Los ingenieros de la Universidad de Duke han demostrado un prototipo de máquina de escaneo de rayos X que revela no solo la forma de un objeto, sino también su composición molecular. Con una resolución y precisión sin precedentes, la tecnología podría revolucionar una amplia gama de campos como la cirugía del cáncer, patología, inspección de drogas y geología.

Muchas de las ideas detrás del prototipo se concibieron originalmente con el objetivo de realizar una mejor detección de bombas para la seguridad de la aviación. En el nuevo periódico, publicado en línea el 19 de mayo en la revista Informes científicos , los investigadores adaptaron la tecnología para varias aplicaciones científicas y médicas específicas.

"Ya sea que intente detectar una bomba en una bolsa o un tumor en un cuerpo, la física es más o menos la misma, "dijo Joel Greenberg, profesor asociado de investigación de ingeniería eléctrica e informática y profesor del programa de física médica. "Pero desde el punto de vista de la ingeniería, las limitaciones de los dos son muy diferentes. Construimos esto más pequeño dispositivo de mayor resolución para demostrar que nuestro enfoque podría utilizarse para varias aplicaciones diferentes ".

La tecnología es un sistema de rayos X híbrido que combina la radiografía de transmisión de rayos X convencional con la tomografía de difracción de rayos X. El primero implica medir los rayos X que pasan directamente a través de un objeto. Esto último implica recopilar información sobre el ángulo de deflexión y la longitud de onda de los rayos X que se han dispersado (o rebotado) en un objeto, que proporcionan una especie de "huella digital" exclusiva de la estructura atómica de ese material.

Uno de los obstáculos para adoptar esta tecnología es que la señal de rayos X dispersa suele ser muy débil y compleja. Esto da como resultado que muy pocos rayos X lleguen al detector con cada imagen capturada, lo que lleva a retrasos prolongados mientras el escáner recopila datos suficientes para el trabajo en cuestión.

El enfoque del equipo de Duke utiliza una apertura codificada, una especie de escudo perforado que permite que los rayos X que viajan en muchos ángulos diferentes pasen a través de sus agujeros. El truco está en saber el patrón exacto que se usa para bloquear los rayos X, que una computadora puede usar para procesar el más grande, señal más compleja. Esto permite a los investigadores recopilar suficientes rayos X desviados para identificar el material en un período de tiempo más corto.

En el papel, los investigadores desarrollaron un nuevo método para crear Aperturas codificadas en 3-D, diseñó una nueva máquina de extremo a extremo con una interfaz de usuario y un tamaño compacto, y construyó un prototipo utilizando componentes listos para usar que se usan regularmente en imágenes médicas.

"El diseño de algoritmos mejorados y la implementación de fabricación avanzada fue esencial para lograr el rendimiento de imagen deseado", dijo Stefan Stryker, un doctorado estudiante y primer autor del artículo.

"Los sistemas de escaneo de seguridad tienen objetivos diferentes a los de un laboratorio de oncología, "dijo Anuj Kapadia, quien era profesor asociado de radiología y facultad de física médica de Duke en el momento de realizar la investigación, pero ahora se encuentra en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. "Los sistemas de seguridad deben mirar a través de decenas de centímetros de objetos aleatorios en cuestión de segundos, Considerando que nuestro objetivo era obtener una imagen de alta resolución de un pequeño, espécimen bien definido con menos restricción de tiempo ".

El mayor desafío al que se enfrentó el prototipo de escáner consistió en realizar diagnósticos precisos de tejidos potencialmente cancerosos. Trabajando con colegas de Duke Health, los investigadores escanearon biopsias de tejido antes de enviarlas a los patólogos residentes para sus exámenes clínicos. El escáner no solo coincidió con el diagnóstico clínico con precisión, pero también distinguió de manera confiable entre los subtipos de tejido dentro y alrededor del tejido canceroso.

"Nuestro objetivo final es tener uno de estos escáneres en cada quirófano para que los cirujanos puedan obtener un diagnóstico instantáneo tan pronto como se extirpe el cáncer, y pueden verificar de inmediato si hay células cancerosas en los bordes, "dijo Kapadia." De esa manera, si hay alguna sospecha de que pasaron por alto parte del cáncer, inmediatamente pueden regresar y obtener el resto ".

"Si bien los patólogos a menudo pueden evaluar los márgenes mientras el paciente todavía está en el quirófano, para tejidos como el pecho, Las muestras extraídas durante la cirugía requieren un ciclo de procesamiento de 24 horas antes de que sus márgenes puedan evaluarse adecuadamente. "dijo Shannon McCall, profesor asociado de patología, vicepresidente de investigación traslacional en el departamento de patología, y director del Duke BioRepository &Precision Pathology Center (Duke BRPC). "Si este nuevo instrumento nos permitió evaluar con precisión los márgenes de este tipo de tejidos mientras el paciente aún se encontraba en el quirófano, eso sería fantástico. Las mujeres podrían potencialmente evitarse procedimientos quirúrgicos adicionales ".

Luego, los investigadores demostraron que el escáner podría proporcionar un análisis en tiempo real de productos farmacéuticos. Esto no solo podría ayudar a los fabricantes a garantizar que su producto sea confiable, pero también podría ser utilizado por los departamentos forenses de la policía o las campañas de salud pública para asegurarse de que las personas no vendan ni tomen una sobredosis de drogas contaminadas.

El escáner también demostró ser capaz de analizar rápidamente las rocas que les prestó un coleccionista aficionado. La hija de Greenberg de nueve años, Madelyn. Dichos análisis podrían ser útiles para los arqueólogos que estudian fósiles o para los mineros que toman decisiones sobre qué mineral utilizar en sus instalaciones de extracción.

Avanzando el equipo de investigación cuenta con una subvención de los Institutos Nacionales de Salud para optimizar el escáner de muestras de tejido. Quadridox Inc., que fue fundada por Greenberg y Kapadia junto con sus colegas Michael Gehm (Duke) y Amit Ashok (Universidad de Arizona), busca traducir la tecnología en productos que, en cambio, podrían optimizarse para rocas más grandes, exploraciones farmacéuticas o análisis de muestras biológicas más rápidos.

"Creamos este escáner para mostrar todos los diferentes tipos de cosas que podría lograr, ", dijo Greenberg." Pero una máquina comercial para cada aplicación puede tener su propio conjunto de variaciones de ingeniería, como la forma en que hacemos las mediciones, la elección de los sensores o la arquitectura ".

"Si fueras a diseñar un proyector, necesita saber si se va a utilizar en un teatro oscuro o en plena luz del día. Las especificaciones serían completamente diferentes, "añadió Kapadia." De manera similar aquí, Nuestro objetivo es encontrar muchas aplicaciones en las que este tipo de análisis puedan resultar útiles, y luego diseñar una variedad de escáneres que se adapten a sus necesidades específicas ".