เครื่องตรวจจับร่องรอยเพชร: เครื่องวัดสนามแม่เหล็กควอนตัมแบบส่องกล้องจะบอกศัลยแพทย์ว่าควรตรวจหาต่อมน้ำเหลืองเฝ้าระวังที่ใด

นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยวอร์วิกได้สาธิตต้นแบบของเครื่องวัดสนามแม่เหล็กเพชรแบบส่องกล้องสำหรับการผ่าตัดมะเร็ง เซ็นเซอร์นี้ใช้จุดศูนย์กลางไนโตรเจน-เวคแนนซี (NV) ในเพชร และอ่านสนามแม่เหล็กจากตัวติดตามเหล็กออกไซด์ MagTrace™ ซึ่งเป็นตัวเดียวกับที่ใช้ในการตัดชิ้นเนื้อต่อมน้ำเหลืองเซนติเนลในการผ่าตัดเต้านม อุปกรณ์นี้บันทึกมวลเหล็กเพียง 0.56 มิลลิกรัม ที่ระยะห่างสูงสุด 5.8 มิลลิเมตร ซึ่งน้อยกว่าปริมาณที่แนะนำของตัวติดตามประมาณ 100 เท่า และที่ความเข้มข้นที่สูงขึ้น ระยะห่างการทำงานจะเพิ่มขึ้นเป็น 14.6 มิลลิเมตร เส้นผ่านศูนย์กลางของ "หัว" เซ็นเซอร์ไม่เกิน 10 มิลลิเมตร จึงสามารถติดตั้งบนกล้องเอนโดสโคปและกล้องส่องช่องท้องได้

ความเป็นมาของการศึกษา

การตัดชิ้นเนื้อต่อมน้ำเหลืองเซนติเนล (SLNB) เป็นมาตรฐานสำหรับการระบุระยะของมะเร็งเต้านมระยะเริ่มต้นและเนื้องอกอื่นๆ อีกหลายชนิด โดยต่อมน้ำเหลือง "แรก" ตามแนวระบายน้ำเหลืองจะถูกตัดออกเพื่อตรวจสอบว่าเนื้องอกได้เข้าสู่ระบบน้ำเหลืองหรือไม่ ซึ่งจะช่วยหลีกเลี่ยงการผ่าเอาเนื้อเยื่อที่บาดเจ็บมากขึ้น การนำทางแบบคลาสสิกคือการใช้ไอโซโทปรังสีร่วมกับสีย้อมสีน้ำเงิน แต่วิธีนี้มีข้อเสีย ได้แก่ การขนส่งทางรังสีวิทยา ช่วงเวลาที่จำกัด อาการแพ้ที่หายาก และข้อจำกัดสำหรับหัตถการที่รุกรานน้อยที่สุด ดังนั้น จึงมีการพัฒนาทางเลือกใหม่อย่างต่อเนื่อง เช่น การใช้เหล็กออกไซด์ซุปเปอร์พาราแมกเนติก (SPIO) เช่น MagTrace® ซึ่งเป็นตัวติดตามทางคลินิกที่ได้รับการรับรองจาก NICE และ FDA เมื่อใช้ร่วมกับหัววัด Sentimag เครื่องหมายเหล่านี้สามารถใส่ได้ภายในไม่กี่นาทีหรือหลายสัปดาห์ก่อนการผ่าตัด โดยจะยังคงอยู่ในต่อมน้ำเหลืองและสามารถมองเห็นได้ด้วยเซ็นเซอร์แม่เหล็กในห้องผ่าตัด

อย่างไรก็ตาม หัววัดแม่เหล็กที่มีอยู่ในปัจจุบันมักเป็นอุปกรณ์พกพาที่มีแม่เหล็กถาวรและเซ็นเซอร์ฮอลล์ ซึ่งใช้งานได้ แต่ความไวและรูปแบบที่จำกัดการใช้งานในการส่องกล้องและการส่องกล้อง และเกณฑ์การตรวจจับที่เอื้อต่อการใช้สารติดตามขนาดเต็ม เครื่องมือที่เหมาะสำหรับศัลยแพทย์คือหัววัดขนาดเล็กที่ปลอดเชื้อและสามารถ "มองเห็น" SPIO ในปริมาณเล็กน้อยที่ระยะห่างเป็นเซนติเมตร และทำงานได้โดยไม่ต้องใช้แม่เหล็กแม่เหล็กขนาดใหญ่

ด้วยเหตุนี้ เซ็นเซอร์ควอนตัมบนเพชรจึงดูเหมือนจะเป็นแพลตฟอร์มที่มีแนวโน้มดี: ศูนย์ไนโตรเจน-เวคแนนซี (NV) ในเพชรทำให้สามารถอ่านสนามแม่เหล็ก (ODMR) ด้วยแสงได้ที่อุณหภูมิห้องโดยไม่ต้องใช้ไครโอเจน อุปกรณ์สามารถทำเป็นไฟเบอร์ออปติกได้ โดยนำเลเซอร์และตัวตรวจจับออกจากโซนปลอดเชื้อ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แมกนีโตมิเตอร์ NV ขนาดกะทัดรัดได้รับการสาธิตสำหรับการใช้งานทางชีวการแพทย์ รวมถึงการบันทึกสัญญาณจากอนุภาคนาโนแม่เหล็ก บทความวิจัยได้จัดระบบวิธีการเพิ่มความไวและยืนยันศักยภาพของเพชร NV ในฐานะแพลตฟอร์มสำหรับแมกนีโตมิเตอร์ที่นำไปประยุกต์ใช้

ความก้าวหน้าใหม่จากมหาวิทยาลัยวอร์วิกช่วยปิดช่องว่างนี้: ได้มีการนำเสนอเครื่องวัดสนามแม่เหล็กเพชรแบบส่องกล้อง (NV diamond magnetometer) ที่สามารถตรวจจับสารติดตามทางคลินิก MagTrace® ได้ ต้นแบบนี้สามารถตรวจจับมวลเหล็กได้สูงสุดถึง 0.56 มิลลิกรัม ที่ระยะห่างสูงสุด 5.8 มิลลิเมตร (น้อยกว่าปริมาณที่แนะนำประมาณ 100 เท่า) และทำงานได้กับความเข้มข้นสูงสุด 2.8 มิลลิกรัม/มิลลิลิตร ที่ระยะห่างสูงสุด 14.6 มิลลิเมตร เส้นผ่านศูนย์กลางของ “หัว” ของเซ็นเซอร์ ≤10 มิลลิเมตร สามารถใช้งานร่วมกับกล้องเอนโดสโคปและกล้องส่องช่องท้องได้ หากพารามิเตอร์เหล่านี้ได้รับการยืนยันในร่างกาย เทคโนโลยีนี้จะสามารถลดปริมาณสารติดตามที่จำเป็น ลดความซับซ้อนในการผ่าตัดแบบแผลเล็ก และลดการพึ่งพาไอโซโทปรังสี ขณะนี้ต้นแบบนี้ยังอยู่ในห้องปฏิบัติการที่รอการปรับเทียบในเนื้อเยื่อที่มีชีวิตและการเปรียบเทียบโดยตรงกับระบบที่มีอยู่ แต่เส้นทาง “ควอนตัม” สู่คลินิกนั้นสามารถมองเห็นได้ชัดเจนแล้ว

มันทำงานอย่างไร

ภายในเซ็นเซอร์ประกอบด้วยไมโครคริสตัลของเพชรที่มีสิ่งเจือปน NV เลเซอร์สีเขียวและสัญญาณไมโครเวฟจะปรับศูนย์ NV และความสว่างของศูนย์จะเปลี่ยนไปเมื่อเข้าสู่สนามแม่เหล็ก การอ่านค่าเรโซแนนซ์แสง (ODMR) นี้ให้ความไวสูงที่อุณหภูมิห้อง โดยไม่ต้องใช้ไครโอเจนและตัวนำยิ่งยวด ในอุปกรณ์ใหม่นี้ "หัว" เพชรจะเชื่อมต่อด้วยสายใยแก้วนำแสงกับส่วนอื่นๆ ของออปติก โดยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หนักทั้งหมดจะอยู่นอกสนามปลอดเชื้อ และมีเพียงเซ็นเซอร์ขนาดเล็กเท่านั้นที่ถูกนำไปยังผู้ป่วย ซึ่งสะดวกต่อการใช้งานในห้องผ่าตัด

ทำไมศัลยแพทย์มะเร็งจึงต้องการสิ่งนี้?

ในมะเร็งเต้านม (และเนื้องอกอื่นๆ อีกหลายชนิด) ศัลยแพทย์จำเป็นต้องค้นหาและตัดต่อมน้ำเหลืองเฝ้าระวังออกอย่างแม่นยำ ซึ่งเป็นต่อมน้ำเหลืองที่เซลล์มะเร็งจะเข้าไปถึงก่อน สารติดตามแม่เหล็กที่ผลิตจากเหล็กออกไซด์แบบซูเปอร์พาราแมกเนติกเป็นทางเลือกที่ปลอดภัยแทนไอโซโทปรังสีและสีย้อม (ซึ่งมีความเสี่ยงต่อการเกิดอาการชาและอาการแพ้) เซ็นเซอร์เพชรควอนตัมช่วยเพิ่มความละเอียดและความกระชับให้กับเทคนิคนี้ ยิ่งเกณฑ์การตรวจจับต่ำและเซ็นเซอร์มีขนาดเล็กเท่าไหร่ คุณก็จะยิ่งเห็น "ร่องรอยแม่เหล็ก" ของต่อมน้ำเหลืองได้เร็วและสะดวกมากขึ้นเท่านั้น แม้กระทั่งขั้นตอนการส่องกล้อง

ข้อเท็จจริงและตัวเลขที่สำคัญ

• เกณฑ์มวลเหล็ก: 0.56 มก. ตรวจพบที่ระยะห่างสูงสุด 5.8 มม. (น้อยกว่าขนาดที่แนะนำประมาณ 100 เท่า)
• เกณฑ์ความเข้มข้น: 2.8 มก./มล. (น้อยกว่าที่แนะนำประมาณ 20 เท่า) - โดยมีระยะการทำงานสูงสุด 14.6 มม.
• ขนาดเซนเซอร์: “หัว” มีเส้นผ่านศูนย์กลาง ≤10 มม. - ใช้งานร่วมกับการส่องกล้อง/การส่องกล้องแบบส่องกล้องได้
• การประยุกต์ใช้: การตรวจจับสารติดตามออกไซด์ของเหล็ก MagTrace™ (Endomag/Endomagnetics) ในการผ่าตัดเต้านม

สิ่งนี้แตกต่างจากหัววัดที่มีอยู่เดิมอย่างไร?

ปัจจุบัน ห้องผ่าตัดใช้เซ็นเซอร์แม่เหล็กแบบแมนนวลที่มีแม่เหล็กถาวรและเซ็นเซอร์ฮอลล์ ซึ่งได้พิสูจน์แล้วว่าใช้งานได้จริง แต่ความไวและรูปแบบยังมีจำกัด แมกนีโตมิเตอร์ Diamond NV:

• ทำงานโดยไม่ต้องใช้แม่เหล็กขนาดใหญ่
• อ่านฟิลด์ที่อ่อนแอจากสารติดตามจำนวนเล็กน้อย
• เหมาะกับรูปแบบการส่องกล้อง
• ช่วยให้สามารถถอดสายใยแก้วนำแสงออกจากบริเวณปลอดเชื้อได้

สิ่งนี้หมายถึงอะไรสำหรับผู้ป่วย (และห้องผ่าตัด)

ในสถานการณ์ที่เหมาะสมที่สุด ศัลยแพทย์จะได้รับ "ตัวชี้ควอนตัม" โดยถือหัววัดขนาดบางๆ ไว้ที่เนื้อเยื่อ เขาจะมองเห็นว่าร่องรอยแม่เหล็กของตัวติดตามนั้นแรงกว่าตรงไหน และมองหาโหนดเฝ้าระวังตรงนั้น ซึ่งสามารถ:

• ลดเวลาในการค้นหาและปริมาณการตัด
• ลดขนาดยาติดตามที่ให้ (โดยยังคงรักษาความน่าเชื่อถือไว้)
• ช่วยเหลือในการแทรกแซงขั้นต่ำ - ในหน้าอก, ช่องท้อง, กระดูกเชิงกราน;
• ลดการพึ่งพาไอโซโทปรังสีและการทำเครื่องหมายนิวเคลียร์

บริบทและการประเมินอิสระ

สิ่งพิมพ์ใน Physical Review Applied เข้าถึงได้ฟรีและได้รับอนุญาตภายใต้ CC BY 4.0 มหาวิทยาลัยวอร์วิกได้ออกข่าวประชาสัมพันธ์เรื่อง “เพชรที่ช่วยค้นหามะเร็ง” โดยเน้นย้ำถึงความสะดวกในการพกพาและเส้นผ่านศูนย์กลางของหัวตรวจที่ใช้ส่องกล้อง สิ่งพิมพ์เฉพาะทางสำหรับแพทย์และวิศวกรระบุว่าความไวต่อยาต่ำกว่าขนาดยาที่ใช้ในทางคลินิกเป็นก้าวสำคัญสู่ห้องผ่าตัดจริง

สิ่งอื่นๆ ที่ต้องตรวจสอบ (รายการสิ่งที่ต้องทำที่ซื่อสัตย์)

• ความปลอดเชื้อและหลักสรีรศาสตร์: "ฝาครอบ" แบบใช้แล้วทิ้ง การติดเข้ากับกล้องเอนโดสโคป ความสะดวกสบายสำหรับผู้ช่วยเหลือ
• การสอบเทียบในเนื้อเยื่อที่มีชีวิต: อิทธิพลของเลือด ไขมัน ความลึกของต่อมน้ำเหลือง และเครื่องมือโลหะที่มีผลต่อสัญญาณ
• การเปรียบเทียบแบบตัวต่อตัว: เมื่อเทียบกับหัววัดแม่เหล็กในปัจจุบันและการนำทางด้วยเรดิโอนิวไคลด์ - ในแง่ของความแม่นยำ เวลา และ "เป้าหมายปลอม"
• เส้นทางการกำกับดูแล: มาตรฐาน EMC และฐานข้อมูลหลักฐานสำหรับการอนุมัติในประเทศต่างๆ

ทำไมต้องศูนย์เพชรและ NV

ศูนย์ NV มีความไวต่อสนามแม่เหล็กและการอ่านสัญญาณแสงในระดับควอนตัม การผสมผสานนี้ช่วยให้สามารถสร้างเซ็นเซอร์ขนาดกะทัดรัดและเสถียรที่ทำงานที่อุณหภูมิห้องได้ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการแพทย์ เนื่องจากไม่ต้องใช้ไครโอเจน สตาร์ทอัพได้รวดเร็ว มีระบบโมดูลาร์ (เลเซอร์และโฟโตดีเทคเตอร์ถูกนำออกจากผู้ป่วยผ่านใยแก้วนำแสง) และมีศักยภาพในการขยายขนาดเพื่อนำไปใช้ในการทดลองทางคลินิก

บทสรุป

เครื่องวัดสนามแม่เหล็กเพชรแบบส่องกล้องรุ่นใหม่นี้สามารถ “มองเห็น” ร่องรอยแม่เหล็กของสารติดตามทางคลินิกได้อย่างมั่นใจแม้ในขนาดยาที่ต่ำกว่าปกติ และมีขนาดเพียง 10 มม. หากการทดสอบในอนาคตยืนยันถึงความเสถียรในสภาพแวดล้อมการทำงาน ศัลยแพทย์จะมีผู้ช่วยแบบควอนตัม กะทัดรัด และอ่อนโยนในการค้นหาต่อมน้ำเหลืองเฝ้าระวัง ตั้งแต่การผ่าตัดแบบเปิด ไปจนถึงการส่องกล้องและการส่องกล้อง นี่เป็นกรณีที่เกิดขึ้นได้ยากเมื่อเทคโนโลยีเซนเซอร์ควอนตัมเกือบจะพร้อมสำหรับการใช้งานจริงในคลินิก

ที่มา: AJ Newman และคณะเครื่องวัดสนามแม่เหล็กเพชรแบบส่องกล้องสำหรับการผ่าตัดมะเร็ง Physical Review Applied 24, 024029 (12 สิงหาคม 2568) DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w