Deimantų pėdsakų detektorius: endoskopinis kvantinis magnetometras nurodys chirurgui, kur ieškoti sarginių limfmazgių

Voriko universiteto fizikai pademonstravo endoskopinio deimantinio magnetometro, skirto onkochirurgijai, prototipą. Jutiklis naudoja azoto laisvųjų vietų (NV) centrus deimante ir nuskaito magnetinius laukus iš geležies oksido žymeklio „MagTrace™“ – to paties, kuris naudojamas sarginių limfmazgių biopsijoje krūtų chirurgijoje. Prietaisas užfiksuoja tik 0,56 mg geležies masę iki 5,8 mm atstumu – tai maždaug 100 kartų mažiau nei rekomenduojama žymeklio dozė; esant didesnėms koncentracijoms, darbinis atstumas padidėja iki 14,6 mm. Jutiklio „galvutės“ skersmuo yra ne didesnis kaip 10 mm, todėl jį galima montuoti ant endoskopų ir laparoskopų.

Tyrimo kontekstas

Sarginio limfmazgio biopsija (SLNB) yra standartinis ankstyvosios krūties vėžio ir daugelio kitų navikų stadijos nustatymo metodas: pašalinami „pirmieji“ mazgai palei limfos drenažą, siekiant suprasti, ar navikas pateko į limfinę sistemą, išvengiant traumuojančios disekcijos. Klasikinė navigacija yra radioizotopas + mėlyni dažai, tačiau šis metodas turi trūkumų: radiologinę logistiką, ribotus laiko langus, retas alergines reakcijas ir minimaliai invazinių procedūrų apribojimus. Todėl aktyviai kuriamos alternatyvos – superparamagnetiniai geležies oksidai (SPIO), pavyzdžiui, klinikinis žymeklis „MagTrace®“, patvirtintas NICE ir FDA kartu su „Sentimag“ zondu. Tokie žymekliai gali būti įvedami likus kelioms minutėms ar savaitėms iki operacijos, jie lieka mazguose ir yra matomi magnetiniais jutikliais operacinėje.

Tačiau esami magnetiniai zondai paprastai yra rankiniai prietaisai su nuolatiniu magnetu ir Holo jutikliu: jie veikia, tačiau jautrumas ir formos faktorius riboja jų naudojimą endoskopijoje ir laparoskopijoje, o aptikimo slenkstis skatina naudoti visos dozės žymeklio injekcijas. Idealus įrankis chirurgui yra miniatiūrinis, sterilus suderinamas zondas, kuris gali „matyti“ labai mažus SPIO kiekius centimetrų atstumu ir veikti be masyvių magnetuojančių magnetų.

Atsižvelgiant į tai, kvantiniai jutikliai ant deimantų atrodo perspektyvi platforma: azoto laisvųjų vietų (NV) centrai deimantuose leidžia optiškai nuskaityti magnetinį lauką (ODMR) kambario temperatūroje, be kriogenų; prietaisai gali būti pagaminti iš šviesolaidinio pluošto, perkeliant lazerius ir detektorius iš sterilios zonos. Pastaraisiais metais kompaktiški NV magnetometrai buvo demonstruojami biomedicininėms reikmėms, įskaitant signalų iš magnetinių nanodalelių įrašymą. Apžvalginiuose straipsniuose susisteminami būdai, kaip padidinti jautrumą, ir patvirtinamas NV deimanto, kaip taikomųjų magnetometrų platformos, potencialas.

Naujas Voriko universiteto kūrinys užpildo šią spragą: pristatytas endoskopinis NV deimantinis magnetometras, kuris aptinka klinikinį žymeklį MagTrace®. Prototipas aptinka iki 0,56 mg geležies masę iki 5,8 mm atstumu (≈100 kartų mažiau nei rekomenduojama dozė) ir veikia su iki 2,8 mg/ml koncentracijomis iki 14,6 mm atstumu; jutiklio „galvutės“ skersmuo ≤10 mm yra suderinamas su endoskopais ir laparoskopais. Jei šie parametrai bus patvirtinti in vivo, technologija gali sumažinti reikalingas žymeklio dozes, supaprastinti navigaciją minimaliai invazinėje chirurgijoje ir sumažinti priklausomybę nuo radioizotopų. Kol kas tai yra laboratorinis prototipas, kuris laukia kalibravimo gyvuose audiniuose ir tiesioginio palyginimo su esamomis sistemomis, tačiau „kvantinis“ kelias į kliniką jau matomas.

Kaip tai veikia

Jutiklio viduje yra deimanto mikrokristalas su NV priemaišomis. Žalias lazeris ir mikrobangų signalas derina NV centrus, o jų liuminescencija pasikeičia, kai jie patenka į magnetinį lauką. Šis optinio rezonanso rodmuo (ODMR) užtikrina didelį jautrumą kambario temperatūroje, be kriogenų ir superlaidininkų. Naujajame įrenginyje deimanto „galvutė“ optiniu pluoštu sujungta su likusia optika: visa sunkioji elektronika lieka už sterilaus lauko ribų, o pacientui atnešamas tik miniatiūrinis jutiklis – patogu operacinėje.

Kodėl onkologams to reikia?

Sergant krūties vėžiu (ir daugeliu kitų navikų), chirurgui svarbu tiksliai surasti ir pašalinti sarginius limfmazgius – tuos, į kuriuos pirmiausia patenka naviko ląstelės. Magnetiniai žymekliai, kurių pagrindą sudaro superparamagnetinis geležies oksidas, yra saugi alternatyva radioizotopams ir dažams (su anestezijos ir alergijos rizika). Kvantinis deimantinis jutiklis suteikia šiai technikai subtilumo ir kompaktiškumo: kuo mažesnė aptikimo riba ir kuo mažesnis jutiklis, tuo anksčiau ir patogiau galima pamatyti mazgo „magnetinį pėdsaką“ – net ir atliekant endoskopines procedūras.

Svarbiausi faktai ir skaičiai

• Geležies masės slenkstis: 0,56 mg, aptikta iki 5,8 mm atstumu (≈100 × mažiau nei rekomenduojama dozė).
• Koncentracijos riba: 2,8 mg/ml (≈20 × mažiau nei rekomenduojama) – darbinis atstumas iki 14,6 mm.
• Jutiklio matmenys: „galvutės“ skersmuo ≤10 mm – suderinama su endoskopija/laparoskopija.
• Taikymas: geležies oksido žymeklio „MagTrace™“ („Endomag“ / „Endomagnetics“) aptikimas krūtų chirurgijoje.

Kuo tai skiriasi nuo esamų zondų?

Šiuo metu operacinėse naudojami rankiniai magnetiniai jutikliai su nuolatiniu magnetu ir Holo jutiklis – jie įrodė savo funkcionalumą, tačiau jų jautrumas ir formatas yra riboti. Diamond NV magnetometras:

• veikia be įmagnetinimo masyviais magnetais,
• nuskaito silpnus laukus iš nedidelio kiekio žymeklio,
• telpa į endoskopinę formą,
• leidžia ištraukti šviesolaidžius už sterilios zonos ribų.

Ką tai reiškia pacientui (ir operacinei)?

Idealiu atveju chirurgas gauna „kvantinį žymeklį“: priglaudęs ploną zondą prie audinio, jis mato, kur žymeklio magnetinis pėdsakas yra stipresnis, ir ten ieško sarginio mazgo. Tai gali:

• sumažinti paieškos laiką ir pjovimų apimtį;
• sumažinti skiriamo žymeklio dozę (išlaikant patikimumą);
• padėti atliekant minimaliai invazines intervencijas – krūtinėje, pilve, dubenyje;
• sumažinti priklausomybę nuo radioizotopų ir branduolinio žymėjimo logistikos.

Kontekstas ir nepriklausomi vertinimai

Leidinyje „Physical Review Applied“ publikuota medžiaga yra atviros prieigos ir licencijuota pagal CC BY 4.0 licenciją; Voriko universitetas išplatino pranešimą spaudai „Deimantai, kurie padeda rasti vėžį“, kuriame pabrėžiamas zondo perkeliamumas ir endoskopinis skersmuo. Specializuotuose leidiniuose gydytojams ir inžinieriams pažymima, kad jautrumas, mažesnis už klinikines dozes, yra svarbus žingsnis siekiant sukurti tikrą operacinę.

Ką dar reikia patikrinti (sąžiningas darbų sąrašas)

• Sterilumas ir ergonomika: vienkartiniai „dangteliai“, tvirtinimas prie endoskopų, patogumas asistentams.
• Kalibravimas gyvuose audiniuose: kraujo, riebalų, limfmazgių gylio ir metalinių instrumentų įtaka signalui.
• Tiesioginiai palyginimai: palyginti su dabartiniais magnetiniais zondais ir radionuklidų navigacija – atsižvelgiant į tikslumą, laiką ir „klaidingus taikinius“.
• Reguliavimo kelias: EMC standartai ir įrodymų bazė patvirtinimui skirtingose šalyse.

Kodėl deimantų ir NV centrai

Neuralgijos centrai pasižymi kvantiniu jautrumu magnetiniams laukams ir optinio signalo nuskaitymui: šis derinys leidžia sukurti kompaktiškus, stabilius jutiklius, veikiančius kambario temperatūroje. Tai labai svarbu medicinoje: nėra kriogeninių medžiagų, greitas paleidimas, moduliškumas (lazeris ir fotodetektorius nuo paciento pašalinami optiniu pluoštu), galimybė plėsti gamybą klinikinėse partijose.

Išvada

Naujasis endoskopinis deimantinis magnetometras užtikrintai „mato“ klinikinio žymeklio magnetinį pėdsaką esant mažesnėms nei įprasta dozėms ir telpa į 10 mm formos faktorių. Jei būsimi tyrimai patvirtins stabilumą operacinėje aplinkoje, chirurgai turės kvantinį, kompaktišką ir švelnų asistentą sarginiams limfmazgiams surasti – nuo atvirų operacijų iki laparoskopijos ir endoskopijos. Tai retas atvejis, kai kvantinė sensorika beveik pasirengusi peržengti slenkstį tikroje klinikoje.

Šaltinis: AJ Newman ir kt. Endoskopinis deimantinis magnetometras vėžio chirurgijai. „Physical Review Applied“ 24, 024029 (2025 m. rugpjūčio 12 d.). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w