Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы 14
1.1 Биокинетическая модель поведения трития в организме человека 14
1.2 Простая оценка эффективной дозы от инкорпорированного трития 20
1.3 Инструктивно-методические указания ИМУ-71 23
1.4 Методические указания МУ 2.6.1.15-2002 26
1.5 Американский национальный стандарт ANSI N13.14-94 30
1.6 Заключение по литературному обзору 34
2 Материалы и методы исследования 36
2.1 Интерпретации результатов измерения с учётом неопределённостей... 36
2.1.1 Постановка и решение задачи оценки поступления и ожидаемой эффективной дозы 43
2.1.2 Функция правдоподобия 46
2.1.3 Выбор модели скорости поступления НТО в организм работника 52
2.1.4 Априорное распределение параметров ритма поступления 56
2.1.5 Формула Байеса для апостериорного распределения параметров ритма поступления 60
2.2 Методы расчёта статистических характеристик параметров 62
2.3 Алгоритм МБР 70
2.4 Расчёт ОЭД и фактора неопределённости при специальной модели 73
3 Результаты и обсуждение 75
3.1 Имитационное моделирование поступления НТО 75
3.2 Зависимость фактора неопределённости ОЭД от частоты измерений ... 83
3.3 Тестирование на реальных данных 94
3.3.1 Случай 667 95
3.3.2 Случай 1221 100
Заключение 108
Благодарности 110
Приложение А. Тест на сходимость 111
- Методические указания МУ 2.6.1.15-2002
- Выбор модели скорости поступления НТО в организм работника
- Методы расчёта статистических характеристик параметров
- Зависимость фактора неопределённости ОЭД от частоты измерений
Введение к работе
Актуальность исследования
В радиобиологии, изучающей действие ионизирующего излучения на объекты живой природы, одной из актуальных является проблема радиационной безопасности. Количественным критерием воздействия ионизирующего излучения на органы и ткани человека является доза облучения, особенно это касается внутреннего облучения, дозу от которого невозможно измерить. Вместе с тем, при отсутствии данных о величине дозы, невозможно оценить радиационный риск, который является основой гигиенического нормирования.
При этом возникает вопрос: насколько оценка дозы внутреннего облучения может отличаться от истинного значения, то есть насколько велика ошибка точечной оценки? Иными словами, необходимо установить в каком интервале значений находится истинная доза. Для решения этого вопроса необходима оценка неопределённости дозы внутреннего облучения. Для величин, которые невозможно измерить напрямую, неопределённость чаще всего оценивается с помощью Байесовского подхода (Хей Дж., 1987). Данный метод даёт не просто точечные оценки поступления нуклида в организм человека и дозы внутреннего облучения, а оценивает функции плотности их распределения, то есть позволяет ответить на вопрос, поставленный в начале исследования. На основе функции плотности распределения (ФПР) можно рассчитать все необходимые статистические характеристики, такие как: средняя доза, её дисперсия, стандартное отклонение и квантили.
Оценка неопределённости дозы внутреннего облучения, во-первых, является количественным показателем текущего состояния системы индивидуального дозиметрического контроля (ИДК) выбранного нуклида, и во-вторых, позволяет наметить пути совершенствования данной системы, связанные с уменьшением неопределённостей рассчитываемых доз.
Байесовский подход может быть использован для оценки дозы внутреннего облучения от любого инкорпорированного радионуклида. В настоящей работе оценки доз были сделаны для трития – ввиду простоты его биокинетической модели, а также актуальности в системе радиационной защиты: как персонала, так и населения.
В последние 10 лет в области внутренней дозиметрии и эпидемиологии оценкам неопределённости доз (Harrison J.D., 2002; Molokanov A.A., 2003; Puncher M., 2007; Miller G., 2009 и др.), и, соответственно, оценкам неопределённости радиационного риска (Preston D., 2007, Публикация №103 МКРЗ) уделяется большое внимание. Оценка неопределённости дозы при мониторинге внутреннего облучения в настоящее время зафиксирована в международном стандарте (ISO 27048:2011).
Цель исследования
Целью работы являлась разработка современной методики, основанной на Байесовском подходе, и оценка с её использованием неопределённости ожидаемой эффективной дозы (ОЭД) и неопределённости номинального риска.
Задачи исследования
-
Создать модель скорости поступления трития в организм работника, введя параметр , определяющий вероятность острого поступления;
-
Разработать методику и программное обеспечение для статистической обработки измерений концентрации трития в пробах мочи, рассчитать оценки ОЭД и фактор её неопределённости в зависимости от параметра ;
-
Исследовать зависимость фактора неопределённости ОЭД от частоты измерений концентрации трития в пробах мочи и стабильности радиационной обстановки, выраженной через параметр ;
-
Оценить частоту измерений трития при существующем значении приемлемого фактора неопределённости, принятого в МУ 2.6.1.026-2000, а также оценить необходимую частоту измерений концентрации трития в моче в условиях наихудшего сценария поступления радионуклида в организм работника;
-
Выполнить расчёты ОЭД и номинального риска, а также факторов их неопределённости в условиях современного производства.
Научная новизна исследования
Впервые в условиях ПО «Маяк» применён Байесовский подход для оценок доз внутреннего облучения от инкорпорированного трития. Предлагаемый метод расчётов впервые позволяет учитывать радиационную обстановку в производственных помещениях в условиях хронического постоянного равномерного поступления (стабильная обстановка) или набора острых однократных поступлений, произошедших в неизвестные моменты времени (нестабильная обстановка), а также их комбинации. Метод также позволяет оценить неопределённость номинального риска.
Практическая значимость исследования
Научно-практическая значимость исследования заключается в оценке ОЭД с помощью Байесовского подхода, что позволяет рассчитывать не только её среднее значение, но и фактор неопределённости. Методика позволяет оценить ОЭД и номинальный риск для профессиональных работников, обеспеченных результатами измерения концентрации трития в пробах мочи. Для перехода от ОЭД к номинальному риску используется усреднённое значение коэффициента номинального риска, равное 0,05Зв-1 (НРБ-99/2009). Полученные результаты расчёта должны быть использованы при радиационно-гигиеническом заключении с целью совершенствования системы радиационной защиты персонала.
Положения, выносимые на защиту
-
Методика позволяет оценивать неопределённости годовой ОЭД и номинального риска с учётом стабильности радиационной обстановки, выраженной через параметр ;
-
Значение приемлемого фактора неопределённости годовой ОЭД следует установить для трития на уровне 1,5…1,7 вместо действующих в МУ 2.6.1.026-2000 уровней 2,5…3,0.
Внедрение результатов исследования
На основании материалов диссертации создан проект методики выполнения расчёта МВР 2.6.1.__–2010 «Расчёт ожидаемой эффективной дозы внутреннего облучения тритием и её неопределённости на основе Байесовского подхода», прошедший метрологическую экспертизу во ВНИИФТРИ (свидетельство об аттестации методики радиационного контроля №40090.0Ж561), создан проект Регламента «Дозиметрический Контроль внутреннего облучения инкорпорированным тритием персонала ПО «Маяк»».
Личный вклад соискателя
Автор лично разработал методику выполнения расчёта (МВР), прошедшую метрологическую аттестацию, а также проект регламента дозиметрического контроля облучения при инкорпорации трития. Автором лично был написан исходный код программы, позволяющей производить оценку ОЭД и номинального риска на основе Байесовского подхода. Исходный код программы приведён в приложении к диссертационной работе.
Апробация диссертации
Материалы диссертации были рассмотрены на рабочем совещании специалистов РБ ПО «Маяк» (г. Озёрск) в апреле 2010 года, на рабочем совещании с представителями ГК «Росатома» (г. Касли) в сентябре 2010 года, на IV международной конференции УНПЦ РМ (г. Челябинск) в ноябре 2010 года, на расширенном заседании учёного совета Южно-Уральского института биофизики (г. Озёрск) в марте 2011 года, на расширенном заседании учёного совета ФМБЦ имени Бурназяна (г. Москва) в мае 2011 года, и на расширенном заседании учёного совета УНПЦ РМ (г. Челябинск) в ноябре 2011 года.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 20 печатных работ, из них 6 опубликовано в журналах, входящих в перечень рецензируемых журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура диссертации
Методические указания МУ 2.6.1.15-2002
Официально в Российской Федерации в области, методического обеспечения дозиметрического контроля внутреннего? облучения от инкорпорированных радионуклидов действуют методические указания МУ 2.6.1.026.2000 [47] и, несколько методик выполнения расчёта [48, 49, 50], позволяющих- рассчитывать как ОЭД, так и фактор её неопределённости по серии- результатов измерений. Наиболее распространённой среди лабораторий внутренней дозиметрии является МБР1 2.6.1.60-2002 [50], основанная, на интерпретации систематических результатов измерений в биологических пробах при острых однократных поступлениях, произошедших в случайные моменты времени. Предложенный в данной МВР способ расчёта ОЭД использует метод статистических испытаний Монте-Карло. Для решения проблемы отрицательных оценок поступлений, в случае если «подкладка» от предыдущих поступлений окажется выше, чем сам результат измерения активности, используется оригинальный метод аппроксимаций. Основными достоинствами МВР 2.6.1.60-2002 является относительная простота её использования, и высокая скорость расчётов, а главными недостатками — отсутствие статистического базиса (фактически предполагается, что поступление и доза внутреннего облучения являются наблюдаемыми величинами в мысленном эксперименте), неучёт априорной информации о радиационной обстановке в производственных помещениях и невозможность использования хронической постоянной скорости поступления нуклида в организм профессионального работника.
Представленная работа направлена на ликвидацию указанных недостатков путём создания собственной методики. Помимо этого в ней произведена оценка минимального числа измерений, необходимого для выполнения требований по фактору неопределённости ОЭД при организации ИДК внутреннего облучения от трития. Цели работы: Целью работы являлась разработка современной методики, основанной на Байесовском подходе, и оценка с её использованием неопределённости ОЭД и неопределённости номинального риска. Выполненные задачи, необходимые для достижения цели: 1) Создана модель скорости поступления трития в организм работника, введя параметр а, определяющий вероятность острого поступления; 2) Разработана методика и программное обеспечение для статистической обработки измерений концентрации трития в пробах мочи, рассчитаны оценки ОЭД и фактор её неопределённости в зависимости от параметра а; 3) Исследована зависимость фактора неопределённости ОЭД от частоты измерений концентрации трития в пробах мочи и стабильности радиационной обстановки, выраженной через параметр а; 4) Оценена частота измерений трития при существующем значении приемлемого фактора неопределённости, принятого в МУ 2.6,1.0262000, а также оценена необходимая частота измерений концентрации трития в моче в условиях наихудшего сценария поступления радионуклида в организм работника; 5) Выполнены расчёты ОЭД и номинального риска, а также факторов их неопределённости в условиях современного производства. Научно-практическая значимость исследования состоит в том, что разработанный подход к оценке поступления трития и ОЭД позволяет рассчитывать не только их среднее значение, а также их фактор неопределённости. Методика позволяет оценить ОЭД и номинальный риск для профессиональных работников, обеспеченных результатами измерения концентрации трития в пробах мочи. Для перехода от ОЭД к номинальному риску используется усреднённое значение коэффициента номинального риска, равное. 0,05-Зв"1 [52]. Полученные результаты расчёта должны быть использованы при радиационно-гигиеническом заключении с целью совершенствования системы радиационной защиты персонала. На защиту выносятся следующие положения: 1) Методика позволяет оценивать неопределённости годовой ОЭД и номинального риска с учётом стабильности радиационной обстановки, выраженной через параметр а; 2) Значение приемлемого фактора неопределённости годовой ОЭД следует установить для трития на уровне 1,5... 1,7 вместо действующих в МУ 2.6.1.026-2000 уровней 2,5...3,0. В соответствии с современной российской нормативной базой в области обеспечения радиационной безопасности - НРБ-99 [51] и НРБ- 99/2009 [52], основным параметром, который необходимо контролировать при внутреннем облучении от инкорпорированных нуклидов, является ожидаемая эффективная доза (ОЭД) на всё тело человека, обусловленная их поступлением в течение одного года или пяти календарных лет. Если внешнее облучение отсутствует, то предельно допустимой считается ОЭД, равная 20 мЗв в год в среднем за любые последовательные пять лет, при этом за один календарный год ОЭД не должна превышать 50 мЗв. Основными путями поступления нуклидов в организм человека являются: ингаляционный, пероральный и перкутанный через поврежденную и неповрежденную кожу [53]. Поступающий в организм нуклид обладает различными физико-химическими свойствами: агрегатное состояние, размер частиц (для твёрдого состояния), химическая форма. Физико-химические свойства соединений трития подробно изложены в работе Эванса [54]. Для каждой комбинации пути поступления и физико-химического свойства нуклида может быть рассчитан дозовый коэффициент, равный значению ОЭД при поступлении в организм человека единичной активности (1 Бк).
Выбор модели скорости поступления НТО в организм работника
Допустим, что даны результаты измерений концентрации НТО в пробах мочи С/;(О и/или конденсатах паров выдыхаемого воздуха С (О, с указанием стандартной неопределённости результатов измерений или а(сГ(0), соответственно. Вводится индекс / = 1..лг , где N - число измерений. Согласно [56], концентрация окиси трития в конденсате паров выдыхаемого воздуха на 5-20% ниже концентрации в жидкостях тела. Поэтому результат измерения концентрации в парах выдыхаемого воздуха СГ(0 необходимо увеличить в 1,125 раза, а также учесть дополнительную относительную неопределенность, связанную с данным переходом (данная неопределённость получается при использовании равномерного распределения коэффициента перехода от концентрации в жидкостях тела к концентрации в конденсате парах выдыхаемого воздуха, находящегося в диапазоне от 1,05 до 1,2 [86, 87]).
Известны оценки математических ожиданий аиь""е (15%) и ааь г (20%) [84]. Биологическая вариабельность концентрации трития в конденсате паров выдыхаемого воздуха учитывает неопределённость, связанную с переходом от неё к концентрации НТО в жидкостях тела.
Для того, чтобы? корректно решить поставленную; задачу, необходима дополнительная, априорная информация о ритме поступления? трития в организм работника, то есть информация о скорости У(0. Одним из подходов к решению? данной задачи является выбор нескольких параметров» скорости поступления, причем; число этих параметров следует сократить до минимума (принцип бритвы Оккама [88]):.При условии,; .что-число-параметров скорости значительно меньше числа- измерений концентрации, можно решить данную задачу« в рамках классического регрессионного анализа [89]. Например, регрессионный анализ можно применить, в случае, если: оценивается только скорость хронического ! поступления окиси? трития ,У0 в жидкости тела работника, без учёта острых однократных поступлений. Как будет показано в дальнейшем: (см: раздел 3.3.2, случай 1221), удовлетворительно описать данные с помощью такой- простейшей модели ритма поступления не всегда удаётся. При использовании модели, острых случайных поступлений с течением времени, число параметров резко» возрастает и превосходит число - измерений: Поэтому для оценки распределения этих неизвестных параметров необходимо применение специальных методов, ограничивающих область возможных решений. Без: априорных ограничений; по параметрам скорости поступления НТО в организм человека, задача оценки поступления и ОЭД имеет бесконечное число: решений.
Подходящим методом для решения данного класса задач является Байесовский подход; [ 90 ], оперирующий как с исходными данными - результатами измерений так и с априорной информацией об оцениваемых параметрах модели скорости поступления трития в организм работника. Данный метод позволяет построить вероятностное распределение искомых величин, а затем на основе их распределения (точнее сказать, его статистических испытаниях) находить оценки любых статистических характеристик. Байесовский подход является методом, позволяющим успешно решить задачи, поставленные в данном исследовании.
Методы расчёта статистических характеристик параметров
Интерпретация результатов измерений на графике выглядит как сумма хронического поступления в течение всего календарного года (за исключением отпуска) со скоростью У0 = (9,6±0,2)х\0 2 МБк/ и острого поступления /30 = (8,7± 1,3) МБк , оценка ОЭД = (0,70±0,03) мЗв , Ш=1)07.
Относительная стандартная неопределённость ОЭД составила -4%, что в 2,5 раза меньше аналогичной оценки при параметре а = 0,1 сут \ заданном для всего календарного года. Значение критерия % /N=1,9 может свидетельствовать о неудовлетворительной интерпретации исходных данных. На рисунке 3.26 видно, что стандартная модель выведения трития с периодом полувыведения 10 суток предсказывает более длительную задержку радионуклида в организме, чем результаты измерения, начиная с 30-го. Возможным выходом в данной ситуации является использование специальной модели выведения трития из организма работника для периода времени со 160-х по 200-е сутки. Это приведёт к изменению всей предложенной концепции оценки ОЭД, опирающейся на стандартную модель поведения окиси трития в организме человека. Возможным выходом является сочетание Байесовского подхода и метода расчёта ОЭД при инцидентах или внештатных ситуациях, описанного в разделе 2.4.
В рамках данной, диссертации применен1 Байесовский подход для? оценки поступления окиси трития в-организм работника и дозы внутреннего облучения. Создана методика выполнения расчета (МВР) ОЭД и фактора её" неопределенности, что является основным преимуществом перед методиками, представленными в литературном обзоре. Создана специальная компьютерная- программа НТО_МС, реализующая1 методику. Успешное применение методики и относительно быстрый, расчёт на. персональном компьютере обусловлены простотой модели поведения трития в организме человека. Линейное дифференциальное уравнение было решено аналитически, что не всегда возможно для других нуклидов (например - для модели поведения плутония, состоящей из системы 50-ти дифференциальных уравнений).
Методика была успешно протестирована на 2-х реальных случаях Производственного Объединения «Маяк» 2008 года с большим числом измерений концентрации трития в пробах мочи ( 60 измерений в год у каждого работника). Методика может быть рекомендована к применению при текущем ИДК службами РБ предприятий, работники которых могут находиться в контакте с различными соединениями трития; при этом модель скорости поступления должна отвечать реальной радиационной обстановке. При возникновении внештатной ситуации, связанной с острым однократным поступлением окиси трития в организм работника и увеличением объёма потребляемой жидкости, направленного на снижение дозовой нагрузки, необходимо воспользоваться методикой расчёта дозы и фактора неопределённости, представленной в разделе 2.4. По результатам работы можно сделать следующие выводы: 1) Методические указания МУ-2.6.1.026-2000 должны быть пересмотрены в части снижения приемлемых уровней неопределённости ОЭД при поступлении трития в организм профессиональных работников; 2) Введённый в методику параметр а, являющийся скоростью возникновения острого поступления НТО в организм профессионального работника, сильно влияет как на оценку годовой ОЭД, так и на её фактор неопределённости; 3) Оценка ОЭД при наихудшем сценарии поступления НТО в организм профессионального работника функционально зависит как от среднего уровня концентрации трития в пробах мочи, так и от количества производимых измерений в течение года; 4) Число необходимых измерений концентрации трития в моче должно определяться выбранным контрольным уровнем ОЭД, а также радиационной обстановкой рабочих "помещения, выраженной через параметр а. Благодарности Автор хотел бы выразить благодарность Хохрякову Валентину Фёдоровичу (Южно-Уральский институт биофизики) за переданный опыт в написании научных работ, . Обеснюку Валерию Фёдоровичу (ЮжноУральский институт биофизики) за важные консультации в области математики и теории вероятности, Guthrie Miller (Национальная Лаборатория Лос-Аламос, США) за помощь в освоении Байесовского подхода, Шеремету Виктору Владимировичу (Производственное Объединение «Маяк») за оказанную помощь при передаче результатов измерений и обсуждении полученных результатов их обработки.
Зависимость фактора неопределённости ОЭД от частоты измерений
Значения допустимой объёмной активности (ДОА) из таблицы 1.1 используются для группового дозиметрического контроля (ГДК), основанного на измерениях объёмной активности различных соединений трития в воздухе рабочих помещений. Оценка дозы внутреннего облучения, рассчитанная по объёмным активностям трития в воздухе производственных помещений, может быть получена только со значительной неопределённостью, связанной с неравномерным распределением активности внутри производственных помещений и перемещением работников между помещениями в течение дня. Для кардинального снижения неопределённости дозы внутреннего облучения от трития необходимо проводить измерения концентрации нуклида в биологических пробах (моча, конденсат паров выдыхаемого воздуха) каждого профессионального работника.
Основным способом оценки индивидуальной дозы внутреннего облучения практически всех нуклидов является использование биокинетической модели поведения в организме человека [55]. Зная путь поступления и физико-химические свойства нуклида, момент времени поступления, сопоставляя модельные значения активности и результаты измерений, можно оценить значение уровня поступления нуклида, и, следовательно, ОЭД внутреннего облучения. Качественный обзор по моделям метаболизма трития в организме животных и человека приведён в книге коллектива авторов под редакцией-Ю.И. Москалёва [56].
Вне зависимости от химической формы (за исключением- аэрозолей трития, которые не рассматриваются в рамках данного исследования) и пути поступления- в организм человека, через некоторое время с момента поступления, тритий в виде окиси (НТО) равномерно распределяется в жидкостях тела. Дальнейшее поведение окиси трития в жидкостях тела человека практически совпадает с поведением обычной воды - Н20 [57]. Небольшая часть НТО переходит из жидкостей тела в мягкие ткани, с которыми органически связывается [58]. Органически связанный тритий (ОСТ) переходит обратно в жидкости тела, а затем выводится с водой из организма. Динамические наблюдения за кинетикой выведения трития из организма показали, что в организме он связан не только с водой, но и с органическими структурами тела. Этот факт подтверждается наличием нескольких периодов полувыведения окиси трития из организма [59, 60].
Для целей радиационной защиты персонала, имеющего контакт с соединениями трития, Международная Комиссия по Радиологической Защите (МКРЗ) предлагает три различных коэффициента перехода трития в форму окиси при ингаляционном поступлении и простейшую модель убывания окиси трития из организма условного работника с периодом полувыведения 10 суток [62]. Масса тела условного работника принята равной 70 кг, масса мягких тканей — 63 кг (исключается масса скелета), масса жидкостей тела - 42 кг (60% от общей массы тела), объём 42 л [63]. Эквивалентная доза внутреннего облучения, обусловленная ОСТ, исключается из расчёта эффективной дозы, хотя по оценке Johnson [64], она составляет при хроническом равномерном поступлении -10% от эквивалентной дозы, обусловленной окисью трития в жидкостях тела человека. Измерить активность трития непосредственно в организме невозможно из-за очень низкой энергии его /?-излучения ( EJ = 5,7 коВ, Ерс = 18,6 кэВ ) [ 65 ]. Поэтому на практике проводят измерения удельной активности (концентрации) оксида трития (НТО) в пробах мочи или конденсате паров выдыхаемого воздуха. В первом приближении изменение концентрации НТО в жидкостях тела человека C{t)\ выраженная в , при заданной скорости поступления V{t) , может быть описано с помощью линейного дифференциального уравнения первого порядка с начальным условием [66]: Так как период полураспада трития значительно превышает период его биологического полувыведения, то при расчётах динамики концентрации НТО в жидкостях тела процессом радиоактивного распада можно пренебречь. Период полувыведения НТО из организма не является фиксированным и может варьироваться около среднего значения, как для одного человека с течением времени, так и переходе от одного человека к другому. В работах [68, 69] показано, что в первом приближении параметр подчиняется треугольному закону распределения с минимальным значением - 4 суток, максимальным значением - 18 суток и модой (наиболее вероятным значением) - 9 суток. Данное распределение показано на рисунке 1.2. Скорость выведения трития из жидкостей тела человека, в первом приближении, подчиняется обратному треугольному распределению. При указанных выше параметрах треугольного распределения математическое ожидание периода полувыведения из жидкостей тела равно 10,3 суткам, а стандартное отклонение - 2,9 суткам. В случае аварийного повышенного поступления трития в организм человека, вследствие резкого увеличения объёма потребляемой жидкости, период полувыведения, как правило, уменьшается.
