磁锚定牵引技术及临床研究进展

李 艳，马 锋，王浩华，吴荣谦，吕 毅

(西安交通大学第一附属医院，陕西省再生医学与外科工程研究中心，陕西 西安，710061)

腔镜外科已成为主流的手术模式，外科医生通过Trocar置入手术器械进行可视化手术操作，代替传统开腹、开胸手术，具有减轻术后疼痛、改善美观效果、缩短恢复时间等优点。然而，切口数量取决于操作的复杂程度，一般而言，切口越多，损伤越大。为减轻手术损伤，经自然腔道内镜手术(natural orifice transluminal endoscopic surgery，NOTES)、单切口腹腔镜手术(single incision laparoscopic surgery，SILS)、单孔腹腔镜手术(laparoendoscopic single-site surgery，LESS)及单孔电视辅助胸腔镜手术(video-assisted thoracic surgery，VATS)问世，最大限度地降低了手术对体腔壁的创伤，然而人体工程学、器械冲突与缺乏操作三角成为此类仪器的最大挑战[1]。磁锚定辅助系统就是为此目的而研发的。外科磁锚定技术的定义：通过磁场可隔物发力的特点，在体表、体腔分别放置磁体，体表的磁体可对体腔的磁体起到固定、拖动等作用。腹腔镜或内窥镜将带有磁体的小夹子输送到体腔内，抓住近端磁体并耦合到患者体外的磁体。这种方法使得牵引力、反牵引力能施加在组织上，增加对手术解剖部位的显露。一旦体内磁体处于期望位置，外部磁体可保持位置相对固定，呈现内外磁体的锚定状态[2]。磁锚定技术除了用于减少腹腔镜手术切口外，现已被用于执行、促进多种微创外科手术[3]，如NOTES、SILS、介入内窥镜手术。2012年西安交通大学第一附属医院获得国家自然科学基金科学仪器项目“分散式磁锚定腹腔内微手术机器人的研制”支持，一直关注磁锚定技术优化腔镜技术的进展。现就其相关进展作一综述。

1 磁锚定系统

1.1 磁锚定系统的组成 磁锚定系统由两部分组成，包括部署在胸腔、腹腔内的磁性器械及放置在胸壁或腹壁上的手持磁铁，借助耦合联动机制通过外磁体操纵胸腔或腹膜腔内的磁性器械[4]。磁锚定系统通常带有牵开器、抓取器、烧灼器、照相机等[5]。

1.2 磁锚定系统的特点

1.2.1 提供回缩 腹部手术中，肝、胃、肠是执行牵引任务的主要器官。胆囊切除术中，需牵引肝右叶保证胆囊的充分暴露；经腹肾切除术、肾上腺切除术中，牵引肝右叶保证右肾、肾上腺的充分暴露；减肥手术、胃食管反流病手术中，需将左肝牵到指定部位；在部分或全部胰腺切除术中，需牵引胃使胰腺获得充分暴露；妇科或直肠手术中，需牵引肠管、膀胱、附件等到特定部位[6]。磁锚定系统利用磁性相互作用定位在所需部位进行组织抓取，无需其他额外动力。

1.2.2 建立操作三角 腔镜手术操作三角是通过牵引与反牵引操纵组织进行解剖与缝合的保证。用于复杂治疗时，目前的柔性内窥镜具有显著的局限性。内部通道很小，单个器械或非常接近的并行器械会限制操作三角的形成，表现为“筷子效应”[7]。在磁锚定系统中，一方面通过牵开器补偿建立操作三角；另一方面，采用两根缝合线连接到较小的磁铁上，便于从两个牵引点进行反向牵引锚定，从而产生理想的“操作三角”。

1.2.3 减少切口数量，避免器械冲突 磁锚定系统的使用可通过磁铁吸引力耦合无痕透过腹壁，代替新建切口插入器械，减轻器械冲突，可将有限的插入空间用于其他仪器。对于磁锚定系统而言，不论进入位置或接近方法如何，腹腔内的运动范围几乎是无限制的。

1.3 磁锚定系统的种类 磁锚定系统自2002年开始出现，现已研发出多种磁锚定系统。见表1。

表1 磁锚定系统

名称年代磁铁类型通路路径手术类型适应证MAG-ESD2004年电磁铁[8]、钕磁铁[9]、钛磁铁[10]等经胃内镜黏膜下剥离术胃肿瘤、结肠肿瘤[9]MAGS2007年永磁铁阴道、胃、肛门、皮肤NOTES[11]、LESS[12]、VATS[13]、经皮手术[14]、LESS[15]阑尾切除术、肾切除术、胆囊切除术等Miniature robot2009年永磁铁食管-胃NOTES胆囊切除术[16]TD-Magnet2009年钕磁铁经脐NOTES胆囊切除、腹股沟疝修补术,阑尾炎和妇科手术[17]Lightning robot2009年永磁体食管-胃机器人手术N/A[18]Transabdominal anchoring frame2011年钕N/ASILS回肠切除术[19]Magnetic Levitation System2012年钕铁硼LESS、腹腔镜胆囊切除术、前列腺切除术、减肥手术[4,20]SMA actuated magnetic frame2013年SMA食管-胃NOTESN/A[21]Electropermanent Magnetic Anchoring2015年电磁铁、永磁铁经腹内窥镜手术胃造瘘[22]Soft Retraction System2019年钕铁硼、铁磁材料N/AN/A肠收缩[6]超微创磁锚定系统2019年钕铁硼经腹LESS胆囊切除术[23-24]、阑尾切除、胸腔镜肺楔形切除术

注：N/A表示未提及

2 磁锚定系统的应用

2.1 磁锚定+腹腔镜 最早的磁锚定系统是德克萨斯大学西南医学中心的磁锚引导系统(magnetic anchoring and guidance system，MAGS)，该系统仅依赖于永磁铁耦合，没有电磁部件[2]。通过腹腔内的单个套管针主动控制腹腔内窥镜及多个工作器械。2009年Cadeddu等报道使用MAGS为1例肾功能不全患者行LESS肾切除术、为一例12岁男孩行LESS阑尾切除术，无术中并发症发生[12]。MAGS技术显著降低了工作量及外部冲突，并改善了人体工程学[25]。Choi等[26]认为，对于无LESS手术经验的外科医生而言，基于MAGS的LESS是一种可行的技术，利于克服LESS的学习曲线。Arain等比较了MAGS经皮手术器械、单孔腹腔镜及常规腹腔镜胆囊切除术，与单孔腹腔镜手术相比，MAGS经皮手术器械具有更好的操作三角，技术难度更小；与常规腹腔镜手术相比，更具美观[14]。MAGS现已成功用于经胃、经肛门、经阴道胆囊切除术、肾切除术等。

Dominguez等介绍了在磁锚定系统引导下基于LESS的胆囊切除术。使用两个钕磁铁(TD-Magnet；Tandem-Dominguez)，磁铁由特殊设计的钳子处理。借助钳子将TD磁体定位在胆囊底与漏斗上，通过相应的外部磁体操纵腹壁。程序均报告成功，未发生与使用磁铁相关的并发症。TD磁体系统也可用于单孔腹腔镜手术，如腹股沟疝修补术、阑尾炎、妇科手术[17]。

Tugwell等将永磁体与电磁技术的控制结合形成电永磁铁，必要时可关闭磁铁，实现穿过腹壁、胃壁的手术牵拉，该装置已在猪模型中成功验证。随后的研究证明，控制系统的耦合距离减轻了由于腹壁厚度的变化导致的当前磁耦合方法的缺点。通过进一步改进，可用于胃肠道的微创手术[22]。

LevitaTM磁性手术系统是第一个获得FDA批准的磁性手术系统，包括腹腔内的磁力抓取器及用于操纵腹腔内抓取器的外部磁铁，目前已被批准用于BMI为21～34 kg/m2接受腹腔镜胆囊切除术的患者[4]。Rivas发表了第一个关键试验，通过前瞻性多中心临床试验评估了LevitaTM在腹腔镜胆囊切除术中的应用。患者均成功完成手术，无器械相关严重不良事件发生，在减切口腹腔镜胆囊切除术中是安全、有效的[20]。Jeffrey探讨了LevitaTM在根治性前列腺切除术中的应用，3例前列腺癌患者接受磁锚定系统辅助根治性前列腺切除术。磁力抓取器用于操纵肠、腹膜、精囊与前列腺囊[28]。Haskins等报道了10例LESS胆囊切除术中使用LevitaTM的经验，未发生与磁体相关的围手术期不良事件。值得注意的是，1例患者进行术中胆管造影，磁铁不会干扰设备及成像[4]。Davis等探讨了在减肥手术中使用LevitaTM进行肝脏牵拉，包括袖状胃切除术(29例)、胃旁路术(24例)、十二指肠切除术(10例)及修补手术(10例)。所有手术均通过腹腔镜完成，无需额外的装置用于牵拉。磁性仪器可实现最佳显露与可视化，减少腹部切口。最近，FDA批准此装置用于减肥手术，预计未来的适应证会进一步扩大[29]。

Chun评估了Trans-abdominal anchoring frame磁锚定系统进行SILS回肠切除术的可行性与安全性。磁锚定系统在任何情况下都能获得足够暴露。观察期间，动物均存活并顺利康复，未发生并发症。磁锚定系统的SILS回肠切除术是安全、有效的，其发展利于克服SILS的限制[19]。

Salerno等于2013年提出了一种装置，可通过食管-胃途径实现NOTES，也可用于其他经胃的微创手术中。此设备使用新型形状记忆合金(shape memory alloy，SMA)致动器，该致动器的经腹套管针或经自然孔腔内镜手术端口为圆柱体。SMA执行器在体内激活，变为三角形配置，为磁耦合提供更大的区域，已在人体模型、猪体内证实[21]。

笔者团队将磁压榨技术联合磁锚定技术实施超微创胃造瘘术的动物实验[30]。自主研发磁锚定系统[24]，现已在临床中用于腹腔镜胆囊切除术、阑尾切除术、胸腔镜肺楔形切除术。

2.2 磁锚定+内镜 内镜黏膜下剥离术(endoscopic submucosal dissection，ESD)是一种先进的内窥镜手术，可在任何大小的病变中进行整块切除。与内镜下黏膜切除术相比，ESD具有更高的治愈性切除率、更低的复发率。ESD现已成为治疗早期癌症、食道、胃与结肠肿瘤的标准治疗方法。然而，在西方国家，由于学习曲线长，不良事件的高风险及执行ESD所需的时间，ESD并未得到广泛应用[31]。与常规手术、腹腔镜手术不同，ESD的缺点在于它完全通过单个内窥镜端口完成。为了克服这个问题，现已研发了多个牵引设备。与其他牵引方法相比，磁锚引导ESD具有多种优势[32]。

磁锚引导内镜黏膜下剥离术系统(magnetic anchor guidance for endoscopic submucosal dissection，MAG-ESD)的概念是由Kobayashi于2004年提出的，如果磁场得到适当的控制可产生足够的力，在ESD期间进行牵引。随后研发了磁锚系统，涉及的磁铁是电磁特而不是永磁铁，可更好地控制内部磁铁，但外部电磁铁需要小型化，以使其适应临床实践[8]。Gotoda等首次在25例患有早期胃癌的患者中进行MAG-ESD。手术均在患者处于清醒或镇静状态下进行，无穿孔或无法控制的出血[33]。Miyahara将MAG-ESD用于结肠肿瘤、胃肿瘤中，评估了使用永磁体简化MAG-ESD的可行性。磁锚定由连接到血管夹的内部稀土钕磁铁组成，可缩短胃ESD的手术时间，通过适当的反牵引保持直接可视化[9]。Aihara比较了标准ESD与MAG-ESD，在活体动物模型中模拟胃病变[10]。MAG-ESD由两个钛磁组成，带有缝合线、标准内窥镜夹。与标准ESD相比，MAG-ESD可视化效果更佳，减少了ESD的手术时间，术野暴露更充分。Matsuzaki通过前瞻性试验为50例胃病变患者施行MAG-ESD。评估了使用MAG-ESD牵引的可行性、整组切除率、完全整组切除率、准备及附加磁锚所需的时间、程序时间、不良事件。证明MAG-ESD应用于胃手术是可行的，有助于切除复杂病变[34]。

3 结 论

磁锚定系统有潜力充当外科医生的“第二双手”，使复杂的腹腔镜、内镜手术更容易执行，极大地促进微创手术的发展。然而，如果要实现临床的广泛应用，必须解决目前的几个问题。第一，磁体的耦合强度。磁力在距离上呈指数级衰减，磁力的强度会根据患者腹部厚度而变化，这主要取决于腹部脂肪的量。LevitaTM仅批准用于BMI为20～34 kg/m2的患者[4]，MAG-ESD适于腹壁最大厚度为1.5～4 cm的患者[35]。因此，磁锚定系统目前的形式不能用于肥胖患者，还需进行更多的研究，以确定磁体的耦合力、锚定仪器的重量与腹部厚度之间的适当关系。第二，一些作者指出磁场对人体组织可能产生影响[1]，如对血流产生的影响可能导致凝血，人体组织中的铁磁性异物可与磁场相互作用。因而，磁锚定技术禁止用于具有心脏起搏器、金属异物或金属矫形假肢的患者[36]。