随着肿瘤发病率的不断上升以及肿瘤发病年龄的不断下降,肿瘤日益成为威胁人类健康的一大杀手。放射治疗的传统方法是使用X-射线光子束照射肿瘤,但是X-射线在人体内传递时能量成指数衰减的物理特性,限制了X-射线的治疗效果。而质子治疗由于其优越的物理性质使得减少正常组织伤害成为了可能。质子束在人体内传递时,能量沉积主要发生在布拉格峰处,在布拉格峰前后的路径上只有少量能量沉积。只要能够精准定位布拉格峰的位置,就完全可以减少对正常组织和器官的伤害并且提高对肿瘤的照射剂量。目前在质子治疗中心使用比较广泛的正电子放射断层技术（PET）、瞬发伽玛光子成像技术等监测手段所需要的设备体积庞大,采购和使用成本昂贵,而且PET无法实现实时定位。本文基于质子诱导热声学波,提出了一种将布拉格峰位置和速度模型联合反演的三维定位算法。1.算法目的:人体是个复杂的三维介质,只有实现了三维定位才能将本文算法应用到临床治疗。本文目的是在未知介质声波速度的条件下,通过测量质子束诱导产生的热声信号的走时数据,定位布拉格峰。2.算法实现:本文算法以三维层析成像、参数分离以及LM算法为基础,将布拉格峰和速度联合反演,获得布拉格峰位置。算法具体流程为:使用基于波前扩展的三维LTI算法模拟声学波的传播过程,得到走时观测数据和走时计算数据。计算两者的残差构建反演方程,使用参数分离求解反演方程,获得位置和速度修正量,经过插值和平滑处理后,将修正后的位置和速度作为下次迭代的输入信息,直到满足设定的迭代次数。3.定位结果:本文设计了一个三维非均匀介质模型,选取4个目标布拉格峰位置,再分别以这4个坐标点为球心,在半径为15 mm的范围内随机选取8个初始位置,最终定位误差收敛在0.4 mm-2.2 mm。临床治疗中传感器会受到各种各样的噪声影响,本文在观测数据的基础上添加均值为0,方差分别为1、2、3的高斯随机序列模拟实际噪声,定位结果显示误差没有超过3 mm。本文还分析了传感器数量、迭代次数和传感器排布方式对定位结果的影响,定位误差都在3 mm以下。相比PET和瞬发伽玛成像技术,本文提出的布拉格峰定位方法在采购成本和使用成本方面有着巨大的优势,仅需要少量传感器就可以精准定位布拉格峰,使用成本也更低。本文算法在设计时就考虑了数值稳定性和噪声的影响,具有比较好的鲁棒性和抗噪性。不同于PET受限于放射性核素半衰期,瞬发伽玛成像受限于高能粒子激发时间,本文算法的定位时间主要受限于计算机处理能力。如果计算机运算能力足够强,完全可以实现快速甚至实时地定位布拉格峰。与二维联合反演算法相比,本文在LTI正演、插值平滑以及微扰法求偏导数矩阵等方面等做了改进。人体是复杂的三维非均匀介质,三维联合反演算法的临床应用可行性要远远强于二维算法。本文提出的联合反演算法可以有效解决布拉格峰的定位问题,适用于各种复杂的三维介质,定位结果同样证实了本文算法的可行性。