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Material der TU Delft glänzt in medizinischen Detektoren

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Vielleicht wissen Sie das nicht, aber wahrscheinlich hat bei Ihrem letzten medizinischen Scan sogenannte Szintillatoren eine Rolle gespielt. Pieter Dorenbos, Experte für Szintillatoren an der Technischen Universität Delft entwickelt im Moment in Kooperation mit der französischen Firma Saint-Gobain die nächste Generation dieser Materialien.

Während man zur Sicherheitskontrolle am Flughafen hetzt, bewegt sich jeder im Zickzack durch die Absperrungen aus Ständern mit Gurten, mit denen die Warteschlangen vor der eigentlichen Sicherheitskontrolle gesteuert werden. Beim Passieren dieser Warteschlangen ist Ihnen vermutlich nicht bewusst, dass Sie bereits auf Radioaktivität kontrolliert worden sind. Einige dieser Ständer an Flughäfen enthalten Detektoren für Radioaktivität. Damit soll natürlich verhindert werden, dass Reisende radioaktives Material mit ins Flugzeug nehmen. Dies ist eine von vielen Anwendungen für eine spezielle Art von Material, die als Szintillatoren bezeichnet werden.

Szintillatoren sind in der Lage, die ionisierende Strahlung eines radioaktiven Teilchens zu absorbieren und dessen Energie in einen kurzen Impuls sichtbaren Lichts umzuwandeln. Deshalb können sie hervorragend als Strahlungsdetektoren eingesetzt werden: Bereits ein winziges bisschen Strahlung erzeugt einen Lichtpuls, der mit einem elektronischen Lichtsensor ganz einfach festgestellt werden kann. Das Prinzip ist nicht nur an Flughäfen nützlich, sondern auch in Krankenhäusern. Sowohl PET- als auch CT-Scanner benötigen szintillierende Materialien.

Pieter Dorenbos von der TU Delft forscht seit 30 Jahren zu Szintillatoren. Tatsächlich war er dabei, als die Forschungsgruppe gegründet wurde und nicht lange danach erkannte der damalige Forschungsleiter Carel van Eijk, wie nützlich diese Materialien sein können. Dies wird insbesondere aufgrund der Tatsache deutlich, dass die Delfter Forschungsgruppe zu Lumineszenzmaterialien von Dorenbos seit über 20 Jahren mit Saint-Gobain zusammenarbeitet. Das französische Unternehmen ist auf die Herstellung von Glas und Kristallen spezialisiert. „Diese Kristalle werden an Firmen geliefert, die Detektoren herstellen. Saint-Gobain stellt aber auch selbst Detektoren her“, sagt Dorenbos. Die Partnerschaft konzentriert sich derzeit auf die Entwicklung von Kristallen, welche die Leistung bestehender Kristalle übertreffen.

Ko-Dotierung

Bei PET-Scans wird dem Patienten radioaktives Material injiziert. Die abgegebene Strahlung wird dazu verwendet, einen Scan eines Körperteils zusammenzustellen. Die Aufgabe des Szintillators besteht darin, die Strahlung einzufangen und in einen kurzen Lichtblitz umzuwandeln. Je kürzer und stärker der Blitz, desto besser, denn mit einem so gut definierten Ereignis lässt sich leichter arbeiten als mit einem schwachen und „gestreckten“ Lichtsignal. Die Art des Szintillators hat einen starken Einfluss auf die Art des Lichtblitzes.

Ein Szintillator besteht aus einem kristallinen Grundmaterial, in das ein strahlungsabsorbierendes und lichterzeugendes Element eingebettet ist. Eine der besseren Kombinationen ist das Basismaterial CsBa2I5 (Cäsium, Barium, Jod) mit einem Zusatz aus Europium. Dieses Material absorbiert die radioaktive Strahlung relativ gut, aber es absorbiert auch das von ihm abgegebene Licht selbst, sodass weniger Licht den Kristall verlässt. Je größer der Kristall wird, desto größer wird dieser Effekt – und das ist nicht sonderlich gut, wenn man einen Detektor bauen will.

Dorenbos‘ jüngste Forschung konzentrierte sich auf die Kombination von Europium (Eu) und Samarium (Sm). Die Ko-Dotierung mit Samarium könnte den Nachteil von Europium im Endeffekt in einen Vorteil verwandeln. Diese Idee wurde auf CsBa2I5 angewandt. „Unsere Idee war es, Samarium hinzuzufügen, da es das Licht von Europium absorbieren und es dann in einer anderen Farbe abgeben kann. Tatsächlich absorbiert Samarium im sichtbaren Bereich und strahlt im unsichtbaren Nah-Infrarotbereich, wodurch der Szintillator vollständig schwarz wird.“

Die Europium-Samarium-Kombination funktioniert gut: Das bisher beste Ergebnis zeigt, dass sie eine Auflösung von 3,2 Prozent liefert, was ziemlich hoch ist. Die bisher beste Auflösung von 2,2 Prozent, wurde mit einem anderen Material erreicht, das ebenfalls innerhalb von Dorenbos‘ Forschungsgruppe der TU Delft entdeckt wurde. „Das Europium-Samarium-Material hat das Potenzial, dies zu übertreffen. Es kann unter 2 Prozent gehen. Es könnte weitere fünf Jahre dauern, aber es hat so viel Potenzial.“ Ein weiterer Vorteil von Samarium ko-dotierten Kristallen besteht darin, dass die Silizium-basierten Infrarot-Detektoren nicht durch ein Magnetfeld beeinflusst werden, was für 2-in-1-Scanner wichtig ist, wie z. B. solche, die PET und MRI kombinieren.

Zusammenarbeit mit der Industrie

Die Ergebnisse aus Delft sind eine gute Nachricht für Saint-Gobain. Mehrere der erfolgreichen Produkte des Unternehmens basieren auf dem rekordhaltenden Szintillator, der jedoch vor 20 Jahren erfunden wurde und dessen Patent bald ausläuft. Dorenbos: „Die Forschung zur Ko-Dotierung mit Samarium hat Potenzial, deshalb haben sie das Material patentiert. Durch Investitionen in die Forschung kann Saint-Gobain der Konkurrenz voraus sein. Ob das Material tatsächlich in einem Produkt eingesetzt wird, müssen sie selbst entscheiden. Wenn das Photon den Kristall verlässt, ist die Arbeit unserer Forschungsgruppe erledigt. Was als Nächstes passiert, liegt bei jemand anderem.“

Die Kombination von öffentlicher und privater Finanzierung ist bemerkenswert, insbesondere bei einem Thema, das man als Grundlagenforschung bezeichnen könnte. „Wir versuchen zu verstehen, was geschieht, das ist fundamental. Die Wechselwirkung zwischen hochenergetischer Strahlung und dem Material, Ionisierung, freien Elektronen und Löchern: Alle diese Aspekte erfordern komplizierte Simulationsmodelle. Wir müssen wissen, was passiert, um die richtigen Materialentscheidungen treffen zu können.“ Am Ende werden Grundlagenforschung, empirische und angewandte Forschung kombiniert, um eine Anwendung zu finden. Bei dem mit Samarium ko-dotierten szintillierenden Material gibt es noch viel zu verbessern. Samarium könnte auch in einem Material verwendet werden, das potenziell mehr Photonen erzeugen könnte. Dorenbos hofft, dass in einem Jahr ein Folgeforschungsprojekt mit zwei Doktoranden anlaufen wird.

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