Detector de urme de diamante: Magnetometrul cuantic endoscopic îi va spune chirurgului unde să caute ganglionii limfatici santinelă

Fizicienii de la Universitatea din Warwick au demonstrat prototipul unui magnetometru endoscopic cu diamant pentru oncochirurgie. Senzorul utilizează centre de vacanță de azot (NV) în diamant și citește câmpurile magnetice de la trasorul de oxid de fier MagTrace™ - același utilizat în biopsia ganglionului limfatic santinelă în chirurgia mamară. Dispozitivul înregistrează o masă de fier de doar 0,56 mg la o distanță de până la 5,8 mm - aceasta este de aproximativ 100 de ori mai mică decât doza recomandată de trasor; la concentrații mai mari, distanța de lucru crește la 14,6 mm. Diametrul „capului” senzorului nu depășește 10 mm, astfel încât poate fi instalat pe endoscoape și laparoscoape.

Contextul studiului

Biopsia ganglionului limfatic santinelă (SLNB) este standardul pentru stadializarea cancerului de sân în stadiu incipient și a unei serii de alte tumori: „primii” ganglioni limfatici de-a lungul drenajului limfatic sunt îndepărtați pentru a înțelege dacă tumora a pătruns în sistemul limfatic, evitând disecția mai traumatică. Navigația clasică constă într-un radioizotop + colorant albastru, dar metoda are dezavantajele sale: logistică radiologică, ferestre de timp limitate, reacții alergice rare și limitări pentru procedurile minim invazive. Prin urmare, se dezvoltă activ alternative - oxizi de fier superparamagnetici (SPIO), de exemplu, trasorul clinic MagTrace®, aprobat de NICE și FDA în combinație cu sonda Sentimag. Astfel de markeri pot fi introduși cu minute sau săptămâni înainte de operație, rămân în ganglioni și sunt vizibili cu senzori magnetici în sala de operație.

Totuși, sondele magnetice existente sunt de obicei dispozitive portabile cu un magnet permanent și un senzor Hall: funcționează, dar sensibilitatea și factorul de formă limitează utilizarea lor în endoscopie și laparoscopie, iar pragul de detecție încurajează utilizarea injecțiilor cu trasor în doză completă. Instrumentul ideal pentru chirurg este o sondă miniaturală, compatibilă steril, care poate „vedea” cantități foarte mici de SPIO la distanțe de câțiva centimetri și poate funcționa fără magneți magnetizatori masivi.

În acest context, senzorii cuantici pe diamant par a fi o platformă promițătoare: centrele de vacanță a azotului (NV) din diamant fac posibilă citirea optică a câmpului magnetic (ODMR) la temperatura camerei, fără criogeni; dispozitivele pot fi realizate cu fibră optică, scoțând laserele și detectoarele din zona sterilă. În ultimii ani, magnetometrele NV compacte au fost demonstrate pentru aplicații biomedicale, inclusiv pentru înregistrarea semnalelor de la nanoparticule magnetice. Lucrările de sinteză sistematizează modalități de creștere a sensibilității și confirmă potențialul diamantului NV ca platformă pentru magnetometrele aplicate.

O nouă dezvoltare a Universității din Warwick elimină această lacună: a fost prezentat un magnetometru endoscopic cu diamant NV care detectează trasorul clinic MagTrace®. Prototipul detectează masa de fier de până la 0,56 mg la o distanță de până la 5,8 mm (≈100 de ori mai mică decât doza recomandată) și funcționează cu concentrații de până la 2,8 mg/ml la o distanță de până la 14,6 mm; diametrul „capului” senzorului ≤10 mm este compatibil cu endoscoapele și laparoscoapele. Dacă acești parametri sunt confirmați in vivo, tehnologia poate reduce dozele necesare de trasor, poate simplifica navigarea în chirurgia minim invazivă și poate reduce dependența de radioizotopi. Deocamdată, acesta este un prototip de laborator care așteaptă calibrarea în țesuturi vii și compararea directă cu sistemele existente, dar calea „cuantică” către clinică este deja vizibilă.

Cum funcţionează asta

În interiorul senzorului se află un microcristal de diamant cu impurități NV. Un laser verde și un semnal de microunde reglează centrele NV, iar luminescența lor se modifică atunci când intră într-un câmp magnetic. Această citire de rezonanță optică (ODMR) oferă o sensibilitate ridicată la temperatura camerei, fără criogeni și supraconductori. În noul dispozitiv, „capul” de diamant este conectat prin fibră optică la restul opticii: toate componentele electronice grele rămân în afara câmpului steril și doar un senzor miniatural este adus la pacient - convenabil pentru sala de operație.

De ce au nevoie chirurgii oncologi de asta?

În cancerul de sân (și într-o serie de alte tumori), este important ca chirurgul să găsească și să îndepărteze cu precizie ganglionii limfatici santinelă - cei unde celulele tumorale ajung primele. Trasoarele magnetice pe bază de oxid de fier superparamagnetic reprezintă o alternativă sigură la radioizotopi și coloranți (cu riscuri anestezice și alergice). Un senzor cuantic de diamant adaugă delicatețe și compactitate acestei tehnici: cu cât pragul de detecție este mai mic și cu cât senzorul este mai mic, cu atât mai devreme și mai convenabil se poate vedea „urma magnetică” a ganglionului - până la procedurile endoscopice.

Fapte și cifre cheie

• Pragul masei de fier: 0,56 mg detectați la o distanță de până la 5,8 mm (≈100× mai puțin decât doza recomandată).
• Prag de concentrație: 2,8 mg/ml (≈20× mai puțin decât este recomandat) - cu o distanță de lucru de până la 14,6 mm.
• Dimensiunile senzorului: „cap” ≤10 mm în diametru - compatibil cu endoscopia/laparoscopia.
• Aplicație: detectarea trasorului de oxid de fier MagTrace™ (Endomag/Endomagnetics) în chirurgia mamară.

Cum diferă acest lucru de sondele existente?

În prezent, sălile de operație utilizează senzori magnetici manuali cu magnet permanent și senzor Hall - aceștia și-au dovedit funcționalitatea, dar sensibilitatea și formatul lor sunt limitate. Magnetometru Diamond NV:

• funcționează fără magnetizare prin magneți masivi,
• citește câmpuri slabe din cantități mici de trasor,
• se încadrează într-un factor de formă endoscopic,
• permite scoaterea fibrei optice în afara zonei sterile.

Ce înseamnă asta pentru pacient (și pentru sala de operație)

Într-un scenariu ideal, chirurgul primește un „indicator cuantic”: ținând o sondă subțire pe țesut, vede unde este mai puternică urma magnetică a trasorului - și caută acolo ganglionul santinelă. Acest lucru poate:

• reducerea timpului de căutare și a volumului de tăieri;
• reduceți doza de trasor administrat (menținând în același timp fiabilitatea);
• asistă la intervenții minim invazive - în piept, abdomen, pelvis;
• reducerea dependenței de radioizotopi și de logistica marcării nucleare.

Context și evaluări independente

Publicația din Physical Review Applied este deschisă și licențiată sub CC BY 4.0; Universitatea din Warwick a emis un comunicat de presă intitulat „Diamante care ajută la depistarea cancerului”, subliniind portabilitatea și diametrul endoscopic al sondei. Publicațiile specializate pentru medici și ingineri notează că sensibilitatea sub dozele clinice este un pas important către o sală de operație reală.

Ce altceva trebuie verificat (o listă sinceră de lucruri de făcut)

• Sterilitate și ergonomie: „capse” de unică folosință, atașare la endoscoape, confort pentru asistenți.
• Calibrări în țesuturi vii: influența sângelui, grăsimii, adâncimii nodulilor și instrumentelor metalice asupra semnalului.
• Comparații directe: versus sondele magnetice actuale și navigația cu radionuclizi - în termeni de precizie, timp și „ținte false”.
• Calea de reglementare: Standarde EMC și bază de dovezi pentru aprobare în diferite țări.

De ce centrele de diamante și NV

Centrele NV au sensibilitate cuantică la câmpuri magnetice și citirea semnalelor optice: această combinație permite construirea de senzori compacți și stabili care funcționează la temperatura camerei. Acest lucru este esențial pentru medicină: fără criogeni, pornire rapidă, modularitate (laserul și fotodetectorul sunt îndepărtate de la pacient prin fibră optică), potențial de scalare în loturi clinice.

Concluzie

Noul magnetometru endoscopic cu diamant „vede” cu încredere urmele magnetice ale unui trasor clinic la doze mai mici decât cele obișnuite și se încadrează într-un factor de formă de 10 mm. Dacă testele viitoare confirmă stabilitatea în mediul operațional, chirurgii vor avea un asistent cuantic, compact și blând pentru găsirea ganglionilor limfatici santinelă - de la intervenții chirurgicale deschise la laparoscopie și endoscopie. Acesta este un caz rar în care senzorica cuantică este aproape gata să treacă pragul unei clinici reale.

Sursa: AJ Newman și colab. Magnetometru endoscopic cu diamant pentru chirurgia cancerului. Physical Review Applied 24, 024029 (12 august 2025). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w