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重离子束(如，碳离子束)具有倒转的深度剂量分布——Bragg曲线和高的相对生物效应(RBE)，其在治疗非常接近重要器官深度埋藏的、不易手术和抗辐照肿瘤时，可以在有效杀死肿瘤细胞的同时保护健康的组织细胞，因此重离子辐照是治疗肿瘤的最佳放射治疗方法。
重离子放射治疗的特点之一是在治疗过程中可对照射的剂量进行实时监控，从而确保病人的安全及治疗方案的准确实施。在束正电子发射断层扫描仪(In-Beam PositronEmission Tomography, In-Beam PET)可以实现该功能，并且In-Beam PET是重离子精确治疗癌症现场唯一的非侵入性检测方法。目前国际上采用的在线成像PET技术的测量和影像重建的时间较长，数据只能供下次治疗参考。如果在In-Beam PET中引入飞行时间信息(Time of Flight，TOF)，当TOF时间分辨～1ns(FWHM)时，可以缩短辐照剂量和时间，减少图像重建时的数据处理时间，改善影像质量。为此我们采用了TOF信息，开展了关于重离子治癌专用在束TOF-PET的设计及性能最优化等方面的研究，争取达到～3mm(FWHM)的影像位置分辨，～1ns(FWHM) TOF时间分辨。实现在治疗中完成影像重建，达到实时监测指导治疗的目的。
论文中所研制的双头平面型在束TOF-PET(Dual-Head Planar-Type In-BeamTOF-PET)正是专用于重离子治癌的。该系统由2个表面积为260×160mm2的探测器矩阵构成，每个矩阵由15个探测单元模块组成，每个单元模块(Block)是由LYSO闪烁晶体阵列、位置灵敏平板型的光电倍增管及简化的读出电路组成。LYSO晶体矩阵是由22×22个像素晶体条组成，像素晶体条中心距是2.3mm，晶体条之间用0.3mm光反射材料(BaSO4)隔离定位。
在系统的最优化研制过程中，我们对影响其性能的多种因素进行了较详尽的对比研究，如晶体类型及尺寸、光导类型及尺寸、耦合方式、包装材料类型、光电倍增管类型、光电倍增管分压器信号引出方式及后续电子学等。
实验结果表明，该双头平面型In-Beam TOF-PET原型样机具有较好的位置分辨能力，通过引入TOF时间信息的确可以明显的提高成像的质量。中科院近代物理研究所的深层肿瘤重离子治疗终端的在束测试的数据表明，其单元样机可以清楚的分辨出不同能量的12C束流(172，200，250MeV/u)；在辐照PMMA时，可以精确的测量出12C的Bragg峰位置和剂量的空间分布影像；并可以提取Bragg峰定位精度和检验影像质量。