다이아몬드 흔적 검출기: 내시경 양자 자력계가 외과의에게 보초 림프절을 찾아야 할 곳을 알려줍니다.

워릭 대학교 물리학자들이 종양 수술용 내시경 다이아몬드 자력계 시제품을 시연했습니다. 이 센서는 다이아몬드의 질소-공극(NV) 중심을 이용하여 산화철 추적자 MagTrace™(유방 수술 시 감시 림프절 생검에 사용되는 것과 동일)의 자기장을 측정합니다. 이 장치는 최대 5.8mm 거리에서 0.56mg의 철 질량을 측정합니다. 이는 추적자의 권장 용량보다 약 100배 적은 양입니다. 더 높은 농도에서는 작동 거리가 14.6mm로 증가합니다. 센서 "헤드"의 직경은 10mm를 넘지 않아 내시경과 복강경에 설치할 수 있습니다.

연구 배경

감시 림프절 생검(SLNB)은 조기 유방암 및 기타 여러 종양의 병기 결정에 표준으로 사용됩니다. 림프 배수관을 따라 "첫 번째" 림프절을 제거하여 종양이 림프계로 이동했는지 확인함으로써 추가적인 외상성 박리를 방지합니다. 전통적인 네비게이션은 방사성 동위원소 + 청색 염료를 사용하지만, 이 방법에는 방사선학적 물류, 제한된 시간, 드문 알레르기 반응, 최소 침습 시술의 한계 등 단점이 있습니다. 따라서 대안이 활발히 개발되고 있습니다. 예를 들어, 초상자성 산화철(SPIO)이 있으며, NICE와 FDA에서 승인한 임상 추적자 MagTrace®는 Sentimag 프로브와 함께 사용됩니다. 이러한 마커는 수술 몇 분 또는 몇 주 전에 도입할 수 있으며, 림프절에 남아 수술실의 자기 센서로 확인할 수 있습니다.

그러나 기존의 자기 프로브는 일반적으로 영구 자석과 홀 센서가 장착된 휴대용 장치입니다. 이 장치는 작동하지만 감도와 형태 인자로 인해 내시경 및 복강경 검사에서의 사용이 제한되고, 검출 임계값이 높아 전체 용량 추적자 주사를 사용해야 합니다. 외과의에게 이상적인 도구는 센티미터 거리에서 매우 적은 양의 SPIO를 "감지"할 수 있고 거대한 자화 자석 없이 작동하는 소형의 멸균 호환 프로브입니다.

이러한 배경에서 다이아몬드 양자 센서는 유망한 플랫폼으로 여겨진다. 다이아몬드의 질소 공공(NV) 중심은 극저온 없이도 실온에서 자기장(ODMR)을 광학적으로 판독할 수 있게 한다. 또한, 광섬유로 제작할 수 있어 레이저와 검출기를 무균 영역에서 사용할 수 있다. 최근 몇 년 동안 소형 NV 자력계는 자성 나노입자의 신호 기록을 포함한 생의학 응용 분야에서 시연되었다. 리뷰 논문들은 감도를 높이는 방법을 체계화하고 NV 다이아몬드가 응용 자력계 플랫폼으로서 잠재력을 입증한다.

워릭 대학교의 새로운 개발로 이러한 간극이 메워졌습니다. 임상 추적자 MagTrace®를 감지하는 내시경 NV 다이아몬드 자력계가 발표되었습니다. 이 프로토타입은 최대 5.8mm(권장 용량의 약 100배) 거리에서 최대 0.56mg의 철 질량을 감지하고, 최대 14.6mm 거리에서 최대 2.8mg/ml의 농도까지 감지합니다. 센서 "헤드"의 직경은 ≤10mm로 내시경 및 복강경과 호환됩니다. 이러한 매개변수가 생체 내 실험에서 확인될 경우, 이 기술은 필요한 추적자 용량을 줄이고 최소 침습 수술의 탐색을 간소화하며 방사성 동위원소 의존도를 줄일 수 있습니다. 현재 이 기술은 생체 조직에서의 교정 및 기존 시스템과의 직접 비교를 기다리는 실험실 프로토타입이지만, 임상으로의 "양자적" 경로는 이미 가시화되고 있습니다.

이게 어떻게 작동하나요?

센서 내부에는 NV 불순물이 포함된 다이아몬드 미세 결정이 있습니다. 녹색 레이저와 마이크로파 신호가 NV 중심을 조율하고, 자기장에 진입하면 발광이 변합니다. 이 광학 공명 판독(ODMR)은 극저온 용액이나 초전도체 없이도 실온에서 높은 감도를 제공합니다. 새로운 장치에서 다이아몬드 "헤드"는 광섬유를 통해 나머지 광학 장치와 연결됩니다. 모든 중장비 전자 장치는 멸균 영역 밖에 위치하며, 환자에게는 소형 센서만 전달되어 수술실에서 편리하게 사용할 수 있습니다.

왜 종양외과 의사에게 이것이 필요한가요?

유방암(및 기타 여러 종양)에서 외과의는 종양 세포가 가장 먼저 이동하는 감시 림프절을 정확하게 찾아 제거하는 것이 중요합니다. 초상자성 산화철 기반 자기 추적자는 방사성 동위원소 및 염료(마취 및 알레르기 위험이 있음)에 대한 안전한 대안입니다. 양자 다이아몬드 센서는 이 기술에 정교함과 소형성을 더합니다. 감지 임계값이 낮고 센서가 작을수록 림프절의 "자기 추적"을 더 빠르고 편리하게 확인할 수 있으며, 이는 내시경 시술까지 가능합니다.

주요 사실과 수치

• 철 질량 임계값: 5.8mm 거리에서 0.56mg이 검출됨(권장 복용량의 약 100배 적음).
• 농도 한계값: 2.8mg/ml(권장치보다 약 20배 적음) - 작업 거리 최대 14.6mm.
• 센서 크기: "헤드" 직경 ≤10mm - 내시경/복강경 검사와 호환 가능.
• 응용 분야: 유방 수술에서 산화철 추적자 MagTrace™(Endomag/Endomagnetics)를 검출합니다.

이 제품은 기존 프로브와 어떻게 다릅니까?

현재 수술실에서는 영구 자석과 홀 센서를 갖춘 수동 자기 센서를 사용하고 있습니다. 이 센서들은 기능성이 검증되었지만, 감도와 형식이 제한적입니다. 다이아몬드 NV 자력계:

• 거대한 자석에 의한 자화 없이 작동합니다.
• 소량의 추적자로부터 약한 필드를 읽습니다.
• 내시경 형태에 맞게 들어맞습니다.
• 멸균 구역 외부에서 광섬유를 제거할 수 있습니다.

이것은 환자(및 수술실)에게 무엇을 의미합니까?

이상적인 시나리오에서 외과의는 "양자 포인터"를 얻게 됩니다. 얇은 탐침을 조직에 대고 추적자의 자기 흔적이 더 강한 곳을 확인하고 그곳에서 감시 림프절을 찾는 것입니다. 이를 통해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있습니다.

• 검색 시간과 절단량을 줄입니다.
• 투여되는 추적자의 복용량을 줄인다(신뢰성을 유지하면서);
• 흉부, 복부, 골반 부위에 대한 최소 침습적 개입을 지원합니다.
• 방사성동위원소와 핵 표시 물류에 대한 의존도를 줄입니다.

맥락 및 독립적 평가

Physical Review Applied에 게재된 이 논문은 오픈 액세스이며 CC BY 4.0 라이선스를 따릅니다. 워릭 대학교는 "암 발견에 도움이 되는 다이아몬드"라는 보도자료를 발표하여 이 탐침의 휴대성과 내시경 직경을 강조했습니다. 의사와 엔지니어를 위한 전문 출판물에서는 임상 용량 이하의 민감도가 실제 수술실에서 활용되기 위한 중요한 단계라고 언급합니다.

그 밖에 확인해야 할 사항(솔직한 할 일 목록)

• 멸균성과 인체공학성: 일회용 "커버", 내시경 부착, 보조자의 편의성.
• 생체 조직의 교정: 혈액, 지방, 림프절 깊이 및 금속 기구가 신호에 미치는 영향.
• 직접 비교: 정확도, 시간 및 "거짓 표적" 측면에서 현재의 자기 프로브와 방사성 핵종 탐색을 비교합니다.
• 규제 경로: 다양한 국가의 승인을 위한 EMC 표준 및 증거 기반.

다이아몬드와 NV 센터의 이유

NV 센터는 자기장에 대한 양자 민감도와 광 신호 판독 기능을 갖추고 있습니다. 이러한 조합을 통해 실온에서 작동하는 작고 안정적인 센서를 제작할 수 있습니다. 이는 의학에 매우 중요한 요소입니다. 극저온 살균제가 필요 없고, 시동이 빠르며, 모듈 방식(레이저와 광검출기는 광섬유를 통해 환자 몸에서 분리됨)이며, 임상 배치 규모로 확장할 수 있는 잠재력이 있습니다.

결론

새로운 내시경 다이아몬드 자력계는 기존보다 낮은 선량에서도 임상 추적자의 자기 흔적을 확실하게 "감지"하며 10mm 폼팩터에 적합합니다. 향후 테스트를 통해 수술 환경에서의 안정성이 확인된다면, 외과의는 개복 수술부터 복강경 수술, 내시경 수술에 이르기까지 감시 림프절을 찾는 데 필요한 양자적이고 컴팩트하며 부드러운 보조 장치를 갖게 될 것입니다. 이는 양자 센서 기술이 실제 진료에 적용될 준비가 거의 완료된 드문 사례입니다.

출처: AJ Newman 외. 암 수술용 내시경 다이아몬드 자력계. Physical Review Applied 24, 024029 (2025년 8월 12일). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w