随着图像引导放疗技术的发展,放射治疗精度不断提高,如何更好地利用图像的信息引导放疗一直以来是研究热点和难点。肿瘤患者分次放疗间不可避免的摆位偏差,以及分次中呼吸运动等器官运动带来的误差大大降低了放射治疗精度,难以达到令人满意的治疗效果。另外,对靶区或周围正常组织发生的形变需要进行评估,进而对原治疗计划进行自适应调整,从而确保放射治疗的精度和质量。为解决上述问题,本文对图像引导放疗定位跟踪系统及其关键技术进行了深入研究。首先本文设计了图像引导精准放疗系统ARTS-IGRT2.0,系统基于红外定位引导和X射线成像验证,开展摆位误差测量实验,研究不同成像距离和角度对成像质量的影响,同时结合红外引导定位跟踪设备,针对分次间病人摆位进行快速精准校正,并实时定位跟踪分次中靶区的运动情况,为医生和物理师提供有效参考。其次,提出了基于双X射线成像的2D/3D配准方法和基于四元数的标记点三维配准方法。基于多分辨率双投影直接配准方法,2D/3D配准方法实现了由粗到细对二维图像和三维体数据同时进行配准处理,能够快速、精确得到平移和旋转六个自由度的配准结果。标记点三维配准方法解决了点集间对应关系不确定下的配准问题。同时,针对呼吸过程中基线漂移和不规律呼吸幅值与周期问题,发展了基于高斯核函数回归算法建立了非参数呼吸运动预测模型,测试结果表明该模型能快速预测呼吸状态的变化,预测误差小于2mmm,可以用于放疗中运动靶区的自动实时定位跟踪。最后,将上述技术初步用于肺癌立体定向放疗临床研究,针对肺癌病人治疗过程中出现的分次间靶区和危及器官形变偏差,基于放射治疗再计划系统进行原治疗计划的评估和自动优化,为临床提供指导和参考。本文测试了五个临床病例,较原治疗计划,重新优化后计划在PTV剂量和分布均匀性方面表现更佳,95%的处方剂量所覆盖的靶区体积平均提高了7.56%,危及器官的最大剂量平均降低了3.84%。