Detektor dijamantnih tragova: Endoskopski kvantni magnetometar će reći kirurgu gdje tražiti sentinel limfne čvorove

Fizičari sa Sveučilišta Warwick demonstrirali su prototip endoskopskog dijamantnog magnetometra za onkokirurgiju. Senzor koristi centre dušikovih praznina (NV) u dijamantu i očitava magnetska polja s tragača željeznog oksida MagTrace™ - istog onog koji se koristi u biopsiji sentinel limfnih čvorova u kirurgiji dojke. Uređaj bilježi masu željeza od samo 0,56 mg na udaljenosti do 5,8 mm - to je otprilike 100 puta manje od preporučene doze tragača; pri većim koncentracijama radna udaljenost se povećava na 14,6 mm. Promjer "glave" senzora nije veći od 10 mm, pa se može instalirati na endoskope i laparoskope.

Pozadina studije

Biopsija sentinel limfnog čvora (SLNB) je standard za određivanje stadija ranog raka dojke i niza drugih tumora: "prvi" čvorovi duž limfne drenaže se uklanjaju kako bi se razumjelo je li tumor otišao u limfni sustav, izbjegavajući traumatičniju disekciju. Klasična navigacija je radioizotop + plava boja, ali metoda ima svoje nedostatke: radiološku logistiku, ograničene vremenske prozore, rijetke alergijske reakcije i ograničenja za minimalno invazivne postupke. Stoga se aktivno razvijaju alternative - superparamagnetski željezovi oksidi (SPIO), na primjer, klinički traser MagTrace®, odobren od strane NICE i FDA u kombinaciji sa Sentimag sondom. Takvi markeri mogu se uvesti nekoliko minuta ili tjedana prije operacije, ostaju u čvorovima i vidljivi su magnetskim senzorima u operacijskoj sali.

Međutim, postojeće magnetske sonde su obično ručni uređaji s permanentnim magnetom i Hallovim senzorom: one rade, ali osjetljivost i oblik ograničavaju njihovu upotrebu u endoskopiji i laparoskopiji, a prag detekcije potiče upotrebu injekcija pune doze trasera. Idealan alat za kirurga je minijaturna, sterilno kompatibilna sonda koja može "vidjeti" vrlo male količine SPIO na centimetarskim udaljenostima i raditi bez masivnih magnetizirajućih magneta.

U tom kontekstu, kvantni senzori na dijamantu čine se obećavajućom platformom: centri s praznim dušikom (NV) u dijamantu omogućuju optičko očitavanje magnetskog polja (ODMR) na sobnoj temperaturi, bez kriogena; uređaji se mogu izraditi s optičkim vlaknima, čime se laseri i detektori izvlače iz sterilne zone. Posljednjih godina demonstrirani su kompaktni NV magnetometri za biomedicinske primjene, uključujući snimanje signala s magnetskih nanočestica. Pregledni radovi sistematiziraju načine povećanja osjetljivosti i potvrđuju potencijal NV dijamanta kao platforme za primijenjene magnetometre.

Novi razvoj Sveučilišta Warwick zatvara tu prazninu: predstavljen je endoskopski NV dijamantni magnetometar koji detektira klinički traser MagTrace®. Prototip detektira masu željeza do 0,56 mg na udaljenosti do 5,8 mm (≈100 puta manje od preporučene doze) i radi s koncentracijama do 2,8 mg/ml na udaljenosti do 14,6 mm; promjer "glave" senzora ≤10 mm kompatibilan je s endoskopima i laparoskopima. Ako se ovi parametri potvrde in vivo, tehnologija može smanjiti potrebne doze trasera, pojednostaviti navigaciju u minimalno invazivnoj kirurgiji i smanjiti ovisnost o radioizotopima. Zasad je ovo laboratorijski prototip koji čeka kalibraciju u živom tkivu i izravnu usporedbu s postojećim sustavima, ali "kvantni" put do klinike već je vidljiv.

Kako ovo radi

Unutar senzora nalazi se mikrokristal dijamanta s NV nečistoćama. Zeleni laser i mikrovalni signal podešavaju NV centre, a njihova luminiscencija se mijenja kada uđu u magnetsko polje. Ovo očitavanje optičke rezonancije (ODMR) pruža visoku osjetljivost na sobnoj temperaturi, bez kriogena i supravodiča. U novom uređaju, dijamantna "glava" je optičkim vlaknima povezana s ostatkom optike: sva teška elektronika ostaje izvan sterilnog polja, a pacijentu se donosi samo minijaturni senzor - što je praktično za operacijsku salu.

Zašto je to potrebno onkološkim kirurzima?

Kod raka dojke (i niza drugih tumora), važno je da kirurg precizno pronađe i ukloni sentinel limfne čvorove - one gdje tumorske stanice prvo odlaze. Magnetski traseri na bazi superparamagnetskog željezovog oksida sigurna su alternativa radioizotopima i bojama (s anestetičkim i alergijskim rizicima). Kvantni dijamantni senzor dodaje delikatnost i kompaktnost ovoj tehnici: što je niži prag detekcije i što je senzor manji, to ranije i praktičnije možete vidjeti "magnetski trag" čvora - sve do endoskopskih postupaka.

Ključne činjenice i brojke

• Prag mase željeza: 0,56 mg detektirano na udaljenosti do 5,8 mm (≈100× manje od preporučene doze).
• Prag koncentracije: 2,8 mg/ml (≈20× manje od preporučenog) - s radnom udaljenošću do 14,6 mm.
• Dimenzije senzora: "glava" ≤10 mm u promjeru - kompatibilno s endoskopijom/laparoskopijom.
• Primjena: detekcija trasera željeznog oksida MagTrace™ (Endomag/Endomagnetics) u kirurgiji dojke.

Po čemu se ovo razlikuje od postojećih sondi?

Trenutno se u operacijskim salama koriste ručni magnetski senzori s permanentnim magnetom i Hall senzorom - dokazali su svoju funkcionalnost, ali su im osjetljivost i format ograničeni. Diamond NV magnetometar:

• radi bez magnetizacije masivnim magnetima,
• očitava slaba polja iz malih količina trasera,
• uklapa se u endoskopski oblik,
• omogućuje uklanjanje optičkih vlakana izvan sterilne zone.

Što to znači za pacijenta (i operacijsku salu)

U idealnom scenariju, kirurg dobiva "kvantni pokazivač": držeći tanku sondu na tkivu, vidi gdje je magnetski trag trasera jači - i tamo traži sentinelov čvor. To može:

• smanjiti vrijeme pretraživanja i količinu rezova;
• smanjiti dozu primijenjenog trasera (uz održavanje pouzdanosti);
• asistirati kod minimalno invazivnih intervencija - u prsima, trbuhu, zdjelici;
• smanjiti ovisnost o radioizotopima i logistici nuklearnog označavanja.

Kontekst i neovisne procjene

Publikacija u časopisu Physical Review Applied otvorenog je pristupa i licencirana je pod CC BY 4.0; Sveučilište Warwick izdalo je priopćenje za javnost pod nazivom „Dijamanti koji pomažu u pronalaženju raka“, ističući prenosivost i endoskopski promjer sonde. Specijalizirane publikacije za liječnike i inženjere napominju da je osjetljivost ispod kliničkih doza važan korak prema pravoj operacijskoj sali.

Što još treba provjeriti (iskren popis obaveza)

• Sterilnost i ergonomija: jednokratne "navlake", pričvršćivanje na endoskope, praktičnost za asistente.
• Kalibracije u živom tkivu: utjecaj krvi, masti, dubine čvora i metalnih instrumenata na signal.
• Usporedbe: u odnosu na trenutne magnetske sonde i navigaciju radionuklidima - u smislu točnosti, vremena i "lažnih ciljeva".
• Regulatorni put: EMC standardi i baza dokaza za odobrenje u različitim zemljama.

Zašto dijamantni i NV centri

NV centri imaju kvantnu osjetljivost na magnetska polja i očitavanje optičkih signala: ova kombinacija omogućuje izgradnju kompaktnih, stabilnih senzora koji rade na sobnoj temperaturi. To je ključno za medicinu: nema kriogena, brzo pokretanje, modularnost (laser i fotodetektor se uklanjaju s pacijenta putem optičkih vlakana), potencijal za skaliranje u kliničke serije.

Zaključak

Novi endoskopski dijamantni magnetometar s pouzdanjem „vidi“ magnetski trag kliničkog trasera pri dozama nižim od uobičajenih i uklapa se u faktor oblika od 10 mm. Ako nadolazeći testovi potvrde stabilnost u operacijskom okruženju, kirurzi će imati kvantnog, kompaktnog i nježnog asistenta za pronalaženje sentinel limfnih čvorova - od otvorenih operacija do laparoskopije i endoskopije. Ovo je rijedak slučaj kada je kvantna senzorika gotovo spremna prijeći prag prave klinike.

Izvor: AJ Newman i dr. Endoskopski dijamantni magnetometar za kirurgiju raka. Physical Review Applied 24, 024029 (12. kolovoza 2025.). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w