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Röntgenscanner erkennt Krebserkrankungen und analysiert Medikamente in Minutenschnelle

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Neue Technologie könnte die Krebsdiagnose unterstützen, die vollständige Entfernung eines Tumors sicherstellen und Medikamente auf gefährliche Chemikalien untersuchen

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DURHAM, NC - Ingenieure der Duke University haben den Prototyp eines Röntgenscanners demonstriert, der nicht nur die Form eines Objekts, sondern auch seine molekulare Zusammensetzung erkennen lässt. Mit einer noch nie dagewesenen Auflösung und Genauigkeit könnte die Technologie eine Vielzahl von Bereichen wie Krebschirurgie, Pathologie, Arzneimittelprüfung und Geologie revolutionieren.

Viele der Ideen, die hinter dem Prototyp stehen, wurden ursprünglich bei der Suche nach einer besseren Bombenerkennung für die Flugsicherheit entwickelt. In der neuen Arbeit, die am 19. Mai online in der Zeitschrift Scientific Reports veröffentlicht wurde, haben die Forscher die Technologie für mehrere gezielte wissenschaftliche und medizinische Anwendungen angepasst.

"Ob Sie versuchen, eine Bombe in einer Tasche oder einen Tumor in einem Körper zu erkennen, die Physik ist mehr oder weniger die gleiche", sagte Joel Greenberg, außerordentlicher Forschungsprofessor für Elektro- und Computertechnik und Dozent des medizinischen Physikprogramms. "Aber von einem technischen Standpunkt aus gesehen, sind die Beschränkungen für die beiden sehr unterschiedlich. Wir haben dieses kleinere, höher auflösende Gerät gebaut, um zu demonstrieren, dass unser Ansatz für eine Reihe von verschiedenen Anwendungen verwendet werden kann."

Bei der Technologie handelt es sich um ein hybrides Röntgensystem, das die konventionelle Röntgentransmissionsradiographie mit der Röntgendiffraktionstomographie kombiniert. Bei ersterer werden die Röntgenstrahlen gemessen, die gerade durch ein Objekt hindurchgehen. Bei der zweiten Methode werden Informationen über den Ablenkungswinkel und die Wellenlänge von Röntgenstrahlen gesammelt, die an einem Objekt gestreut (oder abgeprallt) sind und eine Art "Fingerabdruck" der atomaren Struktur des Materials liefern

Eine der Hürden beim Einsatz dieser Technologie ist, dass das gestreute Röntgensignal typischerweise sehr schwach und komplex ist. Dies führt dazu, dass bei jeder Bildaufnahme nur sehr wenige Röntgenstrahlen den Detektor erreichen, was zu langen Verzögerungen führt, während der Scanner genügend Daten für die anstehende Aufgabe sammelt.

Der Ansatz des Duke-Teams verwendet eine kodierte Apertur, eine Art durchbrochenes Schild, das Röntgenstrahlen aus vielen verschiedenen Winkeln durch seine Löcher durchlässt. Der Trick besteht darin, das genaue Muster zu kennen, mit dem die Röntgenstrahlen geblockt werden, was ein Computer dann nutzen kann, um das größere, komplexere Signal zu verarbeiten. So können die Forscher genügend abgelenkte Röntgenstrahlen sammeln, um das Material in kürzerer Zeit zu identifizieren.

In der Arbeit entwickelten die Forscher eine neue Methode zur Erstellung qualitativ hochwertiger, 3D-codierter Blenden, entwarfen eine neue Maschine mit durchgängiger Benutzeroberfläche und kompakter Stellfläche und bauten einen Prototyp unter Verwendung von Standardkomponenten, die regelmäßig in der medizinischen Bildgebung verwendet werden.

"Die Entwicklung verbesserter Algorithmen und die Implementierung einer fortschrittlichen Fertigung waren entscheidend, um die gewünschte Bildgebungsleistung zu erreichen", sagt Stefan Stryker, Doktorand und Erstautor der Arbeit.

"Sicherheitsscansysteme haben andere Ziele als ein Onkologielabor", sagte Anuj Kapadia, der zum Zeitpunkt der Durchführung der Forschungsarbeit außerordentlicher Professor für Radiologie und Dozent für medizinische Physik in Duke war, jetzt aber am Oak Ridge National Laboratory arbeitet. "Sicherheitssysteme müssen in Sekundenschnelle Dutzende von Zentimetern durch zufällige Objekte hindurchsehen, während unser Ziel darin bestand, ein hochauflösendes Bild einer kleinen, gut definierten Probe mit weniger Zeitdruck zu erhalten."

Die größte Herausforderung, die der Prototyp-Scanner zu bewältigen hatte, bestand darin, genaue Diagnosen von potenziell krebsartigem Gewebe zu erstellen. In Zusammenarbeit mit Kollegen an der Duke Health scannten die Forscher Gewebebiopsien, bevor sie an die niedergelassenen Pathologen zur klinischen Abklärung geschickt wurden. Der Scanner stimmte nicht nur genau mit der klinischen Diagnose überein, sondern unterschied auch zuverlässig zwischen den Subtypen des Gewebes in und um das Krebsgewebe.

"Unser Ziel ist es, einen dieser Scanner in jedem Operationssaal zu haben, damit die Chirurgen eine sofortige Diagnose erhalten, sobald der Krebs entfernt ist, und sie können sofort überprüfen, ob Krebszellen an den Rändern vorhanden sind", sagt Kapadia. "Auf diese Weise können sie, wenn der Verdacht besteht, dass sie einen Teil des Krebses übersehen haben, sofort zurückgehen und den Rest holen."

"Während die Ränder oft von Pathologen bewertet werden können, während sich der Patient noch im Operationssaal befindet, benötigen die bei der Operation entnommenen Gewebeproben wie die Brust einen 24-stündigen Verarbeitungszyklus, bevor die Ränder richtig bewertet werden können", sagte Shannon McCall, außerordentliche Professorin für Pathologie, stellvertretende Vorsitzende für translationale Forschung in der Abteilung für Pathologie und Direktorin des Duke BioRepository & Precision Pathology Center (Duke BRPC). "Wenn dieses neue Instrument uns erlauben würde, die Ränder dieser Art von Gewebe genau zu beurteilen, während sich die Patientin noch im Operationssaal befindet, wäre das fantastisch. Frauen könnten so möglicherweise zusätzliche chirurgische Eingriffe erspart werden."

Die Forscher zeigten dann, dass der Scanner eine Echtzeitanalyse von Arzneimitteln ermöglichen könnte. Dies könnte nicht nur den Herstellern helfen, sicherzustellen, dass ihr Produkt zuverlässig ist, sondern könnte auch von forensischen Abteilungen der Polizei oder öffentlichen Gesundheitskampagnen genutzt werden, um sicherzustellen, dass Menschen keine verdorbenen Medikamente verkaufen oder eine Überdosis einnehmen.

Der Scanner erwies sich auch als fähig, schnell Felsen zu analysieren, die ihnen von einem Amateursammler, Greenbergs neunjähriger Tochter Madelyn, geliehen wurden. Solche Analysen könnten für Archäologen nützlich sein, die Fossilien untersuchen, oder für Bergleute, die entscheiden müssen, welches Erz sie für ihre Förderanlagen verwenden wollen.

Das Forschungsteam hat einen Zuschuss von den National Institutes of Health erhalten, um den Scanner für Gewebeproben zu optimieren. Das von Greenberg und Kapadia zusammen mit den Kollegen Michael Gehm (Duke) und Amit Ashok (University of Arizona) gegründete Unternehmen Quadridox Inc. verfolgt das Ziel, die Technologie in Produkte zu überführen, die stattdessen für größere Gesteine, schnellere pharmazeutische Scans oder Analysen von Bioproben optimiert werden könnten.

"Wir haben diesen Scanner gebaut, um all die verschiedenen Arten von Dingen zu zeigen, die er leisten könnte", so Greenberg. "Aber ein kommerzielles Gerät für jede Anwendung könnte seine eigene Reihe von technischen Variationen haben, wie zum Beispiel die Art und Weise, wie wir Messungen durchführen, die Wahl der Sensoren oder die Architektur."

"Wenn Sie einen Projektor entwerfen würden, müssten Sie wissen, ob er in einem dunklen Theater oder bei hellem Tageslicht eingesetzt werden soll. Die Spezifikationen wären völlig unterschiedlich", ergänzt Kapadia. "In ähnlicher Weise ist es hier unser Ziel, viele Anwendungen zu finden, bei denen diese Art von Scans nützlich sein könnte, und dann eine Vielzahl von Scannern zu entwickeln, die den jeweiligen Anforderungen entsprechen."