放射線治療 1-6 ターゲットはどうやって電子からX線をつくるの？

高エネルギー電子は、ターゲットで何をしているの？

『第5章』では、加速管を出た電子をベンディングマグネットで曲げ、治療ヘッドへ運ぶところまで見てきました。

Ｘ線治療では、この電子をそのまま患者へ当てるわけではありません。

治療ヘッドの中で高エネルギー電子をＸ線ターゲット（X-ray target）へ入射させ、そこで制動X線を発生させます！

「電子がＸ線になる」は、正確には少し違う

最初に、よくある表現を整理しておきます。

電子そのものがＸ線へ変身するわけではありません。

高速の電子がターゲット原子核の近くを通ると、正に帯電した原子核の電場によって電子の進行方向が曲げられたり、速度が変化したりします。

荷電粒子である電子がこのような加速度運動をすると電磁波を放出します。このとき放出されるＸ線が制動Ｘ線（bremsstrahlung）です。

つまり、

高エネルギー電子 → 原子核の電場で減速・偏向 → 失った運動エネルギーの一部がＸ線光子として放出

という流れです。

図は制動放射が起こる１回の相互作用を取り出して模式的に示したものです。実際のターゲット内部では、１個の電子が何度も相互作用しながらエネルギーを失い、さまざまなエネルギーのＸ線光子を放出します。

まず押さえたいこと

ターゲットは「電子をＸ線へ変換する部品」と表現されますが、物理的には電子が失った運動エネルギーの一部をＸ線光子として取り出す部品です。

なぜ「制動Ｘ線」と呼ぶの？

bremsstrahlungはドイツ語で「制動放射」という意味です。

電子が原子核の電場で進路を曲げられるとき、電子はエネルギーの一部を光子として失います。

原子核の近くを通るほど強く相互作用し、大きなエネルギーを持つＸ線光子が生じる可能性があります。一方、比較的遠くを通れば相互作用は弱く、放出される光子のエネルギーも小さくなります。

そのため、発生するＸ線は１種類のエネルギーではなく、低エネルギーから入射電子の運動エネルギーを上限とする連続的なエネルギースペクトルを持ちます。

電子が１回の相互作用でほぼ全運動エネルギーを失えば、そのエネルギーに近いＸ線光子が生じることもあります。

特性Ｘ線も出るの？

ターゲットでは、入射電子が軌道電子をはじき出すことで特性Ｘ線も発生します。

ただし、MV領域では臨床Ｘ線スペクトルに占める特性Ｘ線の寄与は無視できるほど小さく、主体は制動Ｘ線になります！

したがって、医療用リニアックのＸ線発生を理解するときは、まず「制動Ｘ線」が中心と考えて大丈夫です。

なぜタングステンのような高Ｚ材料を使うの？

ターゲットには、原子番号Ｚの大きい材料が使われます。

電子が物質中で制動放射によって失うエネルギーと放射収率は、ターゲットの原子番号Ｚと電子の運動エネルギーが高いほど増加します。

つまり、高Ｚ材料ほど高エネルギー電子からＸ線を発生させるうえで有利です。

医療用リニアックではタングステン系材料が代表的です。

ただし、ターゲットに必要なのは「Ｘ線を出しやすい」ことだけではありません。

電子ビームが非常に小さな領域へ集中して入射するため、ターゲットには大きな熱負荷がかかります。そのため、実機では、

• 高い原子番号

• 高温に耐えられること

• 機械的に安定していること

• 熱を適切に逃がせること

などを考慮して材料や厚さが設計されています。

電子のエネルギーは、どれくらいＸ線になるの？

ここは、診断Ｘ線と混同しやすいところです。

診断用Ｘ線装置では、電子のエネルギーの約９９％が熱になり、約１％がＸ線になります。

しかし、この数字をそのままMVリニアックへ当てはめるのは正確ではありません。

Ｘ線ターゲット中の放射収率は、診断領域の約１００keVでは約１％程度である一方、MV領域ではおよそ１０～２０％に増加します。

電子エネルギーが高くなるほど、衝突によるエネルギー損失に対して制動放射による損失の割合が大きくなるためです！

ただし、この１０～２０％という値はターゲット中で電子が放射として失うエネルギー割合の一般的な目安です。

「入射電子の１０～２０％が、そのまま患者へ届く有用な臨床Ｘ線になる」という意味ではありません。

発生したＸ線の一部はターゲット内部や治療ヘッドで吸収されますし、残った電子のエネルギーや二次粒子もあります。

なぜMVのＸ線は前方へ強く出るの？

制動Ｘ線は、すべての方向へ同じ強さで放出されるわけではありません。放出される方向は、入射電子のエネルギーによって変化します。

診断領域（10～150 kV）では多くの光子が電子の進行方向に対して横方向へ放出されるのに対し、メガボルテージ領域（1～50 MV）では、電子の進行方向である前方へ強く放出されます。

ここでいう「前方」とは、高エネルギー電子がターゲットへ入射してきた方向の延長線上です。前方だけに細い１本のＸ線が出るわけではなく、実際にはある角度をもって広がります。その中でも中心軸付近の強度が高い、前方集中型の角度分布になります。

図は、電子エネルギーが高くなると制動Ｘ線の角度分布が前方へ集中することを示したものです。実際の角度分布は、電子エネルギーだけでなくターゲット材料や厚さなどによっても変化すると考えられます。

この性質のため、医療用リニアックのターゲット直後のＸ線は、中心軸方向が強く、外側へ行くほど弱くなる分布を持ちます。

この「そのままでは中心が強い」という特徴が、次の章で扱う平坦化フィルタ（Flattening Filter：FF）を理解する重要なポイントです。

従来型のFFビームでは、中心軸側のＸ線をより強く減弱させるフィルタを入れることで、治療距離で比較的平坦な線量分布をつくります。

一方、FFFではこの平坦化フィルタを使用しません。

ここは次章で詳しく見ていきます。

ターゲットは、厚ければ厚いほどいいの？

いいえ！！！

ターゲットを厚くすれば、電子が物質と相互作用する機会は増えます。

しかし、必要以上に厚くすると、せっかく発生したＸ線がターゲット内部で吸収されたり、散乱が増えたりします。熱負荷や電子の停止範囲も考える必要があります。

そのためターゲット厚は、

電子を十分に減速させてＸ線を発生させること

と

発生したＸ線を効率よく外へ取り出すこと

のバランスを考えて設計されます。

この厚さは装置固有なので、「医療用リニアックのターゲットは必ず○mm」と一般化することはできません。

Ｘ線モードと電子線モードでは、ターゲットはどうなる？

Ｘ線治療では、高エネルギー電子をターゲットへ当ててＸ線を発生させます。

一方、電子線治療では電子そのものを治療ビームとして利用するため、Ｘ線ターゲットを電子ビーム経路から外す必要があります。

一般的な高エネルギーリニアックの治療ヘッドには、複数の引き込み可能なＸ線ターゲットや電子線用の散乱箔などが含まれます。

つまり、

Ｘ線モード：電子 → ターゲット → 制動Ｘ線

電子線モード：ターゲットを避ける → 電子を散乱・整形して利用

という違いがあります。

実際の切り替え機構はメーカーや機種によって異なります。

発展編｜TrueBeamとElektaでは、ターゲットがどう違う？

ここからは、Varian TrueBeamとElekta／Versa HD系の代表的な構成を比べます。

TrueBeam：光子エネルギーに応じてターゲットを使い分ける

TrueBeamには複数のＸ線ターゲットがあり、ターゲットプラットフォームを移動して、選択した光子エネルギーに対応するターゲットへ電子を入射させます。

代表的な構成例では、

• Low X target：6X、6FFF

• Mid X target：8X～10X

• High X target：10FFF、15X

• Imaging target：2.5MV imaging

という使い分けです。

TrueBeamの6MV FFFと10MV FFFでは、タングステンターゲットを使用します。

さらにTrueBeamでは、同じ公称エネルギーのFFとFFFについて、ターゲットへ入射する電子エネルギーを同じにし、後段の平坦化フィルタの有無によってビーム特性を変えます。

TrueBeamの見方

「１個のターゲットですべてのＸ線エネルギーをつくる」と考えるのではなく、光子エネルギーに応じてターゲット位置を選択するシステムとして理解すると整理しやすくなります。

Elekta：Ｘ線モードと電子線モードでターゲット系の位置を切り替える

ElektaのTarget Systemは、２つのポジションを移動します。

Ｘ線モードでは、タングステンターゲットが電子ビーム経路に入る位置になります。

電子線モードでは、ターゲットの代わりに薄いニッケル窓が電子ビーム経路へ入ります。

ElektaのＸ線ターゲットは、

厚さ１mmのタングステン／レニウム合金

という構成です。

また、第５章で見たように、スラロームベンディングを通った電子ビームはターゲット上で直径約２mmへ集束されます。

電子がターゲットへほぼ直角に入射することで、対称的なＸ線ビームを形成します。

Elektaの見方

Ｘ線モードではW/Reターゲットを電子経路へ入れ、電子線モードでは薄いNi窓側へ切り替える、という２ポジションのターゲット系として理解できます。

TrueBeamとElektaを並べてみました

ここでも、構造の違いだけで装置性能の優劣を判断することはできません。

ターゲットは、電子エネルギー、焦点サイズ、RF系、ベンディング系、フィルタ、モニタ線量計などと組み合わせて設計されています。

ターゲットが劣化すると、何が起こる？

ターゲットは高エネルギー電子を直接受けるため、非常に厳しい環境にあります。

TrueBeamの6FFFで出力低下が続いた事例では、ターゲット位置をわずかに変えると出力が変化し、ターゲット交換後に出力挙動が改善しました。この結果から、ターゲット劣化が出力変化の原因と判断されました。

これは、ターゲットが単なる「金属板」ではなく、ビーム出力に直接関わる重要部品であることを示しています。

臨床では日常・定期QAで出力、エネルギー、対称性などを継続的に確認することが重要です。

ターゲットを３つの問いで振り返る

• 何を受け取る？　ベンディング系から届いた高エネルギー電子。

• 何をする？　電子を原子核の電場で減速・偏向させ、主に制動Ｘ線を発生させる。

• 何を次へ渡す？　前方に強い強度分布を持つMVＸ線。次のフィルタやコリメータの工程へ進む。

まとめると、ターゲットは、高エネルギー電子が持つ運動エネルギーの一部を制動Ｘ線として取り出す場所です！

ここまでをつなげると、

電子銃 → RF源 → 加速管 → ベンディング系 → ターゲット → Ｘ線

という、リニアックでＸ線が生まれるまでの流れが見えてきます。

次は、ターゲットから出たＸ線をどう整えるの？

ターゲットで発生したMVＸ線は、そのままでは中心軸方向に強い前方集中型の分布を持っています。

そこで治療ヘッドでは、一次コリメータやフィルタなどを使ってＸ線を整えていきます。

特に重要なのが、

平坦化フィルタ（FF）とFlattening Filter Free（FFF）の違い

です。

次は、「平坦化フィルタは、なぜＸ線を平らにするの？」を見ていきます。

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