radhydРадиационная гигиенаRadiatsionnaya Gygiena = Radiation Hygiene1998-426X2409-9082NIIRG10.21514/1998-426X-2022-15-4-7-14radhyd-907Research ArticleНаучные статьиScientific articlesВлияние детализации трабекулярной структуры фантомов кости на оценку дозы облучения костного мозга от 89,90SrThe effect of detailing the trabecular structure of bone phantoms on the assessment of the bone marrow dose from 89,90SrШарагинП. А.SharaginP. A.

Шарагин Павел Алексеевич – младший научный сотрудник биофизической лаборатории

454076, г. Челябинск, ул. Воровского, 68-А

Pavel A. Sharagin – Junior Researcher of the Biophysics Laboratory

Vorovsky str., 68a, Chelyabinsk, 454076

sharagin@urcrm.ruШишкинаЕ. А.ShishkinaE. A.

Шишкина Елена Анатольевна – доктор биологических наук, старший научный сотрудник биофизической лаборатории

Челябинск

Elena A. Shishkina – Doctor of Biological Sciences, Senior Researcher of the Biophysics Laboratory

Chelyabinsk

ТолстыхЕ. И.TolstykhE. I.

Толстых Евгения Игоревна – доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник биофизической лаборатории

Челябинск

Evgenia I. Tolstykh – Doctor of Biological Sciences, Leading Researcher of the Biophysics Laboratory

Chelyabinsk

ДёгтеваМ. О.DegtevaM. O.

Дёгтева Марина Олеговна – кандидат технических наук, заведующая биофизической лабораторией

Челябинск

Marina O. Degteva – Candidate of Technical Sciences, Head, the Biophysics Laboratory

Chelyabinsk

Уральский научно-практический центр радиационной медицины, Федеральное медико-биологическое агентствоРоссияUrals Research Center for Radiation Medicine, Federal Medical Biological AgencyRussian FederationУральский научно-практический центр радиационной медицины, Федеральное медико-биологическое агентство; Челябинский государственный университетРоссияUrals Research Center for Radiation Medicine, Federal Medical Biological Agency; Chelyabinsk State UniversityRussian Federation202213012023154714Copyright © Шарагин П.А., Шишкина Е.А., Толстых Е.И., Дёгтева М.О., 20232023Шарагин П.А., Шишкина Е.А., Толстых Е.И., Дёгтева М.О.Sharagin P.A., Shishkina E.A., Tolstykh E.I., Degteva M.O.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.radhyg.ru/jour/article/view/907

В настоящее время существует 2 основных подхода к созданию вычислительных фантомов для костной дозиметрии. В рамках первого подхода микроархитектура заполняющей фантомы спонгиозы включает отдельно трабекулы и отдельно костный мозг, т.е. ткань-источник и тканьдетектор разделены. Второй подход заключается в моделировании костной ткани как гомогенной среды, в которой трабекулярная кость и костный мозг объединены. Результатами моделирования в обоих случаях являются коэффициенты конверсии, которые позволяют преобразовывать удельную активность инкорпорированных радионуклидов в поглощенную в костном мозге дозу. Моделирование скелета необходимо для дозиметрии облученного населения р. Теча от инкорпорированных 89,90Sr. С этой целью были созданы фантомы, включающие описание микроструктуры спонгиозы для людей разного пола и возраста. Для внутриутробной дозиметрии были разработаны фантомы плода и беременной женщины, которые предполагают моделирование кости как гомогенной среды. Использование двух принципиально разных подходов к костной дозиметрии для пре- и постнатального периода ставит вопрос об их совместимости. Цель: оценить влияние детализации трабекулярной структуры фантомов кости на оценку коэффициентов конверсии облучения костного мозга от 89,90Sr. В рамках данной работы были сгенерированы фантомы 8 участков скелета новорожденного, занятых спонгиозой. Для каждого участка скелета было сгенерировано по одному фантому с детальным описанием микроструктуры спонгиозы и по одному фантому, в котором трабекулярная кость смоделирована как гомогенная среда. Для всех фантомов была проведена имитация транспорта излучений от инкорпорированных в ткани – источнике 89,90Sr с использованием программы MCNP 6.2 и рассчитаны значения коэффициентов конверсии. В результате было получено 16 коэффициентов конверсии для всех фантомов. Коэффициенты конверсии, полученные для фантомов с гомогенной спонгиозой, превышают таковые для фантомов с детальным описанием микроструктуры в среднем в 2,4 раза. Такие значительные различия между результатами моделирования позволяют сделать вывод, что детализация трабекулярной структуры фантомов кости оказывает существенное влияние на оценку дозы облучения костного мозга от инкорпорированных 89,90Sr.

Today there exist two main approaches to developing computational phantoms for bone dosimetry. The first approach is based on a detailed description of the microarchitecture of the spongiosa filling the phantoms. This microarchitecture includes trabeculae and bone marrow separately, i.e., the source tissue and the detector tissue are separated. The second approach involves generating a homogeneous bone where the target and source tissues are combined. In both cases the simulation results are conversion factors that allow converting the specific activity of incorporated radionuclides into the absorbed dose in the bone marrow. For dosimetry of the Techa River population exposed due to incorporated 89,90Sr, the skeletal phantoms were created for people of different sex and age, starting with a newborn. These phantoms included a detailed description of the trabecular bone microstructure, i.e., they belong to the first approach. Also, phantoms of the skeleton of the fetus and pregnant woman at various gestation stages have been developed, which involves modeling the bone as a homogeneous medium. These phantoms are designed for dosimetry of external and internal exposure, including 89,90Sr dosimetry. The usage of two fundamentally different approaches to bone dosimetry for the pre- and postnatal period raises the issue of compatibility of these approaches and possibility of their combining within a single dosimetric system. Objective: to evaluate the effect of detailing the trabecular structure of bone phantoms on the evaluation of conversion factors of bone marrow exposure due to 89,90Sr. Computational phantoms of eight regions of a newborn’s skeleton filled in with trabecular bone were generated. For each bone region two phantoms were generated: one phantom with a detailed description of the spongiosa microstructure and one phantom with spongiosa modeled as a homogeneous media. For all phantoms, the radiation transport from 89,90Sr incorporated in the source tissue was simulated using the MCNP 6.2 code, and the values of conversion factors were calculated. As a result, 16 conversion factors were obtained for all phantoms. On the average the conversion factors obtained for phantoms with homogeneous spongiosa exceed those for phantoms with a detailed description of the spongiosa microstructure by 2.4 times. Such significant difference between the results makes it possible to conclude that the detailing description of trabecular structure of bone phantoms has a significant impact on the assessment of the bone marrow dose due to incorporated 89,90Sr.

вычислительные фантомывнутреннее облучениекрасный костный мозгстронций-90computational phantomsinternal exposurered bone marrowstrontium-90Финансирование работы осуществлялось в рамках федеральной целевой программы «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности на 2016–2020 годы и на период до 2030 года» НИОКР.The work was funded within the framework of the federal target program “Ensuring Nuclear and Radiation safety for 2016-2020 and for the period up to 2030” R&D.ReferencesKrestinina L.Yu., Davis F.G., Schonfeld S., et al. Leukaemia incidence in the Techa River Cohort: 1953–2007 // British Journal of Cancer. 2013. Vol. 109. P. 2886-2893. DOI: 10.1038/bjc.2013.614. PubMed PMID: 24129230; PubMed Central PMCID: PMCPMC3844904.Krestinina LYu, Davis FG, Schonfeld S, Preston DL, Degteva M, Epifanova S, et al. Leukaemia incidence in the Techa River Cohort: 1953–2007. British Journal of Cancer. 2013;109: 2886-2893. DOI: 10.1038/bjc.2013.614. PubMed PMID: 24129230; PubMed Central PMCID: PMCPMC3844904.Preston D.L., Sokolnikov M.E., Krestinina L.Y., et al. Estimates of Radiation Effects on Cancer Risks in the Mayak Worker, Techa River and Atomic Bomb Survivor Studies // Radiation Protection Dosimetry. 2017. Vol. 173, No 1-3. P. 26-31. DOI: 10.1093/rpd/ncw316. PubMed PMID: 27885076.Preston DL, Sokolnikov ME, Krestinina LYu, Stram DO. Estimates of Radiation Effects on Cancer Risks in the Mayak Worker, Techa River and Atomic Bomb Survivor Studies. Radiation Protection Dosimetry. 2017;173(1-3): 26-31. DOI: 10.1093/rpd/ncw316. PubMed PMID: 27885076.ICRP, 2009. Adult reference computational phantoms. ICRP Publication 110. Ann. ICRP 39(2).ICRP, 2009. Adult reference computational phantoms. ICRP Publication 110. Ann. ICRP 39(2).Cristy M., Eckerman K.F. Specific Absorbed Fractions of Energy at Various Ages from Internal Photon Sources. Oak Ridge, TN: Oak Ridge National Laboratory. 1987. ORNL/TM8381. Vol. 1-6.Cristy M, Eckerman KF. Specific Absorbed Fractions of Energy at Various Ages from Internal Photon Sources. Oak Ridge, TN: Oak Ridge National Laboratory. 1987. ORNL/TM8381. Vol. 1-6.Han E., Bolch W., Eckerman K. Revisions to the ORNL series of adult and pediatric computational phantoms for use with the MIRD schema // Health Physics. 2006. Vol. 90. No 4. P. 337-56.Han E, Bolch W, Eckerman K. Revisions to the ORNL series of adult and pediatric computational phantoms for use with the MIRD schema. Health Physics. 2006;90(4): 337-56.Maynard M.R., Shagina N.B., Tolstykh E.I., et al. Fetal organ dosimetry for the Techa River and Ozyorsk offspring cohorts, part 1: Urals-based series of fetal computational phantoms // Radiation and Environmental Biophysics. 2015. Vol. 54, No 1. P. 37-46. DOI:10.1007/s00411-014-0571-4.Maynard MR, Shagina NB, Tolstykh EI, Degteva MO, Fell TP, Bolch WE. Fetal organ dosimetry for the Techa River and Ozyorsk offspring cohorts, part 1: Urals-based series of fetal computational phantoms. Radiation and Environmental Biophysics. 2015;54(1): 37-46. DOI:10.1007/s00411-014-0571-4.Maynard M.R., Shagina N.B., Tolstykh E.I., et al. Fetal organ dosimetry for the Techa River and Ozyorsk Offspring Cohorts, part 2: radionuclide S values for fetal self-dose and maternal cross-dose // Radiation and Environmental Biophysics. 2015. Vol. 54, No 1. P. 47-59. DOI:10.1007/ s00411-014-0570-5.Maynard MR, Shagina NB, Tolstykh EI, Degteva MO, Fell TP, Bolch WE. Fetal organ dosimetry for the Techa River and Ozyorsk Offspring Cohorts, part 2: radionuclide S values for fetal self-dose and maternal cross-dose. Radiation and Environmental Biophysics. 2015;54(1): 47-59. DOI:10.1007/ s00411-014-0570-5.Hough M., Johnson P., Rajon D., et al. An image-based skeletal dosimetry model for the ICRP reference adult male—internal electron sources // Physics in Medicine and Biology. 2011. Vol. 56, No 8. P. 2309–46. https://doi. org/10.1088/0031-9155/56/8/001 PMID: 21427487.Hough M, Johnson P, Rajon D, Jokisch D, Lee Ch, Bolch W. An image-based skeletal dosimetry model for the ICRP reference adult male—internal electron sources. Physics in Medicine and Biology. 2011;56(8): 2309–46. https://doi. org/10.1088/0031-9155/56/8/001 PMID: 21427487.Bolch W.E., Eckerman K., Endo A., et al. ICRP Publication 143: Paediatric Reference Computational Phantoms // Annals of the ICRP. 2020. Vol. 49, No 1. P. 5–297. https://doi. org/10.1177/0146645320915031 PMID: 33000625Bolch WE, Eckerman K, Endo A, Hunt JGS, Jokisch DW, Kim CH, et al. ICRP Publication 143: Paediatric Reference Computational Phantoms. Annals of the ICRP. 2020;49(1): 5–297. DOI: 10.1177/0146645320915031.Pafundi D., Lee C., Watchman C., et al. An image-based skeletal tissue model for the ICRP reference newborn // Physics in Medicine and Biology. 2009. Vol. 54, No 14. P. 4497–531. https://doi.org/10.1088/0031-9155/54/14/009 PMID: 19556686.Pafundi D, Lee C, Watchman C, Bourke V, Aris J, Shagina N, et al. An image-based skeletal tissue model for the ICRP reference newborn. Physics in Medicine and Biology. 2009;54(14): 4497–531. https://doi.org/10.1088/0031- 9155/54/14/009 PMID: 19556686.Shah A.P., Jokisch D.W., Rajon D.A., et al. Chord-based versus voxel-based methods of electron transport in the skeletal tissues // Medical Physics. 2005. Vol. 32, No 10. P. 3151-9. DOI: 10.1118/1.2040712. PubMed PMID: 16279069Shah AP, Jokisch DW, Rajon DA, Watchman ChJ, Patton PhW, Bolch WE. Chord-based versus voxel-based methods of electron transport in the skeletal tissues. Medical Physics. 2005;32(10): 3151-9. DOI: 10.1118/1.2040712. PubMed PMID: 16279069.Abadi E., Segars W.P., Sturgeon G.M., et al. Modeling “Textured” Bones in Virtual Human Phantoms // IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences. 2019. Vol. 3, No 1. P. 47–53.Abadi E, Segars WP, Sturgeon GM, Harrawood B, Kapadia A, Samei E. Modeling “Textured” Bones in Virtual Human Phantoms. IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences. 2019;3(1): 47–53.Degteva M.O., Tolstykh E.I., Shishkina E.A., et al. Stochastic Parametric Skeletal Dosimetry model for humans: General description // PLoS ONE. 2021. Vol. 16, No 10. https://doi. org/10.1371/journal. pone.0257605Degteva MO, Tolstykh EI, Shishkina EA, Sharagin PA, Zalyapin VI, Volchkova AYu, et al. Stochastic Parametric Skeletal Dosimetry model for humans: General description. PLoS ONE. 2021;16(10). https://doi.org/10.1371/journal. pone.0257605Дёгтева М.О., Шишкина Е.А., Толстых Е.И., и др. Методологический подход к разработке дозиметрических моделей скелета человека для бета-излучающих радионуклидов // Радиационная гигиена. 2019. Т. 12, № 2. С. 66- 75. https://doi.org/10.21514/1998-426X-2019-12-2-66-75.Degteva MO, Shishkina EA, Tolstykh EI, Zalyapin VI, Sharagin PA, Smith MA, et al. Methodological approach to development of dosimetric models of the human skeleton for betaemitting radionuclides. Radiatsionnaya Gygiena = Radiation Hygiene. 2019;12(2): 66-75. (In Russian) https://doi. org/10.21514/1998-426X-2019-12-2-66-75.Shishkina E.A., Zalyapin V.I., Timofeev Yu.S., et al. Parametric stochastic model of bone structures to be used in computational dosimetric phantoms of human skeleton // Radiation & Applications. 2018. Vol. 3, No 2. P. 133-137.Shishkina EA, Zalyapin VI, Timofeev YuS, Degteva MO. Parametric stochastic model of bone structures to be used in computational dosimetric phantoms of human skeleton. Radiation & Applications. 2018;3(2): 133-137.Shishkina E.A., Timofeev Y.S., Volchkova A.Yu., et al. Trabecula: A Random Generator of Computational Phantoms for Bone Marrow Dosimetry // Health Physics. 2020. Vol. 118, No 1. P. 53-9. DOI: 10.1097/hp.0000000000001127. PMID: 31764420.Shishkina EA, Timofeev YS, Volchkova AYu, Sharagin PA, Zalyapin VI, Degteva MO, et al. Trabecula: A Random Generator of Computational Phantoms for Bone Marrow Dosimetry. Health Physics. 2020;118(1):53-59. DOI: 10.1097/HP.0000000000001127. PMID: 31764420.Шарагин П.А., Толстых Е.И., Шишкина Е.А., и др. Дозиметрическое моделирование кости для остеотропных бета-излучающих радионуклидов: размерные параметры и сегментация. Материалы международной научной конференции «Современные проблемы радиобиологии». Беларусь, Гомель, 23-24 сентября 2021. C. 200-204.Sharagin PA, Tolstykh EI, Shishkina EA, Napie BA, Smit MA, Degteva MO. Dosimetric modeling of bone for bone-seeking beta-emitting radionuclides: size parameters and segmentation. Proceedings of the contemporary issues of radiobiology – 2021 International Scientific Conference. Belarus, Gomel; 2021. P. 200-204 (In Russian).Толстых Е.И., Шарагин П.А., Шарагин П.А., и др. Формирование доз облучения красного костного мозга человека от 89,90Sr, оценка параметров трабекулярной кости для дозиметрического моделирования. Материалы международной научной конференции «Современные проблемы радиобиологии». Беларусь, Гомель, 23-24 сентября 2021. C. 176-179.Tolstykh EI, Sharagin PA, Shishkina EA. Dosimetric modeling of red bone marrow exposure from 89,90Sr: resolving age-depenedent trabecular bone parameters. Proceedings of the contemporary issues of radiobiology – 2021 International Scientific Conference. Belarus, Gomel; 2021. P. 176-179. (In Russian).Acquaah F., Robson Brown K.A., Ahmed F. Early Trabecular Development in Human Vertebrae: Overproduction, Constructive Regression, and Refinement // Frontiers in Endocrinology. 2015. Vol. 6, No 67. DOI: 10.3389/ fendo.2015.00067.Acquaah F, Robson Brown KA, Ahmed F, Jeffery N, Abel RL. Early Trabecular Development in Human Vertebrae: Overproduction, Constructive Regression, and Refinement. Frontiers in Endocrinology. 2015;6(67). DOI: 10.3389/ fendo.2015.00067. 20. Kneissel M, Roschger P, Steiner W, Schamall D, Kalchhauser G, Boyde A, et al. Cancellous Bone Structure in the Growing and Aging Lumbar Spine in a Historic Nubian Population. Calcified Tissue International. 1997;61: 95–100.Kneissel M., Roschger P., Steiner W., et al. Cancellous Bone Structure in the Growing and Aging Lumbar Spine in a Historic Nubian Population // Calcified Tissue International. 1997. No 61. P. 95–100.Ponrartana S, Aggabao PC, Dharmavaram NL, Fisher CL, Friedlich Ph, Devaskar ShU, et al. Sexual Dimorphism in Newborn Vertebrae and its Potential Implications. The Journal of Pediatrics. 2015;167: 416–21.Ponrartana S., Aggabao P.C., Dharmavaram N.L., et al. Sexual Dimorphism in Newborn Vertebrae and its Potential Implications // The Journal of Pediatrics. 2015. No 167. P. 416–21.Pafundi D. Image-based skeletal tissue and electron dosimetry models for the ICRP reference pediatric age series Biomedical Engineering. PhD Dissertation. University of Florida. 2009.Pafundi D. Image-based skeletal tissue and electron dosimetry models for the ICRP reference pediatric age series Biomedical Engineering. PhD Dissertation. University of Florida, 2009.ICRP, 2002. Basic Anatomical and Physiological Data for Use in Radiological Protection: Reference Values. ICRP Publication 89. Ann. ICRP 32(3-4).ICRP, 2002. Basic Anatomical and Physiological Data for Use in Radiological Protection: Reference Values. ICRP Publication 89. Ann. ICRP 32(3-4).Robinson RA. Chemical analysis and electron microscopy of bone. In: Bone as a tissue. In: Rodahl K, Nicholson JT, Brown EM, editors. Bone as a Tissue. New York: McGraw-Hill Book Company; 1960: 186-250.Robinson R.A. Chemical analysis and electron microscopy of bone // Bone as a Tissue. In: Rodahl K., Nicholson J.T., Brown E.M., editor. Bone as a Tissue. New York: McGraw-Hill Book Company, 1960. P. 186-250.Tissue Properties Database V4.0. URL: https://itis.swiss/ virtual-population/tissue-properties/database/elements (Accessed 15.05.2018.)Tissue Properties Database V4.0. URL: https://itis.swiss/virtual-population/tissue-properties/database/elements (Дата обращения: 15.05.2018.)Zalyapin V, Timofeev Yu, Shishkina E. A parametric stochastic model of bone geometry. Bulletin of the South Ural State University Ser Mathematical Modelling, Programming & Computer Software (Bulletin SUSU MMCS). 2018;11: 44-57. DOI: 10.14529/mmp180204.Zalyapin V., Timofeev Yu., Shishkina E. A parametric stochastic model of bone geometry // Bulletin of the South Ural State University Ser Mathematical Modelling, Programming & Computer Software (Bulletin SUSU MMCS). 2018. Vol. 11. P. 44-57. DOI: 10.14529/mmp180204.Volchkova AYu, Sharagin PA, Shishkina EA. Internal bone marrow dosimetry: the effect of the exposure due to 90Sr incorporated in the adjacent bone segments. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Mathematical Modelling, Programming & Computer Software (Bulletin SUSU MMCS). (In press).Volchkova A.Yu., Sharagin P.A., Shishkina E.A. Internal bone marrow dosimetry: the effect of the exposure due to 90Sr incorporated in the adjacent bone segments // Bulletin of the South Ural State University. Ser. Mathematical Modelling, Programming & Computer Software (Bulletin SUSU MMCS). (In press).Shishkina EA, Sharagin PA, Volchkova AYu. Analytical description of dose forming in bone marrow from 90Sr incorporated in calcified tissues. Voprosy radiacionnoj bezopasnosti =Issues of Radiation Safety. 2021;3: 72-82 (In Rissian).Шишкина Е.А., Шарагин П.А., Волчкова А.Ю. Аналитическое описание дозообразования в костном мозге от 90Sr, инкорпорированного в кальцифицированных тканях // Вопросы радиационной безопасности. 2021. № 3. C. 72-82.Шишкина Е.А., Шарагин П.А., Волчкова А.Ю. Аналитическое описание дозообразования в костном мозге от 90Sr, инкорпорированного в кальцифицированных тканях // Вопросы радиационной безопасности. 2021. № 3. C. 72-82.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.