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Biology

Dosimétrie pour l’irradiation cellulaire à l’aide d’installations de radiographie Orthovoltage (40-300 kV)

Published: February 20, 2021 doi: 10.3791/61645
Automatic Translation
1, 2, 3, 1, 2
1Department of RAdiobiology and Regenerative MEDicine (SERAMED), Laboratory of Radiobiology of Accidental Exposures (LRAcc), Institute for Radiological Protection and Nuclear Safety (IRSN), 2Department of RAdiobiology and Regenerative MEDicine (SERAMED), Laboratory of MEDical Radiobialogy (LRMed), Institute for Radiological Protection and Nuclear Safety (IRSN), 3Department of DOSimetry (SDOS), Ionizing Radiation Dosimetry Laboratory (LDRI), Institute for Radiological Protection and Nuclear Safety (IRSN)

Summary

Ce document décrit un nouveau protocole de dosimétrie pour les irradiations cellulaires à l’aide d’équipement à rayons X à faible consommation d’énergie. Les mesures sont effectuées dans des conditions simulant des conditions réelles d’irradiation cellulaire autant que possible.

Abstract

L’importance des protocoles et des normes de dosimétrie pour les études radiobiologiques va de soi. Plusieurs protocoles ont été proposés pour la détermination de la dose à l’aide d’installations de rayons X à faible consommation d’énergie, mais selon les configurations d’irradiation, les échantillons, les matériaux ou la qualité du faisceau, il est parfois difficile de savoir quel protocole est le plus approprié à employer. Nous proposons donc un protocole de dosimétrie pour les irradiations cellulaires à l’aide d’installations de rayons X à faible consommation d’énergie. Le but de cette méthode est d’effectuer l’estimation de la dose au niveau de la monocouche cellulaire pour la rendre aussi proche que possible des conditions réelles d’irradiation cellulaire. Les différentes étapes du protocole sont les suivantes : détermination des paramètres d’irradiation (haute tension, intensité, conteneur cellulaire, etc.), détermination de l’indice de qualité du faisceau (couple couche de demi-valeur à haute tension), mesure du taux de dose avec chambre d’ionisation calibrée dans des conditions de kerma d’air, quantification de l’atténuation et diffusion du milieu de culture cellulaire avec des films radiochromiques EBT3, et détermination du taux de dose au niveau cellulaire. Cette méthodologie doit être effectuée pour chaque nouvelle configuration d’irradiation cellulaire, car la modification d’un seul paramètre peut avoir un impact important sur le dépôt réel de la dose au niveau du monocouche cellulaire, en particulier en ce qui concerne les rayons X à faible consommation d’énergie.

Introduction

L’objectif de la radiobiologie est d’établir des liens entre la dose administrée et les effets biologiques; la dosimétrie est un aspect crucial dans la conception des expériences radiobiologiques. Depuis plus de 30 ans, l’importance des normes de dosimétrie et l’harmonisation des pratiques sont mises enévidence 1,2,3,4,5. Pour établir une référence de taux de dose, plusieurs protocolesexistent 6,7,8,9,10; cependant, comme le montrent Peixoto et Andreo11 , il peut y avoir des différences de jusqu’à 7% selon la quantité dosimétrique utilisée pour la détermination du taux de dose. En outre, même s’il existe des protocoles, il est parfois difficile de savoir quel protocole convient le mieux à une application particulière, le cas échéant, parce que le taux de dose pour les cellules dépend de paramètres tels que le récipient cellulaire, la quantité de médias de culture cellulaire ou la qualité du faisceau, par exemple. La diffusion et la rétrosécation pour ce type d’irradiation est également un paramètre très important à prendre en compte. En effet, pour les rayons X à énergie faible et moyenne, dans le protocole de référence AAPM TG-6110, la dose absorbée dans l’eau est mesurée à la surface d’un fantôme d’eau. Compte tenu des conditions d’irradiation cellulaire très spécifiques, le petit volume de médias de culture cellulaire entouré d’air est plus proche des conditions de kerma que ceux définis pour une dose absorbée avec un grand fantôme équivalent à l’eau comme dans le protocole TG-61. Par conséquent, nous avons choisi d’utiliser le kerma dans l’eau comme quantité dosimétrique pour la référence plutôt que la dose absorbée dans l’eau. Ainsi, nous proposons une nouvelle approche pour fournir une meilleure détermination de la dose réelle administrée aux cellules.

En outre, un autre aspect crucial pour les études radiobiologiques est la déclaration complète des méthodes et protocoles utilisés pour l’irradiation afin d’être en mesure de reproduire, d’interpréter et de comparer les résultats expérimentaux. En 2016, Pedersen et coll.12 ont souligné l’insuffisance des rapports de dosimétrie dans les études radiobiologiques précliniques. Une étude récente plus vaste de Draeger et coll.13 a mis en évidence que même si certains paramètres de dosimétrie tels que la dose, l’énergie ou le type de source sont signalés, une grande partie des paramètres de physique et de dosimétrie qui sont essentiels pour reproduire correctement les conditions d’irradiation sont manquants. Cet examen à grande échelle, de plus de 1 000 publications couvrant les 20 dernières années, montre un manque important de rapports sur les conditions de physique et de dosimétrie dans les études radiobiologiques. Ainsi, une description complète du protocole et de la méthode utilisée dans les études radiobiologiques est obligatoire afin d’avoir des expériences robustes et reproductibles.

Compte tenu de ces différents aspects, pour les expériences radiobiologiques menées à l’IRSN (Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire), un protocole rigoureux a été mis en œuvre pour les irradiations cellulaires dans une installation d’orthovoltage. Ce protocole de dosimétrie a été conçu afin de simuler autant que possible les conditions réelles d’irradiation cellulaire et donc de déterminer la dose réelle administrée aux cellules. À cette fin, tous les paramètres d’irradiation sont énumérés, et l’indice de qualité du faisceau a été évalué en mesurant la demi-couche de valeur (HVL) pour laquelle certaines adaptations ont été faites car les recommandations standard du protocole10 de l’AAPM ne peuvent pas être suivies. La mesure du taux de dose absolue a ensuite été effectuée avec la chambre d’ionisation à l’intérieur du récipient cellulaire utilisé pour les irradiations cellulaires, et l’atténuation et la dispersion des médias de culture cellulaire ont également été quantifiées avec des films radiochromiques EBT3. Comme la modification d’un seul paramètre du protocole peut avoir un impact significatif sur l’estimation de la dose, une dosimétrie dédiée est effectuée pour chaque configuration d’irradiation cellulaire. De plus, la valeur HVL doit être calculée pour chaque combinaison tension-filtre. Dans ce travail actuel, une tension de 220 kV, une intensité de 3 mA, et une filtration inhérente et supplémentaire de 0,8 mm et 0,15 mm de béryllium et de cuivre, respectivement, sont utilisées. La configuration d’irradiation cellulaire choisie est sur un flacon T25, où les cellules ont été irradiées avec 5 mL de médias de culture cellulaire.

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Protocol

1. Plate-forme d’irradiation et détermination des paramètres d’irradiation

  1. Utilisez une plate-forme d’irradiation fournissant des rayons X à faible à moyenne énergie. Déterminer les paramètres de l’expérience afin d’assurer la robustesse et la reproductibilité de l’expérience radiobiologique : Haute tension, intensité, filtration (inhérente et additionnelle), demi-couche de valeur (HVL), énergie efficace, détecteur utilisé pour les mesures de dosimétrie, distance de l’échantillon source (DSS), champ d’irradiation (forme, taille, géométrie), quantité de dosimétrie, méthode de dosimétrie, taux de dose, contenant cellulaire et quantité de médias de culture cellulaire. Tous les paramètres utilisés dans ce protocole sont donnés dans le tableau 1.

2. Indice de qualité du faisceau : détermination de la couche de demi-valeur

REMARQUE : Le HVL est défini comme l’épaisseur d’un atténuateur (généralement du cuivre ou de l’aluminium) pour réduire l’intensité du faisceau par un facteur de deux par rapport à la valeur d’origine.

  1. Installez l’équipement (support, collimateur, diaphragme, ionisation) à l’intérieur de l’enceinte d’irradiation en suivant les instructions de la figure 1. Aucun matériau atténuateur n’est utilisé à cette étape.
  2. Assurez-vous que toutes les distances indiquées à la figure 1 sont exactes. Mesurez-les à l’aide d’une mesure de bande.
  3. Placez cela la chambre d’ionisation dans la position horizontale. Pour ce travail, nous avons utilisé une chambre d’ionisation cylindrique 31002 (équivalente à 31010) calibrée dans le kerma d’air.
  4. Pré-irradier la chambre d’ionisation pendant 5 min et mesurer l’arrière-plan (cette étape peut être effectuée sans collimateur).
  5. Effectuez 10 mesures de 1 min chacune en mode de collecte de charge correspondant à lavaleur brute M (en coulombs).
  6. Prenez la température et la pression avec l’équipement calibré approprié placé à l’intérieur de l’enceinte d’irradiation dans notre cas (si ce n’est pas possible, placez-le près de l’expérience). Corrigez la lecturebrute M sur l’électromètre par le facteur de correction de la température et de la pression donné comme suit :
    Equation 1
    où : T (°C) et P (hPa) sont respectivement la température et la pression réelles. L’arbitre T etl’arbitre P sont la température et la pression de référence lorsque l’ionisation a été calibrée par le laboratoire des normes. La pression et la température doivent être mesurées à l’aide d’instruments calibrés. La valeur obtenue en mode charge est la valeur de référence moyenne M (en coulombs).
    REMARQUE : Cette étape n’est pas strictement nécessaire pour la mesure HVL, mais elle est recommandée.
  7. Placer un atténuateur d’une certaine épaisseur au-dessus du diaphragme. L’ensemble HVL est composé de feuilles d’épaisseurs différentes (0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1, 2, 5 et 10 mm de cuivre) avec une dimension permettant de couvrir l’ensemble du faisceau (80 x 80 mm ici).
  8. Prenez une mesure de 1 min (Mbrut corrigé par le KT,P comme décrit précédemment).
    1. Si le taux de dose est divisé par un facteur de 2 par rapport à la valeur de départ, la valeur HVL est trouvée. Prenez 5 mesures de 1 min pour estimer le taux moyen de dose.
    2. Si le taux de dose n’est pas divisé par un facteur de 2 en ce qui concerne la valeur de départ, augmentez ou diminuez l’épaisseur de l’atténuateur et prenez une autre mesure. Ajustez l’épaisseur de l’atténuateur au besoin.
  9. Une fois que l’épaisseur de l’atténuateur qui diminue l’intensité du faisceau par un facteur deux est trouvée, prendre 5 mesures de 1 min pour confirmer le HVL.
    REMARQUE : Dans la plupart des cas, l’épaisseur exacte de l’atténuateur ne peut pas être trouvée à partir des feuilles disponibles. Dans ce cas, procéder par bisection et interpoler le HVL.

3. Évaluation du champ d’irradiation (aucune estimation de dose)

  1. Placez un film EBT3 sur le support utilisé pour l’irradiation.
  2. Irradier ce film pour obtenir un champ d’irradiation bien marqué (au moins 2 Gy).
  3. Scannez le film EBT3 à l’aide d’un scanner dédié.
  4. Tracez le profil de dose à l’aide de l’image J à l’aide de l’option Analyser puis tracer le profil ( Figure2).
  5. Déterminer la taille de l’utilisation du champ d’irradiation pour l’irradiation (zone homogène, à l’exclusion des régions pénumbras, voir la figure 2).
  6. Faites des marques sur le support utilisé pour l’irradiation pour vous assurer que le contenant cellulaire est dans la bonne position.
    REMARQUE : Dans cette étape, la taille du champ d’irradiation est déterminée, et la dose n’est pas estimée. La procédure complète de lecture et d’analyse des films est donnée à la section 5. En outre, prendre des marges afin d’éviter les erreurs dues au positionnement du conteneur cellulaire.

4. Mesure du taux de dose avec chambre d’ionisation

  1. Prenez le contenant cellulaire et cassez une petite partie sur le côté ou au fond (selon le récipient particulier et la chambre d’ionisation utilisée) pour pouvoir placer la chambre d’ionisation à l’intérieur(figure 3,section supérieure) ou en dessous(figure 3,section inférieure) du récipient. Les exemples sont donnés dans la figure 3 avec différentes chambres d’ionisation (cylindriques ou parallèles plane) et des conteneurs cellulaires. Dans ce cas,, un flacon T25 a été utilisé (Figure 3, boîte rouge).
    REMARQUE : un fer à soudage ou un scalpel chauffé est une bonne alternative pour faire des trous dans les marchandises en plastique
  2. Placez le récipient à l’intérieur de l’enceinte sur le support utilisé pour l’irradiation (plaque de carbone ici).
  3. Placez la chambre d’ionisation dans le récipient(figure 3,boîte rouge), dans la bonne position et connectez-la à l’électromètre.
  4. Assurez-vous que tous les paramètres d’irradiation énumérés à la section 1 sont corrects (haute tension, intensité, filtrations supplémentaires, distance de l’échantillon source, etc.).
  5. Pré-irradier la chambre d’ionisation pendant 5 min et effectuer la réduction à zéro de l’électromètre.
  6. Prenez 10 mesures de 1 min pour déterminer le taux moyen de dose dans le kerma d’air (Gy.min-1). Calculez la détermination du taux de dose dansl’air K comme suit :
    Equation 2
    où M est la lecture du dosemètre corrigée par la température, la pression, l’effet de polarité, la recombinaison des ion et l’étalonnage des électromètres. NKair et Kq sontles facteurs d’étalonnage et de correction de la qualité des radiations, dont les valeurs sont spécifiques à chaque chambre d’ionisation.

5. Mesure de l’atténuation et de la diffusion des médias de culture cellulaire

REMARQUE : Manipulez les films EBT3 avec des gants tout au long de la procédure.

  1. Préparation de l’expérience
    1. Couper de petits morceaux de films EBT3 au moins 24 h avant l’irradiation.
    2. Déterminer la taille des films en fonction du contenant cellulaire utilisé pour les expériences de radiobiologie (4 x 4 cm pour un flacon T25, par exemple).
      Couper deux séries de films radiochromiques : un ensemble pour les courbes d’étalonnage composées de trois morceaux de film radiochromique EBT3 par dose ou point de temps (neuf points au total pour cette œuvre) ; et un ensemble pour la quantification de l’atténuation des médias de culture cellulaire, également trois pièces par point.
    3. Numérotez tous les films pour identification (coin supérieur droit ici) et numérisez-les sur la même position sur le scanner.
    4. Gardez les films à l’écart de la lumière.
    5. Préparez le contenant cellulaire utilisé pour les mesures du film EBT3 et, si nécessaire, coupez une pièce pour mettre le film à l’intérieur (un exemple avec un T25 est donné à la figure 4).
  2. Estimation du taux de dose
    1. Mesurez le taux de dose pour la configuration tel que décrit dans la section précédente.
    2. Gardez cette configuration en place pour l’irradiation des films radiochromiques EBT3 et utilisez le même type de contenant cellulaire.
  3. Construction de la courbe d’étalonnage
    1. Prenez les films EBT3 pré-coupés pour la courbe d’étalonnage.
    2. Ne pas irradier trois morceaux (0 Gy).
    3. Placez le premier film à l’intérieur du récipient cellulaire, dans la même configuration que pour l’irradiation cellulaire.
    4. Irradiez-le pour obtenir les premiers points de dose.
    5. Répétez cette opération pour obtenir trois morceaux de films EBT3 irradiés avec la même dose.
    6. Effectuez-le pour chaque point de dose (neuf points de dose dans ce travail (0, 0,25, 0,5, 0,75, 1, 1,5, 2, 2,5 et 3 Gy) comme l’illustre la figure 5).
  4. Évaluation de l’atténuation des médias de culture cellulaire et de la dispersion.
    1. Choisissez le même temps d’irradiation pour toutes les irradiations (60 s, par exemple).
    2. Irradier trois morceaux de films EBT3 dans le récipient sans eau.
    3. Irradier trois morceaux de films EBT3 dans le récipient avec de l’eau comme suit.
      1. Placez le film à l’intérieur du récipient.
      2. Remplissez le récipient avec la quantité exacte d’eau pour représenter le média de culture cellulaire (5 mL ici). Utilisez de petits morceaux de ruban adhésif si les films ne restent pas submergés correctement.
      3. Placez le contenant cellulaire à l’intérieur de l’enceinte et assurez-vous que le film est correctement immergé.
      4. Lorsque l’irradiation est terminée, prenez les films EBT3, séchez-les avec du papier absorbant et rangez-les loin de la lumière.

6. Lecture de films radiochromiques EBT3

  1. Lire les films EBT3 au moins 24 h après irradiation.
  2. Scannez les films sur un scanner dédié.
  3. Définissez les paramètres du scanner comme : 48 bits de format tiff rouge-vert-bleu, 150 dpi en mode transmission et aucune correction d’image.
  4. Effectuez un échauffement du scanner comme suit.
    1. Placez un film non irradié sur le scanner.
    2. Lancez un aperçu de l’analyse.
    3. Lancez une 40 s et attendez 30 s.
    4. Lancez l’analyse.
    5. À la fin de l’analyse, lancez une insurrateur et attendez 90 s.
    6. Dans le même temps, enregistrez l’analyse, ouvrez l’image avec ImageJ, tracez un retour sur investissement carré (toujours de la même taille et dans la même position), et prenez une mesure du niveau moyen de pixel rouge de la zone.
    7. À la fin des années 90, répétez la procédure à partir de l’étape 2 (sans toucher le film à l’intérieur du scanner).
    8. Répétez cette répétition au moins 30 fois pour réchauffer et stabiliser le scanner (aucune variation du niveau moyen de pixels rouges de la zone sélectionnée sur les films non irradiés). Si le scanner, c’est-à-dire la valeur moyenne des pixels rouges, n’est pas stabilisé, continuez la procédure.
  5. Numérisation des films EBT3
    1. Placez le premier film au centre du lit du scanner. Délimitez une zone pour toujours placer le film au même endroit et dans la même orientation.
    2. Lancez un aperçu de l’analyse.
    3. Lancez une 40 s et attendez 30 s.
    4. Lancez l’analyse.
    5. À la fin de l’analyse, lancez une insurrateur et attendez 90 s. Au cours de ces années 90 changer le film EBT3.
      REMARQUE : Une analyse des films radiochromiques EBT3 a été effectuée à l’aide d’un programme C++ autoprogrammé. Différentes méthodes peuvent être utilisées pour l’analyse du film EBT3, telles que la méthode du canal rouge ou la méthode des trois canaux14,15. Dans ce cas, nous avons utilisé la méthode du canal rouge sans soustraction de fond, et les images ont été converties en densités optiques, puis à la dose en utilisant notre programme. Comme cette méthode est déjà bien définie, notre programme C++ n’a pas été inclus ici. En outre, le logicieldédié 16 peut également être utilisé pour l’analyse de films EBT3.

7. Détermination du taux de dose au niveau du monocouche cellulaire

  1. Convertir le taux moyen de dose obtenu avec la chambre d’ionisation corrigée par l’atténuation et la dispersion des médias de culture cellulaire (K) au kerma d’eau en utilisant le rapport du coefficient moyen d’absorption d’énergie de masse pour l’eau par rapport à l’air évalué sur le spectre de fluence photon (μen/ρ).
    Equation 3
    Un logiciel dédié17 a été utilisé pour calculer le spectre d’énergie photon dans l’air sans fantôme, et nous avons utilisé le tableau NIST18 pour calculer le coefficient moyen d’absorption d’énergie de masse.

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Representative Results

Dans ce travail, nous avons utilisé une plate-forme dédiée à l’irradiation despetits animaux 19; cependant, cette plate-forme peut être utilisée pour irradier d’autres types d’échantillons tels que les cellules. La source d’irradiation est un tube à rayons X varien (NDI-225-22) ayant une filtration inhérente de 0,8 mm de béryllium, une grande taille sportive focale de 3 mm, une plage de haute tension d’environ 30 à 225 kV et une intensité maximale de 30 mA.

Les paramètres utilisés pour cette étude sont indiqués dans le tableau 1. Nous avons choisi de montrer un exemple de l’utilisation de ce protocole pour l’irradiation cellulaire dans un flacon T25 avec 5 mL de médias de culture cellulaire.

Couche de demi-valeur
Le tableau 2 indique les mesures effectuées pour estimer l’épaisseur de l’atténuateur nécessaire pour diminuer l’intensité du faisceau par un facteur de deux. Pour cela, 10 mesures de référence ont été prises pour estimer la lecture moyenne de Mbrut sur l’électromètre (dans Coulombs), corrigée par le facteur de correction de température et de pression (KT,P).

Différentes épaisseurs d’atténuateurs ont ensuite été testées pour trouver l’épaisseur qui a diminué l’intensité du faisceau par un facteur de deux. Lorsque cette épaisseur a été trouvée, cinq mesures ont été prises pour évaluer la valeur brute moyennede M corrigée par KT,P.

Pour cette configuration, une demi-couche de valeur de 0,667 mm de cuivre a été trouvée. À partir de la mesure HVL, nous pouvons calculer l’énergie efficace du faisceau, qui est d’environ 69 keV dans notre cas.

Mesure du taux de dose
Avant ces mesures, un film EBT3 a été irradié afin de déterminer la surface sur laquelle le champ d’irradiation est homogène, ce qui nous a permis de placer correctement le récipient cellulaire. Cette zone est d’environ 10 x 10 cm² à l’exclusion des régions pénumbras représentées par des lignes pointillées dans la figure 2. Ensuite, la mesure du taux de dose a été effectuée à l’aide d’une chambre d’ionisation cylindrique 31002 (équivalente à 31010) calibrée dans le kerma d’air. Pour cette configuration, avec un champ d’irradiation en plein champ à 35 cm à la source dans un récipient de cellule T25 placé sur une plaque de carbone, le taux de dose était d’environ 0,626 Gy.min-1 dansl’airK .

Pour déterminer la dose exacte sur les cellules, l’air Kmesuré a été converti en kerma d’eau. La figure 5 montre le spectre énergétique des rayons X obtenu avec le logiciel dédié17. À partir de ce spectre d’énergie et le tableau NIST, nous pouvons convertir le taux de dose dansl’air Ken eau K , qui était de 0,659 Gy.min-1.

L’incertitude générale de la mesure du taux de dose absolue était d’environ 3 % à un niveau de confiance de 95 %.

Atténuation et diffusion des médias de culture cellulaire
Pour la quantification de l’atténuation et de la diffusion des médias de culture cellulaire, des mesures de dosimétrie avec des films radiochromiques EBT3 ont été effectuées à température ambiante. À partir de la mesure avec la chambre d’ionisation, le taux de dose a été déterminé. Les films d’étalonnage ont ensuite été irradiés à la même position. Les films radiochromiques EBT3 ont été calibrés entre 0 et 3 Gy avec 0,25 gy steps entre 0 et 1 Gy et 0,5 Gy steps entre 1 et 3 Gy (neuf points de dose pour construire la courbe d’étalonnage) comme le montre la figure 6. Les points de dose ont été équipés d’une courbe polynomiale de4èmedegré. Les films EBT3 ont ensuite été irradiés avec et sans la quantité exacte de médias de culture cellulaire à l’intérieur du récipient cellulaire pour évaluer l’atténuation et la dispersion dues aux médias de culture cellulaire. Pour cette configuration, l’atténuation des médias de culture cellulaire était d’environ 1,5%.

L’incertitude générale des mesures du film EBT3 était d’environ 4 % à un niveau de confiance de 95 %.

Mesures de routine
Avant d’effectuer les irradiations cellulaires, le taux de dose a été mesuré à chaque fois dans le même récipient utilisé pour l’irradiation. Ainsi, nous avons utilisé le taux de dose quotidienne pour estimer le temps d’irradiation. Si nous suivons de près le protocole et ne changeons pas de paramètres, la mesure HVL et l’atténuation due aux médias de culture cellulaire n’ont pas besoin d’être répétées. À titre d’exemple, le tableau utilisé pour la mesure quotidienne est donné dans le tableau 3.

Figure 1
Figure 1 : Le schéma de configuration est en place sur l’enceinte SARRP pour les mesures HVL. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 : Évaluation de la taille du champ d’irradiation. Profil de dose obtenu à 35 cm à la source sans collimateur. Les lignes pointillées montrent la zone considérée pour l’irradiation. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3 : Photographies de contenants cellulaires avec la chambre d’ionisation pour la mesure du taux de dose. Partie supérieure : exemple pour la mesure avec une chambre cylindrique d’ionisation 31002. Partie inférieure : exemple pour la mesure avec une chambre d’ionisation TM23342. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4 : Photographies du T25 utilisées pour mesurer l’atténuation des médias de culture cellulaire. La partie supérieure du T25 a été découpée pour pouvoir placer le film à l’intérieur du flacon. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5
Figure 5 : Spectres d’énergie simulés pour une haute tension de 220 kV avec 0,8 mm de Be et 0,15 mm de filtrations Cu17 . S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 6
Figure 6 : Films EBT3 irradiés pour construire la courbe d’étalonnage et la courbe d’étalonnage correspondante. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Haute tension (kV) 220
Intensité (mA) 3
Filtrations (inhérentes et additionnées) 0,8 mm de Be + 0.15 mm Cu
Couche demi-valeur (mm Cu) Déterminé ci-dessous
Énergie efficace (keV) Déterminé ci-dessous
Détecteur utilisé Chambre d’ionisation cylindrique + films radiochromiques EBT3
Distance de l’échantillon source 35 cm
Champ d’irradiation (forme, taille, géométrie) Champ ouvert (pas de collimateur), carré, 20 x 20 cm
Quantité de dosimétrie Kair et Kwater
Méthode de dosimétrie Tel que décrit dans la section protocole
Récipient cellulaire T25 (en)
Quantité de médias de culture cellulaire 5 ml
Taux de dose (Gy/min) Déterminé ci-dessous

Tableau 1 : Liste des paramètres de configuration.

Atténuateur (mm Cu) Mesure IC (nC) Température (°C) Pression (hPa) kT.P Mesure IC corrigée par kT.P (nC) Valeur moyenne corrigée (nC) Déviation ST Estimation de l’atténuation (M / Mref)
mesures de référence (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
Découverte de l’épaisseur de l’atténuateur (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
Mesures avec l’atténuateur droit (M) 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

Tableau 2 : Mesure de la détermination de la demi-couche de valeur.

Mesure IC (nC) Température (°C) Pression (hPa) kT.P Mesure IC corrigée par kT.P (nC) Valeur moyenne corrigée par kT.P (nC) Déviation ST Valeur moyenne corrigée par tous les facteurs de correction Taux de dose dans le kerm d’air (Gy/min) Taux de dose au niveau cellulaire à 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

Tableau 3 : Mesures quotidiennes du taux de dose pour l’irradiation cellulaire.

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Discussion

Ces travaux présentent le protocole utilisé et mis en œuvre pour les irradiations cellulaires à l’aide d’installations de radiographie à faible consommation d’énergie. Aujourd’hui, de nombreuses expériences de radiobiologie sont réalisées avec ce type d’irradiateur car elles sont faciles à utiliser, rentables et avec très peu de contraintes de radioprotection, par rapport à la source de cobalt par exemple. Bien que ces configurations aient de nombreux avantages, car elles utilisent une source d’énergie à rayons X faible, une modification d’un seul paramètre d’irradiation peut avoir un impact significatif sur la dosimétrie. Plusieurs études ont déjà mis en évidence l’importance des normes et protocoles de dosimétrie pour les études de radiobiologie2,5,20,21. Même si plusieurs protocoles ont déjà été bien définis dans lalittérature 1,5, nous avons décidé de développer un nouveau protocole pour effectuer des mesures de dosimétrie pour simuler les conditions réelles d’irradiation cellulaire autant que possible et de prendre en compte tous les paramètres qui peuvent influencer la dose physique, en particulier pour les rayons X de faible énergie21,22. Ainsi, nous avons choisi de mettre en œuvre un protocole rigoureux pour minimiser les incertitudes. À cette fin, des paramètres d’irradiation ont été définis( Tableau 1). Les trois étapes suivantes sont alors nécessaires : i) détermination de l’indice de qualité du faisceau, ii) mesure du taux de dose absolue avec une chambre d’ionisation et iii) mesure de l’atténuation et de la diffusion dues au milieu de culture cellulaire avec des films radiochromiques EBT3.

L’indice de qualité du faisceau correspondait au couple de la couche de demi-tension (HVL) utilisé pour caractériser les faisceaux de rayons X à basse énergie. Le HVL est un indicateur pratique pour décrire le rayonnement polyé énergétique et est défini comme l’épaisseur d’un atténuateur (généralement le cuivre ou l’aluminium) pour réduire le taux de dose de kerma d’air par un facteur de deux de la valeur originale. Des mesures de HVL ont été exécutées utilisant les recommandations suivantes du protocole d’AAPM pour un faisceau de rayon X de 40-300 kV10. Cependant, certaines adaptations ont dû être faites parce que dans l’enceinte de l’irradiateur, il n’est pas possible d’atteindre une distance de 1 mètre entre la source et la chambre d’ionisation. Par conséquent, dans le présent ouvrage, nous avons utilisé une distance de 58 cm entre la source et le détecteur pour les mesures hvl, comme l’illustre la figure 1. Nous avons décidé de laisser 25 cm après la chambre d’ionisation parce que beaucoup de matériaux électroniques, de support et d’éléments métalliques sont présents au bas de l’enceinte pour limiter l’effet rétrocalisation de ces éléments. La mesure du HVL est l’un des aspects critiques de ce protocole. En effet, pour de nombreux irradiateurs à rayons X, l’intérieur des enceintes est très restreint et ce ne sont pas les conditions optimales pour effectuer les mesures ou cela devient impossible. Bien que les mesures expérimentales soient la meilleure façon d’évaluer le HVL, lorsque ces mesures sont trop difficiles, voire impossibles à effectuer,le logiciel dédié 17 peut être utilisé pour fournir une bonne estimation pour le HVL, ou une simulation monte Carlo peut être utilisée23. Dans le présent travail, nous avons utilisé un logiciel dédié pour obtenir le spectre énergétique des rayons X (figure 5). Nous avons également pu comparer le HVL mesuré et calculé, qui était le même, et aussi comparer l’énergie efficace.

Pour les mesures de dosimétrie, nous avons ensuite choisi de simuler autant que possible de véritables conditions d’irradiation cellulaire. Pour cela, nous avons effectué directement les mesures du taux de dose absolue avec la chambre d’ionisation à l’intérieur du récipient cellulaire utilisé pour l’irradiation des cellules (Figure 3). Cependant, comme nous avons utilisé une chambre d’ionisation cylindrique calibrée pour les faisceaux de plus de 100 kV, nous n’étions pas exactement à la même position que les cellules en raison de l’épaisseur de la chambre d’ionisation. Pour les faisceaux inférieurs (15-70 kV), où la chambre parallèle plane peut être utilisée, nous pouvons être encore plus proches des conditions réelles d’irradiation cellulaire. Ensuite, des mesures relatives de dosimétrie ont été effectuées pour évaluer l’atténuation et la dispersion dues au milieu de culture cellulaire. Les résultats présentés sur ce travail ne mettent pas en évidence une variation significative de la dose déposée avec ou sans la quantité exacte de médias de culture cellulaire que nous avons utilisé une tension de 220 kV, une filtration supplémentaire de 0,15 mm de Cu et nous n’avions que 5 mL de milieu de culture cellulaire. Cependant, dans une étudeprécédente 21 réalisée à 80 kV, nous avons souligné qu’une variation du média de culture cellulaire et de la filtration a un impact significatif sur la dose physique, jusqu’à 40% par rapport à la configuration de référence lorsque nous avons utilisé une filtration en aluminium de 1 mm. Cet impact a également été démontré en termes d’effets biologiques en mesurant la fraction cellulaire survivante à l’aide d’un essai clonogénique21,23. Ainsi, selon la tension, la filtration supplémentaire, le récipient et la quantité de médias de culture cellulaire, la dose déposée sur les cellules peut être différente si le protocole n’est pas suivi de près pour toutes les irradiations.

Par conséquent, une dosimétrie dédiée devrait être mise en place pour toutes les configurations d’irradiation cellulaire. Bien que cela soit restrictif et que la modification d’un seul paramètre nécessite la mise en œuvre d’une nouvelle configuration, nous avons décidé de faire ce choix pour être le plus proche possible des conditions réelles d’irradiation cellulaire. Cela nécessite une étroite collaboration entre les physiciens et le radiobiologiste afin de mettre en place la meilleure conception pour la configuration. À notre institut, une douzaine de protocoles ont été établis sur notre plate-forme pour une plage de tension de 40 à 220 kV pour laquelle les puits T25, T75, 6 à 96 assiettes ou les boîtes de Pétri peuvent être irradiés.

Bien que ce protocole semble assez long à mettre en œuvre, une fois la configuration établie, la seule mesure à prendre le jour de l’irradiation est la mesure du taux de dose avec la chambre d’ionisation à l’intérieur du récipient cellulaire. Cette mesure est également un contrôle de la qualité qui nous permet de nous assurer que le taux de dose est comme prévu.

Afin d’assurer la reproductibilité des études radiobiologiques et de pouvoir comparer et interpréter les expériences, il est important de suivre rigoureusement les protocoles établis et de rendre compte de tous les aspects de dosimétrie et de configuration, en particulier pour les installations utilisant des rayons X à énergie faible ou moyenne. Le nouveau protocole proposé ici porte sur les irradiations cellulaires, applicables à de nombreuses installations de radiographie, et tient compte de tous les paramètres influençant la dosimétrie et fournit une meilleure estimation de la dose réelle administrée aux cellules.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

aucun

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/

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Biologie numéro 168 dosimétrie rayons X à basse énergie radiobiologie protocole d’irradiation irradiation cellulaire installation de rayons X
Dosimétrie pour l’irradiation cellulaire à l’aide d’installations de radiographie Orthovoltage (40-300 kV)
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Dos Santos, M., Paget, V., Trompier, F., Gruel, G., Milliat, F. Dosimetry for Cell Irradiation using Orthovoltage (40-300 kV) X-Ray Facilities. J. Vis. Exp. (168), e61645, doi:10.3791/61645 (2021).

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