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相位对比X射线成像可以更早识别肿瘤

2019-05-08 20:56:26 药业动态138℃

  相位对比X射线成像可以更早识别肿瘤

  2017年3月29日,马萨诸塞州Cashin-Garbutt(Cantab)4月采访

  4月Cashin-Garbutt,MA(Cantab)对Alessandro Olivo教授的采访

  什么是相衬X射线成像?它与传统的X射线有何不同?

  相衬X射线成像与传统X射线不同,因为它使用不同的物理原理。

  X射线实际上是非常高频的电磁波。 Wave在经历物质时会做很多不同的事情,而且我们对在不同材料中旅行时所采取的不同速度感兴趣。

  图片来源:UCL高级X射线成像(AXIm)集团

  如果您在穿越不同的材料或不同的组织类型时有不同的速度,则会导致相移。这是波形失真的时候。拾取这些机制很困难,但有一种称为折射的表现形式。

  当波形在本地失真时,你在X射线方向上有一个小的偏差,这是你可以通过正确的设置获得的东西。这种偏差实际上是X射线折射,与可见光的情况类似。

  可见光折射的典型例子是你看到在一杯水中弯曲的稻草。同样的事情发生在X射线上,只是角度要小得多。我们谈论的是微弧度的角度。微弧度是距离一公里远的毫米所对应的角度,所以它确实是一个非常小的角度。如果你设法有一个可以获得这些非常小的角度偏差的系统,那么你可以进行X射线相位对比。

  我们想要这样做的原因是这些现象比传统的X射线衰减产生的要强得多,这意味着图像中的对比度显着增加,你可以看到,到目前为止,你可能以前认为是看不见的。

  地面甲虫的入场(左)和相(右)图像。后一幅图像右下角的箭头显示了由于相位效应,昆虫腿上的细毛是如何形成的。图片来源:UCL高级X射线成像(AXIm)集团

  相位对比X射线成像有助于更早识别活体组织中的肿瘤吗?

  自从伦琴在一百二十年前的发现以来,人们一直在利用不同的材料衰减来创造X射线图像。但是,只要您的材料(或医学成像中的组织)具有非常相似的衰减系数,图像中的对比度就会消失。

  同样地,例如,如果你有一个更显着的差异,但你正在看的对象非常薄,那么这又会导致图像中的对比度非常小。所以这是相位对比可以帮助的地方。因为,正如我们之前所说,机制更强大,您可以从X射线衰减特性方面非常相似的特征生成对比度。

  这意味着您可以从通常无法看到的事物中生成图像对比度。例如,在形成的早期阶段的肿瘤或非常微弱的肿瘤,目前很难看到。因此,从这个意义上说,如果你在临床上实施它,应该可以更早地采集肿瘤并且看到更小的肿瘤。

  这种技术到底有多长时间以及为什么到目前为止它还没有用于医疗保健?

  使用X射线相位对比的第一个证据发表于1965年的一个非常专门的实验中。一切都沉默了大约30年,直到90年代中期,在那里建立了许多第三代同步加速器设施,当人们开始更详细地研究这种现象时,意识到它在医学上将具有的巨大潜力,而且外面的药。

  

  最初人们认为你需要有一个同步加速器才能探索这种现象,这些非常微弱的相位变化或小的角度偏差,而且最近才开发出能够让你做类似的事情而不必使用同步加速器。

  实际上,有一个使用同步加速器在体内使用相衬成像的例子,也就是我来自Elettra光源的同步加速器。在Elettra,有一个系统可以并且确实对活体患者进行体内相位对比乳房摄影。这是我在搬到伦敦大学学院之前在里雅斯特工作的最后一件事。

  那也是当我意识到将患者带入同步加速器时并不是我想要做的事情而且我对相反的方法更感兴趣,这种方法是将技术从同步加速器中取出并进行调整以使其可以用传统的X射线源实现,因为这是将其转移到诊所所需要的。

  从那时起,我们一直在努力实现这一目标,几年前我们取得了突破,现在我们认为我们可以做到这一点。

  在相位对比X射线成像之前需要做些什么才能进入临床实践?

  我们目前正在开展的一个项目是临床,但它不会在体内。与英国尼康计量公司合作,我们获得了Welcome Trust的资助,开发了一种术中标本成像系统,该系统将试图确定乳房保守手术中肿瘤边缘的参与程度。

  目前,大多数乳房手术是乳房保留手术,而不是完整的乳房切除术,这意味着,不是切除整个乳房,只有肿瘤被切除,因此必须遵循完整的乳房切除术的影响和所需的整形手术是避免。

  问题是你必须确保你正在移除的组织块的边缘不涉及。这意味着肿瘤完全包含在您已移除的这块肿块中。

  我们正在开发的机器应该使外科医生能够在那里扫描组织样本,然后在女性仍在手术台上时,确定是否涉及边缘。如果他们参与其中,他或她将能够继续操作并移除更多组织。如果他们没有参与,他们可以确信操作已成功完成。

  目前,再次手术的比例很高,这意味着在组织学上发现组织块的边缘受到影响后,必须要求女性进行第二次手术。

  目前,您必须使用组织学来确认组织肿块边缘的参与,这可能需要几周时间。那时不可能做到。

  我们试图产生的影响是巨大的:能够确定那里的利润率,然后只需要一次操作。我们的目标是显着减少未来所需的再操作次数。

  这将是我们的第一个临床翻译,即使我们不会考虑体内患者的成像。下一步将是扩展技术,然后针对适当的体内诊断应用。

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  需要克服哪些障碍?

  大多数障碍都是工程性质的。为了使系统对这种基于相位的X射线成像方法敏感,我们使用X射线掩模。我们的面具通常是小方块,大约6 x 6厘米和10 x 10厘米,需要创建更大的面具才能拍摄更大的样本。

  您可能需要更多的通量来加速采集和复杂的对齐机制以正确的方式定位掩模,但我认为没有任何重要的固有物理原理可以防止这种情况发生。它主要是工程学。

  您认为这项技术对医疗保健有何影响?

  它有可能改变医疗保健。一个重要的应用是乳房X光检查。然而,这种应用范围非常广泛,可用于医疗应用。我们首先看到的是肿瘤,因为这是一个早期检测显着增加治愈肿瘤的机会的区域,但也存在其他疾病。例如,可以针对骨质疏松症,骨关节炎和许多其他类型的医疗问题;我们已经开始探索在软骨成像中的应用,因为软骨对于传统的X射线是不可见的,并且目前你必须使用MRI,所以这是另一个可以探索的想法。

  无论您在何处使用X射线,您都可以通过使X射线系统对相位更敏感来改善。

  该技术可以用于其他领域吗?

  绝对。我们有一个项目正在查看安全扫描。在一系列概念验证实验中,该技术被证明能够更好地拾取威胁装置,识别爆炸物或拾取雷管装置的小部件。

  其他明显的应用将是材料科学,例如无损检测,工业检测,物体或材料的质量控制。

  我们认为非常有趣的一个领域是复合材料,其使用不断增加,难以测试。我们已经证明,X射线相衬成像可以获得损伤和缺陷,即使它们非常小或刚刚开始发展。

  另一个例子是用于药物开发研究的临床前成像,列表很长。

  相位对比X射线成像如何用于临床前研究?

  在临床前成像中,许多关于药物开发或新治疗开发的研究是在小动物模型上进行的,通常是小鼠和大鼠。这涉及对动物的大量扫描,其使用小动物CT扫描仪或临床前CT扫描仪进行,有时使用其他技术如MRI或基于可见光的方法。

  MRI是一种很棒的方法,但如果你想要高分辨率并且它非常昂贵,它需要花费很长时间。另一方面,此刻的临床前CT受到缺乏软组织对比的限制。

  理想情况下,您希望进行纵向研究,这意味着对同一动物进行多次成像,但目前您无法做到这一点,因为您使用当前的临床前CT扫描仪向动物提供的辐射剂量是如此之高,以至于它是即使是对同一只动物进行一次或多次扫描也很困难。

  因此,我们希望增加对软组织的敏感性并减少剂量。这是我们继续研究的领域,并希望最终能够显着减少单次扫描中的剂量。这将使研究更有效,因为您将能够对软组织进行成像并对同一动物进行更多扫描。

  我认为这在两个方面具有变革性。一个是它意味着更好地理解疾病的进展和发展,因为你可以进行纵向研究。目前我们使用了许多动物,然后在不同的时间点处死它们,这意味着存在动物之间的变异,这是你无法轻易控制的。

  除此之外,我认为在减少研究所需的动物数量方面非常重要。您可以对同一种动物进行多项研究,而不必牺牲一组动物,因此您可以将研究所需的动物总数减少10倍。

  是否还有其他类型的X射线成像可能用于医疗保健尚未探索过?

  还有其他方法正在探索中,它们可能更适合小众应用。

  一种非常有效的方法是X射线荧光,它具有元素辨别能力,人们正在利用这项研究来寻找脑组织中重金属的痕迹,这可能是人们发展神经退行性疾病的原因之一。

  另一种令人感兴趣的技术是X射线衍射,其对组织的分子组织敏感并且可用于鉴定某些类型的疾病。

  读者可以在哪里找到更多信息?

  https://www.ucl.ac.uk/medphys/

  http://medicalimaging-cdt.ucl.ac.uk/news/X-ray-elastography-imaging-the-mechanical-properties-of-tissue-using-X-rays

  https://www.youtube.com/watch?v=NzE9dRsRGKU

  关于Alessandro Olivo教授

  Alessandro(&#dd; Sandro”)Olivo是伦敦大学学院医学物理和生物医学工程系的应用物理学教授,以及高级X射线成像(AXIm)小组的发言人(https://www.ucl.ac。英国/ medphys /科研/的Axim)。

  他于1995年以优异成绩毕业于里雅斯特大学,在短期担任医院物理学家后在同一所大学攻读博士学位,并于2005年移居伦敦大学学院,这得益于欧盟资助的玛丽居里奖学金。

  总体而言,他在X射线成像领域工作了20年,被认为是X射线相衬成像领域的先驱,共同设计了在Trieste同步加速器上运行的体内乳房X射线摄影系统并发明了“边缘 - 照明”的和“编码光圈”方法。

  他获得了近1100万英镑的研究经费,发表了184篇论文,并发表了94次会议讲座/研讨会,其中59篇被邀请。关于他的工作的文章出现在自然,科学美国,今日物理,物理世界,BMJ等。

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