磁吻合裝置磁場(chǎng)分布的有限元分析及生物學(xué)效應(yīng)研究

陳 環(huán)，單麗宇，2，馬 濤，王 越，呂 毅，2*

（1.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(guó)家地方聯(lián)合工程中心，西安710061；2.西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院肝膽外科，西安710061）

0 引言

磁外科[1-4]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)間的非接觸性磁場(chǎng)力轉(zhuǎn)化為臨床診療中能夠發(fā)揮特定功能的力，從而完成系列臨床干預(yù)的新興學(xué)科。隨著磁外科的發(fā)展，永磁性外科植入裝置被越來(lái)越廣泛地用于手術(shù)中。作為磁外科的核心技術(shù)，磁吻合[5-9]（magnetic compression anastomosis，MCA）利用磁體間的非接觸力對(duì)被壓榨的組織產(chǎn)生持續(xù)壓力最終實(shí)現(xiàn)吻合，具有組織損傷小、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)，得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究。在磁吻合過(guò)程中，磁性裝置在患者體內(nèi)留存數(shù)天至數(shù)周，使吻合口及其周?chē)M織長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)暴露于中等強(qiáng)度的靜磁場(chǎng)中。

為適用不同臨床場(chǎng)景，如食管吻合[6]、胃腸吻合[10]、結(jié)直腸吻合[11]、膽腸吻合[12]和胰腸吻合[7]等，磁吻合裝置（magnetic compression device，MCD）在尺寸選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料加工等方面各具特點(diǎn)，磁場(chǎng)分布也各不相同。磁場(chǎng)的生物學(xué)效應(yīng)十分復(fù)雜，與磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)性質(zhì)、暴露模式、暴露時(shí)間及組織種類(lèi)均有聯(lián)系[13-16]。MCD 具備的特征性磁場(chǎng)分布在吻合口形成過(guò)程中是否產(chǎn)生特殊的生物學(xué)效應(yīng)，是指導(dǎo)吻合器設(shè)計(jì)加工的理論基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的關(guān)于磁場(chǎng)生物效應(yīng)的研究，大多數(shù)源自對(duì)核磁共振設(shè)備等強(qiáng)磁場(chǎng)的安全性考慮，因此多采取“強(qiáng)磁場(chǎng)，短周期，間斷重復(fù)暴露”的暴露模式[16-17]。另外一些采用中低強(qiáng)度磁場(chǎng)的研究則以磁療等替代醫(yī)學(xué)療法，關(guān)注了磁場(chǎng)刺激可興奮細(xì)胞或分泌性細(xì)胞等的影響，暴露模式多采用短時(shí)間暴露或間斷重復(fù)暴露[18]。因而，這些研究采用的磁場(chǎng)暴露模式并不適用于磁吻合術(shù)中吻合器磁場(chǎng)對(duì)吻合口的作用模式。

因此，本研究旨在設(shè)計(jì)加工磁場(chǎng)分布不同，但形狀、尺寸和吻合力一致的2 種MCD，并利用有限元分析（finite element analysis，F(xiàn)EA）對(duì)磁場(chǎng)的時(shí)空分布進(jìn)行仿真分析，而后在大鼠腸吻合模型中對(duì)這2 種MCD進(jìn)行比較，探討不同MCD 是否因磁場(chǎng)分布不同而對(duì)吻合口相關(guān)指標(biāo)產(chǎn)生影響，為MCD 的尺寸選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料加工提供理論基礎(chǔ)。

1 設(shè)計(jì)思路

如圖1 所示，分別采用磁芯和磁殼2 種結(jié)構(gòu)，制作磁場(chǎng)分布不同，但形狀、尺寸和吻合力一致的MCD。磁芯結(jié)構(gòu)MCD 具體制作方式為在圓形磁體外包裹環(huán)形光敏樹(shù)脂殼[如圖1（a）、（b）所示]，磁殼結(jié)構(gòu)MCD 具體制作方式為在環(huán)形磁體內(nèi)鑲嵌圓形光敏樹(shù)脂芯[如圖1（c）、（d）所示]。為適用大鼠小腸吻合，2 種MCD 外徑均定為6 mm，高均定為1 mm。磁芯結(jié)構(gòu)MCD 吻合力由磁芯提供，磁殼結(jié)構(gòu)MCD 吻合力由磁殼提供。

圖1 磁場(chǎng)分布不同的磁芯結(jié)構(gòu)和磁殼結(jié)構(gòu)MCD 示意圖與實(shí)物圖

2 有限元分析

2.1 吻合力分析

對(duì)磁芯或磁殼的吻合力相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析。磁性材料選用Nd-Fe-B（N45），磁體間距離為0.6 mm（即子母磁體間的腸壁厚度）。有限元分析結(jié)果如圖2 所示，磁芯結(jié)構(gòu)MCD 吻合力隨磁芯外徑增大而增加[如圖2（a）所示]，磁殼結(jié)構(gòu)MCD 吻合力隨磁殼內(nèi)徑增大而減小[如圖2（b）所示]。外徑4 mm 的磁芯與內(nèi)徑4 mm 的磁殼具有相似吻合力。

圖2 磁芯和磁殼吻合力相關(guān)參數(shù)的有限元分析

由此得到形狀、尺寸和吻合力一致，但磁場(chǎng)分布不同的2 種MCD。磁芯結(jié)構(gòu)MCD 參數(shù)：磁芯外徑4 mm、厚1 mm，樹(shù)脂殼外徑6 mm、內(nèi)徑4 mm、厚1 mm；磁殼結(jié)構(gòu)MCD 參數(shù)：磁殼外徑6 mm、內(nèi)徑4 mm、厚1 mm，樹(shù)脂芯外徑4 mm、厚度1 mm。

2.2 磁場(chǎng)分析

選取MCD 中軸所在平面為工作平面（yz 平面），利用COMSOL Multiphysics 5.6 軟件包，計(jì)算子母磁體相距0～0.6 mm 時(shí)，2 種結(jié)構(gòu)MCD 磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布情況，結(jié)果如圖3 所示。以y 軸為工作曲線，得到磁感應(yīng)強(qiáng)度-距離y 變化關(guān)系，繪制2 種結(jié)構(gòu)MCD磁感應(yīng)強(qiáng)度空間分布曲線，如圖4（a）、（b）所示，可見(jiàn)其空間分布不同。

選取距MCD 中軸3.0、3.1、3.2 和3.3 mm 4 個(gè)位置，隨吻合推進(jìn)，磁體間軟組織厚度減小，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨之變化，其值可在空間分布曲線上讀取。假設(shè)吻合過(guò)程中吻合時(shí)間（t）與軟組織厚度（h）滿足h=0.6-0.005t，可得到吻合口黏膜層、黏膜下層、肌層和漿膜層的磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)間分布曲線，如圖4（c）、（d）所示，2 種結(jié)構(gòu)MCD 磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)間分布不同，磁芯結(jié)構(gòu)MCD 變化范圍為67.67～126.73 mT，磁殼結(jié)構(gòu)MCD 變化范圍為38.94～329.23 mT。

圖4 磁芯和磁殼結(jié)構(gòu)MCD 磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)空分布

3 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

以大鼠為模型，采用上述2 種磁場(chǎng)分布不同但形狀、尺寸和吻合力一致的MCD 進(jìn)行回腸側(cè)側(cè)吻合，比較吻合口在大小、力學(xué)性能和病理學(xué)等方面是否存在差異。

3.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

選取健康成年SD 大鼠12 只，體質(zhì)量280～300 g，由西安交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供，在普通動(dòng)物環(huán)境中飼養(yǎng)管理。將12 只大鼠隨機(jī)分配至磁芯組（使用磁芯結(jié)構(gòu)MCD）和磁殼組（使用磁殼結(jié)構(gòu)MCD），每組6只。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)。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用異氟烷吸入式麻醉大鼠后，將大鼠置于仰臥位固定消毒，開(kāi)腹并取出回腸置于無(wú)菌紗布上，用溫生理鹽水潤(rùn)濕腸管。在回腸距盲腸8 cm 處做6 mm縱切口，從切口置入母環(huán)，并送至切口近端5 cm；置入子環(huán)，并送至切口遠(yuǎn)端5 cm。對(duì)合子母環(huán)，進(jìn)行壓榨吻合，如圖5 所示。橫向縫合回腸縱切口后逐層關(guān)腹。術(shù)后行腹部X 射線檢查，確認(rèn)子母磁體是否準(zhǔn)確耦合，并記錄磁體排出時(shí)間。

術(shù)后30 d，過(guò)量麻醉處死大鼠，暴露吻合口，根據(jù)粘連量表評(píng)估吻合口粘連情況。獲取吻合口及其前后腸袢，采用浸水注氣法測(cè)量吻合口爆破壓，通過(guò)ImageJ_v 1.8.0（National Institutes of Health）測(cè)量吻合口大小，并進(jìn)行HE 和Masson 染色評(píng)估吻合口愈合情況。

3.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用SPSS 23.0 統(tǒng)計(jì)軟件處理數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。滿足正態(tài)分布的連續(xù)變量使用均值±標(biāo)準(zhǔn)差（xˉ±s）表示，采用Student-t 檢驗(yàn)。不滿足正態(tài)分布的連續(xù)變量以中位數(shù)（四分位間距，IQR）表示，采用秩和檢驗(yàn)。所有統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)均為雙側(cè)檢驗(yàn)，P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 組大鼠手術(shù)均順利進(jìn)行（如圖5 所示），出血少。術(shù)后3 d，磁殼組大鼠死亡1 只，死因?yàn)楦骨粌?nèi)感染。X 射線平片顯示2 組大鼠排磁時(shí)間分別為（6.2±1.1）d 和（5.9±0.7）d，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.303）。

圖5 磁芯組和磁殼組大鼠吻合效果及X 射線平片

術(shù)后30 d，2 組大鼠腹腔內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)清晰，粘連較少，粘連評(píng)分無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P=0.931）。大體標(biāo)本顯示，各組大鼠吻合口漿膜面整潔連續(xù)，黏膜光滑平整，吻合線愈合良好，如圖6 所示。HE 和Masson染色顯示，各組大鼠漿膜層、黏膜下層和黏膜層愈合較好。

圖6 磁芯組和磁殼組大鼠吻合口漿膜面、黏膜面大體觀及HE 與Masson 染色結(jié)果

術(shù)后30 d，2 組大鼠爆破壓無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異[磁芯組vs 磁殼組：（250.89±13.12）mmHg vs（258.32±19.58）mmHg（1 mmHg=133.32 Pa），P=0.532]，吻合口周長(zhǎng)無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異[磁芯組vs 磁殼組：（15.87±0.97）mm vs（16.72±0.88）mm，P=0.918]。

4 討論

磁場(chǎng)的生物學(xué)效應(yīng)十分復(fù)雜，在不同的研究中可表現(xiàn)出計(jì)量依賴效應(yīng)、窗口效應(yīng)[13，17]、雙向效應(yīng)[19]和不規(guī)則效應(yīng)[20]等，與磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)性質(zhì)、暴露模式、暴露頻率、暴露時(shí)間及組織種類(lèi)等均有聯(lián)系，不能從一類(lèi)研究簡(jiǎn)單擴(kuò)展到另一類(lèi)研究。因此，研究不同MCD 磁場(chǎng)的時(shí)空分布及其對(duì)吻合口相關(guān)指標(biāo)的影響是十分必要的，將成為MCD 設(shè)計(jì)加工的理論基礎(chǔ)。

目前對(duì)磁相關(guān)物理量的計(jì)算大多是基于對(duì)麥克斯韋方程組的求解，除少數(shù)簡(jiǎn)單情況，一般難以求出解析解，這限制了對(duì)MCD 磁場(chǎng)的研究。FEA 利用網(wǎng)格離散化，將無(wú)限的連續(xù)區(qū)域轉(zhuǎn)化為有限的離散區(qū)域，通過(guò)對(duì)子區(qū)域內(nèi)的未知量進(jìn)行近似處理，便可求解難以精確計(jì)算的偏微分方程。近年來(lái)，F(xiàn)EA 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓展[21-24]。在磁外科領(lǐng)域中，F(xiàn)EA 可作為磁場(chǎng)模擬、磁力計(jì)算和穩(wěn)態(tài)分析的有效手段[25-27]。本研究利用COMSOL 軟件設(shè)計(jì)了磁場(chǎng)分布不同但尺寸和吻合力一致的2 種MCD，并對(duì)其在吻合過(guò)程中磁場(chǎng)的時(shí)空分布進(jìn)行了仿真。結(jié)果顯示，磁芯結(jié)構(gòu)MCD和磁殼結(jié)構(gòu)MCD 磁場(chǎng)的時(shí)空分布不同，磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍分別為67.67～126.73 mT 和38.94～329.23 mT。

現(xiàn)有關(guān)于磁場(chǎng)生物學(xué)效應(yīng)的研究大多集中于細(xì)胞層面，如：李飛等[20]將臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞暴露于靜磁場(chǎng)中48 h，發(fā)現(xiàn)0.05 mT 磁場(chǎng)促進(jìn)細(xì)胞增殖，而1～100 mT 磁場(chǎng)抑制細(xì)胞增殖；胡麗芳等[19]在0.2～0.4 T靜磁場(chǎng)中培養(yǎng)小鼠白血病細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)1～3 d 后細(xì)胞增殖受到抑制，4～5 d 后細(xì)胞增殖反而增強(qiáng)；而在Schiffer 等[28]、May 等[29]和Nakahara 等[30]的研究中，磁場(chǎng)對(duì)細(xì)胞增殖并未產(chǎn)生明顯的影響。本研究并未發(fā)現(xiàn)不同分布的磁場(chǎng)對(duì)吻合口形成時(shí)間、大小、力學(xué)性能和組織學(xué)等方面存在影響，表明“連續(xù)數(shù)天的中等強(qiáng)度靜磁場(chǎng)暴露”這一MCA 特有的磁場(chǎng)暴露模式并不會(huì)對(duì)吻合口產(chǎn)生影響。相較于細(xì)胞層面的磁場(chǎng)生物學(xué)研究，本實(shí)驗(yàn)著眼于臨床層面磁場(chǎng)分布對(duì)腸道吻合口形成及預(yù)后的影響?；蛟S磁場(chǎng)對(duì)微觀維度的細(xì)胞增殖、分化等有影響，但在大鼠腸道磁吻合術(shù)中，本實(shí)驗(yàn)并未觀測(cè)到差異。因此，在磁吻合過(guò)程中，磁場(chǎng)僅作為吻合力的發(fā)源而不產(chǎn)生其他生物學(xué)效應(yīng)。

本研究尚存在一些局限：一方面，缺乏大動(dòng)物實(shí)驗(yàn)對(duì)結(jié)論的進(jìn)一步驗(yàn)證；另一方面，由于磁場(chǎng)生物效應(yīng)的復(fù)雜性，本研究并不能代表所有磁場(chǎng)分布模式均對(duì)吻合口無(wú)影響。后期尚需在大動(dòng)物模型中通過(guò)多種應(yīng)用場(chǎng)景（如食管吻合、胃腸吻合、膽腸吻合和結(jié)直腸吻合等）對(duì)不同MCD 的磁場(chǎng)生物效應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步研究。