辐射防护纳剂量学关键技术研究

Nanodosimetry study is the international academic foreland and hotspot in the dosimetry field.To meet the requirement on radiation health effects study field,this project plans to carry out study on the nano-dosimetry theoretical simulation technology and experimental technology . Firstly, this project will establish the first domestic high order DNA ( chromosome ) atomic model; and then through the study on the low energy particles and liquid water reaction cross section, low energy particles and DNA component reaction cross section, pre-chemical and chemical action model, DNA damage model, repair of DNA damage model, DNA damage tally and evaluate model, this project will develope the first nano-dosimetry theory simulation program with independent intellectual property rights in China; on the basis of this study, the project will create multi-scale composite voxel phantom based on China reference voxel phantom, and multi-scale Adaptive Monte Carlo method.They will be applied to low dose radiation biological effects study field, and provide theoretical guidance for evaluating the health effects of radiation more accurately and conveniently..This project not only has important significance to low dose radiation health effects study in China, but also can make our country reach the international advanced level in the dosimetry study field.

纳剂量学研究是剂量学领域国际学术的前沿和热点。本课题针对辐射健康效应的研究需求，计划开展纳剂量学理论模拟技术及实验技术的研究。首先建立国内首个高阶DNA（染色体）原子模型；然后在低能粒子与液体水作用截面、低能粒子与DNA组分反应截面、 前化学和化学阶段模型、DNA损伤模型、DNA损伤修复模型、DNA损伤统计评价模型等方面开展研究工作，并将研发国内首个具有自主知识产权的纳剂量理论模拟程序；在此基础上，创建基于中国参考人体素体模的多尺度复合型体素体模和多尺度自适应蒙特卡罗方法，并将在低剂量辐射生物效应研究领域进行应用，为更准确、便捷地评价低剂量辐射健康效应的结果提供理论指导。.本课题不仅对我国低剂量辐射健康效应研究具有重要意义，而且可使我国在纳剂量学研究领域达到国际先进水平。

在所有辐射生物效应中，细胞核DNA的辐射损伤是最重要、最原初的损伤。DNA损伤将会导致基因突变、染色体畸变、细胞死亡等，进而表现为确定性效应和随机性效应。因此纳米尺度的剂量学研究是理解辐射健康效应机制的一种重要方法，目前已成为剂量学领域国际学术的前沿和热点。本项目针对辐射健康效应的研究需求，开展了纳剂量学生物物理蒙特卡罗模拟方法的研究。首先建立从脱氧核糖核苷酸对到染色体纤维单元的一系列DNA原子模型，并基于SCD球模型获得染色质分布信息，建立了国内首个精细的电离辐射细胞核生物靶模型；基于介电响应理论和最新光学数据，计算了低能电子、质子和氢原子与液态水的非弹性散射截面，截面数据与实验值吻合较好；建立了辐射与生物体作用的前化学和化学阶段模型、DNA直接和间接损伤模型、DNA损伤的非同源末端连接修复模型。在此基础上，研发了国内首个具有自主知识产权的纳剂量生物物理模拟程序NASIC，包含物理模块、前化学模块、化学模块、DNA损伤模块、DNA损伤修复模块及几何模块。NASIC程序可以精确模拟低能粒子与DNA、染色质等纳米尺度生命物质发生物理、化学、生物相互作用的全过程，DNA损伤及DNA损伤修复的模拟结果与实验值吻合。通过将宏观中国参考人体素模型、精细器官模型和DNA原子模型有效融合，本项目首次提出并建立了多尺度复合模型及自适应蒙特卡罗模拟方法，为实现宏观有效剂量、微观剂量分布、纳米尺度径迹结构和DNA损伤的精确模拟创造条件，并开发GPU并行加速算法实现快速蒙特卡罗模拟。本项目为研究辐射健康效应的深层物理和生物机制提供了有效的理论模拟手段，使我国在纳剂量学研究领域达到国际先进水平，对低剂量辐射健康效应等问题的研究具有重要的指导意义。