Assessment of biological and calculation dosimetry methods

Abstract

The formula is proposed for the calculation of contamination density by gamma-active caesium isotopes by radiation background and vice versa: 1 Ci/km²= (7,55±0,44) µR/h. This equation practically corresponds to our calculations by Zhuravlev reference: 1 Ci/km²=7,7 µR/h. The hematologic nomograms allow a physician to be quickly oriented in the diagnosis and medical assortment of acute damages of persons by uniform gamma-irradiation in the range of doses between 1 and 10 Gy. Adapted to the Chernobyl accident conditions the calculation method of the determination of small doses of chronic irradiation by the Blare mathematical model is simple and convenient. By its results it is close to the probabilistic model of chronic irradiation used by the international group «Chernobyl project».

Full Text

Задача биологической дозиметрии при проведении медицинской сортировки значительно облегчается при использовании гематологических номограмм [2]. Номограммы характеризуют количественные изменения элементов крови на протяжении 45 суток после возникновения костномозговой формы острой лучевой болезни (ОЛБ) различной тяжести (рис. 1 и 2).

Рис. 1. Динамика изменений количества лимфоцитов (а) и нейтрофилов (б) в периферической крови в зависимости от степени тяжести ОЛБ.

Рис. 2. Динамика изменений количества тромбоцитов (а) и эритроцитов (б) в периферической крови в зависимости от степени тяжести ОЛБ.

В периоде первичной лучевой реакции ОЛБ симптомо-маркером служит уровень лимфопении. Нейтропения становится симптомом-маркером в скрытом периоде ОЛБ, на 10—15-е сутки после облучения. Тромбоцитопения приобретает важное диагностическое значение в начале стадии разгара ОЛБ, то есть на 4-й неделе заболевания. Наиболее инертным и устойчивым показателем крови является количество эритроцитов, уменьшение которого наблюдается через 6 недель после облучения и перехода болезни в хроническую форму. Гематологический метод дозиметрии адекватен клинически выраженным формам ОЛБ, возникающей от внешнего равномерного гамма-облучения в диапазоне доз от 1 до 10 Гй (100—1000 рад). Точно определить дозу и равномерность облучения можно цитогенетическим методом, в основу которого положена линейная зависимость частоты хромосомных аберраций лимфоцитов и костномозговых клеток от дозы облучения. Чувствительность метода, к сожалению, ограничена порогом в 50 сЗв (бэр) [3].

В последние годы все чаще стал применяться радиоспектроскопический метод выявления электронного парамагнитного резонанса. Возникающие под влиянием ионизирующего излучения свободные радикалы изменяют напряженность магнитного поля и при облучении в дозах выше 30 сЗв (бэр) длительно сохраняются в твердых тканях. Однако необходимость экстракции зубов или проведения костной биопсии ограничивает распространение метода [1, 4].

Гематологические, цитогенетические и радиоспектроскопические методы индивидуальной дозиметрии можно отнести к морфометрическим исследованиям, имеющим высокий порог чувствительности.

Возможность определения действия на организм малых доз радиации открывается при исследовании происходящих функциональных сдвигов. В этой связи уместно вспомнить гипотезу Н.В. Тимофеева-Ресовского о трех принципах действия радиации на организм: принципов попадания, мишени и усилителя [8]. Принципу усилителя на уровне целостного организма в наибольшей степени отвечает нейроэндокринная дисрегуляция, возникающая на самой ранней стадии лучевой болезни. Поэтому целесообразно прослеживать изменения уровней гормонопоэза и электровозбудимости ЦНС. Заслуживает внимания метод определения [5] содержания тиреоидных и глюкокортикоидных гормонов под влиянием 0,5 сЗв (бэр).

Неврологическое обследование участников ликвидации аварии на ЧАЭС показывает, что малые дозы облучения увеличивают концентрацию липоперекисей и вызывают сосудистые и даже структурные изменения в глубинных отделах головного мозга (лимбическая система, ретикулярная формация), которые становятся источником эпилептиформной активности на ЭЭГ.

Как ни привлекательны для клиницистов методы биологической дозиметрии, их трудно использовать для наблюдения за обширными популяциями. Непригодными оказались и физические методы дозиметрии малых доз облучения. Международная исследовательская группа «Чернобыльский проект» применила в 1990 г. для этой цели чувствительные и надежные французские пленочные дозиметры с порогом восприятия 2 сГй (рад). Более 8000 человек, проживающих на загрязненных территориях Брянской, Гомельской и Киевской областей, пользовались таким дозиметром в течение 2 месяцев. У 7200 человек показания дозиметров не изменялись, у остальных они оказались испорченными.

В.Я. Голиков и К.П. Кедров [3] считают, что ретробиодозиметрия, основанная на расчетных данных, непригодна для персональных оценок. Однако, по нашему мнению, применение расчетных методов определения эффективных эквивалентных доз оправдывает себя при проведении массовых эпидемиологических исследований, особенно при расчетах коллективной дозы облучения. Такие методы должны быть основаны на данных о радиационном фоне местности и опираться на достоверную математическую модель хронического облучения малыми дозами.

80% радионуклидов, загрязняющих территории, пострадавшие от аварии на ЧАЭС, представляют собой изотопы цезия-134, -137, излучение которых создает стабильно повышенный радиационный фон. Однако регламентирующие документы содержат характеристику чернобыльских зон по плотности заражения цезием в Ки/км² (кБи/м²). В доступной литературе мы не нашли методов пересчета плотности заражения цезием-137 на величину создаваемой им мощности дозы гамма-излучения.

В.Ф. Журавлев [6] приводит радиометрическую характеристику гамма-излучающего эталона, представляющего собой равновесную соль радия с углеродом и барием в платиновой оболочке толщиной 0,5 мм. Активность эталона равна 37 кБк. Мощность излучения на расстоянии 1 см составила 0,02 Кл/кг∙ч (77,1 Р/ч). Нетрудно рассчитать, что на высоте 1 м вещество, рассыпанное на площади 1 м², будет иметь мощность гамма- дозы равную 7,7∙10^-8 Гй/ч (7,7 мкР/ч). Следовательно:

1 Ки/км² = 37 кБк/м² ÷ 7,71 мкР/ч = 7,71∙10^-8 Гй/ч.

Совместно с инженером по радиоэлектронике К.М. Галатом из Республиканской радиологической лаборатории МСХ РФ в 1990 г. мы приняли участие в разработке материалов Госкомгидромета по изучению влияния плотности загрязнения изотопами цезия на радиационный фон Плавского района Тульской области. В табл. 1 представлены данные о замерах мощности дозы гамма-излучения на высоте 1 м и результаты исследования содержания цезия-134, -137 в 84 образцах почвы, взятых из 14 различных радиоактивных пятен на поверхности земли. Статистический анализ результатов полевых радиогеохимических исследований практически подтверждает наши расчеты по радиоактивному эталону Журавлева:

1 Ки/км² = 37 кБк/м² ÷ (7,55±0,44) мкР/ч= (7,55±0,04∙10^-8 Гй/ч.

Таблица 1. Влияние загрязнения изотопами цезия на мощность гамма-излучения (высота 1 м)

Нумерация радиоактивных пятен	Плотность загрязнения			Мощность дозы, мкР/ч (сГй/ч)	Соотношение
	n	Ки/км2 (37 кБк/м2)			$\frac{мкР/ч}{Ки/к{м}^2}$
		М1	±ϭ1		М2	±ϭ2
1	1	1,2	—	20	16,67*	—
2	6	2,9	0,6	30	10,34	0,20
3	6	4,6	0,6	40	8,70	0,13
4	6	6,2	0,6	50	8,10	0,10
5	9	7,9	0,8	60	7,59	0,10
6	8	9,5	0,5	70	7,37	0,05
7	6	11,0	0,4	80	7,27	0,03
8	6	12,7	0.4	90	7,09	0,03
9	6	14,3	0,4	100	6,99	0,02
10	6	16,0	0,5	110	6,88	0,03
11	6	17,6	0,5	120	6,82	0,03
12	6	19,0	0,5	130	6,84	0,03
1З	6	30,0	0,5	200	6,66	0,02
14	6	33,0	0,5	217	6,58*	0,02
Итого	77	—	—	—	7,55	0,04

*Крайние варианты исключены как недостоверные.

Официальные методические рекомендации по определению годовых суммарных эффективных эквивалентных доз облучения населения, разработанные для контролируемых районов, подвергшихся радиоактивному загрязнению в результате аварии на Чернобыльской АЭС, основаны на использовании эмпирических коэффициентов, значение которых ежегодно меняется с учетом данных термолюминесцентной дозиметрии и гамма-спектроскопии. Подобные подходы вполне правомерны, однако хотелось бы отметить их сложность и малодоступность для практических врачей. Этих недостатков лишена математическая модель хронического облучения, которую предложил Блэр [10]. Он обосновал понятие о периоде полувосстановления Т_½ тканей в облученном организме. У человека он длится 28 суток, что соответствует скорости восстановительных реакций ß, равной 0,125 долей в неделю (12,5%). Этим же автором также было сформулировано представление о лучевой болезни как сопряженном процессе обратимых и необратимых изменений в организме. Доля необратимых изменений f у человека оказалась равной 0,1 (10%).

Одно из уравнений Блэра описывает модель хронического облучения организма на территории, загрязненной длительно живущими радионуклидами [11]:

DEchr = γ[1—f)/ß]+γ∙f∙T

Первое слагаемое представляет собой дозу облучения, связанную с восстановительными процессами в организме, второе — характеризует необратимые изменения. Для удобства расчетов мы избрали следующие размерности: DEchr — эффективная доза хронического облучения, Р (сГй); Т — время облучения, нед; γ — мощность дозы гамма-излучения на высоте 1 м, Р/нед (сГй/нед).

Для проверки надежности уравнения мы сочли целесообразным сопоставить два международных регламента для эвакуации населения: мощность дозы гамма-излучения — 0,3 сГй/ч (0,3 мР/ч) и годовую эффективную эквивалентную дозу облучения — 0,5 сЗв (0,5 бэр), допустимую для населения в аварийном периоде.

Расчетные данные о влиянии цезия-137 на облучение населения в зависимости от зоны загрязнения представлены в табл. 2.

Таблица 2. Влияние загрязнения местности цезием-137 на облучение населения в течение года

Плотность загрязнения, кБк/м2 (Ки/км2)	Мощность гамма-излучения на высоте 1 м		Эффективная доза, сГй(рад)	Доза внутреннего облучения, сЗв(бэр)	Максимальная эквивалентная эффективная доза на открытой местности, сЗв	Доза с учетом Косл*, сЗв
	мР/ч	сГй/нед
37 (1)	0,0077	0,001	0,016	0,005	0,02	0,01
185 (5)	0,0385	0,006	0,08	0,027	0,10	0,07
370 (10)	0,0771	0,012	0,16	0,054	0,20	0,14
555 (15)	0,1160	0,02	0,24	0,080	0,32	0,20
1110 (30)	0,2300	0,04	0,48	0,160	0,64	0,40
1480 (40)	0,3**	0,05	0,64	0,220	0,86	0,5**

* Время пребывания в деревянных домах — 16 часов в сутки; ** международные регламенты на эвакуацию населения из зоны радиационного загрязнения.

В решение уравнения мы внесли две поправки. Первая поправка определяет величину доли внутреннего облучения. Международная группа «Чернобыльский проект» с помощью портативного счетчика импульсов излучения человека обследовала внутреннее облучение изотопами цезия почти у 9000 человек. Оказалось, что доля внутреннего облучения равна в среднем 25%, а внешнего — 75%, что мы и использовали в представленных расчетах.

Вторая поправка характеризует экранирующую способность помещений и время пребывания сельских жителей на открытой местности. Мы исходили из регламентирующих документов, определяющих максимальное время пребывания на открытой зараженной местности не более 8 часов в сутки. Для сельских деревянных построек коэффициент ослабления (К_осл) гамма-радиации равен 3.

Расчеты показывают совпадение двух международных регламентов на эвакуацию, что убеждает нас в верности избранной математической модели облучения.

Интересно отметить, что различные исследователи, не раскрывая своих методов подсчета эффективных доз хронического облучения, дают противоречивые результаты. Так, одни авторы [9] при мощности гамма-излучения на местности до 0,3 мР/ч (3 мкГй/ч) определили, что годовая эффективная доза облучения равна 2,6 бэр, это выше нашего результата в 5 раз. Другие авторы считают, что доза облучения в таких условиях равна 0,1 бэр, то есть в 5 раз меньше нашего результата.

Руководитель международной исследовательской группы «Чернобыльский проект» Ицузо Шигемацу [7] дает прогнозную оценку доз облучения населения за 70 лет жизни на территории, загрязненной изотопами цезия. Так, проживание в средней части зоны отселения с плотностью загрязнения цезием-137 до 1110 кБк/м² (30 Ки/км²) вызовет облучение людей, по его данным, в дозе 16 сЗв (бэр), что в 2,5 раза меньше прогнозной дозы Института биофизики МЗ РФ (40 сЗв). Указанное различие И. Шигемацу объясняет использованием институтом детерминистской модели расчетов доз облучения, которая исходит из максимально неблагоприятных условий.

Наши расчеты по математической модели Блэра для тех же условий определяют дозу облучения населения за 70 лет, равную 9 сЗв (бэр), что меньше дозы, рассчитанной группой «Чернобыльский проект» лишь в 1,7 раза. Для прогноза на столь длительный период такое различие является несущественным. Результаты оценок могут быть названы вполне совпадающими.

Следует повторить, что наши расчеты эффективной эквивалентной дозы облучения за 70 лет были проведены с учетом периода полураспада цезия-137, средней мощности дозы гамма-излучения за 70 лет, доли внутреннего облучения, равной 25% по отношению к внешнему. Мы исходили из того, что две трети своего времени жители находятся в деревянных помещениях с К_осл. равным 3 (см. табл. 3).

Таблица 3. Прогнозные оценки доз облучении за 70 лет проживании на территории, загрязненной цезием-137

Плотность загрязнения, кБк/м2 (Ки/км2)	Детерминистская модель Института биофизики МЗ РФ			Вероятностная модель группы «Чернобыльский проект» (1991)			Математическая модель Блэра (1952)
	эффективная доза, сГй (рад)	доза внутреннего облучения, сЗв (бэр)	эквивалентная эффективная доза, сЗв (бэр)	эффективная доза, сГй (рад)	доза внутреннего облучения, сЗв (бэр)	эквивалентная эффективная доза, сЗв (бэр)	эффективная доза, сГй (рад)	доза внутреннего облучения, сЗв (бэр)	эквивалентная эффективная доза, сЗв (бэр)
370 (10)	8	6	15	6	2	8	2,2	0,8	3,0
1110 (30)	16	23	40	13	3	16	6,7	2,3	9,0

ВЫВОДЫ

1. При воздействии на людей доз облучения в диапазоне от 1 до 10 Гй для диагностики и медицинской сортировки полезно использовать номограммы гематологических изменений с учетом сроков пролиферативной активности лимфоцитов, нейтрофилов и тромбоцитов.
2. Для выявления действия малых доз облучения на организм функциональные тесты (гормонопоэз, ЭЭГ и др.) предпочтительнее морфометрических методов (гематологический, цитогенетический, ЭПР и др.).
3. Приведенные результаты радио-геохимических исследований образцов почвы, отобранных на тульском радиоактивном пятне, позволяют определить соотношение плотности загрязнения изотопами цезия и мощности дозы гамма-излучения, что необходимо для расчета облучения.
4. Использованная нами математическая модель Блэра по определению эффективных доз хронического гамма- облучения вполне пригодна для применения при массовых эпидемиологических исследованиях и расчетах коллективных доз облучения. Полученные на ее основе результаты коррелируют с вероятностной моделью расчета доз облучения, использованной международной исследовательской группой «Чернобыльский проект».