放射治疗作为三大治疗手段之一,在癌症治疗中起着至关重要的作用。近年来,放疗技术进展都与肿瘤精确定位密切相关。如何实现既保证肿瘤靶区的充分照射又尽可能减少肿瘤周围正常组织与器官的照射,这在临床放疗中极其重要。然而,在放疗过程中人体呼吸运动会导致肿瘤产生移动和变形,特别是胸腹部肿瘤受影响更大。因此,通过追踪胸腹部肿瘤呼吸运动,实施临床放疗中呼吸运动补充和管理,对提高放射治疗效果意义重大。医学成像存在肿瘤等体内解剖成像实时性差、患者承受额外剂量照射和体内植入标志点有创等缺点,所以并不适合直接用于临床放疗阶段追踪呼吸运动。因此通过体外追踪实现放疗中呼吸运动补偿和管理被公认为最具实用性和发展潜力。目前,体外呼吸运动追踪研究集中在标志点呼吸运动的测量和预测,其中存在两个问题,一是通过单点或几个点难以全面描述胸腹表面呼吸运动,更难以准确地预测呼吸运动;二是现有预测算法难以适应胸腹体内外呼吸运动非线性严重、样本点偏少的特点,更难以满足临床放疗中预测精度与实时性兼顾的需求。针对这两个问题,本文研究基于条纹相位的胸腹表面三维视觉成像方法和基于相关向量机的胸腹表面呼吸运动预测算法。针对胸腹表面三维视觉成像方法,以快速成像为目标,提出一种基于小波的单幅复合颜色条纹图案三维成像方法,采用一幅由三个不同频率的R、G、B三原色余弦条纹组成的复合图案完成帧频成像,利用改进的Morlet小波进行局部信号包裹相位提取,设计三频时间相位展开算法抑制相位解包裹中的周期误差,基于一幅图像实现胸腹表面帧频全场三维成像,建立三维成像系统的基本测量模型以提供理论基础和数学手段,建立基于改进Morlet小波的局部条纹信号包裹相位测量模型以提高包裹相位提取精度,建立包裹相位展开模型以从原理上提供周期误差抑制功能;以高准确度成像为目标,提出一种基于条纹相位的非对称数字码-模拟码组合三维成像方法,用相位替代强度进行数字编解码以提高抗干扰能力,数字码位与位之间和数字码与模拟码之间均采取非对称组合方式以提高周期误差抑制能力,构建基于相位的非对称数字编解码模型、分析其抑制周期误差的能力,构建非对称的数字码-模拟码组合编解码模型、分析其抑制周期误差的能力。针对胸腹表面呼吸运动预测算法,以适合小样本和兼顾预测精度与实时性为目标,提出一种基于相关向量机与多任务高斯过程相结合的体表呼吸运动预测算法,将高斯过程引入胸腹表面呼吸运动预测以适合小样本并兼顾精度与实时性,还将单任务扩展为多任务以利用标志点空间三维坐标进行预测来提升预测精度,阐述该算法的基本原理、给出该算法的具体实现方案;以突出非线性适应能力为目标,提出一种基于多核函数相关向量机的体内外呼吸运动关联模型,针对体内外呼吸运动信号进行相关性分析,根据其特点在相关向量机中引入多核函数以提升关联模型的非线性拟合能力和小样本下捕捉模型特征的能力,其中采用果蝇优化算法对模型结构进行优化以提高关联模型的预测能力,形成一种体内外呼吸运动关联算法,给出关联模型评价指标及建模原则。针对上述方法及理论研究结果,通过数值仿真、仿真测量和实际测量进行实验验证。数值仿真和实际测量验证了本文基于条纹分析的人体胸腹表面三维成像系统基本测量模型的正确性;数值仿真定量地验证了本文阶梯相位码的有效性和优越性;人体胸腹表面测量验证了本文基于小波的人体胸腹表面呼吸运动三维成像方法的有效性;仿真测量和人体胸腹表面测量定量地验证了本文基于条纹相位的非对称阶梯相位码-相移码组合三维成像方法的有效性和优越性,石膏头像测量验证了其具有对复杂面形三维成像的能力。针对呼吸运动公开数据集进行预测实验,实验结果验证了本文基于相关向量机与多任务高斯过程相结合的体表呼吸运动预测算法的有效性及其小样本快速预测特点,验证了本文基于多核函数相关向量机的体内外呼吸运动关联模型的有效性及其小样本下非线性拟合能力。本文研究将为胸腹表面全场三维成像提供新方法,为基于甚多点和基于区域特征的胸腹表面呼吸运动描述与预测提供理论基础和技术手段,为胸腹体内外呼吸运动预测提供新算法和新模型,为放疗呼吸运动补偿与管理提供理论基础和技术手段,对改善放射治疗效果、提供民众健康水平具有重要意义。