近年来，随着临床需求推动及技术设备进展，基于射波刀的立体定向放射治疗(stereotactic radiotherapy，SRT)、立体定向放射外科(stereotactic radiosurgery，SRS)技术发展迅猛、疗效显著，在多种肿瘤治疗中发挥了越来越重要的作用^[1-2]。第5代多功能智能化射波刀系统(VSI系统)SRT或SRS技术使用直径5~60 mm的圆形或近似圆形射野照射，具有单次剂量高，高剂量梯度和亚毫米精度的特点，因而对该技术的数据测量、验收测试和质量保证的要求更加苛刻^[3-5]。由于小野存在高剂量梯度、侧向带电粒子失衡、测量探测器尺寸过大，以及部分辐射源被遮挡等特点，同时探测器存在体积平均效应、扰动影响和材料的非水等效的性质，使得射波刀的小野离轴比曲线测量存在诸多问题^[6-13]。本研究通过使用4种不同型号的探测器和不同的探测器杆固定方式测量射波刀离轴比曲线(off-axis ratio profiles，OAR)，研究与探讨不同探测器在射波刀离轴比曲线数据测量中的应用。

1.仪器设备：第5代多功能智能化射波刀系统，简称射波刀VSI系统，标称剂量率1 000 MU/min，包含Xchange ^TM机器人准直器自动转换系统和Iris^TM可变孔径准直器系统。可变孔径准直器系统可快速变换与12种固定准直器近似相同尺寸的射野孔径，本研究选用固定式准直器系统。扫描水箱采用IBA公司的二代蓝水箱扫描(IAB Dosimetry，Blue phantom 2，德国)，步进式扫描最小速度为0.1 mm/s。

本研究选用目前射波刀数据测量常用的4种探测器，分别为PTW-60017、PTW-60018、PTW-60019(德国PTW公司)以及IBA-SFD(德国IBA公司)，详细参数见表 1。

表 1(Table 1)

表 1 4种型号探测器详细参数 Table 1 Characteristics of four detectors 探测器 类型 材料 灵敏体积(mm3) 半径(mm) 厚度(μm) PTW-60017 P型半导体 硅 0.030 0.56 30 PTW-60018 P型半导体 硅 0.300 0.56 250 PTW-60019 微型宝石 人造金刚石 0.004 1.10 1 IBA-SFD P型半导体 硅 0.017 0.30 40

表 1 4种型号探测器详细参数 Table 1 Characteristics of four detectors

2.射波刀离轴比曲线测量：

(1)4种探测器离轴比曲线数据的测量：使用IBA公司的二代蓝水箱和4种型号探测器分别测量准直器孔径为5、7.5、10、30、60 mm，深度为15、50、100和200 mm的离轴比曲线，射线能量6 MV，标称剂量率为1 000 MU/min。射波刀系统提供一个参考探测器插孔，测量射野数据时，将参考探测器放置到该插孔中^[4]。参考探测器选用PTW 30010电离室(0.125 cc，德国PTW公司)，源皮距为800 mm，曲线测量范围为射野外50 mm。水箱扫描采用步进式扫描，当准直器孔径为5、7.5和10 mm时，步进速度采用0.2 mm/s；孔径为30和60 mm时，步进速度采用0.5 mm/s，探测器杆固定方式为平行于射束中心轴方向。采集数据时，对水箱进行摆位，同时要求射波刀机器人机头与水面垂直。更换探测器或杆固定方式进行测量前，通过扫描25和250 mm两个深度的离轴比曲线找到射野中心，调整源皮距为800 mm。

(2) 两种不同探测器杆固定方式下离轴比曲线数据的测量：与(1) 摆位条件相同，使用4种探测器，测量准直器孔径为5、10和60 mm，水下100 mm深度处的离轴比曲线。探测器固定方式分别采用垂直和平行于射束中心轴方式。

3.射波刀离轴比曲线数据分析：水箱扫描的离轴比曲线使用IBA水箱配套软件OmniPro-Accept(版本号7.4.24.0，IBA，Scanditronix Wellhofer AB，瑞典)进行分析。原始扫描曲线经过中心校正后，按100%归一到射野中心处。统计离轴比曲线的半高宽(FWHM)和半影宽度(20%~80%)，比较分析不同探测器测量的离轴比曲线差异及探测器固定方式对测量结果的影响。

1.4种型号探测器测量的离轴比曲线数据比较：不同探测器、不同孔径准直器、不同深度的射波刀离轴比曲线测量结果列于表 2。

表 2(Table 2)

表 2 4种探测器测得的半影和FWHM(mm) Table 2 Penumbra and FWHM measured with four detectors(mm) 孔径尺寸(mm) 探测器 FWHM 半影宽度 15 mm 50 mm 100 mm 200 mm 15 mm 50 mm 100 mm 200 mm 5 PTW-60017 5.3 5.6 6.0 6.7 2.2 2.3 2.5 2.9 PTW-60018 5.4 5.6 6.0 6.8 2.2 2.3 2.5 2.9 PTW-60019 5.4 5.7 6.1 6.9 2.3 2.5 2.6 3.1 IBA-SFD 5.4 5.7 6.0 6.8 2.1 2.2 2.4 2.8 7.5 PTW-60017 7.9 8.3 8.7 9.7 2.4 2.6 2.7 3.1 PTW-60018 7.9 8.3 8.8 9.7 2.3 2.5 2.8 3.2 PTW-60019 8.0 8.3 8.8 9.8 2.5 2.7 2.9 3.3 IBA-SFD 8.0 8.3 8.8 9.8 2.2 2.4 2.6 3.1 10 PTW-60017 10.2 10.7 11.3 12.5 2.6 2.9 3.1 3.5 PTW-60018 10.2 10.7 11.3 12.5 2.7 2.9 3.1 3.5 PTW-60019 10.3 10.7 11.3 12.5 2.7 2.9 3.2 3.5 IBA-SFD 10.3 10.7 11.3 12.5 2.5 2.7 3.0 3.4 30 PTW-60017 31.2 32.7 34.6 38.7 3.1 3.4 3.7 4.2 PTW-60018 31.1 32.5 34.6 38.6 3.1 3.5 3.8 4.3 PTW-60019 31.2 32.7 34.7 38.6 3.3 3.7 3.9 4.3 IBA-SFD 31.2 32.7 34.7 38.7 3.1 3.5 3.8 4.4 60 PTW-60017 62.5 65.1 69.1 76.8 4.6 5.8 6.6 7.7 PTW-60018 62.4 65.1 69.0 76.8 4.8 5.8 6.6 7.7 PTW-60019 62.4 65.1 69.0 76.8 4.9 5.8 6.6 7.6 IBA-SFD 62.4 65.1 69.1 76.9 4.7 5.7 6.7 7.8   注：FWHM.半高宽

表 2 4种探测器测得的半影和FWHM(mm) Table 2 Penumbra and FWHM measured with four detectors(mm)

所有孔径准直器和深度下，4种探测器测得的FWHM之间最大偏差为0.2 mm；4种探测器测得的FWHM均比各孔径准直器特定深度的实际辐射野尺寸偏大，最大相对偏差为10%。一定测量深度下，各探测器测得的FWHM与实际辐射野尺寸之间的偏差随准直器孔径的增加先减小后增大。一定尺寸的准直器下，各探测器测得的FWHM与实际辐射野尺寸的偏差均随测量深度增加而增大。所有孔径准直器和深度下，4种探测器测量的平均射野半影宽度之间最大偏差为0.3 mm。一定测量深度下，各探测器测得的半影宽度随准直器孔径增加而增大。一定准直器尺寸下，各探测器测得的半影宽度随测量深度增加而增大。

4种探测器测得的离轴比曲线差异随着准直器孔径增大而变小。PTW-60017与PTW-60018测量结果相近，差异＜1.8%。PTW-60019测量的离轴比曲线半影高于其他3种探测器。IBA-SFD测得的半影最小，当准直器孔径较小时，IBA-SFD与其他探测器测得曲线接近，但当准直器孔径变大(≥30 mm)，射野外存在过响应现象。

2.两种不同探测器杆固定方式下测量的离轴比曲线数据比较：表 3给出了4种探测器按照两种不同的探测器杆固定方式下测量的离轴比曲线结果。图 1显示了5 mm准直器3种数据扫描方向下采集的离轴比曲线。4种探测器分别按照探测器固定方式垂直于射束中心轴，数据扫描方向与探测器探头方向一致(方向1) 和相反(方向2) 扫描测得的离轴比曲线数据之间无明显差异。对于PTW-60019探测器，准直器的孔径为5 mm，探测器固定方式垂直于射束中心轴时测得的FWHM比平行于射束中心轴时小。随着准直器孔径增大，3种扫描方向测得的FWHM无明显差异。当探测器垂直于射束中心轴时测量的半影宽度较平行于射束中心轴时偏小。而随着准直器孔径增加，按照方向1和方向2测得的左右半影宽度差异增加，杆效应增加^[14]。PTW-60017和PTW-60018两种半导体探测器的测量结果与PTW-60019相似。而IBA-SFD测得的结果则相反，当准直器孔径为5 mm时，探测器固定方式垂直于射束中心轴时，测量的FWHM稍大于平行于射束中心轴测量的结果，半影偏大；随着准直器孔径增大，两种探测器固定方式下，测得的FWHM无明显差异，但探测器垂直于射束中心轴时测量的左右半影差异增大，有明显的杆效应。

表 3(Table 3)

表 3 4种探测器不同固定方式下测量的FWHM和半影大小(mm) Table 3 FWHM and penumbra measured with four detectors in different positioning orientations(mm) 孔径尺寸(mm) 探测器a FWHM 左右半影宽度b 方向1a 方向2a 方向3a 方向1a 方向2a 方向3a 5 PTW-60017 5.8 5.8 6.0 2.4~2.4 2.3~2.5 2.5~2.4 PTW-60018 5.8 5.8 6.0 2.4~2.4 2.3~2.4 2.5~2.5 PTW-60019 5.7 5.7 6.1 2.2~2.3 2.2~2.3 2.6~2.6 IBA-SFD 6.4 6.4 6.0 2.5~2.5 2.5~2.5 2.4~2.4 10 PTW-60017 11.2 11.2 11.3 2.8~3.0 2.9~3.0 3.1~2.9 PTW-60018 11.3 11.3 11.3 3.2~3.0 3.2~3.0 3.1~2.9 PTW-60019 11.1 11.1 11.3 3.1~3.0 3.1~3.0 3.2~3.0 IBA-SFD 11.8 11.8 11.3 3.0~2.8 2.9~2.8 3.0~2.8 60 PTW-60017 69.1 69.1 69.1 6.8~6.2 6.7~6.1 6.7~6.5 PTW-60018 69.2 69.2 69.0 6.6~6.2 6.7~6.3 6.6~6.6 PTW-60019 69.0 69.0 69.0 6.4~6.1 6.5~6.2 6.5~6.6 IBA-SFD 69.2 69.2 69.1 6.8~6.4 6.9~6.5 6.7~6.7   注：FWHM.半高宽。a方向1为探测器固定方式垂直于射束中心轴，数据扫描方向与探测器探头方向一致；方向2为探测器固定方式垂直于射束中心轴，数据扫描方向与探测器探头方向相反；方向3为探测器固定方式平行于射束中心轴；b左右半影宽度为探测器扫描离轴比曲线的左右半影值

表 3 4种探测器不同固定方式下测量的FWHM和半影大小(mm) Table 3 FWHM and penumbra measured with four detectors in different positioning orientations(mm)

图 1 4种探测器不同固定方向测量的5 mm准直器离轴比曲线数据A. PTW-60017；B. PTW-60018；C. PTW-60019；D. IBA-SFD 注：准直器孔径为5 mm，深度为100 mm；方向1为探测器固定方式垂直于射束中心轴，数据扫描方向与探测器探头方向一致；方向2为探测器固定方式垂直于射束中心轴，数据扫描方向与探测器探头方向相反；方向3为探测器固定方式平行于射束中心轴 Figure 1 The variation of off-axis ratio profiles acquired in four detectors in different orientations for 5 mm collimator A. PTW-60017; B. PTW-60018; C. PTW-60019; D. IBA-SFD

随着调强放射治疗、图像引导放射治疗以及立体定向放射治疗技术(包括射波刀、伽马刀和微型多叶准直器系统等)的发展，临床上治疗时使用更小的射野，来治疗小体积肿瘤和保护周围正常器官^[15]。射波刀治疗是使用大剂量辐射消融代替传统手术来消除小肿瘤或病变组织，而这些小靶区往往是位于靠近至关重要的器官，因此需要很高的治疗精度和准确度，其中包括剂量计算的精确度和治疗时靶区追踪的准确度^[3]。与传统治疗大辐射野相比，小野存在高剂量梯度、带电粒子失衡和部分辐射源被遮挡等特点，同时测量探测器的引入带来的小野带电粒子平衡的扰动，因而小野的测量十分困难，具有明显的不确定性。小野剂量计算的精确性取决于小野剂量学参数如离轴比曲线等测量的准确度，因此需要选择合适的、高精度的探测器用于测量小野离轴比曲线。

目前，在射波刀测量中，离轴比曲线测量常用的探测器包括半导体探测器、金刚石探测器、聚合物凝胶剂量计以及胶片剂量计等。测量时探测器灵敏体积的半径越小，空间分辨率越高，但测得数据的信噪比下降^[16]。传统的灵敏体积半径较大的探测器在小野测量时，受到体积平均效应和扰动的影响，而半径相对较小的晶体硅半导体探测器对低能散射存在过响应。因此，测量时，通常探头外使用屏蔽材料来补偿这种过响应，但在小野测量中，屏蔽材料会引起信号扰动，因此没有屏蔽材料的半导体探测器更适合小野测量^[14]。VSI射波刀使用直径5~60 mm的圆形或近似圆形射野照射，对于小的准直器孔径测量，探测器的尺寸接近光束的尺寸，探测器灵敏体积的半径大小将影响离轴比曲线测量的精度。半导体探测器的物理特性限制其测量小野数据的精度，胶片剂量计具有高空间分辨率特性，且能够提供两维剂量分布，被广泛应用于射波刀数据测量中，但价格昂贵、使用成本高、对人员操作要求高。Wilcox等^[11]测量射波刀数据时，对比了EBT胶片、PTW 60008半导体和IBA CC01电离室测量的射野离轴比曲线发现，电离室测得半影最大，胶片测得半影最小，离轴比曲线更加陡峭；当射野＜10 mm时，EBT胶片测得的半影与PTW 60008半导体探测器测得的半影差异＜1%，而随射野变大，差异逐渐变大。本研究中使用的PTW-60019金刚石探测器的灵敏体积半径最大(r=1.1 mm)，测得的半影最大，IBA-SFD(r=0.3 mm)半径最小，测得的半影最小。

离轴比曲线形状和半影宽度与扫描时探测器的固定方式和扫描方向有关^[17]。Godson等^[8]研究探测器不同固定方式对测量数据的影响时发现，当RK 8304电离室分别平行和垂直于射束中心时，测得的10 mm×10 mm射野的离轴比曲线的半影宽度分别为3.9和5.6 mm，而IBA PFD半导体探测器分别平行和垂直于射束中心时，测得的半影宽度差异较小，分别为3.1和2.9 mm。Chalkley和Heyes^[4]使用微型宝石探测器测量射波刀离轴比曲线，发现当探测器垂直于射束中心时，半影变窄，但测量时需要注意探测器杆效应对测量的影响。本研究中，4种探测器分别采用垂直和平行于射束中心轴方式，测量射波刀的不同准直器孔径的离轴比曲线结果表明，当准直器的孔径较小时，两种探测器杆固定方式测得的半影和FWHM无明显差异，但随着准直器孔径增大，测得的左右半影间差异增加，杆效应增加。对于PTW-60019探测器，与探测器杆固定方式平行于射束中心轴(灵敏体积半径r=1.1 mm)的方式相比，垂直于射束中心轴时灵敏体积的厚度仅为1 μm，测量时空间分辨率更高，杆固定方式垂直于射束中心轴时测得的半影和FWHM较小。PTW-60017和PTW-60018两种半导体探测器的测量结果与PTW-60019相似。因此，在射波刀离轴比曲线测量中，虽然探测器杆固定方式平行于射束中心轴时测量的空间分辨率较高，但随着准直器孔径增大，测量时杆效应现象明显，故应选择杆平行于射束中心的探测器杆固定方式进行离轴比曲线测量。

4种探测器测量的射波刀离轴比曲线接近，但应用时需考虑各自特点，并注意探测器固定方式和杆效应对测量的影响。