呼吸运动引起较大幅度的胸腹部器官运动，造成传统CT图像上的运动伪影，影响放疗精确度及效率。四维CT（four-dimensional computed tomography,4DCT）技术能够提供反映内部器官运动的四维图像，有助于提高放疗精确度。但其高剂量辐射已成为临床应用中的主要问题，而传统4DCT技术在低剂量时又将产生图像噪声及伪迹。针对传统4DCT技术中的CT断层重建，本文提出一种基于边界保存全差分（edge-preserving total variation, EPTV）约束的低剂量CT断层重建算法。该算法通过对一个由数据保真项和约束项组成的能量函数进行最小化从而实现图像重建。其中EPTV项是在原有全差分（totalvariation, TV）项基础上引入了一个自适应的惩罚权重因子，使得算法更倾向于对非边界处进行平滑，可在有效去除图像噪声及伪迹的同时更好地保存低对比度边界。传统4DCT技术对不同时相独立重建而忽略了4DCT相邻时相图像间的相似性，本文又提出一种基于时域非局域（temporal non-local means, TNLM）的低剂量4DCT重建算法。该算法将时域相似性作为约束引入到重建中，通过对相邻时相不同位置的图像小块进行加权平均，增强时域上重复出现的相似特征，中和图像噪声和条状伪迹。本文将这两个重建算法移植到图形处理器上进行加速。低剂量4DCT技术在临床应用中仍会存在以下4DCT固有问题：第一，依赖于外部呼吸监测系统，无法在常规CT机上实现，使得设备昂贵；第二，图像众多加大了医师靶区及危及器官勾画的工作量。针对问题一，本文提出虚拟低剂量4DCT和基于图像最小边界不连贯性的4DCT两种技术。前者仅需对患者最大呼气末和最大吸气末进行常规扫描，通过图像配准、插值、变形等步骤得到虚拟4DCT图像，在常规CT机上实现模拟4DCT的功能。同时该方法缩短了扫描时间，以达到降低对患者辐射剂量的目的。后者通过寻找相邻床位图像间的最小边界不连贯性来实现图像时相分组，使得4DCT完全摆脱对外部系统的依赖而得以在常规CT机上实现，并且避免不规则呼吸时发生分组错误导致图像伪迹。针对问题二，本文提出一种基于轮廓区域纹理特征的半自动4DCT目标勾画算法，医师只需对参考时相进行手动勾画。该算法可减轻医师的勾画工作，同时算法的可重复性避免了人工干预引起的随机误差。