Детектор слідів алмазів: ендоскопічний квантовий магнітометр підкаже хірургу, де шукати сторожові лімфатичні вузли

Фізики з Університету Ворвіка продемонстрували прототип ендоскопічного алмазного магнітометра для онкохірургії. Датчик використовує центри азотних вакансій (NV) в алмазі та зчитує магнітні поля з трасера оксиду заліза MagTrace™ – того самого, що використовується в біопсії сторожових лімфатичних вузлів у хірургії молочної залози. Пристрій реєструє масу заліза лише 0,56 мг на відстані до 5,8 мм – це приблизно в 100 разів менше за рекомендовану дозу трасера; при вищих концентраціях робоча відстань збільшується до 14,6 мм. Діаметр «головки» датчика не більше 10 мм, тому його можна встановлювати на ендоскопи та лапароскопи.

Передумови дослідження

Біопсія сторожового лімфатичного вузла (БСЛВ) є стандартом для стадіювання раннього раку молочної залози та низки інших пухлин: «перші» вузли вздовж лімфатичного дренажу видаляються, щоб зрозуміти, чи потрапила пухлина в лімфатичну систему, уникаючи більш травматичної дисекції. Класична навігація – це радіоізотоп + синій барвник, але метод має свої недоліки: радіологічна логістика, обмежені часові вікна, рідкісні алергічні реакції та обмеження для малоінвазивних процедур. Тому активно розробляються альтернативи – суперпарамагнітні оксиди заліза (SPIO), наприклад, клінічний трасер MagTrace®, схвалений NICE та FDA у поєднанні з зондом Sentimag. Такі маркери можна вводити за хвилини або тижні до операції, вони залишаються у вузлах і видно за допомогою магнітних датчиків в операційній.

Однак, існуючі магнітні зонди зазвичай є портативними пристроями з постійним магнітом та датчиком Холла: вони працюють, але чутливість та форм-фактор обмежують їх використання в ендоскопії та лапароскопії, а поріг виявлення сприяє використанню ін'єкцій повної дози трасера. Ідеальним інструментом для хірурга є мініатюрний, стерильний зонд, який може «бачити» дуже малі кількості SPIO на сантиметрових відстанях і працювати без масивних намагнічуючих магнітів.

На цьому тлі квантові сенсори на алмазі видаються перспективною платформою: центри азотних вакансій (NV) в алмазі дозволяють оптично зчитувати магнітне поле (ODMR) за кімнатної температури без кріогенів; пристрої можна зробити волоконно-оптичними, вивівши лазери та детектори зі стерильної зони. В останні роки були продемонстровані компактні NV магнітометри для біомедичних застосувань, зокрема для запису сигналів від магнітних наночастинок. В оглядових статтях систематизуються способи підвищення чутливості та підтверджується потенціал NV алмазу як платформи для прикладних магнітометрів.

Нова розробка Університету Ворвіка заповнює цю прогалину: представлено ендоскопічний алмазний магнітометр NV, який виявляє клінічний трасер MagTrace®. Прототип виявляє масу заліза до 0,56 мг на відстані до 5,8 мм (≈100 разів менше за рекомендовану дозу) та працює з концентраціями до 2,8 мг/мл на відстані до 14,6 мм; діаметр «головки» датчика ≤10 мм сумісний з ендоскопами та лапароскопами. Якщо ці параметри будуть підтверджені in vivo, технологія може зменшити необхідні дози трасера, спростити навігацію в малоінвазивній хірургії та зменшити залежність від радіоізотопів. Наразі це лабораторний прототип, який очікує калібрування в живих тканинах та порівняння з існуючими системами, але «квантовий» шлях до клініки вже видно.

Як це працює

Усередині датчика знаходиться мікрокристал алмазу з домішками NV. Зелений лазер і мікрохвильовий сигнал налаштовують центри NV, і їхня люмінесценція змінюється, коли вони потрапляють у магнітне поле. Таке оптичне резонансне зчитування (ODMR) забезпечує високу чутливість за кімнатної температури, без кріогенів і надпровідників. У новому пристрої алмазна «головка» з'єднана оптичним волокном з рештою оптики: вся важка електроніка залишається поза стерильним полем, і до пацієнта виноситься лише мініатюрний датчик – зручно для операційної.

Навіщо це потрібно хірургам-онкологам?

При раку молочної залози (та ряді інших пухлин) хірургу важливо точно знайти та видалити сторожові лімфатичні вузли – ті, куди пухлинні клітини потрапляють першими. Магнітні трасери на основі суперпарамагнітного оксиду заліза є безпечною альтернативою радіоізотопам та барвникам (з анестезіологічними та алергічними ризиками). Квантовий алмазний датчик додає цій техніці делікатності та компактності: чим нижчий поріг виявлення та чим менший датчик, тим раніше та зручніше можна побачити «магнітний слід» вузла – аж до ендоскопічних процедур.

Ключові факти та цифри

• Поріг маси заліза: 0,56 мг, виявлено на відстані до 5,8 мм (≈100× менше за рекомендовану дозу).
• Поріг концентрації: 2,8 мг/мл (≈20× менше за рекомендовану) – з робочою відстанню до 14,6 мм.
• Розміри датчика: «головка» ≤10 мм у діаметрі – сумісний з ендоскопією/лапароскопією.
• Застосування: виявлення індикатора оксиду заліза MagTrace™ (Endomag/Endomagnetics) у хірургії молочної залози.

Чим це відрізняється від існуючих зондів?

Наразі в операційних використовуються ручні магнітні датчики з постійним магнітом та датчик Холла – вони довели свою функціональність, але їх чутливість та формат обмежені. Магнітометр Diamond NV:

• працює без намагнічування масивними магнітами,
• зчитує слабкі поля з невеликої кількості трасера,
• вписується в ендоскопічний форм-фактор,
• дозволяє виводити оптоволоконні прилади за межі стерильної зони.

Що це означає для пацієнта (і операційної)

В ідеальному випадку хірург отримує «квантовий покажчик»: підносячи тонкий зонд до тканини, він бачить, де магнітний слід трасера сильніший, і шукає там сторожовий вузол. Це може:

• скоротити час пошуку та обсяг розрізів;
• зменшити дозу введеного індикатора (зберігаючи при цьому надійність);
• допомагати при малоінвазивних втручаннях – у грудній клітці, черевній порожнині, тазі;
• зменшити залежність від радіоізотопів та логістики ядерного маркування.

Контекст та незалежні оцінки

Публікація у Physical Review Applied має відкритий доступ та ліцензована за ліцензією CC BY 4.0; Університет Воріка опублікував прес-реліз «Діаманти, які допомагають знаходити рак», підкреслюючи портативність та ендоскопічний діаметр зонда. У спеціалізованих виданнях для лікарів та інженерів зазначається, що чутливість нижче клінічних доз є важливим кроком до справжньої операційної.

Що ще потрібно перевірити (чесний список справ)

• Стерильність та ергономіка: одноразові «чохли», кріплення до ендоскопів, зручність для асистентів.
• Калібрування в живих тканинах: вплив крові, жиру, глибини вузлів та металевих інструментів на сигнал.
• Порівняння: з сучасними магнітними зондами та радіонуклідною навігацією – з точки зору точності, часу та «хибних цілей».
• Регуляторний шлях: стандарти електромагнітної сумісності та база доказів для затвердження в різних країнах.

Чому саме алмазні та невада-центри

Центри НВ мають квантову чутливість до магнітних полів та зчитування оптичних сигналів: це поєднання дозволяє створювати компактні, стабільні датчики, що працюють за кімнатної температури. Це критично важливо для медицини: відсутність кріогенних речовин, швидкий запуск, модульність (лазер і фотодетектор видаляються від пацієнта через оптичне волокно), можливість масштабування до клінічних партій.

Висновок

Новий ендоскопічний алмазний магнітометр впевнено «бачить» магнітний слід клінічного трасера при дозах нижчих, ніж зазвичай, і поміщається у форм-фактор 10 мм. Якщо майбутні випробування підтвердять стабільність в операційному середовищі, хірурги матимуть квантового, компактного та дбайливого помічника для пошуку сторожових лімфатичних вузлів – від відкритих операцій до лапароскопії та ендоскопії. Це рідкісний випадок, коли квантова сенсорика майже готова переступити поріг реальної клініки.

Джерело: А. Дж. Ньюман та ін. Ендоскопічний алмазний магнітометр для хірургії раку. Physical Review Applied 24, 024029 (12 серпня 2025 р.). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w