Summary
Dieses Dokument beschreibt ein neues Dosimetrieprotokoll für Zellbestrahlungen mit Energie-Röntgengeräten. Die Messungen werden unter Bedingungen durchgeführt, die reale Zellbestrahlungsbedingungen so weit wie möglich simulieren.
Abstract
Die Bedeutung von Dosimetrieprotokollen und -standards für radiobiologische Studien ist selbstverständlich. Es wurden mehrere Protokolle für die Dosisbestimmung mit Niederenergie-Röntgenanlagen vorgeschlagen, aber je nach Bestrahlungskonfiguration, Proben, Materialien oder Strahlqualität ist es manchmal schwierig zu wissen, welches Protokoll am besten zu verwenden ist. Wir schlagen daher ein Dosimetrieprotokoll für Zellbestrahlungen mit Niederenergie-Röntgenanlage vor. Das Ziel dieser Methode ist es, die Dosisschätzung auf der Ebene der Zellmonoschicht durchzuführen, um sie so nah wie möglich an realen Zellbestrahlungsbedingungen zu halten. Die verschiedenen Schritte des Protokolls sind wie folgt: Bestimmung der Bestrahlungsparameter (Hochspannung, Intensität, Zellbehälter etc.), Bestimmung des Strahlqualitätsindexes (Hochspannungshalbwert-Schichtpaar), Dosisratenmessung mit in Luftkermabedingungen kalibrierter Ionisationskammer, Quantifizierung der Dämpfung und Streuung des Zellkulturmediums mit EBT3-Radiochromfilmen und Bestimmung der Dosisrate auf Zellebene. Diese Methode muss für jede neue Zellbestrahlungskonfiguration durchgeführt werden, da die Modifikation von nur einem Parameter die reale Dosisabscheidung auf der Ebene der Zellmonoschicht stark beeinflussen kann, insbesondere mit energiearmen Röntgenstrahlen.
Introduction
Ziel der Radiobiologie ist es, Verbindungen zwischen der abgegebenen Dosis und den biologischen Wirkungen herzustellen; Die Dosimetrie ist ein entscheidender Aspekt bei der Gestaltung radiobiologischer Experimente. Seit über 30 Jahren wird die Bedeutung der Dosimetriestandards und der Harmonisierung der Praktiken hervorgehoben1,2,3,4,5. Um eine Dosisrate Referenz zu etablieren, existieren mehrere Protokolle6,7,8,9,10; Wie Peixoto und Andreo11 zeigen, kann es jedoch je nach der für die Dosisrate verwendeten dosimetrischen Menge Unterschiede von bis zu 7 % geben. Darüber hinaus ist es, selbst wenn Protokolle vorhanden sind, manchmal schwierig zu wissen, welches Protokoll für eine bestimmte Anwendung am besten geeignet ist, wenn überhaupt, da die Dosisrate für die Zellen von Parametern wie dem Zellbehälter, der Menge der Zellkulturmedien oder der Strahlqualität abhängt. Die Streuung und die Rückstreuung für diese Art der Bestrahlung ist ebenfalls ein sehr wichtiger Parameter, der zu berücksichtigen ist. Tatsächlich wird bei Röntgenstrahlen mit niedriger und mittlerer Energie im AAPM TG-61 Referenzprotokoll10die absorbierte Dosis in Wasser an der Oberfläche eines Wasserphantoms gemessen. Unter Berücksichtigung der sehr spezifischen Zellbestrahlungsbedingungen ist das kleine Volumen der von Luft umgebenen Zellkulturmedien näher an kermabedingungen als die, die für eine absorbierte Dosis mit einem großen Wasseräquivalent-Phantom wie im TG-61-Protokoll definiert sind. Daher haben wir uns dafür entschieden, das Kerma in Wasser als dosimetrische Menge als Referenz anstelle der absorbierten Dosis in Wasser zu verwenden. Daher schlagen wir einen neuen Ansatz vor, um eine bessere Bestimmung der tatsächlichen Dosis zu ermöglichen, die den Zellen zuteil wird.
Ein weiterer wichtiger Aspekt für radiobiologische Studien ist die vollständige Berichterstattung über die für die Bestrahlung verwendeten Methoden und Protokolle, um experimentelle Ergebnisse reproduzieren, interpretieren und vergleichen zu können. Im Jahr 2016 wiesen Pedersen et al.12 auf die unzureichende Berichterstattung über die Dosimetrie in präklinischen radiobiologischen Studien hin. Eine größere aktuelle Studie von Draeger et al.13 zeigte, dass, obwohl einige Dosimetrieparameter wie Dosis, Energie oder Quelltyp gemeldet werden, ein großer Teil der Physik- und Dosimetrieparameter fehlt, die für eine ordnungsgemäße Reproduzierung der Bestrahlungsbedingungen unerlässlich sind. Diese groß angelegte Überprüfung von mehr als 1.000 Veröffentlichungen aus den letzten 20 Jahren zeigt einen erheblichen Mangel an Berichterstattung über die Physik- und Dosimetriebedingungen in radiobiologischen Studien. Daher ist eine vollständige Beschreibung des Protokolls und der in radiobiologischen Studien verwendeten Methode obligatorisch, um robuste und reproduzierbare Experimente durchzuführen.
Unter Berücksichtigung dieser verschiedenen Aspekte wurde für die am IRSN (Institut für Strahlenschutz und nukleare Sicherheit) durchgeführten radiobiologischen Experimente ein strenges Protokoll für Diebestrahlungen in einer Orthovoltanlage implementiert. Dieses Dosimetrieprotokoll wurde entwickelt, um die realen Zellbestrahlungsbedingungen so weit wie möglich zu simulieren und so die tatsächliche Dosis zu bestimmen, die den Zellen zuteil wird. Zu diesem Zweck werden alle Bestrahlungsparameter aufgelistet, und der Strahlqualitätsindex wurde durch Messung der Halbwertschicht (HVL) ausgewertet, für die einige Anpassungen vorgenommen wurden, da die Standardempfehlungen des AAPM-Protokolls10 nicht befolgt werden können. Die absolute Dosismessung wurde dann mit der Ionisationskammer im Zellbehälter durchgeführt, die für Zellbestrahlungen verwendet wird, und die Dämpfung und Streuung der Zellkulturmedien wurde auch mit radiochromen EBT3-Filmen quantifiziert. Da die Änderung von nur einem einzigen Parameter des Protokolls die Dosisschätzung erheblich beeinflussen kann, wird für jede Zellbestrahlungskonfiguration eine spezielle Dosimetrie durchgeführt. Darüber hinaus muss der HVL-Wert für jede Spannungsfilterkombination berechnet werden. In dieser vorliegenden Arbeit wird eine Spannung von 220 kV, eine Intensität von 3 mA und eine inhärente und eine zusätzliche Filtration von 0,8 mm bzw. 0,15 mm Beryllium bzw. Kupfer verwendet. Die gewählte Zellbestrahlungskonfiguration befindet sich auf einem T25-Kolben, wo Zellen mit 5 ml Zellkulturmedien bestrahlt wurden.
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Protocol
1. Bestrahlungsplattform und Bestimmung der Bestrahlungsparameter
- Verwenden Sie eine Bestrahlungsplattform, die Röntgenstrahlen mit niedriger bis mittlerer Energie liefert. Bestimmen Sie die Parameter des Experiments, um die Robustheit und Reproduzierbarkeit des radiobiologischen Experiments zu gewährleisten: Hochspannung, Intensität, Filtration (inhärent und zusätzlich), Halbwertschicht (HVL), Effektive Energie, Detektor für Dosimetriemessungen, Source Sample Distance (SSD), Bestrahlungsfeld (Form, Größe, Geometrie), Dosimetrie-Menge, Dosimetriemethode, Dosisrate, Zellbehälter und Zellkultur. Alle in diesem Protokoll verwendeten Parameter sind in Tabelle 1angegeben.
2. Strahlqualitätsindex: Bestimmung der Halbwertschicht
HINWEIS: Der HVL ist definiert als die Dicke eines Dämpfers (in der Regel Kupfer oder Aluminium), um die Intensität des Strahls im Vergleich zum ursprünglichen Wert um den Faktor zwei zu reduzieren.
- Richten Sie das Gerät (Unterstützung, Kollimator, Membran, Ionisation) im Bestrahlungsgehäuse ein, indem Sie die Anweisungen in Abbildung 1befolgen. Bei diesem Schritt wird kein Dämpfungsmaterial verwendet.
- Stellen Sie sicher, dass alle in Abbildung 1 gemeldeten Entfernungen korrekt sind. Messen Sie diese mit einem Maßband.
- Platzieren Sie die Ionisationskammer in der horizontalen Position. Für diese Arbeit verwendeten wir eine 31002 (entspricht 31010) zylindrische Ionisationskammer, die in Luftkerma kalibriert ist.
- Bestrahlung der Ionisationskammer für 5 min und messen Sie den Hintergrund (dieser Schritt kann ohne Kollimator durchgeführt werden).
- Führen Sie 10 Messungen von je 1 min im Ladungserfassungsmodus durch, der demM-Rohwert entspricht (in Coulombs).
- Nehmen Sie die Temperatur und den Druck mit geeigneten kalibrierten Geräten, die in unserem Gehäuse in unserem Gehäuse platziert sind (wenn es nicht möglich ist, legen Sie es in der Nähe des Experiments). Korrigieren Sie denM-Rohwert am Elektrometer anhand des temperatur- und druckkorrekturfaktors, der wie folgt angegeben wird:
wobei: T (°C) und P (hPa) die tatsächliche Temperatur bzw. der tatsächliche Druck sind. Tref und Pref sind die Referenztemperatur und der Druck, wenn die Ionisation vom Normungslabor kalibriert wurde. Druck und Temperatur müssen mit kalibrierten Instrumenten gemessen werden. Der erhaltene Wert im Lademodus ist der durchschnittliche Referenzwert M (in Coulombs).
HINWEIS: Dieser Schritt ist für die HVL-Messung nicht unbedingt erforderlich, wird jedoch empfohlen. - Legen Sie einen Dämpfer von einer bestimmten Dicke über dem Zwerchfell. Das HVL-Set besteht aus Folien mit unterschiedlichen Stärken (0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1, 2, 5 und 10 mm Kupfer) mit einer Dimension, die es ermöglicht, den gesamten Strahl (80 x 80 mm hier) abzudecken.
- Nehmen Sie eine Messung von 1 min (Mroh korrigiert durch die KT,P wie zuvor beschrieben).
- Wenn die Dosisrate durch den Faktor 2 in Bezug auf den Startwert dividiert wird, wird der HVL-Wert gefunden. Nehmen Sie 5 Messungen von 1 min, um die durchschnittliche Dosisrate zu schätzen.
- Wenn die Dosisrate nicht durch den Faktor 2 in Bezug auf den Startwert geteilt wird, erhöhen oder verringern Sie die Dämpfungsdicke und nehmen Sie eine weitere Messung vor. Passen Sie die Dicke des Dämpfers nach Bedarf an.
- Sobald die Dicke des Dämpfers gefunden wird, die die Intensität des Strahls um den Faktor zwei verringert, nehmen Sie 5 Messungen von 1 min, um die HVL zu bestätigen.
HINWEIS: In den meisten Fällen kann die genaue Dicke des Dämpfers aus den verfügbaren Folien nicht gefunden werden. Fahren Sie in diesem Fall bisection fort und interpolieren Sie die HVL.
3. Bewertung des Bestrahlungsfeldes (keine Dosisschätzung)
- Legen Sie einen EBT3-Film auf die für die Bestrahlung verwendete Stütze.
- Bestrahlen Sie diesen Film, um ein gut markiertes Bestrahlungsfeld (mindestens 2 Gy) zu erhalten.
- Scannen Sie den EBT3-Film mit einem speziellen Scanner.
- Zeichnen Sie das Dosisprofil mit Bild J mit der Option Analysieren und dann Plotprofil (Abbildung 2).
- Bestimmen Sie die Größe der Bestrahlungsfeldnutzung für die Bestrahlung (homogene Fläche, ohne Penumbra-Regionen, siehe Abbildung 2).
- Markieren Sie die Unterstützung, die für die Bestrahlung verwendet wird, um sicherzustellen, dass sich der Zellbehälter an der richtigen Position befindet.
HINWEIS: In diesem Schritt wird die Größe des Bestrahlungsfeldes bestimmt, und die Dosis wird nicht geschätzt. Das vollständige Verfahren für das Lesen und Analysieren von Filmen ist in Abschnitt 5 beschrieben. Nehmen Sie auch Margen, um Fehler aufgrund der Zellencontainerpositionierung zu vermeiden.
4. Dosisratenmessung mit Ionisationskammer
- Nehmen Sie den Zellbehälter und brechen Sie ein kleines Teil auf der Seite oder an der Unterseite (abhängig von der jeweiligen Behälter- und Ionisationskammer verwendet), um in der Lage zu sein, die Ionisationskammer innerhalb(Abbildung 3, oberer Abschnitt) oder unten(Abbildung 3, unterer Abschnitt) den Behälter zu platzieren. Die Beispiele sind in Abbildung 3 mit verschiedenen Ionisationskammern (zylindrisch oder ebeneparallel) und Zellbehältern aufgeführt. In diesem Fall wurde ein T25-Kolben verwendet(Abbildung 3, rotes Kästchen).
ANMERKUNG: ein Lötkolben oder ein beheiztes Skalpell ist eine gute Alternative, um Löcher in Kunststoffwaren zu machen - Stellen Sie den Behälter im Gehäuse auf die für die Bestrahlung verwendete Stütze (Kohlenstoffplatte hier).
- Legen Sie die Ionisationskammer in den Behälter(Abbildung 3, roter Kasten), in die richtige Position und schließen Sie sie an das Elektrometer an.
- Stellen Sie sicher, dass alle in Abschnitt 1 aufgeführten Bestrahlungsparameter korrekt sind (Hochspannung, Intensität, zusätzliche Filtrationen, Quellprobenabstand usw.).
- Bestrahlen Sie die Ionisationskammer für 5 min und führen Sie die Nullung des Elektrometers durch.
- Nehmen Sie 10 Messungen von 1 min, um die durchschnittliche Dosisrate in Luftkerma (Gy.min-1) zu bestimmen. Berechnen Sie die Bestimmung der Dosisrate in KLuft wie folgt:
wobei M die Messung des Dosimeters ist, das durch Temperatur, Druck, Polaritätseffekt, Ionenrekombination und Elektrometerkalibrierung korrigiert wird. NKair und Kq sind die Kalibrier- und Korrekturfaktoren für die Strahlungsqualität, deren Werte für jede Ionisationskammer spezifisch sind.
5. Messung der Zellkultur mediendämpfung und Streuung
HINWEIS: Behandeln Sie EBT3-Filme mit Handschuhen während des gesamten Verfahrens.
- Vorbereitung des Experiments
- Schneiden Sie kleine Stücke von EBT3-Folien mindestens 24 h vor der Bestrahlung.
- Bestimmen Sie die Größe der Filme in Abhängigkeit vom Zellbehälter, der für radiobiologische Experimente verwendet wird (z. B. 4 x 4 cm für einen T25-Kolben).
Schneiden Sie zwei Sätze von radiochromen Filmen: Ein Satz für die Kalibrierkurven, bestehend aus drei Stücken von EBT3 radiochromen Film nach Dosis oder Zeitpunkt (neun Punkte insgesamt für diese Arbeit) ; und ein Satz für die Quantifizierung der Zellkultur-Mediendämpfung, ebenfalls drei Stück pro Punkt. - Nummerieren Sie alle Filme zur Identifikation (obere rechte Ecke hier) und scannen Sie sie an der gleichen Position auf dem Scanner.
- Halten Sie die Filme vom Licht fern.
- Bereiten Sie den Zellbehälter für die EBT3-Filmmessungen vor und schneiden Sie ggf. ein Teil, um den Film hineinzulegen (ein Beispiel mit einem T25 ist in Abbildung 4angegeben).
- Dosisratenschätzung
- Messen Sie die Dosisrate für die Konfiguration, wie im vorherigen Abschnitt beschrieben.
- Halten Sie diese Konfiguration für die Bestrahlung der radiochromen EBT3-Filme aufrecht und verwenden Sie den gleichen Zellbehältertyp.
- Konstruktion der Kalibrierkurve
- Nehmen Sie die vorgeschnittenen EBT3-Folien für die Kalibrierkurve.
- Bestrahlen Sie nicht drei Stücke (0 Gy).
- Platzieren Sie den ersten Film in den Zellbehälter, in der gleichen Konfiguration wie bei der Zellbestrahlung.
- Bestrahlen Sie es, um die ersten Dosispunkte zu erhalten.
- Wiederholen Sie diese Operation, um drei Stücke von EBT3-Folien zu erhalten, die mit der gleichen Dosis bestrahlt werden.
- Führen Sie dies für jeden Dosispunkt (neun Dosispunkte in dieser Arbeit (0, 0,25, 0,5, 0,75, 1, 1,5, 2, 2,5 und 3 Gy) durch, wie in Abbildung 5dargestellt).
- Bewertung der Dämpfung von Zellkulturmedien und Streuung.
- Wählen Sie die gleiche Bestrahlungszeit für alle Bestrahlungen (z. B. 60 s).
- Bestrahlen Sie drei Stück EBT3-Folien ohne Wasser in den Behälter.
- Bestrahlen Sie drei Stück EBT3-Folien wie folgt in den Behälter mit Wasser.
- Legen Sie den Film in den Behälter.
- Füllen Sie den Behälter mit der genauen Wassermenge, um die Zellkulturmedien darzustellen (5 ml hier). Verwenden Sie kleine Klebebandstücke, wenn die Filme nicht richtig untergetaucht bleiben.
- Legen Sie den Zellbehälter in das Gehäuse und stellen Sie sicher, dass der Film richtig eingetaucht ist.
- Wenn die Bestrahlung abgeschlossen ist, nehmen Sie die EBT3-Folien, trocknen Sie sie mit saugfähigem Papier und lagern Sie sie vor dem Licht.
6. Lesen von radiochromen EBT3-Filmen
- LESEN Sie EBT3-Filme mindestens 24 h nach Bestrahlung.
- Scannen Sie die Filme auf einem speziellen Scanner.
- Stellen Sie die Scannerparameter wie: 48 Bit rot-grün-blau tiff-Format, 150 dpi im Übertragungsmodus und keine Bildkorrektur ein.
- Führen Sie wie folgt ein Aufwärmen des Scanners durch.
- Legen Sie einen nicht bestrahlten Film auf den Scanner.
- Starten Sie eine Vorschau des Scans.
- Starten Sie einen Timer und warten Sie 30 s.
- Starten Sie den Scan.
- Starten Sie am Ende des Scans einen Timer, und warten Sie 90 s.
- Registrieren Sie gleichzeitig den Scan, öffnen Sie das Bild mit ImageJ, verfolgen Sie einen quadratischen ROI (immer in der gleichen Größe und in der gleichen Position) und messen Sie den durchschnittlichen roten Pixelpegel der Fläche.
- Wiederholen Sie am Ende der 90er Jahre den Vorgang aus Schritt 2 (ohne den Film im Scanner zu berühren).
- Wiederholen Sie dies mindestens 30 Mal, um den Scanner aufzuwärmen und zu stabilisieren (keine Abweichungen in der durchschnittlichen roten Pixelebene des auf den nicht bestrahlten Filmen ausgewählten Bereichs). Wenn der Scanner, d. h. der durchschnittliche rote Pixelwert, nicht stabilisiert ist, fahren Sie mit dem Vorgang fort.
- Scannen der EBT3-Filme
- Legen Sie den ersten Film in die Mitte des Scannerbettes. Begrenzen Sie einen Bereich, um den Film immer an der gleichen Stelle und in der gleichen Ausrichtung zu platzieren.
- Starten Sie eine Vorschau des Scans.
- Starten Sie einen Timer und warten Sie 30 s.
- Starten Sie den Scan.
- Starten Sie am Ende des Scans einen Timer, und warten Sie 90 s. Während dieser 90er Jahre ändern Sie den EBT3-Film.
HINWEIS: Eine Analyse der radiochromen EBT3-Filme wurde mit einem selbst programmierten C++-Programm durchgeführt. Für die EBT3-Filmanalyse können verschiedene Methoden verwendet werden, wie z.B. die Rotkanalmethode oder die Dreikanalmethode14,15. In diesem Fall haben wir die Red-Channel-Methode ohne Hintergrundsubtraktion verwendet, und die Bilder wurden in optische Dichten und dann in die Dosis mit unserem Programm konvertiert. Da diese Methode bereits gut definiert ist, wurde unser C++-Programm hier nicht berücksichtigt. Darüber hinaus kann die dedizierte Software16 auch für die EBT3-Filmanalyse verwendet werden.
7. Bestimmung der Dosisrate auf der Ebene der Zellmonolayer
- Konvertieren Sie die durchschnittliche Dosisrate, die mit der Ionisationskammer ermittelt wird, korrigiert durch die Dämpfung und Streuung der Zellkulturmedien (K) in das Wasserkerma unter Verwendung des Verhältnisses des mittleren Massenenergieaufnahmekoeffizienten für Wasser zu Luft, der über das Photonenflenspektrum ausgewertet wird (μen/).
Eine spezielle Software17 wurde verwendet, um das Photonenenergiespektrum in der Luft ohne Phantom zu berechnen, und wir verwendeten die NIST-Tabelle18, um den mittleren Massenenergieabsorptionskoeffizienten zu berechnen.
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Representative Results
In dieser Arbeit haben wir eine Plattform für die Bestrahlung von Kleintieren verwendet19; Diese Plattform kann jedoch zur Bestrahlung anderer Arten von Proben wie Zellen verwendet werden. Die Bestrahlungsquelle ist eine Varian-Röntgenröhre (NDI-225-22) mit einer inhärenten Filtration von 0,8 mm Beryllium, einer großen Brennsportgröße von 3 mm, einem Hochspannungsbereich von etwa 30 bis 225 kV und einer maximalen Intensität von 30 mA.
Die für diese Studie verwendeten Parameter sind in Tabelle 1aufgeführt. Wir haben uns entschieden, ein Beispiel für die Verwendung dieses Protokolls für die Zellbestrahlung in einem T25-Kolben mit 5 ml Zellkulturmedien zu zeigen.
Halbwertschicht
Tabelle 2 zeigt die Messungen, die durchgeführt wurden, um die Dämpfungsdicke zu schätzen, die erforderlich ist, um die Intensität des Strahls um den Faktor zwei zu verringern. Dazu wurden 10 Referenzmessungen durchgeführt, um den durchschnittlichenM-Rohwert auf dem Elektrometer (in Coulombs) zu schätzen, korrigiert durch den Temperatur- und Druckkorrekturfaktor (KT,P).
Verschiedene Dicke der Dämpfer wurden dann getestet, um die Dicke zu finden, die die Strahlintensität um den Faktor zwei verringerte. Als diese Dicke gefunden wurde, wurden fünf Messungen durchgeführt, um den durchschnittlichenM-Rohwert zu bewerten, der durch KT,Pkorrigiert wurde.
Für diese Konfiguration wurde eine Halbwertschicht von 0,667 mm Kupfer gefunden. Aus der HVL-Messung können wir die effektive Energie des Strahls berechnen, die in unserem Fall etwa 69 keV beträgt.
Dosisratenmessung
Zuvor wurde eine EBT3-Folie bestrahlt, um die Oberfläche zu bestimmen, auf der das Bestrahlungsfeld homogen ist, so dass wir den Zellbehälter richtig platzieren können. Dieser Bereich beträgt ca. 10 x 10 cm2 ohne Penumbra-Bereiche, die durch gepunktete Linien in Abbildung 2dargestellt werden. Anschließend wurde die Dosisrate mit einer 31002 (entspricht 31010) zylindrischen Ionisationskammer durchgeführt, die in Luftkerma kalibriert wurde. Bei dieser Konfiguration, mit einem offenen Feldbestrahlungsfeld von 35 cm zur Quelle in einem T25-Zellbehälter, der auf einer Kohlenstoffplatte platziert ist, betrug die Dosisrate etwa 0,626 Gy.min-1 inK-Luft.
Um die genaue Dosis an den Zellen zu bestimmen, wurde die gemesseneK-Luft in Wasserkerma umgewandelt. Abbildung 5 zeigt das Röntgenenergiespektrum, das mit einer speziellen Software17erreicht wurde. Aus diesem Energiespektrum und der NIST-Tabelle können wir die Dosisrate inK-Luft inK-Wasserumwandeln, die 0,659 Gy.min-1betrug.
Die Gesamtunsicherheit der absoluten Dosisrate Betrug war etwa 3% bei einem 95% Vertrauen.
Zellkultur-Mediendämpfung und Streuung
Zur Quantifizierung der Zellkulturmediendämpfung und -streuung wurden Dosimetriemessungen mit radiochromen EBT3-Filmen bei Raumtemperatur durchgeführt. Aus der Messung mit der Ionisationskammer wurde die Dosisrate bestimmt. Kalibrierfolien wurden dann an der gleichen Position bestrahlt. EBT3 radiochrome Filme wurden zwischen 0 und 3 Gy mit 0,25 Gy Schritten zwischen 0 und 1 Gy und 0,5 Gy Schritten zwischen 1 und 3 Gy (neun Dosispunkte, um die Kalibrierkurve zu konstruieren) kalibriert, wie in Abbildung 6dargestellt. Die Dosispunkte wurden mit einer 4-Grad-Polynomkurve versehen. Die EBT3-Filme wurden dann mit und ohne die exakte Menge an Zellkulturmedien im Zellbehälter bestrahlt, um die Dämpfung und Streuung durch die Zellkulturmedien zu bewerten. Bei dieser Konfiguration betrug die Dämpfung der Zellkulturmedien etwa 1,5 %.
Die Gesamtunsicherheit der EBT3-Filmmessungen betrug etwa 4 % bei einem Konfidenzniveau von 95 %.
Routinemessungen
Vor der Durchführung der Zellbestrahlung wurde die Dosisrate jedes Mal in demselben Behälter gemessen, der für die Bestrahlung verwendet wurde. Daher haben wir die Tagesdosisrate verwendet, um die Bestrahlungszeit abzuschätzen. Wenn wir das Protokoll genau befolgen und keine Parameter ändern, müssen die HVL-Messung und die Dämpfung aufgrund der Zellkulturmedien nicht wiederholt werden. Als Beispiel ist die Tabelle, die für die tägliche Messung verwendet wird, in Tabelle 3angegeben.
Abbildung 1: Schema der Konfiguration erfolgt auf dem SARRP-Gehäuse für HVL-Messungen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Bewertung der Bestrahlungsfeldgröße. Dosisprofil, das bei 35 cm zur Quelle ohne Kollimator erhalten wird. Gepunktete Linien zeigen den Bereich an, der für die Bestrahlung in Betracht gezogen wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Fotos von Zellbehältern mit der Ionisationskammer zur Messung der Dosisrate. Oberteil: Beispiel für die Messung mit einer 31002 zylindrischen Ionisationskammer. Unterteil: Beispiel für die Messung mit einer T23342 Ionisationskammer. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Fotos des T25 zur Messung der Zellkulturmediendämpfung. Der obere Teil des T25 wurde ausgeschnitten, um den Film in den Kolben legen zu können. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Simulierte Energiespektren für eine 220 kV Hochspannung mit 0,8 mm Be und 0,15 mm Cu-Filtrationen17 . Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 6: EBT3-Filme, die bestrahlt werden, um die Kalibrierkurve und die entsprechende Kalibrierkurve zu konstruieren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
| Hochspannung (kV) | 220 |
| Intensität (mA) | 3 |
| Filtrationen (inhärent und zusätzlich) | 0,8 mm Be + 0,15 mm Cu |
| Halbwertschicht (mm Cu) | Unten festgelegt |
| Effektive Energie (keV) | Unten festgelegt |
| Detektor verwendet | Zylindrische Ionisationskammer + EBT3 radiochrome Filme |
| Quellstichprobenentfernung | 35 cm |
| Bestrahlungsfeld (Form, Größe, Geometrie) | Offenes Feld (kein Kollimator), quadratisch, 20 x 20 cm |
| Dosimetriemenge | Kair und Kwater |
| Dosimetriemethode | Wie im Protokollabschnitt beschrieben |
| Zellcontainer | T25 |
| Anzahl der Zellkulturmedien | 5 ml |
| Dosisrate (Gy/min) | Unten festgelegt |
Tabelle 1: Eine Liste der Konfigurationsparameter.
| Dämpfer (mm Cu) | IC-Maßnahme (nC) | Temperatur (°C) | Druck (hPa) | kT.P | IC-Messung korrigiert durch kT.P (nC) | Korrigierter Mittelwert (nC) | ST-Abweichung | Dämpfungsschätzung (M / Mref) | |
| Referenzmessungen (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 | |||||
| Suche nach Dämpfungsdicke (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 | |
| Measurments mit dem rechten Dämpfer (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 |
Tabelle 2: Messung für die Bestimmung der Halbwertschicht.
| IC-Maßnahme (nC) | Temperatur (°C) | Druck (hPa) | kT.P | IC-Messung korrigiert durch kT.P (nC) | Korrigierter Mittelwert durch kT.P (nC) | ST-Abweichung | Korrigierter Mittelwert durch alle Korrekturfaktoren | Dosisrate in Luftkerm (Gy/min) | Dosisrate auf Zellebene in 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 |
Tabelle 3: Messung der Tagesdosisrate bei der Zellbestrahlung.
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Discussion
Diese Arbeit stellt das Protokoll vor, das für Zellbestrahlungen mit Niederenergie-Röntgenanlage verwendet und implementiert wurde. Heutzutage werden viele radiobiologische Experimente mit dieser Art von Bestrahlungskörper durchgeführt, da sie einfach zu bedienen, kostengünstig und mit sehr wenigen Strahlenschutzbeschränkungen sind, im Vergleich zum Beispiel zur Kobaltquelle. Obwohl diese Setups viele Vorteile haben, da sie eine niedrige Röntgenenergiequelle verwenden, kann eine Änderung von nur einem Bestrahlungsparameter die Dosimetrie erheblich beeinflussen. Mehrere Studien haben bereits die Bedeutung der Dosimetriestandards und Protokolle für radiobiologische Studien2,5,20,21hervorgehoben. Obwohl mehrere Protokolle bereits in der Literatur1,5klar definiert sind, haben wir beschlossen, ein neues Protokoll zu entwickeln, um Dosimetriemessungen durchzuführen, um reale Zellbestrahlungsbedingungen so weit wie möglich zu simulieren und alle Parameter zu berücksichtigen, die die physikalische Dosis beeinflussen können, insbesondere für niederenergetische Röntgenstrahlen21,22. Daher haben wir uns entschieden, ein strenges Protokoll zu implementieren, um Unsicherheiten zu minimieren. Zu diesem Zweck wurden Bestrahlungsparameter festgelegt (Tabelle 1). Die folgenden drei Schritte sind dann notwendig: i) Bestimmung des Strahlqualitätsindexes, ii) Messung der absoluten Dosisrate mit einer Ionisationskammer und iii) Messung der Dämpfung und Streuung durch das Zellkulturmedium mit RADIOchromen EBT3-Filmen.
Der Strahlqualitätsindex entsprach dem Paar der Spannungshalbwertschicht (HVL), das zur Charakterisierung von Niederenergie-Röntgenstrahlen verwendet wird. Der HVL ist ein praktischer Indikator zur Beschreibung polyenergetischer Strahlung und ist definiert als die Dicke eines Dämpfers (in der Regel Kupfer oder Aluminium), um die Kermadosisrate der Luft um den Faktor zwei vom ursprünglichen Wert zu reduzieren. HVL-Messungen wurden mit den folgenden Empfehlungen des AAPM-Protokolls für einen 40–300 kV Röntgenstrahl10durchgeführt. Allerdings mussten einige Anpassungen vorgenommen werden, da es im Bestrahlungsgehäuse nicht möglich ist, einen Abstand von 1 Meter zwischen der Quelle und der Ionisationskammer zu erreichen. Daher haben wir in der vorliegenden Arbeit einen Abstand von 58 cm zwischen der Quelle und dem Detektor für HVL-Messungen verwendet, wie in Abbildung 1dargestellt. Wir haben uns entschieden, 25 cm nach der Ionisationskammer zu lassen, da eine Menge von elektronischem Material, Stütze und metallischen Elementen an der Unterseite des Gehäuses vorhanden sind, um die Rückstreuwirkung dieser Elemente zu begrenzen. Die Messung des HVL ist einer der kritischen Aspekte dieses Protokolls. Tatsächlich ist für viele Röntgenbestrahlungsgeräte das Innere von Gehäusen sehr eingeschränkt und dies sind nicht die optimalen Bedingungen, um die Messungen durchzuführen, oder es wird unmöglich. Obwohl experimentelle Messungen der beste Weg sind, um die HVL zu bewerten, wenn diese Messungen zu schwierig oder sogar unmöglich durchzuführen sind, kann dedizierte Software17 verwendet werden, um eine gute Schätzung für die HVL zu liefern, oder eine Monte Carlo Simulation kann verwendet werden23. In der vorliegenden Arbeit haben wir eine spezielle Software verwendet, um das Röntgenenergiespektrum zu erhalten (Abbildung 5). Wir waren auch in der Lage, die gemessene und berechnete HVL, die gleich war, zu vergleichen und auch die effektive Energie zu vergleichen.
Für Dosimetriemessungen haben wir uns dann entschieden, reale Zellbestrahlungsbedingungen so weit wie möglich zu simulieren. Dazu führten wir direkt die absoluten Dosisratenmessungen mit der Ionisationskammer im Zellbehälter für die Zellbestrahlung durch (Abbildung 3). Da wir jedoch eine zylindrische Ionisationskammer verwendeten, die für Strahlen über 100 kV kalibriert war, befanden wir uns aufgrund der Dicke der Ionisationskammer nicht genau an der gleichen Position wie die Zellen. Bei unteren Strahlen (15–70 kV), bei denen eine ebene Parallelkammer verwendet werden kann, können wir noch näher an den realen Zellbestrahlungsbedingungen sein. Anschließend wurden relative Dosimetriemessungen durchgeführt, um die Dämpfung und die Streuung aufgrund des Zellkulturmediums zu bewerten. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen keine signifikante Variation der Dosis, die mit oder ohne die genaue Menge der Zellkulturmedien abgelagert wird, da wir eine Spannung von 220 kV, eine zusätzliche Filtration von 0,15 mm Cu und wir hatten nur 5 ml Zellkulturmedium. In einer früheren Studie21, die bei 80 kV durchgeführt wurde, wiesen wir jedoch darauf hin, dass eine Variation der Zellkulturmedien und der Filtration die physikalische Dosis signifikant beeinflusst, bis zu 40% im Vergleich zur Referenzkonfiguration, als wir eine 1 mm Aluminiumfiltration verwendeten. Diese Wirkung wurde auch in Bezug auf biologische Effekte demonstriert, indem die überlebende Zellfraktion mit einem klonogenen Assay21,23gemessen wurde. Je nach Spannung, zusätzlicher Filtration, Behälter und Menge der Zellkulturmedien kann die auf den Zellen abgelagerte Dosis unterschiedlich sein, wenn das Protokoll nicht bei allen Bestrahlungen genau befolgt wird.
Daher sollte für alle Konfigurationen der Zellbestrahlung eine spezielle Dosimetrie eingerichtet werden. Obwohl dies restriktiv ist und die Änderung nur eines einzelnen Parameters die Implementierung einer neuen Konfiguration erfordert, haben wir uns entschieden, diese Entscheidung so nah wie möglich an den realen Zellbestrahlungsbedingungen zu treffen. Dies erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen den Physikern und dem Radiobiologen, um das beste Design für die Konfiguration zu erstellen. Bei unserem Institut wurden auf unserer Plattform ein Dutzend Protokolle für einen Spannungsbereich von 40 bis 220 kV eingerichtet, für die T25, T75, 6- bis 96-Plattenbrunnen oder Petrischalen bestrahlt werden können.
Obwohl dieses Protokoll ziemlich lang zu implementieren scheint, ist die einzige Messung, die am Tag der Bestrahlung durchgeführt wird, die Messung der Dosisrate mit der Ionisationskammer im Zellbehälter. Diese Messung ist auch eine Qualitätskontrolle, die es uns ermöglicht, sicherzustellen, dass die Dosisrate wie erwartet ist.
Um die Reproduzierbarkeit radiobiologischer Studien zu gewährleisten und Experimente vergleichen und interpretieren zu können, ist es wichtig, etablierte Protokolle strikt zu befolgen und alle Dosimetrie- und Konfigurationsaspekte zu melden, insbesondere für Einrichtungen mit nieder- oder mittelenergetischen Röntgenstrahlen. Das hier vorgeschlagene neue Protokoll betrifft die Zellbestrahlung, die für viele Röntgenanlagen gilt, und berücksichtigt alle Parameter, die die Dosimetrie beeinflussen, und bietet eine bessere Schätzung der tatsächlichen Dosis, die den Zellen zuteil wird.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Acknowledgments
nichts
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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