Detektor śladów diamentowych: endoskopowy magnetometr kwantowy wskaże chirurgowi, gdzie szukać węzłów wartowniczych

Fizycy z Uniwersytetu w Warwick zademonstrowali prototyp endoskopowego diamentowego magnetometru do onkochirurgii. Czujnik wykorzystuje centra azotowo-wakacyjne (NV) w diamencie i odczytuje pola magnetyczne ze znacznika tlenku żelaza MagTrace™ – tego samego, który jest używany w biopsji węzła wartowniczego w chirurgii piersi. Urządzenie rejestruje masę żelaza wynoszącą zaledwie 0,56 mg z odległości do 5,8 mm – to około 100 razy mniej niż zalecana dawka znacznika; przy wyższych stężeniach odległość robocza wzrasta do 14,6 mm. Średnica „głowicy” czujnika nie przekracza 10 mm, dzięki czemu można go montować na endoskopach i laparoskopach.

Tło badania

Biopsja węzła wartowniczego (SLNB) jest standardem w ocenie wczesnego stadium raka piersi i wielu innych nowotworów: „pierwsze” węzły chłonne wzdłuż spływu limfatycznego są usuwane, aby sprawdzić, czy guz przedostał się do układu limfatycznego, co pozwala uniknąć bardziej traumatycznego rozwarstwienia. Klasyczna nawigacja to radioizotop + niebieski barwnik, ale metoda ta ma swoje wady: logistykę radiologiczną, ograniczone okna czasowe, rzadkie reakcje alergiczne i ograniczenia w przypadku procedur minimalnie inwazyjnych. Dlatego aktywnie rozwijają się alternatywy – superparamagnetyczne tlenki żelaza (SPIO), na przykład kliniczny znacznik MagTrace®, zatwierdzony przez NICE i FDA w połączeniu z sondą Sentimag. Takie markery można wprowadzić na kilka minut lub tygodni przed operacją, pozostają one w węzłach chłonnych i są widoczne za pomocą czujników magnetycznych na sali operacyjnej.

Jednak obecnie dostępne sondy magnetyczne to zazwyczaj urządzenia ręczne z magnesem trwałym i czujnikiem Halla: działają, ale ich czułość i kształt ograniczają ich zastosowanie w endoskopii i laparoskopii, a próg detekcji zachęca do stosowania pełnych dawek znacznika. Idealnym narzędziem dla chirurga jest miniaturowa, sterylna sonda, która może „widzieć” bardzo małe ilości SPIO z odległości centymetrowej i działać bez użycia dużych magnesów magnetycznych.

W tym kontekście czujniki kwantowe na diamencie wydają się obiecującą platformą: centra azotowo-wakacyjne (NV) w diamencie umożliwiają optyczny odczyt pola magnetycznego (ODMR) w temperaturze pokojowej, bez użycia kriogenów; urządzenia mogą być światłowodowe, co pozwala na wyprowadzenie laserów i detektorów poza strefę sterylną. W ostatnich latach zaprezentowano kompaktowe magnetometry NV do zastosowań biomedycznych, w tym do rejestracji sygnałów z nanocząstek magnetycznych. Prace przeglądowe systematyzują sposoby zwiększenia czułości i potwierdzają potencjał diamentu NV jako platformy dla magnetometrów stosowanych.

Nowe rozwiązanie z Uniwersytetu Warwick wypełnia tę lukę: zaprezentowano endoskopowy diamentowy magnetometr NV, który wykrywa kliniczny znacznik MagTrace®. Prototyp wykrywa masę żelaza do 0,56 mg z odległości do 5,8 mm (≈100 razy mniejszą niż zalecana dawka) i działa w stężeniach do 2,8 mg/ml z odległości do 14,6 mm; średnica „głowicy” czujnika ≤10 mm jest kompatybilna z endoskopami i laparoskopami. Jeśli te parametry zostaną potwierdzone in vivo, technologia może zmniejszyć wymagane dawki znacznika, uprościć nawigację w chirurgii małoinwazyjnej i zmniejszyć zależność od radioizotopów. Na razie jest to prototyp laboratoryjny, który czeka na kalibrację w żywej tkance i bezpośrednie porównanie z istniejącymi systemami, ale „kwantowa” droga do kliniki jest już widoczna.

Jak to działa

Wewnątrz czujnika znajduje się mikrokryształ diamentu z domieszkami NV. Zielony laser i sygnał mikrofalowy dostrajają centra NV, a ich luminescencja zmienia się po wejściu w pole magnetyczne. Ten pomiar metodą rezonansu optycznego (ODMR) zapewnia wysoką czułość w temperaturze pokojowej, bez użycia kriogenów i nadprzewodników. W nowym urządzeniu diamentowa „głowica” jest połączona światłowodem z resztą optyki: cała ciężka elektronika pozostaje poza polem sterylnym, a do pacjenta dostarczany jest jedynie miniaturowy czujnik – wygodny na sali operacyjnej.

Dlaczego chirurdzy onkologiczni tego potrzebują?

W przypadku raka piersi (i wielu innych nowotworów) chirurg musi precyzyjnie zlokalizować i usunąć węzły wartownicze – te, do których komórki nowotworowe docierają w pierwszej kolejności. Znaczniki magnetyczne oparte na superparamagnetycznym tlenku żelaza stanowią bezpieczną alternatywę dla radioizotopów i barwników (niosących ze sobą ryzyko znieczulenia i alergii). Kwantowy czujnik diamentowy dodaje tej technice delikatności i zwartości: im niższy próg detekcji i mniejszy czujnik, tym szybciej i wygodniej można zobaczyć „ślad magnetyczny” węzła – nawet w zabiegach endoskopowych.

Najważniejsze fakty i liczby

• Próg masy żelaza: 0,56 mg wykryte w odległości do 5,8 mm (≈100× mniej niż zalecana dawka).
• Próg stężenia: 2,8 mg/ml (≈20× mniej niż zalecane) - przy odległości roboczej do 14,6 mm.
• Wymiary czujnika: średnica „głowy” ≤10 mm - kompatybilność z endoskopią/laparoskopią.
• Zastosowanie: wykrywanie znacznika tlenku żelaza MagTrace™ (Endomag/Endomagnetics) w chirurgii piersi.

Czym to się różni od istniejących sond?

Obecnie na salach operacyjnych stosuje się ręczne czujniki magnetyczne z magnesem trwałym i czujnikiem Halla – udowodniły one swoją funkcjonalność, ale ich czułość i format są ograniczone. Magnetometr Diamond NV:

• działa bez namagnesowania przez masywne magnesy,
• odczytuje słabe pola z małych ilości znacznika,
• pasuje do formy endoskopowej,
• umożliwia wyjęcie światłowodów poza strefę sterylną.

Co to oznacza dla pacjenta (i sali operacyjnej)

W idealnym scenariuszu chirurg otrzymuje „wskaźnik kwantowy”: przykładając cienką sondę do tkanki, widzi, gdzie ślad magnetyczny znacznika jest silniejszy – i tam szuka węzła wartowniczego. To może:

• skrócenie czasu wyszukiwania i ilości cięć;
• zmniejszyć dawkę podawanego znacznika (zachowując jednocześnie jego niezawodność);
• asystowanie przy zabiegach małoinwazyjnych - w obrębie klatki piersiowej, jamy brzusznej, miednicy;
• zmniejszenie zależności od radioizotopów i logistyki znakowania jądrowego.

Kontekst i niezależne oceny

Publikacja w czasopiśmie Physical Review Applied jest dostępna w otwartym dostępie i objęta licencją CC BY 4.0; Uniwersytet w Warwick wydał komunikat prasowy „Diamenty, które pomagają w wykrywaniu nowotworów”, podkreślając przenośność i średnicę endoskopową sondy. Specjalistyczne publikacje dla lekarzy i inżynierów wskazują, że czułość poniżej dawek klinicznych to ważny krok w kierunku prawdziwej sali operacyjnej.

Co jeszcze należy sprawdzić (uczciwa lista rzeczy do zrobienia)

• Sterylność i ergonomia: jednorazowe „osłony”, mocowanie do endoskopów, wygoda dla asystentów.
• Kalibracje w żywej tkance: wpływ krwi, tłuszczu, głębokości węzłów i instrumentów metalowych na sygnał.
• Porównania bezpośrednie: z obecnymi sondami magnetycznymi i nawigacją radionuklidową - pod względem dokładności, czasu i „fałszywych celów”.
• Ścieżka regulacyjna: Normy EMC i baza dowodowa na potrzeby zatwierdzenia w różnych krajach.

Dlaczego centra diamentowe i NV

Centra NV charakteryzują się kwantową wrażliwością na pola magnetyczne i odczyt sygnału optycznego: ta kombinacja pozwala na budowę kompaktowych, stabilnych czujników działających w temperaturze pokojowej. Ma to kluczowe znaczenie dla medycyny: brak kriogenów, szybkie uruchomienie, modułowość (laser i fotodetektor są odłączane od pacjenta za pomocą światłowodu), możliwość skalowania do serii klinicznych.

Wniosek

Nowy endoskopowy diamentowy magnetometr z pewnością „widzi” ślad magnetyczny klinicznego znacznika przy dawkach niższych niż zwykle i mieści się w obudowie o średnicy 10 mm. Jeśli nadchodzące testy potwierdzą stabilność w środowisku operacyjnym, chirurdzy będą mieli kwantowego, kompaktowego i delikatnego asystenta do lokalizowania węzłów wartowniczych – od operacji otwartych po laparoskopię i endoskopię. To rzadki przypadek, gdy sensoryka kwantowa jest już niemal gotowa do przekroczenia progu prawdziwej kliniki.

Źródło: AJ Newman i in. Endoskopowy diamentowy magnetometr do chirurgii onkologicznej. Physical Review Applied 24, 024029 (12 sierpnia 2025). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w