适形调强放射治疗(Intensity Modulated Radiation Therapy,IMRT) 是一种理想的放射治疗技术,是新一代放射治疗技术发展的主流。它可有效提高放射治疗的治疗增益比,在最大限度杀灭肿瘤的前提下,使正常组织和器官免受或少受不必要的辐照。目前国外对 IMRT 的研究仍有待深入,在广泛应用于临床治疗之前,一些关键技术需要突破。国内在 IMRT 系统的整体研究方面还是空白。本文以提高放射治疗的治疗增益比为方向,对 IMRT 的相关理论及关键技术进行了深入系统的研究,包括:医学图像处理、三维重建、针对 IMRT 的三维模型处理、剂量计算模型和治疗计划优化、IMRT 实施设备与方法等。本文首先研究了面向 IMRT 的医学图像处理问题,在详细分析现有图像处理技术的基础上,提出了一种基于边缘模板的体廓自动提取方法,实现了医学图像的半自动分割。在三维重建方面,本文提出了一种结合全局优化与局部优化的、基于轮廓相似性的快速三角划分算法。该算法首先对相邻轮廓的相似性进行判断,对于非相似轮廓采用模拟退火算法进行三角划分,相似轮廓的三角划分则采用相对简单的局部优化方法。该算法与一般的全局优化算法相比,视觉效果基本一致,而计算时间得到减少。针对 IMRT 的具体应用,本文研究了三维模型的显示和处理方法,在建立以空间立方体形式组织的、具有清晰毗邻关系和索引结构的三角域拓扑模型的基础上,提出了任意截面与三维模型的快速求交算法。本文对放射治疗的剂量计算模型进行了分析和总结,在建立以剂量均匀性和健康组织与病灶剂量梯度差为目标函数的治疗计划优化模型的基础上,提出采用遗传算法实现 IMRT 治疗计划系统优化,设计了算法的具体实现过程。鉴于多叶准直器(Multi-leaf Collimator, MLC)在大射野治疗机上的广泛应用,本文深入探讨了 MLC 适形调强的实现方式,包括:MLC 静态调强、MLC 动态叶片调强和 MLC 扫描调强技术,推导了 MLC 叶片的运动公式,提出了满足 IMRT 的叶片运动模型及其控制策略,并分析了有限加速度问题及其处理方法。针对聚焦式治疗机的特点,本文首次提出聚焦式治疗机扫描调强的概念和原理,为 IMRT 提供了新的思路和途径,并对其实现方法进行了初步研究。本文上述研究成果已部分应用在开发的IMRT 实施设备-“OUR-QGD 型立体定向伽玛射线全身放射治疗系统(全身伽玛刀)”和IMRT 治疗计划原型系统-“XG-TPS”上。