本文描述了辐射与生物体相互作用的宏观量和微观量之间的联系,介绍了从微剂量学到纳米剂量学的发展趋势和最新成果,以及测量、计算其中的微观物理量的方法;探讨了微剂量学和纳米剂量学与辐射生物学之间的关系,以及它们在辐射防护和放射治疗等应用中存在的问题和未来进一步发展的方向。
引用本文： 傅玉川, 李平. 从微剂量学到纳米剂量学——连接放射生物和辐射物理的桥梁. 生物医学工程学杂志, 2014, 31(3): 703-707. doi: 10.7507/1001-5515.20140131 复制
引言
辐射与物质的相互作用理论，是在上世纪由著名物理学家Bohr、Bethe、Heitler和Fano[1-3]等建立起来的，它一直支撑着最前沿的物质结构学科--从高能物理、大气空间物理和天体物理学、电子束光刻和材料分析技术(如电子显微镜、X射线光谱仪)到生物医学工程等一系列最先进的技术和应用。但是在医学应用中，如影像和放射治疗，涉及到的是生物系统内发生的电磁相互作用，由辐射粒子激发和电离生物体分子引起的辐射效应(即放射生物学效应)，性质与其他应用相比，有着显著的不同。
描述辐射与物质相互作用的基本量是吸收剂量，即每单位质量体积中沉积的平均能量。而对辐射生物效应而言，能量的吸收无论在空间还是在时间上都有可能是不均匀的。针对生物体基本单位--细胞的辐射损伤包括细胞失活[4]、染色体畸变[5]、微核诱变[6]、致瘤性转变[7]和DNA双链断裂[8]等，它们都可以通过一定的生物学实验进行测量。大量的生物效应实验证明，吸收相同剂量引起的生物效应会因电离辐射能量沉积的微观分布不同而有差别，即决定生物效应的因素不仅仅是受照器官或组织中沉积的平均能量，更重要的是与这些能量沉积在时间和微观空间中的分布情况有关。为了严密地了解细胞初级辐射损伤的物理本质，并解释影响这种损伤出现或者补偿的条件，微剂量学和纳米剂量学应运而生并逐步发展[9-12]。
本文将从描述辐射与生物体相互作用的宏观量和微观量之间的联系说起，介绍从微剂量学到纳米剂量学的发展趋势和最新成果，并介绍测量、计算其中微观物理量的方法，最后探讨微剂量学、纳米剂量学与辐射生物学之间的关系，以及它们在辐射防护和放射治疗等应用中存在的问题和未来进一步发展的方向。
1 通往相对生物效应的微剂量学途径
1.1 相对生物效应的定义
为了量化单位体积内的能量吸收数量，以Jkg-1(Gy)为单位的吸收剂量D被选作辐射剂量学的基本量[13]。但是电离辐射的生物效应不能被解释为只包含剂量的函数。传统上，辐射的生物有效性评估是通过比较不同辐射束达到相同程度的一个特定生物学终点需要的吸收剂量值来进行的，该比值就是相对生物效应(relative biological effectiveness,RBE)[14]。引入RBE概念的原因在于只用吸收剂量无法预测生物效应[15],而不同辐射品质的射束，在吸收剂量相同的情况下，可能导致在特定生物终点条件下危害程度的重大差别[16]。例如在辐射防护中，最大和最小有效辐射品质条件下吸收剂量的差别因子可达20。其中带电粒子径迹结构的差异扮演着重要角色，如天然产生的α粒子就能产生比高能电子和光子更加密集的径迹。
1.2 微剂量学中的参量
电离辐射穿过活细胞或组织时产生的物理和化学事件的径迹或历史可能会导致细胞机能的中断。从传统的角度来看，细胞核，尤其是基因组，是电离辐射伤害的主要目标[17]。能量沉积可能会导致脱氧核糖核酸(desoxyribonucleic acid，DNA)以单链或双链断裂和碱基受损等形式的损伤[18]。反过来，细胞修复系统会尝试修复损伤。于是有些细胞被修复，有些还剩下部分损伤，而一些细胞无法被修复[19]。初始能量沉积的后果是一些细胞死亡，其它存活细胞中一些携带了染色体损伤，另一些可能会出现或大或小的基因缺失或碱基变化等变异特征[20]。显然，有关径迹结构的参量有望改善射束的表征量并有助于人们进一步理解生物效应和有效性的机制和定量性。
电离辐射的径迹可以用许多形式来描述和模拟，如传能线密度(linear energy transfer,LET)、品质因子(Q)、线能和特征能量(z)[9, 15] 等。单个带电粒子可以用LET和线能来描述。在大多数情况下，带电粒子有一个能量范围，可以用LET和线能分布来表征。
用符号LΔ表示的LET，在ICRU报告60[13]中被定义为一个非随机量。它是dEΔ和dl的商，其中dEΔ是带电粒子在遍历一个距离dl过程中由于电子碰撞损失的能量，减去能量损失超过Δ的动能总和;LΔ=dEΔ/dl也被称为受限制的LET。如果不存在截止限制，LET就被写成L∞或L，等于电子的阻止本领。
L是一个平均量，不能显示射束在相互作用中的随机性，在实践中的测量也很困难。因此定义了微剂量学参量及其分布来克服这些缺点[21]。对应于L的参量是线能y，它是ε除以1的商，其中ε是在一个体积内由一次单个能量沉积事件授予介质的能量，1则是该体积的平均弦长。
与LET的定义不同，在y中能量必须总是被授予的(ε＞0)。与LET相似，两个分布f(y)和d(y)分别用来描述频率和剂量分布[15]。在频率分布中，f(y)dy表示在线能间隔y和y+dy之间发现一次事件的概率及其平均值F，称为频率平均线能。类似地，剂量分布d(y)dy表示在线能间隔y和y+dy之间一次事件能量授予的概率。同样，D是剂量平均线能。因此在情况y下，其分布还包括粒子与物质相互作用固有的随机效应，对每一个单独的LET值都有一个线能的平均值。 另一个有用的量是比能z=ε/m，表示在一个特定的体积内被授予的能量除以该体积质量m的量[10, 15]。它与线能存在类似的分布。但是，与线能不同，特定能量分布可以不仅定义为一个单一事件，而且还可定义一个体积内同时存在多次事件的情况。这种分布也可以包括没有能量沉积的事件的概率。多个事件分布的平均特定能量等于吸收剂量D。由单一事件引起的特定能量可表示为z1，其概率分布分别为f1(z)和d1(z)。
1.3 微剂量学参量与RBE的比较
将微剂量学结果与RBE联系起来最简单的方法是比较生物实验中射束线能的剂量分布[14]。如果剂量分布是相同的，可以预期的是RBE值将相等；如果它们是不同的，不能排除会有不同的RBE。进一步的简化是比较分布的平均值F和D，而不是全部分布。
利用线能描述辐射品质的主要优点在于线能本身能够直接测定，并且能够与某些辐射作用的理论模型相联系[9]。在ICRP出版物92 (2003)[22]中，针对不同单能光子在不同模拟直径下的剂量传能线密度D和测得的剂量平均线能D都已给出。Chen[23]研究了小的和大的受体的影响，计算了光子能量分别为10 keV和2 MeV两种条件下，直径50 nm至1 μm的组织等效球的D值。对于一个小的受体，这些光子和康普顿电子可以被认为是源自第一次光子相互作用。对于大型的受体，所有相互作用产生的电子都包括在里面。光子能量在50 keV和100 keV之间时，小型和大型的受体的D值之间没有大的差异，而相对于1 MeV的光子，这些值有一个约2倍的因子。
2 纳米剂量学的发展
2.1 纳米剂量学简介
由辐射引起的生物细胞初始损伤主要源自发生于DNA及其附近的非弹性相互作用。Brenner等[24]的研究表明由不同电离品质的电离粒子产生的多次电离辐射群(2~3 nm尺寸内)与双链断裂产额有很好的相关性。Goodhead[25]的观察也支持这一结论，即针对某个生物学终点的放射生物学效应在LET约100 keV/mm时呈现出显著的最大值。而这一LET值对应的轻离子在水中的一次电离平均自由程小于0.5 nm，使得该电离簇对应几纳米的靶尺寸。
以上所述微剂量学考虑了相当于细胞核大小的靶体积内能量沉积的空间分布，其尺寸通常为几微米。而Brenner 和Ward的上述发现意味着对细胞的初始辐射损伤与粒子在DNA或在其附近(即纳米尺寸的目标内)的电离簇大小相关。因此，一种更恰当的方法是发展一种新的剂量学概念，即纳米剂量学，来表征一个纳米体积内基于电离簇形成的粒子径迹结构。它具有将经验辐射品质因子与径迹结构等微观属性联系起来的潜力[12]。
2.2 纳米剂量学中的参量
在纳米剂量学中，径迹结构由电离簇尺寸ν的频度分布来表征，它是在一个特定体积内产生的电离数量。通常将靶体积假设为圆柱体，从而在形状上模拟DNA的基本形状。一个具有辐射品质Q的电离粒子的径迹结构可以通过圆柱体靶体积内发生ν电离概率的统计分布P(ν|Q; d)来描述[12]。其中d 是一个初始粒子与靶中心之间的距离。当初始粒子从垂直于圆柱中心轴且位于靶一半高度的平面上穿过靶体积时，d=0 nm，簇大小分布的符号表示为P(ν|Q)。
电离簇大小分布反映了不同的辐射品质与粒子类型和能量的关联关系。例如，对于5 MeV的质子，簇的大小分布特征为当簇大小为零时为高概率，随着簇大小的增加概率迅速减小；与此类似，20 MeV的α粒子在簇的大小为零时表现出最大的概率，但随着簇大小的增加以较慢的速率减少；而 60 MeV的碳离子和100 MeV的氖离子的簇大小概率在簇大小分别增加至9和26时达到最大值，然后随簇大小的增加而减小。
一个假定的与双链断裂形成相关联的纳米剂量学参量是大于2的电离簇大小累积概率 [26]，这一重要假设背后的逻辑是，为了产生双链断裂，至少需要在很短的DNA片段内有两次击中，而发生这种情况的可能性应该与两次或更多次的电离概率成正比。
2.3 粒子径迹结构的蒙特卡罗模拟
在过去的20年里，蒙特卡罗径迹结构模型常被用来确定粒子径迹的微剂量学参量和纳米剂量学参量[27-29]，因为它可以一步一步真实地模拟电离粒子的空间行为，描述能量损失中的电离、δ射线及其它分叉径迹等。人们开发了多种可专门模拟粒子径迹的蒙特卡罗程序，如Livermore、Penelope、Geant4和PTB等[30-31]，并将它们用于放射生物学和纳米剂量学应用，如模拟微束细胞照射实验，显示当一个粒子打到一个实际的细胞模型上时的局部能量沉积和电离分布[32]。
开发这类蒙特卡罗程序的难点在于：除了标准原子碰撞相互作用的横截面数据库，还必须提供具备低能电子截面的理论模型和相关数据，从而使其可以精确地以离散形式模拟所有相互作用[33]。由于缺乏全面的DNA分子内辐射相互作用数据集，蒙特卡罗径迹结构程序常用物理性质相近的液态水来代替DNA。有研究结果表明，使用液态水而不是DNA的截面数据，可能导致高估平均电离簇大小，它意味着双链断裂概率和放射生物学效应可能被高估[12]。因此需要进一步进行除液态水之外的生物分子替代物的电离截面研究。
3 微剂量学和纳米剂量学的实验研究方法
微剂量学实验研究方法的基本出发点是使用一个组织等效气体体积来模拟一个正常密度的小生物组织体积[9]。所谓模拟是指带电粒子通过计数管体积中组织等效气体时，和通过同一位置上组织的小灵敏体积时所遭受的碰撞数目相同，因此将计数管放在与生物材料相同的位置上时，可以用计数管测量到的辐射能量沉积分布来表示所要模拟的生物材料小组织中的能量沉积分布。计数管工作时所用的气体一般为甲烷、二氧化碳和氮气的混合物。
目前使用的微剂量测量技术包括基于单事件分析的脉冲高度分析(the pulse-heights analyses，PHA)技术和基于多个事件分析的方差 - 协方差(the variance-covariance，V-C)技术[15],两者是相互独立的技术。
当关注的对象体积为纳米级时，虽然确定该凝聚态物质体积内电离簇大小的分布可利用模拟进行，但对这些分布进行直接测量是不可能的[12]，而间接测量的技术还有待发展。因此，如同微剂量的情形，密度缩放的原理可以被应用于将气体宏观体积内的可测量参数与凝聚态物质微观体积内的相应量联系起来。
在纳米剂量学中，可利用低压气体中的电离簇大小分布测量来探测粒子在纳米生物靶(如DNA)上的径迹结构。到目前为止，通过构建三种不同类型的纳米计量计才实现了这个概念，它们是喷气计数器、纳米径迹计数器和离子计数纳米计量计。在填充低气压气体的条件下，这些复杂的设备被用来测量电离簇大小。获得的测量结果可用来作为粒子径迹结构Monte Carlo模拟电离簇大小分布的基准[34]。
4 总结
应用于评估和理解生物分子中辐射损伤方面的微剂量学和径迹结构，是从基本物理和化学原理出发，提供可进行实验检测的一种假设理论途径。为此，径迹结构提供了理解剂量 - 效应关系(S形状)机制的基础。已积累的来自于化学、细胞学和细胞放射生物学的丰富资料和数据需要被放置在一个统一描述的理论框架内。在很多经典放射生物学问题仍然没有答案的情况下，新思路和具有挑战性的问题正在不断涌现。其中，分子水平上的径迹结构模拟是放射生物学和放射治疗学理论中一个新兴的工具。
辐射相互作用的最丰富产物是低能电子，这些电子与周围分子的碰撞是导致生物系统中辐射损伤生化反应序列的主要初始来源[14]。我们现在对于辐射引起的亚细胞尺度上生物损伤(小至纳米体积)的理解源于微剂量学和纳米剂量学研究，但这些研究成果尚未很好地得到应用，如在放射治疗中辐射品质的测量可以有两种不同的用途：首先是确定治疗区域内辐射品质是否有任何变化，其次可用于探讨辐射品质差异的重要性。然而，到目前为止，关于治疗区域内辐射品质的变化研究尚未充分展开，而线能分布差异的生物影响也未能充分了解。
现在，由于不可避免的健康组织低剂量辐射暴露[35]，为接受过放射治疗的癌症生存者的继发恶性肿瘤发病率逐步上升，提供了解切的非靶内损伤证据。现在越来越多的放射治疗研究更关注对受照射肿瘤周围的正常细胞的影响[36]。但是目前的研究仍缺乏定量的基于人体动机的模型，主要是因为经典放射生物学中以DNA为中心的方法在低剂量时不再有效。因此如何利用微剂量学和纳米剂量学工具来探讨辐射生物效应的物理机制，从而建立预测生物性病变频率和复杂性的模型，并改进径迹结构模型以使其提供更准确的治疗和风险评估信息[37]，是我们今后进一步探索的方向。
引言
辐射与物质的相互作用理论，是在上世纪由著名物理学家Bohr、Bethe、Heitler和Fano[1-3]等建立起来的，它一直支撑着最前沿的物质结构学科--从高能物理、大气空间物理和天体物理学、电子束光刻和材料分析技术(如电子显微镜、X射线光谱仪)到生物医学工程等一系列最先进的技术和应用。但是在医学应用中，如影像和放射治疗，涉及到的是生物系统内发生的电磁相互作用，由辐射粒子激发和电离生物体分子引起的辐射效应(即放射生物学效应)，性质与其他应用相比，有着显著的不同。
描述辐射与物质相互作用的基本量是吸收剂量，即每单位质量体积中沉积的平均能量。而对辐射生物效应而言，能量的吸收无论在空间还是在时间上都有可能是不均匀的。针对生物体基本单位--细胞的辐射损伤包括细胞失活[4]、染色体畸变[5]、微核诱变[6]、致瘤性转变[7]和DNA双链断裂[8]等，它们都可以通过一定的生物学实验进行测量。大量的生物效应实验证明，吸收相同剂量引起的生物效应会因电离辐射能量沉积的微观分布不同而有差别，即决定生物效应的因素不仅仅是受照器官或组织中沉积的平均能量，更重要的是与这些能量沉积在时间和微观空间中的分布情况有关。为了严密地了解细胞初级辐射损伤的物理本质，并解释影响这种损伤出现或者补偿的条件，微剂量学和纳米剂量学应运而生并逐步发展[9-12]。
本文将从描述辐射与生物体相互作用的宏观量和微观量之间的联系说起，介绍从微剂量学到纳米剂量学的发展趋势和最新成果，并介绍测量、计算其中微观物理量的方法，最后探讨微剂量学、纳米剂量学与辐射生物学之间的关系，以及它们在辐射防护和放射治疗等应用中存在的问题和未来进一步发展的方向。
1 通往相对生物效应的微剂量学途径
1.1 相对生物效应的定义
为了量化单位体积内的能量吸收数量，以Jkg-1(Gy)为单位的吸收剂量D被选作辐射剂量学的基本量[13]。但是电离辐射的生物效应不能被解释为只包含剂量的函数。传统上，辐射的生物有效性评估是通过比较不同辐射束达到相同程度的一个特定生物学终点需要的吸收剂量值来进行的，该比值就是相对生物效应(relative biological effectiveness,RBE)[14]。引入RBE概念的原因在于只用吸收剂量无法预测生物效应[15],而不同辐射品质的射束，在吸收剂量相同的情况下，可能导致在特定生物终点条件下危害程度的重大差别[16]。例如在辐射防护中，最大和最小有效辐射品质条件下吸收剂量的差别因子可达20。其中带电粒子径迹结构的差异扮演着重要角色，如天然产生的α粒子就能产生比高能电子和光子更加密集的径迹。
1.2 微剂量学中的参量
电离辐射穿过活细胞或组织时产生的物理和化学事件的径迹或历史可能会导致细胞机能的中断。从传统的角度来看，细胞核，尤其是基因组，是电离辐射伤害的主要目标[17]。能量沉积可能会导致脱氧核糖核酸(desoxyribonucleic acid，DNA)以单链或双链断裂和碱基受损等形式的损伤[18]。反过来，细胞修复系统会尝试修复损伤。于是有些细胞被修复，有些还剩下部分损伤，而一些细胞无法被修复[19]。初始能量沉积的后果是一些细胞死亡，其它存活细胞中一些携带了染色体损伤，另一些可能会出现或大或小的基因缺失或碱基变化等变异特征[20]。显然，有关径迹结构的参量有望改善射束的表征量并有助于人们进一步理解生物效应和有效性的机制和定量性。
电离辐射的径迹可以用许多形式来描述和模拟，如传能线密度(linear energy transfer,LET)、品质因子(Q)、线能和特征能量(z)[9, 15] 等。单个带电粒子可以用LET和线能来描述。在大多数情况下，带电粒子有一个能量范围，可以用LET和线能分布来表征。
用符号LΔ表示的LET，在ICRU报告60[13]中被定义为一个非随机量。它是dEΔ和dl的商，其中dEΔ是带电粒子在遍历一个距离dl过程中由于电子碰撞损失的能量，减去能量损失超过Δ的动能总和;LΔ=dEΔ/dl也被称为受限制的LET。如果不存在截止限制，LET就被写成L∞或L，等于电子的阻止本领。
L是一个平均量，不能显示射束在相互作用中的随机性，在实践中的测量也很困难。因此定义了微剂量学参量及其分布来克服这些缺点[21]。对应于L的参量是线能y，它是ε除以1的商，其中ε是在一个体积内由一次单个能量沉积事件授予介质的能量，1则是该体积的平均弦长。
与LET的定义不同，在y中能量必须总是被授予的(ε＞0)。与LET相似，两个分布f(y)和d(y)分别用来描述频率和剂量分布[15]。在频率分布中，f(y)dy表示在线能间隔y和y+dy之间发现一次事件的概率及其平均值F，称为频率平均线能。类似地，剂量分布d(y)dy表示在线能间隔y和y+dy之间一次事件能量授予的概率。同样，D是剂量平均线能。因此在情况y下，其分布还包括粒子与物质相互作用固有的随机效应，对每一个单独的LET值都有一个线能的平均值。 另一个有用的量是比能z=ε/m，表示在一个特定的体积内被授予的能量除以该体积质量m的量[10, 15]。它与线能存在类似的分布。但是，与线能不同，特定能量分布可以不仅定义为一个单一事件，而且还可定义一个体积内同时存在多次事件的情况。这种分布也可以包括没有能量沉积的事件的概率。多个事件分布的平均特定能量等于吸收剂量D。由单一事件引起的特定能量可表示为z1，其概率分布分别为f1(z)和d1(z)。
1.3 微剂量学参量与RBE的比较
将微剂量学结果与RBE联系起来最简单的方法是比较生物实验中射束线能的剂量分布[14]。如果剂量分布是相同的，可以预期的是RBE值将相等；如果它们是不同的，不能排除会有不同的RBE。进一步的简化是比较分布的平均值F和D，而不是全部分布。
利用线能描述辐射品质的主要优点在于线能本身能够直接测定，并且能够与某些辐射作用的理论模型相联系[9]。在ICRP出版物92 (2003)[22]中，针对不同单能光子在不同模拟直径下的剂量传能线密度D和测得的剂量平均线能D都已给出。Chen[23]研究了小的和大的受体的影响，计算了光子能量分别为10 keV和2 MeV两种条件下，直径50 nm至1 μm的组织等效球的D值。对于一个小的受体，这些光子和康普顿电子可以被认为是源自第一次光子相互作用。对于大型的受体，所有相互作用产生的电子都包括在里面。光子能量在50 keV和100 keV之间时，小型和大型的受体的D值之间没有大的差异，而相对于1 MeV的光子，这些值有一个约2倍的因子。
2 纳米剂量学的发展
2.1 纳米剂量学简介
由辐射引起的生物细胞初始损伤主要源自发生于DNA及其附近的非弹性相互作用。Brenner等[24]的研究表明由不同电离品质的电离粒子产生的多次电离辐射群(2~3 nm尺寸内)与双链断裂产额有很好的相关性。Goodhead[25]的观察也支持这一结论，即针对某个生物学终点的放射生物学效应在LET约100 keV/mm时呈现出显著的最大值。而这一LET值对应的轻离子在水中的一次电离平均自由程小于0.5 nm，使得该电离簇对应几纳米的靶尺寸。
以上所述微剂量学考虑了相当于细胞核大小的靶体积内能量沉积的空间分布，其尺寸通常为几微米。而Brenner 和Ward的上述发现意味着对细胞的初始辐射损伤与粒子在DNA或在其附近(即纳米尺寸的目标内)的电离簇大小相关。因此，一种更恰当的方法是发展一种新的剂量学概念，即纳米剂量学，来表征一个纳米体积内基于电离簇形成的粒子径迹结构。它具有将经验辐射品质因子与径迹结构等微观属性联系起来的潜力[12]。
2.2 纳米剂量学中的参量
在纳米剂量学中，径迹结构由电离簇尺寸ν的频度分布来表征，它是在一个特定体积内产生的电离数量。通常将靶体积假设为圆柱体，从而在形状上模拟DNA的基本形状。一个具有辐射品质Q的电离粒子的径迹结构可以通过圆柱体靶体积内发生ν电离概率的统计分布P(ν|Q; d)来描述[12]。其中d 是一个初始粒子与靶中心之间的距离。当初始粒子从垂直于圆柱中心轴且位于靶一半高度的平面上穿过靶体积时，d=0 nm，簇大小分布的符号表示为P(ν|Q)。
电离簇大小分布反映了不同的辐射品质与粒子类型和能量的关联关系。例如，对于5 MeV的质子，簇的大小分布特征为当簇大小为零时为高概率，随着簇大小的增加概率迅速减小；与此类似，20 MeV的α粒子在簇的大小为零时表现出最大的概率，但随着簇大小的增加以较慢的速率减少；而 60 MeV的碳离子和100 MeV的氖离子的簇大小概率在簇大小分别增加至9和26时达到最大值，然后随簇大小的增加而减小。
一个假定的与双链断裂形成相关联的纳米剂量学参量是大于2的电离簇大小累积概率 [26]，这一重要假设背后的逻辑是，为了产生双链断裂，至少需要在很短的DNA片段内有两次击中，而发生这种情况的可能性应该与两次或更多次的电离概率成正比。
2.3 粒子径迹结构的蒙特卡罗模拟
在过去的20年里，蒙特卡罗径迹结构模型常被用来确定粒子径迹的微剂量学参量和纳米剂量学参量[27-29]，因为它可以一步一步真实地模拟电离粒子的空间行为，描述能量损失中的电离、δ射线及其它分叉径迹等。人们开发了多种可专门模拟粒子径迹的蒙特卡罗程序，如Livermore、Penelope、Geant4和PTB等[30-31]，并将它们用于放射生物学和纳米剂量学应用，如模拟微束细胞照射实验，显示当一个粒子打到一个实际的细胞模型上时的局部能量沉积和电离分布[32]。
开发这类蒙特卡罗程序的难点在于：除了标准原子碰撞相互作用的横截面数据库，还必须提供具备低能电子截面的理论模型和相关数据，从而使其可以精确地以离散形式模拟所有相互作用[33]。由于缺乏全面的DNA分子内辐射相互作用数据集，蒙特卡罗径迹结构程序常用物理性质相近的液态水来代替DNA。有研究结果表明，使用液态水而不是DNA的截面数据，可能导致高估平均电离簇大小，它意味着双链断裂概率和放射生物学效应可能被高估[12]。因此需要进一步进行除液态水之外的生物分子替代物的电离截面研究。
3 微剂量学和纳米剂量学的实验研究方法
微剂量学实验研究方法的基本出发点是使用一个组织等效气体体积来模拟一个正常密度的小生物组织体积[9]。所谓模拟是指带电粒子通过计数管体积中组织等效气体时，和通过同一位置上组织的小灵敏体积时所遭受的碰撞数目相同，因此将计数管放在与生物材料相同的位置上时，可以用计数管测量到的辐射能量沉积分布来表示所要模拟的生物材料小组织中的能量沉积分布。计数管工作时所用的气体一般为甲烷、二氧化碳和氮气的混合物。
目前使用的微剂量测量技术包括基于单事件分析的脉冲高度分析(the pulse-heights analyses，PHA)技术和基于多个事件分析的方差 - 协方差(the variance-covariance，V-C)技术[15],两者是相互独立的技术。
当关注的对象体积为纳米级时，虽然确定该凝聚态物质体积内电离簇大小的分布可利用模拟进行，但对这些分布进行直接测量是不可能的[12]，而间接测量的技术还有待发展。因此，如同微剂量的情形，密度缩放的原理可以被应用于将气体宏观体积内的可测量参数与凝聚态物质微观体积内的相应量联系起来。
在纳米剂量学中，可利用低压气体中的电离簇大小分布测量来探测粒子在纳米生物靶(如DNA)上的径迹结构。到目前为止，通过构建三种不同类型的纳米计量计才实现了这个概念，它们是喷气计数器、纳米径迹计数器和离子计数纳米计量计。在填充低气压气体的条件下，这些复杂的设备被用来测量电离簇大小。获得的测量结果可用来作为粒子径迹结构Monte Carlo模拟电离簇大小分布的基准[34]。
4 总结
应用于评估和理解生物分子中辐射损伤方面的微剂量学和径迹结构，是从基本物理和化学原理出发，提供可进行实验检测的一种假设理论途径。为此，径迹结构提供了理解剂量 - 效应关系(S形状)机制的基础。已积累的来自于化学、细胞学和细胞放射生物学的丰富资料和数据需要被放置在一个统一描述的理论框架内。在很多经典放射生物学问题仍然没有答案的情况下，新思路和具有挑战性的问题正在不断涌现。其中，分子水平上的径迹结构模拟是放射生物学和放射治疗学理论中一个新兴的工具。
辐射相互作用的最丰富产物是低能电子，这些电子与周围分子的碰撞是导致生物系统中辐射损伤生化反应序列的主要初始来源[14]。我们现在对于辐射引起的亚细胞尺度上生物损伤(小至纳米体积)的理解源于微剂量学和纳米剂量学研究，但这些研究成果尚未很好地得到应用，如在放射治疗中辐射品质的测量可以有两种不同的用途：首先是确定治疗区域内辐射品质是否有任何变化，其次可用于探讨辐射品质差异的重要性。然而，到目前为止，关于治疗区域内辐射品质的变化研究尚未充分展开，而线能分布差异的生物影响也未能充分了解。
现在，由于不可避免的健康组织低剂量辐射暴露[35]，为接受过放射治疗的癌症生存者的继发恶性肿瘤发病率逐步上升，提供了解切的非靶内损伤证据。现在越来越多的放射治疗研究更关注对受照射肿瘤周围的正常细胞的影响[36]。但是目前的研究仍缺乏定量的基于人体动机的模型，主要是因为经典放射生物学中以DNA为中心的方法在低剂量时不再有效。因此如何利用微剂量学和纳米剂量学工具来探讨辐射生物效应的物理机制，从而建立预测生物性病变频率和复杂性的模型，并改进径迹结构模型以使其提供更准确的治疗和风险评估信息[37]，是我们今后进一步探索的方向。