適用于無創(chuàng)消化道重建的徑向充磁吻合器的設(shè)計(jì)

陳 環(huán)，單麗宇，呂 毅，李 宇*

（1.西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院肝膽外科，西安 710061；2.西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院精準(zhǔn)外科與再生醫(yī)學(xué)國家地方聯(lián)合工程中心，西安 710061）

0 引言

胃流出道梗阻[1]是多種晚期腫瘤的常見并發(fā)癥，如胰頭癌[2-4]、十二指腸癌[5-7]、膽囊癌[8-11]、胃癌[12-14]等。為解決胃流出道梗阻患者的進(jìn)食問題，臨床上多采用內(nèi)鏡下金屬支架置入等方法[15]。然而，術(shù)中所用支架多為裸金屬支架，組織長入支架可造成支架堵塞，導(dǎo)致梗阻復(fù)發(fā)，因此須反復(fù)多次置入支架，嚴(yán)重影響患者的生存質(zhì)量。近年來，胃腸道微創(chuàng)手術(shù)成為研究熱點(diǎn)，在超聲引導(dǎo)下，一種基于胃后壁與空腸起始部間解剖關(guān)系的胃腸吻合術(shù)[16]受到重視，但因操作難度大并未得到普及。

磁外科[17]是利用特殊設(shè)計(jì)的磁性醫(yī)療器械或設(shè)備，將磁性物質(zhì)間“非接觸性”磁場(chǎng)力轉(zhuǎn)化為臨床診療中能夠發(fā)揮特定功能的力，從而完成組織壓榨[18-21]、器官錨定[22-24]、管腔導(dǎo)航[25-26]、間隙擴(kuò)張和可控示蹤[27]等功能的新興綜合性技術(shù)學(xué)科。按照不同應(yīng)用方式和作用原理，磁外科技術(shù)可分為以下五大類[17]：磁壓榨技術(shù)、磁錨定技術(shù)、磁導(dǎo)航技術(shù)、磁懸浮技術(shù)以及磁示蹤技術(shù)。磁吻合（magnetic compression anastomosis，MCA）技術(shù)作為磁壓榨技術(shù)的重要分支，是借助磁場(chǎng)介導(dǎo)的磁體間引力，對(duì)靶組織產(chǎn)生壓力，致使靶組織缺血—壞死—脫落，促使周圍組織連接愈合，最終實(shí)現(xiàn)管道重建。目前，MCA 技術(shù)已成功應(yīng)用于消化道管腔吻合、狹窄再通、尿路系統(tǒng)吻合和血管吻合等領(lǐng)域，具有較高的臨床價(jià)值。

傳統(tǒng)的磁吻合器多由一對(duì)環(huán)形磁體組成，體積較大，內(nèi)鏡置入困難，而單純的體積縮減會(huì)導(dǎo)致吻合力不足和吻合口狹窄，因此，微創(chuàng)的胃腸姑息性磁吻合器發(fā)展緩慢。為解決這一難題，Machytka 等[28]通過將若干梯形磁體首尾相接排列，設(shè)計(jì)了可在線形和環(huán)形間轉(zhuǎn)變的自組裝磁吻合器。該磁吻合器的自組裝過程主要通過機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，增加了磁吻合器的復(fù)雜性；此外，該磁吻合器的機(jī)械故障發(fā)生率較高，進(jìn)一步限制了其在臨床的推廣應(yīng)用。嚴(yán)小鵬等[29]也采用了類似的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但目前處于理論階段，尚未在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證。

磁路設(shè)計(jì)與優(yōu)化是磁外科醫(yī)療器械設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的軸向充磁不同，本研究利用多個(gè)徑向充磁的圓柱形磁體側(cè)側(cè)相吸，設(shè)計(jì)并制作適用于無創(chuàng)消化道重建的可在線形和環(huán)形2 種狀態(tài)下自由轉(zhuǎn)變的自組裝徑向充磁吻合器，并在有限元力學(xué)分析及大鼠胃腸吻合模型中驗(yàn)證設(shè)計(jì)的吻合器的可行性和有效性。

1 設(shè)計(jì)思路

針對(duì)當(dāng)前磁吻合器體積過大、難以微創(chuàng)置入的問題，徑向充磁吻合器的整體設(shè)計(jì)目標(biāo)為：（1）有且僅有線形（置入狀態(tài)）與環(huán)形（吻合狀態(tài)）2 種穩(wěn)定狀態(tài)；（2）在置入過程中保持線形狀態(tài)，置入后可由線形轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)形；（3）具備不同規(guī)格，適用于不同臨床場(chǎng)景；（4）能提供適當(dāng)?shù)奈呛狭Α?/p>

徑向充磁吻合器的設(shè)計(jì)思路如下：（1）多個(gè)等尺寸的徑向充磁圓柱形磁體側(cè)側(cè)相吸，排列成直線，構(gòu)成線形狀態(tài)吻合器。（2）每3 個(gè)磁體組成1 個(gè)轉(zhuǎn)軸單元，兩側(cè)磁體可以中間磁體為軸心旋轉(zhuǎn)。每個(gè)磁體均可作為軸心形成轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)吻合器從線形狀態(tài)向環(huán)形狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。（3）通過控制圓柱形磁體數(shù)目，可制作不同規(guī)格的吻合器，以適用于不同臨床場(chǎng)景。（4）采用N54 釹-鐵-硼材料提供消化道吻合所需的磁力。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

徑向充磁吻合器由子環(huán)、母環(huán)和“J”形管組成。具體設(shè)計(jì)如下。

2.1 子環(huán)和母環(huán)

徑向充磁吻合器的子環(huán)和母環(huán)結(jié)構(gòu)一致，均由6 個(gè)等尺寸的圓柱形磁體組成。如圖1（a）所示，與傳統(tǒng)的軸向充磁不同，本研究中所用的圓柱形磁體均為徑向充磁。如圖1（b）所示，在徑向磁力作用下，3個(gè)（或以上）圓柱形磁體可通過側(cè)側(cè)相吸排列成線。此時(shí)，3 個(gè)相鄰磁體可形成轉(zhuǎn)軸單元，兩側(cè)磁體可以中間磁體為軸心旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中徑向磁力維持了轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定性。如圖1（c）所示，6 個(gè)圓柱形磁體側(cè)側(cè)相吸后組裝成子環(huán)或母環(huán)，此時(shí)吻合器為線形狀態(tài)，磁場(chǎng)沿線形吻合器從左至右（或從右至左）分布。如圖1（d）所示，當(dāng)每個(gè)圓柱形磁體繞其相鄰磁體旋轉(zhuǎn)角度θ=60°時(shí)，吻合器組裝成環(huán)形狀態(tài)，此時(shí)磁場(chǎng)繞環(huán)形吻合器中軸旋轉(zhuǎn)分布。

圖1 徑向充磁吻合器設(shè)計(jì)原理

吻合器實(shí)物圖如圖2 所示，6 個(gè)直徑2 mm、高2 mm 的圓柱形磁體側(cè)向相吸，形成線形吻合器[如圖2（a）所示]。線形狀態(tài)下吻合器可通過狹小通道（內(nèi)鏡通道、導(dǎo)管等）置入靶腸管。線形吻合器置入腸管后，可通過轉(zhuǎn)軸彎曲組裝成環(huán)形吻合器[如圖2（b）所示]，2 個(gè)環(huán)形吻合器軸向相吸可實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)消化道重建[如圖2（c）所示]。

圖2 徑向充磁吻合器實(shí)物圖

2.2 “J”形管

吻合器的置入與自組裝須使用專用器械的輔助——“J”形管。如圖3（a）所示，“J”形管為柔性結(jié)構(gòu)，自然狀態(tài)下主體為平直管道，頭部為環(huán)形凹槽。“J”形管的工作原理如圖3（b）所示，線形吻合器經(jīng)“J”形管主體送入，在頭部的環(huán)形凹槽內(nèi)彎曲至一定角度后，首尾磁體借助磁力相吸組裝成環(huán)形吻合器。

圖3 “J”形管

3 使用方法

操作者操作內(nèi)鏡至消化道狹窄（如胰頭癌占位處）近端，引入導(dǎo)絲并穿過狹窄處；退出內(nèi)鏡后，經(jīng)導(dǎo)絲引入“J”形管，并在透視下定位“J”形管于待吻合處（如空腸起始處）。

退出導(dǎo)絲，置線形吻合器入“J”形管，再次置入導(dǎo)絲后在導(dǎo)絲推動(dòng)下，線形吻合器逐步向“J”形管頭端移動(dòng)，并在環(huán)形凹槽內(nèi)逐步彎曲，最終在消化道狹窄遠(yuǎn)端形成環(huán)形吻合器。

以相同方式于消化道狹窄近端（如胃內(nèi)）置入另一線形吻合器并組裝成環(huán)形吻合器。2 個(gè)環(huán)形吻合器軸向相吸，對(duì)腸管和胃壁進(jìn)行壓榨，吻合器之間的組織會(huì)發(fā)生缺血—壞死—脫落，吻合器周圍的組織逐層愈合，最終形成吻合口。

4 有限元力學(xué)分析

以高5 mm、直徑6 mm 的圓柱形磁體為例，分析線形、弧形和環(huán)形3 種狀態(tài)下吻合器的穩(wěn)定性，分析結(jié)果如圖4 所示。以圖4（a）中線形狀態(tài)下磁體2 為例，其受到的磁力F2、彈力F1-2、彈力F3-2、軸向力矩M2分別為1.01 N、13.07 N、14.08 N 和0，磁體2 受力平衡，各磁體受力一致，因此線形狀態(tài)下的吻合器受力平衡。以圖4（b）中弧形狀態(tài)下磁體1 為例，其受到的磁力F1、彈力F2-1、軸向力矩M1分別為12.65 N、12.64 N 和0.14 N·m，磁體1 受力不平衡，因此弧形狀態(tài)下的吻合器受力不平衡。以圖4（c）中環(huán)形狀態(tài)下磁體1 為例，其受到的磁力F1、彈力F2-1、彈力F6-1、軸向力矩M1分別為12.39 N、12.39 N、12.39 N 和0 N·m，磁體1 受力平衡，各磁體受力一致，因此環(huán)形狀態(tài)下吻合器受力平衡。

圖4 徑向充磁吻合器力學(xué)穩(wěn)態(tài)分析

5 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

選取健康、成年且無特定病原體的SD 大鼠12只，體質(zhì)量240～260 g，由西安交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供。SD 大鼠在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心普通動(dòng)物環(huán)境中飼養(yǎng)、管理，環(huán)境溫度維持在（25±2）℃，環(huán)境相對(duì)濕度維持在50%～80%，光照時(shí)間為12 h，飲水、進(jìn)食過程不受限制。SD 大鼠飼養(yǎng)、管理和實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格遵守國家《實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理?xiàng)l例》《陜西省實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理辦法》，且本實(shí)驗(yàn)經(jīng)西安交通大學(xué)動(dòng)物倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

將12 只SD 大鼠隨機(jī)均分為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組（假手術(shù)組），每組6 只，術(shù)前24 h 禁食、6 h 禁飲，麻醉及手術(shù)操作前稱重。術(shù)前1 h 向大鼠皮下注射丁丙諾啡0.05 mg/kg 作為止痛劑，通過吸入異氟烷進(jìn)行麻醉。具體操作如下：

（1）實(shí)驗(yàn)組：經(jīng)腹中線逐層開腹（切口3 cm），暴露胃、十二指腸及空腸近端[如圖5（a）所示]；在十二指腸近端做2 mm 縱切口，通過切口置“J”形管入胃內(nèi)，利用導(dǎo)絲經(jīng)“J”形管將母環(huán)推送至胃內(nèi)，以同樣的方式置子環(huán)于空腸近端[如圖5（b）所示]；調(diào)整吻合器狀態(tài)和位置后，吻合器子母環(huán)相互吸引耦合，磁吻合開始[如圖5（c）所示]；縫合小腸和腹壁切口。（2）對(duì)照組：禁食、麻醉、開腹和十二指腸近端開口操作與實(shí)驗(yàn)組相同，但不進(jìn)行胃腸吻合。

圖5 大鼠胃腸磁吻合操作

術(shù)后立即行腹部X 射線檢查，觀察磁體位置，確認(rèn)磁體是否對(duì)位良好。術(shù)后每日行腹部X 射線檢查，確認(rèn)磁體是否解離及排出；每周測(cè)量大鼠體質(zhì)量，評(píng)估大鼠生理狀態(tài)。

術(shù)后第2 周，使用過量麻醉對(duì)12 只大鼠施行安樂死。獲取“胃-腸吻合袢”，觀察吻合口愈合情況，并通過浸水注氣法測(cè)量實(shí)驗(yàn)組大鼠的吻合口爆破壓和對(duì)照組大鼠的胃爆破壓。通過ImageJ_v 1.8.0 測(cè)量吻合口大小，并以周長（mm）表示。

采用SPSS 23.0 軟件對(duì)2 組大鼠的體質(zhì)量和爆破壓進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，P＜0.05 表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

6 結(jié)果

實(shí)驗(yàn)組6 只大鼠的胃腸吻合均順利實(shí)施，且無死亡。術(shù)后X 射線顯示，子環(huán)和母環(huán)對(duì)位良好[如圖6（a）所示]，吻合器未發(fā)生解離，磁環(huán)排出時(shí)間為（7.17±2.14）d（4～10 d）。術(shù)后14 d，剖腹探查，各組大鼠腹腔內(nèi)的解剖結(jié)構(gòu)清晰、無粘連，腸管管徑正常，未見腸梗阻、消化道漏及腹腔感染等嚴(yán)重并發(fā)癥。

術(shù)前、術(shù)后1 周及術(shù)后2 周，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組大鼠體質(zhì)量分別為（252.97±9.68）g vs（253.03±11.71）g（P=0.992）、（265.53±11.49）g vs（267.92±16.13）g（P=0.774）、（282.13±10.62）g vs（280.62±11.97）g（P=0.770）。實(shí)驗(yàn)組大鼠術(shù)后體質(zhì)量逐漸增加，與對(duì)照組大鼠體質(zhì)量無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

對(duì)照組大鼠胃爆破壓為（161.83±9.02）mmHg（1 mmHg=133.32 Pa）（與Uygun 等[30]的研究結(jié)果一致，破裂均發(fā)生于薄弱的胃體與胃底交界處），實(shí)驗(yàn)組胃腸吻合口爆破壓為（152.83±7.94）mmHg，二者無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P=0.097）。

大體標(biāo)本顯示，實(shí)驗(yàn)組吻合口漿膜面整潔連續(xù)，黏膜光滑平整，吻合線隱約可見且愈合良好，吻合口周長為（14.23±2.14）mm，如圖6（b）所示。HE 染色結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)組漿膜層、黏膜下層和黏膜層愈合較好，如圖6（c）所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)組大鼠術(shù)后圖像

7 討論

磁外科的顯著特點(diǎn)在于將磁性器械“非接觸性”場(chǎng)力有效地轉(zhuǎn)化為受控釋放的特定能量，從而達(dá)到臨床診療的目的。磁吻合技術(shù)憑借磁體間的“非接觸力”實(shí)現(xiàn)管道重建，規(guī)避了針線貫穿損傷和異物刺激。然而，傳統(tǒng)的磁吻合器多為剛性的圓形結(jié)構(gòu)，致使內(nèi)鏡下磁體置入困難，這在近年來內(nèi)鏡磁吻合技術(shù)飛速發(fā)展的背景下不容忽視。

為解決內(nèi)鏡下磁體置入困難的難題，Zhao 等[31]設(shè)計(jì)了橢圓型吻合器，減小了吻合器的橫截面，并通過犬腸道側(cè)側(cè)吻合驗(yàn)證了其可行性。但該設(shè)計(jì)在相同尺寸下增大了吻合器的縱截面，增加了吻合器排出過程中崁頓梗阻的風(fēng)險(xiǎn)。Machytka 等[28]設(shè)計(jì)了八邊形自組裝磁吻合器，成功實(shí)現(xiàn)了內(nèi)鏡下空腸分流術(shù)，但復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)限制了其推廣應(yīng)用。Matsuura 等[32]在行內(nèi)鏡下磁壓榨膽腸吻合術(shù)中，為了順利置入膽道內(nèi)磁體，不得不依次更換更粗的經(jīng)皮經(jīng)肝膽管引流（percutaneous transhepatic biliary drainage，PTBD）管，在長達(dá)6 個(gè)月的時(shí)間內(nèi)更換了7 次PTBD 管，最終將PTBD 管的直徑增加至5.33 mm 才順利置入磁體。這一過程不僅增加了操作難度，還拖延了治療過程，降低了患者的生存質(zhì)量。

與傳統(tǒng)的軸向充磁不同，本研究利用了多個(gè)徑向充磁的圓柱形磁體側(cè)側(cè)相吸，排列成可在線形和環(huán)形2 種狀態(tài)下自由轉(zhuǎn)變的自組裝吻合器。吻合器的可動(dòng)關(guān)節(jié)（轉(zhuǎn)軸單元）由圓柱形磁體本身構(gòu)成，轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定性由徑向磁力維持。該磁路設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)自組裝的同時(shí)避免引入復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，徹底規(guī)避了復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的機(jī)械故障，同時(shí)節(jié)約了吻合器的制作成本。另一方面，通過控制吻合器中磁體的數(shù)量，可根據(jù)臨床需求制作不同規(guī)格的自組裝吻合器，這在借助機(jī)械關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)自組裝的吻合器中是難以實(shí)現(xiàn)的[29]。

有限元力學(xué)分析結(jié)果表明，該吻合器僅具備線形和環(huán)形2 種穩(wěn)定狀態(tài)，弧形狀態(tài)為不穩(wěn)定的過渡狀態(tài)，在理論層面證實(shí)了自組裝過程的可行性。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明吻合器可在線形狀態(tài)下經(jīng)內(nèi)徑2 mm 的通道置入，并在消化道內(nèi)組裝成直徑6 mm的環(huán)，最終實(shí)現(xiàn)吻合。且吻合術(shù)后未發(fā)現(xiàn)吻合器解離和相關(guān)并發(fā)癥，證實(shí)了徑向磁力可有效維持吻合器的穩(wěn)定性。另外，吻合口愈合良好，其周長和爆破壓均滿足生理要求，表明環(huán)形狀態(tài)子母環(huán)的軸向相吸可提供適當(dāng)吻合力，實(shí)現(xiàn)胃腸吻合。因此該吻合器具備經(jīng)內(nèi)鏡置入消化道，并實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)消化道重建的潛力。

該吻合器有望解決內(nèi)鏡下磁吻合器置入困難的問題。但本研究僅在小動(dòng)物模型中進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)，未來仍需在大型動(dòng)物中進(jìn)一步驗(yàn)證該吻合器的安全性和有效性。