面向单孔腹腔镜手术应用的水平式微型磁锚定腹腔镜的设计

董鼎辉，朱皓阳，马涛，王越，陈环，向俊西，吴荣谦，吕毅

西安交通大学第一附属医院 a. 肝胆外科；b. 精准外科与再生医学国家地方联合工程中心，陕西 西安 710061

引言

单孔腹腔镜技术（Laparo-Endoscopic Single Site Surgery，LESS） 是 当 前 微 创 外 科（Minimally Invasive Surgery，MIS）发展的重要方向，其通过身体隐蔽部位的单个切口完成腹腔镜手术[1]。由于术中所有器械同时占用唯一的戳卡空间，当前LESS 的主要问题表现在操作性与微创性两个方面：① 器械相互干扰，难以形成操作三角；② 戳卡直径需30 mm 左右，明显大于传统腹腔镜戳卡[2]。因此，如能创新器械的术中定位方式，减少唯一戳卡内的器械数目，则将显著改善LESS 的操作性与微创性短板。

磁体之间通过“场”的形式相互作用，两个磁体相距一定距离即可产生力的作用，换言之，当两个磁体分别位于密闭空间内外时，两者可不经过直接接触即能吸附在一起，在相互吸力的作用下，位于密闭空间外的磁体的位置改变能够拖动位于密闭空间内的磁体的位置改变[3-7]。将磁体的这种磁锚定特性应用于腔镜器械中，在腹腔外磁体的作用下，具有内磁体的腔镜器械在使用过程中可不依赖戳卡进行腹腔内的定位与导航，不占用戳卡空间。因此，依赖于磁锚定定位方式的磁锚定腔镜器械有望减少LESS 术中唯一戳卡内的器械数目，解决当前LESS 手术面临的操作性与微创性难题。经过多年发展，已有磁锚定腔镜器械获得FDA 批准上市，标志着这项技术逐步走向成熟[8]。

结合临床工作实际，LESS 器械中视频器械体积相对大、操作要求简单，如其术中不占用戳卡空间则其余器械在10 mm 戳卡中即可形成良好的操作三角且不影响手术的安全性。因此，磁锚定视频器械是改善LESS 的操作性与微创性短板最有效的方法之一。故本研究旨在研制一款非电机驱动、基于有线设计的水平式微型磁锚定腹腔镜，其具有体积小、质量轻、设计巧妙等特点，可减少切口大小，同时提高磁锚定运动安全性与应用范围，更符合临床应用需求。

1 设计思路

针对当前磁锚定视频器械在微创性方面的不足，水平式微型磁锚定腹腔镜的整体设计目标为：① 直径＜12 mm，可通过12 mm 传统腔镜戳卡；② 能够实现非电机驱动的30°倾角；③ 能够实现视场变换。为实现上述目标，在水平式微型磁锚定腹腔镜的设计过程中进行了针对性处理。在体积方面：① 舍弃电机驱动自由度，避免了电机、控制器以及相应传动机构的应用；② 舍弃“无缆”设计，将磁锚定视频器械中原有的无线通信模块及电池模块外置于可固定于床旁的小型体外工作站，简化结构使水平式微型磁锚定腹腔镜的直径可控制在12 mm 以内。在功能方面：打破以往内磁体对称式的设计，使内磁体由锚定磁体与导向磁体构成，并以此为基础构建“悬垂法”，利用锚定磁体与导向磁体的磁力、重力对水平式微型磁锚定腹腔镜的作用使摄像模块实现非电机驱动的30°倾角，并使其实现视场变换，保证了水平式微型磁锚定腹腔镜的应用效果，避免了电机驱动自由度的引入。

2 基本结构

水平式微型磁锚定腹腔镜由壳体、水平式视频组块、定向磁体、锚定磁体、数据线及接口组成（图1）。壳体主体选用圆柱状套管，体积为Φ7 mm×30 mm，壳体内放置摄像模块与LED 光源，壳体外固定定向磁体。水平式摄像模块与LED 光源构成水平式微型磁锚定腹腔镜的视频组件。水平式摄像模块选用水平式微型CMOS 摄像模块，其CMOS 摄像头与电路板呈垂直分布；LED 光源选用贴片式LED 灯，共6 个，呈放射状均匀分布于水平式摄像模块四周。水平式摄像模块末端为数据线，通过数据线末端的接口与体外工作站相连，实现水平式微型磁锚定腹腔镜的图像传输与供能。近水平式摄像模块的数据线上固定有锚定磁体，因数据线为软线，通过加厚锚定磁体与水平式摄像模块之间数据线的热缩厚度使其具有所需要的刚性。锚定磁体与定向磁体构成水平式微型磁锚定腹腔镜的运动组件，基于二者构造的“悬垂法”不仅可使水平式摄像模块实现非电机驱动的30°倾角，还可使其实现视场变换。

为实现水平式微型磁锚定腹腔镜的功能，还设计了相应的体外支持系统。水平式微型磁锚定腹腔镜的体外支持系统包括体外磁锚定单元、体外工作站以及图像输出端构成。其中，体外磁锚定单元与水平式微型磁锚定腹腔镜的定向磁体、锚定磁体配合实现“悬垂法”构想；体外控制台与水平式微型磁锚定腹腔镜相连，为其供能，并将其采集的图像以无线方式传输给图像输出端；图像输出端实现水平式微型磁锚定腹腔镜所采集图像信息的输出，并可根据需要保存相应的视频、图片资料。“悬垂法”工作过程原理图，见图2。

图1 水平式微型磁锚定腹腔镜设计图

图2 “悬垂法”原理图

3 工作过程

3.1 锚定状态

体外磁锚定单元的两个外磁体同时作用于水平式微型磁锚定腹腔镜的锚定磁体和定向磁体，此时水平式微型磁锚定腹腔镜被吸附于腹壁上，在体外磁锚定单元的作用下，水平式微型磁锚定腹腔镜可在腹腔内完成平移、旋转运动，到达目标位置完成视场变换。

3.2 工作状态

到达目标位置后，移去体外磁锚定单元中与定向磁体作用的外磁体（两个外磁体外部的支架环结构可实现二者的结合与分离），此时水平式微型磁锚定腹腔镜中仅有锚定磁体受体外磁锚定单元的磁力作用，由于锚定磁体与微型磁锚定腹腔镜头端之间的连接机构（即数据线）为非完全刚性结构，在微型磁锚定腹腔镜头端所产生的重力作用下，可使水平式微型磁锚定腹腔镜产生一个近30°的倾角，从而获得目标视野。

4 应用效果

水平式微型磁锚定腹腔镜及其体外支持系统试验样件，在体内外进行了相关实验验证。体外及大动物实验表明：水平式微型磁锚定腹腔镜可通过12 mm 传统腹腔镜戳卡进入腹腔内，并被体外磁锚定单元定位于腹壁上；到达目标位置后，通过“悬垂法”能够使其获得30°倾角，从而采集到目标术野图像；工作状态下，通过两个外磁体重新组合，水平式微型磁锚定腹腔镜可恢复至水平状态，继而操纵体外磁锚定单元可使其到达新的目标位置，随后利用“悬垂法”，其能够采集到新的目标术野图像，实现术野的改变；在水平式微型磁锚定腹腔镜的引导下，腹腔镜抓钳可实现牵拉胆囊操作，并共用一个戳卡；操作结束后，撤去体外磁锚定单元，回拉数据线，可轻松将水平式微型磁锚定腹腔镜经戳卡取出体外。体内外试用结果表明水平式微型磁锚定腹腔镜能满足临床操作。水平式微型磁锚定腹腔镜行腹腔探查术应用图，见图3。

图3 水平式微型磁锚定腹腔镜行腹腔探查术

5 讨论

磁锚定腔镜器械的探索最早见于Park 等[9]的研究，该团队分别利用所研发的磁锚定抓钳与磁锚定腹腔镜在实验猪上完成了两例减戳卡腹腔镜肾切除术，术中在外磁体的控制下，磁锚定手术器械可不占用戳卡空间实现腹腔内自由定位。伴随着LESS 技术的出现，磁锚定腔镜器械具有了更好的应用土壤。当前磁锚定腔镜器械的研究涵盖LESS操作器械的各个方面，包括磁锚定牵拉器械[10-12]、磁锚定烧灼器械[13-14]以及磁锚定视频器械[15-17]。其中，磁锚定视频器械的研究前景最被研究者所看好。

当前应用于LESS 手术的磁锚定视频器械分为两类：一类是磁锚定视频机器人[18-19]；另一类是磁锚定腹腔镜[15,17,20]。二者的区别在于：前者以微型机器人技术为基础，结构中存在电机驱动自由度；后者不具备上述特征。磁锚定视频机器人的优势在于智能化；磁锚定腹腔镜的优势在于微型化。既往国外磁锚定视频器械研究的主流是“机器人”式装置[15,20-21]，国内相关研究也紧随其后[22-23]。与国外研究相比，国内类似研究在体积、运动机构设计等方面已迎头赶上。但此类磁锚定视频器械的不足之处在于其电机驱动及无线控制设计使得磁锚定视频器械体积相对庞大（直径25 mm 左右），不能有效减小戳卡直径，微创性不足；此外，其质量较大，运动安全性较差。伴随着人们对LESS 手术理解的不断深入，磁锚定腹腔镜的研究逐渐受到重视。目前，国外研制的磁锚定腹腔镜直径可在15 mm 以内[15,20]，国内前期研制的磁锚定腹腔镜直径可至12 mm[17]，但均无法实现非电机驱动运动自由度。与以往国内外研究相比，本研究所制磁锚定腹腔镜不仅体积小，而且利用磁体作用特点实现非电机驱动运动自由度。

本研究设计了一种面向LESS 手术应用的水平式微型磁锚定腹腔镜，其具体优势在于：① 可顺利通过12 mm 传统腔镜戳卡进入腹腔内，有助于LESS 手术微创性的提高；② 通过与体外磁锚定单元配合，可实现腹腔内的锚定、导航运动，同时利用“悬垂法”可实现非电机驱动的30°倾角，获得目标视场，设计轻便、巧妙。该装置的推广应用对提高当前LESS 手术的微创性及操作性有重要意义。