Máy dò dấu vết kim cương: Máy đo từ lượng tử nội soi sẽ cho bác sĩ phẫu thuật biết vị trí tìm hạch bạch huyết canh gác

Các nhà vật lý từ Đại học Warwick đã trình diễn một nguyên mẫu từ kế kim cương nội soi dùng trong phẫu thuật ung thư. Cảm biến sử dụng tâm nitơ khuyết (NV) trong kim cương và đọc từ trường từ chất đánh dấu oxit sắt MagTrace™ - loại tương tự được sử dụng trong sinh thiết hạch bạch huyết canh gác trong phẫu thuật vú. Thiết bị này ghi lại khối lượng sắt chỉ 0,56 mg ở khoảng cách lên đến 5,8 mm - thấp hơn khoảng 100 lần so với liều lượng khuyến cáo của chất đánh dấu; ở nồng độ cao hơn, khoảng cách làm việc tăng lên 14,6 mm. Đường kính của "đầu" cảm biến không quá 10 mm, vì vậy nó có thể được lắp đặt trên ống nội soi và ống soi ổ bụng.

Bối cảnh của nghiên cứu

Sinh thiết hạch gác (SLNB) là tiêu chuẩn để phân giai đoạn ung thư vú giai đoạn sớm và một số khối u khác: các hạch "đầu tiên" dọc theo hệ thống dẫn lưu bạch huyết được cắt bỏ để xác định xem khối u đã xâm lấn vào hệ thống bạch huyết hay chưa, tránh bóc tách gây chấn thương nặng hơn. Phương pháp định vị cổ điển là đồng vị phóng xạ + thuốc nhuộm xanh, nhưng phương pháp này có những nhược điểm: hậu cần về mặt hình ảnh, khung thời gian hạn chế, phản ứng dị ứng hiếm gặp và hạn chế đối với các thủ thuật xâm lấn tối thiểu. Do đó, các phương pháp thay thế đang được phát triển tích cực - oxit sắt siêu thuận từ (SPIO), ví dụ như chất đánh dấu lâm sàng MagTrace®, được NICE và FDA phê duyệt kết hợp với đầu dò Sentimag. Các chất đánh dấu này có thể được đưa vào cơ thể vài phút hoặc vài tuần trước khi phẫu thuật, chúng vẫn nằm trong hạch và có thể nhìn thấy bằng cảm biến từ tính trong phòng phẫu thuật.

Tuy nhiên, các đầu dò từ tính hiện có thường là thiết bị cầm tay với nam châm vĩnh cửu và cảm biến Hall: chúng hoạt động tốt, nhưng độ nhạy và hình dạng hạn chế việc sử dụng chúng trong nội soi và nội soi ổ bụng, và ngưỡng phát hiện khuyến khích sử dụng tiêm chất đánh dấu liều đầy đủ. Công cụ lý tưởng cho bác sĩ phẫu thuật là một đầu dò thu nhỏ, tương thích với điều kiện vô trùng, có thể "nhìn thấy" một lượng rất nhỏ SPIO ở khoảng cách vài cm và hoạt động mà không cần nam châm từ hóa lớn.

Trong bối cảnh này, cảm biến lượng tử trên kim cương dường như là một nền tảng đầy hứa hẹn: các tâm khuyết nitơ (NV) trong kim cương cho phép đọc quang học từ trường (ODMR) ở nhiệt độ phòng, không cần chất làm lạnh; các thiết bị có thể được chế tạo bằng sợi quang, đưa laser và đầu dò ra khỏi vùng vô trùng. Trong những năm gần đây, các máy đo từ trường NV nhỏ gọn đã được chứng minh cho các ứng dụng y sinh, bao gồm cả việc ghi lại tín hiệu từ các hạt nano từ tính. Các bài báo tổng quan hệ thống hóa các phương pháp để tăng độ nhạy và xác nhận tiềm năng của kim cương NV như một nền tảng cho các máy đo từ trường ứng dụng.

Một phát triển mới từ Đại học Warwick đã thu hẹp khoảng cách này: một máy đo từ kế kim cương NV nội soi đã được trình bày có khả năng phát hiện chất đánh dấu lâm sàng MagTrace®. Nguyên mẫu này phát hiện khối lượng sắt lên đến 0,56 mg ở khoảng cách lên đến 5,8 mm (≈ ít hơn 100 lần so với liều khuyến cáo) và hoạt động với nồng độ lên đến 2,8 mg/ml ở khoảng cách lên đến 14,6 mm; đường kính của "đầu" cảm biến ≤10 mm tương thích với nội soi và nội soi ổ bụng. Nếu các thông số này được xác nhận trong cơ thể sống, công nghệ này có thể giảm liều chất đánh dấu cần thiết, đơn giản hóa việc định hướng trong phẫu thuật ít xâm lấn và giảm sự phụ thuộc vào đồng vị phóng xạ. Hiện tại, đây là một nguyên mẫu trong phòng thí nghiệm đang chờ hiệu chuẩn trong mô sống và so sánh trực tiếp với các hệ thống hiện có, nhưng con đường "lượng tử" đến phòng khám đã có thể nhìn thấy được.

Điều này hoạt động như thế nào

Bên trong cảm biến là một vi tinh thể kim cương với tạp chất NV. Tia laser xanh lá cây và tín hiệu vi sóng sẽ điều chỉnh các tâm NV, và độ phát quang của chúng sẽ thay đổi khi đi vào từ trường. Phương pháp đọc cộng hưởng quang học (ODMR) này có độ nhạy cao ở nhiệt độ phòng, không cần chất làm lạnh và chất siêu dẫn. Trong thiết bị mới, "đầu" kim cương được kết nối bằng sợi quang với phần còn lại của hệ thống quang học: tất cả các thiết bị điện tử nặng đều nằm ngoài vùng vô trùng, và chỉ một cảm biến thu nhỏ được đưa đến bệnh nhân - thuận tiện cho phòng phẫu thuật.

Tại sao bác sĩ phẫu thuật ung thư lại cần thứ này?

Trong ung thư vú (và một số khối u khác), điều quan trọng là bác sĩ phẫu thuật phải tìm và cắt bỏ chính xác các hạch bạch huyết canh - nơi tế bào khối u di căn đầu tiên. Các chất đánh dấu từ tính dựa trên oxit sắt siêu thuận từ là một giải pháp thay thế an toàn cho đồng vị phóng xạ và thuốc nhuộm (có nguy cơ gây mê và dị ứng). Cảm biến kim cương lượng tử làm tăng thêm độ tinh vi và nhỏ gọn cho kỹ thuật này: ngưỡng phát hiện càng thấp và cảm biến càng nhỏ, bạn càng có thể nhìn thấy "dấu vết từ tính" của hạch sớm hơn và thuận tiện hơn - ngay cả trong các thủ thuật nội soi.

Những sự kiện và số liệu chính

• Ngưỡng khối lượng sắt: 0,56 mg được phát hiện ở khoảng cách lên tới 5,8 mm (≈100 lần ít hơn liều khuyến cáo).
• Ngưỡng nồng độ: 2,8 mg/ml (≈ít hơn 20 lần so với khuyến nghị) - với khoảng cách làm việc lên tới 14,6 mm.
• Kích thước cảm biến: đường kính “đầu” ≤10 mm - tương thích với nội soi/nội soi ổ bụng.
• Ứng dụng: phát hiện chất đánh dấu oxit sắt MagTrace™ (Endomag/Endomagnetics) trong phẫu thuật vú.

Sự khác biệt giữa đầu dò này và các đầu dò hiện có là gì?

Hiện nay, phòng phẫu thuật sử dụng cảm biến từ thủ công với nam châm vĩnh cửu và cảm biến Hall - chúng đã chứng minh được chức năng của mình, nhưng độ nhạy và định dạng của chúng còn hạn chế. Từ kế Diamond NV:

• hoạt động mà không cần từ hóa bằng nam châm lớn,
• đọc các trường yếu từ một lượng nhỏ chất đánh dấu,
• phù hợp với hình dạng nội soi,
• cho phép loại bỏ sợi quang ra khỏi vùng vô trùng.

Điều này có ý nghĩa gì đối với bệnh nhân (và phòng phẫu thuật)

Trong trường hợp lý tưởng, bác sĩ phẫu thuật sẽ có được "con trỏ lượng tử": khi đưa một đầu dò mỏng vào mô, bác sĩ sẽ thấy vị trí từ trường của chất đánh dấu mạnh hơn - và tìm kiếm hạch canh gác ở đó. Điều này có thể:

• giảm thời gian tìm kiếm và khối lượng cắt;
• giảm liều lượng chất đánh dấu được sử dụng (vẫn duy trì độ tin cậy);
• hỗ trợ can thiệp ít xâm lấn - ở ngực, bụng, xương chậu;
• giảm sự phụ thuộc vào đồng vị phóng xạ và hậu cần đánh dấu hạt nhân.

Bối cảnh và đánh giá độc lập

Ấn phẩm trên Physical Review Applied được truy cập mở và được cấp phép theo CC BY 4.0; Đại học Warwick đã phát hành thông cáo báo chí "Những viên kim cương giúp tìm ra ung thư", nhấn mạnh tính di động và đường kính nội soi của đầu dò. Các ấn phẩm chuyên ngành dành cho bác sĩ và kỹ sư lưu ý rằng độ nhạy dưới liều lâm sàng là một bước tiến quan trọng hướng tới một phòng phẫu thuật thực sự.

Những gì khác cần phải kiểm tra (một danh sách việc cần làm trung thực)

• Tính vô trùng và công thái học: “vỏ bọc” dùng một lần, gắn vào ống nội soi, tiện lợi cho người trợ lý.
• Hiệu chuẩn trong mô sống: ảnh hưởng của máu, mỡ, độ sâu nút và dụng cụ kim loại đến tín hiệu.
• So sánh trực tiếp: so với đầu dò từ tính hiện tại và định vị bằng chất phóng xạ - về độ chính xác, thời gian và "mục tiêu giả".
• Con đường quản lý: Tiêu chuẩn EMC và cơ sở bằng chứng để phê duyệt ở các quốc gia khác nhau.

Tại sao lại là trung tâm kim cương và NV

Các trung tâm NV có độ nhạy lượng tử với từ trường và khả năng đọc tín hiệu quang học: sự kết hợp này cho phép chế tạo các cảm biến nhỏ gọn, ổn định, hoạt động ở nhiệt độ phòng. Điều này rất quan trọng đối với y học: không cần chất làm lạnh, khởi động nhanh, tính mô-đun (laser và bộ cảm biến quang được lấy ra khỏi bệnh nhân qua sợi quang), tiềm năng mở rộng thành các lô lâm sàng.

Phần kết luận

Máy đo từ trường kim cương nội soi mới tự tin "nhìn thấy" dấu vết từ tính của chất đánh dấu lâm sàng ở liều thấp hơn bình thường và vừa vặn trong kích thước 10 mm. Nếu các thử nghiệm sắp tới xác nhận tính ổn định trong môi trường phẫu thuật, các bác sĩ phẫu thuật sẽ có một trợ lý lượng tử, nhỏ gọn và nhẹ nhàng để tìm hạch bạch huyết canh gác - từ phẫu thuật mở đến nội soi ổ bụng và nội soi. Đây là một trường hợp hiếm hoi khi cảm biến lượng tử gần như đã sẵn sàng để bước vào một phòng khám thực sự.

Nguồn: AJ Newman và cộng sự. Máy đo từ kế kim cương nội soi dùng trong phẫu thuật ung thư. Tạp chí Physical Review Applied 24, 024029 (12 tháng 8 năm 2025). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w