辐射生物学物理科学家/辐射生物学数学
生物材料中的辐射电离导致细胞中沉积能量的随机和不均匀分布。线性能量转移 (LET) 指标量化了带电粒子赋予能量的空间分布。它是赋予平均能量与辐射穿越距离的商，单位为 keV/μm。
根据 LET 值，辐射可以重新分类为低 LET 辐射或高 LET 辐射。低 LET 和高 LET 之间的分界值为约 10 keV/μm。
| 低 LET 辐射 | 高 LET 辐射 |
|---|---|
| X 射线 | α 粒子 |
| γ 射线 | 中子 |
| 质子 |
随着辐射 LET 的增加，辐射产生生物损伤的能力也随之增加。相对生物效应 (RBE) 将测试辐射剂量与标准辐射剂量进行比较，以产生相同的生物效应。出于历史原因，标准辐射被视为 250 kVp X 射线，但现在建议使用钴 60 γ 射线。
从数学上讲，RBE 由以下比率定义
其中 是标准辐射产生的效应剂量， 是测试辐射产生相同效应的剂量。
当电离事件之间的间隔与 DNA 双螺旋的直径 (~ 2 纳米) 相一致时，RBE 达到峰值。
在分子氧存在的情况下（低至几百 ppm），由自由基引起的 DNA 损伤会变得“固定”（即永久）。由于三分之二的 DNA 损伤是由自由基引起的，因此要考虑这种氧效应。因此，氧气耗尽（即缺氧）的肿瘤细胞对电离辐射的抵抗力更高。
氧增强比是通过计算给定等效效应的缺氧和正常氧气条件下的剂量比来确定的。从数学上讲，它表示为
其中 是在缺氧条件下产生效应的剂量， 是在正常氧气条件下产生相同效应的剂量。
氧增强比 (OER) 通常对于高 LET 辐射低于低 LET 辐射。X 射线产生的电子的 OER 可能高达 3，而 α 粒子的 OER 接近于 1。
辐射的生物学效应历来是用细胞存活曲线测量的。这些曲线模拟了给定剂量辐射与细胞培养中存活的细胞比例之间的关系。左侧显示了细胞存活曲线的示例。
已经开发了几种数学方法来定义形状，其中线性二次模型使用最为广泛。
该模型假设有两种主要方法可以产生双链断裂并随后导致细胞死亡。第一种方法是由单个粒子断裂两条链引起的，与剂量成正比。这是细胞杀伤的线性部分。第二种方法涉及在相反链上的两个独立断裂，与剂量平方成正比。这是细胞杀伤的二次部分。
细胞杀伤的线性部分和二次部分对细胞存活率的综合影响由下式给出
SF = e-αD-βD2
其中，alpha 是描述线性分量的常数，而小常数 beta 描述的是二次分量。Alpha 的单位为格雷-1，而 beta 的单位为格雷-2。
alpha/beta 的比率表示线性分量和二次分量细胞杀伤作用相等时的剂量。肿瘤的典型值为约 3 格雷，而正常组织的典型值为约 10 格雷。