35 лет после аварии на Чернобыльской АЭС: методы ретроспективной дозиметрии в оценке последствий крупномасштабных неконтролируемых радиационных воздействий, их последующее развитие и применение в онкорадиологии (опыт МРНЦ им. А.Ф. Цыба)

Прошло 35 лет после крупнейшей в истории человечества радиологической катастрофы – аварии на Чернобыльской АЭС, произошедшей в 01 ч 23 мин 26 апреля 1986 г. и приведшей к разрушению активной зоны четвёртого энергоблока АЭС и части здания, в котором он располагался [1]. В результате обширные территории СССР и северного полушария Земли подверглись различным уровням радиоактивного загрязнения. В Российской Федерации наибольшие уровни загрязнения имели место на части территорий Брянской, Калужской, Тульской и Орловской областей [2].

С 18 мая 1986 г. были начаты крупномасштабные программы по реконструкции индивидуальных доз облучения населения загрязнённых территорий Калужской области, а затем – на территориях Брянской области [3]. Эти программы выполнялись сотрудниками МРНЦ в сотрудничестве с коллегами из областных медицинских и санитарно-эпидемиологических учреждений, а в более отдалённый период после аварии – в сотрудничестве с другими научными и медицинскими центрами России [4], коллегами из Японии [5, 6], Европейского Сообщества [7-11] и США [12-18].

В процессе и после выполнения программ по ретроспективной оценке доз, по мере накопления медицинских данных, проведена оценка и анализ последствий аварии на Чернобыльской АЭС для загрязнённых радионуклидами территорий Брянской области, выполненных в рамках международных радиационно-эпидемиологических исследований по технологии «случай-кон-троль» [12-17]. Следует отметить, что всесторонние оценки и анализ радиационных рисков для здоровья населения всех загрязнённых радионуклидами территорий РФ, по данным Национального радиационно-эпидемиологического регистра (НРЭР), приведены в монографиях [19-22].

Разработанные методы ретроспективной дозиметрии были усовершенствованы и получили применение в дальнейших пилотных исследованиях по пересмотру консервативных расчётных доз облучения населения после ядерных испытаний на Семипалатинском полигоне [23-25], для верификации расчётных доз после аварии на АЭС Фукусима-1 [26, 27], а также для оценок доз облучения населения от остаточной радиоактивности после атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки [28]. Исследования в данном направлении были начаты и продолжаются в рамках двусторонних международных соглашений с ведущими научными центрами Японии и Казахстана.

Начиная с 2016 г., накопленный опыт по использованию явления радиационно-обусловленной стимулированной люминесценции при ретроспективных оценках доз после аварии на ЧАЭС был применён для разработки и клинической реализации инновационных технологий «ин виво» дозиметрии (ИВД) [29-34]. В МРНЦ им. А.Ф. Цыба – филиале ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России были начаты исследования и практическое применение явления радиационно-обусловленной стимулированной люминесценции синтетических и природных материалов для ИВД пациентов при брахитерапии (БТ) рака предстательной железы, рака молочной железы (МЖ), опухолей гинекологической сферы, рецидивных опухолей малого таза, а также для инструментального контроля локальных доз облучения медицинского персонала, проводящего высокотехнологичные радиологические процедуры. Эти разработки продолжаются и расширяются в настоящее время [34].

Цель начатых в 1986 г. программ заключалась в дозиметрической поддержке радиационноэпидемиологических исследований, а также в поддержке социально-экономических решений относительно реабилитации загрязнённых территорий. Были обследованы десятки тысяч человек.

С нынешней точки зрения проводимые в этот 35-летний период работы включали в себя задачи по обоснованию, разработке и применению комплекса расчётных и инструментальных физических методов индивидуальной ретроспективной дозиметрии для оценки крупномасштабных радиационных воздействий на население, а в последующем – по развитию и применению разработанных методов в онкорадиологии.

Материалы и методы

Для верификации расчётных методов оценок индивидуальных доз были разработаны и применены инструментальные методы ретроспективной дозиметрии – люминесцентная ретроспективная дозиметрия (ЛРД) с использованием явления радиационно-обусловленной световой (оптической) стимуляции или термической стимуляции люминесценции (ОСЛ или ТЛ соответственно) и ретроспективная дозиметрия с использованием явления электронно-парамагнитного резонанса (ЭПР) [8-11].

При использовании явления радиационно-обусловленной стимулированной люминесценции для « ин виво » дозиметрии в области онкорадиологии и ядерной медицины был осуществлён переход к применению миниатюрных сборок высокоточных микродозиметров для измерений пространственного распределения поглощённых доз в очаге и органах риска при БТ рака предстательной железы, рака МЖ, опухолей гинекологической сферы, рецидивных опухолей малого таза. Были применены: методики термо- и оптико-стимуляции радиационно-обусловленной люминесценции (ТЛ, ОСЛ) синтетических и природных микрокристаллов с регистрацией интенсивности люминесцентного излучения в режиме считывания единичных фотонов. Разработанные в экспериментальных условиях технологии « ин виво» дозиметрии пациентов используются в клинике МРНЦ им. А.Ф. Цыба при высокомощностной БТ источником ¹²⁹Ir злокачественных новообразований различной локализации (137 пациентов).

Результаты

Результаты разработки и применения методов ретроспективной дозиметрии после аварии на ЧАЭС

Детальное описание разработанных в этот период методов ретроспективной дозиметрии (РД) приведено в относительно недавней публикации [3]. Здесь перечислены лишь самые основные результаты их применения после аварии на ЧАЭС. Необходимо подчеркнуть, что разработанные модели для ретроспективных расчётных доз были верифицированы инструментальными методами ретроспективной дозиметрии (ЛРД и ЭПР), а инструментальные методы ЛРД и ЭПР успешно прошли международное интерсличение. В результате была достигнута чувствительность применяемых инструментальных методов РД по величине накопленной дозы, равная 30 мГр.

Результаты разработки и применения методов РД после аварии на ЧАЭС были реализованы в виде баз данных индивидуальных доз облучения обследованного населения (суммарно

– около 245000 человек), представлены в областные органы здравоохранения, в Министерство здравоохранения для принятия решений о проведении медико-профилактических мероприятий, копии первичных протоколов измерений активности 131I в щитовидной железе (около 30000 человек) переданы в НРЭР для оценки рисков влияния радиационного воздействия на здоровье населения. По полученным данным разработан и издан ряд инструктивных, методических и технических документов Минздрава [3]. Следует отметить международное использование полученных результатов (документы ВОЗ, МАГАТЭ, НКДАР ООН, стандарт Международной организации по стандартам – ISO, учения ВОЗ по преодолению последствий крупномасштабных радиологических аварий) [3].

Применение разработанного комплекса методов ретроспективной оценки индивидуальных доз облучения щитовидной железы, красного костного мозга, молочной железы и всего тела позволило установить факт чрезвычайно неравномерного распределения индивидуальных доз облучения: при наличии большого количества лиц с очень малыми дозами облучения выявлены группы лиц с поглощёнными дозами, многократно превышающими средние и медианные значения доз (рис. 1). Следовательно, в условиях крупномасштабной радиологической аварии, такой как авария на ЧАЭС, использование оценок только средних или медианных доз скрывает группы лиц с повышенными дозами облучения, на которые в первую очередь и должны быть направлены адресные защитные и профилактические мероприятия. Этот вывод послужил импульсом для последующей инициации радиационно-эпидемиологических исследований по технологии «случай-контроль».

Факт существенной неравномерности индивидуальных доз облучения при крупномасштабной радиологической аварии может быть объяснён тем, что имеет место большая неравномерность радиоактивного загрязнения не только на уровнях регионов или районов, но даже в пределах отдельных небольших населённых пунктов. Дополнительными значимыми факторами неравномерности распределения индивидуальных доз облучения, как показали результаты систематических индивидуальных опросов обследуемых лиц, является вариабельность поведения людей, находящихся на загрязнённых территориях (перемещения, длительность нахождения на открытом воздухе, защитные мероприятия и т.п.), различия в употребления продуктов питания, имеющих разные уровни загрязнения радионуклидами, а также различия в возрасте обследуемых и видах их занятий (учёба, работа и т.п.) [3].

Полученные ретроспективные оценки индивидуальных доз были включены в анализ результатов международных радиационно-эпидемиологических исследований заболеваемости злокачественными новообразованиями щитовидной железы, крови (лейкозы) и молочной железы, проводимых на загрязнённых радионуклидами территориях Брянской области.

В результате реализации разработанной методологии ретроспективной оценки доз для дозиметрической поддержки радиационно-эпидемиологических исследований по технологии «слу-чай-контроль», на индивидуальном уровне выявлен факт достоверной дозовой зависимости частоты заболеваемости раком щитовидной железы у детей и подростков, находившихся в этом возрасте на момент аварии и проживавших на радиоактивно загрязнённых территориях Брянской области с момента аварии [12, 14, 17], при этом у взрослых лиц эта зависимость не имеет места. Установлена также дозовая зависимость частоты заболеваемости раком МЖ у женщин в возрасте ≤55 лет на момент первого диагноза инвазивного рака груди в период с октября 2008 г. по февраль 2013 г. и проживавших в Брянской области с момента аварии и до постановки диагнозов [15, 16]. В то же время радиационная обусловленность частоты заболеваемости лейкозами у детей в возрасте до 5 лет на момент аварии отсутствует [13].

Разработанная методология индивидуальной ретроспективной дозиметрии индивидуальных доз облучения населения может быть применена в условиях иных потенциально возможных при крупномасштабных неконтролируемых радиационных воздействиях на население, включая ситуации, которые могут возникнуть при возможных актах ядерного терроризма.

Развитие методов люминесцентной ретроспективной дозиметрии и их применение к иным крупномасштабным неконтролируемым радиационным воздействиям на население

Разработанные инструментальные технологии ретроспективной дозиметрии получили дальнейшее развитие и применение для пилотного исследования по пересмотру консервативных расчётных доз облучения населения после ядерных испытаний на Семипалатинском полигоне [23-25] и верификации расчётных доз после аварии на АЭС Фукусима-1 [26, 27], а также для оценок доз облучения населения от остаточной радиоактивности после атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки [28].

Исходная технология ЛРД была реализована в варианте измерений радиационно-обусловленной оптико-стимулированной люминесценции (ОСЛ) единичных кристаллов кварца, экстрагированных из кварцсодержащих образцов – «свидетелей» неконтролируемого радиационного воздействия. Применение модифицированной технологии было проведено с использованием документированных кварцсодержащих образцов, переданных в МРНЦ им. А.Ф. Цыба в рамках двусторонних соглашений об академическом сотрудничестве с университетами Японии и Казахстана. Почему возникла необходимость применения способа измерений методом ОСЛ единичных кристаллов кварца? При анализе кварцсодержащих образцов, отобранных на загрязнённых радионуклидами территориях, было обнаружено присутствие большого количества (около 50-70%) тёмных включений неизвестного происхождения. Оказалось невозможным отделить эти включения от кварцевых кристаллов ни с помощью разделения их по плотности, ни с помощью магнитной сепарации или же с использованием химического травления в кислотах. Было сделано предположение, что эти включения являются силикатным минералом «биотитом» {K(Mg,Fe) 3 [(Al,Fe)Si 3 O 10 ](OH,F) 2 }. Этот силикатный минерал является спутником кварца, который широко используется в качестве природного дозиметра в ретроспективной дозиметрии. Но биотит не имеет дозиметрических свойств, его сложно отделить от кристаллов кварца с помощью разделения по плотности или же путём химического травления. Присутствие этого минерала в аликвотах оказывает негативное влияние на радиационную чувствительность анализируемых аликвот микрокристаллов, используемых в качестве естественных дозиметров при люминесцентной ретроспективной дозиметрии.

Избирательная регистрация оптически стимулированной люминесценции от отдельных анализируемых микрочастиц производится с помощью лазера с высокой точностью позиционирования в режиме счёта единичных фотонов. Применение метода избирательной ОСЛ от единичных микрокристаллов позволило не только повысить точность ретроспективной люминесцентной дозиметрии до 20 мГр накопленной дозы, но и обусловило возможность проводить измерения поглощённых доз в очень тонких слоях (до 0,1 мм) анализируемых образцов, что дало возможность ретроспективно измерять вклад короткопробежного бета-излучения в поверхностных слоях кварцсодержащих образцов (см. примеры ниже).

В результате применения этой технологии проведена ретроспективная переоценка доз облучения населения, проживающего в ряде населённых пунктов на территориях Казахстана вокруг Семипалатинского полигона: показано, что дозы облучения существенно ниже, чем ранее оценённые специалистами разных стран консервативные расчётные оценки. Работы в этом направлении продолжаются.

Получены первые результаты по инструментальной РД-дозиметрии с использованием технологии радиационно-обусловленной люминесценции по единичным кристаллам кварца в ареале аварийной АЭС Фукусима-1. Результаты измерений показали наличие существенного вклада бета-излучения в общую дозу облучения от радиоактивного загрязнения в префектуре Фукусима, Япония (рис. 1), что согласуется с результатами расчётов методом стохастического моделирования взаимодействия ионизирующего излучения с веществом [27].

Рис. 1. Пример: распределение измеренной методом ОСЛ накопленной поглощённой дозы, D (мГр), по глубине кварцсодержащих образцов, отобранных в префектуре Фукусима (слева - образец из н.п. Минами-сома, справа - из н.п. Иитате); по горизонтальным осям - глубина от поверхностей кварцсодержащих образцов, мм; доза на глубине 3-5 мм соответствует вкладу бета-излучения, так как вклад гамма-излучения вблизи поверхности образца мал из-за отсутствия электронного равновесия.

Получены первые результаты по ретроспективной оценке доз облучения населения Хиросимы и Нагасаки от остаточной радиоактивности в результате атомной бомбардировки силами ВВС США 6 и 9 августа 1945 г. Так, в результате применения метода ЛРД по кварцевым включениям в образцы-«свидетели» атомной бомбардировки Хиросимы показано наличие существенного вклада бета-излучения от радионуклидов, входящих в состав остаточной радиоактивности после бомбардировки [28] (рис. 2).

."ммарная доза: бетатамма (метод ОСЛ) гамма-компонента ( метод Монте-Карло)

Рис. 2. Распределение измеренной методом ОСЛ накопленной поглощённой дозы, D (мГр), по глубине кварцсодержащего образца черепицы крыши здания в Хиросиме - «свидетеля» атомной бомбардировки 6 августа 1945 г.; заполненные прямоугольники - результаты ретроспективной ОСЛ-дозиметрии с применением технологии измерений единичных кристаллов кварца, незаполненные прямоугольники - результаты расчёта гамма-компоненты накопленной дозы методом Монте-Карло, точки - вклад бета-компоненты. Вклад гамма-излучения вблизи поверхности образца мал из-за отсутствия электронного равновесия.

Радиобиологическая значимость бета-облучения от остаточной радиоактивности в отношении лиц, оказавшихся вблизи эпицентра вскоре после бомбардировки, изучается в настоящее время в ходе проводимых нами с международным участием экспериментов на лабораторных животных, подвергшихся воздействию диспергированного вещества, содержащего короткоживущий нейтрон-активированный бета-излучатель [35, 36].

Разработка технологий и методов «ин виво» дозиметрии на основе явления радиационно-обусловленной стимулированной люминесценции и их применение в онкорадиологии

В последние годы в МРНЦ им. А.Ф. Цыба – филиале ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России явление радиационно-обусловленной стимулированной люминесценции было применено для разработки и клинической реализации инновационных технологий ИВД [29, 31-34]. Эти разработки основаны на опыте предыдущих исследований, проводимых в Центре в течение 35 лет в области ретроспективной дозиметрии.

Кроме того, высокая чувствительность исследованных люминесцентных микродозиметров позволила применять их для измерения локальных доз облучения пальцев, кистей рук и глаз медицинского персонала (ИДК персонала), осуществляющего высокотехнологичные радиологические процедуры. На доказательной инструментальной основе показано соответствие доз облучения персонала нормативам НРБ, что расширяет сферу применения новых технологий ядер-ной медицины в радиологических клиниках страны [30].

Исследованы дозиметрические характеристики люминесцентных микродозиметров (размеры около 100 мкм) из различных синтетических (LiF, Al 2 O 3 ) и природных (NaCl, SiO 2 ) материалов. Достигнута высокая точность измерений (<5%) в терапевтическом диапазоне доз.

Разработана технология изготовления миниатюрных (диаметр 1 мм) гибких герметичных тканеэквивалентных сборок автономных люминесцентных накапливающих микродозиметров (100 мкм), находящихся внутри медицинских катетеров, вводимых по медицинским показаниям в полостные органы риска.

Проведена разработка и апробация оригинальных технологий « ин виво» дозиметрии, заключающихся в размещении минисборок микродозиметров в очаге и органах риска через вводимые по медицинским показаниям медицинские катетеры, что предоставляет уникальную возможность измерений пространственного распределения поглощённых доз в полостных органах риска и не требует кабельных соединений с регистрирующими системами.

Технологии « ин виво» дозиметрии применены в клинике МРНЦ им. А.Ф. Цыба (137 пациентов) при измерениях пространственных распределений доз облучения в органах риска пациентов (прямая кишка, уретра, мочевой пузырь, вагина, малый таз) при высокомощностной БТ источником ¹⁹²Ir рака предстательной железы, злокачественных опухолей гинекологической сферы, рецидивных опухолей малого таза, а также для измерений локальных доз облучения кожи МЖ при БТ рака МЖ (рис. 3) [34].

10000-

9000-

8000-

7000 -

6000-

5000 -

4000-

3000 *

1000-1

2 О"

Номера точек с микродозиметрами на коже МЖ

11000-1

в                                                             г

Рис. 3. Примеры пространственных распределений измеренных и расчётных (планируемых) поглощённых доз в зонах интереса при высокомощностной брахитерапии рака предстательной железы (а), опухолей гинекологической сферы (б), рака молочной железы (в), а также соотношение между величинами измеренных и расчётных локальных доз в области интереса при брахитерапии рецидивных опухолей малого таза (г), коэффициент корреляции R=0,847 при p<0,001. Величины измеренных доз обозначены заполненными символами, распределения расчётных доз обозначены либо сплошными линиями (а, б), либо незаполненными символами (в). Указанные погрешности измеренных доз соответствуют 2SD. По осям абсцисс: расстояния по глубине полостных органов риска (а, б) – в мм или в см (точка «0» соответствует наибольшей глубине); в – номера точек расположения микродозиметров на коже молочной железы. По осям ординат – дозы в Гр (а, б), или в мГр (в).

Заключение

35-летний опыт, приобретённый при разработках методов ретроспективной дозиметрии после аварии на ЧАЭС, и полученные результаты послужили базисом для определения перспективных направлений дальнейших исследований и практического применения явления радиационно-обусловленной стимулированной люминесценции при неконтролируемых (аварийных) радиационных воздействиях, а также для « ин виво» дозиметрии в области онкорадиологии.

Разработка новых подходов в индивидуальной ретроспективной дозиметрии при неконтролируемых радиационных воздействиях:

• -    Исследование возможности использования в качестве естественных дозиметров элементов одежды (пуговицы, застёжки и т.д.), элементов носимых электронных устройств (чипов электронных гаджетов, пластиковых карт и т.п.), специальных вставок (включений) в элементы повседневной и рабочей одежды (формы).

• -    Исследование возможностей применения ретроспективной дозиметрии нейтронного излучения.

Актуальность дальнейшего развития методов ретроспективной дозиметрии обусловлена их большой востребованностью для корректной оценки последствий неконтролируемого облучения вследствие возможных радиологических аварий, инцидентов, как это отмечается в документах НКДАР ООН (UNSCEAR 2008 Report, Annex D; UNSCEAR 2013 Report. Annex A) и МАГАТЭ (IAEA Report, 2004).

Дальнейшее развитие технологий « ин виво » дозиметрии в онкорадиологии:

• -    Разработка технологий применения микродозиметров в составе миниатюрных сборок, обеспечивающих возможность их внутриартериального подведения к областям интереса, что расширяет потенциал применения ИВД при артериальной радиоэмболизации.

• -    Исследование дозиметрических характеристик люминесцентных микродозиметров из различных материалов при воздействии ионизирующего излучения с высокой ЛПЭ в широком диапазоне доз (от долей мГр до 60 Гр и более), что расширяет потенциальную сферу применения этих технологий метода в ядерной медицине для ИВД при использовании альфа-излучения и тяжёлых заряженных частиц, а также для ИДК персонала.

• -    Разработка гибких планарных сборок люминесцентных микродозиметров для получения более целостной картины возможных расхождений между планируемыми и реальными дозами облучения.

Актуальность применения «ин виво» дозиметрии при радиотерапии подчеркивается в документах и рекомендациях ВОЗ (WHO, Radiotherapy Risk Profile, 2008), МАГАТЭ (IAEA, Human Health Reports, No 8), ESTRO, 2007, МКРЗ (ICRP Publications 86, 97), в которых ИВД рассматривается как существенный элемент гарантий качества радиотерапии.