ابداع فناوری تصویربرداری رنگی سه بعدی با اشعه ایکس

تصویر: اسکنر سه بعدی MBI رنگ ها را بر اساس تراکم های مختلف بافت تخصیص می دهد - بنابراین استخوان ها سفید، ماهیچه ها قرمز و ایمپلنت ها آبی و سبز به نظر می رسند.
 

سر دستگاه‌های اشعه ایکس رنگی سه بعدی برای آزمایش. دانشمندان اولین عکس رنگی اشعه ایکس از بدن انسان را گرفتند

اگر تا به حال سعی کرده باشید تصویر معمولی اشعه ایکس را که توسط یک پزشک به شما نشان داده شده است، درک کنید، می دانید که این تصاویر سیاه و سفید مرموز و تیره چقدر می توانند غیرقابل درک باشند. اما روزی به زودی، اشعه ایکس معمولی ممکن است با دستگاهی جایگزین شود که می تواند تصاویر رنگی سه بعدی بسیار دقیقی از آنچه در داخل بدن انسان می گذرد تولید کند.
 
اشعه ایکس برای اولین بار توسط ویلیام رونتگن در سال 1895 کشف شد و خیلی زود پزشکان شروع به استفاده از این روش برای یافتن گلوله ها و تشخیص شکستگی استخوان کردند. اگرچه در طول قرن بعد چیزهای زیادی در مورد پزشکی تغییر کرد، اما تصاویر سیاه و سفید دندان ها و تومورها کم و بیش یکسان باقی مانده است. کریستین هاوسر در Futurism گزارش می دهد، اما اکنون، اولین آزمایش یک دستگاه پرتو ایکس سه بعدی جدید بر روی انسان انجام شده است و نتایج آن انقلابی و در عین حال عجیب است.
 
اشعه ایکس نوعی موج انرژی الکترومغناطیسی است، همان انرژی که نور مرئی را می سازد اما در طول موج هایی حدود 1000 برابر کوچکتر. برخلاف نور، اشعه ایکس می تواند به بدن انسان نفوذ کند. اگر یک فیلم یا حسگر حساس به اشعه ایکس در یک طرف قرار گیرد و اشعه ایکس از طرف دیگر ساطع شود، مواد متراکم مانند استخوان که اشعه ایکس را مسدود می کند روی فیلم سفید ظاهر می شود، در حالی که بافت نرم در سایه های خاکستری ظاهر می شود. هوا سیاه به نظر می رسد این تصاویر برای نشان دادن شکستگی مویی یا دندان آسیاب پوسیده عالی هستند، اما وضوح بافت نرم بسیار ضعیف است.
 
دستگاه اشعه ایکس به روز شده که اسکنر اشعه ایکس طیفی MARS نام دارد، می تواند جزئیات استخوان ها، بافت نرم و سایر اجزای بدن را با وضوحی باورنکردنی آشکار کند. دلیل آن این است که اسکنر از یک تراشه بسیار حساس به نام Medipix3 استفاده می کند که مانند سنسور یک دوربین دیجیتال عمل می کند، البته بسیار پیشرفته تر.

در واقع، طبق یک بیانیه مطبوعاتی، Medipix از فناوری ایجاد شده توسط سازمان اروپایی تحقیقات هسته ای (CERN) ساخته شده است که برای شناسایی ذرات در برخورد دهنده بزرگ هادرون، بزرگترین شتاب دهنده ذرات جهان، استفاده می شود. این تراشه می‌تواند فوتون‌هایی را که به هر پیکسل برخورد می‌کنند شمارش کند و سطح انرژی آنها را تعیین کند. از این اطلاعات، یک سری از الگوریتم‌ها می‌توانند موقعیت چیزهایی مانند استخوان، چربی، غضروف و سایر بافت‌ها را تعیین کنند که سپس رنگی می‌شوند.
 این فناوری برای کمک به ردیابی ذرات در برخورددهنده بزرگ هادرونی توسعه یافته است، اما در طول 20 سال گذشته، نسل های متوالی تراشه ها برای سایر کاربردهای خارج از فیزیک با انرژی بالا امیدوار کننده بوده اند.در حالی که این تراشه است که کار این دستگاه را ممکن می‌سازد، با این حال 10 سال کار و اصلاح آن توسط دانشمندان پدر و پسر نیوزلندی، فیل باتلر، فیزیکدان دانشگاه کانتربری، و آنتونی باتلر رادیولوژیست از کانتربری و دانشگاه اوتاگو ، طول کشید. فیل باتلر می‌گوید: «این فناوری دستگاه را از نظر تشخیصی متمایز می‌کند، زیرا پیکسل‌های کوچک و دارای وضوح انرژی دقیق آن به این معنی است که این ابزار تصویربرداری جدید قادر به دریافت تصاویری است که هیچ ابزار تصویربرداری دیگری نمی‌تواند به دست آورد».
 
اخیراً، محققان از نسخه کوچکتر این اسکنر در مطالعات سرطان، سلامت استخوان و مفاصل استفاده کرده اند که نتایج مثبتی به همراه داشته است. اما اخیرا باتلرها و شرکت آنها MARS Bioimaging نسخه کامل این اسکنر را روی فیل آزمایش کردند که اجازه تصویربرداری از مچ پا و مچ دست او از جمله ساعت مچی او را داد. اسکن‌ها هم مسحورکننده و هم کمی وحشتناک هستند، اما مهم‌تر از همه جزئیات آن‌ها به گونه‌ای است که برای اشعه ایکس به سادگی قابل تصور نبود که بتواند چنین به تشخیص‌های دقیق‌تر و شخصی‌تر منجر شود.
 
اشعه ایکس برای تصویربرداری از استخوان مفید است، اما چیزهای زیادی در یک تصویر صاف خاکستری حاصل از اشعه ایکس وجود دارد. و این اسکنر جدید، رنگ و بعد سوم را اضافه می‌کند و مدل‌های سه‌بعدی با وضوح بالا را ایجاد می‌کند که می‌توانند شکستگی‌های استخوان را تشخیص داده و روند بهبودی را کنترل کنند.

تصویربرداری Mars Bioimaging (MBI) مستقر در نیوزلند اکنون یک مطالعه امکان سنجی این دستگاه را انجام داده است و آزمایش بین المللی بزرگتری قرار است به زودی آغاز شود.
 
در سی تی اسکن سنتی، اشعه ایکس به ناحیه مورد نظر بدن تابیده می شود و اشعه توسط بافت های متراکم تر مانند استخوان با سهولت بیشتری جذب می شود، در حالی که به راحتی از بافت های نرم عبور می کند. نتیجه نهایی این است که تصویر سیاه و سفید با کنتراست بالا را به خوبی تشخیص می دهیم.
 
اما فناوری جدید اطلاعات دقیق تری در مورد نحوه جذب اشعه ایکس توسط بافت های مختلف جمع آوری می کند. این دستگاه حول یک تراشه به نام Medipix3 ساخته شده است که هر فوتونی را که به هر پیکسل روی حسگر برخورد می کند، ردیابی می کند و برهمکنش آنها با اتم های مختلف بدن را پردازش می کند. با انجام این کار، می تواند تراکم و ترکیب آن بافت ها را با دقت بیشتری تعیین کند.
   
تصویر: اسکنر سه بعدی MBI مبتنی بر تراشه ای است که توسط CERN برای استفاده در برخورد دهنده بزرگ هادرون ساخته شده است.
 
هنگامی که اسکنر جدید داده ها را جمع آوری کرد، آن را از طریق الگوریتم های تخصصی اجرا می کند تا آن را به یک مدل سه بعدی تبدیل کند. تراکم‌های خاص رنگ‌های مختلفی دارند، به طوری که استخوان‌ها سفید، ماهیچه‌ها قرمز، چربی زرد به نظر می‌رسند و ایمپلنت‌ها می‌توانند آبی یا سبز باشند.
 
این مدل‌ها نه تنها فوق‌العاده چشمگیر هستند، بلکه امکان تشخیص ترک خوردگی یا شکستگی استخوان و نظارت بر نحوه بهبودی آنها در طول زمان را به‌طور دقیق‌تری به پزشکان می‌دهند. اسکنر سه بعدی حتی آن قدر حساس است که تصویر رگ های خونی را بگیرد، بدون این که بیمار به تزریق معمول مواد حاجب نیاز داشته باشد.
 
تراشه Medipix3 در قلب این فناوری در ابتدا در سرن توسعه یافت تا به ردیابی ذرات تولید شده در برخورد دهنده بزرگ هادرون کمک کند. پس از یک دهه توسعه در یک اسکنر سه بعدی پزشکی، MBI اولین تصاویر از بدن انسان را به کمک آن تراشه در سال 2018 تولید کرد.
 MARS Bioimaging مستقر در نیوزلند، فناوری Mepix را با الگوریتم‌هایی که از اطلاعات اشعه ایکس برای تولید تصاویر سه بعدی رنگی استفاده می‌کنند، ترکیب کرده است و دستگاه را قادر می‌سازد تا قسمت‌های مختلف بافت انسانی مانند چربی و استخوان را به لایه‌هایی جدا کند.اکنون این شرکت اسکنر را بیشتر توسعه داده است و به یک قطعه فشرده از تجهیزاتی تبدیل شده است که تقریباً برای استفاده در بیمارستان آماده است. این دستگاه که رسماً Mars Microlab 5X120 نامیده می شود ، حدود 1 متر (3.3 فوت ) ارتفاع، 1.4 متر (4.5 فوت ) طول و 0.75 متر (2.5 فوت ) عرض دارد.

این دستگاه به طور خاص برای اسکن دست ها و مچ های بیماران طراحی شده است، بنابراین سوراخی در وسط آن وجود دارد که به اندازه کافی بزرگ است که بتوان یک بازو را در آن گیر انداخت.
 
برای این اولین مطالعه امکان سنجی، این تیم مچ دست سه بیمار مبتلا به شکستگی استخوان اسکافوئید را اسکن کردند، استخوان کوچکی که اغلب در صورت افتادن فردی روی دست باز شده شکسته می شود. این بیماران چند ماه پس از آسیب دیدگی و تشخیص، اسکن جدید را انجام دادند تا میزان بهبودی آن را بررسی کنند.
   
تصویر: آنتونی باتلر، مدیر ارشد پزشکی MBI، در کنار اسکنر سه بعدی به شکل فعلی آن ایستاده است.
 
در هر یک از این سه مطالعه موردی، اسکنر سه بعدی توانست نشان دهد که استخوان اسکافوئید شکسته از پشت بسته نشده است و علائمی از عوارضی مانند اسکلروز، جابجایی و قطعات کوچک استخوان را مشاهده کرد. این تشخیص ها می تواند به پزشکان کمک کند تا برنامه ریزی کنند که چه جراحی ها یا درمان های بیشتری ممکن است مورد نیاز باشد.
 
آنتونی باتلر، مدیر ارشد پزشکی MBI می‌گوید: «ما تصمیم گرفتیم مشکل بالینی مهم آسیب‌های مچ دست را هدف قرار دهیم، زیرا این آسیب‌ها شایع هستند و تشخیص، مثلاً تشخیص اشتباه مکرر و عوارضی مانند استخوان‌ها که به درستی بهبود نمی‌یابند، می‌تواند چالش برانگیز باشد.

وضوح بی نظیر به این معنی است که تشخیص عوارض، مانند شکستگی های کوچک که به درستی بهبود نمی یابند، می تواند بهبود یابد. توانایی اسکنر MBI برای اندازه گیری و نمایش ترکیب استخوان، نظارت بر بهبودی پس از جراحی را بسیار آسان تر می کند.

همچنین می‌تواند روی طیف انرژی بهینه برای کاهش اعوجاج تصویر ناشی از ایمپلنت‌های فلزی و ارزیابی بهتر بهبودی و همجوشی استخوان تمرکز کند.»
 
آزمایشات انسانی بیشتر در کلینیک های نیوزیلند و اروپا آغاز خواهد شد. MBI می‌گوید پس از آن، در صورت اعطای مجوزهای نظارتی، اسکنرها می‌توانند به زودی برای استفاده بالینی در دسترس باشند.
 
به گفته سرن، این روش تصویربرداری رنگی اشعه ایکس می تواند تصاویر واضح تر و دقیق تری تولید کند و به پزشکان کمک کند تا تشخیص های دقیق تری را به بیماران خود ارائه دهند.
   
تصویر: عکس سه بعدی MARS از مچ دست با ساعتی که بخشی از استخوان های انگشت را به رنگ سفید و بافت نرم را به رنگ قرمز نشان می دهد.
 
Medipix3 مانند یک دوربین عمل می‌کند که هر پیکسل‌های ذره را در هنگام باز بودن شاتر الکترونیکی، شناسایی و شمارش می‌کند، بنابراین تصاویری با وضوح بسیار بالا و کنتراست بالا که بسیار قابل اعتماد هستند به دست می‌دهد.
 
این اسکنر سطوح انرژی دقیق پرتوهای ایکس را هنگام برخورد با هر ذره در بدن ثبت می کند، برخلاف اسکنرهای سیاه و سفید که اشعه ایکس را که از بدن عبور می کند یا فقط توسط استخوان ها جذب می شود، ضبط می کند.
بر اساس بیانیه مطبوعاتی دانشگاه کانتربری، دانشمندان پدر و پسر فیل و آنتونی باتلر، که این اسکنر را اختراع کردند، ابتدا آن را با اسکن مچ پا و مچ فیل باتلر آزمایش کردند. اگرچه هنوز در مورد جدول زمانی صحبتی نشده است، گام بعدی در توسعه این دستگاه آزمایشات بالینی شامل بیماران ارتوپدی و روماتولوژی خواهد بود. در واقع همان طور که این مقاله جزئیات دارد، اسکن‌ها مانند برش‌های سه‌بعدی از یک مدل آناتومیکی کاملاً واقعی با پوست جدا شده به نظر می‌رسند و حاوی اطلاعات زیادی هستند که در اسکن‌های معمولی مانند کلسیم، آب و نشانگرهای بیماری در دسترس نیستند.
 
اشعه ایکس طیفی هنوز باید چندین سال اصلاح و آزمایش را پشت سر بگذارد تا به مطب دکتر برسد. اما این تنها فناوری جدید نیست که نحوه استفاده از اشعه ایکس را اصلاح می کند. چند سال پیش، محققان فناوری‌ای به نام سیستم اشعه ایکس Halo را معرفی کردند که به غربال‌گران چمدان اجازه می‌دهد نه تنها اقلام موجود در چمدان‌ها و بسته‌ها را ببینند، بلکه می‌توانند بین موادی مانند شامپو و نیتروگلیسیرین تفاوت قائل شوند.

و حتی اگر کمی طول بکشد تا اسکن‌های رنگی سه‌بعدی رایج شوند، فناوری جدید دیگری ممکن است به ما کمک کند تا اشعه ایکس و سی‌تی اسکن سیاه و سفید قدیمی را بهتر درک کنیم. گروهی دیگر هوش مصنوعی را آموزش می‌دهند تا تصاویر را سریع‌تر، بهتر و ارزان‌تر از یک پزشک تفسیر کند.
 
منبع: مایکل ایروینگ، MBI، CERN، جیسون دیلی، پاتریک جی کیگر