Diamantový detektor stop: Endoskopický kvantový magnetometr řekne chirurgovi, kde hledat sentinelové lymfatické uzliny

Fyzici z Univerzity ve Warwicku předvedli prototyp endoskopického diamantového magnetometru pro onkochirurgii. Senzor využívá centra s dusíkovou vakancí (NV) v diamantu a snímá magnetická pole z oxidového stopovače MagTrace™ – stejného, který se používá při biopsii sentinelových lymfatických uzlin v chirurgii prsu. Zařízení zaznamenává hmotnost železa pouhých 0,56 mg ve vzdálenosti až 5,8 mm – to je přibližně 100krát méně než doporučená dávka stopovače; při vyšších koncentracích se pracovní vzdálenost zvětšuje na 14,6 mm. Průměr „hlavy“ senzoru není větší než 10 mm, takže jej lze instalovat na endoskopy a laparoskopy.

Pozadí studie

Biopsie sentinelové lymfatické uzliny (SLNB) je standardem pro stanovení stadia časného karcinomu prsu a řady dalších nádorů: „první“ uzliny podél lymfatické drenáže se odstraní, aby se zjistilo, zda nádor pronikl do lymfatického systému, a vyhnulo se tak traumatičtější disekci. Klasická navigace je radioizotop + modré barvivo, ale metoda má své nevýhody: radiologickou logistiku, omezená časová okna, vzácné alergické reakce a omezení pro minimálně invazivní zákroky. Proto se aktivně vyvíjejí alternativy – superparamagnetické oxidy železa (SPIO), například klinický tracer MagTrace®, schválený NICE a FDA v kombinaci se sondou Sentimag. Takové markery lze zavést minuty nebo týdny před operací, zůstávají v uzlinách a jsou viditelné magnetickými senzory na operačním sále.

Stávající magnetické sondy jsou však obvykle ruční zařízení s permanentním magnetem a Hallovým senzorem: fungují, ale citlivost a tvarový faktor omezují jejich použití v endoskopii a laparoskopii a detekční práh podporuje použití injekcí s plnou dávkou stopovače. Ideálním nástrojem pro chirurga je miniaturní, sterilně kompatibilní sonda, která dokáže „vidět“ velmi malá množství SPIO na centimetrové vzdálenosti a funguje bez masivních magnetizačních magnetů.

V tomto kontextu se kvantové senzory na diamantu jeví jako slibná platforma: centra s dusíkovou vakancí (NV) v diamantu umožňují opticky číst magnetické pole (ODMR) při pokojové teplotě bez kryogenních látek; zařízení lze vyrobit z optických vláken, čímž se lasery a detektory vynesou ze sterilní zóny. V posledních letech byly demonstrovány kompaktní NV magnetometry pro biomedicínské aplikace, včetně záznamu signálů z magnetických nanočástic. Recenzované práce systematizují způsoby zvýšení citlivosti a potvrzují potenciál NV diamantu jako platformy pro aplikované magnetometry.

Nový vývoj z Univerzity ve Warwicku tuto mezeru uzavírá: byl představen endoskopický diamantový magnetometr NV, který detekuje klinický stopovač MagTrace®. Prototyp detekuje hmotnost železa až do 0,56 mg ve vzdálenosti až 5,8 mm (≈100krát méně než doporučená dávka) a pracuje s koncentracemi až do 2,8 mg/ml ve vzdálenosti až 14,6 mm; průměr „hlavy“ senzoru ≤10 mm je kompatibilní s endoskopy a laparoskopy. Pokud se tyto parametry potvrdí in vivo, technologie může snížit požadované dávky stopovače, zjednodušit navigaci v minimálně invazivní chirurgii a snížit závislost na radioizotopech. Prozatím se jedná o laboratorní prototyp, který čeká na kalibraci v živé tkáni a přímé srovnání se stávajícími systémy, ale „kvantová“ cesta do klinické praxe je již viditelná.

Jak to funguje

Uvnitř senzoru se nachází mikrokrystal diamantu s NV nečistotami. Zelený laser a mikrovlnný signál ladí NV centra a jejich luminiscence se mění, když vstoupí do magnetického pole. Toto měření optické rezonance (ODMR) poskytuje vysokou citlivost při pokojové teplotě, bez kryogenů a supravodičů. V novém zařízení je diamantová „hlava“ propojena optickým vláknem se zbytkem optiky: veškerá těžká elektronika zůstává mimo sterilní pole a k pacientovi je přiveden pouze miniaturní senzor – což je výhodné pro operační sál.

Proč to onkologičtí chirurgové potřebují?

U rakoviny prsu (a řady dalších nádorů) je pro chirurga důležité přesně najít a odstranit sentinelové lymfatické uzliny – ty, kam nádorové buňky dosáhnou jako první. Magnetické stopovače na bázi superparamagnetického oxidu železa jsou bezpečnou alternativou k radioizotopům a barvivům (s anestetickými a alergickými riziky). Kvantový diamantový senzor dodává této technice jemnost a kompaktnost: čím nižší je detekční práh a čím menší je senzor, tím dříve a pohodlněji můžete vidět „magnetickou stopu“ uzliny – až po endoskopické zákroky.

Klíčová fakta a čísla

• Práh hmotnosti železa: 0,56 mg detekováno ve vzdálenosti až 5,8 mm (≈100× méně než doporučená dávka).
• Prahová hodnota koncentrace: 2,8 mg/ml (≈20× méně než doporučeno) – s pracovní vzdáleností až 14,6 mm.
• Rozměry senzoru: „hlavice“ ≤10 mm v průměru – kompatibilní s endoskopií/laparoskopií.
• Použití: detekce stopovače oxidu železa MagTrace™ (Endomag/Endomagnetics) v chirurgii prsu.

Jak se to liší od stávajících sond?

V současné době se na operačních sálech používají manuální magnetické senzory s permanentním magnetem a Hallův senzor – jejich funkčnost se prokázala, ale jejich citlivost a formát jsou omezené. Magnetometr Diamond NV:

• funguje bez magnetizace masivními magnety,
• čte slabá pole z malého množství stopovače,
• vejde se do endoskopického tvarového faktoru,
• umožňuje vyjmutí optických vláken mimo sterilní zónu.

Co to znamená pro pacienta (a operační sál)

V ideálním případě chirurg získá „kvantový ukazatel“: přiložením tenké sondy k tkáni zjistí, kde je magnetická stopa radiofarmaka silnější – a hledá tam sentinelový uzel. To může:

• zkrátit dobu hledání a objem řezů;
• snížit dávku podávaného stopovače (při zachování spolehlivosti);
• asistovat při minimálně invazivních zákrocích - v oblasti hrudníku, břicha, pánve;
• snížit závislost na radioizotopech a logistice jaderného značení.

Kontext a nezávislá hodnocení

Publikace v časopise Physical Review Applied je otevřeného přístupu a licencována pod CC BY 4.0; Univerzita ve Warwicku vydala tiskovou zprávu „Diamanty, které pomáhají najít rakovinu“, v níž zdůraznila přenositelnost a endoskopický průměr sondy. Specializované publikace pro lékaře a inženýry uvádějí, že citlivost pod klinickými dávkami je důležitým krokem k reálnému operačnímu sálu.

Co dalšího je třeba zkontrolovat (poctivý seznam úkolů)

• Sterilita a ergonomie: jednorázové „kryty“, upevnění k endoskopům, pohodlí pro asistenty.
• Kalibrace v živé tkáni: vliv krve, tuku, hloubky uzlů a kovových nástrojů na signál.
• Přímé srovnání: oproti současným magnetickým sondám a radionuklidové navigaci - z hlediska přesnosti, času a „falešných cílů“.
• Regulační cesta: Normy EMC a důkazní základna pro schvalování v různých zemích.

Proč diamantová a nevadská centra

Centra NV mají kvantovou citlivost na magnetická pole a optické signály: tato kombinace umožňuje konstrukci kompaktních a stabilních senzorů, které fungují při pokojové teplotě. To je pro medicínu zásadní: žádné kryogenní látky, rychlé spuštění, modularita (laser a fotodetektor jsou od pacienta odvedeny optickým vláknem), potenciál pro škálování do klinických sérií.

Závěr

Nový endoskopický diamantový magnetometr s jistotou „vidí“ magnetickou stopu klinického stopovače při dávkách nižších než obvykle a vejde se do 10mm provedení. Pokud nadcházející testy potvrdí stabilitu v operačním prostředí, chirurgové budou mít kvantového, kompaktního a šetrného asistenta pro vyhledávání sentinelových lymfatických uzlin – od otevřených operací až po laparoskopii a endoskopii. Toto je vzácný případ, kdy je kvantová senzorika téměř připravena překročit práh skutečné kliniky.

Zdroj: AJ Newman a kol. Endoskopický diamantový magnetometr pro chirurgii rakoviny. Physical Review Applied 24, 024029 (12. srpna 2025). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w