正电子发射断层扫描(Positron Emission Tomography,以下简称PET)是一种非侵入的造影技术,可以提供活体中放射性示踪剂分布的三维断层图像,及生物分子分布的时间和空间信息。目前,PET系统面临的最大挑战是如何优化成像系统,提高系统的灵敏度和图像分辨率,最大限度地减少观测带来的干扰,使得成像系统的输出跟生化过程而不是跟观测系统相关。飞行时间(Time-of-Flight,以下简称TOF)PET已经被初步证明能够应对上述挑战。本文以30-100ps的时间分辨率为目标,探讨TOF-PET的探测器设计和性能评估。从闪烁晶体和光检测器件出发,讨论了传统PET探测器的闪烁晶体部分的时间分辨率和能量分辨率,指出了传统设计的限制,试探性地给出了TOF-PET探测器闪烁晶体部分的方向。在前端电子电路部分,比较了传统的混合信号处理和全数字信号处理在时间分辨率和能量分辨率上的差别,仿真结果表明,传统方法虽可以得到较好的能量分辨率,但时间分辨率较差,为~130ps,采用全数字信号处理可以得到~40ps的时间精度,在确定事件时间上有实质性的优势。并进一步指出,全数字PET数据获得系统是实现TOF-PET的一个有潜力的途径,在此基础上,提出了全数字PET系统的结构和采样单元的实现。初步从科学意义上完成了TOF-PET探测器的设计和基本性能评估。上述方案在工程上面临的巨大困境是,高速采样的模数转换器价格非常昂贵。因此验证了一种新的信号处理方法,可以用相对便宜的高速时钟,比较器和寄存器测量脉冲的时间间隔,通过计算得到与PET事件检测相关的脉冲参数,消除PET前端电子中对大量模数转换器和恒比甄别器的使用,以降低成本,用这种新方法得到的前端电子学的简化也可以减小功率损耗。实验结果表明,这种新的前端电路可以用很低的代价帮助实现TOF-PET探测器的前端电路。