автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.02, диссертация на тему:Разработка воксельных фантомов и оценка доз внутреннего облучения эмали зубов жителей Уральского региона, подвергшихся радиационному воздействию

На правах рукописи

Волчкова Александра Юрьевна

Разработка вексельных фантомов и оценка доз внутреннего облучения эмали зубов жителей Уральского региона, подвергшихся радиационному воздействию

05.26.02 - Безопасность в чрезвычайных ситуациях (ядерный топливно-энергетический комплекс)

1 г ФЬВ 2015

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск - 2014

005558947

П-/0еГо! е.е>л/г'

005558947

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки «Уральский научно-практический центр радиационной медицины Федерального медико-биологического агентства»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Жуковский Михаил Владимирович Научный руководитель: кандидат биологических наук Шишкина Елена Анатольевна

Официальные оппоненты:

Иванников Александр Иванович, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории экспериментальной ядерной медицины Медицинского радиологического научного центра им. А.Ф. Цыба - филиала ФГБУ "ФМИЦ им. П.А. Герцена" Минздрава России (г.Обнинск);

Федоров Георгий Алексеевич, доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры "Радиационная физика и безопасность ядерных технологий" Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (г. Москва).

Ведущая организация: Федеральное бюджетное учреждение науки «Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт радиационной гигиены имени профессора П.В. Рамзаева» (г. Санкт-Петербург).

Защита диссертации состоится «25» марта 2015 года в 11.00 на заседании диссертационного совета Д 462.001.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении «Государственный научный центр Российской Федерации - Федеральный медицинский биофизический центр имени А.И. Бурназяна» ФМБА России по адресу: г. Москва, ул. Живописная, д. 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУ ГНЦ ФМБЦ им. А.И. Бурназяна ФМБА России и на сайте организации http://fmbcfmba.ru/about/news/92/8237/.

Автореферат разослан Щ 2015 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук

Молоканов Андрей Алексеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

Научное обоснование норм радиационной безопасности основывается на анализе рисков, сопутствующих использованию ядерной энергии. В настоящее время это одна из важных проблем, связанных с безопасностью в чрезвычайных радиационных ситуациях (Гусев, 1980; Круглое, 2003). Изучение последствий радиационных аварий, в результате которых произошло облучение больших групп людей, предоставляет уникальные возможности получения знаний о воздействии ионизирующего излучения на организм человека и может дать необходимый опыт для обеспечения радиационной безопасности в будущем.

В частности, в результате промышленной деятельности производственного объединения (ПО) "Маяк" (Фетисов, 1996) в середине прошлого века были радиоактивно загрязнены обширные территории Уральского региона (Хохряков, 2002). Население, проживающее на радиоактивно загрязненных территориях, не имело персональных дозиметров, поэтому в качестве естественного индивидуального дозиметра использовался зуб человека. Изучение медико-биологических последствий радиоактивного загрязнения нуждается в дозиметрической поддержке. Одним из методов индивидуальной ретроспективной дозиметрии, широко применяемых в этом регионе для реконструкции доз внешнего облучения, является метод Электронного Парамагнитного Резонанса (ЭПР) (Евегес^ег, 1996; СЬишак, 1999; Шишкина, 2003; Иванов, 2011; 81ерапепко, 2012). Этот метод позволяет измерить индивидуальную накопленную дозу в эмали зубов и применяется для дозиметрии внешнего облучения. Однако особенностью ЭПР-дозиметрии на Южном Урале является комбинированный характер облучения населения (наличие дозы и внешнего, и внутреннего облучения) (\Vieser, 1996; ЯошапуикЬа, 1996). Внутренняя компонента суммарной дозы в эмали формируется, в основном, за счет ^г (и его дочернего продукта 90У), инкорпорированного в зубных тканях. Поскольку доза внутреннего облучения

эмали не коррелирует с дозой на критические органы, то для интерпретации ЭПР-измерений необходимо оценить и вычесть внутреннюю компоненту из суммарной ЭПР-детектируемой дозы.

Пробег электронов в зубных тканях сопоставим с их размерами. Поэтому, чтобы рассчитать дозу внутреннего облучения эмали необходимо учитывать особенности геометрии зубов. Таким образом, успешное использование экспериментального метода ЭПР-спектроскопии, доступного для ретроспективной индивидуальной дозиметрии в Уральском регионе, требует дополнительного исследования. Это дополнительное исследование связано, во-первых, с созданием геометрических моделей зубов, чьи размеры соответствовали бы размерам зубов исследуемого населения и, во-вторых, с расчетом на основе этих моделей дозовых коэффициентов (ДК), представляющих собой мощность дозы в эмали от единичной удельной активности инкорпорированного ""^гЛу в различных зубных тканях.

Цель исследования заключается в разработке дозиметрических вексельных фантомов зубов человека различного возраста и оценке доз облучения эмали от инкорпорированного ^гЛУ для жителей Уральского региона, проживавших на радиоактивно загрязненных территориях.

Задачи исследования

1. Разработка методики создания дозиметрических воксельных фантомов зубов на основе анализа изображения сечений коронок;

2. Анализ размеров коронок зубов сельских жителей Уральского региона для построения воксельных фантомов;

3. Построение дозиметрических воксельных фантомов коронок резцов и моляров в зависимости от возраста человека;

4. Оценка дозовых коэффициентов для эмали зубов от 908г/90У, инкорпорированного в эмали, первичном и вторичном дентине коронки, методом численного моделирования с использованием дозиметрических воксельных фантомов;

5. Расчет накопленных доз внутреннего облучения "^гЛУ эмали зубов жителей прибрежных территорий реки Теча, загрязненной жидкими радиоактивными отходами ПО "Маяк".

Научная новизна

Впервые была разработана оригинальная методика создания дозиметрических воксельных фантомов зубов, основанная на анализе изображений, полученных сканированием зубов, распиленных в различных направлениях. Новая методика создания фантомов впервые позволила разделить первичный и вторичный дентин по отдельности.

Впервые для сельских жителей Уральского региона созданы наборы дозиметрических воксельных фантомов, соответствующие различным возрастам. Учет возрастных изменений размеров зубных тканей существенно улучшает предыдущие дозиметрические оценки, выполненные на основе упрощенных аналитических моделей.

Впервые для резцов рассчитаны дозовые коэффициенты от '"БгЛу, инкорпорированного во вторичном дентине.

Практическая значимость работы

Полученные возрастные зависимости дозовых коэффициентов используются для расчета накопленных доз внутреннего облучения эмали для жителей прибрежных территорий реки Теча в Уральском регионе, что позволит повысить точность интерпретации ЭПР-измерений и будет использовано для валидации дозиметрической системы реки Теча.

Положения, выносимые на защиту

1. Разработана методика создания дозиметрических воксельных фантомов коронок зубов на основе анализа изображений вестибуло-язычных и

медиально-дистальных сечений;

2. В диапазоне 1920-1960 годов рождения скорость стирания коронок первых верхних и нижних резцов взрослых людей уменьшается от 0,13 до 0,11 мм/год и от 0,10 до 0,0В мм/год соответственно; вследствие этого суммарная

доза, накопленная к 2010 году при единичном поступлении 90Sr в эмаль в 1950 году, у человека 1950 года рождения в 1,3 раза меньше, чем таковая у людей 1920 года рождения;

3. На основании воксельных фантомов получены дозовые коэффициенты облучения эмали постоянных зубов от инкорпорированного 90Sr/90Y для жителей Уральского региона в возрасте от 7 до 80 лет с возможностью адаптации полученных значений для жителей других регионов в случае чрезвычайных ситуаций с неконтролируемым радиационным воздействием.

Личный вклад соискателя

Участие в разработке методики и в создании дозиметрических воксельных фантомов зубов; участие в измерениях размеров коронок зубов (соискателем лично выполнено около 20% всех измерений); анализ размеров коронок зубов, создание модели возрастных изменений высоты коронок резцов и расчет дозовых коэффициентов; оценка влияния возрастных изменений размеров коронок зубов на значения дозовых коэффициентов и расчет дозы внутреннего облучения эмали для жителей прибрежных территорий реки Теча.

Апробация работы

Основные результаты исследований были представлены и обсуждены на конференции, посвященной экспериментальным и эпидемиологическим исследованиями "Late Health Effects of Ionizing Radiation" (Вашингтон, США,

2009); 111 европейском конгрессе IRPA (Хельсинки, Финляндия, 2010); международной конференции EPRBioDose (Манделье-ла-Напуль, Франция,

2010); IV международной конференции "Хроническое радиационное воздействие: эффекты малых доз" (Челябинск, Россия, 2010); III международной научно-практической конференции "Адаптация биологических систем к естественным и экстремальным факторам среды" (Челябинск, Россия, 2010); 56 -й ежегодной конференции общества физиков здоровья (Палм-Бич, США, 2011); 13 -й международной конференции по радиационной защите (Глазго, Великобритания, 2012); 57-й ежегодной конференции общества

физиков здоровья (Сакраменто, США, 2012); международной конференции "Опыты минимизации последствий аварий 1957 года" (Челябинск, Россия, 2012); международном симпозиуме по ЭПР-дозиметрии и датировании и международной конференции по биологической дозиметрии (Лейден, Нидерланды, 2013); V международной научно-практической конференции "Biomedical and radioecological problems in the uranium mining region" (Астана, Казахстан, 2014).

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликовано 25 научных работ, в том числе 2 статьи в российских научных журналах по перечню ВАК, 3 статьи в рецензируемых иностранных журналах, включенных в систему цитирования Web of Science: Science Citation Index Expanded, 2 статьи в других рецензируемых журналах и 18 публикаций в материалах российских и международных конференций.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, четырех приложений и списка используемой литературы. Работа изложена на 141 странице машинописного текста и содержит 31 таблицу и 24 рисунка основного текста и 13 таблиц приложений. Список литературы включает 109 источников, в том числе 57 на английском языке.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, дана характеристика научной новизны, обоснована практическая значимость работы, представлен

личный вклад соискателя.

В первой главе диссертации проведен литературный обзор, посвященный описанию зубов человека как естественного индивидуального дозиметра. В результате анализа литературных источников оказалось, что с возрастом зубы подвергаются значительным внутренним и внешним изменениям, что может существенно повлиять на значения дозовых

коэффициентов. На основании литературного обзора сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе диссертации представлено описание материалов и методов. Исследовались постоянные зубы 326-ти сельских жителей Южного Урала 1915-1960-х годов рождения: 289 резцов (120 верхних и 169 нижних) и 108 2-х верхних моляров, удалённых по медицинским показаниям в период с 1993 по 2005-й гг. Возраст людей на момент удаления зубов был от 36 до 88 лет.

Исследуемые зубы использовались для решения 2-х задач: анализ размеров коронок зубов и построение дозиметрических вексельных фантомов. В табл. 1 представлено количество зубов, используемых для разных задач.

Таблица 1. Количество зубов, используемых для анализа размеров коронок зубов и построения дозиметрических воксельных фантомов

Задачи Позиция зуба

Be эхняя челюсть Нижняя челюсть

1-й резец 2-й резец 2-й моляр 1-й резец 2-й резец

Анализ размеров 82 38 108 116 53

Построение фантомов 24 нет 17 32 нет

Измерение размеров коронок зубов проводились 2-мя методами. Восемьдесят процентов измерений были выполнены с помощью штангенциркуля стандартной методикой (Самусев, 2002; Kieser, 1990); 20% были измерены на сканах вертикальных распилов зубов.

Зуб распиливался либо в вестибуло-язычном (ВЯ), либо в медиально-дистальном (МД) направлениях с помощью низкоскоростной прецизионной пилы ISOMET. Для получения изображения спилы зубов шлифованием доводились до толщины 0,5 мм и сканировались с высоким разрешением на сканере Epson Perfection 1660 PHOTO. Анализ вестибуло-язычных (ВЯ) и медиально-дистальных (МД) сканов проводился с использованием программы Adobe Photoshop PS. Фильтр Smart Sharpen, из галереи фильтров программы, позволил визуализировать неочевидное различие между первичным и

вторичным дентином. Измерения размеров коронок зубов и толщин зубных тканей осуществлялось с помощью программного инструмента "линейка".

Дозовые коэффициенты рассчитывались методом статистического имитационного моделирования (Монте-Карло) транспорта электронов в зубных тканях с использованием программного пакета МСОТ 4с2 (ВпеБпк^ег, 2000). Имитировалось поглощение энергии в эмали (ткани-детекторе) при равномерном распределении источника излучения электронов суммарного спектра "^гЛУ в эмали, первичном либо вторичном дентине (тканях-источниках).

Статистическая обработка полученных результатов осуществлялась методами математической статистики (Соболь, 1973; Ферстер, 1981; Гланц, 1981).

В третьей главе была разработана методика создания дозиметрических воксельных фантомов коронок зубов на основе анализа сканированных изображений сечений зуба. Эта методика позволила разделить первичный и вторичный дентин. В качестве вокселя использовался куб со стороной, равной 0,5 мм. Методика состояла из следующих этапов:

1. Образцы, полученные в результате распила зубов либо в ВЯ, либо в МД направлениях, шлифовались и сканировались с высоким разрешением.

2. Изображения преобразовывались так, чтобы получить четкие, визуально различимые границы первичного и вторичного дентина.

3. Для анализа сканов использовалась единая система координат, репером для горизонтальной оси служила шейка зуба; начало координат - середина

пульпарной полости.

4. На преобразованных изображениях тонких шлифов зубов выставлялась сетка так, чтобы ее линии совмещались с выбранными осями координат.

5. По линиям сетки проводились измерения линейных размеров зубных тканей в горизонтальных и вертикальных направлениях.

6. Полученные двумерные массивы индивидуальных измерений в вестибуло-язычных (ВЯ) и медиалъно-дистальньтх (МД) сечениях усреднялись и разбивались на воксели.

7. Средние ВЯ и МД сечения в воксельном приближении совмещались относительно единой системы координат как показано на рис. 1, где по оси X откладывается медиально-дистальный (МД) диаметр коронки, по оси У -вестибуло-язычный (ВЯ) диаметр коронки, по оси X - высота коронки (В).

8. Вексельное заполнение производилось по горизонтальным уровням. На каждом уровне форма зуба аппроксимировалась прямоугольником с закругленными углами с центром в точке пересечения средних ВЯ и МД сечений.

В четвертой главе был проведен анализ размеров коронок зубов сельских жителей Уральского региона, которые сопоставлялись с литературными данными. Для сельских жителей Уральского региона были обнаружены достоверные линейные возрастные зависимости высот коронок зубов. На интервале возрастов от 40 до 88 лет высота коронок зубов

В

ВЯ

■ -эмаль □-первичный дентин

■ -пульпа □-вторичный дентин

Рис. 1. Трехмерная модель верхнего резца

уменьшается со средней скоростью 0,03 мм/год. На рис. 2 в качестве примера демонстрируется зависимость приведенной высоты коронок верхних резцов от возраста. Точками показаны значения высот в относительных единицах; сплошной линией - линейная регрессия; пунктирные линии ограничивают 90% доверительный интервал для линии регрессии; штрихпунктирные линии - 90% интервал предсказаний.

Возраст человека, годы Рис. 2. Возрастная зависимость приведенной высоты коронок резцов верхней челюсти (р=0,004; Л2=0,09)

Согласно литературным данным (Авдеев, 1968; Грошиков, 1985; Шезег, 1990; Самусев, 2002; Клемин, 2004; Гайворонский, 2005; Пономарев, 2006) коронка резца с возрастом претерпевает три стадии изношенности, характеризующиеся тремя опорными точками: момент прорезывания (7 лет); момент, к которому происходит стирание эмали режущего края до оголения дентина (20-40 лет) и момент, к которому стирается половина коронки (60-70 лет). Скорость уменьшения высоты коронки с возрастом не постоянна, поэтому в качестве модели механического износа была выбрана сигмоидальная модель (1):

*)=-О)

1 + е ь

где I - возраст человека; а - параметр высоты коронки; Ъ - скорость износа и - возраст, к которому стирается половина коронки зуба.

На рис. 3 демонстрируется модель механического износа коронок резцов (сплошная линия), подогнанная к трем опорным точкам, обозначенных как I, II и III. На возрастном интервале от 40 до 88 лет участок сигмоидальной модели (1) хорошо аппроксимируется прямой. В табл. 2 приведены диапазоны возможных значений угловых коэффициентов (полученных в линейном приближении на заданном интервале возрастов по результатам анализа литературных данных), соответствующих скоростям стирания резцов, в сопоставлении с соответствующими им результатами, наблюдаемыми у

Возраст человека, годы

Рис. 3. Модель механического износа коронок резцов

Таблица 2. Угловые коэффициенты линейных возрастных зависимостей наблюдаемых высот коронок резцов разных позиций в сопоставлении с диапазоном возможных значений

Угловой коэффициент, мм/год

Позиция Наблюдаемые значения* Диапазон возможных значений

Верхняя челюсть

1 -0,04±0,01 -0,25 - -0,07

2 -0,21 --0,06

Нижняя челюсть

1 -0,02±0,01 -0,19--0,05

2 -0,03±0,02 -0,21 --0,06

i среднего.

Как видно из табл. 2 наблюдаемые значения ниже ожидаемых в среднем в 5 раз. Кроме этого наблюдаемые значения достоверно не попадают в диапазон потенциально возможных значений.

Таким образом, для жителей Уральского региона были обнаружены достоверные различия между наблюдаемыми возрастными зависимостями высоты коронок резцов, удалявшихся по медицинским показаниям, и таковыми, ожидаемыми за счет механического износа. Объяснить полученные различия можно тем, что помимо возраста человека на момент удаления зуба, на скорость стирания коронки могли влиять различия в рационах людей разных годов рождения. Рационы определяют как начальные размеры зубов, так и степень минерализации и, соответственно, стираемость, а так же стирание, связанное с твердостью пищи. Поэтому, учитывая год рождения, высота коронки резцов сельских жителей Уральского региона может быть описана следующей теоретической моделью (2):

//(£.П=—©

1+е ьт

где t - возраст; Т - год рождения, параметры а, Ь и /0 есть функции от года рождения.

Параметры модели (2) подгонялись к экспериментальным данным путем выбора наиболее вероятных из диапазона возможных значений методом Монте-Карло.

В результате параметры модели (2) в зависимости от года рождения, для удобства в дальнейших расчетах, можно аппроксимировать следующими функциями, представленными в системе (3):

Г-е

а(Г) = с + й ■ е-е__Г-

.1=11 (3)

Ь(Т) = д + 11-е-е " -

£0(Ь) = о ■ Ь + и/.

Для резцов разных позиций параметры уравнений системы (3) представлены в табл. 3.

Таблица 3. Параметры уравнений системы (3) для резцов разных позиций

Позиция с d е f g h m n 0 w

Верхняя челюсть

1 1,075 0,81 1935,0 -17,1 -30,3 6,7 1924,6 3,6 -0,272 58,64

2 1,057 0,57 1940 -16,0 -33,4 9,9 1928,0 4,8 -0,454 54,34

Нижняя челюсть

1 0,780 0,74 1937,0 -16,4 -32,32 8,7 1923,0 4,6 -0,324 57,32

2 0,966 0,64 1938,6 -14,5 -33,70 10,2 1923,6 5,2 -0,440 54,56

Используя полученные параметры модели (2) для расчета скоростей стирания на интервале возрастов от 40 до 88 лет в линейном приближении, были получены оценки, не противоречащие диапазону возможных значений (табл. 2). В качестве примера в табл. 4 представлены значения скоростей стирания 1-х резцов сельских жителей Уральского региона 1920 и 1960 годов рождения.

Таблица 4. Сравнение скоростей стирания 1-х резцов сельских жителей Уральского региона 1920 и 1960 годов рождения

Позиция резца Скорость стирания (± ошибка среднего), мм/год

1920 г.р. 1960 г.р.

1-й верхний 0,130±0,001 0,110±0,001

1-й нижний 0,100±0,001 0,080±0,001

Изменение скорости стирания в зависимости от года рождения у вторых резцов пренебрежимо мало (0,11-0,10 мм/год), однако достоверно отличается от оценок, полученных методом наименьших квадратов при анализе измерений высот коронок (0,03 мм/год), и хорошо согласуется с литературными данными.

Пятая глава посвящена построению дозиметрических вексельных фантомов коронок зубов сельских жителей Уральского региона. Было построено 39 фантомов коронок резцов и моляров. Для 1 -х верхних и нижних резцов было построено по 5 референтных фантомов, соответствующих средним возрастам: 7, 45, 55, 65 и 75 годам; для 2-го верхнего моляра - 3 референтных фантома, относящихся к 12, 55 и 73-х летним возрастам. Размеры референтных

фантомов соответствовали средним размерам коронок, типичных для сельских жителей Уральского региона. Кроме этого для резцов было создано еще по 5 максимальных и 5 минимальных, а для моляра - 3 максимальных и 3 минимальных фантомов. Максимальные и минимальные фантомы строились путем шкалирования референтных фантомов относительно размеров коронок, соответствующих значениям 5-й и 95-й процентилям для средних значений высоты, вестибуло-язычного (ВЯ) и медиально-дистального (МД) диаметров.

В шестой главе описаны дозовые коэффициенты для верхних и нижних резцов и верхнего моляра и их неопределенности. ДК рассчитывались на основе построенных воксельных фантомов. В табл. 5 представлены ДК облучения эмали 908г/90У, инкорпорированного в эмали, первичном и вторичном дентине, в пределах 90% доверительного интервала для 1-х резцов верхней и нижней челюсти и 2-го верхнего моляра.

Таблица 5. ДК в пределах 90% доверительного интервала для резцов и моляра

Позиция зуба Ткань-детектор Ткань-источник

Эмаль Первичный дентин Вторичный дентин

Резцы Вся эмаль 0,87-1,59 0,33-0,50 0-0,02

Передняя фракция 0,90-1,62 0,29-0,50 0-0,02

Задняя фракция 0,70-1,56 0,37-0,52 0-0,02

Моляр Вся эмаль 1,44-1,88 0,29-0,38 0-0,003

Для резцов было обнаружено, что ДК достоверно зависят от высоты коронки (Н) и эти зависимости имеют вид (4), параметры которых представлены в табл. 6:

а(Н)=к*Н+с. (4)

Таблица 6. Параметры линейных зависимостей ДК от высоты коронки верхних

и нижних резцов

Позиция Ткань-дстсктор Ткань-источник

Эмаль' Первичный дентин2 Вторичный дентин'

к с к с к с

Верхний резец Вся эмаль 0,66*0,09 0,76±0,07 0 0,48±0,07 -0,16*0,03 0,22*0,02

Передняя фракция 0,67*0,10 0,77*0,08 0 0,47*0,08 -0,17*0,03 0,23*0,03

Задняя фракция 0,70±0,!6 0,66±0,13 0 0,49*0,07 -0,13*0,04 0,20*0,03

Нижний резец Вся эмаль 0,76*0,07 0,76±0,05 0 0,42*0,05 -0,14*0,02 0,26*0,01

Передняя фракция 0,78*0,08 0,77*0,05 0 0,41*0,07 -0,16*0,02 0,27*0,01

Задняя фракция 0,77*0,11 0,68*0,07 0 0,45*0,04 -0,09*0,03 0,26*0,02

Примечание: 1 параметр ± ошибка среднего; 2 параметр ± стандартное отклонение.

Уравнение 4 может быть использовано не только для жителей Уральского региона при подстановке значения высоты, типичной для некоторой исследуемой группы людей.

Для жителей Уральского региона, зависимость ДК от возраста и года рождения имеет следующий вид (5):

¿{Ь,Т) = + с, (5)

1+е~ЖТГ

где I - возраст, Т - год рождения, зависимости параметров а, Ь и от года рождения описаны в главе 4, параметры к и с представлены в табл. 6.

Для резцов разных позиций ДК самооблучения эмали в зависимости от возраста и года рождения может отличаться на 30%. Новые оценки отличались от предыдущих (БЬуеё, 2000) всего на 3% для людей 1960 г.р. Однако для людей 1920 г.р. разница с предыдущими оценками составила 25%.

Для 1-х верхних и нижних резцов отношение доз, накопленных за 60 лет (при единичной удельной активности в эмали в начальный момент с учетом последующего радиоактивного распада) для людей 1920 и 1950 г.р. равно 1,3. Таким образом, учет года рождения в модели стирания резцов и,

соответственно, в ДК позволяет избежать систематических ошибок при оценке доз внутреннего облучения эмали зубов пострадавшего населения.

Для верхнего моляра ДК облучения эмали вторичным дентином зависит от объема вторичного дентина. Остальные ДК не зависят от геометрических параметров.

ДК облучения эмали вторичным дентином в зависимости от возраста рассчитываются по формуле (6):

(6)

где t - возраст человека и I>Тег - возраст прорезывания; УШа1 - объем всего дентина; У(0 - объем вторичного дентина и К(С) =-—; к - отношение

произведений ВЯ и МД диаметров интересующего зуба и 2-го верхнего моляра; параметры Тег, УШа1 и к представлены в табл. 7.

Таблица 7. Параметры уравнения 6 (Бажанов, 1987; БИусс!, 2000; Т1кипоу, 2006)

Позиция Верхняя челюсть Нижняя челюсть

Тег УмгаЬ к Тег V,<■„?„!, см к

4 9,5 0,25 0,588 9,5 0,22 0,509

5 11,5 0,25 0,577 11,5 0,21 0,500

6 6 0,47 1,054 6 0,45 1,087

7 12,5 0,23 1 12,5 0,45 1,016

8 >14 0,47 0,942 >14 0,45 1,046

Для моляров ДК облучения эмали вторичным дентином с возрастом могут уменьшаться на 80%.

Источниками неопределенности ДК являются: (1) погрешность Монте-Карло моделирования, связанная со статистической ошибкой и приближениями, принятыми при описании физико-химических свойств зубных тканей (вклад данного фактора не превышает 4%); (2) погрешность геометрического описания, обусловленная прежде всего высокой индивидуальной вариабельностью размеров зубов и их возрастными

изменениями (вклад данного фактора исследуется путем анализа влияния размеров коронок зубов на значения ДК); (3) ошибка регрессии, принятой в качестве описания зависимости ДК от высоты коронки для резцов и описания зависимости объема вторичного дентина от возраста для моляра (вклад данного фактора оценивается путем анализа распределений остатков). Таким образом, относительная суммарная неопределенность ДК самооблучения эмали может достигать 20%, ДК облучения эмали первичным дентином - 15% и вторичным дентином - 40%.

Седьмая глава посвящена применению полученных результатов для реконструкции доз внутреннего облучения в эмали зубов жителей Уральского региона. Доза внутреннего облучения рассчитывалась по формуле:

0 = 2'Ё4х }е°'0"9:0КЬ"-<(г-Г,Г)Л, (7)

где < - номер ткани-источника, облучающего эмаль; Л, - текущая концентрация 908г, пересчитанная на 2010 год; Т,, - эффективное время поступления радионуклида в организм (ТокгукЬ, 2011; УушЫсоуа, 1996); ТЭПР - время проведения ЭПР-измерения эмали; I - возраст; Т - год рождения; - дозовый коэффициент при облучении эмали г-й тканью-источником. В качестве тканей-источников выступает 3 зубных ткани - эмаль, дентин коронки и дентин корня.

Для расчета доз согласно уравнению 7 были использованы измерения удельных активностей 908г в зубных тканях (А/) из базы данных Уральского научно-практического центра радиационной медицины (УНПЦ РМ) и результаты модельных оценок ожидаемых текущих концентраций 908г в зубных тканях, описанные в (БЫзИкта, 2014).

Для зубов, которые должны были быть непрорезавшимися во время поступления 908г в организм, предполагалось, что радионуклид локализован преимущественно в первичном дентине и, соответственно, использовались ДК облучения эмали первичным дентином. Для зубов, которые должны были прорезаться к началу поступления, предполагалось, что первичный дентин

сформирован и 90Бг преимущественно встраивается во вторичный дентин и, соответственно, использовался ДК облучения эмали вторичным дентином. Поскольку размеры и форма 1-х и 2-х резцов одной и той же челюсти практически совпадают (Самусев, 2002), то в качестве ДК для 2-х резцов использовались ДК 1-х резцов. Поскольку форма клыков близка к таковой у резцов (Самусев, 2002), а по функциональной нагрузке клыки близки к премолярам, то для клыков использовались средние значения ДК 1-х резцов без учета возрастной зависимости. В качестве ДК облучения эмали дентином корня для резцов и клыков использовалась величина 0,09 (мГр/год)/(Бк/г) (БЬуеё, 2000), для премоляров и моляров - 0,006 (мГр/год)/(Бк/г) (Тгкипоу, 2006).

Для 327 зубов от 189 людей, постоянно проживающих в период с 1950 по 1952 гг. в населенных пунктах реки Теча, были рассчитаны дозы внутренного облучения эмали, которые сравнивались с ЭПР-измерениями, доступными в базе данных "УНПЦ РМ. Все данные были сгруппированы в зависимости от места проживания: верхнее (< 78 км), среднее (78-88 км) и нижнее (> 104 км) течение реки Теча. Для 304 зубов с возрастом коронки больше 6-ти лет доза внутреннего облучения для трех групп в среднем составила: 70 мГр (от 10 до 520 мГр), 75 мГр (от 5 до 240 мГр) и 30 мГр (от 8 до 120 мГр) соответственно. Отношение средней дозы внутреннего облучения и средней накопленной ЭПР-дозы для верхнего течения составляет 20%, для среднего и нижнего - 40%. Для 23 зубов с возрастом коронки меньше 6-ти лет доза внутреннего облучения эмали в среднем составила 10 Гр (от 2 до 30 Гр) для верхнего и 4 Гр (от 2 до 10 Гр) для среднего течения. Для таких зубов доза внутреннего облучения фактически совпадает с суммарной ЭПР-дозой.

Таким образом, для оценки доз внешнего облучения и валидации дозиметрической системы реки Теча пригодны зубы людей, преимущественно проживающих в населенных пунктах верхнего течения реки Теча, с возрастом коронки больше 6-ти лет.

выводы

1. Разработана новая методика создания дозиметрических воксельных фантомов коронок зубов человека с использованием анализа сканированных изображений сечений зуба.

2. Скорость стирания коронок резцов сельских жителей Уральского региона 1920-1960 годов рождения в возрасте от 40 до 80 лет составляет от 0,08 до 0,13 мм в год и для первых резцов уменьшается с увеличением года рождения.

3. Дозовые коэффициенты эмали зубов для разных тканей-источников, а именно эмали, первичного и вторичного дентина коронки составили 0,70-1,88, 0,29-0,52 и 0-0,02 (мГр/год)/(Бк/г) соответственно; относительная неопределенность - 20%, 15% и 40% соответственно.

4. Возрастные изменения высоты коронок резцов приводят к уменьшению дозовых коэффициентов самооблучения эмали на 30%; возрастные изменения объема вторичного дентина моляров приводят к уменьшению дозового коэффициента облучения эмали вторичным дентином на 80%.

5. Интегральная доза внутреннего облучения '"Бг/^У, накопленная при единичной поступившей активности в эмаль резцов сельского жителя Уральского региона 1920 года рождения, превышает таковую для человека 1950 года рождения в 1,3 раза.

6. Дозы облучения эмали зубов от инкорпорированого '"БгЛу для жителей прибрежных сел реки Теча старше 1943 года рождения, проживающих в верхнем течении, составили 70 мГр (от 10 до 520 мГр), в среднем течении -75 мГр (от 5 до 240 мГр) и в нижнем течении - 30 мГр (от 8 до 120 мГр).

7. Дозы облучения эмали зубов от инкорпорированного 908г/90У для жителей прибрежных сел реки Теча моложе 1944 года рождения, проживающих в верхнем и среднем течении меняются в диапазоне от 500 до 30000 мГр. Сверхвысокие дозы внутреннего облучения не позволяют использовать зубы этой возрастной группы облучавшегося населения в качестве индивидуального дозиметра.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ

ДИССЕРТАЦИИ

1. Volchkova A.Yu. Development and application of an age-dependent voxel phantom of the first human incisors for assessment of the internal dose from 90Sr / A.Yu. Volchkova, D.A. Chuvakova, E.A. Shishkina // Scientific Book of Abstracts "Late Health Effects of Ionizing Radiation: Bringing the Experimental and Epidemiologic Divide Conference" (May 4-6, 2009; Washington, DC, USA). - Washington: Georgetown University Conference Center, 2009. - P. 102.

2. Tooth dosimetry for residents of Techa riverside territories / E. Shishkina, D. Ivanov. A. Wieser, P. Fattibene, A. Volchkova et al. // Scientific Book of Abstracts "Late Health Effects of Ionizing Radiation: Bringing the Experimental and Epidemiologic Divide Conference" (May 4-6, 2009; Washington, DC, USA). - Washington: Georgetown University Conference Center, 2009. - P. 98.

3. Волчкова А.Ю. Расчет доз внутреннего облучения зубной эмали с помощью набора вексельных фантомов на примере первого нижнего резца / А.Ю. Волчкова, Д.А. Чувакова, Е.А. Шишкина // Вопросы Радиационной Безопасности. - 2009. - №4. - С. 66-75.

4. Волчкова А.Ю. Усовершенствование внутренней дозиметрии зубной эмали с помощью набора вексельных фантомов / А.Ю. Волчкова, Д.А. Чувакова, Е.А. Шишкина // Медико-биологические проблемы жизнедеятельности. - 2009. -№1. - С. 25-33.

5. Tooth dosimetry for residents of Techa riverside territories / E.A. Shishkina, D.V. Ivanov. A. Wieser, P. Fattibene, A.Yu. Volchkova et al. // Proceedings of Third European IRPA Congress (June 14-18, 2010; Helsinky, Finland). - P. 110.

6. Tooth dosimetry for residents of Techa riverside territories / E.A. Shishkina, D.V. Ivanov. A. Wieser, P. Fattibene, A.Yu. Volchkova et al. // Proceedings of Third European IRPA Congress (June 14-18, 2010; Helsinky, Finland). - P. 947-955.

7. A method-independent algorithm to evaluate the performance parameters of EPR tooth dosimetry / Yu. Timofeev, E.A. Shishkina, D. Ivanov, A. Volchkova et al. И EPRBioDose 2010 International Conference : Programme and Abstract Book (October 10-14, 2010; Mandelieu-La-Napoule, France). - P. 127.

8. Analysis of the EPR dosimetry method performance in long-term epidemiological study: experience at IMP / D. Ivanov, E.A. Shishkina, A. Volchkova et al. // EPRBioDose 2010 International Conference : Programme and Abstract Book (October 10-14, 2010; Mandelieu-La-Napoule, France).-P. 134.

9. Harmonization of dosimetric information obtained by different EPR methods: experience of Techa River study / A. Volchkova, E.A. Shishkina, D. Ivanov et al. // EPRBioDose 2010 International Conference : Programme and Abstract Book (October 10-14, 2010; Mandelieu-La-Napoule, France). - P. 135.

10.Internal dosimetry for tooth enamel of Techa riverside residents: comparison with cumulative EPR doses / E.A. Shishkina, A. Volchkova, E.E. Tokareva et al. // EPRBioDose 2010 International Conference : Programme and Abstract Book (October 10-14, 2010; Mandelieu-La-Napoule, France). - P. 24.

II.Принципы валидации доз внешнего облучения для жителей прибрежных территорий реки Теча: тезисы докл. / Е.А. Шишкина, М.О. Дегтева, А. Волчкова и др. // Международная конференция "Хроническое радиационное воздействие: эффекты малых доз" (9-11 ноября 2010; Челябинск, Россия). - С. 108-109.

12.Оценка содержания 90Sr в зубных тканях жителей прибрежных территорий р. Теча / Е.А. Шишкина, А.Ю. Волчкова, Н. Семиошкина и др. // Материалы III Международной научно-практической конференции "Адаптация

биологических систем к естественным и экстремальным факторам среды" (2223 ноября 2010, Челябинск, Россия). - Челябинск: Изд-во Челяб. гос. пед. унта, 2010.-С. 34-35.

13.Harmonization of dosimetric information obtained by different EPR methods: experience of Techa River study / A. Volchkova, E.A. Shishkina, D. Ivanov et al. // Radiat. Meas. - 2011. - Vol. 46,1.9. - P. 801-807.

14.Extra high doses detected in the enamel of human teeth in the Techa riverside region / E.A. Shishkina, M.O. Degteva, E.I. Tolstykh, A. Volchkova et al. // Radiat. Meas. -2011. - Vol. 46,1.9. - P. 760-764.

15. Volchkova A. Age dependence in dose rates in the enamel of incisors contaminated by 90Sr / A. Volchkova, E. Shishkina // Proceedings of 56th annual meeting of the Health Physics Society: Abstracts of Papers Presented at the Meeting (June 26-30, 2011; Palm Beach, FL, USA). - P. 33-34.

16.Измеиенпе дозиметрических возможностей метода ЭПР на зубной эмали в процессе многолетней эксплуатации оборудования Института Физики Металлов / Д.В. Иванов, Е.А. Шишкина, А.Ю. Волчкова, Ю.С. Тимофеев II Аппаратура и новости радиационных измерений. - 2011. - №3. - С. 65-71.

17. Volchkova A.Y. Age dependence of dose rates in the enamel of teeth contaminated by 90Sr / A.Yu. Volchkova, E.A. Shishkina // Abstract book of 13th International

Congress on Radiation Protection: "Living with radiation - Engaging with society" (May 13-18, 2012; Glasgow, United Kingdom). - P. 152.

18,Volchkova A. Uncertainty in evaluation of internal dose in the tooth enamel from incorporated ^Sr: effect of variation in tooth geometry / A. Volchkova, E. Shishkina // Proceedings of 57th annual meeting of the Health Physics Society: Abstracts of Papers Presented at the Meeting (July 22-26,2012; Sacramento, CA, USA). - P. 19.

19.Волчкова А.Ю. Возрастная зависимость мощности дозы в эмали зубов, облученных 90Sr / А.Ю. Волчкова, Е.А. Шишкина // Материалы международной конференции "Опыты минимизации последствий аварий 1957 года" (2-3 октября 2012; Челябинск, Россия). - С. 30.

20.Опыт применения ЭПР дозиметрии на Южном Урале / Д.В. Иванов, Е.А. Шишкина, А.Ю. Волчкова и др. // Материалы международной конференции "Опыты минимизации последствий аварий 1957 года" (2-3 октября 2012; Челябинск, Россия). - С. 35.

21. Distribution of cumulative doses in the enamel of rural population of Ural region: reconstruction from EPR measurements / Yu. Timofeev, P. Fattibene, A. Wieser, D. Ivanov, A. Volchkova et al. // The Joint International Symposium on EPR Dosimetry and Dating and the International Conference on Biological Dosimetry: Abstracts of lectures and poster presentations (March 24-28, 2013; Leiden, The Netherlands). -P. 49.

22.Influence of EPR spectrometer obsolescence on the performances of tooth enamel dosimetry / P. Fattibene, D. Ivanov, Y. Timofeev, A. Volchkova et al. // The Joint International Symposium on EPR Dosimetry and Dating and the International Conference on Biological Dosimetry: Abstracts of lectures and poster presentations (March 24-28, 2013; Leiden, The Netherlands). - P. 186.

23.Волчкова А.Ю. Размеры резцов сельских жителей Уральского региона / А.Ю. Волчкова, Е.А. Шишкина // Вестник Челябинского гос. ун-та. - 2013. - №7 (298).-С. 112-114.

24. Concentrations of ""Sr in the tooth tissues 60 years after intake: results of TL measurements and applications for Techa River dosimetry / E.A. Shishkina, E.I. Tolstykh, E. Verdi, A.Yu. Volchkova et al. // Radiat. Environ. Biophys. -2014. - Vol. 53,1.1. - P. 159-173.

25. Volchkova A.Yu. Improvement of the dosimetric tooth model for people with age-related changes of teeth / A.Yu. Volchkova, E.A. Shishkina // V International scientific and practical conference "Biomedical and radioecological problems in the uranium mining region" (June 19-20, 2014; Astana, Kazakhstan). - P. 75.

Подписано в печать 14.01.2015 г. Формат 60x84 Гарнитура Times New Roman. Бумага офсетная. Объем 1,0 усл. п.л. Тираж 100 экз. Отпечатано в типографии «Активист» 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 74Б