放射線治療 1-7 平坦化フィルタはなぜX線を平らにするの？

ターゲットから出たＸ線は、そのまま使えるの？

『第6章』では、高エネルギー電子がターゲットで制動放射を起こし、MVＸ線が発生するところまで見てきました。

そこで確認したのが、ターゲット直後のＸ線は中心軸方向が強い前方集中型の分布になるということです。

では、このまま患者へ照射すればよいのでしょうか？

従来型のFFビームでは、そのままでは使いません。

中心軸付近のＸ線をより強く減弱させて、治療に使いやすいビームプロファイルへ整えるために使われるのが、平坦化フィルタ（Flattening Filter：FF）です。

この章では、

「なぜFFの中央は厚い？」

「“平坦”とは、どの深さでも平らという意味？」

「FFFにすると何が変わる？」

「TrueBeamとElektaではFFFの作り方が同じ？」

という順番で整理します。

なぜ平坦化フィルタは中央が厚いの？

第６章で見たように、MV領域の制動Ｘ線は電子の進行方向へ強く放出されます。

そのため、ターゲット直後では中心軸付近のＸ線強度が高く、外側へ行くほど弱い分布になります。

この中心の強い成分をそのまま患者へ照射すると、開放野の線量分布は中央が高いままです。

そこで平坦化フィルタは、

中央を厚く、外側ほど薄く

した形状になっています。

中央のＸ線は厚い部分を通るため強く減弱され、外側のＸ線は比較的薄い部分を通るため減弱が小さくなります。

その結果、基準条件で見ると、中心から外側までの線量分布が比較的平坦になります。

図１は、ターゲット直後の中心軸が高い分布を、平坦化フィルタによって補正する考え方を示した模式図です。

FFの本質

平坦化フィルタはＸ線を「増やして平らにする」のではありません。

中心側をより強く減弱させることで、相対的に平坦な分布へ整える装置です。

「平坦化」といっても、すべての深さで平らになるわけではない

ここは言葉だけで覚えると誤解しやすいところです。

「Flattening Filter」という名前から、

患者体内のどの深さでも線量が完全に平らになる

ように感じますが、実際はそうではありません。

従来の医療用リニアックの平坦化フィルタは、水中10 cm深で比較的平坦なビームを得るよう設計されます。

そのため、浅い深さでは補正が効きすぎて、中心軸よりも外側の線量が高くなることがあります。

つまり、

FFは、規定した基準条件で所定の平坦度を得るように設計されている

と考える方が正確です。

「平坦」の意味に注意

FFビームでも、深さ・照射野サイズ・軸外位置によってプロファイルは変化します。

「FFを通れば、どこでも完全に一定になる」という意味ではありません。

なぜFFを通すと、ビームのエネルギー分布も変わるの？

平坦化フィルタは、単純にＸ線の数だけを減らしているわけではありません。

一般に、低エネルギーのＸ線ほど物質に吸収されやすいため、フィルタを通ることで低エネルギー成分がより多く除かれます。

その結果、透過したビームでは平均的なエネルギーが高くなります。

これがビーム硬化（beam hardening）です。

さらに、FFは中央が厚く外側ほど薄いため、中心軸のＸ線ほど強いビーム硬化を受けます。

平坦化フィルタを通過したMVＸ線では、極端な軸外方向の実効エネルギーが中心軸方向より低くなります。

つまりFFは、

強度分布だけでなく、ビームのエネルギースペクトルにも影響する

ということです。

では、FFFは何を「なくした」ビームなの？

FFFは、

Flattening Filter Free

の略です。

文字どおり、従来型の平坦化フィルタを使用しない光子ビームです。

ここで注意したいのは、

FFF＝治療ヘッドの中に何もない

という意味ではないことです。

実際の装置には、ターゲット、一次コリメータ、モニタ線量計、二次コリメータやMLCなど、さまざまな構成要素があります。

ElektaのFFFの代表的な構成では、従来の平坦化フィルタの代わりにステンレス鋼のディスクをビーム経路へ置きます。

したがってFFFは、

「通常の平坦化フィルタを使わないモード」

と理解するのが適切だと思っています。

FFを外すと、ビームはどう変わるの？

平坦化フィルタを使わなくなると、ビームにはいくつかの特徴的な変化が現れます。

１．開放野プロファイルは中心軸が高くなる

FFFでは中心軸を強く減弱するFFがないため、ターゲット由来の前方集中型の特徴が残ります。

そのため、開放野プロファイルは中央が高いピーク状になります。

これはFFFの異常ではなく、もともとの制動Ｘ線の角度分布に近い形が残っていると考えると理解しやすくなります。

２．高い線量率を設定しやすくなる

FFは中心軸付近のＸ線を大きく減弱しています。

そのFFを使用しないFFFでは、より多くの光子を治療ビームとして利用できるため、高い最大線量率を設定しやすくなります。

そのため、SRSやSBRTのように１回あたりの線量が大きい治療では、beam-on timeを短縮できる可能性があります。

ただし、

線量率が高い＝治療全体が必ず同じ割合で短くなる

わけではありません。

実際の照射時間は、MLCの動き、ガントリ速度、制御点、線量変調の程度などにも左右されます。

３．ヘッド散乱が減る

FFそのものもＸ線と相互作用するため、そこから二次的な散乱線が発生します。

FFFではこの大きなフィルタがなくなるため、ヘッド散乱や照射野外線量が低下する傾向があります。

つまりFFFには、

中心軸方向の強度をそのまま活用できる

ことに加えて、

治療ヘッド内で発生する余分な散乱を減らせる

という側面があります。

４．光子スペクトルも変わる

FFがなくなると、FFによるビーム硬化もなくなります。

ただし、ここはメーカーによって考え方が違います。

単純に「FFFは必ずFFより軟らかい」と覚えると、Elektaでは正確でない場合があります。

FFがないのに、なぜ今の放射線治療では使えるの？

従来の放射線治療では、開放野そのものが比較的平坦であることに大きな意味がありました。

しかし現在は、IMRTやVMATのようにMLCを動かして照射強度を細かく変調する治療が広く使われています。

最終的に必要なのは、

１本の開放野が最初から平坦であること

ではなく、

複数方向・複数形状のビームを組み合わせて、患者内で必要な線量分布を作ること

です。

そのため、FFFのピーク状プロファイルであっても、TPSによる最適化とMLCによる強度変調を組み合わせることで臨床利用できます。ただし、MLCによる強度変調がFFFの利用に常に必要なわけではありません。小照射野のSRS・SBRTでは、変調なしのFFFを用いた3D-CRTも利用できます。

特に高線量率を生かしやすいSRS・SRT・SBRTでは、FFFが利用される場面が多くあります。

FFとFFFの考え方

FF：開放野そのものを比較的平坦にしてから使う

FFF：中心軸が高い開放野プロファイルを、照射野や治療法に応じて利用する。IMRT・VMATではTPSとMLCによる強度変調を用い、小照射野では変調なしで利用する場合もある

発展編｜TrueBeamとVersa HDでは、FFFの作り方が違う

ここは、FFFを理解するうえで非常に重要なメーカー差です。

Varian TrueBeamとElekta Versa HDでは、同じ「6FFF」「10FFF」という名前でも、ビームを作る考え方が異なります。

TrueBeam：対応するFFと同じ電子ビームを使う

TrueBeam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ビームを共通にしています。

つまり、FFとFFFでターゲットへ入る電子エネルギーは同じです。

その状態で平坦化フィルタを外すため、FFFではFFで起こっていたビーム硬化が減ります。

その結果、同じ「6 MV」「10 MV」という名称でも、FFFの方が対応するFFより透過性が低いビーム質になります。

Elekta：FFF専用のEnergy Setを持つ

一方、Elektaのリニアックは、各ビームごとにEnergy Setと呼ばれる独立した設定を持ちます。

Energy Setには、RFや電子銃など、電子ビームを規定する設定が含まれます。

FFFにはFFとは別のEnergy Setを設定できるため、FFF側の電子ビーム条件を調整して、対応するFFビームに近い透過性を持たせることができます。

Elekta Versa HDでは、FFFをHigh Dose Rate Modeと呼びます。

この違いがあるため、

「6FFFだから、どのメーカーでも同じビーム質」

とは限りません。

同じ公称エネルギーでも、装置の設計思想によってPDDやTPR、プロファイルなどの特性は異なります。TrueBeamとVersa HDのFF／FFFでも、これらの特性に違いがあります。

FFFでは「flatness」をどう考えるの？

FFFの開放野は、そもそも中央が高いピーク状です。

したがって、従来のFFビームと同じ「平坦度」の考え方を、そのままFFFへ当てはめるのは適切ではありません。

FFFでは、

• 左右の対称性

• 基準となるFFFプロファイルとの一致

• 中心から外側へ落ちていく形状

などを確認する必要があります。

FFFビームのQAには、正規化したプロファイルを利用したunflatnessやslopeなどの指標があります。

ここでは細かな定義を暗記するよりも、

FFFは「平らであること」を評価するビームではなく、決められたピーク状プロファイルが安定して再現されることを確認する

と理解しておくと整理しやすくなると思います。

FFとFFFを整理すると

FFFがFFより「優れている」という単純な関係ではありません。

治療計画、対象部位、線量、照射野、装置特性などに応じて、ビームの使い方や照射方法を選びます。

３つの問いで振り返る！

• なぜFFの中央は厚い？　中心軸付近の強いＸ線を、外側より強く減弱させるため。

• FFFでは何が変わる？　開放野がピーク状になり、高線量率化、ヘッド散乱低下、スペクトル変化などが起こる。

• FFFはどの装置でも同じ？　いいえ。TrueBeamとVersa HDでは、対応するFFとの電子ビーム条件の作り方が異なる。

第６章とつなげると、

ターゲットで前方集中型のＸ線が生まれる → FFなら中心を減弱して平坦化する → FFFならそのピーク状分布を残して利用する

という流れです。

次は、もう一つの治療ビーム「電子線」へ

ここまではＸ線モードを中心に、ターゲットでＸ線をつくり、FF／FFFでビームを整える流れを見てきました。

ただし、リニアックは加速した電子そのものを治療に利用する電子線モードも持つことがあります。

電子線ではターゲットや平坦化フィルタを使う考え方が変わり、散乱箔や電子線アプリケータで臨床用の照射野をつくります。

次は、『第8章』で、「電子線の照射野は、どうやってつくるの？」を見ていきます。

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