磁體差異性結構設計在磁壓榨技術中的應用分析

邱明龍，高慧敏，葉丹，袁宗玲，劉豪，付珊，雷蕾，鄧博，單麗宇1a,，史愛華，呂毅1a,，嚴小鵬1a,

1. 西安交通大學第一附屬醫院 a. 肝膽外科；b. 精準外科與再生醫學國家地方聯合工程研究中心，陜西 西安 710061；2. 西安交通大學 a. 啟德書院；b. 宗濂書院，陜西 西安 710061

引言

磁壓榨技術（Magnetic Compression Technique，MCT）是利用兩個或兩個以上磁體（或數個磁體與數個順磁性材料）之間的磁性吸引力，通過開腹（胸）手術、腔鏡手術、內鏡操作、介入操作等來實現臟器的連接再通、組織的壓榨閉合、管腔內容物的限流等，從而對疾病進行診斷和治療[1]。MCT是磁外科（Magnetic Surgery，MS）領域中發展最早、臨床應用最廣泛的技術，MCT借助磁場特殊的“非接觸性”施力特性，與現有的腔鏡技術、內鏡技術、介入技術相結合，誕生了一系列顛覆性的外科創新技術，促進了外科手術快速、微創、高效化進程。目前MCT的臨床應用包括血管吻合、胃腸吻合重建、膽道狹窄/閉塞再通、食管狹窄/閉鎖再通等領域。在實際臨床應用中，根據吻合部位、吻合方式及吻合目的的不同，磁體結構設計差異性較大。

盡管MCT尚未成為臨床中的主流吻合方法，但其獨特的優越性已經凸顯出來了，主要體現在兩個方面：一方面，磁體間特殊的“非接觸性”施力特點，可實現微創下以“磁力隧道開通”的模式，對膽道狹窄/閉塞、食管閉鎖/狹窄疾病進行內鏡下微創治療；另一方面，在感染狀態下進行手工縫線或釘式吻合空腔臟器時，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，可導致吻合失敗，而MCT在完成吻合時被壓迫組織承受的是一個平面的壓力，且無縫線或吻合釘對吻合口組織的穿透性損傷[2]，這正是MCT能夠實現炎癥感染狀態下消化系統一期吻合的根本原因。上述兩點使MCT在某些疾病的治療上誕生了一系列顛覆性的技術。

在MCT中磁體的結構設計多種多樣，充分了解患者的病情和治療目的是磁體設計的基本出發點，設計的依據則與磁體置入部位的解剖結構、對磁力的需求、磁體留置的外環境、手術實施的方式等諸多因素相關。只有徹底領悟MCT的本質內涵，充分考慮各種影響要素，才能對磁體的設計達到個體化、精準化，具備可操作性，避免盲目設計，造成資源浪費，甚至延誤患者治療。

本文總結分析了國內外MCT相關文獻中所涉及的磁體設計的差異性，并探討了影響結構設計的因素，同時結合作者前期的研究積累，在國際上首次提出了MCT中磁體設計的基本原則。

1 解剖因素對磁體結構設計的影響

磁體所處部位的解剖特點是磁體結構設計應優先考慮的因素。對于胃腸道、膽道及食管端端吻合來說，磁體位于管腔內，因此磁體一般采用圓柱體或圓環狀的設計[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，磁體的外徑一般應小于管腔內徑1～3 mm。在進行胃腸道、膽道的側側吻合時，磁體可為條狀[14]、半膠囊狀[15]、橢圓環狀[16]，此時應充分考慮磁體置入后磁體占管腔的空間比，磁體置入后應不引起腸道梗阻方可。

而對于血管端端吻合來說，現有的設計大多為針環結構[17]，這是因為磁環位于血管腔外，且血管壁需要外翻以實現內膜對內膜的血管吻合的基本原則，磁環內徑應小于血管外徑約2～3 mm，這樣一方面可以方便血管外翻操作，另一方面避免磁環內徑太小，導致血管吻合口狹窄。而對于血管側側吻合來說多設計為橢圓環狀[18]，除了考慮功能方面的需要（即全分流還是部分分流）外，還應考慮磁體置入后對血管形變及血流動力學的影響。特殊吻合部位如磁壓榨直腸陰道瘺閉合修補應考慮陰道的曲度、直腸陰道隔厚度、瘺口的位置及大小等[19-21]。

2 磁力特性對磁體結構設計的影響

磁場力是實現磁壓榨的基礎，在同一磁性材料下，磁場強度與磁體大小和充磁方向密切相關。以圓柱狀磁體為例，當底面積一定時，磁體中心的磁場強度與磁體的高度成正相關，其變化規律如圖1a所示，磁場強度隨著磁體高度增加成非線性增加。但是在設計磁體時，我們不可能為了追求更大的磁場強度而無限制增加磁體的高度，因為從磁場強度曲線可以看出，當磁體高度增加到一定程度后，磁場強度的增加趨于平緩，說明磁體高度達到一個拐點后，隨著高度的增加，磁場強度增加并不顯著。而這個拐點就是我們磁體高度設計時的磁力學最優值。

在磁壓榨過程中，組織承受的磁體壓力與磁體間的距離密切相關，且磁體間磁力與磁體間距成平方反比關系，如圖1b所示。因此，在設計磁體時，尤其是在設計用于治療膽道狹窄和食管閉鎖（狹窄）的磁體時要充分考慮到狹窄段或閉鎖段的距離，設計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程為：壓榨組織缺血-壞死-脫落，壓榨旁組織粘連-修復-愈合[2]。二者之間應處于相對均衡狀態，當前者發生速度遠快于后者時，可出現吻合口漏；當后者發生速度遠快于前者時則容易出現磁體脫出困難及吻合口狹窄。我們在前期的磁壓榨膽腸吻合動物實驗中探討了其最適壓強為0.2～0.3 MPa[22]。磁力過大、過小都將對吻合產生不利影響，因此磁體設計時必須選取合適的磁力范圍。

圖1 磁力學基本特性

3 手術方式對磁體結構設計的影響

MCT在臨床應用過程中常與內鏡技術、腔鏡技術、介入技術等聯合，不同的手術方式對磁體的結構設計要求也存在著差異性。

當MCT聯合其他技術時，往往需要有與磁體配套的輔助操作裝置協助完成磁體的置入過程。內鏡及介入操作下，一般要借助導絲、導管來輔助磁體置入，因此磁體在設計中常會留有引導孔。引導孔的設計根據具體應用環境不同，可沿軸向也可為徑向。磁體引導孔設計方案對磁體精加工技術要求比較高，且當磁體本身體積較小時，引導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，不利于壓榨過程的實施，所以又出現了各種各樣的尾掛結構，以方便內鏡下操作（圖2）。

4 功能需求對磁體結構設計的影響

磁壓榨技術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間不同，因此在壓榨吻合完成前磁體是否承擔其他功能也是磁體結構設計中應該考慮的重要因素。當磁體在完成壓榨吻合前就需要承擔通道引流作用時，磁體常需帶孔設計，大多為圓環狀結構設計，如磁壓榨膽腸吻合[23]、磁壓榨血管側側吻合[24]、磁壓榨胃造瘺術[25-26]、磁壓榨腸端端吻合[27]的磁體即如此。當完成這些部位的吻合時，空腔器官的連續性必須維持，否則在壓榨吻合建立前，空腔器官處于梗阻狀態，會引起嚴重梗阻并發癥。但是，同樣是空腔臟器吻合，如完成旁路手術時則可考慮非引流孔設計方案[28]。如當PTBP聯合ERCP路徑完成膽道狹窄疏通時，因PTBD引流管的存在可對膽汁起到外引流作用，因此可采用非引流孔設計方案。

圖2 MCT中常用的尾掛結構（箭頭所指）

5 外環境對磁體結構設計的影響

磁體外環境對體內磁體的影響主要表現在兩個方面：

第一，機體的理、化、生因素對磁體的腐蝕作用。對于中、短期留置的磁體，通過各種表面改性技術即可滿足防腐蝕需求，而對于需要長期留置的磁體常規的表面改性技術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[29]。因此，在磁體設計時要考慮磁體防腐蝕需求和各種表面改性技術的特點。

第二，磁場間相互作用力的影響。當機體內存在多個磁體且相互距離較近時，磁體間會產生相互作用的磁場力，可發生“非計劃相吸”，引起吻合口扭曲、移位或內瘺形成，最終可導致手術失敗。對此，可采用磁屏蔽技術，通過在磁體非吸合面加載高導磁率的金屬殼，將非吸合面的磁力線引導至吸合面，可以有效地防止多個磁體近距離時的非計劃相吸[30]。當加載磁屏蔽殼時，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磁力的衰減，如何科學設計磁屏蔽殼的厚度、氣隙的大小、磁體的大小這三個參數，使其既能滿足對磁力的需要，又能達到有效的屏蔽作用，需要在設計時充分考慮。

6 磁體設計的基本原則

在回顧分析了MCT中磁體的設計現狀及磁體設計的影響因素后，我們在國內外首次提出了MCT中磁體設計應該遵循的原則——“西安原則”：

（1）功能性原則。磁體設計時要充分考慮臨床應用的目的和所要實現的功能，要絕對避免設計的磁體不能完成預期的功能。

（2）可加工性原則。永磁體有其自身的材料學特性，要充分考慮永磁材料的硬度、脆性、韌性等特點，設計磁體時要考慮采用何種加工工藝，是否具備可行性，要避免設計的磁體結構超出現有的加工水平。

（3）可操作性原則。MCT在處理復雜性外科疾病中有獨特優勢，尤其是與內鏡技術、腔鏡技術和介入技術相結合能夠實現超微創化診療，但即使是同一患者，所要采用的手術操作路徑不同，對磁體的結構要求就存在很大差異，所以在設計磁體結構時必須與操作路徑相結合。

（4）風險最小化原則。壓榨磁體植入人體后在完成其功能的同時也會帶來其他相關并發癥和副作用的風險，磁體設計時要盡量將磁體可能帶來的并發癥和副作用風險降至最低。

（5）符合磁力學基本規律的原則。磁體設計者應該具備磁力學的基本知識，掌握基本形狀磁體的磁力線大致分布特點，了解磁屏蔽原理，知曉磁力-距離變化曲線等知識，并將其用于磁體結構設計中來。