Summary
I dette dokument beskrives en ny dosimetriprotokol for cellebestråling ved hjælp af røntgenudstyr med lav energi. Målinger udføres under forhold, der simulerer reelle cellebestrålingsforhold så meget som muligt.
Abstract
Betydningen af dosimetriprotokoller og standarder for radiobiologiske undersøgelser er indlysende. Der er foreslået flere protokoller for dosisbestemmelse ved hjælp af røntgenfaciliteter med lav energi, men afhængigt af bestrålingskonfigurationerne, prøverne, materialerne eller strålekvaliteten er det undertiden vanskeligt at vide, hvilken protokol der er den mest hensigtsmæssige at anvende. Vi foreslår derfor en dosimetriprotokol for cellebestrålinger, der anvender røntgenanlæg med lav energi. Formålet med denne metode er at udføre dosisestimeringen på cellemonolayerniveau for at gøre det så tæt som muligt på reelle cellebestrålingsforhold. De forskellige trin i protokollen er som følger: bestemmelse af bestrålingsparametrene (højspænding, intensitet, cellebeholder osv.), bestemmelse af strålekvalitetsindekset (højspændings-halvværdi lagpar), dosishastighedsmåling med ioniseringskammer kalibreret i luft kermaforhold, kvantificering af dæmpning og spredning af cellekulturmediet med EBT3-radiokromiske film og bestemmelse af dosishastigheden på celleniveau. Denne metode skal udføres for hver ny cellebestrålingskonfiguration, da modifikationen af kun én parameter i høj grad kan påvirke den reelle dosisaflejring på cellemonomerens niveau, navnlig ved hjælp af røntgenstråler med lav energi.
Introduction
Formålet med radiobiologi er at etablere forbindelser mellem den leverede dosis og de biologiske virkninger; dosimetri er et afgørende aspekt i udformningen af radiobiologiske eksperimenter. I mere end 30 år er betydningen af dosimetristandarder og harmonisering af praksis blevet fremhævet1,2,3,4,5. For at fastlægge en dosishastighedsreference findes der flere protokoller6,7,8,9,10; Som det fremgår af Peixoto og Andreo11 , kan der dog være forskelle på op til 7 % afhængigt af den dosimetriske mængde, der anvendes til bestemmelse af dosishastigheden. Selv om der findes protokoller, er det desuden nogle gange vanskeligt at vide, hvilken protokol der er bedst egnet til en bestemt anvendelse, hvis nogen, fordi dosishastigheden for cellerne afhænger af parametre som cellebeholderen, mængden af cellekulturmedier eller strålekvalitet, for eksempel. Spredning og backscattering for denne type bestråling er også en meget vigtig parameter at tage hensyn til. For røntgenstråler med lav og medium energi i AAPM TG-61-referenceprotokol10måles den absorberede dosis i vand på overfladen af et vandfantom. Under hensyntagen til de meget specifikke cellebestrålingsforhold er den lille mængde cellekulturmedier omgivet af luft tættere på kermaforholdene end dem, der er defineret for en absorberet dosis med et stort vandækvivalent fantom som i TG-61-protokollen. Derfor har vi valgt at bruge kerma i vand som en dosimetrisk mængde til reference snarere end den absorberede dosis i vand. Vi foreslår således en ny tilgang for at sikre en bedre bestemmelse af den faktiske dosis, der leveres til cellerne.
Et andet afgørende aspekt ved radiobiologiske undersøgelser er desuden den fuldstændige rapportering af de metoder og protokoller, der anvendes til bestråling, for at kunne reproducere, fortolke og sammenligne forsøgsresultater. I 2016 fremhævede Pedersen et al.12 den utilstrækkelige indberetning af dosimetri i prækliniske radiobiologiske undersøgelser. En større nylig undersøgelse fra Draeger et al.13 fremhævede, at selv om nogle dosimetriparametre såsom dosis, energi eller kildetype rapporteres, mangler en stor del af fysik- og dosimetriparametrene, der er afgørende for korrekt replikering af bestrålingsbetingelserne. Denne omfattende gennemgang af mere end 1.000 publikationer, der dækker de sidste 20 år, viser en betydelig mangel på rapportering af fysik- og dosimetriforholdene i radiobiologiske undersøgelser. En fuldstændig beskrivelse af protokollen og den metode, der anvendes i radiobiologiske undersøgelser, er således obligatorisk for at få robuste og reproducerbare eksperimenter.
Under hensyntagen til disse forskellige aspekter blev der for de radiobiologiske forsøg, der blev udført på IRSN (Institut for Strålingsbeskyttelse og Nuklear Sikkerhed), indført en streng protokol for cellebestråling i et orthovoltageanlæg. Denne dosimetriprotokol blev udformet med henblik på at simulere de reelle cellebestrålingsforhold så meget som muligt og dermed bestemme den faktiske dosis, der blev leveret til cellerne. Med henblik herpå er alle bestrålingsparametrene anført, og strålekvalitetsindekset blev evalueret ved at måle det halvværdilag (HVL), for hvilket der er foretaget nogle tilpasninger, da standardanbefalingerne fra AAPM-protokol10 ikke kan følges. Den absolutte dosishastighedsmåling blev derefter udført med ioniseringskammeret inde i cellebeholderen, der blev brugt til cellebestråling, og dæmpningen og spredningen af cellekulturmedierne blev også kvantificeret med EBT3-radiokromiske film. Da ændringen af kun én enkelt parameter i protokollen kan påvirke dosisestimeringen betydeligt, udføres der en dedikeret dosimetri for hver cellebestrålingskonfiguration. Desuden skal HVL-værdien beregnes for hver kombination af spændingsfilter. I dette arbejde anvendes en spænding på 220 kV, en intensitet på 3 mA og en iboende og en yderligere filtrering på henholdsvis 0,8 mm og 0,15 mm beryllium og kobber. Den valgte cellebestrålingskonfiguration er på en T25-kolbe, hvor cellerne blev bestrålet med 5 mL cellekulturmedier.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Bestrålingsplatform og bestemmelse af bestrålingsparametre
- Brug en bestrålingsplatform, der leverer lav til medium energi røntgenstråler. Test parametrene for eksperimentet for at sikre robustheden og reproducerbarheden af det radiobiologiske eksperiment: Højspænding, intensitet, filtrering (iboende og ekstra), halvværdilag (HVL), effektiv energi, detektor, der anvendes til dosimetrimålinger, kildeprøveafstand (SSD), bestrålingsfelt (form, størrelse, geometri), dosimetrimængde, dosimetrimetode, dosishastighed, cellebeholder og mængde af cellekulturmedier. Alle de parametre, der anvendes i denne protokol, er angivet i tabel 1.
2. Strålekvalitetsindeks: Bestemmelse af halvværdilaget
BEMÆRK: HVL defineres som tykkelsen af en dæmpator (normalt kobber eller aluminium) for at reducere strålens intensitet med en faktor på to sammenlignet med den oprindelige værdi.
- Udstyret (understøtning, kollimator, membran, ionisering) opsættes i bestrålingsanlægget ved at følge instruktionerne i figur 1. Der anvendes ikke attenuatormateriale på dette trin.
- Sørg for, at alle de afstande, der er rapporteret i figur 1, er korrekte. Mål dem med et målebånd.
- Placer ioniseringskammeret i vandret position. Til dette arbejde brugte vi et 31002 (svarende til 31010) cylindrisk ioniseringskammer kalibreret i luft kerma.
- Bestråler ioniseringskammeret i 5 minutter og måler baggrunden (dette trin kan udføres uden en collimator).
- Udfør 10 målinger på 1 min. opladningsopsamlingstilstand svarende tilM-råværdien (i coulombs).
- Tag temperaturen og trykket med passende kalibreret udstyr placeret inde i bestrålingskabinettet i vores tilfælde (hvis det ikke er muligt, skal du placere det tæt på eksperimentet). M-råaflæsningen på elektrometeret korrigeres med den angivne temperatur- og trykkorrektionsfaktor:
hvor: T (°C) og P (hPa) er henholdsvis den faktiske temperatur og det faktiske tryk. Tref og Pref er referencetemperaturen og trykket, da ioniseringen blev kalibreret af standardiseringslaboratoriet. Trykket og temperaturen måles med kalibrerede instrumenter. Den opnåede værdi i opladningstilstand er den gennemsnitlige referenceværdi M (i coulombs).
BEMÆRK: Dette trin er ikke strengt nødvendigt for HVL-måling, men det anbefales. - Placer en attenuator af en vis tykkelse over mellemgulvet. HVL-sættet består af folier med forskellige tykkelser (0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1, 2, 5 og 10 mm kobber) med en dimension, der gør det muligt at dække hele strålen (80 x 80 mm her).
- Tag en måling på 1 min (Mrå korrigeret af KT,P som beskrevet før).
- Hvis dosishastigheden divideres med en faktor 2 i forhold til startværdien, findes HVL-værdien. Tag 5 målinger på 1 min for at estimere den gennemsnitlige dosishastighed.
- Hvis dosishastigheden ikke divideres med en faktor 2 med hensyn til startværdien, skal du øge eller mindske attenuatortykkelsen og foretage en anden måling. Juster tykkelsen af attenuatoren efter behov.
- Når tykkelsen af dæmpatoren, der reducerer strålens intensitet med en faktor to, er fundet, skal du tage 5 målinger på 1 min for at bekræfte HVL.
BEMÆRK: I de fleste tilfælde kan den nøjagtige tykkelse af attenuatoren ikke findes fra de tilgængelige folier. I dette tilfælde skal du fortsætte med bisection og interpolere HVL.
3. Vurdering af bestrålingsfeltet (ingen dosisestimering)
- Placer en EBT3-film på den støtte, der anvendes til bestråling.
- Bestråle denne film for at opnå et velmærket bestrålingsfelt (mindst 2 Gy).
- Scan EBT3-filmen ved hjælp af en dedikeret scanner.
- Plot dosisprofilen ved hjælp af Billede J ved hjælp af indstillingen Analyser og derefter Plotprofil (Figur 2).
- Størrelsen af bestrålingsfeltets anvendelse i bestråling (homogent område, bortset fra penumbraområder, se figur 2).
- Mærker på den støtte, der anvendes til bestråling, for at sikre, at cellebeholderen er i den rigtige position.
BEMÆRK: I dette trin bestemmes bestrålingsfeltets størrelse, og dosis vurderes ikke. Den fuldstændige procedure for filmlæsning og -analyse findes i afsnit 5. Tag også margener for at undgå fejl på grund af cellebeholderens placering.
4. Måling af dosishastighed med ioniseringskammer
- Tag cellebeholderen og bryd en lille del på siden eller i bunden (afhængigt af den pågældende beholder og ioniseringskammer, der anvendes) for at kunne placere ioniseringskammeret inde(figur 3, øverste sektion) eller under (Figur 3, nederste sektion) beholderen. Eksemplerne findes i figur 3 med forskellige ioniseringskamre (cylindriske eller planet parallelle) og cellebeholdere. I dette tilfælde blev der anvendt en T25-kolbe (figur 3, rød boks).
BEMÆRK: En loddejern eller opvarmet skalpel er et godt alternativ til at lave huller i plast ware - Placer beholderen inde i prøvelokalet på den støtte, der anvendes til bestråling (karbonplade her).
- Placer ioniseringskammeret i beholderen (Figur 3, rød boks), i den korrekte position og tilslut det til elektrometeret.
- Sørg for, at alle bestrålingsparametre, der er anført i afsnit 1, er korrekte (højspænding, intensitet, yderligere filtreringer, udgangsprøveafstand osv.).
- Bestråle ioniseringskammeret i 5 minutter og udfør nulstillingen af elektrometeret.
- Tag 10 målinger på 1 min for at bestemme den gennemsnitlige dosishastighed i luft kerma (Gy.min-1). Dosishastigheden iK-luften beregnes på følgende måde:
hvor M er aflæsningen af dosismeteret korrigeret ved temperatur, tryk, polaritetseffekt, ion rekombination og elektrometerkalibrering. NKair og Kq er kalibrerings- og korrektionsfaktorerne for strålingskvaliteten, hvis værdier er specifikke for hvert ioniseringskammer.
5. Måling af cellekultur medier afdæmpning og spredning
BEMÆRK: Håndter EBT3-film med handsker under hele proceduren.
- Forberedelse af eksperimentet
- Skær små stykker EBT3-film mindst 24 timer før bestråling.
- Filmenes størrelse bestemmes som en funktion af den cellebeholder, der anvendes til radiobiologiske eksperimenter (f.eks. 4 x 4 cm for en T25-kolbe).
Klip to sæt radiokromiske film: Et sæt til kalibreringskurverne, der består af tre stykker EBT3-radiokromisk film efter dosis eller tidspunkt (ni point i alt for dette arbejde) ; og et sæt til kvantificering af cellekulturens mediedæmpning, også tre stykker pr. Punkt. - Nummerer alle film til identifikation (øverste højre hjørne her) og scan dem på samme position på scanneren.
- Hold filmene væk fra lyset.
- Forbered den cellebeholder, der anvendes til EBT3-filmmålinger, og skær om nødvendigt en del for at sætte filmen inde (et eksempel med en T25 er angivet i figur 4).
- Skøn over dosishastighed
- Dosishastigheden for konfigurationen måles som beskrevet i forrige afsnit.
- Hold denne konfiguration på plads til bestråling af EBT3-radiokromiske film, og brug den samme type cellebeholder.
- Konstruktion af kalibreringskurven
- Tag de forskårne EBT3-film til kalibreringskurven.
- Der må ikke bestråles tre stykker (0 Gy).
- Placer den første film inde i cellebeholderen i samme konfiguration som for cellebestråling.
- Bestråle den for at opnå de første dosispunkter.
- Gentag denne operation for at få tre stykker EBT3-film bestrålet med samme dosis.
- Udfør dette for hvert dosispunkt (ni dosispunkter i dette værk (0, 0,25, 0,5, 0,75, 1, 1,5, 2, 2,5 og 3 Gy) som vist i figur 5).
- Evaluering af attenuation af cellekultur medier og spredning.
- Valgte den samme bestrålingstid for alle bestrålinger (f.eks. 60 s).
- Bestråle tre stykker EBT3-film i beholderen uden vand.
- Bestråle tre stykker EBT3-film i beholderen med vand som følger.
- Placer filmen inde i beholderen.
- Fyld beholderen med den nøjagtige mængde vand for at repræsentere cellekulturmediet (5 mL her). Brug små stykker tape, hvis filmene ikke forbliver nedsænket korrekt.
- Placer cellebeholderen inde i kabinettet, og sørg for, at filmen er korrekt nedsænket.
- Når bestrålingen er færdig, skal du tage EBT3-filmene, tørre dem med absorberende papir og opbevare dem væk fra lys.
6. Læsning af EBT3 radiokromiske film
- Læs EBT3 film mindst 24 timer efter bestråling.
- Scan filmene på en dedikeret scanner.
- Angiv scannerparametrene som: 48 bit rød-grøn-blå tiff-format, 150 dpi i overførselstilstand og ingen billedkorrektion.
- Udfør en opvarmning af scanneren på følgende måde.
- Placer en ikke-bestrålet film på scanneren.
- Start et eksempel på scanningen.
- Start en timer og vent på 30 s.
- Start scanningen.
- I slutningen af scanningen skal du starte en timer og vente på 90 s.
- Samtidig skal du registrere scanningen, åbne billedet med ImageJ, spore et firkantet INVESTERINGSAFKAST (altid i samme størrelse og i samme position) og foretage en måling af områdets gennemsnitlige røde pixelniveau.
- I slutningen af 90'erne skal du gentage proceduren fra trin 2 (uden at røre ved filmen inde i scanneren).
- Gentag dette mindst 30 gange for at varme op og stabilisere scanneren (ingen variationer i det gennemsnitlige røde pixelniveau for det område, der er valgt på de ikke-bestrålede film). Hvis scanneren, dvs. den gennemsnitlige røde pixelværdi, ikke er stabiliseret, skal du fortsætte proceduren.
- Scanning af EBT3-filmene
- Placer den første film i midten af scanneren sengen. Afgrænse et område for altid at placere filmen på samme sted og i samme retning.
- Start et eksempel på scanningen.
- Start en timer og vent på 30 s.
- Start scanningen.
- I slutningen af scanningen skal du starte en timer og vente på 90 s. I løbet af disse 90 s ændre EBT3 film.
BEMÆRK: En analyse af EBT3-radiokromiske film blev udført ved hjælp af et selvprogrammeret C++-program. Forskellige metoder kan bruges til EBT3-filmanalysen, såsom den røde kanalmetode eller de tre kanaler metode14,15. I dette tilfælde har vi brugt den røde kanalmetode uden baggrundstraktion, og billederne blev konverteret til optiske tætheder og derefter til dosis ved hjælp af vores program. Da denne metode allerede er veldefineret, var vores C++-program ikke inkluderet her. Desuden kan dedikeret software16 også bruges til EBT3-filmanalyse.
7. Bestemmelse af dosishastigheden på cellemonolagets niveau
- Den gennemsnitlige dosishastighed, der opnås med ioniseringskammeret korrigeret ved dæmpning og spredning af cellekulturmediet (K) til vandkantmaet ved hjælp af forholdet mellem den gennemsnitlige masseenergiabsorptionskoefficient for vand og luft, der evalueres over fotoninfluensspektret (μen/ρ).
En dedikeret software17 blev brugt til at beregne fotonenergispektret i luften uden fantom, og vi brugte NIST-tabel18 til at beregne den gennemsnitlige absorptionskoefficient for masseenergi.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
I dette arbejde brugte vi en platform dedikeret til bestråling af små dyr19; Denne platform kan dog bruges til at bestråle andre typer prøver såsom celler. Bestrålingskilden er et Varian X-ray rør (NDI-225-22) med en iboende filtrering på 0,8 mm beryllium, en stor brændvidde på 3 mm, et højspændingsområde på ca. 30 til 225 kV og en maksimal intensitet på 30 mA.
De parametre, der anvendes til denne undersøgelse, er angivet i tabel 1. Vi har valgt at vise et eksempel på brugen af denne protokol til cellebestråling i en T25-kolbe med 5 mL cellekulturmedier.
Lag med halv værdi
Tabel 2 viser de målinger, der er udført for at vurdere den attenuatortykkelse, der er nødvendig for at reducere strålens intensitet med en faktor på to. Til dette formål blev der foretaget 10 referencemålinger for at anslå den gennemsnitligeM-råaflæsning på elektrometeret (i Coulombs), korrigeret med temperatur- og trykkorrektionsfaktoren (KT,P).
Forskellige tykkelse af attenuatorer blev derefter testet for at finde den tykkelse, der faldt stråleintensiteten med en faktor på to. Da denne tykkelse blev fundet, blev der foretaget fem målinger for at evaluere den gennemsnitligeM-råværdi korrigeret med KT,P.
Til denne konfiguration blev der fundet et halvværdilag på 0,667 mm kobber. Fra HVL-målingen kan vi beregne strålens effektive energi, hvilket er ca. 69 keV i vores tilfælde.
Måling af dosishastighed
Før disse målinger blev en EBT3-film bestrålet for at bestemme overfladen, hvor bestrålingsfeltet er homogent, så vi kunne placere cellebeholderen korrekt. Dette område er ca. 10 x 10 cm² eksklusive penumbraområder vist ved syrrede linjer i figur 2. Derefter blev dosishastighedsmåling udført ved hjælp af et 31002 (svarende til 31010) cylindrisk ioniseringskammer kalibreret i luft kerma. For denne konfiguration, med et åbent felt bestråling felt på 35 cm til kilden i en T25 cellebeholder placeret på en kulstofplade, dosishastigheden var omkring 0,626 Gy.min-1 i Kluft.
For at bestemme den nøjagtige dosis på celler blev den målteK-luft omdannet i vand kerma. Figur 5 viser røntgenenergispektret opnået med dedikeret software17. Fra dette energispektrum og NIST-tabellen kan vi konvertere dosishastigheden iK-luft tilK-vand, som var 0,659 Gy.min-1.
Den generelle usikkerhed ved målingen af den absolutte dosishastighed var ca. 3% på et konfidensniveau på 95%.
Cellekultur medier attenuation og spredning
Til kvantificering af cellekulturmediers afdæmpning og spredning blev dosimetrimålinger med EBT3-radiokromiske film udført ved stuetemperatur. Fra målingen med ioniseringskammeret blev dosishastigheden bestemt. Kalibreringsfilm blev derefter bestrålet på samme position. EBT3-radiokromiske film blev kalibreret mellem 0 og 3 Gy med 0,25 Gy-trin mellem 0 og 1 Gy og 0,5 Gy-trin mellem 1 og 3 Gy (ni dosispunkter til konstruktion af kalibreringskurven) som vist i figur 6. Dosispunkterne var udstyret med en 4th-graderspolynomisk kurve. EBT3-filmene blev derefter bestrålet med og uden den nøjagtige mængde cellekulturmedier inde i cellebeholderen for at evaluere dæmpningen og spredningen på grund af cellekulturmedierne. For denne konfiguration var afdæmpningen af cellekulturmedierne omkring 1,5%.
Den generelle usikkerhed i EBT3-filmmålingerne var ca. 4 % på et tillidsniveau på 95 %.
Rutinemæssige målinger
Før cellebestrålingen blev udført, blev dosishastigheden målt hver gang i den samme beholder, der blev anvendt til bestråling. Således brugte vi den daglige dosishastighed til at estimere bestrålingstiden. Hvis vi nøje følger protokollen og ikke ændrer nogen parametre, behøver HVL-målingen og dæmpningen på grund af cellekulturmedierne ikke at blive gentaget. F.eks. er den tabel, der anvendes til den daglige måling, anført i tabel 3.
Figur 1: Konfigurationsskemaet finder sted på SARRP-kabinettet til HVL-målinger. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: Vurdering af bestrålingsfeltets størrelse. Dosisprofil opnået ved 35 cm til kilden uden collimator. De snerede linjer viser det areal, der tages i betragtning ved bestrålingen. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: Fotografier af cellebeholdere med ioniseringskammeret til måling af dosishastighed. Øverste del: eksempel til måling med et cylindrisk ioniseringskammer på 31002. Nederste del: eksempel til måling med et TM23342 ioniseringskammer. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: Fotografier af det T25, der anvendes til måling af cellekulturens mediedæmpning. Den øverste del af T25 blev skåret ud for at kunne placere filmen inde i kolben. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: Simuleret energispektre til en højspænding på 220 kV med 0,8 mm Be og 0,15 mm Cu-filtrering17 . Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6: EBT3-film bestrålet med henblik på at konstruere kalibreringskurven og den tilsvarende kalibreringskurve. Klik her for at se en større version af dette tal.
| Højspænding (kV) | 220 |
| Intensitet (mA) | 3 |
| Filtreringer (iboende og supplerende) | 0,8 mm Be + 0,15 mm Cu |
| Lag med halv værdi (mm Cu) | Bestemt nedenfor |
| Effektiv energi (keV) | Bestemt nedenfor |
| Anvendt detektor | Cylindrisk ioniseringskammer + EBT3 radiokromiske film |
| Kildeprøveafstand | 35 cm |
| Bestrålingsfelt (form, størrelse, geometri) | Åbent felt (ingen collimator), firkantet, 20 x 20 cm |
| Dosimetriantal | Kair og Kwater |
| Dosimetrimetode | Som beskrevet i protokolafsnittet |
| Cellebeholder | T25 |
| Mængde cellekulturmedier | 5 ml |
| Dosishastighed (Gy/min.) | Bestemt nedenfor |
Tabel 1: En liste over konfigurationsparametrene.
| Attenuator (mm Cu) | IC-foranstaltning (nC) | Temperatur (°C) | Tryk (hPa) | kT.P. | IC-foranstaltning korrigeret af kT.P (nC) | Korrigeret middelværdi (nC) | ST-afvigelse | Dæmpningsestimat (M / Mref) | |
| referencemålinger (Mref) | 0 | 10.480 | 21.6 | 993.2 | 1.026 | 10.752 | 10.761 | 0.005 | - |
| 10.480 | 21.6 | 993.1 | 1.026 | 10.752 | |||||
| 10.490 | 21.6 | 993.1 | 1.026 | 10.763 | |||||
| 10.490 | 21.6 | 993.1 | 1.026 | 10.763 | |||||
| 10.490 | 21.6 | 993.2 | 1.026 | 10.763 | |||||
| 10.490 | 21.6 | 993.2 | 1.026 | 10.763 | |||||
| 10.490 | 21.6 | 993.1 | 1.026 | 10.763 | |||||
| 10.490 | 21.6 | 993.2 | 1.026 | 10.763 | |||||
| 10.490 | 21.6 | 993.2 | 1.026 | 10.763 | |||||
| 10.490 | 21.6 | 993.1 | 1.026 | 10.763 | |||||
| Konstatering af attenuatior tykkelse (M) | 0.514 | 5.840 | 21.7 | 993.2 | 1.026 | 5.992 | - | - | 0.557 |
| 0.564 | 5.651 | 21.7 | 993.2 | 1.026 | 5.798 | - | - | 0.539 | |
| 0.584 | 5.569 | 21.7 | 993.2 | 1.026 | 5.714 | - | - | 0.531 | |
| 0.604 | 5.491 | 21.7 | 993.2 | 1.026 | 5.634 | - | - | 0.524 | |
| 0.615 | 5.441 | 21.7 | 993.2 | 1.026 | 5.582 | - | - | 0.519 | |
| 0.627 | 5.380 | 21.7 | 993.2 | 1.026 | 5.520 | - | - | 0.513 | |
| 0.647 | 5.307 | 21.7 | 993.2 | 1.026 | 5.445 | - | - | 0.506 | |
| 0.667 | 5.240 | 21.8 | 993.2 | 1.026 | 5.376 | - | - | 0.500 | |
| 1984 1983 1983 1983 1983 1983 1983 1983 1983 | 0.667 | 5.231 | 21.8 | 993.4 | 1.026 | 5.368 | 5.373 | 0.003 | 0.499 |
| 0.667 | 5.236 | 21.8 | 993.1 | 1.026 | 5.375 | ||||
| 0.667 | 5.235 | 21.8 | 993.2 | 1.026 | 5.373 | ||||
| 0.667 | 5.236 | 21.8 | 993.2 | 1.026 | 5.374 | ||||
| 0.667 | 5.235 | 21.8 | 993.3 | 1.026 | 5.373 |
Tabel 2: Måling af bestemmelsen af halvværdilag.
| IC-foranstaltning (nC) | Temperatur (°C) | Tryk (hPa) | kT.P. | IC-foranstaltning korrigeret af kT.P (nC) | Korrigeret middelværdi med kT.P (nC) | ST-afvigelse | Korrigeret middelværdi med alle korrektionsfaktorer | Dosishastighed i luftdyk (Gy/min.) | Dosishastighed ved celleniveau i Kwater (Gy/min.) |
| 2.495 | 22.3 | 1001 | 1.020 | 2.545 | 2.546 | 0.001 | 2.536 | 0.626 | 0.659 |
| 2.496 | 22.3 | 1001 | 1.020 | 2.546 | |||||
| 2.497 | 22.3 | 1001 | 1.020 | 2.547 | |||||
| 2.498 | 22.3 | 1001 | 1.020 | 2.548 | |||||
| 2.496 | 22.3 | 1001 | 1.020 | 2.546 | |||||
| 2.495 | 22.3 | 1000.9 | 1.020 | 2.545 | |||||
| 2.494 | 22.3 | 1000.9 | 1.020 | 2.544 | |||||
| 2.495 | 22.3 | 1000.9 | 1.020 | 2.545 | |||||
| 2.496 | 22.3 | 1000.9 | 1.020 | 2.546 | |||||
| 2.496 | 22.3 | 1000.9 | 1.020 | 2.546 |
Tabel 3: Daglige dosishastighedsmålinger for cellebestråling.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dette arbejde præsenterer den protokol, der anvendes og gennemføres for cellebestrålinger ved hjælp af lavenergi røntgenanlæg. I dag udføres mange radiobiologiske eksperimenter med denne type bestråling, da de er nemme at bruge, omkostningseffektive og med meget få radiobeskyttelsesbegrænsninger sammenlignet med f.eks. koboltkilde. Selv om disse opsætninger har mange fordele, da de bruger en lav røntgenenergikilde, kan en ændring af kun én bestrålingsparameter påvirke dosimetrien betydeligt. Flere undersøgelser har allerede fremhævet betydningen af dosimetristandarder og protokoller for radiobiologiske undersøgelser2,5,20,21. Selvom flere protokoller allerede er veldefinerede i litteraturen1,5, besluttede vi at udvikle en ny protokol til at udføre dosimetrimålinger for at simulere virkelige cellebestrålingsforhold så meget som muligt og tage højde for alle de parametre, der kan påvirke den fysiske dosis, især for lavenergi røntgenstråler21,22. Således har vi valgt at implementere en streng protokol for at minimere usikkerheder. Med henblik herpå blev der fastsat bestrålingsparametre (tabel 1). Følgende tre trin er derefter nødvendige: i) bestemmelse af strålekvalitetsindekset, ii) måling af den absolutte dosishastighed med et ioniseringskammer og iii) måling af dæmpning og spredning på grund af cellekulturmediet med EBT3-radiokromiske film.
Strålekvalitetsindekset svarede til det spændingshalvværdilag (HVL), der bruges til at karakterisere lavenergi røntgenstråler. Den HVL er en praktisk indikator til at beskrive poly energisk stråling og er defineret som tykkelsen af en dæmpningsmaskine (normalt kobber eller aluminium) for at reducere luft kerma dosis sats med en faktor på to fra den oprindelige værdi. HVL-målinger blev udført ved hjælp af følgende anbefalinger i AAPM-protokollen for en 40-300 kV røntgenstråle10. Der måtte dog foretages visse tilpasninger, fordi det i bestrålingsanlægget ikke er muligt at opnå en afstand på 1 meter mellem kilden og ioniseringskammeret. Derfor brugte vi i det nuværende arbejde en afstand på 58 cm mellem kilden og detektoren til HVL-målinger, som illustreret i figur 1. Vi besluttede at lade 25 cm efter ioniseringskammeret, fordi en masse elektronisk materiale, støtte og metalliske elementer er til stede i bunden af kabinettet for at begrænse backscatter-effekten af disse elementer. Måling af HVL er et af de kritiske aspekter af denne protokol. For mange røntgenbestrålingsanlæg er indersiden af anlæggene meget begrænset, og det er ikke de optimale betingelser for at udføre målingerne, eller det bliver umuligt. Selvom eksperimentelle målinger er den bedste måde at evaluere HVL på, når disse målinger er for vanskelige eller endda umulige at udføre, kan dedikeret software17 bruges til at give et godt skøn for HVL, eller en Monte Carlo-simulering kan bruges23. I det nuværende arbejde brugte vi en dedikeret software til at opnå røntgenenergispektret (Figur 5). Vi var også i stand til at sammenligne den målte og beregnede HVL, som var den samme, og også sammenligne den effektive energi.
Til dosimetrimålinger valgte vi derefter at simulere reelle cellebestrålingsforhold så meget som muligt. Til dette udførte vi direkte de absolutte dosishastighedsmålinger med ioniseringskammeret inde i cellebeholderen, der bruges til cellebestråling (Figur 3). Men da vi brugte et cylindrisk ioniseringskammer kalibreret til bjælker over 100 kV, var vi ikke nøjagtigt i samme position som cellerne på grund af ioniseringskammerets tykkelse. For lavere bjælker (15-70 kV), hvor plan parallel kammer kan bruges, kan vi være endnu tættere på den virkelige celle bestråling betingelser. Derefter blev der udført relative dosimetrimålinger for at evaluere dæmpningen og spredningen på grund af cellekulturmediet. Resultaterne af dette arbejde fremhæver ikke en signifikant variation i den dosis, der deponeres med eller uden den nøjagtige mængde cellekulturmedier, da vi brugte en spænding på 220 kV, en ekstra filtrering på 0,15 mm Cu, og vi havde kun 5 mL cellekulturmedium. I en tidligere undersøgelse21 udført ved 80 kV påpegede vi imidlertid, at en variation af cellekulturmedierne og filtreringen påvirker den fysiske dosis betydeligt, op til 40% sammenlignet med referencekonfigurationen, da vi brugte en 1 mm aluminiumfiltrering. Denne påvirkning blev også påvist med hensyn til biologiske virkninger ved at måle den overlevende cellefraktion ved hjælp af en clonogen assay21,23. Afhængigt af spændingen, yderligere filtrering, beholderen og mængden af cellekulturmedier kan den dosis, der deponeres på cellerne, således være anderledes, hvis protokollen ikke følges nøje for alle bestrålinger.
Der bør derfor etableres en særlig dosimetri for alle cellebestrålingskonfigurationer. Selv om dette er restriktivt, og ændringen af kun en enkelt parameter kræver implementering af en ny konfiguration, har vi besluttet at gøre dette valg for at være så tæt som muligt på de reelle cellebestrålingsbetingelser. Det kræver et tæt samarbejde mellem fysikerne og radiobiologen for at kunne sætte det bedste design op til konfigurationen. På vores institut blev der etableret et dusin protokoller på vores platform for et spændingsområde på 40 til 220 kV, for hvilke T25, T75, 6- til 96-pladebrønde eller petriskåle kan bestråles.
Selv om denne protokol synes ret lang tid at gennemføre, når konfigurationen er etableret, er den eneste måling, der skal foretages på bestrålingsdagen, målingen af dosishastigheden med ioniseringskammeret inde i cellebeholderen. Denne måling er også en kvalitetskontrol, der gør det muligt for os at sikre, at dosishastigheden er som forventet.
For at sikre reproducerbarheden af radiobiologiske undersøgelser og for at kunne sammenligne og fortolke forsøg er det vigtigt nøje at følge etablerede protokoller og rapportere alle dosimetri- og konfigurationsaspekter, især for faciliteter, der anvender lav- eller mediumenergi røntgenstråler. Den nye protokol, der foreslås her, vedrører cellebestråling, der gælder for mange røntgenfaciliteter, og tager hensyn til alle de parametre, der påvirker dosimetrien, og giver et bedre skøn over den faktiske dosis, der leveres til cellerne.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Ingen
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 31010 ionization chamber | PTW | ionization Radiation, Detectors including code of practice, catalog 2019/2020, page 14 | https://www.ptwdosimetry.com/fileadmin/user_upload/DETECTORS_Cat_en_16522900_12/blaetterkatalog/index.html?startpage=1#page_14 |
| EBT3 radiochromic films | Meditest | quote request | https://www.meditest.fr/produit/ebt3-8x10/ |
| electrometer UNIDOSEwebline | PTW | online catalog, quote request | https://www.ptwdosimetry.com/en/products/unidos-webline/?type=3451&downloadfile=1593& cHash= 6096ddc2949f8bafe5d556e931e6c865 |
| HVL material (filter, diaphragm) | PTW | online catalog, page 70, quote request | thickness foils: 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5 and 10 mm of copper, https://www.ptwdosimetry.com/fileadmin/user_upload/Online_Catalog/Radiation_Medicine_Cat_en_ 58721100_11/blaetterkatalog/index.html#page_70 |
| scanner for radiochromic films | Epson | quote request | Epson V700, seiko Epson corporation, Suwa, Japan |
| temperature and pressure measurements, Lufft OPUS20 | lufft | quote request | https://www.lufft.com/products/in-room-measurements-291/opus-20-thip-1983/ |
References
- Zoetelief, J., Broerse, J. J., Davies, R. W. Protocol for X-ray dosimetry EULEP. Report No. Report EUR 9507. Commission of the European Communities. , (1985).
- Zoetelief, J., et al. Protocol for X-ray dosimetry in radiobiology. International Journal of Radiation Biology. 77 (7), 817-835 (2001).
- Zoetelief, J., Jansen, J. T. Calculated energy response correction factors for LiF thermoluminescent dosemeters employed in the seventh EULEP dosimetry intercomparison. Physics in Medicine and Biology. 42 (8), 1491-1504 (1997).
- Coleman, C. N., et al. Education and training for radiation scientists: radiation research program and American Society of Therapeutic Radiology and Oncology Workshop, Bethesda, Maryland. Radiation Research. 160 (6), 729-737 (2003).
- Desrosiers, M., et al. The importance of dosimetry standardization in radiobiology. Journal of Research of National Institute of Standards and Technology. 118, 403-418 (2013).
- DIN.
- DIN.
- NCS. Dosimetry of low and medium energy x-rays: A code of practice for use in radiotherapy and radiobiology. NCS. , Report No. 10 (1997).
- International Atomic Energy Agency. Absorbed Dose Determination in External Beam Radiotherapy. International Atomic Energy Agency. , (2000).
- Ma, C. M., et al. AAPM protocol for 40-300 kV x-ray beam dosimetry in radiotherapy and radiobiology. Medical Physics. 28 (6), 868-893 (2001).
- Peixoto, J. G., Andreo, P. Determination of absorbed dose to water in reference conditions for radiotherapy kilovoltage x-rays between 10 and 300 kV: a comparison of the data in the IAEA, IPEMB, DIN and NCS dosimetry protocols. Physics in Medicine and Biology. 45 (3), 563-575 (2000).
- Pedersen, K. H., Kunugi, K. A., Hammer, C. G., Culberson, W. S., DeWerd, L. A. Radiation biology irradiator dose verification survey. Radiation Research. 185 (2), 163-168 (2016).
- Draeger, E., et al. A dose of reality: how 20 years of incomplete physics and dosimetry reporting in radiobiology studies may have contributed to the reproducibility crisis. International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics. 106 (2), 243-252 (2020).
- Devic, S., et al. Precise radiochromic film dosimetry using a flat-bed document scanner. Medical Physics. 32 (7), 2245-2253 (2005).
- Micke, A., Lewis, D. F., Yu, X. Multichannel film dosimetry with nonuniformity correction. Medical Physics. 38 (5), 2523-2534 (2011).
- Filmqa Software. GAF Chromic.com. , Available from: http://www.gafchromic.com/filmqa-software/filmqapro/index.asp (2020).
- Poludniowski, G., Landry, G., DeBlois, F., Evans, P. M., Verhaegen, F. SpekCalc: a program to calculate photon spectra from tungsten anode x-ray tubes. Physics in Medicine and Biology. 54 (19), 433-438 (2009).
- Hubbell, J. H., Seltzer, S. M. X-Ray mass attenuation coefficients - Tables of X-ray mass attenuation coefficients and mass energy-absorption coefficients 1 keV to 20 MeV for elements Z = 1 to 92 and 48 additional substances of dosimetric interest (version 1.4). NIST Standard Reference Database. , 126 (1995).
- Wong, J., et al. High-resolution, small animal radiation research platform with x-ray tomographic guidance capabilities. International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics. 71 (5), 1591-1599 (2008).
- Trompier, F., et al. Investigation of the influence of calibration practices on cytogenetic laboratory performance for dose estimation. International Journal of Radiation Biology. , 1-9 (2016).
- Dos Santos, M., et al. Importance of dosimetry protocol for cell irradiation on a low X-rays facility and consequences for the biological response. International Journal of Radiation Biology. , 1-29 (2018).
- Noblet, C., et al. Underestimation of dose delivery in preclinical irradiation due to scattering conditions. Physica Medica. 30 (1), 63-68 (2014).
- Paixao, L., et al. Monte Carlo derivation of filtered tungsten anode X-ray spectra for dose computation in digital mammography. Radiologia Brasileira. 48 (6), 363-367 (2015).
