Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6748
PLUTONIUM
BIOKINETICS IN HUMAN BODY
Andrea
Luciani
Abstract
The
biokinetic model presented by the International Commission on Radiological
Protection (ICRP) in the Publication 67 represents one of the basic tools for
evaluating the risk following an exposure to an internal contamination from
Plutonium. However it is characterized by some assumptions that have no clear
physiological explanation, but that were introduced to have a closer fit to the
available data from studies on humans, particularly in relation to the urinary
excretion at long time after exposure. Such assumptions are not only a
correction of model’s prediction of Plutonium urinary excretion, but it was
shown that they are the leading process in determining the urinary excretion
after already 100 days post intake. Yet, even with such corrections, this
biokinetic model still shows difficulties in describing the metabolism of
Plutonium in human body.
In recent
years, as data relating to the urinary excretion of Plutonium at long time
after exposure become more and more available, an enhancement of the urinary
excretion long after intake was observed in some contaminated subjects. The
application of the original model on these actual cases would result in a
significant overestimation of the dose, with important consequences not only
from a scientific, but even from a legal point of view. Owing to these
considerations the biokinetic model from ICRP was further developed. Particular
attention was paid to the predictions of the urinary excretion, because this is
the most common and feasible technique for monitoring the risk after an
internal contamination of Plutonium. The ICRP model was modified on the basis
of the available data from studies of Plutonium metabolism in humans in order
to get accurate predictions of the urinary excretion without the ICRP
assumptions that can't be physiologically supported. The optimized model obtained
from this analysis predicts also values for the fecal excretion and blood
retention of Plutonium that agree better to the available data than ICRP model
does.
Dose
coefficients and analytical expressions that approximate the urinary excretion
of Plutonium predicted by the optimized model were calculated in order to allow
an easy implementation of the model into the monitoring routine of radiation
protection.
Furthermore
a sensitivity analysis was carried out with respect to the transfer rates of
the model in order to point out the most significant parameters in determining
the urinary excretion of Plutonium and, to a smaller extent, the fecal
excretion and the blood retention. On the basis of the results of the
sensitivity analysis an uncertainty analysis was also carried out to evaluate
the range of variation of the model transfer rates that would reproduce the
variability of the urinary excretion observed in humans. It is therefore
possible to have an indication about the possible values of the transfer rates
that can be assumed for a specific subject of the population.
The
optimized model was finally used to describe the urinary excretion of an actual
case of contamination. This subject is today one of the most known and studied
worldwide because a great number of data are available since his contamination
in 1983. Furthermore he represents one the most significant examples of
enhancement of the urinary excretion of Plutonium at long time after exposure.
In occasion
of the present work a complete set of measurements was carried out in the
Forschungszentrum Karlsruhe in order to assess the urinary and fecal excretion
and blood retention of Plutonium at the present time. Whole body counter and
alpha-spectrometry techniques were adopted for performing in vivo and in vitro
measurements on organs and bioassay samples, respectively. The measurements
have confirmed the enhancement of Plutonium urinary excretion observed in
occasion of previous investigations of the same subject. The application of the
information about the possible inter-subjectual variation of the model transfer
rates obtained from the uncertainty analysis has allowed describing the
Plutonium metabolism in this subject by means of the optimized model.
Particularly the enhancement of the urinary excretion was modelled by assuming
subject-specific transfer rates with values in the calculated range of
variation for a population of healthy subjects.
Zusammenfassung
Das von der Internationalen Strahlenschutzkommission
(ICRP) in Publikation 67 vorgestellte biokinetische Modell bildet eine
wesentliche Grundlage für die Abschätzung des Risikos durch Inkorporationen von
Plutonium. Allerdings wird das
Modell von einigen Hilfsannahmen geprägt, die keinen physiologischen
Hintergrund haben, sondern die nur eingeführt wurden, um eine bessere
Übereinstimmung mit der Beobachtung zu erzielen, insbesondere in Hinblick auf
die langfristige Aktivitätsausscheidung im Urin. In der vorliegenden Arbeit
wird gezeigt, dass die Hilfsannahmen nicht nur eine Korrektur des Modells
darstellen, sondern dass sie von zentraler Bedeutung für die
Aktivitätsausscheidung im Urin sind. So wird die Ausscheidungsrate bereits 100
Tage nach der Aktivitätszufuhr nahezu ausschließlich von den Hilfsannahmen
bestimmt. Allerdings werden dadurch die generellen Schwierigkeiten bei der
Modellierung des Stoffwechsels von Plutonium im Menschen nicht behoben.
In jüngster Zeit sind in vermehrten Maße Messdaten
der langfristigen Aktivitätsausscheidung von Plutonium im Urin verfügbar
geworden, die auf eine Erhöhung der
Ausscheidungsrate bei länger zurückliegenden Expositionen hinweisen. Die
Anwendung des ICRP Modells in der ursprünglichen Form würde in diesen Fällen zu
einer signifikanten Überschätzung der Dosis mit möglicherweise erheblichen
beruflichen und rechtlichen Konsequenzen führen.
Aufgrund dieser Überlegungen wurde das ICRP Modell im
Rahmen der vorliegenden Arbeit weiterentwickelt. Besonderes Augenmerk wurde
dabei auf die Aktivitätsausscheidung im Urin gelegt, weil sie die Grundlage für
die Inkorporationsüberwachung auf Plutonium bildet. Auf der Basis der
verfügbaren Studien des Metabolismus von Plutonium wurde das Modell so modifiziert,
dass die auf die von der ICRP eingeführten Hilfsannahmen ohne physiologischen
Hintergrund nicht mehr erforderlich sind, um eine hinreichend genaue Vorhersage
der Ausscheidungsrate im Urin zu erzielen. Mit dem derart optimierten Modell
kann auch die Aktivitätsausscheidung im Stuhl sowie die Aktivitätskonzentration
im Blut besser modelliert werden als mit dem ursprünglichen ICRP Modell.
Zur Vereinfachung der Implementierung des optimierten
Modells in die routinemäßige Inkorporationsüberwachung wurden im Rahmen der
vorliegenden Arbeit die Dosiskoeffizienten und die Funktionen zur Beschreibung
der Aktivitätsausscheidung im Urin berechnet. Außerdem wurde eine
Empfindlichkeitsanalyse durchgeführt, um diejenigen Modellparameter zu
identifizieren, die den größten Einfluss auf die Urinausscheidungsrate sowie
auf die Stuhlausscheidungsrate und die Aktivitätskonzentration im Blut haben.
Auf der Basis der Empfindlichkeitsanalyse wurde eine Fehleranalyse
durchgeführt, um die Variationsbreite dieser Modellparameter aufgrund der am
Menschen beobachteten Variationsbreite der Aktivitätsausscheidung zu
quantifizieren. Mit Hilfe dieser Fehleranalyse können nun die bei einer
bestimmten Person im Einzelfall möglichen Übergangswahrscheinlichkeiten genauer
eingegrenzt werden.
Im experimentellen Teil der vorliegenden Arbeit wurde
das optimierte Modell zur Beschreibung der Aktivitätsausscheidung im Urin am
Beispiel eines konkreten Inkorporationsfalls angewendet. Dieses Beispiel stellt
den zur Zeit weltweit am besten dokumentierten Inkorporationsfall dar. Außerdem
repräsentiert dieser Fall ein eindrucksvolles Beispiel für die langfristige
Erhöhung der Plutonium-Ausscheidungsrate im Urin. Zur Bestimmung des aktuellen
Status des Falles wurden im Forschungszentrum Karlsruhe umfangreiche in vivo und in vitro Messungen zur
Bestimmung der aktuellen Aktivität in den Organen, der Aktivitätsausscheidung
in Urin und Stuhl und der aktuellen Aktivitätskonzentration im Blut der
betreffenden Person durchgeführt. Die Messungen bestätigten die erhöhte
Aktivitätsausscheidung im Urin, die bereits bei früheren Untersuchungen
ermittelt wurde. Bei Berücksichtigung der aus der Fehleranalyse gewonnenen
Informationen über die individuelle Schwankungsbreite der Modellparameter ist
es möglich, die ermittelten Messwerte mit dem optimierten biokinetischen Modell
qualitativ und quantitativ zu beschreiben. So kann insbesondere auch die
langfristig erhöhte Aktivitätsausscheidung durch geeignete Wahl von
personenspezifischen Modellparametern im Rahmen des bei gesunden Personen
ermittelten Schwankungsbereichs modelliert werden.
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