Détecteur Bismuth-Organique Mixte, Optique Tcherenkov et Chambre Ionisation, pour la Tomographie par Emission de Positrons – BOLD-PET

Lorsqu'un rayon gamma interagit avec le TMBi liquide, il produit une particule chargée et de la lumière. En mesurant la charge et la lumière, il est possible de déterminer le lieu et le moment de l'interaction du rayon gamma. Pour détecter les signaux lumineux, l'équipe a mis au point un prototype optique utilisant un photomultiplicateur à galette de microcanaux, connu pour son excellente résolution temporelle, ainsi que les électroniques analogiques et numériques rapides dédiées.
La détection de la particule chargée produite par l'interaction des rayons gamma est plus difficile et nécessite un haut niveau de pureté du liquide et des précautions pour éviter le risque de décharge électriques dans le liquide. Une difficulté supplémentaire provient d'un niveau d'ionisation étonnamment bas, ce qui rend difficile la détection des particules chargées et nécessite l'utilisation d'une électronique à faible bruit, développée pour ce projet. Les différentes méthodes pour réduire la présence d'impuretés dans le liquide ont été testées, mais les performances doivent encore être améliorées afin de mesurer avec précision le courant électrique produit par les particules chargées.

La collaboration franco-allemande entre l'Université Paris-Saclay et l'Université de Münster a démontré pour la première fois que le TMBi liquide peut détecter les rayons gamma TEP avec une grande efficacité. En utilisant de lumière Tcherenkov, les interactions ont pu être détectées avec une haute précision temporelle, et ces résultats ouvrent la voie au développement de détecteurs TEP plus précis. Pour parvenir à une localisation précise de l'interaction et détecter de faibles quantités d'ionisation, la collaboration a mis au point une méthode sûre pour l'utilisation du liquide sous haute tension et a développé une électronique performante et à faible bruit.

Les résultats obtenus avec le prototype optique ont démontré les avantages potentiels de l'utilisation de la lumière de Tcherenkov pour la photodétection en TEP et pour atteindre une haute résolution temporelle. L'approche développée, qui utilise des systèmes de lecture MCP-PMT et une électronique de numérisation rapide, pourrait être utilisée dans d'autres systèmes à base de cristaux.
Bien que la détection du signal d'ionisation dans TMBi présente un défi, les techniques de purification, l'opération stable et la lecture utilisant des systèmes basés sur ASIC à bruit extrêmement faible développés pour cette technologie peuvent également être bénéfiques pour les systèmes de détection de particules d'ionisation à faible signal.

Depuis le début du projet, l'équipe a publié quatre articles dans des revues internationales à comité de lecture. Une publication supplémentaire est en préparation. En outre, trois thèses ont été réalisées sur ce sujet. Les résultats ont également été présentés lors d'une conférence internationale et lors de plusieurs réunions locales.

L'objectif du projet BOLD-PET est de développer un détecteur gamma rapide, de haute efficacité et de résolution spatiale millimétrique, pour la tomographie par émission de positrons (TEP). Ce détecteur s’appuie sur des développements récents exploitant le le TriMethyl Bismuth liquide (TMBi). Du fait de sa composition (80% en masse de bismuth), il permet une détection très efficace et précise des photons de 511 keV issus de l'annihilation des positons. Le bismuth a le numéro atomique le plus élevée de tous les isotopes stables (Z = 83) et donc la plus grande section photo-électrique. L'énergie du gamma de 511 keV est transmise aux électrons de ce matériau principalement par l'effet photoélectrique. La lumière Tcherenkov émise par le photo-électron relativiste produit par la conversion du gamma, et les porteurs de charge secondaires produits au cours des interactions de diffusion multiples sont détectés dans une chambre d'ionisation liquide, complétée par des photo-détecteurs.

Sur la base des études antérieures sur le TMBi liquide, nous proposons de développer et d'évaluer un nouveau détecteur PET avec détection simultanée de la lumière et de l'ionisation Tcherenkov dans un effort commun de quatre partenaires de recherche. Une excellente résolution spatiale est anticipée sur les images reconstruites, grâce à l’annulation des effets de profondeur d'interaction tout en permettant de placer ce détecteur près du corps ce qui augmente l'angle solide efficace. Le TMBi permet une production et une détection optimale d’évènements photoélectriques en coïncidence, deux fois la valeur mesurée sur les cristaux LSO / LYSO. Ce nouveau détecteur devrait aussi être capable d’exploiter des informations de temps de vol (TOF) précises grâce à la détection de la lumière Tcherenkov et ainsi d’améliorer le contraste des images reconstruites.

Pour réaliser une percée dans ce projet ambitieux, l'expertise du groupe CaLIPSO existant (CEA-IRFU, CNRS-LAL) sera complétée par l'expertise sur le développement d'images et de détecteurs TEP haute résolution (groupe WWU-EIMI) et celle sur la purification du xénon liquide ainsi que sur la lecture de détecteur optiques et de charges (groupe WWU-PHYSICS). L'objectif principal de ce projet collaboratif est de développer un nouveau système de détection pour l'imagerie TEP (cerveau humain PET, petit animal PET) avec une efficacité projetée de 30%, une précision spatiale élevée de 1 mm3 et une résolution de temps de vol de 100 ps (FWHM).

Pour atteindre ces objectifs, le projet portera ses efforts sur les domaines de travail suivant:
(1) l’ultra-purification du TMBi et la caractérisation de TMBi pour la détection de rayonnement gamma,
(2) le développement d'un prototype de détecteur d'ionisation,
(3) l’étude de la détection de photons Tcherenkov dans le TMBi liquide
(4) La simulation Monté-Carlo et la reconstruction d'image d'un scanner TEP complet utilisant la nouvelle technologie, et
(5) l’évaluation d'un module de détecteur TEP de démonstration, réunissant les détecteurs optiques et de charge.