Detektor Jejak Berlian: Magnetometer Kuantum Endoskopi Akan Memberi Tahu Dokter Bedah di Mana Harus Mencari Kelenjar Getah Bening Sentinel

Fisikawan dari Universitas Warwick telah mendemonstrasikan prototipe magnetometer berlian endoskopi untuk bedah onkologi. Sensor ini menggunakan pusat nitrogen-vakansi (NV) dalam berlian dan membaca medan magnet dari pelacak oksida besi MagTrace™ - yang sama yang digunakan dalam biopsi kelenjar getah bening sentinel pada operasi payudara. Perangkat ini merekam massa besi hanya 0,56 mg pada jarak hingga 5,8 mm - ini sekitar 100 kali lebih rendah dari dosis pelacak yang direkomendasikan; pada konsentrasi yang lebih tinggi, jarak kerja meningkat menjadi 14,6 mm. Diameter "kepala" sensor tidak lebih dari 10 mm, sehingga dapat dipasang pada endoskopi dan laparoskopi.

Latar Belakang Penelitian

Biopsi kelenjar getah bening sentinel (SLNB) adalah standar untuk menentukan stadium kanker payudara dini dan sejumlah tumor lainnya: kelenjar getah bening "pertama" di sepanjang drainase limfatik diangkat untuk memahami apakah tumor telah memasuki sistem limfatik, sehingga menghindari diseksi yang lebih traumatis. Navigasi klasik adalah radioisotop + pewarna biru, tetapi metode ini memiliki kekurangan: logistik radiologis, jangka waktu terbatas, reaksi alergi yang jarang terjadi, dan keterbatasan untuk prosedur invasif minimal. Oleh karena itu, alternatif sedang dikembangkan secara aktif - oksida besi superparamagnetik (SPIO), misalnya, pelacak klinis MagTrace®, yang disetujui oleh NICE dan FDA dalam kombinasi dengan probe Sentimag. Penanda tersebut dapat dimasukkan beberapa menit atau minggu sebelum operasi, tetap berada di kelenjar getah bening dan terlihat dengan sensor magnetik di ruang operasi.

Namun, probe magnetik yang ada biasanya berupa perangkat genggam dengan magnet permanen dan sensor Hall: keduanya berfungsi, tetapi sensitivitas dan faktor bentuk membatasi penggunaannya dalam endoskopi dan laparoskopi, dan ambang deteksinya mendorong penggunaan suntikan pelacak dosis penuh. Alat yang ideal untuk ahli bedah adalah probe mini yang kompatibel dengan steril yang dapat "melihat" SPIO dalam jumlah sangat kecil pada jarak sentimeter dan beroperasi tanpa magnet pengmagnet yang besar.

Dengan latar belakang ini, sensor kuantum pada berlian tampak sebagai platform yang menjanjikan: pusat nitrogen-lowongan (NV) pada berlian memungkinkan pembacaan medan magnet (ODMR) secara optik pada suhu ruangan, tanpa kriogen; perangkat dapat dibuat serat optik, sehingga laser dan detektor tidak lagi berada di zona steril. Dalam beberapa tahun terakhir, magnetometer NV kompak telah didemonstrasikan untuk aplikasi biomedis, termasuk untuk merekam sinyal dari nanopartikel magnetik. Makalah tinjauan mensistematisasikan cara-cara untuk meningkatkan sensitivitas dan mengonfirmasi potensi berlian NV sebagai platform untuk magnetometer terapan.

Sebuah perkembangan baru dari University of Warwick menjembatani kesenjangan ini: sebuah magnetometer berlian NV endoskopik telah diperkenalkan yang mendeteksi pelacak klinis MagTrace®. Prototipe ini mendeteksi massa besi hingga 0,56 mg pada jarak hingga 5,8 mm (≈100 kali lebih rendah dari dosis yang disarankan) dan bekerja dengan konsentrasi hingga 2,8 mg/ml pada jarak hingga 14,6 mm; diameter "kepala" sensor ≤10 mm kompatibel dengan endoskopi dan laparoskopi. Jika parameter ini dikonfirmasi secara in vivo, teknologi ini dapat mengurangi dosis pelacak yang diperlukan, menyederhanakan navigasi dalam operasi minimal invasif, dan mengurangi ketergantungan pada radioisotop. Untuk saat ini, ini merupakan prototipe laboratorium yang menunggu kalibrasi pada jaringan hidup dan perbandingan langsung dengan sistem yang ada, tetapi jalur "kuantum" menuju klinik sudah terlihat.

Bagaimana cara kerjanya?

Di dalam sensor terdapat mikrokristal berlian dengan pengotor NV. Laser hijau dan sinyal gelombang mikro menyetel pusat NV, dan luminesensinya berubah ketika memasuki medan magnet. Pembacaan resonansi optik (ODMR) ini memberikan sensitivitas tinggi pada suhu ruangan, tanpa kriogen dan superkonduktor. Pada perangkat baru ini, "kepala" berlian dihubungkan melalui serat optik ke bagian optik lainnya: semua perangkat elektronik berat tetap berada di luar medan steril, dan hanya sensor mini yang dibawa ke pasien—yang praktis untuk ruang operasi.

Mengapa dokter bedah onkologi membutuhkan ini?

Pada kanker payudara (dan sejumlah tumor lainnya), penting bagi ahli bedah untuk secara akurat menemukan dan mengangkat kelenjar getah bening sentinel—tempat sel tumor pertama kali tumbuh. Pelacak magnetik berbahan dasar oksida besi superparamagnetik merupakan alternatif yang aman untuk radioisotop dan pewarna (dengan risiko anestesi dan alergi). Sensor berlian kuantum menambahkan kehalusan dan kekompakan pada teknik ini: semakin rendah ambang deteksi dan semakin kecil sensornya, semakin dini dan mudah Anda dapat melihat "jejak magnetik" kelenjar getah bening—hingga prosedur endoskopi.

Fakta dan angka penting

• Ambang massa besi: 0,56 mg terdeteksi pada jarak hingga 5,8 mm (≈100× kurang dari dosis yang disarankan).
• Ambang konsentrasi: 2,8 mg/ml (≈20× kurang dari yang direkomendasikan) - dengan jarak kerja hingga 14,6 mm.
• Dimensi sensor: “kepala” ≤10 mm diameter - kompatibel dengan endoskopi/laparoskopi.
• Aplikasi: deteksi pelacak oksida besi MagTrace™ (Endomag/Endomagnetics) dalam operasi payudara.

Apa bedanya dengan probe yang sudah ada?

Saat ini, ruang operasi menggunakan sensor magnetik manual dengan magnet permanen dan sensor Hall - keduanya telah teruji fungsinya, tetapi sensitivitas dan formatnya terbatas. Magnetometer Diamond NV:

• bekerja tanpa magnetisasi oleh magnet besar,
• membaca medan lemah dari sejumlah kecil pelacak,
• cocok dengan bentuk faktor endoskopi,
• memungkinkan serat optik dikeluarkan dari zona steril.

Apa artinya ini bagi pasien (dan ruang operasi)

Dalam skenario ideal, ahli bedah mendapatkan "penunjuk kuantum": dengan mengarahkan probe tipis ke jaringan, ia melihat di mana jejak magnetik pelacak lebih kuat - dan mencari nodus sentinel di sana. Hal ini dapat:

• mengurangi waktu pencarian dan volume pemotongan;
• mengurangi dosis pelacak yang diberikan (sambil tetap menjaga keandalan);
• membantu dalam intervensi invasif minimal - di dada, perut, panggul;
• mengurangi ketergantungan pada radioisotop dan logistik penandaan nuklir.

Konteks dan penilaian independen

Publikasi dalam Physical Review Applied bersifat akses terbuka dan berlisensi CC BY 4.0; Universitas Warwick menerbitkan siaran pers berjudul "Berlian yang Membantu Menemukan Kanker", yang menyoroti portabilitas dan diameter endoskopi probe tersebut. Publikasi khusus untuk dokter dan insinyur mencatat bahwa sensitivitas di bawah dosis klinis merupakan langkah penting menuju ruang operasi yang sesungguhnya.

Apa lagi yang perlu diperiksa (daftar tugas yang harus dilakukan dengan jujur)

• Sterilitas dan ergonomi: “penutup” sekali pakai, pemasangan ke endoskopi, kenyamanan bagi asisten.
• Kalibrasi dalam jaringan hidup: pengaruh darah, lemak, kedalaman kelenjar getah bening dan instrumen logam pada sinyal.
• Perbandingan langsung: versus penyelidikan magnetik saat ini dan navigasi radionuklida - dalam hal akurasi, waktu dan "target palsu".
• Jalur regulasi: Standar EMC dan basis bukti untuk persetujuan di berbagai negara.

Mengapa pusat berlian dan NV

Pusat NV memiliki sensitivitas kuantum terhadap medan magnet dan pembacaan sinyal optik: kombinasi ini memungkinkan pembuatan sensor yang ringkas dan stabil yang beroperasi pada suhu ruangan. Hal ini penting untuk dunia kedokteran: tanpa kriogen, proses pengaktifan yang cepat, modularitas (laser dan fotodetektor dilepaskan dari pasien melalui serat optik), dan potensi untuk ditingkatkan ke dalam batch klinis.

Kesimpulan

Magnetometer berlian endoskopik yang baru ini dengan percaya diri "melihat" jejak magnetik pelacak klinis pada dosis yang lebih rendah dari biasanya dan cocok dengan faktor bentuk 10 mm. Jika uji coba mendatang memastikan stabilitas di lingkungan operasi, ahli bedah akan memiliki asisten kuantum yang ringkas dan lembut untuk menemukan kelenjar getah bening sentinel - mulai dari operasi terbuka hingga laparoskopi dan endoskopi. Ini adalah kasus langka di mana sensorik kuantum hampir siap untuk diterapkan di klinik sungguhan.

Sumber: AJ Newman dkk. Magnetometer berlian endoskopi untuk operasi kanker. Physical Review Applied 24, 024029 (12 Agustus 2025). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w