质子束在穿越人体组织的过程中,在射程末端形成Bragg峰,而峰值后面的剂量沉积几乎为零。基于质子束的这一剂量学优势,通过调节质子束的能量以及照射点的位置和权重信息,可形成与肿瘤靶区高度适形的剂量分布,同时也能减少对周围正常组织的损伤。由于逆向优化后调强质子治疗计划的照射点数目众多,在通过主动扫描对治疗计划实施照射时,往往需要较长的扫描时间。为了在临床应用中充分发挥质子放疗的优势,造福患者,本论文针对治疗过程中所关注的照射时间和计划系统剂量计算的准确性问题,从束流配送系统的治疗终端和质子治疗计划系统端进行展开,主要研究内容与成果如下:首先,本论文提出了一种基于同步加速器系统的实时补偿栅扫描照射方法,即在小点间距的计划策略下,利用高度灵敏的剂量探测器,对束流在照射点间移动时的瞬态剂量进行测量,并将其等效为下一个照射点上照射的剂量,以实现对瞬态剂量误差的实时补偿。为了能够更加真实的模拟扫描照射过程,实际照射过程中治疗系统存在的各种时间延迟也被充分考虑。利用开发的质子治疗扫描照射仿真程序,在简单水靶和临床盆腔案例上对该扫描照射方法进行仿真,使用商用的治疗计划系统重建扫描后的剂量分布并对其进行最终的剂量评估。基于目前可实现的快扫描速度（80 mm/ms,35 mm/ms）,在相同的剂量评价标准下,与点扫描相比,实时补偿栅扫描照射方法的照射时间在简单水靶案例和临床盆腔案例中分别缩短了53.3%和28.8%。该方法对于提高质子中心的患者收治能力和减轻因长时间固定而给患者带来的痛苦具有重要意义,同时缩短照射时间对减少照射过程中患者位置变动可能带来的剂量误差以及多次扫描、呼吸门控运动补偿技术的应用也很有帮助。其次,在现有扫描仿真程序的基础上,编程实现了可用于仿真体积多次扫描的模块,扩展了扫描仿真程序的功能。基于上述的实时补偿栅扫描照射方法,开展了运动靶多次扫描照射技术的系统性研究。结果显示,当使用基于同步加速器的质子治疗装置时,非固定周期的束流引出方式结合实时补偿栅扫描是一种较理想的照射方式。从照射时间的角度分析,体积多次扫描的次数会明显影响栅扫描的剂量率,而层多次扫描次数不影响栅扫描的剂量率。从靶区均匀性的角度分析,两种多次扫描技术在一定程度上都能改善靶区的剂量分布,体积多次扫描由于其在更长的时间尺度上进行重复扫描,对运动靶的补偿效果也更好。此外,在主动式束流输运模式下对运动靶实施多次扫描照射时,为了减少深度方向上同步加速器逐层主动换能的时间,同时提高引出束流脉冲的质子利用率,本论文提出了将改进的混合能量调节方式用于多次扫描补偿技术的方法,利用同步加速器对引出能量进行粗调,再由射程移位器实现能量的微调。研究结果表明,改进的混合能量调节方式能显著地缩短体积多次扫描的照射时间。以上关于束流引出方式、深度方向上同步加速器的能量切换方式、以及多次扫描运动补偿技术的研究,有助于提高基于同步加速器的质子治疗在主动式束流输运模式下对于运动靶的照射效率和准确性。最后,治疗计划系统准确的剂量计算在质子放疗中至关重要,是实现精准放疗的基础。依托上海瑞金医院的先进质子治疗装置（SAPT）,使用仿真人体头部模体对商用质子治疗计划系统Ray Station（V10）的计算精度,特别是质子射程计算精度实施了测量验证,并基于验证结果提出了改善治疗精度的新方法。实际测量验证发现,由于Ray Station系统有限的内置参考材料列表,在通过默认插值查表方法确定非生物组织等效材料的元素组成时,易导致较大的阻止本领计算误差。本论文提出了使用组织分割和实测模体的组织水等效厚度相结合的方法,改善了质子治疗计划系统在非生物材料仿真模体上的计算精度。该方法有望成为减小包含Ray Station在内的商用治疗计划系统在仿真模体上剂量算法误差的有效手段之一。本研究论文围绕质子放疗过程中所关注的治疗照射效率和剂量计算的准确性问题,对扫描照射技术和治疗计划系统的计算精度进行了深入的研究,相关研究结果将为未来实现精准、高效的质子放疗提供参考。