Radiografia bazata pe metoda PXI | O inventie patentata de catre Dan Stutman, cercetător principal la ELI-NP din România

Dan Stutman este cercetător principal la ELI-NP din România și cercetător principal la Departamentul de Fizică și Astronomie al Universității Johns Hopkins din SUA, unde conduce Departamentul Spectroscopie Plasmatică și Imagini cu Raze X.

Dl. Stutman propune o tehnologie inovativa care sa monitorizeze radiologic efectece COVID asupra plamanului.

Virusul COVID-19 actioneaza asupra plamanilor provocand distrugeri la nivel alveolar. Pandemia COVID necesita gasirea de metode noi de diagnosticare rapida a efectelor acestui atac. In plus, aplicarea si dezvoltarea de tratamente pentru pacientii care au fost infectati si afectati va necesita metode de monitorizare pe termen lung a efectelor COVID asupra plamanului. 

Distrugerile provocate de COVID in plamani sunt in marea majoritate a cazurilor detectabile prin tomografia 3D computerizata cu raze X (CT) (Fig. 1).  Metoda CT nu poate fi insa folosita pe scara larga pentru diagnosticarea efectelor COVID asupra plamanului, din cauza numarului limitat de sisteme CT in spitale si a costului ridicat per sistem (milioane). In plus, metoda CT nu poate fi aplicata in mod repetat pentru monitorizarea pacientilor pe termen lung, din cauza dozei mari de radiatie.

Radiografia 2D de plaman cu raze X (CXR) este folosita pe scara mult mai mare in spitale si clinici datorita costului mult mai mic al sistemului radiografic (approximativ 1/20 din costul CT) si a dozei de radiatie mult mai reduse (de sute de de ori mai mica decat in CT). Din pacate insa, efectele COVID asupra plamanului sunt mult mai putin, sau chiar deloc, evidente in radiografia 2D conventionala (Fig. 2). Aceasta deoarece atenuarea razelor X in tesutul poros pulmonar, pe care e bazata imagistica conventionala, este extrem de slaba. 

In ultimii ani insa, a fost dezvoltata o noua metoda de imagistica bazata nu pe atenuarea razelor X, ci pe schimbarea lor de faza (phase-contrast X-ray imaging, sau PXI). In tesuturile moi precum plamanul, probabilitatea de schimbare de faza este de sute de ori mai mare decat cea de atenuare, permitand o imagistica cu sensibilitate mult mai ridicata decat imagistica conventionala. Metoda PXI masoara micro-deflectiile unghiulare ale razelor X in tesut, producand pe langa imaginea conventionala bazata pe atenuare, o imagine bazata pe imprastiere de unghi mic (numita imagine “dark-field”) si o imagine bazata pe refractie, Sursa de raze X este un tub medical conventional.  

O inventie patentata la Universitatea Johns Hopkins din SUA (D Stutman si M Finkenthal, patent US8767915B2), permite aplicarea metodei PXI in conditiile necesare pentru imagistica clinica de plaman, adica voltaj al sursei de raze X de peste 100 kV si doza de radiatii mica. 

Studii facute la ELI-NP in colaborare cu Johns Hopkins University au confirmat capabilitatile metodei PXI pentru imagistica tesuturilor moi si au aratat ca aplicarea acestei metode folosind surse de raze X produse de laseri similari cu cei de la ELI-NP va putea revolutiona imagistica medicala.

 Anul trecut, un prim studiu pe pacienti efectuat de cercetatori germani a aratat ca radiografia bazata pe metoda PXI are potential exceptional pentru imagistica de plaman. In particular, datorita structurii micro-poroase a plamanului, radiografia “dark-field” ofera vizibilitate mult mai mare pentru tesutul pulmonar decat radiografia conventionala, in care tesutul pulmonar este aproape invizibil (Fig. 3C si 3D). In plus, radiografia PXI indica cu claritate deteriorarile la nivel alveolar ale tesutului pulmonar, cum ar fi cele provocate de COPD (chronic obstructive pulmonary disease, Fig. 3A si 3B). De notat ca doza de radiatie folosita pentru radiografiile PXI in Fig. 3 este cea uzuala pentru radiografia de plaman, iar timpul de scanare a pacientilor este de cateva secunde, permitand retinerea respiratiei de catre pacient.

In concluzie, radiografia PXI are potentialul de a evidentia si diagnostica inca din stagii incipiente deteriorarea tesutului pulmonar provocata de COVID, fara a necesita tomografie computerizata 3D, si de a permite monitorizarea tratamentelor fara a expune pacientii la doze ridicate de radiatii.

Din motivele de mai sus, este propusa construirea in cel mai scurt timp posibil a unui sistem pilot de radiografie pulmonara PXI, pentru evaluarea pe pacienti in cadru clinic, a capabilitatii acestei metode de a detecta si diagnostica efectele COVID asupra plamanului, folosind doza de radiatie egala sau chiar mai mica decat cea in radiografia conventionala.                           

Sistemul va fi construit la ELI-NP bazat pe patentul de la Universitatea Johns Hopkins, ceea ce va permite operarea in conditii similare cu radiografia conventionala si cu doza de radiatie scazuta.  In urma rezultatelor sistemului pilot, ulterior pot fi proiectate sisteme care sa permita radiografia PXI pe scara larga in spitale si clinici.   

Dupa construirea sistemului pilot la ELI-NP, acesta va fi evaluat pe pacienti. Medici si radiologisti de la Universitatea Johns Hopkins vor participa la procesul de evaluare folosind tehnici de telemedicina.

Durata de constructie este estimata la aproximativ 6 luni, asumand proceduri accelerate de achizitie si de obtinere a aprobarilor necesare.