杜克大学的工程师们展示了一种原型的X射线扫描机，它不仅可以显示物体的形状，还可以显示其分子组成。凭借前所未有的分辨率和准确性，该技术可以彻底改变癌症手术、病理学、药物检查和地质学等广泛的领域。
原型背后的许多想法最初是为了追求为航空安全进行更好的炸弹检测而构思的。在5月19日在线发表在《科学报告》杂志上的这篇新论文中，研究人员将该技术调整为几个有针对性的科学和医疗应用。
"无论你是想发现袋子里的炸弹还是身体里的肿瘤，物理学都是差不多的，"电子和计算机工程的副研究教授和医学物理学项目的教师Joel Greenberg说。"但从工程的角度来看，两者的约束条件是非常不同的。我们建造了这个更小、分辨率更高的设备，以证明我们的方法可以用于一些不同的应用。"
该技术是一个混合X射线系统，它结合了传统的X射线透射摄影和X射线衍射断层摄影。前者涉及测量直接穿过物体的X射线。后者涉及收集从物体上散射(或反弹)的X射线的偏转角度和波长信息，这提供了一种该材料原子结构的独特 "指纹"。
采用这种技术的障碍之一是散射的X射线信号通常非常微弱和复杂。这导致每张图片到达探测器的X射线非常少，这导致扫描仪在为手头工作收集足够数据时出现长时间的延迟。
杜克大学团队的方法使用了一个编码孔，这是一种穿孔盾牌，允许以许多不同角度传播的X射线通过其孔。诀窍在于知道用来阻挡X射线的确切模式，然后计算机可以用它来处理更大、更复杂的信号。这使研究人员能够在更短的时间内收集足够的偏转X射线来识别材料。
新的X射线扫描仪可以检测活检中的癌症组织，有可能帮助外科医生确保所有的癌症组织被切除，或提供一种新的诊断方法。资料来源：乔尔-格林伯格，杜克大学
在这篇论文中，研究人员开发了一种创建高质量的三维编码孔径的新方法，设计了一个具有用户界面和紧凑尺寸的新机器端到端，并使用医疗成像中经常使用的现成部件建造了一个原型。
"该论文的第一作者、博士生Stefan Stryker说："设计改进的算法和实施先进的制造，对于实现预期的成像性能至关重要。
"安全扫描系统与肿瘤实验室的目标不同，"Anuj Kapadia说，他在进行研究时是杜克大学医学物理学的放射学副教授和教员，但现在在橡树岭国家实验室。"安全系统需要在几秒钟内窥视几十厘米的随机物体，而我们的目标是以较少的时间限制获得一个小的、定义明确的标本的高分辨率图像。"
原型扫描仪解决的最大挑战涉及对潜在的癌症组织进行准确诊断。研究人员与杜克大学医学院的同事合作，在将组织活检送至住院病理学家进行临床检查之前对其进行扫描。该扫描仪不仅与临床诊断准确匹配，而且还可靠地区分了癌症组织内和周围的亚型组织。
"我们的最终目标是在每个手术室都有一台这样的扫描仪，这样外科医生就可以在癌症被切除后立即得到即时诊断，他们可以立即检查出边缘是否存在任何癌细胞，"卡帕迪亚说。"这样一来，如果有任何怀疑，他们错过了一些癌症，他们可以立即回去，得到其余的部分。"
"病理学副教授、病理学系转化研究副主任、杜克大学生物库和精确病理学中心(Duke BRPC)主任Shannon McCall说："虽然病理学家通常可以在病人仍在手术室时评估边缘，但对于像乳腺这样的组织，在手术中取出的标本需要24小时的处理周期才能正确评估其边缘，。"如果这种新仪器允许我们在病人仍在手术室时准确评估这些类型组织的边缘，那将是非常好的。妇女有可能免去额外的手术程序"。
新的X射线扫描仪可以提供有关岩石内部构成的详细信息，这对于研究化石的考古学家或决定在其开采设施中使用哪种矿石的矿工来说可能很有用。资料来源：乔尔-格林伯格，杜克大学
研究人员随后表明，该扫描仪可以提供对药品的实时分析。这不仅可以帮助制造商确保他们的产品是可靠的，而且还可以被警察取证部门或公共卫生运动所使用，以确保人们没有出售或过量使用受污染的药物。
事实证明，该扫描仪还能够快速分析一个业余收藏家--格林伯格9岁的女儿麦德林借给他们的岩石。这种分析对于研究化石的考古学家或决定在其开采设施中使用哪种矿石的矿工来说可能很有用。
展望未来，研究小组获得了美国国家卫生研究院的资助，以优化扫描仪的组织样本。由格林伯格和卡帕迪亚与同事迈克尔-盖姆(杜克大学)和阿米特-阿肖克(亚利桑那大学)共同创立的Quadridox公司，正在追求将该技术转化为可能被优化的产品，用于更大的岩石、更快的药物扫描或生物样本分析。
"格林伯格说："我们建造这个扫描仪是为了展示它所能完成的所有不同类型的事情。"但是每一种应用的商业机器可能有它自己的一套工程变化，例如我们进行测量的方式，传感器的选择或结构。"
"如果你要设计一台投影仪，你将需要知道它是要在黑暗的剧院中使用还是在大白天使用。规格会完全不同，"卡帕迪亚补充说。"同样在这里，我们的目标是找到这些扫描可能有用的许多应用，然后设计各种扫描器以满足他们的具体需求。"
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