不同等效屏蔽厚度下体模器官空间辐射剂量计算的研究

张 昭， 方美华， 杨 航

（南京航空航天大学航天工程系， 南京 210016）

1 引言

空间辐射是载人航天飞行中威胁航天员生命安全的重要环境因素之一，粒子穿过屏蔽防护后，作用于人体，可引起组织的物理损伤，降低人体免疫力，增加患癌的发病率。 空间站运行在地球低轨，航天员主要面临来自地球俘获辐射带的辐射。 通过模拟仿真的方法计算航天员及其体内组织器官的生物学剂量，是评估航天员辐射风险的主要手段。

在空间辐射剂量预估计算方面，美国空间辐射分析小组提出了自动绘制和缩放成年男女混合模型的方法，利用自动缩放程序对男性或者女性的体模进行调整，使其与激光测量的航天员外部轮廓相匹配，进而得到航天员数字体模，再通过蒙特卡罗方法计算剂量学参数。 NASA 也专门研发了针对太阳质子事件的BRYNTRN （Baryon Transport）程序，结合拟人化解剖模型，模拟计算航天员在太阳粒子事件中的器官剂量沉积。利用蒙特卡罗方法结合数字体模进行空间辐射剂量计算是国内目前采取的主要研究方法，张斌全等采用Fortran90 语言编写了空间辐射剂量计算程序，结合CNMAN （Chinese Adult Male Voxel Phantom）人体数字模型，计算航天员器官的通量——器官剂量转换因数，并估算出航天员在空间辐射中所受的剂量。 贾向红等建立了基于MRI （Magnetic Resonance Imaging）和辐射数据库的男性体素人体模型，采用蒙特卡罗粒子输运程序Geant4 计算得到各器官的剂量沉积。 但是目前使用的数字体模多为标准体模，与中国航天员的身体相关参数有出入，会带来计算误差。因此，构建基于航天员个性化的数字体模，是得到精确剂量值的前提，也是精确评估航天员辐射损伤和风险的基础。

本文运用计算机断层扫描（Computed Tomography，CT）技术，构建了一款中国人体CT 影像的数字体模，采用蒙特卡罗软件Geant4 对其进行研究，计算不同舱壁厚度条件下人体各个关键器官的生物学剂量，并对其进行分析。

2 人体数字模型构建

本文采用计算机断层扫描技术收集到的中国男性影像数据构建了试验所使用的体素模型，如图1 所示。 该模型委托中山医院采集人体标本数据建立，数据集的标本来自身高176 cm，体重65 kg 的25 岁中国成年男性。 采用Discovery NM／CT 670 设备对该男子进行CT 全身扫描，得到由一定数目、不同灰度的像素按矩阵排列所构成的CT 影像，其中像素反映了相应体素的X 射线吸收系数。 吸收系数与人体不同组织器官的密度有关，组织器官密度越大，吸收系数越大，可以通过CT 数值识别出人体不同的组织器官，各组织器官CT（Hu）值及元素占比如表1所示。 本文利用CT 值作为辐射与人体剂量吸收的桥梁，依据CT 值从小到大将人体划分为肺、脂肪、软组织、心脏、大脑、肌肉、肾脏、肝脏、肠、胰腺、脾脏等12 个组织器官。

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

图1 构建的体素体模Fig.1 The constructed voxel phantom

不同CT 设备所得图像的像素大小及数目不同，本文采集的CT 图像共659 层，每层的分辨率为512×512，共有172 752 896 个像素，体素大小为0.976 562 mm× 0.976 562 mm×3 mm。 像素数目越多，构成图像越细致，即空间分辨率（Spatial Resolution）越高。

3 模型和计算方法

本文采用蒙特卡罗软件Geant4 开展模拟仿真，研究人体数字体模在不同等效铝屏蔽厚度下，空间辐射在各组织器官中所产生的剂量沉积。 首先在程序中构建航天器及等效铝屏蔽层。 在航天飞行中，被动防护采取的屏蔽一般分为3 个等级：①航天服屏蔽等级，等效铝屏蔽层质量厚度为1 g／cm或者0.2～0.5 g／cm；②航天器屏蔽等级，等效铝屏蔽层质量厚度为2 ～5 g／cm；③应对太阳质子事件的高屏蔽等级，等效铝屏蔽层厚度为10～20 g／cm。 本文采用铝作为屏蔽材料，等效铝屏蔽厚度的确定策略为：舱外活动0 g／cm， 航天服屏蔽等级1 g／cm，航天器屏蔽等级2 g／cm，5 g／cm以及太阳粒子事件屏蔽等级 10g／cm， 20 g／cm， 铝密度设置为2.7 g／cm。 根据空间站核心舱的圆柱体空间形态，本文构建了长为3 m，半径为1.1 m 的航天器舱模拟圆柱体。 仿真时，将体素体模放入舱体中心，模拟航天器舱在空间辐射场中的受照场景，空间站运行轨道为地球低轨，轨道高度位于辐射俘获带内带，俘获带内带的电子模型为AE8 模型，俘获带的质子模型为AP8 模型。 因此，AE8、AP8模型可以基本代表空间站所处的辐射环境。 其中，粒子入射方向设定为各项同性，在4π 范围内均匀入射，粒子入射数目设定为10 亿个，如图2 所示。 图中白色线条代表空间辐射粒子及入射方向，白色方框代表航天器舱体。 体素体模受到通过不同等效铝屏蔽层厚度下宇宙射线照射，在各个组织器官中产生剂量沉积。

图2 航天员在空间中的照射模拟图Fig.2 Simulated irradiation diagram of astronaut in space

在仿真物理过程中，根据模拟空间辐射粒子为内辐射带的电子和质子，选择QGSP＿BERT＿EMV（Geant4 中提供强相互作用的物理类）物理过程包来构建Geant4 物理模型，同时考虑强相互作用过程，即空间辐射粒子会与目标原子核发生相互作用，包括粒子与原子核的衰变等，核子－核子碰撞过程没有严格的边界，但可以根据能量和碰撞参数区分为4 种主要类型：①低能量下，碰撞导致中心碰撞的不完全融合；②低能量下，外围的弹性散射或者非弹性散射碰撞；③更高能量下，中心碰撞会分裂成几个较轻的核子；④更高能量下，外围碰撞也会在一片小区域造成影响。 每个强子过程有一个或多个与之相关的数据集，并且大多数强子过程需要明确模型，强子模型一般有参数化驱动模型、数据驱动模型以及理论驱动模型。许多模型都具有默认数据集，弹性散射跟非弹性散射各有6 个数据集。 本文计算弹性散射所采用的数据集为G4LElastic，而计算中非弹性散射采取的数据集为G4BinaryCascade。 原则上，模拟过程中需要追踪输运过程中创建的所有初级和次级粒子，直至粒子停止。 为提高计算效率缩短模拟时间，需设置产生次级粒子的截断射程阈值，以限制需要追踪的次级粒子数量，本文设置的射程阈值为0.1 mm。 当粒子的射程大于该阈值，产生次级粒子；当粒子的射程低于该阈值，粒子直接沉积能量，并得到辐射剂量沉积。

在计算结果的处理上，程序直接输出的是每个体素的剂量沉积，构建体模共有172 752 896 个体素，将每个器官所包含的体素进行求和。 与每个器官的CT 值一一配对，编写Matlab 代码，调用材料库中的物质信息，将体素与各组织器官对应起来，得到每个器官的剂量沉积。

4 结果与分析

本文模拟计算在Linux 系统的服务器上运行，所采用的Linux 版本为Ubuntu18.04LTS，Geant4 版本为Geant4.10.06。 由于空间站运行轨道属于地球低轨，轨道的辐射主要来源于地球辐射带。 因此，本文采用电子模型AE8 和质子模型AP8 分别计算辐射带电子和质子的微分能谱，如图3 所示。

图3 极大年中国空间站辐射环境模拟计算能谱Fig.3 Calculation of environmental radiation energy spectrum in China Space Station during solar maximum

从图3 可以看出，在极大年条件下，质子能量介于0.1 ～500 MeV，随着能量的增加，通量随屏蔽降低。 电子能量相对质子来说较小，介于0.6 ～8 MeV 之间，同样随着能量的增加，通量迅速降低，且其微分谱随能量变化量级比较大。能量越大，射线穿过屏蔽层照射到航天员的几率越大。 采用Geant4 所计算的在不同等效铝屏蔽厚度条件下，被屏蔽材料阻挡的电子和质子的最大能量，如表2 所示。 从表中可以看出，当等效铝屏蔽厚度为5 g／cm时，能阻挡的电子能量达到8.5 MeV，基本能够将辐射带电子屏蔽在舱外。 而辐射带质子的最高能量＞500 MeV，一般舱壁辐射无法阻挡全部能量的质子，因此舱内航天员的辐射剂量主要来源于辐射带质子的贡献。 从图3 可以看出质子通量虽然较大，但是能量普遍很低（97%在100 MeV 以内），等效铝屏蔽10 g／cm的厚度足以屏蔽大部分的质子，一般在应对大的太阳粒子事件时采用10 g／cm以上厚度的等效铝屏蔽。

表2 不同屏蔽厚度能阻止的电子和质子的平均能量Table 2 Average energy of electrons and protons blocked by different shielding thickness

在等效铝屏蔽层厚度为0，1，2，5，10 g／cm及20 g／cm条件下计算大脑、心脏、肠、皮肤、肝脏、肾脏、软组织、胰腺、脾脏跟肌肉在AE8、AP8 环境下的吸收剂量，计算结果如表3 所示。

表3 关键组织器官吸收剂量Table 3 Absorbed dose of key tissues and organs mGy／d

通过表3 可以看出，在无等效铝屏蔽条件下，皮肤每天的吸收剂量为3.766 mGy，参考空间辐射场中品质因数为1.81，计算得到皮肤全年的剂量当量为2.488 Gy，仅3 年剂量当量值就大于NASA 规定的皮肤剂量当量终身限值6 Gy，当加1 g／cm等效铝屏蔽后，皮肤每天的吸收剂量降低至0.313 mGy，仅为无等效铝屏蔽下吸收剂量的8%左右；在10 g／cm等效铝屏蔽厚度下，皮肤吸收剂量可降低至无等效铝屏蔽时剂量的0.37%左右，可见铝屏蔽层对于空间粒子防护相当有效。 除皮肤外，其他器官每天的吸收剂量都低于1.5 mGy，从无等效铝屏蔽层到1 g／cm等效铝厚度防护下会有一个明显的减小，且组织器官密度越大，同等辐射强度下，组织器官吸收剂量越大；在5 g／cm等效铝屏蔽厚度下所有组织器官每天的吸收剂量都降至1 mGy以下，符合航天器屏蔽等级的屏蔽效果；而当等效铝屏蔽厚度达到20 g／cm后，所有组织器官吸收剂量虽有减小但并不明显，所以，对于屏蔽效果而言，当等效铝屏蔽厚度到达20 g／cm时，再增加铝屏蔽层厚度并没有显著的成效。

根据航天器屏蔽等级，等效铝屏蔽层厚度参量值为5 g／cm。 在5 g／cm等效铝屏蔽厚度条件下，将Geant4 计算的皮肤、大脑、肝脏、肠以及肾脏的吸收剂量与ICRP123 号报告中国际空间站内2 个不同屏蔽位置（MTR⁃2A、MTR⁃2B）人体模型的皮肤、大脑、肝脏、肠和肾脏的吸收剂量率进行对比，得到的结果如图4 所示。 本研究中计算的皮肤、大脑、肝脏、肾脏的吸收剂量率与ICRP123 报告中皮肤、大脑、肝脏、肾脏的数值几乎吻合，肠的吸收剂量率比ICRP123 报告中肠的数值高2 倍左右。 肠的计算差异较大，原因可能是肠的体积较大及计算模型的简化造成，Geant4物理过程引起的次级粒子也是造成数值较大的原因之一。 可见本文构建的数字体素体模是可以结合蒙特卡罗方法用于计算人体在空间辐射器官剂量的，并且比使用标准体模更具有个体针对性。

图4 器官吸收剂量对比Fig.4 Comparison of absorbed dose in different organs

5 结论

本文根据空间站辐射环境计算了极大年条件下质子、电子的微分能谱，在此辐射环境下应用Geant4 程序计算了0，1，2，5，10 g／cm及20 g／cm等效铝屏蔽厚度下大脑、心脏、肠、皮肤、肝脏、肾脏、胰腺、脾脏、软组织以及肌肉的剂量沉积，并将5 g／cm等效铝屏蔽厚度下皮肤、大脑、肝脏、肠和肾脏的吸收剂量与ICRP123 报告中的器官吸收剂量进行对比，验证体模的可用性。 计算结果表明，铝屏蔽层在一定厚度范围内可有效屏蔽空间辐射，减少空间辐射粒子对航天员的损伤，且10 g／cm厚度的等效屏蔽层可屏蔽绝大数空间辐射粒子，包括辐射带质子和辐射带电子。