Ce prototype de scanner à rayons X produit des images complètes avec une composition moléculaire interne avec une résolution et une précision sans précédent en analysant comment les rayons X rebondissent sur les échantillons. Crédit :Joel Greenberg, université de Duke
Des ingénieurs de l'Université Duke ont fait la démonstration d'un prototype de machine à balayage à rayons X qui révèle non seulement la forme d'un objet, mais aussi sa composition moléculaire. Avec une résolution et une précision sans précédent, la technologie pourrait révolutionner un large éventail de domaines tels que la chirurgie du cancer, pathologie, l'inspection des médicaments et la géologie.
La plupart des idées à l'origine du prototype ont été conçues à l'origine dans le but d'améliorer la détection des bombes pour la sécurité aérienne. Dans le nouveau journal, publié en ligne le 19 mai dans la revue Rapports scientifiques , les chercheurs ont adapté la technologie à plusieurs applications scientifiques et médicales ciblées.
"Que vous essayiez de repérer une bombe dans un sac ou une tumeur dans un corps, la physique est plus ou moins la même, " a déclaré Joël Greenberg, professeur agrégé de recherche en génie électrique et informatique et professeur du programme de physique médicale. "Mais d'un point de vue technique, les contraintes sur les deux sont très différentes. Nous avons construit ce plus petit, dispositif à plus haute résolution pour démontrer que notre approche pourrait être utilisée pour un certain nombre d'applications différentes. »
La technologie est un système à rayons X hybride qui combine la radiographie par transmission de rayons X conventionnelle avec la tomographie par diffraction des rayons X. La première consiste à mesurer les rayons X qui traversent directement un objet. Ce dernier consiste à collecter des informations sur l'angle de déviation et la longueur d'onde à partir des rayons X qui se sont dispersés (ou ont rebondi) sur un objet, qui fournissent une sorte d'« empreinte digitale » unique à la structure atomique de ce matériau.
L'un des obstacles à l'adoption de cette technologie est que le signal de rayons X diffusé est généralement très faible et complexe. Il en résulte que très peu de rayons X atteignent le détecteur à chaque image capturée, ce qui entraîne de longs délais pendant que le scanner recueille suffisamment de données pour le travail à accomplir.
L'approche de l'équipe Duke utilise une ouverture codée, une sorte de bouclier percé qui permet aux rayons X voyageant sous de nombreux angles différents de passer à travers ses trous. L'astuce consiste à connaître le motif exact utilisé pour bloquer les rayons X, qu'un ordinateur peut ensuite utiliser pour traiter les plus gros, signal plus complexe. Cela permet aux chercheurs de collecter suffisamment de rayons X déviés pour identifier le matériau dans un laps de temps plus court.
Le nouveau scanner à rayons X peut détecter les tissus cancéreux dans les biopsies, potentiellement aider les chirurgiens à s'assurer que tous les tissus cancéreux sont retirés ou fournir une nouvelle méthode pour établir des diagnostics. Crédit :Joel Greenberg, université de Duke
Dans le journal, les chercheurs ont développé une nouvelle méthode de création de haute qualité, Ouvertures codées en 3D, conçu une nouvelle machine de bout en bout avec une interface utilisateur et un encombrement réduit, et construit un prototype en utilisant des composants du commerce régulièrement utilisés en imagerie médicale.
« La conception d'algorithmes améliorés et la mise en œuvre d'une fabrication avancée étaient essentielles pour atteindre les performances d'imagerie souhaitées », a déclaré Stefan Stryker, un doctorat étudiant et premier auteur sur le papier.
« Les systèmes d'analyse de sécurité ont des objectifs différents d'un laboratoire d'oncologie, " a déclaré Anuj Kapadia, qui était professeur agrégé de radiologie et professeur de physique médicale à Duke au moment de la recherche, mais qui est maintenant au Oak Ridge National Laboratory. "Les systèmes de sécurité doivent examiner des dizaines de centimètres d'objets aléatoires en quelques secondes, alors que notre objectif était d'obtenir une image haute résolution d'un petit spécimen bien défini avec moins de contrainte de temps."
Le plus grand défi relevé par le prototype de scanner consistait à établir des diagnostics précis de tissus potentiellement cancéreux. Travailler avec des collègues de Duke Health, les chercheurs ont scanné des biopsies tissulaires avant qu'elles ne soient envoyées aux pathologistes résidents pour leurs bilans cliniques. Le scanner a non seulement correspondu avec précision au diagnostic clinique, mais il a également fait une distinction fiable entre les sous-types de tissu dans et autour du tissu cancéreux.
"Notre objectif à terme est d'avoir un de ces scanners dans chaque salle d'opération afin que les chirurgiens puissent obtenir un diagnostic instantané dès que le cancer est retiré, et ils peuvent immédiatement vérifier si des cellules cancéreuses sont présentes sur les bords, " dit Kapadia. " De cette façon, s'il y a le moindre soupçon qu'ils ont raté une partie du cancer, ils peuvent immédiatement revenir en arrière et récupérer le reste."
« Alors que les marges peuvent souvent être évaluées par les pathologistes alors que le patient est encore en salle d'opération, pour les tissus comme le sein, les échantillons prélevés lors de la chirurgie nécessitent un cycle de traitement de 24 heures avant que leurs marges puissent être correctement évaluées, " a déclaré Shannon McCall, professeur agrégé de pathologie, vice-président pour la recherche translationnelle dans le département de pathologie, et directeur du Duke BioRepository &Precision Pathology Center (Duke BRPC). « Si ce nouvel instrument nous a permis d'évaluer avec précision les marges de ces types de tissus alors que le patient était encore au bloc opératoire, ce serait fantastique. Les femmes pourraient potentiellement être épargnées par des interventions chirurgicales supplémentaires. »
Le nouveau scanner à rayons X peut fournir des informations détaillées sur la composition interne des roches, ce qui pourrait être utile pour les archéologues étudiant les fossiles ou les mineurs prenant des décisions sur le minerai à utiliser dans leurs installations d'extraction. Crédit :Joel Greenberg, université de Duke
Les chercheurs ont ensuite montré que le scanner pouvait fournir une analyse en temps réel des produits pharmaceutiques. Cela pourrait non seulement aider les fabricants à garantir la fiabilité de leur produit, mais il pourrait également être utilisé par les services médico-légaux de la police ou des campagnes de santé publique pour s'assurer que les gens ne vendent pas ou ne font pas de surdose de drogues contaminées.
Le scanner s'est également avéré capable d'analyser rapidement les roches prêtées par un collectionneur amateur, la fille de neuf ans de Greenberg, Madelyne. De telles analyses pourraient être utiles pour les archéologues étudiant les fossiles ou les mineurs prenant des décisions sur le minerai à utiliser dans leurs installations d'extraction.
Avancer, l'équipe de recherche a une subvention des National Institutes of Health pour optimiser le scanner pour les échantillons de tissus. Quadridox inc., qui a été fondée par Greenberg et Kapadia avec leurs collègues Michael Gehm (Duke) et Amit Ashok (University of Arizona), poursuit la traduction de la technologie en produits qui pourraient à la place être optimisés pour les roches plus grosses, des scans pharmaceutiques ou des analyses d'échantillons biologiques plus rapides.
"Nous avons construit ce scanner pour montrer tous les différents types de choses qu'il pourrait accomplir, " a déclaré Greenberg. " Mais une machine commerciale pour chaque application peut avoir son propre ensemble de variations d'ingénierie, comme la manière dont nous effectuons les mesures, le choix des capteurs ou de l'architecture."
"Si vous deviez concevoir un projecteur, vous auriez besoin de savoir s'il allait être utilisé dans un théâtre sombre ou en plein jour. Les spécifications seraient complètement différentes, " ajouta Kapadia. " De même ici, notre objectif est de trouver de nombreuses applications où ces types d'analyses pourraient être utiles, puis concevoir une variété de scanners pour répondre à leurs besoins spécifiques."
