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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Bestralingsplatform en bepaling van bestralingsparameters
- Gebruik een bestralingsplatform dat röntgenstralen met lage tot gemiddelde energie levert. Bepaal de parameters van het experiment om de robuustheid en reproduceerbaarheid van het radiobiologische experiment te garanderen: Hoogspanning, Intensiteit, Filtratie (inherent en aanvullend), Halve waardelaag (HVL), Effectieve energie, Detector gebruikt voor dosimetriemetingen, Bronmonsterafstand (SSD), Bestralingsveld (vorm, grootte, geometrie), Dosimetriehoeveelheid, Dosimetriemethode, Dosissnelheid, Celcontainer en Hoeveelheid celkweekmedia. Alle parameters die in dit protocol worden gebruikt, zijn opgenomen in tabel 1.
2. Balkkwaliteitsindex: bepaling van de halve waardelaag
OPMERKING: De HVL wordt gedefinieerd als de dikte van een verzwakker (meestal koper of aluminium) om de intensiteit van de balk met een factor twee te verminderen in vergelijking met de oorspronkelijke waarde.
- Stel de apparatuur (steun, collimator, membraan, ionisatie) in de bestralingsbehuizing in door de instructies in figuur 1 op te volgen. Bij deze stap wordt geen verzwakkermateriaal gebruikt.
- Zorg ervoor dat alle in figuur 1 gerapporteerde afstanden correct zijn. Meet deze met een meetlint.
- Plaats de ionisatiekamer in de horizontale positie. Voor dit werk gebruikten we een 31002 (equivalent aan 31010) cilindrische ionisatiekamer gekalibreerd in luchtkerma.
- Bestraal de ionisatiekamer gedurende 5 minuten en meet de achtergrond (deze stap kan zonder collimator worden uitgevoerd).
- Voer 10 metingen uit van elk 1 min in charge collection mode die overeenkomt met de Mraw waarde (in coulombs).
- Neem in ons geval de temperatuur en druk met geschikte gekalibreerde apparatuur in de bestralingsbehuizing (als dit niet mogelijk is, plaats deze dan in de buurt van het experiment). Corrigeer deM-ruwe aflezing op de elektrometer met de temperatuur- en drukcorrectiefactor die als volgt wordt gegeven:
waarbij: T (°C) en P (hPa) respectievelijk de werkelijke temperatuur en druk zijn. Tref en Pref zijn de referentietemperatuur en druk toen de ionisatie werd gekalibreerd door het standaardlaboratorium. De druk en temperatuur moeten worden gemeten met gekalibreerde instrumenten. De verkregen waarde in de laadmodus is de gemiddelde referentiewaarde M (in coulombs).
OPMERKING: Deze stap is niet strikt noodzakelijk voor HVL-meting, maar wordt aanbevolen. - Plaats een verzwakker van bepaalde dikte boven het membraan. De HVL set bestaat uit folies met verschillende diktes (0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1, 2, 5 en 10 mm koper) met een afmeting waarmee de gehele balk bedekt kan worden (80 x 80 mm hier).
- Neem een meting van 1 min (Mraw gecorrigeerd door de KT,P zoals eerder beschreven).
- Als de dosissnelheid wordt gedeeld door een factor 2 ten opzichte van de startwaarde, wordt de HVL-waarde gevonden. Neem 5 metingen van 1 minuut om de gemiddelde dosissnelheid te schatten.
- Als de dosissnelheid niet wordt gedeeld door een factor 2 ten opzichte van de startwaarde, verhoogt of verlaagt u de dikte van de verzwakker en voert u een andere meting uit. Pas indien nodig de dikte van de verzwakker aan.
- Zodra de dikte van de verzwakker die de intensiteit van de bundel met een factor twee vermindert, is gevonden, neemt u 5 metingen van 1 minuut om de HVL te bevestigen.
OPMERKING: In de meeste gevallen is de exacte dikte van de verzwakker niet te vinden aan de beschikbare folies. Ga in dit geval te werk door bisection en interpoleer de HVL.
3. Evaluatie van het bestralingsveld (geen dosisschatting)
- Plaats een EBT3-film op de steun die wordt gebruikt voor bestraling.
- Bestraal deze film om een goed gemarkeerd bestralingsveld (ten minste 2 Gy) te verkrijgen.
- Scan de EBT3-film met behulp van een speciale scanner.
- Plot het dosisprofiel met afbeelding J met behulp van de optie Profiel analyseren en vervolgens plotten (figuur 2).
- Bepaal de grootte van het bestralingsveldgebruik voor bestraling (homogeen gebied, met uitzondering van penumbragebieden, zie figuur 2).
- Maak markeringen op de steun die wordt gebruikt voor bestraling om ervoor te zorgen dat de celcontainer zich in de juiste positie bevindt.
OPMERKING: In deze stap wordt de grootte van het bestralingsveld bepaald en wordt de dosis niet geschat. De volledige procedure voor het lezen en analyseren van films is opgenomen in rubriek 5. Neem ook marges om fouten als gevolg van de positionering van de celcontainer te voorkomen.
4. Dosissnelheidsmeting met ionisatiekamer
- Neem de celcontainer en breek een klein deel aan de zijkant of aan de onderkant (afhankelijk van de gebruikte container en ionisatiekamer) om de ionisatiekamer in(figuur 3,bovenste gedeelte) of onder(figuur 3,onderste sectie) van de container te kunnen plaatsen. De voorbeelden worden gegeven in figuur 3 met verschillende ionisatiekamers (cilindrisch of vlak parallel) en celcontainers. In dit geval werd een T25-kolf gebruikt(figuur 3,rode doos).
OPMERKING: een soldeerbout of verwarmde scalpel is een goed alternatief om gaten te maken in plastic waren - Plaats de container in de behuizing op de steun die wordt gebruikt voor bestraling (koolstofplaat hier).
- Plaats de ionisatiekamer in de container(afbeelding 3,rode doos), in de juiste positie en sluit deze aan op de elektrometer.
- Zorg ervoor dat alle in punt 1 vermelde bestralingsparameters correct zijn (hoogspanning, intensiteit, extra filtraties, bronmonsterafstand, enz.).
- Bestraal de ionisatiekamer gedurende 5 minuten en voer de nuling van de elektrometer uit.
- Neem 10 metingen van 1 min om de gemiddelde dosis in luchtkerma te bepalen (Gy.min-1). Bereken de bepaling van de dosis inK-lucht als volgt:
waarbij M de aflezing is van de dosimeter gecorrigeerd door temperatuur, druk, polariteitseffect, ionenrecombinatie en elektrometerkalibratie. NKair en Kq zijn de kalibratie- en correctiefactoren voor de stralingskwaliteit, waarvan de waarden specifiek zijn voor elke ionisatiekamer.
5. Meting van de demping en verstrooiing van celkweekmedia
OPMERKING: Behandel EBT3-films met handschoenen tijdens de hele procedure.
- Voorbereiding van het experiment
- Snijd kleine stukjes EBT3-films ten minste 24 uur voor de bestraling.
- Bepaal de grootte van de films als functie van de celcontainer die wordt gebruikt voor radiobiologische experimenten (bijvoorbeeld 4 x 4 cm voor een T25-kolf).
Snijd twee sets radiochrome films: één set voor de kalibratiecurven die bestaat uit drie stukken EBT3-radiochrome film naar dosis of tijdspunt (in totaal negen punten voor dit werk); en één reeks voor de kwantificering van de demping van de celkweekmedia, ook drie stukken per punt. - Nummer alle films voor identificatie (rechtsboven hier) en scan ze op dezelfde positie op de scanner.
- Houd de films uit de buurt van licht.
- Bereid de celcontainer voor die wordt gebruikt voor de EBT3-filmmetingen en snijd indien nodig een deel om de film erin te plaatsen (een voorbeeld met een T25 is te zien in figuur 4).
- Schatting van de dosissnelheid
- Meet de dosissnelheid voor de configuratie zoals beschreven in de vorige sectie.
- Houd deze configuratie op zijn plaats voor de bestraling van de EBT3-radiochrome films en gebruik hetzelfde type celcontainer.
- Constructie van de kalibratiecurve
- Neem de voorgesneden EBT3-films voor de kalibratiecurve.
- Bestraal geen drie stukken (0 Gy).
- Plaats de eerste film in de celcontainer, in dezelfde configuratie als bij celbestraling.
- Bestraal het om de eerste dosispunten te verkrijgen.
- Herhaal deze handeling om drie stukken EBT3-films te verkrijgen die met dezelfde dosis zijn bestraald.
- Voer dit uit voor elk dosispunt (negen dosispunten in dit werk (0, 0,25, 0,5, 0,75, 1, 1,5, 2, 2,5 en 3 Gy) zoals geïllustreerd in figuur 5).
- Evaluatie van de verzwakking van celkweekmedia en verstrooiing.
- Kies voor alle bestralingen dezelfde bestralingstijd (bijvoorbeeld 60 s).
- Bestraal drie stukken EBT3-folies in de container zonder water.
- Bestraal drie stukken EBT3-folies in de container als volgt met water.
- Plaats de film in de container.
- Vul de container met de exacte hoeveelheid water om de celkweekmedia weer te geven (5 ml hier). Gebruik kleine stukjes tape als de folies niet goed onder water blijven.
- Plaats de celcontainer in de behuizing en zorg ervoor dat de film correct is ondergedompeld.
- Wanneer de bestraling is voltooid, neemt u de EBT3-films, droogt u ze af met absorberend papier en bewaart u ze uit de buurt van licht.
6. Lezen van EBT3 radiochromische films
- Lees EBT3-films ten minste 24 uur na bestraling.
- Scan de films op een speciale scanner.
- Stel de scannerparameters in als: 48-bits rood-groen-blauwe tiff-indeling, 150 dpi in transmissiemodus en geen beeldcorrectie.
- Voer de scanner als volgt op.
- Plaats een niet-bestraalde film op de scanner.
- Start een voorbeeld van de scan.
- Start een timer en wacht 30 s.
- Start de scan.
- Start aan het einde van de scan een timer en wacht 90 s.
- Registreer tegelijkertijd de scan, open de afbeelding met ImageJ, traceer een vierkante ROI (altijd dezelfde grootte en in dezelfde positie) en meet het gemiddelde rode pixelniveau van het gebied.
- Herhaal aan het einde van de 90 s de procedure vanaf stap 2 (zonder de film in de scanner aan te raken).
- Herhaal dit ten minste 30 keer om de scanner op te warmen en te stabiliseren (geen variaties in het gemiddelde rode pixelniveau van het gebied dat is geselecteerd op de niet-bestraalde films). Als de scanner, d.w.z. de gemiddelde rode pixelwaarde, niet is gestabiliseerd, gaat u verder met de procedure.
- Scannen van de EBT3-films
- Plaats de eerste film in het midden van het scannerbed. Een gebied afbakenen om de film altijd op dezelfde plaats en in dezelfde richting te plaatsen.
- Start een voorbeeld van de scan.
- Start een timer en wacht 30 s.
- Start de scan.
- Start aan het einde van de scan een timer en wacht 90 s. Tijdens deze jaren '90verandering de film EBT3.
OPMERKING: Een analyse van de EBT3 radiochromische films werd uitgevoerd met behulp van een zelfgeprogrammeerd C++ programma. Voor de EBT3-filmanalyse kunnen verschillende methoden worden gebruikt, zoals de rode-kanaalmethode of de driekanaalsmethode14,15. In dit geval hebben we de rode kanaalmethode gebruikt zonder achtergrondaftrekking en werden de afbeeldingen geconverteerd naar optische dichtheden en vervolgens naar de dosis met behulp van ons programma. Omdat deze methode al goed gedefinieerd is, is ons C++ programma hier niet opgenomen. Bovendien kan speciale software16 ook worden gebruikt voor EBT3-filmanalyse.
7. Bepaling van de dosissnelheid op het niveau van de celmonolaag
- Zet de gemiddelde dosissnelheid verkregen met de ionisatiekamer gecorrigeerd door de demping en verstrooiing van de celkweekmedia (K) om in de waterkerma met behulp van de verhouding van de gemiddelde massa-energieabsorptiecoëfficiënt voor water naar lucht die wordt geëvalueerd over het fotonfluentiespectrum (μen/ρ).
Een speciale software17 werd gebruikt om het fotonenergiespectrum in lucht zonder fantoom te berekenen, en we gebruikten de NIST-tabel18 om de gemiddelde massa-energieabsorptiecoëfficiënt te berekenen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
In dit werk gebruikten we een platform gewijd aan bestraling door kleine dieren19; dit platform kan echter worden gebruikt om andere soorten monsters, zoals cellen, te bestralen. De bestralingsbron is een Varian röntgenbuis (NDI-225-22) met een inherente filtratie van 0,8 mm beryllium, een grote brandpuntssportgrootte van 3 mm, een hoogspanningsbereik van ongeveer 30 tot 225 kV en een maximale intensiteit van 30 mA.
De parameters die voor dit onderzoek worden gebruikt , worden gerapporteerd in tabel 1. We hebben ervoor gekozen om een voorbeeld te geven van het gebruik van dit protocol voor celbestraling in een T25-kolf met 5 ml celkweekmedia.
Halve waardelaag
Tabel 2 rapporteert de metingen die zijn uitgevoerd om de dikte van de verzwakker te schatten die nodig is om de intensiteit van de bundel met een factor twee te verminderen. Hiervoor werden 10 referentiemetingen uitgevoerd om de gemiddeldeM-ruwe waarde op de elektrometer (in Coulombs) te schatten, gecorrigeerd door de temperatuur- en drukcorrectiefactor (KT,P).
Verschillende diktes van verzwakkers werden vervolgens getest om de dikte te vinden die de bundelintensiteit met een factor twee verminderde. Toen deze dikte werd gevonden, werden vijf metingen verricht om de gemiddeldeM-grondstofwaarde te evalueren, gecorrigeerd door KT,P.
Voor deze configuratie werd een halve waardelaag van 0,667 mm koper gevonden. Uit de HVL-meting kunnen we de effectieve energie van de straal berekenen, wat in ons geval ongeveer 69 keV is.
Meting van de dosissnelheid
Voorafgaand aan deze metingen werd een EBT3-film bestraald om het oppervlak te bepalen waarop het bestralingsveld homogeen is, waardoor we de celcontainer correct kunnen plaatsen. Dit gebied is ongeveer 10 x 10 cm² exclusief penumbra-gebieden die worden weergegeven door stippellijnen in figuur 2. Vervolgens werd de dosissnelheidsmeting uitgevoerd met behulp van een 31002 (equivalent aan 31010) cilindrische ionisatiekamer gekalibreerd in luchtkerma. Voor deze configuratie, met een open veld bestralingsveld op 35 cm naar de bron in een T25-celcontainer geplaatst op een koolstofplaat, was de dosissnelheid ongeveer 0,626 Gy.min-1 inK-lucht.
Om de exacte dosis op cellen te bepalen, werd de gemetenK-lucht omgezet in waterkerma. Figuur 5 toont het röntgenenergiespectrum dat is verkregen met speciale software17. Van dit energiespectrum en de NIST-tabel kunnen we de dosissnelheid inK-lucht omzetten inK-water, dat was 0,659 Gy.min-1.
De algehele onzekerheid van de absolute dosissnelheidsmeting was ongeveer 3% bij een betrouwbaarheidsniveau van 95%.
De verzwakking en verstrooiing van celkweekmedia
Voor de kwantificering van de demping en verstrooiing van celkweekmedia werden dosimetriemetingen met EBT3-radiochrome films uitgevoerd bij kamertemperatuur. Uit de meting met de ionisatiekamer werd de dosissnelheid bepaald. Kalibratiefolies werden vervolgens op dezelfde positie bestraald. EBT3 radiochromische films werden gekalibreerd tussen 0 en 3 Gy met 0,25 Gy stappen tussen 0 en 1 Gy en 0,5 Gy stappen tussen 1 en 3 Gy (negen dosispunten om de kalibratiecurve te construeren) zoals weergegeven in figuur 6. De dosispunten waren uitgerust met een 4e-graad polynomiale curve. De EBT3-films werden vervolgens bestraald met en zonder de exacte hoeveelheid celkweekmedia in de celcontainer om de demping en verstrooiing als gevolg van de celkweekmedia te evalueren. Voor deze configuratie was de demping van de celkweekmedia ongeveer 1,5%.
De algehele onzekerheid van de EBT3-filmmetingen was ongeveer 4% op een betrouwbaarheidsniveau van 95%.
Routinemetingen
Voordat de celbestralingen werden uitgevoerd, werd de dosis elke keer gemeten in dezelfde container die voor bestraling werd gebruikt. Zo gebruikten we de dagelijkse dosissnelheid om de bestralingstijd te schatten. Als we het protocol op de voet volgen en geen parameters wijzigen, hoeven de HVL-meting en de demping als gevolg van de celkweekmedia niet te worden herhaald. De tabel die voor de dagelijkse meting wordt gebruikt, is bijvoorbeeld opgenomen in tabel 3.
Figuur 1: Schema van de configuratie vindt plaats op de SARRP-behuizing voor HVL-metingen. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 2: Evaluatie van de grootte van het bestralingsveld. Dosisprofiel verkregen op 35 cm naar de bron zonder collimator. Stippellijnen geven het gebied weer dat in aanmerking komt voor de bestraling. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 3: Foto's van celcontainers met de ionisatiekamer voor dosismeting. Bovenste deel: voorbeeld voor meting met een 31002 cilindrische ionisatiekamer. Onderste deel: voorbeeld voor meting met een TM23342 ionisatiekamer. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 4: Foto's van de T25 die wordt gebruikt voor het meten van de demping van de celkweekmedia. Het bovenste deel van de T25 werd uitgesneden om de film in de kolf te kunnen plaatsen. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 5: Gesimuleerde energiespectra voor een 220 kV hoogspanning met 0,8 mm Be en 0,15 mm Cu-filtraties17 . Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 6: EBT3-films bestraald om de kalibratiecurve en de bijbehorende kalibratiecurve te construeren. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
| Hoogspanning (kV) | 220 |
| Intensiteit (mA) | 3 |
| Filtraties (inherent en aanvullend) | 0,8 mm van Be + 0,15 mm Cu |
| Halve waardelaag (mm Cu) | Hieronder bepaald |
| Effectieve energie (keV) | Hieronder bepaald |
| Detector gebruikt | Cilindrische ionisatiekamer + EBT3 radiochromische films |
| Bronmonsterafstand | 35 cm |
| Bestralingsveld (vorm, grootte, geometrie) | Open veld (geen collimator), vierkant, 20 x 20 cm |
| Dosimetrie aantal | Kair en Kwater |
| Dosimetriemethode | Zoals beschreven in de protocolsectie |
| Celcontainer | T25 |
| Hoeveelheid celkweekmedia | 5 ml |
| Dosissnelheid (Gy/min) | Hieronder bepaald |
Tabel 1: Een lijst met de configuratieparameters.
| Verzwakker (mm Cu) | IC-maatregel (nC) | Temperatuur (°C) | Druk (hPa) | kT.P | IC-maatregel gecorrigeerd met kT.P (nC) | Gecorrigeerde gemiddelde waarde (nC) | ST-afwijking | Dempingsschatting (M / Mref) | |
| referentiemetingen (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 | |||||
| Het vinden van verzwakkerdikte (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 met de juiste verzwakker (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 |
Tabel 2: Meting voor de bepaling van de halve waardelaag.
| IC-maatregel (nC) | Temperatuur (°C) | Druk (hPa) | kT.P | IC-maatregel gecorrigeerd met kT.P (nC) | Gecorrigeerd Gemiddelde waarde door kT.P (nC) | ST-afwijking | Gecorrigeerde gemiddelde waarde door alle correctiefactoren | Dosissnelheid in luchtkerm (Gy/min) | Dosissnelheid op celniveau in 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 |
Tabel 3: Dagelijkse dosissnelheidsmetingen voor celbestraling.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 één bestralingsparameter de dosimetrie aanzienlijk beïnvloeden. Verschillende studies hebben reeds het belang van dosimetrienormen en protocollen voor radiobiologische studies2,5,20,21benadrukt . Hoewel verschillende protocollen al goed zijn gedefinieerd in de literatuur1,5,hebben we besloten een nieuw protocol te ontwikkelen om dosimetriemetingen uit te voeren om echte celbestralingsomstandigheden zoveel mogelijk te simuleren en rekening te houden met alle parameters die de fysieke dosis kunnen beïnvloeden, vooral voor röntgenstralen met lage energie21,22. Daarom hebben we ervoor gekozen om een streng protocol toe te passen om onzekerheden te minimaliseren. Hiertoe werden bestralingsparameters vastgesteld (tabel 1). De volgende drie stappen zijn dan noodzakelijk: i) bepaling van de stralingskwaliteitsindex, ii) meting van de absolute dosissnelheid met een ionisatiekamer en iii) meting van de demping en verstrooiing als gevolg van het celkweekmedium met EBT3-radiochrome films.
De stralingskwaliteitsindex kwam overeen met het hvl-koppel (Voltage-Half Value Layer) dat wordt gebruikt om röntgenstralen met lage energie te karakteriseren. De HVL is een praktische indicator om poly-energetische straling te beschrijven en wordt gedefinieerd als de dikte van een verzwakker (meestal koper of aluminium) om de dosissnelheid van kerma in de lucht met een factor twee ten opzichte van de oorspronkelijke waarde te verminderen. Hvl-metingen werden uitgevoerd met behulp van de volgende aanbevelingen van het AAPM-protocol voor een röntgenstraal van 40-300 kV10. Er moesten echter enkele aanpassingen worden gedaan omdat het in de bestralingsbehuizing niet mogelijk is om een afstand van 1 meter tussen de bron en de ionisatiekamer te bereiken. Daarom gebruikten we in het huidige werk een afstand van 58 cm tussen de bron en de detector voor HVL-metingen, zoals geïllustreerd in figuur 1. We hebben besloten om 25 cm na de ionisatiekamer te laten omdat er veel elektronisch materiaal, ondersteuning en metalen elementen aan de onderkant van de behuizing aanwezig zijn om het backscatter-effect van deze elementen te beperken. Het meten van de HVL is een van de kritische aspecten van dit protocol. Inderdaad, voor veel röntgenbestralingsapparaten is de binnenkant van behuizingen zeer beperkt en dit zijn niet de optimale omstandigheden om de metingen uit te voeren of het wordt onmogelijk. Hoewel experimentele metingen de beste manier zijn om de HVL te evalueren, kan, wanneer deze metingen te moeilijk of zelfs onmogelijk zijn om uit te voeren, speciale software17 worden gebruikt om een goede schatting voor de HVL te geven, of een Monte Carlo-simulatie kan worden gebruikt23. In het huidige werk hebben we een speciale software gebruikt om het röntgenenergiespectrum te verkrijgen (figuur 5). We konden ook de gemeten en berekende HVL vergelijken, die hetzelfde was, en ook de effectieve energie vergelijken.
Voor dosimetriemetingen hebben we er vervolgens voor gekozen om zoveel mogelijk echte celbestralingsomstandigheden te simuleren. Hiervoor hebben we direct de absolute dosissnelheidsmetingen uitgevoerd met de ionisatiekamer in de celcontainer die wordt gebruikt voor celbestraling (figuur 3). Omdat we echter een cilindrische ionisatiekamer gebruikten die was gekalibreerd voor stralen van meer dan 100 kV, zaten we niet precies op dezelfde positie als de cellen vanwege de dikte van de ionisatiekamer. Voor lagere liggers (15-70 kV), waar vlakke parallelle kamer kan worden gebruikt, kunnen we nog dichter bij de echte celbestralingsomstandigheden zijn. Vervolgens werden relatieve dosimetriemetingen uitgevoerd om de demping en de verstrooiing als gevolg van het celkweekmedium te evalueren. De resultaten van dit werk benadrukken geen significante variatie in de dosis afgezet met of zonder de exacte hoeveelheid celkweekmedia, omdat we een spanning van 220 kV gebruikten, een extra filtratie van 0,15 mm Cu en we hadden slechts 5 ml celkweekmedium. In een eerdere studie21, uitgevoerd bij 80 kV, wezen we er echter op dat een variatie van de celkweekmedia en filtratie de fysieke dosis aanzienlijk beïnvloedt, tot 40% in vergelijking met de referentieconfiguratie toen we een aluminiumfiltratie van 1 mm gebruikten. Dit effect werd ook aangetoond in termen van biologische effecten door de overlevende celfractie te meten met behulp van een clonogene assay21,23. Afhankelijk van de spanning, extra filtratie, de container en de hoeveelheid celkweekmedia kan de dosis die op de cellen wordt afgezet dus verschillen als het protocol niet voor alle bestralingen op de voet wordt gevolgd.
Daarom moet voor alle celbestralingsconfiguraties een speciale dosimetrie worden opgezet. Hoewel dit beperkend is en de wijziging van slechts één parameter de implementatie van een nieuwe configuratie vereist, hebben we besloten om deze keuze zo dicht mogelijk bij de echte celbestralingsomstandigheden te maken. Dit vereist een nauwe samenwerking tussen de fysici en de radiobioloog om het beste ontwerp voor de configuratie op te zetten. In ons instituut zijn op ons platform een tiental protocollen opgesteld voor een spanningsbereik van 40 tot 220 kV waarvoor T25, T75, 6- tot 96-plaatputten of Petrischalen bestraald kunnen worden.
Hoewel dit protocol vrij lang lijkt te worden geïmplementeerd, is de enige meting die op de dag van bestraling moet worden uitgevoerd, de meting van de dosissnelheid met de ionisatiekamer in de celcontainer. Deze meting is ook een kwaliteitscontrole die ons in staat stelt om ervoor te zorgen dat de dosissnelheid is zoals verwacht.
Om de reproduceerbaarheid van radiobiologische studies te waarborgen en experimenten te kunnen vergelijken en interpreteren, is het belangrijk om de vastgestelde protocollen strikt te volgen en alle dosimetrie- en configuratieaspecten te rapporteren, met name voor faciliteiten die gebruikmaken van röntgenstralen met lage of gemiddelde energie. Het nieuwe protocol dat hier wordt voorgesteld, is voor celbestralingen, van toepassing op veel röntgenfaciliteiten, en houdt rekening met alle parameters die van invloed zijn op de dosimetrie en biedt een betere schatting van de werkelijke dosis die aan de cellen wordt geleverd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets bekend te maken.
Acknowledgments
Geen
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).
