Trimethylbismut-Flüssigkeitsdetektor mit Cherenkov-Licht- und Ladungsauslese für die Positronen-Emissions-Tomographie

• Antragsteller: Professor Dr. Klaus Schäfers; Professor Dr. Christian Weinheimer
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406703021

Ziel des BOLD-PET-Projektes ist die Entwicklung eines schnellen, hocheffizienten Gamma-Detektors mit hoher Ortsauflösung für die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) auf der Basis neuester Entwicklungen mit flüssigem TriMethyl-Bismut (TMBi).Diese Flüssigkeit mit einem Bismutmassenanteil von mehr als 80% ermöglicht eine sehr effiziente und genaue Detektion von 511 keV-Photonen, die aus der Positronenvernichtung stammen. Bismut hat die höchste Kernladung (Z = 83) und damit den größten photoelektrischen Wirkungsquerschnitt aller stabilen Isotope. Die Gamma-Energie von 511 keV wird in TMBI in fast 50 % der Fälle durch den photoelektrischen Effekt auf Elektronen übertragen. Sowohl das Cherenkov-Licht des resultierenden relativistischen Photoelektrons als auch die sekundären Ladungsträger, die durch die Wechselwirkung des Photoelektrons im TMBi entstehen, werden in einer Ionisationskammer ergänzt durch Photodetektion nachgewiesen. Basierend auf früheren Studien mit flüssigem TMBi beabsichtigen wir, einen neuartigen PET-Detektor mit gleichzeitiger Detektion von Cherenkov-Licht und Ionisation zu entwickeln und zu evaluieren. Wir erwarten eine ausgezeichnete Ortsauflösung für den vorgeschlagenen Detektor, indem der Wechselwirkungspunkt des Gammas (depth of interaction) bestimmt wird. Dadurch kann dieser Detektor nahe des zu untersuchenden Objektes platziert werden, was den vom Detektor erfassten Raumwinkel vergrößert. Der photoelektrische Koinzidenz-Effizienz in TMBi ist doppelt so hoch wie die von LSO/LYSO-Kristallen. Der neue Detektor soll in der Lage sein, genaue Flugzeitinformationen (time of flight, TOF) durch die Cherenkov-Licht-Detektion zu nutzen, um den Kontrast des rekonstruierten Bildes zu verbessern. Um dieses anspruchsvolle Projekt zum Erfolg zu führen, wird die Expertise der bestehenden französischen CaLIPSO-Gruppe (CEA-IRFU, CNRS-LAL) durch die Expertise in den Bereichen hochauflösender PET-Bildgebung und Detektorentwicklung (WWU-EIMI-Gruppe), Ultra-Reinigung sowie Licht- und Ladungsdetektion (WWU-PHYSICS-Gruppe), beide von der Universität Münster, ergänzt. Das Hauptziel dieses Verbundprojektes ist die Entwicklung eines neuartigen Detektorsystems für die PET-Bildgebung (z.B. Neuro-PET, Kleintier-PET) mit einer erwarteten Effizienz von 30%, einer hohen räumlichen Auflösung von 1mm^3 und einer hohen TOF-Auflösung von 100 ps (FWHM). Um diese Ziele zu erreichen, ist das Projekt wie folgt organisiert: (1) Ultra-Reinigung von TMBi und weitere Charakterisierung von TMBi zur Detektion von Gammastrahlung, (2) Entwicklung eines Prototyps eines Ionisationsdetektors, (3) Untersuchung der Cherenkov-Photon-Detektion in flüssigem TMBi, (4) Monte-Carlo-Simulation und Bildrekonstruktion eines PET-Scanners dieser neuen Technologie und (5) Evaluierung eines PET-Prototypens sowohl mit Ladungs- als auch optischer Auslese.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Dr. Dominique Breton; Dr. Viatcheslav Sharry