Ανιχνευτής ιχνών διαμαντιών: Ενδοσκοπικό κβαντικό μαγνητόμετρο που θα πει στον χειρουργό πού να ψάξει για λεμφαδένες φρουρούς

Φυσικοί από το Πανεπιστήμιο του Warwick παρουσίασαν ένα πρωτότυπο ενδοσκοπικού μαγνητόμετρου με διαμάντι για ογκοχειρουργική. Ο αισθητήρας χρησιμοποιεί κέντρα κενών αζώτου (NV) σε διαμάντι και διαβάζει μαγνητικά πεδία από τον ιχνηθέτη οξειδίου του σιδήρου MagTrace™ - τον ίδιο που χρησιμοποιείται στη βιοψία λεμφαδένων φρουρού σε χειρουργικές επεμβάσεις μαστού. Η συσκευή καταγράφει μάζα σιδήρου μόνο 0,56 mg σε απόσταση έως 5,8 mm - αυτή είναι περίπου 100 φορές μικρότερη από τη συνιστώμενη δόση του ιχνηθέτη. Σε υψηλότερες συγκεντρώσεις, η απόσταση εργασίας αυξάνεται στα 14,6 mm. Η διάμετρος της "κεφαλής" του αισθητήρα δεν υπερβαίνει τα 10 mm, επομένως μπορεί να εγκατασταθεί σε ενδοσκόπια και λαπαροσκόπια.

Ιστορικό της μελέτης

Η βιοψία του φρουρού λεμφαδένα (SLNB) είναι το πρότυπο για τη σταδιοποίηση του πρώιμου καρκίνου του μαστού και ορισμένων άλλων όγκων: οι «πρώτοι» λεμφαδένες κατά μήκος της λεμφικής αποστράγγισης αφαιρούνται για να διαπιστωθεί εάν ο όγκος έχει εισέλθει στο λεμφικό σύστημα, αποφεύγοντας μια πιο τραυματική ανατομή. Η κλασική πλοήγηση είναι μια ραδιοϊσότοπο + μπλε χρωστική, αλλά η μέθοδος έχει τα μειονεκτήματά της: ακτινολογική εφοδιαστική, περιορισμένα χρονικά παράθυρα, σπάνιες αλλεργικές αντιδράσεις και περιορισμούς για ελάχιστα επεμβατικές διαδικασίες. Επομένως, αναπτύσσονται ενεργά εναλλακτικές λύσεις - υπερπαραμαγνητικά οξείδια του σιδήρου (SPIO), για παράδειγμα, ο κλινικός ιχνηθέτης MagTrace®, εγκεκριμένος από το NICE και το FDA σε συνδυασμό με τον ανιχνευτή Sentimag. Τέτοιοι δείκτες μπορούν να εισαχθούν λεπτά ή εβδομάδες πριν από τη χειρουργική επέμβαση, παραμένουν στους λεμφαδένες και είναι ορατοί με μαγνητικούς αισθητήρες στο χειρουργείο.

Ωστόσο, οι υπάρχοντες μαγνητικοί ανιχνευτές είναι συνήθως φορητές συσκευές με μόνιμο μαγνήτη και αισθητήρα Hall: λειτουργούν, αλλά η ευαισθησία και ο συντελεστής μορφής περιορίζουν τη χρήση τους στην ενδοσκόπηση και τη λαπαροσκόπηση, και το όριο ανίχνευσης ενθαρρύνει τη χρήση ενέσεων πλήρους δόσης ιχνηθέτη. Το ιδανικό εργαλείο για τον χειρουργό είναι ένας μικροσκοπικός, αποστειρωμένος συμβατός ανιχνευτής που μπορεί να «δει» πολύ μικρές ποσότητες SPIO σε αποστάσεις εκατοστών και να λειτουργεί χωρίς τεράστιους μαγνήτες μαγνήτισης.

Σε αυτό το πλαίσιο, οι κβαντικοί αισθητήρες σε διαμάντι φαίνονται να αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη πλατφόρμα: τα κέντρα κενών αζώτου (NV) στο διαμάντι καθιστούν δυνατή την οπτική ανάγνωση του μαγνητικού πεδίου (ODMR) σε θερμοκρασία δωματίου, χωρίς κρυογόνα. Οι συσκευές μπορούν να κατασκευαστούν από οπτικές ίνες, απομακρύνοντας λέιζερ και ανιχνευτές από την αποστειρωμένη ζώνη. Τα τελευταία χρόνια, έχουν επιδειχθεί συμπαγή μαγνητόμετρα NV για βιοϊατρικές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της καταγραφής σημάτων από μαγνητικά νανοσωματίδια. Οι εργασίες ανασκόπησης συστηματοποιούν τρόπους για την αύξηση της ευαισθησίας και επιβεβαιώνουν τις δυνατότητες του διαμαντιού NV ως πλατφόρμας για εφαρμοσμένα μαγνητόμετρα.

Μια νέα εξέλιξη από το Πανεπιστήμιο του Warwick καλύπτει αυτό το κενό: παρουσιάστηκε ένα ενδοσκοπικό μαγνητόμετρο διαμαντιού NV που ανιχνεύει τον κλινικό ιχνηθέτη MagTrace®. Το πρωτότυπο ανιχνεύει μάζα σιδήρου έως 0,56 mg σε απόσταση έως 5,8 mm (≈100 φορές μικρότερη από τη συνιστώμενη δόση) και λειτουργεί με συγκεντρώσεις έως 2,8 mg/ml σε απόσταση έως 14,6 mm. Η διάμετρος της «κεφαλής» του αισθητήρα ≤10 mm είναι συμβατή με ενδοσκόπια και λαπαροσκόπια. Εάν αυτές οι παράμετροι επιβεβαιωθούν in vivo, η τεχνολογία μπορεί να μειώσει τις απαιτούμενες δόσεις ιχνηθέτη, να απλοποιήσει την πλοήγηση στην ελάχιστα επεμβατική χειρουργική και να μειώσει την εξάρτηση από τα ραδιοϊσότοπα. Προς το παρόν, πρόκειται για ένα εργαστηριακό πρωτότυπο που αναμένει βαθμονόμηση σε ζωντανό ιστό και σύγκριση με τα υπάρχοντα συστήματα, αλλά η «κβαντική» πορεία προς την κλινική είναι ήδη ορατή.

Πώς λειτουργεί

Μέσα στον αισθητήρα υπάρχει ένας μικροκρύσταλλος διαμαντιού με ακαθαρσίες NV. Ένα πράσινο λέιζερ και ένα σήμα μικροκυμάτων συντονίζουν τα κέντρα NV και η φωταύγειά τους αλλάζει όταν εισέρχονται σε ένα μαγνητικό πεδίο. Αυτή η ένδειξη οπτικού συντονισμού (ODMR) παρέχει υψηλή ευαισθησία σε θερμοκρασία δωματίου, χωρίς κρυογόνα και υπεραγωγούς. Στη νέα συσκευή, η "κεφαλή" του διαμαντιού συνδέεται μέσω οπτικής ίνας με τα υπόλοιπα οπτικά: όλα τα βαριά ηλεκτρονικά παραμένουν εκτός του αποστειρωμένου πεδίου και μόνο ένας μικροσκοπικός αισθητήρας φέρεται στον ασθενή - βολικό για το χειρουργείο.

Γιατί οι ογκολόγοι το χρειάζονται αυτό;

Στον καρκίνο του μαστού (και σε μια σειρά από άλλους όγκους), είναι σημαντικό για τον χειρουργό να εντοπίσει και να αφαιρέσει με ακρίβεια τους φρουρούς λεμφαδένες - εκείνους όπου τα καρκινικά κύτταρα πηγαίνουν πρώτα. Οι μαγνητικοί ιχνηθέτες που βασίζονται σε υπερπαραμαγνητικό οξείδιο του σιδήρου αποτελούν μια ασφαλή εναλλακτική λύση στα ραδιοϊσότοπα και τις χρωστικές (με αναισθητικούς και αλλεργικούς κινδύνους). Ένας κβαντικός αισθητήρας διαμαντιού προσθέτει λεπτότητα και συμπαγή σχεδίαση σε αυτήν την τεχνική: όσο χαμηλότερο είναι το όριο ανίχνευσης και όσο μικρότερος είναι ο αισθητήρας, τόσο νωρίτερα και πιο εύκολα μπορείτε να δείτε το "μαγνητικό ίχνος" του λεμφαδένα - έως και ενδοσκοπικές επεμβάσεις.

Βασικά στοιχεία και αριθμοί

• Όριο μάζας σιδήρου: 0,56 mg ανιχνεύονται σε απόσταση έως 5,8 mm (≈100× μικρότερη από τη συνιστώμενη δόση).
• Όριο συγκέντρωσης: 2,8 mg/ml (≈20× λιγότερο από το συνιστώμενο) - με απόσταση εργασίας έως 14,6 mm.
• Διαστάσεις αισθητήρα: «κεφαλή» ≤10 mm σε διάμετρο - συμβατό με ενδοσκόπηση/λαπαροσκόπηση.
• Εφαρμογή: ανίχνευση του ιχνηθέτη οξειδίου του σιδήρου MagTrace™ (Endomag/Endomagnetics) σε χειρουργική επέμβαση μαστού.

Πώς διαφέρει αυτό από τους υπάρχοντες ανιχνευτές;

Προς το παρόν, τα χειρουργεία χρησιμοποιούν χειροκίνητους μαγνητικούς αισθητήρες με μόνιμο μαγνήτη και αισθητήρα Hall - έχουν αποδείξει τη λειτουργικότητά τους, αλλά η ευαισθησία και η μορφή τους είναι περιορισμένες. Μαγνητόμετρο Diamond NV:

• λειτουργεί χωρίς μαγνήτιση από τεράστιους μαγνήτες,
• διαβάζει αδύναμα πεδία από μικρές ποσότητες ιχνηθέτη,
• ταιριάζει σε έναν ενδοσκοπικό παράγοντα μορφής,
• επιτρέπει την αφαίρεση οπτικών ινών εκτός της αποστειρωμένης ζώνης.

Τι σημαίνει αυτό για τον ασθενή (και το χειρουργείο);

Σε ένα ιδανικό σενάριο, ο χειρουργός αποκτά έναν «κβαντικό δείκτη»: κρατώντας έναν λεπτό καθετήρα στον ιστό, βλέπει πού είναι ισχυρότερο το μαγνητικό ίχνος του ιχνηθέτη - και αναζητά τον κόμβο-φρουρό εκεί. Αυτό μπορεί:

• μείωση του χρόνου αναζήτησης και του όγκου των περικοπών·
• μειώστε τη δόση του χορηγούμενου ιχνηθέτη (διατηρώντας παράλληλα την αξιοπιστία).
• βοηθούν σε ελάχιστα επεμβατικές επεμβάσεις - στο στήθος, την κοιλιά, τη λεκάνη.
• μείωση της εξάρτησης από τα ραδιοϊσότοπα και την εφοδιαστική αλυσίδα για την πυρηνική σήμανση.

Πλαίσιο και ανεξάρτητες αξιολογήσεις

Η δημοσίευση στο Physical Review Applied είναι ανοιχτής πρόσβασης και διατίθεται με άδεια CC BY 4.0. Το Πανεπιστήμιο του Warwick εξέδωσε δελτίο τύπου με τίτλο «Διαμάντια που βοηθούν στην εύρεση του καρκίνου», τονίζοντας τη φορητότητα και την ενδοσκοπική διάμετρο του καθετήρα. Εξειδικευμένες δημοσιεύσεις για γιατρούς και μηχανικούς σημειώνουν ότι η ευαισθησία κάτω από τις κλινικές δόσεις είναι ένα σημαντικό βήμα προς ένα πραγματικό χειρουργείο.

Τι άλλο χρειάζεται να ελεγχθεί (μια ειλικρινής λίστα υποχρεώσεων)

• Στειρότητα και εργονομία: «καλύμματα» μιας χρήσης, προσάρτηση σε ενδοσκόπια, ευκολία για τους βοηθούς.
• Βαθμονομήσεις σε ζωντανό ιστό: η επίδραση του αίματος, του λίπους, του βάθους των λεμφαδένων και των μεταλλικών οργάνων στο σήμα.
• Συγκριτικές συγκρίσεις: σε σχέση με τους τρέχοντες μαγνητικούς ανιχνευτές και την πλοήγηση με ραδιονουκλίδια - όσον αφορά την ακρίβεια, τον χρόνο και τους "ψευδείς στόχους".
• Κανονιστική πορεία: Πρότυπα Ηλεκτρομαγνητικής Συμβατότητας και βάση τεκμηρίωσης για έγκριση σε διάφορες χώρες.

Γιατί κέντρα διαμαντιών και NV

Τα κέντρα NV έχουν κβαντική ευαισθησία σε μαγνητικά πεδία και ανάγνωση οπτικών σημάτων: αυτός ο συνδυασμός επιτρέπει την κατασκευή συμπαγών, σταθερών αισθητήρων που λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτό είναι κρίσιμο για την ιατρική: χωρίς κρυογόνα, γρήγορη εκκίνηση, αρθρωτή λειτουργία (το λέιζερ και ο φωτοανιχνευτής αφαιρούνται από τον ασθενή μέσω οπτικής ίνας), δυνατότητα κλιμάκωσης σε κλινικές παρτίδες.

Σύναψη

Το νέο ενδοσκοπικό μαγνητόμετρο με διαμάντι «βλέπει» με σιγουριά το μαγνητικό ίχνος ενός κλινικού ιχνηθέτη σε δόσεις χαμηλότερες από το συνηθισμένο και ταιριάζει σε έναν παράγοντα μορφής 10 mm. Εάν οι επερχόμενες δοκιμές επιβεβαιώσουν τη σταθερότητα στο χειρουργικό περιβάλλον, οι χειρουργοί θα έχουν στη διάθεσή τους έναν κβαντικό, συμπαγή και ήπιο βοηθό για την εύρεση φρουρών λεμφαδένων - από ανοιχτές χειρουργικές επεμβάσεις έως λαπαροσκόπηση και ενδοσκόπηση. Αυτή είναι μια σπάνια περίπτωση όπου η κβαντική αισθητηριακή τεχνολογία είναι σχεδόν έτοιμη να περάσει το κατώφλι μιας πραγματικής κλινικής.

Πηγή: AJ Newman et al. Ενδοσκοπικό μαγνητόμετρο με διαμάντι για χειρουργική επέμβαση καρκίνου. Physical Review Applied 24, 024029 (12 Αυγούστου 2025). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w