Ortovoltage (40-300 kV) X-Ray İmkanları Kullanılarak Hücre Işıtması için Dozimetri

Özet

Bu belgede, düşük enerjili X-ışını ekipmanı kullanılarak hücre ışınlamaları için yeni bir dozimetri protokolü açıklanmaktadır. Ölçümler, gerçek hücre ışınlama koşullarını mümkün olduğunca simüle eden koşullarda gerçekleştirilir.

Özet

Radyobiyolojik çalışmalar için dozimetri protokollerinin ve standartlarının önemi kendini göstermektedir. Düşük enerjili X-ray tesisleri kullanılarak doz tespiti için çeşitli protokoller önerilmiştir, ancak ışınlama konfigürasyonlarına, numunelere, malzemelere veya ışın kalitesine bağlı olarak, hangi protokolün kullanılmasının en uygun olduğunu bilmek bazen zordur. Bu nedenle, düşük enerjili X-ışını tesisi kullanarak hücre ışınlamaları için bir dozimetri protokolü öneriyoruz. Bu yöntemin amacı, doz tahminini hücre monolayer düzeyinde gerçekleştirerek gerçek hücre ışınlama koşullarına mümkün olduğunca yakın hale getirmektir. Protokolün farklı adımları şu şekildedir: işınlama parametrelerinin belirlenmesi (yüksek gerilim, yoğunluk, hücre kabı vb.), ışın kalitesi indeksinin belirlenmesi (yüksek voltaj-yarı değer katmanı çifti), hava kerma koşullarında kalibre edilmiş iyonlaşma odası ile doz oranı ölçümü, hücre kültürü ortamının EBT3 radyokromik filmlerle zayıflama ve saçılmalarının ölçülmesi ve hücresel düzeyde doz oranının belirlenmesi. Bu metodoloji, her yeni hücre ışınlama yapılandırması için yapılmalıdır, çünkü sadece bir parametrenin değiştirilmesi, özellikle düşük enerjili X ışınlarını içeren hücre monolayer düzeyinde gerçek doz birikimini güçlü bir şekilde etkileyebilir.

Giriş

Radyobiyolojinin amacı, teslim edilen doz ile biyolojik etkiler arasında bağlantılar kurmaktır; dozimetri radyobiyolojik deneylerin tasarımında çok önemli bir husustur. 30 yılı aşkın bir süredir, dozimetri standartlarının önemi ve uygulamaların uyumu^{vurgulanmıştır 1},^2,3,4,5. Bir doz oranı referansı oluşturmak için, çeşitli protokoller^{vardır 6,7,8,9,10}; bununla birlikte, Peixoto ve Andreo¹¹ tarafından gösterildiği gibi, doz oranı tayini için kullanılan dozimetrik miktara bağlı olarak% 7'ye kadar farklılıklar olabilir. Ayrıca, protokoller olsa bile, varsa belirli bir uygulama için hangi protokolün en uygun olduğunu bilmek bazen zordur, çünkü hücreler için doz oranı hücre kabı, hücre kültürü ortamı miktarı veya ışın kalitesi gibi parametrelere bağlıdır. Bu tür ışınlama için saçılma ve geri saçılma da dikkate alınması gereken çok önemli bir parametredir. Gerçekten de, düşük ve orta enerjili X ışınları için, AAPM TG-61 referans protokolü¹⁰'da, sudaki emilen doz bir su hayaletinin yüzeyinde ölçülür. Çok spesifik hücre ışınlama koşulları dikkate alınarak, hava ile çevrili küçük hücre kültürü ortamı hacmi, TG-61 protokolünde olduğu gibi büyük bir suya eşdeğer hayalet ile emilen bir doz için tanımlananlardan kerma koşullarına daha yakındır. Bu nedenle, sudaki kermayı, sudaki emilen doz yerine referans için dozimetrik bir miktar olarak kullanmayı seçtik. Bu nedenle, hücrelere teslim edilen gerçek dozun daha iyi belirlenmesini sağlamak için yeni bir yaklaşım öneriyoruz.

Ayrıca, radyobiyolojik çalışmalar için bir diğer önemli husus, deneysel sonuçları yeniden üretebilmek, yorumlayabilmek ve karşılaştırabilmek için ışınlama için kullanılan yöntem ve protokollerin eksiksiz raporlanmasıdır. 2016 yılında Pedersen ve ark.^12, klinik öncesi radyobiyolojik çalışmalarda dozimetrinin yetersiz rapor edildiğini vurgulamıştır. Draeger ve ark.^13'ten daha büyük bir yeni çalışma, doz, enerji veya kaynak türü gibi bazı dozimetri parametreleri bildirilse de, ışınlama koşullarını düzgün bir şekilde çoğaltmak için gerekli olan fizik ve dozimetri parametrelerinin büyük bir kısmının eksik olduğunu vurguladı. Son 20 yılı kapsayan 1.000'den fazla yayının bu büyük ölçekli incelemesi, radyobiyolojik çalışmalarda fizik ve dozimetri koşullarının raporlarında önemli bir eksikliği göstermektedir. Bu nedenle, sağlam ve tekrarlanabilir deneylere sahip olmak için protokolün ve radyobiyolojik çalışmalarda kullanılan yöntemin tam bir açıklaması zorunludur.

Bu farklı hususlar dikkate alınarak, IRSN'de (Radyasyondan Korunma ve Nükleer Güvenlik Enstitüsü) gerçekleştirilen radyobiyolojik deneyler için, bir ortovoltage tesisinde hücre ışınlamaları için sıkı bir protokol uygulanmıştır. Bu dozimetri protokolü, gerçek hücre ışınlama koşullarını mümkün olduğunca simüle etmek ve böylece hücrelere teslim edilen gerçek dozu belirlemek için tasarlanmıştır. Bu amaçla, tüm ışınlama parametreleri listelenir ve ışın kalitesi indeksi, AAPM protokolü^10'dan standart önerilere uyulmadığı için bazı uyarlamaların yapıldığı yarı değer katmanı (HVL) ölçülerek değerlendirilmiştir. Mutlak doz oranı ölçümü daha sonra hücre ışınlamaları için kullanılan hücre kabının içindeki iyonlaşma odası ile yapıldı ve hücre kültürü ortamlarının zayıflaması ve saçılması da EBT3 radyokromik filmlerle ölçüldü. Protokolün yalnızca bir tek parametresinin değiştirilmesi doz tahminini önemli ölçüde etkileyebileceğinden, her hücre ışınlama yapılandırması için özel bir dozimetri gerçekleştirilir. Ayrıca, her voltaj filtresi kombinasyonu için HVL değeri hesaplanmalıdır. Bu mevcut çalışmada, 220 kV'luk bir voltaj, 3 mA'lık bir yoğunluk ve sırasıyla 0,8 mm ve 0,15 mm'lik bir beryllium ve bakırın doğal ve ek filtrasyonu kullanılmaktadır. Seçilen hücre ışınlama yapılandırması, hücrelerin 5 mL hücre kültürü ortamı ile ışınlandığı bir T25 şişesindedir.

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

Protokol

1. Işınlama platformu ve ışınlama parametrelerinin belirlenmesi

1. Düşük ila orta enerjili X ışınları sağlayan bir ışınlama platformu kullanın. Radyobiyolojik deneyin sağlamlığını ve tekrarlanabilirliğini sağlamak için deneyin parametrelerini belirleyin: Yüksek gerilim, Yoğunluk, Filtrasyon (doğal ve ek), Yarı Değer Katmanı (HVL), Etkili enerji, Dozimetri ölçümleri için kullanılan dedektör, Kaynak Örnek Mesafesi (SSD), Işınlama alanı (şekil, boyut, geometri), Dozimetri miktarı, Dozimetri yöntemi, Doz oranı, Hücre kabı ve hücre kültürü medya miktarı. Bu protokolde kullanılan tüm parametreler Tablo 1'de verilmiştir.

2. Işın kalite indeksi: yarı değer katmanının belirlenmesi

NOT: HVL, kirişin yoğunluğunu orijinal değere kıyasla iki kat azaltmak için bir zayıflayıcının (genellikle bakır veya alüminyum) kalınlığı olarak tanımlanır.

1. Şekil 1'dekiyönergeleri izleyerek ışınlama muhafazasının içindeki ekipmanı (destek, kolimatör, diyafram, iyonizasyon) kurun. Bu adımda hiçbir zayıflama malzemesi kullanılmaz.
2. Şekil 1'de bildirilen tüm mesafelerin doğru olduğundan emin olun. Bunları bir mezura ile ölçün.
3. İyonlaşma odasını yatay konuma getirin. Bu çalışma için hava kerması kalibre edilmiş 31002 (31010'a eşdeğer) silindirik iyonlaşma odası kullandık.
4. İyonlaşma odasını 5 dakika önceden ışınlayın ve arka planı ölçün (bu adım kolimatör olmadan gerçekleştirilebilir).
5. M_ham değerine karşılık gelen şarj toplama modunda (coulombs cinsinden) her biri 1 dakikalık 10 ölçüm gerçekleştirin.
6. Bizim durumumuzda ışınlama muhafazasının içine yerleştirilen uygun kalibre edilmiş ekipmanla sıcaklığı ve basıncı alın (mümkün değilse, deneye yakın bir yere yerleştirin). Elektrometredeki M_ham okumasını aşağıdaki gibi verilen sıcaklık ve basınç düzeltme faktörüne göre düzeltin:
   
   burada: T (°C) ve P (hPa) sırasıyla gerçek sıcaklık ve basınçtır. T_ref ve P_ref, iyonizasyonun standartlar laboratuvarı tarafından kalibre edildiğinde referans sıcaklık ve basınçtır. Basınç ve sıcaklık kalibre edilmiş aletlerle ölçülmelidir. Şarj modunda elde edilen değer ortalama referans değer M'dir (coulombs'da).
   NOT: Bu adım HVL ölçümü için kesinlikle gerekli değildir, ancak önerilir.
7. Diyaframın üzerine belirli kalınlıkta bir zayıflama makinesi yerleştirin. HVL seti, farklı kalınlıklarda (0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1, 2, 5 ve 10 mm bakır) tüm kirişi kaplayan bir boyuta sahip folyolardan oluşur (burada 80 x 80 mm).
8. 1 dk'lık bir ölçüm alın (daha önce açıklandığı gibi K_T,P tarafından düzeltilen M_ham).
   1. Doz oranı başlangıç değerine göre 2 faktörüne bölünürse, HVL değeri bulunur. Ortalama doz oranını tahmin etmek için 1 dakikalık 5 ölçüm alın.
   2. Doz oranı başlangıç değerine göre 2 faktörüne bölünmezse, zayıflayıcı kalınlığını artırın veya azaltın ve başka bir ölçüm alın. Zayıflayıcının kalınlığını gerektiği gibi ayarlayın.
9. Işın yoğunluğunu ikinci faktörle azaltan zayıflayıcının kalınlığı bulunduktan sonra, HVL'yi onaylamak için 1 dakikalık 5 ölçüm alın.
   NOT: Çoğu durumda, zayıflayıcının tam kalınlığı mevcut folyolardan bulunamaz. Bu durumda, bizeksiyon ile ilerleyin ve HVL'yi enterpolasyona geçin.

3. Işınlama alanının değerlendirilmesi (doz tahmini yoktur)

1. Işınlama için kullanılan desteğe bir EBT3 filmi yerleştirin.
2. İyi işaretlenmiş bir ışınlama alanı (en az 2 Gy) elde etmek için bu filmi ışınla.
3. Özel bir tarayıcı kullanarak EBT3 filmini tarayın.
4. Analiz et ve profili çiz seçeneğini kullanarak Görüntü J'yi kullanarak doz profilini çizin (Şekil 2).
5. Işınlama için ışınlama alanı kullanımının boyutunu belirleme (penumbra bölgeleri hariç homojen alan, bkz. Şekil 2).
6. Hücre kapsayıcısının doğru konumda olduğundan emin olmak için ışınlama için kullanılan destekte işaretler yapın.
   NOT: Bu adımda ışınlama alanının büyüklüğü belirlenir ve doz tahmin edilmiyor. Film okuma ve analiz prosedürünün tamamı bölüm 5'te verilmiştir. Ayrıca, hücre kapsayıcısı konumlandırması nedeniyle hataları önlemek için kenar boşlukları alın.

4. İyonlaşma odası ile doz oranı ölçümü

1. İyonlaşma odasını kabın içine(Şekil 3, üst bölüm) veya altına(Şekil3 , alt bölüm) yerleştirebilmek için hücre kabını alın ve yan veya altta (kullanılan belirli kap ve iyonlaşma odasına bağlı olarak) küçük bir parça kırın. Örnekler Şekil 3'te farklı iyonlaşma odaları (silindirik veya düzlem paralel) ve hücre kapları ile verilmiştir. Bu durumda, bir T25 şişesi kullanılmıştır(Şekil 3, kırmızı kutu).
   NOT: lehimleme demiri veya ısıtılmış neşter plastik gereçlerde delik açmak için iyi bir alternatiftir
2. Kabı, ışınlama için kullanılan desteğin üzerine muhafazanın içine yerleştirin (karbon plaka burada).
3. İyonlaşma odasını kabın içine(Şekil 3, kırmızı kutu), doğru konuma getirin ve elektrometreye bağlayın.
4. Bölüm 1'de listelenen tüm ışınlama parametrelerinin doğru olduğundan emin olun (yüksek voltaj, yoğunluk, ek filtrasyonlar, kaynak numune mesafesi vb.).
5. İyonlaşma odasını 5 dakika önceden ışınla ve elektrometrenin sıfırlanmasını gerçekleştirin.
6. Hava kermasındaki ortalama doz oranını belirlemek için 1 dakikalık 10 ölçüm alın (Gy.min^-1). K_havasında doz oranının belirlenmesini aşağıdaki gibi hesaplayın:
   
   burada M, sıcaklık, basınç, polarite etkisi, iyon rekombinasyonu ve elektrometre kalibrasyonu ile düzeltilen dozmetrenin okunmasıdır. N_Kair ve K_q, değerleri her iyonlaşma odasına özgü olan radyasyon kalitesi için kalibrasyon ve düzeltme faktörleridir.

5. Hücre kültürü medyasının zayıflama ve saçılma ölçümü

NOT: EBT3 filmlerini işlem boyunca eldivenlerle kullanın.

1. Deneyin hazırlanması
   1. Işınlamadan önce EBT3 filmlerinin küçük parçalarını en az 24 saat kesin.
   2. Radyobiyoloji deneyleri için kullanılan hücre kabının bir işlevi olarak filmlerin boyutunu belirleyin (örneğin, bir T25 şişesi için 4 x 4 cm).
      İki radyokromik film setini kesin: Üç parça EBT3 radyokromik filmden oluşan kalibrasyon eğrileri için doz veya zaman noktasına göre bir set (bu iş için toplamda dokuz nokta) ; ve hücre kültürü ortam zayıflamasının nicelleştirilmesi için bir set, ayrıca nokta başına üç adet.
   3. Tüm filmleri tanımlama için numaralayın (sağ üst köşe burada) ve tarayıcıda aynı konumda tarayın.
   4. Filmleri ışıktan uzak tutun.
   5. EBT3 film ölçümleri için kullanılan hücre kabını hazırlayın ve gerekirse filmi içine koymak için bir parça kesin (Şekil 4'teT25'li bir örnek verilmiştir).
2. Doz oranı tahmini
   1. Önceki bölümde açıklandığı gibi yapılandırmanın doz oranını ölçün.
   2. EBT3 radyokromik filmlerin ışınlanması için bu konfigürasyonu yerinde tutun ve aynı tip hücre kabını kullanın.
3. Kalibrasyon eğrisinin yapımı
   1. Kalibrasyon eğrisi için önceden kesilmiş EBT3 filmleri alın.
   2. Üç parçayı ışınla (0 Gy).
   3. İlk filmi hücre kabının içine, hücre ışınlama ile aynı konfigürasyonda yerleştirin.
   4. İlk doz noktalarını elde etmek için ışınla.
   5. Aynı dozda ışınlanmış üç parça EBT3 filmi elde etmek için bu işlemi tekrarlayın.
   6. Şekil 5'tegösterildiği gibi her doz noktası için bunu gerçekleştirin (bu işte dokuz doz noktası (0, 0,25, 0,5, 0,75, 1, 1,5, 2, 2,5 ve 3 Gy).
4. Hücre kültürü medyasının zayıflamasının ve saçılmanın değerlendirilmesi.
   1. Tüm ışınlamalar için aynı ışınlama süresini seçti (örneğin, 60 s).
   2. Üç parça EBT3 filmi susuz kapta ışınlayın.
   3. Kaptaki üç parça EBT3 filmini aşağıdaki gibi suyla ışınlayın.
      1. Filmi kabın içine yerleştirin.
      2. Hücre kültürü medyasını temsil etmek için kabı tam su miktarıyla doldurun (burada 5 mL). Filmler düzgün bir şekilde su altında kalmazsa küçük bant parçaları kullanın.
      3. Hücre kabını muhafazanın içine yerleştirin ve filmin doğru şekilde daldırıldığından emin olun.
      4. Işınlama tamamlandığında, EBT3 filmlerini alın, emici kağıtla kurutun ve ışıktan uzak saklayın.

6. EBT3 radyokromik filmlerin okunması

1. Işınlamadan en az 24 saat sonra EBT3 filmlerini okuyun.
2. Filmleri özel bir tarayıcıda tarayın.
3. Tarayıcı parametrelerini şu şekilde ayarlayın: 48 bit kırmızı-yeşil-mavi tiff biçimi, iletim modunda 150 dpi ve görüntü düzeltmesi yok.
4. Tarayıcının ısınmasını aşağıdaki gibi gerçekleştirin.
   1. Tarayıcıya ışınlanmamış bir film yerleştirin.
   2. Taramanın önizlemesini başlatın.
   3. Bir zamanlayıcı başlatın ve 30 s bekleyin.
   4. Taramayı başlatın.
   5. Taramanın sonunda bir zamanlayıcı başlatın ve 90 s bekleyin.
   6. Aynı zamanda, taramayı kaydedin, görüntüyü ImageJ ile açın, kare bir yatırım getirisini (her zaman aynı boyutta ve aynı konumda) takip edin ve alanın ortalama kırmızı piksel seviyesini ölçün.
   7. 90'ların sonunda, prosedürü 2.
   8. Tarayıcıyı ısıtmak ve stabilize etmek için bunu en az 30 kez tekrarlayın (ışınlanmamış filmlerde seçilen alanın ortalama kırmızı piksel seviyesinde değişiklik yoktur). Tarayıcı, yani ortalama kırmızı piksel değeri stabilize değilse, prosedüre devam edin.
5. EBT3 filmlerinin taranma
   1. İlk filmi tarayıcı yatağının ortasına yerleştirin. Filmi her zaman aynı yere ve aynı oryantasyona yerleştirmek için bir alanı sınırlandırma.
   2. Taramanın önizlemesini başlatın.
   3. Bir zamanlayıcı başlatın ve 30 s bekleyin.
   4. Taramayı başlatın.
   5. Taramanın sonunda bir zamanlayıcı başlatın ve 90 s bekleyin. Bu 90 s sırasında EBT3 filmini değiştirin.
      NOT: EBT3 radyokromik filmlerinin analizi kendi kendine programlanmış bir C++ programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. EBT3 film analizi için kırmızı kanal yöntemi veya üç kanal yöntemi^14,15gibi farklı yöntemler kullanılabilir. Bu durumda, arka plan çıkarma olmadan kırmızı kanal yöntemini kullandık ve görüntüler optik yoğunluklara ve daha sonra programımızı kullanarak doza dönüştürüldü. Bu yöntem zaten iyi tanımlandığı için C++ programımız buraya dahil değildi. Ayrıca, EBT3 film analizi için özel yazılım¹⁶ da kullanılabilir.

7. Hücre monolayer düzeyinde doz oranının belirlenmesi

1. Hücre kültürü medyasının (K) zayıflaması ve saçılmasıyla düzeltilen iyonlaşma odası ile elde edilen ortalama doz oranını, foton gribi spektrumu (μ_en/φ) üzerinden değerlendirilen suyun ortalama kütle enerjisi emme katsayısı oranını kullanarak su kermanına dönüştürün.
   
   Havadaki foton enerji spektrumunu hayaletsiz hesaplamak için özel bir yazılım¹⁷ kullanıldı ve ortalama kütle enerjisi emme katsayısını hesaplamak için NIST tablo^18'i kullandık.

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

Sonuçlar

Bu çalışmada, küçük hayvan ışınlama^19'aadanmış bir platform kullandık; ancak, bu platform hücreler gibi diğer örnek türlerini ışınlamak için kullanılabilir. Işınlama kaynağı, 0,8 mm'lik bir filtrasyona, 3 mm'lik büyük bir odak sporu boyutuna, yaklaşık 30 ila 225 kV'lık yüksek voltaj aralığına ve 30 mA'lık maksimum yoğunluğa sahip bir Varian X-ışını tüpüdür (NDI-225-22).

Bu çalışma için kullanılan parametreler Tabl...

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

Tartışmalar

Bu çalışma, düşük enerjili X-ray tesisi kullanılarak hücre ışınlamaları için kullanılan ve uygulanan protokolü sunar. Günümüzde, kullanımı kolay, uygun maliyetli ve çok az radyoproteksyon kısıtlaması ile, örneğin kobalt kaynağına kıyasla, bu tür ışınlayıcı ile birçok radyobiyoloji deneyi yapılmaktadır. Bu kurulumların birçok avantajı olmasına rağmen, düşük bir X-ışını enerji kaynağı kullandıklarından, yalnızca bir ışınlama parametresinin değiştirilmesi dozimetri...

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

Malzemeler

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/