Røntgenscanner opdager kræftsygdomme og analyserer lægemidler på få minutter

Ingeniører ved Duke University har demonstreret en prototype røntgenscanningsmaskine, der afslører ikke kun formen på et objekt, men dets molekylære sammensætning. Med hidtil uset opløsning og nøjagtighed, teknologien kan revolutionere en lang række områder såsom kræftkirurgi, patologi, lægemiddelinspektion og geologi.

Mange af ideerne bag prototypen blev oprindeligt udtænkt i jagten på at udføre bedre bombedetektering til luftfartssikkerhed. I det nye blad, offentliggjort online 19. maj i tidsskriftet Videnskabelige rapporter , forskerne tilpassede teknologien til flere målrettede videnskabelige og medicinske anvendelser.

"Uanset om du forsøger at få øje på en bombe i en taske eller en tumor i en krop, fysikken er mere eller mindre den samme, " sagde Joel Greenberg, forskningslektor i elektro- og computerteknik og fakultet for medicinsk fysikuddannelsen. "Men fra et ingeniørmæssigt synspunkt, begrænsningerne på de to er meget forskellige. Vi byggede denne mindre, enhed med højere opløsning for at demonstrere, at vores tilgang kunne bruges til en række forskellige applikationer."

Teknologien er et hybrid røntgensystem, der kombinerer konventionel røntgentransmissionsradiografi med røntgendiffraktionstomografi. Førstnævnte går ud på at måle de røntgenstråler, der passerer lige gennem et objekt. Sidstnævnte involverer indsamling af information om afbøjningsvinkel og bølgelængde fra røntgenstråler, der er spredt (eller hoppet) af et objekt, som giver en slags "fingeraftryk" unikt for det materiales atomare struktur.

En af forhindringerne for at adoptere denne teknologi er, at det spredte røntgensignal typisk er meget svagt og komplekst. Dette resulterer i, at meget få røntgenstråler når detektoren med hvert billede, der tages, hvilket fører til lange forsinkelser, mens scanneren samler nok data til det aktuelle job.

Duke-teamets tilgang bruger en kodet blænde, en slags gennemboret skjold, der tillader røntgenstråler, der rejser i mange forskellige vinkler, at passere gennem dets huller. Tricket er at kende det nøjagtige mønster, der bruges til at blokere røntgenstrålerne, som en computer så kan bruge til at behandle de større, mere komplekst signal. Dette giver forskerne mulighed for at indsamle nok afbøjede røntgenstråler til at identificere materialet på kortere tid.

I avisen, forskerne udviklede en ny metode til at skabe høj kvalitet, 3-D kodede blænder, designet en ny maskine ende-til-ende med en brugergrænseflade og kompakt fodaftryk, og byggede en prototype ved hjælp af hyldekomponenter, der regelmæssigt bruges til medicinsk billeddannelse.

"At designe forbedrede algoritmer og implementere avanceret fremstilling var afgørende for at opnå den ønskede billedydelse," sagde Stefan Stryker, en ph.d. elev og førsteforfatter på papiret.

"Sikkerhedsscanningssystemer har andre mål end et onkologisk laboratorium, " sagde Anuj Kapadia, som var lektor i radiologi og fakultet i Duke medicinsk fysik på tidspunktet for udførelse af forskningen, men nu er på Oak Ridge National Laboratory. "Sikkerhedssystemer har brug for at kigge gennem titusvis af centimeter af tilfældige objekter i løbet af få sekunder, der henviser til, at vores mål var at få et billede i høj opløsning af en lille, veldefineret prøve med mindre tidsbegrænsning."

Den største udfordring, som prototypescanneren tog fat på, var at stille nøjagtige diagnoser af potentielt kræftvæv. Samarbejde med kolleger hos Duke Health, forskerne scannede vævsbiopsier, før de blev sendt til de herboende patologer til deres kliniske undersøgelser. Scanneren matchede ikke kun den kliniske diagnose nøjagtigt, men den skelnede også pålideligt mellem undertyperne af væv i og omkring kræftvævet.

"Vores endelige mål er at have en af ​​disse scannere på hver operationsstue, så kirurger kan få en øjeblikkelig diagnose, så snart kræften er fjernet, og de kan straks kontrollere, om der er kræftceller på kanterne, sagde Kapadia. På den måde, hvis der er mistanke om, at de gik glip af noget af kræften, de kan straks gå tilbage og hente resten."

"Mens marginer ofte kan evalueres af patologer, mens patienten stadig er på operationsstuen, til væv som bryst, prøver fjernet ved operation kræver en 24-timers behandlingscyklus, før deres marginer kan vurderes korrekt, " sagde Shannon McCall, lektor i patologi, næstformand for translationel forskning i patologisk afdeling, og direktør for Duke BioRepository &Precision Pathology Center (Duke BRPC). "Hvis dette nye instrument tillod os nøjagtigt at vurdere marginerne af disse typer væv, mens patienten stadig var på operationsstuen, det ville være fantastisk. Kvinder kan potentielt blive skånet for yderligere kirurgiske indgreb."

Forskerne viste derefter, at scanneren kunne give en realtidsanalyse af lægemidler. Ikke alene kunne dette hjælpe producenter med at sikre, at deres produkt er pålideligt, men det kan også bruges af politiets retsmedicinske afdelinger eller folkesundhedskampagner for at sikre, at folk ikke sælger eller overdoserer plettede stoffer.

Scanneren viste sig også i stand til hurtigt at analysere sten udlånt til dem af en amatørsamler, Greenbergs ni-årige datter, Madelyn. Sådanne analyser kan være nyttige for arkæologer, der studerer fossiler, eller minearbejdere, der træffer beslutninger om, hvilken malm de skal bruge i deres udvindingsfaciliteter.

Bevæger sig fremad, forskerholdet har en bevilling fra National Institutes of Health til at optimere scanneren til vævsprøver. Quadridox Inc., som blev grundlagt af Greenberg og Kapadia sammen med kollegerne Michael Gehm (Duke) og Amit Ashok (University of Arizona), arbejder på at omsætte teknologien til produkter, der i stedet kan være optimeret til større sten, hurtigere farmaceutiske scanninger eller bioprøveanalyser.

"Vi byggede denne scanner til at vise alle de forskellige typer ting, den kunne udrette, " sagde Greenberg. "Men en kommerciel maskine til hver applikation kan have sit eget sæt af tekniske variationer, såsom den måde, vi foretager målinger på, valget af sensorer eller arkitekturen."

"Hvis du skulle designe en projektor, du skulle vide, om det skulle bruges i et mørkt teater eller ved højlys dag. Specifikationerne ville være helt anderledes, " tilføjede Kapadia. "På samme måde her, vores mål er at finde mange applikationer, hvor denne slags scanninger kan være nyttige, og konstruer derefter en række scannere, så de passer til deres specifikke behov."