13.9. Расчет доз на отделы респираторного тракта при ингаляционном поступлении радионуклидов

Целью дозиметрической модели респираторного тракта является определение доз облучения для каждой из шести тканей респираторного тракта, являющихся объектами риска при ингаляционном поступлении радиоактивных веществ:

• эпителий кожи внешних носовых проходов (отдел ЕТ₁);
• слоистый плоскоклеточный эпителий основных воздушных проходов верхних дыхательных путей (отдел ЕТ₂);
• ресничный эпителий бронхов (отдел ВВ);
• ресничный эпителий бронхиол (отдел bb);
• альвеолярная ткань (отдел AI);
• лимфатические узлы верхних дыхательных путей и торакальной области (отделы LN_ET и LN_TH).

Рассмотрим определение поглощенной доли энергии только для короткопробежного альфа-излучения. Методы расчета удельной поглощенной доли энергии для гамма-излучающих радионуклидов подробно представлены ранее.

При оценке доз облучения на чувствительные клетки-мишени различных отделов респираторного тракта необходимо учитывать неоднородное распределение радионуклидов по глубине их проникновения в стенки дыхательных путей. Можно выделить несколько типов источников, имеющих различное положение относительно клеток мишеней:

1. поверхностный перенос радионуклидов, включающий в себя радионуклиды, находящиеся на поверхности эпителиальной ткани, переносимые со слизью или другими жидкостями через бронхиолы, бронхи и трахею, либо радионуклиды, ожидающие своего удаления с поверхности кожи внешних носовых проходов;
2. секвестрированные в ткань радионуклиды представляют собой неизмененные частицы, удерживаемые стенками воздушных путей;
3. радионуклиды, всасывающиеся из респираторного тракта в кровь.

Рассмотрим особенности распределения источников излучения в различных отделах респираторного тракта.

Верхние дыхательные пути (ЕТ). Стенки отдела ЕТ₁ (внешние носовые проходы) выстланы кератинизированным плоскоклеточным эпителием. В этом отделе источник радионуклидов локализован исключительно на поверхности кожи, которая считается непроницаемой для всасывания радионуклидов и секвестрирования частиц. Поскольку на поверхности кожи отсутствует поверхностная жидкость, то поглощение энергии излучения в самом источнике отсутствует. Мишенями в этом отделе являются ядра базальных клеток, равномерно распределенных в слое толщиной 10 мкм, расположенном на глубине 40 мкм.

Для отдела ЕТ₂ можно выделить три основных области в которых могут быть распределены радионуклиды.

1. Слизистый слой на поверхности эпителия, где считается, что концентрация радионуклидов равномерно распределена в слое толщиной 15 мкм. На рис. 2.6 данный источник соответствует компартменту с быстрым поверхностным переносом ЕТ`₂.
2. Частицы, секвестрированные макрофагами в слое laminapropria для которых принимается, что радионуклиды равномерно распределены в слое толщиной 10 мкм, расположенном на глубине 55 мкм. Данный источник соответствует компартменту EТ_seq.
3. Вещество в химически связанном со слоем эпителия состоянии, равномерно распределенное в слое эпителия до глубины 55 мкм.

Как и в отделе ЕТ₁ в отделе ЕТ₂ мишенями являются ядра базальных клеток, равномерно распределенных на глубине 40 мкм в слое толщиной 10 мкм. Средняя доля поглощенной энергии в слое ткани, содержащем ядра базальных клеток, была рассчитана в предположении, что все отделы верхних дыхательных путей имеют свой характерный внутренний диаметр. Для отдела ЕТ₁ при расчетах внутренний диаметр был принят равным 5 мм, а для отдела ЕТ₂ — 30 мм. Отмечается, что неопределенности оценок, обусловленные отклонением от простой цилиндрической геометрии, принятой при расчетах, не превышают 50%. Существенно более критичным параметром являются расположение тканей-мишеней в слое эпителия.

Бронхиальный отдел (ВВ). Как уже отмечалось ранее, в бронхиальном отделе легких мишенями являются ядра как секреторных, так и базальных клеток. Считается, что секреторные клетки равномерно распределены в слое ткани на глубине 10 мкм толщиной 30 мкм. Толщина слоя базальных клеток составляет 15 мкм, глубина залегания — 35 мкм.

В модели принято, что популяции секреторных и базальных клеток имеют одинаковую чувствительность к ионизирующему излучению. Общий риск принимается обусловленным взвешенной средней дозой между популяциями этих клеток-мишеней. Считается, что бронхиальный эпителий защищен от альфа-излучения, испускаемого в альвеолярном отделе AI (и наоборот) слоем соединительной ткани толщиной 500 мкм. Для бета-излучения со значительной энергией толщина данной защиты недостаточна.

Для бронхиального отдела легких можно рассмотреть пять основных источников радионуклидов.

1. Слой слизи (геля), покрывающий реснички на поверхности эпителия, для которого считается, что радионуклиды равномерно распределены в слое толщиной 5 мкм. Данный источник соответствует компартменту с быстрым поверхностным переносом ВВ₁ (рис. 2.6).
2. Слой слизи (золя), в котором находятся реснички мерцательного эпителия. Радионуклиды равномерно распределены в слое толщиной 6 мкм. Данный источник соответствует компартменту с медленным поверхностным переносом ВВ₂.
3. Частицы, секвестрированные макрофагами в слое laminapropria для которых принимается, что радионуклиды равномерно распределены в слое толщиной 10 мкм, расположенном на глубине 60 мкм. Данный источник соответствует компартменту ВВ_seq.
4. Вещество в химически связанном состоянии в стенках бронхиального отдела, равномерно распределенное в слое эпителия до глубины 60 мкм.
5. Источники бета-излучения с высокой энергией, расположенные в альвеолярном отделе легких.

При расчетах поглощенной доли энергии средний калибр бронхиальных путей принимался равным 5 мм.

Бронхиолярный отдел (bb). Для бронхиолярного отдела мишени — ядра секреторных клеток равномерно распределены в слое ткани толщиной 8 мкм, расположенном на глубине 4 мкм. Толщина соединительной ткани в бронхиолярном отделе значительно ниже, чем в бронхиальном и составляет около 20 мкм. В связи с этим возможно облучение бронхиолярного отдела за счет как альфа-, так и бета-излучающих радионуклидов, находящихся в альвеолярном отделе легких.

Как и для бронхиального отдела, для бронхиолярного отдела легких можно рассмотреть пять основных источников радионуклидов.

1. Слой слизи (геля), покрывающий реснички на поверхности эпителия, для которого считается, что радионуклиды равномерно распределены в слое толщиной 2 мкм. Данный источник соответствует компартменту bb₁.
2. Слой слизи (золя), в котором находятся реснички мерцательного эпителия. Радионуклиды равномерно распределены в слое толщиной 4 мкм. Данный источник соответствует компартменту bb₂.
3. Частицы, секвестрированные макрофагами, для которых принимается, что радионуклиды равномерно распределены в слое толщиной 5 мкм, расположенном на глубине 20 мкм. Данный источник соответствует компартменту bb_seq.
4. Вещество в химически связанном состоянии в стенках бронхиолярного отдела, равномерно распределенное в слое эпителия до глубины 20 мкм.
5. Источники альфа- и бета-излучения, расположенные в альвеолярном отделе легких.

При расчетах поглощенной доли энергии средний калибр бронхиальных путей принимался равным 1 мм.

Альвеолярный отдел (AI). В альвеолярном отделе легочная ткань, а также стенки кровеносных и лимфатических капилляров достаточно тонки для того, чтобы можно было считать, что чувствительные к излучению клетки-мишени распределены равномерно. В связи с этим можно считать, что средние дозы, полученные клетками-мишенями, равны дозам, полученным тканью альвеолярного отдела в целом. Для короткопробежного излучения (альфа-частицы и бета-излучение с относительно невысокой энергией) можно считать, что поглощенная доля энергии AF(AI AI) = 1.

Для короткопробежного излучения радионуклидов, локализованных в бронхиальном и бронхиолярном отделе легких, его вклад в формирование дозы в альвеолярном отделе легких пренебрежимо мал. Поэтому с достаточной точностью считается, что

(13.15).

Лимфатические узлы (LN_ET и LN_TH). Поскольку как источники излучения, так и клетки-мишени равномерно распределены по ткани лимфатических узлов, то для альфа-излучения принято, что

(13.16).

Для лимфатических узлов, расположенных в торакальной области, возможен выход бета-частиц из лимфатических узлов и их поглощение в альвеолярном отделе легких. В связи с этим принято, что

(13.17).

Для всех остальных органов и тканей считается, что

(13.18).

Аналогично, для альфа-излучающих радионуклидов

(13.19).

В Публикации 66 МКРЗ отмечается, что для короткопробежного излучения при определении поглощенной доли энергии калибр дыхательных путей (табл. 13.1) играет второстепенную роль. В первую очередь численное значение AF определяется толщиной источника и мишени, а также их пространственным расположением. Толщина легочного эпителия, а также слизистого слоя в основном обусловлена их функциональным назначением, а не возрастом человека или его габаритами. В связи с этим считается, что поглощенные доли энергии в респираторном тракте независимы от возраста человека и его размеров.

Поглощенные доли энергии в различных отделах респираторного тракта для альфа-излучения приведены на рис. 13.14 — 13.18.

Рис. 13.14. Поглощенная доля энергии альфа-излучения для верхних дыхательных путей

Рис. 13.15. Поглощенная доля энергии альфа-излучения для базальных клеток бронхиального отдела

Рис. 13.16. Поглощенная доля энергии альфа-излучения для секреторных клеток бронхиального отдела

Рис. 13.17. Поглощенная доля энергии альфа-излучения для бронхиолярного отдела

Рис. 13.18. Поглощенная доля энергии альфа-излучения для брон-хиолярного отдела при альвеолярном отделе в качестве органа-источника

Таким образом, общий расчет эквивалентных доз при внутреннем облучении человека и ингаляционном поступлении радионуклидов (наиболее общий случай внутреннего облучения) может быть выполнен по схеме, рассмотренной ниже. Отметим, что именно по этой схеме построена работа программы LUDEP, по которой в Публикациях МКРЗ были рассчитаны все коэффициенты дозового преобразования для ингаляционного поступления радионуклидов. В качестве иллюстрации приведены фрагменты рабочих окон данной программы.

1. Задается объект, для которого производится расчет (человек из состава населения, относящийся к определенной возрастной группе или взрослый работник). Поскольку для взрослого работника и взрослого человека из состава населения принимается различное соотношение количества воздуха, поступающего через рот и через нос, то значения дозовых коэффициентов для них получаются различными.

2. По заданному медианному аэродинамическому диаметру распределения аэрозолей по активности (АМАД) с использованием данных Публикации 66 МКРЗ определяют долю радиоактивных аэрозолей, депонированных в различных отделах респираторного тракта.

3. Задается радионуклид, для которого производится расчет и его химическая форма, определяющая легочный тип вещества (Б, П, М).

4. Решая систему дифференциальных уравнений, описывающих поведение радионуклидов в респираторном тракте, рассчитывают изменение по времени активности радионуклидов в различных разделах легких, динамику их поступления из респираторного тракта в ЖКТ и динамику прямого всасывания радионуклидов из респираторного тракта в жидкости организма.

5. С использованием модели ЖКТ и рассчитанной ранее динамики поступления туда радионуклидов рассчитывается движение радиоактивных веществ по желудочно-кишечному тракту, их всасывание и выведение.

6. Для радионуклидов, поступивших в кровь, с учетом динамики их всасывания из респираторного тракта и ЖКТ и использованием биокинетических моделей поведения радионуклидов в организме, рассчитывается динамика радионуклидов в организме, активность радионуклида в органе в момент времени после поступления радионуклида в кровь — и интеграл по времени от данной величины, определяющий полное количество ядерных превращений данного радионуклида в каждом из органов за интересующий отрезок времени (50 лет для взрослых и 70 лет для детей).

7. С использованием данных по и схемы распада радионуклида рассчитываются эквивалентные дозы внутреннего облучения органов и тканей организма человека и эффективная доза облучения.

Расчет доз внутреннего облучения при оральном поступлении радионуклидов или при их инъекции непосредственно в кровь являются частными случаями рассмотренного выше расчета.

Кроме расчета доз внутреннего облучения, решения биокинетических уравнений позволяют сделать оценку поступления радионуклида в организм человека по измерению содержания нуклида в организме (измерения при помощи СИЧ) или по радиохимическому анализу выделений человека. Рекомендации по мониторингу внутреннего облучения человека и необходимые справочные данные приведены в Публикации 78 МКРЗ.