Didaktische FWU-DVD. Blick in den Körper Röntgen, MRT und Co.

Transkript

1 Didaktische FWU-DVD Blick in den Körper Röntgen, MRT und Co.

2 Zur Bedienung Mit den Pfeiltasten der Fernbedienung (DVD-Player) oder der Maus (Computer) können Sie Menüpunkte und Buttons ansteuern und mit der OK-Taste bzw. Mausklick starten. Hauptmenü führt zurück zum Hauptmenü. Um das Arbeitsmaterial zu sichten / auszudrucken, legen Sie die DVD in das Laufwerk Ihres Computers ein und öffnen den Ordner material. Die Datei Inhaltsverzeichnis öffnet die Startseite. Bezug zu Lehrplänen und Bildungsstandards Die Schülerinnen und Schüler bekommen das Licht sowie die Röntgenstrahlung als elektromagnetische Welle vorgestellt und können beide anhand des Wellenlängenunterschiedes bzw. Energieunterschiedes voneinander differenzieren; lernen das Röntgenspektrum kennen und wissen, dass die Identifikation von Stoffen aufgrund ihres Emissionsbzw. Absorptionsverhaltens möglich ist; lernen, dass Atome Licht und Röntgenstrahlung nur in ganz bestimmten Portionen emittieren und absorbieren können; können den Aufbau der Röntgenröhre und die Entstehung der Röntgenstrahlung beschreiben; werden mit den Begriffen der Energiedosis, Äquivalentdosis sowie mit unterschiedlichen Strahlenbelastungen vertraut; kennen den grundlegenden Aufbau eines Computertomographen und vollziehen dessen Prinzip mit Hilfe eines Gedankenexperimentes nach; erhalten einen qualitativen Einblick in die Magnetresonanztomographie und lernen dabei eine Anwendung von elektromagnetischen Wellen kennen; lernen eine technische Anwendung der Erzeugung von Induktionsspannungen bei der Signalmessung der MRT-Untersuchung kennen; können die Röntgendiagnostik mit der MRT-Diagnostik vergleichen und beide Messverfahren bewerten; erkennen die Bedeutung des Strahlenschutzes; können das Gefährdungspotenzial des Röntgens, der CT-Messung sowie der MRT-Untersuchung einschätzen. 2

3 Zum Inhalt Blick in den Körper (Film 25 min) Das Röntgengerät, die CT und die MRT Begriffe aus dem Alltag. Aber was verbirgt sich dahinter? Die Produktion gibt Einblicke in diese wichtigen diagnostischen Techniken. Neben dem Aufbau der einzelnen Geräte lernt man die physikalischen Prinzipien hinter den Messtechniken Röntgen, CT und MRT kennen. Dabei begreift man die Röntgenstrahlung als elektromagnetische Welle im Hochenergiebereich und lernt, dass Atome Röntgenstrahlung nur in ganz bestimmten Portionen emittieren und absorbieren können. Die Computertomographie ist eine Weiterentwicklung der Röntgendiagnostik und ermöglicht kontrastreichere und genauere Bilder. Die MRT basiert auf einem anderen physikalischen Prinzip der magnetischen Resonanz. Man erhält einen Ausblick über die Weiterentwicklungen der Geräte und stellt fest, dass man mithilfe des technologischen Fortschritts immer tiefer in den Körper blicken kann. 3

4 Menü Röntgenstrahlung (Filmsequenzen / en) Was ist Röntgenstrahlung? (Filmsequenz 2:50 min) Mit der Röntgenstrahlung ist es möglich, ohne operativen Eingriff in den menschlichen Körper zu blicken. Denn Röntgenstrahlung als hochenergetische elektromagnetische Strahlung kann Gewebe durchdringen. So können sogar Knochen dargestellt werden. Wie entsteht Röntgenstrahlung? (Filmsequenz 4:40 min) Wilhelm Conrad Röntgen entdeckte die nach ihm benannte Röntgenstrahlung. Man erhält einen tieferen Einblick in die Entstehung der Röntgenstrahlung, indem man ausgehend vom experimentellen Aufbau nach Röntgen bis in die atomare Ebene blickt und die Entstehungsmechanismen kennenlernt. Wie gefährlich ist Röntgenstrahlung? (Filmsequenz 3:40 min) In dieser Filmsequenz wird die Röntgenstrahlung als ionisierende Strahlung vorgestellt. So wird aufgezeigt, wie wichtig Strahlenschutz für die eigene Gesundheit ist. Elektromagnetisches Spektrum () In dieser sind die einzelnen elektromagnetischen Bereiche dargestellt. Zu jedem Bereich ist die Größenordnung der Wellenlänge angegeben. Die jeweilige 4

5 Strahlungsart wird durch ein anschauliches Bild dargestellt und die Energiezunahme über einen Pfeil. Röntgenröhre () Die Darstellung der Röntgenröhre zeigt deren schematischen Aufbau mit der Vakuumröhre, dem Heizdraht mit angelegter Heizspannung, die Anodenspannung und das Austreten sowie Beschleunigen der Elektronen hin zur Anode. An dieser ist die emittierte Röntgenstrahlung eingezeichnet. Röntgenspektrum () Die zeigt das Spektrum der Röntgenstrahlung. Hierbei ist die Intensität gegen die Wellenlänge aufgetragen, in Abwechslung zum Film, in dem gegen die Energie aufgetragen wurde. Deutlich zu erkennen ist das Bremsspektrum sowie die K α und K β Linien. Absorptionsgrad () Hier sind die Einflussfaktoren Dichte, Dicke und Ordnungszahl auf die Absorption von Röntgenstrahlung skizzenhaft abgebildet. 0,8 Millisievert. Die natürliche Strahlenbelastung wiederum beträgt im Mittel 2,4 msv pro Jahr. Damit ist sie ca. 5-mal höher als die Strahlenbelastung bei dieser Röntgenuntersuchung. Wird beim Zahnarzt der Kiefer geröntgt, so liegt die Strahlendosis bei 0,01 Millisievert pro Untersuchung. Menü Computertomographie (CT) (Filmsequenz / / Bilder) Computertomographie (CT) (Filmsequenz 3:10 min) Die Computertomographie (CT) basiert auf der Röntgentechnik. Über ein Gedankenexperiment kann man nachvollziehen, dass bei der CT aus vielen unterschiedlichen Winkelstellungen Röntgenbilder digital aufgenommen und an einen PC weitergeleitet werden. All diese Röntgenbilder wertet der PC aus und berechnet detailliert die Schnittbilder des Körperinneren, sodass sogar 3D-Darstellungen möglich sind. Strahlenbelastung () Die Strahlenbelastung beim Röntgen einer Wirbelsäule beträgt etwa 0,5 bis 5

6 CT-Gerät () Die Abbildung stellt den schematischen Aufbau eines CT-Gerätes mit den Komponenten Röntgenröhre, Röntgendetektor und PC dar. Ein Bild aus Bildern (4 Bilder) CT-Bilder können in 2D oder neuerdings durch Computerberechnungen auch in 3D betrachtet werden. Diese Bilderreihe beginnt mit CT-Schnittbildern des menschlichen Hirns. Im Anschluss finden sich drei aufeinander aufbauende 3D-Rekonstruktionen aus CT-Bildern. Menü Magnetresonanztomographie (MRT) (Filmsequenz / en) Magnetresonanztomographie (MRT) (Filmsequenz 5:50 min) Die Röntgentechnik stößt bei der Darstellung von Weichteilen und Nerven an ihre Grenzen. Die MRT jedoch ermöglicht eine gute Darstellung mithilfe der Magnetresonanz. Von einem einfachen Experiment ausgehend hin zum konventionellen MRT-Gerät erhält man eine Erklärung der Kernspinresonanz mit einer modellhaften Darstellung, die die einzelnen Prozesse bei der MRT verständlich nahe bringen. Ungeordnete Wasserstoffatome () Die magnetischen Dipole der Wasserstoffkerne sind normalerweise völlig ungeordnet. Wasserstoffatome im statischen Magnetfeld () Bringt man die magnetischen Dipole der Wasserstoffatome in ein Magnetfeld, richten sie sich so aus, dass sie eine Kreisbewegung um die Magnetfeldrichtung ausführen. Ablenkung durch ein Störmagnetfeld () Die Ausrichtung der Kerndipole wird durch ein weiteres Magnetfeld gestört. Eine zusätzliche Spule erzeugt dieses kurze Störmagnetfeld. Dadurch bewegen sich die Dipole spiralförmig aus der Richtung des statischen Magnetfeldes heraus. Relaxation () Wird das Störmagnetfeld ausgeschaltet, kehren die Atome wieder in ihre Ausgangsposition zurück. Man sagt: Sie relaxieren. Die Relaxationszeit ist von Gewebe zu Gewebe unterschiedlich. Sie ist abhängig davon, zu welchen Molekülen die Wasserstoffatome gehören. 6

7 Messen des Signals () Durch das Kreiseln der Dipole entsteht eine elektromagnetische Welle im Radiowellenbereich. Sind die Dipole durch den kurzen Impuls des Störmagnetfeldes umgeklappt, kann man dieses Signal über elektromagnetische Induktion messen. Menü CT und MRT im Vergleich (Filmsequenz / ) CT und MRT im Vergleich (Filmsequenz 1:40 min) Die CT basiert auf der Röntgentechnik, während die MRT auf der Magnetresonanz beruht. Somit sind mit der CT besonders die Knochen gut darstellbar und mit der MRT das Gewebe sowie Nerven. Röntgenstrahlen können im Gegensatz zu den Magnetfeldern bei der MRT stark gesundheitsschädlich für den Menschen sein. CT und MRT im Vergleich () In einer Tabelle werden die Anwendungsbereiche und die Vorteile der beiden diagnostischen Verfahren CT und MRT gegenübergestellt. Menü Anwendung und Forschung (Filmsequenz / Bilder) Anwendung und Forschung (Filmsequenz 2:10 min) In dieser Filmsequenz wird ein Einblick in die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten und Weiterentwicklung der CTund MRT-Geräte gegeben. So wird eine ganze Bandbreite an Anwendungen, Forschungszielen und Errungenschaften vorgeführt. Sicherheitskontrollen mit Röntgenstrahlung (Bild) Röntgengeräte werden nicht nur in der Medizin eingesetzt, sondern auch bei Sicherheitskontrollen. Hier werden die Gepäckstücke der Passagiere mit Röntgenstrahlen durchleuchtet. Im Computer werden die Bilder nachkoloriert. Das Sicherheitspersonal kann daran und an den Formen der Gegenstände erkennen, ob sich ein gefährlicher Gegenstand im Gepäck befindet. Funktionelle Magnetresonanztomographie (Bild) Mit dem MRT-Gerät kann durch die Überwachung der Gehirnaktivität die Informationsverarbeitung des Gehirns genauer erforscht werden. Hierbei wird der Sauerstoffverbrauch im Hirn sichtbar gemacht und dadurch wiederum die dortigen Stoffwechselvorgänge. Man bezeichnet das als funktionelle MRT- Messung. 7

8 Didaktische Hinweise Der Film kann in Sequenzen gezeigt werden und einzelne Kapitel können sukzessive erarbeitet werden. Einzelne Filmsequenzen sind auch extrahiert in Jahrgangsstufen sinnvoll einsetzbar, die noch nicht das notwendige Vorwissen errungen haben. Die Intention ist allerdings, den Film mit gruppenteiligen Beobachtungsaufträgen komplett zu präsentieren und in schülerzentrierter Vorgehensweise aufzuarbeiten. Die Einheit ist für zwei bis drei Unterrichtsstunden ausgelegt, wenn das Thema komplett ohne Kürzungen als Gesamtpaket aufgearbeitet werden soll. Die Lehrkraft nimmt dabei die Rolle des Begleiters und Beraters ein, der die Arbeitsaufträge klar strukturiert, Medien zur Verfügung stellt und sich sonst im Hintergrund hält. Die Schülerinnen und Schüler erhalten durch den Film eine komplette Übersicht über das Themenfeld. In Gruppen beschäftigen sie sich aber intensiv mit einem oder zwei klaren Teilaspekten, die sie dann durch die Arbeitsmaterialien kleinschrittig angeleitet aufarbeiten und letztlich präsentieren können. Der Film unterteilt sich in fünf zentrale Themenkapitel. Zusätzlich kann das sechste Arbeitsblatt MRT, CT und Röntgen im Vergleich, das vollständig unabhängig von der jeweiligen Gruppeneinteilung bearbeitet werden kann, zur Verfügung gestellt werden. Dieses Kapitel kann aber auch als sechstes Thema regulär eingesetzt werden, wenn die Klassengröße bei fünf Themen zu große Einzelgruppen mit sich bringen würde (mehr als 5 Personen in einer Gruppe, also mehr als 25 SchülerInnen in der Klasse). Eingesetzt als Thema für extra Schnelle kann vermieden werden, dass besonders zügig arbeitende Gruppen Leerlaufphasen haben und dem zufolge Unruhe entsteht. Das Zusatzthema bzw. der sechste Themenblock ist ein Vergleich der drei diagnostischen Techniken Röntgen, CT und MRT. Hier sollen Kreuzworträtsel gelöst werden sowie anhand einer Tabelle die drei Verfahren direkt unter verschiedenen Aspekten verglichen werden. Zu beachten ist, dass wenn dieses Zusatzmaterial bearbeitet wurde auch dieses Thema vor der Klasse besprochen werden sollte. 8

9 Arbeitsmaterial Als Arbeitsmaterial steht Ihnen im ROM- Teil ein umfangreiches Angebot an ergänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen sowohl als PDFals auch als Word-Dateien vor: Die PDF-Dateien können am PC direkt ausgefüllt oder ausgedruckt werden. Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichtssituation angepasst werden. Ordner Didaktische Hinweise Arbeitsblätter (mit Lösungen) Bilder / en Filmtext Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Materialien Hinweise zum Einsatz des Films, der Sequenzen und der ergänzenden Arbeitsmaterialien 1) Die Röntgenstrahlung 2) Entdeckung der Röntgenstrahlung 3) Strahlenschutz 4) Computertomographie (CT) 5) Magnetresonanztomographie (MRT) 6) MRT, CT und Röntgen im Vergleich Elektromagnetisches Spektrum (mit und ohne Info) Röntgenröhre (mit und ohne Info) Röntgenspektrum(mit und ohne Info) Absorptionsgrad Strahlenbelastung Aufbau eines CT-Gerätes (mit und ohne Beschriftung) (3D) CT-Schnittbilder des menschlichen Hirns 4 en zur Ablenkung der Wasserstoffatome Messen des Signals CT und MRT im Vergleich Sicherheitskontrollen mit Röntgenstrahlung Funktionelle Magnetresonanztomographie Filmtext als PDF-Dokument Übersicht über den Aufbau der DVD Informationen zu ergänzenden FWU-Medien Produktionsangaben zur DVD und zum Film 9

10 Programmstruktur Untermenü Hauptmenü Blick in den Körper Röntgenstrahlung Blick in den Körper Röntgen, MRT und Co. 25 min Sequenzen / en Computertomographie (CT) Sequenzen / / Bilder Magnetresonanztomographie (MRT) Sequenz / en CT und MRT im Vergleich Anwendung und Forschung Arbeitsmaterial Arbeitsmaterial Didaktische Hinweise 6 Arbeitsblätter 11 en 6 Bilder Filmtext Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Sequenz / Sequenz / Bilder Röntgenstrahlung Was ist Röntgenstrahlung? 2:50 min Wie entsteht Röntgenstrahlung? 4:40 min Wie gefährlich ist Röntgenstrahlung? 3:30 min Elektromagnetisches Spektrum Röntgenröhre Röntgenspektrum Absorptionsgrad Strahlenbelastung Computertomographie (CT) Computertomographie (CT) 3:10 min Aufbau eines CT-Gerätes Ein Bild aus Bildern 4 Bilder Magnetresonanztomographie (MRT) Magnetresonanztomographie (MRT) 5:50 min Ungeordnete Wasserstoffatome Wasserstoffatome im statischen Magnetfeld Ablenkung durch ein Störmagnetfeld Relaxation Messen des Signals CT und MRT im Vergleich CT und MRT im Vergleich 1:40 min CT und MRT im Vergleich Anwendung und Forschung Anwendung und Forschung 2:10 min Sicherheitskontrollen mit Röntgenstrahlung Bild Funktionelle Magnetresonanztomographie Bild 10

11 Produktionsangaben Blick in den Körper Röntgen, MRT und Co. (DVD) Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2015 DVD-Authoring und Design TV Werk München im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2015 DVD-Konzept Dr. Maike Schuchmann Coverbild Levent Konuk / Thinkstock Bildmaterial Wikicommons: Mikael Häggström; User: Mattes; John Graner Agentur KMR; stockdevil / Thinkstock Arbeitsmaterial Jutta Dernbach, Thomas Mühlbauer Pädagogische Referentin im FWU Dr. Maike Schuchmann Produktionsangaben zum Film Blick in den Körper Produktion heureka! film im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2015 Drehbuch Jutta Dernbach, Thomas Mühlbauer, Alexander Böhle Regie und Bildgestaltung Alexander Böhle Animationen Markus Krämer Sprecher Ronald Spiess Fachberatung Jutta Dernbach, Thomas Mühlbauer Redaktion Dr. Maike Schuchmann Verwendetes Bildmaterial mit freundlicher Genehmigung von Siemens AG, Healthcare TELUS World of Science Wir bedanken uns bei allen Beteiligten für die freundliche Unterstützung, besonders bei Andreas Ilgmeier MIND!-Center Universität Würzburg Jutta Dernbach, Thomas Mühlbauer Universitätsklinikum Würzburg Prof. Dr. med. Thorsten Bley Röntgen-Kuratorium Würzburg e.v. Roland Weigand Universität Würzburg Prof. Dr. Peter Michael Jakob Malteser Hilfsdienst e.v. Würzburg Christina Gold, Andreas Steinisch, Zsolt Schmidt Siemens AG, Healthcare Dr. Bernd Ohnesorge, Kerstin Müller, Roland Papenfuß Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS Dr. Torsten Brandmüller, Thomas Kondziolka Nur Bildstellen/Medienzentren: öv zulässig 2015 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon (089) Telefax (089) info@fwu.de vertrieb@fwu.de Internet 11

12 Didaktische FWU-DVD Blick in den Körper Röntgen, MRT und Co. Die Entdeckung der Röntgenstrahlung im Jahr 1895 machte es dem Menschen zum ersten Mal möglich, ohne operative Eingriffe in Körper zu schauen. Seitdem hat sich viel getan. Neue bildgebende Verfahren eröffnen einen faszinierenden und immer detaillierteren Blick in das Innere von Lebewesen oder Gegenständen. Diese Produktion erklärt anschaulich die verschiedenen Verfahren, beleuchtet ihre Vor-und Nachteile und zeigt ihren Nutzen für den Menschen. Im Arbeitsmaterial stehen Arbeitsblätter, en, Bilder und weitere ergänzende Unterrichtsmaterialien zur Verfügung. Erscheinungsjahr: 2015 Laufzeit: 25 min Film: 1 Filmsequenzen: 7 en / Bilder: 17 Sprache: DVD-ROM-Teil: Arbeitsblätter: Adressaten: Deutsch Unterrichtsmaterialien 6 (mit Lösungen) Allgemeinbildende Schule (Klasse 8-13) Schlagwörter: Absorption; Anode; Atom; Atomkern; Atommodell; Bildgebung; Bremsstrahlung; Computertomographie; CT; Diagnostik; Dipol; Elektromagnetismus; Elektron; Energie; Energiedifferenz; fmrt; Gray; Induktion; ionisierende Strahlung; Kathode; Kathodenstrahlung; Kontrastmittel; Körper; Magnetfeld; Magnetresonanztomo graphie; Medizin; MRT; nichtinvasiv; Proton; Radiowellen; Relaxation; Röntgen, Wilhelm Conrad; Röntgenkunde; Röntgenröhre; Sievert; Signal; Spektrum; Strahlenbelastung; Strahlenschutz; Strahlung; Wasserstoff; Wellenlänge Systematik: Physik Biologie Lehrprogramm gemäß 14 JuSchG Elektrizitätslehre Elektrodynamik Technische Anwendungen Atomphysik Technische Anwendungen Magnetismus Technologie Allgemeine Biologie Biologische Forschung, biologische Arbeitsmethoden GEMAFREI FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz Grünwald Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) info@fwu.de Bestell-Hotline: +49 (0) vertrieb@fwu.de