正电子发射断层成像(Positron Emission Tomography, PET)作为一种分子医学成像设备,能无创、定量、动态地评估生物体内各器官的代谢水平、生化反应、功能活动。PET因其功能成像的特性而对生化反应非常敏感,因而,在肿瘤、心血管系统疾病和神经系统疾病等的早期诊断、治疗规划、疗效监测与评估,和新型核医学示踪剂及分子探针研究、新药开发、靶向治疗技术研究等临床前生物医学基础研究领域具有独特的应用价值。目前,随着PET应用的不断深入,精确定量、个体诊治、靶向治疗等应用对PET的性能和结构提出了更高的要求和新的需求。发展可适应个体化成像对象和拓展应用场景的PET系统成为趋势之一。现有PET采用专用的电子电路且各子系统相互关联,系统架构封闭且几何结构固定,因此,硬件成为系统开发的重点与难点,针对性地调整或优化往往需要其他部分进行较大的调整甚至是重新开发。在实际应用中,成像对象以及应用场景的个体化差异时刻存在。然而,目前的PET系统因为架构的限制,若要发展针对应用优化的研究,技术代价昂贵。针对这一问题,急需系统设计方法上的创新。本论文面向以上应用要求和挑战,提出针对应用优化的PET成像过程和应用适应性PET,并针对现有PET的局限,从系统设计层面寻求突破,提出了应用适应性PET的系统架构需求,由此设计了应用适应性PET系统架构及搭建了平台,解决了应用适应性PET发展的关键问题。在此基础上,论文以临床前生物医学基础研究领域为应用切入点,研究了应用适应性PET---Trans-PET的系统设计和实现,并通过在仿真平台和实际系统上分别开展仿真和物理实验的方法,进行成像性能评估和应用验证。本论文工作为针对应用优化的PET成像提供了关键技术和理论基础,通过使PET顺应上数字化革命的发展趋势,加速应用适应性PET研究的发展,有望提升PET的应用深度和广度,促进PET仪器在生物医学基础研究和临床诊疗领域的作用。本论文论述了针对应用优化的PET应有的成像过程。该过程以应用为出发点,通过可对PET成像过程的各环节进行规划或调整,实现适应个体化成像需求的优化成像。该过程的实现要求PET系统在结构和性能设置上具有高度灵活性,即应用适应性PET。为此,在本课题组发展的PET数字化方法的基础上,本论文提出了应用适应性PET的系统架构需求：系统核心从硬件转为软件且分享信息流上的各类数据,革新PET信息获取和处理的模式；同时,各子系统模块化设计且解耦,得以独立优化和升级。由此,设计了由数字PET探测环、软符合模块和图像重建模块三个独立的子系统构成的应用适应性PET系统架构。此开放的系统架构将为应用适应性PET的发展提供关键技术。基于此架构,本论文完成了用于进行应用适应性PET研究的平台建设,通过复用数字PET探测器,在该平台上快速完成多种具有不同探测结构的小型系统的集成,展示应用适应性PET系统架构的优势,并且,对应用适应性PET系统架构下集成的PET机器进行了系统层级的验证。动物PET作为临床前生物医学基础研究的重要工具之一,被广泛地应用于新型核医学示踪剂及分子探针研究、新药开发、靶向治疗技术研究等领域。在上述工作的基础上,本论文以临床前生物医学基础研究领域为应用切入点,在应用适应性PET成像思路下,开展应用适应性PET一Trans-PET的系统设计和实现,重点关注小鼠和大鼠的应用需求,针对性设计和集成了两种具有不同成像对象适用性的探测结构。因基于应用适应性PET系统架构的平台,这两种探测结构除了数字PET探测器数量和空间排布的不同外,其余硬件装置均可复用,在实际应用时可快速切换,脉冲信息处理、符合甄别以及图像重建等部分则通过软件算法在计算机系统中调整。通过仿真评估实验以及物理实验,考察了所实现的Trans-PET在两种探测结构下的性能特性。结果揭示了基于这一系统架构设计的系统进行应用适应性成像的可行性。并且,通过动态成像、大鼠脑成像、多只小鼠同时成像、猴脑成像等动物成像案例,本论文进一步证实应用适应性PET满足设计前的应用需求分析,表明所实现的Trans-PET系统具有成像对象应用优化的优势。本论文工作将对应用适应性PET的系统设计和实际应用提供指导,也是目前首个系统地完成的基于数字PET探测器的PET系统实现和评估的工作,将对基于数字PET探测器的的PET系统的评估提供参考价值。