Gli ingegneri della Duke University hanno dimostrato un prototipo di macchina per la scansione a raggi X che rivela non solo la forma di un oggetto ma anche la sua composizione molecolare. Con una risoluzione e una precisione senza precedenti, la tecnologia potrebbe rivoluzionare un'ampia gamma di campi come la chirurgia del cancro, patologia, ispezione dei farmaci e geologia.

Molte delle idee alla base del prototipo sono state originariamente concepite nel perseguimento di un migliore rilevamento delle bombe per la sicurezza dell'aviazione. Nel nuovo giornale, pubblicato online il 19 maggio sulla rivista Rapporti scientifici , i ricercatori hanno adattato la tecnologia per diverse applicazioni scientifiche e mediche mirate.

"Sia che tu stia cercando di individuare una bomba in una borsa o un tumore in un corpo, la fisica è più o meno la stessa " ha detto Joel Greenberg, professore associato di ricerca di ingegneria elettrica e informatica e facoltà del programma di fisica medica. "Ma da un punto di vista ingegneristico, i vincoli sui due sono molto diversi. Abbiamo costruito questo più piccolo, dispositivo ad alta risoluzione per dimostrare che il nostro approccio potrebbe essere utilizzato per una serie di applicazioni diverse."

La tecnologia è un sistema a raggi X ibrido che combina la radiografia a trasmissione di raggi X convenzionale con la tomografia a diffrazione di raggi X. Il primo prevede la misurazione dei raggi X che passano direttamente attraverso un oggetto. Quest'ultimo comporta la raccolta di informazioni sull'angolo di deflessione e sulla lunghezza d'onda dai raggi X che si sono dispersi (o rimbalzati) da un oggetto, che forniscono una sorta di "impronta digitale" unica per la struttura atomica di quel materiale.

Uno degli ostacoli all'adozione di questa tecnologia è che il segnale a raggi X disperso è in genere molto debole e complesso. Ciò si traduce in pochissimi raggi X che raggiungono il rivelatore con ogni immagine catturata, il che porta a lunghi ritardi mentre lo scanner raccoglie dati sufficienti per il lavoro in corso.

L'approccio del team Duke utilizza un'apertura codificata, una sorta di scudo perforato che consente ai raggi X che viaggiano con molte angolazioni diverse di passare attraverso i suoi fori. Il trucco sta nel conoscere lo schema esatto utilizzato per bloccare i raggi X, che un computer può quindi utilizzare per elaborare il più grande, segnale più complesso. Ciò consente ai ricercatori di raccogliere abbastanza raggi X deviati per identificare il materiale in un lasso di tempo più breve.

Nella carta, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo per creare prodotti di alta qualità, aperture codificate 3D, progettato una nuova macchina end-to-end con un'interfaccia utente e un ingombro ridotto, e ha costruito un prototipo utilizzando componenti standard utilizzati regolarmente nell'imaging medico.

"La progettazione di algoritmi migliorati e l'implementazione di una produzione avanzata era essenziale per ottenere le prestazioni di imaging desiderate", ha affermato Stefan Stryker, un dottorato di ricerca studente e primo autore della carta.

"I sistemi di scansione di sicurezza hanno obiettivi diversi rispetto a un laboratorio di oncologia, " disse Anuj Kapadia, che era professore associato di radiologia e facoltà di fisica medica di Duke al momento dell'esecuzione della ricerca, ma ora è all'Oak Ridge National Laboratory. "I sistemi di sicurezza devono sbirciare attraverso decine di centimetri di oggetti casuali in pochi secondi, considerando che il nostro obiettivo era ottenere un'immagine ad alta risoluzione di un piccolo, esemplare ben definito con meno limiti di tempo."

La sfida più grande affrontata dal prototipo di scanner riguardava l'esecuzione di diagnosi accurate di tessuti potenzialmente cancerosi. Lavorando con i colleghi della Duke Health, i ricercatori hanno scansionato le biopsie dei tessuti prima che fossero inviate ai patologi residenti per i loro esami clinici. Lo scanner non solo ha abbinato con precisione la diagnosi clinica, ma ha anche distinto in modo affidabile tra i sottotipi di tessuto dentro e intorno al tessuto canceroso.

"Il nostro obiettivo finale è avere uno di questi scanner in ogni sala operatoria in modo che i chirurghi possano ottenere una diagnosi istantanea non appena il cancro viene rimosso, e possono immediatamente controllare per vedere se sono presenti cellule cancerose sui bordi, " disse Kapadia. "In questo modo, se c'è qualche sospetto che si siano persi parte del cancro, possono immediatamente tornare indietro e prendere il resto".

"Mentre i margini possono spesso essere valutati dai patologi mentre il paziente è ancora in sala operatoria, per tessuti come il seno, i campioni rimossi durante l'intervento richiedono un ciclo di elaborazione di 24 ore prima che i loro margini possano essere valutati correttamente, "ha detto Shannon McCall, professore associato di patologia, vicepresidente per la ricerca traslazionale nel dipartimento di patologia, e direttore del Duke BioRepository &Precision Pathology Center (Duke BRPC). "Se questo nuovo strumento ci ha permesso di valutare con precisione i margini di questi tipi di tessuti mentre il paziente era ancora in sala operatoria, sarebbe fantastico. Alle donne potrebbero essere risparmiate ulteriori procedure chirurgiche".

I ricercatori hanno quindi dimostrato che lo scanner potrebbe fornire un'analisi in tempo reale dei prodotti farmaceutici. Questo non solo potrebbe aiutare i produttori a garantire che il loro prodotto sia affidabile, ma potrebbe anche essere utilizzato dai dipartimenti di polizia scientifica o dalle campagne di salute pubblica per assicurarsi che le persone non vendano o facciano un'overdose di droghe contaminate.

Lo scanner si è anche dimostrato in grado di analizzare rapidamente le rocce prestate loro da un collezionista dilettante, La figlia di nove anni di Greenberg, Madeline. Tali analisi potrebbero essere utili per gli archeologi che studiano fossili o per i minatori che prendono decisioni su quale minerale utilizzare nei loro impianti di estrazione.

Andando avanti, il team di ricerca ha una sovvenzione dal National Institutes of Health per ottimizzare lo scanner per campioni di tessuto. Quadridox Inc., che è stata fondata da Greenberg e Kapadia insieme ai colleghi Michael Gehm (Duke) e Amit Ashok (Università dell'Arizona), sta perseguendo la traduzione della tecnologia in prodotti che potrebbero invece essere ottimizzati per rocce più grandi, scansioni farmaceutiche più rapide o analisi di campioni biologici.

"Abbiamo costruito questo scanner per mostrare tutti i diversi tipi di cose che potrebbe realizzare, " ha detto Greenberg. "Ma una macchina commerciale per ogni applicazione potrebbe avere il proprio insieme di variazioni ingegneristiche, come il modo in cui effettuiamo le misurazioni, la scelta dei sensori o dell'architettura."

"Se dovessi progettare un proiettore, avresti bisogno di sapere se sarebbe stato utilizzato in un teatro buio o in pieno giorno. Le specifiche sarebbero completamente diverse, " aggiunse Kapadia. "Allo stesso modo qui, il nostro obiettivo è trovare molte applicazioni in cui questo tipo di scansioni potrebbe essere utile, e quindi progettare una varietà di scanner per soddisfare le loro esigenze specifiche."