目的:呼吸门控技术和肿瘤实时追踪放射治疗技术是管理由于呼吸运动导致的靶区剂量偏移的有效手段。光学表面系统可用于对呼吸运动进行实时监测,为门控治疗提供门控信号。呼吸运动的监测精度将影响门控治疗的准确性。当呼吸信号进入或离开门控窗口到加速器开始或停止出束之间存在时间延迟,时间延迟是限制呼吸门控技术精确性的重要因素。光学表面系统在肿瘤实时追踪放射治疗技术中的应用受体表轮廓变化与体内肿瘤运动相关性的影响。本研究的主要目的是探究光学表面系统实时运动监测的精度,测试光学表面系统引导加速器进行呼吸门控治疗时的时间延迟,并提出一种新的基于胶片剂量曲线拟合的方法来测量系统的时间延迟,为临床治疗提供指导。并进一步分析肺癌患者体表运动与体内肿瘤运动的相关性,探究胸部轮廓变化预测肺癌肿瘤运动的可行性。方法:（1）监测精度测试:根据呼吸运动的数学拟合公式,生成振幅不变,周期分别为1 s～10 s（间隔1 s）的10条呼吸曲线,以及周期不变,振幅分别为3 mm～15 mm（间隔2 mm）的7条呼吸曲线。利用QUASAR可编程呼吸运动模体模拟呼吸运动,使用光学表面系统对模体的运动进行监测,根据公式对系统记录的呼吸曲线进行拟合,分析系统实时运动监测的精度,探究呼吸曲线周期振幅的变化对监测精度的影响。同时,进一步探究光学表面系统对临床呼吸曲线的监测精度,将30位患者的呼吸曲线输入到软件中,以模体的实际运动曲线作为参考曲线,将系统记录的呼吸曲线与参考曲线做相关性分析,分析系统的监测误差。最后,分析呼吸曲线的频谱特性对光学表面系统监测精度的影响,分别对参考曲线和系统记录的呼吸运动曲线做傅里叶变换,将时域内的曲线转换到频域上,分析各频率成分上的监测误差。（2）时间延迟测试:利用模体模拟患者的呼吸运动,同时使用Catalyst系统监测模体的运动作为门控信号引导Elekta Veras-HD和Varian Edge加速器进行呼吸门控治疗。在门控治疗中使用模体带动胶片做周期运动,通过分析胶片提取相应的剂量曲线,然后使用Matlab软件模拟加速器的脉冲出束过程,计算每次脉冲出束形成的剂量曲线在胶片上的分布,计算出各像素点的累积剂量从而得到相应的剂量曲线。通过将不同呼吸门控延迟时间下的剂量曲线与胶片的实际剂量曲线比较,使用最小二乘法来寻找最优解得到相应的门控时间延迟。为了探究射束保持状态的时间对门控延迟时间的影响,分别测试了当射束保持状态的时间介于409 ms～4264 ms之间时系统的门控延迟时间,实验中通过对门控窗的选择控制门控信号在特定的时间进入门控窗。同时为了研究加速器在门控治疗时延迟时间的稳定性,对Varian Edge加速器的门控延迟时间重复测量10次。（3）相关性测试:选取5例肺癌孤立病灶患者,所有患者均行四维CT扫描（4D-CT）。在进行CT扫描时使用真空垫进行体位固定,同时利用光学表面系统（Sentinel）根据患者胸部轮廓变化获得呼吸曲线,使用Matlab软件获得患者的平均呼吸曲线。使用Python软件在4D-CT图像的十个时相中提取肿瘤的位置,得到肿瘤的平均运动曲线。分析肿瘤平均运动曲线与患者平均呼吸曲线的相关性,进一步探究患者在每个呼吸周期内的运动与平均呼吸曲线的一致性。将患者在每个呼吸周期的呼吸曲线分为十个时相,计算患者在每个呼吸时相上振幅变化的标准差,验证患者呼吸运动振幅的稳定性,同时分析患者呼吸运动周期的稳定性。结果:呼吸曲线周期和振幅改变时,曲线拟合参数变化范围分别为0.9976～0.9996（A＿R~2）、0.1102～0.2412（RMSE）和0.9968～0.9994（A＿R~2）、0.0590～0.1750（RMSE）。结果表明光学表面系统用于实时运动监测时有较高的准确性,呼吸曲线周期、振幅的改变对系统监测精度没有明显影响。临床上,系统监测的呼吸曲线与参考曲线具有较高的一致性,相关系数均大于0.99,显著相关。监测误差的平均值为0.24±0.04 mm,并且随着呼吸信号频率的增加而减小,主要介于0～0.4Hz。拟合胶片剂量曲线与胶片的实际剂量曲线有较好的一致性,在门控放射治疗中,门控信号进入门控窗时系统的时间延迟远大于门控信号离开门控窗时系统的时间延迟。对于Elekta Veras-HD加速器,门控治疗开始时的时间延迟为1663±72 ms,门控治疗停止时的时间延迟为21±29 ms。对于Varian Edge加速器,门控治疗开始时的时间延迟303±45 ms,门控治疗停止时的时间延迟为34±25 ms。加速器处于射束保持状态的时间对呼吸门控的时间延迟基本无影响。Edge加速器在呼吸门控治疗中的时间延迟有较好的稳定性,10次测量中的门控延迟时间基本保持一致。开始出束时的门控延迟时间约为252±20 ms,停止出束时的门控延迟时间约为10±7 ms。从4D-CT图像中提取的肿瘤运动曲线与体表呼吸数据呈显著相关,相关系数均大于0.9,其平均误差及标准差分别为0.82 mm和0.53 mm,最大拟合误差范围为0.44 mm-2.38 mm。患者在每个呼吸周期的呼吸曲线与平均呼吸呼吸曲线具有较高的一致性,呼吸振幅较为稳定,在所有呼吸时相上振幅变化的平均标准差为0.96±0.45 mm,并且每位患者的呼吸运动周期也较为稳定,最大偏差不超过1 s,可以将患者的平均呼吸曲线作为实时呼吸运动的近似。结论:光学表面系统的实时运动监测精度较高,可用于临床上对患者呼吸运动的监测。在进行呼吸门控治疗时,应考虑呼吸监测系统引入的监测误差。基于胶片剂量拟合的方法可以精确的测量呼吸门控的时间延迟。对于任何门控设备,在临床使用前均需测试其门控延迟时间。对于肺癌孤立病灶肿瘤患者,胸部轮廓变化可以用来预测体内肿瘤的运动,放射治疗中,可以利用体表监测系统进行实时追踪放射治疗。