Evaluation of Biological Characteristics of Neutron Beam Generated from MC50 Cyclotron

$\underline{Purpose}$: To evaluate biological characteristics of neutron beam generated by MC50 cyclotron located in the Korea Institute of Radiological and Medical Sciences (KIRAMS). $\underline{Materials\;and\;Methods}$: The neutron beams generated with 15 mm Beryllium target hit by 35 MeV proton beam was used and dosimetry data was measured before in-vitro study. We irradiated 0, 1, 2, 3, 4 and 5 Gy of neutron beam to EMT-6 cell line and surviving fraction (SF) was measured. The SF curve was also examined at the same dose when applying lead shielding to avoid gamma ray component. In the X-ray experiment, SF curve was obtained after irradiation of 0, 2, 5, 10, and 15 Gy. $\underline{Results}$: The neutron beams have 84% of neutron and 16% of gamma component at the depth of 2 cm with the field size of $26{\times}26\;cm^2$, beam current $20\;{\mu}A$, and dose rate of 9.25 cGy/min. The SF curve from X-ray, when fitted to linear-quadratic (LQ) model, had 0.611 as ${\alpha}/{\beta}$ ratio (${\alpha}=0.0204,\;{\beta}=0.0334,\;R^2=0.999$, respectively). The SF curve from neutron beam had shoulders at low dose area and fitted well to LQ model with the value of $R^2$ exceeding 0.99 in all experiments. The mean value of alpha and beta were -0.315 (range, $-0.254{\sim}-0.360$) and 0.247 ($0.220{\sim}0.262$), respectively. The addition of lead shielding resulted in no straightening of SF curve and shoulders in low dose area still existed. The RBE of neutron beam was in range of $2.07{\sim}2.19$ with SF=0.1 and $2.21{\sim}2.35$ with SF=0.01, respectively. $\underline{Conclusion}$: The neutron beam from MC50 cyclotron has significant amount of gamma component and this may have contributed to form the shoulder of survival curve. The RBE of neutron beam generated by MC50 was about 2.2.

MC50 싸이클로트론에서 생성되는 중성자선의 생물학적 특성의 평가

목 적: 원자력의학원에 설치되어 있는 MC50 사이클로트론에서 생성되는 중성자선의 의학적 이용을 위하여 생물학적 특성을 평가하고자 하였다. 대상 및 방법: 35 MeV 양성자를 15 mm 베릴륨 표적에 부딪혀서 생성된 중성자선에 대하여 물리적 방사선선량을 측정한 후 체외실험(in-vitro)을 하였다. EMT-6 세포주(cell line)를 이용하여 $0{\sim}5\;Gy$의 중성자선을 조사 후 생존분획(surviving fraction)을 구하였다. 또한 감마선의 효과를 피하기 위하여 납차폐를 한 후에 동일 조건에서 생존분획을 구하였다. 엑스선 실험에서는 0, 2, 5, 10, 15 Gy를 조사 후 생존분획을 측정하였다. 결 과: MC50의 중성자선은 조사야 $26{\times}26\;cm^2$, 전류 $10{\mu}A$, 깊이 2 cm에서 84%의 중성자와 16%의 감마선으로 구성되어 있었고, 총선량률은 9.25 cGy/min이었다. 엑스선을 이용하여 측정한 생존분획곡선은 선형이차함수모델 (linear quadratic model)을 적용하였을 때 ${\alpha}/{\beta}$비는 0.611 (${\alpha}=0.0204,\;{\beta}=0.0334,\;R^2=0.999$)이었다. 중성자선에 있어서 생존분획곡선은 저선량 영역에서 어깨영역(shoulder area)을 가지고 있었고, 모든 실험에서 선형이차함수모델에 잘 맞았다. ${\alpha}$의 평균값은 -0.315 (범위, $-0.254{\sim}-0.360$)였고, ${\beta}$값은 0.247 (범위, $0.220{\sim}0.262$)이었다. 납차폐를 하였을 때에도 생존분획곡선에서 어깨영역은 없어지지 않았다. 중성자선의 RBE (relative biological effectiveness) 값은 생존분획이 0.1일 때 $2.07{\sim}2.19$ 범위였고, 0.01일 때 $2.21{\sim}2.35$였다. 결 론: MC50에서 생성된 중성자선은 상당량의 감마선을 내포하고 있으며 이것이 생존분획곡선에서 어깨영역이 나타나는 데에 기여하였을 것이다. MC50의 중성자선의 RBE 값은 약 2.2였다.