قياس الجرعات لإشعاع الخلايا باستخدام مرافق الأشعة السينية Orthovoltage (40-300 كيلو فولت)

Summary

تصف هذه الوثيقة بروتوكولا جديدا لقياس الجرعات لإشعاعات الخلايا باستخدام معدات الأشعة السينية منخفضة الطاقة. يتم إجراء القياسات في ظروف تحاكي ظروف تشعيع الخلايا الحقيقية قدر الإمكان.

Abstract

إن أهمية بروتوكولات ومعايير قياس الجرعات للدراسات البيولوجية الإشعاعية أمر بديهي. وقد اقترحت عدة بروتوكولات لتحديد الجرعة باستخدام مرافق الأشعة السينية منخفضة الطاقة، ولكن تبعا لتكوينات التشعيع أو العينات أو المواد أو نوعية الحزمة، يصعب في بعض الأحيان معرفة البروتوكول الأنسب لاستخدامه. ولذلك، نقترح بروتوكولا لقياس الجرعات لإشعاعات الخلايا باستخدام مرفق الأشعة السينية منخفض الطاقة. والهدف من هذه الطريقة هو إجراء تقدير الجرعة على مستوى أحادي الطبقة الخلية لجعلها أقرب ما يمكن إلى ظروف تشعيع الخلايا الحقيقية. الخطوات المختلفة للبروتوكول هي على النحو التالي: تحديد معلمات الإشعاع (الجهد العالي ، الكثافة ، حاوية الخلية وما إلى ذلك) ، تحديد مؤشر جودة الحزمة (ثنائي طبقة نصف قيمة الجهد العالي) ، قياس معدل الجرعة مع غرفة التأين معايرة في ظروف كيرما الهواء ، تحديد كمية التوهين وتشتت وسط ثقافة الخلية مع أفلام EBT3 المشعة ، وتحديد معدل الجرعة على المستوى الخلوي. يجب أن يتم تنفيذ هذه المنهجية لكل تكوين تشعيع خلية جديدة كما تعديل معلمة واحدة فقط يمكن أن تؤثر بقوة على ترسب الجرعة الحقيقية على مستوى أحادي الخلية، لا سيما التي تنطوي على انخفاض الطاقة الأشعة السينية.

Introduction

والهدف من البيولوجيا الإشعاعية هو إقامة روابط بين الجرعة المسلمة والآثار البيولوجية؛ قياس الجرعات هو جانب حاسم في تصميم التجارب البيولوجية الإشعاعية. لأكثر من 30 عاما ، تم تسليط الضوء على أهمية معايير قياس الجرعات ومواءمة الممارسات^{1و2و3و4و5}. لإنشاء مرجع معدل الجرعة، توجد عدة بروتوكولات^{6،7،8،9،10}؛ ومع ذلك، كما هو مبين من قبل Peixoto وأندريو^11، يمكن أن يكون هناك اختلافات تصل إلى 7٪ اعتمادا على كمية الجرعات المستخدمة لتحديد معدل الجرعة. وعلاوة على ذلك، حتى لو كانت هناك بروتوكولات، فإنه من الصعب في بعض الأحيان معرفة البروتوكول الأكثر ملاءمة لتطبيق معين، إن وجد، لأن معدل الجرعة للخلايا يعتمد على معلمات مثل حاوية الخلية أو كمية وسائط ثقافة الخلية أو جودة الحزمة، على سبيل المثال. التشتت والتشتت الخلفي لهذا النوع من الإشعاع هو أيضا معلمة مهمة جدا أن تأخذ في الاعتبار. في الواقع ، بالنسبة للأشعة السينية منخفضة ومتوسطة الطاقة ، في البروتوكول المرجعي AAPM TG-61¹⁰، يتم قياس الجرعة الممتصة في الماء على سطح شبح الماء. مع الأخذ في الاعتبار ظروف تشعيع الخلايا المحددة للغاية ، فإن الحجم الصغير لوسائط ثقافة الخلية المحاطة بالهواء أقرب إلى ظروف kerma من تلك المحددة لجرعة ممتصة مع شبح مكافئ كبير للمياه كما هو الحال في بروتوكول TG-61. لذلك، اخترنا استخدام كيرما في الماء ككمية الجرعات كمرجع بدلا من الجرعة الممتصة في الماء. وبالتالي، فإننا نقترح نهجا جديدا لتوفير تحديد أفضل للجرعة الفعلية التي يتم تسليمها إلى الخلايا.

وعلاوة على ذلك، هناك جانب آخر حاسم بالنسبة للدراسات البيولوجية الإشعاعية وهو الإبلاغ الكامل عن الأساليب والبروتوكولات المستخدمة في التشعيع من أجل التمكن من إعادة إنتاج النتائج التجريبية وتفسيرها ومقارنتها. في عام 2016، سلط بيدرسن وآخرون¹² الضوء على عدم كفاية الإبلاغ عن قياس الجرعات في الدراسات البيولوجية الإشعاعية قبل السريرية. وأبرزت دراسة حديثة أكبر من دريغر وآخرون¹³ أنه على الرغم من الإبلاغ عن بعض معلمات قياس الجرعات مثل الجرعة أو الطاقة أو نوع المصدر، فإن جزءا كبيرا من معلمات الفيزياء وقياس الجرعات الضرورية لتكرار ظروف التشعيع بشكل صحيح مفقودة. ويبين هذا الاستعراض الواسع النطاق، الذي شمل أكثر من 000 1 منشور يغطي السنوات العشرين الماضية، نقصا كبيرا في الإبلاغ عن حالات الفيزياء وقياس الجرعات في الدراسات البيولوجية الإشعاعية. وبالتالي، فإن الوصف الكامل للبروتوكول والأسلوب المتبع في الدراسات البيولوجية الإشعاعية إلزامي من أجل إجراء تجارب قوية وقابلة للاستنساخ.

ومع مراعاة هذه الجوانب المختلفة، بالنسبة للتجارب البيولوجية الإشعاعية التي أجريت في معهد الحماية من الإشعاع والسلامة النووية، تم تنفيذ بروتوكول صارم لإشعاعات الخلايا في مرفق لتقويم الأعصاب. تم تصميم بروتوكول قياس الجرعات هذا لمحاكاة ظروف تشعيع الخلايا الحقيقية قدر الإمكان ، وبالتالي ، لتحديد الجرعة الفعلية التي يتم تسليمها إلى الخلايا. وتحقيقا لهذه الغاية، يتم سرد جميع معلمات التشعيع، وتم تقييم مؤشر جودة الحزمة من خلال قياس طبقة القيمة النصفية (HVL) التي تم إجراء بعض التعديلات عليها حيث لا يمكن اتباع التوصيات القياسية من بروتوكول AAPM^10. ثم تم إجراء قياس معدل الجرعة المطلقة مع غرفة التأين داخل حاوية الخلية المستخدمة في تشعيع الخلايا ، وتم أيضا قياس التوهين وتشتت وسائط ثقافة الخلية مع أفلام EBT3 المشعة. وبما أن تعديل معلمة واحدة فقط من البروتوكول يمكن أن يؤثر بشكل كبير على تقدير الجرعة، يتم إجراء قياس جرعات مخصص لكل تكوين تشعيع للخلايا. وعلاوة على ذلك، يجب حساب قيمة HVL لكل تركيبة فلتر الجهد. في هذا العمل الحالي ، يتم استخدام جهد 220 كيلو فولت ، وكثافة 3 mA ، وترشيح متأصل وإضافي من 0.8 مم و 0.15 مم من البريليوم والنحاس ، على التوالي. يتم اختيار تكوين تشعيع الخلية على قارورة T25، حيث تم تشعيع الخلايا ب 5 مل من وسائط ثقافة الخلية.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

1. منصة التشعيع وتحديد معلمات التشعيع

1. استخدم منصة تشعيع توفر أشعة سينية منخفضة إلى متوسطة الطاقة. تحديد معلمات التجربة لضمان متانة وقابلية استنساخ التجربة البيولوجية الإشعاعية: الجهد العالي، الكثافة، الترشيح (المتأصلة والإضافية)، طبقة القيمة النصفية (HVL)، الطاقة الفعالة، الكاشف المستخدم لقياس قياس الجرعات، مسافة عينة المصدر (SSD)، حقل الإشعاع (الشكل والحجم والهندسة)، كمية قياس الجرعات، طريقة قياس الجرعات، معدل الجرعة، حاوية الخلية وكمية وسائط ثقافة الخلايا. يتم إعطاء كافة المعلمات المستخدمة في هذا البروتوكول في الجدول 1.

2. مؤشر جودة الحزمة: تحديد طبقة القيمة النصفية

ملاحظة: يتم تعريف HVL على أنه سمك الموهون (عادة النحاس أو الألومنيوم) لتقليل كثافة الحزمة بعامل اثنين مقارنة بالقيمة الأصلية.

1. إعداد المعدات (الدعم، collimator، الحجاب الحاجز، التأين) داخل الضميمة التشعيع باتباع التعليمات الواردة في الشكل 1. لا يتم استخدام أي مواد مخففة في هذه الخطوة.
2. تأكد من صحة جميع المسافات التي تم الإبلاغ عنها في الشكل 1. قياس هذه مع قياس الشريط.
3. ضع حجرة التأين في الموضع الأفقي. لهذا العمل، استخدمنا 31002 (ما يعادل 31010) غرفة التأين أسطواني معايرة في كيرما الهواء.
4. قبل تشعيع غرفة التأين لمدة 5 دقائق وقياس الخلفية (يمكن تنفيذ هذه الخطوة دون collimator).
5. إجراء 10 قياسات من 1 دقيقة لكل في وضع جمع المسؤول المقابلة لقيمة_الخام M (في كولومبس).
6. خذ درجة الحرارة والضغط مع المعدات المعايرة المناسبة الموضوعة داخل حاوية التشعيع في حالتنا (إذا لم يكن ذلك ممكنا ، ضعها بالقرب من التجربة). تصحيح القراءة_الخام M على الكهربائي من قبل عامل تصحيح درجة الحرارة والضغط نظرا على النحو التالي:
   
   حيث: T (°C) و P (hPa) هي درجة الحرارة الفعلية والضغط، على التوالي. T_المرجع وP_المرجع هي درجة الحرارة المرجعية والضغط عندما تم معايرة التأين من قبل مختبر المعايير. يجب قياس الضغط ودرجة الحرارة بأدوات معايرة. القيمة التي تم الحصول عليها في وضع الشحن هي متوسط القيمة المرجعية M (بالكولومب).
   ملاحظة: هذه الخطوة ليست ضرورية تماما لقياس HVL، ولكن من المستحسن.
7. وضع مخفف من سمك معين فوق الحجاب الحاجز. تتكون مجموعة HVL من رقائق بسماكة مختلفة (0.02 و0.05 و0.1 و0.2 و0.5 و1 و2 و5 و10 مم من النحاس) مع بعد يسمح بتغطية الحزمة بأكملها (80 × 80 مم هنا).
8. اتخاذ قياس 1 دقيقة (M_الخام تصحيحها من قبل K_{T، P} كما هو موضح من قبل).
   1. إذا تم تقسيم معدل الجرعة على عامل 2 فيما يتعلق بقيمة البداية ، يتم العثور على قيمة HVL. خذ 5 قياسات من 1 دقيقة لتقدير متوسط معدل الجرعة.
   2. إذا لم يتم تقسيم معدل الجرعة على عامل 2 فيما يتعلق بقيمة البداية ، قم بزيادة أو تقليل سمك الموهون واتخاذ قياس آخر. ضبط سمك الموهون حسب الضرورة.
9. بمجرد العثور على سمك الموهون الذي يقلل من كثافة الحزمة بواسطة عامل اثنين ، خذ 5 قياسات من دقيقة واحدة لتأكيد HVL.
   ملاحظة: في معظم الحالات، لا يمكن العثور على السماكة الدقيقة للموهين من رقائق المتاحة. في هذه الحالة، المضي قدما عن طريق القسمة والإنتربول على HVL.

3. تقييم مجال التشعيع (لا تقدير الجرعة)

1. وضع فيلم EBT3 على الدعم المستخدم للتشعيع.
2. تشعيع هذا الفيلم للحصول على حقل تشعيع ملحوظ جيدا (على الأقل 2 Gy).
3. قم بمسح فيلم EBT3 ضوئيا باستخدام ماسح ضوئي مخصص.
4. رسم ملف تعريف الجرعة باستخدام Image J باستخدام الخيار تحليل ثم رسم الملف الشخصي ( الشكل2).
5. تحديد حجم استخدام حقل التشعيع للتشعيع (منطقة متجانسة، باستثناء مناطق penumbra، انظر الشكل 2).
6. وضع علامات على الدعم المستخدم للتشعيع للتأكد من أن حاوية الخلية في الموضع الصحيح.
   ملاحظة: في هذه الخطوة، يتم تحديد حجم حقل الإشعاع، ولا يتم تقدير الجرعة. ويعطى الإجراء الكامل لقراءة الأفلام وتحليلها في القسم 5. أيضا، خذ الهوامش لتجنب الأخطاء بسبب وضع حاوية الخلية.

4. قياس معدل الجرعة مع غرفة التأين

1. تأخذ حاوية الخلية وكسر جزء صغير على الجانب أو في الجزء السفلي (اعتمادا على حاوية معينة وغرفة التأين المستخدمة) لتكون قادرة على وضع غرفة التأين داخل (الشكل 3، القسم العلوي) أو أدناه (الشكل 3، القسم السفلي) الحاوية. وترد الأمثلة في الشكل 3 مع غرف التأين المختلفة (أسطواني أو موازية الطائرة) وحاويات الخلية. في هذه الحالة، تم استخدام قارورة T25 (الشكل 3، المربع الأحمر).
   ملاحظة: الحديد لحام أو مشرط ساخنة هو بديل جيد لجعل ثقوب في الأواني البلاستيكية
2. ضع الحاوية داخل الحاوية على الدعم المستخدم للتشعيع (صفيحة الكربون هنا).
3. ضع غرفة التأين في الحاوية(الشكل 3، المربع الأحمر) ، في الموضع الصحيح وربطها بالكهربائية.
4. تأكد من أن جميع معلمات التشعيع المدرجة في القسم 1 صحيحة (الجهد العالي والكثافة والترشيحات الإضافية والمسافة عينة المصدر ، وما إلى ذلك).
5. قبل تشعيع غرفة التأين لمدة 5 دقائق وأداء التصفير من الكهربائي.
6. خذ 10 قياسات من 1 دقيقة لتحديد متوسط معدل الجرعة في كيرما الهواء (Gy.min^-1). حساب تحديد معدل الجرعة في_الهواء K على النحو التالي:
   
   حيث M هو قراءة مقياس الجرعة تصحيحها من قبل درجة الحرارة، والضغط، وتأثير القطبية، وإعادة تركيب الأيونات، ومعايرة الكهربائي. N_Kair و K_q هما عاملا المعايرة والتصحيح لجودة الإشعاع، حيث تكون قيمهما محددة لكل غرفة تأين.

5. قياس توهين وسائل الإعلام ثقافة الخلية وتشتت

ملاحظة: التعامل مع أفلام EBT3 مع قفازات طوال العملية.

1. إعداد التجربة
   1. قطع قطع صغيرة من أفلام EBT3 على الأقل 24 ساعة قبل التشعيع.
   2. حدد حجم الأفلام كدالة للحاوية الخلوية المستخدمة في تجارب البيولوجيا الإشعاعية (4 × 4 سم لقارورة T25، على سبيل المثال).
      قطع مجموعتين من الأفلام المشعة: مجموعة واحدة لمنحنيات المعايرة تتألف من ثلاث قطع من الفيلم EBT3 المشع بالجرعة أو نقطة زمنية (تسع نقاط في المجموع لهذا العمل) ؛ ومجموعة واحدة للقياس الكمي للتوهين وسائل الإعلام ثقافة الخلية، أيضا ثلاث قطع لكل نقطة.
   3. ترقيم جميع الأفلام لتحديد الهوية (الزاوية العلوية اليمنى هنا) ومسحها ضوئيا على نفس الموضع على الماسح الضوئي.
   4. أبقي الأفلام بعيدة عن الضوء
   5. إعداد حاوية الخلية المستخدمة لقياسات الفيلم EBT3، وإذا لزم الأمر، وقطع جزء لوضع الفيلم داخل (مثال مع T25 وترد في الشكل 4).
2. تقدير معدل الجرعة
   1. قياس معدل الجرعة للتكوين كما هو موضح في القسم السابق.
   2. الحفاظ على هذا التكوين في مكان لإشعاع الأفلام EBT3 المشع واستخدام نفس النوع من حاوية الخلية.
3. بناء منحنى المعايرة
   1. خذ أفلام EBT3 مسبقة القطع لمنحنى المعايرة.
   2. لا تشعع ثلاث قطع (0 Gy).
   3. وضع الفيلم الأول داخل حاوية الخلية، في نفس التكوين كما لإشعاع الخلية.
   4. تشعيعه للحصول على نقاط الجرعة الأولى.
   5. كرر هذه العملية للحصول على ثلاث قطع من أفلام EBT3 المشععة بنفس الجرعة.
   6. تنفيذ هذا لكل نقطة جرعة (تسع نقاط الجرعة في هذا العمل (0, 0.25, 0.5, 0.75, 1, 1.5, 2, 2.5, و 3 Gy) كما هو موضح في الشكل 5).
4. تقييم توهين وسائل الإعلام ثقافة الخلية والتشتت.
   1. اختار نفس وقت التشعيع لجميع التشعيعات (60 s، على سبيل المثال).
   2. تشعيع ثلاث قطع من أفلام EBT3 في الحاوية دون ماء.
   3. تشعيع ثلاث قطع من أفلام EBT3 في الحاوية بالماء على النحو التالي.
      1. ضع الفيلم داخل الحاوية.
      2. ملء الحاوية مع الكمية الدقيقة من المياه لتمثيل وسائل الإعلام ثقافة الخلية (5 مل هنا). استخدام قطع صغيرة من الشريط إذا كانت الأفلام لا تبقى مغمورة بشكل صحيح.
      3. ضع حاوية الخلية داخل الحاوية وتأكد من أن الفيلم مغمور بشكل صحيح.
      4. عندما يكتمل التشعيع، خذ أفلام EBT3، وجففها بورق ماصة، وخزنها بعيدا عن الضوء.

6. قراءة أفلام EBT3 المشعة

1. قراءة أفلام EBT3 على الأقل 24 ساعة بعد التشعيع.
2. قم بمسح الأفلام ضوئيا على ماسح ضوئي مخصص.
3. تعيين المعلمات الماسح الضوئي على النحو التالي: 48 بت تنسيق tiff الأحمر والأخضر والأزرق، 150 نقطة في البوصة في وضع الإرسال، وليس تصحيح الصورة.
4. قم بإجراء عملية إحماء للماسح الضوئي على النحو التالي.
   1. ضع فيلما غير مشع على الماسح الضوئي.
   2. قم بتشغيل معاينة الفحص.
   3. إطلاق جهاز توقيت والانتظار لمدة 30 ثانية.
   4. تشغيل المسح الضوئي.
   5. في نهاية الفحص، قم بتشغيل مؤقت، وانتظر لمدة 90 ثانية.
   6. في الوقت نفسه ، قم بتسجيل المسح الضوئي ، وفتح الصورة باستخدام ImageJ ، وتتبع عائد استثمار مربع (دائما بنفس الحجم وفي نفس الموضع) ، واتخاذ قياس متوسط مستوى البكسل الأحمر للمنطقة.
   7. في نهاية 90 s، كرر الإجراء من الخطوة 2 (دون لمس الفيلم داخل الماسح الضوئي).
   8. كرر ذلك 30 مرة على الأقل لتسخين الماسح الضوئي وتثبيته (لا توجد اختلافات في متوسط مستوى البكسل الأحمر للمنطقة المحددة في الأفلام غير المشععة). إذا لم يتم تثبيت الماسح الضوئي، أي متوسط قيمة البكسل الأحمر، تابع الإجراء.
5. مسح أفلام EBT3
   1. ضع الفيلم الأول في وسط سرير الماسح الضوئي. تعيين منطقة لوضع الفيلم دائما في نفس المكان وفي نفس الاتجاه.
   2. قم بتشغيل معاينة الفحص.
   3. إطلاق جهاز توقيت والانتظار لمدة 30 ثانية.
   4. تشغيل المسح الضوئي.
   5. في نهاية الفحص، قم بتشغيل مؤقت، وانتظر لمدة 90 ثانية. خلال هذه 90 s تغيير الفيلم EBT3.
      ملاحظة: تم إجراء تحليل للأفلام المشعة EBT3 باستخدام برنامج C++ مبرمج ذاتيا. يمكن استخدام أساليب مختلفة لتحليل الفيلم EBT3، مثل طريقة القناة الحمراء أو طريقة القنوات الثلاث^14،15. في هذه الحالة ، استخدمنا طريقة القناة الحمراء دون طرح الخلفية ، وتم تحويل الصور إلى كثافات بصرية ثم إلى الجرعة باستخدام برنامجنا. بما أن هذه الطريقة محددة بشكل جيد بالفعل ، لم يتم تضمين برنامج C ++ هنا. وعلاوة على ذلك، يمكن أيضا استخدام برنامج^{مخصص 16} لتحليل الفيلم EBT3.

7. تحديد معدل الجرعة على مستوى أحادي الخلية

1. تحويل متوسط معدل الجرعة التي تم الحصول عليها مع غرفة التأين تصحيحها عن طريق التوهين وتشتت وسائل الإعلام ثقافة الخلية (K) إلى kerma المياه باستخدام نسبة متوسط معامل امتصاص الطاقة الشامل للمياه إلى الهواء تقييمها على الطيف الفوتون فلونس (μ_en/ρ).
   
   تم استخدام برنامج مخصص¹⁷ لحساب طيف طاقة الفوتون في الهواء بدون شبح ، واستخدمنا الجدول NIST¹⁸ لحساب متوسط معامل امتصاص الطاقة الجماعية.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

النتائج

في هذا العمل ، استخدمنا منصة مخصصة لتشعيع الحيوانات الصغيرة¹⁹؛ ومع ذلك، يمكن استخدام هذه المنصة لإشعاع أنواع أخرى من العينات مثل الخلايا. مصدر التشعيع هو أنبوب الأشعة السينية فاريان (NDI-225-22) وجود الترشيح المتأصلة من 0.8 ملم من البريليوم، وحجم الرياضة المحورية كبيرة من 3 ملم، ومج?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

يعرض هذا العمل البروتوكول المستخدم والمنفذ لإشعاعات الخلايا باستخدام مرفق الأشعة السينية منخفض الطاقة. في الوقت الحاضر ، يتم إجراء العديد من تجارب البيولوجيا الإشعاعية مع هذا النوع من المشعع لأنها سهلة الاستخدام وفعالة من حيث التكلفة ومع قيود قليلة جدا على الحماية الإشعاعية ، مقارنة بم?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

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/