离子束由于具有倒转的深度剂量分布和Bragg峰附近相对较高的生物效应，被国际肿瘤放射治疗界公认为是目前最先进，最有发展前景的放疗用射线。相对生物学效应(RBE)是离子束治疗中极为重要的参数，实现离子束RBE精确计算是实现离子束精准治疗的重要前提。由于离子束RBE的影响因素十分复杂，因此需要建立相应的生物物理模型才能实现临床治疗中的离子束RBE计算。然而，当前国内外的RBE模型均存在各种局限，因而严重地制约了离子束治疗的进一步发展。因此，本文将围绕离子束RBE这一核心问题展开研究，一方面以微剂量学量为基础对现有RBE计算模型进行改良并适当拓展，另一方面以纳剂量学量为基础建立全新的RBE计算模型。此外，还对具体临床应用中需要解决的RBE相关问题进行了研究。具体工作内容如下:
　　(1)以微剂量动力学模型(MKM)的理论为基础，引入理想组织等效正比计数器和基于Gate软件包的微剂量学量蒙特卡罗(MC)模拟技术，改良MKM模型计算参数确定方法，建立了基于微剂量学量MC模拟的离子束生物有效剂量精确计算方法。该方法提高了以MKM模型为基础的离子束RBE计算的精确性和可靠性，并且可以方便的应用到不同的离子束治疗中心，为临床治疗提供有益的参考。
　　(2)以径迹结构MC模拟得到的纳剂量学量数据集为基础，结合浓缩历史MC模拟实现了离子束相关纳剂量学量的计算。建立了国内外首个基于纳剂量学量的离子束RBE计算模型(Logistic nanodosimetry model，简称LNDM)，并建立了基于LNDM模型的临床RBE精确计算方法。本文的系统验证结果显示LNDM模型的计算精度优于现有其他模型。此外，该模型实现了离子束RBE计算从微米尺度向纳米尺度的跨越，提高了离子束RBE计算模型的精确性和可靠性，改善了现有RBE模型中存在的较多不足，有助于离子束在临床治疗中充分发挥其物理学和生物学优势。
　　(3)首次实现了磁场对离子束微剂量学量影响的理论研究，结合磁场对离子束纳剂量学量的影响得到的结论为:在临床MRI的磁场强度范围内，磁场对离子束的微剂量学量和纳剂量学量均无影响，亦不会因此使离子束RBE发生变化。对碳离子治疗中RBE与分次剂量的依赖关系的研究发现:随碳离子分次剂量的增加，不论正常组织细胞与肿瘤细胞的辐射敏感性值如何搭配，肿瘤细胞的RBE值始终大于正常组织细胞的RBE值;此外，还发现了RBE随剂量递增的反常现象。上述结果对MRI引导和大分割离子束放射治疗技术的发展具有重要的意义。
　　本文的研究建立了精确可靠的离子束RBE计算方法，改善了当前离子束RBE计算中存在的一些问题，为实现离子束精准肿瘤治疗提供了有益参考。