Алмазный детектор следов: эндоскопический квантовый магнитометр подскажет хирургу, где искать «сторожевые» лимфоузлы

Физики из Университета Уорика показали прототип эндоскопического магнитометра на алмазе для онкохирургии. Сенсор использует центры азот-вакансия (NV) в алмазе и считывает магнитные поля от железооксидного трассера MagTrace™ - того самого, что применяют при биопсии сторожевого лимфоузла в операциях на молочной железе. Устройство фиксирует массу железа всего 0,56 мг на расстоянии до 5,8 мм - это примерно в 100 раз меньше рекомендуемой дозы метки; при более высоких концентрациях рабочая дистанция увеличивается до 14,6 мм. Диаметр «головки» сенсора - не более 10 мм, так что его реально ставить на эндоскопы и лапароскопы.

Фон исследования

Биопсия сторожевого лимфоузла (SLNB) - стандарт стадирования при раннем раке молочной железы и ряде других опухолей: удаляют «первые» узлы по ходу лимфооттока, чтобы понять, ушла ли опухоль в лимфатическую систему, избежав более травматичной диссекции. Классическая навигация - радиоизотоп + синий краситель, но у метода есть издержки: радиологическая логистика, ограниченные окна времени, редкие аллергические реакции и ограничения для миниинвазивных процедур. Поэтому активно развиваются альтернативы - суперпарамагнитные оксиды железа (SPIO), например клинический трассер MagTrace®, одобренный NICE и FDA в составе с зондом Sentimag. Такие метки можно вводить за минуты или за несколько недель до операции, они остаются в узлах и видимы магнитными датчиками в операционной.

Однако существующие магнитные зонды - это, как правило, ручные устройства с постоянным магнитом и датчиком Холла: они рабочие, но чувствительность и форм-фактор ограничивают применение в эндоскопии и лапароскопии, а порог обнаружения подталкивает к использованию полнодозных инъекций трассера. Идеальный инструмент для хирурга - миниатюрный, стерильно совместимый датчик, способный «видеть» очень малые количества SPIO на сантиметровых дистанциях и работать без массивных подмагничивающих магнитов.

На этом фоне перспективной платформой выглядит квантовая сенсорика на алмазе: центры азот-вакансия (NV) в алмазе дают возможность оптически считывать магнитное поле (ODMR) при комнатной температуре, без криогенов; устройства можно делать волоконно-оптическими, вынося лазеры и детекторы из стерильной зоны. За последние годы показаны компактные NV-магнитометры для биомедицинских задач, в том числе для регистрации сигналов от магнитных наночастиц. Обзорные работы систематизируют пути повышения чувствительности и подтверждают потенциал NV-алмаза как платформы для прикладных магнитометров.

Новая разработка из Университета Уорика как раз закрывает этот пробел: представлен эндоскопический NV-алмазный магнитометр, который детектирует клинический трассер MagTrace®. Прототип фиксирует массу железа до 0,56 мг на дистанции до 5,8 мм (≈в 100 раз меньше рекомендуемой дозы) и работает с концентрациями до 2,8 мг/мл при дистанции до 14,6 мм; диаметр сенсорной «головки» ≤10 мм совместим с эндоскопами и лапароскопами. Если эти параметры подтвердятся in vivo, технология может сократить нужные дозы метки, упростить навигацию в минимально инвазивной хирургии и снизить зависимость от радиоизотопов. Пока это лабораторный прототип, которому предстоят калибровки в живой ткани и сравнение «лоб в лоб» с существующими системами, но сам «квантовый» путь к клинике уже просматривается.

Как это работает

Внутри сенсора - микрокристалл алмаза с примесями NV. Зелёный лазер и микроволновой сигнал настраивают NV-центры, а их люминесценция меняется при попадании в магнитное поле. Такое оптическое резонансное считывание (ODMR) даёт высокую чувствительность при комнатной температуре, без криогенов и сверхпроводников. В новом устройстве алмазная «головка» соединена оптоволокном с остальной оптикой: вся тяжёлая электроника остаётся вне стерильного поля, а к пациенту подводят только миниатюрный датчик - удобно для операционной.

Зачем это онкохирургам

При раке молочной железы (и ряде других опухолей) хирургу важно точно найти и удалить сторожевые лимфоузлы - те, куда первыми уходят клетки опухоли. Магнитные трассеры на основе суперпарамагнитного оксида железа - безопасная альтернатива радиоизотопам и красителям (с анестетическими и аллергическими рисками). Квантовый алмазный датчик добавляет к этой технике деликатность и компактность: чем ниже порог обнаружения и меньше датчик, тем раньше и удобнее можно увидеть «магнитный след» узла - вплоть до эндоскопических процедур.

Ключевые цифры и факты

• Порог по массе железа: 0,56 мг обнаруживаются на дистанции до 5,8 мм (≈100× меньше рекомендованной дозы).
• Порог по концентрации: 2,8 мг/мл (≈20× меньше рекомендованной) - при этом рабочая дистанция до 14,6 мм.
• Габариты сенсора: «головка» ≤10 мм в диаметре - совместимо с эндоскопией/лапароскопией.
• Применение: поиск железооксидного трассера MagTrace™ (Endomag/Endomagnetics) при операциях на молочной железе.

Чем это отличается от существующих зондов

Сейчас в операционных используют ручные магнитные датчики с постоянным магнитом и датчиком Холла - они доказали работоспособность, но чувствительность и формат ограничены. Алмазный NV-магнитометр:

• работает без подмагничивания массивными магнитами,
• считывает слабые поля от малых количеств трассера,
• умещается в эндоскопический форм-фактор,
• допускает оптоволоконный вынос оптики за пределы стерильной зоны.

Что это значит для пациента (и операционной)

В идеальном сценарии хирург получает «квантовый указатель»: держа тонкий зонд у ткани, он видит, где магнитный след трассера сильнее - там и ищет сторожевой узел. Это может:

• сократить время поисков и объём разрезов;
• уменьшить дозу вводимого трассера (при сохранении надёжности);
• помочь в минимально инвазивных вмешательствах - в грудной клетке, животе, тазу;
• снизить зависимость от радиоизотопов и логистики «ядерной» разметки.

Контекст и независимые оценки

Публикация в Physical Review Applied - открытый доступ с лицензией CC BY 4.0; Университет Уорика выпустил пресс-релиз «Алмазы, которые помогают находить рак», подчёркивая портативность и эндоскопический диаметр датчика. Профильные издания для врачей и инженеров отмечают, что чувствительность ниже клинических доз - важный шаг к реальной операционной.

Что ещё нужно проверить (честный список задач)

• Стерильность и эргономика: одноразовые «чехлы», крепление к эндоскопам, удобство для ассистентов.
• Калибровки в живой ткани: влияние крови, жира, глубины узла и металлических инструментов на сигнал.
• Сравнения head-to-head: против действующих магнитных зондов и радионуклидной навигации - по точности, времени и «ложным целям».
• Регуляторный путь: стандарты электромагнитной совместимости и доказательная база для одобрения в разных странах.

Почему именно алмаз и NV-центры

У NV-центров квантовая чувствительность к магнитному полю и оптическое считывание сигнала: это сочетание позволяет строить компактные, стабильные датчики, работающие при комнатной температуре. Для медицины это критично: никаких криогенов, быстрый запуск, модульность (вынос лазера и фотоприёмника от пациента по оптоволокну), потенциал для масштабирования в клинические партии.

Вывод

Новый эндоскопический алмазный магнитометр уверенно «видит» магнитный след клинического трассера при дозах ниже привычных и укладывается в 10-миллиметровый форм-фактор. Если грядущие испытания подтвердят стабильность в операционной среде, у хирургов появится квантовый, компактный и нежный помощник для поиска сторожевых лимфоузлов - от открытых операций до лапароскопии и эндоскопии. Это редкий случай, когда квантовая сенсорика почти готова перешагнуть порог в реальную клинику.

Источник: A. J. Newman и соавт. Endoscopic diamond magnetometer for cancer surgery. Physical Review Applied 24, 024029 (12 августа 2025). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w