Pengesan Jejak Berlian: Magnetometer Kuantum Endoskopik Akan Memberitahu Pakar Bedah Di Mana Nak Cari Nodus Limfa Sentinel

Ahli fizik dari Universiti Warwick telah menunjukkan prototaip magnetometer berlian endoskopik untuk onkosurgeri. Penderia menggunakan pusat kekosongan nitrogen (NV) dalam berlian dan membaca medan magnet daripada pengesan oksida besi MagTrace™ - yang sama digunakan dalam biopsi nodus limfa sentinel dalam pembedahan payudara. Peranti merekodkan jisim besi hanya 0.56 mg pada jarak sehingga 5.8 mm - ini adalah kira-kira 100 kali kurang daripada dos pengesan yang disyorkan; pada kepekatan yang lebih tinggi, jarak kerja meningkat kepada 14.6 mm. Diameter "kepala" sensor tidak lebih daripada 10 mm, jadi ia boleh dipasang pada endoskop dan laparoskop.

Latar belakang kajian

Biopsi nodus limfa sentinel (SLNB) ialah piawai untuk menentukan peringkat awal kanser payudara dan beberapa tumor lain: nod "pertama" di sepanjang saliran limfa dikeluarkan untuk memahami sama ada tumor telah masuk ke dalam sistem limfa, mengelakkan pembedahan yang lebih traumatik. Navigasi klasik ialah radioisotop + pewarna biru, tetapi kaedah ini mempunyai kelemahannya: logistik radiologi, tetingkap masa terhad, tindak balas alahan yang jarang berlaku dan had untuk prosedur invasif minimum. Oleh itu, alternatif sedang berkembang secara aktif - oksida besi superparamagnetik (SPIO), contohnya, pengesan klinikal MagTrace®, yang diluluskan oleh NICE dan FDA dalam kombinasi dengan probe Sentimag. Penanda sedemikian boleh diperkenalkan beberapa minit atau minggu sebelum pembedahan, ia kekal dalam nod dan boleh dilihat dengan sensor magnet di dalam bilik operasi.

Walau bagaimanapun, probe magnet sedia ada biasanya peranti pegang tangan dengan magnet kekal dan penderia Hall: ia berfungsi, tetapi sensitiviti dan faktor bentuk mengehadkan penggunaannya dalam endoskopi dan laparoskopi, dan ambang pengesanan menggalakkan penggunaan suntikan pengesan dos penuh. Alat yang sesuai untuk pakar bedah ialah kuar kecil yang serasi steril yang boleh "melihat" jumlah SPIO yang sangat kecil pada jarak sentimeter dan beroperasi tanpa magnet pengmagnetan besar-besaran.

Berlatarkan latar belakang ini, penderia kuantum pada berlian nampaknya merupakan platform yang menjanjikan: pusat kekosongan nitrogen (NV) dalam berlian memungkinkan untuk membaca secara optik medan magnet (ODMR) pada suhu bilik, tanpa cryogens; peranti boleh dibuat gentian optik, mengeluarkan laser dan pengesan daripada zon steril. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, magnetometer NV padat telah ditunjukkan untuk aplikasi bioperubatan, termasuk untuk merakam isyarat daripada nanopartikel magnetik. Kertas kajian mensistematikkan cara untuk meningkatkan sensitiviti dan mengesahkan potensi berlian NV sebagai platform untuk magnetometer yang digunakan.

Perkembangan baharu dari Universiti Warwick menutup jurang ini: magnetometer berlian NV endoskopik telah dipersembahkan yang mengesan pengesan klinikal MagTrace®. Prototaip mengesan jisim besi sehingga 0.56 mg pada jarak sehingga 5.8 mm (≈100 kali kurang daripada dos yang disyorkan) dan berfungsi dengan kepekatan sehingga 2.8 mg/ml pada jarak sehingga 14.6 mm; diameter "kepala" sensor ≤10 mm serasi dengan endoskop dan laparoskop. Jika parameter ini disahkan dalam vivo, teknologi boleh mengurangkan dos pengesan yang diperlukan, memudahkan navigasi dalam pembedahan invasif minimum dan mengurangkan pergantungan pada radioisotop. Buat masa ini, ini adalah prototaip makmal yang menunggu penentukuran dalam tisu hidup dan perbandingan kepala ke kepala dengan sistem sedia ada, tetapi laluan "kuantum" ke klinik sudah kelihatan.

Bagaimana ini berfungsi

Di dalam sensor adalah mikrokristal berlian dengan kekotoran NV. Laser hijau dan isyarat gelombang mikro menala pusat NV, dan pendaranannya berubah apabila ia memasuki medan magnet. Bacaan resonans optik (ODMR) ini memberikan kepekaan yang tinggi pada suhu bilik, tanpa kriogen dan superkonduktor. Dalam peranti baharu, "kepala" berlian disambungkan oleh gentian optik ke seluruh optik: semua elektronik berat kekal di luar medan steril, dan hanya sensor kecil dibawa kepada pesakit - sesuai untuk bilik operasi.

Mengapa pakar bedah onkologi memerlukan ini?

Dalam kanser payudara (dan beberapa tumor lain), adalah penting bagi pakar bedah untuk mencari dan membuang nodus limfa sentinel dengan tepat - tempat di mana sel tumor pergi dahulu. Pengesan magnet berdasarkan oksida besi superparamagnet adalah alternatif yang selamat untuk radioisotop dan pewarna (dengan risiko anestetik dan alahan). Penderia berlian kuantum menambah kehalusan dan kekompakan pada teknik ini: semakin rendah ambang pengesanan dan semakin kecil penderia, semakin awal dan lebih mudah anda dapat melihat "jejak magnet" nod - sehingga prosedur endoskopik.

Fakta dan angka utama

• Ambang jisim besi: 0.56 mg dikesan pada jarak sehingga 5.8 mm (≈100× kurang daripada dos yang disyorkan).
• Ambang kepekatan: 2.8 mg/ml (≈20× kurang daripada yang disyorkan) - dengan jarak kerja sehingga 14.6 mm.
• Dimensi penderia: "kepala" ≤10 mm diameter - serasi dengan endoskopi/laparoskopi.
• Aplikasi: pengesanan pengesan oksida besi MagTrace™ (Endomag/Endomagnetik) dalam pembedahan payudara.

Bagaimanakah ini berbeza daripada probe sedia ada?

Pada masa ini, bilik bedah menggunakan penderia magnet manual dengan magnet kekal dan penderia Hall - mereka telah membuktikan kefungsiannya, tetapi sensitiviti dan formatnya adalah terhad. Magnetometer NV berlian:

• berfungsi tanpa magnetisasi oleh magnet besar,
• membaca medan yang lemah daripada sejumlah kecil pengesan,
• sesuai dengan faktor bentuk endoskopik,
• membolehkan gentian optik dikeluarkan di luar zon steril.

Apakah maksud ini untuk pesakit (dan bilik pembedahan)

Dalam senario yang ideal, pakar bedah mendapat "penunjuk kuantum": memegang probe nipis pada tisu, dia melihat di mana kesan magnet pengesan lebih kuat - dan mencari nod sentinel di sana. Ini boleh:

• mengurangkan masa carian dan jumlah potongan;
• mengurangkan dos pengesan yang diberikan (sambil mengekalkan kebolehpercayaan);
• membantu dalam campur tangan invasif minimum - di dada, perut, pelvis;
• mengurangkan pergantungan kepada radioisotop dan logistik penandaan nuklear.

Konteks dan penilaian bebas

Penerbitan dalam Physical Review Applied adalah akses terbuka dan dilesenkan di bawah CC BY 4.0; Universiti Warwick mengeluarkan kenyataan akhbar, "Berlian yang membantu mencari kanser," menonjolkan kemudahalihan dan diameter endoskopik probe. Penerbitan khusus untuk doktor dan jurutera ambil perhatian bahawa kepekaan di bawah dos klinikal adalah langkah penting ke arah bilik bedah sebenar.

Perkara lain yang perlu disemak (senarai tugasan yang jujur)

• Kemandulan dan ergonomik: "penutup" pakai buang, lampiran pada endoskop, kemudahan untuk pembantu.
• Penentukuran dalam tisu hidup: pengaruh darah, lemak, kedalaman nod dan instrumen logam pada isyarat.
• Perbandingan head-to-head: berbanding probe magnetik semasa dan navigasi radionuklid - dari segi ketepatan, masa dan "sasaran palsu".
• Laluan kawal selia: Piawaian EMC dan asas bukti untuk kelulusan di negara yang berbeza.

Mengapa pusat berlian dan NV

Pusat NV mempunyai kepekaan kuantum kepada medan magnet dan bacaan isyarat optik: gabungan ini membolehkan membina sensor padat dan stabil yang beroperasi pada suhu bilik. Ini penting untuk perubatan: tiada cryogens, permulaan cepat, modulariti (laser dan photodetector dikeluarkan daripada pesakit melalui gentian optik), berpotensi untuk berskala ke dalam kelompok klinikal.

Kesimpulan

Magnetometer berlian endoskopik baharu dengan yakin "melihat" kesan magnetik pengesan klinikal pada dos yang lebih rendah daripada biasa dan sesuai dengan faktor bentuk 10 mm. Jika ujian akan datang mengesahkan kestabilan dalam persekitaran operasi, pakar bedah akan mempunyai pembantu kuantum, padat dan lembut untuk mencari nodus limfa sentinel - daripada pembedahan terbuka kepada laparoskopi dan endoskopi. Ini adalah kes yang jarang berlaku apabila sensorik kuantum hampir bersedia untuk melepasi ambang ke klinik sebenar.

Sumber: AJ Newman et al. Magnetometer berlian endoskopik untuk pembedahan kanser. Semakan Fizikal Dipohon 24, 024029 (12 Ogos 2025). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w