Diamantspordetektor: Endoskopisk kvantemagnetometer vil fortælle kirurgen, hvor han skal lede efter sentinellymfeknuder

Fysikere fra University of Warwick har demonstreret en prototype af et endoskopisk diamantmagnetometer til onkokirurgi. Sensoren bruger nitrogen-vakanscentre (NV) i diamant og aflæser magnetfelter fra jernoxidsporstoffet MagTrace™ - det samme som bruges i sentinellymfeknudebiopsi i brystkirurgi. Enheden registrerer en jernmasse på kun 0,56 mg i en afstand på op til 5,8 mm - dette er cirka 100 gange mindre end den anbefalede dosis af sporstoffet; ved højere koncentrationer øges arbejdsafstanden til 14,6 mm. Sensorhovedets diameter er ikke mere end 10 mm, så det kan installeres på endoskoper og laparoskoper.

Baggrund for undersøgelsen

Sentinellymfeknudebiopsi (SLNB) er standarden for stadieinddeling af tidlig brystkræft og en række andre tumorer: de "første" lymfeknuder langs lymfedrænagen fjernes for at forstå, om tumoren er gået ind i lymfesystemet, hvilket undgår mere traumatisk dissektion. Klassisk navigation er en radioisotop + blåt farvestof, men metoden har sine ulemper: radiologisk logistik, begrænsede tidsvinduer, sjældne allergiske reaktioner og begrænsninger for minimalt invasive procedurer. Derfor er alternativer under aktiv udvikling - superparamagnetiske jernoxider (SPIO), for eksempel den kliniske sporstof MagTrace®, godkendt af NICE og FDA i kombination med Sentimag-sonden. Sådanne markører kan introduceres minutter eller uger før operationen, de forbliver i lymfeknuderne og er synlige med magnetiske sensorer på operationsstuen.

Eksisterende magnetiske prober er dog typisk håndholdte enheder med en permanent magnet og en Hall-sensor: de fungerer, men følsomheden og formfaktoren begrænser deres anvendelse i endoskopi og laparoskopi, og detektionstærsklen tilskynder til brugen af fulddosis-tracerinjektioner. Det ideelle værktøj for kirurgen er en miniature, sterilkompatibel probe, der kan "se" meget små mængder SPIO på centimeterafstand og fungere uden massive magnetiserende magneter.

På denne baggrund synes kvantesensorer på diamanter at være en lovende platform: nitrogen-vakancentre (NV) i diamanter gør det muligt optisk at aflæse magnetfeltet (ODMR) ved stuetemperatur uden kryogener; enheder kan fremstilles fiberoptiske, hvilket tager lasere og detektorer ud af den sterile zone. I de senere år er kompakte NV-magnetometre blevet demonstreret til biomedicinske anvendelser, herunder til optagelse af signaler fra magnetiske nanopartikler. Review-artikler systematiserer måder at øge følsomheden på og bekræfter potentialet af NV-diamant som en platform for anvendte magnetometre.

En ny udvikling fra University of Warwick lukker dette hul: et endoskopisk NV-diamantmagnetometer er blevet præsenteret, der detekterer den kliniske sporstof MagTrace®. Prototypen detekterer jernmasse på op til 0,56 mg i en afstand på op til 5,8 mm (≈100 gange mindre end den anbefalede dosis) og fungerer med koncentrationer på op til 2,8 mg/ml i en afstand på op til 14,6 mm; diameteren af sensor-"hovedet" ≤10 mm er kompatibel med endoskoper og laparoskoper. Hvis disse parametre bekræftes in vivo, kan teknologien reducere de nødvendige sporstofdoser, forenkle navigation i minimalt invasiv kirurgi og reducere afhængigheden af radioisotoper. For nuværende er dette en laboratorieprototype, der afventer kalibrering i levende væv og direkte sammenligning med eksisterende systemer, men "kvante"-vejen til klinikken er allerede synlig.

Hvordan fungerer dette

Inde i sensoren er en mikrokrystal af diamant med NV-urenheder. En grøn laser og et mikrobølgesignal justerer NV-centrene, og deres luminescens ændrer sig, når de kommer ind i et magnetfelt. Denne optiske resonansaflæsning (ODMR) giver høj følsomhed ved stuetemperatur uden kryogener og superledere. I den nye enhed er diamant"hovedet" forbundet med resten af optikken via optisk fiber: al den tunge elektronik forbliver uden for det sterile felt, og kun en miniaturesensor bringes til patienten - praktisk for operationsstuen.

Hvorfor har onkologiske kirurger brug for dette?

Ved brystkræft (og en række andre tumorer) er det vigtigt for kirurgen præcist at finde og fjerne sentinellymfeknuder - dem hvor tumorcellerne først kommer. Magnetiske sporstoffer baseret på superparamagnetisk jernoxid er et sikkert alternativ til radioisotoper og farvestoffer (med bedøvende og allergiske risici). En kvantediamantsensor tilføjer delikatesse og kompakthed til denne teknik: jo lavere detektionstærsklen er, og jo mindre sensoren er, desto tidligere og mere bekvemt kan du se det "magnetiske spor" af lymfeknuden - helt op til endoskopiske procedurer.

Nøglefakta og tal

• Jernmassetærskel: 0,56 mg detekteret i en afstand på op til 5,8 mm (≈100 gange mindre end den anbefalede dosis).
• Koncentrationstærskel: 2,8 mg/ml (≈20× mindre end anbefalet) - med en arbejdsafstand på op til 14,6 mm.
• Sensordimensioner: “hoved” ≤10 mm i diameter - kompatibel med endoskopi/laparoskopi.
• Anvendelse: detektion af jernoxidsporstoffet MagTrace™ (Endomag/Endomagnetics) i brystkirurgi.

Hvordan adskiller dette sig fra eksisterende sonder?

I øjeblikket bruger operationsstuer manuelle magnetiske sensorer med en permanent magnet og en Hall-sensor - de har bevist deres funktionalitet, men deres følsomhed og format er begrænset. Diamond NV magnetometer:

• fungerer uden magnetisering af massive magneter,
• læser svage felter fra små mængder sporstof,
• passer ind i en endoskopisk formfaktor,
• tillader fjernelse af fiberoptik uden for den sterile zone.

Hvad betyder dette for patienten (og operationsstuen)

I et ideelt scenarie får kirurgen en "kvantepointer": ved at holde en tynd sonde mod vævet ser han, hvor sporstoffets magnetiske spor er stærkest - og leder efter sentinelknuden der. Dette kan:

• reducere søgetid og mængden af klip;
• reducere dosis af den administrerede sporstof (samtidig med opretholdelse af pålideligheden);
• assistere ved minimalt invasive indgreb - i bryst, mave, bækken;
• reducere afhængigheden af radioisotoper og logistik til nuklear mærkning.

Kontekst og uafhængige vurderinger

Publikationen i Physical Review Applied er åben adgang og licenseret under CC BY 4.0; University of Warwick udsendte en pressemeddelelse, "Diamanter der hjælper med at finde kræft", der fremhæver probens bærbarhed og endoskopiske diameter. Specialiserede publikationer for læger og ingeniører bemærker, at følsomhed under kliniske doser er et vigtigt skridt i retning af en rigtig operationsstue.

Hvad der ellers skal kontrolleres (en ærlig to-do-liste)

• Sterilitet og ergonomi: engangs-"overtræk", fastgørelse til endoskoper, bekvemmelighed for assistenter.
• Kalibreringer i levende væv: indflydelsen af blod, fedt, lymfeknudedybde og metalinstrumenter på signalet.
• Direkte sammenligninger: versus nuværende magnetiske sonder og radionuklidnavigation - med hensyn til nøjagtighed, tid og "falske mål".
• Reguleringsvej: EMC-standarder og evidensgrundlag for godkendelse i forskellige lande.

Hvorfor diamant- og NV-centre

NV-centre har kvantefølsomhed over for magnetfelter og optisk signallæsning: denne kombination muliggør konstruktion af kompakte, stabile sensorer, der fungerer ved stuetemperatur. Dette er afgørende for medicin: ingen kryogener, hurtig opstart, modularitet (laser og fotodetektor fjernes fra patienten via optisk fiber), potentiale for skalering til kliniske batches.

Konklusion

Det nye endoskopiske diamantmagnetometer "ser" med sikkerhed det magnetiske spor af en klinisk tracer ved doser lavere end normalt og passer ind i en 10 mm formfaktor. Hvis kommende tests bekræfter stabilitet i operationsmiljøet, vil kirurger have en kvante, kompakt og skånsom assistent til at finde sentinellymfeknuder - fra åbne operationer til laparoskopi og endoskopi. Dette er et sjældent tilfælde, hvor kvantesensorik næsten er klar til at krydse tærsklen til en rigtig klinik.

Kilde: AJ Newman et al. Endoskopisk diamantmagnetometer til kræftkirurgi. Physical Review Applied 24, 024029 (12. august 2025). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w