Dosimetri til cellebestråling ved hjælp af orthovoltage (40-300 kV) røntgenfaciliteter
Summary
I dette dokument beskrives en ny dosimetriprotokol for cellebestråling ved hjælp af røntgenudstyr med lav energi. Målinger udføres under forhold, der simulerer reelle cellebestrålingsforhold så meget som muligt.
Abstract
Betydningen af dosimetriprotokoller og standarder for radiobiologiske undersøgelser er indlysende. Der er foreslået flere protokoller for dosisbestemmelse ved hjælp af røntgenfaciliteter med lav energi, men afhængigt af bestrålingskonfigurationerne, prøverne, materialerne eller strålekvaliteten er det undertiden vanskeligt at vide, hvilken protokol der er den mest hensigtsmæssige at anvende. Vi foreslår derfor en dosimetriprotokol for cellebestrålinger, der anvender røntgenanlæg med lav energi. Formålet med denne metode er at udføre dosisestimeringen på cellemonolayerniveau for at gøre det så tæt som muligt på reelle cellebestrålingsforhold. De forskellige trin i protokollen er som følger: bestemmelse af bestrålingsparametrene (højspænding, intensitet, cellebeholder osv.), bestemmelse af strålekvalitetsindekset (højspændings-halvværdi lagpar), dosishastighedsmåling med ioniseringskammer kalibreret i luft kermaforhold, kvantificering af dæmpning og spredning af cellekulturmediet med EBT3-radiokromiske film og bestemmelse af dosishastigheden på celleniveau. Denne metode skal udføres for hver ny cellebestrålingskonfiguration, da modifikationen af kun én parameter i høj grad kan påvirke den reelle dosisaflejring på cellemonomerens niveau, navnlig ved hjælp af røntgenstråler med lav energi.
Introduction
Formålet med radiobiologi er at etablere forbindelser mellem den leverede dosis og de biologiske virkninger; dosimetri er et afgørende aspekt i udformningen af radiobiologiske eksperimenter. I mere end 30 år er betydningen af dosimetristandarder og harmonisering af praksis blevet fremhævet1,2,3,4,5. For at fastlægge en dosishastighedsreference findes der flere protokoller6,7,8,9,10; Som det fremgår af Peixoto og Andreo11 , kan der dog være forskelle på op til 7 % afhængigt af den dosimetriske mængde, der anvendes til bestemmelse af dosishastigheden. Selv om der findes protokoller, er det desuden nogle gange vanskeligt at vide, hvilken protokol der er bedst egnet til en bestemt anvendelse, hvis nogen, fordi dosishastigheden for cellerne afhænger af parametre som cellebeholderen, mængden af cellekulturmedier eller strålekvalitet, for eksempel. Spredning og backscattering for denne type bestråling er også en meget vigtig parameter at tage hensyn til. For røntgenstråler med lav og medium energi i AAPM TG-61-referenceprotokol10måles den absorberede dosis i vand på overfladen af et vandfantom. Under hensyntagen til de meget specifikke cellebestrålingsforhold er den lille mængde cellekulturmedier omgivet af luft tættere på kermaforholdene end dem, der er defineret for en absorberet dosis med et stort vandækvivalent fantom som i TG-61-protokollen. Derfor har vi valgt at bruge kerma i vand som en dosimetrisk mængde til reference snarere end den absorberede dosis i vand. Vi foreslår således en ny tilgang for at sikre en bedre bestemmelse af den faktiske dosis, der leveres til cellerne.
Et andet afgørende aspekt ved radiobiologiske undersøgelser er desuden den fuldstændige rapportering af de metoder og protokoller, der anvendes til bestråling, for at kunne reproducere, fortolke og sammenligne forsøgsresultater. I 2016 fremhævede Pedersen et al.12 den utilstrækkelige indberetning af dosimetri i prækliniske radiobiologiske undersøgelser. En større nylig undersøgelse fra Draeger et al.13 fremhævede, at selv om nogle dosimetriparametre såsom dosis, energi eller kildetype rapporteres, mangler en stor del af fysik- og dosimetriparametrene, der er afgørende for korrekt replikering af bestrålingsbetingelserne. Denne omfattende gennemgang af mere end 1.000 publikationer, der dækker de sidste 20 år, viser en betydelig mangel på rapportering af fysik- og dosimetriforholdene i radiobiologiske undersøgelser. En fuldstændig beskrivelse af protokollen og den metode, der anvendes i radiobiologiske undersøgelser, er således obligatorisk for at få robuste og reproducerbare eksperimenter.
Under hensyntagen til disse forskellige aspekter blev der for de radiobiologiske forsøg, der blev udført på IRSN (Institut for Strålingsbeskyttelse og Nuklear Sikkerhed), indført en streng protokol for cellebestråling i et orthovoltageanlæg. Denne dosimetriprotokol blev udformet med henblik på at simulere de reelle cellebestrålingsforhold så meget som muligt og dermed bestemme den faktiske dosis, der blev leveret til cellerne. Med henblik herpå er alle bestrålingsparametrene anført, og strålekvalitetsindekset blev evalueret ved at måle det halvværdilag (HVL), for hvilket der er foretaget nogle tilpasninger, da standardanbefalingerne fra AAPM-protokol10 ikke kan følges. Den absolutte dosishastighedsmåling blev derefter udført med ioniseringskammeret inde i cellebeholderen, der blev brugt til cellebestråling, og dæmpningen og spredningen af cellekulturmedierne blev også kvantificeret med EBT3-radiokromiske film. Da ændringen af kun én enkelt parameter i protokollen kan påvirke dosisestimeringen betydeligt, udføres der en dedikeret dosimetri for hver cellebestrålingskonfiguration. Desuden skal HVL-værdien beregnes for hver kombination af spændingsfilter. I dette arbejde anvendes en spænding på 220 kV, en intensitet på 3 mA og en iboende og en yderligere filtrering på henholdsvis 0,8 mm og 0,15 mm beryllium og kobber. Den valgte cellebestrålingskonfiguration er på en T25-kolbe, hvor cellerne blev bestrålet med 5 mL cellekulturmedier.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dette arbejde præsenterer den protokol, der anvendes og gennemføres for cellebestrålinger ved hjælp af lavenergi røntgenanlæg. I dag udføres mange radiobiologiske eksperimenter med denne type bestråling, da de er nemme at bruge, omkostningseffektive og med meget få radiobeskyttelsesbegrænsninger sammenlignet med f.eks. koboltkilde. Selv om disse opsætninger har mange fordele, da de bruger en lav røntgenenergikilde, kan en ændring af kun én bestrålingsparameter påvirke dosimetrien betydeligt. Flere unders?…
Declarações
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/ |
Referências
- 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).
