Les études épidémiologiques analysent la fréquence et la distribution des maladies au sein des populations. En général, ces études visent à déterminer le lien (éventuel) entre l'exposition à des agents suspectés de causer des maladies et des effets sur la santé, en comparant des populations. Il y a trois types courants d'études épidémiologiques. Les études (ou enquêtes) cas-témoin comparent les expositions de gens qui ont une certaine maladie avec celles de gens qui n'en sont pas atteints. Les études de cohortes examinent les différences de taux d'une affection donnée (taux de morbidité) entre des populations exposées et non exposées. Les études écologiques étudient le taux de cette affection pour une population vivant dans une aire géographique donnée, en se basant sur des mesures moyennes d'exposition. Les études écologiques sont moins précises que les deux autres types d'études parce qu'elles ne sont pas basées sur la véritable exposition des individus, et leurs résultats doivent être traités avec prudence.

Dans les études de cohortes, dans lesquelles existe une population exposée bien définie, les épidémiologistes calculent le risque relatif (ou le rapport de risque) de la population exposée en examinant le taux de morbidité ou de mortalité chez les populations exposées et en le divisant par le taux dans les populations non exposées. Les études épidémiologiques peuvent aussi comparer le nombre de morts par cancer dans la population étudiée avec les taux au sein de la population générale. Le risque attribuable (ou en excès) est calculé en prenant la différence (par opposition au ratio) entre les taux de morbidité ou de mortalité des populations exposées et non exposées. Dans toutes les études épidémiologiques, il est important que les populations étudiées soient ajustées en fonction de facteurs tels que l'âge, le sexe et les habitudes de vie (comme la consommation de tabac) parce que les taux de morbidité peuvent différer grandement d'un groupe à l'autre.

Les études de reconstitution de dose font l'estimation de l'exposition des individus ou d'une population à un agent néfaste pour la santé, comme les rayonnements ionisants. Pour estimer cette exposition, il est essentiel de connaître la quantité de polluant rejetée dans un milieu particulier, comme l'air ou l'eau, à partir d'une source de pollution (appelée terme source), ou d'avoir un historique précis des concentrations de polluants dans l'air, l'eau et le sol. L'analyse des voies de transfert clarifie les façons souvent complexes par lesquelles les polluants atteignent les gens à travers l'environnement, permettant ainsi de convertir les estimations de rejets en estimations de dose. Par exemple, les polluants peuvent être simultanément inhalés de l'air et ingérés en buvant de l'eau contaminée ou en mangeant de la nourriture contaminée. De plus, une population peut recevoir à la fois des doses externes et internes. Les études de reconstitution de doses peuvent être menées indépendamment des études épidémiologiques, mais elles peuvent également aider les épidémiologistes à regrouper plus précisément les populations exposées.

Les reconstitutions de dose et les études épidémiologiques peuvent être de puissants outils pour déterminer la relation entre un polluant et une conséquence sanitaire. Néanmoins, certaines complications peuvent opacifier leurs résultats:

• Données incorrectes ou incomplètes sur les polluants. En général, il est plus facile d'estimer les doses pour des travailleurs, qui sont souvent l'objet d'une certaine surveillance (même si elle est souvent inadéquate), que pour les populations avoisinantes pour lesquelles les données ne sont en général pas disponibles. Néanmoins, les données sur les substances toxiques non radioactives sont souvent manquantes aussi bien pour les travailleurs que pour les populations à l'extérieur du site.

• Difficulté de séparer les populations exposées de celles qui ne le sont pas. Des populations peuvent être regroupées de manière incorrecte à cause d'informations médiocres ou incomplètes. Par exemple, des groupes de travailleurs ont souvent été réunis sur la base des doses externes provenant des rayonnements bêta et gamma parce que les données concernant les doses d'irradiation internes font défaut. Si les personnes exposées ne peuvent être regroupées par niveaux de dose appropriés, alors l'estimation de l'augmentation du risque devient très difficile. C'est particulièrement le cas si une petite proportion de gens ayant subi une forte exposition est mêlée à un nombre beaucoup plus grand de gens qui n'ont subi qu'une exposition relativement faible.

• Difficulté dans le suivi des individus sur de longues périodes. Le laps de temps entre l'exposition et l'apparition d'une maladie (appelée "temps de latence") peut s'étendre sur de nombreuses décennies, comme dans le cas des cancers ou des effets sur les générations suivantes comme les malformations congénitales.

• Des diagnostics erronés ou une cause de la mort insuffisamment établie.

• Les incertitudes issues de l'interaction entre l'exposition professionnelle et dans le milieu de vie et d'autres facteurs comme le sexe, l'âge, le régime alimentaire, la consommation de tabac.

• Effets synergiques. Les populations sont souvent exposées à plus d'un agent nocif, et les effets synergiques de ces agents ne sont pas bien connus.

• Une attention disproportionnée accordée aux cancers. Des substances toxiques ont des effets non cancérigènes, comme les malformations congénitales et les atteintes au système immunitaire, qu'on commence seulement à comprendre et qui sont de ce fait souvent négligés.

• La combinaison entre une faible population exposée et la faible occurrence de base de beaucoup de maladies conduisent à d'importantes incertitudes statistiques. Comme il y a des différences considérables dans la manière dont des personnes différentes réagissent aux agents nocifs, il doit y avoir des nombres de gens suffisants dans une étude épidémiologique pour déterminer avec une raisonnable certitude s'il y a une aggravation du risque.

• Pour toutes sortes de raisons, il y a généralement d'importantes incertitudes sur les effets sur la santé des faibles expositions à des rayonnements ionisants et à d'autres agents toxiques.