Diamond Trace Detector: Ang Endoscopic Quantum Magnetometer ay Magsasabi sa Surgeon Kung Saan Maghahanap ng Sentinel Lymph Nodes

Ang mga physicist mula sa University of Warwick ay nagpakita ng isang prototype ng isang endoscopic diamond magnetometer para sa oncosurgery. Gumagamit ang sensor ng nitrogen-vacancy (NV) center sa brilyante at nagbabasa ng mga magnetic field mula sa iron oxide tracer MagTrace™ - ang parehong ginagamit sa sentinel lymph node biopsy sa breast surgery. Ang aparato ay nagtatala ng isang iron mass na 0.56 mg lamang sa layo na hanggang 5.8 mm - ito ay humigit-kumulang 100 beses na mas mababa kaysa sa inirerekomendang dosis ng tracer; sa mas mataas na konsentrasyon, ang distansya ng pagtatrabaho ay tumataas sa 14.6 mm. Ang diameter ng "ulo" ng sensor ay hindi hihigit sa 10 mm, kaya maaari itong mai-install sa mga endoscope at laparoscope.

Background ng pag-aaral

Ang Sentinel lymph node biopsy (SLNB) ay ang pamantayan para sa pagsisimula ng maagang kanser sa suso at ilang iba pang mga tumor: ang mga "unang" node sa kahabaan ng lymphatic drainage ay inaalis upang maunawaan kung ang tumor ay napunta sa lymphatic system, upang maiwasan ang higit pang traumatic dissection. Ang klasikong nabigasyon ay isang radioisotope + asul na tina, ngunit ang pamamaraan ay may mga kakulangan nito: radiological logistics, limitadong mga window ng oras, mga bihirang reaksiyong alerhiya at mga limitasyon para sa minimally invasive na mga pamamaraan. Samakatuwid, ang mga alternatibo ay aktibong umuunlad - superparamagnetic iron oxides (SPIO), halimbawa, ang clinical tracer MagTrace®, na inaprubahan ng NICE at FDA kasama ng Sentimag probe. Ang ganitong mga marker ay maaaring ipakilala ng ilang minuto o linggo bago ang operasyon, nananatili sila sa mga node at nakikita na may mga magnetic sensor sa operating room.

Gayunpaman, ang mga kasalukuyang magnetic probe ay karaniwang mga hand-held device na may permanenteng magnet at Hall sensor: gumagana ang mga ito, ngunit nililimitahan ng sensitivity at form factor ang kanilang paggamit sa endoscopy at laparoscopy, at hinihikayat ng detection threshold ang paggamit ng full-dose tracer injection. Ang perpektong tool para sa surgeon ay isang miniature, sterile-compatible na probe na maaaring "makita" ang napakaliit na halaga ng SPIO sa mga sentimetro na distansya at gumana nang walang napakalaking magnetizing magnet.

Laban sa background na ito, lumilitaw na ang mga quantum sensor sa brilyante ay isang promising platform: ginagawang posible ng mga nitrogen-vacancy (NV) center sa brilyante na optically basahin ang magnetic field (ODMR) sa temperatura ng silid, nang walang cryogens; maaaring gawing fiber-optic ang mga device, na naglalabas ng mga laser at detector sa sterile zone. Sa mga nagdaang taon, ang mga compact NV magnetometer ay ipinakita para sa mga biomedical na aplikasyon, kabilang ang para sa pagre-record ng mga signal mula sa magnetic nanoparticle. Ang mga papel ng pagsusuri ay nag-systematize ng mga paraan upang mapataas ang sensitivity at kumpirmahin ang potensyal ng NV diamond bilang isang platform para sa mga inilapat na magnetometer.

Ang isang bagong pag-unlad mula sa Unibersidad ng Warwick ay nagsasara ng puwang na ito: isang endoscopic NV diamond magnetometer ang ipinakita na nakakakita ng clinical tracer na MagTrace®. Nakikita ng prototype ang iron mass hanggang 0.56 mg sa layo na hanggang 5.8 mm (≈100 beses na mas mababa kaysa sa inirerekomendang dosis) at gumagana sa mga konsentrasyon hanggang 2.8 mg/ml sa layo na hanggang 14.6 mm; ang diameter ng sensor na "ulo" ≤10 mm ay katugma sa mga endoscope at laparoscope. Kung ang mga parameter na ito ay nakumpirma sa vivo, ang teknolohiya ay maaaring bawasan ang kinakailangang tracer doses, pasimplehin ang pag-navigate sa minimally invasive na operasyon at bawasan ang pag-asa sa mga radioisotopes. Sa ngayon, ito ay isang laboratoryo prototype na naghihintay ng pagkakalibrate sa buhay na tissue at paghahambing ng ulo sa mga umiiral na sistema, ngunit ang "quantum" na landas patungo sa klinika ay nakikita na.

Paano ito gumagana

Sa loob ng sensor ay isang microcrystal ng brilyante na may NV impurities. Ang isang berdeng laser at isang microwave signal ay nagtutugma sa mga sentro ng NV, at ang kanilang luminescence ay nagbabago kapag sila ay pumasok sa isang magnetic field. Ang optical resonance reading (ODMR) na ito ay nagbibigay ng mataas na sensitivity sa temperatura ng kuwarto, nang walang cryogens at superconductor. Sa bagong aparato, ang brilyante na "ulo" ay konektado sa pamamagitan ng optical fiber sa natitirang bahagi ng optika: ang lahat ng mabibigat na electronics ay nananatili sa labas ng sterile field, at isang maliit na sensor lamang ang dinadala sa pasyente - maginhawa para sa operating room.

Bakit kailangan ito ng mga oncology surgeon?

Sa kanser sa suso (at ilang iba pang mga tumor), mahalaga para sa surgeon na tumpak na mahanap at alisin ang mga sentinel lymph node - ang mga kung saan nauuna ang mga tumor cell. Ang mga magnetic tracer batay sa superparamagnetic iron oxide ay isang ligtas na alternatibo sa radioisotopes at dyes (na may anesthetic at allergic na panganib). Ang isang quantum diamond sensor ay nagdaragdag ng delicacy at compactness sa diskarteng ito: mas mababa ang detection threshold at mas maliit ang sensor, mas maaga at mas maginhawang makikita mo ang "magnetic trace" ng node - hanggang sa endoscopic procedures.

Mga pangunahing katotohanan at numero

• Iron mass threshold: 0.56 mg na nakita sa layo na hanggang 5.8 mm (≈100× mas mababa kaysa sa inirerekomendang dosis).
• Concentration threshold: 2.8 mg/ml (≈20× mas mababa kaysa sa inirerekomenda) - na may working distance na hanggang 14.6 mm.
• Mga sukat ng sensor: "ulo" ≤10 mm ang lapad - tugma sa endoscopy/laparoscopy.
• Paglalapat: pagtuklas ng iron oxide tracer MagTrace™ (Endomag/Endomagnetics) sa operasyon sa suso.

Paano ito naiiba sa mga kasalukuyang probes?

Sa kasalukuyan, ang mga operating room ay gumagamit ng mga manu-manong magnetic sensor na may permanenteng magnet at isang Hall sensor - napatunayan na nila ang kanilang pag-andar, ngunit ang kanilang sensitivity at format ay limitado. Diamond NV magnetometer:

• gumagana nang walang magnetization ng napakalaking magnet,
• nagbabasa ng mahihinang field mula sa maliit na halaga ng tracer,
• umaangkop sa isang endoscopic form factor,
• nagpapahintulot sa fiber optic na alisin sa labas ng sterile zone.

Ano ang ibig sabihin nito para sa pasyente (at sa operating room)

Sa isang mainam na senaryo, ang siruhano ay nakakakuha ng "quantum pointer": may hawak na manipis na probe sa tissue, nakikita niya kung saan mas malakas ang magnetic trace ng tracer - at hinahanap ang sentinel node doon. Ito ay maaaring:

• bawasan ang oras ng paghahanap at dami ng mga pagbawas;
• bawasan ang dosis ng pinangangasiwaan na tracer (habang pinapanatili ang pagiging maaasahan);
• tumulong sa minimally invasive na mga interbensyon - sa dibdib, tiyan, pelvis;
• bawasan ang pag-asa sa radioisotopes at nuclear marking logistics.

Konteksto at independiyenteng mga pagtatasa

Ang publikasyon sa Physical Review Applied ay bukas na pag-access at lisensyado sa ilalim ng CC BY 4.0; ang Unibersidad ng Warwick ay naglabas ng isang press release, "Mga diamante na tumutulong sa paghahanap ng kanser," na itinatampok ang portability at endoscopic diameter ng probe. Ang mga espesyal na publikasyon para sa mga doktor at inhinyero ay nagpapansin na ang pagiging sensitibo sa ibaba ng mga klinikal na dosis ay isang mahalagang hakbang patungo sa isang tunay na operating room.

Ano pa ang kailangang suriin (isang matapat na listahan ng gagawin)

• Sterility at ergonomics: disposable "cover", attachment sa endoscopes, kaginhawahan para sa mga katulong.
• Mga pagkakalibrate sa buhay na tissue: ang impluwensya ng dugo, taba, lalim ng node at mga instrumentong metal sa signal.
• Head-to-head na mga paghahambing: kumpara sa kasalukuyang magnetic probe at radionuclide navigation - sa mga tuntunin ng katumpakan, oras at "mga maling target."
• Regulatory path: EMC standards at evidence base para sa pag-apruba sa iba't ibang bansa.

Bakit diamond at NV centers

Ang mga NV center ay may quantum sensitivity sa magnetic field at optical signal reading: ang kumbinasyong ito ay nagbibigay-daan sa pagbuo ng mga compact, stable na sensor na gumagana sa room temperature. Ito ay kritikal para sa gamot: walang cryogens, mabilis na pagsisimula, modularity (ang laser at photodetector ay inalis mula sa pasyente sa pamamagitan ng optical fiber), potensyal para sa pag-scale sa mga klinikal na batch.

Konklusyon

Ang bagong endoscopic diamond magnetometer ay kumpiyansa na "nakikita" ang magnetic trace ng isang clinical tracer sa mga dosis na mas mababa kaysa karaniwan at umaangkop sa isang 10-mm form factor. Kung ang paparating na mga pagsusuri ay nagpapatunay ng katatagan sa operating environment, ang mga surgeon ay magkakaroon ng quantum, compact at gentle assistant para sa paghahanap ng sentinel lymph nodes - mula sa mga bukas na operasyon hanggang sa laparoscopy at endoscopy. Ito ay isang bihirang kaso kapag ang quantum sensorics ay halos handa nang tumawid sa threshold sa isang tunay na klinika.

Pinagmulan: AJ Newman et al. Endoscopic diamond magnetometer para sa cancer surgery. Inilapat ang Pisikal na Pagsusuri noong 24, 024029 (12 Agosto 2025). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w