Diamantsporendetector: endoscopische quantummagnetometer vertelt chirurg waar hij naar schildwachtklieren moet zoeken

Natuurkundigen van de Universiteit van Warwick hebben een prototype van een endoscopische diamantmagnetometer voor oncochirurgie gedemonstreerd. De sensor maakt gebruik van stikstof-vacature (NV) centra in diamant en meet magnetische velden van de ijzeroxidetracer MagTrace™ – dezelfde die wordt gebruikt bij schildwachtklierbiopten bij borstchirurgie. Het apparaat registreert een ijzermassa van slechts 0,56 mg op een afstand van maximaal 5,8 mm – dit is ongeveer 100 keer minder dan de aanbevolen dosis van de tracer; bij hogere concentraties neemt de werkafstand toe tot 14,6 mm. De diameter van de sensorkop is maximaal 10 mm, waardoor deze geschikt is voor installatie op endoscopen en laparoscopen.

Achtergrond van de studie

Schildwachtklierbiopsie (SLNB) is de standaard voor het bepalen van het stadium van borstkanker en een aantal andere tumoren in een vroeg stadium: de "eerste" lymfeklieren langs de lymfedrainage worden verwijderd om te bepalen of de tumor in het lymfestelsel is terechtgekomen, waardoor een meer traumatische dissectie wordt vermeden. Klassieke navigatie is een radio-isotoop met blauwe kleurstof, maar deze methode heeft nadelen: radiologische logistiek, beperkte tijdsintervallen, zeldzame allergische reacties en beperkingen voor minimaal invasieve procedures. Daarom worden alternatieven actief ontwikkeld - superparamagnetische ijzeroxiden (SPIO), bijvoorbeeld de klinische tracer MagTrace®, goedgekeurd door NICE en FDA, in combinatie met de Sentimag-sonde. Dergelijke markers kunnen minuten of weken voor de operatie worden ingebracht, blijven in de lymfeklieren aanwezig en zijn zichtbaar met magnetische sensoren in de operatiekamer.

Bestaande magnetische probes zijn echter meestal handzame apparaten met een permanente magneet en een Hall-sensor: ze werken, maar de gevoeligheid en vormfactor beperken hun gebruik bij endoscopie en laparoscopie, en de detectiedrempel stimuleert het gebruik van volledige tracer-injecties. Het ideale hulpmiddel voor de chirurg is een miniatuur, steriel-compatibele probe die zeer kleine hoeveelheden SPIO op centimeterafstand kan "zien" en kan werken zonder enorme magnetiserende magneten.

Tegen deze achtergrond lijken kwantumsensoren op diamant een veelbelovend platform: stikstofvacaturecentra (NV) in diamant maken het mogelijk om het magnetische veld optisch te meten (ODMR) bij kamertemperatuur, zonder cryogene middelen; apparaten kunnen glasvezels maken, waardoor lasers en detectoren niet meer in de steriele zone hoeven te worden geplaatst. De afgelopen jaren zijn compacte NV-magnetometers gedemonstreerd voor biomedische toepassingen, waaronder het registreren van signalen van magnetische nanodeeltjes. Reviewartikelen systematiseren manieren om de gevoeligheid te verhogen en bevestigen het potentieel van NV-diamant als platform voor toegepaste magnetometers.

Een nieuwe ontwikkeling van de Universiteit van Warwick dicht deze kloof: er is een endoscopische NV-diamantmagnetometer gepresenteerd die de klinische tracer MagTrace® detecteert. Het prototype detecteert een ijzermassa tot 0,56 mg op een afstand tot 5,8 mm (≈100 keer lager dan de aanbevolen dosis) en werkt met concentraties tot 2,8 mg/ml op een afstand tot 14,6 mm; de diameter van de sensorkop ≤10 mm is compatibel met endoscopen en laparoscopen. Als deze parameters in vivo worden bevestigd, kan de technologie de benodigde tracerdoses verlagen, de navigatie bij minimaal invasieve chirurgie vereenvoudigen en de afhankelijkheid van radio-isotopen verminderen. Voorlopig is dit een laboratoriumprototype dat wacht op kalibratie in levend weefsel en directe vergelijking met bestaande systemen, maar de "kwantum"-route naar de kliniek is al zichtbaar.

Hoe werkt dit

In de sensor bevindt zich een microkristal van diamant met NV-verontreinigingen. Een groene laser en een microgolfsignaal stemmen de NV-centra af, en hun luminescentie verandert wanneer ze in een magnetisch veld terechtkomen. Deze optische resonantiemeting (ODMR) biedt een hoge gevoeligheid bij kamertemperatuur, zonder cryogene stoffen en supergeleiders. In het nieuwe apparaat is de diamanten "kop" via een glasvezel verbonden met de rest van de optica: alle zware elektronica blijft buiten het steriele veld en er wordt slechts een miniatuursensor naar de patiënt gebracht – handig voor in de operatiekamer.

Waarom hebben oncologiechirurgen dit nodig?

Bij borstkanker (en een aantal andere tumoren) is het belangrijk dat de chirurg de schildwachtklieren – de plekken waar de tumorcellen als eerste naartoe gaan – nauwkeurig kan vinden en verwijderen. Magnetische tracers op basis van superparamagnetisch ijzeroxide vormen een veilig alternatief voor radio-isotopen en kleurstoffen (met anesthesie- en allergische risico's). Een kwantumdiamantsensor voegt precisie en compactheid toe aan deze techniek: hoe lager de detectiedrempel en hoe kleiner de sensor, hoe eerder en gemakkelijker u het "magnetische spoor" van de lymfeklier kunt zien – tot endoscopische ingrepen aan toe.

Belangrijkste feiten en cijfers

• Drempelwaarde voor ijzergehalte: 0,56 mg gedetecteerd op een afstand van maximaal 5,8 mm (≈100× minder dan de aanbevolen dosis).
• Concentratiedrempel: 2,8 mg/ml (≈20× minder dan aanbevolen) - met een werkingsafstand tot 14,6 mm.
• Afmetingen sensor: “kop” ≤10 mm in diameter - compatibel met endoscopie/laparoscopie.
• Toepassing: detectie van de ijzeroxidetracer MagTrace™ (Endomag/Endomagnetics) bij borstchirurgie.

Hoe verschilt dit van bestaande sondes?

Momenteel worden in operatiekamers handmatige magneetsensoren gebruikt met een permanente magneet en een Hall-sensor. Deze sensoren hebben hun functionaliteit bewezen, maar hun gevoeligheid en formaat zijn beperkt. Diamond NV-magnetometer:

• werkt zonder magnetisatie door massieve magneten,
• leest zwakke velden uit kleine hoeveelheden tracer,
• past in een endoscopische vormfactor,
• maakt het mogelijk om glasvezels buiten de steriele zone te verwijderen.

Wat betekent dit voor de patiënt (en de operatiekamer)?

In een ideaal scenario krijgt de chirurg een "kwantumpointer": door een dunne sonde op het weefsel te houden, ziet hij waar het magnetische spoor van de tracer sterker is - en zoekt hij daar naar de schildwachtklier. Dit kan:

• de zoektijd en het aantal sneden verminderen;
• de dosis van de toegediende tracer verlagen (terwijl de betrouwbaarheid behouden blijft);
• assisteren bij minimaal invasieve ingrepen - in de borst, de buik, het bekken;
• de afhankelijkheid van radio-isotopen en nucleaire markeringslogistiek verminderen.

Context en onafhankelijke beoordelingen

De publicatie in Physical Review Applied is open access en heeft een CC BY 4.0-licentie. De Universiteit van Warwick publiceerde een persbericht met de titel "Diamanten die helpen kanker te vinden", waarin de draagbaarheid en endoscopische diameter van de sonde worden benadrukt. Gespecialiseerde publicaties voor artsen en ingenieurs merken op dat een gevoeligheid onder de klinische doses een belangrijke stap is naar een echte operatiekamer.

Wat moet er nog meer gecontroleerd worden (een eerlijke to-do-lijst)

• Steriliteit en ergonomie: wegwerphoezen, bevestiging aan endoscopen, gemak voor assistenten.
• Kalibraties in levend weefsel: de invloed van bloed, vet, knoopdiepte en metalen instrumenten op het signaal.
• Directe vergelijkingen: vergeleken met huidige magnetische sondes en radionuclidenavigatie - in termen van nauwkeurigheid, tijd en "valse doelen".
• Regelgevingstraject: EMC-normen en bewijsbasis voor goedkeuring in verschillende landen.

Waarom diamant- en NV-centra

NV-centra zijn kwantumgevoelig voor magnetische velden en optische signaalmeting: deze combinatie maakt het mogelijk om compacte, stabiele sensoren te bouwen die bij kamertemperatuur werken. Dit is cruciaal voor de geneeskunde: geen cryogene middelen, snelle opstart, modulariteit (laser en fotodetector worden via een glasvezel van de patiënt verwijderd) en de mogelijkheid tot opschaling naar klinische batches.

Conclusie

De nieuwe endoscopische diamantmagnetometer "ziet" met zekerheid het magnetische spoor van een klinische tracer bij lagere doses dan gebruikelijk en past in een 10 mm-formaat. Als toekomstige tests de stabiliteit in de operatiekamer bevestigen, beschikken chirurgen over een kwantum, compacte en gebruiksvriendelijke assistent voor het vinden van schildwachtklieren - van open operaties tot laparoscopie en endoscopie. Dit is een zeldzaam geval waarin kwantumsensoriek bijna klaar is om de drempel naar een echte kliniek te overschrijden.

Bron: AJ Newman et al. Endoscopische diamantmagnetometer voor kankerchirurgie. Physical Review Applied 24, 024029 (12 augustus 2025). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w