Влияние изменчивости морфометрических параметров костей человека на неопределенность доз внутреннего облучения костного мозга от ⁹⁰Sr

Для расчета доз внутреннего облучения красного костного мозга применяются вычислительные фантомы. Вычислительные фантомы МКРЗ созданы для стандартного человека с анатомическими характеристиками, типичными для среднестатистического индивидуума. Дозы, рассчитываемые на их основе, соответствуют среднепопуляционным величинам. Индивидуальная изменчивость вносит стохастическую компоненту неопределенности в оценку доз. Цель настоящей работы – оценка влияния индивидуальной изменчивости размеров костных структур на результаты дозиметрического моделирования. Созданы фантомы в виде простых геометрических фигур, заполненных трабекулярными структурами и костным мозгом (спонгиоза), покрытые снаружи кортикальным слоем. Геометрическая модель кости описывается параметрами, характеризующими линейные размеры, микроархитектуру спонгиозы (трабекулярная толщина, межтрабекулярное расстояние, доля костной ткани), а также толщину кортикального слоя. Варьируя эти параметры, получили наборы фантомов, имитирующих индивидуальную вариабельность геометрии костей. Рассчитывалась мощность поглощенной дозы в красном костном мозге от единичного распада ⁹⁰Sr/⁹⁰Y для случаев, когда изотопы распределены в объеме либо трабекулярной, либо кортикальной кости. Все оценки сделаны на примере фантома скелета взрослого мужчины. Индивидуальная вариабельность основных параметров вычислительных фантомов костных сегментов зависит от их размеров и составляет: а) для линейных размеров – 12–15%; б) для доли костной ткани – 22–24%; в) для кортикальной толщины – 21–23%. Это приводит к неопределенностям оценок мощностей доз, равным 21–25%.

1. Krestinina 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.

2. Пелевина И.И., Аклеев А.В., Когарко И.Н. и др. Радиационно-химическое воздействие ионизирующего излучения на организм и генотоксические нарушения системы крови // Химическая физика. 2021. Т. 40, № 12. С. 48-55. DOI: 10.31857/S0207401X2112013X

3. Akleyev A.V. Early signs of chronic radiation syndrome in residents of the Techa riverside settlements // Radiation and Environmental Biophysics. 2021. Vol. 60, № 2. P. 203-212. DOI: 10.1007/s00411-021-00897-8.

4. Аклеев А.В., Аклеев А.А., Дегтева М.О. и др. Последствия радиоактивного загрязнения реки Течи. Челябинск: ОАО Челябинское полиграфическое объединение Книга, 2016. 400 с.

5. ICRP, 2010. Conversion Coefficients for Radiological Protection Quantities for External radiation Exposures. ICRP Publication 116 // Annals of the ICRP. 2010. Vol. 40 (2-5). P. 1-257. DOI: 10.1016/j.icrp.2011.10.001. Erratum in: Ann ICRP. 2015 Vol. 44(1). P.128-34.

6. Zalyapin V.I., Timofeev Yu.S., Shishkina E.A. A parametric stochastic model of bone geometry // Bulletin of Southern Urals State University. Issue «Mathematical Modelling. Programming & Computer Software» (SUSU MMCS). 2018. Vol. 11, № 2. P. 44-57. DOI: 10.14529/mmp180204.

7. 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 and Applications. 2018. Vol. 3, № 2. P. 133-137. DOI: 10.21175/RadJ.2018.02.022.

8. Дегтева МО., 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. DOI: 10.21514/1998-426X-2019-12-2-66-75

9. 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(10) P. e0257605. DOI: 10.1371/journal.pone.0257605.

10. Шишкина Е.А., Шарагин П.А., Толстых Е.И. Неопределенность оценки доз в костном мозге от 89,90Sr из-за изменчивости химического состава и плотности кости // Радиационная гигиена. 2023. Т. 16, № 2. С. 32- 43. DOI: 10.21514/1998-426X-2023-16-2-32-43

11. 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, № 1. P. 53-9. DOI: 10.1097/hp.0000000000001127.

12. Толстых Е.И., Шарагин П.А., Шишкина Е.А. и др. Анатомоморфологический базис для дозиметрического моделирования трабекулярной кости человека с использованием стохастического параметрического подхода// Клинический вестник ФМБЦ им. А.И. Бурназяна. 2022. № 3. С. 25 – 40. DOI: 10.33266/2782-6430-2022-3-25-40

13. Watchman C.J., Bourke V.A., Lyon J.R. et. al. Spatial distribution of blood vessels and CD34+ hematopoietic stem and progenitor cells within the marrow cavities of human cancellous bone // Journal of Nuclear Medicine. 2007. Vol. 48, № 4. P. 645-654. DOI: 10.2967/jnumed.106.035337.

14. Bourke V.A., Watchman C.J., Reith J.D. et. al. Spatial gradients of blood vessels and hematopoietic stem and progenitor cells within the marrow cavities of the human skeleton // Blood. 2009. Vol. 114, № 19. P. 4077 – 4080. DOI: 10.1182/blood-2008-12-192922.

15. Official website OECD Nuclear Energy Agency (NEA). URL: https://www.oecd-nea.org/jcms/pl_39910/janis (Дата обращения: 27.08.2023).

16. ICRP, 2002. Basic Anatomical and Physiological Data for Use in Radiological Protection Reference Values. ICRP Publication 89 // Annals of the ICRP. 2002. Vol. 32 (3-4). P. 5 – 265.

17. 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.

18. 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 StateUniversity. Ser. Mathematical Modelling, Programming & Computer Software (Bulletin SUSU MMCS). 2022. Vol. 15, № 4. P. 44–58 DOI: 10.14529/mmp220404.

19. Campbell B.A., Callahan J., Bressel M. et al. Distribution Atlas of Proliferating Bone Marrow in Non-Small Cell Lung Cancer Patients Measured by FLT-PET/CT Imaging. With Potential Applicability in Radiation Therapy Planning // International Journal of Radiation Oncology. Biology. Physics. 2015. Vol. 92, № 5. P. 1035–1043. doi: 10.1016/j.ijrobp.2015.04.027.

20. Lowrance E.W., Latimer H.B. Coefficients of correlation for the weights and linear dimensions of the bones of 105 skeletons from Asia // American Journal of Anatomy. 1958 Vol. 102, № 3. P. 455-67. doi: 10.1002/aja.1001020305.

21. Marinković N., Vilić J.V. Correlation between the lengths of the long bones of the forearm and the fibula with body height in our population // Vojnosanitetski pregled. 2012. Vol. 69, № 5. P. 394-3988. (Serbian). doi: 10.2298/vsp1205394m.

22. Шарагин П.А., Шишкина Е.А., Толстых Е.И. Вычислительный фантом для дозиметрии красного костного мозга новорожденного ребенка от инкорпорированных бета-излучателей // Медицина экстремальных ситуаций. 2022. №4. С. 74–82. DOI: 10.47183/mes.2022.045

23. Шарагин П.А., Шишкина Е.А., Толстых Е.И. Вычислительный фантом для дозиметрии красного костного мозга годовалого ребенка от инкорпорированных бета излучателей // Медицина экстремальных ситуаций. 2023. №3. С. 45–56. DOI: 10.47183/mes.2023.030.