發(fā)布時間：2017-07-05 12:12

  本文關鍵詞：空間輻射風險評估理論與應用研究

  更多相關文章： 空間輻射 風險評估 生物物理模型 特征選擇技術 生物標志物

【摘要】：空間輻射是長期載人航天飛行中導致生物體損傷,威脅航天員健康的主要因素之一。因此,空間輻射風險評估是載人航天工程中航天員輻射風險預警和防護中的重要問題。目前,國際上一般采用模擬計算的方法首先獲取空間飛行中航天員所接受輻射的相關物理量,然后,基于線性無閾值假說(Linear-no-threshold hypothesis,LNT),利用二戰(zhàn)后期原子彈大爆炸幸存者的癌癥發(fā)生率/致死率數(shù)據(jù)獲得輻射誘導癌癥發(fā)生/致死風險系數(shù)以評估航天員的空間輻射風險。但對于載人深空探索任務而言,如登火星等,該方法評估航天員空間輻射風險的不確定性可達400～600%。這主要是由于缺乏重離子輻射生物學效應數(shù)據(jù),缺乏合適的低劑量空間輻射風險評估模型,以及缺乏空間環(huán)境敏感的生物標志物數(shù)據(jù)等所致。為降低空間輻射風險評估中的不準確性,亟需解決的關鍵科學問題至少涉及三個方面,包括輻射品質因子預測、低劑量輻射風險預測以及空間環(huán)境敏感的生物標志物挖掘等。本文主要針對這些關鍵的科學問題展開相關的理論與應用研究。首先,本文從輻射與生物體相互作用的原初過程出發(fā),建立了基于兩階段隨機輻射損傷過程的高斯靶效應模型,并利用解析的和數(shù)值的方法證明了該模型特別適合于描述低傳能線密度(Linear energy transfer,LET)的輻射生物學效應。通過對目前公開發(fā)表的典型輻射生物學實驗數(shù)據(jù)的擬合分析發(fā)現(xiàn),高斯靶效應模型的擬合效果明顯優(yōu)于基于泊松分布的靶模型和LQ模型的擬合效果。通過理論分析和對數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn),該模型中的參數(shù)比VIN(Gy~(-1))可以用于評價輻射損傷產額,且輻射損傷的程度主要依賴于輻射品質。為進一步評估空間連續(xù)LET譜的輻射品質因子,本文在考慮了輻射的間接效應和機體復雜的修復過程的基礎上,建立了基于Yager否定算子的推廣靶效應模型。理論分析顯示,該模型具有明顯的線性-平方-線性(Linear-quadratic-linear, LQL)特征。通過對大量不同LET不同細胞系的存活率數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn),該模型適用描述不同LET輻射的生物學效應,且可用于計算細胞修復度、輻射敏感性、相對生物學效應等。應用該模型,計算得到了LET和細胞系平均的相對生物學效應(Relative biological effectiveness,RBE),并最終得到劑量-依賴的輻射品質因子。結合航天員關鍵組織或器官的吸收劑量,評估了太陽質子事件(Solar proton event,SPE)條件下航天員的急性與慢性空間輻射風險,并發(fā)現(xiàn)在低劑量下空間輻射風險并不滿足LNT假說,低于LNT預期,揭示生物體修復能力是空間輻射評估中需要考慮的重要因素之一。最后,針對空間輻射生物學數(shù)據(jù)“小樣本大數(shù)據(jù)”的特點,提出了一套基于特征選擇技術的多任務組合算法,并將之用于神舟-8號搭載線蟲的基因表達譜數(shù)據(jù)中空間環(huán)境敏感生物標志物的篩選。通過與傳統(tǒng)方法對比發(fā)現(xiàn),該算法能篩選到更多的對空間環(huán)境敏感的功能基因。功能注釋發(fā)現(xiàn),這些基因主要與代謝過程中氧化磷酸化有關。最后,利用聚類算法發(fā)現(xiàn)了17個空間環(huán)境敏感的潛在生物標志物,并揭示了空間輻射與微重力之間可能存在協(xié)同生物學效應。本文在空間輻射品質因子預測以及生物標志物篩選等方面的研究中所建立的方法與模型,可為載人航天飛行中航天員的輻射風險預警和對抗提供相應的理論支撐。
【關鍵詞】：空間輻射 風險評估 生物物理模型 特征選擇技術 生物標志物
【學位授予單位】：大連海事大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：R85
【目錄】：

• 創(chuàng)新點摘要5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第1章 緒論13-60
• 1.1 空間輻射環(huán)境概述13-15
• 1.1.1 銀河宇宙射線13-14
• 1.1.2 太陽高能粒子14
• 1.1.3 地磁場俘獲帶14
• 1.1.4 次級粒子的產生14-15
• 1.2 空間飛行中航天員接受到的空間輻射15-22
• 1.2.1 近地軌道飛行中航天員的空間輻射劑量15-18
• 1.2.2 深空飛行中航天員的空間輻射劑量18-19
• 1.2.3 不同厚度防護材料下航天員的空間輻射劑量19-22
• 1.3 空間輻射引起的健康風險22-24
• 1.4 空間輻射風險評估的相關研究進展24-34
• 1.4.1 空間輻射風險評估方法24-29
• 1.4.2 低劑量和低劑量率空間輻射風險29-32
• 1.4.3 傳統(tǒng)空間輻射風險評估中的不確定性32-34
• 1.5 輻射生物物理模型的相關研究進展34-50
• 1.5.1 基于Poisson分布的靶模型34-37
• 1.5.2 線性平方模型37-42
• 1.5.3 動力學模型42-46
• 1.5.4 徑跡結構模型46-47
• 1.5.5 局部效應模型47-50
• 1.5.6 其它模型50
• 1.6 輻射生物學損傷標志物的相關研究進展50-55
• 1.6.1 低劑量輻射生物標志物51-52
• 1.6.2 空間輻射生物標志物52-54
• 1.6.3 空間輻射生物標志物挖掘技術54-55
• 1.7 空間輻射風險評估中的關鍵科學問題55-56
• 1.7.1 空間輻射品質因子或風險截面預測的問題55-56
• 1.7.2 低劑量低劑量率下輻射風險預測的問題56
• 1.7.3 空間環(huán)境誘導的生物標志物挖掘的問題56
• 1.8 課題意義、研究內容與目標,以及擬解決的關鍵問題56-60
• 1.8.1 課題意義56-57
• 1.8.2 研究內容57-58
• 1.8.3 研究目標和擬解決的關鍵問題58-60
• 第2章 基于兩階段隨機輻射損傷過程的高斯靶效應模型及其應用60-77
• 2.1 引言60-61
• 2.2 理論模型及推導61-63
• 2.3 模型比較分析63-64
• 2.3.1 基于理論分析進行模型比較63-64
• 2.3.2 基于數(shù)值模擬進行模型比較64
• 2.4 材料與方法64-66
• 2.4.1 實驗數(shù)據(jù)源64-65
• 2.4.2 數(shù)據(jù)擬合及統(tǒng)計分析65-66
• 2.5 模型驗證與參數(shù)分析66-71
• 2.5.1 擬合結果分析66-69
• 2.5.2 輻射損傷產額預測69-71
• 2.6 高斯靶效應模型的應用71-76
• 2.6.1 擬合結果分析71-73
• 2.6.2 輻射損傷產額驗證73-76
• 2.7 小結76-77
• 第3章 基于否定算子的推廣靶效應模型及其應用77-101
• 3.1 引言77
• 3.2 理論模型及推導77-83
• 3.2.1 理論模型的建立77-78
• 3.2.2 數(shù)值模擬78-80
• 3.2.3 實驗數(shù)據(jù)及統(tǒng)計分析80
• 3.2.4 擬合結果分析與討論80-83
• 3.3 推廣靶效應模型的應用83-99
• 3.3.1 近似計算與數(shù)值模擬83-84
• 3.3.2 實驗數(shù)據(jù)及擬合分析84-90
• 3.3.3 細胞修復度預測90-94
• 3.3.4 細胞修復度驗證94-95
• 3.3.5 輻射敏感性預測95-98
• 3.3.6 靶體積預測98-99
• 3.4 小結99-101
• 第4章 基于推廣的靶效應模型評估太陽粒子事件下航天員的空間輻射風險101-116
• 4.1 引言101
• 4.2 材料與方法101-103
• 4.2.1 實驗數(shù)據(jù)源101-102
• 4.2.2 數(shù)據(jù)擬合及統(tǒng)計分析102-103
• 4.3 結果與討論103-115
• 4.3.1 擬合結果分析103-107
• 4.3.2 參數(shù)分析107-108
• 4.3.3 平均相對生物學效應計算108-111
• 4.3.4 劑量依賴的權重劑量計算111-113
• 4.3.5 空間輻射風險評估113-115
• 4.4 小結115-116
• 第5章 基于特征選擇技術的空間環(huán)境敏感的生物標志物篩選116-137
• 5.1 引言116
• 5.2 材料與方法116-121
• 5.2.1 數(shù)據(jù)源116-118
• 5.2.2 算法流程118
• 5.2.3 特征選擇算法118-120
• 5.2.4 基因功能和聚類分析120-121
• 5.3 結果121-134
• 5.3.1 共同差異表達基因121-122
• 5.3.2 與傳統(tǒng)方法進行比較分析122-127
• 5.3.3 基因重要性排序127-129
• 5.3.4 生物標志物的篩選129-134
• 5.4 討論134-135
• 5.5 小結135-137
• 結論137-139
• 展望139-140
• 參考文獻140-155
• 附錄155-176
• 攻讀學位期間公開發(fā)表論文176-178
• 致謝178-180
• 作者簡介180

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 齊玢;果琳麗;張志賢;李志杰;聞佳;葉培建;;載人深空探測任務航天醫(yī)學工程問題研究[J];航天器環(huán)境工程;2016年01期

2 高英;趙磊;宓東;王君君;馬寶山;孫野青;;空間環(huán)境誘導秀麗隱桿線蟲差異表達基因位點分布的研究[J];航天醫(yī)學與醫(yī)學工程;2015年03期

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本文編號：521906