正电子发射断层显像技术（Positron Emission Tomography,PET）可以对脑肿瘤、脑梗塞和癫痫等脑科疾病的诊断提供良好指导作用,也可用于脑组织对于外部刺激响应的研究探索。头部含有人类最重要的中枢神经系统,组织结构精密。对脑部成像的质量要求促进了脑部成像设备的发展。临床PET系统的分辨率通常在34 mm之间,单次扫描时间较长,脑科疾病患者很难保持长时间不动,头部运动影响成像质量,不适用于高精度脑部成像的要求。因此需要一种脑部成像的PET系统,要求具有其价格经济、系统灵敏度高和空间分辨率优异等特点。本文提出了两种脑部专用PET系统的结构设计,分别是DOI-PET和头盔式脑PET。DOI-PET系统内表面直径为360 mm,轴向长198 mm,采用硅酸钆（GSO）和硅酸钇镥（LYSO）探测器以获得作用深度（DOI）信息。头盔式脑PET是完全头盔式结构,与人类头颅直径相近,可对完整头颅成像。这两种脑专用PET系统有效视野达到25 cm×25 cm。论文设计的两种脑专用PET系统相比于临床PET具有更大的探测角,更高的探测效率。论文使用蒙特卡洛程序GATE对上述两种脑专用PET系统进行了仿真分析,根据NEMA NU 4-2008小动物PET标准对其性能进行评价。仿真结果表明,DOI-PET和头盔式PET的最高绝对灵敏度分别为2.62%和7.34%;在视野中心处,系统分辨率分别为1.90 mm和1.99 mm;系统散射比分别为0.38和0.41。图像性能方面,获取了直径3 mm的线源模型及Derenzo模体的仿真数据,并利用迭代法和滤波反投影法重建图像,测试效果良好。采用临床患者的头部MRI影像作为模型进行仿真分析,所设计的头盔式脑PET能够识别该患者脑部的转移瘤、混合瘤和胶质瘤等三个肿瘤。论文使用一对R8900 PMT/LYSO PET探测器做了初步断层实验,实现了对两个放射源的图像重建,重建图像清晰地区分了两个放射源,测试结果与预期要求符合良好。本文对重离子治癌系统的双平板型的In-beam PET成像系统仿真数据采用迭代法做初步的图像重建,结果表明该In-beam PET系统在径向和切向分辨率为2 mm,该图像重建算法对In-beam PET系统有借鉴作用。