Teemantjälgede detektor: endoskoopiline kvantmagnetomeeter annab kirurgile teada, kust otsida valvurlümfisõlmi

Warwicki ülikooli füüsikud on demonstreerinud onkokirurgia jaoks endoskoopilise teemantmagnetomeetri prototüüpi. Andur kasutab teemandis olevaid lämmastikuvabasid (NV) keskusi ja loeb magnetvälju raudoksiidi märgistusainelt MagTrace™ – samast, mida kasutatakse rinnakirurgias valvur-lümfisõlmede biopsias. Seade registreerib kuni 5,8 mm kauguselt vaid 0,56 mg rauamassi – see on umbes 100 korda väiksem kui märgistusaine soovitatav annus; suuremate kontsentratsioonide korral suureneb töökaugus 14,6 mm-ni. Anduri "pea" läbimõõt ei ole suurem kui 10 mm, seega saab seda paigaldada endoskoopidele ja laparoskoopidele.

Uuringu taust

Sentinel-lümfisõlmede biopsia (SLNB) on varajase rinnavähi ja paljude teiste kasvajate staadiumi määramise standard: lümfidrenaaži ääres asuvad "esimesed" sõlmed eemaldatakse, et teha kindlaks, kas kasvaja on liikunud lümfisüsteemi, vältides traumaatilisemat dissektsiooni. Klassikaline navigatsioon on radioisotoop + sinine värvaine, kuid meetodil on oma puudused: radioloogiline logistika, piiratud ajaaknad, haruldased allergilised reaktsioonid ja minimaalselt invasiivsete protseduuride piirangud. Seetõttu arenevad aktiivselt alternatiivid - superparamagnetilised raudoksiidid (SPIO), näiteks kliiniline märgistusaine MagTrace®, mille on heaks kiitnud NICE ja FDA koos Sentimag-sondiga. Selliseid markereid saab sisestada minuteid või nädalaid enne operatsiooni, need jäävad sõlmedesse ja on operatsioonisaalis magnetanduritega nähtavad.

Siiski on olemasolevad magnetsondid tavaliselt käeshoitavad seadmed, millel on püsimagnet ja Halli andur: need töötavad, kuid tundlikkus ja vormitegur piiravad nende kasutamist endoskoopias ja laparoskoopias ning avastamislävi soodustab täisdoosi märgistusaine süstimist. Kirurgi jaoks on ideaalne tööriist miniatuurne, steriilselt ühilduv sond, mis suudab sentimeetrite kauguselt "näha" väga väikeseid SPIO koguseid ja töötada ilma massiivsete magnetiseerivate magnetiteta.

Selle taustal näivad teemandil olevad kvantsensorid olevat paljulubav platvorm: teemandi lämmastikuvabad (NV) keskused võimaldavad optiliselt lugeda magnetvälja (ODMR) toatemperatuuril ilma krüogeenideta; seadmeid saab valmistada fiiberoptilistena, viies laserid ja detektorid steriilsest tsoonist välja. Viimastel aastatel on demonstreeritud kompaktseid NV-magnetomeetreid biomeditsiiniliste rakenduste jaoks, sealhulgas magnetnanoosakeste signaalide salvestamiseks. Ülevaateartiklid süstematiseerivad tundlikkuse suurendamise viise ja kinnitavad NV-teemandi potentsiaali rakendusliku magnetomeetrite platvormina.

Warwicki ülikooli uus arendus täidab selle lünga: esitleti endoskoopilist NV teemantmagnetomeetrit, mis tuvastab kliinilist märgistusainet MagTrace®. Prototüüp tuvastab kuni 0,56 mg rauamassi kuni 5,8 mm kauguselt (≈100 korda vähem kui soovitatav annus) ja töötab kontsentratsioonidega kuni 2,8 mg/ml kuni 14,6 mm kauguselt; anduri "pea" läbimõõt ≤10 mm ühildub endoskoopide ja laparoskoopidega. Kui need parameetrid in vivo kinnitust leiavad, saab tehnoloogia vähendada vajalikke märgistusaine annuseid, lihtsustada navigeerimist minimaalselt invasiivses kirurgias ja vähendada sõltuvust radioisotoopidest. Praegu on tegemist laboriprototüübiga, mis ootab kalibreerimist eluskoes ja otsest võrdlust olemasolevate süsteemidega, kuid "kvanttee" kliinikusse on juba nähtav.

Kuidas see toimib

Anduri sees on teemandist mikrokristall, mis sisaldab NV-lisandeid. Roheline laser ja mikrolainesignaal häälestavad NV-keskusi ning nende luminestsents muutub magnetvälja sisenemisel. See optilise resonantsi näit (ODMR) tagab toatemperatuuril kõrge tundlikkuse, ilma krüogeenide ja ülijuhtideta. Uues seadmes on teemant"pea" optilise kiu abil ühendatud ülejäänud optikaga: kogu raske elektroonika jääb steriilsest väljast välja ja patsiendile tuuakse ainult miniatuurne andur – see on operatsioonisaali jaoks mugav.

Miks onkoloogiakirurgid seda vajavad?

Rinnavähi (ja paljude teiste kasvajate) puhul on kirurgi jaoks oluline täpselt leida ja eemaldada valvurlümfisõlmed – need, kuhu kasvajarakud esimesena satuvad. Superparamagnetilisel raudoksiidil põhinevad magnetilised märgistusained on ohutu alternatiiv radioisotoopidele ja värvainetele (koos anesteesia- ja allergiariskidega). Kvantteemantsensor lisab sellele tehnikale õrnust ja kompaktsust: mida madalam on avastamislävi ja mida väiksem on andur, seda varem ja mugavamalt on võimalik näha sõlme „magnetjälge“ – kuni endoskoopiliste protseduurideni.

Peamised faktid ja arvud

• Rauamassi lävi: 0,56 mg tuvastatakse kuni 5,8 mm kauguselt (≈100 × väiksem kui soovitatav annus).
• Kontsentratsioonilävi: 2,8 mg/ml (≈20× vähem kui soovitatav) – töökaugusega kuni 14,6 mm.
• Anduri mõõtmed: „pea” läbimõõt ≤10 mm – ühildub endoskoopia/laparoskoopiaga.
• Rakendus: raudoksiidi märgistusaine MagTrace™ (Endomag/Endomagnetics) tuvastamine rinnakirurgias.

Mille poolest see erineb olemasolevatest sondidest?

Praegu kasutatakse operatsioonisaalides püsimagnetiga manuaalseid magnetandureid ja Halli andurit – need on oma funktsionaalsust tõestanud, kuid tundlikkus ja formaat on piiratud. Diamond NV magnetomeeter:

• töötab ilma massiivsete magnetite magnetiseerimiseta,
• loeb nõrku välju väikesest kogusest märgistusainet,
• sobib endoskoopilisse vormitegurisse,
• võimaldab fiiberoptika eemaldamist väljaspool steriilset tsooni.

Mida see patsiendi (ja operatsioonitoa) jaoks tähendab?

Ideaaljuhul saab kirurg "kvantpointeri": hoides õhukest sondi koe vastas, näeb ta, kus märgistusaine magnetiline jälg on tugevam - ja otsib sealt valvur-sõlme. See võib:

• vähendada otsinguaega ja kärbete mahtu;
• vähendada manustatud märgistusaine annust (säilitades samal ajal usaldusväärsuse);
• abistada minimaalselt invasiivsetes sekkumistes - rinnus, kõhus, vaagnas;
• vähendada sõltuvust radioisotoopidest ja tuumamärgistamise logistikast.

Kontekst ja sõltumatud hinnangud

Ajakirjas Physical Review Applied avaldatud publikatsioon on avatud juurdepääsuga ja litsentseeritud CC BY 4.0 alusel; Warwicki Ülikool avaldas pressiteate pealkirjaga „Teemandid, mis aitavad leida vähki“, milles rõhutati sondi kaasaskantavust ja endoskoopilist läbimõõtu. Arstidele ja inseneridele mõeldud erialastes väljaannetes märgitakse, et tundlikkus alla kliiniliste dooside on oluline samm päris operatsioonisaali suunas.

Mida veel tuleb kontrollida (aus ülesannete nimekiri)

• Steriilsus ja ergonoomika: ühekordsed "katted", kinnitus endoskoopidele, mugavus assistentidele.
• Kalibreerimine eluskoes: vere, rasva, sõlmede sügavuse ja metallinstrumentide mõju signaalile.
• Otsevõrdlused: võrreldes praeguste magnetsondide ja radionukliidide navigatsiooniga – täpsuse, aja ja "valemärkide" osas.
• Regulatiivne tee: EMC standardid ja tõendusbaas heakskiitmiseks erinevates riikides.

Miks teemant- ja nevada keskused

NV keskustel on kvanttundlikkus magnetväljade ja optilise signaali lugemise suhtes: see kombinatsioon võimaldab luua kompaktseid ja stabiilseid andureid, mis töötavad toatemperatuuril. See on meditsiini jaoks kriitilise tähtsusega: krüogeenide puudumine, kiire käivitamine, modulaarsus (laser ja fotodetektor eemaldatakse patsiendist optilise kiu kaudu) ning potentsiaal kliinilisteks partiideks skaleerimiseks.

Kokkuvõte

Uus endoskoopiline teemantmagnetomeeter „näeb“ kliinilise märgistusaine magnetjälge enesekindlalt tavapärasest madalamate dooside korral ja mahub 10 mm vormifaktorisse. Kui eelseisvad testid kinnitavad stabiilsust operatsioonikeskkonnas, on kirurgidel kvant-, kompaktne ja õrn abiline valvur-lümfisõlmede leidmiseks – alates avatud operatsioonidest kuni laparoskoopia ja endoskoopiani. See on haruldane juhtum, kus kvantsensorika on peaaegu valmis ületama läve päris kliinikus.

Allikas: AJ Newman jt. Endoskoopiline teemantmagnetomeeter vähikirurgias. Physical Review Applied 24, 024029 (12. august 2025). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w