109

AN - [email protected] Home

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: AN - [email protected] Home

   

Page 2: AN - [email protected] Home

  

AN ABSTRACT OF THE THESIS OF 

Kevin A. Makinson for the degree of Master of Science in Radiation Health Physics presented 

on July 2, 2009. 

Title: Tissue Weighting Factors for Radiation Protection: Derivation and Parametric Analysis. 

Abstract approved: 

___________________________________________________________________________ 

David M. Hamby 

Tissue weighting factors, wT, used to convert equivalent dose to effective dose, 

account for differences in radiosensitivity of various organs in the human body and allow 

users to compare individual organ detriment to whole body risk. They are explicitly 

calculated in ICRP 26, 60, and 103, although the methods of calculation, as well as the 

weighting factors themselves, vary greatly between reports. The ICRP 26 report bases its 

weighting factors solely on fatal cancer risk for eleven organs, whereas ICRP 60 and 103 use 

detriment (with unique definitions in each report) to calculate the tissue weighting factors 

for twenty‐two and twenty‐eight organs, respectively. Each new report introduces levels of 

uncertainty into the calculation of wT, which ultimately may reduce the significance of 

individual weighting factors. A review of the three calculational methods used in ICRP 26, 

60, and 103 is covered, as well as an examination of the uncertainties introduced by each 

weighting factor parameter utilized in ICRP 103 and the total uncertainties of the various wT 

values.  Finally, the effective dose is calculated for several exposure scenarios using the ICRP 

Page 3: AN - [email protected] Home

  26 and 60 methodologies for comparison to ICRP 103 effective dose calculation and 

uncertainties thereof.   

Page 4: AN - [email protected] Home

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

©Copyright by Kevin A. Makinson 

July 2, 2009 

All Rights Reserved 

   

Page 5: AN - [email protected] Home

  

Tissue Weighting Factors for Radiation Protection: Derivation and Parametric Analysis 

 

by Kevin A. Makinson 

 

A THESIS 

submitted to 

Oregon State University 

 

in partial fulfillment of the requirements for the 

degree of 

Master of Science 

 

Presented July 2, 2009 Commencement June 2010 

 

 

 

   

Page 6: AN - [email protected] Home

  Master of Science thesis of Kevin A. Makinson presented on July 2, 2009. 

APPROVED: 

 

___________________________________________________________________________ 

Major Professor, representing Radiation Health Physics 

 

___________________________________________________________________________ 

Head of the Department of Nuclear Engineering and Radiation Health Physics  

 

___________________________________________________________________________ 

Dean of the Graduate School 

 

 

 

 

 

 

 

 

I understand that my thesis will become part of the permanent collection of Oregon State University libraries.  My signature below authorizes release of my thesis to any reader upon request. 

 

___________________________________________________________________________ 

Kevin A. Makinson, Author 

Page 7: AN - [email protected] Home

  

ACKNOWLEDGEMENTS 

 

I would like to express my sincerest appreciation to my family for their continued 

support of my academic, athletic, and musical dreams.  I would not be writing this without 

their love and support.  My advisor, Dr. David Hamby, deserves respect for his guidance on 

this project, as well as in life.  I would also like to thank the rest of my committee members 

for agreeing to support me in this endeavor: Dr. Kathy Higley, my first contact at Oregon 

State; Dr. John Edwards, my “psychology advisor,” and fellow musician; and Dr. Paul 

Vincent, my Graduate Council Representative. 

   

Page 8: AN - [email protected] Home

  

TABLE OF CONTENTS 

                                 Page 

1  Chapter 1 – Introduction ................................................................................................... 1 

1.1  The International Commission on Radiological Protection ....................................... 1 

1.2  Effective Dose Scenario ............................................................................................. 3 

1.3  10.CFR.20 Proposed Revisions .................................................................................. 4 

2  Chapter 2 – Literature Review ........................................................................................... 6 

2.1  Pre ICRP 2 .................................................................................................................. 6 

2.2  ICRP 2 ......................................................................................................................... 7 

2.2.1  Relevant Terminology Used in ICRP 2 ............................................................... 7 

2.2.2  Maximum Permissible Body Burden ................................................................. 8 

2.2.3  Maximum Permissible Concentration ............................................................. 10 

2.3  Linear Energy Transfer ............................................................................................. 12 

2.4  Absorbed Dose ........................................................................................................ 13 

2.5  ICRP 26 ..................................................................................................................... 14 

2.5.1  Quality Factor .................................................................................................. 14 

2.5.2  Tissue Weighting Factor and Detriment .......................................................... 16 

2.6  ICRP 60 ..................................................................................................................... 19 

2.6.1  Radiation Weighting Factor ............................................................................. 19 

2.6.2  Tissue Weighting Factor and Detriment .......................................................... 21 

2.7  ICRP 103 ................................................................................................................... 27 

2.7.1  Radiation Weighting Factor ............................................................................. 27 

2.7.2  Tissue Weighting Factor and Detriment .......................................................... 29 

3  Chapter 3 – Methods ....................................................................................................... 35 

3.1  ICRP 103 ................................................................................................................... 35 

3.2  Uncertainty Analysis ................................................................................................ 36 

3.2.1  Cancer Incidence Risk ...................................................................................... 40 

3.2.2  Heritable Effects (Gonads)............................................................................... 46 

Page 9: AN - [email protected] Home

  

TABLE OF CONTENTS (Continued) 

                                                                                                                                                             Page 

3.2.3  Lethality Fraction (k) .......................................................................................... 49 

3.2.4  Minimum Weight for Quality of Life (qmin) ........................................................ 51 

3.2.5  Relative Length of Life Lost................................................................................ 52 

4  Chapter 4 –Results ............................................................................................................. 56 

4.1  Uncertainty Analysis Output ‐ Parameters ................................................................ 56 

4.2  Uncertainty Analysis Output ‐ Figures ....................................................................... 56 

5  Chapter 5 – Discussion ...................................................................................................... 59 

5.1  Skin ............................................................................................................................ 59 

5.2  Normalization ............................................................................................................ 62 

5.3  ICRP 103 Tissue Weighting Factor Comparison ......................................................... 63 

5.4  ICRP 60 Tissue Weighting Factor Comparison ........................................................... 65 

5.5  ICRP 26 Tissue Weighting Factor Comparison ........................................................... 66 

5.6  Tissue Weighting Factor Comparison Summary........................................................ 68 

6  Chapter 6 – Conclusion ...................................................................................................... 70 

Bibliography ............................................................................................................................... 73 

APPENDICIES .............................................................................................................................. 77 

Appendix A – Steps in the development of the tissue weighting system, taken from (ICRP, 2007) ........................................................................................................................... 78 

Appendix B – A summary of all input parameters in the uncertainty analysis ..................... 80 

Appendix C – Relative detriment plots generated by Crystal Ball ......................................... 84 

 

   

Page 10: AN - [email protected] Home

  

LIST OF FIGURES Figure                                 Page  

2.1  A comparison of Equation (1.17) and the step function described in Table 2.1 .... 21  

2.2  Equation (1.24) expressed graphically .................................................................... 29  

3.1  An example of a uniform distribution generated by Crystal Ball ............................ 37  

3.2  An example of a triangular distribution generated by Crystal Ball ......................... 37  

3.3  An example of a normal distribution generated by Crystal Ball ............................. 38  

3.4   Normal‐probit plot line fit ....................................................................................... 39  

3.5  Log‐probit plot line fit ............................................................................................. 39  

3.6  The combined distribution from several uniform distributions used in the calculation of heritable risk ..................................................................................... 49 

 

3.7  Number of years of life lost due to cancer in the esophagus ................................. 53  

4.1  Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the bone relative detriment .......................................................................................... 57 

 

4.2  Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the skin relative detriment ............................................................................................ 58 

 

5.1  Input log‐normal distribution for skin incidence risk with GM of 1000 and GSD of 3 .......................................................................................................................... 60 

 

5.2  Input triangular distribution for skin lethality fraction with bounds of 0 and 1 and a most likely value of 0.002.............................................................................. 61 

 

5.3  Input uniform distribution for skin years of life lost with bounds of 0 and 30 ....... 62 

Page 11: AN - [email protected] Home

   

LIST OF FIGURES (Continued) Figure                                 Page  

5.4  Box‐plot of the ICRP 103 uncertainty analysis data, with the deterministic tissue weighting factors from the various documents highlighted.  The box represents the middle two quartiles of the data.. .................................................. 68 

  

   

Page 12: AN - [email protected] Home

  

LIST OF TABLES 

Table                                 Page 

1.1  The inputs of Equation (1.1), the tissue weighting factors, dose, and radiation weighting factors ...................................................................................................... 3 

 

 1.2  The outputs of Equation (1.1), the effective dose using weighting factors from ICRP 26, 60 and 103 .................................................................................................. 4 

 

2.1  ICRP 2 RBE values ...................................................................................................... 8  

2.2  Unrestricted LET, quality factor relationship .......................................................... 15  

2.3  ICRP 26 quality factors ............................................................................................ 16  

2.4  The ICRP 26 calculation of radiation weighting factors .......................................... 18  

2.5  ICRP 60 radiation weighting factors ........................................................................ 20  

2.6  ICRP 60 calculation of lethality fraction .................................................................. 22  

2.7  The ICRP 60 calculation of relative life lost ............................................................. 24  

2.8  ICRP 60 parameter values used in the calculation of detriment ............................ 25  

2.9  ICRP 60 calculation of tissue weighting factors for various organs ........................ 26  

2.10  ICRP 103 radiation weighting factors ...................................................................... 28  

2.11  A summary of the terms used to define detriment in ICRP 60 and 103 ................. 29  

2.12  ICRP 103 detriment parameters ............................................................................. 31  

Page 13: AN - [email protected] Home

  

LIST OF TABLES (Continued) 

Table                                 Page  

2.13  The ICRP 103 calculation of tissue weighting factors ............................................. 32  

2.14  A summary of tissue weighting factors in ICRP 26, 60, and 103 ............................. 33  

3.1  Relative and absolute LAR from BEIR VII (National Research Council, 2006) ......... 44  

3.2  ICRP 103 nominal risks taken as the GM; GSD estimates obtained from BEIR VII confidence intervals ........................................................................................... 45 

 

3.3  Current estimates of genetic risk from continuing exposure to low‐LET, low dose or chronic irradiation (UNSCEAR, 2001) with an assumed doubling dose of 1 Gy. .................................................................................................................... 48 

 

3.4  Risk coefficients (per 10,000) for the reproductive and the total population obtained up to two generations when the population sustains radiation exposure generation after generation. ................................................................... 48 

 

3.5  Lethality fractions and confidence intervals from USCS 2001‐2005 ...................... 50  

3.6  Uniform distributions fit to the ICRP 103 reported lethality fraction using the confidence interval percentages from Table 3.5 .................................................... 51 

 

3.7  Triangular distribution parameters defined for two sites ...................................... 51  

3.8  Triangular distribution parameters defined for qmin ............................................... 52  

3.9  Log‐normal distribution parameters for years of life lost calculation .................... 54  

3.10  Non‐log‐normal distributions for years of life lost parameter ............................... 55  

Page 14: AN - [email protected] Home

  

LIST OF TABLES (Continued) 

Table                                 Page  

4.1  Log‐normal distribution parameters for the results of the uncertainty analysis ... 56  

5.1  The normalization of the geometric means from the uncertainty analysis ........... 63  

5.2  A comparison of the ICRP 103 tissue weighting factors and the uncertainty analysis .................................................................................................................... 64 

 

5.3  A comparison of the ICRP 60 tissue weighting factors and the uncertainty analysis .................................................................................................................... 65 

 

5.4  A comparison of the ICRP 26 tissue weighting factors and the uncertainty analysis .................................................................................................................... 66 

 

5.5  A comparison of the renormalized ICRP 26 tissue weighting factors and the uncertainty analysis ................................................................................................ 67 

    

Page 15: AN - [email protected] Home

  

LIST OF APPENDIX FIGURES 

Figure                                 Page  

C.1  Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the esophagus relative detriment ................................................................................. 84 

 

C.2  Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the stomach relative detriment .................................................................................... 84 

 

C.3  Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the colon relative detriment ......................................................................................... 85 

 

C.4  Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the liver relative detriment ........................................................................................... 85 

 

C.5  Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the lung relative detriment ........................................................................................... 86 

 

C.6  Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the bone relative detriment .......................................................................................... 86 

 

C.7  Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the skin relative detriment ............................................................................................ 87 

 

C.8  Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the breast relative detriment ........................................................................................ 87 

 

C.9  Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the ovary relative detriment ......................................................................................... 88 

 

C.10  Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the bladder relative detriment ...................................................................................... 88 

Page 16: AN - [email protected] Home

  

LIST OF APPENDIX FIGURES (Continued) 

Figure                                 Page 

C.11  Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the thyroid relative detriment ...................................................................................... 89 

 

C.12  Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the gonads relative detriment ....................................................................................... 90 

 

C.13  Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the remainder relative detriment ................................................................................. 90 

 

 

 

   

Page 17: AN - [email protected] Home

  

LIST OF APPENDIX TABLES 

Table                                 Page 

B.1  Nominal risk input parameters used in the uncertainty analysis ........................... 80  

B.2  Lethality fraction input parameters used in the uncertainty analysis .................... 81  

B.3  Minimum lethality weight input parameters used in the uncertainty analysis ...... 82  

B.4  Relative length of life lost input parameters used in the uncertainty analysis ...... 83  

   

Page 18: AN - [email protected] Home

  

LIST OF ACRONYMS 

Acronym Definition

ALARA  As Low As Reasonably Achievable 

ALI  

Annual Limit of Intake  

BEIR  Biological Effects of Ionizing Radiation 

CFR  Code of Federal Regulations 

DAC  Derived Air Concentration 

DDREF  Dose and Dose Rate Effectiveness Factor 

EC  Commission of the European Communities (‘European Commission’)  

EPA  

Environmental Protection Agency  

ESU  Electrostatic Unit 

IAEA  International Atomic Energy Agency 

ICRP  International Commission on Radiological Protection 

ICRU  International Commission on Radiation Units and Measurements 

IEC  International Electrotechnical Commission 

ILO  International Labor Organization 

IRPA  International Radiation Protection Association 

ISO  International Standards Organization  

IXRPC  International X‐Ray and Radium Protection Committee 

LET  Linear Energy Transfer 

LSS  Life Span Study 

MPBB  Maximum Permissible Body Burden 

Page 19: AN - [email protected] Home

  

LIST OF ACRONYMS (Continued) 

MPCa  Maximum Permissible Concentration in air 

MPCw  Maximum Permissible Concentration in water 

MPD  Maximum Permissible Dose 

NRC  Nuclear Regulatory Committee 

OECD/NEA  

Nuclear Agency of the Commissions of Economic Co‐operation and Development  

STP  Standard Temperature and Pressure 

RBE  Relative Biological Effectiveness 

REB  Roentgen Equivalent Biological 

REM  Roentgen Equivalent Man 

REP  Roentgen Equivalent Physical 

UNEP  United Nations Environment Program 

UNSCEAR  United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation  

WHO  World Health Organization 

 

 

 

 

 

Page 20: AN - [email protected] Home

 

Tissue Weighting Factors for Radiation Protection: Derivation and Parametric Analysis 

1 Chapter 1 – Introduction 

Tissue weighting factors are mandated for use in the field of radiation protection to 

convert equivalent dose to effective dose.  The International Commission on Radiological 

Protection (ICRP) is the international body that provides the method of calculation for these 

weighting factors and recommends their use.  With the recent proposal in the United States 

to update 10.CFR.20 to incorporate the newest weighting factor calculations from the ICRP, 

it is necessary to address the two objectives of this work: 

• to understand the meaning of the tissue weighting factor; and 

• given their inherent uncertainties, determine how the weighting factors have 

changed over the past 30 years. 

1.1 The International Commission on Radiological Protection 

The International Commission on Radiological Protection (ICRP) was established in 

1928 by the Second International Congress of Radiology.  At the time, it bore the name, 

“The International X‐Ray and Radium Protection Committee” (IXRPC).  It wasn’t until 1950 

that the committee reorganized into its present form to more effectively cover the 

expanding field of radiation protection (ICRP, 2007).  

Although the Commission still has a special relationship with the Congress of 

Radiology, it now works closely with its sister organization, the International Commission on 

Radiation Units and Measurements (ICRU), and has official relationships with the United 

Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (UNSCEAR), the World 

Health Organization (WHO) and the International Atomic Energy Agency (IAEA).  It also 

Page 21: AN - [email protected] Home

Page: 2  works closely with the International Labor Organization (ILO), the United Nations 

Environment Program (UNEP), and other United Nation’s bodies.  The group collaborates 

with the Commission of the European Communities (‘European Commission’, EC), the 

Nuclear Agency of the Commissions of Economic Co‐operation and Development 

(OECD/NEA), the International Standards Organization (ISO), the International 

Electrotechnical Commission (IEC) and the International Radiation Protection Association 

(IRPA) (ICRP, 2007). 

The primary goal of the recommendations of the ICRP, as stated in ICRP Publication 

103 (2007) is to: 

“Contribute  to an appropriate  level of protection  for people and  the environment against  the  detrimental  effects  of  radiation  exposure without  unduly  limiting  the desirable human actions that may be associated with such exposure” (ICRP, 2007). 

 The ICRP does not, however, have regulatory authority in the United States, nor any 

other country; rather, it provides recommendations agreed upon by the international 

community with the intent of influencing national laws.  In the United States, these laws can 

be found in the Code of Federal Regulations (CFR) and are enforced by governmental 

organizations such as the Nuclear Regulatory Commission (NRC) and the Environmental 

Protection Agency (EPA). 

The ICRP released several documents which are especially pertinent to this work.  

ICRP 2 lists permissible radionuclide intake limits.  ICRP 26 simplifies this method and is the 

first to define tissue weighting factors, determined from fatal cancer risk.  ICRP 60 and 103 

update the weighting factors by incorporating new parameters into the calculation. 

Page 22: AN - [email protected] Home

Page: 3  1.2 Effective Dose Scenario 

According to US regulation, the effective dose (dose of record) is calculated using the 

ICRP 26 tissue weighting factors.  If ICRP 60 or 103 weighting factors were used instead, the 

reported effective dose could change appreciably.  For example, assuming a radiation 

worker received an internal dose (see Table 1.1) of 5 rad to the thyroid from electrons, 1 rad 

to the bone from alpha particles, 2 rad to the breast from photons, and a whole body dose 

of 0.5 rad from photons, we would obtain the effective dose using: 

 ( )( )( ) ( )( )( ), ,,E T thyroid thyroid T bone bone RR e

H w D w w D w α−⎡ ⎤

( )( )( ) ( )( )( ),

, , , , T breast breast R T WB WB Rw D w w D wγ γ

⎡ ⎤= + +⎣ ⎦⎣ ⎦⎡ ⎤ ⎡ ⎤+⎣ ⎦ ⎣ ⎦

  (1.1) 

where: 

• wT is the tissue weighting factor [unitless]; 

• D is the equivalent dose to a particular organ [rem] and; 

• wR is the radiation weighting factor [unitless]. 

Table 1.1 The inputs of Equation (1.1), the tissue weighting factors, dose, and radiation weighting factors 

  wT     

Site  ICRP 26  ICRP 60  ICRP 103  D[rad]  wR Thyroid  0.03  0.05  0.04  5  1 Bone  0.03  0.01  0.01  1  20 Breast  0.15  0.05  0.12  2  1 Whole body  1.00  1.00  1.00  0.5  1 

 

The effective dose (Table 1.2) recorded for this individual, depending on whether 

ICRP 26, 60, or 103 tissue weighting factors were used, would vary from 1.55 rem, to 1.05 

rem, to 1.14 rem, respectively. 

Page 23: AN - [email protected] Home

Page: 4  

Table 1.2 The outputs of Equation (1.1), the effective dose using weighting factors from 

ICRP 26, 60 and 103 

Effective dose (rem) 

Organ  ICRP 26  ICRP 60 ICRP 103 Thyroid  0.15  0.25  0.20 Bone  0.60  0.20  0.20 Breast  0.30  0.10  0.24 Whole Body  0.50  0.50  0.50 Total:  1.55  1.05  1.14 

 

Between ICRP 26 and 103, there is about a 35% difference in the reported effective 

dose and between ICRP 26 and 60 there is about a 50% difference.  As observed from this 

simulation, depending on the methodology used, there can be large differences in the 

reported effective dose.  This could be of particular concern if, for example, a regulation was 

exceeded using the ICRP 26 methodology, but not the ICRP 103 methodology.  It is therefore 

necessary to investigate the uncertainties involved in this calculation.  

1.3 10.CFR.20 Proposed Revisions 

For several years, there has been discussion in the US regarding the update of 

10.CRF.20 to align with the international community.  As of April 9, 2009, the NRC had 

approved plans to begin revising 10.CFR.20 (Vietti‐Cook, 2009) to be in alignment with ICRP 

103.  The regulation that will require the most attention is the annual occupational dose to a 

radiation worker. The ICRP 103 Committee recommends 2 rem, while the US currently has a 

limit of 5 rem.  The 5 rem limit was derived based on placing radiation workers at the same 

level of risk as the average US industrial worker in the 1950’s.  Since then, however, industry 

worldwide has attained higher levels of safety, while the dose limit remains the same for 

Page 24: AN - [email protected] Home

Page: 5  nuclear workers.  The 2 rem limit would simply bring the estimated risk from radiation 

exposure (using the linear no‐threshold hypothesis) in line with other US industries of today. 

Among the many other quantities suggested for update are the tissue weighting 

factors. The tissue weighting factors currently used in 10.CFR.20 are specified in the 

“definitions” section and are based on the ICRP 26 values.  The NRC is currently proposing to 

keep the definitions of the weighting factors in the “definitions” section, but to move the 

numeric values from that section to an appendix of 10.CFR.20 (Borchardt, 2008).  The 

possibility of adding an appendix for radiation and tissue weighting factors would allow for 

greater ease in updating the document in the future. 

As explained in Section 1.2, the effective dose can change appreciably depending on 

the methodology used.  However, the weighting factors themselves may not be statistically 

different from one another.  This work will explore the differences in tissue weighting 

factors over the years in comparison to an uncertainty analysis of the ICRP 103 data. 

    

   

Page 25: AN - [email protected] Home

Page: 6  2 Chapter 2 – Literature Review 

For the past 50 years, the ICRP has released publications addressing a multitude of 

topics in the field of radiation protection. The current series began in 1959 with ICRP 

Publication 1.  Since then, the ICRP has released over 100 publications in the series.  For the 

sake of simplicity, the titles have been shortened; for example, ICRP Publication 1 is 

commonly referred to as ICRP 1.  The reports summarized below (chronologically) are ICRP 

2, 26, 60, and 103, which all pertain to radiation protection methodology. 

2.1 Pre ICRP 2  

  In 1928, the first report published by the IXRPC focused on the protection of medical 

professionals by limiting their work with radioactive sources (IXRPC, 1928).  These 

recommendations were qualitative in nature and primarily concerned with the avoidance of 

threshold doses.  At the time, there was no official system of dose quantification; hence no 

dose limits could be defined.  In 1934, the IXRPC defined a threshold limit of what can be 

estimated today as about ten times the current annual occupational dose limit (ICRP, 2007; 

IXRPC, 1934).   

In the years following, due to epidemiological evidence of excess disease among 

American radiologists, and the first reports of excess leukemia in the Japanese atomic bomb 

survivors, support for a radiation risk threshold diminished and the ICRP released 

supplemental material to their earlier 1951 report (ICRP, 1955).  The 1955 report was the 

first by the ICRP to officially recognize the possibility of stochastic effects following radiation 

exposure (ICRP, 2007).  A stochastic (or probabilistic) effect is one where the risk (e.g., of 

fatal cancer) appears to have a random outcome, and the probability of which increases 

Page 26: AN - [email protected] Home

Page: 7  proportionally with dose. Conversely, a non‐stochastic, or deterministic effect, is one in 

which there are no discernable effects below a certain dose threshold.   

At the time, the ICRP advised that “every effort [should] be made to reduce 

exposures to all types of ionizing radiation to the lowest possible level” (ICRP, 1955).  This 

statement has become the cornerstone of radiation protection and, as the years have 

passed, gradually transformed: from “as low as practicable” in the first report (ICRP 

Publication 1, (ICRP, 1959), to “as low as readily achievable” (ICRP, 1966), and finally, as it is 

known today, “as low as reasonably achievable” (ALARA) (ICRP, 1973). 

2.2 ICRP 2  

  The second publication in the current ICRP series, commonly referred to as ICRP 2, 

was also released as the third issue of the Health Physics journal in 1960.   

2.2.1 Relevant Terminology Used in ICRP 2 

The rem was defined in ICRP 2  as the dose in tissue which results in biological 

damage equivalent to that produced per rad of X‐radiation (of about 200 kV) having a linear 

energy transfer (LET) (see Section 2.3) in water of 3.5 keV/µm. 

Before the creation of quality factors and radiation weighting factors (see sections 

2.5.1, 2.5.2, 2.6.1, and 2.6.2), the relative biological effectiveness (RBE) factor was used.  To 

convert from rad to rem, one would simply multiply the absorbed dose by the RBE value 

(Table 2.1).  The resulting value would be called the RBE dose, or simply the dose expressed 

in rem. To determine the RBE of a particular radiation, one would take the inverse ratio of 

the absorbed dose producing the same degree of a defined biological end point as 250 kVp 

(peak voltage) x‐rays or cobalt‐60 photons.  For example, given that the RBE for cobalt‐60 

Page 27: AN - [email protected] Home

Page: 8  photons is defined as 1, and 100 rads of radiation from cobalt‐60 photons produced an 

increase in cancer mortality equivalent to 10 rads of 5 MeV alpha radiation, the RBE for the 

alpha radiation would therefore be 10. 

Table 2.1 ICRP 2 RBE values 

Radiation  RBE 

γ, β‐, β+, e‐  1 

Low energy β‐, β+, e‐ (if Emax≤ 0.03 MeV)  1.7 

Alpha  10 

Recoil Atoms  20  

At the time, internal dose limitations were expressed by two main quantities: 

“maximum permissible body burden” (MPBB or q), and “maximum permissible 

concentration” specified for air and water (MPCa and MPCw, respectively). 

2.2.2 Maximum Permissible Body Burden 

The maximum permissible body burden (MPBB) was defined by the ICRP 2 Task 

Group as the internal activity (in μCi) of a particular radionuclide that results in a maximum 

permissible dose (MPD) to the whole body, or to one or more organs in the body (ICRP, 

1960).  For radionuclides that do not localize in the bone, MPDs of 0.1 rem per week were 

used for gonads and total body, 0.6 rem per week for the skin and thyroid, and 0.3 rem for 

all other soft tissues.  The method of calculating the non‐bone localizing MPBB was as 

follows: 

Page 28: AN - [email protected] Home

Page: 9  

  [ ][ ]

4 6 52

ergs rad100 g Rg rad week

μCint ergs secs MeV3.7 10 1.6 10 6.05 10 ntμCi MeV week

mq

x x x f ε−

⎡ ⎤ ⎡ ⎤⋅ ⋅⎢ ⎥ ⎢ ⎥⋅ ⎣ ⎦⎣ ⎦=⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦

 (1.2) 

or 

  [ ][ ]3

2

week MeV μCi rad2.8 10 g Rnt rad g week

μCiMeV

nt

x mq

f ε

− ⎡ ⎤⋅ ⋅ ⎡ ⎤⋅⎢ ⎥ ⎢ ⎥⋅ ⋅ ⎣ ⎦⎣ ⎦=⎡ ⎤⋅ ⎣ ⎦

  (1.3) 

where: 

• m is the reference organ mass [g]; 

• R is the MPD per week limitation [rad/week]; 

• 2f is the reference organ body burden fraction [unitless]; and 

• ε  is the effective absorbed energy per disintegration of a given radionuclide 

[MeV/nt]. 

In the case of radionuclides that do localize in the bone, such as 90Sr and 239Pu, the 

MPBB was determined from a direct comparison with 0.1 μCi of 226Ra (ICRP, 1960).  These 

special cases for MPBB were calculated as follows: 

  [ ] [ ] ( )2

2 2

MeVμCi 0.1 0.99 110ntμCiMeV

nt

RaRa Raq fq

f f

ε

εε

⎡ ⎤⎣ ⎦= ⋅ =⎡ ⎤⎣ ⎦

⋅   (1.4) 

or 

Page 29: AN - [email protected] Home

Page: 10  

  [ ]2

MeV11 μCi ntμCiMeV

ntq

f ε

⎡ ⎤⎣ ⎦=

⎡ ⎤⎣ ⎦

  (1.5) 

where: 

• = 0.1 [µCi] the MPBB for 226Ra, used for comparison to other radionuclides; Raq

• 2Raf =0.99, the fraction of radium in the body that resides in the skeleton; 

• 2f is the fraction of the radionuclide in the body that resides in the skeleton; 

• MeV110 ntRaε ⎡= ⎣

⎤⎦ , the effective absorbed energy per disintegration of radium;  

• ε is the effective absorbed energy per disintegration of a radionuclide, or 

( )MeVntEF RBE n⎡ ⎤ ⋅⎣ ⎦ ⋅∑ ; and 

• n is the relative damage factor, which was 1 if the radionuclide was a daughter of 

radium, and 5 in all other cases. 

The MPBB was the predecessor to the annual limit of intake (ALI), described in ICRP 30 

(1982a).  The MPBBs for 240 different radionuclides were calculated in ICRP 2 and listed in 

over 200 pages of tables.  The MPBB provided the health physicist with a look‐up value 

utilized for determining internal dose limitations.  To date, the US still requires several of 

these calculations to be performed by health physicists in nuclear power plants as specified 

in 10.CFR.50 Appendix I (Borchardt, 2008). 

2.2.3 Maximum Permissible Concentration 

  The maximum permissible concentration (MPC) was simply the concentration in air 

or water that would result in the MPBB, given a certain breathing rate or water 

Page 30: AN - [email protected] Home

Page: 11  consumption rate. The calculation of the MPC was somewhat more complicated than the 

calculation of MPBB. 

For example, if the radionuclide considered was the parent of a chain of k daughters 

and the stomach was the critical tissue, the corresponding formulas for MPCa and MPCw 

were: 

  ( )[ ]

( )

103

3a /24

0 01

0

μCi MeV2.5 10cm g ntμCiMPC cm MeV 1

nt

hik ir

a i j ii hj

h p hpp h

x m g

efλ

ε λλ λ λ

= ==

=≠

⎡ ⎤⋅ ⋅⎢ ⎥⋅ ⋅⎣ ⎦⎡ ⎤ =⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎛ ⎞ −⎡ ⎤ ⋅ ⋅⎜ ⎟⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎝ ⎠ −∑ ∑∏

  (1.6) 

and: 

  ( )[ ]

( )

63

3 /24

0 01

0

μCi MeV2.2 10cm g ntμCiMPC cm MeV 1

nt

hw ik ir

w i j ii hj

h p hpp h

x m g

efλ

ε λλ λ λ

= ==

=≠

⎡ ⎤⋅⋅⎢ ⎥⋅ ⋅⎣ ⎦⎡ ⎤ =⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎛ ⎞ −⎡ ⎤ ⋅ ⋅⎜ ⎟⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎝ ⎠ −

∑ ∑∏∏

  (1.7) 

where: 

• m is the reference organ mass [g]; 

• λj, p, h is the effective decay constant for various radionuclides j, p, h in the decay 

chain [s‐1]; 

• k is the number of daughters in the decay chain [unitless]; 

• ε i is the effective absorbed energy per disintegration for radionuclide, i [MeV/nt]; 

• af is the inhalation fraction that is retained in the critical organ [unitless]; and 

• wf is the ingestion fraction that is retained in the critical organ [unitless]. 

Page 31: AN - [email protected] Home

Page: 12  A list of all MPC equations used in ICRP 2 was considered beyond the scope of this work, and 

thus was omitted.  A list of all MPC equations used and complete derivations can be found 

in ICRP 2 on pages 16‐39 (ICRP, 1960). 

Just as the MPBB was the predecessor to the ALI, MPC was the predecessor to the 

derived air concentration (DAC), also defined in ICRP 30 (1982a).   

The MPC’s for 240 different radionuclides were calculated in ICRP 2 and listed, 

together with MPBB’s, in over 200 pages of tables.  The MPC’s provided health physicists 

with a look‐up value utilized for the determination of air and water concentrations that 

correspond to the MPBB for a given radionuclide. 

2.3 Linear Energy Transfer 

The restricted LET was defined in ICRU Report 19 (1971) as: 

 dELdΔ

Δ

⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠l

  (1.8) 

where Δ is a specified energy cutoff in electronvolts and dE is the energy lost by a 

charged particle traversing a distance dl in a medium. 

The unrestricted linear energy transfer (LET) was defined in ICRU Report 16 (1970) 

as: 

 dELd∞ = l

  (1.9) 

Δ = ∞ ).  or the restricted LET with no energy cutoff (i.e., 

Page 32: AN - [email protected] Home

Page: 13  

Photons and electrons are considered to be of “low LET” due to their energy 

deposition over a relatively long path length.  Alpha particles and other heavy charged 

particles deposit their energy in a very short distance, and thus are considered to be of “high 

LET.”  

2.4 Absorbed Dose 

Absorbed dose, D, was defined in ICRU Report 19 (1971) as, 

 dDdmε

=   (1.10) 

where  dε  is the mean energy imparted by ionizing radiation to the matter in a 

volume element of mass  .  The special unit, as the ICRP refers to non‐SI units, for 

absorbed dose is the rad, where 1 rad was defined as 100 ergs g‐1 or 0.01 J kg‐1.  The SI unit, 

introduced later, is the Gray (Gy), where 1 Gy was defined as 1 J kg‐1 or 100 rad.   

dm

The unit for absorbed dose is the rad, which corresponds to the energy absorption of 

ionizing radiation of 100 ergs per gram in any medium.  Its predecessor was the rep or 

“roentgen equivalent physical.”   There is widespread belief that the rad is an acronym for 

“radiation absorbed dose.”  This seems reasonable because several other radiation 

protection units at the time were acronyms (e.g., rem, rep, reb).  This is not the case, 

however, as was specifically addressed by Dr. Lauriston Taylor, Chairman Emeritus of the 

ICRU in a 1990 issue of ICRU News, “The term rad was simply suggested as a word by itself. 

Since then it has frequently been improperly referred to as an abbreviation for ‘radiation 

absorbed dose.’  This is simply incorrect” (Taylor, 1990).  

Page 33: AN - [email protected] Home

Page: 14  2.5 ICRP 26 

ICRP 26 was published in 1977 as an update to the ICRP 2 radiation dosimetry 

methodology.  It contained several very useful tools that are still used today in radiation 

protection, as specified in 10.CFR.20.  Among them were the concepts of detriment, the 

quality factor, and the tissue weighting factor. 

As is the case in ICRP 26, an informative way to describe radiation dose is through 

the use of “detriment.”  For effects on health, if pi, the probability of suffering the effect i, is 

small and the severity of the effect is expressed by a weighting factor gi, then the detriment 

to health, G, in a group of P persons is given by: 

  i ii

G P p g= ∑   (1.11) 

  Generally speaking, the detriment to a population is defined as the mathematical 

“expectation” of the harm incurred from radiation exposure (ICRP, 1977).  The ICRP uses 

detriment to quantify the risk of radiation exposure. 

2.5.1 Quality Factor 

The first measure of detriment introduced in ICRP 26 was the dose equivalent. The 

dose equivalent (H) was defined (ICRU, 1970) as:  

H DQN=   (1.12)       

or the absorbed dose weighted by the modifying factors of Q, the quality factor (see Table 

2.3), and N, the product of all other modifying factors specified by the Commission.  The 

Page 34: AN - [email protected] Home

Page: 15  value of N could, for example, account for the absorbed dose rate and fractionation effects 

on detriment.  However, in most cases, N is assigned a value of 1. 

The special unit for dose equivalent is the rem, “roentgen equivalent man.”  The rem 

replaced the reb, “roentgen equivalent biological” resulting from a confusion of speech from 

its creator, Herbert M. Parker, in the 1950s (Kathren & Parker, 1986).  It was reported that 

“during one of his early presentations of the new unit, Parker was suffering from a cold, 

which led to difficulty in differentiating it from the rep. Accordingly, the name of the unit 

was changed to rem” to avoid future confusion.  The rem has since been replaced by the SI 

unit, the Sievert (Sv), where 1 Sv is equivalent to 100 rem.  According to NIST (2008), the use 

of the rem today is “strongly discouraged,” in an attempt to standardize dose units.  

Quality factors, or Q‐values, replaced the RBE factors of ICRP 2.  Quality factors were 

defined as a function of the unrestricted LET, L∞, in water (Table 2.2). 

Table 2.2 Unrestricted LET, quality factor relationship 

L∞ in water (keV/μm)  Q 3.5 (and less)  1 7  2 23  5 53  10 175 (and above)  20 

 

 Because the distribution of LET is not always known, an approximation of average 

LET per radiation type was recommended by the ICRP (Table 2.3). 

   

Page 35: AN - [email protected] Home

Page: 16  

Table 2.3 ICRP 26 quality factors 

Radiation  Quality Factor (Q) X rays, γ rays, and electrons  1 Neutrons, protons, and singly‐charged particles of rest mass greater than one atomic mass unit of unknown energy 

10 

α particles and multiply‐charged particles (and particles of unknown charge) of unknown energy 

20 

 

The quality factor values in Table 2.3 were based on an extrapolation from higher 

absorbed doses at which deleterious effects could be directly assessed.  Therefore, the Q‐

values were also not necessarily representative of RBE values for other observed effects, 

such as stochastic effects at low absorbed doses, and non‐stochastic effects at larger 

absorbed doses. 

Oftentimes, to estimate the dose equivalent for the entire residence time of a 

radionuclide in the human body, the “committed” dose equivalent, H50, is used: 

 0

0

50

50 ( )t y

tH H t dt

+= ∫   (1.13) 

where  ( )H t is the relevant dose‐equivalent rate, t0 is the time of intake, and the integration 

time is 50 years. 

2.5.2 Tissue Weighting Factor and Detriment 

An interesting quantity recommended for the regulation of dose‐equivalent limits 

was the weighted committed dose equivalent, or the doubly weighted committed absorbed 

dose.  This limit was defined in ICRP 26 as the product of the dose equivalent and a tissue 

weighting factor, wT, summed over all tissues, T, being below the annual dose‐equivalent 

limit, Hwb,L, where: 

Page 36: AN - [email protected] Home

Page: 17  

,T T wb LT

w H H≤∑   (1.14)  

It is a common misconception that ICRP 26 introduced the quantity of “effective 

dose equivalent.”  This is not the case.  It was not until several years later (1982) that this 

quantity made its first appearance in ICRP 33 (ICRP, 1982b). The effective dose equivalent, 

HE, was defined as the dose equivalent multiplied by a tissue weighting factor, wT, summed 

over all tissues, T, or: 

  E TT

H w TH= ⋅∑   (1.15) 

The unit for effective dose equivalent was the same as dose equivalent, i.e., the Sievert or 

rem.  

The ICRP 26 methodology for quantifying detriment to a given organ or tissue relies 

on the risk of fatal cancer, only.  The risk is normalized and rounded to yield a tissue 

weighting factor (Table 2.4). 

   

Page 37: AN - [email protected] Home

Page: 18  

Table 2.4 The ICRP 26 calculation of radiation weighting factors 

Organ   Risk (fatal cancer per Sv) 

% Total  wt 

Gonads  4.00E‐03  0.242  0.25 

Red Bone Marrow  2.00E‐03  0.121  0.12 

Bone Surface  5.00E‐04  0.030  0.03 

Lung  2.00E‐03  0.121  0.12 

Thyroid  5.00E‐04  0.030  0.03 

Breast  2.50E‐03  0.152  0.15 

Other  5.00E‐03  0.303  0.30 

Total: 1.65E‐02  1.000  1.00 

 

The ICRP 26 report was vague about the origin of the values of fatal cancer risk in Table 2.4, 

although it is suspected that the values are from BEIR I (National Research Council & 

National Academy of Sciences, 1972).  The ICRP 30 (ICRP, 1982a) Committee used ICRP 26 

methodology to calculate limits for the intake of radionuclides by workers. 

  The ICRP clearly prescribes the correct (and incorrect) uses of effective dose 

equivalent, in that: 

• HE is calculated using reference values for a reference person or group (not for an 

individual); 

• HE is to be used for the planning of prospective situations; 

• HE is not to be used for retrospective dose and risk assessments of exposure of 

individuals; and 

• HE is not to be used for epidemiological studies. 

Page 38: AN - [email protected] Home

Page: 19  The ICRP states that when it is inappropriate to use effective dose equivalent, an RBE‐

weighted dose, RBExD [Sv or rem] should be used in its place.  

2.6 ICRP 60 

The ICRP 60 report was published in 1991 as an update to ICRP 26.  It contained 

several revisions to ICRP 26, including enhancements to the radiation weighting factor and 

tissue weighting factor methods.  

2.6.1 Radiation Weighting Factor 

The ICRP 60 method updated the definition of dose equivalent in two ways.  First, 

the Commission changed dose equivalent to “equivalent dose”; second, at this time, they 

call the quality factor the “radiation weighting factor.”  Equivalent dose is defined in ICRP 60 

as the absorbed dose multiplied by a radiation weighting factor (Table 2.5), or:  

  , ,T R R T RH w D= ⋅   (1.16) 

where: 

• wR is the radiation weighting factor [unitless]; 

• DT,R is the absorbed dose averaged over a tissue, T, from radiation, R [Gy or rad]; and 

• HT,R is the equivalent dose, to tissue T, from radiation, R [Sv or rem]. 

   

Page 39: AN - [email protected] Home

Page: 20  

Table 2.5 ICRP 60 radiation weighting factors 

Radiation   Energies   Radiation Weighting Factors  

X‐Rays, γ rays, and electrons   All energies   1  Neutrons   <10 keV   5    10‐100 keV   10    100 keV‐2 MeV  20    2‐20 MeV   10    >20 MeV   5  Protons  <20 MeV   5  

Alpha particles, fission fragments, heavy nuclei  

  20  

 

Due to the significant variation of secondary radiation with neutron energy, the 

biological effectiveness of neutrons incident on the human body is strongly dependent on 

their energy.  For energies below 100 keV, significant fractions of the absorbed dose are 

deposited by secondary photons via the H(n, γ) reaction, thereby reducing the biological 

effectiveness.  The maximum weighting factor occurs between 100 keV and 2 MeV and has a 

value of 20.  This weighting factor is not an experimentally determined value; rather, it is a 

representative value accounting for the broad range of RBE values from animal testing data 

using reactor generated neutrons of around 1 MeV.  It was thus decided (ICRP, 1991) that a 

step function, dependent on energy, provided a more accurate measure of neutron 

detriment than the single value used in ICRP 26. 

To provide consistency in calculations, a smooth curve was fit (ICRP, 1991) to the 

step function for neutrons (Figure 2.1).  The mathematical relationship for neutron radiation 

weighting factors (as a function of energy in MeV) is: 

    (1.17) ( )( )2ln 2 /6( ) 5 17 E

Rw E e−= +

Page 40: AN - [email protected] Home

Page: 21  

0

5

10

15

20

25

1.E‐08 1.E‐06 1.E‐04 1.E‐02 1.E+00 1.E+02 1.E+04

Radiation Weighting

 Factor

Neutron Energy (MeV)

Neutron Radiation Weighting Factors: ICRP 60

Smoot Fit

Step Function

 

Figure 2.1 A comparison of Equation (1.17) and the step function described in Table 2.1 

2.6.2 Tissue Weighting Factor and Detriment 

As in ICRP 26 (1977), the determination of the tissue weighting factors in ICRP 60 is 

based on organ detriment.  However, unlike the 1977 definition, detriment to organs or 

tissues was defined in ICRP 60 (1991) as the product of fatal cancer risk, severe genetic 

effects (for gonads only), the relative non‐fatal contribution, and the relative length of life 

lost.   

“Fatal cancer risk” is simply defined as the number of fatal cancers per Sievert, per 

10,000 persons.  These data were obtained primarily from the Japanese atomic bomb 

survivor Life Span Study (LSS) cohort, summarized in BEIR V (National Research Council, 

1990). 

Page 41: AN - [email protected] Home

Page: 22  

“Severe genetic effects” were defined in ICRP 60 as the incidence probability of 

genetic effects due to radiation exposure over all generations per person in the total 

population.  This was found by the ICRP (1991) to be 0.014 Gy‐1. The ICRP points out that 

“because some of the mulifactorial diseases are less detrimental… this probability should 

not be added as such without some weighting for the severity of the effects.” The ICRP 

admits that “this weighting is necessarily somewhat arbitrary.” And, it was decided 

therefore to reduce the risk of genetic effects by a factor of about 1/3, to 0.01 Gy‐1 (ICRP, 

1991). 

  The “relative non‐fatal contribution” to detriment is a function of the probability of 

fatal cancers and the lethality fraction for cancer in a given organ.  The lethality fraction, k, 

was determined from the available lethality data at the time (Table 2.6).  

Table 2.6 ICRP 60 calculation of lethality fraction 

Organ  5 year Lethality  

20 year Lethality  

Proposed Lethality, k  

Bladder   0.22  0.58  0.50 Breast   0.24  0.62  0.50 Colon   0.45  0.62  0.55 Liver   0.95  0.98  0.95 Lung   0.87  0.96  0.95 Esophagus   0.92  0.97  0.95 

Ovary   0.62  0.74  0.70 Stomach   0.85  0.90  0.90 Thyroid   0.06  0.15  0.10 

 

Using the lethality fraction, the non‐fatal contribution was calculated as follows. For 

a given tissue, there are F fatal cancers in a given population (i.e., the probability of fatal 

cancer).  The total probability of cancers, T, in the population, is therefore defined as: 

Page 42: AN - [email protected] Home

Page: 23  

 FTk

=   (1.18) 

The probability of non‐fatal cancers, N, is therefore: 

( ) F1N T F kk

= − = −   (1.19) 

The weighted detriment, D, is then defined (so far) as the sum of the fatal cancer probability 

and the lethality fraction multiplied by the probability of non‐fatal cancers: 

  (1 ) FD F kN F k kk

⎛ ⎞= + = + − ⋅⎜ ⎟⎝ ⎠

  (1.20) 

or 

  ( )2D F k= −   (1.21) 

where (2‐k) is now defined as the relative non‐fatal contribution. 

The relative length of life lost is a dimensionless ratio of two values,  l , defined as 

the organ‐specific length of life lost per fatal cancer, and  l , the average length of life lost 

due to any fatal cancer. The ICRP (1991) defined  l  as 15 years; this value was obtained by 

dividing the expected years of life lost summed over all cancers, by the total number of fatal 

cancers. Values of   (see l Table 2.7) for bladder, bone marrow, breast, colon, lung, 

esophagus, ovary, stomach and remainder were obtained from Land and Sinclair (1991).  

Values of  for bone surface, liver, skin and thyroid could not be determined in 1991 and l

Page 43: AN - [email protected] Home

Page: 24  

were arbitrarily set to 15, making the ratio ll  equal to unity.  The value of  l  for gonads 

was also uncertain and was arbitrarily set to 20 years.  

Table 2.7 The ICRP 60 calculation of relative life lost 

Organ  Life Lost (years):   l Relative Life lost: ll  

Bladder   9.8   0.65  

Bone Marrow   30.9   2.06  

Bone Surface   15.0*   1.00  

Breast   18.2   1.21  

Colon   12.5   0.83  

Liver   15.0*  1.00  

Lung   13.5   0.90  

Esophagus   11.5   0.77  

Ovary   16.8   1.12  

Skin   15.0*   1.00  

Stomach   12.4   0.83  

Thyroid   15.0*   1.00  

Remainder   13.7   0.91  

Gonads   20.0*   1.33  

* values were arbitrarily chosen l

( )

 

After accounting for the relative life lost, the total detriment, D, to a tissue is calculated 

using: 

  2 lD F k l= −   (1.22) 

Using the data in Tables 2.6 and 2.7, the relative contribution of detriment can be calculated 

(Table 2.8). 

   

Page 44: AN - [email protected] Home

Page: 25  

Table 2.8 ICRP 60 parameter values used in the calculation of detriment 

  Probability of fatal cancer (10,000 

people/Sv) 

Severe genetic effects (10,000 

people/Sv) 

Relative length of life lost 

( )ll

 

Relative non‐fatal 

contribution (2‐k) 

Detriment (D) 

Bladder  30    0.65  1.5  29.25 

Bone Marrow  50    2.06  1.01  104.0 

Bone Surface  5    1.00  1.30  6.5 

Breast  20    1.21  1.50  36.3 

Colon  85    0.83  1.45  102.3 

Liver  15    1.00  1.05  15.8 

Lung  85    0.90  1.05  80.3 

Esophagus   30    0.77  1.05  24.3 

Ovary  10    1.12  1.30  14.6 

Skin  2    1.00  2.00  4.0 

Stomach  110    0.83  1.10  100.4 

Thyroid  8    1.00  1.90  15.2 

Remainder  50    0.91  1.29  58.7 

Gonads    100  1.33    133.3 

      Total Detriment:  724.9 

 

It was determined that there was insufficient data in 1991 to use probability of 

cancer incidence for determining detriment.  Instead, probability of fatal cancer was used.  

The relative organ contribution to total detriment (see Table 2.9) was generated by 

determining the fractional contribution of organ detriment to total detriment.  Taking into 

account the uncertainties involved in the generation of detriment factors, the ICRP decided 

that the relative organ contributions could be rounded and grouped into a “simple system of 

weights of adequate accuracy” that “would use no more than four groups of weights and 

require no more than about a factor of 2 rounding between the relative contributions and 

the assigned weight” (ICRP, 1991).  The possible values for weights were selected in such a 

way as to limit the amount of manipulation involved in forcing the weights to sum to unity.  

Page 45: AN - [email protected] Home

Page: 26  The possible weighting factors selected were: 0.01, 0.05, 0.12, and 0.20.  The tissue 

weighting factors (wT) decided upon by ICRP 60 (ICRP, 1991) are summarized in Table 2.9. 

Table 2.9 ICRP 60 calculation of tissue weighting factors for various organs 

Organ  Relative Contribution  

wT  

(from ICRP 60) Bladder  0.040  0.05 

Bone Marrow  0.144  0.12 

Bone Surface  0.009  0.01 

Breast  0.050  0.05 

Colon  0.141  0.12 

Liver  0.022  0.05 

Lung  0.111  0.12 

Esophagus   0.033  0.05 

Ovary**  0.020  ‐‐ 

Skin  0.006  0.01 

Stomach  0.139  0.12 

Thyroid  0.021  0.05 

Remainder*  0.081  0.05 

Gonads**  0.184  0.2 

Total  1.000  1 

*Remainder is composed of 10 tissues: adrenals, brain, upper large intestine, small intestine, kidney, muscle, pancreas, spleen, thymus, and uterus. ** Detriment for gonads and ovaries were summed to yield one wt 

  

The weighting factor for the remainder tissues was divided equally between 10 

tissues yielding a wT of 0.005 for each; which is purposefully lower than the lowest wT for 

other tissues. 

For simplicity sake, effective dose equivalent (HE) was shortened to effective dose (E) 

in ICRP 60.  According to the Commission, “[effective dose equivalent] is unnecessarily 

Page 46: AN - [email protected] Home

Page: 27  

T TT

E w H

complicated, especially in more complex combinations such as collective committed 

effective dose equivalent (ICRP, 1991).” Effective dose was defined as: 

  = ⋅∑   (1.23) 

where wT is the tissue weighting factor and HT is the equivalent dose. 

2.7 ICRP 103 

The ICRP 103 report was released in 2007 as an update to ICRP 60.  The overall 

estimates of deterministic and stochastic effects remain fundamentally the same.  Even the 

ICRP admits, “The overall estimates of cancer risk attributable to radiation exposure have 

not changed appreciably in the past 16 years” (ICRP, 2007). 

2.7.1 Radiation Weighting Factor 

The ICRP 103 radiation weighting factors (Table 2.10) are fairly similar to the ICRP 60 

factors (Table 2.5), in that photons and electrons are given a weighting factor of 1.  Protons’ 

and other charged particles’ (not including electrons or muons) weights were reduced from 

5 to 2.   For neutrons, aside from the use of a continuous function (as opposed to a step 

function as was utilized in ICRP 60), the two most significant changes are the decrease of wR 

in the low‐energy range (which accounts for the large contribution of secondary photons to 

the absorbed dose in the human body), and the decrease of wR at energies above 100 MeV 

(ICRP, 2007). It was noted by the ICRP that most neutron doses involve a range of energies 

and the use of a continuous function was based on practical considerations and does not 

imply greater precision. 

   

Page 47: AN - [email protected] Home

Page: 28  

Table 2.10 ICRP 103 radiation weighting factors 

Radiation Type  Radiation weighting factor, wR Photons  1 Electrons and muons  1 Protons and charged particles  2 Alpha particles, fission fragments, heavy ions  20 Neutrons  A continuous function of neutron 

energy (see Equation (1.24) and Figure 2.2) ranging from 2 to 20 

 

The energy dependent radiation weighting factor for neutrons (see Figure 2.2) can 

be found by using the empirically derived, continuous Equation (1.24) as a function of 

neutron energy, En: 

    (1.24) 

[ ]

[ ]

[ ]

2

2

2

ln( ) /6

ln(2 ) /6

ln(0.04 ) /6

2.5 18.2 , 1 MeV

( ) 5.0 17.0 , 1 MeV 50 MeV

2.5 3.25 , 50 MeV

n

n

n

En

ER n n

En

e E

w E e E

e E

⎧ + <⎪⎪= + ≤ ≤⎨⎪

+ >⎪⎩

For energies above 1 MeV, very little animal data was available to determine the 

biological effectiveness of neutrons; however, the scant data that were available show a 

clear decrease in RBE with increasing neutron energy.  At energies above 50 MeV, it was 

decided (ICRP, 2007) that the weighting factor should asymptotically approach a value close 

to that of protons due to their similar behavior at higher energies. 

Page 48: AN - [email protected] Home

Page: 29  

 

0

5

10

15

20

25

1E‐06 1E‐04 1E‐02 1E+00 1E+02 1E+04Radiation Weighting

 Factor

Neutron Energy (MeV‐1)

Neutron Radiation Weighting Factors: ICRP 103

Figure 2.2 Equation (1.24) expressed graphically   

2.7.2 Tissue Weighting Factor and Detriment 

Although most of the calculation of the ICRP 103 tissue weighting factors will be 

covered in this section, Appendix A presents an enlightening step‐by‐step procedure, 

written by the ICRP 103 committee, for calculating tissue weighting factors. For the 

following calculations, it is useful to reference Table 2.11 for a comparison of terminology 

used in ICRP 60 and 103. 

Table 2.11 A summary of the terms used to define detriment in ICRP 60 and 103 

ICRP 60 Terminology  ICRP 103 Terminology  Definition F  

,F TR   Fatal risk 

(1 ) FN kk

= −   , , ( (1 ))T F TR R k q k= + −NF   Nonfatal risk 

ll   Tl   Relative length of life lost 

FTk

= IR   Nominal risk for fatal and non fatal cancers  

 

Page 49: AN - [email protected] Home

Page: 30  

, ,( )T F T T NF T TD R q R l

As with ICRP 60, tissue weighting factors are based on detriment to a tissue, T. 

Detriment is defined by ICRP 103 as: 

= +

min min(1 )Tq q q k

  (1.25)  

where qT is based on lethality and subjective quality of life accounting for pain and suffering 

due to cancer in a tissue, T, and is defined as: 

= + − ⋅   (1.26)  

The value of qmin is defined as the minimum weight for non‐lethal cancers and attempts to 

adjust for pain and suffering for different cancer types. The values assigned to qmin were 0 

for skin, 0.2 for thyroid and 0.1 for all other organs.  In most cases the weighted detriment 

was not terribly sensitive to the value chosen (ICRP, 2007).  The qmin adjustment primarily 

has an impact on cancers in tissues that have a low lethality rate, such as the skin. 

The ICRP assigned a qmin value of 0 to skin cancer because, “radiogenic skin cancer is 

almost exclusively of basal cell type which is usually associated with very little pain, suffering 

or treatment sequelae” (ICRP, 2007). They assigned a qmin value of 0.2 to thyroid cancer 

because they believed that cancer of the thyroid was significantly more painful than other 

cancers, although they never specified the origin of this belief.  There was little conclusive 

evidence to support different qmin values for other organs, therefore the rest of the organs 

received a qmin value of 0.1. 

Detriment estimates were based on cancer incidence in ICRP 103, whereas cancer 

mortality was the basis for tissue weighting factors in ICRP 60.  Since that time, however, 

Page 50: AN - [email protected] Home

Page: 31  

T

there has been more progress made on the data analysis of the Life Span Study (ICRP, 2007), 

such that the ICRP felt comfortable using incidence data to determine detriment. 

Table 2.12 ICRP 103 detriment parameters 

Site  Nominal risk based on 

incidence(RI)(per 10,000) 

Lethality (k) 

Non‐fatal weight (qT) 

Relative life lost  ( l ) 

Absolute Detriment

 (DT) 

Esophagus  15.1  0.93  0.935  0.87  13.1 Stomach  79.1  0.83  0.846  0.88  67.8 Colon  65.4  0.48  0.530  0.97  48.0 Liver  30.3  0.95  0.959  0.88  26.6 Lung  114.2  0.89  0.901  0.80  90.4 Bone  7  0.45  0.505  1.00  5.1 Skin  1000  0.002  0.002  1.00  4.0 Breast  112.1  0.29  0.365  1.29  79.0 Ovary  10.6  0.57  0.609  1.12  9.9 Bladder  43.4  0.29  0.357  0.71  16.8 Thyroid  32.5  0.07  0.253  1.29  12.9 Bone Marrow  41.9  0.67  0.702  1.63  61.6 Other Solid*  143.8  0.49  0.541  1.03  113.4 Gonads  20  0.80  0.820  1.32  25.4 

        Total:  574.1 

* Other Solid is a grouping of 14 tissues: Adrenals, Extrathoracic (ET) region, Gall bladder, Heart, Kidneys, Lymphatic nodes, Muscle, Oral mucosa, Pancreas, Prostate, Small intestine, Spleen, Thymus, and Uterus/cervix. 

 Utilizing the values presented in Table 2.12 and Equation (1.25), the relative 

detriment was calculated (Table 2.13).  Similar to ICRP 26 and 60, the possible values for 

weights were selected in such a way as to limit the amount of manipulation involved in 

forcing the weights to sum to unity.  The possible weighting factors selected were: 0.01, 

0.04, 0.08, and 0.12.   

   

Page 51: AN - [email protected] Home

Page: 32  

Table 2.13 The ICRP 103 calculation of tissue weighting factors 

Site  Absolute Detriment

 (DT) 

Relative Detriment 

wT 

Esophagus  13.1  0.023  0.04 Stomach  67.8  0.118  0.12 Colon  48.0  0.084  0.12 Liver  26.6  0.046  0.04 Lung  90.4  0.157  0.12 Bone  5.1  0.009  0.01 Skin  4.0  0.007  0.01 Breast  79.0  0.138  0.12 Ovary*  9.9  0.017  ‐‐ Bladder  16.8  0.029  0.04 Thyroid  12.9  0.022  0.04 Brain  ‐‐  ‐‐  0.01 Salivary glands  ‐‐  ‐‐  0.01 Bone Marrow  61.6  0.107  0.12 Remainder  113.4  0.198  0.12 Gonads*  25.4  0.044  0.08 Total:  574.1  1.000  1.00 

*Gonad and ovary data were summed to yield one weighing factor for the combined organs 

 The wT for the reminder tissues was divided equally between 14 tissues yielding a wT 

of 0.0086 for each; which is purposefully lower than the lowest wT for other tissues.  While 

not specifically quantifiable, cancer risk to the salivary glands and the brain are thought to 

be greater than that of the other tissues in the remainder category, and thus were ascribed 

a value of 0.1 (ICRP, 2007). 

In summary, Table 2.14 is provided to track the evolution of tissue weighting factors 

over 30 years from 1977 (ICRP 26) to 2007 (ICRP 103). 

   

Page 52: AN - [email protected] Home

Page: 33  

Table 2.14 A summary of tissue weighting factors in ICRP 26, 60, and 103 

Organ  ICRP 26  ICRP 60  ICRP 103 

Gonads  0.25  0.2  0.08 Bone marrow  0.12  0.12  0.12 Lung  0.12  0.12  0.12 Breast  0.15  0.05  0.12 Thyroid  0.03  0.05  0.04 Bone Surfaces 0.03  0.01  0.01 Remainder  0.3  0.05  0.12 Colon    0.12  0.12 Stomach    0.12  0.12 Bladder    0.05  0.04 Liver    0.05  0.04 Esophagus    0.05  0.04 Skin    0.01  0.01 Salivary glands    0.01 Brain      0.01 

 

The weighting factors stayed fairly consistent between the publications with a few 

exceptions.  The weighting factor for gonads changed significantly from 0.20 in ICRP 60 to 

0.08 in ICRP 103.  This primarily is due to genetic risk being estimated for only two 

generations into the future. The ICRP (2007) points out that, “the equilibrium value used in 

Publication 60 is judged to be of limited scientific validity because of the unsupported 

assumptions necessary on selection coefficients, mutation component, and population 

changes over hundreds of years“ (ICRP, 2007).  

The weighting factor for breast dropped by a factor of three (0.15 to 0.05) between 

ICRP 26 and 60.  This is most likely due to advances in cancer therapy resulting in a drop in 

the lethality of breast cancer between 1977 and 1991.  The weighting factor, however, 

Page 53: AN - [email protected] Home

Page: 34  jumped up to 0.12 in ICRP 103.  This is due to ICRP 103’s method of using cancer incidence 

risk instead of cancer mortality risk in the detriment calculation. 

The bone surface weighting factor also dropped by a factor of three (0.03 to 0.01) 

between ICRP 26 and 60.  This is due to the publication of BEIR IV (1988) on the effects of 

radium and other internally deposited alpha emitters. The ICRP 60 and 103 reports both use 

the data from BEIR IV in their calculation of detriment to bone surface; ICRP 26 does not. 

The deterministic values of the tissue weighting factors are difficult to compare 

unless an estimate of uncertainty is determined.  Chapter 3 explains the process of 

determining the uncertainty of the ICRP 103 relative detriment calculation; Chapter 4 

presents the results of that analysis, while Chapter 5 compares the tissue weighting factors 

from each publication to the uncertainty analysis.  

 

   

Page 54: AN - [email protected] Home

Page: 35  

                                                           

3 Chapter 3 – Methods 

In order to compare the tissue weighting factors of ICRP 103 to the weighting 

factors of ICRP 26 and 60, and to determine the significance of any changes, one first needs 

to calculate the uncertainties in the newly developed ICRP 103 relative detriment 

calculation.  The method of assessing uncertainty is similar to that used by Hamby (1993), in 

an estimation of atmospheric tritium dose. The goal of this uncertainty analysis is to 

quantify the uncertainties in the ICRP 103 relative detriment calculations.  Crystal Ball 

uncertainty and sensitivity analysis software* was utilized (as a plug‐in to Microsoft Excel) 

for this task.   

3.1 ICRP 103 

The report of ICRP 103 estimates relative detriment due to cancer in a specific organ 

from three primary factors: nominal risk based on incidence, a non‐fatal weighting factor 

(including the probability of lethality), and relative life lost due to radiogenic cancer death. 

Each factor carries an associated uncertainty, distributions of which have been captured 

herein.  These probability distributions can be deduced, given the availability of data 

appropriate for the estimate. If the original data set is not available, or if parameter values 

were chosen arbitrarily by the Commission, one can use similar data to determine trends, 

functional forms, and variances of the known distribution. For example, if the ICRP used US 

cancer incidence data from 2005, but one only has access to US cancer incidence data from 

2002, an appropriate assumption would be that the distributions of the 2002 and 2005 data 

are sufficiently similar to use one distribution in estimating the other.  It therefore can also 

be assumed that the variance of the 2002 data is reasonably similar to the variance of the 

 * By Oracle; online at: http://www.oracle.com/crystalball/ 

Page 55: AN - [email protected] Home

Page: 36  2005 data such that the same geometric standard deviation (GSD) (or some other 

multiplicative expression of variance, depending on the distribution) can be applied to the 

2005 data.  

To carry the example further, if the 2002 cancer incidence of a particular organ was 

fit to a log‐normal distribution with a GSD of 1.5, a geometric mean (GM) of 20 (per 10,000), 

and the ICRP reported a cancer incidence of 15 (without sufficient information to locate the 

original data), one would take 15 as the new GM of a lognormal distribution and apply a 

GSD of 1.5.  Applying this method and using original data sets where available, probability 

distributions for each parameter were generated for the three primary factors in the ICRP 

103 detriment calculation to determine the final uncertainties in the relative organ 

detriment. 

3.2 Uncertainty Analysis 

Each parameter in an uncertainty analysis is defined by a probability distribution of 

possible values.  The choice of distribution is based on one’s knowledge of the parameter 

and the values appropriate for the calculation.  For example, if the variable of interest is a 

fraction, but nothing else is known, a uniform distribution (Figure 3.1) would be fit with 

bounds of 0 and 1. 

Page 56: AN - [email protected] Home

Page: 37  

 

Figure 3.1 An example of a uniform distribution generated by Crystal Ball 

If the most likely value of the variable on interest is 0.5, a more informative, 

triangular distribution (Figure 3.2), could be assigned. 

 

Figure 3.2 An example of a triangular distribution generated by Crystal Ball 

If additional information is available to indicate that the data are normally 

distributed, with a mean of 0.5 and a standard deviation of 0.2, a normal distribution (Figure 

3.3) would be assigned. 

Page 57: AN - [email protected] Home

Page: 38  

 

Figure 3.3 An example of a normal distribution generated by Crystal Ball 

Unfortunately, not all of the ICRP 103 original data were available to determine 

information of distribution shape.  If it were, standard statistical tests could be implemented 

to determine an appropriate distribution and a measure of goodness‐of‐fit.   

Oftentimes, confidence intervals are reported alongside deterministic parameter 

estimates.  This information can be utilized to determine how data are distributed. For 

example, in order to determine if data are normally distributed, one can plot the mean and 

confidence intervals on a normal‐probability (often referred to as normal‐probit) plot 

(Figure 3.4). If a straight line can be fit to the points, then the data are normally distributed.  

One could then use the fit line to determine the standard deviation as the average distance 

from the mean at the 16th and 84th percent. 

Page 58: AN - [email protected] Home

Page: 39  

 

Figure 3.4 Normal‐probit plot line fit 

If the plot does not form a straight line on a normal‐probit plot, another functional 

fit must be determined.  To determine if data are log‐normally distributed, the median and 

confidence intervals can be plotted on a log‐probit plot (Figure 3.5); if the points form a 

straight line, the data are log‐normally distributed.  If the data do not fit a normal or a log‐

normal distribution, other methods must be employed to determine an appropriate 

probability distribution to describe the data.   

 

Figure 3.5 Log‐probit plot line fit 

Page 59: AN - [email protected] Home

Page: 40  

To determine a geometric standard deviation (GSD) from a log‐probit plot, the 

multiplicative difference between the 84th and 16th percentiles (represented by F(84%) and 

F(16%), respectively) and the geometric mean are averaged, expressed below: 

 (84%)

2 2 (16%)F GM GSD

GM F+ =

⋅ ⋅  (2.1) 

Oftentimes, 95% confidence intervals are given.  In that case, the GSD can be determined as 

follows.  Given: 

    (2.2) 1.96 (97.5%)GM GSD F⋅ =

  1.96 (2.5%)GM FGSD

=   (2.3) 

Rearrangement of the above equations provides the GSD from knowledge of the median 

and confidence interval, expressed as: 

  1.96 1.961 (97.5%)2 (2.5%)

F GGSDGM F

M⎡ ⎤⎛ ⎞⎛ ⎞= +⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

  (2.4) 

3.2.1 Cancer Incidence Risk 

The nominal organ risk coefficients utilized in ICRP 103 were taken from BEIR VII 

(2006).  BEIR VII is a compilation of several studies (including the Life Span Study), and 

represents the most up to date, detailed analysis of the biological effects of radiation.   

Instead of quantifying risk by cancer mortality, ICRP 103 uses a measure of incidence 

rate, defined by BEIR VII (2006) as “new cases of cancer occurring among previously 

Page 60: AN - [email protected] Home

Page: 41  unaffected individuals.”  The ICRP 103 report uses BEIR VII’s measure of the risk from the 

incidence, or the “probability that an individual develops cancer over a specified interval of 

time, given that the individual is alive and disease free at the start of the time period 

(National Research Council, 2006).” 

To accurately measure the increase in cancer risk from radiation exposure, one must 

account for the base rate of a particular cancer.  If we allow λE(t) and λU(t) to describe the 

incidence rates of the exposed (E) and unexposed (U) groups, respectively, and if disease 

occurrence is unrelated to exposure, it is expected that λE(t)=λU(t).  A lack of equality 

indicates an association between cancer occurrence and radiation exposure. 

BEIR VII uses two measures of this discrepancy between incidence rates, excess 

absolute risk (EAR) and excess relative risk (ERR).  The first measure, EAR, is defined as the 

difference between the incidence rates of the exposed and unexposed groups, or: 

  ( ) ( ) ( )E UEAR t t tλ λ= −   (2.5) 

Excess absolute risk describes the additive increase in incidence rate associated with 

exposure.  For example, if the EAR is constant (EAR=a), then the effect of exposure is to 

increase the incidence rate by the constant amount, a, for all time periods. 

  The second common measure of discrepancy is the relative risk (RR), defined as the 

quotient of incidence rates between exposed and unexposed groups, or: 

 ( )( )( )

E

U

tRR tt

λλ

=   (2.6) 

Page 61: AN - [email protected] Home

Page: 42  The relative risk describes the multiplicative increase in incidence rate associated with 

exposure.  When RR is constant (RR=r) the effect of exposure is to alter incidence rate by a 

factor of r. 

  The ERR is often a more useful quantity than the RR and is defined as the percent 

increase of cancer risk from exposed populations, or: 

  ( ) ( ) 1ERR t RR t= −   (2.7) 

For example, if the relative risk from a particular cancer was 1.3, the ERR(t) would indicate a 

30% increase in risk from exposure. 

  To model risk from radiation exposure, BEIR VII uses lifetime attributable risk (LAR), 

which is an approximation of the risk of exposure‐induced death (REID), the measure used 

by UNSCEAR (2000) to estimate the probability that an individual will die from (or develop) 

cancer associated with the exposure.  The LAR for a person receiving a dose D at age e is 

expressed as: 

 100 ( )( , ) ( , , )

( )a

S aLAR D e M D e aS e

=∑   (2.8) 

where: 

• M(D, e, a) is the EAR or ERR depending on whether the LAR is expressed as absolute 

or relative risk; 

• a denotes the attained age in years, or e+L; 

• L is the risk‐free latent period (L=5 for solid cancers and L=2 for leukemia); and 

Page 62: AN - [email protected] Home

Page: 43  

• ( )( )

S aS e

 is the probability of surviving to age a conditional on survival to age e. 

Unfortunately, the LAR cannot be observed directly from the LSS data set.  Because 

the atomic bomb survivors were exposed to high doses, and BEIR VII presents the risk from 

low‐dose exposures, the risk is extrapolated using the linear no threshold (LNT) model of 

radiation risk (except for leukemia, which uses a linear‐quadratic model).  The LNT model 

does not account for the effects of dose rate (although the linear‐quadratic model does).  It 

is known that higher dose rates are more harmful than low dose rates due to the body’s 

ability to repair itself over time.   It was calculated by BEIR VII that a dose and dose rate 

effectiveness factor (DDREF) of 1.5 should be used to account for this discrepancy (see 

Annex 10B, BEIR VII for the complete derivation).  The ICRP (2007) used this model, but 

rounded their DDREF to 2 in an attempt to communicate that the DDREF is a “board 

judgment which embodies elements of both subjectivity and probabilistic uncertainty.” 

Table 3.1 appears in BEIR VII as a summary of the LAR based on relative and 

absolute risk transport. 

   

Page 63: AN - [email protected] Home

Page: 44  

Table 3.1 Relative and absolute LAR from BEIR VII (National Research Council, 2006) 

  Males  Females Cancer Site  LAR based 

on Relative Risk 

Transport 

LAR based on 

Absolute risk 

Transport 

Combined and 

Adjusted by DDREF (subjective 95% CI) 

LAR based on 

Relative Risk 

Transport 

LAR based on 

Absolute risk 

Transport 

Combined and 

Adjusted by DDREF (subjective 95% CI) 

Incidence               Stomach  25  280  34 

(3, 350) 32  330  43 

(5, 390)   Colon  260  180  160 

(66, 360) 160  110  96 

(34, 270)   Liver  23  150  27 

(4, 180) 9  85  12 

(1, 130)   Lung  250  190  140 

(50, 380) 740  370  300 

(120, 780)   Breast  ‐‐  ‐‐    510 

(not used) 460  310 

(160, 610)   Prostate  190  6  44 

(0, 1860) ‐‐  ‐‐   

  Ovary        66  47  40 (9, 170) 

  Bladder  160  120  98 (29, 330) 

160  100  94 (30, 290) 

  Other  470  350  290 (120, 680) 

490  320  290 (120, 680) 

  Thyroid  32  No model  21 (5, 90) 

160  No model  100 (25, 440) 

  Leukemia  ‐‐  ‐‐  800* (400, 1590) 

‐‐  ‐‐  1310* (690, 2490) 

*No DDREF adjustment was made for leukemia  

The absolute and relative LAR were log‐averaged and weighted by EAR and ERR, 

respectively, to yield the combined and adjusted (by DDREF) risk values, which reflects the 

excess cancer risk across all populations.  The BEIR VII committee weighted EAR:ERR as 

0.3:0.7 for all organs except for thyroid and lung, which used 0.0:1.0 and 0.7:0.3, 

respectively.  The ICRP 103 committee reasoned that “only for lung, breast, and thyroid was 

it considered that there was sufficient information to justify a representative [EAR:ERR ratio] 

Page 64: AN - [email protected] Home

Page: 45  other than 0.5:0.5.” The ICRP used a 1.0:0.0 EAR:ERR ratio for breast and bone marrow, a 

0.0:1.0 ratio for thyroid and skin, and a 0.7:0.3 ratio for lung.  

By plotting the confidence intervals on log‐probit plots, it was observed that all 

averages (except bone) corresponded to a log‐normal distribution.  The GSD’s were 

obtained from these distributions (Table 3.2) and applied to the ICRP 103 estimates with the 

same GSD and a GM of the reported ICRP 103 nominal risk value. 

Table 3.2 ICRP 103 nominal risks taken as the GM; GSD estimates obtained from BEIR VII confidence intervals 

Organ  Distribution Type  GM  GSD Stomach  Log‐Normal  79.1  2.40 Colon  Log‐Normal  65.4  1.50 Liver  Log‐Normal  30.3  2.20 Lung  Log‐Normal  114.2  1.40 Breast  Log‐Normal  112.1  1.41 Ovary  Log‐Normal  10.6  1.41 Bladder  Log‐Normal  43.4  2.35 Thyroid  Log‐Normal  32.5  2.89 Bone Marrow*  Log‐Normal  41.9  2.35 Bone**  Normal  7.0  1.80 Skin  Log‐normal  1000  3 Esophagus   Log‐normal  15.1  3 Remainder  Log‐Normal  143.8  1.85 

*Leukemia risk from BEIR VII was used ** Normal mean and standard deviation are reported 

  The ICRP 103 report points out that “nominal risk estimates for bone and skin are 

those used in Publication 60 (1991).”  In accordance with ICRP 60, bone risk was taken from 

BEIR IV (National Research Council, 1988), reported as 133 ± 36 (bone sarcomas/106 person‐

rad).  The uncertainty of the bone risk was assumed to be normally distributed based on 

BEIR IV’s presentation of an additive standard error.  This assumed standard deviation was 

then changed to a percentage of the mean (133 ± 27%) and applied to ICRP 103’s value of 

Page 65: AN - [email protected] Home

Page: 46  the mean (7 per 10,000), and a normal distribution was assumed with a standard deviation 

of 1.8 (i.e., 27% of 7). 

  Skin distribution estimates proved to be more difficult.  The ICRP (2007) references 

ICRP 60, which references ICRP 59 (1992), which references a compilation of several studies 

on skin cancer from the 1970’s but reports no uncertainty. To fit a distribution by extension, 

it was assumed the skin was most likely log‐normally distributed based on all other organ 

incidence risks (except bone) being log‐normally distributed.  The largest GSD complied for 

any organ risk was just under 3, so a conservative estimate of a GM of 1000 and a GSD of 3 

was assigned to skin cancer incidence risk. 

  Esophagus risk was also not reported in BEIR VII.  The same method was applied 

from above and a GM of 15.1 and a GSD of 3 was applied to the esophagus incidence risk.   

3.2.2 Heritable Effects (Gonads) 

The three primary disease classes that the ICRP uses to determine the heritable 

effects of radiation are Mendelian diseases, chronic diseases and congenital abnormalities.  

The risk per unit dose is calculated for each disease class and summed to obtain the total 

risk of heritable effects per unit radiation dose. 

To calculate the risk per unit dose for a particular disease class, Equation (2.9) is 

utilized (ICRP, 2007): 

 1Risk per unit dose = P MC PCRF

DD⋅ ⋅ ⋅   (2.9) 

where: 

• P is the baseline frequency of the genetic disease class;  

Page 66: AN - [email protected] Home

Page: 47  

• DD is the doubling dose, or radiation dose required to produce as many mutations 

as those that arise spontaneously in one generation; 

• MC is the mutation component, or a relative measure of the relationship between 

change in mutation rate and increase in disease frequency, or (ΔP/P)/(Δm/m) where 

m is the spontaneous mutation rate; and 

• PCRF is the potential recoverability correction factor for different classes of 

mutation.  PRCF allows for differing degrees of recoverability of mutations in live 

births, i.e., the fraction of mutations that is compatible with embryonic/fetal 

development. 

It was decided that an in‐depth analysis of the uncertainties involved in the genetics of 

the above variables is beyond the scope of this work.   For more information see Appendix 

A.6 of ICRP 103 (2007), pages 217‐241.  For the purpose of this paper, the uncertainties 

reported in ICRP 103 were deemed sufficient.  Genetic risk (see Table 3.3) from continuing 

exposure to low‐LET, low dose radiation is reported in the 2001 report by the United 

Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (UNSCEAR). The ICRP uses 

the genetic risk per Gy to the second generation in their calculation of gonadal risk (Table 

3.3). 

   

Page 67: AN - [email protected] Home

Page: 48  Table 3.3 Current estimates of genetic risk from continuing exposure to low‐LET, low dose or 

chronic irradiation (UNSCEAR, 2001) with an assumed doubling dose of 1 Gy. Disease Class:  Baseline Frequency 

(per 10,000 live births):Risk per Gy 

(per 10,000 progeny):       1st Generation  2nd Generation Mendelian         Autosomal dominant and 

X‐linked 165  ~7.5 to ~15  ~13 to ~25 

  Autosomal Recessive  75  0  0 Multifactorial         Chronic  6,500  ~2.5 to ~12  ~2.5 to ~12   Congenital abnormalities   600  ~20  ~24 to ~30  

The above estimates apply only to the reproductive population.  The estimate of 

genetic risk to an entire population will be lower because the “genetic damage sustained by 

germ cells of individuals who are beyond the reproductive period, or who are not 

procreating for any reason, poses no genetic risk (ICRP, 2007).”  Given that the average life 

expectancy is about 75 years, and the mean reproductive age is 30 years, the dose received 

by a person at 30 years of age should be 40% (30/75) of the total dose (ICRP, 2007). 

Table 3.4 Risk coefficients (per 10,000) for the reproductive and the total population obtained up to two generations when the population sustains radiation exposure generation 

after generation. 

Disease Class  Reproductive Population  Total Population   Range  Average  Average 

Mendelian Diseases  13 to 25  19  8 Chronic Disease   3 to 12  8  3 Congenital Abnormalities 

24 to 30  27  11 

  Total  54  22  

  The ranges given in Table 3.4 were multiplied by 40%, to account for the differences 

in total population and reproductive population, and used as the bounds for uniform 

Page 68: AN - [email protected] Home

Page: 49  distributions.  These distributions were then averaged to yield the combined distribution 

(Figure 3.6). 

 

Figure 3.6 The combined distribution from several uniform distributions used in the calculation of heritable risk 

Although the distribution appears normal, the beta distribution was the best fit with 

a mean of 21.4 and variance of 3.46. The beta distribution was not used in the final 

uncertainty calculation, as it is only an approximation of the average of three uniform 

distributions, which were utilized instead. 

3.2.3 Lethality Fraction (k) 

The ICRP 103 Committee states that it used “national cancer statistics” to determine 

the lethality fraction of various cancers.  Because the exact data set that ICRP used for its 

calculation was not available, the United States Cancer Statistics document (National 

Page 69: AN - [email protected] Home

Page: 50  Program of Cancer Registries (NPCR), 2001) was used in its place.  Utilizing the USCS, the 

follow data were obtained: 

Table 3.5 Lethality fractions and confidence intervals from USCS 2001‐2005 

Site  Lethality Fraction 

LCI  UCI  2*LCI %  2*UCI% 

Esophagus  0.88  0.88  0.90  100.0%  102.3% Stomach  0.57  0.58  0.58  101.4%  102.4% Colon excluding Rectum  0.42  0.42  0.42  99.6%  100.4% Liver and I.H. Bile Duct  0.89  0.89  0.89  99.8%  100.0% Lung and Bronchus  0.78  0.78  0.78  100.1%  100.2% Bones and Joints  0.44  0.44  0.50  100.0%  112.5% Male and Female Breast  0.21  0.21  0.21  100.1%  100.4% Ovary  0.69  0.69  0.69  99.7%  100.3% Testis  0.06  0.04  0.05  67.9%  98.2% Urinary Bladder  0.20  0.20  0.20  98.2%  99.5% Thyroid  0.06  0.06  0.06  101.1%  100.0% Leukemias  0.60  0.60  0.60  100.8%  100.5% 

 

  The conservative assumption was made that the confidence intervals represented 

only one standard deviation.  Therefore, twice the distance from the mean (reported 

lethality fraction) was used to obtain the upper and lower CI columns.  The lower and upper 

confidence interval percentages were applied to the lethality fractions from ICRP 103 to fit 

uniform distributions to the data set, with occasional numeric manipulation to account for 

inconsistencies in the data (Table 3.6). 

   

Page 70: AN - [email protected] Home

Page: 51  

Table 3.6 Uniform distributions fit to the ICRP 103 reported lethality fraction using the confidence interval percentages from Table 3.5  

Site  Lethality Fraction  Lower Bound  Upper Bound 

Esophagus  0.93  0.92  0.95 Stomach  0.83  0.82  0.86 Colon  0.48  0.47  0.49 Liver  0.95  0.94  0.96 Lung  0.89  0.88  0.89 Bone  0.45  0.44  0.47 Breast  0.29  0.28  0.30 Ovary  0.57  0.56  0.58 Bladder  0.29  0.28  0.30 Thyroid  0.07  0.06  0.08 Bone Marrow  0.67  0.66  0.68 Gonads  0.80  0.56  0.81 

 

  For the statistics that were not available in the USCS archives, a much broader 

uncertainty measure was used; triangular distributions were fit with bounds of 0 and 1, and 

a most likely value equal to the ICRP 103 reported value (Table 3.7). 

Table 3.7 Triangular distribution parameters defined for two sites 

Site  Lethality Fraction (most likely value) 

Lower Bound  Upper Bound 

Skin  0.002  0  1 Remainder  0.49  0  1 

 

3.2.4 Minimum Weight for Quality of Life (qmin) 

Because qmin is a purely subjective quantity, measuring the pain and suffering 

brought on by a particular cancer, not much information can be concluded about its 

parametric uncertainty.  The ICRP selected only three possible values for qmin: 0, 0.1, and 

0.2.  It appears most reasonable to select triangular distributions with a most likely value 

Page 71: AN - [email protected] Home

Page: 52  taken as the ICRP 103 reported value (Table 3.8), and lower bound of 0.  The upper bound 

was set at 0.3 in to give qmin=0.2 a non‐zero likelihood.  

Table 3.8 Triangular distribution parameters defined for qmin 

Site  qmin (likeliest value) 

Lower Bound 

Upper Bound 

Esophagus  0.1  0  0.3 Stomach  0.1  0  0.3 Colon  0.1  0  0.3 Liver  0.1  0  0.3 Lung  0.1  0  0.3 Bone  0.1  0  0.3 Skin  0.0  0  0.3 Breast  0.1  0  0.3 Ovary  0.1  0  0.3 Bladder  0.1  0  0.3 Thyroid  0.2  0  0.3 Bone Marrow  0.1  0  0.3 Gonads  0.1  0  0.3 Remainder  0.1  0  0.3 

 

3.2.5 Relative Length of Life Lost 

To determine the relative uncertainty related to the length of life lost due to the 

development of a cancer, it was assumed that all death occurs at the average age of death 

in the US, 77.5 years of age.  Therefore, if death from cancer occurs at age 77.5 or later, 0 

years of life is lost as a result of the cancer.  Conversely, if death from cancer occurs at age 

0, 77.5 years of life is lost.   Given this assumption, cancer mortality data by age, presented 

in ICRP 103 Tables A.4.10‐A4.17, were used to determine the number of years of life lost 

due to a given cancer.  Thyroid data were not available in ICRP 103; the USCS 2001‐2005 

data were used as a surrogate.  These years of life lost were normalized to sum to unity, 

yielding the probability of losing a certain number of years of life given that cancer has 

already developed.  The probabilities were then multiplied by the years of life lost for that 

Page 72: AN - [email protected] Home

Page: 53  particular probability and plotted versus years of life lost to determine the distribution 

shape (see Figure 3.7 as an example). 

 

0.000.200.400.600.801.001.201.401.601.80

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Years Lost*P

roba

bility (years)

Esophagus Life Lost

Years Lost (years)

Figure 3.7 Number of years of life lost due to cancer in the esophagus   

These data were graphed on a log‐probit plot and it was concluded that they were 

log‐normally distributed. From this analysis, the data in Table 3.9 were obtained. 

   

Page 73: AN - [email protected] Home

Page: 54  

Table 3.9 Log‐normal distribution parameters for years of life lost calculation 

Site  Years of Life lost  GSD 

Esophagus  13.05  1.71 Stomach  13.20  1.82 Colon  14.55  1.77 Liver  13.20  1.81 Lung  12.00  1.69 Breast  19.35  1.66 Ovary  16.80  1.72 Bladder  10.65  1.76 Thyroid*  19.35  1.76 Bone Marrow  24.45  2.31 Gonads**  19.80  1.72 Average  15.00  1.86 

*Thyroid data from USCS 2001‐2005 **Ovary GSD was used because gonads and ovaries are eventually combined in the detriment calculation  

The ICRP points out that data were not available for the calculation of years of life 

lost for bone and skin. The ICRP (2007) uses the average life lost for both organs as a result.  

For this reason, a uniform distribution was fit with bounds of 0 and 30 years to reflect this 

assumption (Table 3.10).  It is unclear where the “remainder” life lost calculation originated.  

However, since the ICRP reports a value of 15.45, it appears that the number is more certain 

than the bone and skin life lost values.  For this reason, a triangular distribution was fit for 

the remainder category with bounds of 0 and 30 years.   

   

Page 74: AN - [email protected] Home

Page: 55  

Table 3.10 Non‐log‐normal distributions for years of life lost parameter 

Site  Distribution  Likeliest  Lower Bound  Upper Bound Remainder  Triangular  15.45  0  30 

Bone  Uniform  ‐‐  0  30 

Skin  Uniform  ‐‐  0  30 

 

A summary of all input parameters used in the uncertainty analysis can be found in 

Appendix B.  

 

   

Page 75: AN - [email protected] Home

Page: 56  4 Chapter 4 –Results 

Crystal Ball, along with the input parameters in Chapter 3 were used to perform the 

ICRP 103 relative detriment calculation.  The results of the uncertainty analysis follow. 

4.1 Uncertainty Analysis Output ‐ Parameters 

The following table is a summary of the deterministic relative uncertainty calculation 

by ICRP 103 and the uncertainty analysis described in Chapter 3. 

Table 4.1 Log‐normal distribution parameters for the results of the uncertainty analysis 

Organ  Distribution  Mean* Standard Deviation**  2.50%  97.50% Esophagus  Log‐normal  0.008  4.38  0.000  0.145 Stomach  Log‐normal  0.045  3.37  0.004  0.487 Colon  Log‐normal  0.032  3.07  0.004  0.288 Liver  Log‐Normal  0.017  3.58  0.001  0.207 Lung  Log‐normal  0.06  2.86  0.008  0.471 Bone  Log‐normal  0.003  2.83  0.000  0.023 Skin***  ‐‐  0.349  0.272  0.000  0.893 Breast  Log‐normal  0.053  2.83  0.007  0.407 Ovary  Log‐normal  0.006  3.08  0.001  0.054 Bladder  Log‐normal  0.011  3.7  0.001  0.143 Thyroid  Log‐normal  0.007  3.89  0.000  0.100 

Bone Marrow  Log‐normal  0.04  4.25  0.002  0.682 Gonads  Log‐normal  0.017  2.8  0.002  0.128 

Remainder  Log‐normal  0.062  3.35  0.006  0.663 * For log‐normal distributions, GM is displayed, otherwise arithmetic mean is displayed ** For log‐normal distributions, GSD is displayed, otherwise standard deviation is displayed *** No fit was available for skin data; mean and standard deviation reflect only the spread of data 

4.2 Uncertainty Analysis Output ‐ Figures 

Appendix C displays uncertainty plots of the relative detriment generated by Crystal 

Ball.  Each figure (except skin) was fit to a log‐normal distribution with parameters given in 

Table 4.1. 

Page 76: AN - [email protected] Home

Page: 57  

 

Figure 4.1 Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the bone relative detriment 

  The bone relative detriment uncertainty (Figure 4.1) was fit to a log‐normal 

distribution with a GM of 0.003 and a GSD of 2.83.  The above figure is similar in appearance 

and fit to all other (except skin) relative detriment uncertainty plots (see Appendix C). 

 

Page 77: AN - [email protected] Home

Page: 58  

                                                           

 

Figure 4.2 Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the skin relative detriment 

The skin relative detriment uncertainty (Figure 4.2) could not be successfully fit to any 

of the continuous distributions† available in Crystal Ball.  The statistical mean and standard 

deviation were determined as 0.349 and 0.272, respectfully. These values are suspect due to 

the predictability of all other distributions, and the significantly lower deterministic relative 

uncertainty of 0.007. See Section 5.1 for more details. 

The results presented in Chapter 4 are discussed in Chapter 5 and compared with the 

tissue weighting factors in ICRP 26, 60, and 103.  

   

 † Available continuous distributions in Crystal Ball: beta, betaPERT, exponential, gamma, logistic, lognormal, max extreme, normal, Pareto, student’s t, triangular, uniform, Weibull 

Page 78: AN - [email protected] Home

Page: 59  5 Chapter 5 – Discussion 

   Although it is enlightening to understand the origin of the relative organ detriment 

calculation, this quantity is not used for radiation protection purposes; tissue weighting 

factors are, however.  To transfer from relative detriment to tissue weighting factors, a 

significant amount of subjective manipulation is involved.  Historically, four, fairly arbitrary 

values are chosen and each relative detriment is grouped into these categories.  The relative 

detriments aren’t necessarily assigned the closest weighting factor, they are decided based 

on what is necessary to sum to one, as long as the weighting factor is within “about a factor 

of two,” of the relative detriment. This seems reasonable in that the uncertainties (GSD) 

determined herein are greater than 2 for each of the 14 organs analyzed. 

5.1 Skin 

The results of the uncertainty analysis give a skin relative detriment distribution mean 

as 0.35 with a standard deviation of 0.27.  No distribution fit the shape of the data, which is 

suspect, especially when all other organ relative detriments fit well into log‐normal 

distributions.  

The inputs are responsible for the behavior of the output. The ICRP (2007) reported 

an incidence risk of 1000 Sv‐1 (per 10,000) for skin cancers.  No uncertainty was located for 

these data; a log‐normal distribution was assumed, based on the prevalence of the 

distribution for other cancer risks.  A conservative estimate for the GSD of 3 was ascribed 

due to 3 being larger than all other GSDs.  These two assumptions left a relatively large 

distribution (Figure 5.1). 

Page 79: AN - [email protected] Home

Page: 60  

 

Figure 5.1 Input log‐normal distribution for skin incidence risk with GM of 1000 and GSD of 3 

  In an uncertainty analysis, it may be acceptable if there is significant uncertainty in 

one parameter, as long as it is not the most sensitive parameter of the model.  The risk of 

incidence for skin cancer (Figure 5.1), however, is a very sensitive parameter, spans two 

orders of magnitudes, and is considerably larger than incidence risks from other cancers. 

Uncertainties for the skin lethality fraction were difficult to determine.  Because the 

lethality fraction is bounded by 0 and 1, and a likely value was reported, 0.002, a triangular 

distribution (Figure 5.2) was fit for the lethality fraction. 

Page 80: AN - [email protected] Home

Page: 61  

 

Figure 5.2 Input triangular distribution for skin lethality fraction with bounds of 0 and 1 and a most likely value of 0.002 

All other lethality fraction uncertainties were input as uniform distributions with 

bounds relatively close to the expected value.  In this case, the triangular distribution 

communicates much more uncertainty through to the relative detriment estimate. 

For years of life lost, not even a deterministic value was available for ICRP 103 to 

display.  The ICRP 103 Committee admitted that there was insufficient data to report 

anything other than the average years of life lost for this parameter.  Due to this lack of 

data, a uniform distribution was assumed with bounds of 0 and 30 years (Figure 5.3). 

Page 81: AN - [email protected] Home

Page: 62  

 

Figure 5.3 Input uniform distribution for skin years of life lost with bounds of 0 and 30 

5.2 Normalization 

One of the most interesting aspects of tissue weighting factors is their necessity to 

sum to unity, and therefore their dependence on one another.  Before the relative 

detriments from the uncertainty analysis could be normalized, the results from the skin 

needed to be manipulate to preserve the integrity of the data.  The results show detriment 

to the skin as 0.35, whereas the largest detriment to any other organ is for the stomach 

(0.047), nearly an order of magnitude smaller than the detriment calculated for the skin.  If 

the relative detriments were normalized without addressing this issue, the skin detriment 

would dominate the normalization, making all other organs appear less sensitive, and the 

skin appear even more sensitive. 

One can observe that the skin and bone have about the same deterministic relative 

detriments, 0.007 and 0.009, respectively (Table 2.13).   Skin and bone were also assigned 

Page 82: AN - [email protected] Home

Page: 63  the same weighting factor (0.01) in both ICRP 60 and 103, suggesting that they have 

relatively similar sensitivities to radiation.  The GM for bone from the uncertainty analysis 

was 0.003; to follow the trend of the detriments, skin was assigned an unnormalized relative 

detriment of 0.002.  This prevents skin from dominating the normalization (Table 5.1). 

Table 5.1 The normalization of the geometric means from the uncertainty analysis 

Organ  GM of Relative Detriment  Normalized GM 

Skin  0.002  0.006 Bone  0.003  0.008 Ovary  0.006  0.017 Thyroid  0.007  0.019 Esophagus  0.008  0.022 Bladder  0.011  0.030 Liver  0.017  0.047 Gonads  0.017  0.047 Colon  0.032  0.088 Bone Marrow  0.04  0.110 Stomach  0.045  0.124 Breast  0.053  0.146 Lung  0.06  0.165 Remainder  0.062  0.171 Sum  0.363  1.000 

 

5.3 ICRP 103 Tissue Weighting Factor Comparison 

A comparison of the tissue weighting factors utilized in ICRP 103 and the GM and GSD 

results from the uncertainty analysis (Table 5.2) are provided. 

   

Page 83: AN - [email protected] Home

Page: 64  Table 5.2 A comparison of the ICRP 103 tissue weighting factors and the uncertainty analysis 

Organ  ICRP 103 wT 

Normalized GM 

(Uncertainty Analysis) 

GSD (Uncertainty Analysis) 

wT Within 1 GSD of GM? 

Esophagus  0.04  0.022  4.38  TRUE Stomach  0.12  0.124  3.73  TRUE Colon  0.12  0.088  3.07  TRUE Liver  0.04  0.047  3.58  TRUE Lung  0.12  0.165  2.86  TRUE Bone  0.01  0.008  2.83  TRUE Skin  0.01  ‐‐  ‐‐   Breast  0.12  0.146  2.83  TRUE Bladder  0.04  0.030  3.70  TRUE Thyroid  0.04  0.019  3.89  TRUE Bone Marrow  0.12  0.110  4.25  TRUE Remainder  0.12  0.171  3.35  TRUE Gonads*  0.08  0.063  2.80  TRUE Salivary Glands  0.01  ‐‐  ‐‐  ‐‐ Brain  0.01  ‐‐  ‐‐  ‐‐ 

*Gonads includes risk to ovaries 

It is useful to observe how many geometric standard deviations the weighting 

factors lie away from the geometric mean.  As observed above, all tissue weighting factors 

from ICRP 103 are within one GSD of the normalized median. 

The weighting factors for the salivary glands and the brain could not be compared 

with the uncertainty analysis because the weighting factors were chosen (ICRP, 2007) based 

on the subjective belief that there was slightly more risk to those organs than the ones in 

the “remainder” category. 

As explained earlier, there was not enough data available to accurately quantify the 

uncertainty in the relative detriment to the skin; hence, no comparison could be made to 

the tissue weighting factor presented in ICRP 103. 

Page 84: AN - [email protected] Home

Page: 65  5.4 ICRP 60 Tissue Weighting Factor Comparison 

One fundamental question this paper sought to answer was, “Given their inherent 

uncertainties, have the tissue weighting factors changed in the last 30 years?”  To answer 

this question involves comparing the results of the uncertainty analysis with the tissue 

weighting factors of ICRP 60 and 26. 

Table 5.3, below, compares tissue weighting factors derived in ICRP 60 and the 

normalized GM and GSD from the ICRP 103 uncertainty analysis. 

Table 5.3 A comparison of the ICRP 60 tissue weighting factors and the uncertainty analysis 

Organ  ICRP 60 wT 

Normalized GM 

(Uncertainty Analysis) 

GSD (Uncertainty Analysis) 

wT Within 1 GSD of GM? 

wT Within 2 GSD of GM? 

Esophagus  0.05  0.022  4.38  TRUE   Stomach  0.12  0.124  3.73  TRUE   Colon  0.12  0.088  3.07  TRUE   Liver  0.05  0.047  3.58  TRUE   Lung  0.12  0.165  2.86  TRUE   Bone  0.01  0.008  2.83  TRUE   Skin  0.01  ‐‐  ‐‐     Breast  0.05  0.146  2.83  FALSE  TRUE Bladder  0.05  0.030  3.70  TRUE   Thyroid  0.05  0.019  3.89  TRUE   Bone Marrow  0.12  0.110  4.25  TRUE   Remainder  0.05  0.171  3.35  FALSE  TRUE Gonads*  0.20  0.063  2.80  FALSE  TRUE *Gonads reflects gonads and ovaries 

  All organs are still within two GSDs of the GM. The ICRP 60 weighting factor for 

gonads is farther than one GSD from the GM, even though the ICRP 103 weighting factor 

was relatively close to the GM.  This is reasonable since the ICRP changed the way they 

calculated the heritable risk to gonads from the risk to all generations in ICRP 60, to the risk 

to only the first two generations in 103. 

Page 85: AN - [email protected] Home

Page: 66    It is also not surprising that the remainder category is beyond 1 GSD from the 

normalized GM.  The ICRP 60 remainder category includes fewer tissues than the ICRP 103’s 

remainder category.  To maintain approximately the same level of sensitivity, the remainder 

category had to be given more weight in ICRP 103 to include more organs. 

Although skin uncertainty data was not available, ICRP 103 did not update the 

method of calculating skin cancer risk.  The ICRP 59 methodology was used in ICRP 103 as 

well as in ICRP 60; hence there was no change from ICRP 60 to 103. 

  Brain and salivary were not singled out in ICRP 60.  They were expressed as part of 

the remainder category.  No comparison could be made between the salivary glands and 

brain weighting factors due to the purely subjective nature of those particular weighting 

factors in ICRP 103. 

5.5 ICRP 26 Tissue Weighting Factor Comparison 

Table 5.4, below, compares tissue weighting factors derived in ICRP 26 and the GM 

and GSD from the ICRP 103 uncertainty analysis. 

Table 5.4 A comparison of the ICRP 26 tissue weighting factors and the uncertainty analysis 

Organ  ICRP 26 wT 

Normalized GM 

(Uncertainty Analysis) 

GSD (Uncertainty Analysis) 

wT Within 1 GSD of GM? 

wT Within 2 GSD of GM? 

Lung  0.12  0.165  2.86  TRUE   Bone  0.03  0.008  2.83  FALSE  TRUE Breast  0.15  0.146  2.83  TRUE   Thyroid  0.03  0.019  3.89  TRUE   Bone Marrow  0.12  0.11  4.25  TRUE   Remainder  0.30  0.171  3.35  TRUE   Gonads*  0.25  0.063  2.80  FALSE  TRUE Total:  1.00  0.626       *Gonads reflects gonads and ovaries 

Page 86: AN - [email protected] Home

Page: 67    As expected, the gonads weighting factor did lie outside of one GSD of the GM, due 

to the change in the heritable risk calculation in ICRP 103.  It is however, surprising that the 

bone surface weighting factor changed significantly (by a factor of 3) from ICRP 26 to 60.  

This could perhaps be a reflection of the progress made in internal dosimetry methods for 

alpha emitters since 1977.  Specifically, BEIR IV (1988) was not available to the ICRP 26 

Committee, but was utilized by the 60 and 103 Committees.  

  It is interesting that the ICRP 26 breast weighting factor is within 1 GSD of the ICRP 

103 normalized GM, while the ICRP 60 breast weighting factor lies outside this range.  This is 

due to the decrease in lethality over the years, but the approximately constant incidence 

rate. 

  Because ICRP calculates risk to only six organs plus a remainder category, the 

normalized GM from the ICRP 103 uncertainty analysis can be renormalized to account for 

the seven sites defined ICRP 26. 

Table 5.5 A comparison of the renormalized ICRP 26 tissue weighting factors and the uncertainty analysis 

Organ  ICRP 26 wT 

Renormalized GM 

 (Uncertainty Analysis) 

GSD (Uncertainty Analysis) 

wT Within 1 GSD of GM? 

Lung  0.12  0.242  2.86  TRUE Bone  0.03  0.012  2.83  TRUE Breast  0.15  0.214  2.83  TRUE Thyroid  0.03  0.027  3.89  TRUE Bone Marrow  0.12  0.161  4.25  TRUE Remainder  0.30  0.251  3.35  TRUE Gonads*  0.25  0.093  2.80  TRUE Total:  1.00  1.000     

*Gonads reflects gonads and ovaries 

 

Page 87: AN - [email protected] Home

Page: 68    Once the renormalization is performed (Table 5.5), all statistically significant 

differences between ICRP 103 and 26 weighting factors disappear. 

5.6 Tissue Weighting Factor Comparison Summary 

As concluded from the previous sections, the tissue weighting factors have not 

changed beyond two geometric standard deviations of the ICRP 103 uncertainties.  There is, 

however, noticeable change between the publications (Figure 5.4), as discussed below. 

 Figure 5.4 Box‐plot of the ICRP 103 uncertainty analysis data, with the deterministic tissue weighting factors from the various documents highlighted.  The box represents the middle 

two quartiles of the uncertainty analysis data.  

  Due to the publication of BEIR IV (National Research Council, 1988) the ICRP 26 

weighting factor for bone (0.03) is a factor of three different than the ICRP 60 and 103 

weighting factors, and appears outside of the inner two quartiles.  Because of the different 

method of calculation, the ICRP 26 and 60 gonads weighting factor also appears outside of 

the inner two quartiles.  The remainder category is the least consistent of any site.  This is 

Page 88: AN - [email protected] Home

Page: 69  not surprising due to the different number of organs represented in the remainder category 

from each document. 

     

Page 89: AN - [email protected] Home

Page: 70  6 Chapter 6 – Conclusion 

In the health physics community, it is commonly thought that tissue weighting factors 

are intended to be exact measures of radiation risk.  This is not the case, as can be 

concluded from the results of the previous chapters. The proper way to interpret tissue 

weighting factors is that they are an indication of organ risk, relative to other organs.  For 

example, if organ A had a tissue weighting factor of 0.20 and organ B had a weighting factor 

of 0.05, organ A is not four times as radiosensitive as organ B.  The proper interpretation 

would be to say that organ A is significantly more radiosensitive than organ B, but by an 

uncertain amount. 

  Quantification of radiation risk has come a long way since the first report published 

by the IXRPC in 1928, proposing dose limitations to medical workers exposed to radiation.  

Since then, the ICRP has published several incredibly influential documents, including ICRP 2 

(1960), 26 (1977), 60 (1991), and 103 (2007), which have guided, and continue to guide 

radiation protection methodology.  It is, however, important that the recommendations be 

fully understood before implementing, to avoid using a quantity in a way which was not 

intended.  The intent of this work, therefore was: 

• to understand the meaning of the tissue weighting factor; and 

• given their inherent uncertainties, determine how the weighting factors have 

changed over the past 30 years. 

The history of the tissue weighting factors was explored through the years, tracking 

changes to the weighting factors based on the discovery of new information about radiation 

risk. The ICRP 103 report is certainly not the last publication by the ICRP to recommend 

Page 90: AN - [email protected] Home

Page: 71  adjustments to the weighting factors.  When new data is obtained suggesting a need to 

update the weighting factors, the ICRP will release an update to ICRP 103. Judging by the 

relative frequency of the previous documents, this update won’t be at least until 2020.  Until 

then, the ICRP 103 weighting factors are the most up to date calculation of organ risk 

available to the international community. 

The ICRP 26 tissue weighting factors were based only on the risk of fatal cancer to six 

organs plus a remainder category (five organs).  The ICRP 60 Committee used risk of fatal 

cancer in its calculation, but also incorporated the lethality (to determine risk from non‐fatal 

cancers), genetic risk (only to gonads), and years of life lost from a particular cancer for 

twelve organs plus a remainder (ten organs).  The ICRP 103 report uses a similar calculation, 

but uses cancer incidence instead of mortality, and a factor to account for the pain and 

suffering from the development and treatment of a particular cancer for fourteen organs 

plus a remainder (fourteen organs). 

The ICRP 103 tissue weighting factors are a complex set of numbers that say a lot more 

than one might think at first glance.  They not only attempt to measure the likelihood of 

cancer in a particular organ, but also the lethality, pain and suffering, and the years of life 

lost. Each weighting factor also is not necessarily representative of relative detriment.  Four 

fairly arbitrary factors are selected and organs are assigned weighting factors based the 

necessity to sum to unity, which implies that the weighting factors are not independent of 

one another.   Because the weighting factors measure risk relative to other organs, one 

organ’s radiosensitivy influences all other organ’s weighting factors.  For example, if organ A 

Page 91: AN - [email protected] Home

Page: 72  is particularly radiosensitive, it will make organ B appear less radiosensitive relative to organ 

A, even though organ B’s absolute radiosensitivity is not dependant on other organs.  

In light of the results from the uncertainty analysis above, it is suggested that 10.CFR.20 

be updated to reflect a mixture of the ICRP 26 and 103 methodologies.  Specifically, the 

tissue weighting factors could be calculated using only cancer mortality data (as in ICRP 26) 

for the fourteen organs (plus remainder) defined in ICRP 103.  This method would 

significantly simplify the definition of the tissue weighting factors without changing them 

beyond the bounds of uncertainties introduced by the additional complexities of ICRP 103. 

It is not surprising that there is dialog regarding the usefulness of updating the radiation 

weighting factors.  According to this work, other than including more organs, there has been 

no appreciable change of the tissue weighting factors in the last 30 years; however, given 

the right conditions, there could be a significant difference in the recorded effective dose.  

     

Page 92: AN - [email protected] Home

Page: 73  Bibliography  

Boetticher, H. V., Lachmund, J., Looe, H. K., Hoffmann, W., & Poppe, B. (2008). 2007 recommendations of the ICRP change basis for estimation of the effective dose; what is the impact on radiation dose assessment of patient and personnel? (In English). Publication: Ro Fo; Fortschritte auf dem Gebiete der Ro ntgenstrahlen und der Nuklearmedizin, 180(5), 391‐395. 

Borchardt, R. W. (2008). Options to revise radiation protection regulations and guidance with respect to the 2007 recommendations of the International Commission on Radiological Protection. 

Hamby, D. M. (1993). A probabilistic estimation of atmospheric tritium dose. Health Physics, 65(1), 33‐40. 

ICRP. (1951). International Recommendations on Radiological Protection.  Revised by the International Commission on Radiological Protection and the 6th International Congress of Radiology. Br. J. Radiol. (pp. 46‐53). London. 

ICRP. (1955). Recommendations of the International Commission on Radiological Protection. 

ICRP. (1959). Recommendations of the International Commission on Radiological Protection.  ICRP Publication 1. Oxford, UK: Pergamon Press. 

ICRP. (1960). Report of Committee II on Permissible Dose for Internal Radiation (1959). ICRP Publication 2, 3. 

ICRP. (1966). Recommendations of the International Commission on Radiological Protection.  ICRP Publication 9. Oxford, UK: Pergamon Press. 

ICRP. (1973). Recommendations of the International Commission on Radiological Protection.  ICRP Publication 22. Oxford, UK: Pergamon Press. 

ICRP. (1977). Recommendations of the International Commission on Radiological Protection. Annals of the ICRP Publication 26, 1(3). 

ICRP. (1982). ICRP Publication 30: Limits for Intakes of Radionuclides by Workers. Annals of the ICRP Publication 30, 6(1‐3). 

ICRP. (1982). Protection Against Ionizing Radiation from External Sources Used in Medicine. Annals of the ICRP Publication 33, 9(1). 

ICRP. (1991). 1990 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection. ICRP Publication 60, Annals of the ICRP, 21(1‐3). 

ICRP. (1992). The biological basis for the dose limitation in the skin. ICRP Publication 59. 

ICRP. (2007). The 2007 Recommendations of the International Commission of Radiological Protection. ICRP Publication 103, Annals of the ICRP, 37(2‐4). 

Page 93: AN - [email protected] Home

Page: 74  ICRP. (2008). Book Review: ICRP Publication 103: Recommendations of the ICRP. Radiation 

Protection Dosimetry, 129(4), 500‐507. 

ICRU. (1970). Linear Energy Transfer. International Commission on Radiation Units and Measurements, ICRU Report 16. 

ICRU. (1971). Radiation Quantities and Units. International Commission on Radiation Units and Measurements, ICRU Report 19. 

IXRPC. (1928). X ray and Radium Protection.  Recommendations of the 2nd International Congress of Radiology. Br. J. Radiol., 12, 359‐363. 

IXRPC. (1934). International Recommendations for X ray and Radium Protection.  Revised by the International X ray and Radium Protection Commission and adopted by the 4th International Congress of Radiology. Br. J. Radiol., 7, 1‐5. 

Kathren, R., & Parker, H. M. (1986). Publications and Other Contributions to Radiological and Health Physics. Battelle Press. Retrieved April 8, 2009, from http://www.orau.org/PTP/articlesstories/names.htm. 

Land, C. E., & Sinclair, W. K. (1991). The relative contributions of different organ sites to the total cancer mortality associated with low‐dose radiation exposure. Annals of the ICRP, 22, 31‐57. 

Land, C. E., Hayakawa, N., Machado, S. G., Yamada, Y., Pike, M. C., Akiba, S., et al. (1994). A Case‐Control Interview Study of Breast Cancer among Japanese A‐Bomb Survivors. I. Main Effects. Cancer Causes & Control, 5(2), 157‐165. 

Leggett, R. W. (2001). Reliability of the ICRP's dose coefficients for members of the public. 1. Sources of uncertainty in the biokinetic models. Radiation Protection Dosimetry, 93(3), 199‐213. 

Lindell, B., Dunster, H. J., & Valentin, J. (1998). International Commission on Radiological Protection: History, Policies, Procedures. Swedish Radiation Protection Institute, SE‐171(16). 

Lubin, J. H., Jr., J. D. B., Edling, C., Hornung, R. W., Howe, G. R., Kunz, E., et al. (1995). Lung Cancer in Radon‐Exposed Miners and Estimation of Risk From Indoor Exposure. Journal of the National Cancer Institute, 87, 817‐827. 

National Academy of Sciences. (1980). The Effects on Populations of Exposure to Low Levels of Ionizing Radiation. The Biological Effects of Ionizing Radiations. Washington, D.C.: National Research Council. 

National Program of Cancer Registries (NPCR). (2001). United States Cancer Statistics (USCS). Retrieved June 10, 2009, from http://apps.nccd.cdc.gov/uscs/. 

Page 94: AN - [email protected] Home

Page: 75  National Research Council. (1988). Health Risks of Radon and Other Internally Deposited 

Alpha‐Emitters. BEIR IV. Biological Effects of Ionizing Radiation. Washington, D.C.: National Research Council of the National Academies. 

National Research Council. (1990). Health Risks from Exposure to Low Levels of Ionizing Radiation: BEIR V. Biological Effects of Ionizing Radiation. Washington D.C.: National Academy Press. 

National Research Council. (2006). Health Risks from Exposure to Low Levels of Ionizing Radiation: BEIR VII Phase 2. Biological Effects of Ionizing Radiation. Washington D.C.: National Research Council of the National Academies. 

National Research Council, & National Academy of Sciences. (1972). The Effects on Populations of Exposure to Low Levels of Ionizing Radiation.  Report of the Advisory Committee on the Biological Effects of Ionizing Radiations. BEIR I. Washington, D.C. 

Pierce, D. A., Sharp, G. B., & Mabuchi, K. (2003). Joint Effects of Radiation and Smoking on Lung Cancer Risk among Atomic Bomb Survivors. Radiation Research, 159, 511‐520. 

Prasad, K. N. (1995). Radiobiology: Handbook of ‐  (2nd ed.). Boca Raton, Florida: CRC. 

Preston, D. L., Ron, E., Tokuoka, S., Funamoto, S., Nishi, N., Soda, M., et al. (2007). Solid Cancer Incidence in Atomic Bomb Survivors: 1958–1998. Radiation Research, 168, 1‐64. 

Preston, D. L., Mattsson, A., Holmberg, E., Shore, R., Hildreth, N. G., & Jr., J. D. B. (2002). Radiation Effects on Breast Cancer Risk: A Pooled Analysis of Eight Cohorts. Radiation Research, 158, 220‐235. 

Preston, D. L., Pierce, D. A., Shimizu, Y., Cullings, H. M., Fujita, S., Funamoto, S., et al. (2004). Effect of Recent Changes in Atomic Bomb Survivor Dosimetry on Mortality Risk Estimates. Radiation Research, 162, 377‐389. 

Preston, D. L., Shimizu, Y., Pierce, D. A., Suyama, A., & Mabuchi, K. (2003). Studies of Mortality of Atomic Bomb Survivors. Report 13: Solid Cancer and Noncancer Disease Mortality: 1950–1997. Radiation Research, 160, 381‐407. 

Russ, S. (1918). A suggestion for a new X‐ray unit in radiotherapy. Archives of Radiology and Electrotherapy, (23), 226‐32. 

Taylor, L. (1990). 80 Years of Quantities and Unites ‐ Personal Reminiscences. ICRU News. 

Travis, L. B., Gospodarowicz, M., Curtis, R. E., Clarke, E. A., Anderson, M., Glimelius, B., et al. (2002). Lung Cancer Following Chemotherapy and Radiotherapy for Hodgkin's Disease. Journal of the National Cancer Institute, 94, 182‐192. 

UNSCEAR. (2000). Sources and Effects of Ionizing Radiation. UNSCEAR Report to the General Assembly, Volume II: Effects. New York: United Nations. 

Page 95: AN - [email protected] Home

Page: 76  UNSCEAR. (2001). United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation.  

Hereditary Effects of Radiation.  The 2002 Report to the General Assembly with Scientific Annex. New York: United Nations. Retrieved June 12, 2009, from http://www.unscear.org/docs/reports/2001/2001Annex_pages%208‐160.pdf. 

Vietti‐Cook, A. L. (2009). Staff Requirements ‐ SECY‐08‐0197 ‐ Options to Revise Radiation Protection Regulations and Guidance With Respect to the 2007 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection. NRC. 

   

Page 96: AN - [email protected] Home

Page: 77   

 

 

 

 

 

 

APPENDICIES 

   

Page 97: AN - [email protected] Home

Page: 78  Appendix A – Steps in the development of the tissue weighting system, taken from (ICRP, 

2007) 

  ICRP 103 listed a very detailed procedure that was heavily utilized in this work.  It is 

presented in ICRP 103 (2007) as Box A.1, page 191. 

  The development of the tissue weighting system was based upon relative radiation 

detriment primarily for cancer.  The sequential steps used were as follows: 

• Determine lifetime cancer incidence risk estimates for radiation‐associated cancers: 

for 14 organs or tissues, male and female lifetime excess cancer risk were estimated 

using both the excess relative risk (ERR) and excess absolute risk (EAR) models and 

were then averaged across sexes. 

• Apply a dose and dose‐rate effectiveness factor (DDREF): the lifetime risk estimates 

were adjusted downward by a factor of two to account for a DDREF (except for 

leukemia, where the linear‐quadratic model for risk already accounts for the 

DDREF). 

• Transfer risk estimates across populations: To estimate radiation risk for each 

cancer site, a weighting of ERR and EAR lifetime risk estimates was established that 

provided a reasonable basis for generalizing across populations with different 

baseline risks (ERR:EAR weights of 0:100% were assigned for breast and bone 

marrow, 100:0% for thyroid and skin, 30:70% for lunch and 50:50% for all others). 

• Nominal risk coefficients: these weighted risk estimates, when applied to and 

averaged across seven western and Asian populations, provided the nominal risk 

coefficients given in tables A.4.1 and A.4.2 [in ICRP 103]. 

Page 98: AN - [email protected] Home

Page: 79  

• Adjustment for lethality: The lifetime risks for respective cancer sites, which were 

based on excess incident cancers, were converted to fatal cancer risks by 

multiplying by their lethality fractions, as derived from representative national 

cancer survival data. 

• Adjustment for quality of life: A further adjustment was applied to account for the 

morbidity and suffering associated with non‐fatal cancers. 

• Adjustment for years of life lost: since the age distributions of types of cancers 

differ, the average ages of several types of cancer were estimated from national 

cancer data and converted to average years of life lost when a cancer occurs.  An 

adjustment for years of life lost was then applied to the result of the previous steps. 

• Radiation detriment: The results of the calculations above yielded and estimate of 

radiation detriment associated with each type of cancer.  These, when normalized 

to sum to unity, constitute the relative radiation detriments in table A.4.1 [in ICRP 

103] 

• Tissue weight factors: since the detailed relative radiation determents in Table A.4.1 

[in ICRP 103] are imprecise because of uncertainties associated with their 

estimation, they were grouped into four categories broadly reflecting the relative 

detriments.  A group of residual ‘remainder tissues’ was also added to account for 

radiation risks to organs or tissues for which detailed radiation risk calculations were 

uninformative.  

   

Page 99: AN - [email protected] Home

Page: 80  Appendix B – A summary of all input parameters in the uncertainty analysis 

Table B.1 Nominal risk input parameters used in the uncertainty analysis 

Parameter  Distribution Type  Mean*  Standard Deviation** 

 Nominal Risk       

   Esophagus  Log‐Normal  15.1  3 

   Stomach  Log‐Normal  79.1  2.4 

   Colon  Log‐Normal  65.4  1.50 

   Liver  Log‐Normal  30.3  2.20 

   Lung  Log‐Normal  114.2  1.40 

   Bone  Normal  7  1.8 

   Skin  Log‐Normal  1000  3 

   Breast  Log‐Normal  112.1  1.41 

   Ovary  Log‐Normal  10.6  1.41 

   Bladder  Log‐Normal  43.4  2.35 

   Thyroid  Log‐Normal  32.5  2.89 

   Bone Marrow  Log‐Normal  41.9  2.35 

   Gonads  Beta  21.4  1.86 

   Remainder  Log‐Normal  143.8  1.85 

* For log‐normal distributions, GM is displayed; for normal distributions, regular mean; for triangular distributions, most likely value 

** For log‐normal distributions, GSD is displayed, for normal distributions, regular SD, for triangular and uniform distributions, bounds 

   

Page 100: AN - [email protected] Home

Page: 81  

Table B.2 Lethality fraction input parameters used in the uncertainty analysis 

Parameter  Distribution Type  Mean*  Standard Deviation** 

  Lethality Fraction     

    Esophagus  Uniform  ‐‐  0.92, 0.95 

    Stomach  Uniform  ‐‐  0.82, 0.86 

    Colon  Uniform  ‐‐  0.47, 0.49 

    Liver  Uniform  ‐‐  0.94, 0.96 

    Lung  Uniform  ‐‐  0.88, 0.89 

    Bone  Uniform  ‐‐  0.44, 0.47 

    Skin  Triangular  0.002  0, 1 

    Breast  Uniform  ‐‐  0.28, 0.30 

    Ovary  Uniform  ‐‐  0.56, 0.58 

    Bladder  Uniform  ‐‐  0.28, 0.30 

    Thyroid  Uniform  ‐‐  0.06, 0.08 

    Bone Marrow  Uniform  ‐‐  0.66, 0.68 

    Gonads  Uniform  ‐‐  0.56, 0.81 

    Remainder  Triangular  0.49  0, 1 * For log‐normal distributions, GM is displayed; for normal distributions, regular mean; for triangular distributions, most likely value   

** For log‐normal distributions, GSD is displayed, for normal distributions, regular SD, for triangular and uniform distributions, bounds 

   

Page 101: AN - [email protected] Home

Page: 82  

Table B.3 Minimum lethality weight input parameters used in the uncertainty analysis 

Parameter  Distribution Type  Mean*  Standard Deviation** Minimum Lethality Weight (qmin) 

   

   Esophagus  Triangular  0.1  0, 0.3 

   Stomach  Triangular  0.1  0, 0.3 

   Colon  Triangular  0.1  0, 0.3 

   Liver  Triangular  0.1  0, 0.3 

   Lung  Triangular  0.1  0, 0.3 

   Bone  Triangular  0.1  0, 0.3 

   Skin  Triangular  0.0  0, 0.3 

   Breast  Triangular  0.1  0, 0.3 

   Ovary  Triangular  0.1  0, 0.3 

   Bladder  Triangular  0.1  0, 0.3 

   Thyroid  Triangular  0.2  0, 0.3 

   Bone Marrow  Triangular  0.1  0, 0.3 

   Gonads  Triangular  0.1  0, 0.3 

   Remainder  Triangular  0.1  0, 0.3 

* For log‐normal distributions, GM is displayed; for normal distributions, regular mean; for triangular distributions, most likely value   

** For log‐normal distributions, GSD is displayed, for normal distributions, regular SD, for triangular and uniform distributions, bounds 

   

Page 102: AN - [email protected] Home

Page: 83  

Table B.4 Relative length of life lost input parameters used in the uncertainty analysis 

Parameter  Distribution Type  Mean*  Standard Deviation** 

 Relative length of life lost 

   

   Esophagus  Log‐Normal  13.05  1.71 

   Stomach  Log‐Normal  13.20  1.82 

   Colon  Log‐Normal  14.55  1.77 

   Liver  Log‐Normal  13.20  1.81 

   Lung  Log‐Normal  12.00  1.69 

   Bone  Uniform  ‐‐  0, 30 

   Skin  Uniform  ‐‐  0, 30 

   Breast  Log‐Normal  19.35  1.66 

   Ovary  Log‐Normal  16.80  1.72 

   Bladder  Log‐Normal  10.65  1.76 

   Thyroid  Log‐Normal  19.35  1.76 

   Bone Marrow  Log‐Normal  24.45  2.31 

   Gonads  Log‐Normal  19.80  1.72 

   Remainder  Triangular  15.45  0, 30 

* For log‐normal distributions, GM is displayed; for normal distributions, regular mean; for triangular distributions, most likely value   

** For log‐normal distributions, GSD is displayed, for normal distributions, regular SD, for triangular and uniform distributions, bounds 

   

Page 103: AN - [email protected] Home

Page: 84  Appendix C – Relative detriment plots generated by Crystal Ball 

 

Figure C.1 Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the esophagus relative detriment 

 

Figure C. 2 Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the stomach relative detriment 

Page 104: AN - [email protected] Home

Page: 85  

 

Figure C.3 Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the colon relative detriment 

 

 

Figure C.4 Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the liver relative detriment 

Page 105: AN - [email protected] Home

Page: 86   

 

Figure C.5 Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the lung relative detriment 

 

Figure C.6 Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the bone relative detriment 

Page 106: AN - [email protected] Home

Page: 87   

 

Figure C.7 Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the skin relative detriment 

 

Figure C.8 Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the breast relative detriment 

Page 107: AN - [email protected] Home

Page: 88   

 

Figure C.9 Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the ovary relative detriment 

 

Figure C.10 Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the bladder relative detriment 

Page 108: AN - [email protected] Home

Page: 89  

 

Figure C.11 Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the thyroid relative detriment 

 

Figure C.12 Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the bone marrow relative detriment 

Page 109: AN - [email protected] Home

Page: 90  

 

Figure C.13 Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the gonads relative detriment 

 

Figure C.14 Crystal Ball graphical output for the results of the uncertainty analysis on the remainder relative detriment