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真实而清晰的核医学图像是进行准确分析和定量的基础，也是准确诊断疾病的基础。要获得一幅高质量的核医学图像，需要各个环节的质量控制，包括对显像目的确认，患者检查前的准备、显像药物的选择、图像采集和处理参数的选择等。
核医学显像是针对某一疾病或特定的组织、器官的特异性显像技术，检查前需明确临床医师申请显像检查的目的，选择恰当的核医学成像技术，才会有的放矢的解决临床医生所关注的问题。例如，对于冠心病患者，如果评价心肌是否存在缺血，则需要行心肌血流灌注显像；如果评价心肌是否存活，则需要行心肌代谢显像。
核医学显像前进行充分、规范的准备有助于排除各类干扰因素，以获得满意的图像，因此是核医学检查过程中不可缺少的部分。基本的准备工作包括询问病史、评估受检者基础状态、移除受检者携带的金属物体等。需要注意的是，在询问病史过程中，需要了解受检者是否服用了影响显像结果的药物或食物。如在负荷心肌灌注显像前，应尽可能地停用所有可能影响受检者心率或心肌血流灌注的药物及食物，如β受体阻滞剂、氨茶碱类药物、含咖啡因类饮料等。另外，根据不同的显像技术及目的，准备工作有所不同。如 18 F-FDG PET/CT进行肿瘤显像前，为了使病灶能够更多的摄取 18 F-FDG，需要受检者空腹4～6h 保持血糖在正常水平；而使用 18 F-FDG PET/CT进行存活心肌显像前，多采用糖负荷法提高受检者血胰岛素水平，以增加心肌对葡萄糖的摄取，从而使存活心肌充分摄取FDG。
特异性的放射性示踪剂是核医学成像的基本条件，因此选择合适的显像药物对于核医学显像十分关键。一般而言，应选择具有适宜的γ射线能量，靶本比高、具有稳定的靶组织滞留时间的显像剂。如 201 Tl 和 99m Tc-MIBI均可以进行心肌灌注显像，但由于 201 Tl 能量较低，半衰期较长，获得的心肌灌注图像质量较 99m Tc-MIBI差。因此，目前临床主要采用 99m Tc-MIBI进行心肌灌注显像。
采集足够的显像剂分布信息是获得优良核医学图像的关键因素之一。为了获得满意的图像，成像过程中必须控制好每一个环节，合理选择每一项参数。
准直器的作用是让一定方向入射的γ光子通过，吸收或阻挡其他方向入射的γ光子，从而按照一定规律把γ光子的分布投影到γ照相机探头的晶体上。根据应用要求，有不同类型和性能的准直器，如针孔型、平行孔型、汇聚孔型、发散孔型。每一种准直器又有高能、中能、低能之分，以适合于各种能量的核素。每种能量的准直器又有通用型、高分辨型、高灵敏型供选择。在临床实际操作中，需综合考虑采集图像方式、放射性核素释放的光子能量等因素来选择合适的准直器。
需注意的是，PET通过符合探测技术来判断所探测的两个γ光子是否为一个正电子湮灭辐射所产生。用符合探测技术确定湮灭地点方位的方法称为电子准直。电子准直无需使用传统的铅制准直器，大幅度提高了探测灵敏度及空间分辨率。传统核医学显像的准直器吸收或阻挡了来自受检者体内的大部分γ光子，能通过准直器的有效光子量仅占万分之一，导致灵敏度降低；也制约了传统核医学显像的分辨率。准直器的几何参数（孔数、孔径、孔间壁厚度）决定了空间分辨率和灵敏度，分辨率的提高会导致灵敏度降低，灵敏度的提高又会限制分辨率，需根据显像目的选择适宜的准直器，如甲状腺显像可选择针孔型准直器提高图像分辨率，断层显像可采用平行孔通用型准直器提高灵敏度。PET采用电子准直则很好地解决了这一问题。
矩阵是一组数字阵列，是用于储存图像中所有像素值的数字储存空间，它由一组二维像素组成，常用的矩阵有512×512、256×256、128×128 和64×64 等。像素是数字图像组成的最基本单位，它的大小取决于两个因素，即探测视野的大小和所选定的矩阵大小。假设探头视野的大小约500mm×500mm，选用512×512 矩阵，那么500/512 ≈1mm，像素的尺寸为1mm，以此类推，256×256 矩阵的像素为2mm，128×128矩阵的像素为4mm，64×64 矩阵的像素为8mm。像素尺寸越小，组成一幅图像的像素就越多；像素尺寸越大，组成一幅图像的像素就越少。大矩阵采集的总计数必须高于小矩阵采集。大矩阵图像的像素多，它的图像分辨率比小矩阵图像好，但是在相同图像信噪比的前提下，大矩阵图像采集的总计数高于小矩阵，因而采集时间更长。
选择矩阵的前提是以不降低图像分辨率为原则，通常像素尺寸不超过仪器的分辨率（即半高全宽度，FWHM）的1/2。假设仪器探测视野边长为500mm，分辨率为8mm。选取矩阵时需考虑像素尺寸≤1/2 仪器的分辨率，即8/2=4mm，用仪器探测视野边长除以像素尺寸，即500/4=125，取近似值即128×128 矩阵。
动态采集时，由于要求在极短时间内生成一幅图像，且连续成像，首先要考虑到灵敏度，故选择64×64或128×128 小矩阵。静态采集时，因为有足够的成像时间，除了考虑到不丢失分辨率以外，还要保证图像达到足够高的信噪比。比如128×128 矩阵的像素在3～4mm，可以满足通常仪器的分辨率要求，但仍建议选用更大的矩阵（如256×256 矩阵或512×512 矩阵）以改善图像质量。
组成一幅图像需有合适的计数量，而计数量取决于像素的数量，矩阵越大则像素越多，需要的总计数也越多。随着矩阵的扩大，采集计数需要相应增加，增加的倍数是新设定矩阵除以原设定矩阵，如512×512矩阵采集计数是256×256 矩阵的4 倍（512×512=262 144，256×256=65 536，262 144/65 536=4），如果选用256×256 矩阵时一个视野采集计数是600k，那么选用512×512 矩阵时采集计数应增加至600k×4=2 400k，选用128×128 矩阵则采集计数是600k/4=150k。
断层显像时，探头需要旋转采集若干帧图像，设置每一帧图像的采集角度时应遵循以下原则，即每一帧采集角度的弧长≤1/2 仪器的分辨率。假设仪器的分辨率为8mm，探头旋转半径为80mm，采集角度的弧长应≤8/2=4mm，半径80mm 圆的周长约480mm，因此总采集帧数为480/4=120 帧，每一帧采集角度为360°/120=3°。
放大系数（zoom）是断层显像时选取有效视野中的局部区域，采集时将设定的矩阵用于缩小的视野范围上，通过插值使局部得到放大。比如128×128 矩阵的像素大小为4mm，如果选择zoom 系数为2，最终的像素大小为4/2=2mm。
断层采集时，原则上每一帧的采集计数越多越好，采集计数越多，图像的信噪比越高。但在临床实际应用中，还需考虑受检者能否耐受过长的采集时间，一旦受检者在采集过程中出现移位，将对图像质量产生巨大影响。
断层采集时有两种运行方式，即步进式和连续式。步进式采集在每帧采集时探头都处在静止状态，而探头在两帧之间转动时不会进行采集。连续式采集时，探头于转动中亦可采集，因此每切换一帧可节约大约2s的采集时间，采集120 帧图像则可节约4min，但会对图像质量有一定影响。为了兼顾图像质量和节省时间的目的，可在小角度采集时选用连续式，在大角度采集时选用步进式。
核医学成像目前常用的图像重建方法是滤波反投影法和迭代法。
其原理是经过两次傅里叶转换（幅值域转换到频率域和频率域逆转换到幅值域），将得到的投影数据重建成图像数据。为消除星状伪影和高频噪声，在重建过程中需要加以必要的滤波功能。其中根据滤波曲线形状的变化，可将其分为高通滤波和低通滤波，而每一种滤波本身又含有从高到低不同的截止频率来控制图像平滑与锐化的程度，低截止频率使图像趋向平滑，高截止频率使图像趋向锐化。滤波反投影重建图像中的高频部分，代表着高分辨率或细微结构显示良好的图像，低频部分代表着低分辨率或低噪声的较平滑图像。
迭代法是一种逐步逼近的数学计算方法，它首先将欲重建图像的所有像素值设定为某一相同数值，然后将此假设图像在各个方向的投影数值与实际采集的投影数值进行比较，计算出每个像素的修正量，对初始图像进行修正。然后再根据新修正的图像估计值计算理论投影数值，与实际采集的投影数值进行比较，并再次修正。重复上述步骤，只要修正方法正确，每次迭代都能更加逼近正确的图像，当由修正图像求得的投影数值与实测投影数值的差异小到某种程度后，结束迭代过程。
迭代过程中有两个参数可以影响重建图像的质量，即子集数目和迭代次数。子集越大，重建图像的质量越好；迭代次数增加，重建图像质量也会相应改善。但迭代次数过多时不但对提高重建图像质量没有帮助，还会增加图像噪声，并降低重建速度。一般来说，扩大一倍子集和增加一次迭代次数，其效果是相同的，但增加一次迭代次数所花费的重建时间远比增加一倍的子集大得多。
对断层图像修正的目标和准则各种各样，所以迭代方法种类繁多，如代数重建技术（algebraic reconstruction technique，ART）、加权的最小平方（weighted-least squares，WLS）、共轭梯度法（conjugate gradient method）、最大似然函数-期望值最大法（maximum likelihood-expectation maximization，ML-EM）及有序子集最大期望值法（ordered subsets expectation maximization，OSEM）等。这些方法各有所长，有的算法简单，有的收敛速度快，有的抗统计干扰性好。由于从断层图像计算投影值时，容易把各种因素和系统误差的影响都考虑进去，因此迭代法重建的图像质量高、伪影少。但是迭代法运算量大，重建时间长，对计算机的要求高。
图像分析方法主要包括视觉分析法、半定量分析法和绝对定量分析法。
视觉分析是最简单的图像分析方法，指临床医师通过目测观察核医学图像中靶器官或靶病灶摄取放射性药物的分布，以及与周围组织的对比情况。该方法主观性强，不能进行定量评估。
半定量分析方法主要是通过勾画感兴趣区对靶器官或靶病灶的放射性摄取程度进行分析。包括靶病灶/非靶组织的放射性摄取比值和标准摄取值（standardized uptake value，SUV）两种方式。其中SUV是目前 18 F-FDG PET显像临床应用最广泛的半定量分析法。
根据放射性药物在体内的清除特征，建立房室模型，进行动态采集，可以在体内进行组织内示踪剂放射性活度的绝对测量。如 18 F-FDG在体内清除规律符合三房室四参数模型，通过动态采集后可以获得靶器官的绝对葡萄糖代谢率，并能够观察葡萄糖代谢的不同环节，如葡萄糖运转、磷酸化与去磷酸化等。但由于绝对动态定量分析需要动态采集模式，显像所能够覆盖病灶的区域也只有一个床位（15～20mm），还需要有创采集动脉血样，因此在临床实践中受到限制。