Diamantspårdetektor: Endoskopisk kvantmagnetometer kommer att berätta för kirurgen var man ska leta efter sentinellymfkörtlar

Fysiker från University of Warwick har demonstrerat en prototyp av en endoskopisk diamantmagnetometer för onkokirurgi. Sensorn använder kvävevakanscentra (NV) i diamant och läser av magnetfält från järnoxidspårämnet MagTrace™ – samma som används vid sentinellymfkörtelbiopsi vid bröstkirurgi. Enheten registrerar en järnmassa på endast 0,56 mg på ett avstånd på upp till 5,8 mm – detta är ungefär 100 gånger mindre än den rekommenderade dosen av spårämnet; vid högre koncentrationer ökar arbetsavståndet till 14,6 mm. Sensorhuvudets diameter är högst 10 mm, så det kan installeras på endoskop och laparoskop.

Bakgrund till studien

Sentinellymfkörtelbiopsi (SLNB) är standarden för stadieindelning av tidig bröstcancer och ett antal andra tumörer: de "första" lymfkörtlarna längs lymfdränaget avlägsnas för att förstå om tumören har gått in i lymfsystemet, vilket undviker mer traumatisk dissektion. Klassisk navigering är en radioisotop + blått färgämne, men metoden har sina nackdelar: radiologisk logistik, begränsade tidsfönster, sällsynta allergiska reaktioner och begränsningar för minimalinvasiva procedurer. Därför utvecklas alternativ aktivt - superparamagnetiska järnoxider (SPIO), till exempel den kliniska spårämnet MagTrace®, godkänt av NICE och FDA i kombination med Sentimag-sonden. Sådana markörer kan introduceras minuter eller veckor före operation, de finns kvar i lymfkörtlarna och är synliga med magnetiska sensorer i operationssalen.

Befintliga magnetiska sonder är dock vanligtvis handhållna enheter med en permanentmagnet och en Hall-sensor: de fungerar, men känsligheten och formfaktorn begränsar deras användning inom endoskopi och laparoskopi, och detektionströskeln uppmuntrar användningen av fulldosinjektioner av spårämnen. Det ideala verktyget för kirurgen är en miniatyriserad, sterilkompatibel sond som kan "se" mycket små mängder SPIO på centimeteravstånd och fungera utan massiva magnetiserande magneter.

Mot denna bakgrund verkar kvantsensorer på diamant vara en lovande plattform: kvävevakanscentra (NV) i diamant gör det möjligt att optiskt avläsa magnetfältet (ODMR) vid rumstemperatur, utan kryogener; enheter kan tillverkas fiberoptiska, vilket tar lasrar och detektorer utanför den sterila zonen. På senare år har kompakta NV-magnetometrar demonstrerats för biomedicinska tillämpningar, inklusive för att registrera signaler från magnetiska nanopartiklar. Översiktsartiklar systematiserar sätt att öka känsligheten och bekräftar potentialen för NV-diamant som en plattform för tillämpade magnetometrar.

En ny utveckling från University of Warwick täcker detta gap: en endoskopisk NV-diamantmagnetometer har presenterats som detekterar den kliniska spårämnet MagTrace®. Prototypen detekterar järnmassa upp till 0,56 mg på ett avstånd på upp till 5,8 mm (≈100 gånger mindre än den rekommenderade dosen) och arbetar med koncentrationer upp till 2,8 mg/ml på ett avstånd på upp till 14,6 mm; diametern på sensorns "huvud" ≤10 mm är kompatibel med endoskop och laparoskop. Om dessa parametrar bekräftas in vivo kan tekniken minska de erforderliga spårämnesdoserna, förenkla navigering vid minimalinvasiv kirurgi och minska beroendet av radioisotoper. För närvarande är detta en laboratorieprototyp som väntar på kalibrering i levande vävnad och direkt jämförelse med befintliga system, men "kvant"-vägen till kliniken är redan synlig.

Hur fungerar detta

Inuti sensorn finns en mikrokristall av diamant med NV-föroreningar. En grön laser och en mikrovågssignal justerar NV-centra, och deras luminescens förändras när de kommer in i ett magnetfält. Denna optiska resonansavläsning (ODMR) ger hög känslighet vid rumstemperatur, utan kryogener och supraledare. I den nya enheten är diamant"huvudet" anslutet med optisk fiber till resten av optiken: all tung elektronik förblir utanför det sterila fältet, och endast en miniatyrsensor förs till patienten – bekvämt för operationssalen.

Varför behöver onkologiska kirurger detta?

Vid bröstcancer (och ett antal andra tumörer) är det viktigt för kirurgen att noggrant hitta och ta bort sentinellymfkörtlar – de där tumörcellerna hamnar först. Magnetiska spårämnen baserade på superparamagnetisk järnoxid är ett säkert alternativ till radioisotoper och färgämnen (med anestesi- och allergiska risker). En kvantdiamantsensor gör denna teknik mer delikat och kompakt: ju lägre detektionströskel och ju mindre sensorn är, desto tidigare och bekvämare kan man se det "magnetiska spåret" av lymfkörteln – ända upp till endoskopiska ingrepp.

Viktiga fakta och siffror

• Järnmassatröskel: 0,56 mg detekterat på ett avstånd av upp till 5,8 mm (≈100× mindre än den rekommenderade dosen).
• Koncentrationsgräns: 2,8 mg/ml (≈20× mindre än rekommenderat) – med ett arbetsavstånd på upp till 14,6 mm.
• Sensordimensioner: ”huvud” ≤10 mm i diameter – kompatibel med endoskopi/laparoskopi.
• Användningsområde: detektion av järnoxidspårämnet MagTrace™ (Endomag/Endomagnetics) vid bröstkirurgi.

Hur skiljer sig detta från befintliga sonder?

För närvarande använder operationssalar manuella magnetiska sensorer med permanentmagnet och Hall-sensor – de har bevisat sin funktionalitet, men deras känslighet och format är begränsade. Diamond NV magnetometer:

• fungerar utan magnetisering av massiva magneter,
• läser svaga fält från små mängder spårämne,
• passar in i en endoskopisk formfaktor,
• tillåter att fiberoptik avlägsnas utanför den sterila zonen.

Vad innebär detta för patienten (och operationssalen)

I ett idealfall får kirurgen en "kvantpekare": genom att hålla en tunn sond mot vävnaden ser hen var spårämnets magnetiska spår är starkare – och letar efter sentinelnoden där. Detta kan:

• minska söktiden och volymen av snitt;
• minska dosen av den administrerade spårämnet (med bibehållen tillförlitlighet);
• assistera vid minimalt invasiva ingrepp - i bröstet, buken, bäckenet;
• minska beroendet av radioisotoper och logistik för kärnmärkning.

Kontext och oberoende bedömningar

Publikationen i Physical Review Applied är öppen åtkomst och licensierad under CC BY 4.0; University of Warwick utfärdade ett pressmeddelande, ”Diamanter som hjälper till att hitta cancer”, som lyfter fram sondens portabilitet och endoskopiska diameter. Specialiserade publikationer för läkare och ingenjörer noterar att känslighet under kliniska doser är ett viktigt steg mot en riktig operationssal.

Vad mer behöver kontrolleras (en ärlig att-göra-lista)

• Sterilitet och ergonomi: engångsskydd, fäste på endoskop, bekvämlighet för assistenter.
• Kalibreringar i levande vävnad: påverkan av blod, fett, lymfkörteldjup och metallinstrument på signalen.
• Direkta jämförelser: kontra nuvarande magnetiska sonder och radionuklidnavigering - vad gäller noggrannhet, tid och "falska mål".
• Regulatorisk väg: EMC-standarder och evidensbas för godkännande i olika länder.

Varför diamant- och NV-centra

NV-centra har kvantkänslighet för magnetfält och optisk signalavläsning: denna kombination möjliggör byggande av kompakta, stabila sensorer som arbetar vid rumstemperatur. Detta är avgörande för medicin: inga kryogener, snabb uppstart, modularitet (laser och fotodetektor avlägsnas från patienten via optisk fiber), potential för skalning till kliniska batcher.

Slutsats

Den nya endoskopiska diamantmagnetometern "ser" med säkerhet det magnetiska spåret från en klinisk spårämne vid lägre doser än vanligt och passar in i en 10 mm formfaktor. Om kommande tester bekräftar stabilitet i operationsmiljön kommer kirurger att ha en kvant, kompakt och skonsam assistent för att hitta sentinellymfkörtlar - från öppna operationer till laparoskopi och endoskopi. Detta är ett sällsynt fall när kvantsensorik nästan är redo att korsa tröskeln till en riktig klinik.

Källa: AJ Newman et al. Endoskopisk diamantmagnetometer för cancerkirurgi. Physical Review Applied 24, 024029 (12 augusti 2025). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w