Dimanta pēdu detektors: Endoskopiskais kvantu magnetometrs pateiks ķirurgam, kur meklēt sargmezglus

Vorikas Universitātes fiziķi ir demonstrējuši endoskopiskā dimanta magnetometra prototipu onkoķirurģijai. Sensors izmanto slāpekļa vakanču (NV) centrus dimantā un nolasa magnētiskos laukus no dzelzs oksīda marķiera MagTrace™ — tā paša, ko izmanto sargmezglu biopsijā krūšu ķirurģijā. Ierīce reģistrē tikai 0,56 mg dzelzs masu attālumā līdz 5,8 mm — tas ir aptuveni 100 reizes mazāk nekā ieteicamā marķiera deva; lielākās koncentrācijās darba attālums palielinās līdz 14,6 mm. Sensora "galvas" diametrs nepārsniedz 10 mm, tāpēc to var uzstādīt endoskopos un laparoskopos.

Pētījuma pamatojums

Sargmezglu biopsija (SLNB) ir standarts agrīnas krūts vēža un vairāku citu audzēju stadijas noteikšanai: tiek noņemti "pirmie" limfmezgli gar limfas atteci, lai saprastu, vai audzējs ir nonācis limfātiskajā sistēmā, izvairoties no traumatiskākas preparēšanas. Klasiskā navigācija ir radioizotops + zilā krāsviela, taču metodei ir savi trūkumi: radioloģiskā loģistika, ierobežots laika logs, retas alerģiskas reakcijas un ierobežojumi minimāli invazīvām procedūrām. Tāpēc aktīvi attīstās alternatīvas - superparamagnētiskie dzelzs oksīdi (SPIO), piemēram, klīniskais marķieris MagTrace®, ko apstiprinājušas NICE un FDA kombinācijā ar Sentimag zondi. Šādus marķierus var ievadīt minūtes vai nedēļas pirms operācijas, tie paliek limfmezglos un ir redzami ar magnētiskajiem sensoriem operāciju zālē.

Tomēr esošās magnētiskās zondes parasti ir rokas ierīces ar pastāvīgo magnētu un Hola sensoru: tās darbojas, taču jutība un formas faktors ierobežo to izmantošanu endoskopijā un laparoskopijā, un noteikšanas slieksnis veicina pilnas devas marķiera injekciju izmantošanu. Ideāls instruments ķirurgam ir miniatūra, sterili saderīga zonde, kas var "redzēt" ļoti nelielus SPIO daudzumus centimetru attālumā un darboties bez masīviem magnetizējošiem magnētiem.

Ņemot vērā iepriekšminēto, kvantu sensori uz dimanta šķiet daudzsološa platforma: slāpekļa vakanču (NV) centri dimantā ļauj optiski nolasīt magnētisko lauku (ODMR) istabas temperatūrā bez kriogēniem; ierīces var izgatavot ar optisko šķiedru, izvedot lāzerus un detektorus ārpus sterilās zonas. Pēdējos gados ir demonstrēti kompakti NV magnetometri biomedicīnas lietojumprogrammām, tostarp signālu reģistrēšanai no magnētiskām nanodaļiņām. Pārskata raksti sistematizē veidus, kā palielināt jutību, un apstiprina NV dimanta potenciālu kā platformu lietišķajiem magnetometriem.

Vorikas Universitātes jauns izstrādājums novērš šo robu: ir prezentēts endoskopisks NV dimanta magnetometrs, kas nosaka klīnisko marķieri MagTrace®. Prototips nosaka dzelzs masu līdz 0,56 mg attālumā līdz 5,8 mm (≈100 reizes mazāk nekā ieteicamā deva) un darbojas ar koncentrācijām līdz 2,8 mg/ml attālumā līdz 14,6 mm; sensora "galviņas" diametrs ≤10 mm ir saderīgs ar endoskopiem un laparoskopiem. Ja šie parametri tiek apstiprināti in vivo, tehnoloģija var samazināt nepieciešamās marķiera devas, vienkāršot navigāciju minimāli invazīvā ķirurģijā un samazināt atkarību no radioizotopiem. Pagaidām šis ir laboratorijas prototips, kas gaida kalibrēšanu dzīvos audos un tiešu salīdzināšanu ar esošajām sistēmām, taču "kvantu" ceļš uz klīniku jau ir redzams.

Kā tas darbojas

Sensora iekšpusē atrodas dimanta mikrokristāls ar NV piemaisījumiem. Zaļš lāzers un mikroviļņu signāls noregulē NV centrus, un to luminiscence mainās, kad tie nonāk magnētiskajā laukā. Šis optiskās rezonanses rādījums (ODMR) nodrošina augstu jutību istabas temperatūrā, bez kriogēniem un supravadītājiem. Jaunajā ierīcē dimanta "galva" ir savienota ar pārējo optiku ar optisko šķiedru: visa smagā elektronika paliek ārpus sterilā lauka, un pacientam tiek nogādāts tikai miniatūrs sensors - ērti operāciju zālē.

Kāpēc onkoloģijas ķirurgiem tas ir nepieciešams?

Krūts vēža (un vairāku citu audzēju) gadījumā ķirurgam ir svarīgi precīzi atrast un noņemt sargmezglus – tos, kur audzēja šūnas nonāk vispirms. Magnētiskie marķieri, kuru pamatā ir superparamagnētiskais dzelzs oksīds, ir droša alternatīva radioizotopiem un krāsvielām (ar anestēzijas un alerģiskiem riskiem). Kvantu dimanta sensors piešķir šai tehnikai smalkumu un kompaktumu: jo zemāks ir noteikšanas slieksnis un jo mazāks ir sensors, jo agrāk un ērtāk var redzēt mezgla "magnētisko pēdu" – līdz pat endoskopiskām procedūrām.

Galvenie fakti un skaitļi

• Dzelzs masas slieksnis: 0,56 mg, noteikts attālumā līdz 5,8 mm (≈100 × mazāk nekā ieteicamā deva).
• Koncentrācijas slieksnis: 2,8 mg/ml (≈20 × mazāk nekā ieteicams) — ar darba attālumu līdz 14,6 mm.
• Sensora izmēri: “galviņa” ≤10 mm diametrā — saderīga ar endoskopiju/laparoskopiju.
• Pielietojums: dzelzs oksīda marķiera MagTrace™ (Endomag/Endomagnetics) noteikšana krūšu ķirurģijā.

Ar ko tas atšķiras no esošajām zondēm?

Pašlaik operāciju zālēs tiek izmantoti manuāli magnētiskie sensori ar pastāvīgo magnētu un Hola sensors — tie ir pierādījuši savu funkcionalitāti, taču to jutība un formāts ir ierobežots. Diamond NV magnetometrs:

• darbojas bez magnetizācijas ar masīviem magnētiem,
• nolasa vājus laukus no neliela daudzuma marķiera,
• iederas endoskopiskā formā,
• ļauj izņemt optiskās šķiedras ārpus sterilās zonas.

Ko tas nozīmē pacientam (un operāciju zālei)?

Ideālā scenārijā ķirurgs iegūst "kvantu rādītāju": pieliekot plānu zondi pie audiem, viņš redz, kur marķiera magnētiskā līnija ir spēcīgāka, un meklē tur sargmezglu. Tas var:

• samazināt meklēšanas laiku un izcirtņu apjomu;
• samazināt ievadītā marķiera devu (saglabājot uzticamību);
• palīdzēt minimāli invazīvās intervencēs - krūtīs, vēderā, iegurnī;
• samazināt atkarību no radioizotopiem un kodolmarķēšanas loģistikas.

Konteksts un neatkarīgi novērtējumi

Publikācija žurnālā Physical Review Applied ir brīvi pieejama un licencēta saskaņā ar CC BY 4.0; Vorikas Universitāte publicēja paziņojumu presei “Dimanti, kas palīdz atrast vēzi”, uzsverot zondes pārnesamību un endoskopisko diametru. Specializētās publikācijās ārstiem un inženieriem norādīts, ka jutība zem klīniskajām devām ir svarīgs solis ceļā uz reālu operāciju zāli.

Kas vēl jāpārbauda (godīgs darāmo lietu saraksts)

• Sterilitāte un ergonomika: vienreizējās lietošanas "pārvalki", piestiprināšana pie endoskopiem, ērtības asistentiem.
• Kalibrēšana dzīvos audos: asins, tauku, limfmezglu dziļuma un metāla instrumentu ietekme uz signālu.
• Tieša salīdzināšana: salīdzinājumā ar pašreizējām magnētiskajām zondēm un radionuklīdu navigāciju — precizitātes, laika un "viltus mērķu" ziņā.
• Regulējošais ceļš: EMC standarti un pierādījumu bāze apstiprināšanai dažādās valstīs.

Kāpēc izvēlēties dimantu un nevadas NV centrus

Nervozitātes centriem ir kvantu jutība pret magnētiskajiem laukiem un optiskā signāla nolasīšana: šī kombinācija ļauj izveidot kompaktus, stabilus sensorus, kas darbojas istabas temperatūrā. Tas ir kritiski svarīgi medicīnai: nav kriogēnu, ātra palaišana, modularitāte (lāzers un fotodetektors tiek noņemti no pacienta, izmantojot optisko šķiedru), iespēja paplašināt klīniskās partijās.

Secinājums

Jaunais endoskopiskais dimanta magnetometrs pārliecinoši “redz” klīniskā marķiera magnētisko pēdu pat ar mazākām devām nekā parasti un ietilpst 10 mm formāta faktorā. Ja gaidāmie testi apstiprinās stabilitāti operācijas vidē, ķirurgiem būs kvantu, kompakts un saudzīgs palīgs sargmezglu atrašanai — sākot no atklātām operācijām līdz laparoskopijai un endoskopijai. Šis ir rets gadījums, kad kvantu sensorika ir gandrīz gatava pārkāpt slieksni un nonākt reālā klīnikā.

Avots: AJ Newman et al. Endoskopiskais dimanta magnetometrs vēža ķirurģijai. Physical Review Applied 24, 024029 (2025. gada 12. augusts). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w