Summary
Detta dokument beskriver ett nytt dosimetriprotokoll för cell bestrålningar med hjälp av lågenergiröntgenutrustning. Mätningar utförs under förhållanden som simulerar verkliga cell bestrålningsförhållanden så mycket som möjligt.
Abstract
Vikten av dosimetriprotokoll och standarder för radiobiologiska studier är självklar. Flera protokoll har föreslagits för dosbestämning med hjälp av röntgenanläggningar med låg energi, men beroende på bestrålningskonfigurationer, prover, material eller strålkvalitet är det ibland svårt att veta vilket protokoll som är lämpligast att använda. Vi föreslår därför ett dosimetriprotokoll för cell bestrålning med hjälp av lågenergiröntgen anläggning. Syftet med denna metod är att utföra dosuppskattningen på cellmonalayerns nivå för att göra den så nära verkliga cell bestrålningsförhållanden som möjligt. De olika stegen i protokollet är följande: bestämning av bestrålningsparametrarna (hög spänning, intensitet, cellbehållare etc.), bestämning av strålkvalitetsindexet (högspännings-halvvärdesskiktspar), doshastighetsmätning med joniseringskammare kalibrerad i luft kermaförhållanden, kvantifiering av dämpning och spridning av cellkulturmediet med EBT3-radiokromafilmer och bestämning av doshastigheten på cellnivå. Denna metod skall utföras för varje ny cellbestrålningskonfiguration, eftersom modifieringen av endast en parameter starkt kan påverka den verkliga dosdepositionen på cellmonalayerns nivå, särskilt med röntgenstrålar med låg energi.
Introduction
Syftet med radiobiologi är att skapa kopplingar mellan den levererade dosen och de biologiska effekterna. dosimetri är en avgörande aspekt i utformningen av radiobiologiska experiment. I över 30 år har vikten av dosimetristandarder och harmonisering av praxis belysts1,2,3,4,5. För att upprätta en dosratreferens finns det flera protokoll6,7,8,9,10; Peixoto och Andreo11 kan det dock finnas skillnader på upp till 7% beroende på den dosimetriska kvantitet som används för dosratbestämningen. Dessutom, även om det finns protokoll, är det ibland svårt att veta vilket protokoll som är mest lämpligt för en viss applikation, om någon, eftersom dosraten för cellerna beror på parametrar som cellbehållaren, mängden cellkulturmedier eller strålkvalitet, till exempel. Spridning och bakslån för denna typ av bestrålning är också en mycket viktig parameter att ta hänsyn till. För röntgenstrålar med låg och medelhög energi, i AAPM TG-61 referensprotokoll10,mäts den absorberade dosen i vatten vid ytan av en vattenfantom. Med hänsyn till de mycket specifika cellbestrålningsförhållandena är den lilla volymen cellkulturmedier omgivna av luft närmare kermaförhållanden än de som definieras för en absorberad dos med en stor vattenekvivalenter fantom som i TG-61-protokollet. Därför har vi valt att använda kerma i vatten som en dosimetrisk mängd för referens snarare än den absorberade dosen i vatten. Därför föreslår vi ett nytt tillvägagångssätt för att ge en bättre bestämning av den faktiska dos som levereras till celler.
En annan viktig aspekt för radiobiologiska studier är dessutom fullständig rapportering av de metoder och protokoll som används för bestrålning för att kunna reproducera, tolka och jämföra experimentella resultat. År 2016 lyfte Pedersen et al.12 fram den otillräckliga rapporteringen av dosimetri i prekliniska radiobiologiska studier. En större ny studie från Draeger et al.13 belyste att även om vissa dosimetriparametrar som dos, energi eller källtyp rapporteras, saknas en stor del av fysik- och dosimetriparametrarna som är nödvändiga för att korrekt replikera bestrålningsförhållandena. Denna storskaliga granskning, av mer än 1 000 publikationer som täcker de senaste 20 åren, visar en betydande brist på rapportering av fysik- och dosimetriförhållandena i radiobiologiska studier. Således är en fullständig beskrivning av protokollet och den metod som används i radiobiologiska studier obligatorisk för att ha robusta och reproducerbara experiment.
Med hänsyn till dessa olika aspekter infördes för de radiobiologiska experiment som utfördes vid IRSN (Institutet för strålskydd och kärnsäkerhet) ett strikt protokoll för cellstrålningar i en ortopatanläggning. Detta dosimetriprotokoll utformades för att simulera de verkliga cellbestrålningsförhållandena så mycket som möjligt och därmed bestämma den faktiska dosen som levereras till celler. För detta ändamål listas alla bestrålningsparametrar, och strålkvalitetsindexet utvärderades genom att mäta det halva värdeskiktet (HVL) för vilket vissa anpassningar har gjorts eftersom standardrekommendationerna från AAPM-protokollet10 inte kan följas. Den absoluta dosratmätningen utfördes sedan med joniseringskammaren inuti cellbehållaren som används för cell bestrålningar, och dämpning och spridning av cell kultur media kvantifierades också med EBT3 radiokroma filmer. Eftersom ändringen av endast en enda parameter i protokollet kan påverka dosuppskattningen avsevärt utförs en dedikerad dosimetri för varje cell bestrålningskonfiguration. Dessutom måste HVL-värdet beräknas för varje kombination av spänningsfilter. I detta nuvarande arbete används en spänning på 220 kV, en intensitet på 3 mA och en inneboende och en ytterligare filtrering på 0,8 mm respektive 0,15 mm beryllium respektive koppar. Den valda cellstrålningskonfigurationen finns på en T25-kolv, där celler bestrålades med 5 ml cellkulturmedier.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Bestrålningsplattform och bestämning av bestrålningsparametrar
- Använd en bestrålningsplattform som levererar röntgenstrålar med låg till medelhög energi. Bestäm parametrarna för experimentet för att säkerställa robustheten och reproducerbarheten hos det radiobiologiska experimentet: Hög spänning, intensitet, filtrering (inneboende och ytterligare), halvvärdesskikt (HVL), effektiv energi, detektor som används för dosimetrimätningar, källprovavstånd (SSD), bestrålningsfält (form, storlek, geometri), dosimetrikvantitet, dosimetrimetod, doshastighet, cellbehållare och cellkulturmediekvantitet. Alla parametrar som används i det här protokollet anges i tabell 1.
2. Strålkvalitetsindex: bestämning av halvvärdesskiktet
OBS: HVL definieras som tjockleken på en dämpning (vanligtvis koppar eller aluminium) för att minska strålens intensitet med en faktor på två jämfört med det ursprungliga värdet.
- Ställ in utrustningen (stöd, kollimator, membran, jonisering) inuti bestrålningshöljet genom att följa instruktionerna i figur 1. Inget dämpningsmaterial används i detta steg.
- Se till att alla avstånd som rapporteras i figur 1 är korrekta. Mät dessa med ett måttband.
- Placera joniseringskammaren i horisontellt läge. För detta arbete använde vi en 31002 (motsvarande 31010) cylindrisk joniseringskammare kalibrerad i luft kerma.
- Förstråla joniseringskammaren i 5 minuter och mät bakgrunden (detta steg kan utföras utan kollimator).
- Utför 10 mätningar på 1 min vardera i laddningsuppsamlingsläge som motsvararM-råvärdet (i coulombs).
- Ta temperaturen och trycket med lämplig kalibrerad utrustning placerad inuti bestrålningshöljet i vårt fall (om det inte är möjligt, placera den nära experimentet). KorrigeraM-råavläsningen på elektrometern med den temperatur- och tryckkorrigeringsfaktor som anges enligt följande:
där: T (°C) och P (hPa) är den faktiska temperaturen respektive trycket. Tref och Pref är referenstemperaturen och trycket när joniseringen kalibrerades av standardlaboratoriet. Tryck och temperatur skall mätas med kalibrerade instrument. Det erhållna värdet i laddningsläge är det genomsnittliga referensvärdet M (i coulombs).
OBS: Detta steg är inte absolut nödvändigt för HVL-mätning, men det rekommenderas. - Placera en dämpare med viss tjocklek ovanför membranet. HVL-setet består av folier med olika tjocklekar (0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1, 2, 5 och 10 mm koppar) med en dimension som gör det möjligt att täcka hela balken (80 x 80 mm här).
- Mät 1 min (M råkorrigerad av KT,P enligt beskrivningen ovan).
- Om dosraten divideras med faktorn 2 med avseende på utgångsvärdet hittas HVL-värdet. Ta 5 mätningar på 1 min för att uppskatta den genomsnittliga dosraten.
- Om dosraten inte divideras med faktorn 2 med avseende på utgångsvärdet, öka eller minska dämpningstjockleken och gör en ny mätning. Justera dämpningsdämparens tjocklek efter behov.
- När tjockleken på dämpningen som minskar strålens intensitet med en faktor två hittas, ta 5 mätningar på 1 minut för att bekräfta HVL.
OBS: I de flesta fall kan den exakta tjockleken på dämpningen inte hittas från de tillgängliga folierna. I detta fall, fortsätt genom bisection och interpolera HVL.
3. Utvärdering av bestrålningsfältet (ingen dosuppskattning)
- Placera en EBT3-film på det stöd som används för bestrålning.
- Bestråla denna film för att få ett välmarkerat bestrålningsfält (minst 2 Gy).
- Skanna EBT3-filmen med en dedikerad skanner.
- Rita dosprofilen med bild J med alternativet Analysera och rita sedan profil (bild 2).
- Bestäm storleken på användningen av bestrålningsfält för bestrålning (homogent område, utom penumbraregioner, se figur 2).
- Markera det stöd som används för bestrålning för att säkerställa att cellbehållaren är i rätt läge.
OBS: I detta steg bestäms storleken på bestrålningsfältet och dosen uppskattas inte. Det fullständiga förfarandet för filmläsning och analys ges i avsnitt 5. Ta också marginaler för att undvika fel på grund av cellbehållarens positionering.
4. Dosratmätning med joniseringskammare
- Ta cellbehållaren och bryt en liten del på sidan eller i botten (beroende på vilken behållare och joniseringskammare som används) för att kunna placera joniseringskammaren inuti (figur 3,övre delen) eller under (Figur 3, nedre delen) behållaren. Exemplen ges i figur 3 med olika joniseringskammare (cylindriska eller plan parallella) och cellbehållare. I detta fall användes en T25-kolv(figur 3,röd låda).
OBS: lödkol eller uppvärmd skalpell är ett bra alternativ för att göra hål i plastvaror - Placera behållaren inuti höljet på det stöd som används för bestrålning (kolplatta här).
- Placera joniseringskammaren i behållaren(bild 3, röd låda), i rätt läge och anslut den till elektrometern.
- Se till att alla bestrålningsparametrar som anges i avsnitt 1 är korrekta (hög spänning, intensitet, ytterligare filtreringar, källprovavstånd osv.).
- Förstråla joniseringskammaren i 5 minuter och utför nollställningen av elektrometern.
- Ta 10 mätningar på 1 min för att bestämma den genomsnittliga dosraten i luft kerma (Gy.min-1). Beräkna bestämningen av dosraten iK-luft enligt följande:
där M är avläsningen av dosmätaren korrigerad genom temperatur, tryck, polaritetseffekt, jonrekombination och elektrometerkalibrering. NKair och Kqär kalibrerings- och korrigeringsfaktorerna för strålningskvalitet, vars värden är specifika för varje joniseringskammare.
5. Mätning av cellkulturmediedämpning och spridning
OBS: Hantera EBT3-filmer med handskar under hela proceduren.
- Förberedelse av experimentet
- Klipp små bitar av EBT3-filmer minst 24 timmar före bestrålning.
- Bestäm storleken på filmerna som en funktion av cellbehållaren som används för radiobiologiska experiment (4 x 4 cm för en T25-kolv, till exempel).
Kapa två uppsättningar radiokroma filmer: En uppsättning för kalibreringskurvorna som består av tre stycken EBT3-radiokrom film per dos eller tidpunkt (totalt nio punkter för detta arbete). och en uppsättning för kvantifiering av cellkulturens mediedämpning, också tre stycken per punkt. - Numrera alla filmer för identifiering (övre högra hörnet här) och skanna dem på samma position på skannern.
- Håll filmerna borta från ljus.
- Förbered cellbehållaren som används för EBT3-filmmätningarna och skär vid behov en del för att sätta in filmen (ett exempel med en T25 ges i figur 4).
- Uppskattning av dosrat
- Mät dosraten för konfigurationen enligt beskrivningen i föregående avsnitt.
- Förvara denna konfiguration för bestrålning av EBT3-radiokroma filmer och använd samma typ av cellbehållare.
- Konstruktion av kalibreringskurvan
- Ta de förskurna EBT3-filmerna för kalibreringskurvan.
- Bestråla inte tre stycken (0 Gy).
- Placera den första filmen inuti cellbehållaren, i samma konfiguration som för cell bestrålning.
- Bestråla den för att få de första dospunkterna.
- Upprepa denna operation för att erhålla tre delar av EBT3-filmer bestrålade med samma dos.
- Utför detta för varje dospunkt (nio dospunkter i detta arbete (0, 0, 25, 0, 5, 0, 75, 1, 1, 5, 2, 2, 5 och 3 Gy) enligt figur 5).
- Utvärdering av dämpning av cellkulturmedier och spridning.
- Valde samma bestrålningstid för alla bestrålningar (till exempel 60 s).
- Bestråla tre stycken EBT3-filmer i behållaren utan vatten.
- Bestråla tre stycken EBT3-filmer i behållaren med vatten enligt följande.
- Placera filmen i behållaren.
- Fyll behållaren med den exakta mängden vatten för att representera cellkulturmedierna (5 ml här). Använd små tejpbitar om filmerna inte förblir nedsänkta ordentligt.
- Placera cellbehållaren i höljet och se till att filmen är korrekt nedsänkt.
- När bestrålningen är klar, ta EBT3-filmerna, torka dem med absorberande papper och lagra dem borta från ljus.
6. Läsning av EBT3 radiokroma filmer
- Läs EBT3-filmer minst 24 timmar efter bestrålning.
- Skanna filmerna på en dedikerad skanner.
- Ställ in skannerparametrarna som: 48 bitars rödgrönblå tiffformat, 150 dpi i överföringsläge och ingen bildkorrigering.
- Utför en uppvärmning av skannern enligt följande.
- Placera en icke bestrålad film på skannern.
- Starta en förhandsgranskning av skanningen.
- Starta en timer och vänta i 30 s.
- Starta skanningen.
- I slutet av skanningen, starta en timer och vänta på 90-talet.
- Registrera samtidigt skanningen, öppna bilden med ImageJ, spåra en kvadratisk ROI (alltid samma storlek och i samma position) och gör ett mått på den genomsnittliga röda pixelnivån i området.
- I slutet av 90-talet, upprepa proceduren från steg 2 (utan att röra filmen inuti skannern).
- Upprepa detta minst 30 gånger för att värma upp och stabilisera skannern (inga variationer i den genomsnittliga röda pixelnivån i det område som valts på de icke-bestrålade filmerna). Om skannern, det vill säga det genomsnittliga röda pixelvärdet, inte stabiliseras, fortsätter proceduren.
- Skanning av EBT3-filmerna
- Placera den första filmen i mitten av skannerbädden. Avgränsa ett område för att alltid placera filmen på samma plats och i samma orientering.
- Starta en förhandsgranskning av skanningen.
- Starta en timer och vänta i 30 s.
- Starta skanningen.
- I slutet av skanningen, starta en timer och vänta på 90-talet. Under dessa 90 s ändra EBT3 filmar.
OBS: En analys av EBT3 radiokroma filmer utfördes med hjälp av ett självprogrammerat C ++ program. Olika metoder kan användas för EBT3-filmanalysen, till exempel den röda kanalmetoden eller metoden med trekanaler 14,15. I det här fallet har vi använt den röda kanalmetoden utan bakgrundssubtraktion, och bilderna konverterades till optiska densiteter och sedan till dosen med vårt program. Eftersom den här metoden redan är väldefinierad inkluderades inte vårt C++-program här. Dessutom kan dedikeradprogramvara 16 också användas för EBT3-filmanalys.
7. Bestämning av dosraten på cellmonalayerns nivå
- Konvertera den genomsnittliga dosraten som erhålls med joniseringskammaren korrigerad genom dämpning och spridning av cellkulturmediet (K) till vattenmaman med hjälp av förhållandet mellan den genomsnittliga massenergiabsorptionskoefficienten för vatten till luft som utvärderas över fotonfluensspektrumet (μen/ρ).
En dedikeradprogramvara 17 användes för att beräkna fotonenergispektrumet i luften utan fantom, och vi använde NIST-tabellen18 för att beräkna den genomsnittliga massenergiabsorptionskoefficienten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
I detta arbete använde vi en plattform tillägnad smådjurs bestrålning19; Denna plattform kan dock användas för att bestråla andra typer av prover som celler. Bestrålningskällan är ett varianskt röntgenrör (NDI-225-22) med en inneboende filtrering på 0,8 mm beryllium, en stor fokal sportstorlek på 3 mm, ett högspänningsområde på ca 30 till 225 kV och en maximal intensitet på 30 mA.
De parametrar som används för denna studie rapporteras i tabell 1. Vi har valt att visa ett exempel på användningen av detta protokoll för cell bestrålning i en T25-kolv med 5 ml cellkulturmedier.
Lager med halva värden
Tabell 2 rapporterar de mätningar som utförts för att uppskatta den dämpningstjocklek som krävs för att minska strålens intensitet med en faktor på två. För detta gjordes 10 referensmätningar för att uppskatta den genomsnittligaM-råavläsningen på elektrometern (i Coulombs), korrigerad med temperatur- och tryckkorrigeringsfaktorn (KT,P).
Olika tjocklek på dämpare testades sedan för att hitta tjockleken som minskade strålintensiteten med en faktor två. När denna tjocklek hittades gjordes fem mätningar för att utvärdera det genomsnittligaM-råvärdet korrigerat med KT,P.
För denna konfiguration hittades ett halvt värdeskikt på 0,667 mm koppar. Från HVL-mätningen kan vi beräkna strålens effektiva energi, vilket är ca 69 keV i vårt fall.
Mätning av dosrat
Före dessa mätningar bestrålades en EBT3-film för att bestämma på vilken yta bestrålningsfältet är homogent, så att vi korrekt kan placera cellbehållaren. Detta område är ca 10 x 10 cm² exklusive penumbraregioner som visas av prickade linjer i figur 2. Därefter utfördes dosratmätning med en 31002 (motsvarande 31010) cylindrisk joniseringskammare kalibrerad i luft kerma. För denna konfiguration, med ett öppet fält bestrålningsfält på 35 cm till källan i en T25-cellbehållare placerad på en kolplatta, var dosraten ca 0,626 Gy.min-1 iK-luft.
För att bestämma den exakta dosen på celler omvandladesden uppmätta K-luften i vatten kerma. Figur 5 visar det röntgenenergispektrum som erhållits med dedikeradprogramvara 17. Från detta energispektrum och NIST-tabellen kan vi konvertera doshastigheten iK-luft tillK-vatten, som var 0,659 Gy.min-1.
Den totala osäkerheten i den absoluta dosratmätningen var cirka 3% på en konfidensnivå på 95%.
Cellkultur media dämpning och spridning
För kvantifiering av cell kultur media dämpning och spridning utfördes dosimetri mätningar med EBT3 radiokrom filmer vid rumstemperatur. Från mätningen med joniseringskammaren fastställdes dosraten. Kalibreringsfilmer bestrålades sedan i samma position. EBT3 radiokroma filmer kalibrerades mellan 0 och 3 Gy med 0,25 Gy steg mellan 0 och 1 Gy och 0,5 Gy steg mellan 1 och 3 Gy (nio dospunkter för att konstruera kalibreringskurvan) som visas i figur 6. Dospunkterna var utrustade med en4: e gradenspolynomkurva. EBT3-filmerna bestrålades sedan med och utan den exakta mängden cellkulturmedier inuti cellbehållaren för att utvärdera dämpningen och spridningen på grund av cellkulturmedierna. För den här konfigurationen var dämpningen av cellkulturmedierna cirka 1,5%.
Den totala osäkerheten i EBT3-filmmätningarna var cirka 4% på en konfidensnivå på 95%.
Rutinmätningar
Innan cellstrålningarna utfördes mättes dosraten varje gång i samma behållare som används för bestrålning. Således använde vi den dagliga dosraten för att uppskatta bestrålningstiden. Om vi noga följer protokollet och inte ändrar några parametrar behöver HVL-mätningen och dämpningen på grund av cellkulturmedierna inte upprepas. Tabellen som används för den dagliga mätningen anges till exempel i tabell 3.
Figur 1: Konfigurationens schema finns på SARRP-höljet för HVL-mätningar. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 2: Utvärdering av bestrålningsfältets storlek. Dosprofil erhölls vid 35 cm till källan utan kollimator. Prickade linjer visar det område som beaktas för bestrålningen. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 3: Fotografier av cellbehållare med joniseringskammaren för dosratmätning. Övre delen: exempel för mätning med en cylindrisk joniseringskammare från 31002. Nedre del: exempel för mätning med en TM23342 joniseringskammare. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 4: Fotografier av T25 som används för mätning av cellkulturens mediedämpning. Den övre delen av T25 klipptes ut för att kunna placera filmen inuti kolven. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 5: Simulerat energispektra för en högspänning på 220 kV med 0,8 mm Be och 0,15 mm Cu-filtreringar17 . Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 6: EBT3-filmer bestrålade för att konstruera kalibreringskurvan och motsvarande kalibreringskurva. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
| Högspänning (kV) | 220 |
| Intensitet (mA) | 3 |
| Filtreringar (inneboende och ytterligare) | 0,8 mm Be + 0,15 mm Cu |
| Halvvärdesskikt (mm Cu) | Bestäms nedan |
| Effektiv energi (keV) | Bestäms nedan |
| Detektor som används | Cylindrisk joniseringskammare + EBT3 radiokroma filmer |
| Källprovavstånd | 35 cm |
| Bestrålningsfält (form, storlek, geometri) | Öppet fält (ingen kollimator), kvadrat, 20 x 20 cm |
| Dosimetri mängd | Kair och Kwater |
| Dosimetri-metod | Enligt beskrivningen i protokollavsnittet |
| Cellbehållare | T25 (på andra) |
| Antal cellkulturmedier | 5 ml |
| Dosrat (Gy/min) | Bestäms nedan |
Tabell 1: En lista över konfigurationsparametrarna.
| Dämpare (mm Cu) | IC-mått (nC) | Temperatur (°C) | Tryck (hPa) | kT.P | IC-mått korrigerat med kT.P (nC) | Korrigerat medelvärde (nC) | ST-avvikelse | Dämpningsuppskattning (M / Mref) | |
| referensmätningar (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 | |||||
| Fynd av attenuatiortjocklek (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 med rätt dämpare (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 |
Tabell 2: Mätning för bestämningen av halvvärdesskiktet.
| IC-mått (nC) | Temperatur (°C) | Tryck (hPa) | kT.P | IC-mått korrigerat med kT.P (nC) | Korrigerat medelvärde med kT.P (nC) | ST-avvikelse | Korrigerat medelvärde med alla korrigeringsfaktorer | Dosrat i luft kerm (Gy/min) | Dosrat vid cellnivå i Kwater (Gy/min) |
| 2.495 | 22.3 | 1001 | 1.020 | 2.545 | 2.546 | 0.001 | 2.536 | 0.626 | 0.659 |
| 2.496 | 22.3 | 1001 | 1.020 | 2.546 | |||||
| 2.497 | 22.3 | 1001 | 1.020 | 2.547 | |||||
| 2.498 | 22.3 | 1001 | 1.020 | 2.548 | |||||
| 2.496 | 22.3 | 1001 | 1.020 | 2.546 | |||||
| 2.495 | 22.3 | 1000.9 | 1.020 | 2.545 | |||||
| 2.494 | 22.3 | 1000.9 | 1.020 | 2.544 | |||||
| 2.495 | 22.3 | 1000.9 | 1.020 | 2.545 | |||||
| 2.496 | 22.3 | 1000.9 | 1.020 | 2.546 | |||||
| 2.496 | 22.3 | 1000.9 | 1.020 | 2.546 |
Tabell 3: Dagliga dosratmätningar för cell bestrålning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Detta arbete presenterar det protokoll som används och implementeras för cellstrålning med hjälp av lågenergiröntgenanläggning. Numera utförs många radiobiologiska experiment med denna typ av bestrålare eftersom de är lätta att använda, kostnadseffektiva och med mycket få radioskyddsbegränsningar, jämfört med koboltkälla till exempel. Även om dessa inställningar har många fördelar, eftersom de använder en låg röntgenenergikälla, kan en modifiering av endast en bestrålningsparameter avsevärt påverka dosimetrin. Flera studier har redan belyst vikten av dosimetri standarder och protokoll för radiobiologi studier2,5,20,21. Även om flera protokoll redan har definierats väl ilitteraturen 1,5, bestämde vi oss för att utveckla ett nytt protokoll för att utföra dosimetrimätningar för att simulera verkliga cellstrålningsförhållanden så mycket som möjligt och ta hänsyn till alla parametrar som kan påverka den fysiska dosen, särskilt för lågenergiröntgen21,22. Därför har vi valt att införa ett strikt protokoll för att minimera osäkerheten. I detta syfte fastställdes bestrålningsparametrar (tabell 1). Följande tre steg är då nödvändiga: i) bestämning av strålkvalitetsindexet, ii) mätning av den absoluta dosraten med joniseringskammare och iii) mätning av dämpning och spridning på grund av cellkulturmediet med EBT3-radiokroma filmer.
Strålkvalitetsindexet motsvarade det HVL-par (Voltage-Half Value Layer) som användes för att karakterisera röntgenstrålar med låg energi. HVL är en praktisk indikator för att beskriva polyenergisk strålning och definieras som tjockleken på en dämpning (vanligtvis koppar eller aluminium) för att minska luft kermadosen med en faktor på två från det ursprungliga värdet. HVL mätningar utfördes med hjälp av följande rekommendationer i AAPM protokollet för en 40-300 kV röntgenstråle10. Vissa anpassningar måste dock göras eftersom det i iradiatorhöljet inte är möjligt att uppnå ett avstånd på 1 meter mellan källan och joniseringskammaren. Därför använde vi i det nuvarande arbetet ett avstånd på 58 cm mellan källan och detektorn för HVL-mätningar, vilket illustreras i figur 1. Vi bestämde oss för att låta 25 cm efter joniseringskammaren eftersom mycket elektroniskt material, stöd och metalliska element finns längst ner i höljet för att begränsa backscatter-effekten av dessa element. Mätning av HVL är en av de kritiska aspekterna av detta protokoll. För många röntgenstrålare är insidan av kapslingar mycket begränsad och dessa är inte de optimala förutsättningarna för att utföra mätningarna eller det blir omöjligt. Även om experimentella mätningar är det bästa sättet att utvärdera HVL, när dessa mätningar är för svåra eller till och med omöjliga att utföra, kandedikerad programvara 17 användas för att ge en bra uppskattning för HVL, eller en Monte Carlo-simulering kan användas23. I det nuvarande arbetet använde vi en dedikerad programvara för att få röntgenenergispektrumet (Figur 5). Vi kunde också jämföra det uppmätta och beräknade HVL, som var detsamma, och även jämföra den effektiva energin.
För dosimetrimätningar valde vi sedan att simulera verkliga cell bestrålningsförhållanden så mycket som möjligt. För detta utförde vi direkt de absoluta dosratmätningarna med joniseringskammaren inuti cellbehållaren som används för cell bestrålning (Figur 3). Men eftersom vi använde en cylindrisk joniseringskammare kalibrerad för balkar över 100 kV, var vi inte exakt i samma position som cellerna på grund av joniseringskammarens tjocklek. För nedre balkar (15–70 kV), där plan parallellkammare kan användas, kan vi vara ännu närmare de verkliga cellstrålningsförhållandena. Sedan utfördes relativa dosimetrimätningar för att utvärdera dämpningen och spridningen på grund av cellkulturmediet. Resultaten som presenteras på detta arbete belyser inte en betydande variation i den dos som deponeras med eller utan den exakta mängden cellkulturella medier eftersom vi använde en spänning på 220 kV, en ytterligare filtrering av 0,15 mm Cu och vi hade bara 5 ml cellkulturmedium. Men i en tidigare studie21 utförd vid 80 kV påpekade vi att en variation av cellkulturmedierna och filtreringen avsevärt påverkar den fysiska dosen, upp till 40% jämfört med referenskonfigurationen när vi använde en 1 mm aluminiumfiltrering. Denna inverkan visades också när det gäller biologiska effekter genom att mäta den överlevande cellfraktionen med hjälp av en clonogenic assay21,23. Beroende på spänning, ytterligare filtrering, behållaren och mängden cellkulturella medier kan den dos som deponeras på cellerna vara annorlunda om protokollet inte följs noggrant för alla bestrålningar.
Följaktligen bör en särskild dosimetri ställas in för alla cell bestrålningskonfigurationer. Även om detta är restriktivt och ändringen av endast en enda parameter kräver implementering av en ny konfiguration, har vi beslutat att göra detta val så nära de verkliga cellbestrålningsförhållandena som möjligt. Detta kräver ett nära samarbete mellan fysikerna och radiobiologen för att skapa den bästa designen för konfigurationen. Vid vårt institut upprättades ett dussin protokoll på vår plattform för ett spänningsområde på 40 till 220 kV för vilket T25, T75, 6- till 96-tallriksbrunnar eller Petri-rätter kan bestrålas.
Även om detta protokoll verkar ganska långt att genomföra, när konfigurationen är etablerad, är den enda mätningen som ska tas på dagen för bestrålning mätningen av dosraten med joniseringskammaren inuti cellbehållaren. Denna mätning är också en kvalitetskontroll som gör det möjligt för oss att säkerställa att dosraten är som förväntat.
För att säkerställa reproducerbarheten av radiobiologiska studier, och för att kunna jämföra och tolka experiment, är det viktigt att noggrant följa fastställda protokoll och rapportera alla dosimetri- och konfigurationsaspekter, särskilt för anläggningar som använder låg- eller medelenergiröntgen. Det nya protokoll som föreslås här gäller för cell bestrålningar, som är tillämpliga på många röntgenanläggningar, och tar hänsyn till alla parametrar som påverkar dosimetrin och ger en bättre uppskattning av den faktiska dosen som levereras till cellerna.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Ingen
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 31010 ionization chamber | PTW | ionization Radiation, Detectors including code of practice, catalog 2019/2020, page 14 | https://www.ptwdosimetry.com/fileadmin/user_upload/DETECTORS_Cat_en_16522900_12/blaetterkatalog/index.html?startpage=1#page_14 |
| EBT3 radiochromic films | Meditest | quote request | https://www.meditest.fr/produit/ebt3-8x10/ |
| electrometer UNIDOSEwebline | PTW | online catalog, quote request | https://www.ptwdosimetry.com/en/products/unidos-webline/?type=3451&downloadfile=1593& cHash= 6096ddc2949f8bafe5d556e931e6c865 |
| HVL material (filter, diaphragm) | PTW | online catalog, page 70, quote request | thickness foils: 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5 and 10 mm of copper, https://www.ptwdosimetry.com/fileadmin/user_upload/Online_Catalog/Radiation_Medicine_Cat_en_ 58721100_11/blaetterkatalog/index.html#page_70 |
| scanner for radiochromic films | Epson | quote request | Epson V700, seiko Epson corporation, Suwa, Japan |
| temperature and pressure measurements, Lufft OPUS20 | lufft | quote request | https://www.lufft.com/products/in-room-measurements-291/opus-20-thip-1983/ |
References
- Zoetelief, J., Broerse, J. J., Davies, R. W. Protocol for X-ray dosimetry EULEP. Report No. Report EUR 9507. Commission of the European Communities. , (1985).
- Zoetelief, J., et al. Protocol for X-ray dosimetry in radiobiology. International Journal of Radiation Biology. 77 (7), 817-835 (2001).
- Zoetelief, J., Jansen, J. T. Calculated energy response correction factors for LiF thermoluminescent dosemeters employed in the seventh EULEP dosimetry intercomparison. Physics in Medicine and Biology. 42 (8), 1491-1504 (1997).
- Coleman, C. N., et al. Education and training for radiation scientists: radiation research program and American Society of Therapeutic Radiology and Oncology Workshop, Bethesda, Maryland. Radiation Research. 160 (6), 729-737 (2003).
- Desrosiers, M., et al. The importance of dosimetry standardization in radiobiology. Journal of Research of National Institute of Standards and Technology. 118, 403-418 (2013).
- DIN.
- DIN.
- NCS. Dosimetry of low and medium energy x-rays: A code of practice for use in radiotherapy and radiobiology. NCS. , Report No. 10 (1997).
- International Atomic Energy Agency. Absorbed Dose Determination in External Beam Radiotherapy. International Atomic Energy Agency. , (2000).
- Ma, C. M., et al. AAPM protocol for 40-300 kV x-ray beam dosimetry in radiotherapy and radiobiology. Medical Physics. 28 (6), 868-893 (2001).
- Peixoto, J. G., Andreo, P. Determination of absorbed dose to water in reference conditions for radiotherapy kilovoltage x-rays between 10 and 300 kV: a comparison of the data in the IAEA, IPEMB, DIN and NCS dosimetry protocols. Physics in Medicine and Biology. 45 (3), 563-575 (2000).
- Pedersen, K. H., Kunugi, K. A., Hammer, C. G., Culberson, W. S., DeWerd, L. A. Radiation biology irradiator dose verification survey. Radiation Research. 185 (2), 163-168 (2016).
- Draeger, E., et al. A dose of reality: how 20 years of incomplete physics and dosimetry reporting in radiobiology studies may have contributed to the reproducibility crisis. International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics. 106 (2), 243-252 (2020).
- Devic, S., et al. Precise radiochromic film dosimetry using a flat-bed document scanner. Medical Physics. 32 (7), 2245-2253 (2005).
- Micke, A., Lewis, D. F., Yu, X. Multichannel film dosimetry with nonuniformity correction. Medical Physics. 38 (5), 2523-2534 (2011).
- Filmqa Software. GAF Chromic.com. , Available from: http://www.gafchromic.com/filmqa-software/filmqapro/index.asp (2020).
- Poludniowski, G., Landry, G., DeBlois, F., Evans, P. M., Verhaegen, F. SpekCalc: a program to calculate photon spectra from tungsten anode x-ray tubes. Physics in Medicine and Biology. 54 (19), 433-438 (2009).
- Hubbell, J. H., Seltzer, S. M. X-Ray mass attenuation coefficients - Tables of X-ray mass attenuation coefficients and mass energy-absorption coefficients 1 keV to 20 MeV for elements Z = 1 to 92 and 48 additional substances of dosimetric interest (version 1.4). NIST Standard Reference Database. , 126 (1995).
- Wong, J., et al. High-resolution, small animal radiation research platform with x-ray tomographic guidance capabilities. International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics. 71 (5), 1591-1599 (2008).
- Trompier, F., et al. Investigation of the influence of calibration practices on cytogenetic laboratory performance for dose estimation. International Journal of Radiation Biology. , 1-9 (2016).
- Dos Santos, M., et al. Importance of dosimetry protocol for cell irradiation on a low X-rays facility and consequences for the biological response. International Journal of Radiation Biology. , 1-29 (2018).
- Noblet, C., et al. Underestimation of dose delivery in preclinical irradiation due to scattering conditions. Physica Medica. 30 (1), 63-68 (2014).
- Paixao, L., et al. Monte Carlo derivation of filtered tungsten anode X-ray spectra for dose computation in digital mammography. Radiologia Brasileira. 48 (6), 363-367 (2015).
