正电子发射断层成像(Positron Emission Tomography,PET)是一种先进的核医学影像设备,成像首先需要对一些代谢所需的物质进行正电子核素标记,然后将被标记的正电子药物引入生物体,药物会根据各组织、器官的代谢需要产生不同的浓度分布,通过PET探测器检测放射性示踪剂的位置来反应药物的分布,进而无创、定量、动态地评估人体内各种器官的代谢水平、生化反应、功能活动等。目前PET已经被应用于肿瘤、心脏以及神经系统疾病方面的早期诊断和跟踪治疗,也有越来越多的领域在尝试应用PET技术。高集成度和高可靠性的探测器是PET的关键技术之一,也是PET领域一直以来的研究重点。本文主要工作内容为基于多路复用信号读出方法,以及数字化的PET技术完成一种结构紧凑、性能可靠的PET探测器设计。目前,大多数PET探测器设计都是基于阵列型的硅光电倍增管(Silicon photomultiplier,SiPM)。SiPM具有体积小,增益大,工作电压低,对磁场不敏感等特点,广泛被应用于多模态医疗设备PET/CT、PET/MR,超长轴距的全身型PET以及包含反应深度信息的DOI-PET等的开发中,这些应用同时也对PET探测器产生了一些技术和设计上的要求,其中比较关键的一点即,如何解决由于SiPM的小尺寸所带来的系统搭建时,读出信号通道数量众多,后端电子学系统庞大且复杂的问题。本文基于信号传输时间设计了一种可扩展的闪烁脉冲信号多路复用读出结构,将多路信号合并输出,减小后端电子学需要处理的信号数量,同时基于多电压阈值采样(Multi-Voltage-Threshold,MVT)的数字化方法设计了相应的数据采集模块,完成多路复用读出PET探测器模组的设计。基于传输时间的多路复用的读出方法目前已经实现了16:2的复用比,即16个输出接入到同一条传输线上,最终由传输线两端的信号来进行精准定位和信号恢复,并且这种方法理论上可以进行更多数量的信号读出通路复用;基于MVT方法的数据采集模块经过实验验证,可以得到非常好的实验结果,在符合实验中可以得到与高速示波器6.25G采样率下相当的实验结果,两者的时间分辨率都在200ps左右,能量分辨率在12%左右;对所设计的多路复用读出的探测器模组进行性能评估,探测器模组多通道的平均能量分辨率11.8%,9条响应线的归一化时间分辨率254ps。与信号单独读出进行处理时相比,输出信号的数量大幅减少,可以有效减少后端的硬件的开销;同时探测器性能上只有略微恶化,平均能量分辨率从大约11%增加到大约12%,平均时间分辨率从大约200ps增加到大约250ps,这个变化对于整体系统的性能影响几乎可以忽略,表明基于传输线多路复用读出和MVT方法设计的多路复用读出PET探测器是一种非常有应用前景的PET探测器设计方案。