Обмен плутония при поступлении через поврежденную кожу человека с учетом влияния ДТПА-терапии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обмен плутония при поступлении через повреждённую кожу человека с учётом влияния ДТПА-терапии

03.01.01 - Радиобиология

Автореферат диссертации на соискание учёной степени

кандидата биологических наук

Щадилов Анатолий Евгеньевич

Москва 2010

Работа выполнена в Федеральном Государственном унитарном предприятии Южно-Уральский институт биофизики Федерального медико-биологического агентства России

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Хохряков Валентин Фёдорович

Официальные оппоненты: Академик РАМН, доктор медицинских наук, профессор Булдаков Лев Александрович

Доктор технических наук Жуковский Михаил Владимирович

Ведущая организация: Федеральное государственное учреждение науки Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт радиационной гигиены имени профессора П.В. Рамзаева Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека

Защита диссертации состоится « » 2010 г. в __ час. __ мин. на заседании диссертационного совета Д. 462.001.01 при Федеральном государственном учреждении Федеральном медицинском биофизическом центре им. А.И. Бурназяна Федерального медико-биологического агентства России по адресу: 123182, г. Москва, ул. Живописная, д. 46

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного учреждения Федерального медицинского биофизического центра им А.И. Бурназяна Федерального медико-биологического агентства России

Автореферат разослан « » 2010 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 462.001.01 Шандала Н.К.

Общая характеристика ИССЛЕДОВАНИЯ

Актуальность исследования

Плутоний стал неотъемлемой частью жизни технологически развитого общества и обеспечения жизнедеятельности человека. Этот радионуклид используется в мирных целях в медицине, на атомных электростанциях, а также играет важную роль в обеспечении военной безопасности страны. По оценке Международной комиссии по делящимся материалам в 2007 году мировые запасы выделенного плутония составляли приблизительно 500 тонн и продолжают расти (IPFM, 2007). Это увеличивает вероятность инцидентов, связанных с внештатным поступлением плутония в организм персонала в процессе производства, хранения и переработки плутония.

Случаи острого поступления плутония и его неизменного технологического спутника ²⁴¹Am в настоящее время формируют значимую дозовую нагрузку на организм у отдельных лиц из числа персонала. В первую очередь это относится к случаям поступления актинидов через повреждённые кожные покровы (далее также раневое поступление), зарегистрированным у сотен работников плутониевых производств как в России (Хохряков В.Ф. и соавт., 1994; Маслюк А.И. и соавт., 2005), так и за рубежом (Schofield G.B., 1963; Hammond S.E. and Putzier E.A., 1964; Jech I.J., et al., 1969).

Существующие проблемы оценки опасности поступления актинидов в организм человека через повреждённые кожные покровы связаны с тем, что интерес научного сообщества долгое время был обращён к решению проблемы дозиметрии ингаляционного поступления. Созданию биокинетических и дозиметрических моделей для раневого пути поступления уделялось значительно меньшее внимание. Опубликованные исследования по этой тематике посвящены развитию лишь самых общих подходов к описанию поведения радионуклидов в месте первичного отложения (Schofield G.B. 1969, Piechowski J. et al., 1989). Наиболее полно проработанная биокинетическая модель обмена радионуклидов в местах ранений кожи, созданная под руководством Guilmette R. и Durbin P., представлена в Публикации 156 Национального совета по радиационной защите и измерениям США (US NCRP, 2007), далее модель НКРЗ 156. Модель НКРЗ 156 базируется на результатах экспериментов на животных, без исследования особенностей обмена радионуклидов в организме человека и противоречит данным, наблюдаемым при обследовании случаев раневого поступления плутония у лиц из персонала ПО «Маяк».

Дозиметрия случаев раневых поступлений осложняется и тем, что при проводимых для пострадавшего работника хирургическом иссечении загрязнённых тканей и/или курсе хелатотерапии для ускорения выведения плутония из организма изменяется характер обмена этого радионуклида по сравнению с естественным. При этом прямое применение обычных моделей естественного обмена плутония в период лечения становится невозможным. Использование существующих модификаций этих моделей (La Bone T. R., 2002; Bailey B.R. et al., 2003) не отвечает насущным потребностям специалистов в области дозиметрии внутреннего облучения. В значительной степени это обусловлено эмпирическими подходами, заложенными в основу подобных моделей, отсутствием учёта в них отличий эффективности пентацина в выведении плутония из различных органов и тканей организма.

Цель исследования

Целью настоящего исследования является создание научной основы для организации системы дозиметрического контроля персонала при поступлении плутония через повреждённые кожные покровы путём разработки физиологически обоснованных биокинетических моделей, описывающих поведение плутония в организме с учётом модифицирующего действия тринатрийкальциевой соли диэтилтриаминпентауксусной кислоты (Ca-ДТПА, пентацин).

Задачи исследования

1. Систематизация данных о случаях раневых поступлений актинидов у персонала ПО «Маяк».

2. Создание модели биокинетики плутония, описывающей обмен растворимых соединений радионуклида в местах ранений кожи, на основе адаптации модели НКРЗ 156 к результатам обследований случаев раневых поступлений у персонала ПО «Маяк».

3. Создание модели поведения плутония в органах вторичного депонирования, учитывающей влияние Ca-ДТПА, вводимого внутривенно, на характер обмена инкорпорированного радионуклида.

Научная новизна исследования

ь Создана новая версия биокинетической модели НКРЗ 156, описывающая обмен растворимых соединений плутония в местах ранений кожи. Модель разработана на основе данных о динамике резорбции актинидов из мест ранений у человека, полученных по результатам прямых измерений активности радионуклидов в месте первичного отложения.

ь Создана физиологически обоснованная модель, описывающая на основе системы нелинейных дифференциальных уравнений кинетику образования и выведения комплекса Pu-ДТПА из организма человека. Впервые для построения такой модели использован подход, позволяющий учесть различия в метаболизме Ca-ДТПА и металлохелата Pu-ДТПА.

Практическая значимость исследования

1. Новая версия модели НКРЗ 156 позволяет получать научно-обоснованные оценки доз внутреннего облучения и важна для радиационной защиты пострадавших при раневом поступлении плутония.

2. Сочетание усовершенствованной модели НКРЗ 156 и созданной модели образования и выведения комплекса Pu-ДТПА из организма человека предоставляет необходимую научную базу для определения оптимальной схемы лечения пострадавших в случае поступления плутония через повреждённую кожу на основе прогноза о возможной дозе облучения пострадавшего.

Положения, выносимые на защиту

1. Предлагается камерная модель для описания обмена в организме растворимых соединений плутония при раневом пути поступления.

2. Предлагается нелинейная камерная модель для описания процессов образования и обмена комплекса Pu-ДТПА в организме человека, построенная с учётом различия поведения в организме указанного металлохелата и исходного комплексообразователя Ca-ДТПА.

Внедрение результатов исследования

По результатам проведённых исследований разработаны и утверждены на уровне Федерального Медико-биологического агентства (ФМБА) России Методические указания «Методика расчёта доз облучения персонала, обусловленных поступлением изотопов плутония и америция-241 через повреждённые кожные покровы» и «Организация обследований работников, подвергшихся облучению в результате поступления изотопов плутония и америция-241 через повреждённые кожные покровы». Указанные документы рекомендованы к внедрению в биофизических лабораториях и центрах гигиены и эпидемиологии ФМБА.

Личный вклад соискателя

Настоящее исследование выполнено лично автором. Большамя часть результатов измерений, использованных для анализа, была получена при непосредственном участии автора, который, начиная с 2000 года, отвечает за организацию дозиметрического обследования персонала ПО «Маяк» при раневых поступлениях радионуклидов. При методическом руководстве и непосредственном участии автора была разработана и заполнена электронная база данных, в которую занесены сведения из бумажных архивов биофизической лаборатории ЮУрИБФ по случаям раневых поступлений радионуклидов у персонала ПО «Маяк». Автор лично разработал использованный в представленных материалах гамма-спектрометрический метод измерения содержания плутония и америция в местах ранений кожи, который прошёл метрологическую экспертизу (ФГУП ВНИИФТРИ, 2008).

Апробация диссертации

Материалы диссертации представлены и обсуждены на международном симпозиуме «Internal dosimetry of radionuclides. Occupational, public and medical exposure» (г. Оксфорд, 2002); V международной научно-практической конференции «Медицинские и экологические эффекты ионизирующего излучения» (г. Томск, 2010); расширенном заседании Ученого Совета Южно-Уральского института биофизики (г. Озёрск, 2010).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Объем и структура диссертации

Диссертация изложена на 137 страницах машинописного текста, включает 17 таблиц и 38 рисунков, состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных источников и приложения. Список цитируемой литературы включает 143 источника, из них 64 работы на русском языке, 77 на английском языке и две на немецком.

Содержание РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность выбранной темы исследования, сформулированы цель и задачи, решаемые в диссертации, представлены защищаемые положения, научная новизна полученных результатов и их практическая значимость.

В первой главе проведён анализ литературы, посвящённой тематике диссертации. Показана значимость в радиационном отношении существующей проблемы поступления плутония через повреждённые кожные покровы в организм персонала предприятий по производству и переработке плутония.

По опубликованным литературным данным проведён анализ зависимости характера резорбции актинидов от физико-химической формы вводимого соединения в случае загрязнения колотых ранений кожи. На основании этого анализа показано, что при имитации колотых ранений путём внутримышечного введения актинидов, наиболее быстро всасываются комплексные соединения ²³⁹Pu и ²⁴¹Am, уровень резорбции которых на 4-7 сутки достигает 71-97%. Скорость всасывания хлоридов значительно меньше: к четвёртым суткам эти соединения резорбируются на уровне 23-42%. Нитраты обладают более низким уровнем всасывания - на 4 сутки их резорбция составляет 4-10%, а резорбция оксидов ограничивается к четвёртым суткам долями процентов.

Анализ опубликованных моделей биокинетики актинидов в местах ранений показал, что наиболее совершенной из таких моделей является модель НКРЗ 156, позволяющая описывать биокинетику радионуклидов в местах ранений, переход радиоактивных материалов в кровь и лимфоузлы. Структурная схема модели НКРЗ 156 показана на рисунке 1. Согласно модели НКРЗ 156 радиоактивные материалы, загрязняющие место ранения, могут относиться к четырём типам: 1) фрагменты - твёрдые вещества, размером более 20 мкм; 2) частицы - твёрдые вещества, размер которых не более 20 мкм; 3) растворимые соединения; 4) коллоидные соединения. В связи с тем, что параметры модели НКРЗ 156 определены исключительно на основе данных эксперимента на животных, вопросы применимости модели для человека требуют тщательного исследования.

плутоний дозиметрический кожный покров

Рисунок 1 Структурная схема модели НКРЗ 156

Проведён анализ влияния Ca-ДТПА на обмен плутония в организме человека и экспериментальных животных. Комплексонотерапия, применяемая для лечения острых случаев поступления плутония, приводит к значительному изменению кинетики транспорта и форм кривых выведения радионуклида из организма. Показано, что используемые в настоящее время модели обмена плутония в присутствии пентацина и соответствующие им методы интерпретации данных биофизических обследований, выполненных в период применения пентацина, обладают значительными недостатками. Одни методы для своего применения требуют значительного перерыва после прекращения курса комплексонотерапии для нормализации скорости выведения плутония к естественной. Другие, разработанные на основе эмпирического или полуэмпирического подхода, не позволяют использовать возможности современных биокинетических моделей естественного обмена плутония.

Во второй главе описаны материалы и методы исследования, использованные в диссертационной работе. При анализе данных о случаях раневых поступлений у персонала ПО «Маяк» были использованы результаты многолетних измерений содержания радионуклидов в местах ранений кожи, выполненных в биофизической лаборатории ЮУрИБФ, начиная с 1976 г. Источниками информации служили журналы результатов измерений содержания актинидов в местах ранений кожи пострадавших работников. В журналах отражены следующие сведения: идентификационные данные пострадавшего (фамилия, имя, отчество; дата рождения; профессия, место работы); профанамнез (обстоятельства ранения; дата и время ранения; доврачебные мероприятия по удалению радиоактивных веществ); исходные данные и результаты оценок содержания радионуклидов в месте первичного отложения. Ограниченные данные о случаях ранений кожи у персонала ПО «Маяк», произошедших до 1976 г., были обнаружены в историях болезней работников, хранящихся в архивах бывшего клинического отделения ЮУрИБФ.

Количественная оценка содержания изотопов плутония и ²⁴¹Am в местах ранений выполнялась по результатам измерений на установке «Пальцемер» (Драчёв В.П. и соавт., 1971; Беляев А.П. 1986), представляющей собой спектрометр рентгеновского излучения на основе кристалла NaI(Tl) (25x1 мм), помещённого в свинцовую защиту толщиной 50 мм. Нижний предел диапазона измерений (НПДИ) установки «Пальцемер» для ²³⁹Pu и ²⁴¹Am составлял 11 и 2 Бк соответственно, при времени измерения 10 минут. Расчёт содержания радионуклидов выполняли, предполагая, что плутоний в ране представлен только изотопом ²³⁹Pu.

В диссертационной работе были использованы результаты биофизических обследований случаев раневого поступления изотопов плутония и ²⁴¹Am в организм персонала ПО «Маяк». Подготовка и анализ образцов экскретов и других биоматериалов осуществлялись по аттестованным альфа-радиометрическим и альфа-спектрометрическим методикам выполнения измерений (ФГУП ВНИИФТРИ, 2003; ФГУП ВНИИФТРИ, 2005). При альфа-радиометрическом методе НПДИ активности альфа-излучающих радионуклидов составлял 4 мБк на образец. Для альфа-спектрометрического метода НПДИ изотопов плутония и ²⁴¹Am составлял 1 мБк в суточной порции мочи. Для исследований были также привлечены результаты выполненных в 1975-1988 гг. измерений образцов экскретов, анализ которых проводился альфа-радиометрическим методом, аналогичным указанному выше.

Адаптация модели НКРЗ 156 была выполнена на основе анализа случая поступления изотопов плутония и ²⁴¹Am в организм работника ПО «Маяк», произошедшего в 2006 г. (идентификационный номер (ИН) работника в единой электронной базе данных (ЭБД) биофизической лаборатории ЮУрИБФ - 2319). Загрязнённое актинидами место ранения было иссечено через 4,5 часа после травмы и для пострадавшего проведён десятидневный курс ДТПА-терапии.

До и после иссечения содержание радионуклидов в месте ранения кожи пострадавшего работника (ИН 2319) измеряли прямым методом на полупроводниковой гамма-спектрометрической установке «СИЧ 7.5». Анализ первичных данных измерений места ранения был выполнен в 2008 году, в соответствии с разработанной и метрологически аттестованной к этому времени методикой выполнения измерений содержания ²³⁹Pu и ²⁴¹Am в местах ранений кожи. НДПИ указанной методики для ²³⁹Pu и ²⁴¹Am составлял 4 и 0,1 Бк соответственно, при времени измерения 10 минут (ФГУП ВНИИФТРИ, 2008).

Иссечённый фрагмент загрязнённой кожи работника (ИН 2319) был исследован альфа-спектрометрическими и авторадиографическими методами. При гистоавторадиографических исследованиях альфа-активные нуклиды обнаруживали при помощи классического метода гистоавторадиографии (Бойд Дж., 1957) с использованием жидкой фотоэмульсии Kodak NTB-3. При изготовлении гистоавторадиограмм использовали проявитель Kodak D19 и последующее окрашивание гематоксилином Гарриса и эозином. Авторадиографические и патоморфологические исследования были проведены в ЮУрИБФ канд. мед. наук Белосоховым М.В., при непосредственном участии автора в анализе полученных результатов.

При разработке камерной модели обмена плутония в присутствии пентацина был проанализирован случай поступления плутония через кожу, повреждённую в результате химического ожога у работника ПО «Маяк» (ИН 1203), произошедший в 1975 году, в котором для лечения пострадавшего работника был организован 34-х дневный курс ДТПА-терапии. Для определения параметров модели были привлечены результаты измерения содержания плутония в месте ранения кожи, а также в образцах мочи пострадавшего работника, исследованных альфа-радиометрическим методом, описанным выше.

Содержание ²³⁹Pu в месте химического ожога работника (ИН 1203) измеряли сцинтилляционным гамма-спектрометром по интенсивности рентгеновского излучения (17 кэВ), сопровождающего альфа-распад радионуклида. Калибровку гамма-спектрометра проводили, сравнивая изменение скорости счёта установки в период с шестых по седьмые сутки с суммарной альфа-активностью, обнаруженной альфа-радиометрическим методом в марлевых повязках и кусочках кожи, удалённых за эти два дня (Хохряков В.Ф. и соавт, 1999).

Для решения основных задач, поставленных в диссертационном исследовании, обмен плутония в организме человека описывали с использованием современного подхода на основе камерных биокинетических моделей. Такие модели математически описываются системами дифференциальных уравнений. В связи с тем, что одна из разрабатываемых моделей (модель образования и обмена комплекса Pu-ДТПА) представляла собой нелинейную систему, для решения систем дифференциальных уравнений был использован метод Рунге-Кутта-Мерсона с автоматическим изменением шага, позволяющий решать подобные системы (Дьяконов В.П., 1989).

Для поиска неизвестных значений параметров и коэффициентов, входящих в системы дифференциальных уравнений, был использован метод прямого поиска (координатного спуска), заключающийся в поочерёдном поиске минимума целевого функционала по каждому из неизвестных параметров (Химмельблау Д., 1975).

Для поиска неизвестных параметров и коэффициентов на языке высокого уровня С++ был разработан программный код «Nonlinear», реализующий указанные выше методы оптимизации и решения систем дифференциальных уравнений. Проверка корректности разработанного программного кода «Nonlinear» была выполнена на основе сравнения результатов моделирования естественного обмена ²³⁹Pu в организме человека, полученных с использованием программного кода «Nonlinear», и программы для биокинетических и дозиметрических расчётов IMBA Professional Plus ver. 4.0 (James A.C., 2005). Сравнение показало, что максимальное абсолютное отклонение результатов расчётов по двум программам не превышало 0,7% для сроков до 20000 суток после внутривенного поступления плутония.

В третьей главе представлена общая характеристика случаев поступлений актинидов через повреждённую кожу у персонала ПО «Маяк». Для облегчения анализа и упрощения работы с большим объёмом накопленной за несколько десятилетий информации по случаям раневых поступлений, сведения из рабочих журналов биофизической лаборатории ЮУрИБФ были переведены в ЭБД, разработанную и заполненную при методическом руководстве и непосредственном участии автора. База данных по случаям раневых поступлений была реализована в системе управления баз данных MS SQL-SERVER и включена в качестве подраздела в единую ЭБД биофизической лаборатории ЮУрИБФ.

Анализ внесённой в ЭБД информации о случаях раневых поступлений радионуклидов показал, что за период эксплуатации ПО «Маяк» (с конца 1940-х по 1-е января 2010 года) общее количество зарегистрированных на предприятии случаев ранений кожи составило 385. У персонала были зафиксированы различные виды повреждений, большая часть из которых приходилась на колотые (74%) и резаные (16%) раны кожи. Другие виды ранений, такие как химические ожоги, рваные раны, ссадины, регистрировали значительно реже. Хотя места ранений кожи были самыми разнообразными (голова, плечи, ягодицы, ноги и т.д.), почти 97% случаев всех ранений приходилось на кисти рук. При этом персонал в основном повреждал пальцы, наиболее часто указательные, как показано в таблице 1.

Таблица 1

Анатомическое расположение зарегистрированных ранений кожи кистей рук у персонала ПО «Маяк»

Место локализации	I палец	II палец	III палец	IV палец	V палец	Остальное*
Доля, %	23	35	18	11	7	6
* Поверхность ладони и дорзальная поверхность

Величины измеренных в местах ранений активностей ²³⁹Pu и ²⁴¹Am находились в широких пределах: от уровней, не превышающих НПДИ установки «Пальцемер», до нескольких МБк. Распределение суммарной активности ²³⁹Pu и ²⁴¹Am для наиболее часто встречающегося вида повреждений кожи кистей рук (колотых ран) показано в таблице 2. В 77 % случаев колотые раны пострадавших были загрязнены радиоактивными нуклидами, причём в 60 % случаях у пострадавших содержание радионуклидов в местах ранений превышало 70 Бк, что близко к уровню 75 Бк, при котором эксперты МАГАТЭ рекомендуют рассматривать вопрос об иссечении загрязнённого места ранения (МАГАТЭ, 2000).

Таблица 2

Содержание плутония и америция в местах колотых ранений кожи кистей рук у персонала ПО «Маяк»

Суммарное содержание 239Pu и 241Am, Бк	<13	13-70	71-350	351-1480	1481-7400	>7400
Частота случаев, %	23	19	33	13	10	2

Распределение случаев ранений по пятилетиям показано на рисунке 2. Систематическая регистрация и обследование случаев ранений кожи были начаты в ЮУрИБФ с 1976 года, поэтому приведённые на рисунке 2 данные не полностью отражают статистику ранений кожи у персонала ПО «Маяк» до середины 70-х годов прошлого века.

Штриховкой на рисунке 2 показана доля работников, поступивших на обследование не позднее чем через 7 дней после ранения. Как видно, после середины 1970-х годов эта доля была близка или превышала 50% от всех зарегистрированных за пятилетие случаев ранений кожи. Ситуация со своевременной выявляемостью ранений ухудшилась в 2001-2005 годах: в этот период только около трети травм фиксировали и обследовали в течение первой недели после повреждения кожи. В последнее пятилетие ситуация со своевременностью выявления ранений улучшилась, хотя и не достигла 100% выявляемости травм в ранние сроки.

Бомльшая часть ранений кожи (84%) была зарегистрирована у работников плутониевого производства ПО «Маяк». На остальные производства ПО «Маяк» приходилось не более 5-10% от общего количества ранений.

Рисунок 2 Распределение количества зарегистрированных у персонала ПО «Маяк» случаев ранений кожи по пятилетиям (штриховкой показана доля работников, обследованных не позднее 7 дней после ранения)

Среди персонала плутониевого производства наибольшее количество ранений кожи было зафиксировано у работников литейно-механического отделения. Обследование всех работников этого отделения, трудившихся в нём на конец 2005 года, показало, что наиболее травмоопасной в литейно-механическом отделении является профессия литейщика. Среди работников этой профессии почти половина повреждала кожу кистей рук в условиях радиационно-опасного предприятия (таблица 3).

Таблица 3

Частота повреждения кожи кистей рук у персонала литейно-механического отделения плутониевого производства ПО «Маяк»

Профессия	Литей-щики	Токари	Аппарат-чики	Слесари	Другое
Доля работников с зарегистрированными ранениями, % от числа работников данной профессии	46	19	20	5,2	2

В четвертой главе проведена адаптация биокинетической модели НКРЗ 156 на основе анализа случая поступления актинидов у одного из работников (ИН 2319) ПО «Маяк», произошедшего в 2006 году. Альфа-спектрометрическое исследование иссечённого у пострадавшего работника фрагмента загрязнённой кожи показало, что в нём содержались радионуклиды ²³⁹Pu - 243 кБк, ²⁴¹Am - 23,3 кБк, ²³⁸Pu - 3,1 кБк. Как показали авторадиографические исследования, эти радионуклиды были в основном представлены частицами высокой активности размером до 115 мкм, которые в соответствии с классификацией Публикации 156 НКРЗ США были отнесёны к фрагментам.

В первые двое суток после иссечения динамика резорбции радионуклидов из места ранения кожи пострадавшего соответствовала растворимым соединениям радионуклидов (рисунок 3).



Рисунок 3 Измеренное и модельное содержание ²⁴¹Am в месте ранения при поступлении радионуклида в растворимой форме у пострадавшего работника (ИН 2319) ПО «Маяк»

Через несколько суток после момента ранения для растворимой формы радионуклидов наблюдались значительные различия с результатами измерений: к девятым суткам предсказанные моделью и измеренные значения отличались в 1,8 раза, к 214 суткам это различие составляло почти 10 раз. Для модели НКРЗ 156 были получены новые значения двух констант переноса, отвечающих за резорбцию радиоактивного вещества из места первичного отложения через несколько суток и недель после поступления. Эти константы переноса (из камеры «Коллоиды...» в камеру «Растворимое состояние» и из камеры «Коллоиды...» в камеру «Частицы...») были определены путём минимизации суммы квадратов логарифмов отношений содержаний ²⁴¹Am в месте ранения, рассчитанных по модели, к измеренным значениям. Минимизация проводилась на основе результатов измерений содержания ²⁴¹Am в месте ранения, выполненных в промежуток времени после иссечения и до 214 суток после травмы. Значения исходных и полученных констант переноса приведены в таблице 4, а соответствие измеренного и ожидаемого по модели удержания радионуклида в месте ранения показано на рисунке 3.

Таблица 4

Значения констант переноса

Переход между камерами*	Константа переноса, сутки-1
	Модель НКРЗ 156	Адаптированная модель НКРЗ 156
«Коллоиды...» «Растворимое состояние»	0,024	0,164
«Коллоиды...» «Частицы...»	0,010	0,00426
* См. рисунок 1

Адаптированная модель НКРЗ 156 была проверена на случае поступления ²³⁸Pu у другого работника (ИН 91630) ПО «Маяк». Результаты моделирования показали удовлетворительное совпадение данных, предсказываемых адаптированной моделью НКРЗ 156, с наблюдаемыми данными как в ранние, так и в отдаленные сроки после ранения (рисунок 4), в то время как модель НКРЗ 156 с базовыми параметрами в отдаленные сроки занижала скорость резорбции плутония в 10 раз.

На основании проведённой адаптации модели для рассматриваемого случая поступления у работника (ИН 2319) была выполнена оценка полувековой ожидаемой эффективной дозы (ОЭД) (при концепции ОЭД, предложенной в Публикации 60 МКРЗ и использованной в НРБ-99/2009). В предположении отсутствия для пострадавшего ДТПА-терапии и иссечения места ранения прогнозируемая полувековая ОЭД была оценена равной 4,8 Зв. Оценка эффективности проведённых для пострадавшего ДТПА-терапии и иссечения места ранения показала, что лечение позволило снизить дозовую нагрузку более чем в 480 раз до величины, не превышающей 10 мЗв.



Рисунок 4 Измеренное и модельное содержание ²³⁸Pu в месте ранения при поступлении радионуклида в растворимой форме у пострадавшего работника (ИН 91630) ПО «Маяк»

При раневом поступлении радионуклидов часть радиоактивного материала переходит в лимфатические узлы, облучение которых игнорируется в Публикации 60 МКРЗ. Нами были проведены дополнительные расчёты ОЭД по методологии, предложенной в новой Публикации 103 МКРЗ, согласно которой облучение внелёгочных лимфоузлов учитывается в составе ОЭД путём включения их в группу органов «Остальные ткани» (МКРЗ 103, 2007). Сравнение двух подходов показало, что при раневом поступлении ²³⁸Pu, ²³⁹Pu и ²⁴¹Am в форме растворимых соединений, коллоидов и фрагментов, расчёт ОЭД по концепции Публикации 103 МКРЗ приводит к некоторому (на 10%) уменьшению дозы, по сравнению с концепцией Публикации 60 МКРЗ. При поступлении этих радионуклидов в форме частиц, наблюдается, напротив увеличение дозы в 1,4 раза, что обусловлено учётом вклада в ОЭД облучения лимфоузлов.

В пятой главе проведена разработка камерной модели обмена плутония в органах вторичного отложения в присутствии Ca-ДТПА, описывающей процессы образования и обмена комплекса Pu-ДТПА в организме человека. С этой целью автором был самостоятельно проведён анализ результатов обследования случая поступления ²³⁹Pu в организм работника (ИН 1203) ПО «Маяк» через кожу, повреждённую в результате химического ожога (описание случая опубликовано в работе (Хохряков В.Ф. и соавт., 1999), первичные данные результатов измерений были предоставлены научным руководителем диссертационного исследования Хохряковым В.Ф.).

Анализ показал, что поведение плутония в месте первичного депонирования у пострадавшего работника (ИН 1203) может быть описано четырёхкамерной моделью, в которой плутоний, попавший в место ранения, условно разделяется на быструю и медленную фракции, и затем всасывается в кровь или удаляется с перевязочными материалами.

Для описания распределения плутония между кровью и повязками был использован следующий коэффициент всасывания радионуклида в кровь:

где ф₁ и ф₂ - момент нарушения барьерных функций кожи и момент начала восстановления её защитных свойств; m₁, m₂, m₄ - коэффициенты всасывания плутония из места ранения в кровь для периода времени с момента инцидента до момента ф₁, в промежуток времени [ф₁; ф₂], в момент начала восстановления защитных свойств кожи ф₂, соответственно; m₃ - коэффициент всасывания плутония в кровь для неповреждённой кожи, л - скорость восстановления защитных свойств кожи, сутки^-1.

Введённая нелинейная зависимость коэффициента всасывания плутония через кожу в кровь в целом соответствовала описанному в литературе сложному характеру зависимости от времени проницаемости кожи после попадания на неё плутония в растворе HNO₃ (Иванов А.Е. и соавт., 1965; Ильин Л.А. и соавт., 1981а; 1981б; 1982; Беляев И.К. и соавт., 1982).

Для описания обмена плутония в организме пострадавшего работника в присутствии пентацина была использована модель, состоящая из четырёх частей: 1) четырёхкамерная модель обмена плутония в месте первичного отложения, описанная выше; 2) модель обмена «чистого» плутония (Leggett R. et al., 2005), в которой в качестве модели желудочно-кишечного тракта была использована модель Публикации 30 МКРЗ; 3) модель обмена Ca-ДТПА (модель Stathler J. et al., 1983); 4) собственная модель обмена металлохелата Pu-ДТПА. Упрощённая структурная схема модели показана на рисунке 5.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5 Упрощённая структурная схема модели обмена плутония в организме человека в условиях ДТПА-терапии (ВКЖ - внеклеточная жидкость)

Нелинейная система уравнений, математически описывающая модель обмена плутония в присутствии Ca-ДТПА, была определена следующим образом:

,

,

где N - количество камер биокинетической модели; t - время, прошедшее с момента инцидента, сутки; - состояние i-ой камеры модели в момент времени t, i = 1…N; - константа переноса из камеры i в камеру j (линейная часть модели); -скорость связывания плутония и Ca-ДТПА, присутствующих в камерах i и j, соответственно, в комплекс Pu-ДТПА, который поступает в камеру l (нелинейная часть модели).

Согласно модели, образование комплекса Pu-ДТПА происходит только в крови и внеклеточной жидкости, в результате взаимодействия находящихся в них «чистых» плутония и Ca-ДТПА.

Упрощённая структурная схема взаимодействия использованных моделей представлена на рисунке 5. В общей модели, состоящей из 35 камер, было необходимо определить 17 неизвестных параметров переходов между камерами. При поиске оптимальных параметров минимизировали сумму квадратов логарифмов отношений значений, ожидаемых по модели, к измеренным значениям содержания плутония в образцах мочи пострадавшего работника, собранных со вторых по 34-е сутки после инцидента. Начальные значения параметров линейной части модели, описывающей обмен металлохелата в организме, необходимые в качестве начальной точки для запуска алгоритма минимизации функционала, были выбраны равными или пропорциональными соответствующим параметрам модели обмена «чистого» Ca-ДТПА (Stathler J. et al., 1983). Начальные значения параметров нелинейной части модели были определены на основе экспертного суждения об их ожидаемых значениях.

Результаты моделирования показали, что модель с оптимизированными параметрами даёт удовлетворительное описание выведения плутония из организма с мочой в течение первых недель после ранения, хотя в ней и наблюдаются отличия для небольшого количества отдельных порций мочи, рисунок 6 а). Вероятно, подобные отклонения связаны с различием действительного и модельного ритмов поступления плутония из места ранения в жидкости тела в промежутки сбора этих порций мочи. В отдалённые сроки после инцидента модельная скорость выведения плутония с мочой систематически превышала измеренную в 3-5 раз при сходстве форм кривых выведения, рисунок 6 б)-г).

Разработанная модель показала реалистичные свойства в прогнозировании эффективности действия пентацина:

1. Модель позволила описать эффект насыщения скорости экскреции плутония с мочой, наблюдаемый при введении пентацина в массе, выше рекомендованной: максимальный коэффициент ускорения экскреции плутония с мочой за первые сутки после внутривенного введения человеку Ca-ДТПА, массой более 1 грамма, оказался равным 59,3.

2. Для обычно применяемой с целью выявления носительства плутония дозы пентацина (0,25 г) величина ожидаемого по модели коэффициента ускорения экскреции радионуклида с мочой за первые сутки после введения пентацина составила 53,9. Это хорошо соответствовало величине коэффициента 55,4, показанной на основе анализа результатов биофизических обследований нескольких сотен работников ПО «Маяк» (Щадилов А.Е. и соавт., 2005).

а) первый месяц	б) четыре месяца
в) четыре года	в) десять и тринадцать лет

Рисунок 6 Результаты моделирования скорости выведения плутония с мочой в различные сроки после инцидента у работника (ИН 1203) ПО «Маяк»

Результаты расчётов по модели показали, что при раневом поступлении растворимых соединений плутония следует рассматривать вопрос о введении пострадавшим пентацина дважды в сутки в течение первых дней после инцидента, т.к. подобный режим лечения увеличивает эффективность действия пентацина на 36%. При этом должны быть учтены вопросы о токсическом действии пентацина при его фракционированном введении (Taylor G.N. et al., 1974; Planas-Bohne F. и Ebel H., 1975).

Несмотря на достигнутые положительные свойства модели, мы считаем, что она нуждается в дальнейшем усовершенствовании. На следующем этапе развития модели следует учесть показанную в экспериментах на животных, а также у человека, способность пентацина выводить плутоний из печени (Schubert J. et al., 1961; Меньших З.С. и соавт., 1989). Это можно осуществить, введя в модель образования и обмена металлохелата Pu-ДТПА дополнительную камеру, представляющую внеклеточную жидкость печени, в которой возможно связывание плутония с пентацином.

ВЫВОДЫ

1. В результате анализа случаев ранений кожи, произошедших в процессе многолетней эксплуатации ПО «Маяк», показана высокая значимость раневого пути поступления промышленных соединений плутония в организм сотен лиц из числа персонала ПО «Маяк». Определено, что наиболее травмоопасным участком ПО «Маяк» является его плутониевое производство, на котором зарегистрировано 84% всех случаев ранений кожи в условиях радиационно-опасного производства.

2. Выполнена адаптация раневой модели обмена, представленной в Публикации 156 НКРЗ США, для случая поступления растворимых соединений плутония на основе данных о скорости резорбции актинидов из мест ранений, наблюдаемой у персонала ПО «Маяк». Установлены новые значения констант переноса модели НКРЗ 156 из камеры «Коллоиды и связанное состояние» в камеры «Растворимое состояние» и «Частицы, агрегаты и связанное состояние» (новые значения констант переноса 0,164 сутки^-1 и 4,26•10^-3 сутки^-1, соответственно).

3. Разработана нелинейная модель, описывающая поведение плутония в органах вторичного депонирования с учётом влияния Ca-ДТПА, вводимого внутривенно, на характер обмена инкорпорированного радионуклида. В ранние сроки после поступления плутония разработанная модель даёт удовлетворительное описание наблюдаемой динамики выведения этого радионуклида с мочой. Показаны возможности дальнейшего усовершенствования разработанной модели для учёта выведения плутония из тканей печени.

4. Полученные результаты исследований нашли практическое применение в системе дозиметрического контроля персонала ПО «Маяк» и отражены в Методических указаниях «Методика расчёта доз облучения персонала, обусловленных поступлением изотопов плутония и америция-241 через повреждённые кожные покровы» и «Организация обследований работников, подвергшихся облучению в результате поступления изотопов плутония и америция-241 через повреждённые кожные покровы», утверждённых на уровне Федерального медико-биологического агентства России.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Методика расчёта доз облучения персонала, обусловленных поступлением изотопов плутония и америция-241 через повреждённые кожные покровы / Методические указания. (Романов С.А., Хохряков В.В., Щадилов А.Е.). М.: Федеральное медико-биологическое агентство, 2009. 38 с.

2. Организация обследований работников, подвергшихся облучению в результате поступления изотопов плутония и америция-241 через повреждённые кожные покровы / Методические указания. (Романов С.А., Хохряков В.В., Щадилов А.Е., Ефимов А.В., Сыпко С.А.) - М.: Федеральное медико-биологическое агентство, 2009. 18 с.

3. Щадилов А.Е. Контроль поступления актинидов в организм персонала ПО «Маяк» через повреждённые кожные покровы. В сборнике: Источники и эффекты облучения работников ПО «Маяк» и населения, проживающего в зоне влияния предприятия. Часть I. Под научной редакцией Романова С.А. и Киселёва М.Ф. Озёрск: б.и., 2009. 236 с.

4. Щадилов А.Е., Хохряков В.Ф., Кудрявцева Т.И., Востротин В.В. Влияние пентацина на уровень экскреции плутония из организма человека // Бюллетень сибирской медицины. 2005. Т. 2. С. 128-132.

5. Khokhryakov V.F., Belyaev A.P., Kudravtseva T.I., Schadilov A.E., Moroz G.S., Shalaginov V.A. Successful DTPA Therapy in the Case of ²³⁹Pu Penetration Via Injured Skin Exposed to Nitric Acid // Radiat Prot Dosimetry. 2003. Vol. 105(1-4). P. 499-502.

Список сокращений

ДПТА Диэтилтриаминпентауксусная кислота

ИН Идентификационный номер

МКРЗ Международная комиссия по радиологической защите

НДПИ Нижний предел диапазона измерений

НКРЗ 156 Модель обмена радионуклидов, представленная в Публикации 156 Национального совета по радиационной защите и измерениям США

ОЭД Ожидаемая эффективная доза

ФМБА Федеральное медико-биологическое агентство

ЭБД Электронная база данных

Размещено на Allbest.ru

...