得益于重离子束的倒转深度剂量分布特征,重离子调强放射治疗技术不仅能在肿瘤靶区产生适形的剂量分布,还能够减少肿瘤周围正常组织器官的照射剂量。然而,在实际治疗过程中该技术产生的剂量分布容易受多种不确定性的影响,导致患者最终接受的剂量分布与治疗计划生成的剂量分布不一致。因此,如何减少重离子束调强放射治疗过程中不确定性因素对剂量分布的影响是目前离子束放疗研究的主要目标之一。本文以相对生物学效应（RBE）加权剂量为切入点,针对摆位不确定性、射程不确定性及呼吸运动造成的靶区位置不确定性研究了鲁棒优化方法对碳离子调强放疗计划的影响,主要研究内容包括:1)针对碳离子调强放疗中的射程不确定性和摆位不确定性,研究提出基于混合束模型的RBE加权剂量鲁棒性优化方法。分别制定针对物理吸收剂量和RBE加权剂量的碳离子束治疗计划,并基于共轭梯度优化算法求解出各自最优的权重解,使得肿瘤靶区和危及器官实际接受的剂量在射程和摆位偏差的扰动下变化减小。研究在靶区设置处方剂量1Gy（RBE）,危及器官剂量限值0.3Gy（RBE）。采用TG119靶模型测试基于混合束模型的RBE加权剂量鲁棒性优化方法的有效性。2)针对碳离子调强放疗中的射程不确定性、摆位不确定性及呼吸运动造成的靶区位置不确定性,研究基于开源计划系统mat Rad实现了基于计划靶区（PTV）的常规优化方法、基于参考呼吸时相的四维鲁棒优化方法（RP-4DRO）和基于每个呼吸时相的四维鲁棒优化方法（EP-4DRO）。通过建立极小极大鲁棒优化模型制定碳离子调强四维鲁棒优化计划,并以5例肺癌患者数据进行验证比较。主要研究结果包括:1)与基于PTV的常规优化方法相比,针对物理吸收剂量的鲁棒优化计划临床靶区（CTV）的（?）95%减少10.00c Gy,危及器官（OAR）的（?）5%和（?）8（6）分别减少21.50c Gy和35.97c Gy,计划的鲁棒性得到了很好的提升。针对RBE加权剂量的鲁棒优化计划CTV的（?）95%降低14.00c Gy（RBE）,OAR的（?）5%和（?）8（6）分别减少19.00c Gy（RBE）和26.28c Gy（RBE）,说明该方法不仅减少了靶区的生物剂量变化,也减少了OAR的生物剂量热点。该结果证明了基于混合束模型的RBE加权剂量鲁棒优化方法在有效提高碳离子放疗计划鲁棒性的同时使OAR也得到了很好的保护。2)在5例肺癌患者数据测试中,不同患者对不同的优化方法反应各不相同。相较于常规优化方法,EP-4DRO方法能够保证每个呼吸时相上剂量分布的鲁棒性以及计划质量,相反,RP-4DRO方法只保证了累加剂量分布的鲁棒性。此外,EP-4DRO方法比RP-4DRO方法和常规优化方法在单个呼吸时相的靶区内表现出更好的剂量均匀性。与常规优化方法相比,EP-4DRO和RP-4DRO方法均实现了更优的靶区适形性。从危及器官保护来看,RP-4DRO和EP-4DRO方法对危及器官的保护优于常规优化方法。更重要的是,相比于EP-4DRO方法,RP-4DRO方法对危及器官的保护最优。综上,本文研究表明与常规优化方法相比,鲁棒性优化计划能够很好地缓解碳离子调强放疗计划中射程、摆位不确定性及由呼吸运动造成的靶区位置不确定性问题对剂量分布造成的扰动,同时减少危及器官的受照剂量。本文为下一步国产重离子放疗计划系统升级提供了理论基础。