PET通过检测摄入活体内放射性示踪剂的分布状态对机体内各器官的代谢水平、生化反应、功能活动和灌注进行定量、动态地评估。按信号流顺序,PET被分为探测器系统、数据获得系统、图像重建系统以及图像显示与分析系统。探测器系统通常由多个闪烁探测器排布为环形结构的方式构成,用于捕获放射性示踪剂衰变后产生的Gamma粒子并形成相应的闪烁脉冲。数据获得系统通过对闪烁脉冲的分析、处理获取粒子的能量沉积信息并形成符合数据。图像重建系统则利用符合数据反演出放射性示踪剂在机体内的分布状态并通过后续的图像显示与分析系统展现出来。现代PET系统中,数据获得系统通常采用模数混合的架构。模拟电路被用来对闪烁脉冲进行处理,粒子的能量沉积大小、时间以及位置等信息转化为相应的模拟电压量或触发信号量后再由后续的电路进行数字化获取以及符合甄别。众所周知,模拟电路对闪烁脉冲的幅值大小、脉冲持续时间、频率范围等特性较为敏感,数据获得系统需要依据闪烁探测器的特性进行针对性设计;模拟电路难以实现复杂的脉冲分析、处理方法,粒子能量信息多由一些简单的线性方法及电路提取,性能优异但算法复杂的脉冲处理方法无法应用；模拟电路系统难以应对闪烁探测器输出脉冲的基线漂移、事件堆叠等情况,限制了系统的稳定性和性能的进一步提升。近年来,随着数字信号处理技术和方法的发展,将闪烁脉冲直接数字化,利用软件算法替代传统模拟电路提取粒子能量沉积信息的方式极具吸引力。数字化后的闪烁脉冲在传输、处理等过程中不再因模拟电路的信号带宽、噪声干扰等因素影响信号质量、恶化粒子能量沉积信息提取精度,这有利于大型、复杂系统的设计和开发：粒子能量沉积信息提取的准确性也将因高性能的数字信号处理技术和方法的应用得以提高：此外,数字闪烁脉冲下基线漂移和事件堆叠等情况可在信号处理和分析的过程中得到补偿和校正,系统的性能和稳定性将因此而进一步提高。将数字化电路与闪烁探测器相结合,直接输出数字闪烁脉冲的数字闪烁探测器极具发展前景。数字闪烁探测器的实现将简化PET系统的结构,降低系统的工程开发难度；快速发展的数字信号处理技术与方法也将得以应用于闪烁脉冲的分析与处理,加速PET系统的发展。闪烁脉冲的准确数字化是数字闪烁探测器实现的关键。受采样率和功耗的限制,一直以来利用ADC直接获取数字闪烁脉冲的方式存在工程实现困难、硬件成本昂贵、数字脉冲欠采样等诸多问题。在对粒子能量沉积时间信息提取精度有较高要求的TOF PET等系统中,ADC难以直接应用。由我课题组提出的多阈值电压采样(Multi-Voltage Threshold,以下简称MVT)方法则通过对闪烁脉冲过阈值电压的时间点进行采样的方式完成闪烁脉冲的数字化。相应的采样电路仅需少量比较器和时间数字转换器便可实现,具有工程开发难度小、硬件成本低等特点。在此背景下,本文以MVT方法为基础围绕数字闪烁探测器的关键技术、系统架构以及应用展开研究工作。首先,通过研究指出闪烁脉冲下降沿中不可避免的噪声影响现有MVT采样方法获取的数字闪烁脉冲精度和后续的粒子能量沉积大小信息的提取精度。这一噪声虽然可以通过低通滤波器滤除,但粒子能量沉积时间信息的提取精度却因此而恶化。针对这一问题,论文提出了精确MVT采样方法并与现有MVT采样方法下得到的数字闪烁脉冲提取的粒子能量沉积精度进行了对比研究。精确MVT采样方法实现了噪声干扰下数字闪烁脉冲的精确数字化,在不恶化粒子能量沉积时间信息提取精度的前提下有效提高了能量沉积大信息的提取精度。对应的能量分辨率由原先的16.9%@511keV优化到13.0%@511keV。其次,设计并实现了精确MVT采样电路。解决了传统TDC因死时间而无法应用于精确MVT采样电路的问题。提出了采用LVDS接受器实现阈值比较器的方法,不仅提高了MVT采样电路的集成度、降低了系统功耗,还提高了脉冲过阈值电压的时间信息获取精度。提出了精确MVT采样电路校正方法,解决了MVT采样电路中不同通道间的阈值电压和时间响应不一致带来的数字化精度下降的问题。将实现的精确MVT采样电路应用于一对LYSO/SiPM探测器输出脉冲的数字化,最终获得了13.9%@511keV的能量分辨率和438ps的时间分辨率。再次,提出了数字闪烁探测器架构,按信号流的顺序划分为探测器单元、数字化单元以及接口单元。数字闪烁脉冲通过接口单元传输出来,粒子能量沉积信息则由后续数字脉冲分析、处理平台通过分析数字闪烁脉冲的方式提取。利用该架构下的数字闪烁探测器进行PET等系统的开发,仅需在计算机等系统实现的数字脉冲分析、处理平台中开发相应的算法和程序即可完成。数字闪烁探测器的实现,降低了PET等系统的开发难度。论文以该架构和精确MVT采样电路为基础完成了数字闪烁探测器的实现,时间分辨率为525ps、能量分辨率为15.1%@511keV。最后,提出了数字PET系统架构,该架构下的数字PET成像系统具有系统架构简洁,工程实现简单,系统成像性能优异等特点。为针对应用,适应性的构建PET成像系统提供了技术基础。采用该系统架构和数字闪烁探测器,本文针对具体应用需求完成了三种具有不同成像视野的数字PET系统的设计与实现。对其中针对临床脑部成像的PET系统进行了初步的性能评估和假体成像。该系统的空间分辨率为2.5mmm,时间、能量分辨率分别为543ps和16.3%@511keV。与单个数字PET探测器的性能相比,系统性能未发生显著恶化。这一些结果初步揭示了数字PET探测器及数字化架构下PET成像系统的优势。