磁錨定腹腔視頻系統(tǒng)的研究進展

【作 者】 吳陽 ,艾克山江·艾力亞爾，馮慧，蔡逸帆，張凌梓，張宇航，丁泓帆，王善佩，董鼎輝，呂毅，馬濤

1 西安交通大學(xué) 精準(zhǔn)外科與再生醫(yī)學(xué)國家地方聯(lián)合工程研究中心，西安市，710000

2 西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院 陜西省再生醫(yī)學(xué)與外科工程研究中心，西安市，710000

3 西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院 肝膽外科，西安市，710000

4 西安交通大學(xué) 宗濂書院，西安市，710000

5 西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院 心血管外科，西安市，710000

0 引言

隨著腔鏡技術(shù)的發(fā)展，微創(chuàng)外科已發(fā)展成為當(dāng)今外科治療的主流，相較于以往開放式的手術(shù)操作，微創(chuàng)外科以其術(shù)后疼痛輕、美容效果好、對患者的創(chuàng)傷小等優(yōu)勢獲得了醫(yī)生和患者的廣泛認(rèn)同[1]。然而，外科醫(yī)生對于微創(chuàng)手術(shù)的追求并未就此停止，基于對“減少戳卡、少痛、無痕”的高要求，一些新的微創(chuàng)技術(shù)如經(jīng)臍單孔腹腔鏡手術(shù)（laparoendoscopic single-site surgery,LESS）應(yīng)運而生，將以往3～5個手術(shù)切口減少到了1個。然而，因為多個腔鏡器械只能從同一個戳卡置入，戳卡的直徑不得不增大到20～25 mm，并未達到理想的微創(chuàng)效果，且單戳卡不利于操作三角的形成，增大了操作難度[2]。

近年來，磁外科（magnetic surgery）蓬勃發(fā)展，磁錨定技術(shù)（magnetic anchor technique,MAT）作為其重要組成部分為解決單孔腹腔鏡在臨床上的窘境帶來了新的曙光。MAT利用磁體與磁體，或磁體與順磁性物質(zhì)之間的磁場吸引力，使錨定磁體對靶磁體進行非接觸性空間錨定的技術(shù)[3]?；谠摷夹g(shù)的磁錨定視頻系統(tǒng)，可通過體外磁體實現(xiàn)視頻系統(tǒng)在腹腔內(nèi)的定位、導(dǎo)航，不占或少占用戳卡空間，進而縮小傷口大小，避免器械間的互相干擾，是改善LESS操作性、微創(chuàng)性的有效方式[4]。下面回顧磁錨定腹腔視頻系統(tǒng)的研究狀況并展望其未來發(fā)展方向。

1 磁錨定腹腔視頻系統(tǒng)的發(fā)展歷史

CADEDDU團隊于2007年最早提出磁錨定導(dǎo)航系統(tǒng)（magnetic anchoring and guidance system,MAGS），并通過所研發(fā)的磁錨定抓鉗與磁錨定腹腔鏡在實驗豬上完成了兩例減戳卡腹腔鏡腎切除術(shù)。術(shù)中在外磁體的控制下，磁錨定腹腔鏡可不占用戳卡空間，避免了術(shù)中腹腔視頻系統(tǒng)對于手術(shù)的干擾（見圖1）[5]。磁錨定腹腔鏡體內(nèi)部分包括相機（見圖2）、外殼和內(nèi)部MAGS，總重量為35 g，直徑為15 mm。隨后該團隊用該磁錨定腹腔鏡和磁錨定機器人手臂燒灼器實現(xiàn)了單戳卡的腹腔鏡腎切除術(shù)[6]和完全經(jīng)陰道膽囊切除術(shù)[7]。在使用過程中碰到如下問題：相機焦距固定，所以定位較困難；圖像因攝像頭霧化而明顯受損；由于其相機不是專為外科手術(shù)設(shè)計的，其分辨率低于傳統(tǒng)的腹腔鏡。該磁錨定腹腔鏡由于外磁體磁力的限制，腹壁厚度超過2.5 cm時將影響磁體錨定的有效性。

在接下來的幾年里，該團隊對原來的磁錨定相機進行了改進，新一代MAGS相機[8]的成像元件和永磁體被安置在一個金屬外殼中（尺寸為Φ15 mm×80 mm；重65 g），并有一個用于信號和能量傳輸?shù)膯尉€繩（直徑2.5 mm），其鏡頭具有30°傾角，如圖3所示。與常規(guī)腹腔鏡相比，新一代MAGS相機減少了實驗豬腎切除手術(shù)[9]和膀胱造口閉合術(shù)[10]的工作量；與傳統(tǒng)單孔腹腔鏡膽囊切除相比，MAGS相機形成了更好的操作三角，降低了手術(shù)難度[11]。由于使用了高質(zhì)量的醫(yī)療級成像元件，相機分辨率明顯提高。但受到腹壁厚度限制的問題仍沒有得到解決。且此類相機只能以固定的角度在腹腔內(nèi)移動，視角單一，能夠獲得的手術(shù)視野較為有限。

2012年，TERRY等[12]設(shè)計了一個具有攝像系統(tǒng)的單孔腹腔鏡機器人，除了體外磁鐵吸引固定，還設(shè)有支架環(huán)進行腹腔內(nèi)定位，內(nèi)部支架環(huán)可彌補因腹壁肥厚而造成的內(nèi)外磁體吸力削弱，因此特別適用于肥胖患者。圖4為該腹腔鏡的工作狀態(tài)示意。除磁鐵控制的運動外，應(yīng)用了電機驅(qū)動的視場調(diào)節(jié)技術(shù)，有3個電機驅(qū)動的自由度，能夠靈活地從各個視角采集到手術(shù)區(qū)域的圖像，增大了手術(shù)的視野，減少了器械與視頻系統(tǒng)之間的干擾，但同時也使得設(shè)備體積大（32 mm×29 mm×129 mm）且腹腔內(nèi)靈活性差。BEST等[13]研制了少自由度磁錨定的橫式腹腔鏡，尺寸為Φ20 mm×60 mm，相對減小了體積和重量。圖5顯示該少自由度磁錨定腹腔鏡的CAD模型，圖6顯示該腹腔鏡在腹腔內(nèi)的效果。其攝像頭為30°傾斜，橫式腹腔鏡的設(shè)計使它不需要專門的助手保持相機的位置。除了體外磁鐵控制攝像頭運動外，攝像頭無電機驅(qū)動的自由度以調(diào)節(jié)視場角度。

國內(nèi)開展相關(guān)研究的人員有磁外科專家呂毅教授及其團隊，近幾年也獲得了較大進展[14-15]，2017年封海波等設(shè)計了一種用于LESS的體內(nèi)視覺機器人，應(yīng)用了專為單孔腹腔鏡手術(shù)設(shè)計的立體視覺控制系統(tǒng)。

機器人的自由度包括3個被動自由度（繞圓柱運動和2個方向的位移）和2個主動自由度（滾動和滑動）。機器人分為有線和無線兩種，原型Ⅰ（Φ20 mm×80 mm）采用電纜供電；原型Ⅱ（Φ20 mm×110 mm）采用可充電電池單元供電[16]。與其他磁錨定腹腔視頻設(shè)備相比，該視覺機器人還提供了清潔鏡頭的能力，解決了鏡頭霧化的問題。但是對于原型Ⅱ，一旦機器人與外磁體脫落，就必須終止LESS手術(shù)，開腹取出掉入腹腔的視覺機器人，而有線的原型Ⅰ可以通過牽拉電纜線實現(xiàn)內(nèi)外磁體的重新錨定。圖7為視覺機器人的組成示意。

本研究團隊設(shè)計出了第一個能通過10 mm戳卡的微型磁錨定相機[17-19]，并于2019年在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種面向 LESS手術(shù)的水平式微型磁錨定腹腔鏡[4]。本水平式微型磁錨定腹腔鏡設(shè)計如圖8所示，圓柱狀殼體尺寸為Φ7 mm×30 mm，殼體外固定定向磁體。相較其他視頻器械，該相機有如下優(yōu)點：①可順利通過12 mm傳統(tǒng)腔鏡戳卡進入腹腔，顯著提高了LESS手術(shù)的微創(chuàng)性；②利用“懸垂法”移開定向磁體對應(yīng)的體外磁體，在重力作用下可實現(xiàn)非電機驅(qū)動的30°傾角，以提供目標(biāo)視場的變換。但由于體積的限制，不具備清洗鏡頭的功能。

2 磁錨定腹腔視頻系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

自2007年CADEDDU團隊提出將磁性錨定與導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于腹腔鏡手術(shù)器械以來，小型化、可操作性強、智能化始終是其研發(fā)的方向。

當(dāng)前磁錨定腹腔視頻系統(tǒng)可分為兩類：一類是磁錨定視頻機器人[12，20]；另一類是磁錨定腹腔鏡[8-9]。兩者的區(qū)別在于：前者結(jié)構(gòu)中存在電機驅(qū)動自由度；后者則不具備上述特征，結(jié)構(gòu)相對簡單。磁錨定視頻機器人更注重智能化，磁錨定腹腔鏡則更注重微型化。既往國外磁錨定腹腔視頻系統(tǒng)研究的主要方向是“機器人”式裝置[12，20]，國內(nèi)相關(guān)研究也緊隨其后[14-16]。因其具有電機驅(qū)動的自由度，可以靈活調(diào)節(jié)視場，極大地滿足了手術(shù)者對視野的需求。但此類磁錨定視頻器械有一共同的不足之處，因其采用電機驅(qū)動及無線控制設(shè)計，相機體積相對龐大，內(nèi)部組件收縮狀態(tài)下體積達32 mm×29 mm×129 mm[12]，盡管最近的研究體積減小到Φ20 mm×80 mm[16]，手術(shù)戳卡直徑仍需增大，導(dǎo)致微創(chuàng)性不足。伴隨著人們對微創(chuàng)手術(shù)理解的不斷深入，磁錨定腹腔鏡的研究也逐漸受到重視。研制的磁錨定腹腔鏡體積不斷縮小以滿足微創(chuàng)的需要，目前，國外研制的磁錨定腹腔鏡直徑可在15 mm以內(nèi)[8-11]，國內(nèi)最新研制的磁錨定腹腔鏡直徑可至12 mm以下[4]，意味著國內(nèi)研制的磁錨定腹腔鏡可順利通過傳統(tǒng)腹腔鏡戳卡進入腹腔內(nèi)，應(yīng)用范圍更加廣泛。

隨著研究的不斷深入，最初的幾個問題陸續(xù)得到了解決，磁錨定相機的功能也在不斷豐富。首先是相機部分，醫(yī)療專用相機使獲得的圖像質(zhì)量明顯提高，像傳統(tǒng)腹腔鏡一樣加入了光源——高色溫的LED照明模塊保證了視野的亮度。磁力隨著距離增大而衰減，腹壁厚度超過了一定限度就會限制磁體的使用，使用新型磁材料在一定程度克服了腹壁厚度的問題[21]。此外，TUGWELL等[22]將永磁體與電磁控制技術(shù)結(jié)合形成電永磁鐵，必要時可關(guān)閉，具有可控、高力等優(yōu)點，并研究證明了控制系統(tǒng)耦合距離的能力，以緩解目前的磁耦合方法由于腹壁厚度的變化而存在的缺點。由于人體內(nèi)環(huán)境的影響及手術(shù)過程中組織液及血液的存在，攝像機鏡頭上會不可避免地附著水蒸氣和污漬，會嚴(yán)重影響成像的質(zhì)量，一些新型設(shè)備提供了清洗鏡頭的裝置以避免手術(shù)過程中鏡頭的霧化帶來的干擾[11，16]。大部分微型相機視角單一，一些新型相機在保留小型化的同時利用巧妙的設(shè)計實現(xiàn)了非電機驅(qū)動的運動自由度[4，17-19]。此外，磁錨定技術(shù)與其他技術(shù)的結(jié)合為其發(fā)展開拓了思路，如熒光成像技術(shù)成熟應(yīng)用于肝臟腫瘤術(shù)中精準(zhǔn)定位，可大大提高腹腔鏡下腫瘤切除的準(zhǔn)確性，在微創(chuàng)外科中具有重要意義[23]。本研究團隊將磁錨定技術(shù)與熒光成像技術(shù)結(jié)合，研制出一套磁錨定熒光腹腔鏡，可進一步實現(xiàn)肝臟腫瘤切除手術(shù)中診斷微創(chuàng)化及精準(zhǔn)化。

磁錨定腹腔視頻系統(tǒng)在蓬勃發(fā)展的同時仍然面臨一定的挑戰(zhàn)，如果要實現(xiàn)臨床的廣泛應(yīng)用，必須解決眼下的幾個問題：①MAGS腹腔鏡在實現(xiàn)多功能性的同時不可避免地會導(dǎo)致體積增大，如何權(quán)衡微創(chuàng)性和多功能性是設(shè)計者需要進一步思考的問題，如調(diào)節(jié)視場角度和清洗鏡頭的功能等。②磁力在距離上呈指數(shù)級衰減，磁力的強度會根據(jù)患者腹部厚度而變化?；颊叻逝殖潭鹊热匀皇侵萍s磁錨定技術(shù)臨床應(yīng)用的重要因素[24]。另外，使用磁錨定技術(shù)時須計算所需的磁力，避免磁力過大引起組織損傷。因此，未來磁錨定技術(shù)需要在靶磁體、錨定磁體的設(shè)計等方面進一步深入研究。③雖然目前磁場對人體影響多為正面報道[25-26]，但是在大規(guī)模應(yīng)用于臨床之前，磁場對機體的電生理活動及細(xì)胞學(xué)行為的劑量-效應(yīng)關(guān)系仍須進一步研究。④磁錨定腹腔視頻系統(tǒng)目前有內(nèi)置電源和通過導(dǎo)線外置電源兩種方式。外置電源的優(yōu)點是減小了機器人的體積和重量，但是由于導(dǎo)線的存在，一定程度上降低了機器人移動的靈活性；內(nèi)置電源的優(yōu)點是無線傳輸，不占用戳卡空間，同時避免了機器人移動時導(dǎo)線的干擾，但增加了機器人的體積和重量。兩者孰優(yōu)孰劣尚無定論，但都需要讓腹腔內(nèi)視頻器械的部署和回收簡單可靠。⑤各類磁錨定器械同時使用時磁體之間存在一定的相互干擾，目前主要通過磁體間保持足夠的距離來避免這種干擾。但如何減少甚至避免多個磁鐵距離較近時的相互干擾仍然是磁錨定技術(shù)發(fā)展亟待解決的問題。

3 結(jié)語

磁錨定腹腔視頻系統(tǒng)是微創(chuàng)外科中最有前途的創(chuàng)新技術(shù)之一，特別是在單孔腹腔鏡手術(shù)領(lǐng)域。這項技術(shù)可以減小用于進出攝像系統(tǒng)的戳卡尺寸，避免術(shù)中攝像系統(tǒng)對手術(shù)的干擾，還可以減少手術(shù)醫(yī)生和助手的工作量。不僅適用于腹腔手術(shù)，并可能滿足胸腔手術(shù)在視覺效果和手術(shù)性能方面的特殊需求[27]，在其他可以使用腔鏡的手術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[28]。可以預(yù)見的是，更多的磁錨定視頻設(shè)備將會被研發(fā)用于不同的腔鏡手術(shù)，為更多患者帶來更加微創(chuàng)、直觀的手術(shù)效果。