外部放射線治療

外部放射線治療
外部放射線治療
	骨盤の放射線療法。正確な位置を決定するために、脚の下にレーザーと型を使用します。ICD10 = D?0
その他の名前	遠隔治療
ICD-9-CM	92.21-92.26
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体外放射線療法（EBRT）は、体外の放射線源から高エネルギーの平行イオン化放射線ビームを照射してがん細胞を標的にし、死滅させる放射線療法の一種です。放射線療法ビームは、一定方向に進む粒子で構成されています。各放射線療法ビームは、治療に使用することを目的とした 1 種類の粒子で構成されていますが、ほとんどのビームには他の種類の粒子が多少混入しています。

放射線治療ビームは、照射する粒子によって分類され、光子（X線またはガンマ線）、電子、重イオンなどがあります。体外放射線治療では、X線と電子ビームが圧倒的に広く使用されています。オルトボルテージ（「表在性」）X線は、皮膚がんや表在組織の治療に使用されます。メガボルテージX線は深部腫瘍（膀胱、腸、前立腺、肺、脳など）の治療に使用され、メガボルテージ電子ビームは通常、深さ約5cmまでの表在病変の治療に使用されます。少数のセンターでは、標的深部より下では吸収線量が急速に減少するため、より重い粒子、特に陽子のビームを使用する実験プログラムやパイロットプログラムを運用しています。

遠隔治療は、最も一般的な放射線治療（放射線療法）です。患者はソファに座るか横になり、体外の電離放射線源を体の特定の部分に向けます。放射線源が体内にある密封線源放射線治療（密封線源放射線治療）や非密封線源放射線治療とは対照的に、体外放射線治療では体外から腫瘍に放射線を照射します。

X線とガンマ線

従来、診断用および治療用のガンマ線およびX 線のエネルギーはキロ電子ボルト(keV) またはメガ電子ボルト(MeV)のオーダーであり、治療用電子のエネルギーはメガ電子ボルトのオーダーです。ビームはエネルギーのスペクトルで構成されており、最大エネルギーは線形加速器内のビームの最大電位と電子の電荷の積にほぼ等しくなります。たとえば、1 メガボルトのビームは、最大エネルギーが約 1 MeV の光子を生成します。実際には、平均 X 線エネルギーは最大エネルギーの約 3 分の 1 です。ビームの品質と硬度は、X 線フィルターによって改善される可能性があり、これにより X 線スペクトルの均一性が向上します。

医療に有用な X 線は、電子が、光電効果が優勢になるエネルギー(診断用途では、光電効果は有効原子番号Zで比較的優れたコントラストを提供するため) またはコンプトン散乱と対生成が優勢になるエネルギー (前者の場合は約 200 keV 以上、後者の場合は 1 MeV 以上) まで加速されたときに生成され、治療用 X 線ビームとして使用されます。医療で使用される X 線エネルギーの例は次のとおりです。

非常に低エネルギーの表面X線 – 35～60 keV（軟部組織のコントラストを優先するマンモグラフィーでは、非常に低エネルギーのkV X線を使用します）
表面放射線療法X線 – 60～150 keV
診断用 X 線 – 20 ～ 150 keV (マンモグラフィーから CT)。これは、最大の軟部組織のコントラストを与える光電効果が優勢となる光子エネルギーの範囲です。
オルソボルテージX線– 200～500 keV
超高圧X線 – 500～1000 keV
メガボルト X 線– 1 ～ 25 MeV (実際には、15 MeV を超える公称エネルギーは臨床診療ではあまり使用されません)。

メガボルトX線は、広範囲の癌の治療のための放射線療法において、圧倒的に最も一般的なものです。表在X線と直立X線は、皮膚表面または皮膚表面近くの癌の治療に応用されています。^[1]通常、高エネルギーのメガボルトX線は、「皮膚温存」を最大化したい場合に選択されます（このような高エネルギービームでは皮膚への相対線量が低いため）。

医学的に有用な光子ビームは、イリジウム 192、セシウム 137、コバルト 60などの放射性源からも生成できます。(ラジウム 226も過去にそのような源として使用されていましたが、この用途ではより害の少ない放射性同位元素に置き換えられました。)放射性崩壊から生成されるこのような光子ビームは、線形加速器からの連続制動放射線スペクトルとは対照的に、ほぼ単色です。これらの崩壊にはガンマ線の放出が含まれ、そのエネルギーは同位体によって異なり、300 keV から 1.5 MeV の範囲です。

表面放射線治療装置は、皮膚疾患の治療のために、診断用X線装置と同じエネルギー範囲（20～150 keV）の低エネルギーX線を生成します。 ^[2] オルソボルテージX線装置は、200～500 keVの範囲の高エネルギーX線を生成します。オルソボルテージX線装置からの放射線は、その優れた透過能力により「深部」放射線と呼ばれ、低エネルギーの「表面」放射線では到達できない深さの腫瘍を治療することができます。オルソボルテージ装置は、診断用X線装置と基本的に同じ設計で、一般に光子エネルギーは600 keV未満に制限されています。1 MeV程度のエネルギーのX線は、線形加速器（「リニアック」）で生成されます。リニアックが医療放射線療法に初めて使用されたのは 1953 年です。市販の医療用リニアックは、4 MeV から約 25 MeV までのエネルギー範囲の X 線と電子を生成します。X 線自体は、ターゲット材料 (通常はタングステン合金) 内で電子が急速に減速することによって生成され、制動放射線によって X 線スペクトルが生成されます。リニアックによって生成されるビームの形状と強度は、さまざまな方法で変更またはコリメートできます。したがって、従来型、コンフォーマル、強度変調、断層撮影、および定位放射線療法はすべて、特別に改造された線形加速器を使用して提供されます。

コバルトユニットはコバルト60からの放射線を利用しており、1.17 MeVと1.33 MeVの2つのガンマ線、つまり平均エネルギー1.25 MeVの二色ビームを放出する。コバルトユニットの役割は、より高いエネルギーの放射線を生成できる線形加速器に大きく置き換えられた。^[3]^{[4]それでも、コバルト治療は、現代の線形加速器に比べて機械が比較的信頼性が高く、保守が簡単であるため、}ガンマナイフなどのいくつかの用途にまだ残っている。

X線の発生源と特性

制動放射線X線は、高エネルギー陰極線（電子）をタングステンなどの高原子番号の材料でできたターゲットに照射することで生成される。ターゲットは一種の変換器として機能し、電子の運動エネルギーの一部を高エネルギー光子に変換する。キロボルトX線は通常、X線管を使用して生成される。X線管では、電子が真空中を熱陰極から冷陽極（ターゲットとしても機能する）まで移動する。ただし、この方法でメガボルトX線を生成することは非現実的であるため、そのようなエネルギーのX線を生成するには、代わりに線形加速器が最も一般的に使用されている。X線放射は、メガボルトのエネルギーではより前方に向けられ、キロボルトのエネルギーではより横方向に向けられる。^[5]その結果、キロボルトX線は、放射線がターゲットの表面から放射される反射型ターゲットを使用して生成される傾向があり、メガボルトX線は、X線が電子入射の反対側から放射される透過型ターゲットを使用して生成される傾向があります。反射型ターゲットはヒール効果を示し、回転陽極を使用して熱放散を助けることができます。

コンプトン散乱はメガボルトビームと患者の間で支配的な相互作用ですが、 keV エネルギーでは光電効果が支配的です。さらに、コンプトン散乱は光電効果ほど原子番号に依存しません。キロボルトビームは医療用画像診断で筋肉と骨の区別を強調しますが、メガボルトビームはその区別を抑制して遠隔治療に有利になります。対生成と光中性子生成はエネルギーが高くなると増加し、1 MeV 程度のエネルギーでのみ顕著になります。

keV 範囲の X 線エネルギーは、それを生成するために使用される電圧によって表されます。たとえば、100 kVp のビームは、X 線管に 100 kV の電圧を印加することで生成され、最大光子エネルギーは 100 keV になります。ただし、ビームのスペクトルは、電圧波形や外部X 線フィルターなどの他の要因によっても影響を受ける可能性があります。これらの要因は、空気中で「良好な形状」の条件下で測定されたビームの半価層(HVL) に反映されます。一般的な表面 X 線エネルギーは、3 mmAl あたり 100 kVp です。つまり、「測定された半価層が 3 ミリメートルのアルミニウムである X 線管に 100 キロボルトを印加する」ということです。オルト電圧ビームの半価層は、より一般的には銅を使用して測定されます。一般的なオルト電圧エネルギーは、2 mmCu あたり 250 kVp です。^[6] MeV範囲のX線の場合、ビームの生成に同じ大きさの実際の電圧は使用されません。6MVビームには、6MeVではなく1MeV以下の光子が含まれます。このようなビームのエネルギーは、通常、媒体内のさまざまな深さでのビームの強度の比を測定することによって特徴付けられます。

キロボルトビームはビルドアップ効果を示さないため、最大線量は表面に蓄積されます（すなわち、d _max = 0 または D ₀ = 100%）。逆に、メガボルトビームはビルドアップ効果の蓄積を示します。最大線量は表面下の特定の深さに蓄積されます（すなわち、d _max > 0）。線量最大深度は、コンプトン散乱中に上流で解放された電子の範囲によって決まります。d _{maxを超える深さでは、すべてのX線ビームの線量プロファイルは深さとともにほぼ指数関数的に減少します。d}_maxの実際の値はさまざまな要因によって左右されますが、以下は代表的なベンチマーク値です。^[7]

電子

X 線は、高原子番号の物質に電子を照射することで生成されます。ターゲットが除去され (ビーム電流が減少)、高エネルギーの電子ビームが得られます。電子ビームは、最大線量の沈着が表面近くで発生し、その後深さとともに急速に減少して下層組織を温存するため、表面の病変の治療に有効です。電子ビームの公称エネルギーは通常 4～20 MeV の範囲で、これは約 1～5 cm (水等価組織) の治療範囲に相当します。18 MeV を超えるエネルギーはほとんど使用されません。電子モードでは X 線ターゲットが除去されますが、治療組織で平坦で対称的な線量プロファイルを実現するために、ビームを薄い散乱フォイルのセットで扇状に広げる必要があります。

多くの線形加速器は電子とX線の両方を生成できます。

ハドロン療法

ハドロン治療は、陽子、中性子、およびより重いイオン（完全に電離した原子核）を治療に利用するものである。これらのうち、陽子線治療は圧倒的に最も一般的であるが、大型で高価な装置を必要とするため、他の形態の外部放射線治療と比較するとまだまれである。ガントリー（患者の周りを回転する部分）は複数階建ての構造であり、陽子線治療システムのコストは（2009年現在）最大1億5000万ドルに達する可能性がある。^[8]

マルチリーフコリメータ

現代の直線加速器にはマルチリーフコリメータ（MLC）が装備されており、リニアックガントリーの回転に合わせて放射線照射野内を移動し、ガントリーの位置に応じて必要に応じて照射野を遮蔽することができます。この技術により、放射線治療計画者は危険臓器（OARS）を非常に柔軟に遮蔽しながら、規定の線量が標的臓器に確実に照射されるようになります。一般的なマルチリーフコリメータは、40～160枚のリーフが2セットあり、それぞれの厚さが約5～10 mmで、他の2つの方向の長さが数センチメートルです。MLCの各リーフは放射線照射野と平行に配置されており、独立して移動して照射野の一部を遮り、腫瘍の形状に合わせて（リーフの位置を調整することで）照射野を適合させることができます。これにより、放射線被ばくの影響を受ける健康な組織の量を最小限に抑えることができます。MLCのない旧式のリニアックでは、これを手作業で作成したブロックを使用して手動で行う必要があります。

強度変調放射線治療

強度変調放射線治療（IMRT）は、治療野で照射される正常組織の量を最小限に抑えるために使用される高度な放射線治療技術です。一部のシステムでは、治療中にMLCのリーフを動かすことでこの強度変調が実現され、それによって非均一な（つまり変調された）強度の放射線野が照射されます。IMRTを使用すると、放射線腫瘍医は放射線ビームを多数のビームレットに分割し、各ビームレットの強度を変えることができ、医師は腫瘍近くの健康な組織が受ける放射線の量をさらに制限することができます。医師は、これにより腫瘍に安全に高線量の放射線を照射できる場合があり、治療が成功する可能性が高まる可能性があることを発見しました。^[9]

体積変調アーク療法

体積変調アーク治療（VMAT）は、直線加速器が患者の周りを回転することを特徴とするIMRTの拡張版です。これは、放射線が少数の固定角度で患者に入るのではなく、多くの角度で患者に入ることができることを意味します。これは、標的体積が数値で囲まれている治療部位に有益であり、近くの臓器を高レベルの放射線にさらすことなく、標的を絞った治療を可能にします。^[10]

フラット化フィルター無料

メガボルト線形加速器で生成される X 線の強度は、ビームの端に比べて中央の方がはるかに高くなります。この中央のピークを相殺するために、平坦化フィルターが使用されます。平坦化フィルターは、入射電子の運動量の順方向バイアスを補正するために円錐形になっています (通常はタングステンなどの金属で作られています)。X 線ビームが平坦化フィルターを通過すると、プロファイルがより均一になります。これにより、ビームの強度が大幅に低下しますが、治療計画が簡素化されます。計算能力が向上し、治療計画アルゴリズムが効率化されるにつれて、より単純な治療計画手法 (計画者が線形加速器に直接指示して規定の治療を行う「フォワードプランニング」など) の必要性が減ります。これにより、平坦化フィルターを使用しない (FFF) 治療への関心が高まっています。

FFF治療では最大線量率が高く、治療時間が短縮され、治療の実施に対する患者の動きの影響が軽減されることがわかっています。このため、FFFは定位放射線治療において特に興味深い分野となっています。^[11]たとえば、乳がんの治療では、治療時間が短縮されることで患者の動きが軽減され、乳房治療では呼吸の動きが軽減される可能性があります。^[12]

画像誘導放射線治療

画像誘導放射線治療（IGRT）は、放射線治療に画像診断を付加して標的の位置特定精度を高め、治療野における健康な組織の量を減らす。患者がIMRTやハドロン治療などの高度な治療技術の恩恵を受けられるようにするには、誤差範囲が最大0.5mmの患者位置合わせ精度が望ましい。そのため、立体デジタルキロボルト画像に基づく患者位置検証（PPVS）^{[13]や、原位置コーンビーム}コンピュータ断層撮影（CT）に基づく位置合わせ推定などの方法により、現代のIGRTアプローチの範囲が広がっている。

参照

参考文献

^ Hill, R.; Healy, B.; Holloway, L.; Kuncic, Z.; Thwaites, D.; Baldock, C. (2014). 「キロボルトX線ビーム線量測定の進歩」.医学と生物学における物理学. 59 (6): R183–R231. doi :10.1088/0031-9155/59/6/R183.
^ House, Douglas W. (2016年3月18日). 「Sensus Healthcare、IPOに向けて準備中」. Seeking Alpha . 2016年3月19日閲覧。
^ Podgorsak, EB「外部放射線治療用治療機器」。放射線腫瘍物理学レビュー: A (PDF)。pp. 105–132。
^ Page, BR; Hudson, AD; Brown, DW; et al. (2014). 「コバルト、リニアック、その他: 発展途上国における放射線治療の最適な解決策は何か?」Global Health . 89 (3): 476–480. doi :10.1016/j.ijrobp.2013.12.022.
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^ 「1億5000万ドルのザッパー」。Forbes。
^ 「外部放射線療法」。2010年2月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。
^ 「IMRTとVMAT」www.christie.nhs.uk。2016年10月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年9月29日閲覧。
^ Georg, Dietmar; Knöös, Tommy; McClean, Brendan (2011). 「フラットニングフィルターフリー光子ビームの現状と将来展望」. Medical Physics . 38 (3): 1280–1293. Bibcode :2011MedPh..38.1280G. doi : 10.1118/1.3554643 . PMID 21520840.
^ コイヴマキ、トゥオーマス;ヘイッキラ、ヤンネ。ヴァナネン、アンシ。コスケラ、クリスティーナ。シランマキ、サーラ;セペラ、1 月 (2016)。「左側乳がんの息止め治療における平坦化フィルターを使用しない技術: ビームオン時間と線量分布への影響」。放射線療法と腫瘍学。118 (1): 194–198。土井：10.1016/j.radonc.2015.11.032。PMID 26709069。
^ Boris Peter Selby、Georgios Sakas 他 (2007) 陽子線治療における 3D アライメント補正。ドイツ生物医学工学会 (DGBMT) 会議議事録。アーヘン。

一般的な参考文献

放射線治療物理学の実践、JRウィリアムズとDIスウェイツ編、オックスフォード大学出版局UK（第2版2000年）、ISBN 0-19-262878-X
Ionactive による線形粒子加速器 (Linac) アニメーション
- http://www.myradiotherapy.com
表面放射線療法
放射線医学総合研究所（日本）

[1] Hill, R.; Healy, B.; Holloway, L.; Kuncic, Z.; Thwaites, D.; Baldock, C. (2014). 「キロボルトX線ビーム線量測定の進歩」.医学と生物学における物理学. 59 (6): R183–R231. doi :10.1088/0031-9155/59/6/R183.

[2] House, Douglas W. (2016年3月18日). 「Sensus Healthcare、IPOに向けて準備中」. Seeking Alpha . 2016年3月19日閲覧。

[3] Podgorsak, EB「外部放射線治療用治療機器」。放射線腫瘍物理学レビュー: A (PDF)。pp. 105–132。

[4] Page, BR; Hudson, AD; Brown, DW; et al. (2014). 「コバルト、リニアック、その他: 発展途上国における放射線治療の最適な解決策は何か?」Global Health . 89 (3): 476–480. doi :10.1016/j.ijrobp.2013.12.022.

[5] Johns, , HE, & Cunningham, JR (1983). 放射線物理学。Charles C. Thomas。

[6] Cohen, ML (1972). 放射線治療に使用するための中心軸深部線量データ - 病院物理学者協会の後援のもとで作成された調査。British Journal of Radiology、Suppl 11:8-17。

[7] Jani, SK (1993). 放射線治療のための線量測定データハンドブック. CRC. 62 ページ

[8] 「1億5000万ドルのザッパー」。Forbes。

[9] 「外部放射線療法」。2010年2月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。

[10] 「IMRTとVMAT」www.christie.nhs.uk。2016年10月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年9月29日閲覧。

[11] Georg, Dietmar; Knöös, Tommy; McClean, Brendan (2011). 「フラットニングフィルターフリー光子ビームの現状と将来展望」. Medical Physics . 38 (3): 1280–1293. Bibcode :2011MedPh..38.1280G. doi : 10.1118/1.3554643 . PMID 21520840.

[12] コイヴマキ、トゥオーマス;ヘイッキラ、ヤンネ。ヴァナネン、アンシ。コスケラ、クリスティーナ。シランマキ、サーラ;セペラ、1 月 (2016)。「左側乳がんの息止め治療における平坦化フィルターを使用しない技術: ビームオン時間と線量分布への影響」。放射線療法と腫瘍学。118 (1): 194–198。土井：10.1016/j.radonc.2015.11.032。PMID 26709069。

[13] Boris Peter Selby、Georgios Sakas 他 (2007) 陽子線治療における 3D アライメント補正。ドイツ生物医学工学会 (DGBMT) 会議議事録。アーヘン。