{{{sourceTextContent.title}}}

Un escáner de rayos X detecta cánceres y analiza medicamentos en minutos

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Una nueva tecnología podría ayudar a diagnosticar el cáncer, garantizar la extirpación completa de un tumor e inspeccionar los medicamentos en busca de sustancias químicas peligrosas

{{{sourceTextContent.description}}}

DURHAM, Carolina del Norte - Ingenieros de la Universidad de Duke han demostrado un prototipo de máquina de escaneo de rayos X que revela no sólo la forma de un objeto, sino su composición molecular. Con una resolución y precisión sin precedentes, la tecnología podría revolucionar una amplia gama de campos como la cirugía del cáncer, la patología, la inspección de medicamentos y la geología.

Muchas de las ideas en las que se basa el prototipo se concibieron originalmente con el fin de mejorar la detección de bombas para la seguridad de la aviación. En el nuevo trabajo, publicado en línea el 19 de mayo en la revista Scientific Reports, los investigadores adaptaron la tecnología a varias aplicaciones científicas y médicas específicas.

"Tanto si se trata de detectar una bomba en una bolsa como un tumor en un cuerpo, la física es más o menos la misma", afirma Joel Greenberg, profesor de investigación asociado de ingeniería eléctrica e informática y profesor del programa de física médica. "Pero desde el punto de vista de la ingeniería, las limitaciones de ambos son muy diferentes. Construimos este dispositivo más pequeño y de mayor resolución para demostrar que nuestro enfoque podría utilizarse para varias aplicaciones diferentes."

La tecnología es un sistema híbrido de rayos X que combina la radiografía de transmisión de rayos X convencional con la tomografía de difracción de rayos X. La primera consiste en medir los rayos X que atraviesan directamente un objeto. La segunda consiste en recopilar información sobre el ángulo de desviación y la longitud de onda de los rayos X que se han dispersado (o han rebotado) en un objeto, lo que proporciona una especie de "huella digital" exclusiva de la estructura atómica de ese material

Uno de los obstáculos para la adopción de esta tecnología es que la señal de rayos X dispersos suele ser muy débil y compleja. Esto hace que lleguen muy pocos rayos X al detector con cada imagen capturada, lo que provoca largos retrasos mientras el escáner reúne suficientes datos para el trabajo que debe realizar.

El equipo de Duke utiliza una apertura codificada, una especie de escudo perforado que permite que los rayos X que viajan en diferentes ángulos pasen a través de sus agujeros. El truco está en conocer el patrón exacto que se utiliza para bloquear los rayos X, que un ordenador puede utilizar para procesar la señal más grande y compleja. Esto permite a los investigadores reunir suficientes rayos X desviados para identificar el material en un periodo de tiempo más corto.

En el artículo, los investigadores desarrollaron un nuevo método para crear aperturas codificadas en 3D de alta calidad, diseñaron una nueva máquina de extremo a extremo con una interfaz de usuario y un tamaño compacto, y construyeron un prototipo utilizando componentes habituales en la obtención de imágenes médicas.

"El diseño de algoritmos mejorados y la aplicación de una fabricación avanzada fueron esenciales para conseguir el rendimiento deseado en la obtención de imágenes", afirma Stefan Stryker, estudiante de doctorado y primer autor del artículo.

"Los sistemas de exploración de seguridad tienen objetivos diferentes a los de un laboratorio de oncología", afirma Anuj Kapadia, que era profesor asociado de radiología y profesor de física médica de Duke en el momento de realizar la investigación, pero que ahora está en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. "Los sistemas de seguridad tienen que escudriñar decenas de centímetros de objetos aleatorios en cuestión de segundos, mientras que nuestro objetivo era obtener una imagen de alta resolución de un espécimen pequeño y bien definido con menos restricciones de tiempo"

El mayor reto al que se enfrentó el prototipo de escáner consistió en realizar diagnósticos precisos de tejidos potencialmente cancerosos. En colaboración con sus colegas de Duke Health, los investigadores escanearon las biopsias de tejido antes de enviarlas a los patólogos residentes para que realizaran sus análisis clínicos. El escáner no sólo se ajustó al diagnóstico clínico con exactitud, sino que también distinguió de forma fiable los subtipos de tejido dentro y alrededor del tejido canceroso.

"Nuestro objetivo final es tener uno de estos escáneres en cada quirófano para que los cirujanos puedan obtener un diagnóstico instantáneo en cuanto se extirpe el cáncer y puedan comprobar inmediatamente si hay células cancerosas en los bordes", dijo Kapadia. "De este modo, si hay alguna sospecha de que se les ha escapado parte del cáncer, pueden volver inmediatamente a por el resto"

"Mientras que los márgenes a menudo pueden ser evaluados por los patólogos mientras el paciente está todavía en la sala de operaciones, para los tejidos como el de la mama, los especímenes extraídos en la cirugía requieren un ciclo de procesamiento de 24 horas antes de que sus márgenes puedan ser evaluados adecuadamente", dijo Shannon McCall, profesora asociada de patología, vicepresidenta de investigación traslacional en el departamento de patología y directora del Duke BioRepository & Precision Pathology Center (Duke BRPC). "Si este nuevo instrumento nos permitiera evaluar con precisión los márgenes de este tipo de tejidos mientras la paciente está todavía en el quirófano, sería fantástico. Las mujeres podrían ahorrarse procedimientos quirúrgicos adicionales"

A continuación, los investigadores demostraron que el escáner podía proporcionar un análisis en tiempo real de los productos farmacéuticos. Esto no sólo podría ayudar a los fabricantes a asegurarse de que su producto es fiable, sino que también podría ser utilizado por los departamentos forenses de la policía o las campañas de salud pública para asegurarse de que la gente no está vendiendo o tomando una sobredosis de medicamentos contaminados.

El escáner también demostró ser capaz de analizar rápidamente las rocas que les prestó una coleccionista aficionada, Madelyn, la hija de nueve años de Greenberg. Estos análisis podrían ser útiles para los arqueólogos que estudian fósiles o para los mineros que deciden qué mineral utilizar en sus instalaciones de extracción.

El equipo de investigación cuenta con una subvención de los Institutos Nacionales de la Salud para optimizar el escáner para muestras de tejido. La empresa Quadridox Inc., fundada por Greenberg y Kapadia junto con sus colegas Michael Gehm (Duke) y Amit Ashok (Universidad de Arizona), está tratando de traducir la tecnología en productos que podrían optimizarse para rocas más grandes, exploraciones farmacéuticas más rápidas o análisis de muestras biológicas.

"Construimos este escáner para mostrar todos los tipos de cosas que podría lograr", dijo Greenberg. "Pero una máquina comercial para cada aplicación podría tener su propio conjunto de variaciones de ingeniería, como la forma de realizar las mediciones, la elección de los sensores o la arquitectura"

"Si se fuera a diseñar un proyector, habría que saber si se va a utilizar en un teatro oscuro o a plena luz del día. Las especificaciones serían completamente diferentes", añade Kapadia. "Del mismo modo, aquí nuestro objetivo es encontrar muchas aplicaciones en las que este tipo de escáneres puedan ser útiles, y luego diseñar una variedad de escáneres que se adapten a sus necesidades específicas"