放射線治療 1-13 ガントリと寝台はどうやって患者の周りを動くの？
放射線を作れても、方向を変えられなければ治療できない
ここまで治療ヘッドの中で、
電子を供給する、加速する、Ｘ線へ変換する、ビームを整える、照射量を監視する
という流れを見てきました。
しかし患者へ治療するには、さまざまな方向から同じ標的へビームを向ける必要があります。
そこでリニアック全体を支える機械系として、
gantry
collimator
treatment couch
が登場します。
ガントリは何を回しているの？
ガントリは、加速管や治療ヘッドなどを搭載した大きな回転構造です。
ガントリが患者の周囲を回ることで、ビームの入射方向を変えられます。
isocentric linacでは、設計上の基準としてnominal isocenter（公称アイソセンタ）という一点を考えます。理想モデルでは、ガントリをどの角度へ回してもビーム中心軸（CAX）がこの一点を通り、gantry、collimator、couchの回転軸も同じ位置で一致します。
ただし、実機のアイソセンタを「すべての角度で完全に同じ一点」と考えるのは正確ではありません。
ガントリヘッドには大きな重量があり、回転角度によって重力方向との関係が変わります。また、軸受や駆動系のrunout、collimator walkout、beam steeringなどもあるため、実際のCAXや回転軸は角度によってわずかに移動します。gantry rotation isocenterには、機械的要因としてgantry sag、放射線学的要因としてenergy-specificなbeam steeringが関わります。
アイソセンタは「一点」？ それとも「球」？
両方の考え方を分けると理解しやすくなります。
定義・治療座標としてのアイソセンタは、患者位置や治療計画の基準となる一点です。
一方、実機のisocentricityをQA/QCで評価するときは、角度ごとの回転軸やradiation CAXが完全には一点を通らないため、その軌跡が収まる小さな円や球、あるいは有限の3次元領域として考える方が実態に近くなります。
collimator、gantry、couchの機械的isocenterを評価するとき、回転に伴う位置のばらつきを円で囲み、その中心と広がりを評価します。Winston–Lutzの3次元解析でも、複数角度のCAXからradiation isocenterを推定し、CAXのwobbleやisocenter sizeを評価します。
したがって、
「アイソセンタ＝必ず物理的に存在する一点」ではなく、理想上の基準点に対して、実機ではどの程度の範囲に収まっているかを評価する
と考えるのがより正確です。
一点と球を使い分ける
治療計画・座標系：基準となる一点
実機QA/QC：角度ごとのずれを含む小さな軌跡・円・球としてisocentricityを評価
コリメータも回転するのはなぜ？
治療ヘッドの先端にあるcollimator assemblyも、ビーム中心軸の周りに回転できます。
コリメータ角を変えると、jawやMLCの向きを患者に対して回転できます。
たとえばMLCリーフが左右方向へ動く装置でも、collimator angleを変えれば患者上でのleaf motion directionを変えられます。
これは、
標的形状にMLCを合わせる
正常組織を避ける
field junctionを調整する
VMATのmodulationを最適化する
といった場面で重要になります。
つまりcollimator rotationは、ビームを向ける方向そのものではなく、照射野形成装置の向きを回す動きです。
治療寝台は何方向に動くの？
基本的なtreatment couchは、
longitudinal
lateral
vertical
の３方向へ平行移動し、さらにcouch angleとして回転できます。
高精度治療用のcouchでは、yaw・pitch・rollを含む６自由度（6DoF）補正に対応する構成もあります。
ただし、すべてのリニアック・すべての寝台が6DoFというわけではありません。
CBCTで「3 mm右」と分かったら、誰が動く？
位置確認画像は、計画CTに対して患者がどれだけずれているかを教えます。
しかし画像装置自身が患者を移動させるわけではありません。
たとえばCBCT照合で、
右へ３ mm、頭側へ２ mm
という補正量が求められたら、実際に患者位置を変えるのはtreatment couchです。
第１章で扱った、
画像装置＝位置の違いを確認する
寝台＝患者の位置を変える
という役割分担がここでつながります。
機械的アイソセンタと放射線アイソセンタは同じ？
理想的には一致しますが、実機では完全には一致しません。
mechanical isocenterは、gantry・collimator・couchなどの機械的な回転軸から評価する基準です。
radiation isocenterは、異なる角度から照射したときのradiation CAXの関係から求める基準です。
実機では、
gantryの自重によるsag
bearingや駆動系のrunout
collimator walkout
couch rotationのずれ
source positionやbeam steering
MLC／jawなど照射野形成系の位置誤差
によって、角度ごとのCAXや回転軸にwobbleが生じます。Winston–Lutzで得られるradiation CAXも、機械的な不完全性によって角度依存に変動します。重いgantry headなどが、その要因になり得ます。
したがってQA/QCでは、
① 回転したときの軌跡そのものが大きくなっていないか
② その軌跡の中心が基準位置から移動していないか
③ mechanical isocenterとradiation isocenterが十分一致しているか
を分けて考えることが重要です。
QA/QCでは「一点からのずれ」と「基準からの変化」を分けて見る
ここはとても大切です。
QA/QCの目的は、すべての測定点を数学的な一点へ無理に一致させることではありません。
機械的なcollimator、gantry、couch rotation isocenterの安定性の評価では、established baselineから±１ mmを目安とします。
一方、radiation isocenterとmechanical isocenterの一致についてはbaselineからの変化ではなく、絶対的な一致度として、
non-IMRT／IMRT：±２ mm
stereotactic：±１ mm
を示しています。
つまりQA/QCでは、
「commissioning時などに確立したisocenterの大きさや中心から変化していないか」
を見る項目と、
「mechanicalとradiationの基準が臨床的に十分近いか」
を見る項目があります。
「完全な一点であること」だけを合否基準にしない
実機には角度依存のsagやwobbleがあります。
重要なのは、その広がりと中心位置を定量化し、装置用途に応じた許容範囲とbaselineの中で安定しているかを管理することです。
SRS／SBRTでは、なぜさらに厳しく見るの？
通常照射より小さな標的へ高線量を集中するSRS／SBRTでは、１ mmの幾何学誤差が線量分布へ与える影響が大きくなります。
そのため、stereotactic machineの放射線学的アイソセンタと機械的アイソセンタの一致度は、±１ mmを評価の目安とします。
特にSRS／SBRTでは、治療で実際に使用するgantry・collimator・couch角度の範囲を含めて評価することが重要です。Winston–Lutz testでも、臨床で使用する範囲を含み、既知のworst-caseとなるgantry-couch combinationまで評価します。
star shotとWinston–Lutzは何を見ているの？
回転軸や放射線アイソセンタを評価する代表的方法に、
star shot
Winston–Lutz test
があります。
star shotでは、gantryやcollimatorなどの角度を変えながら細い照射野を重ねます。複数の線が完全な一点で交差するかだけを見るのではなく、交差する軌跡を包含する最小円の大きさや、その中心位置を評価します。rotation isocenterも、測定点を円で囲み、その中心と広がりを評価します。
Winston–Lutzでは、小さなradiopaque ballと小照射野を使い、異なるgantry／collimator／couch角度でball centerとradiation field centerのずれを画像から評価します。
ここでも「１枚の画像で中心が一致した」だけでは十分ではありません。radiation CAXには角度依存のwobbleがあるため、Winston–Lutzで求めるisocenterはどのgantry・collimator角度をサンプリングするかにも影響されます。
したがってWinston–Lutzでは、
基準となるBBと各角度のCAXのずれを見ること
に加えて、
複数角度を通してradiation isocenterの中心と広がりを評価すること
が重要です。
ガントリ0°と180°のような反対方向でも、gantry sagなどのためCAXがまったく同じ一点を通るとは限りません。むしろ、その角度依存性を含めてどの程度の範囲に収まっているかを確認することがQA/QCの本質です。
「角度が合っている」と「アイソセンタが合っている」は別
ガントリ表示が90.0°でも、実際の回転軸が理想位置からずれている可能性があります。
逆に、ある角度でビーム中心が合っていても、360°回転させたときに同じ一点を通り続けるとは限りません。
そのためQAでは、
gantry／collimator／couch angle indicator
rotation isocenter
radiation-mechanical isocenter coincidence
couch movement accuracy
などを別々に確認します。
衝突しないことも機械設計の重要な条件
高精度照射では、non-coplanar beamやcouch rotationを使うことがあります。
しかしcouchを回すと、gantry、patient、immobilization device、imaging systemが接近し、collision riskが生じます。
したがって「照射できる角度」は線量分布だけで決められません。
機械的clearanceと患者安全を確認したうえで使用できる角度を決める必要があります。
ガントリと寝台を一言で説明すると
ガントリとcollimatorは、
治療ビームをどの方向・どの向きから照射するかを決める機械系
治療寝台は、
患者の標的をその共通基準であるisocenterへ合わせる機械系
です！
これで、リニアックを構成する主要な役割が一通りつながりました。
