Ingenjörer vid Duke University har demonstrerat en prototypröntgenmaskin som inte bara avslöjar objektets form utan dess molekylära sammansättning. Med oöverträffad upplösning och noggrannhet, tekniken kan revolutionera ett brett spektrum av områden som cancerkirurgi, patologi, läkemedelsinspektion och geologi.

Många av idéerna bakom prototypen var ursprungligen tänkta i jakten på att utföra bättre bombdetektering för flygsäkerhet. I det nya papperet publicerad online 19 maj i tidningen Vetenskapliga rapporter , forskarna anpassade tekniken för flera riktade vetenskapliga och medicinska tillämpningar.

"Oavsett om du försöker upptäcka en bomb i en väska eller en tumör i en kropp, fysiken är mer eller mindre densamma, "sa Joel Greenberg, docent i elektroteknik och datorteknik och fakulteten vid medicinska fysikprogrammet. "Men från en teknisk synvinkel, begränsningarna för de två är mycket olika. Vi byggde detta mindre, högre upplösning för att visa att vårt tillvägagångssätt kan användas för ett antal olika applikationer. "

Tekniken är ett hybridröntgensystem som kombinerar konventionell röntgenöverföringsradiografi med röntgendiffraktionstomografi. Den förra innebär att mäta röntgenstrålarna som passerar rakt genom ett föremål. Det senare innebär att man samlar in böjningsvinkel och våglängdsinformation från röntgenstrålar som har spridits (eller studsat) av ett objekt, som ger ett slags "fingeravtryck" unikt för materialets atomstruktur.

Ett av hindren för att anta denna teknik är att den spridda röntgensignalen vanligtvis är mycket svag och komplex. Detta resulterar i att väldigt få röntgenstrålar når detektorn när varje bild tas, vilket leder till långa förseningar medan skannern samlar in tillräckligt med data för jobbet.

Duke -teamets tillvägagångssätt använder en kodad bländare, en slags genomborrad sköld som gör att röntgenstrålar som reser i många olika vinklar kan passera genom sina hål. Tricket är att veta det exakta mönstret som används för att blockera röntgenstrålar, som en dator sedan kan använda för att bearbeta den större, mer komplex signal. Detta gör att forskarna kan samla in tillräckligt med avböjda röntgenstrålar för att identifiera materialet på kortare tid.

I tidningen, forskarna utvecklade en ny metod för att skapa högkvalitativa, 3D-kodade bländare, designat en ny maskin från början till slut med ett användargränssnitt och ett kompakt fotavtryck, och byggde en prototyp med hjälp av hyllkomponenter som regelbundet används inom medicinsk bildbehandling.

"Att designa förbättrade algoritmer och implementera avancerad tillverkning var avgörande för att uppnå önskad bildprestanda", säger Stefan Stryker, en doktorsexamen student och första författare på tidningen.

"Säkerhetsskanningssystem har andra mål än ett onkologilaboratorium, "sade Anuj Kapadia, som var docent i radiologi och fakultet i Duke medicinsk fysik vid tidpunkten för forskningen men är nu på Oak Ridge National Laboratory. "Säkerhetssystem måste bläddra igenom tiotals centimeter slumpmässiga objekt på några sekunder, medan vårt mål var att få en högupplöst bild av en liten, väldefinierat exemplar med mindre tidsbegränsning. "

Den största utmaningen som prototypskannern tacklade var att göra korrekta diagnoser av potentiellt cancerösa vävnader. Arbetar med kollegor på Duke Health, forskarna skannade vävnadsbiopsier innan de skickades till de boende patologerna för deras kliniska bearbetningar. Skannern matchade inte bara den kliniska diagnosen exakt, men det skilde också på ett tillförlitligt sätt mellan subtyperna av vävnad i och runt cancervävnaden.

"Vårt slutliga mål är att ha en av dessa skannrar i varje operationssal så att kirurger kan få en omedelbar diagnos så snart cancern tas bort, och de kan omedelbart kontrollera om det finns cancerceller på kanterna, "sa Kapadia." På det sättet, om det finns någon misstanke om att de missat en del av cancern, de kan genast gå tillbaka och få resten. "

"Även om marginaler ofta kan utvärderas av patologer medan patienten fortfarande är på operationssalen, för vävnader som bröst, prover som tas bort vid operationen kräver en 24-timmars bearbetningscykel innan deras marginaler kan bedömas korrekt, "sa Shannon McCall, docent i patologi, vice ordförande för translationell forskning vid institutionen för patologi, och chef för Duke BioRepository &Precision Pathology Center (Duke BRPC). "Om detta nya instrument tillät oss att exakt bedöma marginalerna för dessa typer av vävnader medan patienten fortfarande var på operationssalen, det skulle vara fantastiskt. Kvinnor kan eventuellt undvikas ytterligare kirurgiska ingrepp. "

Forskarna visade sedan att skannern kunde tillhandahålla en realtidsanalys av läkemedel. Detta kan inte bara hjälpa tillverkarna att säkerställa att deras produkt är pålitlig, men det kan också användas av polisens kriminaltekniska avdelningar eller folkhälsokampanjer för att se till att människor inte säljer eller överdoserar skadade droger.

Skannern visade sig också kunna analysera stenar som lånts av en amatörsamlare, Greenbergs nioåriga dotter, Madelyn. Sådana analyser kan vara användbara för arkeologer som studerar fossil eller gruvarbetare som fattar beslut om vilken malm som ska användas i deras utvinningsanläggningar.

Går vidare, forskargruppen har ett bidrag från National Institutes of Health för att optimera skannern för vävnadsprover. Quadridox Inc., som grundades av Greenberg och Kapadia tillsammans med kollegorna Michael Gehm (Duke) och Amit Ashok (University of Arizona), fortsätter att översätta tekniken till produkter som istället kan optimeras för större stenar, snabbare läkemedelsskanningar eller analyser av bioprover.

"Vi byggde den här skannern för att visa alla de olika typerna av saker som den kunde åstadkomma, "sa Greenberg." Men en kommersiell maskin för varje applikation kan ha sin egen uppsättning tekniska variationer, till exempel hur vi gör mätningar, valet av sensorer eller arkitekturen. "

"Om du skulle designa en projektor, du skulle behöva veta om den skulle användas i en mörk teater eller på dagsljus. Specifikationerna skulle vara helt annorlunda, "tillade Kapadia." På samma sätt här, vårt mål är att hitta många applikationer där den här typen av skanningar kan vara användbara, och sedan konstruera en mängd olika skannrar för att passa deras specifika behov. "