Dosimetri for cellebestråling ved bruk av Orthovoltage (40-300 kV) røntgenanlegg
Summary
Dette dokumentet beskriver en ny dosimetriprotokoll for cellebestråling ved hjelp av røntgenutstyr med lav energi. Målinger utføres under forhold som simulerer virkelige cellebestrålingsforhold så mye som mulig.
Abstract
Betydningen av dosimetriprotokoller og standarder for radiobiologiske studier er selvinnlysende. Flere protokoller er foreslått for dosebestemmelse ved bruk av røntgenanlegg med lav energi, men avhengig av bestrålingskonfigurasjoner, prøver, materialer eller bjelkekvalitet, er det noen ganger vanskelig å vite hvilken protokoll som er mest hensiktsmessig å bruke. Vi foreslår derfor en dosimetriprotokoll for cellebestråling ved hjelp av røntgenanlegg med lav energi. Målet med denne metoden er å utføre doseestimering på nivået av cellemonolayeren for å gjøre den så nær som mulig til virkelige cellebestrålingsforhold. De forskjellige trinnene i protokollen er som følger: bestemmelse av bestrålingsparametrene (høyspenning, intensitet, cellebeholder etc.), bestemmelse av strålekvalitetsindeksen (høyspennings-halvverdilagpar), doseringsmåling med ioniseringskammer kalibrert i luftparagrafiske forhold, kvantifisering av demping og spredning av cellekulturmediet med EBT3 radiokrome filmer, og bestemmelse av doseringshastigheten på cellenivå. Denne metodikken må utføres for hver nye cellebestrålingskonfigurasjon, da modifikasjonen av bare en parameter kan ha stor innvirkning på den virkelige doseavsetningen på nivået av cellemonolayeren, spesielt med røntgenstråler med lav energi.
Introduction
Målet med radiobiologi er å etablere sammenhenger mellom den leverte dosen og de biologiske effektene; dosimetri er et avgjørende aspekt i utformingen av radiobiologiske eksperimenter. I over 30 år har betydningen av dosimetristandarder og harmonisering av praksis blitt fremhevet1,2,3,4,5. For å etablere en referanse til doseringshastighet finnes det flere protokoller6,7,8,9,10; Som vist av Peixoto og Andreo11 , kan det imidlertid være forskjeller på opptil 7% avhengig av den dosimetriske mengden som brukes til doseringsbestemmelsen. Videre, selv om det finnes protokoller, er det noen ganger vanskelig å vite hvilken protokoll som er mest egnet for et bestemt program, hvis noen, fordi doseringshastigheten for cellene avhenger av parametere som cellebeholderen, mengden cellekulturmedier eller strålekvalitet, for eksempel. Spredning og backscattering for denne typen bestråling er også en svært viktig parameter å ta hensyn til. Faktisk, for røntgenstråler med lav og middels energi, i AAPM TG-61 referanseprotokoll10, måles den absorberte dosen i vann på overflaten av et vannomom. Med tanke på de svært spesifikke cellebestrålingsforholdene, er det lille volumet av cellekulturmedier omgitt av luft nærmere kermaforhold enn de som er definert for en absorbert dose med et stort vannekvivalent fantom som i TG-61-protokollen. Derfor har vi valgt å bruke kerma i vann som en dosimetrisk mengde for referanse i stedet for den absorberte dosen i vann. Dermed foreslår vi en ny tilnærming for å gi en bedre bestemmelse av den faktiske dosen som leveres til celler.
Videre er et annet avgjørende aspekt for radiobiologiske studier fullstendig rapportering av metodene og protokollene som brukes til bestråling for å kunne reprodusere, tolke og sammenligne eksperimentelle resultater. I 2016 fremhevet Pedersen og medarbeidere12 mangelfull rapportering av dosimetri i prekliniske radiobiologiske studier. En større nylig studie fra Draeger et al.13 fremhevet at selv om noen dosimetriparametere som dose, energi eller kildetype rapporteres, mangler en stor del av fysikk- og dosimetriparametrene som er avgjørende for å gjenskape bestrålingsforholdene riktig. Denne store gjennomgangen, av mer enn 1000 publikasjoner som dekker de siste 20 årene, viser en betydelig mangel på rapportering av fysikk og dosimetriforhold i radiobiologiske studier. Dermed er en fullstendig beskrivelse av protokollen og metoden som brukes i radiobiologiske studier obligatorisk for å ha robuste og reproduserbare eksperimenter.
Med tanke på disse forskjellige aspektene, for de radiobiologiske eksperimentene utført ved IRSN (Institute of Radiation Protection and Nuclear Safety), ble det implementert en streng protokoll for cellebestråling i et orthovoltage-anlegg. Denne dosimetriprotokollen ble designet for å simulere de virkelige cellebestrålingsforholdene så mye som mulig og dermed for å bestemme den faktiske dosen som leveres til celler. For dette formål er alle bestrålingsparametrene oppført, og strålekvalitetsindeksen ble evaluert ved å måle halvverdilaget (HVL) som noen tilpasninger er gjort som standardanbefalinger fra AAPM-protokollen10 ikke kan følges. Den absolutte doseringsmålingen ble deretter utført med ioniseringskammeret inne i cellebeholderen som brukes til cellebestråling, og demping og spredning av cellekulturmediene ble også kvantifisert med EBT3 radiokrome filmer. Ettersom modifikasjonen av bare én enkelt parameter i protokollen kan ha betydelig innvirkning på doseberegningen, utføres en dedikert dosimetri for hver cellebestrålingskonfigurasjon. Videre må HVL-verdien beregnes for hver spenningsfilterkombinasjon. I dette nåværende arbeidet brukes en spenning på 220 kV, en intensitet på 3 mA, og en iboende og en ekstra filtrering på henholdsvis 0,8 mm og 0,15 mm beryllium og kobber. Den valgte cellebestrålingskonfigurasjonen er på en T25-kolbe, hvor celler ble bestrålet med 5 ml cellekulturmedier.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dette arbeidet presenterer protokollen som brukes og implementeres for cellebestråling ved hjelp av røntgenanlegg med lav energi. I dag utføres mange radiobiologiske eksperimenter med denne typen bestråler, da de er enkle å bruke, kostnadseffektive og med svært få radiobeskyttelsesbegrensninger, sammenlignet med koboltkilde for eksempel. Selv om disse oppsettene har mange fordeler, da de bruker en lav røntgenenergikilde, kan en modifikasjon av bare en bestrålingsparameter påvirke dosimetrien betydelig. Flere st…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ingen
Materials
| 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/ebt3-8×10/ |
| 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/ |
Riferimenti
- 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. Klinische Dosimetrie: Teil 4. Anwendung von Röntgenstrahlen mit Röhrenspannungen von 10 bis 100 kV in der Strahlentherapie und in der Weichteildianostik. , (1988).
- DIN. Klinische Dosimetrie: Teil 5. Anwendung von Röntgenstrahlen mit Röhrenspannungen von 100 bis 400 kV in der Strahlentherapie. , (1996).
- NCS. Dosimetry of low and medium energy x-rays: A code of practice for use in radiotherapy and radiobiology. NCS. , (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).
- 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).
