磁锚定肺结节定位装置的研制

崔晓海 ，慕凡 ，覃亚周，王皓东，刘大鹏，付军科，吕毅

1 西安交通大学第一附属医院，西安市，710061

2 精准外科与再生医学国家地方联合工程研究中心，西安市，710061

0 引言

肺癌是目前发病率及病死率最高的恶性肿瘤[1-2]，多数患者因在确诊时已处于中晚期，错失了手术时机，5年生存率在4%至17%之间[3]。而随着影像学技术手段的不断发展，高分辨率CT的应用使多数肺癌在CT图像中以肺结节的形式得以表现，更多的肺癌能在早期被发现，肺结节的诊断也随之增加。肺结节的性质虽尚不能完全依靠影像学特征下定论，但已有研究发现，结节的性质与其大小及密度等相关，结节增大，其为恶性肿瘤的概率随之升高[4]，其中磨玻璃结节与腺癌具有高度相关性[5]，而腺癌也已成为最常见的肺癌类型。根据有无浸润可将腺癌分为以下四种病理类型：非典型腺瘤样增生（atypical adenomatoushyperplasia，AAH）、原位腺癌（adenocarcinomain situ，AIS）、微浸润腺癌（minimally invasiveadenocarcinoma，MIA）和浸润性腺癌（invasiveadenocarcinoma，IAC）[6]。依据影像学特征，磨玻璃结节又可分为纯磨玻璃结节及混合磨玻璃结节，纯磨玻璃结节的病理类型多对应为AIS、AAH或 MIA，极少数也可表现为IAC。而在混合磨玻璃结节中，若实性成分直径＜5 mm，病理类型多为 MIA；若实性成分直径＞5 mm，往往提示存在 IAC可能[7]。所以，肺结节的早期切除显得尤为重要。

胸腔镜技术作为当下肺结节诊疗的主要技术手段，具有创伤小、恢复快、手术并发症少的优势[8]，被广泛应用于临床[9]。但对于胸膜下深度超过5 mm，直径小于10 mm的肺结节，尤其是纯磨玻璃结节，在胸腔镜术中无法通过视觉、手指触诊或手术器械滑动等常规方式准确定位，可能致使手术时间延长、正常肺组织切除过多等，继而影响手术的疗效，增加术后并发症，也不利于患者的恢复，更增加了中转开胸的可能性[10]，偏离了采用胸腔镜手术的根本出发点。为了优化胸腔镜在肺结节切除上的应用，近年来临床上探索出一系列的肺结节定位技术，主要分为以下三类：①穿刺定位技术，如带勾金属丝肺结节定位法，微弹簧圈定位法、碘油定位法、亚甲蓝定位法、医用胶定位法等。其中使用最为广泛的带勾金属丝肺结节定位法（Hook-wire）自1992年开始首次应用于临床，取得了一定的效果[11-12]，但由于定位钢丝可能发生位移或脱落，肺血管损伤发生率高达4%～22%[13]，还会出现局部出血、肿瘤经针道转移等不良事件[14]，且对于深度大于 1cm的结节定位失败率明显升高[15]。②影像介导的定位技术，包括3D重建定位法、术中超声定位法、红外成像定位[16]，但其定位结果依赖于影像技术及从业医师的水平，同时难以直观显示部位的特点，使得这一定位技术在实际应用中难以指导术中操作。③其他定位技术，如电磁导航支气管镜定位法[17]，因其价格昂贵，绝大多数医院尚未引进。

因此，如何对肺结节尤其是小而深的磨玻璃结节进行快速、简便、廉价、精准的术前定位，协助术中准确切除病灶，减少中转开胸的概率，仍是胸外科医生密切关注的问题。

1 设计思路

磁力作为一种特殊形式的场力，其最大的特点是磁体间无需直接接触便可产生相互作用力。磁锚定技术（magnetic anchor technique,MAT）便是基于这一特点，利用磁体与磁体或磁体与顺磁性物质之间的磁场吸引力，使锚定磁体对靶磁体进行非接触性空间锚定的一种定位技术。磁锚定技术具有着精确制导、操作简便、易于定位的特性，已应用于腹腔镜胆囊切除、消化镜黏膜内肿瘤切除等外科操作中[18-19]。而肺叶具有含气性的组织学特点，磁力作用更强，因此磁锚定技术在胸外科有着更广阔的应用空间，这在本中心先前的研究中已得到证实[20]，同时结合对磁性材料的研究，我们提出了将磁锚定技术运用于肺结节定位的理念，利用磁锚定肺结节定位装置，构建了一种新型肺小结节准确定位技术：在CT引导下将靶磁体置入肺结节旁的肺组织中，由于两靶磁体的相互吸引，靶磁体在肺内得以固定并对抗呼吸等因素对标志物位置的影响，同时在围手术期固定于目标结节附近。在胸腔镜手术中，通过锚定磁体与靶磁体的相互吸引，从而达到定位目标结节的目的，原理如图1所示。

图1 磁锚定肺结节定位装置工作模式图Fig.1 The working model diagram of the magnetic anchoring lung nodule positioning device

这一设计，不仅可以减轻对胸膜的刺激，还能避免标志物的位移，而且对于胸外科医师而言，更省去了以往与定位标志物直接交互及反复触摸结节部位的手术步骤，实现肺结节精准定位和快速手术去除，缩短了复杂的培训周期，对治疗肺结节患者具有重要意义。

2 基本结构

本系统包括磁体、同轴穿刺针和穿刺导航模板三大部分。

2.1 磁体

靶磁体（见图2）主要采用钕铁硼材料。作为第三代永磁材料，钕铁硼的高磁能级使得在有限的体积下能与靶磁体获得最大的磁力，同时因其价格适宜、组织相容性好，因而被广泛应用于医学中，且大部分钕铁硼产品均已商业化。但由于钕铁硼耐腐蚀能力差，故磁体表面采用氮化钛涂层技术并采用电镀工艺进行表面处理。靶磁体高度为5 mm，外径分别有1.0 mm和1.2 mm两种规格，充磁方向径均为径向充磁以实现径向吸引，避免肺内移位，从而有效定位目标。

锚定磁体（见图2）钕铁硼材料，设计高度20 mm，孔径5 mm，外径15 mm，采用与靶磁体充磁方向一致的径向充磁，从而在胸腔镜手术中与靶磁体相互吸引，其中间孔道利于手术过程中夹持。

图2 靶磁体及锚定磁体示意图（已示充磁方向）Fig.2 Schematic diagram of target magnet and anchor magnet

2.2 同轴穿刺针（见图3）

采用非顺磁材料如铜或钛合金制穿刺针，针套长度150 mm，表面带有刻度，针芯长度161 mm。共设计17G及16G两种规格：17G，外径1.4 mm，内径1.2 mm；16G，外径1.6 mm，内径1.4 mm；分别配套外径为1.0 mm和1.2 mm的两种规格靶磁体。

图3 17G非顺磁材料同轴穿刺针模型Fig.3 Schematic diagram of 17G non-paramagnetic coaxial needle

2.3 穿刺导航模板（见图4）

由定位板及导航孔组成，导航孔位于定位板一面并凸出于定位板，高度约10 mm，间距5 mm，内径分1.5 mm及1.7 mm两种，分别配套16 G及17G两种同轴穿刺针。CT引导下确定穿刺点后，两支穿刺针沿导航孔穿入即可保持两针间的平行状态。经穿刺针置入靶磁体后，两磁体可相互吸引并夹住靶磁体之间的肺组织，减少在肺内的移位。

图4 穿刺导航模板模型Fig.4 Schematic diagram of puncture guide plate

3 工作过程

根据之前CT所示患者结节位置决定体位，先行局部CT平扫，确定肺结节位置及穿刺点；测量进针深度及角度，常规消毒铺巾；5%利多卡因麻醉满意，将定位板固定于穿刺点，两根非顺磁同轴穿刺针沿导航孔平行穿刺进入结节周围1 cm范围内（注意避免直接穿刺入结节，穿刺针应适当超过结节深度，一般不超过1 cm以免阻挡直线切割路径）；再次扫描CT；确定同轴针尖位置合适，抽出针芯，迅速将靶磁体置入两根穿刺针内；后分别置入针芯；将靶磁体推入肺组织内，拔除同轴穿刺针；再次扫描CT观察靶磁体位置及出血、气胸等并发症的发生情况。无菌敷贴覆盖穿刺点后送手术室。手术中置入胸腔镜，观察胸腔内有无血胸、肺不张等穿刺并发症。进胸后卵圆钳夹持锚定磁体于肺表面轻轻滑动，肺膜表面被吸引抬高处即为靶磁体位置，亦即是肺结节模型所在位置。血管钳夹持后，楔形切除肺叶。对楔形切除后的肺组织进行解剖，寻找肺结节及靶磁体位置，报送病理结果以指导后续操作。

4 预实验

为验证本装置的临床表现，特别是穿刺置入术对肺组织的损伤及靶磁体在肺内的移位情况，我们在比格犬上进行了动物实验，犬重10 kg，使用3 %戊巴比妥钠1 mL/kg经下肢大隐静脉注射静脉麻醉。靶磁体置入术后，于术后第2天再次复查胸片，可见靶磁体均相互紧密吸引，与手术当日所示靶磁体位置变化亦不明显（见图5）。术后未出现明显出血及气胸样X线改变。对实验动物行肺叶楔形切除术后，经解剖发现，穿刺处肺膜肉眼可见直径约5 mm圆形渗出样改变，无明显胸腔及肺组织内出血。两支靶磁体紧密相互吸引，并可夹紧其间的肺组织，靶磁体即可随肺的呼吸运动而运动，但又不会在肺内移动而产生相对或绝对位移（见图6）。

图5 置入靶磁体后胸片Fig.5 X-ray after target magnet implantation

本锚定技术主要实现以下目标：

（1）由于结节旁两块靶磁体间相互的作用力，定位标记物发生脱落、移位、游走的概率降低。镀膜钕铁硼性质稳定，且置于结节周围1 cm的肺组织内，降低了异物对胸膜的刺激，减轻相应不适感及并发症，同时避免标志物与结节的直接接触，防止影响术中病理判断。

（2）延长CT定位后至手术前的窗口时间，便于根据具体情况转运患者，予以其他支持治疗手段；通过辅助胸腔镜手术中寻找并处理结节的操作，明显缩短手术时间。

（3）操作简便，不依赖于专门的技术操作人员，不必较长的学习曲线，运用现有技术即可完成，易于操作控制，有利于临床推广。磁体、定位板等经消毒后仍可再次使用，减轻了高昂的诊断及手术费用负担。

图6 靶磁体之间被夹住的肺组织（箭头所示即为靶磁体）Fig.6 The lung tissue between target magnets

5 结语

肺结节尤其是胸膜下纯磨玻璃结节治疗的关键在于肺结节的定位，寻求一种安全稳定准确的定位技术是影响肺磨玻璃结节手术疗效的最主要因素，尤其是对于深度大于10 mm的磨玻璃结节，对定位技术的需求更高。便捷准确地切除病灶并根据病理检查的结果选定下一步术式，如肺叶楔形切除、肺段切除、肺叶切除。通过我们设计的磁锚定肺结节定位装置进行定位，不但可以降低由于呼吸运动引起的标记物移位与脱落，还能在胸腔镜手术中辅助腔镜操作从而简化术中定位过程，达到了快速完整取出肺结节的目标，缩短了手术时间，有利于术后的快速康复。最重要的是，对于其他手段难以定位的深部结节，此项装置仍能准确地指导手术操作。总之，这一装置有望在不明显影响肺结节患者健康及加重患者费用负担的情况下为临床提供一种更为安全有效的选择，成为辅助胸外科医生定位肺结节优化手术流程的一种适用广泛的新型定位装置。