钻石痕量探测器：内窥镜量子磁力仪将告诉外科医生在哪里寻找前哨淋巴结

华威大学的物理学家展示了用于肿瘤外科手术的内窥镜金刚石磁强计原型。该传感器利用金刚石中的氮空位 (NV) 中心，读取氧化铁示踪剂 MagTrace™ 的磁场，该示踪剂也用于乳腺外科手术中的前哨淋巴结活检。该装置在最远 5.8 毫米的距离内记录到的铁质量仅为 0.56 毫克——这大约是示踪剂推荐剂量的 100 倍；在更高浓度下，工作距离可增加到 14.6 毫米。传感器“头部”的直径不超过 10 毫米，因此可以安装在内窥镜和腹腔镜上。

研究背景

前哨淋巴结活检 (SLNB) 是早期乳腺癌和许多其他肿瘤分期的标准：切除淋巴引流管沿线的“首批”淋巴结，以了解肿瘤是否已进入淋巴系统，从而避免更具创伤性的解剖。经典的导航技术是放射性同位素+蓝色染料，但该方法存在其缺点：放射学后勤、时间窗口有限、罕见的过敏反应以及微创手术的限制。因此，替代方案正在积极开发——超顺磁性氧化铁 (SPIO)，例如经 NICE 和 FDA 批准的临床示踪剂 MagTrace®，与 Sentimag 探针结合使用。此类标记物可在术前数分钟或数周注入，它们会保留在淋巴结中，并可通过手术室中的磁传感器进行观察。

然而，现有的磁探针通常是带有永磁体和霍尔传感器的手持设备：它们虽然可以工作，但灵敏度和尺寸限制了其在内窥镜和腹腔镜检查中的应用，而且检测阈值要求使用全剂量示踪剂注射。对于外科医生来说，理想的工具是一种微型、无菌兼容的探针，它能够在厘米级距离内“看到”极少量的SPIO，并且无需使用大型磁化磁铁即可操作。

在此背景下，金刚石上的量子传感器似乎是一个颇具前景的平台：金刚石中的氮空位 (NV) 中心使得在室温下无需致冷剂即可光学读取磁场 (ODMR)；器件可以制成光纤，从而将激光器和探测器移出无菌区。近年来，紧凑型 NV 磁强计已在生物医学应用中得到验证，包括用于记录磁性纳米粒子的信号。综述论文系统地总结了提高灵敏度的方法，并证实了 NV 金刚石作为应用磁强计平台的潜力。

华威大学的一项新进展弥补了这一空白：一种用于检测临床示踪剂MagTrace®的内窥镜NV金刚石磁强计问世。该原型机可在最远5.8毫米的距离内检测到高达0.56毫克的铁质量（约为推荐剂量的1/100），并在最远14.6毫米的距离内可检测高达2.8毫克/毫升的浓度；传感器“头部”直径≤10毫米，可与内窥镜和腹腔镜兼容。如果这些参数在体内得到确认，该技术可以减少所需的示踪剂剂量，简化微创手术中的导航，并减少对放射性同位素的依赖。目前，这还只是一个实验室原型，等待在活组织中进行校准并与现有系统进行头对头比较，但通往临床的“量子”之路已经清晰可见。

这是如何运作的

传感器内部是含有NV杂质的金刚石微晶体。绿色激光和微波信号调谐NV中心，当它们进入磁场时，它们的发光会发生变化。这种光学共振读取（ODMR）在室温下提供高灵敏度，无需制冷剂和超导体。在新设备中，金刚石“头部”通过光纤连接到其余光学元件：所有重型电子设备都保留在无菌场之外，仅需将微型传感器带到患者身边，方便手术室操作。

为什么肿瘤外科医生需要这个？

对于乳腺癌（以及其他多种肿瘤）而言，外科医生必须准确找到并切除前哨淋巴结——肿瘤细胞最先入侵的淋巴结。基于超顺磁性氧化铁的磁性示踪剂是放射性同位素和染料（存在麻醉和过敏风险）的安全替代品。量子金刚石传感器为这项技术增添了精准性和紧凑性：检测阈值越低，传感器越小，就能越早、越方便地观察到淋巴结的“磁迹”，甚至可用于内窥镜手术。

关键事实和数据

• 铁质量阈值：在最远 5.8 毫米的距离处检测到 0.56 毫克（比推荐剂量少约 100 倍）。
• 浓度阈值：2.8 mg/ml（比建议值低约 20 倍）- 工作距离可达 14.6 毫米。
• 传感器尺寸：“头部”直径≤10 毫米 - 与内窥镜/腹腔镜兼容。
• 应用：在乳腺手术中检测氧化铁示踪剂MagTrace™（Endomag/Endomagnetics）。

这与现有的探测器有何不同？

目前，手术室使用带有永磁体和霍尔传感器的手动磁传感器 - 它们已证明了其功能，但其灵敏度和格式有限。钻石NV磁力仪：

• 无需使用大块磁铁进行磁化，
• 从少量示踪剂中读取弱场，
• 适合内窥镜外形，
• 允许将光纤移除到无菌区之外。

这对患者（和手术室）意味着什么

理想情况下，外科医生会得到一个“量子指针”：用一根细探针对准组织，观察示踪剂的磁迹在何处较强，并在那里寻找前哨淋巴结。这可以：

• 减少搜索时间和剪辑量；
• 减少所施用示踪剂的剂量（同时保持可靠性）；
• 协助进行微创干预——胸部、腹部、骨盆；
• 减少对放射性同位素和核标记物流的依赖。

背景和独立评估

《物理评论应用》上的论文是开放获取的，并根据 CC BY 4.0 协议获得许可；华威大学发布了题为“有助于发现癌症的钻石”的新闻稿，重点介绍了该探头的便携性和内窥镜直径。面向医生和工程师的专业出版物指出，低于临床剂量的灵敏度是迈向真正手术室的重要一步。

还有什么需要检查（一份诚实的待办事项清单）

• 无菌和人体工程学：一次性“盖子”，连接到内窥镜，方便助手。
• 活组织中的校准：血液、脂肪、节点深度和金属仪器对信号的影响。
• 正面比较：与当前磁探测器和放射性核素导航相比——在准确性、时间和“假目标”方面。
• 监管路径：不同国家批准的EMC标准和证据基础。

为什么选择钻石和 NV 中心

NV中心对磁场和光信号读取具有量子灵敏度：这种组合使得构建紧凑、稳定的室温传感器成为可能。这对于医学至关重要：无需制冷剂、快速启动、模块化（激光器和光电探测器通过光纤从患者体内移除）、具有临床批量生产的潜力。

结论

新型内窥镜金刚石磁强计能够可靠地“探测”临床示踪剂的磁迹，其剂量低于常规剂量，并且尺寸仅为10毫米。如果即将进行的测试证实其在手术环境中的稳定性，外科医生将拥有一个量子化、紧凑且温和的助手，用于寻找哨兵淋巴结——从开放手术到腹腔镜和内窥镜检查。这是一个罕见的案例，量子传感技术即将迈入实际临床应用的门槛。

来源：AJ Newman 等。用于癌症手术的内窥镜金刚石磁强计。《物理评论应用》24, 024029 (2025年8月12日)。DOI ：https://doi.org/10.1103/znt3-988w