Диамантен детектор на следи: Ендоскопският квантов магнитометър ще каже на хирурга къде да търси сентинелни лимфни възли

Физици от Университета на Уоруик демонстрираха прототип на ендоскопски диамантен магнитометър за онкохирургия. Сензорът използва азотно-вакантни (NV) центрове в диаманта и отчита магнитни полета от железния оксиден трасер MagTrace™ - същият, използван при биопсия на сентинелни лимфни възли в хирургията на гърдата. Устройството регистрира желязна маса от само 0,56 mg на разстояние до 5,8 mm - това е приблизително 100 пъти по-малко от препоръчителната доза на трасера; при по-високи концентрации работното разстояние се увеличава до 14,6 mm. Диаметърът на сензорната "глава" е не повече от 10 mm, така че може да се инсталира на ендоскопи и лапароскопи.

Предистория на изследването

Биопсията на сентинелните лимфни възли (SLNB) е стандартът за стадиране на ранен рак на гърдата и редица други тумори: „първите“ възли по лимфния дренаж се отстраняват, за да се разбере дали туморът е преминал в лимфната система, като се избягва по-травматична дисекция. Класическата навигация е радиоизотоп + синьо багрило, но методът има своите недостатъци: радиологична логистика, ограничени времеви прозорци, редки алергични реакции и ограничения за минимално инвазивни процедури. Поради това активно се разработват алтернативи - суперпарамагнитни железни оксиди (SPIO), например клиничният трасер MagTrace®, одобрен от NICE и FDA в комбинация със сондата Sentimag. Такива маркери могат да се въвеждат минути или седмици преди операцията, те остават във възлите и са видими с магнитни сензори в операционната зала.

Съществуващите магнитни сонди обаче обикновено са ръчни устройства с постоянен магнит и сензор на Хол: те работят, но чувствителността и форм-факторът ограничават употребата им в ендоскопията и лапароскопията, а прагът на откриване насърчава използването на инжекции с пълна доза трасер. Идеалният инструмент за хирурга е миниатюрна, стерилно съвместима сонда, която може да „вижда“ много малки количества SPIO на сантиметрови разстояния и да работи без масивни намагнитващи магнити.

На този фон, квантовите сензори върху диамант изглеждат обещаваща платформа: азотно-ваканционните (NV) центрове в диаманта позволяват оптично отчитане на магнитното поле (ODMR) при стайна температура, без криогени; устройствата могат да бъдат направени оптични, извеждайки лазерите и детекторите извън стерилната зона. През последните години бяха демонстрирани компактни NV магнитометри за биомедицински приложения, включително за записване на сигнали от магнитни наночастици. Обзорните статии систематизират начините за повишаване на чувствителността и потвърждават потенциала на NV диаманта като платформа за приложни магнитометри.

Нова разработка от Университета на Уоруик запълва тази празнина: представен е ендоскопски NV диамантен магнитометър, който открива клиничния трасер MagTrace®. Прототипът открива желязна маса до 0,56 mg на разстояние до 5,8 mm (≈100 пъти по-малко от препоръчителната доза) и работи с концентрации до 2,8 mg/ml на разстояние до 14,6 mm; диаметърът на сензорната „глава“ ≤10 mm е съвместим с ендоскопи и лапароскопи. Ако тези параметри бъдат потвърдени in vivo, технологията може да намали необходимите дози трасер, да опрости навигацията в минимално инвазивната хирургия и да намали зависимостта от радиоизотопи. Засега това е лабораторен прототип, който очаква калибриране в жива тъкан и директно сравнение със съществуващи системи, но „квантовият“ път към клиниката вече е видим.

Как работи това

Вътре в сензора се намира микрокристал от диамант с NV примеси. Зелен лазер и микровълнов сигнал настройват NV центровете и тяхната луминесценция се променя, когато попаднат в магнитно поле. Това оптично-резонансно отчитане (ODMR) осигурява висока чувствителност при стайна температура, без криогени и свръхпроводници. В новото устройство диамантената „глава“ е свързана чрез оптично влакно с останалата част от оптиката: цялата тежка електроника остава извън стерилното поле и само миниатюрен сензор се донася до пациента - удобно за операционната зала.

Защо онкологичните хирурзи се нуждаят от това?

При рак на гърдата (и редица други тумори) е важно хирургът точно да открие и отстрани сентинелните лимфни възли - тези, където туморните клетки отиват първо. Магнитните трасери, базирани на суперпарамагнитен железен оксид, са безопасна алтернатива на радиоизотопи и багрила (с анестетични и алергични рискове). Квантов диамантен сензор добавя деликатност и компактност към тази техника: колкото по-нисък е прагът на откриване и колкото по-малък е сензорът, толкова по-рано и по-удобно можете да видите „магнитната следа“ на възела - чак до ендоскопски процедури.

Ключови факти и цифри

• Праг на желязна маса: 0,56 mg, засечени на разстояние до 5,8 mm (≈100× по-малко от препоръчителната доза).
• Праг на концентрация: 2,8 mg/ml (≈20× по-малко от препоръчителното) - с работно разстояние до 14,6 mm.
• Размери на сензора: „глава“ ≤10 мм в диаметър - съвместим с ендоскопия/лапароскопия.
• Приложение: откриване на трасера на железен оксид MagTrace™ (Endomag/Endomagnetics) в хирургията на гърдата.

По какво това се различава от съществуващите сонди?

В момента в операционните зали се използват ръчни магнитни сензори с постоянен магнит и сензор на Хол - те са доказали своята функционалност, но чувствителността и форматът им са ограничени. Магнитометър Diamond NV:

• работи без намагнитване от масивни магнити,
• отчита слаби полета от малки количества трасер,
• вписва се в ендоскопски форм-фактор,
• позволява изваждане на оптичните влакна извън стерилната зона.

Какво означава това за пациента (и операционната зала)

В идеалния случай хирургът получава „квантов указател“: държейки тънка сонда до тъканта, той вижда къде магнитната следа на трасера е по-силна - и търси там сентиналния възел. Това може:

• намаляване на времето за търсене и обема на разфасовките;
• намалете дозата на приложения трасер (като същевременно запазите надеждността);
• съдействат при минимално инвазивни интервенции - в областта на гръдния кош, корема, таза;
• намаляване на зависимостта от радиоизотопи и логистика за ядрено маркиране.

Контекст и независими оценки

Публикацията в Physical Review Applied е с отворен достъп и е лицензирана под CC BY 4.0; Университетът на Уоруик публикува прессъобщение „Диаманти, които помагат за откриването на рак“, в което се подчертава преносимостта и ендоскопския диаметър на сондата. Специализирани издания за лекари и инженери отбелязват, че чувствителността под клиничните дози е важна стъпка към истинска операционна зала.

Какво друго трябва да се провери (честен списък със задачи)

• Стерилност и ергономичност: еднократни „калъфи“, закрепване към ендоскопи, удобство за асистентите.
• Калибриране в жива тъкан: влияние на кръв, мазнини, дълбочина на възлите и метални инструменти върху сигнала.
• Директни сравнения: спрямо настоящите магнитни сонди и радионуклидна навигация - по отношение на точност, време и „фалшиви цели“.
• Регулаторен път: Стандарти за електромагнитна съвместимост и доказателствена база за одобрение в различни страни.

Защо диамантени и невада центрове

НВ центровете имат квантова чувствителност към магнитни полета и отчитане на оптични сигнали: тази комбинация позволява изграждането на компактни, стабилни сензори, които работят при стайна температура. Това е от решаващо значение за медицината: липса на криогенни агенти, бързо стартиране, модулност (лазерът и фотодетекторът се отстраняват от пациента чрез оптично влакно), потенциал за мащабиране в клинични партиди.

Заключение

Новият ендоскопски диамантен магнитометър уверено „вижда“ магнитната следа на клиничен трасер при дози по-ниски от обичайното и се побира в 10-милиметров форм-фактор. Ако предстоящите тестове потвърдят стабилност в операционната среда, хирурзите ще разполагат с квантов, компактен и нежен асистент за намиране на сентинелни лимфни възли - от отворени операции до лапароскопия и ендоскопия. Това е рядък случай, когато квантовата сензорика е почти готова да прекрачи прага на реална клиника.

Източник: AJ Newman et al. Ендоскопски диамантен магнитометър за онкохирургия. Physical Review Applied 24, 024029 (12 август 2025 г.). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w