Dosimetri för cell bestrålning med orthovoltage (40-300 kV) röntgenanläggningar
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.
Protocol
Representative Results
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 p?…
Disclosures
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/ |
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. 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).
