正电子发射断层成像（Positron Emission Tomography,PET）作为无创、动态和定量测量的分子影像设备,在临床诊断和病理研究中有重要作用。本文研究的头盔式数字PET具备高灵敏度和高计数率性能,在退行性神经疾病早期诊断方面有重要的应用价值。本文主要从计算方法研究、系统仿真、样机搭建和评估验证等方面出发,对基于多电压阈值（Multi-Voltage Threshold,MVT）快速数字化采样技术的头盔式数字PET的高灵敏度和高计数率性能展开研究,旨在为非传统几何结构PET系统设计、评估和性能优化提供创新性方案和思路。首先,提出适用于非传统几何结构PET系统灵敏度和计数率计算方法,使头盔式数字PET系统评估结果具有可比性。参照美国电气制造协会制定的PET评估标准中基本概念,针对具有不同探测环半径的PET系统在现行评估标准下的sinogram存在断裂、偏移和交叉等问题,从数学建模的角度进行分析并总结出一般规律,提出SSRB-CRM（Single Slice Rebinning-Crystal Rebinning Method）方法。其次,在仿真方面研究了不同结构的探测器布局对PET系统灵敏度的影响,根据现有的数字PET闪烁探测器搭建了半球形头盔式、环形头盔式、桶式头盔式和小孔径环形四种不同结构脑PET系统,并在半球形头盔式PET系统仿真实验中验证了SSRB-CRM方法的有效性和实用性。仿真结果显示,在探测器数量基本相同的情况下,半球形头盔式PET系统具有最高的平均绝对灵敏度,为4.68%。然后,使用MVT数字PET探测器完成半球形头盔式数字PET样机搭建,并研究了MVT快速数字化采样技术对头盔式数字PET灵敏度和计数率的影响,系统测试评估结果显示,基于MVT采样技术的PET探测器能够显著地提高系统灵敏度和计数率性能,系统灵敏度和计数率性能和仿真结果相当,系统平均绝对灵敏度为4.29%,最高绝对灵敏度达到5.97%,总计数率在放射性活度为120 k Bq/ml时达到峰值,约2000 kcps;此外,NECR在放射性活度为78 k Bq/ml时达到峰值,为273 kcps。最后,探索了康普顿散射和符合策略对系统性能的影响并对系统测试结果优化,通过仿真实验探索粒子运输过程中康普顿散射与系统性能的关系,优化实际系统计数率性能。同时根据实际系统计数率测试优化结果,采用逐次逼近的方法确立头盔式数字PET系统死时间模型。