FURTHER STUDIES ON UNCERTAINTY, CONFOUNDING, AND VALIDATION OF THE DOSES IN THE TECHA RIVER DOSIMETRY SYSTEM: Concluding Progress Report on the Second Phase of Project 1.1

This is the concluding Progress Report for Project 1.1 of the U.S./Russia Joint Coordinating Committee on Radiation Effects Research (JCCRER). An overwhelming majority of our work this period has been to complete our primary obligation of providing a new version of the Techa River Dosimetry System (TRDS), which we call TRDS-2009D; the D denotes deterministic. This system provides estimates of individual doses to members of the Extended Techa River Cohort (ETRC) and post-natal doses to members of the Techa River Offspring Cohort (TROC). The latter doses were calculated with use of the TRDS-2009D. The doses for the members of the ETRC have been made available to the American and Russian epidemiologists in September for their studies in deriving radiogenic risk factors. Doses for members of the TROC are being provided to European and Russian epidemiologists, as partial input for studies of risk in this population. Two of our original goals for the completion of this nine-year phase of Project 1.1 were not completed. These are completion of TRDS-2009MC, which was to be a Monte Carlo version of TRDS-2009 that could be used for more explicit analysis of the impact of uncertainty in doses on uncertainty in radiogenic risk factors. The second incomplete goal was to be the provision of household specific external doses (rather than village average). This task was far along, but had to be delayed due to the lead investigator’s work on consideration of a revised source term

ASSESSMENT OF VARIOUS TYPES OF UNCERTAINTY IN THE TECHA RIVER DOSIMETRY SYSTEM

Recent developments in evaluation of dose-response models in light of uncertain dose data (Stram and Kopecky 2003; Schafer and Gilbert 2006) have highlighted the importance of different types of uncertainties in the development of individual dose estimates. These include uncertain parameters that may be either shared or unshared within the dosimetric cohort, and also the nature of the type of uncertainty as either classical or Berkson. This report is an initial attempt to identify the nature of the various input parameters and calculational methods incorporated in the Techa River Dosimetry System (based on the TRDS-2000 implementation as a starting point, with additions for recently-developed capabilities). This report reviews the database, equations, and input parameters, and then identifies the author's interpretations of their general nature. It closes with some questions for the users of the data (epidemiologists and biostatisticians), so that the next implantation of the TRDS will provide the most useful information

Оценка доз облучения лимфоцитов и их предшественников при пероральном поступлении стронция-89,90

In radiobiology circulating T-lymphocytes are used as “natural biodosimeters” since the frequency of chromosomal aberrations that occur in them after radiation exposure is proportional to the accumulated dose. In addition, stable chromosomal aberrations (translocations) are detected in them years and decades after radiation exposure. Estimation of doses to circulating lymphocytes requires consideration of two dose components: the dose accumulated by the lymphocyte precursors (progenitors) in the red bone marrow; and dose accumulated by the lymphocytes in the lymphoid organs/tissues during circulation. A recently created model of T-lymphocyte exposure takes into account all these dose components, as well as the age-dependent dynamics of T-lymphocytes. The use of a model approach is especially important in assessing doses from osteotropic beta emitters (89,90Sr). They accumulate in the bone and locally expose predominately bone marrow. The dose to other lymphoid organs and tissues is much lower. The objective of this study is to evaluate the conversion factors from ingested 89,90Sr to the cumulative dose to circulating T-lymphocytes and their progenitors (DCL). For calculations, the previously developed model of T-lymphocyte exposure and new dose coefficients for the red bone marrow, estimated on the basis of a sex-and-age-dependent biokinetic model and a new dosimetric model of the human skeleton were used. As a result, the DCL values were evaluated for the first time. The age at the time of 89,90Sr intake varied from a newborn to 35 years, the age of T-lymphocyte examination (blood sampling age) was up to 75 years. The maximum values of DCL for both 90Sr and 89Sr were typical of children in the first years of life. It has been shown that doses to circulating T-lymphocytes from these radionuclides are lower than those to bone marrow, but are significantly higher than doses to other lymphoid tissues. The effect of sex on DCL is manifested for children 10 years of age and older. The area of DCL application covers the population of radioactively contaminated territories (the Urals region, the zone of the Chernobyl accident), as well as personnel of the nuclear industry enterprises.Циркулирующие Т-лимфоциты используются в радиобиологии как «естественные биодозиметры», поскольку частота хромосомных аберраций, возникающих в них после облучения, пропорциональна накопленной дозе. Более того, стабильные хромосомные аберрации (транслокации) обнаруживаются в них спустя годы и десятилетия после облучения. Оценка доз на циркулирующие лимфоциты требует учета 2 компонентов: дозы, полученной предшественниками (прогениторами) лимфоцитов в красном костном мозге; дозы, полученной лимфоцитами в лимфоидных органах/тканях при циркуляции. Недавно созданная модель облучения циркулирующих Т-лимфоцитов учитывает все эти компоненты, а также возрастные особенности динамики Т-лимфоцитов. Особенно важно применение модельного подхода при оценке доз от остеотропных бета-излучателей (89,90Sr). После попадания в организм они накапливаются в кости и практически локально облучают костный мозг, так что доза на другие лимфоидные органы и ткани оказывается существенно ниже. Целью данного исследования является оценка коэффициентов перехода от перорального поступления 89,90Sr к накопленной дозе на циркулирующие Т-лимфоциты и их предшественников (ДКL). Для расчетов использовали разработанную ранее модель облучения Т-лимфоцитов и новые дозовые коэффициенты для красного костного мозга, оцененные на основе половозрастной биокинетической модели и новой дозиметрической модели скелета человека. В результате проделанной работы впервые были определены значения ДКL. Возраст на момент поступления 89,90Sr варьировал от новорожденного до 35 лет, возраст обследования Т-лимфоцитов (возраст забора крови) – до 75 лет. Максимальные значения дозовых коэффициентов, как для 90Sr, так и для 89Sr, были характерны для детей первых лет жизни. Было показано, что дозы на циркулирующие Т-лимфоциты оказываются ниже, чем дозы на ККМ от этих радионуклидов, но существенно выше, чем дозы на другие лимфоидные ткани. Влияние пола на ДКL выражено для детей 10 лет и старше. Область применения ДКL охватывает работников предприятий атомной промышленности, а также население радиоактивно загрязненных территорий (Уральский регион, зона Чернобыльской аварии)

Breast cancer incidence following low-dose rate environmental exposure: Techa River Cohort, 1956–2004

In the 1950s, the Mayak nuclear weapons facility in Russia discharged liquid radioactive wastes into the Techa River causing exposure of riverside residents to protracted low-to-moderate doses of radiation. Almost 10 000 women received estimated doses to the stomach of up to 0.47 Gray (Gy) (mean dose=0.04 Gy) from external γ-exposure and 137Cs incorporation. We have been following this population for cancer incidence and mortality and as in the general Russian population, we found a significant temporal trend of breast cancer incidence. A significant linear radiation dose–response relationship was observed (P=0.01) with an estimated excess relative risk per Gray (ERR/Gy) of 5.00 (95% confidence interval (CI), 0.80, 12.76). We estimated that approximately 12% of the 109 observed cases could be attributed to radiation

Individual Dose Calculations with Use of the Revised Techa River Dosimetry System TRDS-2009D

An updated deterministic version of the Techa River Dosimetry System (TRDS-2009D) has been developed to estimate individual doses from external exposure and intake of radionuclides for residents living on the Techa River contaminated as a result of radioactive releases from the Mayak plutonium facility in 1949–1956. The TRDS-2009D is designed as a flexible system that uses, depending on the input data for an individual, various elements of system databases to provide the dosimetric variables requested by the user. Several phases are included in the computation schedule. The first phase includes calculations with use of a common protocol for all cohort members based on village-average-intake functions and external dose rates; individual data on age, gender and history of residence are included in the first phase. This phase results in dose estimates similar to those obtained with system TRDS-2000 used previously to derive risks of health effects in the Techa River Cohort. The second phase includes refinement of individual internal doses for those persons who have had body-burden measurements or exposure parameters specific to the household where he/she lived on the Techa River. The third phase includes summation of individual doses from environmental exposure and from radiological examinations. The results of TRDS-2009D dose calculations have demonstrated for the ETRC members on average a moderate increase in RBM dose estimates (34%) and a minor increase (5%) in estimates of stomach dose. The calculations for the members of the ETROC indicated similar small changes for stomach, but significant increase in RBM doses (400%). Individual-dose assessments performed with use of TRDS-2009D have been provided to epidemiologists for exploratory risk analysis in the ETRC and ETROC. These data provide an opportunity to evaluate the possible impact on radiogenic risk of such factors as confounding exposure (environmental and medical), changes in the Techa River source-term data and the change of the approach to individual internal dose estimation (90Sr-body burden measurements and family correlations vs. village averages). Our further plan is to upgrade the TRDS-2009D and to complete a stochastic version of the dosimetry system

Радио-эпидемиологические исследования на Урале: итоги и перспективы

The paper presents the key milestones and outcomes of 65-year studies of the carcinogenic consequences of accidental radiation exposure of the population of the Urals region. The radioactive contamination of the Techa River and the 1957accident at the Mayak PA were the reasons for the long-term exposure of the population at a wide range of doses. The most important tasks of the study were the reconstruction of individual doses, follow-up of the health and life status of cohort members. The research results have shown that chronic human exposure, in comparison to acute exposure, does not reduce the risk of developing malignant tumors and leukemias, and the value of the dose-rate factor does not exceed “one”. Thus, according to our data, the current recommendations of the International Commission on Radiological Protection underestimate the radiation risk of malignant tumors and leukemias in case of chronic exposure of the population by a factor of two. Prospects for further radio-epidemiological studies in the Urals are associated with the analysis of the cohort of Southern Urals Populations Exposed to Radiation (SUPER), which includes about 63 thousand exposed people and makes it possible to assess the radiation risk of solid cancers of certain localizations, certain types of leukemia, and non-cancer effects. В статье представлены основные этапы и итоги 65-летних исследований канцерогенных последствий аварийного радиационного облучения населения Уральского региона. Радиоактивное загрязнение реки Течи и авария 1957 г. на производственном объединении «Маяк» явились причинами многолетнего облучения населения в широком диапазоне доз. Наиболее важными задачами исследования являлись реконструкция индивидуальных доз, прослеживание состояния здоровья и жизненного статуса членов когорт. Результаты исследований показали, что хроническое облучение человека по сравнению с острым не снижает риск развития злокачественных опухолей и лейкозов, а значение фактора мощности дозы не превышает единицу. Таким образом, по нашим данным, современные рекомендации Международной комиссии по радиологической защите занижают радиационный риск злокачественных опухолей и лейкозов при хроническом облучении населения в 2 раза. Перспективы дальнейших радио-эпидемиологических исследований на Урале связаны с анализом Уральской когорты аварийно-облученного населения, которая включает около 63 000 облученных людей и позволяет оценить радиационный риск солидных раков отдельных локализаций, лейкозов отдельных видов и нераковых эффектов

Сравнительный анализ медико-дозиметрических последствий аварии 1957 г. и загрязнения реки Течи в контексте эффективности защитных мероприятий

The paper deals with the evaluation of the efficiency of the implemented protective measures in the event of accidental exposure of the Urals region population due to radioactive contamination of the Techa River and the 1957 accident. Both of the accidents occurred in one and the same region within approximately the same time frame, and were caused by discharges of Mayak Production Association radioactive waste into the Techa River (1949–1956) and into the atmosphere (1957). Counter-measures that had been undertaken to provide radiation safety of the population differed both in nature and in timeline. Their efficiency was insufficient in the Techa River basin as they were delayed in time and were not implemented to a full extent. But countermeasures in the East Urals Radioactive Trace were much more effective according to medical and dosimetric criteria. As a result, residents of the Techa riverside settlements received much higher organ doses, including doses to red bone marrow, and health effects of accidental exposure were registered in them both soon after and long after the radiation exposure.Статья посвящена оценке эффективности проведенных защитных мероприятий при аварийном облучении населения Уральского региона, вызванном радиоактивным загрязнением реки Течи и аварией 1957 г. Обе аварийные ситуации имели место в одном и том же регионе в близкие временные сроки и были обусловлены сбросами в реку Течу (1949–1956 гг.) и выбросом в атмосферу (1957 г.) радиоактивных отходов производственного объединения «Маяк». Предпринятые после аварий контрмеры для обеспечения радиационной безопасности населения существенно различались как по характеру мероприятий, так и по срокам их реализации. Если в бассейне реки Течи эффективность их оказалась незначительной, вследствие запоздалого и неполного характера реализации, то на Восточно-Уральском радиоактивном следе эффективность контрмер по медико-дозиметрическим критериям была существенно выше. Как следствие, жители прибрежных сел реки Течи получили значительно большие органные дозы, в том числе на красный костный мозг, а медицинские последствия аварийного облучения у них регистрировались как в ранние, так и в отдаленные сроки после облучения

Оценка доз облучения лимфоцитов при пероральном поступлении радионуклидов различной тропности

Assessment of the lymphocyte doses is relevant for solving a number of radiobiological problems, including the risk assessment of hemoblastosis (leukemia, multiple myeloma, lymphoma etc.), as well as the use of circulating lymphocytes as “natural biodosimeters”. The latter is because the frequency of chromosomal aberrations occurring in lymphocytes following radiation exposure is proportional to the accumulated dose. Assessment of doses to the circulating lymphocytes requires due account of: first, the dose accumulated by the lymphocyte progenitors in the red bone marrow; and second, the dose accumulated during lymphocyte circulation through lymphoid organs. The models presented by International Commission on Radiological Protection (ICRP-67, ICRP-100) allow calculating the dose for specific lymphoid organs based on known level of radionuclide intakes. A recently developed model of circulating T-lymphocyte irradiation takes into account all sources of exposure and age-related dynamics of T-lymphocytes: (1) exposure of lymphocyte progenitors in red bone marrow: (2) exposure of T-lymphocytes in the lymphoid organs, taking into account the proportion of resident lymphocytes and the residence time of circulating lymphocytes in the specific lymphoid organs. The objective of the study is to assess the dose coefficients allowing for the transition from the ingestion of 141,144Ce, 95Zr, 103,106Ru, 95Nb to the doses accumulated in circulating T-lymphocytes. For calculations, we used the dose coefficients from ICRP publications for specific lymphoid organs, as well as published data on the residence time of circulating lymphocytes in lymphoid organs and tissues. As a result, it was shown that the doses in circulating T-lymphocytes are higher than those in the red bone marrow, but lower than the doses to the colon wall. The dose coefficients were age dependent; the maximum values were typical for newborns. The obtained dose coefficients for 141,144Ce, 95Zr, 95Nb and 103,106Ru can be used to estimate the tissue and organ doses based on data on the frequency of chromosomal aberrations in peripheral blood lymphocytes.Оценка доз на лимфоциты актуальна в свете решения ряда радиобиологических проблем, включая оценку риска различных гемобластозов (лейкоз, множественная миелома, лимфома и др.), а также использования циркулирующих Т-лимфоцитов в качестве «естественных биодозиметров». Последнее связано с тем, что частота хромосомных аберраций, возникающих в лимфоцитах после лучевого воздействия, пропорциональна накопленной дозе. Оценка доз на циркулирующие лимфоциты требует учета двух факторов: во-первых, дозы, полученной предшественниками (прогениторами) лимфоцитов в красном костном мозге; а во-вторых, дозы, полученной лимфоцитами в лимфоидных органах при циркуляции. Модели, представленные в публикациях Международной комиссии по радиологической защите (ICRP-67, ICRP-100), дают возможность рассчитать дозу для конкретного лимфоидного органа при известном уровне поступления радионуклида. Недавно созданная модель облучения циркулирующих Т-лимфоцитов учитывает все слагаемые дозы и возрастные особенности динамики Т-лимфоцитов: 1) облучение предшественников Т-лимфоцитов в красном костном мозге; 2) облучение Т-лимфоцитов в каждом лимфоидном органе с учетом доли резидентных лимфоцитов, а также времени пребывания там лимфоцитов. Целью данного исследования является оценка дозовых коэффициентов, позволяющих перейти от перорального поступления I4I,I44Ce, 95Zr, 103,106Ru, 95Nb к накопленной дозе на циркулирующие Т-лимфоциты. Для расчетов использовались дозовые коэффициенты из публикаций Международной комиссии по радиологической защите для конкретных лимфоидных органов, а также опубликованные оценки времени, которое циркулирующие лимфоциты проводят в этих лимфоидных органах и тканях. В результате было показано, что дозы на циркулирующие Т-лимфоциты выше, чем дозы на красный костный мозг от этих радионуклидов, но ниже, чем дозы на стенку толстой кишки. Рассчитанные дозовые коэффициенты зависели от возраста; максимальные значения были характерны для новорожденных. Данные коэффициенты для 141,144Ce, 95Zr, 95Nb и I03,I06Ru могут быть использованы для оценки доз на органы и ткани на основе данных о частоте хромосомных аберраций в лимфоцитах периферической крови

Population Exposure Dose Reconstruction for the Urals Region

This presentation describes the first preliminary results of an ongoing joint Russian-US pilot feasibility study. Many people participated in workshops to determine what Russian and United States scientists could do together in the area of dose reconstruction in the Urals population. Most of the results presented here came from a joint work shop in St. Petersburg, Russia (11-13 July 1995). The Russians at the workshop represented the Urals Research Center for Radiation Medicine (URCRM), the Mayak Industrial Association, and Branch One of the Moscow Biophysics Institute. The US Collaborators were Dr. Anspaugh of LLNL, Dr. Nippier of PNL, and Dr. Bouville of the National Cancer Institute. The objective of the first year of collaboration was to look at the source term and levels of radiation contamination, the historical data available, and the results of previous work carried out by Russian scientists, and to determine a conceptual model for dose reconstruction

Влияние детализации трабекулярной структуры фантомов кости на оценку дозы облучения костного мозга от 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.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