为保证质子治疗的安全性,针对治疗头入口处束流横截面监测需求,本文以像素电离室为基础,结合束斑旋转以及像素电离室体积效应等问题,开展了基于高斯曲面拟合的束流横截面二维分布监测方法研究。进行了算法改进、性能评估以及基于蒙特卡罗仿真的剂量学误差分析,设计并工程实现了图形化治疗头二维束流分布在线诊断软件。论文在传统二维高斯模型中引入相关系数以增加对束斑旋转、分布不正确等异常束流的监测能力,并在数据预处理中使用最大连通域提取和噪声门限判定相结合的方式鉴别假信号区域,形成了改进的曲面高斯拟合算法。通过数值仿真实验,模拟了像素电离室的探测过程,评估了不同信噪比下束斑二维分布参数的拟合误差。针对像素电离室体积效应引入的系统误差,不同于使用额外探测器的复杂校正方法,论文提出使用拟合得到的束斑尺寸测量误差曲线以校正该系统误差。最后得出该改进高斯拟合算法在20dB信噪比情况下的拟合误差:束斑位置的拟合误差小于0.22 mm,束斑尺寸的相对拟合误差小于4%,束斑旋转角度的拟合误差小于6.1%。为了验证20 dB信噪比下束斑各参数拟合误差对治疗剂量的影响,论文将此时束斑各参数的最大拟合误差值考虑到设计束斑参数中以构造出拟合束斑,使用拟合参数模拟质子束的3D照射过程并对比使用拟合束斑和标准束斑所叠加形成剂量场的差异。首先,结合真实治疗头结构建立了治疗头和治疗剂量评价区域的蒙特卡罗仿真模型,并设计能够均匀覆盖剂量评价区域的照射计划,然后,使用伽马指数法和相对差值法分别评价了待评估剂量场相对于标准剂量场的差异。评估结果表明两个剂量场具有高度一致性。其中伽马评估结果显示,在2 mm/2%和3 mm/3%的标准下,每一个扫描层上评估点的通过率均达到100%,20 dB时的最大参数拟合误差,可以满足剂量学要求。基于改进的高斯模型及治疗头入口处的像素电离室,论文设计并实现了图形化束流横截面二维分布诊断软件,提高束流诊断的效率。针对治疗头入口处束斑实时监测的需求,给出了实时控制器的束流横截面二维分布的实时监测方案,并在工程上实现了像素电离室通道电流数据到治疗控制系统的周期性数据上传,保证治疗数据能够统一存档。