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Article de méthode

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

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DOI :

10.3791/61645

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20 février 2021

 ,  ,  ,  , 
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)

Dans cet article

Résumé

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.

Résumé

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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Protocole

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 :
    figure-protocol-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 :
    figure-protocol-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).
    figure-protocol-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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Résultats

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 paramètr...

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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,...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
31010 chambre d’ionisationPTWionisation Rayonnement, Détecteurs y compris code de pratique, catalogue 2019/2020, page 14https://www.ptwdosimetry.com/fileadmin/user_upload/DETECTORS_Cat_en_16522900_12/blaetterkatalog/index.html?startpage=1#page_14
Films radiochromiques EBT3devisMeditest
https://www.meditest.fr/produit/ebt3-8x10/ électromètre UNIDOSEweblinecatalogue en lignePTWhttps://www.ptwdosimetry.com/en/products/unidos-webline/?type=3451&downloadfile=1593& ;
cHash=
6096ddc2949f8bafe5d556e931e6c865
Matériau HVL (filtre, diaphragme)Catalogue en ligne PTW, page 70, demande de devisFeuilles d’épaisseur : 0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1, 2, 5 et 10 mm de cuivre, https://www.ptwdosimetry.com/fileadmin/user_upload/Online_Catalog/Radiation_Medicine_Cat_en_
58721100_11/blaetterkatalog/index.html#page_70
scanner pour films radiochromiquesDemande de devisEpson Epson V700, seiko Epson corporation, Suwa, Japon
mesures de température et de pression, Lufft OPUS20lufftdemandede devishttps://www.lufft.com/products/in-room-measurements-291/opus-20-thip-1983/
Demande de , demande de devis

Références

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  22. Noblet, C., et al. Underestimation of dose delivery in preclinical irradiation due to scattering conditions. Physica Medica. 30 (1), 63-68 (2014).
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