張 昭， 方美華， 楊 航

（南京航空航天大學(xué)航天工程系， 南京 210016）

1 引言

空間輻射是載人航天飛行中威脅航天員生命安全的重要環(huán)境因素之一，粒子穿過屏蔽防護(hù)后，作用于人體，可引起組織的物理損傷，降低人體免疫力，增加患癌的發(fā)病率。 空間站運行在地球低軌，航天員主要面臨來自地球俘獲輻射帶的輻射。 通過模擬仿真的方法計算航天員及其體內(nèi)組織器官的生物學(xué)劑量，是評估航天員輻射風(fēng)險的主要手段。

在空間輻射劑量預(yù)估計算方面，美國空間輻射分析小組提出了自動繪制和縮放成年男女混合模型的方法，利用自動縮放程序?qū)δ行曰蛘吲缘捏w模進(jìn)行調(diào)整，使其與激光測量的航天員外部輪廓相匹配，進(jìn)而得到航天員數(shù)字體模，再通過蒙特卡羅方法計算劑量學(xué)參數(shù)。 NASA 也專門研發(fā)了針對太陽質(zhì)子事件的BRYNTRN （Baryon Transport）程序，結(jié)合擬人化解剖模型，模擬計算航天員在太陽粒子事件中的器官劑量沉積。利用蒙特卡羅方法結(jié)合數(shù)字體模進(jìn)行空間輻射劑量計算是國內(nèi)目前采取的主要研究方法，張斌全等采用Fortran90 語言編寫了空間輻射劑量計算程序，結(jié)合CNMAN （Chinese Adult Male Voxel Phantom）人體數(shù)字模型，計算航天員器官的通量——器官劑量轉(zhuǎn)換因數(shù)，并估算出航天員在空間輻射中所受的劑量。 賈向紅等建立了基于MRI （Magnetic Resonance Imaging）和輻射數(shù)據(jù)庫的男性體素人體模型，采用蒙特卡羅粒子輸運程序Geant4 計算得到各器官的劑量沉積。 但是目前使用的數(shù)字體模多為標(biāo)準(zhǔn)體模，與中國航天員的身體相關(guān)參數(shù)有出入，會帶來計算誤差。因此，構(gòu)建基于航天員個性化的數(shù)字體模，是得到精確劑量值的前提，也是精確評估航天員輻射損傷和風(fēng)險的基礎(chǔ)。

本文運用計算機斷層掃描（Computed Tomography，CT）技術(shù)，構(gòu)建了一款中國人體CT 影像的數(shù)字體模，采用蒙特卡羅軟件Geant4 對其進(jìn)行研究，計算不同艙壁厚度條件下人體各個關(guān)鍵器官的生物學(xué)劑量，并對其進(jìn)行分析。

2 人體數(shù)字模型構(gòu)建

本文采用計算機斷層掃描技術(shù)收集到的中國男性影像數(shù)據(jù)構(gòu)建了試驗所使用的體素模型，如圖1 所示。 該模型委托中山醫(yī)院采集人體標(biāo)本數(shù)據(jù)建立，數(shù)據(jù)集的標(biāo)本來自身高176 cm，體重65 kg 的25 歲中國成年男性。 采用Discovery NM／CT 670 設(shè)備對該男子進(jìn)行CT 全身掃描，得到由一定數(shù)目、不同灰度的像素按矩陣排列所構(gòu)成的CT 影像，其中像素反映了相應(yīng)體素的X 射線吸收系數(shù)。 吸收系數(shù)與人體不同組織器官的密度有關(guān)，組織器官密度越大，吸收系數(shù)越大，可以通過CT 數(shù)值識別出人體不同的組織器官，各組織器官CT（Hu）值及元素占比如表1所示。 本文利用CT 值作為輻射與人體劑量吸收的橋梁，依據(jù)CT 值從小到大將人體劃分為肺、脂肪、軟組織、心臟、大腦、肌肉、腎臟、肝臟、腸、胰腺、脾臟等12 個組織器官。

表1 組織器官CT 值及元素占比Table 1 CT value and element proportion of tissues and organs

圖1 構(gòu)建的體素體模Fig.1 The constructed voxel phantom

不同CT 設(shè)備所得圖像的像素大小及數(shù)目不同，本文采集的CT 圖像共659 層，每層的分辨率為512×512，共有172 752 896 個像素，體素大小為0.976 562 mm× 0.976 562 mm×3 mm。 像素數(shù)目越多，構(gòu)成圖像越細(xì)致，即空間分辨率（Spatial Resolution）越高。

3 模型和計算方法

本文采用蒙特卡羅軟件Geant4 開展模擬仿真，研究人體數(shù)字體模在不同等效鋁屏蔽厚度下，空間輻射在各組織器官中所產(chǎn)生的劑量沉積。 首先在程序中構(gòu)建航天器及等效鋁屏蔽層。 在航天飛行中，被動防護(hù)采取的屏蔽一般分為3 個等級：①航天服屏蔽等級，等效鋁屏蔽層質(zhì)量厚度為1 g／cm或者0.2～0.5 g／cm；②航天器屏蔽等級，等效鋁屏蔽層質(zhì)量厚度為2 ～5 g／cm；③應(yīng)對太陽質(zhì)子事件的高屏蔽等級，等效鋁屏蔽層厚度為10～20 g／cm。 本文采用鋁作為屏蔽材料，等效鋁屏蔽厚度的確定策略為：艙外活動0 g／cm， 航天服屏蔽等級1 g／cm，航天器屏蔽等級2 g／cm，5 g／cm以及太陽粒子事件屏蔽等級 10g／cm， 20 g／cm， 鋁密度設(shè)置為2.7 g／cm。 根據(jù)空間站核心艙的圓柱體空間形態(tài)，本文構(gòu)建了長為3 m，半徑為1.1 m 的航天器艙模擬圓柱體。 仿真時，將體素體模放入艙體中心，模擬航天器艙在空間輻射場中的受照場景，空間站運行軌道為地球低軌，軌道高度位于輻射俘獲帶內(nèi)帶，俘獲帶內(nèi)帶的電子模型為AE8 模型，俘獲帶的質(zhì)子模型為AP8 模型。 因此，AE8、AP8模型可以基本代表空間站所處的輻射環(huán)境。 其中，粒子入射方向設(shè)定為各項同性，在4π 范圍內(nèi)均勻入射，粒子入射數(shù)目設(shè)定為10 億個，如圖2 所示。 圖中白色線條代表空間輻射粒子及入射方向，白色方框代表航天器艙體。 體素體模受到通過不同等效鋁屏蔽層厚度下宇宙射線照射，在各個組織器官中產(chǎn)生劑量沉積。

圖2 航天員在空間中的照射模擬圖Fig.2 Simulated irradiation diagram of astronaut in space

在仿真物理過程中，根據(jù)模擬空間輻射粒子為內(nèi)輻射帶的電子和質(zhì)子，選擇QGSP＿BERT＿EMV（Geant4 中提供強相互作用的物理類）物理過程包來構(gòu)建Geant4 物理模型，同時考慮強相互作用過程，即空間輻射粒子會與目標(biāo)原子核發(fā)生相互作用，包括粒子與原子核的衰變等，核子－核子碰撞過程沒有嚴(yán)格的邊界，但可以根據(jù)能量和碰撞參數(shù)區(qū)分為4 種主要類型：①低能量下，碰撞導(dǎo)致中心碰撞的不完全融合；②低能量下，外圍的彈性散射或者非彈性散射碰撞；③更高能量下，中心碰撞會分裂成幾個較輕的核子；④更高能量下，外圍碰撞也會在一片小區(qū)域造成影響。 每個強子過程有一個或多個與之相關(guān)的數(shù)據(jù)集，并且大多數(shù)強子過程需要明確模型，強子模型一般有參數(shù)化驅(qū)動模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動模型以及理論驅(qū)動模型。許多模型都具有默認(rèn)數(shù)據(jù)集，彈性散射跟非彈性散射各有6 個數(shù)據(jù)集。 本文計算彈性散射所采用的數(shù)據(jù)集為G4LElastic，而計算中非彈性散射采取的數(shù)據(jù)集為G4BinaryCascade。 原則上，模擬過程中需要追蹤輸運過程中創(chuàng)建的所有初級和次級粒子，直至粒子停止。 為提高計算效率縮短模擬時間，需設(shè)置產(chǎn)生次級粒子的截斷射程閾值，以限制需要追蹤的次級粒子數(shù)量，本文設(shè)置的射程閾值為0.1 mm。 當(dāng)粒子的射程大于該閾值，產(chǎn)生次級粒子；當(dāng)粒子的射程低于該閾值，粒子直接沉積能量，并得到輻射劑量沉積。

在計算結(jié)果的處理上，程序直接輸出的是每個體素的劑量沉積，構(gòu)建體模共有172 752 896 個體素，將每個器官所包含的體素進(jìn)行求和。 與每個器官的CT 值一一配對，編寫Matlab 代碼，調(diào)用材料庫中的物質(zhì)信息，將體素與各組織器官對應(yīng)起來，得到每個器官的劑量沉積。

4 結(jié)果與分析

本文模擬計算在Linux 系統(tǒng)的服務(wù)器上運行，所采用的Linux 版本為Ubuntu18.04LTS，Geant4 版本為Geant4.10.06。 由于空間站運行軌道屬于地球低軌，軌道的輻射主要來源于地球輻射帶。 因此，本文采用電子模型AE8 和質(zhì)子模型AP8 分別計算輻射帶電子和質(zhì)子的微分能譜，如圖3 所示。

圖3 極大年中國空間站輻射環(huán)境模擬計算能譜Fig.3 Calculation of environmental radiation energy spectrum in China Space Station during solar maximum

從圖3 可以看出，在極大年條件下，質(zhì)子能量介于0.1 ～500 MeV，隨著能量的增加，通量隨屏蔽降低。 電子能量相對質(zhì)子來說較小，介于0.6 ～8 MeV 之間，同樣隨著能量的增加，通量迅速降低，且其微分譜隨能量變化量級比較大。能量越大，射線穿過屏蔽層照射到航天員的幾率越大。 采用Geant4 所計算的在不同等效鋁屏蔽厚度條件下，被屏蔽材料阻擋的電子和質(zhì)子的最大能量，如表2 所示。 從表中可以看出，當(dāng)?shù)刃тX屏蔽厚度為5 g／cm時，能阻擋的電子能量達(dá)到8.5 MeV，基本能夠?qū)⑤椛鋷щ娮悠帘卧谂撏狻?而輻射帶質(zhì)子的最高能量＞500 MeV，一般艙壁輻射無法阻擋全部能量的質(zhì)子，因此艙內(nèi)航天員的輻射劑量主要來源于輻射帶質(zhì)子的貢獻(xiàn)。 從圖3 可以看出質(zhì)子通量雖然較大，但是能量普遍很低（97%在100 MeV 以內(nèi)），等效鋁屏蔽10 g／cm的厚度足以屏蔽大部分的質(zhì)子，一般在應(yīng)對大的太陽粒子事件時采用10 g／cm以上厚度的等效鋁屏蔽。

表2 不同屏蔽厚度能阻止的電子和質(zhì)子的平均能量Table 2 Average energy of electrons and protons blocked by different shielding thickness

在等效鋁屏蔽層厚度為0，1，2，5，10 g／cm及20 g／cm條件下計算大腦、心臟、腸、皮膚、肝臟、腎臟、軟組織、胰腺、脾臟跟肌肉在AE8、AP8 環(huán)境下的吸收劑量，計算結(jié)果如表3 所示。

表3 關(guān)鍵組織器官吸收劑量Table 3 Absorbed dose of key tissues and organs mGy／d

通過表3 可以看出，在無等效鋁屏蔽條件下，皮膚每天的吸收劑量為3.766 mGy，參考空間輻射場中品質(zhì)因數(shù)為1.81，計算得到皮膚全年的劑量當(dāng)量為2.488 Gy，僅3 年劑量當(dāng)量值就大于NASA 規(guī)定的皮膚劑量當(dāng)量終身限值6 Gy，當(dāng)加1 g／cm等效鋁屏蔽后，皮膚每天的吸收劑量降低至0.313 mGy，僅為無等效鋁屏蔽下吸收劑量的8%左右；在10 g／cm等效鋁屏蔽厚度下，皮膚吸收劑量可降低至無等效鋁屏蔽時劑量的0.37%左右，可見鋁屏蔽層對于空間粒子防護(hù)相當(dāng)有效。 除皮膚外，其他器官每天的吸收劑量都低于1.5 mGy，從無等效鋁屏蔽層到1 g／cm等效鋁厚度防護(hù)下會有一個明顯的減小，且組織器官密度越大，同等輻射強度下，組織器官吸收劑量越大；在5 g／cm等效鋁屏蔽厚度下所有組織器官每天的吸收劑量都降至1 mGy以下，符合航天器屏蔽等級的屏蔽效果；而當(dāng)?shù)刃тX屏蔽厚度達(dá)到20 g／cm后，所有組織器官吸收劑量雖有減小但并不明顯，所以，對于屏蔽效果而言，當(dāng)?shù)刃тX屏蔽厚度到達(dá)20 g／cm時，再增加鋁屏蔽層厚度并沒有顯著的成效。

根據(jù)航天器屏蔽等級，等效鋁屏蔽層厚度參量值為5 g／cm。 在5 g／cm等效鋁屏蔽厚度條件下，將Geant4 計算的皮膚、大腦、肝臟、腸以及腎臟的吸收劑量與ICRP123 號報告中國際空間站內(nèi)2 個不同屏蔽位置（MTR?2A、MTR?2B）人體模型的皮膚、大腦、肝臟、腸和腎臟的吸收劑量率進(jìn)行對比，得到的結(jié)果如圖4 所示。 本研究中計算的皮膚、大腦、肝臟、腎臟的吸收劑量率與ICRP123 報告中皮膚、大腦、肝臟、腎臟的數(shù)值幾乎吻合，腸的吸收劑量率比ICRP123 報告中腸的數(shù)值高2 倍左右。 腸的計算差異較大，原因可能是腸的體積較大及計算模型的簡化造成，Geant4物理過程引起的次級粒子也是造成數(shù)值較大的原因之一。 可見本文構(gòu)建的數(shù)字體素體模是可以結(jié)合蒙特卡羅方法用于計算人體在空間輻射器官劑量的，并且比使用標(biāo)準(zhǔn)體模更具有個體針對性。

圖4 器官吸收劑量對比Fig.4 Comparison of absorbed dose in different organs

5 結(jié)論

本文根據(jù)空間站輻射環(huán)境計算了極大年條件下質(zhì)子、電子的微分能譜，在此輻射環(huán)境下應(yīng)用Geant4 程序計算了0，1，2，5，10 g／cm及20 g／cm等效鋁屏蔽厚度下大腦、心臟、腸、皮膚、肝臟、腎臟、胰腺、脾臟、軟組織以及肌肉的劑量沉積，并將5 g／cm等效鋁屏蔽厚度下皮膚、大腦、肝臟、腸和腎臟的吸收劑量與ICRP123 報告中的器官吸收劑量進(jìn)行對比，驗證體模的可用性。 計算結(jié)果表明，鋁屏蔽層在一定厚度范圍內(nèi)可有效屏蔽空間輻射，減少空間輻射粒子對航天員的損傷，且10 g／cm厚度的等效屏蔽層可屏蔽絕大數(shù)空間輻射粒子，包括輻射帶質(zhì)子和輻射帶電子。