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正电子发射断层成像（PET）可在分子水平动态反应生物组织代谢活动，在肿瘤等疾病的早期诊断和预后评估以及阿尔茨海默症等精神性疾病的研究中具有重要价值，然而传统医用人体PET主要针对全身探测，存在成像分辨率不够高，区域分辨率差异大，探测周期长等问题，亟需一种脑部专用PET成像系统。本文在原始概念基础上提出一种多面体结构的脑部专用PET系统，对其结构设计和成像仿真进行了研究。 设计并优化了非传统多边形探测器和多面体系统机械结构，该结构紧凑可开合，可实现脑部全贴合，计算结果显示该结构几何灵敏度大幅高于传统小直径圆环结构PET。GATE软件是发射断层成像领域应用最广泛的基于Geant4工具包蒙特卡洛仿真平台。基于此平台构建了多面体结构系统模型，蒙特卡洛仿真单光子事件位置信息重建验证了系统结构的正确性，通过自编程序从单光子事件提取符合事件，多序列点事件统计结果验证了多面体结构系统灵敏度相比传统小环PET显著提高，尤其是大脑顶部区域也能保持高灵敏度，可实现一次性探测成像。 在SSRB数据重组基础上采用FBP算法和MLEM算法分别从系统概率矩阵和正弦图重建标准Micro-Derenzo体模和Hoffman体模图像，验证了多面体结构PET系统断层成像和多区域均匀成像能力。参照NEMA标准评估了系统空间分辨率、等效噪声计数率和散射分数等部分性能参数，结果显示系统视野中心空间分辨率优于小直径环形PET。多面体结构脑部专用PET系统在脑部成像领域具有突出优势，有望对脑部疾病临床诊断和研究作出重要贡献。