在单光子断层成像技术中,图像质量的好坏很大程度取决于准直器的性能,而准直器的参数尺寸又和核素的能量息息相关。在临床上,医生经常要根据放射性物质的种类而频繁更换准直器。这些不可避免的操作不仅会大大阻碍每天就诊的人数,而且在交换准直器的过程中,很容易由于操作不当,而造成准直器或探测器的磕碰或损坏。因此,本文的目标是建立对临床最常用的中低能量的核素都适用的能量独立的准直器模型,减少准直器的更换频率,提高医院诊断的时间效率。为实现能量独立的准直器最优设计方案,本文提出了采用新型半导体CZT作为探测器的材料,探测器的探测面积达20.48 cm×20.48cm,同时结合像素几何匹配模型,使准直器的孔中心和探测器的阵列中心一一对应来最大化探测效率,并改进迭代重建算法,对点源响应函数和衰减补偿进行矫正以提高重建图像的准确性。CZT材料具有很高的能量分辨率和光子阻止能力,能直接把光子转为电子。和传统的连续型闪烁体探测器相比,像素化的CZT探测器能有效提高空间分辨率和探测效率。为了使穿过准直器平行孔的射线以最大概率被探测单元检测到,而不是落在单元的间隔上,准直器的孔和隔板的总尺寸和探测器阵列的大小一致,且孔中心和阵列中心一一对应。为了减少较高能量核素的穿透效应,准直器的材料采用高密度的材料来代替传统的铅材料。重建的图像质量主要取决于算法的优劣,本文针对探测器厚度对点源响应函数的影响,在迭代重建时对点源响应函数进行补偿矫正,在获得双光子能量核素的线性衰减系数时,提出采用加权能量法来求解单一的、等效的衰减系数,降低了算法的复杂度。能量独立的准直器将被主要运用于脑部、胸部和前列腺等局部器官的成像。根据这些潜在的运用,⁵⁷Co、^99mTc、¹²³I和¹¹¹In这四种核素代表不同的能量等级被选来评判准直器在250 keV下的成像能力。准直器的参数主要包含材料、孔型、孔长度、孔径和孔的隔板厚度,研究这些参数对准直器性能的影响有助于准直器的优化。基于蒙特卡洛的基本思想,本文利用Geant4模拟工具包对不同参数组合下的准直器进行仿真,计算分辨率、探测效率、散射率和穿透率等指标。定义了相对探测效率来挑选最合适的参数值,在保证上述4种指标在合理范围内,相对探测效率最高所对应的准直器即是最优的。根据大量的仿真实验和对指标的计算比较,初步确定的最优准直器设计方案为:准直器的材料为钨合金,孔形状为长方形,孔的厚度为23 mm,孔的直径为1.28 mm,孔的隔板厚度为0.32 mm。为了验证该参数组合对中低能量的核素的成像质量效果,本文实现了数字化热圆柱体模和霍夫曼脑部体模,对体模灌注不同种类、不同浓度的核素,并采集投影数据进行重建,然后计算对比度和恢复率两个指标。根据分析的结果,确认了该参数组合的可信性和合理性。最后和其他公司或研究小组的准直器产品比如低能高分辨型和中能通用型准直器等进行比较,发现本设计对中低能量的核素,可提供一样或甚至更好的图像质量。