ダイヤモンドトレース検出器：内視鏡用量子磁力計が外科医にセンチネルリンパ節の位置を教えてくれる

ウォーリック大学の物理学者たちは、腫瘍外科手術用の内視鏡用ダイヤモンド磁力計のプロトタイプを公開しました。このセンサーはダイヤモンドの窒素空孔（NV）中心を利用し、乳がん手術におけるセンチネルリンパ節生検で使用されるものと同じ酸化鉄トレーサーMagTrace™からの磁場を読み取ります。この装置は、最大5.8mmの距離でわずか0.56mgの鉄質量を記録します。これはトレーサーの推奨投与量の約100分の1に相当します。濃度が高い場合、作動距離は14.6mmまで長くなります。センサー「ヘッド」の直径は10mm以下であるため、内視鏡や腹腔鏡に取り付けることができます。

研究の背景

センチネルリンパ節生検（SLNB）は、早期乳がんをはじめとする様々な腫瘍のステージ分類における標準的な検査法です。リンパ節ドレナージに沿って「最初の」リンパ節を切除することで、腫瘍がリンパ系に浸潤しているかどうかを診断し、より侵襲性の高い郭清を回避します。従来のナビゲーション法は放射性同位元素と青色色素を用いるものですが、この方法には欠点があります。放射線学的ロジスティクス、限られた時間枠、まれなアレルギー反応、そして低侵襲手術の限界などです。そのため、代替法の開発が活発に進められています。例えば、超常磁性酸化鉄（SPIO）を用いた検査法です。MagTrace®は、Sentimagプローブと組み合わせてNICE（英国医療技術評価機構）とFDA（米国食品医薬品局）の承認を受けています。このようなマーカーは、手術の数分前または数週間前にリンパ節に挿入することができ、リンパ節内に留まり、手術室の磁気センサーで観察できます。

しかし、既存の磁気プローブは、一般的に永久磁石とホールセンサーを備えた手持ち式のデバイスです。確かに機能するものの、感度と形状の制約から内視鏡検査や腹腔鏡検査での使用は制限され、検出閾値が高いため、フルドーズのトレーサー注入が必要となります。外科医にとって理想的なツールは、数センチメートルの距離にある微量のSPIOを「視認」でき、巨大な磁化磁石を必要とせずに動作できる、小型で滅菌対応のプローブです。

このような背景から、ダイヤモンド上の量子センサーは有望なプラットフォームとなると考えられます。ダイヤモンド中の窒素空孔（NV）中心は、室温で寒剤を使用せずに光学的に磁場（ODMR）を読み取ることを可能にします。また、デバイスを光ファイバー化することで、レーザーと検出器を滅菌ゾーンの外に置くことができます。近年、磁性ナノ粒子からの信号記録など、バイオメディカル用途に向けたコンパクトなNV磁力計の実証が進んでいます。レビュー論文では、感度を向上させる方法が体系化されており、NVダイヤモンドが応用磁力計のプラットフォームとして有望であることが示されています。

ウォーリック大学の新たな開発により、このギャップが解消されました。臨床トレーサーであるMagTrace®を検出できる内視鏡用NVダイヤモンド磁力計が発表されました。このプロトタイプは、最大5.8mmの距離で最大0.56mgの鉄質量を検出し（推奨投与量の約100分の1）、最大14.6mmの距離で最大2.8mg/mlの濃度で動作します。センサー「ヘッド」の直径は10mm以下で、内視鏡や腹腔鏡と互換性があります。これらのパラメータが生体内で確認されれば、この技術によって必要なトレーサー投与量を減らし、低侵襲手術におけるナビゲーションを簡素化し、放射性同位元素への依存を減らすことができます。今のところ、これは生体組織での較正と既存システムとの直接比較を待つ実験室レベルのプロトタイプですが、臨床への「量子」の道筋はすでに見えています。

これはどのように作動しますか

センサー内部には、NV不純物を含むダイヤモンドの微結晶が収められています。緑色レーザーとマイクロ波信号によってNV中心が調整され、磁場に入ると発光が変化します。この光共鳴読み取り（ODMR）により、寒剤や超伝導体を使用せずに室温で高感度を実現します。この新型装置では、ダイヤモンドの「ヘッド」が光ファイバーで他の光学系に接続されています。重量のある電子機器はすべて滅菌野外に設置され、小型センサーのみが患者に持ち込まれるため、手術室での利便性が向上します。

なぜ腫瘍外科医にはこれが必要なのでしょうか?

乳がん（および他の多くの腫瘍）において、外科医はセンチネルリンパ節（腫瘍細胞が最初に転移する場所）を正確に発見し、切除することが重要です。超常磁性酸化鉄をベースとした磁気トレーサーは、放射性同位元素や造影剤（麻酔やアレルギーのリスクあり）に代わる安全な代替手段です。量子ダイヤモンドセンサーは、この技術に繊細さとコンパクトさをもたらします。検出閾値が低く、センサーが小型であるほど、リンパ節の「磁気痕跡」をより早期かつ簡便に観察でき、内視鏡手術まで可能です。

主要な事実と数字

• 鉄質量閾値: 最大 5.8 mm の距離で 0.56 mg を検出 (推奨投与量の約 100 倍未満)。
• 濃度閾値: 2.8 mg/ml (推奨値の約 20 倍以下) - 作動距離は最大 14.6 mm。
• センサー寸法：「ヘッド」直径≤10 mm - 内視鏡検査/腹腔鏡検査と互換性があります。
• 用途: 乳房手術における酸化鉄トレーサー MagTrace™ (Endomag/Endomagtics) の検出。

これは既存のプローブとどう違うのでしょうか?

現在、手術室では永久磁石とホールセンサーを備えた手動磁気センサーが使用されています。これらのセンサーは機能性は実証されていますが、感度とフォーマットに制限があります。ダイヤモンドNV磁力計：

• 巨大な磁石による磁化なしでも動作する。
• 少量のトレーサーから弱い磁場を読み取り、
• 内視鏡のフォームファクタに適合し、
• 光ファイバーを滅菌ゾーン外に取り外すことができます。

これは患者（そして手術室）にとって何を意味するのか

理想的なシナリオでは、外科医は「量子ポインター」を手にします。つまり、細いプローブを組織に当て、トレーサーの磁気トレースが強い場所を見つけ、そこにセンチネルリンパ節を探します。これにより、以下のことが可能になります。

• 検索時間とカットの量を削減します。
• 投与されるトレーサーの投与量を減らす（信頼性を維持しながら）。
• 胸部、腹部、骨盤における低侵襲介入を支援します。
• 放射性同位元素および核兵器の物流への依存を減らす。

文脈と独立した評価

Physical Review Applied誌に掲載されたこの論文はオープンアクセスで、CC BY 4.0ライセンスの下で公開されています。ウォーリック大学はプレスリリース「がんの発見を助けるダイヤモンド」を発表し、プローブの携帯性と内視鏡径を強調しました。医師やエンジニア向けの専門誌では、臨床線量以下の感度は、実際の手術室への重要な一歩であると指摘されています。

他に確認すべきこと（正直なToDoリスト）

• 無菌性と人間工学：使い捨ての「カバー」、内視鏡への取り付け、アシスタントにとっての利便性。
• 生体組織の較正: 血液、脂肪、リンパ節の深さ、金属器具が信号に与える影響。
• 直接比較: 現在の磁気プローブおよび放射性核種ナビゲーションとの比較 - 精度、時間、および「偽のターゲット」の観点から。
• 規制パス: さまざまな国での承認のための EMC 標準と証拠ベース。

ダイヤモンドとNVセンターの理由

NVセンターは磁場に対する量子感度と光信号読み取り機能を有します。この組み合わせにより、室温で動作するコンパクトで安定したセンサーの構築が可能になります。これは医療にとって極めて重要です。寒剤不要、迅速な起動、モジュール化（レーザーと光検出器は光ファイバーを介して患者から取り外すことが可能）、臨床バッチへのスケールアップの可能性などです。

結論

新しい内視鏡用ダイヤモンド磁力計は、通常よりも低い線量で臨床トレーサーの磁気痕跡を確実に「観察」し、10mmのフォームファクターに収まります。今後の試験で手術環境における安定性が確認されれば、開腹手術から腹腔鏡検査、内視鏡検査に至るまで、センチネルリンパ節を見つけるための量子的でコンパクトかつ優しいアシスタントが外科医に提供されることになります。これは、量子センサが実臨床への導入をほぼ間近に控えている稀有な事例です。

出典：AJ Newman他「がん手術のための内視鏡下ダイヤモンド磁力計」 Physical Review Applied 24, 024029（2025年8月12日）DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w