Elmas İz Dedektörü: Endoskopik Kuantum Manyetometresi, Cerrahlara Sentinel Lenf Düğümlerini Nerede Arayacaklarını Söyleyecek

Warwick Üniversitesi fizikçileri, onkocerrahi için endoskopik elmas manyetometre prototipini tanıttı. Sensör, elmas içindeki azot boşluğu (NV) merkezlerini kullanıyor ve meme cerrahisinde sentinel lenf nodu biyopsisinde kullanılan demir oksit izleyici MagTrace™'den manyetik alanları okuyor. Cihaz, 5,8 mm'ye kadar bir mesafede yalnızca 0,56 mg demir kütlesi kaydediyor; bu, izleyicinin önerilen dozundan yaklaşık 100 kat daha az; daha yüksek konsantrasyonlarda çalışma mesafesi 14,6 mm'ye çıkıyor. Sensör "kafasının" çapı en fazla 10 mm olduğundan endoskop ve laparoskoplara takılabilir.

Çalışmanın arka planı

Sentinel lenf nodu biyopsisi (SLNB), erken meme kanseri ve diğer bazı tümörlerin evrelemesinde standarttır: Tümörün lenf sistemine girip girmediğini anlamak için lenfatik drenaj boyunca "ilk" lenf düğümleri çıkarılır ve böylece daha travmatik bir diseksiyon önlenir. Klasik navigasyon, radyoizotop + mavi boya kullanılarak yapılır, ancak yöntemin dezavantajları vardır: radyolojik lojistik, sınırlı zaman aralıkları, nadir alerjik reaksiyonlar ve minimal invaziv prosedürler için sınırlamalar. Bu nedenle, alternatifler aktif olarak geliştirilmektedir - örneğin, NICE ve FDA tarafından onaylanan klinik izleyici MagTrace® ve Sentimag probu kombinasyonu gibi süperparamanyetik demir oksitler (SPIO). Bu tür belirteçler ameliyattan dakikalar veya haftalar önce yerleştirilebilir, lenf düğümlerinde kalır ve ameliyathanedeki manyetik sensörlerle görülebilir.

Ancak mevcut manyetik problar genellikle kalıcı mıknatıs ve Hall sensörüne sahip elde taşınabilir cihazlardır: çalışırlar, ancak hassasiyetleri ve form faktörleri endoskopi ve laparoskopide kullanımlarını sınırlar ve tespit eşiği tam doz izleyici enjeksiyonlarının kullanımını teşvik eder. Cerrah için ideal araç, santimetre mesafelerde çok küçük miktarlarda SPIO'yu "görebilen" ve büyük mıknatıslayıcı mıknatıslar olmadan çalışabilen minyatür, steril uyumlu bir probdur.

Bu bağlamda, elmas üzerindeki kuantum sensörleri umut verici bir platform gibi görünmektedir: Elmastaki azot boşluğu (NV) merkezleri, kriyojenler olmadan oda sıcaklığında manyetik alanın (ODMR) optik olarak okunmasını mümkün kılar; lazerler ve dedektörler steril bölgenin dışına çıkarılarak cihazlar fiber optik hale getirilebilir. Son yıllarda, kompakt NV manyetometreleri, manyetik nanopartiküllerden gelen sinyallerin kaydedilmesi de dahil olmak üzere biyomedikal uygulamalar için geliştirilmiştir. Derleme makaleler, hassasiyeti artırmanın yollarını sistematik hale getirmekte ve NV elmasıının uygulamalı manyetometreler için bir platform olarak potansiyelini doğrulamaktadır.

Warwick Üniversitesi'nin yeni bir geliştirmesi bu boşluğu kapatıyor: Klinik izleyici MagTrace®'i tespit eden endoskopik bir NV elmas manyetometresi sunuldu. Prototip, 5,8 mm'ye kadar bir mesafede 0,56 mg'a kadar demir kütlesini tespit ediyor (önerilen dozdan yaklaşık 100 kat daha az) ve 14,6 mm'ye kadar bir mesafede 2,8 mg/ml'ye kadar konsantrasyonlarla çalışıyor; sensör "kafasının" çapı ≤10 mm, endoskoplar ve laparoskoplarla uyumlu. Bu parametreler canlı dokuda doğrulanırsa, teknoloji gerekli izleyici dozlarını azaltabilir, minimal invaziv cerrahide navigasyonu basitleştirebilir ve radyoizotoplara olan bağımlılığı azaltabilir. Şimdilik bu, canlı dokuda kalibrasyonu ve mevcut sistemlerle birebir karşılaştırmayı bekleyen bir laboratuvar prototipi, ancak kliniğe giden "kuantum" yolu şimdiden görülüyor.

Bu nasıl çalışır

Sensörün içinde, NV safsızlıkları içeren bir elmas mikro kristali bulunur. Yeşil bir lazer ve bir mikrodalga sinyali, NV merkezlerini ayarlar ve manyetik alana girdiklerinde ışımaları değişir. Bu optik rezonans okuma (ODMR), kriyojenler ve süperiletkenler olmadan oda sıcaklığında yüksek hassasiyet sağlar. Yeni cihazda, elmas "kafa" optik fiber ile diğer optiklere bağlanır: tüm ağır elektronik aksamlar steril alanın dışında kalır ve hastaya yalnızca minyatür bir sensör getirilir; bu da ameliyathane için kullanışlıdır.

Onkoloji cerrahlarının buna neden ihtiyacı var?

Meme kanserinde (ve diğer birçok tümörde), cerrahın sentinel lenf düğümlerini (tümör hücrelerinin ilk gittiği düğümler) doğru bir şekilde bulup çıkarması önemlidir. Süperparamanyetik demir oksit bazlı manyetik izleyiciler, radyoizotoplara ve boyalara (anestezik ve alerjik riskler taşıyan) güvenli bir alternatiftir. Kuantum elmas sensörü, bu tekniğe hassasiyet ve kompaktlık katar: Algılama eşiği ne kadar düşük ve sensör ne kadar küçükse, düğümün "manyetik izini" endoskopik işlemlere kadar o kadar erken ve daha rahat görebilirsiniz.

Temel gerçekler ve rakamlar

• Demir kütle eşiği: 5,8 mm'ye kadar mesafeden 0,56 mg tespit edildi (önerilen dozun ≈100 katı daha az).
• Konsantrasyon eşiği: 2,8 mg/ml (önerilen değerin ≈20 katı daha az) - 14,6 mm'ye kadar çalışma mesafesiyle.
• Sensör boyutları: “kafa” çapı ≤10 mm - endoskopi/laparoskopi ile uyumludur.
• Uygulama: Meme cerrahisinde demir oksit izleyici MagTrace™'in (Endomag/Endomagnetics) tespiti.

Bu, mevcut sondajlardan nasıl farklı?

Günümüzde ameliyathanelerde kalıcı mıknatıslı ve Hall sensörlü manuel manyetik sensörler kullanılmaktadır. Bu sensörler işlevselliklerini kanıtlamışlardır, ancak hassasiyetleri ve formatları sınırlıdır. Diamond NV manyetometresi:

• büyük kütleli mıknatıslar tarafından mıknatıslanma olmadan çalışır,
• küçük miktardaki izleyiciden zayıf alanları okur,
• endoskopik bir form faktörüne uyar,
• Fiber optiklerin steril bölgenin dışına çıkarılmasına olanak sağlar.

Bu, hasta (ve ameliyathane) için ne anlama geliyor?

İdeal senaryoda, cerrah bir "kuantum işaretçisi" elde eder: Dokuya ince bir prob tutarak, izleyicinin manyetik izinin daha güçlü olduğu yeri görür ve orada nöbetçi düğümü arar. Bu şunları yapabilir:

• arama süresini ve kesinti hacmini azaltmak;
• uygulanan izleyicinin dozunu azaltmak (güvenilirliği koruyarak);
• minimal invaziv müdahalelere yardımcı olmak - göğüs, karın, pelvis;
• radyoizotoplara ve nükleer işaretleme lojistiğine olan bağımlılığı azaltmak.

Bağlam ve bağımsız değerlendirmeler

Physical Review Applied'da yayınlanan yayın açık erişimli olup CC BY 4.0 lisanslıdır; Warwick Üniversitesi, probun taşınabilirliğini ve endoskopik çapını vurgulayan "Kanseri bulmaya yardımcı elmaslar" başlıklı bir basın bülteni yayınladı. Doktorlar ve mühendisler için özel yayınlar, klinik dozların altındaki hassasiyetin gerçek bir ameliyathaneye doğru önemli bir adım olduğunu belirtiyor.

Başka nelerin kontrol edilmesi gerekiyor (dürüst bir yapılacaklar listesi)

• Sterilite ve ergonomi: tek kullanımlık “kılıflar”, endoskoplara bağlantı, asistanlar için kolaylık.
• Canlı dokuda kalibrasyonlar: Kan, yağ, lenf nodu derinliği ve metal aletlerin sinyale etkisi.
• Kafa kafaya karşılaştırmalar: doğruluk, zaman ve "yanlış hedefler" açısından mevcut manyetik problar ve radyonüklid navigasyona karşı.
• Düzenleyici yol: Farklı ülkelerde onay için EMC standartları ve kanıt temeli.

Neden elmas ve NV merkezleri

NV merkezleri, manyetik alanlara ve optik sinyal okumasına karşı kuantum hassasiyetine sahiptir: Bu kombinasyon, oda sıcaklığında çalışan kompakt ve kararlı sensörlerin oluşturulmasına olanak tanır. Bu, tıp açısından kritik öneme sahiptir: kriyojen içermez, hızlı başlatma, modülerlik (lazer ve fotodedektör optik fiber aracılığıyla hastadan çıkarılır), klinik serilere ölçeklendirilme potansiyeli.

Çözüm

Yeni endoskopik elmas manyetometre, normalden daha düşük dozlarda klinik bir izleyicinin manyetik izini güvenle "görür" ve 10 mm'lik bir form faktörüne sığar. Yaklaşan testler ameliyathane ortamında stabiliteyi doğrularsa, cerrahlar açık ameliyatlardan laparoskopi ve endoskopiye kadar sentinel lenf düğümlerini bulmak için kuantum, kompakt ve nazik bir asistana sahip olacaklar. Bu, kuantum sensörlerinin gerçek bir kliniğe geçiş eşiğini neredeyse aşmaya hazır olduğu nadir bir durumdur.

Kaynak: AJ Newman ve ark. Kanser cerrahisi için endoskopik elmas manyetometre. Fiziksel İnceleme Başvurusu 24, 024029 (12 Ağustos 2025). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w