磁體差異性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在磁壓榨技術(shù)中的應(yīng)用分析

邱明龍，高慧敏，葉丹，袁宗玲，劉豪，付珊，雷蕾，鄧博，單麗宇1a,，史愛(ài)華，呂毅1a,，嚴(yán)小鵬1a,

1. 西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院 a. 肝膽外科；b. 精準(zhǔn)外科與再生醫(yī)學(xué)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，陜西 西安 710061；2. 西安交通大學(xué) a. 啟德書院；b. 宗濂書院，陜西 西安 710061

引言

磁壓榨技術(shù)（Magnetic Compression Technique，MCT）是利用兩個(gè)或兩個(gè)以上磁體（或數(shù)個(gè)磁體與數(shù)個(gè)順磁性材料）之間的磁性吸引力，通過(guò)開(kāi)腹（胸）手術(shù)、腔鏡手術(shù)、內(nèi)鏡操作、介入操作等來(lái)實(shí)現(xiàn)臟器的連接再通、組織的壓榨閉合、管腔內(nèi)容物的限流等，從而對(duì)疾病進(jìn)行診斷和治療[1]。MCT是磁外科（Magnetic Surgery，MS）領(lǐng)域中發(fā)展最早、臨床應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，MCT借助磁場(chǎng)特殊的“非接觸性”施力特性，與現(xiàn)有的腔鏡技術(shù)、內(nèi)鏡技術(shù)、介入技術(shù)相結(jié)合，誕生了一系列顛覆性的外科創(chuàng)新技術(shù)，促進(jìn)了外科手術(shù)快速、微創(chuàng)、高效化進(jìn)程。目前MCT的臨床應(yīng)用包括血管吻合、胃腸吻合重建、膽道狹窄/閉塞再通、食管狹窄/閉鎖再通等領(lǐng)域。在實(shí)際臨床應(yīng)用中，根據(jù)吻合部位、吻合方式及吻合目的的不同，磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)差異性較大。

盡管MCT尚未成為臨床中的主流吻合方法，但其獨(dú)特的優(yōu)越性已經(jīng)凸顯出來(lái)了，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，磁體間特殊的“非接觸性”施力特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)下以“磁力隧道開(kāi)通”的模式，對(duì)膽道狹窄/閉塞、食管閉鎖/狹窄疾病進(jìn)行內(nèi)鏡下微創(chuàng)治療；另一方面，在感染狀態(tài)下進(jìn)行手工縫線或釘式吻合空腔臟器時(shí)，貫穿式吻合模式下吻合口組織受到縫線或吻合釘縱向牽拉切割力的作用，可導(dǎo)致吻合失敗，而MCT在完成吻合時(shí)被壓迫組織承受的是一個(gè)平面的壓力，且無(wú)縫線或吻合釘對(duì)吻合口組織的穿透性損傷[2]，這正是MCT能夠?qū)崿F(xiàn)炎癥感染狀態(tài)下消化系統(tǒng)一期吻合的根本原因。上述兩點(diǎn)使MCT在某些疾病的治療上誕生了一系列顛覆性的技術(shù)。

在MCT中磁體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多種多樣，充分了解患者的病情和治療目的是磁體設(shè)計(jì)的基本出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)的依據(jù)則與磁體置入部位的解剖結(jié)構(gòu)、對(duì)磁力的需求、磁體留置的外環(huán)境、手術(shù)實(shí)施的方式等諸多因素相關(guān)。只有徹底領(lǐng)悟MCT的本質(zhì)內(nèi)涵，充分考慮各種影響要素，才能對(duì)磁體的設(shè)計(jì)達(dá)到個(gè)體化、精準(zhǔn)化，具備可操作性，避免盲目設(shè)計(jì)，造成資源浪費(fèi)，甚至延誤患者治療。

本文總結(jié)分析了國(guó)內(nèi)外MCT相關(guān)文獻(xiàn)中所涉及的磁體設(shè)計(jì)的差異性，并探討了影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素，同時(shí)結(jié)合作者前期的研究積累，在國(guó)際上首次提出了MCT中磁體設(shè)計(jì)的基本原則。

1 解剖因素對(duì)磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

磁體所處部位的解剖特點(diǎn)是磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先考慮的因素。對(duì)于胃腸道、膽道及食管端端吻合來(lái)說(shuō)，磁體位于管腔內(nèi)，因此磁體一般采用圓柱體或圓環(huán)狀的設(shè)計(jì)[3-13]，為了兼顧磁體置入和排出的便捷性和安全性，以及獲得足夠的吻合口大小，磁體的外徑一般應(yīng)小于管腔內(nèi)徑1～3 mm。在進(jìn)行胃腸道、膽道的側(cè)側(cè)吻合時(shí)，磁體可為條狀[14]、半膠囊狀[15]、橢圓環(huán)狀[16]，此時(shí)應(yīng)充分考慮磁體置入后磁體占管腔的空間比，磁體置入后應(yīng)不引起腸道梗阻方可。

而對(duì)于血管端端吻合來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)大多為針環(huán)結(jié)構(gòu)[17]，這是因?yàn)榇怒h(huán)位于血管腔外，且血管壁需要外翻以實(shí)現(xiàn)內(nèi)膜對(duì)內(nèi)膜的血管吻合的基本原則，磁環(huán)內(nèi)徑應(yīng)小于血管外徑約2～3 mm，這樣一方面可以方便血管外翻操作，另一方面避免磁環(huán)內(nèi)徑太小，導(dǎo)致血管吻合口狹窄。而對(duì)于血管側(cè)側(cè)吻合來(lái)說(shuō)多設(shè)計(jì)為橢圓環(huán)狀[18]，除了考慮功能方面的需要（即全分流還是部分分流）外，還應(yīng)考慮磁體置入后對(duì)血管形變及血流動(dòng)力學(xué)的影響。特殊吻合部位如磁壓榨直腸陰道瘺閉合修補(bǔ)應(yīng)考慮陰道的曲度、直腸陰道隔厚度、瘺口的位置及大小等[19-21]。

2 磁力特性對(duì)磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

磁場(chǎng)力是實(shí)現(xiàn)磁壓榨的基礎(chǔ)，在同一磁性材料下，磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁體大小和充磁方向密切相關(guān)。以圓柱狀磁體為例，當(dāng)?shù)酌娣e一定時(shí)，磁體中心的磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁體的高度成正相關(guān)，其變化規(guī)律如圖1a所示，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著磁體高度增加成非線性增加。但是在設(shè)計(jì)磁體時(shí)，我們不可能為了追求更大的磁場(chǎng)強(qiáng)度而無(wú)限制增加磁體的高度，因?yàn)閺拇艌?chǎng)強(qiáng)度曲線可以看出，當(dāng)磁體高度增加到一定程度后，磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加趨于平緩，說(shuō)明磁體高度達(dá)到一個(gè)拐點(diǎn)后，隨著高度的增加，磁場(chǎng)強(qiáng)度增加并不顯著。而這個(gè)拐點(diǎn)就是我們磁體高度設(shè)計(jì)時(shí)的磁力學(xué)最優(yōu)值。

在磁壓榨過(guò)程中，組織承受的磁體壓力與磁體間的距離密切相關(guān)，且磁體間磁力與磁體間距成平方反比關(guān)系，如圖1b所示。因此，在設(shè)計(jì)磁體時(shí)，尤其是在設(shè)計(jì)用于治療膽道狹窄和食管閉鎖（狹窄）的磁體時(shí)要充分考慮到狹窄段或閉鎖段的距離，設(shè)計(jì)的磁壓榨磁體要能滿足磁力需求。磁壓榨吻合的基本病理變化過(guò)程為：壓榨組織缺血-壞死-脫落，壓榨旁組織粘連-修復(fù)-愈合[2]。二者之間應(yīng)處于相對(duì)均衡狀態(tài)，當(dāng)前者發(fā)生速度遠(yuǎn)快于后者時(shí)，可出現(xiàn)吻合口漏；當(dāng)后者發(fā)生速度遠(yuǎn)快于前者時(shí)則容易出現(xiàn)磁體脫出困難及吻合口狹窄。我們?cè)谇捌诘拇艍赫ツ懩c吻合動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中探討了其最適壓強(qiáng)為0.2～0.3 MPa[22]。磁力過(guò)大、過(guò)小都將對(duì)吻合產(chǎn)生不利影響，因此磁體設(shè)計(jì)時(shí)必須選取合適的磁力范圍。

圖1 磁力學(xué)基本特性

3 手術(shù)方式對(duì)磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

MCT在臨床應(yīng)用過(guò)程中常與內(nèi)鏡技術(shù)、腔鏡技術(shù)、介入技術(shù)等聯(lián)合，不同的手術(shù)方式對(duì)磁體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求也存在著差異性。

當(dāng)MCT聯(lián)合其他技術(shù)時(shí)，往往需要有與磁體配套的輔助操作裝置協(xié)助完成磁體的置入過(guò)程。內(nèi)鏡及介入操作下，一般要借助導(dǎo)絲、導(dǎo)管來(lái)輔助磁體置入，因此磁體在設(shè)計(jì)中常會(huì)留有引導(dǎo)孔。引導(dǎo)孔的設(shè)計(jì)根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境不同，可沿軸向也可為徑向。磁體引導(dǎo)孔設(shè)計(jì)方案對(duì)磁體精加工技術(shù)要求比較高，且當(dāng)磁體本身體積較小時(shí)，引導(dǎo)孔在很大程度上減少了磁體有效體積，從而降低磁體間的磁力，不利于壓榨過(guò)程的實(shí)施，所以又出現(xiàn)了各種各樣的尾掛結(jié)構(gòu)，以方便內(nèi)鏡下操作（圖2）。

4 功能需求對(duì)磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

磁壓榨技術(shù)目前在臨床上主要完成空腔臟器吻合重建功能，在不同吻合部位磁體完成壓榨吻合的時(shí)間不同，因此在壓榨吻合完成前磁體是否承擔(dān)其他功能也是磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮的重要因素。當(dāng)磁體在完成壓榨吻合前就需要承擔(dān)通道引流作用時(shí)，磁體常需帶孔設(shè)計(jì)，大多為圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如磁壓榨膽腸吻合[23]、磁壓榨血管側(cè)側(cè)吻合[24]、磁壓榨胃造瘺術(shù)[25-26]、磁壓榨腸端端吻合[27]的磁體即如此。當(dāng)完成這些部位的吻合時(shí)，空腔器官的連續(xù)性必須維持，否則在壓榨吻合建立前，空腔器官處于梗阻狀態(tài)，會(huì)引起嚴(yán)重梗阻并發(fā)癥。但是，同樣是空腔臟器吻合，如完成旁路手術(shù)時(shí)則可考慮非引流孔設(shè)計(jì)方案[28]。如當(dāng)PTBP聯(lián)合ERCP路徑完成膽道狹窄疏通時(shí)，因PTBD引流管的存在可對(duì)膽汁起到外引流作用，因此可采用非引流孔設(shè)計(jì)方案。

圖2 MCT中常用的尾掛結(jié)構(gòu)（箭頭所指）

5 外環(huán)境對(duì)磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

磁體外環(huán)境對(duì)體內(nèi)磁體的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：

第一，機(jī)體的理、化、生因素對(duì)磁體的腐蝕作用。對(duì)于中、短期留置的磁體，通過(guò)各種表面改性技術(shù)即可滿足防腐蝕需求，而對(duì)于需要長(zhǎng)期留置的磁體常規(guī)的表面改性技術(shù)難以維持持久有效的防腐蝕功效，有研究者采用了鈦殼全密封包裹技術(shù)[29]。因此，在磁體設(shè)計(jì)時(shí)要考慮磁體防腐蝕需求和各種表面改性技術(shù)的特點(diǎn)。

第二，磁場(chǎng)間相互作用力的影響。當(dāng)機(jī)體內(nèi)存在多個(gè)磁體且相互距離較近時(shí)，磁體間會(huì)產(chǎn)生相互作用的磁場(chǎng)力，可發(fā)生“非計(jì)劃相吸”，引起吻合口扭曲、移位或內(nèi)瘺形成，最終可導(dǎo)致手術(shù)失敗。對(duì)此，可采用磁屏蔽技術(shù)，通過(guò)在磁體非吸合面加載高導(dǎo)磁率的金屬殼，將非吸合面的磁力線引導(dǎo)至吸合面，可以有效地防止多個(gè)磁體近距離時(shí)的非計(jì)劃相吸[30]。當(dāng)加載磁屏蔽殼時(shí)，磁屏蔽殼要損耗磁體的體積，磁體有效體積的減少意味著吻合時(shí)磁力的衰減，如何科學(xué)設(shè)計(jì)磁屏蔽殼的厚度、氣隙的大小、磁體的大小這三個(gè)參數(shù)，使其既能滿足對(duì)磁力的需要，又能達(dá)到有效的屏蔽作用，需要在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮。

6 磁體設(shè)計(jì)的基本原則

在回顧分析了MCT中磁體的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及磁體設(shè)計(jì)的影響因素后，我們?cè)趪?guó)內(nèi)外首次提出了MCT中磁體設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循的原則——“西安原則”：

（1）功能性原則。磁體設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮臨床應(yīng)用的目的和所要實(shí)現(xiàn)的功能，要絕對(duì)避免設(shè)計(jì)的磁體不能完成預(yù)期的功能。

（2）可加工性原則。永磁體有其自身的材料學(xué)特性，要充分考慮永磁材料的硬度、脆性、韌性等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)磁體時(shí)要考慮采用何種加工工藝，是否具備可行性，要避免設(shè)計(jì)的磁體結(jié)構(gòu)超出現(xiàn)有的加工水平。

（3）可操作性原則。MCT在處理復(fù)雜性外科疾病中有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，尤其是與內(nèi)鏡技術(shù)、腔鏡技術(shù)和介入技術(shù)相結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)超微創(chuàng)化診療，但即使是同一患者，所要采用的手術(shù)操作路徑不同，對(duì)磁體的結(jié)構(gòu)要求就存在很大差異，所以在設(shè)計(jì)磁體結(jié)構(gòu)時(shí)必須與操作路徑相結(jié)合。

（4）風(fēng)險(xiǎn)最小化原則。壓榨磁體植入人體后在完成其功能的同時(shí)也會(huì)帶來(lái)其他相關(guān)并發(fā)癥和副作用的風(fēng)險(xiǎn)，磁體設(shè)計(jì)時(shí)要盡量將磁體可能帶來(lái)的并發(fā)癥和副作用風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

（5）符合磁力學(xué)基本規(guī)律的原則。磁體設(shè)計(jì)者應(yīng)該具備磁力學(xué)的基本知識(shí)，掌握基本形狀磁體的磁力線大致分布特點(diǎn)，了解磁屏蔽原理，知曉磁力-距離變化曲線等知識(shí)，并將其用于磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中來(lái)。