电离辐射致生物体的辐射损伤及其防护一直是生命科学，特别是辐射生物学、放射医学和放射治疗学研究中的热点问题之一。细胞核中的脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid,DNA)辐射损伤会影响遗传信息的复制和转录，如果不能及时修复损伤，则会引起基因突变、染色体畸变、细胞失活等严重的生物学后果。科学家们一方面通过分离辐射细胞DNA进行DNA碎片的分子生物学检测，并评估DNA链断裂产额；另一方面，随着计算机硬件和机器学习等人工智能的高速发展，利用蒙特卡罗方法进行辐射细胞DNA分子损伤的模拟，完成DNA链断裂产额的计算，日趋成为生物剂量测定领域的一个研究热点。
　　本文采用蒙特卡罗方法，计算机模拟高传能线密度(linear energy transfer, LET)质子的低剂量辐射，揭示细胞核DNA产生的集簇性损伤变化规律，特别是由化学过程产生的间接DNA集簇性损伤。主要工作如下：
　　1.针对采用细胞核的原子几何模型模拟DNA分子损伤存在着计算时间长、收敛速度慢等缺点，本文提出一种基于损伤概率密度函数的几何模型：即对物理过程中的能量沉积点和化学过程中的羟自由基(·OH)位点进行条件采样，通过采样概率参数确定落在DNA链敏感区域的能量沉积点和·OH位点数据集；然后利用不同的损伤发生概率函数计算得到DNA损伤点的空间分布数据集；最后依据分子生物学检测结果确定调节因子，以考虑组蛋白及压缩DNA分子对损伤点数量的影响。实验结果表明：该几何模型不影响损伤点的空间分布，与其他实验和模拟方法结果一致。
　　2.针对间接损伤点数据量大的问题，本文提出采用含噪声密度聚类算法(density-basedspatial clusteringof applicationswithnoise ，DBSCAN)确定损伤点密度，计算DNA链断裂产额。改进KD-tree算法以适于进行损伤点邻域搜索，降低计算时间复杂度，加速计算DNA链断裂产额的模拟流程。实验结果表明：平均加速两倍，平均减少计算时间10天。
　　3.间接作用诱导的DNA链断裂在DNA早期辐射损伤中占主导地位，鉴于目前缺乏对间接DNA集簇性损伤规律的研究，本文在利用DBSCAN计算DNA链断裂中，提出了一种分别计算直接损伤和间接损伤的方法，即利用能量沉积产生的损伤点和·OH产生损伤点计算DNA链断裂产额。因此，对间接损伤的DNA链断裂的产额和复杂性都有了完整的量化评估。并细化了不同的单链断裂(single strand break, SSB)和双链断裂(double strand break, DSB)链断裂分类，具体为SSB+、DSB+和DSB++，以反映链断裂复杂性。实验结果表明：·OH间接作用对SSB和DSB产额增加有着显著贡献。随着LET的增加，间接作用SSB产额逐渐降低，DSB产额先降低后升高；DSB簇的多重性(每个DSB包含的损伤点)及其产额随着LET的增加而增加，证实了DNA碎片不是随机分布这一分子生物学检测结论。
　　因此本文实现了在分子水平上快速获得质子辐射致DNA集簇性损伤更为精细的信息，为辐射生物损伤机制的研究提供了一种重要和有力的研究手段。