Dosimetrie voor celbestraling met orthovoltage (40-300 kV) röntgenfaciliteiten
Summary
Dit document beschrijft een nieuw dosimetrieprotocol voor celbestralingen met behulp van röntgenapparatuur met lage energie. Metingen worden uitgevoerd in omstandigheden die de bestralingsomstandigheden van echte cellen zoveel mogelijk simuleren.
Abstract
Het belang van dosimetrieprotocollen en -normen voor radiobiologische studies is vanzelfsprekend. Er zijn verschillende protocollen voorgesteld voor dosisbepaling met behulp van röntgeninstallaties met lage energie, maar afhankelijk van de bestralingsconfiguraties, monsters, materialen of stralingskwaliteit is het soms moeilijk om te weten welk protocol het meest geschikt is om te gebruiken. Daarom stellen wij een dosimetrieprotocol voor voor celbestralingen met behulp van röntgenstralingsfaciliteiten met lage energie. Het doel van deze methode is om de dosisschatting uit te voeren op het niveau van de celmonolaag om deze zo dicht mogelijk bij de werkelijke celbestralingsomstandigheden te brengen. De verschillende stappen van het protocol zijn als volgt: bepaling van de bestralingsparameters (hoogspanning, intensiteit, celcontainer enz.), bepaling van de stralingskwaliteitsindex (hoogspanning-halve waardelaagpaar), dosissnelheidsmeting met ionisatiekamer gekalibreerd in luchtkermaomstandigheden, kwantificering van de demping en verstrooiing van het celkweekmedium met EBT3-radiochrome films en bepaling van de dosissnelheid op cellulair niveau. Deze methode moet voor elke nieuwe celbestralingsconfiguratie worden uitgevoerd, aangezien de wijziging van slechts één parameter een sterke invloed kan hebben op de werkelijke dosisdepositie op het niveau van de celmonolaag, met name bij röntgenstralen met een lage energie.
Introduction
Het doel van radiobiologie is om verbanden te leggen tussen de geleverde dosis en de biologische effecten; dosimetrie is een cruciaal aspect bij het ontwerpen van radiobiologische experimenten. Al meer dan 30 jaar wordt het belang van dosimetrienormen en de harmonisatie van praktijken benadrukt1,2,3,4,5. Om een dosisfrequentiereferentie vast te stellen, bestaan er verschillende protocollen6,7,8,9,10; zoals blijkt uit Peixoto en Andreo11 , kunnen er echter verschillen tot 7% zijn, afhankelijk van de dosimetrische hoeveelheid die wordt gebruikt voor de bepaling van de dosissnelheid. Bovendien is het, zelfs als er protocollen bestaan, soms moeilijk om te weten welk protocol het meest geschikt is voor een bepaalde toepassing, indien aanwezig, omdat de dosissnelheid voor de cellen afhankelijk is van parameters zoals de celcontainer, hoeveelheid celkweekmedia of straalkwaliteit, bijvoorbeeld. De verstrooiing en de backscattering voor dit type bestraling is ook een zeer belangrijke parameter om rekening mee te houden. Voor röntgenstralen met een lage en gemiddelde energie wordt in het AAPM TG-61 referentieprotocol10de geabsorbeerde dosis in water gemeten aan het oppervlak van een watertoom. Rekening houdend met de zeer specifieke celbestralingsomstandigheden ligt het kleine volume celkweekmedia omringd door lucht dichter bij kermaomstandigheden dan die welke zijn gedefinieerd voor een geabsorbeerde dosis met een groot waterequivalent fantoom zoals in het TG-61-protocol. Daarom hebben we ervoor gekozen om de kerma in water te gebruiken als een dosimetrische hoeveelheid ter referentie in plaats van de geabsorbeerde dosis in water. Daarom stellen wij een nieuwe aanpak voor om de werkelijke dosis die aan cellen wordt geleverd beter te bepalen.
Een ander cruciaal aspect voor radiobiologische studies is de volledige rapportage van de methoden en protocollen die voor bestraling worden gebruikt om experimentele resultaten te kunnen reproduceren, interpreteren en vergelijken. In 2016 benadrukten Pedersen et al.12 de ontoereikende rapportage van dosimetrie in preklinische radiobiologische studies. Een grotere recente studie van Draeger et al.13 benadrukte dat hoewel sommige dosimetrieparameters zoals de dosis, energie of brontype worden gerapporteerd, een groot deel van de fysica- en dosimetrieparameters die essentieel zijn om de bestralingsomstandigheden goed te repliceren, ontbreken. Deze grootschalige evaluatie, van meer dan 1.000 publicaties over de afgelopen 20 jaar, toont een aanzienlijk gebrek aan rapportage van de fysica- en dosimetrieomstandigheden in radiobiologische studies. Een volledige beschrijving van het protocol en de methode die in radiobiologische studies wordt gebruikt, is dus verplicht om robuuste en reproduceerbare experimenten te hebben.
Rekening houdend met deze verschillende aspecten werd voor de radiobiologische experimenten die bij IRSN (Institute of Radiation Protection and Nuclear Safety) werden uitgevoerd, een streng protocol toegepast voor celbestraling in een orthovoltagefaciliteit. Dit dosimetrieprotocol is ontworpen om de werkelijke celbestralingsomstandigheden zoveel mogelijk te simuleren en zo de werkelijke dosis te bepalen die aan cellen wordt geleverd. Hiertoe worden alle bestralingsparameters opgesomd en is de stralingskwaliteitsindex geëvalueerd door de halve waardelaag (HVL) te meten waarvoor enkele aanpassingen zijn gedaan, aangezien de standaardaanbevelingen uit het AAPM-protocol10 niet kunnen worden opgevolgd. De absolute dosissnelheidsmeting werd vervolgens uitgevoerd met de ionisatiekamer in de celcontainer die werd gebruikt voor celbestraling, en de demping en de verstrooiing van de celkweekmedia werd ook gekwantificeerd met EBT3-radiochrome films. Aangezien de wijziging van slechts één enkele parameter van het protocol de dosisschatting aanzienlijk kan beïnvloeden, wordt voor elke celbestralingsconfiguratie een speciale dosimetrie uitgevoerd. Bovendien moet de HVL-waarde voor elke spanningsfiltercombinatie worden berekend. In dit huidige werk wordt een spanning van 220 kV, een intensiteit van 3 mA en een inherente en een extra filtratie van respectievelijk 0,8 mm en 0,15 mm beryllium en koper gebruikt. De gekozen celbestralingsconfiguratie bevindt zich op een T25-kolf, waar cellen werden bestraald met 5 ml celkweekmedia.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit werk presenteert het protocol dat wordt gebruikt en geïmplementeerd voor celbestralingen met behulp van een röntgeninstallatie met lage energie. Tegenwoordig worden veel radiobiologische experimenten uitgevoerd met dit type bestralingsapparaat, omdat ze gemakkelijk te gebruiken, kosteneffectief en met zeer weinig radioprotectiebeperkingen zijn, in vergelijking met kobaltbron bijvoorbeeld. Hoewel deze opstellingen veel voordelen hebben, omdat ze een lage röntgenenergiebron gebruiken, kan een wijziging van slechts ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Geen
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).
