Разработка и применение методов индивидуальной ретроспективной дозиметрии населения для оценки последствий крупномасштабных радиационных аварий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Учреждение Российской академии медицинских наук Медицинском радиологическом научном центре РАМН

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Разработка и применение методов индивидуальной ретроспективной дозиметрии населения для оценки последствий крупномасштабных радиационных аварий

03.01.01 - радиобиология

Степаненко Валерий Федорович

Обнинск - 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии медицинских наук Медицинском радиологическом научном центре РАМН

Научный консультант: доктор медицинских наук, профессор, академик РАМН Цыб Анатолий Федорович

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Замулаева Ирина Александровна,

доктор биологических наук, профессор Сынзыныс Борис Иванович,

доктор биологических наук Нугис Владимир Юрьевич.

Ведущая организация: Государственное научное учреждение - Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии Россельхозакадемии

Защита состоится 23 марта 2010 года в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д 001.011.01 при Учреждении Российской академии медицинских наук Медицинском радиологическом научном центре РАМН по адресу: 249036, г. Обнинск Калужской области, ул. Королева, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии медицинских наук - Медицинский радиологический научный центр РАМН.

Автореферат разослан 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Палыга Г.Ф.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Проблемы, связанные с ликвидацией и смягчением последствий аварии на Чернобыльской атомной электростанции (принятие решений, адекватные меры профилактического и медицинского характера, радиационно-эпидемио- логические оценки), как с момента начала работ в рамках настоящего исследования в ранние сроки после аварии (май 1986 года) [Цыб А.Ф. с соавт., 1988], так и в последующие годы [Лушников Е.Ф. с соавт,, 1997; 2006; Паршков Е.М.,1999; Лушников Е.Ф., 2001; Иванов В.К., Цыб А.Ф., 2002; Паршков Е.М. с соавт., 2004; Cardis, 2007; Howe., 2007; Ron, 2007] требовали и требуют соответствующего дозиметрического обеспечения.

Предмет исследований и научно-практических разработок данной работы с самого начала был нацелен на индивидуальный подход к оценкам доз облучения населения России, оказавшегося на территориях с радиоактивным загрязнением в результате аварии на Чернобыльской атомной электростанции (ЧАЭС). Именно такой подход, реализуемый в этом исследовании в рамках развития расчетных и инструментальных физических методов ретроспективной дозиметрии, позволяет обеспечивать дозиметрическую поддержку эпидемиологических исследований по технологии ”случай- контроль” и выявлять группы лиц с различными индивидуальными дозами облучения для оказания адресных профилактических и медицинских мероприятий.

В данном исследовании рассматриваются только физические методы ретроспективной дозиметрии - инструментальные и расчетные. Наряду с физическими методами интенсивно развиваются и биологические методы ретроспективной дозиметрии, имеющие как свои преимущества, так и ограничения ([Севанькаев А.В., Насонов А.П., 1978; Севанькаев А.В., 1987; Саенко А.С., Замулаева И.А., 2003; Lloyd D.C., Sevan'kaev A.V., 1996]).

Опыт, приобретенный в ходе работ в рамках данного исследования по оценке последствий аварии на ЧАЭС, и разработка высокочувствительных инструментальных технологий ретроспективной дозиметрии, открыли возможности их применения при решении актуальных задач по уточнению доз облучения населения территорий вокруг Семипалатинского ядерного полигона. Как отмечено в материалах международных совещаний в Японии (Hiroshima), Финляндии (Helsinki) и США (Bethesda) [Hoshi M. et al., 1996, 2005; Lindholm C. et al., 2002; Simon S. et al., 2007] имевшиеся оценки доз облучения населения в ареале Семипалатинского полигона были весьма противоречивыми, что не позволяло сделать уверенные заключения о реальных последствиях испытаний. Соответственно сфера применимости разработанных в исследовании методов ретроспективной дозиметрии расширилась до отличных от Чернобыля крупномасштабных радиационных воздействий на население, а именно - для ситуаций с иными условиями дозоформирования (энергии и состав излучений, динамика накопления дозы, давность прошедших событий - около 50 лет после начала испытаний на Семипалатинском полигоне).

Применение методов ретроспективной дозиметрии актуально не только в связи с необходимостью оценки последствий крупномасштабных радиационных аварий. Имеются потенциальные сферы применения и в других областях. Эти методы позволяют: верифицировать величины предписанных пациентам доз облучения при проведении лучевой терапии; верифицировать реальные уровни защиты медицинского персонала и пациентов при диагностическом, терапевтическом применении ионизирующего излучения и радионуклидов, а также в ходе соответствующих исследовательских работ и испытаний; обеспечить заинтересованных лиц информацией об индивидуальных дозах облучения для принятия решений об уровнях и виде соответствующих компенсаций; для обеспечения готовности к оценкам доз облучения вследствие возможных будущих радиационных аварий [см., например, IRCRU Report 68, 2002].

Поэтому и спустя 23 года после аварии в Чернобыле сохраняется та же степень ее актуальности, что и в начале исследования в мае 1986 года. Показателем этого является возрастающий интерес на международном уровне к данной проблематике [IRCRU Report 68, 2002]: ядерные технологии продолжают развиваться и расширяться, а к технологическим рискам радиационных аварий, добавляются риски, связанные с потенциальной возможностью ядерного терроризма.

Цель исследования.

Дать научное обоснование, разработать и применить комплекс расчетных и инструментальных методов индивидуальной ретроспективной дозиметрии в задачах оценки последствий крупномасштабных радиационных воздействий на население - для дозиметрического обеспечения радиационно-эпидемиологи- ческих исследований по технологии “случай-контроль” на территориях, загрязненных радионуклидами в результате аварии на ЧАЭС, а также для уточнения и верификации доз облучения населения вследствие ядерных испытаний на Семипалатинском испытательном полигоне (на примере первого ядерного испытания СССР).

Задачи исследования:

1. Разработать комплекс расчетных методов ретроспективной дозиметрии для оценки индивидуальных накопленных доз облучения всего тела, красного костного мозга, щитовидной железы и молочной железы, а также их погрешностей, применимый для оценки последствий крупномасштабных радиационных воздействий на население (Брянская и Калужская области России и территории вблизи Семипалатинского полигона - на примере первого ядерного испытания 29.08.1949).

2. Разработать высокочувствительные инструментальные методы люминесцентной ретроспективной дозиметрии (оптико-стимулированной и термостимулированной) с чувствительностью не хуже 20 мГр по величине накопленной дозы, применимые для условий дозоформирования на территориях, загрязненных радионуклидами после аварии на ЧАЭС и на территориях, подвергшихся радиационному воздействию в результате ядерных испытаний на Семипалатинском полигоне; провести международное интерсличение разработанных инструментальных методов люминесцентной ретроспективной дозиметрии (ЛРД).

3. Провести в ранние сроки после аварии на ЧАЭС массовый мониторинг активности ¹³¹I в щитовидной железе и, в последующие годы, - активности ¹³⁷Cs и ¹³⁴Cs во всем теле в группах населения территорий, загрязненных радионуклидами после аварии на ЧАЭС, с целью получения исходных данных для верификации расчетных моделей доз облучения населения.

4. Дать обоснование разработанных расчетных методов ретроспективной индивидуальной дозиметрии путем сравнения расчетных доз с данными прямых измерений, полученными в ходе полевых миссий, а также с результатами ретроспективной оценки доз инструментальными методами ЛРД и методом ЭПР дозиметрии по эмали зубов человека.

5. Применить на загрязненных территориях Брянской области разработанный комплекс расчетных методов индивидуальной ретроспективной дозиметрии для оценки доз внутреннего и внешнего облучения всего тела, красного костного мозга, щитовидной и молочной желез для дозиметрической поддержки радиационно-эпидемиологических исследований по технологии “случай- контроль”.

6. Оценить результаты, полученные на загрязненных территориях Брянской области при дозиметрической поддержке радиационно-эпидемиологических исследований, в рамках радиационно-эпидемиологических исследований по технологии “случай-контроль” заболеваний раком щитовидной железы и лейкозами.

7. Применить в экспедиционных условиях разработанные инструментальные высокочувствительные методы люминесцентной ретроспективной дозиметрии для уточнения накопленных доз внешнего облучения населения, проживающего вблизи Семипалатинского испытательного полигона (на примере первого ядерного испытания СССР 29 августа 1949 года).

Научная новизна:

1. Новым является разработанный комплекс расчетных методов ретроспективной дозиметрии для определения индивидуальных накопленных доз облучения всего тела, красного костного мозга, щитовидной и молочной желез, а также их погрешностей, применимый, в сочетании с разработанной методологией индивидуального дозиметрического расследования, для оценки последствий крупномасштабных радиационных воздействий на население (Брянская и Калужская области России и Семипалатинский регион Казахстана - на примере первого ядерного испытания 29.08.1949).

2. Оригинальными являются разработка и применение нового высокочувствительного метода инструментальной ретроспективной дозиметрии (люминесцентная ретроспективная дозиметрия по кварцевым включениям в кирпичи) в условиях дозоформирования (энергии излучения, величина фоновой дозы) как на территориях загрязненных после аварии в Чернобыле, так и на территориях вокруг Семипалатинского полигона. Достигнута чувствительность метода в 20 мГр по величине накопленной дозы при времени накопления дозы до 50 лет. Впервые проведена верификация этого метода путем международного интерсличения данных, полученных при измерении образцов, отобранных как на территориях, загрязненных в результате аварии на ЧАЭС, так и на территориях вокруг Семипалатинского полигона.

3. По данным массового дозиметрического мониторинга (1986 год) и по результатам ретроспективной оценки индивидуальных доз впервые было установлено, что статистические распределения индивидуальных доз облучения населения радиоактивно загрязненных территорий Брянской и Калужской областей (облучение всего тела, красного костного мозга, щитовидной железы, молочной железы) имеют несимметричный (логнормальный) вид, характеризующийся наличием индивидуальных доз, которые по своей величине многократно превышают средние и медианные значения. При этом минимальные и максимальные значения индивидуальных доз у жителей одних и тех же населенных пунктов различаются в десятки раз.

Это свидетельствует о том, что использование только оценок средних или же медианных доз в условиях крупномасштабной радиационной аварии, скрывает группы лиц с повышенными дозами облучения, на которые в первую очередь и должны быть направлены адресные защитные и профилактические мероприятия

4. Впервые разработанные методы ЛРД были использованы для обоснования применимости комплекса расчетных методов ретроспективной индивидуальной дозиметрии на территориях, загрязненных радионуклидами в результате аварии на ЧАЭС, а также в ареале проживания населения вокруг Семипалатинского испытательного полигона.

5. В результате реализации разработанного комплекса расчетных методов индивидуальной ретроспективной дозиметрии для дозиметрической поддержки радиационно-эпидемиологических исследований на загрязненных радионуклидами территориях Брянской области по технологии “случай-контроль” на индивидуальном уровне были получены новые факты:

- достоверно установлена дозовая зависимость риска заболеваемости раком щитовидной железы у детей и подростков, находившихся в этом возрасте на загрязненных территориях Брянской области;

- отсутствие достоверной зависимости по заболеваемости лейкозами у детей в возрасте до пяти лет на момент аварии.

6. Применение разработанных инструментальных методов ЛРД для условий дозоформирования на территориях вокруг Семипалатинского ядерного полигона позволило впервые:

- уточнить оценку доз облучения населения, подвергшегося радиационному воздействию в результате ядерных испытаний - инструментально оцененные накопленные дозы внешнего облучения в воздухе для населенных пунктов вблизи оси следа первого в СССР ядерного испытания 29.08.1949 года (Долонь, Канонерка, Лесхоз Тополинский) равны 475±110 мГр, 225±60 мГр -250±60 мГр и 230±60 мГр, соответственно. Ранее опубликованные величины расчетных доз в воздухе для этих же населенных пунктов в 2-5 раз выше инструментально измеренных доз, что говорит о консервативности использованных в опубликованных работах расчетных подходов;

- установить отсутствие значимых уровней облучения (в пределах погрешности около 25 мГр) для населенных пунктов, удаленных от оси этого следа и от места проведения испытания.

7. Впервые, на примере территорий вблизи Семипалатинского полигона показана возможность ретроспективной оценки индивидуальных доз для ситуации крупномасштабного радиационного воздействия более 50 лет тому назад. Достигнуто хорошее соответствие расчетных и экспериментально установленных величин индивидуальных доз, что свидетельствует об успешном применении разработанной методологии ретроспективной оценки индивидуальных доз для событий радиационных воздействий, имевших место в 1949 году.

Практическая значимость.

Результаты исследования ориентированы на удовлетворение медико-социальных потребностей населения загрязненных радионуклидами территорий в части улучшения гарантий радиационной безопасности в случаях неконтролируемых радиационных воздействий вследствие имевших место и потенциально возможных радиационных аварий и инцидентов.

Социальная и медицинская значимость состоит в том, что проведенные в ходе исследования разработки ориентированы на создание высоко-чувствительных и оперативных методик дозиметрического контроля и ретроспективной оценки индивидуальных доз. В ходе исследования проведен индивидуальный дозиметрический мониторинг и оценены индивидуальные дозы облучения всего тела, щитовидной железы, красного костного мозга, молочной железы у приблизительно 130 000 жителей территорий, загрязненных радионуклидами в результате аварии на ЧАЭС. Эти данные были представлены органам здравоохранения для принятия решений по проведению защитных, профилактических и лечебных мероприятий, а также были использованы для дозиметрической поддержки радиационно-эпидемиологических исследований.

Разработанная технология физической ретроспективной дозиметрии востребована не только в связи с необходимостью оценки последствий крупномасштабных радиационных аварий, например, для дозиметрической поддержки радиационно-эпидемиологических исследований и принятию решений по выявлению групп населения с высокими дозами облучения при планировании адресных медицинских и профилактических мероприятий. Эта технология позволяет также верифицировать величины предписанных пациентам доз облучения при проведении лучевой терапии; верифицировать реальные уровни защиты персонала и пациентов при диагностическом, терапевтическом применении ионизирующего излучения и радионуклидов, а также в ходе соответствующих исследовательских работ.

В результате исследования созданы базы индивидуальных дозиметрических данных (накопленные поглощенные дозы в щитовидной железе, всем теле, красном костном мозге, молочной железе) для лиц, включенных в соответствующие радиационно-эпидемиологические исследования в Брянской области. Полученные результаты внедрены в виде баз данных и соответствующих справок для использования в МРНЦ РАМН, Брянском клинико-диагностическом центре, Гематологическом научном центре РАМН и применяются при проведении адресных лечебно-профилактических мероприятий среди обследованных лиц. Технология индивидуальной ретроспективной дозиметрии реализована на отечественном и международном уровнях.

С использованием результатов исследования опубликованы в соавторстве 2 монографии - одна отечественная (1993 г.) и одна за рубежом (2006 г. ), учебник для ВУЗов (2005 г.), изданы две инструкции МЗ СССР (1986 г.), Методические Указания МЗ СССР (1987 г.), четыре Методических Указания МЗ РФ (1996, 1996, 2000 и 2006 гг.), два руководства МАГАТЭ (1996, 1999 гг.), два Технических Документа МАГАТЭ (1997, 2002 гг.), один Технический Документ ВОЗ (1994 г.), даны экспертные рекомендации в рамках участия в международных учениях ВОЗ по преодолению последствий крупномасштабных радиационных аварий (учения РЕМПАН, “CONVEX” 2, 2006 г. и “CONVEX” 3, 2008 г.).

Более детальная информация о научных публикациях представлена ниже.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанный и примененный на практике комплекс расчетных методов ретроспективной дозиметрии обеспечивает оценки величин индивидуальных накопленных доз внутреннего и внешнего облучения щитовидной железы, красного костного мозга, молочной железы и всего тела, а также их погрешностей при крупномасштабных радиационных воздействиях на население (территории России, загрязненные радионуклидами в результате аварии на ЧАЭС, и Семипалатинский регион Казахстана).

2. Разработанные методы инструментальной люминесцентной ретроспективной дозиметрии (оптико-стимулированные, т.е. ОСЛ, и термостимулированные - ТЛ) по кварцевым включениям в кирпичи строений обеспечивают чувствительность 20 мГр по величине накопленной дозы внешнего облучения. Успешно проведено международное интерсличение методов люминесцентной ретроспективной дозиметрии (ЛРД). Эти методы применимы для различных условий дозообразования (энергия излучения, величины фоновых доз, давность радиационного воздействия- до 50 лет) на территориях Брянской области РФ, загрязненных после аварии на ЧАЭС, и территориях Алтайского края РФ, Семипалатинской области Республики Казахстан, находящихся вблизи Семипалатинского ядерного полигона.

3. По данным массового дозиметрического мониторинга впервые (1986 год) и по результатам последующей ретроспективной оценки индивидуальных доз установлено, что статистические распределения индивидуальных доз облучения населения радиоактивно загрязненных территорий Брянской и Калужской областей (облучение всего тела, красного костного мозга, щитовидной железы, молочной железы) имеют несимметричный (логнормальный) вид, характеризующийся наличием индивидуальных доз, которые по своей величине многократно превышают средние и медианные значения. При этом минимальные и максимальные значения индивидуальных доз у жителей одних и тех же населенных пунктов различаются в десятки раз. Следовательно, что использование только оценок средних доз в условиях крупномасштабной радиационной аварии скрывает группы лиц с повышенными дозами облучения, на которые в первую очередь и должны быть направлены адресные защитные и профилактические мероприятия.

4. В результате реализации разработанного комплекса расчетных методов индивидуальной ретроспективной дозиметрии для дозиметрической поддержки радиационно-эпидемиологических исследований на загрязненных радионуклидами территориях Брянской области по технологии “случай-контроль” на индивидуальном уровне установлено:

- наличие дозовой зависимости частоты заболеваемости раком щитовидной железы у детей и подростков, находившихся в этом возрасте на загрязненных территориях Брянской области;

- отсутствие дозовой зависимости частоты заболеваемости лейкозами у детей в возрасте до пяти лет на момент аварии.

5. В результате применения разработанного инструментального метода ЛРД для условий дозоформирования на территориях вокруг Семипалатинского ядерного полигона установлено:

- инструментально оцененные накопленные дозы внешнего облучения в воздухе для населенных пунктов вблизи оси следа первого в СССР ядерного испытания 29 августа 1949 года (Долонь, Канонерка, Лесхоз Тополинский) равны 475±110 мГр, 225±60 мГр -250±60 мГр и 230±60 мГр, соответственно, что в 2-5 раз менее ранее опубликованных величин расчетных доз в воздухе для этих же населенных пунктов. Это показывает существенную консервативность ранее применяемых расчетных подходов к оценке доз;

- отсутствуют значимые уровни облучения (в пределах погрешности накопленной дозы около 25 мГр) для населенных пунктов, удаленных на 10 км и более от оси этого следа и от места проведения испытания.

6. Достигнуто хорошее соответствие расчетных и экспериментально установленных величин индивидуальных доз населения территорий вблизи Семипалатинского полигона (свидетелей ядерного испытания 29 августа 1949 года), что показывает применимость разработанной методологии ретроспективной оценки индивидуальных доз для ситуаций радиационных воздействий, имевших место до 50 лет тому назад.

Апробация работы. Апробация диссертации состоялась 22 июня 2009 г. на научной конференции экспериментального радиологического сектора МРНЦ РАМН, протокол No 237. Основные положения диссертационной работы доложены и опубликованы в материалах 34 отечественных всероссийских и международных конференций, в том числе - на девяти конференциях в России и на 25 конференциях за рубежом.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 107 научных работ. Из этого количества опубликовано две монографии (одна отечественная, одна - за рубежом), один учебник для ВУЗов, 19 статей в отечественных рецензируемых журналах и 21 статья в зарубежных рецензируемых журналах (из них - 22 статьи из списка ВАК по специальности), 16 статей в российских и зарубежных научных сборниках, одни Методические Указания МЗ СССР и две инструкции МЗ СССР, четыре Методических Указания МЗ РФ, два руководства МАГАТЭ, два Технических Документа МАГАТЭ, один Технический Документ ВОЗ, два сборника научных работ за рубежом и 32 работы в материалах отечественных и международных конференций.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований внедрены в практику клинического сектора МРНЦ РАМН, Брянского клинико-диагностического центра и Гематологического научного центра РАМН в виде баз данных и справок, содержащих величины индивидуальных доз облучения жителей загрязненных радионуклидами Брянской области с установленными диагнозами “рак щитовидной железы”, ”лейкоз”, “рак молочной железы”.

Полученные в ходе исследований материалы использованы для дозиметрического обеспечения медицинских и профилактических мероприятий, диспансеризации населения загрязненных территорий и оценки радиационных рисков онкологических заболеваний (рак щитовидной железы, лейкозы) в Брянской области.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 371 странице компьютерного текста, содержит 55 таблиц и 68 рисунков. Она состоит из введения, обзора литературы, результатов собственных исследований, заключения, выводов. Список цитированной литературы содержит 126 источников, в том числе 44 ссылки на работы отечественных авторов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Полученные в ходе исследования первичные данные по своему объему и географии были расценены вполне достаточными как для создания радиоэкологической базы данных, так и для создания базы данных индивидуальной дозиметрической информации, используемых при ретроспективных оценках индивидуальных доз облучения щитовидной железы, всего тела, красного костного мозга, молочной железы, а также для верификации инструментальными методами результатов расчетов доз облучения обследуемого населения:

а) количество документированных и включенных в базу данных лиц с измеренной в мае 1986 года активностью ¹³¹I в щитовидной железе населения радиоактивно загрязненных районов Калужской области - 29675;

б) количество документированных и включенных в базу данных измерений в 1986 году и в последующие годы активности ¹³⁷Cs во всем теле населения радиоактивно загрязненных районов Калужской и Брянской областей - 99004;

в) количество документированных и включенных в базу данных результатов индивидуальных дозиметрических расследований с заполнением индивидуаль- ных дозиметрических опросников в рамках различных программ дозиметри- ческой поддержки радиационно-эпидемиологических исследований по техно- логии “случай-контроль” на радиоактивно загрязненных территориях Брянской области и территориях вблизи Семипалатинского полигона - 1499;

г) количество документированных, включенных в базу данных и депозитарий образцов кварцсодержащих кирпичей из строений, находящихся на территориях, загрязненных радионуклидами в результате аварии на ЧАЭС (Брянская, Калужская области Российской Федерации, Гомельская область Республики Беларусь), и на территориях вблизи Семипалатинского полигона: в целом было отобрано 130 первичных образцов, из которых для проведения последующих измерений профиля дозы по глубине было подготовлено 1056 образцов;

д) количество документированных, включенных базу данных и депозитарий проб почвы, отобранных на радиоактивно загрязненных территориях Брянской, Калужской областей России, загрязненных радионуклидами вследствие аварии на ЧАЭС; территориях, прилегающих к Семипалатинскому испытательному полигону - 2811, из которых для проведения последующих измерений профиля активности по глубине в почве было подготовлено 25795 образцов. Общее число соответствующих измерений мощности дозы в воздухе в местах пробоотбора составляет 36850.

Статистическую обработку результатов оценок индивидуальных доз облучения на основе данных прямых измерений активности ¹³¹I в щитовидной железе и ¹³⁷Cs во всем теле проводили следующим образом.

Для анализируемых групп обследуемых вычисляли среднюю арифметическую и среднюю геометрическую дозы и, соответственно, для оценки вариабельности индивидуальных доз в группе вычисляли стандартное арифметическое отклонение и стандартное геометрическое отклонение. [Румшиский Л.З.,1971]. Нелинейную и линейную аппроксимацию экспериментально установленных зависимостей проводили аналитическими функциями, при этом вычисление соответствующих нелинейных или линейных коэффициентов корреляции и 95 % доверительных интервалов осуществляли методом наименьших квадратичных отклонений (стандартная программа Origin 6.1, OriginLab Corporation, США).

Погрешности ретроспективных оценок величин индивидуальных доз, проведенных с помощью соответствующих моделей на основе результатов индивидуальных дозиметрических расследований и радиоэкологических данных, определяли следующим образом.

В соответствии с заданными статистическими распределениями параметров моделей осуществлялось стохастическое варьирование их значений и для каждого набора этих значений по соответствующей модели вычислялась величина индивидуальной дозы. Для стохастического варьирования значений параметров моделей использовали стандартную программу “Crystal Ball”. Для каждого обследуемого производили по 1000 таких расчетов. В результате для каждого индивидуума получали набор дозовых величин, различающихся между собой в соответствии с вариабельностью исходных параметров модели. Программой “Crystal Ball” для каждого индивидуума осуществлялось построение статистического распределения значений индивидуальных доз, разнесенных по различным квантилям статистической значимости - от 5% до 95%.

В процессе анализа данных люминесцентной ретроспективной дозиметрии и при проведении расчетов дозовых коэффициентов внутреннего и внешнего облучения тела человека при различных геометрических ситуациях облучения и энергиях излучения использовали метод стохастического моделирования взаимодействия ионизирующего излучения с веществом с применением программы MCNP 4 с библиотекой констант ENDF/B IV [Briemeister, 1997]. При расчетах применяли возрастозависимый математический фантом всего тела и различных органов человека [Cristy, M., Eckerman, F., 1997].

При построении карт-схем радиоактивных загрязнений территории, и при вычислениях положения и размеров радиоактивных следов на основе данных измеренной активности почвы и результатов измерений координат пробоотбора прибором GPS расстояния между различными точками пробоотбора рассчитывали с помощью программного обеспечения доступного в htpp://www.flymicro/com/records/recordcalc2.cfm.

При люминесцентных измерениях был использован полуавтоматический люминесцентный ридер исследовательского класса RISOE TL/OSL System (Model TL/OSL-DA-15) с соответствующим программным обеспечением. С помощью этого ридера проводятся измерения в двух независимых режимах - как в режиме термостимуляции люминесцентного (ТЛ) сигнала, так и в режиме оптической стимуляции (ОСЛ) люминесцентного сигнала, что позволяет сравнить результаты дозиметрических измерений с помощью двух различных методов.

В процессе экспедиционных работ в качестве передвижных средств использовали две дозиметрические лаборатории МРНЦ РАМН. Одна из них базировалась на автомобиле УАЗ, а вторая представляла собой передвижную дозиметрическую и спектрометрическую лабораторию “Gemimy” (SCPRI №05, Франция). Спектрометрический комплекс состоит из многоканального гамма-спектрометра фирмы CANBERRA, четырех 3''3'' NaI(Tl) сцинтилляционных детекторов со свинцовыми коллиматорами, позволяющими проводить непосредственно в экспедиционных условиях измерения активности ¹³⁷Cs в отобранных образцах почвы и в организме человека. Помимо наземных транспортных средств в экспедиционных условиях использовались вертолеты Ми-2 и Ми-8. Вертолеты Ми-2 применяли в ситуациях, когда было необходимо осуществить отбор проб в труднодоступных местах.

Основные результаты исследования

Массовый мониторинг активности ¹³¹I в щитовидной железе (ЩЖ) населения загрязненных территорий Калужской области в ранний период после аварии на ЧАЭС (май 1986 года) и оценка индивидуальных поглощенных доз в ЩЖ.

В мае 1986 года проведен массовый оперативный мониторинг активности ¹³¹I в щитовидной железе населения загрязненных территорий Калужской области. За три недели было обследовано 26724 человека в 115 населенных пунктах семи районов. Последующие оценки индивидуальных доз проведены для всех включенных в базу данных лиц с учетом реальных дозообразующих экологических факторов, имевших место на территории Калужской области в мае 1986 года. Детальное описание разработанной методологии дозиметрического мониторинга, метода оценки поглощенных доз и полученных результатов представлено в наших публикациях [Цыб А.Ф., Степаненко В.Ф. с соавт. 1988; 1994; Степаненко В.Ф. с соавт. 1992; 1996; 2008; Stepanenko et al., 1996; 1996; 1998; 2002]. Оценены индивидуальные дозы облучения щитовидной железы для каждого из семи обследованных районов в 115 населенных пунктах. Наиболее высокие дозы были установлены у жителей трех загрязненных районов Калужской области - Ульяновского, Жиздринского, Хвастовичского (таблица 1).

На самых ранних этапах настоящего исследования (1986 год) было выявлено, что статистическое распределение индивидуальных доз внутреннего облучения щитовидной железы (ЩЖ) характеризуется длинным “хвостом” в области доз, значительно превышающим средние и медианные величины, что показывает наличие групп с повышенными индивидуальными дозами облучения, на которые следует в первую очередь обращать внимание при проведении медико-профилактических и защитных мероприятий.

Таблица 1. Поглощенные дозы в щитовидной железе в различных возрастных группах обследованного населения в целом по семи районам Калужской области.

*) N-число лиц; MID-максимальная индивидуальная доза; DA-средняя поглощенная доза в возрастной группе; DM-медианная поглощенная доза в возрастной группе; GSD- геометрическое стандартное отклонение.

Результаты массового мониторинга доз облучения щитовидной железы на радиоактивно загрязненных территориях Калужской области, в сочетании с аналогичными данными, полученными на загрязненных территориях Брянской области и Республики Беларусь, были использованы для верификации и адаптации модели ретроспективной оценки поглощенных доз облучения в щитовидной железе жителей загрязненных территорий Брянской области.

Разработанные методы и подходы актуальны и в настоящее время - для оперативного реагирования в случаях потенциально возможных крупно- масштабных радиационных аварий.

Оценка индивидуальных доз внутреннего облучения всего тела по результатам многолетнего массового мониторинга (1986-1994 гг.) активности ¹³⁷Cs в организме жителей загрязненных территорий Калужской и Брянской областей

Так же, как и при мониторинге доз облучения щитовидной железы, одним из важнейших результатов, полученных при индивидуальном мониторинге доз внутреннего облучения на основе данных прямых измерений активности радионуклидов цезия в организме жителей загрязненных территорий Калужской и Брянской областях (обследовано 99004 человека), явился вывод о большом разбросе их величин - выявлен несимметричный “хвост” статистического распределения в области доз, превышающих средние и медианные значения (см. в качестве примера рис.1). Детальная информация о примененных методах и по- лученных результатах при многолетнем массовом мониторинге (1986-1994 гг.) активности ¹³⁷Cs в организме жителей загрязненных территорий Калужской и Брянской областей и результатах оценок индивидуальных доз представлены в наших публикациях [Степаненко В.Ф. с соавт., 2006; 2007].

Таким образом, при относительно низких средних или медианных дозах у населения даже в пределах одного населенного пункта, имеются группы лиц со значительно более высокими индивидуальными дозами.

Рис. 1. Пример статистического распределения величин индивидуальных годовых доз внутреннего облучения для обследованных лиц всех возрастов в Красногорском районе Брянской области (данные 1986 года). Количество обследованных - 1944, средняя доза - 4,2 мЗв, медиана - 2,2 мЗв; n (ось ординат) - число лиц в различных интервалах величин индивидуальных доз Di (ось абсцисс). Точное количество лиц в соответствующих дозовых интервалах обозначено над столбцами гистограммы

Рис. 1

Этот результат следует учитывать не только при анализе последствий аварии на Чернобыльской АЭС, но и при подготовке планов последствий возможных крупномасштабных радиационных инцидентов в будущем.

По данным многолетнего массового индивидуального мониторинга активности радионуклидов цезия в организме жителей загрязненных территорий установлено, что средние накопленные эффективные дозы внутреннего облучения всего тела за период с 1986-1994 гг. в исследованных районах относительно невелики и составляют, соответственно, 9,90; 7,40 и 9,60 мЗв для жителей Гордеевского, Новозыбковского/Злынковского, Красногорского районов Брянской области и 1,50.; 1,53 и 1,84 мЗв для жителей Жиздринского, Ульяновского и Хвастовичского районов Калужской обл.

В результате проведения массовых многолетних измерений активности ¹³⁷Cs в организме человека была получена первичная дозиметрическая информация и созданы соответствующие базы данных, обеспечивающие возможность верификации расчетных оценок индивидуальных доз внутреннего облучения всего тела для лиц, у которых данные прямых измерений отсутствовали.

Результаты разработки и применения инструментальных и расчетных методов ретроспективной дозиметрии населения территорий, загрязненных радионуклидами в результате аварии на ЧАЭС

Инструментальные методы. В результате разработки инструментальных физических методов ретроспективной дозиметрии (ЛРД) достигнута высокая чувствительность по величине накопленной дозы - 20 мГр. Данный метод применен на обширных территориях, загрязненных радионуклидами (рис.2), а также на территориях вокруг Семипалатинского испытательного полигона Описание разработанных методов и полученных результатов представлены в наших публикациях [ Степаненко В.Ф. с соавт., 2005: 2006; Bailiff I., Stepanenko V.F. et al, 1996;2004;2004;2005; Stepanenko et al., 2007;2007].

Применимость разработанных методов ЛРД подтверждается результатами международного интерсличения с ведущими лабораториями ЕС, владеющими методами датирования керамических археологических образцов, которые, при согласовании и гармонизации методик, могут быть использованы и для целей ЛРД (см. пример интерсличения на рисунке 3).

Рис.2 Территории, на которых проводился пробоотбор кварцсодержащих образцов кирпичей для ретроспективной оценки накопленных доз методом ЛРД.

Рис. 3. Профиль изменения накопленной поглощенной дозы в кирпиче (ось ординат, относительные единицы) в зависимости от глубины в кирпиче (ось абсцисс, мм). Сравнение данных четырех лабораторий.

Сравнение данных проведено между четырьмя лабораториями (МРНЦ РАМН; Россия; Университет Хельсинки, Финлядия; Университет Дарэма, Англия; GSF, Германия) для образца кирпича, отобранного в д. Заборье Красногорского района Брянской области, из стены бывшей текстильной фабрики. Фоновая доза вычтена. “Возраст” здания - 29±2 года. Фоновая накопленная доза - 73±7 мГр. Максимальная накопленная аварийная доза в кирпиче на глубине 10 мм - 302±36 мГр. Накопленная аварийная доза в воздухе в референтной точке - 515±80 мГр. Плотность загрязнения почвы ¹³⁷Cs в месте пробоотбора - 4460±340 кБк/м², в расчете на 1986 г.

Не выявлено систематических различий между результатами измерений различными лабораториями (рисунок 3). Следовательно, этот метод с уверенностью может применяться для верификации величин расчетных доз облучения.

Расчетные методы. Для ретроспективной оценки индивидуальных поглощенных доз в щитовидной железе использовалась полуэмпирическая модель, разработанная в рамках международного проекта по эпидемиологическим исследованиям радиационной зависимости заболеваемости раком щитовидной железы на загрязненных территориях Брянской области. Детальное описание модели приведено в нашей публикации [Stepanenko V.F. et al., 2004]. В модели учитываются имеющиеся данные об измерения активности ¹³¹I в щитовидной железе жителей загрязненных территорий Беларуси, Калужской и Брянской областей России, данные о плотности загрязнения почвы ¹³⁷Cs, имеющиеся данные об отношениях плотности загрязнения почвы ¹³¹I и ¹³⁷Cs. Для индивидуализации поглощенных доз использовали информацию, полученную с помощью индивидуальных дозиметрических опросников: дата рождения, места проживания и все перемещения с момента аварии, характеристики строений в местах пребывания, длительность нахождения вне и внутри помещений, структура питания местными и привозными пищевыми продуктами (наиболее детальные данные относились к молочным продуктам), защитные мероприятия, кормление материнским молоком. Если возраст обследуемого на момент аварии был менее семи лет, то использовали информацию, полученную от его/ее матери и ближайших родственников. Погрешности оценок индивидуальных доз оценивали так, как это описано в разделе “Материалы и методы”

На рисунке 4 показаны результаты сравнения ретроспективных оценок индивидуальных доз в щитовидной железе, полученные с помощью модели, с величинами поглощенных доз, основанными на данных “прямых” измерений активности ¹³¹I в щитовидной железе.

Рис.4. Сравнение индивидуальных поглощенных доз в щитовидной железе, вычисленных по модели индивидуальной реконструкции доз с дозами, оцененными по прямым измерениям активности ¹³¹I в щитовидной железе у одних и тех же лиц. Указаны стандартные геометрические отклонения величин индивидуальных доз.

Среднегеометрическое значение отношения величин индивидуальных доз, реконструированных по модели, к величинам индивидуальных доз, оцененных по данным прямых измерений активности ¹³¹I в щитовидной железе, равно 0,77 (GSD=2,9) - рисунок 4. Коэффициент линейной корреляции равен R=0,76 при отсутствии статистически значимых систематических различий между двумя рядами оценок. Таким образом, применимость расчетной модели для реконструкции индивидуальных доз облучения щитовидной железы подтверждена данными успешных сравнений с величинами доз, определенными на основе имеющихся результатов прямых измерений активности ¹³¹I.

Для дозиметрической поддержки исследований заболеваемости лейкозами и раком молочной железы были оценены индивидуальные накопленные (от даты аварии до даты постановки диагноза) дозы во всем теле, красном костном мозге, молочной железе обследуемых. Соответствующие неопределенности были оценены ретроспективно для каждого обследованного случая и соответствующего контроля. Методология ретроспективной оценки индивидуальных накопленных поглощенных доз была разработана с непосредственным участием автора настоящего исследования совместно с международной группой специалистов из Беларуси, Украины и США, и опубликована в наших работах [Stepanenko V.F. et al., 1998; Степаненко с соавт., 2004; Davis S., Stepanenko V.F. et al., 2004; Степаненко В.Ф., 2005;2006; Stepanenko V.F. et al.,2007]. Метод реконструкции накопленных индивидуальных доз во всем теле, красном костном мозге и молочной железе был разработан с учетом изменения со временем мощности дозы внешнего облучения, а также с учетом изменения уровней радиоактивного загрязнения местных продуктов питания со временем после аварии. Использована информация о плотности радиоактивного загрязнения почвы в населённых пунктах и районах нахождения обследуемых радионуклидами, выпавшими после аварии на ЧАЭС, дат прихода и ухода радиоактивного облака в различных населенных пунктах и районах Брянской области. Для этого применены результаты, представленные в Методических Указаниях МЗ РФ [МУ 2.6.1.579-96, 1996], в данных НПО “Тайфун” [Обнинск, Госкомгидромет СССР, 1990], а также сведения о плотности загрязнения почвы ¹³⁷Cs в населенных пунктах, содержащиеся в радиоэкологической базе данных, созданной на основе полевых измерений, выполненных в ходе настоящего исследования.

Для индивидуализации поглощенных доз, так же как в ситуации с ретроспективной оценкой поглощенных доз в щитовидной железе, для каждого из обследованных применяли данные, полученные с помощью специально разработанных индивидуальных дозиметрических опросников. Информация, полученная с помощью индивидуальных дозиметрических опросников за период от момента аварии до даты постановки диагноза, включает в себя: источники и уровни ежедневного употребления молока, молоко-содержащих продуктов питания, иных продуктов питания, включая картофель и мясные продукты; данные о местах проживания и занятий (например, детские сады), датах о переменах мест проживания и занятий; предпринятые индивидуальные защитные меры после аварии; длительность нахождения на открытом воздухе после аварии, тип зданий (этажность), где находились обследуемые после аварии и материалы, из которых эти здания сделаны (дерево, бетон, кирпич).

Так же, как и при расчетах индивидуальных доз в щитовидной железе, неопределенности величин индивидуальных поглощенных доз в красном костном мозге, молочной железе и всем теле оценивались, как это было описано выше при расчетах индивидуальных доз в щитовидной железе - с применением метода стохастического моделирования путем варьирования значений каждого из дозообразующих параметров. в соответствии с их эмпирическими статистическими распределениями.

На рисунке 5 приведены результаты сравнения экспериментальных оценок накопленных доз внешнего облучения с расчетными значениями.

Рис 5. Сравнение экспериментальных оценок величины накопленной дозы в воздухе (ось абсцисс, метод ЛРД) с расчетными значениями поглощенных доз для десяти мест пробоотбора в н.п. Старый Вышков Новозыбковского района Брянской области. Коэффициент линейной корреляции равен: R=0,86.

Таким образом, применение метода ЛРД для верификации расчетных данных ретроспективной дозиметрии подтвердило адекватность модели, используемой для расчетов доз внешнего облучения. Полученные результаты представлены в наших работах [Степаненко В.Ф. с соавт., 2003; 2004; 2005; 2006; Bailiff I, Stepanenko V.F. et al., 1996; 2004; 2005].

Верификация расчетного метода ретроспективной оценки индивидуальных поглощенных доз проведена также путем сравнения с данными инструментального метода ретроспективной ЭПР- дозиметрии по эмали зубов человека (рисунок 6).

Рис. 6. Результаты сравнения расчетных индивидуальных накопленных поглощенных доз (ось абсцисс) и доз, измеренных методом ЭПР-дозиметрии (ось ординат) для жителей д. Заборье Красногорского района Брянской области. Пунктирные линии означают 95% коридор достоверности.

Установлено хорошее согласование расчетных величин индивидуальных доз с индивидуальными дозами, определенными методом ЭПР-дозиметрии: дозы, оцененные с помощью ЭПР-метода, в пределах среднеквадратичной погрешности, равной 35 мГр, согласуются с расчетными индивидуализированными дозами (рис. 6). Коэффициент линейной корреляции равен 0,71. В целом, полученные результаты подтверждают надежность применяемой методологии реконструкции индивидуальной накопленной дозы внешнего и внутреннего облучения расчетным методом для населения территорий, загрязненных радионуклидами.

Так же, как и при анализе распределения индивидуальных доз облучения щитовидной железы и всего тела, оцененных на основе данных прямых измерений активности ¹³¹I и ¹³⁷Cs, выявлено, что реконструированные величины индивидуальных доз облучения щитовидной железы, красного костного мозга, молочной железы и всего тела (с использованием соответствующих моделей) в рамках дозиметрической поддержки эпидемиологических исследований распределяются неравномерно: подавляющее большинство обследованных лиц получили весьма низкие дозы и лишь у весьма небольшого числа обследованных дозы облучения существенно превышают средние и медианные значения доз.

На рисунке 7 в качестве примера приведено статистическое распределение реконструированных индивидуальных поглощенных доз в щитовидной железе лиц, проживающих на загрязненных территориях Брянской области. У всех лиц установлен диагноз “рак щитовидной железы” [Паршков Е.М. с соавт., 2004; Лушников Е.Ф. с соавт., 2006]. Средняя арифметическая и средняя геометрическая дозы для приведенной выборки - 204 мГр и 18 мГр, соответственно. Минимальная и максимальная индивидуальные дозы - 0,04 мГр и 1640 мГр, соответственно. Величины неопределенностей индивидуальных доз, выраженные как геометрическое стандартное отклонение (GSD), находятся в пределах от 1,8 до 3,5.

Рисунок 7. Статистическое распределение поглощённых доз в щитовидной железе (D, мГр - ось абсцисс) у обследованных лиц в рамках радиационно-эпидемиологического исследования радиационной зависимости частоты раков щитовидной железы (возраст до 20 лет на момент аварии). По оси ординат (N(i)) - число лиц в различных дозовых диапазонах (обозначены числами над соответствующими столбцами диаграммы).

На рисунке 8 в качестве примера показано статистическое распределение индивидуальных поглощенных доз в молочной железе 39 лиц, проживающих на загрязненных территориях Брянской области и имеющих верифицированные диагнозы “рак молочной” железы.

Рисунок 8. Распределение числа индивидуальных накопленных суммарных доз внешнего и внутреннего облучения молочной железы ( N) для 39 обследованных пациентов соответствующем диапазоне индивидуальных доз, Dind.

Минимальная поглощенная доза в молочной железе равна 0,55 мГр, максимальная - 250 мГр. Средняя и медианная дозы равны 35 мГр и 9,6 мГр, соответственно. Интервал значений GSD для всех обследованных составляет1,4- 1,8.

Необходимо отметить, что оценка неопределенностей для ретроспективно установленных индивидуальных доз предоставляет уникальную возможность оценить достоверность выводов о принадлежности того или иного лица к группе c более высокими или более низкими дозами облучения. Так, например, все лица с индивидуальными дозами в молочной железе “100 мГр и более” имеют дозы, которые достоверно (в пределах 95% интервала достоверности) превышают величины индивидуальных доз у всех лиц с дозами “50 мГр и менее”.

Такая же достоверная разница на индивидуальном уровне имеет, например, место между всеми лицами, попавшими в дозовый интервал “50 мГр и более” и всеми лицами в дозовом интервале “10 мГр и менее”.

Аналогичным образом можно оценить и достоверность различий в величинах доз между любыми двумя лицами из обследованной группы пациентов. Здесь следует отметить, что наличие информации о неопределенности оценки индивидуальной дозы могло бы быть очень полезным при решении вопросов в работе комиссий по установлению связи заболеваний с радиационным воздействием.

В целом результаты проведенного анализа показывают, что использование только среднегрупповых (или медианных) доз для характеристики облучаемости отдельных индивидуумов неправомочно (по крайней мере, для условий дозоформирования вследствие крупномасштабных радиационных воздействий на население), поскольку усредненные дозовые характеристики фактически скрывают относительно небольшие группы с повышенными дозами. В то же время усредненные дозовые характеристики завышают оценки степени радиационного воздействия для значительной части лиц, имеющих очень малые величины индивидуальных накопленных доз. Все это дает дозиметрическое обоснование для проведения адресных (а, следовательно, и более экономичных) медицинских и профилактических мероприятий.

Сам факт неравномерного облучения населения в условиях радиационного воздействия вследствие аварии на ЧАЭС не удивителен. Он объясняется, с одной стороны, неравномерным распределением уровней радиоактивного загрязнения в пределах территорий районов и даже в пределах отдельных населенных пунктов, а с другой стороны - индивидуальными особенностями поведения, питания, проживания и передвижений отдельных лиц на загрязненных территориях, что существенно влияет на условия дозоформирования.