Diamantni detektor sledi: Endoskopski kvantni magnetometer bo kirurgu povedal, kje iskati sentinelne bezgavke

Fiziki z Univerze v Warwicku so predstavili prototip endoskopskega diamantnega magnetometra za onkokirurgijo. Senzor uporablja centre dušikovih prostih mest (NV) v diamantu in bere magnetna polja iz sledilnika železovega oksida MagTrace™ – istega, ki se uporablja pri biopsiji sentinelnih bezgavk pri operacijah dojk. Naprava beleži maso železa le 0,56 mg na razdalji do 5,8 mm – to je približno 100-krat manj od priporočenega odmerka sledilnika; pri višjih koncentracijah se delovna razdalja poveča na 14,6 mm. Premer "glave" senzorja ni večji od 10 mm, zato ga je mogoče namestiti na endoskope in laparoskope.

Ozadje študije

Biopsija sentinelnih bezgavk (SLNB) je standard za določanje stadija zgodnjega raka dojke in številnih drugih tumorjev: odstranijo se "prve" bezgavke vzdolž limfne drenaže, da se ugotovi, ali je tumor prešel v limfni sistem, s čimer se izognemo bolj travmatični disekciji. Klasična navigacija je radioizotop + modro barvilo, vendar ima metoda svoje pomanjkljivosti: radiološko logistiko, omejena časovna okna, redke alergijske reakcije in omejitve za minimalno invazivne posege. Zato se aktivno razvijajo alternative - superparamagnetni železovi oksidi (SPIO), na primer klinični sledilnik MagTrace®, ki ga je odobril NICE in FDA v kombinaciji s sondo Sentimag. Takšne označevalce je mogoče vnesti nekaj minut ali tednov pred operacijo, ostanejo v bezgavkah in so vidni z magnetnimi senzorji v operacijski sobi.

Vendar so obstoječe magnetne sonde običajno ročne naprave s permanentnim magnetom in Hallovim senzorjem: delujejo, vendar občutljivost in oblikovni faktor omejujeta njihovo uporabo v endoskopiji in laparoskopiji, prag zaznavanja pa spodbuja uporabo injekcij sledilnika s polnim odmerkom. Idealno orodje za kirurga je miniaturna, sterilno združljiva sonda, ki lahko "vidi" zelo majhne količine SPIO na centimetrskih razdaljah in deluje brez ogromnih magnetizirajočih magnetov.

Glede na to se zdi, da so kvantni senzorji na diamantu obetavna platforma: centri dušikovih prostih delov (NV) v diamantu omogočajo optično odčitavanje magnetnega polja (ODMR) pri sobni temperaturi brez kriogenov; naprave je mogoče izdelati iz optičnih vlaken, kar laserje in detektorje odstrani iz sterilnega območja. V zadnjih letih so bili predstavljeni kompaktni NV magnetometri za biomedicinske aplikacije, vključno s snemanjem signalov iz magnetnih nanodelcev. Pregledni članki sistematizirajo načine za povečanje občutljivosti in potrjujejo potencial NV diamanta kot platforme za uporabne magnetometre.

Nov razvoj Univerze v Warwicku zapolnjuje to vrzel: predstavljen je bil endoskopski diamantni magnetometer NV, ki zazna klinični sledilnik MagTrace®. Prototip zazna maso železa do 0,56 mg na razdalji do 5,8 mm (≈100-krat manj od priporočenega odmerka) in deluje s koncentracijami do 2,8 mg/ml na razdalji do 14,6 mm; premer senzorske "glave" ≤10 mm je združljiv z endoskopi in laparoskopi. Če bodo ti parametri potrjeni in vivo, lahko tehnologija zmanjša potrebne odmerke sledilnika, poenostavi navigacijo v minimalno invazivni kirurgiji in zmanjša odvisnost od radioizotopov. Zaenkrat gre za laboratorijski prototip, ki čaka na kalibracijo v živem tkivu in neposredno primerjavo z obstoječimi sistemi, vendar je "kvantna" pot do klinične uporabe že vidna.

Kako to deluje

V notranjosti senzorja je mikrokristal diamanta z nečistočami NV. Zeleni laser in mikrovalovni signal uglašujeta centre NV, njihova luminiscenca pa se spremeni, ko vstopijo v magnetno polje. To optično resonančno odčitavanje (ODMR) zagotavlja visoko občutljivost pri sobni temperaturi, brez kriogenov in superprevodnikov. V novi napravi je diamantna "glava" z optičnimi vlakni povezana s preostalo optiko: vsa težka elektronika ostane zunaj sterilnega polja, pacientu pa je prinesen le miniaturni senzor – kar je priročno za operacijsko sobo.

Zakaj onkološki kirurgi to potrebujejo?

Pri raku dojke (in številnih drugih tumorjih) je za kirurga pomembno, da natančno najde in odstrani sentinelne bezgavke – tiste, kamor tumorske celice najprej vstopijo. Magnetni sledilniki na osnovi superparamagnetnega železovega oksida so varna alternativa radioizotopom in barvilom (z anestetičnimi in alergijskimi tveganji). Kvantni diamantni senzor tej tehniki doda delikatnost in kompaktnost: nižji kot je prag zaznavanja in manjši kot je senzor, prej in bolj priročno je videti "magnetno sled" bezgavke – vse do endoskopskih posegov.

Ključna dejstva in številke

• Prag mase železa: 0,56 mg, zaznano na razdalji do 5,8 mm (≈100× manj od priporočenega odmerka).
• Prag koncentracije: 2,8 mg/ml (≈20× manj od priporočenega) – z delovno razdaljo do 14,6 mm.
• Dimenzije senzorja: premer "glave" ≤ 10 mm - združljivo z endoskopijo/laparoskopijo.
• Uporaba: zaznavanje sledilnika železovega oksida MagTrace™ (Endomag/Endomagnetics) pri operacijah dojk.

Kakšna je razlika med tem in obstoječimi sondami?

Trenutno se v operacijskih dvoranah uporabljajo ročni magnetni senzorji s permanentnim magnetom in Hallovim senzorjem – dokazali so svojo funkcionalnost, vendar sta njihova občutljivost in format omejena. Magnetometer Diamond NV:

• deluje brez magnetizacije z masivnimi magneti,
• bere šibka polja iz majhnih količin sledilnika,
• prilega se endoskopski obliki,
• omogoča odstranitev optičnih vlaken zunaj sterilnega območja.

Kaj to pomeni za pacienta (in operacijsko sobo)

V idealnem primeru kirurg dobi "kvantni kazalec": s tanko sondo, prislonjeno k tkivu, vidi, kje je magnetna sled sledilnika močnejša – in tam poišče sentinelni vozel. To lahko:

• zmanjšajte čas iskanja in količino rezov;
• zmanjšajte odmerek uporabljenega sledilnika (ob ohranjanju zanesljivosti);
• pomagati pri minimalno invazivnih posegih - v prsnem košu, trebuhu, medenici;
• zmanjšati odvisnost od radioizotopov in logistike jedrskega označevanja.

Kontekst in neodvisne ocene

Objava v reviji Physical Review Applied je odprtega dostopa in licencirana pod CC BY 4.0; Univerza v Warwicku je izdala sporočilo za javnost z naslovom »Diamanti, ki pomagajo odkriti raka«, v katerem je poudarila prenosljivost in endoskopski premer sonde. Specializirane publikacije za zdravnike in inženirje ugotavljajo, da je občutljivost pod kliničnimi odmerki pomemben korak k pravi operacijski sobi.

Kaj je še treba preveriti (iskren seznam opravil)

• Sterilnost in ergonomija: "pokrovi" za enkratno uporabo, pritrditev na endoskope, udobje za asistente.
• Kalibracije v živem tkivu: vpliv krvi, maščobe, globine vozlišč in kovinskih instrumentov na signal.
• Neposredne primerjave: v primerjavi s trenutnimi magnetnimi sondami in navigacijo radionuklidov - glede na natančnost, čas in "lažne cilje".
• Regulativna pot: standardi elektromagnetne združljivosti in dokazna baza za odobritev v različnih državah.

Zakaj diamantni in nevarni centri

Centri za navpično spektroskopijo (NV) imajo kvantno občutljivost na magnetna polja in odčitavanje optičnih signalov: ta kombinacija omogoča izdelavo kompaktnih, stabilnih senzorjev, ki delujejo pri sobni temperaturi. To je ključnega pomena za medicino: brez kriogenih snovi, hiter zagon, modularnost (laser in fotodetektor sta od pacienta odstranjena prek optičnih vlaken), možnost povečanja obsega kliničnih serij.

Zaključek

Novi endoskopski diamantni magnetometer samozavestno »vidi« magnetno sled kliničnega sledilnika pri odmerkih, nižjih od običajnih, in se prilega 10-milimetrskemu faktorju oblike. Če bodo prihajajoči testi potrdili stabilnost v operacijskem okolju, bodo kirurgi imeli kvantnega, kompaktnega in nežnega pomočnika za iskanje sentinelnih bezgavk – od odprtih operacij do laparoskopije in endoskopije. To je redek primer, ko je kvantna senzorika skoraj pripravljena prestopiti prag prave klinike.

Vir: AJ Newman et al. Endoskopski diamantni magnetometer za kirurgijo raka. Physical Review Applied 24, 024029 (12. avgust 2025). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w