半価層の測定値が変化する条件

半価層はX線の線質を表す値ですが、測定するときの条件によって測定値が変化することがあります。
ここでは、散乱線、照射野、管電圧が半価層の測定値にどのような影響を与えるのかを見ていきましょう。

散乱線が入ると半価層は大きくなる

半価層を測定するときに散乱線が入ると、半価層測定値は大きくなります。

半価層は、吸収体を入れてX線の強度がもとの半分になる厚さを測定したものです。
ところが、測定器に散乱線が入ると、吸収体を透過したX線だけでなく散乱線も一緒に測定されます。

そのため、測定されるX線の強度は本来よりも大きくなり、半分の強度になるまでに、より厚い吸収体が必要になります。
結果として、半価層測定値は大きくなります。

つまり、散乱線は半価層を実際よりも大きく測定する原因になります。

ちょっと何言っているか分からない。

サンドウィッチマンか。
博士に説明してもらおうか。

いいよ。
じゃ、少し数字を使って考えてみようか。

吸収体に入るX線の強度を100とするね。
半価層は、この強度が半分の50になるときの吸収体の厚さだったよね。

散乱線が入らなければ、透過したX線の強度が50になったところで半価層を測定できる。

でも、ここに散乱線が入ってきたらどうなるかな？

例えば、透過したX線の強度が50でも、散乱線の強度が20加わると、測定器では

50＋20＝70

と測定されてしまうんだ。

これだと、まだ強度が半分の50まで減っていないよね。

そこで、測定値を50まで下げるためには、吸収体をさらに厚くして、透過するX線をもっと減らす必要がある。

だから、散乱線が入ると半価層測定値は大きくなるんだ。

ポイントは、散乱線が入ったことでX線の線質そのものが硬くなったわけではないということ。
散乱線まで一緒に測定してしまうことで、半価層測定値が大きくなるんだよ。

照射野を大きくすると半価層は大きくなる

照射野を大きくすると、半価層測定値は大きくなります。

照射野が大きくなるほど、X線が当たる範囲が広くなり、吸収体などから発生する散乱線も増加します。
散乱線が測定器に入ると、測定されるX線の強度が本来よりも大きくなるため、半分の強度になるまでに必要な吸収体の厚さも大きくなります。

したがって、照射野を大きくすると半価層測定値は大きくなります。

ここでは「照射野を大きくする → 散乱線が増える → 半価層測定値が大きくなる」というつながりで覚えておきましょう。

散乱線がどうなるかを考えると判断しやすいんじゃないかな？
散乱線が増えれば、半価層は厚くなるんだ。

管電圧を高くすると半価層は大きくなる

管電圧を高くすると、半価層測定値は大きくなります。

管電圧を高くすると、発生するX線のエネルギーが全体として高くなり、X線の透過力が増します。
つまり、X線の線質が硬くなります。

透過力の高いX線を半分まで減弱させるためには、より厚い吸収体が必要です。
そのため、管電圧を高くすると半価層は大きくなります。

半価層はX線の線質を表す指標なので、「管電圧が高い → X線の透過力が高い → 半価層が大きい」という関係を押さえておきましょう。

ちなみに・・・
一般撮影の領域では、管電圧を上げると、主な相互作用も光電効果からコンプトン効果に寄ってくるから、散乱線も増えるんだ。
メインは透過力の上昇だけど、実は散乱線の増加も起こっているんだよ。

半価層が変化しない条件

ここまでは、半価層測定値が大きくなる条件を見てきました。
一方で、X線の量を増やしても、半価層が変化しない場合があります。

ここでは、管電流と半価層の関係を見ていきましょう。

管電流を大きくしても半価層は変化しない

管電流を大きくしても半価層測定値は変化しません。

管電流を大きくすると、X線管内を流れる電子の数が増えるため、発生するX線の量は増加します。
しかし、発生するX線のエネルギーが高くなるわけではありません。

つまり、管電流を変えてもX線の線質は変化しないということです。

半価層はX線の線質を表す指標なので、X線の量だけが増えても半価層は変化しません。

例えば、管電流を大きくして入射するX線の強度が2倍になったとしても、半分まで減弱するために必要な吸収体の厚さは同じです。

ここでは、

「管電流が大きい → X線の量は増える → 線質は変わらない → 半価層も変化しない」

という関係を押さえておきましょう。

吸収体による半価層の変化

半価層を測定するときは、使用する吸収体の性質も測定値に影響します。
特に、半価層測定フィルタに不純物が混ざっている場合は、その不純物の原子番号によって半価層測定値が変化します。

高原子番号の不純物が混ざると半価層は小さくなる

半価層測定フィルタに高原子番号の不純物が混ざると透過しにくくなるため、半価層測定値は小さくなります。

高原子番号の不純物が混ざると、純粋な吸収体と比べてX線を減弱させる作用が大きくなります。
そのため、同じ厚さの吸収体でも、より多くのX線が減弱します。

すると、X線の強度を半分まで減弱させるために必要な吸収体の厚さが小さくなります。

つまり、

「高原子番号の不純物が混ざる → X線を透過しにくくなる → 少ない厚さで半分まで減弱する → 半価層測定値が小さくなる」

という関係です。

低原子番号の不純物が混ざると半価層は大きくなる

反対に、半価層測定フィルタに低原子番号の不純物が混ざると透過しやすくなるため、半価層測定値は大きくなります。

低原子番号の不純物が混ざると、純粋な吸収体と比べてX線を減弱させる作用が小さくなります。
そのため、同じ厚さの吸収体ではX線が十分に減弱しません。

X線の強度を半分まで減弱させるためには、より厚い吸収体が必要になります。

つまり、

「低原子番号の不純物が混ざる → X線を透過しやすくなる → 半分まで減弱させるために、より厚い吸収体が必要になる → 半価層測定値が大きくなる」

という関係です。

高原子番号と低原子番号では半価層の変化が逆になるので、セットで押さえておきましょう。

ここで言う高原子番号とか低原子番号って言うのは、
吸収体の原子番号を基準にして考えてね。

X線の透過率

X線が物質を通過すると、その一部は吸収や散乱によって減弱し、残ったX線が物質を透過します。
ここでは、入射したX線に対して、どのくらいのX線が透過したのかを数式で表してみましょう。

X線の減弱と透過率

厚さxの吸収体に強度I₀のX線が入射し、透過したX線の強度をIとします。

このとき、X線の減弱は次の式で表されます。

$I=I_0e^{-μx}$

I₀は入射X線の強度、Iは透過X線の強度、μは線減弱係数、xは吸収体の厚さです。

この式を変形して、入射X線の強度I₀に対する透過X線の強度Iの割合を求めると、

$\frac{I}{I_0}=e^{-μx}$

となります。

この$\frac{I}{I_0}$を透過率といいます。

例えば、入射X線の強度が100で、透過したX線の強度が40なら、透過率は0.4、つまり40％です。

吸収体が厚くなるほどX線は多く減弱するため、透過率は小さくなります。

半価層を使った透過率の表し方

半価層は、X線の強度を半分にする吸収体の厚さです。

そのため、吸収体の厚さが半価層1枚分なら、透過率は1/2になります。
半価層2枚分なら1/4、3枚分なら1/8というように、半価層が1枚増えるごとに透過率は半分になります。

この関係を式で表すと、

$\frac{I}{I_0}=\left(\frac{1}{2}\right)^{\frac{x}{HVL}}$

となります。

xは吸収体の厚さ、HVLは半価層です。

ここで注目したいのが、指数になっている$\frac{x}{HVL}$です。
xとHVLはどちらも長さの単位をもつため、割り算をすると単位が消えます。

つまり、$\frac{x}{HVL}$は「吸収体の厚さが半価層何枚分に相当するか」を表しています。

例えば、

x＝HVLなら透過率は1/2

x＝2HVLなら透過率は1/4

x＝3HVLなら透過率は1/8

となります。

半価層を使うと、線減弱係数を使わなくても、吸収体の厚さからX線の透過率を求めることができます。

実際の過去問を見てみよう

と思いましたが、C26:半価層のグラフでまとめてご紹介します。

医療現場でのかかわり

半価層は、X線装置から発生するX線の線質を確認するために使われます。
線質が変化すると、患者さんを透過するX線の割合や被ばく線量、画像のコントラストなどにも影響します。

例えば、管電圧を高くするとX線の透過力が増し、半価層も大きくなります。
一方で、半価層を正しく測定するためには、散乱線が測定器に入らないようにすることも重要です。

散乱線が入ると、実際よりも半価層測定値が大きくなってしまいます。
そのため、半価層の測定では照射野を必要以上に大きくせず、測定条件を適切に整える必要があります。

半価層は単なる計算上の値ではなく、X線装置の線質を確認し、適切なX線を使用するための重要な指標なんです。

まとめ

今回は、半価層の測定値が変化する条件と、X線の透過率について見てきました。
最後に、重要なポイントを振り返っておきましょう。

• 散乱線が入ると、半価層測定値は大きくなる。
• 照射野を大きくすると散乱線が増え、半価層測定値は大きくなる。
• 管電圧を高くするとX線の透過力が増し、半価層は大きくなる。
• 管電流を大きくしてもX線の線質は変化しないため、半価層は変化しない。
• 半価層測定フィルタに高原子番号の不純物が混ざると、半価層測定値は小さくなる。
• 半価層測定フィルタに低原子番号の不純物が混ざると、半価層測定値は大きくなる。
• X線の透過率は、入射X線の強度に対する透過X線の強度の割合で表される。
• 半価層を使うと、吸収体の厚さが半価層何枚分かによって透過率を表すことができる。

半価層は、単に「X線を半分にする厚さ」と覚えるだけではなく、どの条件で大きくなり、どの条件で小さくなるのかまでつなげて押さえておこう！

次に読むならコレ！レントゲン博士のおすすめ内部リンク

次はこの辺りも参考になるかもよ。

• C26：半価層のグラフ
• C28：半価層の計算問題に挑戦

この記事を書いた人

たなまる
詳しいプロフィールはこちら

診療放射線技師・医療系専門学校専任教員。

都内大学病院で9年間勤務後、
2015年より医療系専門学校の専任教員として
放射線物理学・核医学・医用工学・放射線計測学・放射化学
などの講義を担当しています。

国家試験対策用ワークブックの制作や学習支援サイト「勉強嫌いの放物」の運営を行っています。

保有資格：
・診療放射線技師
・第1種放射線取扱主任者
・作業環境測定士
・衛生工学衛生管理者
ほか、放射線関連国家資格を保有

The post C25　半価層の変化 first appeared on 勉強嫌いの放物.

今回は、X線束が減弱する条件と、X線の線質を表す半価層、さらに半価層の測定方法について見ていきましょう。

X線の減弱

X線が物質を通過するとき、X線は物質中の原子や電子と相互作用します。
その結果、X線の一部が吸収されたり、進む方向を変えたりするため、通過するX線の量は少しずつ減っていきます。

このように、物質を通過することでX線の強度が小さくなることを「X線の減弱」といいます。

人体で起こる主な相互作用は、光電効果とコンプトン散乱です。
光電効果ではX線のエネルギーが物質に吸収され、コンプトン散乱ではX線の一部が散乱線として別の方向へ進みます。
どちらも、もとの方向へ進むX線を減らす原因になります。

X線がどのくらい減弱するかは、X線が通過する物質によって変わります。
特に注目したいのが、「原子番号」「密度」「X線が通過する距離」の3つです。

原子番号が高い物質ほど減弱しやすい

物質を構成する原子の原子番号が高いほど、X線は減弱しやすくなります。

原子番号が高い原子ほど多くの電子を持っているため、X線と相互作用する機会が増えます。
特に光電効果は原子番号の影響を強く受けるため、原子番号の高い物質ではX線が吸収されやすくなります。

たとえば、骨にはカルシウムが多く含まれているため、周囲の軟部組織よりもX線が減弱しやすくなります。

密度が高い物質ほど減弱しやすい

同じ大きさの物質で比べると、密度が高い物質ほどX線は減弱しやすくなります。

密度が高いということは、一定の体積の中により多くの原子や電子が存在しているということです。
そのため、X線が物質中を進むときに原子や電子と相互作用する機会が多くなり、減弱しやすくなります。

X線が通過する距離が長いほど減弱しやすい

X線が物質の中を通過する距離が長いほど、X線は減弱しやすくなります。

通過する距離が長くなると、それだけ多くの原子や電子の近くを通ることになります。
そのため、光電効果やコンプトン散乱が起こる機会が増え、物質を通過したあとのX線強度は小さくなります。

つまり、X線は「原子番号が高い」「密度が高い」「通過する距離が長い」ほど減弱しやすくなるということです。

そうか！
「軌道電子にぶつかりやすいか」
で判断すりゃえぇんやな！

その通りだよ。

半価層

X線の減弱しやすさは、X線そのもののエネルギーによっても変わります。
エネルギーが高く透過力の大きいX線ほど物質を通過しやすく、反対にエネルギーが低いX線ほど減弱しやすくなります。

そこで、X線の透過力を表す指標として使われるのが「半価層」です。

半価層とは

半価層とは、入射X線強度を半分に減らすために必要な吸収体の厚さです。

たとえば、ある厚さのアルミニウムを通過させたときにX線強度が入射時の50％になったとします。
このとき、そのアルミニウムの厚さが半価層になります。

半価層はX線の線質を表す指標のひとつです。
透過力の大きいX線ほど半分まで減弱させるために厚い吸収体が必要になるため、半価層は大きくなります。

反対に、透過力の小さいX線は薄い吸収体でも半分まで減弱するため、半価層は小さくなります。

つまり、半価層が大きいほど透過力の大きいX線、半価層が小さいほど透過力の小さいX線と考えることができます。

半価層の単位と表し方

半価層は吸収体の「厚さ」を表す物理量なので、単位は長さの単位であるmです。

ただし、実際に半価層を表すときは、使用した吸収体の材質と厚さを組み合わせて表します。

銅を使用した場合はmmCu、アルミニウムを使用した場合はmmAlと表します。

たとえば「2 mmAl」であれば、アルミニウム2 mmの厚さに相当する半価層という意味です。

半価層の値を見るときは、数値だけではなく「どの材質を使って測定したのか」まで確認することが大切です。

ちなみに・・・
[mmAl]は
「ミリメートルアルミニウム」
って読むのよ。

放射線の分野では、ある物質と同じ効果を示す厚さを、基準となる物質の厚さに置き換えて「○○当量」と表すこともあります。

たとえば、放射線防護衣に「0.25 mmPb」と表示されている場合、必ずしも0.25 mmの鉛が使われているという意味ではありません。
「0.25 mmの鉛と同じ程度の遮蔽効果をもつ」という意味で、このような表し方を鉛当量といいます。

こういうときは
ミリメートル鉛当量（とうりょう）
って読むのよ。

ややこしいわ・・・

ちょっと解説しようか。

たとえば、同じX線発生条件で半価層を測定したとしよう。

アルミニウムを使ったとき、仮に3 mmの厚さでX線強度が半分になったとする。
このときの半価層は3 mmAlだね。

次に、同じX線発生条件のまま、吸収体を別の材質に変えてみよう。
その材質がある厚さのときに、同じようにX線強度が半分になったとする。

この2つは、材質や厚さは違っていても、このX線に対して同じ程度の減弱効果をもっていることになるよね。

そこで、別の材質の効果をアルミニウムの厚さに置き換えて表すことができる。
今回の例なら「3 mmのアルミニウムと同じ程度の減弱効果をもつ」という意味で、3 mmAl当量と表せるんだ。

つまり「○○当量」は、実際にその物質が使われているという意味ではなく、「○○と同じ程度の効果をもつ」という意味なんだ。

実際の材質と違うときに「当量」が出てくるんやな。

半価層の測定方法

半価層を測定するときは、半価層測定フィルタの厚さを少しずつ変えながらX線強度を測定し、フィルタを入れていないときの半分になる厚さを求めます。

ただし、測定器に散乱線が入ってしまうと、半価層を正しく測定できません。
そこで、半価層の測定では散乱線の影響をできるだけ小さくするための測定ジオメトリが重要になります。

図のように、X線管球から半価層測定フィルタまでの距離を50 cm未満、半価層測定フィルタから測定器までの距離を50 cm以上とします。

さらに、コリメータで照射野を絞り、細い線束を作って測定します。

散乱線を抑えるために細い線束を使う

半価層の測定では、散乱線の発生を抑えるために細い線束を使います。

照射野が広くなるほど、半価層測定フィルタに入射するX線の範囲も広くなり、フィルタから発生する散乱線が増えてしまいます。

そこで、コリメータを使って照射野を10 cm×10 cm程度まで絞ります。
照射野を小さくすることで散乱線の発生を抑え、測定器にできるだけ一次X線だけが入るようにします。

フィルタと電離箱線量計を離して配置する

散乱線の影響をさらに小さくするため、半価層測定フィルタと電離箱線量計は離して配置します。

半価層測定フィルタから発生した散乱線は、さまざまな方向へ広がって進みます。
そのため、フィルタと電離箱線量計の距離を離すほど、散乱線は電離箱線量計に入りにくくなります。

このように、散乱体と測定器の間に距離をとることで散乱線の影響を減らすことを「グレーデル効果」といいます。

撮影法だと
エアギャップ法
って言われる手法だね。

半価層の測定では、「細い線束を使う」「フィルタと電離箱線量計を離す」という2つの方法によって、散乱線の影響をできるだけ小さくしているのです。

実際の過去問を見てみよう

ちょっと（いや、かなり）古いですが、放物で出題された半価層測定に関するものは少ないのでご容赦下さい。
1998年に実施された第50回国家試験から問19のご紹介。

第50回　1998年　問19
半価層について正しいのはどれか。

1. 物質中の吸収線量の測定によって求められる。
2. 照射野は出来るだけ大きくして測定する。
3. 制動放射エックス線の場合、第1半価層は第2半価層より大きい。
4. 特性エックス線の場合、均質係数（均等度）は1に近い。
5. 散乱線の寄与も測定値に含まれるよう考慮して決定する。

医療現場でのかかわり

半価層は、X線装置から発生するX線の線質を確認するときに使われます。

診断用X線装置では、患者さんに必要のない低エネルギーのX線をできるだけ取り除くため、X線管にフィルタが取り付けられています。
低エネルギーのX線は患者さんの体内で吸収されやすく、画像形成への寄与が少ないまま被ばくを増やす原因になります。

そこで半価層を測定することで、X線が適切にろ過され、必要な線質が保たれているかを確認できます。

つまり半価層の測定は、単にX線の透過力を調べるだけではなく、X線装置の品質管理や患者さんの被ばく低減にもつながっているのです。

まとめ

今回は、X線の減弱と半価層、半価層の測定方法について見てきました。
最後に、ポイントを振り返っておきましょう。

• 人体では、主に光電効果とコンプトン散乱によってX線が減弱する
• 原子番号が高い物質ほど、X線は減弱しやすい
• 密度が高い物質ほど、X線は減弱しやすい
• X線が物質中を通過する距離が長いほど、X線は減弱しやすい
• 半価層とは、X線強度を半分にするために必要な吸収体の厚さ
• 半価層が大きいほど、透過力の大きいX線である
• 半価層はmmAlやmmCuなどで表す
• 半価層の測定では、散乱線の影響を抑えるために細い線束を使う
• 半価層測定フィルタと電離箱線量計の距離を離し、散乱線が測定器に入りにくくする
• 半価層が小さすぎる場合は、低エネルギー成分が十分に除去されていない可能性がある

半価層は数字だけ覚えるんじゃなくて、『X線の透過力を表している』ってところを押さえておこう！

次に読むならコレ！レントゲン博士のおすすめ内部リンク

次はこの辺りも参考になるかもよ。

• C25：半価層の変化
• C26：半価層のグラフ

この記事を書いた人

たなまる
詳しいプロフィールはこちら

診療放射線技師・医療系専門学校専任教員。

都内大学病院で9年間勤務後、
2015年より医療系専門学校の専任教員として
放射線物理学・核医学・医用工学・放射線計測学・放射化学
などの講義を担当しています。

国家試験対策用ワークブックの制作や学習支援サイト「勉強嫌いの放物」の運営を行っています。

保有資格：
・診療放射線技師
・第1種放射線取扱主任者
・作業環境測定士
・衛生工学衛生管理者
ほか、放射線関連国家資格を保有

The post C24　X線束の減弱（半価層の測定方法） first appeared on 勉強嫌いの放物.

しかし、X線管から発生する制動放射線は、
さまざまなエネルギーのX線が混ざった連続スペクトルです。
そこで、このX線全体の透過力を一つのエネルギーで表したものが実効エネルギーです。

実効エネルギーはこの連続したエネルギーをあえて代表的な1つのエネルギーで表すとしたら？という概念です。

また、X線の透過力を調べる指標として半価層があり、実効エネルギーと密接な関係があります。

今回は、半価層と実効エネルギーの意味から、それぞれの関係、さらに実効エネルギーを変化させる因子まで見ていきましょう。

半価層とは

X線が物質の中を通過すると、一部のX線は吸収されたり散乱したりするため、通過後のX線の強度は小さくなります。
このとき、X線の強度をどのくらいまで減らせるかを吸収体の厚さで表したものの一つが半価層です。

強度ってなんやったっけ？
全エネルギーやったっけ？

近いけど、厳密にはエネルギーフルエンス率のことだよ。
単位面積当たり、単位時間当たりの概念が入ってくるんだ。

X線強度を半分にする吸収体の厚さ

半価層とは、X線の強度を1/2にするために必要な吸収体の厚さです。

たとえば、あるX線の強度を100％とします。
そのX線を吸収体に通し、強度が50％になるときの吸収体の厚さが半価層です。

つまり、

100％ → 吸収体 → 50％

となるときの「吸収体の厚さ」を表しているわけですね。

半価層はX線の強度そのものを表しているのではなく、X線がどのくらい物質を透過しやすいかを調べるための指標として使われます。

エネルギーを下げても、数を減らしても
強度は落ちるのよね。

半価層とX線の透過力

半価層の厚さを見ると、X線の透過力を知ることができます。

透過力の弱いX線は、吸収体を少し通過しただけでも強度が大きく減ります。
そのため、X線強度を半分にするために必要な吸収体は薄くなり、半価層も小さくなります。

反対に、透過力の強いX線は、吸収体を通過してもなかなか強度が減りません。
X線強度を半分にするためには、より厚い吸収体が必要になるため、半価層も大きくなります。

つまり、

透過力が弱い → 半価層は薄い

透過力が強い → 半価層は厚い

という関係です。

そして、X線はエネルギーが高いほど透過力が強くなります。
この関係が、次に学ぶ実効エネルギーと半価層を結びつける重要なポイントになります。

実効エネルギーとは

X線管から発生する制動放射線は、さまざまなエネルギーをもつX線が混ざった連続スペクトルです。
そのため、制動放射線のエネルギーを「○○keV」と一つの値で表すことはできません。

そこで、連続スペクトルのX線を代表する一つのエネルギーとして表したものが実効エネルギーです。

連続スペクトルを一つのエネルギーで表す実効エネルギー

実効エネルギーは、連続スペクトルに含まれるX線のエネルギーを単純に平均したものではありません。

連続スペクトルのX線と同じ半価層をもつ単一エネルギーのX線を考え、そのX線がもつエネルギーを制動放射線の実効エネルギーといいます。

つまり、実効エネルギーとは、

「この連続スペクトルのX線と同じ透過力をもつ単一エネルギーのX線に置き換えると、何keVになるのか？」

を表したものです。

さまざまなエネルギーが混ざっている制動放射線を、あえて代表的な一つのエネルギーで表しているわけですね。

なんや良く分からんくなってきたで。

半価層をしっかりと勉強したらもう一回説明してあげるね。

※C26：半価層のグラフでもう一度勉強しましょうね。

実効電圧と実効波長

実効エネルギーは、エネルギー以外の形で表すこともできます。

実効エネルギーを電圧に対応させて表したものを実効電圧、波長に対応させて表したものを実効波長といいます。

X線のエネルギーと波長には、

エネルギーが高いほど波長は短い

という関係がありましたね。

そのため、

実効エネルギーが高い → 実効電圧は高い → 実効波長は短い

となります。

反対に、

実効エネルギーが低い → 実効電圧は低い → 実効波長は長い

となります。

実効エネルギーと半価層の関係

実効エネルギーと半価層には密接な関係があります。

実効エネルギーが低いX線は透過力が弱いため、少しの吸収体でもX線の強度を1/2まで減らすことができます。
そのため、実効エネルギーが低いほど半価層は薄くなります。

反対に、実効エネルギーが高いX線は透過力が強いため、X線の強度を1/2まで減らすには、より厚い吸収体が必要です。
そのため、実効エネルギーが高いほど半価層は厚くなります。

つまり、

実効エネルギーが低い → 透過力が弱い → 半価層は薄い

実効エネルギーが高い → 透過力が強い → 半価層は厚い

という関係です。

半価層は単に「X線の強度を1/2にする厚さ」を表すだけではなく、制動放射線の実効エネルギー、つまりX線の線質を知るためにも使われる重要な指標です。

実効エネルギーを高くする因子

実効エネルギーは、X線の発生条件やろ過の状態によって変化します。
ここでは、実効エネルギーを高くする因子を見ていきましょう。

管電圧

管電圧を高くすると、実効エネルギーは高くなります。

管電圧を高くすると、陰極から飛び出した電子はより大きな運動エネルギーをもってターゲットへ衝突します。
その結果、発生する制動放射線も最大エネルギーが高くなり、高いエネルギーをもつX線が多くなり、スペクトル全体が高エネルギー側へ広がります。

したがって、

管電圧が高い → 実効エネルギーが高い → 透過力が強い → 半価層が厚い

という関係になります。

総ろ過と付加フィルタ

総ろ過を厚くすると、実効エネルギーは高くなります。

ろ過によって、透過力の弱い低エネルギーのX線が多く取り除かれるためです。
低エネルギー成分が減ると、残ったX線は相対的に高エネルギーの割合が多くなります。

このように、低エネルギー成分が取り除かれてX線の透過力が強くなることを線質硬化といいます。

また、付加フィルタの原子番号を高くすることでも、実効エネルギーは高くなります。

つまり、ろ過では、

総ろ過を厚くする → 実効エネルギーが高くなる

付加フィルタの原子番号を高くする → 実効エネルギーが高くなる

と覚えておきましょう。
ろ過によって低エネルギー成分が除かれ、X線の線質が変化することは、診断用X線における重要な特徴です。

ターゲットの原子番号とリプル百分率

ターゲットの原子番号を高くすると、実効エネルギーは高くなります。

ターゲットの原子番号も、発生するX線のエネルギー分布に影響する因子の一つです。

一方、リプル百分率については向きが逆になります。
図で示してみましょう。

リプル百分率を低くすると、実効エネルギーは高くなります。

そもそもリプル百分率とは何でしょうか。
管電圧の波形は限りなく一定に近付けていますが、一定ではありません。
多少なりとも変動しています。
その変動を脈動といい、リプル百分率は脈動率とも表されます。

つまり、リプル百分率とは、管電圧が時間とともにどのくらい変動しているかを表したものです。
リプル百分率が小さいほど管電圧の変動が少なく、高い管電圧を保った状態でX線を発生させることができます。

そのため、高エネルギーのX線の割合が多くなり、実効エネルギーも高くなります。

実効エネルギーを高くする条件をまとめると、

管電圧を高くする

総ろ過を厚くする

付加フィルタの原子番号を高くする

ターゲットの原子番号を高くする

リプル百分率を低くする

となります。

ここまで見てきたように、実効エネルギーを変化させる因子はいくつかあります。

実効エネルギーは平均エネルギーではありませんが、
実効エネルギーが高くなるか低くなるかを考えるときは、
平均エネルギーがどう変化するかを考えるとイメージしやすくなります。

平均エネルギーを高くする方法は、大きく分けると次の2つです。

① 最大エネルギーを高くする

管電圧を高くすると最大エネルギーが高くなり、高いエネルギーをもつX線が増え、平均エネルギーも高くなります。

② 低エネルギー成分をカットする

ろ過によって低エネルギー成分を取り除くと、残ったX線の平均エネルギーは高くなります。

つまり、実効エネルギーを高くする条件を考えるときは、

「最大エネルギーを高くする」

または、

「低エネルギー成分をカットする」

という2つの考え方を軸にすると整理しやすくなります。

何度も言うけど、「実効」は「平均」じゃないからね。
考えやすくするだけだよ。

実効エネルギーを変化させない因子

実効エネルギーは、X線のエネルギー分布によって決まります。
そのため、X線の本数だけを増減させても実効エネルギーは変化しません。

管電流と照射時間

管電流を変化させても、実効エネルギーは変化しません。

管電流を大きくすると、単位時間当たりにターゲットへ衝突する電子の数が増えるため、発生するX線の本数も増加します。
しかし、発生するX線のエネルギー分布そのものは変わりません。

つまり、

管電流を大きくする → X線の本数は増える → 実効エネルギーは変わらない

という関係です。

また、照射時間を変化させても、実効エネルギーは変化しません。

照射時間を長くすると、その分だけ発生するX線の総数は増えます。
しかし、やはりX線のエネルギー分布そのものは変わりません。

そのため、

照射時間を長くする → X線の総数は増える → 実効エネルギーは変わらない

となります。

管電流と照射時間は、どちらもX線の量を変化させる因子です。
一方、実効エネルギーはX線の線質を表すものなので、X線の本数だけが変化しても実効エネルギーは変化しないと考えましょう。

実際の過去問を見てみよう

ちょっと古いですが、実効エネルギーが問われたものがあります。
2016年2月に実施された第68回PM71を見てみましょう。

制動X線で正しいのはどれか。

1. 第1半価層は第2半価層より厚い。
2. 実効エネルギーは線質表示に用いられる。
3. 最短波長はターゲットの原子番号で決まる。
4. 発生効率はターゲットの原子番号に反比例する。
5. エネルギー分布はMoseley<モーズレー>の法則に従う。

医療現場でのかかわり

半価層や実効エネルギーは、X線の線質（透過力）を知るために重要な指標です。
医療現場では、同じX線量であっても線質が異なれば、患者さんの体内でのX線の吸収や透過のしかたも変わってきます。

たとえば、実効エネルギーが低いX線は透過力が弱いため、患者さんの体内で吸収されやすくなります。
反対に、実効エネルギーが高いX線は透過力が強くなり、より深部まで到達しやすくなります。

そのため、X線撮影では管電圧やろ過を適切に設定し、撮影する部位に合った線質のX線を使用することが大切です。

また、X線装置から発生するX線の線質を確認するときには、半価層が利用されます。
半価層を測定することで、その装置から発生しているX線がどのくらいの透過力をもっているのかを確認することができます。

半価層や実効エネルギーは単なる物理学の用語ではなく、患者さんに照射するX線の性質を知るための大切な知識なんですね。

まとめ

今回は、制動放射線の半価層と実効エネルギーについて見てきました。
最後に、重要なポイントを振り返ってまとめていきましょう。

• 半価層とは、X線の強度を1/2にするために必要な吸収体の厚さ
• 透過力が強いX線ほど、半価層は厚くなる
• 実効エネルギーとは、連続スペクトルのX線と同じ半価層をもつ単一エネルギーX線のエネルギー
• 実効エネルギーが高いほど、透過力は強くなり、半価層は厚くなる
• 実効エネルギーを電圧で表したものを実効電圧、波長で表したものを実効波長という
• 管電圧を高くすると、実効エネルギーは高くなる
• 総ろ過を厚くすると、実効エネルギーは高くなる
• 付加フィルタやターゲットの原子番号を高くすると、実効エネルギーは高くなる
• リプル百分率を低くすると、実効エネルギーは高くなる
• 管電流や照射時間を変えても、実効エネルギーは変化しない
• 実効エネルギーの変化は、最大エネルギーを高くする、または低エネルギー成分をカットすると考えるとイメージしやすい

半価層と実効エネルギーは、X線の透過力を考えるうえでセットで覚えておこう！

次に読むならコレ！レントゲン博士のおすすめ内部リンク

次はこの辺りも参考になるかもよ。

• C08：X線エネルギー分布はなぜ削られる？
• C26：半価層のグラフ

この記事を書いた人

たなまる
詳しいプロフィールはこちら

診療放射線技師・医療系専門学校専任教員。

都内大学病院で9年間勤務後、
2015年より医療系専門学校の専任教員として
放射線物理学・核医学・医用工学・放射線計測学・放射化学
などの講義を担当しています。

国家試験対策用ワークブックの制作や学習支援サイト「勉強嫌いの放物」の運営を行っています。

保有資格：
・診療放射線技師
・第1種放射線取扱主任者
・作業環境測定士
・衛生工学衛生管理者
ほか、放射線関連国家資格を保有

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