低剂量电离辐射的生物效应一直是当今放射生物学研究的挑战之一,微剂量学为小体积内的辐射能量沉积的随机性提供了定量描述,研究粒子在微观体积内的径迹结构是微剂量学的基础。蒙特卡罗模拟方法可以模拟粒子与物质相互作用,定量评估粒子径迹,尤其是在实验很难获取数据的情况下,常作为获取数值的标准手段。因此蒙特卡罗方法广泛应用于微剂量学领域。细胞是生物体最基本的功能单元,而DNA是细胞中最具有辐射损伤敏感性的靶,不同的蒙特卡罗物理模型所关心的靶尺寸各不相同,因此在针对不同的对象进行模拟时需要根据情况选择不同的物理模型。综上,十分有必要将细胞和DNA尺度的径迹结构分别作为研究对象。本文基于Geant4-DNA版本10.4中提供的不同物理选项模型评估低能电子在液态水中的径迹结构,根据不同模型的特点,选择其中5个适用的模型来模拟单能入射电子(0.1 keV-20 keV)在液态水中输运,比较各模型记录的径迹结构具体信息,包括相互作用过程总次数、电离和激发次数及相应沉积能量占比等;分析Geant4-DNA选项模型、抽样位点小球半径、截止能量及相互作用过程等因素对线能均值的影响。本工作通过设置不同输运控制条件较全面地比较了 Geant4-DNA工具包中的不同选项模型,对帮助用户根据需要选择合适的模型模拟单能电子具有基础指导意义,为完善电子在液态水中的微剂量学数据库并用于评估电离辐射在微观尺度的生物学效应提供有力依据。另外,提出两种人体真实正常细胞的体素模型,并利用GATE软件包的蒙特卡罗模拟来描述和分析形状、体积和相互作用的物理模型等要素对微剂量学指标—比能的影响。本文选用了GATE的Livermore和Penelope两种低能电磁模型估算了肺上皮细胞(BEAS-2B)和肾上皮细胞(293T)及其体积相仿的简单椭球体的比能及其分布。选择初始能量在50 keV至1 MeV范围的单能电子作为“源”,根据放射生物学细胞实验中的常见照射方式,我们评估了三种具体的照射条件:源在细胞内各向同性照射、源在细胞外沿轴向照射(x轴正向和z轴负向)和细胞表面覆盖一层聚丙烯膜的外照射。这些结果对于进一步开展放射生物效应机制探索而言,建立人体真实细胞体素模型具有相当必要性;同时针对这些细胞体素模型构建微剂量学量(如线能及其均值)数据库对辐射防护和放射治疗临床而言具有积极和重要的意义。