Diamantspurendetektor: Endoskopisches Quantenmagnetometer zeigt Chirurgen, wo sie nach Wächterlymphknoten suchen müssen

Physiker der Universität Warwick haben den Prototyp eines endoskopischen Diamantmagnetometers für die Onkochirurgie vorgestellt. Der Sensor nutzt Stickstoff-Fehlstellen (NV) in Diamant und liest Magnetfelder des Eisenoxid-Tracers MagTrace™ – desselben, der auch bei der Wächterlymphknotenbiopsie in der Brustchirurgie verwendet wird. Das Gerät erfasst eine Eisenmasse von nur 0,56 mg in einem Abstand von bis zu 5,8 mm – das ist etwa 100-mal weniger als die empfohlene Tracerdosis; bei höheren Konzentrationen erhöht sich der Arbeitsabstand auf 14,6 mm. Der Durchmesser des Sensorkopfes beträgt maximal 10 mm, sodass er an Endoskopen und Laparoskopen installiert werden kann.

Hintergrund der Studie

Die Sentinel-Lymphknotenbiopsie (SLNB) ist der Standard zur Stadienbestimmung von Brustkrebs im Frühstadium und einer Reihe anderer Tumoren: Die „ersten“ Knoten entlang des Lymphabflusses werden entfernt, um festzustellen, ob der Tumor in das Lymphsystem eingedrungen ist, wodurch eine traumatischere Dissektion vermieden wird. Die klassische Navigation erfolgt mit einem Radioisotop + blauem Farbstoff, aber die Methode hat ihre Nachteile: radiologische Logistik, begrenzte Zeitfenster, seltene allergische Reaktionen und Einschränkungen bei minimalinvasiven Verfahren. Daher werden aktiv Alternativen entwickelt – superparamagnetische Eisenoxide (SPIO), zum Beispiel der klinische Tracer MagTrace®, der von NICE und FDA in Kombination mit der Sentimag-Sonde zugelassen ist. Solche Marker können Minuten oder Wochen vor der Operation eingeführt werden, sie verbleiben in den Knoten und sind mit Magnetsensoren im Operationssaal sichtbar.

Bisherige Magnetsonden sind jedoch in der Regel Handgeräte mit einem Permanentmagneten und einem Hall-Sensor. Sie funktionieren zwar, doch ihre Empfindlichkeit und ihr Formfaktor schränken ihren Einsatz in der Endoskopie und Laparoskopie ein, und die Nachweisgrenze spricht für die Injektion von Tracer-Volldosen. Das ideale Werkzeug für den Chirurgen ist eine sterile Miniatursonde, die sehr kleine Mengen SPIO auf Zentimeterdistanz „erkennen“ kann und ohne massive Magnete auskommt.

Vor diesem Hintergrund erscheinen Quantensensoren auf Diamant als vielversprechende Plattform: Stickstoff-Fehlstellen (NV) in Diamant ermöglichen die optische Auslesung des Magnetfelds (ODMR) bei Raumtemperatur ohne Kryogene; die Geräte können faseroptisch gefertigt werden, wodurch Laser und Detektoren aus dem sterilen Bereich entfernt werden. In den letzten Jahren wurden kompakte NV-Magnetometer für biomedizinische Anwendungen demonstriert, unter anderem zur Aufzeichnung von Signalen magnetischer Nanopartikel. Übersichtsartikel systematisieren Möglichkeiten zur Steigerung der Empfindlichkeit und bestätigen das Potenzial von NV-Diamant als Plattform für angewandte Magnetometer.

Eine Neuentwicklung der Universität Warwick schließt diese Lücke: Ein endoskopisches NV-Diamantmagnetometer wurde vorgestellt, das den klinischen Tracer MagTrace® detektiert. Der Prototyp erkennt Eisenmassen bis zu 0,56 mg in einer Entfernung von bis zu 5,8 mm (≈100-mal weniger als die empfohlene Dosis) und arbeitet mit Konzentrationen bis zu 2,8 mg/ml in einer Entfernung von bis zu 14,6 mm; der Durchmesser des Sensorkopfes von ≤10 mm ist mit Endoskopen und Laparoskopen kompatibel. Sollten sich diese Parameter in vivo bestätigen, kann die Technologie die erforderlichen Tracerdosen reduzieren, die Navigation in der minimalinvasiven Chirurgie vereinfachen und die Abhängigkeit von Radioisotopen verringern. Noch handelt es sich um einen Laborprototyp, der auf die Kalibrierung in lebendem Gewebe und einen direkten Vergleich mit bestehenden Systemen wartet, doch der „quantenmechanische“ Weg in die Klinik ist bereits sichtbar.

Wie funktioniert das

Im Inneren des Sensors befindet sich ein Mikrokristall aus Diamant mit NV-Verunreinigungen. Ein grüner Laser und ein Mikrowellensignal stimmen die NV-Zentren ab, und ihre Lumineszenz ändert sich, wenn sie in ein Magnetfeld geraten. Diese optische Resonanzmessung (ODMR) bietet hohe Empfindlichkeit bei Raumtemperatur, ohne Kryogene und Supraleiter. Im neuen Gerät ist der Diamantkopf über Glasfaser mit der restlichen Optik verbunden: Die gesamte schwere Elektronik bleibt außerhalb des sterilen Feldes, und nur ein Miniatursensor wird zum Patienten gebracht – praktisch für den Operationssaal.

Warum brauchen Onkologen das?

Bei Brustkrebs (und einer Reihe anderer Tumoren) ist es für den Chirurgen wichtig, Wächterlymphknoten – jene Knoten, in die Tumorzellen zuerst eindringen – präzise zu finden und zu entfernen. Magnetische Tracer auf Basis von superparamagnetischem Eisenoxid sind eine sichere Alternative zu Radioisotopen und Farbstoffen (mit Narkose- und Allergierisiken). Ein Quantendiamantsensor verleiht dieser Technik Feinheit und Kompaktheit: Je niedriger die Detektionsschwelle und je kleiner der Sensor, desto früher und bequemer lässt sich die „magnetische Spur“ des Knotens erkennen – bis hin zu endoskopischen Eingriffen.

Wichtige Fakten und Zahlen

• Eisenmassenschwelle: 0,56 mg, erkannt in einer Entfernung von bis zu 5,8 mm (≈100× weniger als die empfohlene Dosis).
• Konzentrationsschwelle: 2,8 mg/ml (≈20× weniger als empfohlen) – bei einem Arbeitsabstand von bis zu 14,6 mm.
• Sensorabmessungen: „Kopf“ ≤10 mm Durchmesser – kompatibel mit Endoskopie/Laparoskopie.
• Anwendung: Erkennung des Eisenoxid-Tracers MagTrace™ (Endomag/Endomagnetics) in der Brustchirurgie.

Wie unterscheidet sich dies von vorhandenen Sonden?

Derzeit werden in Operationssälen manuelle Magnetsensoren mit einem Permanentmagneten und einem Hall-Sensor verwendet – sie haben ihre Funktionalität bewiesen, aber ihre Empfindlichkeit und ihr Format sind begrenzt. Diamond NV-Magnetometer:

• funktioniert ohne Magnetisierung durch massive Magnete,
• liest schwache Felder aus kleinen Mengen Tracer,
• passt in einen endoskopischen Formfaktor,
• ermöglicht die Entnahme von Glasfasern außerhalb der sterilen Zone.

Was bedeutet das für den Patienten (und den Operationssaal)

Im Idealfall erhält der Chirurg einen „Quantenzeiger“: Er hält eine dünne Sonde an das Gewebe und sieht, wo die magnetische Spur des Tracers stärker ist – und sucht dort nach dem Wächterlymphknoten. Dies kann:

• Reduzieren Sie die Suchzeit und das Schnittvolumen.
• Reduzieren Sie die Dosis des verabreichten Tracers (unter Beibehaltung der Zuverlässigkeit).
• Unterstützung bei minimalinvasiven Eingriffen – im Brust-, Bauch- und Beckenbereich;
• Verringerung der Abhängigkeit von Radioisotopen und nuklearer Markierungslogistik.

Kontext und unabhängige Bewertungen

Die Veröffentlichung in Physical Review Applied ist frei zugänglich und unter CC BY 4.0 lizenziert. Die Universität Warwick veröffentlichte eine Pressemitteilung mit dem Titel „Diamanten, die bei der Krebssuche helfen“, in der sie die Tragbarkeit und den endoskopischen Durchmesser der Sonde hervorhob. Fachpublikationen für Ärzte und Ingenieure weisen darauf hin, dass eine Empfindlichkeit unterhalb klinischer Dosen ein wichtiger Schritt in Richtung eines echten Operationssaals sei.

Was sonst noch geprüft werden muss (eine ehrliche To-Do-Liste)

• Sterilität und Ergonomie: Einweg-„Abdeckungen“, Befestigung an Endoskopen, Komfort für Assistenten.
• Kalibrierungen in lebendem Gewebe: Der Einfluss von Blut, Fett, Knotentiefe und Metallinstrumenten auf das Signal.
• Direkter Vergleich: mit aktuellen Magnetsonden und Radionuklidnavigation – hinsichtlich Genauigkeit, Zeit und „falschen Zielen“.
• Regulierungspfad: EMV-Standards und Evidenzbasis für die Zulassung in verschiedenen Ländern.

Warum Diamant- und NV-Zentren

NV-Zentren verfügen über eine Quantenempfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern und optischer Signalauslesung: Diese Kombination ermöglicht den Bau kompakter, stabiler Sensoren, die bei Raumtemperatur arbeiten. Dies ist für die Medizin von entscheidender Bedeutung: keine Kryogene, schnelle Inbetriebnahme, Modularität (Laser und Fotodetektor werden über Glasfaser vom Patienten entfernt), Potenzial für die Skalierung in klinische Chargen.

Abschluss

Das neue endoskopische Diamantmagnetometer „sieht“ die magnetische Spur eines klinischen Tracers zuverlässig bei niedrigeren Dosen als üblich und passt in einen 10-mm-Formfaktor. Wenn kommende Tests die Stabilität im Operationsumfeld bestätigen, steht Chirurgen ein quantenkompakter und schonender Assistent zur Verfügung, um Wächterlymphknoten zu finden – von offenen Operationen bis hin zu Laparoskopie und Endoskopie. Dies ist ein seltener Fall, in dem die Quantensensorik fast bereit ist, die Schwelle zur echten Klinik zu überschreiten.

Quelle: AJ Newman et al. Endoskopisches Diamantmagnetometer für die Krebschirurgie. Physical Review Applied 24, 024029 (12. August 2025). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w