由于重离子倒转的能量损失-射程曲线和高的相对生物效应,使得重离子能够实现准确有效地肿瘤治疗。在束正电子发射断层摄像仪(在束PET)是现在用于实时监测带电重离子治疗的唯一方法。在重离子辐照治疗过程中,可以通过在肿瘤附近应用安全边界以及选用合适的束流入射口等措施,达到治疗计划与临床效果之间的偏差最小。而在束PET可以用于探测在分次照射的过程中偶发的射程范围偏差和生物结构上的改变,同时可以检验束流入射口辐照剂量的准确性,为放射治疗师提供治疗计划与实际治疗的偏差评估。上世纪七十年代,由于被动束流整形产生的污染使得BGO晶体活化,Berkeley实验室的在束PET研究被迫放弃,九十年代GSI采用X、Y开关磁铁扫描方式控制束流,双球冠型在束BGO PET成功实现重离子肿瘤治疗的现场在线监测。中国科学院近代物理研究所利用HIRFL-CSR提供的中高能重离子12C开展了浅层和深部肿瘤治疗并取得成功。配合重离子肿瘤治疗,我们开展了双平面型在束PET的研制。同时也开展了一些全3D影像重建程序模拟研究,检验双平面In-Beam PET在辐照治疗过程中监测剂量分布的能力。双平面In-Beam PET选择硅酸钇镥(LYSO)]闪烁晶体,它有快的衰变时间(40ns)和高的光输出(27000ph/MeV)。读出采用8×8多阳极光倍管(H8500)。每个探测器单元由一块由22×22个尺寸为2×2×15mm3晶体条构成LYSO晶体阵列通过硅脂耦合在一个H8500上,整个PET探测器分别由两个3×5的探测器单元组成,形成了双平面的几何结构。在符合模式下探测器的视野内共有72602条反应线。为了使得探测器在符合状态下工作,我们搭建一套多通道、列表模式的数据获取系统,具有单独的工作模式并且可以结合治癌终端的束流线工作。本文以In-Beam PET结构为基础,进一步优化在束PET在重离子肿瘤辐照监测中的各项性能指标。此优化涉及到：第一,明确了解现在或者将来的在束PET的局限性。现在的局限性指的是已经安装在治癌终端的在束PET的局限性,而将来的局限性指的是将要安装在重离子治疗设备上的在束PET的局限性。第二,在了解在束PET的局限性之后,有必要清楚产生这些局限性的来源。基于这些认识,一些新的数学方法和技术上的解决方案将被引入,并从现有的情况出发,通过模拟或者实验来构建和验证这些方案。该在束PET最重要的局限性是由于有限角度的断层摄影而产生的图像伪影。为了研究一些伪影的起源并且提出一个合理的探测器几何结构来减少图像伪影,需要两个软件工具。第一是断层摄影仪的模拟软件,能够处理一些不同的探测器结构；第二是易用的重建程序,可以方便读取和处理模拟的输出结果。传统的重建程序应用在低统计的数据上将会产生质量较差的图像。更重要的是,这些程序要求断层摄影具有空间不变性,这个要求只有全环结构的探测器才能满足。另一方面,为在束PET开发的重建程序是基于固定的直方图大小,这种直方图的大小由两个探头的探测单元的数目相乘而得。当使用大探头时,直方图的大小将增长两个数量级。如果实现一个固定大小直方图的策略,将消耗过多的计算机内存,同时将消耗过多的计算时间。因此,发展一个可以扩展已有的在束PET数据处理方法的重建程序是有必要的。这个扩展的图像重建程序将应用于更加大的断层摄影仪,可以用于研究有限角度引起的伪影。图71幅,表9个,参考文献126篇。