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以正电子发射断层成像(Positron Emission Tomography,PET)和单光子发射计算机断层成像(Single Photon Emission Computed Tomography,SPECT)为代表的核医学影像学是现代医学影像诊断的主要手段之一。伽马光子探测器是PET和SPECT成像系统的核心组成部分,优化探测器性能对提升成像系统综合性能和临床诊断价值具有重要意义。本论文旨在结合PET和SPECT影像系统实际临床应用,研究现代核医学影像探测器对伽马事件的位置和能量测量性能优化问题。能量分辨率对双核素SPECT成像具有重要价值。针对高能量分辨率CZT探测器在SPECT中的应用,重点研究CZT不完全电荷收集过程引入的低能尾部光子计数效应及其校正方法。基于商业CZT SPECT系统,提出CZT的尾部光子投影计数模型,开发了99mTc/123I双核素成像的散射和串扰校正方法,有效提高了图像定量精度。心肌模型实验99mTc图像的非透壁和透壁缺陷对比度由0.39和0.62分别提高到0.51和0.73;病人实验99mTc图像的心肌血池对比度由7.0提高到了63.6。测量作用深度(Depth of Interaction,DOI)信息是当前PET探测器技术的重点发展方向。本论文基于双端读出技术,研究了阵列式探测器的三维位置定位和能量性能优化方法。重点研究了不同晶体表面处理方式和DOI定位算法下探测器的DOI定位性能,提出了定量描述探测器能量性能的指标。最优的晶体表面处理方式为研磨晶体表面+镜面反射膜(能够获得优于2 mm的DOI分辨率和均衡的能量性能);线性算法和对数算法均能有效提取DOI信息并具有可类比的DOI性能。相比阵列式探测器,基于连续晶体的全三维位置定位技术是核医学影像探测器的近年研究热点之一。本论文研究了基于连续LYSO晶体和SiPM的全三维探测器技术。分别研究基于统计(Statistical-Based Positioning,SBP)和基于人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN)的三维位置定位算法,实现了x/y和DOI方向分别约为2.0 mm和4.0 mm的定位分辨率。针对探测器读出通道数过多问题,提出基于Anger位置加权和基于主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)的两种通道数压缩策略;利用SBP,x/y和DOI方向的定位分辨率分别约为2.6 mm和5.0 mm,与不压缩情况的定位能力可类比,从而提高了连续晶体探测器的工程应用价值。课题综合研究了核医学影像探测器的位置和能量性能优化方法,对于双核素SPECT成像定量精度提升以及PET和SPECT的空间分辨率提升均具有重要意义。