面向單孔腹腔鏡手術應用的水平式微型磁錨定腹腔鏡的設計

董鼎輝，朱皓陽，馬濤，王越，陳環，向俊西，吳榮謙，呂毅

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中心，陜西 西安 710061

引言

單孔腹腔鏡技術（Laparo-Endoscopic Single Site Surgery，LESS） 是 當 前 微 創 外 科（Minimally Invasive Surgery，MIS）發展的重要方向，其通過身體隱蔽部位的單個切口完成腹腔鏡手術[1]。由于術中所有器械同時占用唯一的戳卡空間，當前LESS 的主要問題表現在操作性與微創性兩個方面：① 器械相互干擾，難以形成操作三角；② 戳卡直徑需30 mm 左右，明顯大于傳統腹腔鏡戳卡[2]。因此，如能創新器械的術中定位方式，減少唯一戳卡內的器械數目，則將顯著改善LESS 的操作性與微創性短板。

磁體之間通過“場”的形式相互作用，兩個磁體相距一定距離即可產生力的作用，換言之，當兩個磁體分別位于密閉空間內外時，兩者可不經過直接接觸即能吸附在一起，在相互吸力的作用下，位于密閉空間外的磁體的位置改變能夠拖動位于密閉空間內的磁體的位置改變[3-7]。將磁體的這種磁錨定特性應用于腔鏡器械中，在腹腔外磁體的作用下，具有內磁體的腔鏡器械在使用過程中可不依賴戳卡進行腹腔內的定位與導航，不占用戳卡空間。因此，依賴于磁錨定定位方式的磁錨定腔鏡器械有望減少LESS 術中唯一戳卡內的器械數目，解決當前LESS 手術面臨的操作性與微創性難題。經過多年發展，已有磁錨定腔鏡器械獲得FDA 批準上市，標志著這項技術逐步走向成熟[8]。

結合臨床工作實際，LESS 器械中視頻器械體積相對大、操作要求簡單，如其術中不占用戳卡空間則其余器械在10 mm 戳卡中即可形成良好的操作三角且不影響手術的安全性。因此，磁錨定視頻器械是改善LESS 的操作性與微創性短板最有效的方法之一。故本研究旨在研制一款非電機驅動、基于有線設計的水平式微型磁錨定腹腔鏡，其具有體積小、質量輕、設計巧妙等特點，可減少切口大小，同時提高磁錨定運動安全性與應用范圍，更符合臨床應用需求。

1 設計思路

針對當前磁錨定視頻器械在微創性方面的不足，水平式微型磁錨定腹腔鏡的整體設計目標為：① 直徑＜12 mm，可通過12 mm 傳統腔鏡戳卡；② 能夠實現非電機驅動的30°傾角；③ 能夠實現視場變換。為實現上述目標，在水平式微型磁錨定腹腔鏡的設計過程中進行了針對性處理。在體積方面：① 舍棄電機驅動自由度，避免了電機、控制器以及相應傳動機構的應用；② 舍棄“無纜”設計，將磁錨定視頻器械中原有的無線通信模塊及電池模塊外置于可固定于床旁的小型體外工作站，簡化結構使水平式微型磁錨定腹腔鏡的直徑可控制在12 mm 以內。在功能方面：打破以往內磁體對稱式的設計，使內磁體由錨定磁體與導向磁體構成，并以此為基礎構建“懸垂法”，利用錨定磁體與導向磁體的磁力、重力對水平式微型磁錨定腹腔鏡的作用使攝像模塊實現非電機驅動的30°傾角，并使其實現視場變換，保證了水平式微型磁錨定腹腔鏡的應用效果，避免了電機驅動自由度的引入。

2 基本結構

水平式微型磁錨定腹腔鏡由殼體、水平式視頻組塊、定向磁體、錨定磁體、數據線及接口組成（圖1）。殼體主體選用圓柱狀套管，體積為Φ7 mm×30 mm，殼體內放置攝像模塊與LED 光源，殼體外固定定向磁體。水平式攝像模塊與LED 光源構成水平式微型磁錨定腹腔鏡的視頻組件。水平式攝像模塊選用水平式微型CMOS 攝像模塊，其CMOS 攝像頭與電路板呈垂直分布；LED 光源選用貼片式LED 燈，共6 個，呈放射狀均勻分布于水平式攝像模塊四周。水平式攝像模塊末端為數據線，通過數據線末端的接口與體外工作站相連，實現水平式微型磁錨定腹腔鏡的圖像傳輸與供能。近水平式攝像模塊的數據線上固定有錨定磁體，因數據線為軟線，通過加厚錨定磁體與水平式攝像模塊之間數據線的熱縮厚度使其具有所需要的剛性。錨定磁體與定向磁體構成水平式微型磁錨定腹腔鏡的運動組件，基于二者構造的“懸垂法”不僅可使水平式攝像模塊實現非電機驅動的30°傾角，還可使其實現視場變換。

為實現水平式微型磁錨定腹腔鏡的功能，還設計了相應的體外支持系統。水平式微型磁錨定腹腔鏡的體外支持系統包括體外磁錨定單元、體外工作站以及圖像輸出端構成。其中，體外磁錨定單元與水平式微型磁錨定腹腔鏡的定向磁體、錨定磁體配合實現“懸垂法”構想；體外控制臺與水平式微型磁錨定腹腔鏡相連，為其供能，并將其采集的圖像以無線方式傳輸給圖像輸出端；圖像輸出端實現水平式微型磁錨定腹腔鏡所采集圖像信息的輸出，并可根據需要保存相應的視頻、圖片資料。“懸垂法”工作過程原理圖，見圖2。

圖1 水平式微型磁錨定腹腔鏡設計圖

圖2 “懸垂法”原理圖

3 工作過程

3.1 錨定狀態

體外磁錨定單元的兩個外磁體同時作用于水平式微型磁錨定腹腔鏡的錨定磁體和定向磁體，此時水平式微型磁錨定腹腔鏡被吸附于腹壁上，在體外磁錨定單元的作用下，水平式微型磁錨定腹腔鏡可在腹腔內完成平移、旋轉運動，到達目標位置完成視場變換。

3.2 工作狀態

到達目標位置后，移去體外磁錨定單元中與定向磁體作用的外磁體（兩個外磁體外部的支架環結構可實現二者的結合與分離），此時水平式微型磁錨定腹腔鏡中僅有錨定磁體受體外磁錨定單元的磁力作用，由于錨定磁體與微型磁錨定腹腔鏡頭端之間的連接機構（即數據線）為非完全剛性結構，在微型磁錨定腹腔鏡頭端所產生的重力作用下，可使水平式微型磁錨定腹腔鏡產生一個近30°的傾角，從而獲得目標視野。

4 應用效果

水平式微型磁錨定腹腔鏡及其體外支持系統試驗樣件，在體內外進行了相關實驗驗證。體外及大動物實驗表明：水平式微型磁錨定腹腔鏡可通過12 mm 傳統腹腔鏡戳卡進入腹腔內，并被體外磁錨定單元定位于腹壁上；到達目標位置后，通過“懸垂法”能夠使其獲得30°傾角，從而采集到目標術野圖像；工作狀態下，通過兩個外磁體重新組合，水平式微型磁錨定腹腔鏡可恢復至水平狀態，繼而操縱體外磁錨定單元可使其到達新的目標位置，隨后利用“懸垂法”，其能夠采集到新的目標術野圖像，實現術野的改變；在水平式微型磁錨定腹腔鏡的引導下，腹腔鏡抓鉗可實現牽拉膽囊操作，并共用一個戳卡；操作結束后，撤去體外磁錨定單元，回拉數據線，可輕松將水平式微型磁錨定腹腔鏡經戳卡取出體外。體內外試用結果表明水平式微型磁錨定腹腔鏡能滿足臨床操作。水平式微型磁錨定腹腔鏡行腹腔探查術應用圖，見圖3。

圖3 水平式微型磁錨定腹腔鏡行腹腔探查術

5 討論

磁錨定腔鏡器械的探索最早見于Park 等[9]的研究，該團隊分別利用所研發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，術中在外磁體的控制下，磁錨定手術器械可不占用戳卡空間實現腹腔內自由定位。伴隨著LESS 技術的出現，磁錨定腔鏡器械具有了更好的應用土壤。當前磁錨定腔鏡器械的研究涵蓋LESS操作器械的各個方面，包括磁錨定牽拉器械[10-12]、磁錨定燒灼器械[13-14]以及磁錨定視頻器械[15-17]。其中，磁錨定視頻器械的研究前景最被研究者所看好。

當前應用于LESS 手術的磁錨定視頻器械分為兩類：一類是磁錨定視頻機器人[18-19]；另一類是磁錨定腹腔鏡[15,17,20]。二者的區別在于：前者以微型機器人技術為基礎，結構中存在電機驅動自由度；后者不具備上述特征。磁錨定視頻機器人的優勢在于智能化；磁錨定腹腔鏡的優勢在于微型化。既往國外磁錨定視頻器械研究的主流是“機器人”式裝置[15,20-21]，國內相關研究也緊隨其后[22-23]。與國外研究相比，國內類似研究在體積、運動機構設計等方面已迎頭趕上。但此類磁錨定視頻器械的不足之處在于其電機驅動及無線控制設計使得磁錨定視頻器械體積相對龐大（直徑25 mm 左右），不能有效減小戳卡直徑，微創性不足；此外，其質量較大，運動安全性較差。伴隨著人們對LESS 手術理解的不斷深入，磁錨定腹腔鏡的研究逐漸受到重視。目前，國外研制的磁錨定腹腔鏡直徑可在15 mm 以內[15,20]，國內前期研制的磁錨定腹腔鏡直徑可至12 mm[17]，但均無法實現非電機驅動運動自由度。與以往國內外研究相比，本研究所制磁錨定腹腔鏡不僅體積小，而且利用磁體作用特點實現非電機驅動運動自由度。

本研究設計了一種面向LESS 手術應用的水平式微型磁錨定腹腔鏡，其具體優勢在于：① 可順利通過12 mm 傳統腔鏡戳卡進入腹腔內，有助于LESS 手術微創性的提高；② 通過與體外磁錨定單元配合，可實現腹腔內的錨定、導航運動，同時利用“懸垂法”可實現非電機驅動的30°傾角，獲得目標視場，設計輕便、巧妙。該裝置的推廣應用對提高當前LESS 手術的微創性及操作性有重要意義。