這種原型X射線掃描儀通過分析X射線在樣品上的反彈情況，以前所未有的分辨率和準(zhǔn)確度產(chǎn)生完整的內(nèi)部分子組成的圖像。資料來源：喬爾-格林伯格，杜克大學(xué)
杜克大學(xué)的工程師們展示了一種原型的X射線掃描機(jī)，它不僅可以顯示物體的形狀，還可以顯示其分子組成。憑借前所未有的分辨率和準(zhǔn)確性，該技術(shù)可以徹底改變癌癥手術(shù)、病理學(xué)、藥物檢查和地質(zhì)學(xué)等廣泛的領(lǐng)域。
原型背后的許多想法最初是為了追求為航空安全進(jìn)行更好的炸彈檢測而構(gòu)思的。在5月19日在線發(fā)表在《科學(xué)報告》雜志上的這篇新論文中，研究人員將該技術(shù)調(diào)整為幾個有針對性的科學(xué)和醫(yī)療應(yīng)用。
"無論你是想發(fā)現(xiàn)袋子里的炸彈還是身體里的腫瘤，物理學(xué)都是差不多的，"電子和計算機(jī)工程的副研究教授和醫(yī)學(xué)物理學(xué)項目的教師Joel Greenberg說。"但從工程的角度來看，兩者的約束條件是非常不同的。我們建造了這個更小、分辨率更高的設(shè)備，以證明我們的方法可以用于一些不同的應(yīng)用。"
該技術(shù)是一個混合X射線系統(tǒng)，它結(jié)合了傳統(tǒng)的X射線透射攝影和X射線衍射斷層攝影。前者涉及測量直接穿過物體的X射線。后者涉及收集從物體上散射(或反彈)的X射線的偏轉(zhuǎn)角度和波長信息，這提供了一種該材料原子結(jié)構(gòu)的獨(dú)特 "指紋"。
采用這種技術(shù)的障礙之一是散射的X射線信號通常非常微弱和復(fù)雜。這導(dǎo)致每張圖片到達(dá)探測器的X射線非常少，這導(dǎo)致掃描儀在為手頭工作收集足夠數(shù)據(jù)時出現(xiàn)長時間的延遲。
杜克大學(xué)團(tuán)隊的方法使用了一個編碼孔，這是一種穿孔盾牌，允許以許多不同角度傳播的X射線通過其孔。訣竅在于知道用來阻擋X射線的確切模式，然后計算機(jī)可以用它來處理更大、更復(fù)雜的信號。這使研究人員能夠在更短的時間內(nèi)收集足夠的偏轉(zhuǎn)X射線來識別材料。
新的X射線掃描儀可以檢測活檢中的癌癥組織，有可能幫助外科醫(yī)生確保所有的癌癥組織被切除，或提供一種新的診斷方法。資料來源：喬爾-格林伯格，杜克大學(xué)
在這篇論文中，研究人員開發(fā)了一種創(chuàng)建高質(zhì)量的三維編碼孔徑的新方法，設(shè)計了一個具有用戶界面和緊湊尺寸的新機(jī)器端到端，并使用醫(yī)療成像中經(jīng)常使用的現(xiàn)成部件建造了一個原型。
"該論文的第一作者、博士生Stefan Stryker說："設(shè)計改進(jìn)的算法和實(shí)施先進(jìn)的制造，對于實(shí)現(xiàn)預(yù)期的成像性能至關(guān)重要。
"安全掃描系統(tǒng)與腫瘤實(shí)驗室的目標(biāo)不同，"Anuj Kapadia說，他在進(jìn)行研究時是杜克大學(xué)醫(yī)學(xué)物理學(xué)的放射學(xué)副教授和教員，但現(xiàn)在在橡樹嶺國家實(shí)驗室。"安全系統(tǒng)需要在幾秒鐘內(nèi)窺視幾十厘米的隨機(jī)物體，而我們的目標(biāo)是以較少的時間限制獲得一個小的、定義明確的標(biāo)本的高分辨率圖像。"
原型掃描儀解決的最大挑戰(zhàn)涉及對潛在的癌癥組織進(jìn)行準(zhǔn)確診斷。研究人員與杜克大學(xué)醫(yī)學(xué)院的同事合作，在將組織活檢送至住院病理學(xué)家進(jìn)行臨床檢查之前對其進(jìn)行掃描。該掃描儀不僅與臨床診斷準(zhǔn)確匹配，而且還可靠地區(qū)分了癌癥組織內(nèi)和周圍的亞型組織。
"我們的最終目標(biāo)是在每個手術(shù)室都有一臺這樣的掃描儀，這樣外科醫(yī)生就可以在癌癥被切除后立即得到即時診斷，他們可以立即檢查出邊緣是否存在任何癌細(xì)胞，"卡帕迪亞說。"這樣一來，如果有任何懷疑，他們錯過了一些癌癥，他們可以立即回去，得到其余的部分。"
"病理學(xué)副教授、病理學(xué)系轉(zhuǎn)化研究副主任、杜克大學(xué)生物庫和精確病理學(xué)中心(Duke BRPC)主任Shannon McCall說："雖然病理學(xué)家通常可以在病人仍在手術(shù)室時評估邊緣，但對于像乳腺這樣的組織，在手術(shù)中取出的標(biāo)本需要24小時的處理周期才能正確評估其邊緣，。"如果這種新儀器允許我們在病人仍在手術(shù)室時準(zhǔn)確評估這些類型組織的邊緣，那將是非常好的。婦女有可能免去額外的手術(shù)程序"。
新的X射線掃描儀可以提供有關(guān)巖石內(nèi)部構(gòu)成的詳細(xì)信息，這對于研究化石的考古學(xué)家或決定在其開采設(shè)施中使用哪種礦石的礦工來說可能很有用。資料來源：喬爾-格林伯格，杜克大學(xué)
研究人員隨后表明，該掃描儀可以提供對藥品的實(shí)時分析。這不僅可以幫助制造商確保他們的產(chǎn)品是可靠的，而且還可以被警察取證部門或公共衛(wèi)生運(yùn)動所使用，以確保人們沒有出售或過量使用受污染的藥物。
事實(shí)證明，該掃描儀還能夠快速分析一個業(yè)余收藏家--格林伯格9歲的女兒麥德林借給他們的巖石。這種分析對于研究化石的考古學(xué)家或決定在其開采設(shè)施中使用哪種礦石的礦工來說可能很有用。
展望未來，研究小組獲得了美國國家衛(wèi)生研究院的資助，以優(yōu)化掃描儀的組織樣本。由格林伯格和卡帕迪亞與同事邁克爾-蓋姆(杜克大學(xué))和阿米特-阿肖克(亞利桑那大學(xué))共同創(chuàng)立的Quadridox公司，正在追求將該技術(shù)轉(zhuǎn)化為可能被優(yōu)化的產(chǎn)品，用于更大的巖石、更快的藥物掃描或生物樣本分析。
"格林伯格說："我們建造這個掃描儀是為了展示它所能完成的所有不同類型的事情。"但是每一種應(yīng)用的商業(yè)機(jī)器可能有它自己的一套工程變化，例如我們進(jìn)行測量的方式，傳感器的選擇或結(jié)構(gòu)。"
"如果你要設(shè)計一臺投影儀，你將需要知道它是要在黑暗的劇院中使用還是在大白天使用。規(guī)格會完全不同，"卡帕迪亞補(bǔ)充說。"同樣在這里，我們的目標(biāo)是找到這些掃描可能有用的許多應(yīng)用，然后設(shè)計各種掃描器以滿足他們的具體需求。"