Microdosimetric calculations for the determination of safe radiation dose limits for manned long-term space missions

Abstract

Background: Space radiation poses the foremost health risk for astronauts, with the potential for carcinogenesis from Galactic Cosmic Rays (GCR) being the main constraint for long-duration missions beyond low Earth orbit (BLEO). Estimating the cancer risk is challenging due to limited astronaut epidemiological data. The reference radiation studies stem from the atomic bomb survivors (LSS), which aren't ideal reference population, as they involved high dose rates and low-LET radiation, while astronauts face mainly low dose rates and a broader LET spectrum in space. Until recently, all missions have been in Low-Earth Orbit (LEO), so the differences in cancer risk assessment among space agencies did not pose issues for mission planning. However, for Beyond-LEO (BLEO) missions, where doses are higher and encounters with heavy ions are more frequent, uncertainties in estimating the cancer risk are notable. The greatest uncertainty in risk estimation is in calculating the quality factor (Q) of space radiation. Currently, there is no consensus among space agencies regarding the theoretical calculation of Q, while experimental data for the heavy ions from GCR is limited. NASA diverged from the LET-based method (recommended by ICRP Report 60), which was previously used to calculate Q in LEO missions. Instead, NASA estimates Q as a function of the track-structure parameter (Z/β)2. Meanwhile, other space agencies, such as ESA, JAXA and RSA continue to use the LET-based method. However, the LET approach has significant limitations in predicting the quality of space radiation. It simplifies the interaction of radiation with living matter and presents inaccuracies for the diverge space radiation. In addition, it is not a directly measurable quantity, as well as it predicts that ions with the same LET have the same biological effectiveness, which is incorrect due to variations in their different track structure. Purpose: The study aims to apply the microdosimetric Q from the well-established Theory of Dual Radiation Action (TDRA) for space radiation and manned space missions, as well as established cancer risk metrics and safe days for astronauts. We developed a semi-analytic method for calculating the required microdosimetric quantity lineal energy (y), which is a better descriptor of radiation quality than LET and it is also measurable by TEPC (tissue-equivalent proportional counter) detectors, as used in space shuttle missions and the ISS. Methodology: During the doctoral project, we have modified the US Naval Research Laboratory (NRL) microdosimetric model (developed by Xapsos and co-workers) for application to the space radiation environment, by extending its application to heavy ions (up to iron) and up to few GeV/u, extending its reliability to nanometer target sizes and combining direct (ion) and indirect (δ-ray) events using Geant4-DNA simulations and models. Our new microdosimetric model was benchmarked against proton Monte Carlo track-structure simulation data from PHITS, RITRACKs and Geant4-DNA for target-spheres from 10-1000 nm. Results: Our microdosimetric calculations were in very good agreement (within 10%) with the MCTS data for all spheres. The extended-NRL model was used to calculate TDRA-based average quality factors (Q) for the GCR spectrum in two simple mission scenarios, i.e., at ISS and at 1 AU in deep space. Our quality factor predictions were in excellent agreement (within 1-3%) with the latest NASA model. Our quality factor predictions were in excellent agreement (within experimental uncertainties) with TEPC measurements at ISS and at the MSL RAD (deep space). Additionally, the values of the quality factor (Q) were used to calculate radiation-induced cancer risk for space mission scenarios to the Moon and Mars. The cancer risk assessments indicated that, for a mission to Mars, women under the age of 35–40 are the most radiosensitive group and therefore exceed or are at risk of exceeding the maximum radiation dose limits set by the space agencies of ESA and NASA, respectively. In contrast, missions to the Moon remain within dose limits, provided they last less than approximately 2 years. Conclusions: The proposed semi-analytic microdosimetric model with TDRA quality factor estimations, is expected to be both practical and reliable for the assessment of cancer risk for astronauts in deep space missions, where no space agency has yet established specific radiation risk limits.

Υπόβαθρο: Η διαστημική ακτινοβολία αποτελεί τον κυριότερο παράγοντα κινδύνου για την υγεία των αστροναυτών, με την πιθανότητα καρκινογένεσης από τις Γαλαξιακές Κοσμικές Ακτίνες (GCR) να αποτελεί το μεγαλύτερο τροχοπέδι για τις μελλοντικές μακροχρόνιες διαστημικές αποστολές πέρα από το μαγνητικό πεδίο της Γης (BLEO). Η εκτίμηση του ακτινοπροκλητού ρίσκου καρκινογένεσης είναι ιδιαίτερα δύσκολη, καθώς τα επιδημιολογικά δεδομένα των αστροναυτών είναι πολύ περιορισμένα. Οι βασικές επιδημιολογικές μελέτες προέρχονται από τους επιζώντες της ατομικής βόμβας (LSS), οι οποίοι όμως δεν αποτελούν ιδανικό πληθυσμό αναφοράς, αφού η έκθεσή τους προέρχεται κυρίως από υψηλούς ρυθμούς δόσεις και ακτινοβολία χαμηλού LET, ενώ στο διάστημα οι αστροναύτες εκτίθενται κυρίως σε χαμηλούς ρυθμούς δόσεις και σε όλο το φάσμα του LET. Μέχρι πρόσφατα, όλες οι διαστημικές αποστολές εκτελούνταν σε χαμηλή τροχιά κοντά στη Γη (LEO), με αποτέλεσμα οι διαφορές στις προβλέψεις του ακτινικού ρίσκου καρκινογένεσης μεταξύ των διαστημικών οργανισμών να μην επηρεάζουν τον σχεδιασμό των αποστολών. Ωστόσο, στις αποστολές Beyond-LEO (π.χ. Σελήνη, Άρης), όπου οι δόσεις είναι μεγαλύτερες και οι αλληλεπιδράσεις με βαριά ιόντα των GCR γίνονται συχνότερες, οι αβεβαιότητες στην εκτίμηση της ακτινοπροκλιτής καρκινογένεσης παίζουν κυρίαρχο ρόλο. Η σημαντικότερη αβεβαιότητα αφορά τον υπολογισμό του παράγοντα ποιότητας (Q) της διαστημικής ακτινοβολίας. Προς το παρόν δεν υπάρχει συμφωνία μεταξύ των διαστημικών οργανισμών όσον αφορά τη θεωρητική προσέγγιση του Q, ενώ τα πειραματικά δεδομένα για τα βαριά ιόντα των GCR είναι περιορισμένα. Η NASA αποκλίνει από τη μέθοδο που χρησιμοποιείται για ακτινοπροστασία στη Γη και στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό, η οποία θεωρεί το Q ως συνάρτηση του LET (όπως προτείνεται από τις συστάσεις της ICRP), και υπολογίζει πλέον το Q ως συνάρτηση της παραμέτρου δομής-τροχιάς Ζ/β2. Αντίθετα, άλλοι οργανισμοί, όπως η ESA, η JAXA και η RSA, συνεχίζουν να υπολογίζουν το Q με βάσει το LET της ακτινοβολίας. Ωστόσο, η μέθοδος αυτη παρουσιάζει σημαντικούς περιορισμούς: απλοποιεί υπέρμετρα την αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας με τη βιολογική ύλη, δεν αποτελεί άμεσα μετρήσιμη ποσότητα από τους ανιχνευτές στο διάστημα και τέλος, υποθέτει λανθασμενα ότι τα ιόντα με ίδιο LET έχουν και την ίδια βιολογική αποτελεσματικότητα. Σκοπός: Η παρούσα μελέτη αποσκοπεί στον υπολογισμό και την εφαρμογή του παράγοντα ποιότητας (Q) της διαστημικής ακτινοβολίας σύμφωνα με τη μικροδοσιμετρική θεωρία της διπλής ακτινικής δράσης (TDRA). Οι υπολογισμοί του παράγοντα Q θα εφαρμοστούν για διάφορα σενάρια επανδρωμένων αποστολών και θα χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό του ακτινοπροκλητού ρίσκου καρκινογένεσης και των ασφαλών ημερών στο διάστημα για τους αστροναύτες. Για τους παραπάνω λόγους, αναπτύχθηκε μια ημι-αναλυτική μέθοδος υπολογισμού της μικροδοσιμετρικής γραμμικής ενέργειας (y), η οποία περιγράφει με μεγαλύτερη ακρίβεια την ποιότητα της ακτινοβολίας και τον παράγοντα Q σε σχέση με το LET, ενώ δύναται να μετρηθεί με ανιχνευτές θαλάμων ιονισμού (TEPC), όπως αυτοί που χρησιμοποιήθηκαν σε αποστολές του διαστημικού λεωφορείου και στον ΔΔΣ. Μεθοδολογία: Κατά τη διάρκεια του διδακτορικού έργου, τροποποιήσαμε το μικροδοσιμετρικό μοντέλο του US Naval Research Laboratory (NRL) που αναπτύχθηκε από τους Xapsos και συνεργάτες για το διαστημικό περιβάλλον, επεκτείνοντας την εφαρμογή του σε βαριά ιόντα (έως σίδηρο) και σε ενέργειες έως μερικά GeV/u. Η αξιοπιστία του μοντέλου εξετάστηκε σε μικρομετρικές και νανομετρικές διαστάσεις σφαιρικών στόχων για το μικροδοσιμετρικό μέγεθος της γραμμιώδους ενέργειας (y) και της σταθμισμένης ως προς τη δόση γραμμιώδους ενέργειας (yD), συνδυάζοντας τα άμεσα (ιόντα) και έμμεσα (δ-ηλεκτρόνια) γεγονότα μέσω των προσομοιώσεων του λογισμικού Geant4-DNA. Στη συνέχεια, το νέο μοντέλο συγκρίθηκε με υπολογισμούς για το μέγεθος y από κώδικες Monte Carlo δομής-τροχιάς (MCTS) για τα πρωτόνια, σε σφαιρικούς στόχους διαμέτρου 10-1000nm και ενεργειακό εύρος 1MeV- 1GeV. Αποτελέσματα: Οι υπολογισμοί της σταθμισμένης ως προς τη δόση γραμμιώδoυς ενέργειας (yD) που πραγματοποιήθηκαν με το νέο τροποποιημένο μικροδοσιμετρικό μοντέλο παρουσιάζουν πολύ καλή συμφωνία (εντός 10 %) με τα δεδομένα από τους κώδικες MCTS για όλες τις σφαίρες και όλο το ενεργειακό εύρος των πρωτονίων. Οι τιμές αυτές χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια για να υπολογιστεί ο παράγοντας ποιότητας Q σύμφωνα με το TDRA για το φάσμα των GCR και για δύο σενάρια αποστολών, στον ΔΔΣ και στο βαθύ διάστημα σε απόσταση 1 αστρονομικής μονάδας (AU). Οι προβλέψεις μας για το Q συμφωνούν εξαιρετικά (εντός 1–3 %) με το πιο πρόσφατο μοντέλο της NASA και βρίσκονται εντός των πειραματικών αβεβαιοτήτων, με τις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν με ανιχνευτές TEPC στον ISS και το RAD του MSL στο βαθύ διάστημα. Επίσης, οι τιμές του Q χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό του ακτινικού καρκινικού ρίσκου για σενάρια διαστημικών αποστολών στη Σελήνη και τον Άρη. Οι υπολογισμοί του ρίσκου καρκινογένεσης έδειξαν ότι, για ένα ταξίδι στον Άρη, οι γυναίκες ηλικίας κάτω των ~35-40 ετών είναι η πιο ακτινοευαίσθητη ομάδα και συνεπώς ξεπερνάνε ή κινδυνέυουν να ξεπεράσουν τα ανώτατα όρια που έχουν τεθεί από τους διαστημικούς οργανισμούς της ΕΣΑ και ΝΑΣΑ αντίστοιχα. Αντίθετα, οι αποστολές στη Σελήνη βρίσκονται εντός ορίων δόσεων, εφόσον αυτές διαρκούν λιγότερο από ~2 χρόνια. Συμπεράσματα: Το προτεινόμενο ημι-αναλυτικό μικροδοσιμετρικό μοντέλο για τον υπολογισμό του yD και του Q με βάση το TDRA για τη διαστημική ακτινοβολία, αναμένεται να είναι πρακτικό και αξιόπιστο για την πρόβλεψη του ρίσκου καρκινογένεσης των αστροναυτών σε αποστολές στο βαθύ διάστημα, όπου καμία διαστημική υπηρεσία δεν έχει ακόμη θεσπίσει όρια ακτινικών δόσεων.