sieben Jahre Entwicklungszeit vergingen, bis die ersten Computertomographen mit der neuen Röhre ausgeliefert werden konnten. Diese Geräte profitieren auch davon, dass die Straton aufgrund der neuen Bauweise sehr viel kompakter ist als bislang übliche Röhren. Statt 80 Kilogramm wiegt sie nur noch 30. Dadurch lassen sich unter anderem die hohen Fliehkräfte besser beherrschen, die im Betrieb in der Klinik auftreten. Etwa wenn es darum geht, krankhafte Veränderungen am Herzen festzustellen. Knüpfer:
"Bei Untersuchungen, CT-Untersuchungen am schlagenden Herzen ist es ganz entscheidend, wie schnell die Röhre mit dem Detektor um den Patienten sich bewegt. Das heißt, es treten enorme Fliehkräfte auf, von 20 bis 30 g bei Umdrehungszeiten von 0,35 Sekunden - also pro einen Umlauf. Man möchte natürlich noch schneller werden, man möchte die Herzbilder noch schärfer, noch mit besserer Auflösung haben. Und hier ist die herkömmliche Technologie an der Grenze. Wir können aber, dadurch dass die Straton-Röhre so klein ist, andere technische Konzepte realisieren, dass wir um Faktoren noch schneller werden können, also was die Umdrehungszeit anbelangt, als die herkömmliche Technologie."
Davon werden auch Unfallopfer etwas haben. In wenigen Sekunden durchleuchtet sie der Computertomograph komplett von Kopf bis Fuß. Und der Arzt bekommt so einen genauen Überblick über eventuelle Knochenbrüche und innere Verletzungen des Patienten.