CC BY
162
Оценка дозы смешанного гамма-нейтронного излучения по результатам спектроскопии ЭПР образцов зубной эмали и дентина при облучении в фантоме головы человека
Хайлов А.М., Иванников А.И., Скворцов В.Г.
ФГБУ МРНЦ Минздрава России, Обнинск
Проведён эксперимент по облучению целых зубов и порошков эмали и дентина в фантоме головы из тканеэквивалентного материала (парафина). Значения относительной радиочувствительности тканей зуба оказались в хорошем соответствии со значениями, оценёнными ранее в ходе облучения в воздухе. Оценки нейтронного и гамма-компонентов суммарной дозы, основанные на результатах ЭПР-спектроскопии образцов дентина и эмали в пределах погрешностей, совпали с рассчитанными (методом Монте-Карло) и измеренными в ходе облучения значениями. Таким образом, показана принципиальная возможность оценки дозы смешанного гамма-нейтронного излучения методом ЭПР-дозиметрии образцов зубной эмали и дентина в случае, когда доза каждого из компонентов поля изначально не известна.
Ключевые слова: дентин зубов, нейтронное излучение, спектроскопия ЭПР.
Введение
Задача реконструкции поглощённых доз спустя длительное время (от нескольких дней до десятков лет) после облучения имеет исключительно важное социальное значение для адресной реабилитации пострадавших от неконтролируемого радиационного воздействия. В настоящее время одним из наиболее распространённых и успешно применяемых методов реконструкции индивидуальных доз облучения является метод, основанный на спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР-дозиметрия).
Метод ЭПР-дозиметрии представляет особый интерес для ретроспективной индивидуальной дозиметрии, поскольку позволяет использовать для измерений материалы, непосредственно входящие в состав человеческого тела. Основными объектами, используемыми в ЭПР-дозиметрии, являются зубные ткани, прежде всего - эмаль, которая является самой твёрдой и наиболее минерализованной тканью организма. Дентин зубов, при оценке доз гамма-излучения, обычно рассматривается как запасной дозиметрический материал, применяемый в случае утраты или невозможности приготовления образца эмали (например, из-за кариеса).
Несмотря на многолетнее, успешное использование ЭПР-дозиметрии для оценки доз гамма-излучения, нерешённой проблемой является интерпретация, точность и достоверность оценок доз в случаях облучения смешанным полем излучения с присутствием значительного нейтронного компонента. Ранее проведённые исследования показали, что выход парамагнитных центров в эмали на единицу дозы нейтронов очень мал [6-9]. Учитывая, что различные типы излучения приводят к индукции сигналов ЭПР с идентичными свойствами, малая величина радиочувствительности эмали к нейтронам означает, что прямое определение дозы смешанного излучения по амплитуде суммарной интенсивности сигнала приведёт к значительному занижению результата.
Хайлов А.М.*- ст. научн. сотр., к.б.н.; Иванников А.И. - вед. научн. сотр., к.ф.-м.н.; Скворцов В.Г. - зав. лаб., к.б.н. ФГБУ МРНЦ Минздрава России.
‘Контакты: 249036, Калужская обл., Обнинск, ул. Королева, 4. E-mail: artkhl@mail.ru.
Сказанное делает необходимым поиск путей разделения доз, с использованием дополнительного дозиметра, обладающего большей, чем эмаль чувствительностью. Поскольку, содержание атомов водорода в дентине в 3 раза больше, чем в эмали, привлекательной и требующей рассмотрения видится возможность совместного использования эмали и дентина зубов для решения задачи ЭПР-дозиметрии смешанного гамма-нейтронного излучения.
В раннее проведённом исследовании авторами было экспериментально подтверждено, что радиационная чувствительность дентина к нейтронному излучению энергии 14 МэВ превышает радиационную чувствительность эмали в 6-11 раз при облучении в воздухе. Подобный результат был получен в работе [9], где источником нейтронов со средней энергией 1 МэВ служил реактор Silene. Образцы были облучены как в воздухе, так и в парафиновом фантоме головы человека. При этом было показано, что радиочувствительность дентина к нейтронам данного реакторного источника превышает радиочувствительность эмали примерно в 5 раз при облучении в воздухе. На основании этого был сделан вывод о принципиальной возможности использования дентина для дозиметрии нейтронного компонента поля. Однако при облучении образцов in vivo в фантоме различия значительно сглаживались, вероятно, из-за замедления нейтронов. Поэтому в качестве основного направления дальнейшего исследования указано уточнение радиочувствительности дентина при облучении in vivo к нейтронам большей энергии.
Исходя из сказанного, основной задачей нашего исследования было применение метода ЭПР-дозиметрии для реконструкции поглощённой дозы смешанного гамма-нейтронного излучения в реальных условиях облучения зубов in vivo. Дополнительно предполагалось уточнить оценённые ранее при облучении в воздухе значения относительной радиочувствительности эмали и дентина зубов к нейтронному излучению.
Материалы и методы
Измерения спектров ЭПР выполняли на ЭПР-спектрометре ESP-300E производства фирмы Bruker (Германия) в Х-диапазоне с использованием резонатора 4102-ST, при уровне СВЧ-мощности 10 мВт [4]. Обработку спектров ЭПР, вычитание механо-индуцированных сигналов, выделение и оценку амплитуды радиационно-индуцированных сигналов проводили с помощью встроенного в спектрометр программного обеспечения, а также программы деконволюции Er (v.06). Относительная погрешность определения дозы методом ЭПР-дозиметрии составляла 12-15% для эмали и 20-25% для дентина [3].
Источником нейтронного излучения с энергией 14 МэВ служил генератор непрерывного действия НГ-14, разработанный во ВНИИ автоматики им. Н.Л. Духова. Средний выход нейтронов, образующихся в результате реакции ^(С^^Не, из мишени составляет 1,4-1010 н/с. Вклад сопутствующего гамма-излучения в местах расположения образцов - около 10%. Время облучения составило 40 минут. Погрешность дозы нейтронов, контролируемой в ходе облучения с помощью «Измерителя импульсного потока нейтронов автоматизированного» (ИНПА), составляла менее 10%.
Геометрия облучения образцов представлена на рис. 1. Пять целых зубов и по три образца порошков эмали и дентина были помещены в фантом головы человека из тканеэквивалентного материала - парафина. Высота фантома составила 23 см, диаметр - 14,5 см. Геомет-
рия расположения образцов была выбрана для имитации реального положения зубов во рту человека. Все образцы были размещены по кругу в одном слое, диаметром 14 см, расположенном на расстоянии 17 см от дна фантома. При этом расстояние от края фантома до образцов составило 2 см. Расстояние от мишени генератора НГ-14 до центра ближайшего зуба составило 8 см. Размер гранул порошков составлял 0,5-1 мм для образцов эмали и 1,5 мм у образцов дентина.
Рис. 1. Схема расположения объектов облучения (а) и поперечный срез фантома с указанием порядковых номеров образцов (б).
Математическое моделирование условий облучения с целью уточнения доз в местах расположения каждого из образцов было проведено с помощью основанной на методе Монте-Карло программы МСЫР4С [1]. Дозы были рассчитаны в керма-приближении как для нейтронного, так и для фотонного (гамма-загрязнение генератора) компонентов источника. В расчётах были использованы библиотеки сечений ЕЫОР-В\У! и МСРЫВ02.
При оценке погрешности расчётных значений доз нейтронов и фотонов учитывали как погрешность вычислений методом Монте-Карло, так и погрешность вариации потока нейтронов и гамма-квантов при работе источника.
Результаты и обсуждение
В таблице 1 представлены дозы нейтронов, измеренные в ходе облучения, значения доз нейтронов, вторичных фотонов и первичных фотонов источника, рассчитанные методом Монте-Карло, а также дозы облучения, оценённые методом ЭПР-спектроскопии. Дополнительно приведены значения относительной радиочувствительности тканей зуба к нейтронам, которые рассчитывали как разность дозы, определённой методом ЭПР-спектроскопии (при стандартной калибровке источником 60Со) и дозы фотонов, отнесённую к дозе нейтронного компонента поля излучения.
Из представленных данных видно, что при облучении нейтронами с энергией 14 МэВ фантома головы значения доз задней и передней стенок эмали отличались не более чем на 15%, вклад вторичного гамма-излучения в местах расположения образцов также был незначителен (менее 15-20%), что соответствует результатам [5]. Относительная радиочувствитель-
ность эмали к нейтронам энергии 14 МэВ, оценённая по всем образцам, составила 9,6±5,7%. Значения относительной радиочувствительности дентина коронки и дентина корня к нейтронам энергии 14 МэВ определены в размере 26,5+14,4, и 40,1+18,7%, соответственно.
Таблица 1
Значения доз, поглощённых в образцах, а также относительной радиочувствительности
эмали и дентина зубов к нейтронам
Номер образца, согласно рис. 1б Тип образца Доза нейтронов, дозиметрия, сГр Доза нейтронов, расчёт, сГр Доза вторичных фотонов, расчёт, сГр Доза фотонов источника, расчёт, сГр Доза, определённая методом ЭПР, сГр Относительная радиационная чувствительность
1 эмаль, передней стенки - 58,9 1,3 6,7 19,3 0,176+0,068
1 эмаль, задней стенки - 53,8 1,3 7,2 14,8 0,118+0,063
1 дентин коронки - 55,9 1,3 8,0 22,4 0,233+0,144
1 дентин корня - 58,5 1,5 8,2 30,9 0,362+0,182
2 эмаль, передней стенки 126,8 131,2 2,0 14,8 21,8 0,038+0,044
2 эмаль, задней стенки 126,8 117,6 2,0 14,0 29,0 0,111+0,057
2 дентин коронки 126,8 123,0 2,1 16,2 37,6 0,157+0,113
2 дентин корня 126,8 130,2 2,2 18,2 67,1 0,359+0,178
3 эмаль, передней стенки 226,0 222,3 3,0 25,4 26,2 -0,010+0,036
3 эмаль, задней стенки 226,0 194,1 2,8 24,0 31,7 0,025+0,045
3 дентин коронки 226,0 209,2 2,9 24,8 82,6 0,262+0,138
3 дентин корня 226,0 211,2 3,2 26,8 131,3 0,479+0,207
4 эмаль, передней стенки 126,8 130,6 2,2 16,1 23,0 0,036+0,047
4 эмаль, задней стенки 126,8 116,8 2,2 13,8 20,9 0,042+0,046
4 дентин коронки 126,8 123,4 2,2 13,8 45,7 0,241+0,130
4 дентин корня 126,8 127,8 1,8 15,9 63,1 0,356+0,169
5 эмаль, передней стенки - 57,6 1,3 9,7 24,8 0,238+0,092
5 эмаль, задней стенки - 52,9 1,3 6,7 17,8 0,187+0,071
5 дентин коронки - 55,7 1,2 7,2 32,5 0,432+0,196
5 дентин корня - 55,9 1,3 7,3 33,6 0,447+0,202
6 эмаль, порошок - 83,1 1,4 10,7 60,6 0,583+0,130
7 эмаль, порошок - 172,1 2,7 19,7 71,1 0,283+0,081
8 эмаль, порошок - 31,0 0,9 3,7 9,7 0,166+0,067
9 дентин, порошок - 32,5 0,9 4,1 24,0 0,585+0,243
10 дентин, порошок - 177,4 2,4 18,4 70,6 0,281+0,137
11 дентин, порошок - 80,2 1,7 10,1 49,1 0,466+0,205
Относительная радиочувствительность порошка эмали составила 34,4+9,3%, порошка дентина - 44,4+19,5%. Большие различия между значениями радиочувствительности, оценёнными по эмали целого зуба и порошка, подтверждают, что выход парамагнитных центров в эмали при облучении нейтронами в значительной степени определяют протоны отдачи извне [7]. В дентине отличия между значениями радиочувствительности, оценёнными по образцам целых зубов и порошка, не столь значительны.
В пределах погрешностей все оценки радиочувствительности согласуются с аналогичными значениями, полученными авторами ранее для случая облучения в воздухе. При этом значения, оценённые в ходе облучения в воздухе, следует считать более надёжными, так как вариация доз нейтронов в местах расположения зубов в том случае была меньшей, а величины доз нейтронов - большими.
Используя значения доз измеренных методом ЭПР-спектроскопии тканей зубов и значения относительной радиочувствительности эмали и дентина к нейтронам, были проведены оценки вкладов нейтронного и фотонного компонентов в суммарную дозу облучения. Оценки были проведены для двух случаев: 1) по дозам, оценённым методом ЭПР-спектроскопии об-
разцов эмали и дентина коронки и 2) по дозам, оценённым методом ЭПР-спектроскопии образцов эмали и дентина корня. При этом относительной радиочувствительностью к фотонам пренебрегали, считая её равной единице.
Формулы для расчёта доз были получены на основе данных [2]. Поскольку нейтронное излучение всегда сопровождается гамма-излучением, определение поглощённой дозы нейтронов приходится проводить в смешанных гамма-нейтронных полях. Для определения отдельных компонентов дозы Д7и Дп на практике используют пару дозиметров с различной чувствительностью к нейтронам и гамма-квантам, решая систему из двух уравнений для показаний дозиметров Д1 и Д2 в смешанном поле:
Ді = кіу • Ду + кіп • Дп,
Д2 = к2у ' Ду + к2п ' Дп , где к1г к2г и к1п, к2п - чувствительности дозиметров соответственно к гамма-излучению и нейтронам. Принимая за первый дозиметр - эмаль, а за второй - дентин, получим следующие
формулы для расчёта нейтронного и фотонного компонентов дозы при смешанном облучении:
д = ДЭПРбен ' куэм I кСо-60 — ДЭПРэм ' куден I кСо-60
кубен 1 кСо-60 ' кпэм 1 кСо-60 — куэм 1 кСо-60 ' кп ден 1 кСо-60
Д = ДЭПРэм ' кп ден 1 кСо-60 - ДЭПРден ' кп эм 1 кСо-60
куэм 1 кСо-60 ' кпден 1 кСо-60 - куден 1 кСо-60 ' кп эм 1 кСо-60
где Дп - доза нейтронов; Дг- суммарная доза фотонов; ДЭПР эм, Дэпр ден - доза, оценённая методом ЭПР-спектроскопии при калибровке источником 60Со по образцам эмали и дентина, соответственно; кпэм I кСо-60 , кпден I кСо-60 - относительная радиочувствительность эмали и
дентина к нейтронам с энергией 14 МэВ, соответственно; к^эм I кСо-60 , кгден I кСо-60 - относительная радиочувствительность эмали и дентина к фотонам, соответственно.
Расчёты методом Монте-Карло показали, что спектр вторичных фотонов, образующихся в ходе нейтронных взаимодействий, и спектр фотонов источника НГ-14 в местах расположения всех образцов содержит не более 1,5% фотонов с энергией менее 100 кэВ от общего числа. Следовательно, энергетической зависимостью относительной радиочувствительности эмали и дентина можно пренебречь. Принимая относительную радиочувствительность к фотонам равной единице, получим:
Д = ДЭПР ден - ДЭПР эм
кп эм I кСо-60 кп ден I кі
Дп =
пэм ' кСо-60 кп ден ' кСо-60
ДЭПР эм ' кп ден I кСо-60 - ДЭПРден ' кпэм I кСо-60 кп ден I кСо-60 - кп эм I кСо-60
где Дп - доза нейтронов; Дг- суммарная доза фотонов; ДЭПР эм, ДЭПР ден - доза, оценённая методом ЭПР-спектроскопии при калибровке источником 60Со по образцам эмали и дентина, соответственно; кпэм I к^о-60 , кпден IС-60 - относительная радиочувствительность эмали и дентина к нейтронам с энергией 14 МэВ, соответственно.
Таблица 2
Сравнение значений доз нейтронов и фотонов, рассчитанных методом Монте-Карло и оценённых на основе измерений спектров ЭПР эмали и дентина
Номер зуба, согласно рис. 1б Материал, выбранный для оценки дозы нейтронного компонента Доза нейтронов, расчётная, сГр Доза фотонов, расчётная, сГр Доза нейтронов, оценённая, сГр Доза фотонов, оценённая, сГр
1 дентин коронки дентин корня 56,4±5,6 55,9±6,0 ,6 ,8 чй чй ,2 ,3 8, 9, ,5 ,2 6, 8, 21 +1 +1 ,4 ,4 3, 6, 33 6, 0, 17 1± 1± 28
2 дентин коронки дентин корня 124,4±12,4 123,0±12,3 16,4±3,2 18,3±3,6 86,9±50,1 114,7±40,0 22,7±13,8 20,8±15,4
3 дентин коронки дентин корня 208,2±20,8 209,2±21,0 27,6±5,6 27,7±5,5 236,5±110,1 276,0±78,1 21,1 ±16,3 19,8±23,8
4 дентин коронки дентин корня 123,7±12,4 123,4±12,3 17,1 ±3,4 16,0±3,2 104,8±61,0 111,0±37,6 18,5±12,4 18,3±16,7
5 дентин коронки дентин корня 55,3±5,5 55,7±5,6 9,5±2,0 8,4±1,6 49,7±43,3 33,5±20,0 19,6±11,9 20,1 ±13,3
Полученные дозовые оценки нейтронного и фотонного компонентов суммарной дозы облучения по дозам, оценённым методом ЭПР-спектроскопии образцов эмали и дентина зубов, облучённых в фантоме головы, представлены в таблице 2. Из представленных результатов видно, что дозы как нейтронного, так и фотонного компонентов суммарной дозы, определённые методом ЭПР-спектроскопии образцов дентина и эмали, в пределах погрешностей согласуются с рассчитанными методом Монте-Карло и измеренными значениями доз.
Заключение
Результатами исследования показана принципиальная возможность оценки дозы смешанного гамма-нейтронного излучения в местах расположения зубов по дозам, оценённым методом ЭПР-спектроскопии эмали и дентина в случае, когда доза каждого из компонентов поля изначально не известна.
При этом для реконструкции методом ЭПР-дозиметрии суммарной поглощённой дозы и ее распределения в теле пострадавшего от смешанного гамма-нейтронного облучения необходимо осуществить переход от поглощенной дозы в местах расположения зубов к дозам в различных тканях и органах тела человека, что планируется сделать авторами в будущем исследовании.
Авторы выражают искреннюю признательность сотрудникам отдела радиационной биофизики и его заведующему д.б.н. Ульяненко С.Е. за помощь в подготовке и проведении облучения на генераторе НГ-14.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 12-04-31645 мол а.
Литература
1. Briesmeister J.F. MCNP - A general Monte Carlo N-particle transport code. Version 4C. Report LA-13709-M. Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, 2000.
2. International Commission on Radiation Unit. Neutron dosimetry for biology and medicine. ICRU Report 26. Bethesda, MD: ICRU, 1977.
3. Ivannikov A.I., Skvortsov V.G., Stepanenko V.F. et al. Tooth enamel EPR dosimetry: sources of errors and their correction //Appl. Radiat. Isotopes. 2000. V. 52, N 5. P. 1291-1296.
4. Ivannikov A.I., Trompier F., Gaillard-Lecanu E. et al. Optimisation of Recording Conditions for the EPR
Signal Used in Dental Enamel Dosimetry //Radiat. Prot. Dosim. 2002. V. 101, N 1-4. P. 531-538.
5. Khailov A., Ivannikov A., Skvortsov V. et al. The neutron dose conversion coefficients calculation in human tooth enamel in an anthropomorphic phantom //Health Phys. 2010. V. 98, N 2. P. 369-377.
6. Khailov A., Ivannikov A., Tikunov D. et al. Tooth enamel EPR dosimetry of neutrons: Enhancement of the apparent sensitivity at irradiation in the human head phantom //Radiat. Meas. 2007. V. 42, N 6-7, P. 11711177.
7. Tikunov D., Trompier F., Ivannikov A. et al. Relative Sensitivity of Tooth Enamel to Fission Neutrons: Effect of Secondary Protons //Radiat. Meas. 2005. V. 39, N 5. P. 509-514.
8. Trompier F., Fattibene P., Tikunov D. et al. EPR dosimetry in a mixed neutron and gamma radiation field //Radiat. Prot. Dosim. 2004. V. 110, N 1-4. P. 437-442.
9. Trompier F., Tikunov D., Ivannikov A., Clairand I. ESR investigation of joint use of dentin and tooth enamel to estimate photon and neutron dose components of a mixed field //Radiat. Prot. Dosim. 2006. V. 120, N 1-4. P. 191-196.
Estimation of the dose based on EPR spectroscopy of tooth enamel and dentin samples at mixed gamma-neutron irradiation in a head phantom
Khailov A.M., Ivannikov A.I., Skvortsov V.G.
Medical Radiological Research Center of the Russian Ministry of Health, Obninsk
An in vivo exposure of whole tooth as well as the dentin and enamel grain samples placed in a head phantom made of tissue-equivalent material (paraffin) was conducted. Enamel and dentine relative sensitivity was in a good agreement with values, estimated earlier for in air irradiation. The assessments of neutron and gamma-components of the total dose using ER spectroscopy of dentin and enamel samples agreed within the errors with the calculated (by Monte-Carlo method) and measured doses. Thus, the principal possibility to estimate the dose of mixed gamma-neutron radiation using EPR spectroscopy of tooth enamel and dentin samples was shown when the dose of each component of the field is initially unknown.
Key words: tooth dentin, neutron radiation, EPR spectroscopy.
Khailov A.M.* - Senior Researcher, C. Sc., Biol.; Ivannikov A.I. - Leading Researcher, C. Sc., Phys.-Math.; Skvortsov V.G.- Head of Lab., C. Sc., Biol. MRRC.
‘Contacts: 4 Korolyov str., Obninsk, Kaluga region, Russia, 249036. E-mail: artkhl@mail.ru.
