Детектор трагова дијаманата: Ендоскопски квантни магнетометар ће рећи хирургу где да тражи сентинел лимфне чворове

Физичари са Универзитета у Ворику демонстрирали су прототип ендоскопског дијамантског магнетометра за онкохирургију. Сензор користи центре азотних празнина (NV) у дијаманту и очитава магнетна поља са трасера оксида гвожђа MagTrace™ - истог оног који се користи у биопсији сентинел лимфних чворова у хирургији дојке. Уређај бележи масу гвожђа од само 0,56 мг на удаљености до 5,8 мм - то је приближно 100 пута мање од препоручене дозе трасера; при вишим концентрацијама, радна удаљеност се повећава на 14,6 мм. Пречник „главе“ сензора није већи од 10 мм, тако да се може инсталирати на ендоскопе и лапароскопе.

Позадина студије

Биопсија сентинел лимфних чворова (SLNB) је стандард за стадијум раног рака дојке и низа других тумора: „први“ чворови дуж лимфне дренаже се уклањају како би се разумело да ли је тумор прошао у лимфни систем, избегавајући трауматичнију дисекцију. Класична навигација је радиоизотоп + плава боја, али метода има своје недостатке: радиолошку логистику, ограничене временске прозоре, ретке алергијске реакције и ограничења за минимално инвазивне процедуре. Стога се активно развијају алтернативе - суперпарамагнетни оксиди гвожђа (SPIO), на пример, клинички трасер MagTrace®, одобрен од стране NICE и FDA у комбинацији са Sentimag сондом. Такви маркери се могу увести неколико минута или недеља пре операције, остају у чворовима и видљиви су магнетним сензорима у операционој сали.

Међутим, постојеће магнетне сонде су типично ручни уређаји са перманентним магнетом и Холовим сензором: оне раде, али осетљивост и фактор облика ограничавају њихову употребу у ендоскопији и лапароскопији, а праг детекције подстиче употребу ињекција пуне дозе трасера. Идеалан алат за хирурга је минијатурна, стерилно компатибилна сонда која може да „види“ веома мале количине SPIO на центиметарским удаљеностима и да ради без масивних магнетизирајућих магнета.

У том смислу, квантни сензори на дијаманту изгледају као обећавајућа платформа: центри азотних празнина (NV) у дијаманту омогућавају оптичко очитавање магнетног поља (ODMR) на собној температури, без криогена; уређаји могу бити направљени од оптичких влакана, извлачећи ласере и детекторе из стерилне зоне. Последњих година, демонстрирани су компактни NV магнетометри за биомедицинске примене, укључујући и за снимање сигнала са магнетних наночестица. Прегледни радови систематизују начине за повећање осетљивости и потврђују потенцијал NV дијаманта као платформе за примењене магнетометре.

Нови развој Универзитета у Ворику попуњава ову празнину: представљен је ендоскопски NV дијамантски магнетометар који детектује клинички трасер MagTrace®. Прототип детектује масу гвожђа до 0,56 мг на удаљености до 5,8 мм (≈100 пута мање од препоручене дозе) и ради са концентрацијама до 2,8 мг/мл на удаљености до 14,6 мм; пречник „главе“ сензора ≤10 мм је компатибилан са ендоскопима и лапароскопима. Ако се ови параметри потврде in vivo, технологија може смањити потребне дозе трасера, поједноставити навигацију у минимално инвазивној хирургији и смањити зависност од радиоизотопа. За сада је ово лабораторијски прототип који чека калибрацију у живом ткиву и директно поређење са постојећим системима, али „квантни“ пут до клинике је већ видљив.

Како ово функционише

Унутар сензора налази се микрокристал дијаманта са НВ нечистоћама. Зелени ласер и микроталасни сигнал подешавају НВ центре, а њихова луминесценција се мења када уђу у магнетно поље. Ово очитавање оптичке резонанције (ОДМР) пружа високу осетљивост на собној температури, без криогена и суперпроводника. У новом уређају, дијамантска „глава“ је повезана оптичким влакнима са остатком оптике: сва тешка електроника остаје ван стерилног поља, а само минијатурни сензор се доноси пацијенту - погодно за операциону салу.

Зашто је онколошким хирурзима ово потребно?

Код рака дојке (и низа других тумора), важно је да хирург прецизно пронађе и уклони сентинелне лимфне чворове - оне где туморске ћелије прво одлазе. Магнетни трасери засновани на суперпарамагнетном гвожђе оксиду су безбедна алтернатива радиоизотопима и бојама (са анестетичким и алергијским ризицима). Квантни дијамантски сензор додаје деликатност и компактност овој техници: што је нижи праг детекције и што је сензор мањи, то раније и погодније можете видети „магнетни траг“ чвора - све до ендоскопских процедура.

Кључне чињенице и бројке

• Праг масе гвожђа: 0,56 мг детектовано на удаљености до 5,8 мм (≈100× мање од препоручене дозе).
• Праг концентрације: 2,8 мг/мл (≈20× мање од препорученог) - са радном удаљеношћу до 14,6 мм.
• Димензије сензора: „глава“ ≤10 мм у пречнику - компатибилно са ендоскопијом/лапароскопијом.
• Примена: детекција трасера оксида гвожђа MagTrace™ (Endomag/Endomagnetics) у хирургији дојке.

По чему се ово разликује од постојећих сонди?

Тренутно се у операционим салама користе ручни магнетни сензори са перманентним магнетом и Холов сензор - они су доказали своју функционалност, али су им осетљивост и формат ограничени. Дијамантски НВ магнетометар:

• ради без магнетизације масивним магнетима,
• очитава слаба поља из малих количина трасера,
• уклапа се у ендоскопски облик,
• омогућава уклањање оптичких влакана ван стерилне зоне.

Шта ово значи за пацијента (и операциону салу)

У идеалном сценарију, хирург добија „квантни показивач“: држећи танку сонду на ткиву, он види где је магнетни траг трасера јачи – и тамо тражи сентинелен чвор. Ово може:

• смањити време претраживања и обим резова;
• смањити дозу примењеног трасера (уз очување поузданости);
• асистирати код минимално инвазивних интервенција - у грудима, абдомену, карлици;
• смањити зависност од радиоизотопа и логистике нуклеарног обележавања.

Контекст и независне процене

Публикација у часопису Physical Review Applied је отвореног приступа и лиценцирана је под лиценцом CC BY 4.0; Универзитет у Ворику је издао саопштење за јавност „Дијаманти који помажу у проналажењу рака“, истичући преносивост и ендоскопски пречник сонде. Специјализоване публикације за лекаре и инжењере напомињу да је осетљивост испод клиничких доза важан корак ка правој операционој сали.

Шта још треба проверити (искрена листа обавеза)

• Стерилност и ергономија: једнократне „навлаке“, причвршћивање за ендоскопе, погодност за асистенте.
• Калибрације у живом ткиву: утицај крви, масти, дубине чворова и металних инструмената на сигнал.
• Директна поређења: у односу на тренутне магнетне сонде и навигацију радионуклида - у смислу тачности, времена и „лажних мета“.
• Регулаторни пут: ЕМС стандарди и база доказа за одобравање у различитим земљама.

Зашто дијамантски и НВ центри

НВ центри имају квантну осетљивост на магнетна поља и очитавање оптичких сигнала: ова комбинација омогућава изградњу компактних, стабилних сензора који раде на собној температури. Ово је кључно за медицину: нема криогена, брзо покретање, модуларност (ласер и фотодетектор се уклањају од пацијента преко оптичких влакана), потенцијал за скалирање у клиничке серије.

Закључак

Нови ендоскопски дијамантски магнетометар са сигурношћу „види“ магнетни траг клиничког трасера при дозама нижим од уобичајених и уклапа се у форм фактор од 10 мм. Уколико предстојећи тестови потврде стабилност у оперативном окружењу, хирурзи ће имати квантног, компактног и нежног асистента за проналажење сентинелних лимфних чворова - од отворених операција до лапароскопије и ендоскопије. Ово је редак случај када је квантна сензорика готово спремна да пређе праг праве клинике.

Извор: АЈ Њуман и др. Ендоскопски дијамантски магнетометар за хирургију рака. Physical Review Applied 24, 024029 (12. август 2025). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w