Dosimetrie für Zellbestrahlung mit Orthovoltage (40-300 kV) Röntgenanlagen

Zusammenfassung

Dieses Dokument beschreibt ein neues Dosimetrieprotokoll für Zellbestrahlungen mit Energie-Röntgengeräten. Die Messungen werden unter Bedingungen durchgeführt, die reale Zellbestrahlungsbedingungen so weit wie möglich simulieren.

Zusammenfassung

Die Bedeutung von Dosimetrieprotokollen und -standards für radiobiologische Studien ist selbstverständlich. Es wurden mehrere Protokolle für die Dosisbestimmung mit Niederenergie-Röntgenanlagen vorgeschlagen, aber je nach Bestrahlungskonfiguration, Proben, Materialien oder Strahlqualität ist es manchmal schwierig zu wissen, welches Protokoll am besten zu verwenden ist. Wir schlagen daher ein Dosimetrieprotokoll für Zellbestrahlungen mit Niederenergie-Röntgenanlage vor. Das Ziel dieser Methode ist es, die Dosisschätzung auf der Ebene der Zellmonoschicht durchzuführen, um sie so nah wie möglich an realen Zellbestrahlungsbedingungen zu halten. Die verschiedenen Schritte des Protokolls sind wie folgt: Bestimmung der Bestrahlungsparameter (Hochspannung, Intensität, Zellbehälter etc.), Bestimmung des Strahlqualitätsindexes (Hochspannungshalbwert-Schichtpaar), Dosisratenmessung mit in Luftkermabedingungen kalibrierter Ionisationskammer, Quantifizierung der Dämpfung und Streuung des Zellkulturmediums mit EBT3-Radiochromfilmen und Bestimmung der Dosisrate auf Zellebene. Diese Methode muss für jede neue Zellbestrahlungskonfiguration durchgeführt werden, da die Modifikation von nur einem Parameter die reale Dosisabscheidung auf der Ebene der Zellmonoschicht stark beeinflussen kann, insbesondere mit energiearmen Röntgenstrahlen.

Einleitung

Ziel der Radiobiologie ist es, Verbindungen zwischen der abgegebenen Dosis und den biologischen Wirkungen herzustellen; Die Dosimetrie ist ein entscheidender Aspekt bei der Gestaltung radiobiologischer Experimente. Seit über 30 Jahren wird die Bedeutung der Dosimetriestandards und der Harmonisierung der Praktiken hervorgehoben^1,2,3,4,5. Um eine Dosisrate Referenz zu etablieren, existieren mehrere Protokolle^6,7,8,9,10; Wie Peixoto und Andreo¹¹ zeigen, kann es jedoch je nach der für die Dosisrate verwendeten dosimetrischen Menge Unterschiede von bis zu 7 % geben. Darüber hinaus ist es, selbst wenn Protokolle vorhanden sind, manchmal schwierig zu wissen, welches Protokoll für eine bestimmte Anwendung am besten geeignet ist, wenn überhaupt, da die Dosisrate für die Zellen von Parametern wie dem Zellbehälter, der Menge der Zellkulturmedien oder der Strahlqualität abhängt. Die Streuung und die Rückstreuung für diese Art der Bestrahlung ist ebenfalls ein sehr wichtiger Parameter, der zu berücksichtigen ist. Tatsächlich wird bei Röntgenstrahlen mit niedriger und mittlerer Energie im AAPM TG-61 Referenzprotokoll¹⁰die absorbierte Dosis in Wasser an der Oberfläche eines Wasserphantoms gemessen. Unter Berücksichtigung der sehr spezifischen Zellbestrahlungsbedingungen ist das kleine Volumen der von Luft umgebenen Zellkulturmedien näher an kermabedingungen als die, die für eine absorbierte Dosis mit einem großen Wasseräquivalent-Phantom wie im TG-61-Protokoll definiert sind. Daher haben wir uns dafür entschieden, das Kerma in Wasser als dosimetrische Menge als Referenz anstelle der absorbierten Dosis in Wasser zu verwenden. Daher schlagen wir einen neuen Ansatz vor, um eine bessere Bestimmung der tatsächlichen Dosis zu ermöglichen, die den Zellen zuteil wird.

Ein weiterer wichtiger Aspekt für radiobiologische Studien ist die vollständige Berichterstattung über die für die Bestrahlung verwendeten Methoden und Protokolle, um experimentelle Ergebnisse reproduzieren, interpretieren und vergleichen zu können. Im Jahr 2016 wiesen Pedersen et al.¹² auf die unzureichende Berichterstattung über die Dosimetrie in präklinischen radiobiologischen Studien hin. Eine größere aktuelle Studie von Draeger et al.¹³ zeigte, dass, obwohl einige Dosimetrieparameter wie Dosis, Energie oder Quelltyp gemeldet werden, ein großer Teil der Physik- und Dosimetrieparameter fehlt, die für eine ordnungsgemäße Reproduzierung der Bestrahlungsbedingungen unerlässlich sind. Diese groß angelegte Überprüfung von mehr als 1.000 Veröffentlichungen aus den letzten 20 Jahren zeigt einen erheblichen Mangel an Berichterstattung über die Physik- und Dosimetriebedingungen in radiobiologischen Studien. Daher ist eine vollständige Beschreibung des Protokolls und der in radiobiologischen Studien verwendeten Methode obligatorisch, um robuste und reproduzierbare Experimente durchzuführen.

Unter Berücksichtigung dieser verschiedenen Aspekte wurde für die am IRSN (Institut für Strahlenschutz und nukleare Sicherheit) durchgeführten radiobiologischen Experimente ein strenges Protokoll für Diebestrahlungen in einer Orthovoltanlage implementiert. Dieses Dosimetrieprotokoll wurde entwickelt, um die realen Zellbestrahlungsbedingungen so weit wie möglich zu simulieren und so die tatsächliche Dosis zu bestimmen, die den Zellen zuteil wird. Zu diesem Zweck werden alle Bestrahlungsparameter aufgelistet, und der Strahlqualitätsindex wurde durch Messung der Halbwertschicht (HVL) ausgewertet, für die einige Anpassungen vorgenommen wurden, da die Standardempfehlungen des AAPM-Protokolls¹⁰ nicht befolgt werden können. Die absolute Dosismessung wurde dann mit der Ionisationskammer im Zellbehälter durchgeführt, die für Zellbestrahlungen verwendet wird, und die Dämpfung und Streuung der Zellkulturmedien wurde auch mit radiochromen EBT3-Filmen quantifiziert. Da die Änderung von nur einem einzigen Parameter des Protokolls die Dosisschätzung erheblich beeinflussen kann, wird für jede Zellbestrahlungskonfiguration eine spezielle Dosimetrie durchgeführt. Darüber hinaus muss der HVL-Wert für jede Spannungsfilterkombination berechnet werden. In dieser vorliegenden Arbeit wird eine Spannung von 220 kV, eine Intensität von 3 mA und eine inhärente und eine zusätzliche Filtration von 0,8 mm bzw. 0,15 mm Beryllium bzw. Kupfer verwendet. Die gewählte Zellbestrahlungskonfiguration befindet sich auf einem T25-Kolben, wo Zellen mit 5 ml Zellkulturmedien bestrahlt wurden.

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Protokoll

1. Bestrahlungsplattform und Bestimmung der Bestrahlungsparameter

1. Verwenden Sie eine Bestrahlungsplattform, die Röntgenstrahlen mit niedriger bis mittlerer Energie liefert. Bestimmen Sie die Parameter des Experiments, um die Robustheit und Reproduzierbarkeit des radiobiologischen Experiments zu gewährleisten: Hochspannung, Intensität, Filtration (inhärent und zusätzlich), Halbwertschicht (HVL), Effektive Energie, Detektor für Dosimetriemessungen, Source Sample Distance (SSD), Bestrahlungsfeld (Form, Größe, Geometrie), Dosimetrie-Menge, Dosimetriemethode, Dosisrate, Zellbehälter und Zellkultur. Alle in diesem Protokoll verwendeten Parameter sind in Tabelle 1angegeben.

2. Strahlqualitätsindex: Bestimmung der Halbwertschicht

HINWEIS: Der HVL ist definiert als die Dicke eines Dämpfers (in der Regel Kupfer oder Aluminium), um die Intensität des Strahls im Vergleich zum ursprünglichen Wert um den Faktor zwei zu reduzieren.

1. Richten Sie das Gerät (Unterstützung, Kollimator, Membran, Ionisation) im Bestrahlungsgehäuse ein, indem Sie die Anweisungen in Abbildung 1befolgen. Bei diesem Schritt wird kein Dämpfungsmaterial verwendet.
2. Stellen Sie sicher, dass alle in Abbildung 1 gemeldeten Entfernungen korrekt sind. Messen Sie diese mit einem Maßband.
3. Platzieren Sie die Ionisationskammer in der horizontalen Position. Für diese Arbeit verwendeten wir eine 31002 (entspricht 31010) zylindrische Ionisationskammer, die in Luftkerma kalibriert ist.
4. Bestrahlung der Ionisationskammer für 5 min und messen Sie den Hintergrund (dieser Schritt kann ohne Kollimator durchgeführt werden).
5. Führen Sie 10 Messungen von je 1 min im Ladungserfassungsmodus durch, der dem_M-Rohwert entspricht (in Coulombs).
6. Nehmen Sie die Temperatur und den Druck mit geeigneten kalibrierten Geräten, die in unserem Gehäuse in unserem Gehäuse platziert sind (wenn es nicht möglich ist, legen Sie es in der Nähe des Experiments). Korrigieren Sie den_M-Rohwert am Elektrometer anhand des temperatur- und druckkorrekturfaktors, der wie folgt angegeben wird:
   
   wobei: T (°C) und P (hPa) die tatsächliche Temperatur bzw. der tatsächliche Druck sind. T_ref und P_ref sind die Referenztemperatur und der Druck, wenn die Ionisation vom Normungslabor kalibriert wurde. Druck und Temperatur müssen mit kalibrierten Instrumenten gemessen werden. Der erhaltene Wert im Lademodus ist der durchschnittliche Referenzwert M (in Coulombs).
   HINWEIS: Dieser Schritt ist für die HVL-Messung nicht unbedingt erforderlich, wird jedoch empfohlen.
7. Legen Sie einen Dämpfer von einer bestimmten Dicke über dem Zwerchfell. Das HVL-Set besteht aus Folien mit unterschiedlichen Stärken (0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1, 2, 5 und 10 mm Kupfer) mit einer Dimension, die es ermöglicht, den gesamten Strahl (80 x 80 mm hier) abzudecken.
8. Nehmen Sie eine Messung von 1 min (M_roh korrigiert durch die K_T,P wie zuvor beschrieben).
   1. Wenn die Dosisrate durch den Faktor 2 in Bezug auf den Startwert dividiert wird, wird der HVL-Wert gefunden. Nehmen Sie 5 Messungen von 1 min, um die durchschnittliche Dosisrate zu schätzen.
   2. Wenn die Dosisrate nicht durch den Faktor 2 in Bezug auf den Startwert geteilt wird, erhöhen oder verringern Sie die Dämpfungsdicke und nehmen Sie eine weitere Messung vor. Passen Sie die Dicke des Dämpfers nach Bedarf an.
9. Sobald die Dicke des Dämpfers gefunden wird, die die Intensität des Strahls um den Faktor zwei verringert, nehmen Sie 5 Messungen von 1 min, um die HVL zu bestätigen.
   HINWEIS: In den meisten Fällen kann die genaue Dicke des Dämpfers aus den verfügbaren Folien nicht gefunden werden. Fahren Sie in diesem Fall bisection fort und interpolieren Sie die HVL.

3. Bewertung des Bestrahlungsfeldes (keine Dosisschätzung)

1. Legen Sie einen EBT3-Film auf die für die Bestrahlung verwendete Stütze.
2. Bestrahlen Sie diesen Film, um ein gut markiertes Bestrahlungsfeld (mindestens 2 Gy) zu erhalten.
3. Scannen Sie den EBT3-Film mit einem speziellen Scanner.
4. Zeichnen Sie das Dosisprofil mit Bild J mit der Option Analysieren und dann Plotprofil (Abbildung 2).
5. Bestimmen Sie die Größe der Bestrahlungsfeldnutzung für die Bestrahlung (homogene Fläche, ohne Penumbra-Regionen, siehe Abbildung 2).
6. Markieren Sie die Unterstützung, die für die Bestrahlung verwendet wird, um sicherzustellen, dass sich der Zellbehälter an der richtigen Position befindet.
   HINWEIS: In diesem Schritt wird die Größe des Bestrahlungsfeldes bestimmt, und die Dosis wird nicht geschätzt. Das vollständige Verfahren für das Lesen und Analysieren von Filmen ist in Abschnitt 5 beschrieben. Nehmen Sie auch Margen, um Fehler aufgrund der Zellencontainerpositionierung zu vermeiden.

4. Dosisratenmessung mit Ionisationskammer

1. Nehmen Sie den Zellbehälter und brechen Sie ein kleines Teil auf der Seite oder an der Unterseite (abhängig von der jeweiligen Behälter- und Ionisationskammer verwendet), um in der Lage zu sein, die Ionisationskammer innerhalb(Abbildung 3, oberer Abschnitt) oder unten(Abbildung 3, unterer Abschnitt) den Behälter zu platzieren. Die Beispiele sind in Abbildung 3 mit verschiedenen Ionisationskammern (zylindrisch oder ebeneparallel) und Zellbehältern aufgeführt. In diesem Fall wurde ein T25-Kolben verwendet(Abbildung 3, rotes Kästchen).
   ANMERKUNG: ein Lötkolben oder ein beheiztes Skalpell ist eine gute Alternative, um Löcher in Kunststoffwaren zu machen
2. Stellen Sie den Behälter im Gehäuse auf die für die Bestrahlung verwendete Stütze (Kohlenstoffplatte hier).
3. Legen Sie die Ionisationskammer in den Behälter(Abbildung 3, roter Kasten), in die richtige Position und schließen Sie sie an das Elektrometer an.
4. Stellen Sie sicher, dass alle in Abschnitt 1 aufgeführten Bestrahlungsparameter korrekt sind (Hochspannung, Intensität, zusätzliche Filtrationen, Quellprobenabstand usw.).
5. Bestrahlen Sie die Ionisationskammer für 5 min und führen Sie die Nullung des Elektrometers durch.
6. Nehmen Sie 10 Messungen von 1 min, um die durchschnittliche Dosisrate in Luftkerma (Gy.min^-1) zu bestimmen. Berechnen Sie die Bestimmung der Dosisrate in K_Luft wie folgt:
   
   wobei M die Messung des Dosimeters ist, das durch Temperatur, Druck, Polaritätseffekt, Ionenrekombination und Elektrometerkalibrierung korrigiert wird. N_Kair und K_q sind die Kalibrier- und Korrekturfaktoren für die Strahlungsqualität, deren Werte für jede Ionisationskammer spezifisch sind.

5. Messung der Zellkultur mediendämpfung und Streuung

HINWEIS: Behandeln Sie EBT3-Filme mit Handschuhen während des gesamten Verfahrens.

1. Vorbereitung des Experiments
   1. Schneiden Sie kleine Stücke von EBT3-Folien mindestens 24 h vor der Bestrahlung.
   2. Bestimmen Sie die Größe der Filme in Abhängigkeit vom Zellbehälter, der für radiobiologische Experimente verwendet wird (z. B. 4 x 4 cm für einen T25-Kolben).
      Schneiden Sie zwei Sätze von radiochromen Filmen: Ein Satz für die Kalibrierkurven, bestehend aus drei Stücken von EBT3 radiochromen Film nach Dosis oder Zeitpunkt (neun Punkte insgesamt für diese Arbeit) ; und ein Satz für die Quantifizierung der Zellkultur-Mediendämpfung, ebenfalls drei Stück pro Punkt.
   3. Nummerieren Sie alle Filme zur Identifikation (obere rechte Ecke hier) und scannen Sie sie an der gleichen Position auf dem Scanner.
   4. Halten Sie die Filme vom Licht fern.
   5. Bereiten Sie den Zellbehälter für die EBT3-Filmmessungen vor und schneiden Sie ggf. ein Teil, um den Film hineinzulegen (ein Beispiel mit einem T25 ist in Abbildung 4angegeben).
2. Dosisratenschätzung
   1. Messen Sie die Dosisrate für die Konfiguration, wie im vorherigen Abschnitt beschrieben.
   2. Halten Sie diese Konfiguration für die Bestrahlung der radiochromen EBT3-Filme aufrecht und verwenden Sie den gleichen Zellbehältertyp.
3. Konstruktion der Kalibrierkurve
   1. Nehmen Sie die vorgeschnittenen EBT3-Folien für die Kalibrierkurve.
   2. Bestrahlen Sie nicht drei Stücke (0 Gy).
   3. Platzieren Sie den ersten Film in den Zellbehälter, in der gleichen Konfiguration wie bei der Zellbestrahlung.
   4. Bestrahlen Sie es, um die ersten Dosispunkte zu erhalten.
   5. Wiederholen Sie diese Operation, um drei Stücke von EBT3-Folien zu erhalten, die mit der gleichen Dosis bestrahlt werden.
   6. Führen Sie dies für jeden Dosispunkt (neun Dosispunkte in dieser Arbeit (0, 0,25, 0,5, 0,75, 1, 1,5, 2, 2,5 und 3 Gy) durch, wie in Abbildung 5dargestellt).
4. Bewertung der Dämpfung von Zellkulturmedien und Streuung.
   1. Wählen Sie die gleiche Bestrahlungszeit für alle Bestrahlungen (z. B. 60 s).
   2. Bestrahlen Sie drei Stück EBT3-Folien ohne Wasser in den Behälter.
   3. Bestrahlen Sie drei Stück EBT3-Folien wie folgt in den Behälter mit Wasser.
      1. Legen Sie den Film in den Behälter.
      2. Füllen Sie den Behälter mit der genauen Wassermenge, um die Zellkulturmedien darzustellen (5 ml hier). Verwenden Sie kleine Klebebandstücke, wenn die Filme nicht richtig untergetaucht bleiben.
      3. Legen Sie den Zellbehälter in das Gehäuse und stellen Sie sicher, dass der Film richtig eingetaucht ist.
      4. Wenn die Bestrahlung abgeschlossen ist, nehmen Sie die EBT3-Folien, trocknen Sie sie mit saugfähigem Papier und lagern Sie sie vor dem Licht.

6. Lesen von radiochromen EBT3-Filmen

1. LESEN Sie EBT3-Filme mindestens 24 h nach Bestrahlung.
2. Scannen Sie die Filme auf einem speziellen Scanner.
3. Stellen Sie die Scannerparameter wie: 48 Bit rot-grün-blau tiff-Format, 150 dpi im Übertragungsmodus und keine Bildkorrektur ein.
4. Führen Sie wie folgt ein Aufwärmen des Scanners durch.
   1. Legen Sie einen nicht bestrahlten Film auf den Scanner.
   2. Starten Sie eine Vorschau des Scans.
   3. Starten Sie einen Timer und warten Sie 30 s.
   4. Starten Sie den Scan.
   5. Starten Sie am Ende des Scans einen Timer, und warten Sie 90 s.
   6. Registrieren Sie gleichzeitig den Scan, öffnen Sie das Bild mit ImageJ, verfolgen Sie einen quadratischen ROI (immer in der gleichen Größe und in der gleichen Position) und messen Sie den durchschnittlichen roten Pixelpegel der Fläche.
   7. Wiederholen Sie am Ende der 90er Jahre den Vorgang aus Schritt 2 (ohne den Film im Scanner zu berühren).
   8. Wiederholen Sie dies mindestens 30 Mal, um den Scanner aufzuwärmen und zu stabilisieren (keine Abweichungen in der durchschnittlichen roten Pixelebene des auf den nicht bestrahlten Filmen ausgewählten Bereichs). Wenn der Scanner, d. h. der durchschnittliche rote Pixelwert, nicht stabilisiert ist, fahren Sie mit dem Vorgang fort.
5. Scannen der EBT3-Filme
   1. Legen Sie den ersten Film in die Mitte des Scannerbettes. Begrenzen Sie einen Bereich, um den Film immer an der gleichen Stelle und in der gleichen Ausrichtung zu platzieren.
   2. Starten Sie eine Vorschau des Scans.
   3. Starten Sie einen Timer und warten Sie 30 s.
   4. Starten Sie den Scan.
   5. Starten Sie am Ende des Scans einen Timer, und warten Sie 90 s. Während dieser 90er Jahre ändern Sie den EBT3-Film.
      HINWEIS: Eine Analyse der radiochromen EBT3-Filme wurde mit einem selbst programmierten C++-Programm durchgeführt. Für die EBT3-Filmanalyse können verschiedene Methoden verwendet werden, wie z.B. die Rotkanalmethode oder die Dreikanalmethode^14,15. In diesem Fall haben wir die Red-Channel-Methode ohne Hintergrundsubtraktion verwendet, und die Bilder wurden in optische Dichten und dann in die Dosis mit unserem Programm konvertiert. Da diese Methode bereits gut definiert ist, wurde unser C++-Programm hier nicht berücksichtigt. Darüber hinaus kann die dedizierte Software¹⁶ auch für die EBT3-Filmanalyse verwendet werden.

7. Bestimmung der Dosisrate auf der Ebene der Zellmonolayer

1. Konvertieren Sie die durchschnittliche Dosisrate, die mit der Ionisationskammer ermittelt wird, korrigiert durch die Dämpfung und Streuung der Zellkulturmedien (K) in das Wasserkerma unter Verwendung des Verhältnisses des mittleren Massenenergieaufnahmekoeffizienten für Wasser zu Luft, der über das Photonenflenspektrum ausgewertet wird (μ_en/).
   
   Eine spezielle Software¹⁷ wurde verwendet, um das Photonenenergiespektrum in der Luft ohne Phantom zu berechnen, und wir verwendeten die NIST-Tabelle^18, um den mittleren Massenenergieabsorptionskoeffizienten zu berechnen.

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Ergebnisse

In dieser Arbeit haben wir eine Plattform für die Bestrahlung von Kleintieren verwendet¹⁹; Diese Plattform kann jedoch zur Bestrahlung anderer Arten von Proben wie Zellen verwendet werden. Die Bestrahlungsquelle ist eine Varian-Röntgenröhre (NDI-225-22) mit einer inhärenten Filtration von 0,8 mm Beryllium, einer großen Brennsportgröße von 3 mm, einem Hochspannungsbereich von etwa 30 bis 225 kV und einer maximalen Intensität von 30 mA.

Die für diese Studie verwe...

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Diskussion

Diese Arbeit stellt das Protokoll vor, das für Zellbestrahlungen mit Niederenergie-Röntgenanlage verwendet und implementiert wurde. Heutzutage werden viele radiobiologische Experimente mit dieser Art von Bestrahlungskörper durchgeführt, da sie einfach zu bedienen, kostengünstig und mit sehr wenigen Strahlenschutzbeschränkungen sind, im Vergleich zum Beispiel zur Kobaltquelle. Obwohl diese Setups viele Vorteile haben, da sie eine niedrige Röntgenenergiequelle verwenden, kann eine Änderung von nur einem Bestrahlung...

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Materialien

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
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