X光片能显示分子构成？杜克大学研发混合X射线扫描仪加速癌症诊断

1895 年，伦琴发现 X 射线，随后不久，似乎全世界都同意它可以用于诊断常见疾病。随着 X 射线成像的质量不断提升，X 光片已被用作医学诊断的重要依据，并被广泛用于药物检查以及材料科学中的样本分析。

最近，杜克大学的工程师们发明了一种新型混合 X 射线扫描仪，用于工业和生物医学标本的快速、准确的无损成像，不仅可以显示物体的形状，还可以显示其分子组成。该技术具有前所未有的分辨率和准确性，1 平方毫米的空间分辨率和 >95% 的光谱精度，可以在大约 30 分钟内完整扫描出 15×15 平方厘米的视野。

研究成果于 5 月 19 日以《X-ray fan beam coded aperture transmission and diffraction imaging for fast material analysis》为题发表在杂志《科学报告》（Scientific Reports）上。

现有的 X 光机多数采用 X 射线透射成像技术，利用了不同材料吸收 X 射线的程度不同这一现象。与透射相比，X 射线衍射 (XRD) 直接测量与材料分子结构相互作用的 X 射线的能量分布和角度，能够以更高的精度识别特定材料。然而，XRD 成像方法因其测量时间长和空间分辨率差而在应用中受到限制。

杜克大学团队提出了一种 X 射线扇形编码孔径透射和衍射成像系统，增加了 XRD 成像的吞吐量（即减少了扫描时间），并同时保持合理的高空间分辨率。该系统主要使用现成的组件进行设计和构建，占用空间紧凑、具有移动性，适用于工业、实验室和临床应用。

在这项工作中开发的 X 射线扇形编码孔径成像扫描仪

投射成像和衍射成像相结合

这项研究的一大亮点是，证明了 X 射线透射数据与 X 射线衍射数据的结合提供了产生高光谱 X 射线图像的能力，这些图像可以用于在整个样品空间上的精确表征识别和成分材料分析。该技术是一种混合 X 射线系统，前者涉及测量直接穿过物体的 X 射线，后者涉及从物体散射的 X 射线中收集偏转角和波长信息，提供了材料原子结构独有的「指纹」。

该系统的另一个优点是能够快速获取共同配准的 X 射线透射图像和衍射图像。该团队使用了编码孔径成像技术，允许 X 射线以许多不同的角度穿过孔径，使研究人员能够在较短的时间内收集足够多的偏转 X 射线用来识别材料。诀窍在于知道用于阻挡 X 射线的确切模式，然后计算机可以使用这些信息来处理复杂的信号。

由 PLA 塑料和水组成的 D 模型由 X 射线扇形编码孔径成像系统扫描得到的图像

从航空安全到肿瘤手术再到药物、矿石分析

其实，杜克大学这套混合 X 射线系统两年前已有雏形，最初的构思是为了保障机场安全，由于不仅能够检测物体的 3D 形状，还能检测其分子组成，它可以作为安检设施检测行李中是否有可能的炸弹成分。现在，他们用相似的技术为生物医疗改进了这套系统。

杜克医学物理学的放射学副教授 Anuj Kapadia 表示：「安全扫描系统与肿瘤学实验室的目标不同。安全系统需要在几秒钟内穿透数十厘米的随机物体，而我们的目标是获得一个定义明确的小型样本的高分辨率图像，不太受时间的限制。」

「无论你是想发现包裹里的炸弹，还是身体里的肿瘤，物理上或多或少是类似的。但从工程的角度来看，对两者的要求是非常不同的。我们构建了这种样本更小、分辨率更高的设备，以证明我们的方法可用于许多不同的应用。」杜克大学电气和计算机工程副教授 Joel Greenberg 补充道。

新型扫描仪解决的最大挑战是对潜在的癌组织进行准确诊断。研究人员与杜克健康的同事合作，在将切除的组织肿块送往病理学家进行临床检查之前对其进行了扫描。扫描仪不仅准确地匹配了临床诊断，还可靠地区分了癌组织内部和周围的组织亚型。

Kapadia 说：「我们的最终目标是在每个手术室安装一台这样的扫描仪，以便外科医生在癌症切除后可以立即得到诊断，检查边缘是否仍存在癌细胞。」杜克生物资源库和精密病理学中心主任 Shannon McCall 指出，新仪器可以减少额外的外科手术。

新的 X 射线扫描仪可以检测肿块切除术中的癌组织

研究人员还表明，该扫描仪可以提供对药物的实时分析。这不仅可以帮助制造商确保他们的产品可靠，还可以让公共卫生组织用于确保人们不会出售或过量服用受污染的药物。

新的 X 射线扫描仪可以提供对药物的实时分析

事实证明，扫描仪还能够快速分析业余收藏家 Greenberg 9 岁的女儿 Madely 借给研究人员的岩石。这种分析对于研究化石的考古学家或矿工决定在他们的提取设施中使用哪种矿石很有用。

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

良好的商用前景

展望未来，这台 X 射线扫描仪有很好的商业前景。Greenberg 和 Kapadia 与他们的同事 Michael Gehm（杜克大学）和 Amit Ashok（亚利桑那大学）共同创立了 Quadridox Inc.，该公司正在寻求将这项技术转化为可能针对更大的岩石、更快的药物扫描或生物样本分析进行优化的产品。

Greenberg 说：「我们构建了这台扫描仪，以显示它可以完成的所有不同类型的事情。但适用于不同应用的商用机器可能有自己的工程变化，例如测量的方式、传感器的选择或架构。」

「如果你要设计一台投影仪，你需要知道它是在黑暗的剧院里使用还是在露天的广场上使用。规格将完全不同，」 Kapadia 补充道。「与此类似，我们的目标是找到许多此类扫描可能有用的应用，然后设计各种扫描仪以满足特定的需求。」

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-021-90163-0

参考内容：

https://pratt.duke.edu/about/news/x-ray-scanner-prototype

https://pratt.duke.edu/about/news/reinvent-airport-screening

理论多模态X射线