放射線計測・単位

線量の計測－化学作用・写真作用の利用

X線管球やラジウムから発生する放射線量をいかに知るかは，当然ながら初期から問題となった．最初期の試みとしては，ドイツの物理学者DornによるX線照射による空気の温度上昇の測定があるが[1]，理論的な裏付けはあるものの，温度変化がきわめてわずかであることから実用的なものではなかった．

まず実用化されたのは，X線の化学作用を利用する方法である．1902年にHolzknechtが考案したクロモラジオメーター（Chromoradiometer）は，塩化カリウム(KCl)が，X線照射によって緑色～黃色～褐色に変色することを利用したものであった[→原著論文]．その後1910年にシアン化白金バリウムに変えた改良型が作られた．単位はHとされ，物理量とは無関係な独自の数字であるが，簡便であることから広く使用された．このほかにも，ヨードフォルム[2]，塩化水銀[3]などの化学変化を利用する方法が提案されたが実用化には至らなかった*．

* 化学反応による変色を利用した線量計は，現在もFricke線量計，ガラス線量計などが使われているが，いずれも数十～数千Gyといった高線量域を対象とする産業・研究分野での利用に限られる．

1905年，Kienböckは，X線フィルムの黒化度を利用したクオンティメーター（Quantimeter）を作った[3]．これは臭化銀を塗った短冊状の紙片を黒い遮光した袋に入れて照射し，標準濃度表と比較する方法で，任意単位Xが使用された．現像するまで結果が分からない不便があったが記録性が高いため，照射録に貼付して利用することができた．この方法は，1940年代以降，被曝管理を目的とするフィルムバッジとして復活することになる．

X線の蛍光作用を利用する方法も試みられた．1902年，フランスのContremoulinsはアセチレンランプの輝度を基準としてX線による蛍光の輝度を比較した[5]．1907年にGuillemniotは一定量のラジウムを標準線源として蛍光板の輝度を比較したが[6]，いずれも実用的とは言えなかった． 

線量の計測－電離作用の利用

このような初期の半定量的，間接的な方法に対して，1908年，フランスの物理学者Paul Ulrich Villard（ヴィラール, 1860-1934）はX線の電離作用を利用する定量的な計測法を初めて考案した[→原著論文]．これは電離箱と象限電位計を使用する方法で，その基本原理は現在も広く使われているが，当時はまだ実用的な装置を作るには至らなかった．

電離箱は，気体を入れた箱の中に設けた電極に電圧を印加したもので，放射線が入射すると気体の分子が電離してイオン対が発生し，これが両電極に収集されて発生する電流を測定するものである．照射線量と発生する電荷は比例するので定量が可能である．しかし実際には，電離箱の壁から発生する二次電子線の影響(wall effect)を考慮する必要があり，正確な定量には他にもさまざまな問題を解決する必要があった．

1914年，William Duane（デュアン，1872-1935）は，通気型平行電極電離箱(free-air pallalel-plate ionization chamber)を製作した[→原著論文]．これは，開放された小さな窓からX線を入射して壁に当たらないようにすることで， wall-effectを回避できた．その後改良が加わって標準測器となったが，内部で発生する二次線がすべて利用されて電極に達するためには，電極間の距離を大きくとる必要があり，またこの距離を短くすると壁の材質や厚さの影響を受けるという問題があるため大型にならざるを得ず，臨床応用は難しかった．1925年にはFricke & Glasserが空洞型(指頭型)電離箱を考案して小型化に成功し[→原著論文]，これは1928年にVictoreen社から Victoreen Condenser R-Meterとして商品化され，戦前戦後を通じて標準的な計測器となった．1932年にはTaylorが収集電極の両側に，電気力線を垂直に補正する保護電極を設けてさらに小型化し，持ち運び可能な標準測定器が完成した．

線量の計測－単位レントゲン（R)

この間，放射線量の単位の定義には少なからぬ混乱があった．前述のように1908年にVillardは， Ｘ線の電離作用を利用し，「0℃，1気圧下で空気1ccに1静電単位の電荷を賦与する放射線量」を1単位とした．この定義は，後に正式に採用されることになるｒ(レントゲン)単位に引き継がれることになるもので，先見の明であったといえるが，当時はあまり注目されず長らく使用されなかった．自由空気型電離箱を作ったDuaneはVillardの定義の毎秒量をIntensityと呼んで単位Eで表わした[9]．1918年に，Friedrich, KrönigはVillardの単位をe単位と称し[12]，1924年，計測器の較正，検定の公的機関である帝国理工学研究所(Physikalisch-Technischen Reichanstalt)の物理学者Hermann Behnkenがこれを発展させた単位を定義し[→原著論文]，同年ドイツレントゲン学会が公式な単位Röntgen(R）としてこれを認めた．すなわちドイツでは基本的にVillardの定義が踏襲された．一方，フランスでは1921年にIser Solomon（ソロモン，1880-1939）が，「1gのラジウムから2cm離れた位置で0.5mm厚白金フィルターを通した放射線が毎秒発生する電離量」を基準として，これに等しい電離をもたらすX線量を単位とした[→原著論文]．そして，やはりその単位にRöntgen(R）を使用し，1924年にフランスの学会もこれを認めた．このため，ドイツ，フランスそれぞれが定義した異なる2つのRが共存することなり，その換算が問題となった．

1925年の第1回ICRでこの問題が議論されたが決着がつかず，学会でも激しい議論が戦わされた[→関連文献]．しかし1928年の第2回ICRで「二次電子による電離がすべて取り入れられ，かつ電離槽の壁の影響のない状態で，0℃，1気圧の乾燥空気1 cc 中に1 静電単位 のイオンを作り出すX 線の量」を単位とすることが定められ，これはVillard以来のドイツの定義にほぼ一致するものであった．単位記号としては，従来の2つのRとの混乱を避けるために小文字のr (röntgen)が定められた．この1928年の定義は，標準計測装置である通気型電離箱の使用を前提としているが，1937年，第5回ICRの定義では計測装置の指定がなく，小型の指頭型電離箱の使用も可能となった．これとともに対象がX線のみならずγ線にも拡張され，空気の量が0.001293gと質量で表示された．またこの時，後述のように線質について半価層の使用が明記された[→関連文献]．

1962年，人名単位を大文字とする原則に従ってRöntgenの単位表示は再び大文字のRに戻されたが，1974年にSI単位の導入に伴って照射線量の単位は C/kg（1R=2.58x10-4C/kg）となった．しかしながら，よりによってレントゲンの名前が単位名から消えてしまったことは残念である．

線質の計測

図5. X線質チェック用のOsteoscope．厚紙に上肢の骨格標本を埋め込んであり，軟部の輪郭は錫箔を切り抜いたもの．価格25ドル．X線管球の前に手をかざすかわりに，これを置いて線質を調整するために使った[13]．

当時のX線管球は不安定で， 使用に当たってはその都度，線質(硬度)を確認して調整する必要があり，医師や技師はX線管球の前に手をかざしてみるのが一般的であった（→初期の放射線障害）．しかし，まもなくX線による皮膚障害が明らかとなって警鐘が鳴らされ，これに応じてアメリカの医師Beckは，1904年，上肢の骨格標本を厚紙に固定したオステオスコープ(Osteoscope, Max Kohl社) を紹介してその使用を推奨した[13]（図5）．これを透視して，橈骨と手根骨の関節が明瞭に見える状態がベストとしている．

レントゲン自身が1897年の第3報で，白金シアン化バリウムの蛍光作用とアルミ箔フィルターを利用した「窓数」について触れているが[→原著論文]，これが初の線質定量の試みと言える．原理的にはこれと同じであるが，1902年にフランスのLouis Benoist（ベノア*，1856-？）はアルミ階段を利用した硬度計(radiochromomètre)を考案した[→原著論文]．これは中央部の銀円板の周囲にアルミニウム階段を配したもので，アルミ階段には1から12まで番号が振られており，X線を照射して銀円板と同等の透過度を示すアルミ階段の番号を硬度（単位B）とする．このほか，類似のものにWehnelt硬度計があり，形状は異なるが同様の方法である．

* 日本では慣用的にベノアと呼んでいるが，実際の発音はブノアに近い．

1912年，スイスの物理学者Theodore Christen（クリステン）は半価層の概念を導入し，ベークライト板を使用した測定装置を考案した[→原著論文] ．その後スペクトル分析法として，1922年にDuaneが有効波長[14]，1924年にSeemannが最小波長[15]の表示を提案しているが複雑で実用的ではなかった．1931年の第3回ICRでは，管電圧と半価層を線質表示とすることが明記され，さらに1937年の第5回ICRで具体的に電圧に応じて，指定の物質の半価層を表示することになった(～20kV セロファン，20～120kV アルミニウム，120～150kV 銅，400kV～ 錫)[→関連文献]．

吸収線量と等価線量

それまで，単位R(レントゲン)は照射線量，吸収線量を区別せずに使われていた．吸収線量の概念を初めて明らかにしたのは，前述のように1915年，Christenの論文で，線量(dosage)という名称で照射される放射線エネルギーが同じでも，線質(半価層)によって「単位当りに吸収されるエネルギー量」は異なるとしてこれを求める方法を論じている．しかしあまり注目されることはなかった．通常の臨床領域では，1RのX線，γ線が空気に吸収される場合のエネルギー量は約83erg/gであることが分かっており，とりあえず支障はなかったためもある．しかし次第に高エネルギーX線，X線以外の放射線が利用されるようになり，1932年には中性子も発見され，空気と組織の違い，線質による吸収線量の違いを考慮する必要が生じてきた．電離法による吸収線量の測定は固体では不可能であったが，1936年にイギリスの物理学者Louis Harold Grayが，固体中に空洞を設けることで理論的に計算できることを示した．このBragg-Grayの公式は，照射線量から吸収線量を求める基本的な理論となった．

放射線の種類を考慮した等価線量の概念の歴史は，1931年にFaillaがラジウムのγ線とX線の治療効果を比較する目的で導入したRBE(Relative Biological Effectiveness，生物学的効果比)に遡る[17]．以後，さまざまな放射線が，標準的なX線と等価の吸収線量をもたらす照射量は tissue roentgen, roentgen equivalentなどと呼ばれたが，1945年，アメリカの物理学者Herbert Parkerがβ線に対して物理学的にX線と等価という意味でrep (roentgen equivalent physical)という名称を用いた[18]．さらにParkerは，組織の耐容線量を論ずるに当たって，同じ吸収線量でも組織によって耐容線量が異なることを論ずる方法として，repと同じ考え方を生物学的に適用し，その意味で名称はreb (roentgen equivalent biological)が相応しいが，発音がrepと紛らわしいことから rem (roentgen equivalent man, mouse, or mammal)と呼ぶと記載している[18]．これが単位remの初出で，その実体は rem＝rep × RBE であった [19]．

1953年，ICRUは初めて吸収線量と照射線量を明確に区別し，照射線量の単位をR，吸収線量の単位をrad(＝100erg/g)とした[20]．さらに1956年のICRUで，rad x RBEを RBE doseと呼び，その単位にremを採用した．1962年のICRPで，これはあらためて線量当量(dose equivalent)と定義され，remは放射線防護のための線量として正式に位置づけられた．1977年，ICRUはSI単位への統一をはかり，吸収線量，等価線量の単位はそれぞれGy (=1 J/kg=100rad)，Sv(=100rem)となり，1990年のIRCP Publ. 60で線量当量にかわって等価線量(equivalent dose)，実効線量(effective dose)が導入され現在に至っている．

ラジウムの放射能と照射線量の単位

ラジウムはその発見直後からさまざまな治療応用が行なわれたが，当然その量を考える必要があった．初期は純度も一定せず，化合物による違いもあったことから，最初期の文献では等量のウランとγ線の強度を比較してこれを"strength", "intensity"，"activity"などと表現しており，値は数十万～200万程度であった[21]．ラジウムの発見者Curieもこれを使用している．イギリスの放射線科医Butcherは，ウラン1gの放射線量を1 Uranieとし，ラジウムはおよそ100万 Uranieであるとしている[22]．

1910年の第2回International Congress of Radiology and Electricityで，ラジウム元素1g（あるいはこれと平衡にあるラジウムエマネーション）がもつ放射能を1 Ci(キュリー）とすることが定義され[→関連文献]，世界初の放射能の国際単位となった．またこの時の討議をもとに，1912年に国際ラジウム原器 (International Radium Standard)が作成され，パリに保管された[→関連文献]．

Ciは放射能の単位として長く使われたが，1953年のInternational Commission on Radiological Unitsで，ラジウムへの依存を捨てて毎秒3.7×1010個崩壊する放射性元素の量と定義され，その後1974年にはSI単位に統一されて，毎秒1個崩壊する放射性元素の量としてBq(ベクレル)が採用されるに至り，Ciは過去の単位となった(1Ci = 3.7 x 1010 Bq)．

なお当時，ラジウムエマネーションである気体のラドンについては，Mache (マッヘ)という単位が使われていた．ラドンの研究者 Heinrich Mache(1876-1954)に因むもので，空気あるいは水1Lについて10-3静電単位の飽和電流を生じる放射能と定義される（1 Mache = 13.5 Bq）．初出は明らかでないが，1900年代から使われていた[25]．その後，科学論文からは姿を消したが，現在でも 放射能泉の泉質表示に使われることがある．

ラジウムによる照射線量（dose）については，1909年，イギリスの医師Turnerが，ラジウム塩の質量と照射時間の積 mg-hrで表現することを提案した[26]． 装置に依存するX線と異なり，ラジウムの線量はその質量で決まるのでこれはこれで合理的な方法で広く使われたが，1928年にX線量の単位としてレントゲン(r)が公認されると，特に放射線治療にあたってはラジウムも同じ単位で計測，比較する必要性が痛感された．しかしラジウムのγ線は二次電子を大量に放出することから，通常の電離箱ではこれを全てとらえることができず，大きな電離箱が必要であった．1938年，Friedrichは100×50×20mの大きなホールで計測を行ない[27]，ラジウム1mg，0.5mmPt フィルターを使用して1cmの位置で8.4r/hrとの結果を得て，ラジウムもX線と同じ単位で治療計画を立てることができるようになった．