Effekter av joniserande strålning i rymdfärd

Phantom Torso, som ses här i Destiny-laboratoriet på den internationella rymdstationen (ISS), är utformad för att mäta effekterna av strålning på organ inuti kroppen genom att använda en bål som liknar de som används för att utbilda radiologer på jorden. Bålen motsvarar i längd och vikt en genomsnittlig vuxen hane. Den innehåller strålningsdetektorer som mäter, i realtid, hur mycket strålning hjärnan, sköldkörteln, magen, tjocktarmen och hjärt- och lungområdet får dagligen. Data kommer att användas för att bestämma hur kroppen reagerar på och skyddar sina inre organ från strålning, vilket kommer att vara viktigt för längre rymdflygningar.

Astronauter utsätts för cirka 50-2 000 millisievert (mSv) när de är på sex månader långa uppdrag till den internationella rymdstationen (ISS), månen och vidare. [ misslyckad verifiering ] Risken för cancer orsakad av joniserande strålning är väl dokumenterad vid stråldoser från 100 mSv och över.

Besläktade radiologiska effektstudier har visat att överlevande från atombombsexplosionerna i Hiroshima och Nagasaki , kärnreaktorarbetare och patienter som har genomgått terapeutiska strålbehandlingar har fått stråldoser med låg linjär energiöverföring ( LET) ( röntgen och gammastrålning ). samma intervall på 50-2 000 mSv.

Sammansättning av rymdstrålning

I rymden utsätts astronauter för strålning som mestadels består av högenergiprotoner, heliumkärnor ( alfapartiklar ) och joner med högt atomnummer ( HZE-joner) , såväl som sekundär strålning från kärnreaktioner från rymdskeppsdelar eller vävnad.

Joniseringsmönstren i molekyler, celler, vävnader och de resulterande biologiska effekterna skiljer sig från typisk markstrålning ( röntgenstrålar och gammastrålar , som är låg-LET-strålning). Galaktiska kosmiska strålar (GCR) utanför Vintergatans galax består till största delen av högenergiska protoner med en liten komponent av HZE-joner.

Framträdande HZE-joner:

GCR-energispektratoppar (med medianenergitoppar upp till 1 000 MeV / amu ) och kärnor (energier upp till 10 000 MeV/amu) är viktiga bidragsgivare till dosekvivalenten .

Osäkerheter i cancerprognoser

En av de viktigaste vägspärrarna för interplanetära resor är risken för cancer orsakad av strålningsexponering. De största bidragsgivarna till denna vägspärr är: (1) De stora osäkerheterna förknippade med uppskattningar av cancerrisker, (2) Otillgängligheten av enkla och effektiva motåtgärder och (3) oförmågan att fastställa effektiviteten av motåtgärder. Operativa parametrar som behöver optimeras för att minska dessa risker inkluderar:

  • längden på rymduppdrag
  • besättningens ålder
  • besättningssex
  • avskärmning
  • biologiska motåtgärder

Stora osäkerheter

  • effekter på biologiska skador relaterade till skillnader mellan rymdstrålning och röntgenstrålning
  • riskberoende på doshastigheter i rymden relaterade till biologin för DNA-reparation , cellreglering och vävnadssvar
  • förutsäga solpartikelhändelser (SPE)
  • extrapolering från experimentella data till människor och mellan mänskliga populationer
  • individuella strålningskänslighetsfaktorer (genetiska, epigenetiska, dietära eller "friska arbetare" effekter)

Mindre osäkerheter

  • data om galaktiska kosmiska strålar
  • fysik av skärmningsbedömningar relaterade till transmissionsegenskaper hos strålning genom material och vävnad
  • mikrogravitationseffekter på biologiska reaktioner på strålning
  • fel i mänskliga data (statistiska, dosimetriska eller registrerande felaktigheter)

Kvantitativa metoder har utvecklats för att sprida osäkerheter som bidrar till uppskattningar av cancerrisker. Bidraget från mikrogravitationseffekter på rymdstrålning har ännu inte uppskattats, men det förväntas vara litet. Effekterna av förändringar i syrenivåer eller i immundysfunktion på cancerrisker är i stort sett okända och är av stor oro under rymdfärd.

Typer av cancer orsakade av strålningsexponering

Studier genomförs på befolkningar som av misstag utsatts för strålning (som Tjernobyl , produktionsanläggningar och Hiroshima och Nagasaki ). Dessa studier visar starka bevis för cancersjuklighet såväl som risker för dödlighet på mer än 12 vävnader. De största riskerna för vuxna som har studerats inkluderar flera typer av leukemi , inklusive myeloid leukemi och akut lymfatisk lymfom samt tumörer i lunga , bröst , mage , kolon , urinblåsa och lever . Variationer mellan könen beror mycket sannolikt på skillnaderna i den naturliga förekomsten av cancer hos män och kvinnor. En annan variabel är den extra risken för cancer i bröst, äggstockar och lungor hos kvinnor. Det finns också tecken på en minskande risk för cancer orsakad av strålning med stigande ålder, men omfattningen av denna minskning över 30 års ålder är osäker.

Det är okänt om hög-LET-strålning kan orsaka samma typer av tumörer som låg-LET-strålning, men skillnader bör förväntas.

Förhållandet mellan en dos av hög-LET-strålning och en dos av röntgenstrålar eller gammastrålar som ger samma biologiska effekt kallas relativa biologiska effektivitetsfaktorer (RBE). De typer av tumörer hos människor som utsätts för rymdstrålning kommer att skilja sig från de som utsätts för låg-LET-strålning. Detta bevisas av en studie som observerade möss med neutroner och har RBE som varierar med vävnadstyp och stam.

Uppmätt frekvens av cancer bland astronauter

Den uppmätta förändringshastigheten för cancer begränsas av begränsad statistik. En studie publicerad i Scientific Reports tittade på 301 amerikanska astronauter och 117 sovjetiska och ryska kosmonauter och fann ingen mätbar ökning av cancerdödlighet jämfört med den allmänna befolkningen, som rapporterats av LiveScience.

En tidigare studie från 1998 kom till liknande slutsatser, utan någon statistiskt signifikant ökning av cancer bland astronauter jämfört med referensgruppen.

Metoder för att fastställa acceptabla risknivåer

De olika tillvägagångssätten för att fastställa acceptabla nivåer av strålningsrisk sammanfattas nedan:

Jämförelse av strålningsdoser - inkluderar mängden upptäckt på resan från jorden till Mars av RAD MSL (2011 - 2013).
  • Obegränsad strålningsrisk - NASA:s ledning, familjerna till nära och kära till astronauter och skattebetalare skulle tycka att detta tillvägagångssätt är oacceptabelt.
  • Jämförelse med yrkesdöd i mindre säkra branscher - Livsförlusten från hänförlig cancerdöd i strålning är mindre än den från de flesta andra yrkesrelaterade dödsfall. Vid denna tidpunkt skulle denna jämförelse också vara mycket restriktiv för ISS verksamhet på grund av fortsatta förbättringar av markbaserad arbetssäkerhet under de senaste 20 åren.
  • Jämförelse med cancerfrekvenser i den allmänna befolkningen - Antalet år av livförlust från strålningsinducerade cancerdödsfall kan vara betydligt större än från cancerdödsfall i den allmänna befolkningen, som ofta inträffar sent i livet (> ålder 70 år) och med signifikant mindre antal år av förlust av liv.
  • Fördubbling av dosen i 20 år efter exponering - Ger en ungefär likvärdig jämförelse baserat på förlust av liv på grund av andra yrkesmässiga risker eller dödsfall i bakgrunden av cancer under en arbetares karriär, men detta tillvägagångssätt förnekar dödlighetens roll senare i livet.
  • Användning av markbaserade arbetargränser - Tillhandahåller en referenspunkt motsvarande den standard som är satt på jorden, och erkänner att astronauter står inför andra risker. Markarbetare förblir dock långt under dosgränserna och exponeras till stor del för låg-LET-strålning där osäkerheten om biologiska effekter är mycket mindre än för rymdstrålning.

NCRP -rapport nr 153 ger en nyare genomgång av cancer och andra strålningsrisker. Denna rapport identifierar och beskriver också den information som behövs för att göra strålskyddsrekommendationer utöver LEO, innehåller en omfattande sammanfattning av den nuvarande mängden bevis för strålningsinducerade hälsorisker och ger också rekommendationer om områden som kräver framtida experiment.

Aktuella tillåtna exponeringsgränser

Karriärcancerriskgränser

Astronauters exponeringsgräns för strålning får inte överstiga 3 % av risken för exponeringsinducerad död (REID) från dödlig cancer under sin karriär. Det är NASA:s policy att säkerställa en 95% konfidensnivå (CL) att denna gräns inte överskrids. Dessa gränser gäller för alla uppdrag i låg jordomloppsbana (LEO) såväl som månuppdrag som är kortare än 180 dagar. I USA är de lagliga gränsvärdena för yrkesexponering för vuxna arbetstagare satt till en effektiv dos på 50 mSv årligen.

Cancerrisk till dosförhållande

Sambandet mellan strålningsexponering och risk är både ålders- och könsspecifikt på grund av latenseffekter och skillnader i vävnadstyper, känslighet och livslängder mellan könen. Dessa samband uppskattas med hjälp av de metoder som rekommenderas av NCRP och nyare strålepidemiologisk information

Principen om så lågt som rimligt möjligt

lågt som rimligt uppnåeligt (ALARA)-principen är ett lagkrav som syftar till att säkerställa astronautsäkerheten. En viktig funktion hos ALARA är att säkerställa att astronauter inte närmar sig strålningsgränserna och att sådana gränser inte betraktas som "toleransvärden". ALARA är särskilt viktigt för rymduppdrag med tanke på de stora osäkerheterna i cancer och andra riskprojektionsmodeller. Uppdragsprogram och markbundna yrkesprocedurer som resulterar i strålningsexponering för astronauter krävs för att hitta kostnadseffektiva metoder för att implementera ALARA.

Utvärdera karriärgränser

Orgel ( T ) Vävnadsviktningsfaktor ( w T )
Gonader 0,20
Benmärg (röd) 0,12
Kolon 0,12
Lunga 0,12
Mage 0,12
Blåsa 0,05
Bröst 0,05
Lever 0,05
Matstrupe 0,05
Sköldkörteln 0,05
Hud 0,01
Benyta 0,01
Återstoden* 0,05

*Bjurar, hjärna, övre tarm, tunntarm, njure, muskler, bukspottkörtel, mjälte, tymus och livmoder.

Risken för cancer beräknas med hjälp av stråldosimetri och fysikmetoder.

För att fastställa gränsvärden för strålningsexponering vid NASA, beräknas sannolikheten för dödlig cancer enligt nedan:

  1. Kroppen är uppdelad i en uppsättning känsliga vävnader och varje vävnad, T , tilldelas en vikt, w T , enligt dess uppskattade bidrag till cancerrisken.
  2. Den absorberade dosen, Dy , som levereras till varje vävnad bestäms från uppmätt dosimetri. För att uppskatta strålrisk för ett organ är den kvantitet som kännetecknar joniseringstätheten LET (keV/μm).


  3. beräknas den dosekvivalenta risken (i enheter av sievert ) för en vävnad, T , H γ (L) som där kvalitetsfaktorn, Q(L), erhålls enligt International Commission on Radiological Protection (ICRP) .



  4. Den genomsnittliga risken för en vävnad, T , på grund av alla typer av strålning som bidrar till dosen ges av eller, eftersom där F γ (L) är fluensen av partiklar med LET=L , som korsar organet,

  5. Den effektiva dosen används som en summering över strålningstyp och vävnad med hjälp av vävnadsviktningsfaktorerna, w γ

  6. För ett uppdrag med varaktighet t kommer den effektiva dosen att vara en funktion av tiden, E(t) , och den effektiva dosen för uppdrag i kommer att vara
  7. Den effektiva dosen används för att skala dödligheten för strålningsinducerad död från japanska överlevandedata, genom att tillämpa genomsnittet av multiplikativa och additiv överföringsmodeller för solida cancerformer och additiv överföringsmodellen för leukemi genom att tillämpa livstabellsmetoder som är baserade om USA:s befolkningsdata för bakgrundscancer och alla dödsorsaker. En dos-doshastighetseffektivitetsfaktor (DDREF) på 2 antas.

Utvärdering av kumulativa strålningsrisker

Den kumulativa cancerdödsrisken (%REID) för en astronaut för yrkesmässig strålningsexponering, N , hittas genom att tillämpa livstabellsmetoder som kan approximeras vid små värden av %REID genom att summera den vävnadsviktade effektiva dosen, E i , som

där R 0 är den ålders- och könsspecifika stråldödligheten per enhetsdos.

För organdosberäkningar använder NASA modellen av Billings et al. att representera människokroppens självavskärmning i en ungefärlig massa med vattenekvivalenter. Övervägande av människokroppens orientering i förhållande till fordonsskärmning bör göras om den är känd, särskilt för SPE:er

Konfidensnivåer för karriärcancerrisker utvärderas med metoder som specificeras av NPRC i rapport nr 126 . Dessa nivåer modifierades för att ta hänsyn till osäkerheten i kvalitetsfaktorer och rymddosimetri.

De osäkerheter som beaktades vid utvärderingen av 95 % konfidensnivåer är osäkerheterna i:

  • Mänsklig epidemiologisk data, inklusive osäkerheter i
    • statistikbegränsningar för epidemiologiska data
    • dosimetri av exponerade kohorter
    • bias, inklusive felklassificering av cancerdödsfall, och
    • överföring av risker mellan populationer.
  • DDREF-faktorn som används för att skala data om akut strålningsexponering till strålningsexponeringar med låga doser och doser.
  • Strålningskvalitetsfaktorn (Q) som funktion av LET.
  • Rymddosimetri

De så kallade "okända osäkerheterna" från NCRP-rapporten nr 126 ignoreras av NASA.

Modeller av cancerrisker och osäkerheter

Livsbordsmetodik

Livstabellsmetoden med dubbla nackdelar är vad som rekommenderas av NPRC för att mäta risker för dödlighet i cancer. Den åldersspecifika dödligheten för en befolkning följs över hela dess livslängd med konkurrerande risker från strålning och alla andra dödsorsaker som beskrivs.

För en homogen population som får en effektiv dos E vid ålder a E , beskrivs sannolikheten att dö i åldersintervallet från a till a+1 av bakgrundsdödligheten för alla dödsorsaker, M(a) , och dödlighetsfrekvens för strålcancer, m(E,a E ,a) , som:

Sannolikheten för överlevnad att åldras, a , efter en exponering, E vid åldern a E , är:

Den överdrivna livstidsrisken (ELR - den ökade sannolikheten att en exponerad individ kommer att dö av cancer) definieras av skillnaden i de villkorade överlevnadssannolikheterna för de exponerade och de oexponerade grupperna som:

En minsta latenstid på 10 år används ofta för låg-LET-strålning. Alternativa antaganden bör övervägas för hög-LET-strålning. REID (livstidsrisken att en individ i befolkningen kommer att dö av cancer orsakad av strålningsexponering) definieras av:

I allmänhet överstiger värdet på REID värdet på ELR med 10-20 %.

Den genomsnittliga förlusten av förväntad livslängd, LLE, i befolkningen definieras av:

Förlusten av förväntad livslängd bland exponeringsinducerade dödsfall (LLE-REID) definieras av:

Osäkerheter i låg-LET-epidemiologiska data

Låg-LET-dödligheten per sievert, m i skrivs

där m 0 är baslinjedödligheten per sievert och x α är kvantiler (slumpvariabler) vars värden är samplade från associerade sannolikhetsfördelningsfunktioner (PDF), P( Xa ) .

NCRP, i rapport nr 126, definierar följande subjektiva PDF-filer, P(X a ) , för varje faktor som bidrar till den akuta låg-LET-riskprognosen:

  1. P- dosimetri är de slumpmässiga och systematiska felen i uppskattningen av de doser som mottagits av överlevande från atombomb.
  2. P statistisk är fördelningen i osäkerhet i punktskattningen av riskkoefficienten, r 0 .
  3. P- bias är varje bias som resulterar i över- eller underrapportering av cancerdödsfall.
  4. P- överföring är osäkerheten i överföringen av cancerrisk efter strålningsexponering från den japanska befolkningen till den amerikanska befolkningen.
  5. P Dr är osäkerheten i kunskapen om extrapoleringen av risker till låga doser och doshastigheter, som är förkroppsligad i DDREF.

Risk i samband med operativa scenarier för prospekteringsuppdrag

Noggrannheten hos miljömodeller för galaktiska kosmiska strålar, transportkoder och kärninteraktionstvärsnitt gör att NASA kan förutsäga rymdmiljöer och organexponering som kan påträffas vid långvariga rymduppdrag. Bristen på kunskap om de biologiska effekterna av strålningsexponering väcker stora frågor om riskprediktion.

Cancerriskprognosen för rymduppdrag hittas av

där representerar vikningen av förutsägelser av vävnadsviktade LET-spektra bakom rymdskeppsskärmning med strålningsdödligheten för att bilda en hastighet för försök J .

Alternativt kan partikelspecifika energispektra, F j (E) , för varje jon, j , användas

.

Resultatet av någon av dessa ekvationer infogas i uttrycket för REID.

Relaterade sannolikhetsfördelningsfunktioner (PDF) grupperas ihop till en kombinerad sannolikhetsfördelningsfunktion, P cmb (x) . Dessa PDF-filer är relaterade till riskkoefficienten för normalformen (dosimetri, bias och statistiska osäkerheter). Efter att ett tillräckligt antal försök har slutförts (cirka 10 5 ), arkiveras resultaten för den uppskattade REID och medianvärdena och konfidensintervall hittas.

Chi - kvadrattestet (χ 2 ) används för att bestämma om två separata PDF-filer är signifikant olika (betecknade p ) 1 ( Ri ) respektive . p 2 (Ri ) Varje p(R i ) följer en Poisson-fördelning med varians .

χ 2 -testet för n-frihetsgrader som kännetecknar spridningen mellan de två fördelningarna är

.

Sannolikheten, P(ņχ 2 ) , att de två fördelningarna är lika beräknas när χ 2 har bestämts.

Dödlighet i cancer vid strålning

Ålders- och könsberoende dödlighet sällsynt per enhetsdos, multiplicerad med strålningskvalitetsfaktorn och reducerad med DDREF används för att projicera livstidsrisker för dödsfall i cancer. Akuta gammastrålningsexponeringar uppskattas. Additiviteten av effekterna av varje komponent i ett strålningsfält antas också.

Priserna är ungefärliga med hjälp av data som samlats in från japanska atombomböverlevande. Det finns två olika modeller som beaktas vid överföring av risk från japanska till amerikanska befolkningar.

  • Multiplikativ överföringsmodell - antar att strålningsriskerna är proportionella mot spontana eller bakgrundscancerrisker.
  • Additiv överföringsmodell - förutsätter att strålningsrisken verkar oberoende av andra cancerrisker.

NCRP rekommenderar att en blandningsmodell används som innehåller delbidrag från båda metoderna.

Strålningsdödligheten definieras som:

Var:

  • ERR = överskjutande relativ risk per sievert
  • EAR = överskjutande additiv risk per sievert
  • M c (a) = den köns- och åldersspecifika cancerdödligheten i den amerikanska befolkningen
  • F = den vävnadsviktade fluensen
  • L = LET
  • v = bråkdelningen mellan antagandet av de multiplikativa och additiva risköverföringsmodellerna. För solid cancer antas v=1/2 och för leukemi antas v=0.

Biologiska och fysiska motåtgärder

Att identifiera effektiva motåtgärder som minskar risken för biologiska skador är fortfarande ett långsiktigt mål för rymdforskare. Dessa motåtgärder behövs förmodligen inte för långvariga månuppdrag, men kommer att behövas för andra långvariga uppdrag till Mars och bortom. Den 31 maj 2013 rapporterade NASA-forskare att ett möjligt mänskligt uppdrag till Mars kan innebära en stor strålrisk baserat på mängden energisk partikelstrålning som upptäckts av RAD Mars Science Laboratory när de reste från jorden till Mars 2011-2012.

Det finns tre grundläggande sätt att minska exponeringen för joniserande strålning:

  • öka avståndet från strålkällan
  • minskar exponeringstiden
  • avskärmning (dvs: en fysisk barriär)

Avskärmning är ett rimligt alternativ, men på grund av nuvarande begränsningar av lanseringsmassorna är det oöverkomligt kostsamt. De nuvarande osäkerheterna i riskprognosen förhindrar också att den faktiska fördelen med avskärmning kan fastställas. Strategier som läkemedel och kosttillskott för att minska effekterna av strålning, samt urvalet av besättningsmedlemmar utvärderas som genomförbara alternativ för att minska exponeringen för strålning och effekterna av strålning. Avskärmning är en effektiv skyddsåtgärd för solpartikelhändelser. När det gäller avskärmning från GCR är högenergistrålning mycket genomträngande och effektiviteten av strålningsskärmning beror på atomär sammansättning av det använda materialet.

Antioxidanter används effektivt för att förhindra skador orsakade av strålningsskada och syreförgiftning (bildandet av reaktiva syrearter), men eftersom antioxidanter fungerar genom att rädda celler från en viss form av celldöd (apoptos), kanske de inte skyddar mot skadade celler som kan initiera tumörtillväxt.

Bevis undersidor

Bevisen och uppdateringarna av projektionsmodeller för cancerrisk från låg-LET-strålning granskas med jämna mellanrum av flera organ, som inkluderar följande organisationer:

Dessa kommittéer släpper nya rapporter ungefär vart tionde år om cancerrisker som är tillämpliga på låg-LET-strålningsexponeringar. Sammantaget kommer uppskattningarna av cancerrisker bland de olika rapporterna från dessa paneler att överensstämma inom en faktor på två eller mindre. Det finns fortsatta kontroverser för doser som är under 5 mSv, dock, och för strålning med låg doshastighet på grund av debatt om den linjära no-tröskelhypotesen som ofta används i statistisk analys av dessa data. BEIR VII-rapporten, som är den senaste av de större rapporterna, används på följande undersidor. Bevis för låg-LET-cancereffekter måste utökas med information om protoner, neutroner och HZE-kärnor som endast är tillgänglig i experimentella modeller. Sådana data har granskats av NASA flera gånger tidigare och av NCRP.

Se även

externa länkar

Public Domain Den här artikeln innehåller material från allmän egendom från Human Health and Performance Risks of Space Exploration Missions ( PDF) . National Aeronautics and Space Administration . (NASA SP-2009-3405).