Detektor diamantových stôp: Endoskopický kvantový magnetometer povie chirurgovi, kde hľadať sentinelové lymfatické uzliny

Fyzici z Univerzity vo Warwicku predviedli prototyp endoskopického diamantového magnetometra pre onkochirurgiu. Senzor využíva centrá s dusíkovou vakanciou (NV) v diamante a sníma magnetické polia z oxidového stopovača MagTrace™ – rovnakého, aký sa používa pri biopsii sentinelových lymfatických uzlín pri operáciách prsníka. Zariadenie zaznamenáva hmotnosť železa iba 0,56 mg vo vzdialenosti až 5,8 mm – to je približne 100-krát menej ako odporúčaná dávka stopovača; pri vyšších koncentráciách sa pracovná vzdialenosť zväčšuje na 14,6 mm. Priemer „hlavy“ senzora nie je väčší ako 10 mm, takže ho možno inštalovať na endoskopy a laparoskopy.

Pozadie štúdie

Biopsia sentinelových lymfatických uzlín (SLNB) je štandardom pre stanovenie štádia včasného karcinómu prsníka a mnohých ďalších nádorov: „prvé“ uzliny pozdĺž lymfatickej drenáže sa odstránia, aby sa zistilo, či nádor prešiel do lymfatického systému, čím sa zabráni traumatickejšej disekcii. Klasická navigácia je rádioizotop + modré farbivo, ale táto metóda má svoje nevýhody: rádiologickú logistiku, obmedzené časové okná, zriedkavé alergické reakcie a obmedzenia pre minimálne invazívne postupy. Preto sa aktívne vyvíjajú alternatívy – superparamagnetické oxidy železa (SPIO), napríklad klinický tracer MagTrace®, schválený NICE a FDA v kombinácii so sondou Sentimag. Takéto markery je možné zaviesť minúty alebo týždne pred operáciou, zostávajú v uzlinách a sú viditeľné magnetickými senzormi v operačnej sále.

Existujúce magnetické sondy sú však zvyčajne ručné zariadenia s permanentným magnetom a Hallovým senzorom: fungujú, ale citlivosť a tvarový faktor obmedzujú ich použitie v endoskopii a laparoskopii a detekčný prah podporuje použitie injekcií s plnou dávkou stopovača. Ideálnym nástrojom pre chirurga je miniatúrna, sterilne kompatibilná sonda, ktorá dokáže „vidieť“ veľmi malé množstvá SPIO na centimetrové vzdialenosti a funguje bez masívnych magnetizačných magnetov.

V tomto kontexte sa kvantové senzory na diamante javia ako sľubná platforma: centrá s dusíkovou vakanciou (NV) v diamante umožňujú opticky čítať magnetické pole (ODMR) pri izbovej teplote bez kryogénov; zariadenia je možné vyrobiť z optických vlákien, čím sa lasery a detektory vynesú zo sterilnej zóny. V posledných rokoch boli demonštrované kompaktné NV magnetometre pre biomedicínske aplikácie, vrátane záznamu signálov z magnetických nanočastíc. Prehľadové články systematizujú spôsoby zvýšenia citlivosti a potvrdzujú potenciál NV diamantu ako platformy pre aplikované magnetometre.

Nový vývoj z Univerzity vo Warwicku túto medzeru vypĺňa: bol predstavený endoskopický diamantový magnetometer NV, ktorý detekuje klinický značkovač MagTrace®. Prototyp detekuje hmotnosť železa až do 0,56 mg vo vzdialenosti až 5,8 mm (≈100-krát menej ako je odporúčaná dávka) a pracuje s koncentráciami až do 2,8 mg/ml vo vzdialenosti až 14,6 mm; priemer „hlavy“ senzora ≤10 mm je kompatibilný s endoskopmi a laparoskopmi. Ak sa tieto parametre potvrdia in vivo, technológia môže znížiť požadované dávky značkovača, zjednodušiť navigáciu v minimálne invazívnej chirurgii a znížiť závislosť od rádioizotopov. Zatiaľ ide o laboratórny prototyp, ktorý čaká na kalibráciu v živom tkanive a porovnanie s existujúcimi systémami, ale „kvantová“ cesta do klinickej praxe je už viditeľná.

Ako to funguje

Vo vnútri senzora sa nachádza mikrokryštál diamantu s NV nečistotami. Zelený laser a mikrovlnný signál ladia NV centrá a ich luminiscencia sa mení, keď vstúpia do magnetického poľa. Toto optické rezonančné meranie (ODMR) poskytuje vysokú citlivosť pri izbovej teplote, bez kryogénov a supravodičov. V novom zariadení je diamantová „hlava“ spojená optickým vláknom so zvyškom optiky: všetka ťažká elektronika zostáva mimo sterilného poľa a k pacientovi sa prinesie iba miniatúrny senzor – čo je pohodlné pre operačnú sálu.

Prečo to onkologickí chirurgovia potrebujú?

Pri rakovine prsníka (a mnohých ďalších nádorov) je pre chirurga dôležité presne nájsť a odstrániť sentinelové lymfatické uzliny – tie, kam nádorové bunky smerujú ako prvé. Magnetické stopovače na báze superparamagnetického oxidu železa sú bezpečnou alternatívou k rádioizotopom a farbivám (s anestetickými a alergickými rizikami). Kvantový diamantový senzor dodáva tejto technike jemnosť a kompaktnosť: čím nižší je detekčný prah a čím menší je senzor, tým skôr a pohodlnejšie môžete vidieť „magnetickú stopu“ uzliny – až po endoskopické zákroky.

Kľúčové fakty a čísla

• Prahová hodnota hmotnosti železa: 0,56 mg detekované vo vzdialenosti do 5,8 mm (≈100× menej ako odporúčaná dávka).
• Prahová hodnota koncentrácie: 2,8 mg/ml (≈20× menej ako odporúčané) – s pracovnou vzdialenosťou až 14,6 mm.
• Rozmery senzora: priemer „hlavy“ ≤ 10 mm – kompatibilné s endoskopiou/laparoskopiou.
• Použitie: detekcia stopovača oxidu železa MagTrace™ (Endomag/Endomagnetics) pri chirurgii prsníka.

V čom sa to líši od existujúcich sond?

V súčasnosti sa na operačných sálach používajú manuálne magnetické senzory s permanentným magnetom a Hallovým senzorom – ich funkčnosť sa osvedčila, ale ich citlivosť a formát sú obmedzené. Magnetometer Diamond NV:

• funguje bez magnetizácie masívnymi magnetmi,
• číta slabé polia z malého množstva stopovača,
• zmestí sa do endoskopického tvarového faktora,
• umožňuje odstránenie optických vlákien mimo sterilnej zóny.

Čo to znamená pre pacienta (a operačnú sálu)

V ideálnom prípade chirurg dostane „kvantový ukazovateľ“: priložením tenkej sondy k tkanivu vidí, kde je magnetická stopa stopovača silnejšia – a tam hľadá sentinelový uzol. To môže:

• skrátiť čas vyhľadávania a objem rezov;
• znížiť dávku podávaného stopovača (pri zachovaní spoľahlivosti);
• asistovať pri minimálne invazívnych zákrokoch - v oblasti hrudníka, brucha, panvy;
• znížiť závislosť od rádioizotopov a logistiky jadrového označovania.

Kontext a nezávislé posúdenia

Publikácia v časopise Physical Review Applied je otvorená a licencovaná pod licenciou CC BY 4.0; Univerzita vo Warwicku vydala tlačovú správu s názvom „Diamanty, ktoré pomáhajú nájsť rakovinu“, v ktorej zdôrazňuje prenosnosť a endoskopický priemer sondy. Špecializované publikácie pre lekárov a inžinierov poznamenávajú, že citlivosť pod klinickými dávkami je dôležitým krokom k skutočnej operačnej sále.

Čo ešte treba skontrolovať (úprimný zoznam úloh)

• Sterilita a ergonómia: jednorazové „kryty“, pripojenie k endoskopom, pohodlie pre asistentov.
• Kalibrácie v živom tkanive: vplyv krvi, tuku, hĺbky uzlov a kovových nástrojov na signál.
• Priame porovnania: oproti súčasným magnetickým sondám a rádionuklidovej navigácii - z hľadiska presnosti, času a „falošných cieľov“.
• Regulačná cesta: Normy EMC a dôkazová základňa pre schválenie v rôznych krajinách.

Prečo diamantové a nevadské centrá

Centrá NV majú kvantovú citlivosť na magnetické polia a optické snímanie signálu: táto kombinácia umožňuje vytvárať kompaktné a stabilné senzory, ktoré fungujú pri izbovej teplote. To je pre medicínu kľúčové: žiadne kryogénne látky, rýchle spustenie, modularita (laser a fotodetektor sú od pacienta odvedené cez optické vlákno), potenciál pre škálovanie do klinických sérií.

Záver

Nový endoskopický diamantový magnetometer s istotou „vidí“ magnetickú stopu klinického značkovača pri dávkach nižších ako je obvyklé a zmestí sa do 10 mm tvarového faktora. Ak nadchádzajúce testy potvrdia stabilitu v operačnom prostredí, chirurgovia budú mať kvantového, kompaktného a šetrného asistenta na vyhľadávanie sentinelových lymfatických uzlín – od otvorených operácií až po laparoskopiu a endoskopiu. Toto je zriedkavý prípad, keď je kvantová senzorika takmer pripravená prekročiť prah skutočnej kliniky.

Zdroj: AJ Newman a kol. Endoskopický diamantový magnetometer na chirurgiu rakoviny. Physical Review Applied 24, 024029 (12. augusta 2025). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w