面向LESS手术应用的可变形伞形磁锚定牵拉暴露器械

陈环，王越，董鼎辉，朱皓阳，马涛，吴荣谦，吕毅

1. 西安交通大学第一附属医院肝胆外科，陕西 西安 710061；2. 西安交通大学第一附属医院精准外科与再生医学国家地方联合工程研究中心，陕西 西安 710061

引言

作为微创外科的重要组成部分，传统腹腔镜技术已基本成熟并广泛普及。但传统的腹腔镜技术需要在腹壁上切3个及以上的切口用以通过摄像照明、牵拉暴露及电凝切割等器械，因此减少切口数量是目前腹腔镜技术发展的一个重要趋势。基于对减戳卡追求，单孔腹腔镜技术（Laparo-Endoscopic Single site Surgery，LESS）成为当前微创外科发展的重要方向[1]。然而，单孔腹腔镜技术在操作性与微创性两个方面均存在不足：① 操作方面，所有的操作器械经单孔进入腹部，相互干扰，无法形成操作三角[2-3]；② 微创方面，由于多个器械需同时经一个戳卡进入腹腔，戳卡的直径增大，可达30 mm左右，而传统腔镜仅5～10 mm。

近年来，基于磁体间无须接触即可产生相互作用力的非接触性特点的磁外科（Magnetic Surgery，MS）技术得到迅速发展。磁锚定技术（Magnetic Anchoring Technique，MAT）是磁外科临床应用核心技术之一[4-5]，该技术利用磁体与磁体（或磁体与铁磁性物质）之间的磁力，实现锚定磁体（外磁体）对靶磁体（内磁体）进行空间定位[6]。将磁锚定技术应用于腔镜手术中，在腹壁外磁体（锚定磁体）的作用下，腹壁内磁体（靶磁体）可对其所连接器械进行腹腔内的定位，包括磁锚定牵拉器械[7-11]、磁锚定烧灼器械[12]以及磁锚定视频器械[13-14]，其中磁锚定牵拉器械应用最为成熟。

然而，以往所研究的磁锚定牵拉器械的靶磁体存在横截面过小、牵拉力不足及高度过大等缺点，限制了其临床应用与推广[15-17]，究其根本原因在于经戳卡置入与锚定牵拉两种状态之间的矛盾。为此，我们提出了形状可变的伞形靶磁铁的设计方案。

1 设计思路

针对当前磁锚定牵拉器械牵拉力和形状方面的不足，可变形伞形磁锚定牵拉器械的设计目标为：① 经戳卡置入状态（敛拢状态）下，直径<10 mm，可通过10 mm传统腔镜戳卡；② 锚定工作状态（舒展状态）下，横截面大，可以与外磁铁产生足够大的磁力，同时对腹壁产生较小的压强；③ 锚定工作状态下，高度小，可以适用于狭小空间的组织牵拉暴露；④ 不干扰其他腔镜器械。为实现上述目标，在可变形伞形磁锚定牵拉器械的设计过程中进行了针对性处理：① 形态方面，采用可变形设计，靶磁铁可在敛拢状态和舒展状态之间转换，敛拢状态横截面小（直径10 mm）能够顺利经戳卡置入腹腔内，而舒展状态横截面大（828.5 mm2），根据磁通量计算公式 ：Φ=∫(B·dS)〗（Φ为磁通量，B为磁通量密度，S为面积），能够为组织牵拉暴露提供更大的牵拉力；② 大小方面，舒展状态靶磁铁高度可低至4 mm，以满足狭小空间的应用；③ 材料方面，采用铁磁性材料，在无外加磁场状态下对外不具有磁性，不干扰其他腔镜器械。

2 基本结构

面向LESS手术应用的可变形伞形磁锚定牵拉暴露器械由伞帽、伞骨和组织夹构成。伞帽主体为直径10 mm、厚度可调（根据牵拉力的需求有不同规格，如：1.5 mm与10 mm两个规格）的圆柱体。伞帽底部正中与固定环相连，其正中有圆形孔洞。固定环外径3 mm，内径2 mm，厚1 mm，用途为：① 通过丝线与组织夹相连；② 伞形磁锚定牵拉器置入腹腔后，通过腹腔镜器械夹取，对该牵拉器械进行移动、调整等操作。伞帽底部边缘有三对转轴底座，转轴底座以120°阵列排布，每对转轴底座高2.5 mm，中心均有直径1 mm的轴环。伞骨主体为长50 mm、宽5 mm、厚2 mm的长方体。伞骨一端两侧有一对对称的轴芯，其与转轴底座形成转轴。组织夹由防磁材料制成，以防止在外磁铁作用下，其和磁化的伞帽或伞骨相互干扰。

完整的伞形磁锚定牵拉器械由1个伞帽、3个伞骨和1个组织夹装配而成。通过轴芯与转轴底座组合成转轴，将3个伞骨固定于伞帽的底部。每个伞骨均可通过转轴旋转90°，实现敛拢状态和舒展状态之间的转换（图1）。

图1 可变形伞形磁锚定牵拉暴露器械设计图

由于靶磁铁横截面积较大，传统磁锚定的锚定磁铁已不能满足其需求，为实现伞形磁锚定牵拉器械的功能，还设计相应的锚定磁铁。较传统的锚定磁铁不同，本文中的锚定磁铁直径增大至8 cm。

3 工作过程

3.1 敛拢状态

敛拢状态下，三个伞骨长轴均与伞帽底部平面垂直，整个装置呈现出直径10 mm的圆柱形，可以通过10 mm戳卡置入腹腔或盆腔（图2）。

图2 可变形伞形磁锚定牵拉暴露器械敛拢状态实物图

3.2 舒展状态

在舒展状态下，整个装置呈现出“三叉星”状，其底面积可达828.5 mm2，从而增加了锚定力和牵拉力，其高度最低可降至4 mm，从而可适用于狭小空间的组织牵拉暴露（图 3）。

图3 可变形伞形磁锚定牵拉暴露器械舒展状态实物图

3.3 实施过程

具体实施过程如下：① 将组织夹通过丝线固定于固定环，丝线长度由不同临床应用场景决定；② 将装置的三叶敛拢，经戳卡将装置引入腹腔（或盆腔等）；③ 通过腔镜器械用组织夹抓取待暴露组织；④ 通过腔镜器械将装置的三叶舒展；⑤ 用腔镜器械抓取装置固定环，通过腔镜器械将舒展状态的装置贴于腹壁目标位置；⑥ 调整外磁铁位置使得其与伞形磁锚定牵拉器械通过磁力固定。

4 应用效果

伞形磁锚定牵拉器械试验样件，在体外真肝模拟人进行了相关实验验证[18]。体外实验表明：敛拢状态下伞形磁锚定牵拉器械可通过10 mm传统腹腔镜戳卡进入腹腔内。舒展状态下在腔镜器械的操作下，可用伞形磁锚定牵拉器械的组织夹顺利夹取目标组织，随后将舒展状态的装置贴于腹壁目标位置，并用锚定磁铁定位于腹壁上。到达目标位置后，伞形磁锚定牵拉器械可实现目标组织的稳固牵拉，从而实现术野的充分暴露。此时，用腔镜器械牵拉目标组织提供伞形磁锚定牵拉器械的对抗牵拉力，伞形磁锚定牵拉器械不会脱落。操作结束后，撤去体外锚定磁铁，将伞形磁锚定牵拉器械的三叶敛拢，可用腔镜器械经戳卡将其取出体外。体外试用结果表明伞形磁锚定牵拉器械能满足临床操作（图4）。

图4 可变形伞形磁锚定牵拉暴露器械体外应用效果

5 讨论

自Park[19]团队首次对磁锚定腔镜器械进行探索后，磁锚定技术已应用于多种术式，包括胆囊切除术、肾切除术、胃黏膜切除、减肥手术及妇科手术等[20]。基于磁锚定手术器械在不占用戳卡的条件下即可实现腹腔内自由定位的优势，磁锚定技的应用可有效优化LESS手术操作[21]。当前LESS手术涉及的三种主要器械：牵拉器械[7-11]、烧灼器械[12]以及视频器械[13-14]均可通过磁锚定的方式进行腹腔定位。其中，磁锚定牵拉器械的研究最为成熟。

虽然当前的磁锚定牵拉器械能实现组织的抓取、牵拉、暴露，但此类磁锚定牵拉器械尚存在以下不足：① 内磁体需经戳卡送入腹腔内，其大小及形状均受限（通常直径为10 mm，形状为圆柱形），这势必影响磁路的设计，导致内外磁体间磁力不足，内磁体可能发生脱落，影响手术操作的流畅性甚至引起医疗事故[16-17]；② 由于内磁体与腹壁接触的横截面小（通常为78.5 mm2）[11,22]，当组织对内磁体作用力较小时，剩余的磁力将作用于腹壁，内磁体对腹壁产生较大的压强，造成腹壁损伤；③ 由于内磁铁大小及形状均受限，为达到较大牵引力，只能通过增加内磁体的高度，使得其在狭小的空间内（如肝部分切除术肝叶的牵拉）无法对组织进行有效的牵拉。

本研究设计了一种面向LESS手术应用的水平式微型磁锚定腹腔镜，其具体优势在于：① 伞形磁锚定牵拉器械具有两种状态：敛拢状态和舒展状态，敛拢状态横截面小能顺利通过戳卡置入腹腔，舒展状态横截面大能为组织牵拉暴露提供足够的牵拉力且不发生脱落；② 伞形磁锚定牵拉器械舒展状态横截面大，对腹壁压强小，减少了对腹壁的损伤；③ 伞形磁锚定牵拉器械舒展状态高度小，可用于狭小空间内的组织牵拉暴露；④ 伞形磁锚定牵拉器械由铁磁性材料制成，不干扰其他器械的正常工作。该装置的推广应用对提高当前LESS手术的微创性及操作性有重要意义。