Détecteur de traces de diamant: un magnétomètre quantique endoscopique indiquera au chirurgien où rechercher les ganglions sentinelles

Des physiciens de l'Université de Warwick ont présenté un prototype de magnétomètre endoscopique au diamant pour l'oncochirurgie. Le capteur utilise les centres de lacunes d'azote (NV) du diamant et lit les champs magnétiques du traceur d'oxyde de fer MagTrace™, le même que celui utilisé pour la biopsie du ganglion sentinelle en chirurgie mammaire. L'appareil enregistre une masse de fer de seulement 0,56 mg à une distance allant jusqu'à 5,8 mm, soit environ 100 fois moins que la dose recommandée du traceur; à des concentrations plus élevées, la distance de travail atteint 14,6 mm. Le diamètre de la tête du capteur ne dépasse pas 10 mm, ce qui permet son installation sur les endoscopes et les laparoscopes.

Contexte de l'étude

La biopsie du ganglion sentinelle (GSB) est la méthode standard pour la stadification du cancer du sein précoce et de nombreuses autres tumeurs: les « premiers » ganglions le long du drainage lymphatique sont retirés afin de déterminer si la tumeur a atteint le système lymphatique, évitant ainsi une dissection plus traumatique. La navigation classique utilise un radio-isotope + un colorant bleu, mais cette méthode présente des inconvénients: logistique radiologique, fenêtres temporelles limitées, réactions allergiques rares et limitations pour les procédures mini-invasives. C'est pourquoi des alternatives sont en développement actif: les oxydes de fer superparamagnétiques (SPIO), par exemple le traceur clinique MagTrace®, approuvé par le NICE et la FDA en association avec la sonde Sentimag. Ces marqueurs peuvent être introduits quelques minutes ou quelques semaines avant l'intervention; ils restent dans les ganglions et sont visibles grâce à des capteurs magnétiques au bloc opératoire.

Cependant, les sondes magnétiques existantes sont généralement des dispositifs portables dotés d'un aimant permanent et d'un capteur à effet Hall: elles fonctionnent, mais leur sensibilité et leur format limitent leur utilisation en endoscopie et en laparoscopie, et le seuil de détection encourage le recours à des injections de traceur à dose complète. L'outil idéal pour le chirurgien est une sonde miniature, compatible avec la stérilité, capable de « détecter » de très faibles quantités de SPIO à quelques centimètres de distance et fonctionnant sans aimants magnétisants massifs.

Dans ce contexte, les capteurs quantiques sur diamant semblent constituer une plateforme prometteuse: les centres de lacunes d'azote (NV) dans le diamant permettent la lecture optique du champ magnétique (ODMR) à température ambiante, sans cryogènes; les dispositifs peuvent être fabriqués à fibre optique, permettant ainsi aux lasers et aux détecteurs de sortir de la zone stérile. Ces dernières années, des magnétomètres NV compacts ont été présentés pour des applications biomédicales, notamment pour l'enregistrement de signaux provenant de nanoparticules magnétiques. Des articles de synthèse systématisent les moyens d'accroître la sensibilité et confirment le potentiel du diamant NV comme plateforme pour les magnétomètres appliqués.

Un nouveau développement de l'Université de Warwick comble cette lacune: un magnétomètre endoscopique à diamant NV a été présenté, capable de détecter le traceur clinique MagTrace®. Le prototype détecte une masse de fer allant jusqu'à 0,56 mg à une distance maximale de 5,8 mm (environ 100 fois inférieure à la dose recommandée) et fonctionne avec des concentrations allant jusqu'à 2,8 mg/ml à une distance maximale de 14,6 mm; le diamètre de la tête du capteur ≤ 10 mm est compatible avec les endoscopes et les laparoscopes. Si ces paramètres sont confirmés in vivo, la technologie permettra de réduire les doses de traceur requises, de simplifier la navigation en chirurgie mini-invasive et de réduire la dépendance aux radio-isotopes. Pour l'instant, il s'agit d'un prototype de laboratoire en attente d'étalonnage sur tissu vivant et de comparaison directe avec les systèmes existants, mais la voie « quantique » vers la clinique est déjà visible.

Comment cela marche-t-il

Le capteur contient un microcristal de diamant contenant des impuretés NV. Un laser vert et un signal micro-onde ajustent les centres NV, et leur luminescence change lorsqu'ils entrent dans un champ magnétique. Cette lecture par résonance optique (ODMR) offre une sensibilité élevée à température ambiante, sans cryogènes ni supraconducteurs. Dans ce nouveau dispositif, la « tête » en diamant est reliée par fibre optique au reste de l'optique: toute l'électronique lourde reste hors du champ stérile, et seul un capteur miniature est amené au patient, pratique pour le bloc opératoire.

Pourquoi les chirurgiens oncologues ont-ils besoin de cela?

Dans le cancer du sein (et pour de nombreuses autres tumeurs), il est important pour le chirurgien de localiser et d'éliminer avec précision les ganglions sentinelles, ceux où les cellules tumorales se dirigent en premier. Les traceurs magnétiques à base d'oxyde de fer superparamagnétique constituent une alternative sûre aux radio-isotopes et aux colorants (qui comportent des risques anesthésiques et allergiques). Un capteur à diamant quantique ajoute finesse et compacité à cette technique: plus le seuil de détection est bas et plus le capteur est petit, plus la « trace magnétique » du ganglion est visible tôt et facilement, jusqu'aux procédures endoscopiques.

Faits et chiffres clés

• Seuil de masse de fer: 0,56 mg détecté à une distance allant jusqu'à 5,8 mm (≈100× moins que la dose recommandée).
• Seuil de concentration: 2,8 mg/ml (≈20× moins que recommandé) - avec une distance de travail jusqu'à 14,6 mm.
• Dimensions du capteur: « tête » ≤10 mm de diamètre - compatible endoscopie/laparoscopie.
• Application: détection du traceur d'oxyde de fer MagTrace™ (Endomag/Endomagnetics) en chirurgie mammaire.

En quoi est-ce différent des sondes existantes?

Actuellement, les blocs opératoires utilisent des capteurs magnétiques manuels à aimant permanent et à effet Hall. Leur efficacité a été prouvée, mais leur sensibilité et leur format sont limités. Magnétomètre Diamond NV:

• fonctionne sans magnétisation par des aimants massifs,
• lit les champs faibles à partir de petites quantités de traceur,
• s'intègre dans un facteur de forme endoscopique,
• permet de retirer les fibres optiques en dehors de la zone stérile.

Qu'est-ce que cela signifie pour le patient (et la salle d'opération)

Dans un scénario idéal, le chirurgien dispose d'un « pointeur quantique »: en appliquant une fine sonde sur le tissu, il identifie les endroits où la trace magnétique du traceur est la plus forte et recherche le ganglion sentinelle à cet endroit. Cela permet:

• réduire le temps de recherche et le volume des coupes;
• réduire la dose du traceur administré (tout en maintenant la fiabilité);
• assister aux interventions mini-invasives - au niveau de la poitrine, de l'abdomen, du bassin;
• réduire la dépendance aux radio-isotopes et à la logistique de marquage nucléaire.

Contexte et évaluations indépendantes

La publication dans Physical Review Applied est en libre accès et sous licence CC BY 4.0; l'Université de Warwick a publié un communiqué de presse intitulé « Des diamants qui aident à détecter le cancer », soulignant la portabilité et le diamètre endoscopique de la sonde. Des publications spécialisées destinées aux médecins et aux ingénieurs soulignent qu'une sensibilité inférieure aux doses cliniques constitue une étape importante vers une véritable salle d'opération.

Quoi d'autre doit être vérifié (une liste de choses à faire honnête)

• Stérilité et ergonomie: « housses » jetables, fixation aux endoscopes, confort pour les assistants.
• Calibrations dans les tissus vivants: influence du sang, de la graisse, de la profondeur des ganglions et des instruments métalliques sur le signal.
• Comparaisons directes: par rapport aux sondes magnétiques actuelles et à la navigation par radionucléides - en termes de précision, de temps et de « fausses cibles ».
• Chemin réglementaire: normes CEM et base de données probantes pour l'approbation dans différents pays.

Pourquoi choisir les centres Diamond et NV

Les centres NV offrent une sensibilité quantique aux champs magnétiques et à la lecture des signaux optiques: cette combinaison permet de concevoir des capteurs compacts et stables fonctionnant à température ambiante. C'est essentiel en médecine: absence de cryogènes, démarrage rapide, modularité (le laser et le photodétecteur sont retirés du patient par fibre optique) et possibilité de mise à l'échelle pour des lots cliniques.

Conclusion

Le nouveau magnétomètre endoscopique au diamant détecte avec précision la trace magnétique d'un traceur clinique à des doses inférieures à la normale et s'intègre dans un format de 10 mm. Si les prochains tests confirment sa stabilité en milieu opératoire, les chirurgiens disposeront d'un assistant quantique, compact et doux pour la détection des ganglions sentinelles, de la chirurgie ouverte à la laparoscopie et à l'endoscopie. Il s'agit d'un cas rare où la détection quantique est presque prête à franchir le seuil de la clinique.

Source: AJ Newman et al. Magnétomètre endoscopique à diamant pour la chirurgie du cancer. Physical Review Applied 24, 024029 (12 août 2025). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w