Engenheiros da Duke University demonstraram um protótipo de máquina de varredura de raios-X que revela não apenas a forma de um objeto, mas também sua composição molecular. Com resolução e precisão sem precedentes, a tecnologia pode revolucionar uma ampla gama de campos, como cirurgia de câncer, patologia, inspeção de drogas e geologia.

Muitas das ideias por trás do protótipo foram originalmente concebidas na busca de uma melhor detecção de bombas para a segurança da aviação. No novo jornal, publicado online em 19 de maio na revista Relatórios Científicos , os pesquisadores adaptaram a tecnologia para várias aplicações científicas e médicas específicas.

"Esteja você tentando localizar uma bomba em uma bolsa ou um tumor em um corpo, a física é mais ou menos a mesma, "disse Joel Greenberg, professor associado de pesquisa de engenharia elétrica e da computação e docente do programa de física médica. "Mas do ponto de vista da engenharia, as restrições dos dois são muito diferentes. Construímos isso menor, dispositivo de resolução mais alta para demonstrar que nossa abordagem pode ser usada para uma série de aplicações diferentes. "

A tecnologia é um sistema híbrido de raios-X que combina a radiografia de transmissão de raios-X convencional com a tomografia de difração de raios-X. O primeiro envolve a medição dos raios X que passam direto por um objeto. O último envolve a coleta de informações de ângulo de deflexão e comprimento de onda de raios-X que se espalharam (ou ricochetearam) em um objeto, que fornecem uma espécie de "impressão digital" única para a estrutura atômica desse material.

Um dos obstáculos para a adoção dessa tecnologia é que o sinal espalhado de raios X é normalmente muito fraco e complexo. Isso resulta em muito poucos raios-X atingindo o detector com cada imagem capturada, o que leva a longos atrasos enquanto o scanner coleta dados suficientes para o trabalho em questão.

A abordagem da equipe Duke usa uma abertura codificada, uma espécie de escudo perfurado que permite que os raios X que viajam em muitos ângulos diferentes passem por seus orifícios. O truque é saber o padrão exato que está sendo usado para bloquear os raios-X, que um computador pode usar para processar o maior, sinal mais complexo. Isso permite que os pesquisadores coletem raios-X desviados o suficiente para identificar o material em um intervalo de tempo mais curto.

No papel, os pesquisadores desenvolveram um novo método para a criação de alta qualidade, Aberturas codificadas 3-D, projetou uma nova máquina ponta a ponta com uma interface de usuário e pegada compacta, e construiu um protótipo usando componentes prontos para uso regularmente em imagens médicas.

"Projetar algoritmos aprimorados e implementar manufatura avançada foi essencial para alcançar o desempenho de imagem desejado", disse Stefan Stryker, um Ph.D. aluno e primeiro autor do artigo.

"Os sistemas de varredura de segurança têm objetivos diferentes de um laboratório de oncologia, "disse Anuj Kapadia, que era professor associado de radiologia e professor de física médica Duke no momento de realizar a pesquisa, mas agora está no Oak Ridge National Laboratory. "Os sistemas de segurança precisam perscrutar dezenas de centímetros de objetos aleatórios em questão de segundos, enquanto nosso objetivo era obter uma imagem de alta resolução de um pequeno espécime bem definido com menos restrição de tempo. "

O maior desafio enfrentado pelo scanner de protótipo envolvia fazer diagnósticos precisos de tecidos potencialmente cancerosos. Trabalhando com colegas da Duke Health, os pesquisadores escanearam biópsias de tecido antes de serem enviadas aos patologistas residentes para exames clínicos. O scanner não apenas combinou o diagnóstico clínico com precisão, mas também distinguia com segurança os subtipos de tecido dentro e ao redor do tecido canceroso.

"Nosso objetivo final é ter um desses scanners em cada sala de cirurgia para que os cirurgiões possam obter um diagnóstico instantâneo assim que o câncer for removido, e eles podem verificar imediatamente se alguma célula cancerosa está presente nas bordas, "disse Kapadia." Por aqui, se houver alguma suspeita de que eles não perceberam parte do câncer, eles podem voltar imediatamente e pegar o resto. "

"Embora as margens possam muitas vezes ser avaliadas por patologistas enquanto o paciente ainda está na sala de cirurgia, para tecidos como mama, os espécimes removidos na cirurgia requerem um ciclo de processamento de 24 horas antes que suas margens possam ser avaliadas adequadamente, "disse Shannon McCall, professor associado de patologia, vice-presidente de pesquisa translacional no departamento de patologia, e diretor do Duke BioRepository &Precision Pathology Center (Duke BRPC). "Se este novo instrumento nos permitisse avaliar com precisão as margens desses tipos de tecidos enquanto o paciente ainda estava na sala de cirurgia, isso seria fantástico. As mulheres podem ser potencialmente poupadas de procedimentos cirúrgicos adicionais. "

Os pesquisadores então mostraram que o scanner pode fornecer uma análise em tempo real de produtos farmacêuticos. Isso não só pode ajudar os fabricantes a garantir que seus produtos sejam confiáveis, mas também pode ser usado por departamentos de polícia forense ou campanhas de saúde pública para garantir que as pessoas não estejam vendendo ou tomando uma overdose de drogas contaminadas.

O scanner também se mostrou capaz de analisar rapidamente as rochas emprestadas a eles por um colecionador amador, A filha de nove anos de Greenberg, Madelyn. Essas análises podem ser úteis para arqueólogos que estudam fósseis ou mineradores, tomando decisões sobre qual minério usar em suas instalações de extração.

Seguindo em frente, a equipe de pesquisa tem uma bolsa do National Institutes of Health para otimizar o scanner para amostras de tecido. Quadridox Inc., que foi fundada por Greenberg e Kapadia junto com os colegas Michael Gehm (Duke) e Amit Ashok (Universidade do Arizona), está buscando traduzir a tecnologia em produtos que podem ser otimizados para rochas maiores, varreduras farmacêuticas mais rápidas ou análises de biospecimen.

"Construímos este scanner para mostrar todos os diferentes tipos de coisas que ele poderia realizar, "disse Greenberg." Mas uma máquina comercial para cada aplicação pode ter seu próprio conjunto de variações de engenharia, como a forma como fazemos as medições, a escolha dos sensores ou da arquitetura. "

"Se você fosse projetar um projetor, você precisaria saber se ele seria usado em um teatro escuro ou em plena luz do dia. As especificações seriam completamente diferentes, "acrescentou Kapadia." Da mesma forma aqui, nosso objetivo é encontrar muitos aplicativos onde esses tipos de varreduras podem ser úteis, e, em seguida, projetar uma variedade de scanners para atender às suas necessidades específicas. "