外科手术中磁锚定辅助技术的研究进展

张成 周绍杰 苑曦宸 商澎

1西北工业大学深圳研究院，深圳518057；2西北工业大学生命学院，西安710072；3西北工业大学空间生物实验模拟技术重点实验室，西安710072

0 引言

近年来，随着磁性材料更广泛地应用于多种医疗器械，磁外科技术在临床治疗领域的作用也逐渐突显出来[1]。其中，磁锚定技术是磁外科研究的重要方向之一，其主要利用磁性材料之间的磁力作用，实现对特定目标的牵引和锚定，从而可辅助医生对疾病进行精准地诊断和治疗[2]。

常用的磁锚定装置主要由两部分组成，包括体内手术器械上的靶磁体和体外定位区域的锚定磁体，体外的锚定磁体借助磁力作用牵引体内的手术器械[3]。至今，磁锚定辅助技术常与腹腔镜、胸腔镜、内窥镜联用，以解决手术时组织和器官的牵引及手术视野的显露，主要应用于包括胆囊切除、肠道肿瘤切除、病变器官切除、胃黏膜切除及妇科手术等在内的多种外科手术[4-7]。

1 腹腔镜手术中磁锚定辅助技术的研究进展

腹腔镜手术是20世纪90年代初发展起来的微创手术方法，其从多孔腹腔镜手术发展到单孔腹腔镜手术，已广泛应用于肠道肿瘤切除，胆胰疾病，肾、阑尾切除等多种普外科手术中[8]。

磁锚定辅助腹腔镜手术最早于2007年在美国德州大学西南医学中心进行，使用磁锚引导系统（magnetic anchoring and guidancesystem，MAGS）在猪身上完成了单孔腹腔镜下肾切除术，最终手术获得了成功，出血量很少且无术后并发症（图1）[9]。2009年Cadeddu等[10]报道使用MAGS设备完成了1例单孔腹腔镜手术（lap aroendoscopic single-site surgery，LES S）肾切除术、1例LESS阑尾切除术，无并发症发生。单孔腹腔镜手术最大的问题是缺乏“操作三角”，造成手术器械之间相互缠绕、碰撞，手术视野受到限制，影响力减戳卡手术的发展；而MAGS辅助下的腹腔镜手术能够克服上述问题。

图1 磁锚定辅助机械臂切除肾脏

2011年，Cho等[11]评估了磁锚定系统辅助单切口腹腔镜盲肠切除术的可行性和安全性。通过将两个磁铁固定到血管夹上然后夹持在结肠上，同时使用外部手持磁铁将其固定在整个腹壁上。通过移动外部手持磁铁，将盲肠向上拉起，最后进行切除。平均手术时间为70 min。术后观察期间，动物均顺利恢复，无并发症发生。2016年，Choi等[12]在由新手进行的单孔腹腔镜手术肾切除术中使用磁锚引导系统来辅助，与传统的LESS肾切除术组相比，使用磁锚引导系统组可以减少腹腔镜手术中所需的端口位置，进而使手术时间大大缩短。2018年，Rivas等[13]使用MAGS辅助腹腔镜对50位患者进行胆囊切除，术后愈合良好，未出现与MAGS相关的不良事件。以上研究证明，磁锚定系统辅助下的腹腔镜手术是安全高效的，磁锚定辅助技术的发展有助于克服LESS的局限性。

在国内，磁锚定辅助技术也已被广泛应用于包括腹腔镜胆囊切除术、阑尾切除术在内的外科手术中。2018年，西安交通大学的吕毅教授团队成功研制了多种基于磁锚定系统的磁控制腹腔镜手术内置抓钳离合系统[14]。2019年，西安交通大学第一附属医院于国内最先开展磁锚定辅助腹腔镜胆囊切除术，23例手术均显示磁锚定辅助技术能充分显露胆囊三角，维持良好的胆囊牵拉方向及胆囊床张力[15]。同年，他们还使用磁锚定辅助技术以4只Beagle犬为实验对象进行了结肠切除术，每只动物用时56~90 min且出血量均低于50 ml，术后实验动物均存活，未出现相关并发症[16]。同时，他们以6只健康雄性Beagle犬为模型，用磁锚定装置代替传统腹腔镜阑尾切除术中的副操作孔抓钳，移动锚定磁体即改变内置抓钳的牵拉方向，从而有效牵拉暴露手术视野，完成了减戳孔腹腔镜阑尾切除手术（图2）[17]。当然，磁锚定辅助技术也存在一些局限性，如锚定磁体和靶磁体之间的吸引力受到两者之间的距离影响，而患者腹壁厚度、手术过程中的充气量也是主要的影响因素，这些会给手术带来不利的影响，是亟待优化的问题。

图2 磁锚定辅助腹腔镜阑尾切除术的操作过程

综上所述，磁锚定辅助腹腔镜手术的应用解决了传统腹腔镜外科手术中存在的主器械、辅助器械、照明摄像器械相互之间缠绕、干扰的问题，减少了手术所需的腹壁戳孔数量，解决了手术区域空间狭窄、手术开口距离手术操作区域远、控制不易等问题，从而有效地减轻了手术创伤，缩短了手术时间。

2 胸腔镜手术中磁锚定辅助技术的研究进展

胸腔镜手术是凭借现代摄像技术和手术设备在胸壁套管或微小切口下进行的胸内手术，是胸部微创外科的代表性手术，也是未来胸外科发展的重要方向。

最早的单孔胸腔镜手术在2011年进行，Rivas等[18]使用单孔胸腔镜手术进行节段切除术、右上肺叶切除术，发现单孔胸腔镜手术存在和单孔腹腔镜手术同样的器械干扰等难题。由于磁锚定技术与腹腔镜手术的良好结合，Giaccone等[19]均看好磁锚定辅助技术在胸腔镜手术中的应用前景。随后研发的磁锚定辅助的胸腔镜摄像系统证实了这点，磁锚定辅助系统精简了进入戳卡的摄像装置，并可对摄像系统进行精确导航，从而得到良好的手术视野，达到了减戳卡的目的。但至今并未见到国外团队对于磁锚定辅助胸腔镜手术的相关报道。

2019年，西安交大一附院使用磁锚定辅助胸腔镜进行了3例肺楔形切除术，术中用体外磁体牵引内置磁锚定抓钳，牵拉肺部病灶组织暴露于手术视野中，进而切除病灶组织（图3）。术后患者肺部残端无漏气，恢复良好[20]。2020年，西安交大一附院使用磁锚定装置辅助两孔胸腔镜食管切除术，通过体外磁体牵引体内磁性抓钳，牵拉食管显露于手术视野中，完成食管游离、食管旁神经探查、食管旁淋巴结清扫等操作[21]。2021年，西安交大一附院成功研制了磁锚定肺结节定位装置，该装置通过在CT引导下将靶磁体置入肺结节旁的肺组织中，通过锚定磁体与靶磁体的相互吸引，靶磁体在肺内得以固定于肺组织内，避免肺内移动，术前精准定位目标肺结节[22]。总之，应用磁锚定技术辅助胸腔镜手术便于将目标组织和器官暴露于手术视野，可减少狭窄手术操作空间中手术器械间的碰撞和干扰，具有良好的临床应用前景。

图3 磁锚定辅助肺楔形切除术

3 内窥镜手术中磁锚定辅助技术的研究进展

自1804年德国Philip发明原始膀胱镜开始，内窥镜已经有了两百一十多年的历史，已经开发出包括食道镜、胃镜、十二指肠镜、小肠镜在内的十多种医用内窥镜，在诊断和治疗疾病中起到了重要的作用，并促进了介人医学的发展[23-24]。

Kobayashi等[25]于2004年首先提出了磁锚引导下内镜黏膜下剥离术（magnetic anchor guidance for endoscopic submucosal dissection，MAG-ESD）的 概念，通过体外磁铁提供牵引力来牵拉组织暴露视野等，被称为内镜操作的“第二双手”。2009年，Gotoda等[26]使用MAG-ESD对23位早期胃癌患者进行了治疗，手术进行顺利，术后未出现穿孔且患者出血量小。在2016~2018年，Matsuzaki等[27]对50例胃病变患者实施了MAG-ESD，图4为磁锚引导装置，术中记录切除率、连接磁锚所需时间、操作时间、磁锚回收率和不良事件；同时，他们还使用MAG-ESD进行了结肠息肉切除术，结果表明MAG-ESD拥有足够的牵引力且磁锚完全回收，便于切除复杂病灶，可减少出血和穿孔等不良事件。

图4 磁锚引导装置

近几年，国内磁锚定与内镜的结合使用也得到了广泛发展。2019年，华西医院使用磁珠辅助下内镜黏膜下剥离术（magnetic beads-as-sisted endoscopic submucosal dissection,MBA-ESD）对1例异位十二指肠胃粘膜纤维化的患者进行治疗，病变被整块平滑剥离，患者术后第5天出院，且伤口在一个月后已经愈合，这表明MBA-ESD是安全、有效且高效的；但磁铁主要通过重力发挥作用，只有在相同位置添加额外的磁珠时，磁力才发挥作用[28]。同年，西安交大一附院的刘豪等[29]针对ESD术中黏膜创面暴露难题设计了基于磁锚定技术的磁性水凝胶辅助ESD手术方案。通过磁性水凝胶黏膜注射，同时给予体外锚定磁体牵引，以实现黏膜切除中创面的充分暴露。内磁体转为液态，占用空间更少，适合在食道等狭窄部位进行的手术操作。

近年来，无腹部切口的经自然腔道内镜外科手术（natural orifice translumenal endoscopic surgery,NOTES）成为外科手术的前沿方向，NOTES使用软式内镜经过人体的自然腔道进入腹腔、胸前等体腔，进行相关的手术操作，是真正的无瘢痕手术。但NOTES因其手术操作难度大，手术器械及伦理等原因未被广泛推广[30]。但磁锚定技术作为腹腔镜手术的“第二双手”，也是降低操作难度的良好选择。有报道表明，使用磁锚定辅助的NOTES进行动物实验，能够有效、安全地切除目标胆囊和乙状结肠[31-33]。但是，至今尚未见到有使用磁锚定辅助的NOTES进行人体外科手术的应用报道。

4 其他外科手术中磁锚定辅助技术的研究进展

近年来，乳腺癌已成为威胁女性健康的第一杀手，而乳腺癌根治术是针对乳腺癌患者采取的常见的外科治疗手段。传统的乳腺癌根治术由于缺乏足够的视野，需要通过多名助手来协助主医师完成手术操作。鉴于磁锚定辅助技术应用于微创外科手术中，能很好地解决操作困难、手术视野显露不佳等问题，部分医生也尝试使用磁锚定辅助技术来改进乳腺癌根治术的手术过程。如图5所示，西安交通大学的吕毅教授团队根据这个设想在2019年设计出了磁悬吊牵引系统[35]，这是国内外首次实现将磁锚定辅助技术应用于乳腺癌外科治疗领域，该系统在改善深部组织视野暴露效果的同时，也有效地减少了参与手术的助手人数，甚至在熟练掌握之后单人就可完成手术操作。

图5 磁悬吊乳腺牵拉装置

同样，由于肝癌患者的猛烈增加，针对肝癌患者的肝移植外科手术在世界上也引起了广泛的重视，而肝移植手术中的供肝修整术是重要的操作环节之一。通常供肝修整术是在修肝盆中进行的，这导致其手术操作空间很狭窄，对医生的限制很多。如何既保证手术操作过程中视野能够得到良好显露，又能够减少助手人数，方便主医师操作一直是医生重点关注的问题。2018年，西安交大的吕毅教授团队设计出磁锚定蜘蛛人装置，能够替代人手对组织进行有效的牵拉拉伸，以实现视野的充分暴露，同时其装置体积小巧，移动灵活。因此磁锚定蜘蛛人装置能辅助医师实现单人的供肝修整术操作[36]。

5 结语

传统的腔镜、内镜手术通过与磁锚定系统结合使用，为组织的牵拉和视野的显露提供了巨大帮助，极大地促进了微创手术的发展，近年来越来越引起国内外的关注。但是在其应用过程中也存在诸多问题，如当体腔内存在顺磁性物质或放置多个锚定夹时相互之间会有一定的影响；其次磁力随着距离呈指数级衰减，磁力的强度也会受到患者腹部厚度的影响，置入体内的路径也需要不断更安全的改进；同时在磁力大小的控制上需要更加精准，以避免引起组织损伤等。因此，磁锚定技术与腹腔镜、内窥镜等的结合使用还有更多改进的空间。相信随着外科技术的不断进步，磁锚定技术在磁外科领域将有更多广泛的应用。

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