超微创磁锚定腹腔镜系统的研制

【作 者】董鼎辉，朱皓阳，任冯刚，徐向华，杨桓，封海波，付宜利，吕毅1 西安交通大学第一附属医院肝胆外科，西安市，7100612 西安交通大学先进外科技术与工程研究所，西安市，7100613 陕西省再生医学与外科工程技术研究中心，西安市，710061 哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，哈尔滨市，150001



超微创磁锚定腹腔镜系统的研制

【作 者】董鼎辉1, 2, 3，朱皓阳1, 2, 3，任冯刚1, 2, 3，徐向华1, 2, 3，杨桓1, 2, 3，封海波4，付宜利4，吕毅1, 2, 3
1 西安交通大学第一附属医院肝胆外科，西安市，710061
2 西安交通大学先进外科技术与工程研究所，西安市，710061
3 陕西省再生医学与外科工程技术研究中心，西安市，710061
4 哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，哈尔滨市，150001

【摘 要】该文介绍了一种超微创磁锚定腹腔镜系统，包括体外磁性引导手柄和体内的磁锚定腹腔镜。磁锚定腹腔镜包括外套管、数据线、摄像头、高色温LED灯和两块内磁铁。磁锚定腹腔镜体积微小，可通过传统腹腔镜戳卡进入腹腔，通过与体外磁性引导手柄相吸实现腹腔内的定位、导航及调节视场，从而在工作状态不占用戳卡空间。利用该系统不仅可以实现基于单个传统腹腔镜戳卡的单孔腹腔镜手术，还可实现减戳卡的传统腹腔镜手术，增强手术微创性的同时降低手术难度，其临床应用将优化微创技术，造福广大患者。

【关 键 词】磁锚定；腹腔镜；微创

0　引言

随着微创外科的蓬勃发展，传统的腹腔镜技术已趋于成熟且广泛普及，但外科医生并未停止对微创技术的探索。基于对“减少戳卡、少痛无痕”的高要求，一些新的微创技术如经脐单孔腹腔镜手术(LESS)和经自然腔道内镜手术(NOTES)也应运而生。然而，无论LESS还是NOTES，单孔腹腔镜技术并未达到理想的微创效果，究其根本原因在于多个腔镜器械从同一个戳卡置入：一方面，戳卡的直径不得不增大，单孔腔镜戳卡直径在30 mm左右，而传统腔镜戳卡直径仅5～10 mm； 另一方面，器械之间相互干扰，不利于操作三角的形成，操作难度大。磁以“场”的形式相互作用，两个磁体在远隔部位可以产生力的作用，如果将磁技术与腹腔镜器械相结合，磁锚定腹腔镜器械应用于单孔腹腔镜手术中，将减少戳卡中腔镜器械的数目，这对减少单孔腹腔镜戳卡直径以及提高操作性极具意义。近年来，通过研发磁锚定腹腔镜以减少单孔腹腔镜戳卡大小并增强其操作性成为单孔腹腔镜技术领域一个热点问题[1]。

图1　磁锚定摄像头的原理图和实物图Fig.1 The schematics and simulator of Magnetic anchor camera

Simi M等[2]研究的三自由度磁锚定腹腔镜尺寸为25 mm×95 mm，除磁铁控制的运动外，摄像头有2个电机驱动的自由度调节视场角度（见图1）。Terry BS等[3]研制的特别适用于肥胖病人的磁锚定腹腔镜，除了体外磁铁吸引固定，还设有支架环进行腹腔内定位，内部支架环可弥补因腹壁肥厚而造成的内外磁体吸力削弱，图2为该腹腔镜的工作状态示意图。除磁铁控制的运动外，有3个电机驱动的自由度，这使得设备体积大（32 mm×29 mm×129 mm）且腹腔内灵活性差。为了减少尺寸，减轻重量，Best SL等[4]研制的少自由度磁锚定腹腔镜，尺寸为20 mm×60 mm。图3显示该少自由度磁锚定腹腔镜的CAD模型，图4显示该腹腔镜在腹腔内的效果。其摄像头为30°倾斜，除了体外磁铁控制摄像头运动外，摄像头无电机驱动的自由度以调节视场角度。 Arain NA等[5]设计的无倾角摄像头尺寸为15 mm×85 mm，需通过特殊置入装置置入体内，也不能在体内调整视场，实用性有待验证。为了弥补少自由度磁锚定腹腔镜不能调整视场的缺陷，Silvestri M等[6]设计出一种内外磁铁为圆柱状的磁锚定腹腔镜，其摄像头为90°倾角，无电机驱动的自由度以调节视场角度，尺寸为17 mm×21 mm×73 mm。

图2　磁锚定腹腔镜工作原理图Fig.2 The operating principle of magnetic anchor laparoscopic

图3　少自由度磁锚定腹腔镜的CAD模型Fig.3 CAD model of less DOF magnetic anchor laparoscopic

图4　少自由度磁锚定腹腔镜的体内效果Fig.4 In vivo effects of less DOF magneticanchor laparoscopy

1　设计思路

上述研究团队都尝试使用将磁锚定技术与腹腔镜技术相结合以增强单孔腹腔镜技术的微创性与操作性，但实际效果并不理想。关键问题在于上述工科专家的研究过度依赖电机驱动的视场调节及无线方式的视频传输，这使得体内部分的直径过大，应用于单孔腹腔镜手术，虽然减少了器械之间的冲突、增强了操作性，但仍需使用20 mm，甚至35 mm的戳卡，使微创性并无明显改观。此外，由于电机的使用，体内部分的质量也较大，对于磁锚定技术而言是不小的安全隐患。事实上，单孔腹腔镜手术的操作器械直径不足5 mm，若磁锚定腹腔镜直径能控制在10 mm以内，则利用这种磁锚定腹腔镜可进行基于单个传统腹腔镜戳卡的单孔腹腔镜手术，这将大大提高当前单孔腹腔镜手术的微创性，便于单孔腹腔镜手术的临床推广应用。正是基于此，面对重重困扰，我们团队经过早年对磁锚定技术深入地学习与探讨[7]，提出了一种新型的超微创磁锚定腹腔镜系统，其体内部分尺寸为Φ10 mm×50 mm，可通过传统腹腔镜12 mm戳卡，并能通过体外磁铁控制摄像头内双磁铁完成体内视场调节、有线方式进行视频传输，同时高色温LED灯保证照明质量。由于此新型磁锚定腹腔镜照明摄像装置体内部分可通过传统腹腔镜戳卡，因此将其应用于传统腹腔镜手术，可在不影响操作性的同时减少戳卡数目。

2　基本结构

超微创磁锚定腹腔镜包括体外磁性引导手柄和体内的磁锚定腹腔镜。

2.1体外磁性引导手柄

体外磁性引导手柄由两个圆柱型外磁铁及磁屏蔽壳构成，上端带有把手，用于控制挪动，两个圆柱形外磁铁通过磁屏蔽壳实现连接与分离，磁屏蔽壳可以有效增强外磁铁操作性(图5)。体外磁性引导手柄的磁性吸力能克服人体腹壁厚度与体内的磁锚定腹腔镜相吸，从而控制磁锚定腹腔镜的体内移动。由于磁锚定腹腔镜采用双内磁铁设计，通过两个圆柱型外磁铁的结合与分离以及相对运动，可实现磁锚定腹腔镜视场调节。

2.2磁锚定腹腔镜

磁锚定腹腔镜由外套管、两块内磁铁、高色温LED灯、摄像头和数据线组成见图6。外套管中由内向外依次排列内磁铁、高色温LED灯、摄像头、内磁铁，其中，LED灯和摄像头分别连接数据线通过有线传输控制。该装置尺寸约为Φ10 mm×50 mm，可通过传统腹腔镜戳卡。摄像头倾角90°，可以保证视场。特色的双内磁铁设计与体外磁性引导手柄配合，可进行视场调节，高色温LED灯可保证亮度。图6为该装置示意图。

图5　体外磁性引导手柄示意图Fig.5 Schematic diagram of the magnetic guidance handle

图6　磁锚定腹腔镜示意图Fig.6 Schematic diagram of the magnetic anchoring laparoscopy

3　工作过程

以单孔腹腔镜手术为例，手术开始后，磁锚定腹腔镜连同数据线一起通过传统腹腔镜戳卡进入腹腔，数据线的另一端连接腔镜显示屏。随后单孔腹腔镜器械由同一戳卡进入腹腔，在戳卡附近的腹壁放上体外磁性引导手柄，此时通过磁性吸力，摄像装置的内磁铁将被外磁铁锚定、控制。接通电源后，摄像照明装置开始工作，腔镜显示屏可观察到腹腔内情况，通过移动体外磁性引导手柄控制体内磁锚定腹腔镜移动至手术部位。若需调节视场，则可通过调整体外磁铁数目来实现。当体外放置2块外磁铁分别吸引两块内磁体时，摄像头倾角为90°，与腹壁垂直。当体外放置1个外磁铁时，其中一个内磁铁与其相吸，另一个因无磁力吸引，在重力作用下倾斜，可使摄像头呈30°倾角，此实现了非电机驱动的调节视场功能。此外，当体外放置2个外磁铁时，通过一个外磁铁绕另一个外磁铁做圆周运动亦可实现磁锚定腹腔镜的视场水平调节。手术操作结束后，先取出腔镜器械，移除体外磁性手柄，轻拉数据线，即可带出腹腔镜。本装置可完成的功能除了腹腔镜操作外，还可用于微创腹部探查、胸腔探查等。

4　结语

腹腔镜作为微创手术可视、成像的主要设备，其重要性不言而喻。无论是传统腹腔镜或是单孔腹腔镜手术，腹腔镜工作过程中均需占用戳卡空间，特别对于单孔腹腔镜手术而言，这大大增加了戳卡直径以及手术操作难度。磁锚定腹腔镜因特殊的定位方式，在使用过程中可不占用戳卡空间从而有望解决当前单孔腹腔镜手术的一些瓶颈问题。但当前的磁锚定腹腔镜因体积大使得临床应用价值并未凸显。我团队研制的超微创磁锚定腹腔镜系统，因巧妙的体外磁性引导手柄设计及有线的信号传输方式，使其体内部分仅直径10 mm，可通过传统腹腔镜戳卡，并可进行灵活可靠的视场调节，不仅能够实现基于单个传统腹腔镜戳卡的腹腔镜手术，还可减少传统腹腔镜手术的戳卡数目。该超微创磁锚定腹腔镜系统的临床应用将优化微创技术，造福广大患者。

参考文献

[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] 吕毅, 黄石. 磁锚定技术在消化外科的应用[J]. 中华消化外科杂志, 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

【中图分类号】R318.6

【文献标志码】A

doi:10.3969/j.issn.1671-7104.2016.02.002

文章编号：1671-7104(2016)02-0083-03

收稿日期：2015-11-18

基金项目：国家自然科学基金科学仪器专项项目（81127005）

通信作者：吕毅，教授，博导，E-mail: luyi169@126.com