Gyémántnyom-detektor: Endoszkópos kvantummagnetométer megmondja a sebésznek, hol keresse az őrszemnyirokcsomókat

A Warwicki Egyetem fizikusai bemutattak egy endoszkópos gyémánt magnetométer prototípusát onkosebészetben. Az érzékelő gyémántban lévő nitrogénvakancia (NV) központokat használ, és a MagTrace™ vas-oxid nyomjelzőből – ugyanazon anyagból, amelyet az emlőműtétek során az őrszem nyirokcsomó biopsziájához használnak – származó mágneses mezőket olvas le. A készülék mindössze 0,56 mg vastömeget regisztrál akár 5,8 mm távolságból is – ez körülbelül 100-szor kevesebb, mint a nyomjelző ajánlott dózisa; magasabb koncentrációknál a munkatávolság 14,6 mm-re nő. Az érzékelő "fejének" átmérője legfeljebb 10 mm, így endoszkópokra és laparoszkópokra is felszerelhető.

A tanulmány háttere

A sentinel nyirokcsomó biopszia (SLNB) a korai emlőrák és számos más daganat stádiumának meghatározására szolgáló standard módszer: a nyirokelvezetés mentén található „első” nyirokcsomókat eltávolítják, hogy megállapítsák, a daganat bejutott-e a nyirokrendszerbe, elkerülve a traumásabb boncolást. A klasszikus navigáció radioizotópos + kék festék, de a módszernek vannak hátrányai: radiológiai logisztika, korlátozott időablakok, ritka allergiás reakciók és a minimálisan invazív beavatkozások korlátai. Ezért aktívan fejlődnek alternatívák - szuperparamágneses vas-oxidok (SPIO), például a NICE és az FDA által jóváhagyott MagTrace® klinikai nyomjelző a Sentimag szondával kombinálva. Az ilyen markerek percekkel vagy hetekkel a műtét előtt bevihetők, a nyirokcsomókban maradnak, és mágneses érzékelőkkel láthatók a műtőben.

A meglévő mágneses szondák azonban jellemzően kézi eszközök, állandó mágnessel és Hall-érzékelővel: működnek, de az érzékenységük és a formai tényezőjük korlátozza alkalmazásukat endoszkópiában és laparoszkópiában, az észlelési küszöb pedig a teljes dózisú nyomjelző injekciók alkalmazását ösztönzi. A sebész számára ideális eszköz egy miniatűr, steril-kompatibilis szonda, amely centiméteres távolságból is képes „látni” nagyon kis mennyiségű SPIO-t, és hatalmas mágnesező mágnesek nélkül működik.

Ezt figyelembe véve a gyémánton található kvantumérzékelők ígéretes platformnak tűnnek: a gyémántban található nitrogénvakancia (NV) központok lehetővé teszik a mágneses tér (ODMR) optikai leolvasását szobahőmérsékleten, kriogének nélkül; az eszközök száloptikásan is elkészíthetők, így a lézerek és detektorok kikerülhetnek a steril zónából. Az elmúlt években kompakt NV magnetométereket mutattak be biomedicinális alkalmazásokhoz, többek között mágneses nanorészecskékből származó jelek rögzítésére. Az áttekintő cikkek rendszerezik az érzékenység növelésének módjait, és megerősítik az NV gyémánt potenciálját, mint alkalmazott magnetométerek platformját.

A Warwicki Egyetem új fejlesztése ezt a hiányt pótolja: bemutattak egy endoszkópos NV gyémánt magnetométert, amely a MagTrace® klinikai nyomjelzőt érzékeli. A prototípus akár 0,56 mg vastömeget is képes érzékelni akár 5,8 mm távolságból (≈100-szor kevesebb, mint az ajánlott dózis), és akár 2,8 mg/ml koncentrációval is működik akár 14,6 mm távolságból; az érzékelő „fejének” átmérője ≤10 mm kompatibilis az endoszkópokkal és laparoszkópokkal. Ha ezeket a paramétereket in vivo megerősítik, a technológia csökkentheti a szükséges nyomjelző dózisokat, egyszerűsítheti a navigációt a minimálisan invazív műtétekben, és csökkentheti a radioizotópoktól való függőséget. Egyelőre ez egy laboratóriumi prototípus, amely élő szövetben történő kalibrálásra és a meglévő rendszerekkel való közvetlen összehasonlításra vár, de a „kvantum” útja a klinikum felé már látható.

Ez hogy működik

Az érzékelő belsejében egy gyémánt mikrokristály található neonszennyeződésekkel. Egy zöld lézer és egy mikrohullámú jel hangolja az neonközpontokat, és lumineszcenciájuk megváltozik, amikor mágneses mezőbe lépnek. Ez az optikai rezonancia leolvasás (ODMR) nagy érzékenységet biztosít szobahőmérsékleten, kriogének és szupravezetők nélkül. Az új eszközben a gyémánt "fej" optikai szálon keresztül csatlakozik az optika többi részéhez: az összes nehéz elektronika a steril mezőn kívül marad, és csak egy miniatűr érzékelőt visznek a beteghez – ami kényelmes a műtőben.

Miért van erre szükségük az onkológiai sebészeknek?

Emlőrák (és számos más daganat) esetén fontos, hogy a sebész pontosan megtalálja és eltávolítsa az őrszemnyirokcsomókat – azokat, ahová a tumorsejtek először jutnak be. A szuperparamágneses vas-oxidon alapuló mágneses nyomjelzők biztonságos alternatívát jelentenek a radioizotópokkal és festékekkel szemben (érzéstelenítő és allergiás kockázatokkal). A kvantumgyémánt-érzékelő finomságot és tömörséget kölcsönöz ennek a technikának: minél alacsonyabb az észlelési küszöb és minél kisebb az érzékelő, annál korábban és kényelmesebben látható a csomó „mágneses nyoma” – akár endoszkópos beavatkozások során is.

Főbb tények és adatok

• Vas tömegküszöb: 0,56 mg, legfeljebb 5,8 mm távolságból kimutatható (≈100× kevesebb, mint az ajánlott dózis).
• Koncentrációs küszöbérték: 2,8 mg/ml (≈20× kevesebb az ajánlottnál) – akár 14,6 mm-es munkatávolsággal.
• Szenzor méretei: „fej” ≤10 mm átmérőjű – endoszkópiával/laparoszkópiával kompatibilis.
• Alkalmazás: a MagTrace™ (Endomag/Endomagnetics) vas-oxid nyomjelző kimutatása mellműtétekben.

Miben különbözik ez a meglévő szondáktól?

Jelenleg a műtőkben manuális mágneses érzékelőket használnak állandó mágnessel és Hall-érzékelővel - ezek bizonyították működésüket, de érzékenységük és formátumuk korlátozott. Diamond NV magnetométer:

• hatalmas mágnesek mágnesezése nélkül működik,
• gyenge mezőket olvas le kis mennyiségű nyomjelzőből,
• endoszkópos kialakítású kialakításba illeszkedik,
• lehetővé teszi az optikai szálak steril zónán kívüli eltávolítását.

Mit jelent ez a beteg (és a műtő) számára?

Ideális esetben a sebész egy „kvantummutatót” kap: egy vékony szondát tart a szövethez, és meglátja, hol erősebb a nyomjelző mágneses nyoma – és ott keresi az őrszemnyirokcsomót. Ez a következőket teheti:

• csökkenteni a keresési időt és a vágások mennyiségét;
• csökkentse a beadott nyomjelző dózisát (a megbízhatóság megőrzése mellett);
• minimálisan invazív beavatkozások segítése - a mellkasban, a hasban, a medencében;
• csökkenteni a radioizotópoktól és a nukleáris jelölési logisztikától való függőséget.

Kontextus és független értékelések

A Physical Review Applied folyóiratban megjelent publikáció nyílt hozzáférésű és CC BY 4.0 licenc alatt áll; a Warwicki Egyetem sajtóközleményt adott ki „Gyémántok, amelyek segítenek megtalálni a rákot” címmel, kiemelve a szonda hordozhatóságát és endoszkópos átmérőjét. Az orvosoknak és mérnököknek szóló szakkiadványok megjegyzik, hogy a klinikai dózisok alatti érzékenység fontos lépés a valódi műtő felé.

Mit kell még ellenőrizni (egy őszinte teendőlista)

• Sterilitás és ergonómia: eldobható „borítások”, endoszkópokhoz való rögzítés, kényelem az asszisztensek számára.
• Kalibrációk élő szövetben: a vér, a zsír, a nyirokcsomó-mélység és a fémeszközök hatása a jelre.
• Összehasonlítások a jelenlegi mágneses szondákkal és radionuklid navigációval szemben - pontosság, idő és "téves célpontok" tekintetében.
• Szabályozási út: EMC szabványok és bizonyítékbázis a jóváhagyáshoz különböző országokban.

Miért a gyémánt- és nevada központok?

Az NV központok kvantumérzékenységgel rendelkeznek a mágneses mezőkre és optikai jelolvasással rendelkeznek: ez a kombináció lehetővé teszi kompakt, stabil, szobahőmérsékleten működő érzékelők építését. Ez kritikus fontosságú az orvostudomány számára: nincsenek kriogének, gyors indítás, modularitás (a lézert és a fotodetektort optikai szálon keresztül távolítják el a betegről), és lehetőség van klinikai tételekké skálázható.

Következtetés

Az új endoszkópos gyémánt magnetométer magabiztosan „látja” a klinikai nyomjelző mágneses nyomát a szokásosnál alacsonyabb dózisokban, és egy 10 mm-es formátumba illeszkedik. Amennyiben a közelgő tesztek megerősítik a stabilitást a műtéti környezetben, a sebészek egy kvantummechanikai, kompakt és gyengéd asszisztenshez férhetnek hozzá az őrszemnyirokcsomók megtalálásához – a nyílt műtétektől kezdve a laparoszkópián át az endoszkópiáig. Ez egy ritka eset, amikor a kvantumszenzorika már majdnem készen áll arra, hogy átlépje a küszöböt egy valódi klinikán.

Forrás: AJ Newman et al. Endoszkópos gyémánt magnetométer ráksebészetben. Physical Review Applied 24, 024029 (2025. augusztus 12.). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w