放射治疗是广泛使用的癌症治疗方法之一。它包括以不同形式（X射线、γ射线、质子或重离子等）辐射单独使用或与手术或化学疗法组合使用来破坏和摧毁肿瘤。由于质子的积分深度剂量曲线在射程末端存在Bragg峰,通过调整质子初始能量,能将质子大部分能量精准沉积于肿瘤内。所以相较于光子放疗,质子放疗,特别是基于笔形束扫描的质子调强放疗能形成更适形于肿瘤的剂量分布,同时也能降低对肿瘤周围正常组织的损伤。质子放疗的治疗效果很大程度上取决于治疗实施的准确度,质子放疗实施与质量保证（Quality Assurance,QA）是包括治疗计划设计、设备与患者计划QA、病人摆位与图像引导、照射和治疗后QA等众多环节构成的复杂工作,每个环节的执行情况均会影响整体治疗实施效果。上海先进质子治疗装置（Shanghai Advanced Proton Therapy facility,SAPT）是由中科院上海应用物理研究所、中科院上海高等研究院、上海交通大学附属瑞金医院和上海艾普强粒子设备有限公司等单位合作研发的国产首台质子治疗系统,现已进入临床试验阶段。作为完全自主研发的装置,在设备研发和带束调试过程中,研发人员需要根据设备自身特点,发展设计优化和剂量学验证的方法与技术,特别是通过评估或优化治疗实施中选定变量对照射剂量分布的影响来优化治疗实施与QA,提高治疗效果。首先,本文发展了一套基于笔形束算法的独立的质子剂量计算平台,并利用SAPT固定束束流实测数据进行了独立剂量计算平台建模和验证实验。验证表明,该计算平台在水中绝对剂量计算单点最大偏差小于3%,平面相对计算剂量分布与参考剂量分布的gamma通过率优于95%,满足日常科学研究所需的精度要求。相较于商用治疗计划系统,独立剂量计算平台可灵活修改内部参数与算法,所以可用于分析选定治疗实施与QA的变量对剂量分布的影响,为首台国产质子治疗装置的治疗实施及QA优化提供分析工具。此外,在SAPT固定束调试期间,利用独立剂量计算平台搭建了基于日志文件（logfile）的QA分析工具,实现了对照射的快速评估。其次,本文还利用该平台,结合临床实践需求,通过对治疗前QA常用二维电离室探测器矩阵分辨率低、治疗时病人摆位不确定性及治疗后解剖结构变化等放疗实施与QA中的具体问题进行了剂量方面的研究与评估,并提出了可能的解决方案来达到优化质子放疗实施与QA的目的。在机器调试和患者治疗QA中,我们发现当实际剂量分布存在剂量梯度较大区域时,二维电离室探测器矩阵（如Matri XX PT）因其有限的空间分辨率,可能无法准确重建实际剂量分布,这可能影响QA结果,从而导致照射剂量评估出现偏差。所以本文创新的提出了利用拉普拉斯金字塔图像融合,将二维电离室探测器矩阵低频部分与基于logfile的独立剂量计算平台重建的剂量分布高频部分相融合形成新的改进剂量分布。相比实测数据,改进剂量分布分辨率高,且在剂量梯度较大区域准确度也比基于实测数据直接插值的剂量分布高。患者治疗前,需要利用图像引导系统如Cone Beam CT（CBCT）对患者进行正确的摆位与验证（定位和配准）。不同配准参数如配准感兴趣区域（Region Of Interest,ROI）和配准自由度（Degree Of Freedom,DOF）会影响配准精度。基于独立剂量计算平台,本文采用几何相似性、图像相似性和剂量不确定度系统评估不同配准参数对图像配准准确度的影响。与传统的仅通过图像或者几何相似度来评价不同,剂量不确定度能更好的评估不同配准参数对剂量变化和临床结果的影响。患者完成多次分次治疗后,由于治疗作用或者饮食结构改变可能会导致解剖结构的变化,所以需要根据日常图像,调整治疗计划,尽量保证每次实际照射效果较好。本文基于独立剂量计算平台,首次提出了利用CT与对应CBCT的等效水深（Water Equivalent Length,WEL）比率来校正新CBCT的WEL,从而可以利用改进后的CBCT重新计算剂量的新方法。该CBCT校正方法可以用于基于CBCT的在线重新计划,优化肿瘤的累积剂量分布的适形性,提高治疗效果。本文通过头颈体模和8个临床病例验证了其可行性。通过上述研究,优化了质子调强放疗的实施与QA,可以提高治疗效果。