Diamantspordetektor: Endoskopisk kvantemagnetometer vil fortelle kirurgen hvor han skal lete etter sentinellymfeknuter

Fysikere fra University of Warwick har demonstrert en prototype av et endoskopisk diamantmagnetometer for onkokirurgi. Sensoren bruker nitrogenvakanssentre (NV) i diamant og leser magnetfelt fra jernoksidsporstoffet MagTrace™ – det samme som brukes i vaktpostlymfeknutebiopsi i brystkirurgi. Enheten registrerer en jernmasse på bare 0,56 mg i en avstand på opptil 5,8 mm – dette er omtrent 100 ganger mindre enn den anbefalte dosen av sporstoffet; ved høyere konsentrasjoner øker arbeidsavstanden til 14,6 mm. Diameteren på sensor"hodet" er ikke mer enn 10 mm, så det kan installeres på endoskoper og laparoskoper.

Bakgrunn for studien

Sentinellymfeknutebiopsi (SLNB) er standarden for stadieinndeling av tidlig brystkreft og en rekke andre svulster: de "første" nodene langs lymfedrenasjen fjernes for å forstå om svulsten har gått inn i lymfesystemet, noe som unngår mer traumatisk disseksjon. Klassisk navigasjon er en radioisotop + blått fargestoff, men metoden har sine ulemper: radiologisk logistikk, begrensede tidsvinduer, sjeldne allergiske reaksjoner og begrensninger for minimalt invasive prosedyrer. Derfor er alternativer i aktiv utvikling - superparamagnetiske jernoksider (SPIO), for eksempel den kliniske sporstoffet MagTrace®, godkjent av NICE og FDA i kombinasjon med Sentimag-sonden. Slike markører kan introduseres minutter eller uker før operasjonen, de forblir i nodene og er synlige med magnetiske sensorer på operasjonsstuen.

Eksisterende magnetiske prober er imidlertid vanligvis håndholdte enheter med permanentmagnet og Hall-sensor. De fungerer, men følsomheten og formfaktoren begrenser bruken av dem i endoskopi og laparoskopi, og deteksjonsterskelen oppmuntrer til bruk av fulldose-sporstoffinjeksjoner. Det ideelle verktøyet for kirurgen er en miniatyr, sterilkompatibel probe som kan «se» svært små mengder SPIO på centimeteravstand og fungere uten massive magnetiserende magneter.

Mot denne bakgrunnen ser kvantesensorer på diamant ut til å være en lovende plattform: nitrogenvakanssentre (NV) i diamant gjør det mulig å optisk lese magnetfeltet (ODMR) ved romtemperatur, uten kryogener; enheter kan lages fiberoptiske, slik at lasere og detektorer fjernes fra den sterile sonen. I de senere år har kompakte NV-magnetometre blitt demonstrert for biomedisinske applikasjoner, inkludert for å registrere signaler fra magnetiske nanopartikler. Oversiktsartikler systematiserer måter å øke følsomheten på og bekrefter potensialet til NV-diamant som en plattform for anvendte magnetometre.

En ny utvikling fra University of Warwick tetter dette gapet: et endoskopisk NV-diamantmagnetometer har blitt presentert som detekterer den kliniske sporstoffet MagTrace®. Prototypen detekterer jernmasse opptil 0,56 mg i en avstand på opptil 5,8 mm (≈100 ganger mindre enn anbefalt dose) og fungerer med konsentrasjoner opptil 2,8 mg/ml i en avstand på opptil 14,6 mm; diameteren på sensor"hodet" ≤10 mm er kompatibel med endoskoper og laparoskoper. Hvis disse parametrene bekreftes in vivo, kan teknologien redusere de nødvendige sporstoffdosene, forenkle navigasjon i minimalt invasiv kirurgi og redusere avhengigheten av radioisotoper. Foreløpig er dette en laboratorieprototype som venter på kalibrering i levende vev og direkte sammenligning med eksisterende systemer, men "kvante"-veien til klinikken er allerede synlig.

Hvordan fungerer dette

Inne i sensoren er det en mikrokrystall av diamant med NV-urenheter. En grønn laser og et mikrobølgesignal justerer NV-sentrene, og deres luminescens endres når de kommer inn i et magnetfelt. Denne optiske resonansavlesningen (ODMR) gir høy følsomhet ved romtemperatur, uten kryogener og superledere. I den nye enheten er diamant"hodet" koblet med optisk fiber til resten av optikken: all tung elektronikk forblir utenfor det sterile feltet, og bare en miniatyrsensor bringes til pasienten – praktisk for operasjonsstuen.

Hvorfor trenger onkologiske kirurger dette?

Ved brystkreft (og en rekke andre svulster) er det viktig for kirurgen å finne og fjerne sentinellymfeknuter nøyaktig – de der tumorcellene havner først. Magnetiske sporstoffer basert på superparamagnetisk jernoksid er et trygt alternativ til radioisotoper og fargestoffer (med bedøvelses- og allergisk risiko). En kvantediamantsensor gjør denne teknikken mer delikat og kompakt: jo lavere deteksjonsterskelen er og jo mindre sensoren er, desto tidligere og mer praktisk kan du se det "magnetiske sporet" av lymfeknuten – helt opp til endoskopiske prosedyrer.

Viktige fakta og tall

• Jernmasseterskel: 0,56 mg detektert på en avstand på opptil 5,8 mm (≈100 ganger mindre enn anbefalt dose).
• Konsentrasjonsterskel: 2,8 mg/ml (≈20× mindre enn anbefalt) – med en arbeidsavstand på opptil 14,6 mm.
• Sensordimensjoner: «hode» ≤10 mm i diameter – kompatibel med endoskopi/laparoskopi.
• Anvendelse: deteksjon av jernoksidsporstoffet MagTrace™ (Endomag/Endomagnetics) i brystkirurgi.

Hvordan er dette forskjellig fra eksisterende sonder?

For tiden bruker operasjonsstuer manuelle magnetiske sensorer med permanentmagnet og Hall-sensor – de har bevist sin funksjonalitet, men følsomheten og formatet er begrenset. Diamond NV magnetometer:

• fungerer uten magnetisering av massive magneter,
• leser svake felt fra små mengder sporstoff,
• passer inn i en endoskopisk formfaktor,
• tillater fjerning av fiberoptikk utenfor den sterile sonen.

Hva betyr dette for pasienten (og operasjonsstuen)?

I et ideelt scenario får kirurgen en «kvantepeker»: ved å holde en tynn sonde mot vevet ser han hvor det magnetiske sporet fra sporstoffet er sterkest – og ser etter vaktpostknuten der. Dette kan:

• redusere søketiden og volumet av kutt;
• redusere dosen av den administrerte sporstoffet (samtidig som påliteligheten opprettholdes);
• bistå ved minimalt invasive inngrep - i bryst, mage, bekken;
• redusere avhengigheten av radioisotoper og logistikk for atommerking.

Kontekst og uavhengige vurderinger

Publikasjonen i Physical Review Applied er åpen tilgang og lisensiert under CC BY 4.0; University of Warwick utstedte en pressemelding, «Diamanter som hjelper med å finne kreft», som fremhever probens bærbarhet og endoskopiske diameter. Spesialiserte publikasjoner for leger og ingeniører bemerker at følsomhet under kliniske doser er et viktig skritt mot en ekte operasjonsstue.

Hva annet må sjekkes (en ærlig gjøremålsliste)

• Sterilitet og ergonomi: engangs-"deksler", feste til endoskoper, bekvemmelighet for assistenter.
• Kalibreringer i levende vev: påvirkningen av blod, fett, lymfeknutedybde og metallinstrumenter på signalet.
• Direkte sammenligninger: versus nåværende magnetiske sonder og radionuklidnavigasjon - når det gjelder nøyaktighet, tid og "falske mål".
• Reguleringsvei: EMC-standarder og evidensgrunnlag for godkjenning i forskjellige land.

Hvorfor diamant- og NV-sentre

NV-sentre har kvantefølsomhet for magnetfelt og optisk signalavlesning: denne kombinasjonen gjør det mulig å bygge kompakte, stabile sensorer som opererer ved romtemperatur. Dette er kritisk for medisin: ingen kryogener, rask oppstart, modularitet (laser og fotodetektor fjernes fra pasienten via optisk fiber), potensial for skalering til kliniske batcher.

Konklusjon

Det nye endoskopiske diamantmagnetometeret «ser» med sikkerhet det magnetiske sporet av en klinisk sporstoff i doser som er lavere enn vanlig, og passer inn i en 10 mm formfaktor. Hvis kommende tester bekrefter stabilitet i operasjonsmiljøet, vil kirurger ha en kvante, kompakt og skånsom assistent for å finne vaktpostlymfeknuter – fra åpne operasjoner til laparoskopi og endoskopi. Dette er et sjeldent tilfelle når kvantesensorikk er nesten klar til å krysse terskelen til en ekte klinikk.

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