Timanttijälkidetektori: Endoskooppinen kvanttimagnetometri kertoo kirurgille, mistä etsiä vartijaimusolmukkeita

Warwickin yliopiston fyysikot ovat esitelleet onkokirurgiaan tarkoitetun endoskooppisen timanttimagneettimittarin prototyypin. Anturi käyttää timantissa olevia typpivakanssikeskuksia (NV) ja lukee magneettikenttiä rautaoksidimerkkiaineesta MagTrace™ – samasta, jota käytetään vartijasolmukkeiden biopsioissa rintaleikkauksissa. Laite tallentaa vain 0,56 mg:n rautamassan jopa 5,8 mm:n etäisyydeltä – tämä on noin 100 kertaa vähemmän kuin merkkiaineen suositeltu annos; suuremmilla pitoisuuksilla työskentelyetäisyys kasvaa 14,6 mm:iin. Anturin "pään" halkaisija on enintään 10 mm, joten se voidaan asentaa endoskooppeihin ja laparoskooppeihin.

Tutkimuksen tausta

Vartijasolmukebiopsia (SLNB) on standardi rintasyövän ja useiden muiden kasvainten varhaisen vaiheen levinneisyyden määrittämiseen: imusuonten varrella olevat "ensimmäiset" imusolmukkeet poistetaan, jotta voidaan selvittää, onko kasvain levinnyt imusuonistoon, jolloin vältetään traumaattisempi dissektio. Klassinen navigointi on radioisotooppi + sininen väriaine, mutta menetelmällä on haittojaan: radiologinen logistiikka, rajalliset aikaikkunat, harvinaiset allergiset reaktiot ja rajoitukset minimaalisesti invasiivisille toimenpiteille. Siksi vaihtoehtoja kehitetään aktiivisesti - superparamagneettisia rautaoksideja (SPIO), esimerkiksi kliininen merkkiaine MagTrace®, jonka NICE ja FDA ovat hyväksyneet yhdessä Sentimag-koettimen kanssa. Tällaiset merkkiaineet voidaan lisätä minuutteja tai viikkoja ennen leikkausta, ne jäävät imusolmukkeisiin ja ovat näkyvissä magneettiantureilla leikkaussalissa.

Nykyiset magneettianturit ovat kuitenkin tyypillisesti kädessä pidettäviä laitteita, joissa on kestomagneetti ja Hall-anturi: ne toimivat, mutta herkkyys ja muoto rajoittavat niiden käyttöä endoskopiassa ja laparoskopiassa, ja havaitsemiskynnys kannustaa täysiannosmerkkiaineinjektioiden käyttöön. Kirurgille ihanteellinen työkalu on miniatyyrikokoinen, steriilisti yhteensopiva anturi, joka pystyy "näkemään" hyvin pieniä määriä SPIO:ta senttimetrien etäisyyksillä ja toimimaan ilman massiivisia magnetoivia magneetteja.

Tätä taustaa vasten timantin päällä olevat kvanttianturit näyttävät lupaavalta alustalta: timantin typpivakanssikeskukset (NV) mahdollistavat magneettikentän (ODMR) optisen lukemisen huoneenlämmössä ilman kryogeenejä; laitteet voidaan valmistaa kuituoptisesti, jolloin laserit ja ilmaisimet viedään pois steriililtä alueelta. Viime vuosina kompakteja NV-magnetometrejä on esitelty biolääketieteellisissä sovelluksissa, mukaan lukien magneettisten nanopartikkelien signaalien tallentaminen. Katsausartikkelit systematisoivat tapoja lisätä herkkyyttä ja vahvistavat NV-timantin potentiaalin sovelletun magnetometrin alustana.

Warwickin yliopiston uusi kehitys paikaa tätä kuilua: on esitelty endoskooppinen NV-timanttimagnetometri, joka havaitsee kliinisen merkkiaineen MagTrace®. Prototyyppi havaitsee jopa 0,56 mg:n rautamassan jopa 5,8 mm:n etäisyydeltä (≈100 kertaa pienempi kuin suositeltu annos) ja toimii jopa 2,8 mg/ml:n pitoisuuksilla jopa 14,6 mm:n etäisyydeltä; anturin "pään" halkaisija ≤10 mm on yhteensopiva endoskooppien ja laparoskooppien kanssa. Jos nämä parametrit vahvistetaan in vivo, teknologia voi vähentää tarvittavia merkkiaineannoksia, yksinkertaistaa navigointia minimaalisesti invasiivisessa kirurgiassa ja vähentää riippuvuutta radioisotoopeista. Toistaiseksi kyseessä on laboratorioprototyyppi, joka odottaa kalibrointia elävässä kudoksessa ja vertailua olemassa olevien järjestelmien kanssa, mutta "kvantti"-polku klinikalle on jo näkyvissä.

Miten tämä toimii

Anturin sisällä on timantista valmistettu mikrokide, jossa on NV-epäpuhtauksia. Vihreä laser ja mikroaaltosignaali virittävät NV-keskuksia, ja niiden luminesenssi muuttuu, kun ne tulevat magneettikenttään. Tämä optinen resonanssilukema (ODMR) tarjoaa korkean herkkyyden huoneenlämmössä ilman kryogeenejä ja suprajohteita. Uudessa laitteessa timantti"pää" on yhdistetty optisella kuidulla muuhun optiikkaan: kaikki raskas elektroniikka pysyy steriilin kentän ulkopuolella, ja potilaalle tuodaan vain miniatyyrianturi – kätevästi leikkaussalissa.

Miksi onkologit tarvitsevat tätä?

Rintasyövässä (ja useissa muissa kasvaimissa) on tärkeää, että kirurgi löytää ja poistaa tarkasti vartijasolmukkeet – ne, joihin kasvainsolut menevät ensin. Superparamagneettiseen rautaoksidiin perustuvat magneettiset merkkiaineet ovat turvallinen vaihtoehto radioisotoopeille ja väriaineille (joihin liittyy anestesia- ja allergiariskejä). Kvanttitimanttianturi lisää tähän tekniikkaan herkkyyttä ja kompaktiutta: mitä alhaisempi havaitsemiskynnys ja mitä pienempi anturi, sitä aikaisemmin ja helpommin voit nähdä solmun "magneettisen jäljen" – aina endoskooppisiin toimenpiteisiin asti.

Keskeiset tiedot ja luvut

• Raudan massakynnys: 0,56 mg havaittuna jopa 5,8 mm:n etäisyydellä (≈100 × pienempi kuin suositeltu annos).
• Pitoisuuskynnys: 2,8 mg/ml (≈20 × vähemmän kuin suositeltu) – työskentelyetäisyys jopa 14,6 mm.
• Anturin mitat: ”pää” halkaisijaltaan ≤10 mm – yhteensopiva endoskopian/laparoskopian kanssa.
• Käyttö: rautaoksidimerkkiaineen MagTrace™ (Endomag/Endomagnetics) havaitseminen rintaleikkauksissa.

Miten tämä eroaa nykyisistä antureista?

Tällä hetkellä leikkaussaleissa käytetään manuaalisia magneettiantureita, joissa on kestomagneetti, ja Hall-anturia – ne ovat osoittaneet toimivuutensa, mutta niiden herkkyys ja muoto ovat rajalliset. Diamond NV -magnetometri:

• toimii ilman massiivisten magneettien magnetointia,
• lukee heikkoja kenttiä pienistä merkkiainemääristä,
• sopii endoskooppiseen muotoon,
• mahdollistaa kuituoptiikan poistamisen steriilin alueen ulkopuolelta.

Mitä tämä tarkoittaa potilaalle (ja leikkaussalille)?

Ideaalitilanteessa kirurgi saa "kvanttiosoittimen": pitämällä ohutta koetinta kudoksessa hän näkee, missä merkkiaineen magneettinen jälki on voimakkaampi – ja etsii sieltä vartijasolmuketta. Tämä voi:

• vähentää hakuaikaa ja leikkausten määrää;
• pienennä annetun merkkiaineen annosta (säilyttäen samalla luotettavuus);
• avustaa minimaalisesti invasiivisissa toimenpiteissä - rinnassa, vatsassa, lantiossa;
• vähentää riippuvuutta radioisotoopeista ja ydinmateriaalien merkitsemisen logistiikasta.

Konteksti ja riippumattomat arvioinnit

Physical Review Applied -lehdessä julkaistu tutkimus on avoimesti saatavilla ja lisensoitu CC BY 4.0 -lisenssillä. Warwickin yliopisto julkaisi lehdistötiedotteen ”Timantit, jotka auttavat löytämään syöpää”, jossa korostettiin luotaimen kannettavuutta ja endoskooppista halkaisijaa. Lääkäreille ja insinööreille tarkoitetuissa erikoisjulkaisuissa todetaan, että kliinisiä annoksia pienempi herkkyys on tärkeä askel kohti todellista leikkaussalia.

Mitä muuta on tarkistettava (rehellinen tehtävälista)

• Steriiliys ja ergonomia: kertakäyttöiset "suojukset", kiinnitys endoskooppeihin, avustajien mukavuus.
• Kalibroinnit elävässä kudoksessa: veren, rasvan, imusolmukkeiden syvyyden ja metallisten instrumenttien vaikutus signaaliin.
• Vertailuja nykyisiin magneettisiin luotaimiin ja radionuklidien navigointiin verrattuna - tarkkuuden, ajan ja "väärien maalien" suhteen.
• Sääntelypolku: EMC-standardit ja näyttöön perustuva hyväksyntä eri maissa.

Miksi timantti- ja NV-keskukset

Neuraalisten sairaaloiden magneettikentille on ominaista kvanttiherkkyys ja optinen signaalinluku: tämä yhdistelmä mahdollistaa kompaktien, vakaiden ja huoneenlämmössä toimivien antureiden rakentamisen. Tämä on lääketieteen kannalta kriittistä: ei kryogeenejä, nopea käynnistys, modulaarisuus (laser ja valodetektori poistetaan potilaasta optisen kuidun kautta) ja mahdollisuus skaalata kliinisiin eriin.

Johtopäätös

Uusi endoskooppinen timanttimagneettimittari "näkee" luotettavasti kliinisen merkkiaineen magneettijäljen tavallista pienemmillä annoksilla ja sopii 10 mm:n muotoon. Jos tulevat testit vahvistavat stabiilisuuden leikkausympäristössä, kirurgeilla on käytössään kvanttipohjainen, kompakti ja hellävarainen avustaja vartijasolmukkeiden löytämiseen – avoleikkauksista laparoskopiaan ja endoskopiaan. Tämä on harvinainen tapaus, jossa kvanttisensoriikka on lähes valmis ylittämään kynnyksen oikealle klinikalle.

Lähde: AJ Newman ym. Endoskooppinen timanttimagnetometri syöpäkirurgiassa. Physical Review Applied 24, 024029 (12. elokuuta 2025). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w