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外部照射放射線療法（EBRT ）は、体外の線源から高エネルギーのコリメートされた電離放射線ビームを利用して癌細胞を標的にして死滅させる放射線療法の一種です。放射線療法ビームは粒子で構成されており、コリメータを使用して特定の方向に集束されます。[ 1 ]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による汚染が含まれています。
放射線治療用ビームは、照射する粒子の種類によって分類され、光子（X線やガンマ線など）、電子、重イオンなどがあります。外部照射放射線治療では、X線と電子ビームが最も広く使用されています。オルソボルテージ（「表在性」）X線は、皮膚がんや表在性組織の治療に使用されます。メガボルト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、一方、メガボルト電子ビームは通常、深さ約5cmまでの表在性病変の治療に使用されます 。少数の施設では、標的深部より下での吸収線量の急激な減少のため、より重い粒子、特に陽子のビームを用いた実験的およびパイロットプログラムを実施しています。
遠隔放射線療法は、最も一般的な放射線療法（放射線治療）の形態です。患者は治療台に座るか横になり、体外から電離放射線を照射します。放射線源が体内にある密封小線源放射線療法（密封線源放射線療法）や非密封線源放射線療法とは異なり、外部照射放射線療法は体外から腫瘍に放射線を照射します。
従来、診断および治療用ガンマ線および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、治療用電子線のエネルギーはメガ電子ボルトのオーダーである。ビームは様々なエネルギーのスペクトルから構成されており、最大エネルギーは、線形加速器内のビームの最大電位に電子電荷を乗じた値にほぼ等しい。例えば、1メガボルトのビームは、最大エネルギーが約1 MeVの光子を生成する。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である。ビームの品質と硬度は、X線スペクトルの均一性を向上させるX線フィルターによって改善できる。
医療に有用なX線は、電子を光電効果が支配的なエネルギー（診断用途の場合、光電効果は実効原子番号Zと比較的優れたコントラストを提供する）またはコンプトン散乱と電子対生成が 支配的なエネルギー（前者は約200keV以上、 後者は1MeV以上）まで加速したときに生成されます。医療で使用されるX線エネルギーの例をいくつか挙げます。
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一般的です。表在性およびオルソボルトX線は、皮膚表面または皮膚表面に近い癌の治療に使用されます。[ 2 ]通常、皮膚保護を最大化することが望ましい場合（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）、より高エネルギーのメガボルトX線が選択されます。
医療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などの放射性同位体からも得ることができます。（過去にはラジウム226もこのような同位体として使用されていましたが、現在はより害の少ない放射性同位体に置き換えられています。）放射性崩壊から得られるこのような光子ビームは、リニアックからの連続制動放射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。
表在放射線治療 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。 [ 3 ]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、透過能力が高いため「深部」と呼ばれ、低エネルギーの「表在」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基本的に診断用X線装置と同じ設計で、一般的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、リニアアクセラレータ（「リニアック」） で生成されます。医療用放射線治療にリニアックが初めて使用されたのは1953年のことです。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、標的物質（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発生し、制動放射によって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することができます。そのため、従来型放射線治療、コンフォーマル放射線治療、強度変調放射線治療、断層撮影放射線治療、および定位放射線治療はすべて、特別に改造されたリニアックを使用して提供されています。
コバルト装置は、1.17 MeVと1.33 MeVの2つのガンマ線を放出するコバルト60からの放射線を使用し 、平均エネルギー1.25 MeVの二色ビームを生成します。コバルト装置の役割は、より高エネルギーの放射線を生成できる線形加速器によって大部分が置き換えられました。[ 4 ] [ 5 ]それにもかかわらず、コバルト治療は、ガンマナイフなどの用途でまだ使用されています。これは、コバルト装置が最新の線形加速器に比べて比較的信頼性が高く、メンテナンスが容易であるためです。
制動放射X線は、タングステンなどの原子番号の大きい物質でできたターゲットに高エネルギーの陰極線（電子）を照射することによって生成されます。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の光子に変換します。キロボルトX線は通常、X線管を使用して生成されます。X線管では、電子が真空中を高温の陰極から低温の陽極（ターゲットとしても機能する）へと移動します。しかし、この方法でメガボルトX線を生成することは実用的ではありません。代わりに、そのようなエネルギーのX線を生成するには、線形加速器が最も一般的に使用されます。メガボルトエネルギーではX線放射はより前方に向けられ、キロボルトエネルギーではより横方向に向けられます。[ 6 ]その結果、キロボルトX線は反射型ターゲットを使用して生成される傾向があり、放射線はターゲットの表面から反射されますが、メガボルトX線は透過型ターゲットを使用して生成される傾向があり、X線は電子の入射面とは反対側から放出されます。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放熱を補助することができます。
メガボルトビームと患者との間の相互作用ではコンプトン散乱が支配的である一方、keVエネルギーでは光電効果が支配的となる。さらに、コンプトン散乱は光電効果よりも原子番号への依存性がはるかに低い。キロボルトビームは医療画像において筋肉と骨の区別を強調するが、メガボルトビームはその区別を抑制し、遠隔治療に有利となる。電子対生成と光中性子 生成は高エネルギーで増加し、1 MeV程度のエネルギーで初めて顕著になる。
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 ビームは、 X 線管に 100 kV の電圧を印加することによって生成され、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、良好なジオメトリの条件下で空気中で測定されるビームの半価層(HVL)に反映されます。典型的な表面 X 線エネルギーは、 3 mmAl あたり 100 kVp です。これは、「測定された半価層が 3 ミリメートルのアルミニウムで、X 線管に 100 キロボルトが印加された」ことを意味します。オルソボルテージビームの半価層は、より一般的には銅を使用して測定されます。典型的なオルソボルテージエネルギーは、2 mmCu あたり 250 kVpです。[ 7 ] MeV 範囲の X 線の場合、ビームの生成には同じ大きさの実際の電圧は使用されません。6 MV ビームには、6 MeV ではなく、1 MeV以下の光子が含まれています。このようなビームのエネルギーは、一般的に、媒質中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、最大線量は表面に沈着します。つまり、d max = 0 または D 0 = 100% です。逆に、メガボルトビームはビルドアップ効果を示さないため、最大線量は表面より深いところに沈着します。つまり、d max > 0 です。最大線量の深さは、コンプトン散乱中に上流で放出された電子の飛程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影響を受けますが、以下は代表的なベンチマーク値です。[ 8 ]
X線は、原子番号の大きい物質に電子を照射することによって生成されます。ターゲットを除去し（ビーム電流を減少させる）と、高エネルギーの電子ビームが得られます。電子ビームは、表面付近で最大線量沈着が起こり、その後深部に向かって急速に減少するため、下層組織への影響を最小限に抑え、表在性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の範囲であり、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めったに使用されません。電子モードではX線ターゲットは除去されますが、治療対象組織内で均一かつ対称的な線量分布を実現するためには、ビームを薄い散乱箔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線の両方を生成することができる。
ハドロン療法は、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）を治療に用いる治療法です。これらのうち、陽子線治療は圧倒的に一般的ですが、大型で高価な装置が必要なため、他の外部照射放射線療法に比べるとまだ稀です。ガントリー（患者の周りを回転する部分）は多層構造で、陽子線治療システムの費用は（2009年時点で）最大1億5000万米ドルにもなります。[ 9 ]
最新のリニアアクセラレータには、マルチリーフコリメータ（MLC）が搭載されています。MLCは、リニアックのガントリーが回転するにつれ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断します。この技術により、放射線治療計画担当者は、標的臓器に処方線量が確実に照射されるようにしながら、リスク臓器（OAR）を柔軟に遮蔽することができます。一般的なマルチリーフコリメータは、それぞれ 厚さ約5～10mm、他の2つの寸法で数センチメートルの長さを持つ40～160枚のリーフからなる2つのセットで構成されています。MLCの各リーフは放射線照射野と平行に配置されており、照射野の一部を遮断するために独立して移動できます。これにより、腫瘍の形状に合わせて照射野を調整し（リーフの位置を調整することで）、放射線被曝を受ける正常組織の量を最小限に抑えることができます。MLCを搭載していない旧型のリニアックでは、これを複数の手作りのブロックを使用して手動で行う必要があります。
強度変調放射線療法（IMRT）は、治療領域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療法技術です。一部のシステムでは、この強度変調は、治療中にMLCのリーフを動かすことによって実現され、それによって不均一な（つまり変調された）強度の放射線場が照射されます。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化させることができ、医師は腫瘍の近くの健康な組織が受ける放射線の量をさらに制限できることがよくあります。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、治療の成功の可能性が高まる可能性があることを発見しました。[ 10 ]
体積変調回転照射療法（VMAT）は、患者の周囲を回転するリニアアクセラレータを特徴とするIMRTの拡張です。これは、放射線が少数の固定角度からのみ患者に入射するのではなく、多くの角度から入射できることを意味します。これは、標的体積が多数のものに囲まれている治療部位に有益であり、近くの臓器を高い放射線レベルにさらすことなく、指向性のある治療を可能にします。[ 11 ]
メガボルト級リニアックで発生するX線は、ビーム中心部の強度が端部に比べてはるかに高い。この中心部のピークを補正するために、フラットニングフィルターが用いられる。フラットニングフィルターは、入射電子の運動量の前方偏向を補正するために円錐形をしており（通常はタングステンなどの金属で作られる）、X線ビームがフラットニングフィルターを通過すると、より均一なプロファイルとなる。これにより治療計画は簡素化されるが、ビームの強度は大幅に低下する。計算能力の向上と治療計画アルゴリズムの効率化に伴い、治療計画担当者がリニアックに直接治療方法を指示する「前方計画」などの簡略化された治療計画手法の必要性は低下している。このため、フラットニングフィルターフリー（FFF）治療への関心が高まっている。
FFF治療では最大線量率が増加し、治療時間の短縮と治療の実施に対する患者の動きの影響の軽減が可能にな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注目されている分野となっています。[ 12 ]例えば、乳がんの治療では、治療時間の短縮により患者の動きが減り、呼吸による動きが軽減される可能性のある乳房治療が可能になります。[ 13 ]
画像誘導放射線療法（IGRT）は、放射線療法に画像診断を併用することで、標的部位の正確性と精度を高め、治療領域内の正常組織の量を減らします。IMRTやハドロン療法などの高度な治療技術を患者が利用できるようにするためには、患者のアライメント精度を最大0.5 mmの誤差範囲に抑えることが望ましいです。そのため、立体視デジタルキロボルト画像に基づく患者位置検証（PPVS） [ 14 ]や、in-situコーンビームCTに基づくアライメント推定などの 手法が、最新のIGRTアプローチの範囲を広げています。