超微創磁錨定腹腔鏡系統的研制

【作 者】董鼎輝，朱皓陽，任馮剛，徐向華，楊桓，封海波，付宜利，呂毅1 西安交通大學第一附屬醫院肝膽外科，西安市，7100612 西安交通大學先進外科技術與工程研究所，西安市，7100613 陜西省再生醫學與外科工程技術研究中心，西安市，710061 哈爾濱工業大學機器人技術與系統國家重點實驗室，哈爾濱市，150001

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超微創磁錨定腹腔鏡系統的研制

【作 者】董鼎輝1, 2, 3，朱皓陽1, 2, 3，任馮剛1, 2, 3，徐向華1, 2, 3，楊桓1, 2, 3，封海波4，付宜利4，呂毅1, 2, 3
1 西安交通大學第一附屬醫院肝膽外科，西安市，710061
2 西安交通大學先進外科技術與工程研究所，西安市，710061
3 陜西省再生醫學與外科工程技術研究中心，西安市，710061
4 哈爾濱工業大學機器人技術與系統國家重點實驗室，哈爾濱市，150001

【摘 要】該文介紹了一種超微創磁錨定腹腔鏡系統，包括體外磁性引導手柄和體內的磁錨定腹腔鏡。磁錨定腹腔鏡包括外套管、數據線、攝像頭、高色溫LED燈和兩塊內磁鐵。磁錨定腹腔鏡體積微小，可通過傳統腹腔鏡戳卡進入腹腔，通過與體外磁性引導手柄相吸實現腹腔內的定位、導航及調節視場，從而在工作狀態不占用戳卡空間。利用該系統不僅可以實現基于單個傳統腹腔鏡戳卡的單孔腹腔鏡手術，還可實現減戳卡的傳統腹腔鏡手術，增強手術微創性的同時降低手術難度，其臨床應用將優化微創技術，造福廣大患者。

【關 鍵 詞】磁錨定；腹腔鏡；微創

0　引言

隨著微創外科的蓬勃發展，傳統的腹腔鏡技術已趨于成熟且廣泛普及，但外科醫生并未停止對微創技術的探索。基于對“減少戳卡、少痛無痕”的高要求，一些新的微創技術如經臍單孔腹腔鏡手術(LESS)和經自然腔道內鏡手術(NOTES)也應運而生。然而，無論LESS還是NOTES，單孔腹腔鏡技術并未達到理想的微創效果，究其根本原因在于多個腔鏡器械從同一個戳卡置入：一方面，戳卡的直徑不得不增大，單孔腔鏡戳卡直徑在30 mm左右，而傳統腔鏡戳卡直徑僅5～10 mm； 另一方面，器械之間相互干擾，不利于操作三角的形成，操作難度大。磁以“場”的形式相互作用，兩個磁體在遠隔部位可以產生力的作用，如果將磁技術與腹腔鏡器械相結合，磁錨定腹腔鏡器械應用于單孔腹腔鏡手術中，將減少戳卡中腔鏡器械的數目，這對減少單孔腹腔鏡戳卡直徑以及提高操作性極具意義。近年來，通過研發磁錨定腹腔鏡以減少單孔腹腔鏡戳卡大小并增強其操作性成為單孔腹腔鏡技術領域一個熱點問題[1]。

圖1　磁錨定攝像頭的原理圖和實物圖Fig.1 The schematics and simulator of Magnetic anchor camera

Simi M等[2]研究的三自由度磁錨定腹腔鏡尺寸為25 mm×95 mm，除磁鐵控制的運動外，攝像頭有2個電機驅動的自由度調節視場角度（見圖1）。Terry BS等[3]研制的特別適用于肥胖病人的磁錨定腹腔鏡，除了體外磁鐵吸引固定，還設有支架環進行腹腔內定位，內部支架環可彌補因腹壁肥厚而造成的內外磁體吸力削弱，圖2為該腹腔鏡的工作狀態示意圖。除磁鐵控制的運動外，有3個電機驅動的自由度，這使得設備體積大（32 mm×29 mm×129 mm）且腹腔內靈活性差。為了減少尺寸，減輕重量，Best SL等[4]研制的少自由度磁錨定腹腔鏡，尺寸為20 mm×60 mm。圖3顯示該少自由度磁錨定腹腔鏡的CAD模型，圖4顯示該腹腔鏡在腹腔內的效果。其攝像頭為30°傾斜，除了體外磁鐵控制攝像頭運動外，攝像頭無電機驅動的自由度以調節視場角度。 Arain NA等[5]設計的無傾角攝像頭尺寸為15 mm×85 mm，需通過特殊置入裝置置入體內，也不能在體內調整視場，實用性有待驗證。為了彌補少自由度磁錨定腹腔鏡不能調整視場的缺陷，Silvestri M等[6]設計出一種內外磁鐵為圓柱狀的磁錨定腹腔鏡，其攝像頭為90°傾角，無電機驅動的自由度以調節視場角度，尺寸為17 mm×21 mm×73 mm。

圖2　磁錨定腹腔鏡工作原理圖Fig.2 The operating principle of magnetic anchor laparoscopic

圖3　少自由度磁錨定腹腔鏡的CAD模型Fig.3 CAD model of less DOF magnetic anchor laparoscopic

圖4　少自由度磁錨定腹腔鏡的體內效果Fig.4 In vivo effects of less DOF magneticanchor laparoscopy

1　設計思路

上述研究團隊都嘗試使用將磁錨定技術與腹腔鏡技術相結合以增強單孔腹腔鏡技術的微創性與操作性，但實際效果并不理想。關鍵問題在于上述工科專家的研究過度依賴電機驅動的視場調節及無線方式的視頻傳輸，這使得體內部分的直徑過大，應用于單孔腹腔鏡手術，雖然減少了器械之間的沖突、增強了操作性，但仍需使用20 mm，甚至35 mm的戳卡，使微創性并無明顯改觀。此外，由于電機的使用，體內部分的質量也較大，對于磁錨定技術而言是不小的安全隱患。事實上，單孔腹腔鏡手術的操作器械直徑不足5 mm，若磁錨定腹腔鏡直徑能控制在10 mm以內，則利用這種磁錨定腹腔鏡可進行基于單個傳統腹腔鏡戳卡的單孔腹腔鏡手術，這將大大提高當前單孔腹腔鏡手術的微創性，便于單孔腹腔鏡手術的臨床推廣應用。正是基于此，面對重重困擾，我們團隊經過早年對磁錨定技術深入地學習與探討[7]，提出了一種新型的超微創磁錨定腹腔鏡系統，其體內部分尺寸為Φ10 mm×50 mm，可通過傳統腹腔鏡12 mm戳卡，并能通過體外磁鐵控制攝像頭內雙磁鐵完成體內視場調節、有線方式進行視頻傳輸，同時高色溫LED燈保證照明質量。由于此新型磁錨定腹腔鏡照明攝像裝置體內部分可通過傳統腹腔鏡戳卡，因此將其應用于傳統腹腔鏡手術，可在不影響操作性的同時減少戳卡數目。

2　基本結構

超微創磁錨定腹腔鏡包括體外磁性引導手柄和體內的磁錨定腹腔鏡。

2.1體外磁性引導手柄

體外磁性引導手柄由兩個圓柱型外磁鐵及磁屏蔽殼構成，上端帶有把手，用于控制挪動，兩個圓柱形外磁鐵通過磁屏蔽殼實現連接與分離，磁屏蔽殼可以有效增強外磁鐵操作性(圖5)。體外磁性引導手柄的磁性吸力能克服人體腹壁厚度與體內的磁錨定腹腔鏡相吸，從而控制磁錨定腹腔鏡的體內移動。由于磁錨定腹腔鏡采用雙內磁鐵設計，通過兩個圓柱型外磁鐵的結合與分離以及相對運動，可實現磁錨定腹腔鏡視場調節。

2.2磁錨定腹腔鏡

磁錨定腹腔鏡由外套管、兩塊內磁鐵、高色溫LED燈、攝像頭和數據線組成見圖6。外套管中由內向外依次排列內磁鐵、高色溫LED燈、攝像頭、內磁鐵，其中，LED燈和攝像頭分別連接數據線通過有線傳輸控制。該裝置尺寸約為Φ10 mm×50 mm，可通過傳統腹腔鏡戳卡。攝像頭傾角90°，可以保證視場。特色的雙內磁鐵設計與體外磁性引導手柄配合，可進行視場調節，高色溫LED燈可保證亮度。圖6為該裝置示意圖。

圖5　體外磁性引導手柄示意圖Fig.5 Schematic diagram of the magnetic guidance handle

圖6　磁錨定腹腔鏡示意圖Fig.6 Schematic diagram of the magnetic anchoring laparoscopy

3　工作過程

以單孔腹腔鏡手術為例，手術開始后，磁錨定腹腔鏡連同數據線一起通過傳統腹腔鏡戳卡進入腹腔，數據線的另一端連接腔鏡顯示屏。隨后單孔腹腔鏡器械由同一戳卡進入腹腔，在戳卡附近的腹壁放上體外磁性引導手柄，此時通過磁性吸力，攝像裝置的內磁鐵將被外磁鐵錨定、控制。接通電源后，攝像照明裝置開始工作，腔鏡顯示屏可觀察到腹腔內情況，通過移動體外磁性引導手柄控制體內磁錨定腹腔鏡移動至手術部位。若需調節視場，則可通過調整體外磁鐵數目來實現。當體外放置2塊外磁鐵分別吸引兩塊內磁體時，攝像頭傾角為90°，與腹壁垂直。當體外放置1個外磁鐵時，其中一個內磁鐵與其相吸，另一個因無磁力吸引，在重力作用下傾斜，可使攝像頭呈30°傾角，此實現了非電機驅動的調節視場功能。此外，當體外放置2個外磁鐵時，通過一個外磁鐵繞另一個外磁鐵做圓周運動亦可實現磁錨定腹腔鏡的視場水平調節。手術操作結束后，先取出腔鏡器械，移除體外磁性手柄，輕拉數據線，即可帶出腹腔鏡。本裝置可完成的功能除了腹腔鏡操作外，還可用于微創腹部探查、胸腔探查等。

4　結語

腹腔鏡作為微創手術可視、成像的主要設備，其重要性不言而喻。無論是傳統腹腔鏡或是單孔腹腔鏡手術，腹腔鏡工作過程中均需占用戳卡空間，特別對于單孔腹腔鏡手術而言，這大大增加了戳卡直徑以及手術操作難度。磁錨定腹腔鏡因特殊的定位方式，在使用過程中可不占用戳卡空間從而有望解決當前單孔腹腔鏡手術的一些瓶頸問題。但當前的磁錨定腹腔鏡因體積大使得臨床應用價值并未凸顯。我團隊研制的超微創磁錨定腹腔鏡系統，因巧妙的體外磁性引導手柄設計及有線的信號傳輸方式，使其體內部分僅直徑10 mm，可通過傳統腹腔鏡戳卡，并可進行靈活可靠的視場調節，不僅能夠實現基于單個傳統腹腔鏡戳卡的腹腔鏡手術，還可減少傳統腹腔鏡手術的戳卡數目。該超微創磁錨定腹腔鏡系統的臨床應用將優化微創技術，造福廣大患者。

參考文獻

[1] Best SL, Cadeddu JA.Use of magnetic anchoring and guidance systems to facilitate single trocar aparoscopy[J].Curr Urol Rep, 2010,11(1):29-32.

[2] Silvestri M, Simi M, Cavallotti C, et al. Autostereoscopic three-dimensional viewer evaluation through comparison with conventional interfaces in laparoscopic surgery[J].Surg Innov, 2011,18(3):223-230.

[3] Li P, Kothari V, Terry BS.Single-port-access surgery with a novel magnet camera system[J].IEEE Trans Biomed Eng, 2015,62(11):2702-2708.

[4] Olweny EO, Best SL, Tracy CR, et al. New technology and applied research: what the future holds for LESS and NOTES[J].Arch Esp Urol, 2012 ,65(3):434-443.

[5] Arain NA, Rondon L, Hogg DC，et al. Magnetically anchored camera and percutaneous instruments maintain triangulation and improve cosmesis compared with single-site and conventional laparoscopic cholecystectomy[J].Surg Endosc, 2012,26(12):3457-3466.

[6] Menciassi A, Tortora G, Salerno M, et al. A modular magnetic platform for Natural Orifi ce Transluminal Endoscopic Surgery[C]. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc, 2013: 6265-6268.

[7] 呂毅, 黃石. 磁錨定技術在消化外科的應用[J]. 中華消化外科雜志, 2011, 10(3): 174-175.

The Development of the Supermicroinvasive Magnetic Anchoring Laparoscopic System

【Writers】DONG Dinghui1, 2, 3, ZHU Haoyang1, 2, 3REN Fenggang1, 2, 3, XU Xianghua1, 2, 3, YANG Huan1, 2, 3, FENG Haibo4, FU Yili4, LV Yi1, 2, 3
1 Department of Hepatobiliary Surgery, First Affi liated Hospital, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, 710061
2 Research Institute of Advanced Surgical Technology and Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, 710061
3 Regenerative Medicine and Surgery Engineering Research Center of Shaanxi Province, Xi’an, 710061
4 State Key Laboratory of Robotics and System of Harbin Industrial University, Harbin,150001

【Abstract】A magnetic anchoring supermicroinvasive laparoscopic system, including in vitro magnetic navigation handle and in vivo magnetic anchor laparoscopy is introduced. The magnetic anchor laparoscopic comprises an outer cannula, two data lines, a camera, a high color temperature LED light and two inner magnets. It is tiny enough to enter the abdominal cavity through conventional laparoscopic trocar and achieve orientation, navigation as well as adjustment the fi eld of view within the abdominal cavity by attracting with the in vitro magnetic handle, thus it does not take up space of the laparoscopic trocar in working state. The system which can not only apply in single-port laparoscopic surgery based on a single traditional laparoscopic trocar but also apply in traditional laparoscopic surgery with less trocar, will enhance the extent of minimally invasive surgery and reduce the operation diffi culty at the same time. The clinical application of the system will optimize the minimally invasive techniques and benefi t the patients.

【Key words】magnetic anchor, laparoscopic, minimally invasive

【中圖分類號】R318.6

【文獻標志碼】A

doi:10.3969/j.issn.1671-7104.2016.02.002

文章編號：1671-7104(2016)02-0083-03

收稿日期：2015-11-18

基金項目：國家自然科學基金科學儀器專項項目（81127005）

通信作者：呂毅，教授，博導，E-mail: luyi169@126.com