Wilhelm Röntgen heeft in 1863 een probleem. De achttienjarige Apeldoorner wil natuurkunde gaan studeren in Utrecht, maar kan geen diploma tonen van de middelbare school. Ook beheerst hij de klassieke talen onvoldoende. Reden voor de universiteit om hem niet toe te laten. Een veelbelovende carrière lijkt in de kiem te zijn gesmoord.

Wilhelm zit echter niet bij de pakken neer. Wanneer hij hoort dat hij voor een opleiding aan de Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) in Zürich geen diploma nodig heeft, reist hij naar Zwitserland. Hij slaagt er glansrijk voor het toelatingsexamen en studeert in 1868 cum laude af als werktuigbouwkundig ingenieur. Een jaar later volgt zijn promotie aan dezelfde hogeschool.

Aanvankelijk wil Röntgen terug naar Nederland om er leraar natuurkunde te worden aan een middelbare school. Maar het loopt allemaal anders. In de loop van de jaren bekleedt de Nederlander leerstoelen in de natuurkunde aan verschillende Duitse universiteiten.

Vacuümbuizen

In Würzburg doet zijn vakgroep onderzoek naar hoogspanning in glazen vacuümbuizen. Om de opgewekte kathodestralen uit zo’n buis te laten treden, heeft Röntgen een minuscuul venster van aluminium in de buis gemaakt. Hij omwikkelt de glazen buis met zwart karton, om alle licht van buiten uit te sluiten.

Wie schetst zijn verbazing als, ondanks zijn zorgvuldige afscherming van de vacuümbuis, een kartonnen scherm bestreken met bariumplatinocyanide oplicht. Nota bene in een volledig verduisterd laboratorium. Hoe komt dat? Wanneer hij het experiment herhaalt met andere buizen, gebeurt precies hetzelfde: weer ziet hij het scherm fluoresceren.

Röntgen veronderstelt dat er straling uit de buis komt die veel krachtiger is dan de kathodestralen waaraan hij zijn metingen verricht. De onbekende straling gaat dwars door papier en textiel heen. Zijn nieuwsgierigheid is gewekt. Wat is dit voor straling?

Zijn onderzoek richt zich vanaf 8 november 1895 helemaal op de nieuwe ”X-straling”: X staat voor de ”grote onbekende”. De straling gaat dwars door karton heen, maar er bestaan wellicht materialen die de straling kunnen tegenhouden, vermoedt Röntgen. Een van die materialen blijkt lood te zijn.

Spookachtig

Terwijl de hoogleraar met zijn experimenten bezig is, ziet hij op een dag zijn eigen skelet spookachtig opflikkeren op het bariumplatinocyanidescherm; het eerste radiografische beeld ter wereld. Vanaf dat moment besluit Röntgen zijn experimenten in het geheim voort te zetten. Als zijn waarnemingen achteraf niet blijken te kloppen, loopt zijn wetenschappelijke reputatie in ieder geval geen deuk op.

Herhaaldelijk doet hij daarna dezelfde waarneming. Dat versterkt zijn zelfvertrouwen. Op 22 december 1895 maakt hij zijn vrouw proefkonijn: hij neemt de eerste röntgenfoto van haar hand. Het harde calciumhoudende bot houdt de straling gemakkelijk tegen; het zachte weefsel niet. Zijn vrouw reageert opgetogen: „Ik heb mijn skelet gezien.”

Dan is de tijd aangebroken om de grote ontdekking wereldkundig te maken. Het Fysisch en Medisch Genootschap van Würzburg publiceert Röntgens wetenschappelijke artikel ”Über eine neue Art von Strahlen” –over een nieuwe soort straling– op 28 december 1895 in zijn tijdschrift. Via dagbladen bereikt zijn vondst het grote publiek.

Ridderorde

Ook de Duitse keizer Wilhelm II hoort ervan. De vorst nodigt Röntgen uit om zijn straling te demonstreren voor ministers en andere hoogwaardigheidsbekleders. Röntgen krijgt er een ridderorde voor.

Het regent daarna prijzen en onderscheidingen. De universiteit van Würzburg verleent hem een eredoctoraat in de geneeskunde. De Società Italiana delle Scienze, de Italiaanse academie van wetenschappen, reikt hem in 1896 de Matteucci Medaille uit. En het Nobelcomité bekroont zijn wetenschappelijke werk aan röntgenstraling in 1901 met de toekenning van de eerste Nobelprijs voor Natuurkunde.

De nieuwe straling is aanvankelijk erg populair als kermisattractie, om de botten van de hand zichtbaar te maken. Schoenenwinkels gebruiken de X-straling om na te gaan of schoenen de juiste maat hebben. Ziekenhuizen passen de straling niet alleen toe om botbreuken zichtbaar te maken, maar ook om patiënten te scheren.

Röntgen sterft in 1923, op 77-jarige leeftijd, in München aan darmkanker. Waarschijnlijk is de kanker niet ontstaan door zijn werk met röntgenstraling. De hoogleraar gebruikte routinematig lood om zich ervoor af te schermen. Ook duurde zijn onderzoek slecht enkele maanden.

CT-scan

Röntgen wordt algemeen beschouwd als de vader van de radiodiagnostiek, de medische tak van sport die onder meer röntgenfoto’s gebruikt om botbreuken vast te stellen. Een andere toepassing is computertomografie, de zogeheten CT-scan, die ook gebruikmaakt van röntgenstraling.

Van de nalatenschap van Röntgen is niets meer over. Zijn complete archief met al zijn wetenschappelijke en persoonlijke aantekeningen is vernietigd. Precies zoals de uitvinder in zijn testament heeft bepaald. Het is daarom een unicum dat enkele exemplaren van de eerste röntgenfoto bewaard zijn gebleven. Een set ligt vandaag de dag nog in het Teylers Museum in Haarlem.

Ioniserende straling

Net als zichtbaar licht bestaat röntgenstraling –in het Engels ”X-rays”– uit elektromagnetische golven. Ze hebben wel een veel kortere golflengte dan licht: harde röntgenstraling tussen 0,01 en 10, en zachte 10 tot 100 nanometer. Het zichtbare spectrum bevindt zich tussen 761 en 380 nanometer.

Röntgenstraling is een vorm van ioniserende straling. Deze kan in stoffen waar ze op valt chemische reacties teweegbrengen. Fotografisch materiaal wordt daardoor zwart. In levend weefsel kan dit leiden tot stralingsschade: mutaties aan het DNA en mogelijk kanker. Uit Amerikaans onderzoek bleek in 2007 dat herhaaldelijke CT-scans de kans op kanker licht verhogen.

Op aarde zijn natuurlijke bronnen van röntgenstraling dun gezaaid. Sommige radioactieve elementen zenden röntgenstraling uit. En een bliksemflits produceert niet alleen zichtbaar licht, maar ook röntgen- en gammastraling.

De zon en andere sterren, maar ook zwarte gaten zenden röntgenstraling uit vanwege hun hitte. Dit is de zogeheten zwarte straling. Röntgensterrenkunde legt zich toe op het meten en bestuderen van deze straling. De aardse atmosfeer houdt deze röntgenstraling net als uv-straling effectief tegen, zodat de röntgenstraling van de zon en de sterren het aardoppervlak niet bereikt. Om die reden moet het onderzoek naar de röntgenstraling van hemellichamen boven de aardse atmosfeer plaatshebben, bijvoorbeeld met satellieten.

Hoe wordt röntgenstraling opgewekt?

Kunstmatige röntgenstraling voor het fotograferen van botbreuken of het maken van een CT-scan wordt opgewekt in een vacuümbuis. Door een gloeidraad in de glazen buis loopt dan een elektrische stroom. De gloeidraad wordt heet en zendt elektronen uit in de richting van een metalen plaat, de zogenaamde anode van bijvoorbeeld aluminium of wolfraam.

Tussen de gloeidraad en de anode ontstaat een elektrische spanning. Door dat spanningsverschil verplaatsen elektronen zich met hoge snelheid naar de anode. Daar botsen ze tegen het metaal van de anode. Hierdoor gaat de anode röntgenstraling uitzenden. Deze straling komt via een venster uit het apparaat. Dat venster wordt gericht op het onderzochte lichaamsdeel.

Meestal is de buis in te stellen op een specifieke golflengte. De stralingsintensiteit hangt af van de sterkte van de elektrische stroom die door de vacuümbuis loopt: bij toenemende sterkte botsen er meer elektronen tegen de anode en wordt er meer röntgenstraling uitgezonden.

Ook kan de spanning tussen de gloeidraad en de anode worden vergroot. De elektronen verplaatsen zich daardoor sneller richting de anode. Ze botsen hierdoor harder tegen het metaal van de anode. De röntgenstraling krijgt hierdoor een grotere energie-inhoud. Op deze manier bepalen de radiologen de hardheid van de straling. Hoe harder de röntgenstraling, hoe verder de straling kan doordringen in het menselijk lichaam.

Röntgentechniek steeds geavanceerder

Al is röntgenstraling dit jaar 125 jaar oud, de ontwikkeling ervan gaat nog steeds door, zegt Bram van Ginneken. Hij is natuurkundige en hoogleraar kunstmatige intelligentie in de medische beeldanalyse aan de Radboud Universiteit.

„Door de toegenomen rekenkracht van computers en deep learning, een vorm van kunstmatige intelligentie, kunnen we sneller en betere beelden maken met lagere doses röntgenstraling.”

Tussen 1995 en 2005 is de techniek van CT-scanners sterk verbeterd met grotere detectoren. Sindsdien staan de natuurkundige vernieuwingen vrijwel stil, aldus Van Ginneken. „Echt grote stappen vooruit verwacht ik van de toekomstige led-röntgenbronnen. Dan hoeft er geen röntgenbuis zo zwaar als een auto vijf keer per seconde om de patiënt te draaien.”

Een andere vernieuwing is dat radiologen straks de energie en de richting kunnen meten van elk foton dat op de detector valt. De stralingsdosis kan dan nog verder omlaag. Daarmee kunnen ze een zogeheten spectrale CT-scan maken. „We kunnen dan het onderscheid tussen bepaalde weefsels nog beter bepalen”, weet de hoogleraar.

Als derde verbetering noemt hij de zogeheten ”phase contact x-ray”. „Nu maken we beelden op basis van de intensiteit van de straling die door het lichaam gaat, maar je kunt ook de frequentie (fase) van de straling –als golf– meten. Maar dat is toekomstmuziek. Met deze drie ontwikkelingen zijn fabrikanten al twintig jaar bezig.”

Waar liggen momenteel de grootste uitdagingen?

„Het aantal CT-scans neemt toe; door de vergrijzing, maar ook doordat we steeds meer ziektes in een vroeg stadium kunnen opsporen. We moeten steeds meer scans beoordelen. Dat zal vaker gaan gebeuren door een computer die veranderingen kan meten, in plaats van door een radioloog die de scans ruwweg visueel beoordeelt.”

De rol van röntgenbeelden en CT-scans is voorlopig niet uitgespeeld. MRI (dat gebruikmaakt van een sterk magneetveld en radiogolven) en echoscopie (dat werkt met geluidsgolven) zullen die niet gaan vervangen. „Ze leveren andere informatie dan CT en röntgen”, verklaart Van Ginneken.

„Echoscopie is wel een interessante en zich snel ontwikkelende tak van de radiologie. Ik verwacht met name veel van draagbare echo-apparaten. Zo mobiel zal een röntgenapparaat of CT-scanner nooit worden. Bij Covid-19-patiënten op de ic gebruiken onze internisten een draagbaar echoapparaat: de stethoscoop van de toekomst. En met deep learning kunnen we de plaatjes automatisch analyseren.”

Blootstelling aan röntgenstraling verhoogt de kans op kanker met enkele procenten. Is dat eventueel een reden om de röntgentechniek te vervangen?

„Vervangen vanwege stralingsbelasting gebeurt in de praktijk niet. De detectoren van CT-scanners en de deep learning-analysemethoden zijn zo sterk verbeterd dat we met een lage dosis röntgenstraling heel goede scans kunnen maken. De risico’s op kanker zijn daardoor veel kleiner dan vaak wordt gesuggereerd. Bovendien verlagen kleine hoeveelheden straling juist de kans op kanker doordat de straling DNA-reparatiemechanismen en het immuunsysteem activeert.”