低能量的x射线辐射烧伤的临床前模型:蒙特卡罗模拟和电子顺磁共振光谱学的剂量学研究
侬Guillou统计1,
弗朗索瓦Trompier
尤兰达Prezado
Morgane多斯桑托斯- 1辐射防护的研究所不吸烟者Surete远离(IRSN) PSE-SANTE /斯兰岛/ LRAcc Fontenay-aux-Roses,法国
- 2辐射防护的研究所不吸烟者Surete远离(IRSN) PSE-SANTE / sdo / LDRI Fontenay-aux-Roses,法国
- 3居里研究所、大学巴黎Saclay PSL研究型大学,Inserm U 1021 - cnrs UMR 3347,法国奥赛
介入放射学有了显著的增长在过去的几十年,成为治疗或诊断的重要手段。这种技术主要是有益和掌握,但会发生意外曝光过度,导致确定性的外观效果。缺乏知识的放射生物后果低能x射线用于这些做法使预后非常不确定的为不同的组织。为了改善病人的辐射防护和更好地预测并发症的风险,我们实现了一个新的临床前小鼠模型来模拟放射性烧伤在介入放射学和执行的完整描述沉积剂量。一个新的设置和准直器被设计用来照射15老鼠的后腿30 Gy空气比释动能80千伏。辐照后,小鼠胫骨收集评估骨剂量通过电子顺磁共振(EPR)光谱测量。蒙特卡罗模拟与Geant4进行简化和voxelized幻影的剂量沉积在不同组织和评估二次电子的特点(能源、道路、动力)。30收集小鼠胫骨EPR分析。平均吸收剂量为194.0±27.0 Gy测量骨骼最初辐照在30 Gy空气比释动能。骨头空气转换因子为6.5±0.9。 Inter sample and inter mice variability has been estimated to 13.9%. Monte Carlo simulations shown the heterogeneity of the dose deposition for these low X-rays energies and the dose enhancement in dense tissue. The specificities of the secondary electrons were studied and showed the influence of the tissue density on energies and paths. A good agreement between the experimental and calculated bone to air conversion factor was obtained. A new preclinical model allowing to perform radiological burn in interventional radiology-like conditions was implemented. For the development of new preclinical radiobiological model where the exact knowledge of the dose deposited in the different tissues is essential, the complementarity of Monte Carlo simulations and experimental measurements for the dosimetric characterization has proven to be a considerable asset.
1介绍
在过去的60年,介入放射学治疗已经成为必不可少的工具(心脏病、神经放射学等。)或诊断程序执行的一个重要类型的多样化,从而大大增加程序执行的数量(Midulla et al ., 2019)。介入放射学包括大范围的程序使用低能x射线成像指导或控制之下,从70年到120千伏。这些程序代表一个不可否认的资产对病人(微创,减少住院时间,等。),大部分是有益的和掌握。然而,由于行为的复杂性,暴露的重复,需要治疗的病人和也缺乏标准化的做法,有些程序可以很长,导致辐射过度曝光这经常导致局部皮肤损伤(国际放射防护委员会,2000年;Coeytaux et al ., 2015;Jaschke et al ., 2017)。事实上,当这些风险敞口超过一定剂量阈值(> 10 Gy),会出现确定的影响。最常见的皮肤效果观察和表面的软组织,如干燥或潮湿的红斑、脱发或有时组织坏死(国际原子能机构,1998年)。然而,随着光电效应是主要的物理交互低能x射线剂量(< 100 keV)和沉积还取决于组织的成分和密度(因为比例在低能量的罗霄山脉4在Z和Z,而不同2分别为康普顿和生产),剂量密切相关的沉积到骨骼和组织预计将高9倍,因为Z更高密度较高的材料,如钙。因此,即使软组织的剂量可能会低于软组织坏死(25 Gy剂量阈值(国际原子能机构,1998年)),骨头坏死(40 Gy)的阈剂量可能接近或超过,会导致严重的并发症(局高级德桑特,2014年)。虽然骨通常不是立即确认为组织风险在介入放射学的意外曝光过度的情况下,大部分的时间相关的剂量仍低于软组织严重确定性效应的阈值,在长远来看,它已经表明,高剂量交付给骨放疗期间协议(Ugurluer et al ., 2014;Frankart et al ., 2021)或放射事故来源(Clairand et al ., 2008)可以导致严重的临床后果,比如骨折或放射性骨坏死,大大改变患者的生活质量。与骨高剂量相关的风险暴露应不应被忽视,无论医疗风险考虑。
辐射防护的病人在介入放射学领域已经成为一个主要的担忧和更好的了解这种类型的的生理后果暴露在不同类型的组织(皮肤、肌肉和骨骼)是必需的。因此临床前实验模型的发展是至关重要的。
放射生物进行这些研究中,可以使用传统的x射线橱柜或小动物辐照器已被更广泛的使用在过去2年(布朗et al ., 2022)。这些平台主要是开发模拟放射治疗协议,允许交付非常小的辐照领域(mm)很小的半影和有更减毒的优势包括中长期低能x射线(kV)。然而,几项研究由蒙特卡罗(MC)模拟已经显示出剂量分布的特异性和x射线剂量增强骨上超过100 kV (11 - 13)。这种现象更为显著的减少光子束的千伏电压低于100千伏。因此,在这种能量范围,具体MC模拟需要评估沉积剂量和剂量测定的特征(平均剂量,异构性问题,二次电子)和额外的实验剂量测定法测量是一个相当大的资产知道确切的交付剂量密集组织。特别是,它可以估计实际的骨头剂量由于电子顺磁共振(EPR)谱。EPR是一个功能强大的基于顺物种的检测分析技术(如自由基),也可以在固体材料和radio-induced在生物组织像搪瓷,指甲,头发或骨(布雷迪et al ., 1968;Trompier et al ., 2009;Krefft et al ., 2014)。这种技术用于回顾性剂量学剂量重建,已被成功地用于骨组织的意外接触电离辐射估计辐射剂量(国际原子能机构,2004年;Clairand et al ., 2006;Trompier et al ., 2007)。
这项工作的目的是开发和描述一个新的临床前小鼠模型模拟辐射放射生物燃烧在介入放射学进行研究和研究radiopathological特异性这种类型的暴露在低能量。具体设置了SARRP(小动物辐射研究平台、XSTRAHL Ldt。(黄et al ., 2008在80千伏)新准直器的设计允许地方后腿辐照小鼠。整个安装与Geant4 MC代码建模描述剂量沉积在不同的组织和研究剂量的特异性沉积,二次电子光谱和电子路径。此外,实验骨剂量评估由EPR谱研究其可变性和调查与骨质密度/成分的相关性。
2材料和方法
2.1辐照平台和实验剂量测定法
模拟介入放射学环境,小动物辐射研究平台(英国SARRP XSTRAHL有限公司)使用(黄et al ., 2008)。x射线源是一个传统的瓦里安x射线管(NDI NDI - 225 - 22日,华盛顿特区)的固有过滤铍的0.8毫米,大的焦斑大小为3毫米的光束发散度20°。射线进行80 kV, 24马与一个额外的0.15毫米的铜过滤模拟介入放射学中使用的能量谱。半值层(等)是0.138±0.006毫米的铜、衡量后,协议中描述的多斯桑托斯et al。多斯桑托斯et al ., 2021 a)改编自AAPM TG61协议(马et al ., 2001)。
鼠标射线,自制的黄铜准直器被设计通过MC模拟(图1 c)提供一个辐照领域4.3×4.3厘米,22.5厘米从源。参考剂量测定法测量进行使用PTW TM23342电离室校准的空气比释动能(K空气)。平均1.66±0.07 Gy最小的剂量率−1确定(图1一个)。
图1。辐照设置(一)、几何Geant4上实现(B)、自制的黄铜准直器(C)和简化异构幻影和Geant4 voxelized幽灵了(D)。
EBT3 radiochromic电影被用来描述概要文件产生的射线剂量与准直器设计,以及验证几何上实现MC计算。描述的协议用于EBT3电影分析多斯桑托斯et al。(多斯桑托斯et al ., 2021 a)。短暂,电影被削减至少48小时之前辐照和辐照后扫描至少24 h V700爱普生扫描仪在150 dpi传输方式。校准曲线介于0到3 Gy K空气构造并配备了一个四级多项式曲线。
2.2在活的有机体内实验
道德的声明:成年男性C57bl6小鼠从Janvier实验室(Le Genest-Saint岛、法国)被用于实验。动物被安置在IRSN动物设施由法国农业部认证进行啮齿动物实验。动物实验进行符合法国和欧洲法规保护的动物用于科学目的(EC指令2010/63 /欧盟和法国的法令,2013 - 118年)和符合到达方针的指导方针和法规。伦理委员会批准的所有实验都是# 81(批准文号e92 - 032 - 01)和法国外交部授权的研究参考下APAFIS # 16160 - 2018071810588014 v2。
辐照和骨调节:局部照射后执行的老鼠爪子(左和右)的剂量30 Gy K空气。在辐照,老鼠和100毫克/公斤氯胺酮麻醉(Imalgene 1000,梅里亚,法国里昂)和10毫克/公斤甲苯噻嗪(Rompun®2%,拜耳医药保健、厕所、法国)。辐照后,动物牺牲了颈椎脱位(麻醉),胫骨收获,清洗,冲洗(骨髓),干,切成小块实验剂量测定法测量,以确定骨吸收剂量。
2.3电子顺磁共振(EPR)和骨骼测量剂量估算
骨剂量评估了使用电子顺磁共振(EPR)光谱与x波段光谱仪(MS5000 Magnettech)。一些出版物已经详细描述了,相关的电子顺磁共振光谱和剂量测定法原则(Abragam Bleaney, 1970;国际原子能机构,2002年;Trompier et al ., 2009)。简单地说,这种方法是基于稳定radio-induced自由基浓度之间的比例关系和辐照的剂量吸收材料。事实上,辐照材料时,有一个创建自由基和钙化的组织如骨骼,主要由羟磷灰石,射线创建不同的长期稳定的自由基(主要是有限公司2−),从电离杂质的有限公司32 -(国际原子能机构,2002年;Trompier et al ., 2009)。
在这工作,EPR谱记录在室温下与磁场之间的334和337吨,0.5或0.2吨的调制,14 dB的权力,五积累的60年代和每三到五个测量骨为每个样本。
对骨骼剂量估计,所谓的添加剂剂量方法(国际原子能机构,2002年)。该方法在于re-irradiating骨样本与已知的剂量获得通过线性回归初始骨剂量估算。峰峰振幅之间的第一和第三个极值EPR谱直接与自由基的浓度成正比,因此吸收剂量。虽然这种方法是费时,我们可以生产样品本身的校准曲线和评估骨剂量敏感性为每个示例,因此总体样本之间的差异。
机理进行4 MV x射线医用直线加速器(Elekta协同作用®)。所有射线进行空气电子平衡条件下,考虑到在这个能量空气比释动能几乎等于骨头比释动能提供因此剂量估算的骨头比释动能。
2.4蒙特卡罗模拟
进行了计算与G4.10.06 Geant4 MC代码(版本。p01)是一个开源库编码在c++中,专业运输粒子(Agostinelli et al ., 2003;Allison et al ., 2006)。它有一个大的选择物理过程(电磁、光学交互,等。)和一个大能量范围(从几电动车到几TeV)。这些计算,利弗莫尔电磁物理列表,能源削减250电动汽车被认为是对所有粒子。SARRP的几何仿真上实现从制造商的计划(图1 b辐照源)模型,创建一个虚拟源,设计准直器,并评估剂量沉积在老鼠的腿。
虚拟源模型:为了节省计算时间,一个虚拟源建模和实现。MC模拟被分为两个部分:第一个由80 keV仿真交互的电子在阳极钨关于职位的信息,气势磅礴,光子的能量收集(PSF 1)和第二个由模拟这些产生的光子通过两个过滤(0.8毫米是+ 0.15毫米铜),关于职位的信息,气势磅礴,光子的能量也收集(PSF 2)。从这些阶段的信息空间,虚拟源建模和放置在阳极的位置允许替换所有元素产生的光束(电子束、钨阳极和过滤)。这个虚拟源研究通过比较:我)产生的能量谱的一个SpekCalc软件(Poludniowski et al ., 2009),(二)模拟半值层(液力实验和SpekCalc及液力iii)现实和虚拟之间的光子动量源。
液力估计:蒙特卡罗模拟法估计等,相同的准直器一个用来测量实验等实施(1×1厘米2辐照字段)和板不同厚度的铜(没有衰减器,0.05,0.1,0.12,0.142,0.2,0.22,0.24和0.3毫米)介绍了计算。K空气在电离室位置计算使用空气立方体的0.9毫米×0.9毫米x 0.9毫米= 0.729毫米3。对于每一个点,480亿年的历史模拟导致统计不确定性不足0.4%。蒙特卡罗结果装有二次适合估计模拟等。
剂量概要描述:为了有一个辐照领域4厘米×4厘米22.5厘米,模拟进行voxelized幽灵的1毫米×70 mm x 70 mm由1毫米3压水放置在树脂玻璃(SSD = 22.5厘米)的支持。由此产生的剂量概要文件被实验剂量相比获得的资料与EBT3 radiochromic电影。
剂量计算:节省计算时间和以收集重要的信息沉积以及能谱,二次电子的动量和路径的不同组织老鼠腿,简化模拟矩形介绍了幻影。这些幻影是由70片的0.1毫米×30毫米x 10毫米(7毫米,厚度2.1厘米的体积3)。两种简化的幻影模拟:我)组成的均匀幻影空气,软组织,皮质骨或骨小梁ii)一个异构的幻影,更具代表性的老鼠腿,由23片软组织,三片皮质骨,19片骨小梁,三片皮质骨和软组织如22片图1 d。每个组织的厚度(软组织,皮质骨小梁广告)是决定从测量在胫骨头microCT形象。剂量计算,大量的历史(40亿)模拟为了有一个相对剂量误差小于1%。
然后,计算剂量沉积也voxelized老鼠腿幻影(图1 d)。CT图像上获得量子GX2(珀金埃尔默)与体素的大小90μm DICOM格式的输出,分割切片机5.0.2软件(Fedorov et al ., 2012)区分软组织、骨和骨髓,介绍了模拟。
3的结果
3.1实验剂量估算
表1报告骨剂量估计基于EPR信号测量小鼠胫骨收集辐照的日子和暴露在单一剂量的30 Gy的K空气:
表1。骨辐照剂量估计通过电子顺磁共振光谱学的一天。
平均吸收剂量为186.5±27.0 Gy,分别为202.1±25.4 Gy被发现在左、右胫骨骨最初接触到30 Gy (K空气SARRP)和80千伏x射线。骨的相对不确定性剂量估计为每个慕斯介于2.2%和10.2%之间,主要取决于合适的参数的不确定性对添加剂剂量曲线线性回归。骨的吸收剂量被截距和斜率之间的比例。
因此从这些数据,我们可以计算出骨空气比释动能转换因子,分别为6.2±0.9,6.7±0.9为左、右胫骨骨,分别。变异系数为每组约14.5%和12.6%分别为左、右胫骨骨突出inter-mouse变异性。
这些结果也允许我们评估intra-mouse可变性,左和右胫骨骨被暴露在同一时间。相对intra-mouse变化范围在0.4%和21.9%之间平均intra-mouse相对变化的8%。因此,内部的和inter-mouse可变性是相同的数量级。
结合所有的数据,平均吸收剂量平均194.0±27.0 Gy的骨头和一个转换因子之间的6.5±0.9剂量确定空气比释动能在空气中自由使用一个电离室剂量(参考剂量测定法)和沉积在小鼠骨测定(变异系数= 13.9%)。
3.2虚拟源模型的定义
使用数据从两个PSF,提取源特征,源模型创建报告图2。首先,我们比较了模拟能谱与SpekCalc理论能谱获得软件(Poludniowski et al ., 2009)。之间是有协议的两个能量谱之间的平均相对偏差小于5% 23和70 keV的区别外更重要的是这个范围只涉及一小部分的x射线(图2一个)。此外,半值层建模和估计为0.124±0.001毫米的铜(图2 b)。SARRP实验,测量液力约为0.138±0.006毫米的铜,SpekCalc软件估计一个液力挺0.142毫米的铜。好协议被发现之间的所有数据的相对偏差为7.0%。光子的动量也分析了创建一个源模型中表示图2 c。确定虚拟源的光束发散度,研究了x射线的位置和动量不同准直后,在幽灵的位置水平,x和y——在-0.1和0.1之间,z 1到-0.99之间。从这个信息和为了节省计算时间,我们选择减少源的发散,后X方向,阳极倾向没有考虑。最后,一个高斯源的半宽度(应用)的2.3毫米,散度10°,位于阳极位置已经实现。模拟量的分析概要描述在下一节将允许评估这些修改的影响。
图2。对比模拟和理论能谱在80千伏(一),确定模拟半值层(B)和代表性的x射线矢量的真实和虚拟的来源(C)。
3.3剂量概要描述
一个特定的黄铜是由蒙特卡罗模拟设计的准直器(图1 c),制造,然后实验具有EBT3 radiochromic电影。图3显示了对比实验和模拟剂量概要文件x和y轴中心的辐射场和提取表2报告的数据和梁边缘参数评估的半最大值宽度。
图3。对比实验和计算剂量概要文件x和y轴。
表2。半宽度(应用)和梁边缘评价。
剂量概要文件之间的比较是基于定义的标准国际原子能机构(国际原子能机构,2004年)(IAEA)。实验和模拟量之间有良好的协议档案,为应用和梁边缘(表3),建设区域(< 2%)和中央束轴外的最大剂量(< 2%),符合国际原子能机构的标准。概要文件之间的主要区别是外部光束边缘则高达50% (IAEA推荐的30%)。
表3。意味着标准化剂量、衰减和组织空气转换因子的简化异构的幻影。
3.4剂量分布在简化和voxelized幻影
首先,模拟进行均匀的幻影评价剂量的衰减材料的密度的函数。衰减是13.2,23.1,61.6和48.3%的空气,软组织,皮质骨和骨小梁厚度7毫米(图4一)。衰减的骨头的剂量是不同的函数类型,评估骨成分和密度的影响,简化了计算不同类型的骨骼在Geant4和通过不同的钙含量进行(图4 b)。这些结果表明,该剂沉积和衰减依赖于骨质密度和组成。骨头,衰减范围可以从10%到28%和3%和20%之间的剂量沉积可以改变根据深度。
图4。剂量的沉积均匀简化的幻影(一)和骨头组成和densit的影响(B)异构简化的幻影,横向剂量概要文件(C)和3 d重建voxelized剂量沉积的幻影(D)。
然后,模拟在异构的幻影,更具代表性的老鼠的腿,被执行。表3报告的平均归一化剂量,每个组织的衰减和空气转换因子和组织图4 c外侧剂量报告概要文件获得在这个幽灵灰色,蓝色和粉红色点突出的材料考虑(软组织、骨皮质和骨小梁分别)。
这些结果强调了材料的密度对剂量的影响沉积的非均质性强为这些低能x射线剂量沉积。从这些数据,骨小梁和皮质的空气转换因子6.0±0.5计算。我们也可以观察略有增加的剂量沉积薄层软组织与骨接触的(图4 c黑色的箭头)。
最后,voxelized幻影,由一只老鼠的腿在我们的研究中,提供了一个剂量的3 d重建沉积,并允许更精确的评估骨空气转换因子来比较实验数据(图4 d)。这个3 d剂量重建的异质性也强调了剂量沉积和组织中的衰减,特别是骨骼。骨头,组织或骨髓空气转换因子估计分别为5.9,1.0和1.6,变异系数为23%,29%和29%。我们可以注意到骨髓的剂量是高于组织的剂量,显示创建的二次电子的贡献也在骨髓剂量沉积。关于骨,有良好的模拟和实验数据之间的协议(6.0±0.5与6.5±0.9)。此外,如果我们只考虑胫骨骨皮质的一部分,即。,excluding the tibial head, as for experimental measurement the marrow is flushed, a bone to air conversion factor of 6.2 was achieved (CV = 16%) that is in better agreement with experimental data.
3.5二次电子特性
二次电子的特点,研究了简化异构幻影,允许广泛的统计分析在不同的组织。图5报告二次电子能谱和路径的总幻影(图5 a, C为每个组织()和图5 b, D)。在这项研究中,互动频率归一化的交互的总数总幻(A和C)和每个组织的体积(B和D)。
图5。能谱(A, B)和路径(C, D)二次电子的异构简化的幻影。
总幻中的二次电子能谱显示了电子的减少和增加能量的频率,正如所料,和特定的能量峰值。通过观察能谱的分解根据组织的类型,我们可以确定每个材料的特异性。皮质骨显示能量峰值为1.85,3.35,3.65和4.55 keV,骨小梁显示能量峰值为3.35,4.55,7.55和8.05 keV软组织和山峰。电子能量1.85和3.65的特定于皮质骨和电子能量7.55和8.05 keV的特定于骨小梁。
关于二次电子的路径,具体路径为3.55,4.35和4.85µm已确定在皮质骨,骨小梁,分别和软组织。这个特定的路径增加,考虑组织的密度减少。
图4一显示略高剂量沉积在100µm组织切片与皮质骨。这个观察后,我们如果我们有一个修改评价的能量或二次电子的路径。图6报告二次电子的能谱的软组织切片与皮质骨与软组织的幻影只由相同的位置。
图6。频率的函数的二次电子的能量100µm软组织切片(一)或之后(B)皮质骨而均匀软组织幻影在同一位置。
皮质骨前软组织切片1 (图6),我们可以确定二次电子具有特定能量的皮质骨(3.35和3.65 keV)。二次电子来自皮质骨软组织相互作用之一,这不是软组织切片后的骨密质2 (图6 b)。没有观察到不同的二次电子路径(数据未显示)。
4讨论
这项工作是在框架的发展一个新的鼠标临床前模型在SARRP平台上模拟放射介入放射学条件下燃烧。事实上,介入放射学已成为必不可少的工具为各种疾病的诊断和治疗。这个技术依赖于使用低能x射线成像,虽然很大程度上掌握,局部剂量高沉积可以交付给病人,导致过度和确定性的外观效果从简单的红斑到组织和/或骨放射性坏死在最严重的情况下(Coeytaux et al ., 2015;Jaschke et al ., 2017)。缺乏知识的生物的后果在低能量,由于剂量沉积的异质性,使得不同的预后非常不确定的组织特别是骨头。描述这种类型的接触的生物效应对改善病人的管理和风险预测至关重要。为此,有必要开发一种适合临床前模型来模拟介入放射学过度曝光。
许多临床前模型已经在文献中提出在大鼠和小鼠提高知识和更好地理解radiopathological特异性的电离辐射对皮肤、肌肉和/或骨骼组织使用不同品质的辐射(Lerouxel et al ., 2009;张成泽et al ., 2016;Rottensteiner-Brandl et al ., 2017;米勒et al ., 2019;翟et al ., 2019;多斯桑托斯et al ., 2021 b)。与使用传统的x射线的民主化橱柜或专用图像引导平台,这些类型的设备越来越广泛用于放射生物研究(布朗et al ., 2022),尤其适合我们的研究涉及到低能x射线。尽管存在一些模型,其中的一些已经实现在特定范围内的能量用于介入放射学(70 - 120 kV)或用于执行一个完整的描述的剂量沉积在不同的组织。此外,有时很难知道如何执行和剂量测定法测量量测量(Draeger et al ., 2020)。今天,为放射生物剂量学研究的重要性不再需要示范和一些研究强调正确定义的重要性辐照条件和剂量测定法测量是如何执行的。确切的知识传递剂是至关重要的,特别是当涉及到低能量的x射线光电效应是主要的,导致在剂量取决于沉积非均质性强的密度和成分组织遍历。蒙特卡罗模拟造成了相当一部分的理解如何为这些低能量沉积,剂量根据组织类型。几项研究超过100 kV已经显示出剂量增强骨骼组织(周,2010;周润发和江,2012年;Poirier et al ., 2020)。结合实验剂量测定法测量与这种类型的蒙特卡罗模拟是一个相当大的资产放射生物研究新的临床前模型的实现。
在这项研究中,我们提出了一个完整的剂量测定的特征这一新的临床前模型使用蒙特卡罗模拟和实验测量了EPR谱。新的辐照配置实现在小动物辐射平台(SARRP)使用80千伏的电压和一个额外的0.15毫米铜过滤达到相同的能谱范围与使用介入放射学(70 - 120 kV)。辐照设置进行优化能够执行鼠标后腿的局部照射,降低源距离探测器,特定的黄铜准直器的设计(图1)。
4.1实验剂量估算
由EPR实验剂量测定法测量光谱进行了估算骨剂量。虽然这方法是侵入性的,需要使用特定的动物骨骼中提取,这是一个相当大的资产的剂量测定生物组织,允许评估inter-mouse inter-sample可变性和新的临床前模型的建立。15老鼠暴露在单一剂量的30 Gy空气比释动能和30胫骨骨收获了剂量估算。考虑所有的样品,骨头剂量的194.0±27.0 Gy测量和实验之间的骨头和空气剂量转换因子6.5±0.9定义,强调剂量存款取决于材料的异质性。inter-sample可变性的左、右胫骨骨14.5%和12.6%,分别。使用左、右胫骨骨中的剂量估算一个鼠标,我们也强调了intra-mouse变化从0.4%到21.9%不等。电子顺磁共振光谱学实验获得的不确定性的骨头剂量仍高于不确定性与物理参考探测器(少于5%为电离室k = 2),但我们必须记住,测量执行在生物样本。众所周知,参数,比如年龄、性别或菌株的影响很多小鼠的生理参数,包括骨组成、密度、或矿物内容(Akhter et al ., 2000)。一些研究已经完成测量骨矿物质含量及矿化显示C57BL6J老鼠,用于这项工作,高达9%的变异可能存在骨矿含量和骨密度(Akhter et al ., 2000;萨默维尔et al ., 2004)。这些变化在骨骨成分和密度样品强烈影响沉积剂量测量胫骨骨。此外,实验(EPR)或计算研究不同品质的x射线的影响凸显了剂量增强骨骼组织在低能量的重要性也考虑到骨成分的吸收剂量的计算(科普兰et al ., 1993;Johnson et al ., 2011)。
4.2剂量测定的特性的蒙特卡罗模拟
剂量沉积在不同的组织(骨骼、软组织)并进行分析为了更好地理解如何创建的二次电子剂量沉积完成和电子的特异性有剂量沉积的主要责任,蒙特卡罗模拟进行。首先,介绍了辐照设备的整个几何模拟创建一个源模型为了节省计算时间。源模型的分析是由比较x射线能谱、液力和气势磅礴的真正来源和实验或SpeckCalc软件数据(Poludniowski et al ., 2009)。能谱和液力挺,一个相当不错的协议被发现之间的模拟数据和实验数据或Spekcal软件输出。光子动量的分析可以减少源散度尽可能在不影响辐照场节省计算时间。事实上,剂量的自制的黄铜准直器以使用EBT3 radiochromic相比,电影和模拟数据(图3)。好协议,遵守国际原子能机构的标准,除了外部光束边缘准则。概要文件尾的这种差异可能是由于几何中引入geant4或定义的虚拟源的大小/形状但随着幻影用来评估剂量沉积是小于辐射场(1厘米边缘)和放置在完整的中心,我们选择不修改源参数或准直器实现。剂量沉积在不同的幻影强调了异质性的这些低能量的x射线剂量沉积(图4)。使用简化的幻影,衰减量化,依赖于组织渗透的密度和厚度,符合文献中计算的结果与105年和225千伏光子束进行了在不同的材料(周润发和江,2012年)。我们也将蒙特卡罗模拟的结果与实验测量结果进行比较,尤其是骨空气转换因子。平均骨空气转换因子是6.0±0.5在异构的幻影,6.2±1.0 voxelized皮质骨的幻影和6.5±0.9实验数据。获得了一个相当不错的协议即使一个独特的骨矿物质密度和小梁组成用于蒙特卡罗模拟,验证我们的计算结果。的确,在千伏电压范围、材料的密度和成分的重要性对剂量的评估是至关重要的。据周et al。(周et al ., 2009),钙和磷是骨骼密度密切相关,影响质量衰减系数。此外,即使质量衰减系数相差超过10%超过200 keV的光子能量,这个值是较低的光子能量高上几倍。因此,这两个元素的数量变化可以强烈影响骨成分(周et al ., 2009)。Verhaegen德维克也报道说,高达40%的剂量估算错误可能发生250千伏x射线(Verhaegen德维克,2005)。执行MC模拟不同的骨骼密度会非常耗时,但我们进行简化计算与7毫米厚度均匀的幽灵(鼠标腿),我们不同的钙量或骨的密度。这些结果表明,该衰减范围可以从10%(低骨密度)到80%(钙),和不同的剂量沉积骨成分可以从3 - 20%取决于不同深度(图2 b)。实验测量这些观察结果支持这一事实是不可否认的资产剂量测定的特征的新的临床前模型,他们允许生理差异考虑在内。
4.3二次电子的特异性
模拟在异构的幻影也允许我们研究二次电子的特异性,剂量沉积的主要原因。在报道图5、比例、路径和二次电子的能量创建依赖于材料。比较骨小梁和皮质骨,我们可以观察到一些特征射线是特定于骨骼的密度和组成,支持这一事实的准确估计所需的骨骼组合是最有效的剂量估算的蒙特卡罗模拟。最后,我们评估软组织切片的特异性与皮质骨。在100µm软组织切片前我们已经增加了10%的骨密质剂量沉积由于反向散射电子(图4 b)。在皮质骨后的软组织,我们会减少20%的剂量沉积由于衰减,除了最初的100µm软组织切片(接触皮质骨)的减少只有大约10%是由于远期电子的贡献。这些结果与Das的出版协议和Chopra剂量增强和二次电子的贡献由于存在高Z材料研究(Das和Chopra, 1995;Das, 1997)。因此,二次电子在骨导致剂量沉积在软组织接触的第一个测微计,在介入放射学过度曝光的事件中,可以找到更多的伤害在这些组织和他们应给予特殊的考虑。
5的结论
这项工作提出了一个新的临床前模型在介入放射学条件下执行过度曝光。一个完整的蒙特卡洛模型的描述已经完成剂量沉积和二次电子特征显示材料密度和成分的影响当低能x射线。此外,由于该方法,可以确定剂量沉积在实验老鼠骨骼通过电子顺磁共振光谱辐照时使用IR-like条件SARRP平台和验证蒙特卡罗计算结果。总的来说,这些结果强烈支持实验剂量估算的参数对于新的放射生物模型的实现和证明执行剂量由EPR谱估计,特别是在低能x射线的密度和组成材料沉积剂量扮演了重要的角色。
数据可用性声明
最初的贡献提出了研究中都包含在本文/辅料,可以针对相应的作者进一步询问。
道德声明
动物伦理委员会批准的研究回顾和# 81(批准文号e92 - 032 - 01)和法国的研究下APAFIS号码# 16160 - 2018071810588014 v2。
作者的贡献
MDS和GG的概念和设计研究。镁、提单、英国《金融时报》,GG, YP, MDS收集和解释数据。MG和MDS写第一个手稿草案。英国《金融时报》,GG和YP意识到评论的手稿。所有作者导致修订手稿、阅读和批准提交的版本。
确认
作者要感谢GSEA IRSN的技术援助,特别是罗曼·格兰杰,含有杏仁的萨澈,戴尔芬Denais-Lalieve。我们也要感谢雅安现状和Miray Razanajatovo与医用直线加速器辐照对他们的帮助。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
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关键词:低能量的x射线剂量测定法,介入放射学,放射烧,临床前模型,电子顺磁共振光谱学、蒙特卡罗模拟
引用:Guillou统计M, L B, Trompier F, G稀粥,Prezado Y,多斯桑托斯总统M(2022)的临床前模型低能量的x射线辐射烧伤:蒙特卡罗模拟和电子顺磁共振光谱学的剂量学研究。前面。杂志。13:1075665。doi: 10.3389 / fphys.2022.1075665
收到:2022年11月02;接受:2022年11月29日;
发表:2022年12月08年。
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