Ingenieurs van Duke University hebben een prototype van een röntgenscanmachine gedemonstreerd die niet alleen de vorm van een object onthult, maar ook de moleculaire samenstelling ervan. Met ongekende resolutie en nauwkeurigheid, de technologie zou een revolutie teweeg kunnen brengen in een breed scala van gebieden, zoals kankerchirurgie, pathologie, drugsinspectie en geologie.

Veel van de ideeën achter het prototype zijn oorspronkelijk bedacht in het streven naar betere bomdetectie voor de luchtvaartbeveiliging. In de nieuwe krant online gepubliceerd 19 mei in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten , de onderzoekers pasten de technologie aan voor verschillende gerichte wetenschappelijke en medische toepassingen.

"Of je nu een bom in een zak of een tumor in een lichaam probeert te ontdekken, de fysica is min of meer hetzelfde, " zei Joël Greenberg, universitair hoofddocent elektrotechniek en computertechniek en faculteit van het programma medische fysica. "Maar vanuit technisch oogpunt, de beperkingen van de twee zijn heel verschillend. We bouwden deze kleinere, apparaat met een hogere resolutie om aan te tonen dat onze aanpak voor een aantal verschillende toepassingen kan worden gebruikt."

De technologie is een hybride röntgensysteem dat conventionele röntgentransmissieradiografie combineert met röntgendiffractietomografie. De eerste omvat het meten van de röntgenstralen die dwars door een object gaan. Dit laatste omvat het verzamelen van informatie over de afbuigingshoek en golflengte van röntgenstralen die zijn verstrooid (of teruggekaatst) van een object, die een soort "vingerafdruk" bieden die uniek is voor de atomaire structuur van dat materiaal.

Een van de hindernissen bij het toepassen van deze technologie is dat het verstrooide röntgensignaal doorgaans erg zwak en complex is. Dit resulteert in zeer weinig röntgenstralen die de detector bereiken bij elk vastgelegd beeld, wat leidt tot lange vertragingen terwijl de scanner voldoende gegevens verzamelt voor de uit te voeren taak.

De aanpak van het Duke-team maakt gebruik van een gecodeerd diafragma, een soort doorboord schild waarmee röntgenstralen die onder veel verschillende hoeken reizen door de gaten kunnen gaan. De truc is om het exacte patroon te kennen dat wordt gebruikt om de röntgenstralen te blokkeren, die een computer vervolgens kan gebruiken om de grotere, complexer signaal. Hierdoor kunnen de onderzoekers voldoende afgebogen röntgenstralen verzamelen om het materiaal in een kortere tijdspanne te identificeren.

In de krant, ontwikkelden de onderzoekers een nieuwe methode om hoogwaardige, 3D gecodeerde openingen, ontwierp een nieuwe machine end-to-end met een gebruikersinterface en compacte footprint, en bouwde een prototype met gebruikmaking van kant-en-klare componenten die regelmatig worden gebruikt in medische beeldvorming.

"Het ontwerpen van verbeterde algoritmen en het implementeren van geavanceerde productie was essentieel om de gewenste beeldprestaties te bereiken", aldus Stefan Stryker, een doctoraat student en eerste auteur op het papier.

"Beveiligingsscansystemen hebben andere doelen dan een oncologisch laboratorium, " zei Anuj Kapadia, die ten tijde van het uitvoeren van het onderzoek universitair hoofddocent radiologie en faculteit in de medische fysica van Duke was, maar nu in het Oak Ridge National Laboratory is. "Beveiligingssystemen moeten in een kwestie van seconden door tientallen centimeters willekeurige objecten turen, overwegende dat het ons doel was om een ​​afbeelding met hoge resolutie te maken van een kleine, goed gedefinieerd exemplaar met minder tijdsbeperking."

De grootste uitdaging die de prototypescanner aanging, was het maken van nauwkeurige diagnoses van potentieel kankerweefsel. Samenwerken met collega's van Duke Health, de onderzoekers scanden weefselbiopten voordat ze naar de plaatselijke pathologen werden gestuurd voor hun klinische opwerkingen. De scanner kwam niet alleen nauwkeurig overeen met de klinische diagnose, maar het maakte ook betrouwbaar onderscheid tussen de subtypes van weefsel in en rond het kankerweefsel.

"Ons uiteindelijke doel is om een ​​van deze scanners in elke operatiekamer te hebben, zodat chirurgen een onmiddellijke diagnose kunnen krijgen zodra de kanker is verwijderd, en ze kunnen onmiddellijk controleren of er kankercellen aan de randen aanwezig zijn, "zei Kapadia. "Op die manier, als er een vermoeden is dat ze een deel van de kanker hebben gemist, ze kunnen meteen teruggaan en de rest halen."

"Hoewel marges vaak door pathologen kunnen worden beoordeeld terwijl de patiënt nog in de operatiekamer is, voor weefsels zoals borst, specimens die tijdens een operatie zijn verwijderd, hebben een verwerkingscyclus van 24 uur nodig voordat hun marges goed kunnen worden beoordeeld, " zei Shannon McCall, universitair hoofddocent pathologie, vice-voorzitter voor translationeel onderzoek bij de afdeling pathologie, en directeur van het Duke BioRepository &Precision Pathology Center (Duke BRPC). "Als dit nieuwe instrument ons in staat zou stellen om de randen van dit soort weefsels nauwkeurig te beoordelen terwijl de patiënt nog in de operatiekamer was, dat zou fantastisch zijn. Vrouwen kunnen mogelijk extra chirurgische ingrepen worden bespaard."

De onderzoekers toonden vervolgens aan dat de scanner een realtime analyse van geneesmiddelen kan geven. Dit kan fabrikanten niet alleen helpen om ervoor te zorgen dat hun product betrouwbaar is, maar het kan ook worden gebruikt door forensische politieafdelingen of volksgezondheidscampagnes om ervoor te zorgen dat mensen geen bedorven drugs verkopen of overdoseren.

De scanner bleek ook in staat om snel stenen te analyseren die een amateurverzamelaar aan hen had uitgeleend. Greenbergs negenjarige dochter, Madelien. Dergelijke analyses kunnen nuttig zijn voor archeologen die fossielen bestuderen of voor mijnwerkers die beslissingen nemen over welk erts ze in hun winningsfaciliteiten moeten gebruiken.

Vooruit gaan, het onderzoeksteam heeft een subsidie ​​van de National Institutes of Health om de scanner voor weefselmonsters te optimaliseren. Quadridox Inc., die werd opgericht door Greenberg en Kapadia samen met collega's Michael Gehm (Duke) en Amit Ashok (Universiteit van Arizona), streeft naar het vertalen van de technologie naar producten die in plaats daarvan kunnen worden geoptimaliseerd voor grotere stenen, snellere farmaceutische scans of biospecimenanalyses.

"We hebben deze scanner gebouwd om alle verschillende soorten dingen te laten zien die hij zou kunnen bereiken, " zei Greenberg. "Maar een commerciële machine voor elke toepassing kan zijn eigen reeks technische variaties hebben, zoals de manier waarop we metingen doen, de keuze van sensoren of de architectuur."

"Als je een projector zou ontwerpen, je zou moeten weten of het in een donker theater of op klaarlichte dag zou worden gebruikt. De specificaties zouden totaal anders zijn, "voegde Kapadia toe. "Evenzo hier, ons doel is om veel toepassingen te vinden waar dit soort scans nuttig kunnen zijn, en vervolgens een verscheidenheid aan scanners ontwikkelen om aan hun specifieke behoeften te voldoen."