Summary
מסמך זה מתאר פרוטוקול dosimetry חדש עבור הקרנת תאים באמצעות ציוד רנטגן באנרגיה נמוכה. המדידות מבוצעות בתנאים המדמים תנאי הקרנת תאים אמיתיים ככל האפשר.
Abstract
החשיבות של פרוטוקולי דוזימטריה וסטנדרטים למחקרים רדיוביולוגיים מובנת מאליה. מספר פרוטוקולים הוצעו לקביעת מינון באמצעות מתקני רנטגן באנרגיה נמוכה, אך בהתאם לתצורות ההקרנה, הדגימות, החומרים או איכות הקרן, לפעמים קשה לדעת איזה פרוטוקול הוא המתאים ביותר להעסיק. אנו, אם כן, מציעים פרוטוקול דוזימטריה להקרנת תאים באמצעות מתקן רנטגן באנרגיה נמוכה. מטרת שיטה זו היא לבצע את הערכת המינון ברמה של monolayer התא כדי להפוך אותו קרוב ככל האפשר לתנאי הקרנה תא אמיתי. השלבים השונים של הפרוטוקול הם כדלקמן: קביעת פרמטרי ההקרנה (מתח גבוה, אינטנסיביות, מיכל תא וכו '), קביעת מדד איכות הקרן (זוג שכבת מתח-חצי ערך גבוהה), מדידת קצב מינון עם תא יינון מכויל בתנאי קרמה אוויר, כימות של הנחתה ופיזור של מדיום תרבות התא עם סרטים רדיוכרומיים EBT3, וקביעת קצב המינון ברמה התאית. מתודולוגיה זו חייבת להתבצע עבור כל תצורת הקרנת תא חדש כמו השינוי של פרמטר אחד בלבד יכול להשפיע מאוד על תצהיר המינון האמיתי ברמה של monolayer התא, במיוחד מעורבים קרני רנטגן אנרגיה נמוכה.
Introduction
מטרת הרדיוביולוגיה היא ליצור קשרים בין המינון המועבר לבין ההשפעות הביולוגיות; דוזימטריה היא היבט מכריע בתכנון ניסויים רדיוביולוגיים. במשך למעלה מ -30 שנה, החשיבות של סטנדרטים דוזימטריים והרמוניזציה של פרקטיקות הודגשו1,2,3,4,5. כדי לקבוע התייחסות שיעור מנה, מספר פרוטוקולים קיימים6,7,8,9,10; עם זאת, כפי שמוצג על ידי Peixoto ו Andreo11 , יכולים להיות הבדלים של עד 7% בהתאם לכמות הדוזימטרית המשמשת לקביעת שיעור המינון. יתר על כן, גם אם קיימים פרוטוקולים, לפעמים קשה לדעת איזה פרוטוקול הוא המתאים ביותר ליישום מסוים, אם בכלל, כי קצב המינון של התאים תלוי בפרמטרים כגון מיכל התא, כמות המדיה תרבות התא או איכות הקרן, למשל. הפיזור ואת backscattering עבור סוג זה של הקרנה הוא גם פרמטר חשוב מאוד לקחת בחשבון. ואכן, עבור צילומי רנטגן באנרגיה נמוכה ובינונית, בפרוטוקול הייחוס AAPM TG-6110, המינון נספג במים נמדד על פני השטח של פנטום מים. אם ניקח בחשבון את תנאי הקרנת התאים הספציפיים מאוד, הנפח הקטן של תקשורת תרבות התא מוקף באוויר קרוב יותר לתנאי קרמה מאלה שהוגדרו למינון נספג עם פנטום שווה ערך למים גדול כמו בפרוטוקול TG-61. לכן, בחרנו להשתמש kerma במים ככמות דוזימטרית לעיון ולא את המינון נספג במים. לכן, אנו מציעים גישה חדשה כדי לספק קביעה טובה יותר של המינון בפועל מועבר לתאים.
יתר על כן, היבט מכריע נוסף למחקרים רדיוביולוגיים הוא דיווח מלא של השיטות והפרוטוקולים המשמשים להקרנה כדי להיות מסוגל לשחזר, לפרש ולהשוות תוצאות ניסיוניות. בשנת 2016, Pedersen et al.12 הדגיש את הדיווח הלקוי של דוזימטריה במחקרים רדיוביולוגיים פרה-קוליניים. מחקר גדול יותר שנערך לאחרונה על ידי Draeger et al.13 הדגיש כי למרות כמה פרמטרים dosimetry כגון המינון, אנרגיה, או סוג המקור מדווחים, חלק גדול של הפרמטרים הפיזיקה והדוסימטריה כי הם חיוניים כדי לשכפל כראוי את תנאי ההקרנה חסרים. סקירה רחבת היקף זו, של יותר מ-1,000 פרסומים המכסים את 20 השנים האחרונות, מראה על מחסור משמעותי בדיווח על תנאי הפיזיקה והדוסימטריה במחקרים רדיוביולוגיים. לפיכך, תיאור מלא של הפרוטוקול והשיטה המשמשת במחקרים רדיוביולוגיים הוא חובה על מנת לערוך ניסויים חזקים הניתנים לשחזור.
אם ניקח בחשבון היבטים שונים אלה, עבור הניסויים הרדיוביולוגיים שבוצעו ב- IRSN (המכון להגנה מפני קרינה ובטיחות גרעינית), יושם פרוטוקול מחמיר להקרנת תאים במתקן אורתובולגי. פרוטוקול דוזימטריה זה תוכנן על מנת לדמות את תנאי ההקרנה האמיתיים של התא ככל האפשר ובכך, כדי לקבוע את המינון בפועל מועבר לתאים. למטרה זו, כל פרמטרי ההקרנה מפורטים, ומדד איכות הקרן הוערך על ידי מדידת שכבת חצי הערך (HVL) שעבורה נעשו התאמות מסוימות מכיוון שלא ניתן לעקוב אחר ההמלצות הסטנדרטיות מפרוטוקול AAPM10. מדידת קצב המינון המוחלטת בוצעה לאחר מכן עם תא היוניזציה בתוך מיכל התא המשמש להקרין תאים, וההחלשה והפיזור של המדיה של תרבות התא כמתו גם עם סרטים רדיוכרומיים EBT3. כמו השינוי של פרמטר אחד בלבד של הפרוטוקול יכול להשפיע באופן משמעותי על הערכת המינון, דוזימטריה ייעודית מבוצעת עבור כל תצורת הקרנת תא. יתר על כן, יש לחשב את ערך HVL עבור כל שילוב של מסנן מתח. בעבודה הנוכחית, מתח של 220 kV, אינטנסיביות של 3 mA, וסינון אינהרנטי ונוסף של 0.8 מ"מ ו 0.15 מ"מ של בריליום ונחושת, בהתאמה, משמשים. תצורת הקרנת התאים שנבחרה נמצאת על בקבוק T25, שבו התאים הוקרנו עם 5 מ"ל של מדיה תרבות התא.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. פלטפורמת הקרנה וקביעת פרמטרי הקרנה
- השתמש בפלטפורמת הקרנה המספקת צילומי רנטגן באנרגיה נמוכה עד בינונית. לקבוע את הפרמטרים של הניסוי כדי להבטיח את החוסן ואת הרבייה של הניסוי הרדיוביולוגי: מתח גבוה, אינטנסיביות, סינון (אינהרנטי ונוסף), שכבת ערך למחצה (HVL), אנרגיה יעילה, גלאי המשמש למדידות דוסימטריה, מרחק דגימת מקור (SSD), שדה הקרנה (צורה, גודל, גיאומטריה), כמות Dosimetry, שיטת Dosimetry, קצב מינון, מיכל תא וכמות של מדיה תרבות התא. כל הפרמטרים המשמשים בפרוטוקול זה ניתנים בטבלה 1.
2. מדד איכות הקרן: קביעת שכבת חצי הערך
הערה: HVL מוגדר כעובי של מנחת (בדרך כלל נחושת או אלומיניום) כדי להפחית את עוצמת הקרן על ידי גורם של שניים לעומת הערך המקורי.
- הגדר את הציוד (תמיכה, קולימטור, דיאפרגמה, יינון) בתוך מארז ההקרנה על-ידי ביצוע ההוראות באיור 1. לא נעשה שימוש בחומר מנחת בשלב זה.
- ודא שכל המרחקים המדווחים באיור 1 נכונים. למדוד אותם עם סרט מדידה.
- מקם את תא היון במיקום האופקי. עבור עבודה זו, השתמשנו 31002 (שווה ערך 31010) תא יינון גלילי מכויל קרמה אוויר.
- לפני הקרנת תא היוניזציה במשך 5 דקות ולמדוד את הרקע (שלב זה יכול להתבצע ללא קולימטור).
- בצע 10 מדידות של דקה אחת כל אחת במצב איסוף טעינה התואם לערךהגולמי M (בקולומבוס).
- קח את הטמפרטורה והלחץ עם ציוד מכויל מתאים להציב בתוך מארז ההקרנה במקרה שלנו (אם זה לא אפשרי, למקם אותו קרוב לניסוי). תקן את הקריאההגולמית M על האלקטרומטר על ידי גורם תיקון הטמפרטורה והלחץ שניתן כדלקמן:
איפה: T (°C) ו- P (hPa) הם הטמפרטורה והלחץ בפועל, בהתאמה. Tref ו- P ref הם טמפרטורת הייחוס והלחץ כאשר היינון כויל על ידי מעבדת הסטנדרטים. הלחץ והטמפרטורה חייבים להימדד עם מכשירים מכוילים. הערך המתקבל במצב טעינה הוא ערך האסמכתא הממוצע M (בקולומברס).
הערה: שלב זה אינו הכרחי למדידת HVL, אך מומלץ לעשות זאת. - מניחים מנחת בעובי מסוים מעל הסרעפת. ערכת HVL מורכבת מנייר כסף בעוביים שונים (0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5 ו-10 מ"מ נחושת) עם ממד המאפשר לכסות את כל הקרן (80 x 80 מ"מ כאן).
- קח מדידה של 1 דקות (Mגלם תוקן על ידי KT, P כמתואר קודם).
- אם שיעור המינון מחולק בפקטור של 2 ביחס לערך ההתחלתי, נמצא ערך HVL. קח 5 מדידות של 1 דקות כדי להעריך את שיעור המינון הממוצע.
- אם שיעור המינון אינו מחולק על ידי גורם של 2 ביחס לערך ההתחלתי, להגדיל או להקטין את עובי מנחת ולקחת מדידה נוספת. התאם את עובי המנחת לפי הצורך.
- לאחר עובי של מנחת שמפחית את עוצמת הקרן על ידי גורם שני נמצא, לקחת 5 מדידות של 1 דקות כדי לאשר את HVL.
הערה: ברוב המקרים, העובי המדויק של המנחת לא ניתן למצוא מן הרדידים הזמינים. במקרה זה, להמשיך על ידי bisection ולאינטרפולציה HVL.
3. הערכת שדה ההקרנה (ללא הערכת מינון)
- הנח סרט EBT3 על התמיכה המשמשת להקרנה.
- הקרין סרט זה כדי להשיג שדה הקרנה מסומן היטב (לפחות 2 Gy).
- סרוק את הסרט EBT3 באמצעות סורק ייעודי.
- התווה את פרופיל המינון באמצעות Image J באמצעות האפשרות נתח ולאחר מכן התווה פרופיל (איור 2).
- קבעו את גודל השימוש בשדה הקרנה עבור הקרנה (אזור הומוגני, לא כולל אזורי פנומברה, ראו איור 2).
- סמן סימנים על התמיכה המשמשת להקרין כדי להבטיח שהגורם המכיל של התא נמצא במיקום הנכון.
הערה: בשלב זה, גודל שדה ההקרנה נקבע, והמינון אינו מוערך. ההליך המלא לקריאה וניתוח של סרטים ניתן בסעיף 5. כמו כן, קח שוליים כדי למנוע שגיאות עקב מיקום הגורם המכיל של התא.
4. מדידת קצב המינון עם תא יינון
- קח את מיכל התא ושבור חלק קטן בצד או בתחתית (בהתאם למיכל המסוים ותא היוניזציה שבו נעשה שימוש) כדי שתוכל למקם את תא היוניזציה בפנים (איור 3, החלק העליון) או מתחתיו (איור 3, החלק התחתון) של המיכל. הדוגמאות ניתנות באיור 3 עם תאי יינון שונים (גלילי או מקבילי מישור) ומיכלי תאים שונים. במקרה זה נעשה שימוש בבקבוק T25(איור 3, תיבה אדומה).
הערה: ברזל הלחמה או אזמל מחומם הוא חלופה טובה לעשות חורים בכלי פלסטיק - מניחים את המיכל בתוך המתחם על התמיכה המשמשת להקרין (צלחת פחמן כאן).
- הנח את תא היוניזציה במיכל(איור 3, תיבה אדומה), במיקום הנכון וחבר אותו לאלקטרומטר.
- ודא שכל פרמטרי ההקרנה המפורטים בסעיף 1 נכונים (מתח גבוה, אינטנסיביות, סינון נוסף, מרחק דגימת מקור וכו').
- לפני הקרנת תא היון במשך 5 דקות ולבצע את האפסות של האלקטרומטר.
- קח 10 מדידות של 1 דקות כדי לקבוע את שיעור המינון הממוצע קרמה אוויר (Gy.min-1). לחשב את קביעת שיעור המינוןב- K אוויר כדלקמן:
כאשר M הוא הקריאה של מד המינון מתוקן על ידי טמפרטורה, לחץ, אפקט הקוטביות, רקומבינציה יון, וכיול אלקטרומטר. NKair ו- Kq הם גורמי הכיול והתיקון לאיכות הקרינה, שערכיהם ספציפיים לכל תא יינון.
5. מדידה של הנחתת מדיה של תרבות התא ופיזור
הערה: טפל בסרטי EBT3 עם כפפות לאורך כל ההליך.
- הכנת הניסוי
- חותכים חתיכות קטנות של סרטי EBT3 לפחות 24 שעות לפני הקרנה.
- לקבוע את גודל הסרטים כפונקציה של מיכל התא המשמש לניסויים רדיוביולוגיים (4 x 4 ס"מ עבור בקבוק T25, למשל).
חותכים שני סטים של סרטים רדיוכרומיים: סט אחד עבור עקומות הכיול המורכב משלוש חתיכות של סרט רדיוכרומי EBT3 לפי מינון או נקודת זמן (תשע נקודות בסך הכל עבור עבודה זו) ; וקבוצה אחת לכימות של הנחתת המדיה של תרבות התא, גם שלוש חתיכות לנקודה. - מספר את כל הסרטים לזיהוי (בפינה הימנית העליונה כאן) וסרוק אותם באותו מיקום בסורק.
- תרחיק את הסרטים מהאור.
- הכינו את מיכל התא המשמש למדידות הסרטים של EBT3 ובמידת הצורך חתכו חלק כדי להכניס את הסרט פנימה (דוגמה עם T25 ניתנת באיור 4).
- הערכת שיעור המינון
- למדוד את שיעור המינון עבור התצורה כמתואר בסעיף הקודם.
- שמור תצורה זו במקום עבור הקרנה של סרטים רדיוכרומיים EBT3 ולהשתמש באותו סוג של גורם מכיל של התא.
- בניית עקומת הכיול
- קח את סרטי EBT3 החתוכים מראש עבור עקומת הכיול.
- אין להקרין שלושה חלקים (0 Gy).
- מקם את הסרט הראשון בתוך הגורם המכיל של התא, באותה תצורה כמו עבור הקרנת תאים.
- להקרין אותו כדי לקבל את הנקודות מנה ראשונה.
- חזור על פעולה זו כדי להשיג שלוש חתיכות של סרטי EBT3 מוקרן עם אותה מנה.
- בצע זאת עבור כל נקודת מנה (תשע נקודות מנה בעבודה זו (0, 0.25, 0.5, 0.75, 1, 1.5, 2, 2.5 ו- 3 Gy) כפי שמודגם באיור 5).
- הערכת הנחתת המדיה וההתפזרות של תרבות התאים.
- בחר את אותו זמן הקרנה עבור כל ההקרנה (60 s, למשל).
- הקרנת שלוש חתיכות של סרטי EBT3 במיכל ללא מים.
- הקרנת שלוש חתיכות של סרטי EBT3 במיכל עם מים כדלקמן.
- הנח את הסרט בתוך המיכל.
- מלא את המיכל בכמות המים המדויקת כדי לייצג את מדיית תרבות התא (5 מ"ל כאן). השתמש בפיסות קלטת קטנות אם הסרטים אינם נשארים שקועים כראוי.
- הנח את מיכל התא בתוך המארז וודא שהסרט שקוע כראוי.
- כאשר ההקרנה הושלמה, לקחת את הסרטים EBT3, לייבש אותם עם נייר סופג, ולאחסן אותם הרחק מהאור.
6. קריאת סרטים רדיוכרומיים EBT3
- קרא סרטי EBT3 לפחות 24 שעות לאחר הקרנה.
- סרוק את הסרטים בסורק ייעודי.
- הגדר את פרמטרי הסורק כ: תבנית tiff אדום-ירוק-כחול של 48 סיביות, 150 dpi במצב שידור וללא תיקון תמונה.
- בצע חימום של הסורק כדלקמן.
- הנח סרט לא מוקרן בסורק.
- הפעל תצוגה מקדימה של הסריקה.
- הפעל טיימר ולחכות 30 שניות.
- הפעל את הסריקה.
- בסוף הסריקה, שגר טיימר, וחכה 90 שניות.
- במקביל, רשום את הסריקה, פתח את התמונה באמצעות ImageJ, עקוב אחר החזר על ההשקעה בריבוע (תמיד באותו גודל ובאותו מיקום) ובצע מדידה של רמת הפיקסל האדום הממוצעת של האזור.
- בסוף 90 s, לחזור על ההליך משלב 2 (מבלי לגעת בסרט בתוך הסורק).
- חזור על פעולה זו לפחות 30 פעמים כדי לחמם ולייצב את הסורק (אין וריאציות ברמת הפיקסל האדום הממוצעת של האזור שנבחר בסרטים שאינם מוקרנים). אם הסורק, כלומר ערך הפיקסל האדום הממוצע, אינו מיוצב, המשך בהליך.
- סריקת סרטי EBT3
- הנח את הסרט הראשון במרכז מיטת הסורק. הפרד אזור כך שימקם תמיד את הסרט באותו מקום ובאותו כיוון.
- הפעל תצוגה מקדימה של הסריקה.
- הפעל טיימר ולחכות 30 שניות.
- הפעל את הסריקה.
- בסוף הסריקה, שגר טיימר, וחכה 90 שניות. במהלך 90 s לשנות את הסרט EBT3.
הערה: ניתוח של הסרטים הרדיוכרומיים EBT3 בוצע באמצעות תוכנית C++ שתוכנתה בעצמה. שיטות שונות ניתן להשתמש עבור ניתוח הסרט EBT3, כגון שיטת הערוץ האדום או שיטת שלושת הערוצים14,15. במקרה זה, השתמשנו בשיטת הערוץ האדום ללא חיסור רקע, והתמונות הוסבו לצפיפויות אופטיות ולאחר מכן למינון באמצעות התוכנית שלנו. מכיוון ששיטה זו כבר מוגדרת היטב, תוכנית C++ שלנו לא נכללה כאן. יתר על כן, תוכנה ייעודית16 יכול לשמש גם לניתוח סרט EBT3.
7. קביעת שיעור המינון ברמה של המונולייר התא
- המר את שיעור המינון הממוצע המתקבל עם תא היוניזציה המתוקן על ידי הנחתה ופיזור של מדיית תרבות התא (K) לקרמה המים באמצעות היחס בין מקדם ספיגת האנרגיה ההמוני הממוצע למים לאוויר המוערך על פני ספקטרום שפעת הפוטונין (μen/ ρ).
תוכנה ייעודית17 שימשה לחישוב ספקטרום אנרגיית הפוטונין באוויר ללא פנטום, והשתמשנו בטבלת NIST18 כדי לחשב את מקדם ספיגת האנרגיה ההמוני הממוצע.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
בעבודה זו השתמשנו בפלטפורמה המוקדשת להקרין בעלי חיים קטנים19; עם זאת, ניתן להשתמש בפלטפורמה זו כדי להקרין סוגים אחרים של דגימות כגון תאים. מקור ההקרנה הוא צינור רנטגן Varian (NDI-225-22) בעל סינון אינהרנטי של 0.8 מ"מ של בריליום, גודל ספורט מוקד גדול של 3 מ"מ, טווח מתח גבוה של כ 30 עד 225 kV ועוצמה מקסימלית של 30 mA.
הפרמטרים המשמשים למחקר זה מדווחים בטבלה 1. בחרנו להציג דוגמה לשימוש בפרוטוקול זה להקרנת תאים בבקבוק T25 עם 5 מ"ל של מדיה של תרבות התא.
שכבת חצי ערך
טבלה 2 מדווחת על המדידות שבוצעו כדי להעריך את עובי הנחתה הדרוש כדי להקטין את עוצמת הקרן בפקטור של שניים. לצורך כך, 10 מדידות התייחסות נלקחו כדי להעריך את הקריאההגולמית M הממוצעת על האלקטרומטר (ב Coulombs), תוקן על ידי גורם תיקון הטמפרטורה והלחץ (KT,P).
עובי שונה של מנחתים נבדקו לאחר מכן כדי למצוא את העובי שהפחית את עוצמת הקרן על ידי גורם של שניים. כאשר עובי זה נמצא, חמש מדידות נלקחו כדי להעריך את הערךהגולמי M הממוצע תוקן על ידי KT,P.
עבור תצורה זו, נמצאה שכבה בעלת ערך למחצה של 0.667 מ"מ נחושת. ממדידת HVL, אנו יכולים לחשב את האנרגיה האפקטיבית של הקרן, שהיא בערך 69 keV במקרה שלנו.
מדידת קצב מינון
לפני מדידות אלה, סרט EBT3 הוקרן על מנת לקבוע את פני השטח שעליו שדה ההקרנה הוא הומוגני, ומאפשר לנו למקם כראוי את מיכל התא. שטח זה הוא כ-10 על 10 קמ"ר, לא כולל אזורי פנומברה המוצגים בקווים מנוקדים באיור 2. לאחר מכן, מדידת קצב המינון בוצעה באמצעות 31002 (שווה ערך ל 31010) תא יינון גלילי מכויל בקרמה אוויר. עבור תצורה זו, עם שדה הקרנה שדה פתוח ב 35 ס"מ למקור במיכל תא T25 ממוקם על צלחת פחמן, שיעור המינון היה כ 0.626 Gy.min-1 באווירK.
כדי לקבוע את המינון המדויק על התאים,אוויר K נמדד הוסב קרמה מים. איור 5 מציג את ספקטרום האנרגיה של קרני הרנטגן המתקבל עם תוכנה ייעודית17. מתוך ספקטרום אנרגיה זה ושולחן NIST, אנו יכולים להמיר את שיעור המינוןב- K אווירלמיםK , אשר היה 0.659 Gy.min-1.
אי הוודאות הכללית של מדידת שיעור המינון המוחלט הייתה כ -3% ברמת ביטחון של 95%.
הנחתה ופיזור של מדיה של תרבות תאים
לכימות של הנחתה ופיזור של מדיה של תרבות התא, מדידות דוזימטריה עם סרטים רדיוכרומיים EBT3 בוצעו בטמפרטורת החדר. מהמדידה עם תא היון, נקבע שיעור המינון. סרטי כיול הוקרנו אז באותה תנוחה. סרטי רדיוכרומיים EBT3 כוילו בין 0 ל-3 Gy עם 0.25 שלבי Gy בין 0 ל- 1 Gy ו- 0.5 Gy צעדים בין 1 ל- 3 Gy (תשע נקודות מנה לבניית עקומת הכיול) כפי שמוצג באיור 6. נקודות המינון צוידו בעקומה פולינומית של4מעלות. הסרטים EBT3 הוקרנו אז עם ובלי הכמות המדויקת של מדיה תרבות התא בתוך מיכל התא כדי להעריך את הנחתה ואת הפיזור בשל התקשורת תרבות התא. עבור תצורה זו, הנחתת המדיה תרבות התא היה כ 1.5%.
אי הוודאות הכללית של מדידות הסרטים EBT3 הייתה כ-4% ברמת ביטחון של 95%.
מדידות שגרתיות
לפני ביצוע הקרנת התאים, קצב המינון נמדד בכל פעם באותו מיכל המשמש להקרנה. לכן, השתמשנו בשיעור המינון היומי כדי להעריך את זמן ההקרנה. אם נעקוב מקרוב אחר הפרוטוקול ולא נשנה פרמטרים כלשהם, אין צורך לחזור על מדידת HVL וההחלשה עקב מדיית תרבות התאים. לדוגמה, הטבלה המשמשת למדידה היומית ניתנת בטבלה 3.
איור 1: ערכת התצורה מתבצעת במארז SARRP למדידות HVL. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: הערכת גודל שדה ההקרנה. פרופיל מינון המתקבל ב 35 ס"מ למקור ללא קולימטור. קווים מנוקדים מציגים את האזור הנחשב להקרנה. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: תצלומים של מיכלי תאים עם תא היוניזציה למדידת קצב המינון. חלק עליון: דוגמה למדידה עם תא יינון גלילי 31002. חלק תחתון: דוגמה למדידה עם תא יינון TM23342. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: תצלומים של ה-T25 המשמשים למדידת הנחתת המדיה של תרבות התאים. החלק העליון של T25 נחתך כדי להיות מסוגל למקם את הסרט בתוך הבקבוק. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: ספקטרום אנרגיה מדומה למתח גבוה של 220 קילוואט-וולט עם 0.8 מ"מ של Be ו- 0.15 מ"מ של מסנני Cu17 . לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6: סרטי EBT3 מוקרנים לבניית עקומת הכיול ועקומת הכיול המתאימה. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
| מתח גבוה (kV) | 220 |
| אינטנסיביות (mA) | 3 |
| סינון (אינהרנטי ונוסף) | 0.8 מ"מ של Be + קו 0.15 מ"מ |
| שכבת חצי ערך (מ"מ Cu) | נקבע להלן |
| אנרגיה יעילה (keV) | נקבע להלן |
| גלאי בשימוש | תא יינון גלילי + סרטים רדיוכרומיים EBT3 |
| מרחק דגימת מקור | 35 ס"מ |
| שדה הקרנה (צורה, גודל, גיאומטריה) | שדה פתוח (ללא קולט), ריבוע, 20x20 ס"מ |
| כמות דוזימטריה | קייר וקיווטר |
| שיטת דוסמטריה | כמתואר בסעיף הפרוטוקול |
| גורם מכיל של תא | T25 |
| כמות המדיה של תרבות התא | 5 מ"ל |
| שיעור המינון (Gy/min) | נקבע להלן |
טבלה 1: רשימה של פרמטרי התצורה.
| מנחת (מ"מ קו) | מדד IC (nC) | טמפרטורה (°C) | לחץ (hPa) | kT.P | מדד IC תוקן על-ידי kT.P (nC) | ערך ממוצע מתוקן (nC) | סטיית ST | הערכת הנחתה (ז / מרף) | |
| מדידות הפניה (מרף) | 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 | |||||
| מציאת עובי אטנאוטיור (ז) | 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 | |
| מדידות עם המנחה הנכון (ז) | 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 |
טבלה 2: מדידה לקביעת שכבת חצי הערך.
| מדד IC (nC) | טמפרטורה (°C) | לחץ (hPa) | kT.P | מדד IC תוקן על-ידי kT.P (nC) | ערך ממוצע מתוקן על-ידי kT.P (nC) | סטיית ST | ערך ממוצע מתוקן לפי כל גורמי התיקון | שיעור המינון בכרם אוויר (Gy/min) | שיעור המינון ברמת התא ב- 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 |
טבלה 3: מדידות קצב מינון יומי עבור הקרנת תאים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
עבודה זו מציגה את הפרוטוקול המשמש ומיושם עבור הקרנת תאים באמצעות מתקן רנטגן באנרגיה נמוכה. כיום, ניסויים רדיוביולוגיים רבים מבוצעים עם סוג זה של הקרנה כפי שהם קלים לשימוש, חסכוני עם מעט מאוד אילוצי radioprotection, לעומת מקור קובלט למשל. למרות הגדרות אלה יש יתרונות רבים, כפי שהם משתמשים במקור אנרגיה רנטגן נמוך, שינוי של פרמטר הקרנה אחד בלבד יכול להשפיע באופן משמעותי על הדוזימטריה. מספר מחקרים כבר הדגישו את החשיבות של סטנדרטים דוזימטריים ופרוטוקולים למחקרי רדיוביולוגיה2,5,20,21. למרות מספר פרוטוקולים כבר הוגדרו היטב בספרות1,5, החלטנו לפתח פרוטוקול חדש לבצע מדידות dosimetry כדי לדמות תנאי הקרנה תא אמיתי ככל האפשר ולקחת בחשבון את כל הפרמטרים שיכולים להשפיע על המינון הפיזי, במיוחד עבור אנרגיה נמוכה צילומי רנטגן21,22. לכן, בחרנו ליישם פרוטוקול מחמיר כדי למזער את אי הוודאות. למטרה זו הוגדרו פרמטרי הקרנה (טבלה 1). לאחר מכן יש צורך בשלושת השלבים הבאים: i) קביעת מדד איכות הקרן, ii) מדידה של קצב המינון המוחלט עם תא יינון ו- iii) מדידה של הנחתה ופיזור עקב מדיום תרבות התא עם סרטים רדיוכרומיים EBT3.
מדד איכות הקרן התאים לשכבת ערך חצי המתח (HVL) המשמשת לאפיון קרני רנטגן בעלות אנרגיה נמוכה. HVL הוא אינדיקטור מעשי לתיאור קרינה פולי אנרגטית ומוגדר כעובי של מנחת (בדרך כלל נחושת או אלומיניום) כדי להפחית את קצב מינון קרמה האוויר על ידי גורם של שניים מהערך המקורי. מדידות HVL בוצעו באמצעות ההמלצות הבאות של פרוטוקול AAPM עבור קרן רנטגן 40-300 kV10. עם זאת, כמה התאמות היה צריך להיעשות כי במתחם הקרנה לא ניתן להשיג מרחק של 1 מטר בין המקור לתא היוניזציה. לכן, בעבודה הנוכחית השתמשנו במרחק של 58 ס"מ בין המקור לגלאי למדידות HVL, כפי שמודגם באיור 1. החלטנו לתת 25 ס"מ לאחר תא היוניזציה כי הרבה חומר אלקטרוני, תמיכה, אלמנטים מתכתיים נמצאים בתחתית המתחם כדי להגביל את אפקט backscatter של אלמנטים אלה. מדידת HVL היא אחד ההיבטים הקריטיים של פרוטוקול זה. ואכן, עבור מקרני רנטגן רבים, החלק הפנימי של המארזים מוגבל מאוד ואלה אינם התנאים האופטימליים לביצוע המדידות או שזה הופך לבלתי אפשרי. למרות מדידות ניסיוניות הן הדרך הטובה ביותר להעריך את HVL, כאשר מדידות אלה קשה מדי או אפילו בלתי אפשרי לבצע, תוכנה ייעודית17 ניתן להשתמש כדי לספק הערכה טובה עבור HVL, או סימולציה מונטה קרלו ניתן להשתמש23. בעבודה הנוכחית השתמשנו בתוכנה ייעודית להשגת ספקטרום האנרגיה של קרני הרנטגן (איור 5). הצלחנו גם להשוות את HVL הנמדד והמחושב, שהיה זהה, וגם להשוות את האנרגיה האפקטיבית.
למדידות דוזימטריה, בחרנו לדמות תנאי הקרנה אמיתיים של תאים ככל האפשר. לצורך כך, ביצענו ישירות את מדידות קצב המינון המוחלטות עם תא היוניזציה בתוך מיכל התא המשמש להקרנת תאים (איור 3). עם זאת, כפי שהשתמשנו בתא יינון גלילי מכויל עבור קורות מעל 100 kV, לא היינו בדיוק באותו מצב כמו התאים בגלל העובי של תא היוניזציה. עבור קורות תחתונות (15-70 kV), שבהן ניתן להשתמש בתא מקבילי של המטוס, אנו יכולים להיות אפילו קרובים יותר לתנאי ההקרנה האמיתיים של התאים. לאחר מכן, מדידות דוזימטריה יחסית בוצעו כדי להעריך את הנחתה ואת הפיזור בשל מדיום תרבות התא. התוצאות המוצגות על עבודה זו אינן מדגישות וריאציה משמעותית במינון שהופקד עם או בלי הכמות המדויקת של מדיית תרבות התא כפי שהשתמשנו במתח של 220 kV, סינון נוסף של 0.15 מ"מ של Cu והיה לנו רק 5 מ"ל של מדיום תרבות התא. עם זאת, במחקר קודם21 שנערך ב 80 kV, ציינו כי וריאציה של התקשורת תרבות התא וסינון משפיע באופן משמעותי על המינון הפיזי, עד 40% לעומת תצורת הייחוס כאשר השתמשנו סינון אלומיניום 1 מ"מ. השפעה זו הודגם גם במונחים של השפעות ביולוגיות על ידי מדידת שבר התא ששרד באמצעות מבחני קלונוגני21,23. לכן, בהתאם למתח, סינון נוסף, מיכל וכמות של מדיה תרבות התא, המינון שהופקד על התאים יכול להיות שונה אם הפרוטוקול אינו עוקב מקרוב עבור כל ההקרנה.
כתוצאה מכך, יש להגדיר דוזימטריה ייעודית עבור כל תצורות ההקרנה של התאים. למרות שזה מגביל והשינוי של פרמטר אחד בלבד דורש יישום של תצורה חדשה, החלטנו לעשות בחירה זו כדי להיות קרוב ככל האפשר לתנאי ההקרנה האמיתיים של התא. לשם כך נדרש שיתוף פעולה הדוק בין הפיזיקאים לרדיוביולוג על מנת להגדיר את העיצוב הטוב ביותר לתצורה. במכון שלנו, תריסר פרוטוקולים הוקמו על הפלטפורמה שלנו לטווח מתח של 40 עד 220 kV שעבורם T25, T75, 6- כדי 96 צלחת בארות או פטרי מנות ניתן להקרין.
למרות פרוטוקול זה נראה די ארוך ליישם, לאחר קביעת התצורה, המדידה היחידה שיש לקחת ביום ההקרנה היא מדידה של שיעור המינון עם תא יינון בתוך מיכל התא. מדידה זו היא גם בקרת איכות המאפשרת לנו להבטיח כי שיעור המינון הוא כצפוי.
כדי להבטיח את הרבייה של מחקרים רדיוביולוגיים, ולהיות מסוגל להשוות ולפרש ניסויים, חשוב לעקוב בקפדנות אחר פרוטוקולים הוקמו ולדווח על כל היבטי הדוזימטריה והתצורה, במיוחד עבור מתקנים המשתמשים בקרני רנטגן באנרגיה נמוכה או בינונית. הפרוטוקול החדש המוצע כאן הוא עבור הקרנת תאים, החלים על מתקני רנטגן רבים, ולוקח בחשבון את כל הפרמטרים המשפיעים על הדוזימטריה ומספק הערכה טובה יותר של המינון בפועל מועבר לתאים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
למחברים אין מה לחשוף.
Acknowledgments
ללא
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).
