Содержание к диссертации
Введение
1 Биодозиметрия с использованием эмали зубов человека 12
1.1 Метод ЭПР-дозиметрии кальцифицированных тканей 12
1.2 Дозы в эмали от естественного радиационного фона 16
1.3 ЭПР дозиметрия внешнего -излучения при ретроспективных исследованиях неконтролируемых радиационных ситуаций 19
1.4 ЭПР дозиметрия в присутствие остеотропных радионуклидов 21
1.5 Зуб как объект исследований 22
2 Дозиметрия для населения прибрежных территорий реки Течи и Восточно Уральского радиоактивного следа 29
2.1 Радиационная ситуация на Южном Урале 29
2.2 Дозиметрия 34
2.3 Принципы валидации оценок доз 43
3 Материалы и методы 49
3.1 Общая постановка задачи 49
3.2. Сбор и хранение образцов 53
3.3 Методики ЭПР-дозиметрии 55
3.4 Исследование радиационной чувствительности эмали зубов 57
3.5 Оценка измерительных характеристик и неопределенностей методик ЭПР дозиметрии 59
3.6 Исследование фоновых доз облучения эмали 63
3.7 ЭПР- дозиметрия для населения, подвергшегося радиационному воздействию в Уральском регионе 64
3.8 Оценка содержания 90Sr в эмали 66
3.9 Моделирование процессов дозообразования в эмали от инкорпорированного 90Sr 72
4 Моделирование индикации радиационного воздействия на эмаль зубов 76
4.1 Источники неопределенности 76
4.2 Метод оценки измерительных характеристик ЭПР дозиметрии эмали зубов 77
4.3 Ретроспективный анализ стабильности измерительных характеристик 85
4.4 Измерительные характеристики методов, использовавшихся в исследованиях зубов сельских жителей Уральского региона 89
4.5 Нелинейность дозовой зависимости ЭПР отклика 93
5 Гетерогенность дозиметрических свойств эмали: радиационная чувствительность и вариабельность фоновых доз 98
5.1 Индивидуальная вариабельность радиационной чувствительности эмали зубов 98
5.2 Первичный анализ результатов измерений фоновых доз методом ЭПР 105
5.3 Разработка и использование метода и статистическая реконструкция фоновых доз в эмали зубов 106
6 Гармонизация ЭПР измерений 114
6.1 Корректировка систематических ошибок 114
6.2 Присвоение математических ожиданий величинам ниже пределов детектирования 116
6.3 Проверка эффективности гармонизации 118
6.4 Среднегрупповые техногенные дозы, аттрибутируемые измерениям, не отличающимся от естественного фона 119
6.5 Стандартная неопределенность оценки гармонизированных доз и усреднение неравноточных результатов измерений 123
6.6 Применение методов гармонизации для оценки техногенных доз облучения эмали зубов жителей прибрежных территорий р. Течи 124
7 Вклад остеотропного 90Sr в дозу, накопленную в эмали зубов жителей прибрежных территорий реки Течи 129
7.1 Сверхвысокие дозы 129
7.2 Сопоставление результатов ЭПР измерений доз в различных зубных тканях 132
7.3 Принцип расчета доз внутреннего облучения эмали 134
8 Дозиметрическое моделирование облучения эмали для 90Sr/90Y в зубных тканях 142
8.1 Вычислительные фантомы зубов человека 142
8.2 Изучение размеров зубов сельских жителей Уральского региона 146
8.3 Воксельные фантомы коронок зубов людей с учетом возрастных изменений 151
8.4 Дозовые коэффициенты 153
9 Закономерности накопления 90Sr в зубных тканях у жителей прибрежных территорий реки Течи 162
9.1 Описание уровней содержания 90Sr в зубных тканях спустя 60 лет после поступления 162
9.2 Моделирование удельной активности 90Sr в зубных тканях 164
9.3 Валидация модели удельной активности 90Sr в зубных тканях 169
9.4 Использование индивидуальных данных и модельных предсказаний об удельной активности 90Sr в зубных тканях для расчета доз внутреннего облучения эмали 170
10 Оценки доз внутреннего облучения и внешнего гамма излучения в эмали зубов жителей прибрежных территорий реки Течи и Вурса 177
10.1 Дозы внутреннего облучения эмали зубов жителей прибрежных территорий р. Течи 177
10.2 Дозы внешнего гамма-излучения 179
10.3 Валидация доз, рассчитанных с помощью TRDS 184
Заключение 189
Выводы 196
Перечень сокращений и условных обозначений 198
Список терминов 200
Список литературы 202
Приложение А (справочное) Акты о внедрении МР 15.45.63–14 244
Приложение Б (справочное) Свидетельство о государственной регистрации и акты о внедрении компьютерной программы “EPR-dosimetry performance” 247
Приложение В (справочное) Свидетельство о государственной регистрации и акт о внедрении компьютерной программы “Программа расчета доз внутреннего облучения эмали зубов от инкорпорированного в зубных тканях 90Sr” 252
Приложение Г (справочное) Акты о внедрении МР 58-18-2018 и МР 17.083-2018 254
- Зуб как объект исследований
- Оценка содержания 90Sr в эмали
- Принцип расчета доз внутреннего облучения эмали
- Валидация доз, рассчитанных с помощью TRDS
Зуб как объект исследований
Гистологически зуб состоит из трех твердых тканей: эмаль, дентин и цемент. Полость внутри дентина заполнена пульпой – мягкой тканью [56, 64]. Функционально – эмаль обеспечивает защиту коронке и является самой твердой тканью организма. Индивидуальная вариация размеров зубов и их формы может быть весьма значительной. Согласно [145], одонтометрические параметры зубов разных функциональных групп имеют нормальное распределение с коэффициентами вариации от 5 до 17% (таб. 1.1).
Эмаль зубов по твердости близка к алмазу. Это самая минерализованная биологическая ткань. Концентрация гидроксиапатита в ней составляет 97%. Это единственная биологическая ткань, где нет живых клеток. Соответственно, процессы метаболизма в ней крайне замедлены, а химический состав – стабилен [37, 56, 64]. Кристаллы гидроксиапатита в эмали постоянных зубов человека имеют стержнеподобную форму [146]; длина стержней - 500-600 нм, ширина -68,3±13,4 нм, а толщина - 26,3±2,2 нм [147, 148]. Межкристаллическое пространство заполнено органическим гелем, состоящим из воды и органической компоненты. Содержания воды и органических веществ в зубной эмали примерно равны 2% и 1%, соответственно [149]. Кристалы гидроксилапатита объединены в стержни конической формы с закругленным основанием диаметром около 5 мкм, которое затем сужается, образуя “хвост” длиной 5 мкм. Такая структура плотно упакованных стержней, скрепленных органической матрицей, обеспечивает надежное сцепление кристаллитов. Стержни, в свою очередь, объединены в блоки, где они расположены вдоль одной оси. Подробные описания структуры гидроксиапатита даны в обзорах [56, 63, 64, 146, 149, 150]. Наличие выделенных ориентаций кристаллитов гидроксилапатита приводит к тому, что соотношение интенсивностей отдельных резонансных линий в ЭПР-спектре пластинки зубной эмали зависит от ориентации пластинки в магнитном поле [63, 64]. Для снижения эффекта анизотропии и получения усредненной формы РИС необходим размол эмали. Благодаря органическим прослойкам между стержнями кристаллитов зубная эмаль оказывается легко проницаемой для ионных комплексов (СаВ+, PO43-, OH- и др.) и молекул (Н20, Н2PO4 и др.) [63, 64]. Химический состав и плотность эмали представлены в таб. 1.2.
Толщина слоя эмали в различных отделах коронки не неодинакова. Толщина боковой поверхности эмали уменьшается от вершины коронки к шейке зуба. У задних зубов (премоляров и моляров) максимальная толщина эмали – на жевательной поверхности в области жевательных бугорков, а наименьшая - в области фиссурных складок и центральных ямках жевательных поверхностей и в пришеечной области (рис. 1.5). У резцов максимальная толщина эмали – на режущем крае, а минимальная – в пришеечной области. Минимальные и максимальные толщины эмали на примере первого нижнего, второго верхнего и второго нижнего моляров, оцененные для сельских жителей Уральского региона, представлены в таб. 1.3.
Дентин
В составе дентина органическая компонента составляет существенно больший процент, по сравнению с эмалью (таб. 1.2). Она состоит в основном из коллагена и небольшого количества мукополисахаридов и жиров [155]. В дентине, в отличие от эмали, имеются живые клетки – одонтобласты, которые располагаются на границе дентина и пульпы. Дентин, который формируется одонтобластами после прорезывания коронки, называют вторичным. Следует заметить, что формирование и рост вторичного дентина происходит в направлении пульпарной полости и скорость процесса много меньше, чем таковая для первичного дентина [37]. Визуально вторичный дентин отличается от первичного по цвету. На изображениях фракции дентина отделены друг от друга темной линией [57]. Максимальная скорость прироста вторичного дентина соответствует верхней части пульпарной полости, минимальная - боковым стенкам. Анизотропия скорости прироста вторичного дентина более выражена у премоляров и моляров. Несмотря на постоянный процесс образования вторичного дентина, объем первичного дентина во много раз больше вторичного. Первичный дентин имеет низкий уровень минерального обмена, в нем практически не происходит реминерализации. Подробные описания строения и структурной организации дентина представлены в обзорах [56, 64, 149, 150 - 152, 155, 156 - 158]. Химический состав дентина и его плотность описаны в таб. 1.2. Минеральная компонента дентина составляет 70% [37].
Биоминералы костной ткани состоят из кристаллической (гидроксиапатит кальция – Са10(РО4)6(ОН)2) и аморфной (фосфат кальция – Са3(РО4)2) фазы. В таб. 1.4 представлено сопоставление долей кристаллической и аморфной фаз в составе минеральных фракций дентина и эмали [149].
Важной особенностью дентина является неоднородное распределение плотности и неорганической фракции в коронке зуба. Так, например, плотность дентина на эмалево-дентинной границе близка к плотности эмали, и здесь неорганическая фракция преобладает над органической. На пульпарно-дентиной границе (где локализован вторичный дентин, формируемый после прорезывания зуба) наблюдается обратная тенденция. Структура дентина корня более гомогенна. В связи с этими особенностями дентина, в рамках данной работы мы будем подразделять весь дентин на первичный дентин коронки, вторичный дентин коронки и дентин корня. Пульпа
Пульпа - рыхлая соединительная ткань, богатая клетками и межклеточным веществом, пронизаная сосудами и нервами. Клетки пульпы - одонтобласты и их отростки [37]. На рис. 1.5 начальные размеры пульповой камеры после прорезывания зуба показаны пунктирной линией, а размеры пульпы взрослого человека - сплошной линией. Уменьшение размеров пульпы в течение жизни человека может быть весьма значительным. Например, высота пульпы первого нижнего моляра к 70-ти годам уменьшается на 60% от первоначальных размеров, а линейные размеры в медиально-дистальном и вестибулярно-лингвальном направлении - на 20%. Таб. 1.5 показывает типичные размеры пульпы для трех типов моляров, характерные для сельских жителей Уральского региона в возрасте 60 - 70 лет [145].
Цемент
Цемент – слой костной ткани, покрывающий внешнюю поверхность дентина корня. Основная доля цемента, расположенного на боковых стенках корней зубов, не содержит клеток. У вершин корней цмент содержит клетки – цементоциды. Минеральная составляющая цемента много ниже таковой в дентине (не превышает 60%). При этом содержание гидроксиапатита не превышает 40% [37]. Химический состав цемента приведен в таб. 1.2. Сроки формирование постоянных зубов
Морфогенез, закономерности роста и развития, химия кристаллов и биохимия зубных тканей подробно описаны в литературе [133, 149, 155]. Каждый зуб имеет собственные сроки формирования. В таб. 1.6 указаны сроки основных этапов развития зубов.
Формирование постоянных зубов – это длительный процесс, который завершается к 12 – 15 годам (за исключением зубов мудрости) [143, 150, 156, 160, 161]. Скорость формирования коронки подробно исследовалась на основе морфологических данных [162, 163]. Согласно [163], скорость формирования эмали – величина, снижающаяся с возрастом. Наиболее интенсивно процессы минерализации эмали протекают в начальный период ее формирования. Как видно из рис. 1.6, большая часть эмали формируется в короткий период времени (около одного-двух лет).
Особенности минерального обмена зубных тканей
Исследования показали, что максимальная скорость встраивания остеотропных радионуклидов в кальцифицированные ткани наблюдается в период их минерализации [164]. Вследствие отсутствия живых клеток, полностью минерализованная (зрелая) эмаль характеризуются ограниченным обменом веществ. Метаболизм кальция и его метаболических аналогов (как, например 90Sr) происходит вследствие процессов диффузии и ионного обмена [133, 144].
Метаболизм кальция (стронция) в дентине сформированного зуба определяется двумя процессами: (а) ионный обмен на поверхности дентинных трубочек и на пульпарной поверхности и (б) продолжающееся формирование претубулярного дентина (дентина вокруг дентинных трубочек) и вторичного дентина на месте пульпарной поверхности [133]. В ответ на различные внешние раздражения (такие как кариес, химические раздражители, стоматологические процедуры, стирание, травмы) образуются дополнительные порции репаративного дентина [150, 157]. Толщина стенок корневых каналов увеличивается на 15 – 30% в период с 20 до 50 лет [133, 159]. Эти процессы объясняют поступление стронция в дентин сформированного зуба.
Не достаточно хорошо изучен к настоящему времени сложный процесс выведения минеральных веществ из зубных тканей. Для эмали следует отметить такие процессы, определяющие выведение кальция, как диффузия, поверхностные процессы растворения и деминерализации, механическое истирание [158]. Для дентина выведение минеральных веществ определяется диффузией и ионным обменом, главным образом, на поверхностях дентинных трубочек и на границе с пульпарной полостью. Многократные измерения на протяжение длительного времени отклика на содержание 90Sr+90Y в эмали жителей прибрежных территорий реки Теча, которые выполнялись торцевым зубным датчиком (контактное -детектирование), позволило обнаружить, что суммарная активность 90Sr+90Y вестибулярной поверхности эмали резцов снижается в среднем со скоростью 1,9% в год [36]. Однако, эти изменения могут быть связаны не с метаболизмом, а со стиранием эмали с возрастом. То есть, удельная активность эмали может оставаться постоянной, не смотря на снижение суммарной активности.
Оценка содержания 90Sr в эмали
Для измерения активности 90Sr в зубных тканях был разработан недеструктивный метод, позволяющий измерять малые активности в порошковых образцах массой 50–150 мг. Метод основан на пассивном термолюминесцентном (ТЛ) детектировании. Разработка метода пассивного ТЛ детектирования
Тонкослойные детекторы -Al2O3:C были приобретены в компании Landauer Inc., их свойства подробно описаны в [310]. Детекторы имеют поверхностную плотность 2–5 мг см- 2 и находятся на алюминиевой подложке толщиной 0,7 мм с внутренним диаметром 6 мм. ТЛ дозиметры размещались на поверхности порошкового образца, приготовленного из зубной ткани. Образец помещался в пластиковую цилиндрическую пробирку. Изначально использовались пробирки со внутренним диаметром, равным диаметру -Al2O3:C - 6 мм (геометрия G1). Однако столь узкие пробирки оказались не удобны для манипуляций. Образцы просыпались, наэлектризовывались и трудно извлекались. Таким образом, терялся уникальный материал и возникала ошибка оценки массы образца. Поэтому было решено перейти на пробирки со внутренним диаметром 1 см (геометрия G2). Чтоб детекторы не загрязнялись и для экранировки от естественных альфа-излучателей, между порошковым образцом и детектором размещалась тонкая майларовая плёнка (толщиной 6,7 мкм; 10 мг см- 2). На рис. 3.6 показана геометрия G2 экспозиции детекторов.
Пробирки помещались в ячейки специально сконструированного лотка (101530 см), расстояние между которыми было 3,3 см. Лоток размещался в центре камеры (756050 см), сложенной из свинцовых кирпичей Детекторы экспонировались в свинцовой камере 4-6 недель. Защитная камера снижала дозу от естественного радиационного фона в 3 раза. Одновременно можно проводить измерения 24-х образцов. Расстояние между образцами было не менее 2 см. Дозиметры извлекались и измерялись на ТЛ ридере с использованием 4-мм теплопоглощающих стеклянных фильтров синего цвета Corning С 7-59 и Chance-Pilkington. Измеренная ТЛ эмиссия конвертировалась в единицы мощности дозы. Для этого было использовано оборудование лаборатории вторичных стандартов HMGU [311, 312]. Индивидуальная чувствительность детекторов оценивалась с использованием источника 90Sr/90Y (555 МБк), встроенного в ридер RISL-DA-12 (время облучения 5с). Измерения интенсивности ТЛ-эмиссии в дальнейшем калибровались в единицы поглощенной дозы после облучения стандартным плоским источником 90Sr/90Y (74 MBq) в лаборатории вторичных стандартов HMGU (согласно протоколу, включающему поправку на температуру и влажность воздуха). Перед калибровкой детекторы отжигались при 400C в течение 15 минут для рекомбинации глубоких ловушек. Затем детектор облучался и, чтобы интенсивность люминесценции оставалась на постоянном уровне, нагревался до 400С со скоростью 2С с- 1.
Влияние космического излучения на результаты измерения проверялось с помощью аналитически чистого кварца, помещаемого в пробирку вместо образца. Три тестовых пробирки с кварцем, экспонирующим образцы, помещались параллельно с измеряемыми зубными тканями. Наряду с космическими лучами, присутствие естественных радионуклидов в кальцифицированных образцах вносит дополнительный вклад в ТЛ отклик. Этот фактор оценивался измерением 29-ти контрольных образцов эмали. Большинство образцов измерялось дважды (всего 54 измерения). Чтобы конвертировать результаты измерения мощности дозы в единицы активности 90Sr, содержащегося в образце-источнике, выполнялось имитационное моделирование методом Монте-Карло, воспроизводящее условия экспозиции дозиметров [107, 313-316].
Метод характеризуется следующими параметрами:
а) критическое значение мощности дозы (Lcd), ниже которой показания детектора являются абсолютно неинформативными, равно 0,051 мГр год-1; эта величина соответствует удельной активности 90Sr/90Y – 0,03 Бк г-1;
б) предел детектирования мощности дозы (LDd), зависит от массы образца. Для образцов массой 100 мг он составляет 0,07 мГр год-1; эта величина соответствует удельной активности
90Sr/90Y – 0,05 Бк г-1
в) предел количественной оценки для мощности дозы (LQd), соответствующий величине, для которой неопределенность оценки 30%, составляет 0,48 мГр год-1; эта величина соответствует удельной активности 90Sr/90Y – 0,35 ± 0,08 Бк г-1;
г) относительная неопределенность оценки удельной активности 90Sr/90Y зависит от величины измеренной мощности дозы. При высоких мощностях доз (начиная с 5 мГр год-1) неопределенность составляет 8%.
Предложенный метод имеет много лучшие измерительные характеристики по сравнению с существующими недеструктивными методами бетаметрии.
Результаты измерений ниже пределов детектирования, получаемые в исследованиях зубов жителей уральского региона, интерпретировались в терминах математического ожидания, приписывая всем таким измерениям значение MOTL=0,011±0,009 мГр год-1, что для образцов массой 100 мг соответствует удельной активности 0,01 ± 0,01 Бк г-1 90Sr/90Y. Монте-Карло моделирование самопоглощения в образце
Транспорт фотонов и электронов в имитируемых средах (рис. 3.6) моделировался методом Монте-Карло в программе MCNP 4C2. В таб. 3.7 представлен химический состав моделируемых сред. Все результаты были получены на основе прослеживания историй для 40 миллионов испущенных бета-частиц. Ошибка среднего для всех результатов была меньше 1%.
Источник изотропного излучения электронов спектра излучения 90г+90у моделировался равномерно распределенным в объеме, занимаемом образцом. Рассчитывалась средняя мощность поглощенной в детекторе дозы при единичном распаде 90Sr+90Y (коэффициент D/A перехода от единиц мощности дозы в детекторе к единицам суммарной активности в источнике). Основными факторами, влияющими на накопление дозы в дозиметре являются толщина слоя источника (обозначена как h на рис. 3.6) и его плотность р. Поэтому были проведены расчеты коэффициентов для двенадцати значений параметра h в интервале от 0,2 до 4 мм и для 3 значений плотностей (1; 1,1 и 1,4 г см"3), соответствующих средним плотностям порошков, изготовленных из дентина коронки, дентина корня и эмали, соответственно [314]. Всего рассчитано по 36 вариантов коэффициентов для различных комбинаций параметров Ьирв геометрии G1 и G2. В результате были получены зависимости, представленные ур-ем (3.11)
Таким образом, результат ТЛ измерений фехр, мГр год"1) пересчитался в единицы удельной активности 90Sr/90Y (A, Бк г1) в измеряемом образце согласно формуле (3.12).
Методики рутинных ТЛ измерений удельных активностей 90Sr в зубных тканях
Если зуб ранее исследовался методом ЭПР спектроскопии, то образцы эмали, приготовленные в соответствие с протоколом ЭПР измерений, использовались и для ТЛ измерений. Остатки дентина механически измельчались. Если зуб ранее не исследовался, то приготовление эмали проводилось в соответствие с протоколом приготовления образцов для ЭПР исследований [107, 278, 315]. Приготовленные образцы представляли собой порошки массой 30 – 150 мг. Всего было измерено 107 образцов эмали зубов от 83-х доноров и 112 образцов дентина от 51-го донора. Измерения проводились в Университете Милана (MU, Италия) и в HMGU (таб. 3.8) [107, 278, 315, 316]. Как видно из таб. 3.8, HMGU в разные годы использовал две модификации метода. Результаты, полученные в разные годы, были унифицированы приведением удельных активностей на 2010 год с учетом периода полураспада 90Sr (28,79 лет) [55].
Принцип расчета доз внутреннего облучения эмали
Базовое уравнение для расчета дозы внутреннего облучения эмали, накопленной с момента начала поступления радионуклида до момента удаления зуба, можно сформулировать как (7.2). где t – время (в годах) с момента поступления (t=tint) радионуклида в i- ю ткань из n=3 возможных локализаций (эмаль, дентин коронки и дентин корня) до времени удаления зуба (m); t=0 – время (в годах) начала поступления
ДКі(ґ,Т,р) - дозовый коэффициент для конвертации удельной активности в единицы индуцируемой мощности дозы, представляющий собой мощность дозы, формируемой в эмали от 7-й локализации источника при единичной удельной активности 90Sr+90Y (поскольку 90Y находится в равновесии с материнским радионуклидом). Дозовый коэффициент зависит от размеров и формы зуба, определяемых их позицией в зубном ряду - р, годом рождения Т и временем t (со временем происходят морфологические изменения коронки).
Для исследований, проводившихся спустя 60 лет после основного поступления радионуклида (например, для жителей прибрежных территорий р. Теча) ур-е (7.2) можно упростить приняв приближение однократного поступления (7.3). где i4g[ vu - удельная активность 90Sr в ткани / , поступившая в момент времени 7=0. Допустимость приближения однократного поступления иллюстрирует рис. 7.4, где приводится сопоставление динамики 90Sr в эмали зубов взрослых жителей села Муслюмово (считая, что элиминация обусловлена только радиоактивным распадом) при реальном поступлении и в приближении однократного поступления.
Реальное поступление 90Sr в организм жителей прибрежных территорий р. Теча было реконструировано в работе [215] на основе тысяч измерений бета-активности эмали с использованием торцевого зубного датчика. Доза в эмали, накопленная за время с момента поступления будет пропорциональна площади под кривой (интегралу). Разница в площади подъинтегральных кривых за 60 лет с момента поступления составила 1%. Таким образом, приближение однократного поступления является адекватным для оценки доз облучения эмали зубов. Ур-е (7.3) базируется на двух группах модельных приближений: геометрических и биокинетических. Геометрические приближения имеют отношение к моделированию процессов дозообразования в эмали и расчету дозовых коэффициентов фС&.Т.р)); биокинетические приближения связаны с накоплением и выведением 90Sr в зубных тканях
Значения дозовых коэффициентов [57] рассчитываются путем моделирования переноса излучений методом Монте-Карло при заданной геометрии тканей-источников и тканей-мишеней. Средняя энергия электронов спектра излучения 90Sr и его дочернего элемента 90Y равна 564,8 МэВ [37]. Этой энергии соответствует длина свободного пробега электронов (в приближении непрерывного замедления) в тканях субов порядка 1-3 мм (в зависимости от плотности). Такой пробег сопоставим с толщинами зубных тканей, а значит, размеры и форма зубов влияют на величину дозового коэффициента [37, 55, 320, 355]. Иными словами, расчет дозовых коэффициентов потребовал геометрического моделирования для создания вычислительных фантомов зубов разных позиций.
Первые расчеты мощностей доз в эмали зубов на единичный распад [355, 356] предполагали максимальное упрощение геометрии. Расчеты проводились для цилиндрических вычислительных фантомов; предполагалось равномерное распределение радионуклидов в тканях зубов. Кроме того, был оценен вклад альвеолярной кости в формирование доз в эмали. Было показано, что вклад альвеолярной кости пренебрежимо мал [355, 356] и далее не рассматривался. Возможность использования приближения равномерного распределения радионуклидов в тканях зуба исследовалась в эксперименте со взрослой собакой [357], которой внутривенно было введено 88,8 МБк раствора 90Sr. Накопление и распределение радионуклида в зубных тканях изучалось на стадии максимального накопления 90Sr в скелете собаки (52 ч после инъекции). Эмаль 4 зубов измерялась методом ЭПР. Пространственное распределение радионуклидов в тканях зубов изучалось с использованием 23-х зубов. Показано, что 90Sr в эмали взрослой собаки (зрелые зубы) был распределен весьма равномерно. Напротив, в дентине удельная активность снижалась от области пульпы до дентино-эмалевой границы на два порядка. Высокая удельная активность 90Sr в пульпе была связана с коротким временем, прошедшим после инъекции 90Sr. Удельная активность вторичного дентина, прилегающего к пульпе, была в 10-15 раз выше, чем в эмали и первичном дентине. Для оценки возможности упростить описание распределения радионуклидов в дентине были проведены расчеты доз в трех разных приближениях: (1) реалистичное распределение радионуклидов в дентине (на основе экспериментальных данных); (2) равномерное распределение 90Sr во всем дентине; (3) равномерное распределение 90Sr во вторичном дентине и пульпе. В последнем случае средняя удельная активность во всем дентине с массой, md, была пересчитана в удельную активность вторичного дентина A2, с массой, m2, согласно уравнению (7.5).
Расчеты были сопоставлены с результатами ЭПР-измерений накопленной дозы в эмали. На рис. 7.5 показано сравнение полученых результатов.
ЭПР доз (горизонтальная линия, пересекающая точку). Усы соответствуют ошибке за счет погрешности измерения удельной активности стронция. Рисунок сделан на основе [357] Как видно из рис. 7.5, использование приближения равномерного распределения 90Sr во всем дентине зрелых зубов приводит к недооценке значения дозы в эмали. Однако, как реалистичный подход, так и приближение равномерного загрязнения вторичного дентина демонстрируют хорошее согласие с результатами ЭПР дозиметрии. Поэтому приближение равномерного распределения радионуклидов во вторичном дентине подходит для расчета дозы в эмали (по крайней мери для зубов, полностью сформированных на момент поступления).
Следует ожидать, что при поступлении радионуклида в дентин зубов, находящихся на стадии формирования коронки, 90Sr включается в основном в первичный дентин. Известно, что эмаль и приэмалевый слой первичного дентина формируются и кальцифицируются одновременно, и удельные активности 90Sr в них должны быть сопоставимы при поступлении радионуклида в период формирования эмали (возраст коронки 4 лет) [55]. Это предположение, основанное на представлениях о физиологии зубов человека, подтверждается авторадиографическими исследованиями зубов населения, проживавшего на берегах р. Течи, [37, 358 –361]. Пример изображения распределения радионуклидов в тканях зуба, полученное с помощью метода фотолюминисцентной авторадиографии для зуба, начало минерализации которого пришлось ноа период максимальных сбросов, показан на Рис. 7.6. Красный цвет соответствует наибольшей удельной активности; голубой – наименьшей.
Как видно из рис. 7.6, красные области, соответствующие максимальным удельным активностям 90Sr наблюдаются в районе эмали, мантильного дентина и в области шейки зуба [37, 53]. Таким образом, приближения о распределении радионуклидов по объему дентина были уточнены следующим образом:
1) для зубов, старше 4-х лет на момент поступления принимается равномерное распределение радионуклидов во вторичном дентине;
2) для зубов младше 4-х лет на момент поступления принимается равномерное распределение радионуклидов в первичном дентине.
As0\ 90 и ег являются предметом биокинетического моделирования и требуют информации об удельных активностях радионуклидов в зубных тканях. Активность традиционно приводится для материнского радионуклида. Поэтому в ур-и (7.3) используется коэффициент 2. Удельная активность 90Sr в ткани зубов на момент поступления может быть оценена на основе знания о современных уровнях накопления радионуклидов в тканях зубов. Для этого потребовались измерения удельных активностей 90Sr в зубных тканях. Предварительные исследования 7 зубов, находившихся на разных этапах формирования в период максимальных сбросов, с использованием традиционного метода низкофоновой бетаметрии [276, 362] показали, что в эмали зубов, полностью сформированных на момент поступления, обнаруживается 90Sr в концентрациях менее 0,7 Бк г- 1 (такая удельная активность радионуклида приводит к дозе облучения эмали порядка 60 мГр за 60 лет ее облучения). Однако, низкофоновая бетаметрия не позволяет оценивать подобные малые активности прецизионно; относительная погрешность измерений превышала 30%. Большей точности измерений низких активностей можно было бы добиться применяя радиохимические методики и жидко-сцинтилляционные методы детектирования. Однако, эти методы разрушают образец, делая его непригодным для дальнейших ЭПР-дозиметрических исследований. В связи с этим, специально для исследования зубов жителей Уральского региона потребовалось разработать недеструктивный и весьма чувствительный измерительный метод (пассивное ТЛ-детектирование).
Следует заметить, что индивидуальные измерения удельных активностей 90Sr в зубных тканях возможны не для всех зубов, исследуемых методом ЭПР. Так, например, при малых исходных массах образцов ( 50 мг) после нескольких повторных ЭПР-измерений часть образца могла быть утеряна и оставшаяся порция может стать недостаточной для измерений. Кроме того, поскольку зубы удалялись по медицинским показаниям, то у многих зубов практически отсутствовал дентин (например, замещен пломбами). В случае невозможности индивидуальных оценок следует опираться на средне-групповые данные о современных уровнях удельных активностей 90Sr в зубных тканях, а для этого следовало изучить и описать содержания 90Sr в тканях зубов лиц, проживавших в населенных пунктах, расположенных вдоль р. Течи (с учетом возраста и удаленности места проживания от места сбросов радиоактивных отходов) спустя 60 лет после поступления.
Скорость снижения удельной активности 90Sr в тканях зубов с возрастом определяется радиоактивным распадом и, возможно, биологическим выведением в процессе метаболизма. Исследования возрастных изменений суммарной активности 90Sr в эмали резцов с помощью зубного датчика оценили скорость потери радионуклида как 4,25 % в год [36]. Из них, 2,4% в год приходится на радиоактивный распад. Соответственно, скорость потери 90Sr, определяющаяся биологическими процессами, была оценена как 1,9±0,5% в год. Эти потери могут быть следствием стирания резцов с возрастом и, соответственно, приводят к снижению суммарной, но не удельной активности. Однако, нельзя исключить и некоторое метаболическое выведение радионуклида, в результате которого будет снижаться величина удельной активности [53].
Механические потери эмали учитываются в дозовых коэффициентах (ур-е 7.3), которые являются функцией от возраста и, соответственно, учитывают возрастные изменения геометрии зуба (степени изношенности). Поэтому ключевым остается вопрос: как быстро снижается удельная активность (ег)? Важность этого вопроса иллюстрирует рис. 7.7, где серая кривая соответствует скорости снижения удельной активности 4,25% в год, а пунктирная - 2,4% в год.
Валидация доз, рассчитанных с помощью TRDS
Жители ВУРСа были разделены на две группы, отличающиеся по уровням радиоактивного загрязнения территорий населенных пунктов и срокам эвакуации (таб. 10.4). В таб. 10.4 представлены результаты реконструкции доз по данным ЭПР-дозиметрии (D) в сравнении с прогнозируемыми дозами в эмали на основе TRDS-2016D.
Как видно из таб. 10.4, наблюдается хорошее соответствие между предсказанными дозами внешнего гамма-излучения и дозами, полученными на основе ЭПР-измерений.
Для населения, проживавшего вдоль р. Течи, внутренняя компонента дозы в эмали, обусловленная 137Cs/137mBa, циркулировавшими в мягких тканях организма, была рассчитана в системе TRDS-2016D. Иными словами, дозы гамма-излучения от загрязненной поймы реки, оцененные по ЭПР измерениям в разделе 10.1, получены с использованием модельных предсказаний TRDS. Однако, с точки зрения валидации, более корректно сопоставлять модельные предсказания с экспериментом. Иными словами, корректнее сравнивать суммарные дозы в эмали от -источников в окружающей среде плюс от 137Cs/137mBa в мягких тканях организма (предсказания TRDS) с независимыми оценками техногенного облучения, реконструированными на основе ЭПР измерений за вычетом внутреннего облучения остеотропными изотопами Sr и облучения при рентгеновских обследованиях (если таковые имели место). Иными словами, корректнее валидировать не дозы облучения, внешние по отношению к организму человека, а дозы облучения, внешние по отношению к зубу. Этот подход был представлен ниже.
Поглощенные дозы в эмали зубов не расчитываются в TRDS, поскольку дозиметрическая система изначально предназначена для расчета доз на радиочувствительные органы и ткани. Чтобы сопоставить дозу внешнего гамма-излучения в эмали зубов с предсказаниями TRDS были проведены расчеты, конвертирующие модельные предсказания для воздушной кермы в дозу в эмали с помощью дозовых коэффициентов, полученных аналогично таковым, используемым для конвертации кермы в дозу в органах-мишенях TRDS. Этот коэффициент был расчитан как отношение мощностью дозы в эмали зубов людей разного возраста, моделируемых с помощью гибридных фантомов, к мощности дозы в воздухе на высоте 1 м над почвой, загрязненной радионуклидами, характерными для радиационной ситуации на р. Тече [47, 48, 104, 105]. Не смотря на энергетическую зависимость отношения поглощенных доз в эмали к таковым в воздухе [390], в заданной геометрии облучения коэффициент конвертации не зависел от радионуклида-источника, но зависел от возраста человека (высоты эмали зубов над почвой-источником). Для детей в возрасте до 5-ти лет он был практически равен 1, а для взрослых принимал значение – 0,92.
Сопоставление доз от внешнего гамма-излучения, реконструированных двумя методами (рассчетным согласно TRDS и по ЭПР измерениям), представлено на рис. 10.3. В анализ включены только те лица, кто проживал в одном населенном пункте на протяжении 1950 – 1952 гг. Использован групповой подход (группировка по месту проживания) [388].
Наблюдается статистически значимая корреляция (рис. 10.3) с весьма высоким коэффициентом детерминации r2=0,88. Свободный член равен 30±20 мГр, что достоверно не отличается от 0. Угол наклона лини регрессии равен 0,9±0,1, что достоверно не отличается от 1. Статистически значимых различий между валидируемыми и валидирующими дозами не было обнаружено (согласно t-критерию Стьюдента и непараметрическому критерию Манна-Уитни). Наибольшие отличия (33%) между расчетными значениями и значениями, полученными на основе экспериментальных данных, наблюдаются в группе доноров, проживавших в населенных пунктах Надыров Мост и Надырово. Однако, эти различия также не являются статистически значимыми [388].
Анализируя распределения доз внешнего гамма-излучения, рассчитанных с использованием стохастической версии TRDS-2016 для лиц, проживавших в с. Метлино (ближайший населенный пункт к месту сбросов радиоактивных отходов) в домах, расположенных ближе всего к урезу воды [391], были расчитаны максимальные ожидаемые дозы в эмали зубов. Они были равны 2 Гр (90% ДИ: 1,3–3,0 Гр) [391]. Как уже указывалось ранее, максимальная доза, полученная по ЭПР-измерениям, была равна 1,9 Гр. Таким образом, стохастическая теоретическая оценка доз внешнего гамма-излучения также не противоречит экспериментальным данным [388].
Иными словами, дозы внешнего гамма-излучения, реконструированные на основе биодозиметрии с использованием ЭПР спектроскопии эмали зубов доказали корректность расчетных методов TRDS как для населения прибрежных сел реки Течи, так и для населения ВУРСа [43]. Результаты валидации доз внешнего гамма-излучения для верхнего течения р. Течи подтверждаются также биодозиметрическими исследованиями методом FISH [42, 252, 392] и термолюминесцентными измерениями кирпичей прибрежных строений [243].