磁吻合装置磁场分布的有限元分析及生物学效应研究

陈 环，单丽宇，2，马 涛，王 越，吕 毅，2*

（1.西安交通大学第一附属医院精准外科与再生医学国家地方联合工程中心，西安710061；2.西安交通大学第一附属医院肝胆外科，西安710061）

0 引言

磁外科[1-4]是利用特殊设计的磁性医疗器械或设备，将磁性物质间的非接触性磁场力转化为临床诊疗中能够发挥特定功能的力，从而完成系列临床干预的新兴学科。随着磁外科的发展，永磁性外科植入装置被越来越广泛地用于手术中。作为磁外科的核心技术，磁吻合[5-9]（magnetic compression anastomosis，MCA）利用磁体间的非接触力对被压榨的组织产生持续压力最终实现吻合，具有组织损伤小、操作便捷等优点，得到了国内外学者的广泛关注和研究。在磁吻合过程中，磁性装置在患者体内留存数天至数周，使吻合口及其周围组织长时间持续暴露于中等强度的静磁场中。

为适用不同临床场景，如食管吻合[6]、胃肠吻合[10]、结直肠吻合[11]、胆肠吻合[12]和胰肠吻合[7]等，磁吻合装置（magnetic compression device，MCD）在尺寸选择、结构设计和材料加工等方面各具特点，磁场分布也各不相同。磁场的生物学效应十分复杂，与磁感应强度、磁场性质、暴露模式、暴露时间及组织种类均有联系[13-16]。MCD 具备的特征性磁场分布在吻合口形成过程中是否产生特殊的生物学效应，是指导吻合器设计加工的理论基础。现有的关于磁场生物效应的研究，大多数源自对核磁共振设备等强磁场的安全性考虑，因此多采取“强磁场，短周期，间断重复暴露”的暴露模式[16-17]。另外一些采用中低强度磁场的研究则以磁疗等替代医学疗法，关注了磁场刺激可兴奋细胞或分泌性细胞等的影响，暴露模式多采用短时间暴露或间断重复暴露[18]。因而，这些研究采用的磁场暴露模式并不适用于磁吻合术中吻合器磁场对吻合口的作用模式。

因此，本研究旨在设计加工磁场分布不同，但形状、尺寸和吻合力一致的2 种MCD，并利用有限元分析（finite element analysis，FEA）对磁场的时空分布进行仿真分析，而后在大鼠肠吻合模型中对这2 种MCD进行比较，探讨不同MCD 是否因磁场分布不同而对吻合口相关指标产生影响，为MCD 的尺寸选择、结构设计及材料加工提供理论基础。

1 设计思路

如图1 所示，分别采用磁芯和磁壳2 种结构，制作磁场分布不同，但形状、尺寸和吻合力一致的MCD。磁芯结构MCD 具体制作方式为在圆形磁体外包裹环形光敏树脂壳[如图1（a）、（b）所示]，磁壳结构MCD 具体制作方式为在环形磁体内镶嵌圆形光敏树脂芯[如图1（c）、（d）所示]。为适用大鼠小肠吻合，2 种MCD 外径均定为6 mm，高均定为1 mm。磁芯结构MCD 吻合力由磁芯提供，磁壳结构MCD 吻合力由磁壳提供。

图1 磁场分布不同的磁芯结构和磁壳结构MCD 示意图与实物图

2 有限元分析

2.1 吻合力分析

对磁芯或磁壳的吻合力相关参数进行分析。磁性材料选用Nd-Fe-B（N45），磁体间距离为0.6 mm（即子母磁体间的肠壁厚度）。有限元分析结果如图2 所示，磁芯结构MCD 吻合力随磁芯外径增大而增加[如图2（a）所示]，磁壳结构MCD 吻合力随磁壳内径增大而减小[如图2（b）所示]。外径4 mm 的磁芯与内径4 mm 的磁壳具有相似吻合力。

图2 磁芯和磁壳吻合力相关参数的有限元分析

由此得到形状、尺寸和吻合力一致，但磁场分布不同的2 种MCD。磁芯结构MCD 参数：磁芯外径4 mm、厚1 mm，树脂壳外径6 mm、内径4 mm、厚1 mm；磁壳结构MCD 参数：磁壳外径6 mm、内径4 mm、厚1 mm，树脂芯外径4 mm、厚度1 mm。

2.2 磁场分析

选取MCD 中轴所在平面为工作平面（yz 平面），利用COMSOL Multiphysics 5.6 软件包，计算子母磁体相距0～0.6 mm 时，2 种结构MCD 磁感应强度的分布情况，结果如图3 所示。以y 轴为工作曲线，得到磁感应强度-距离y 变化关系，绘制2 种结构MCD磁感应强度空间分布曲线，如图4（a）、（b）所示，可见其空间分布不同。

选取距MCD 中轴3.0、3.1、3.2 和3.3 mm 4 个位置，随吻合推进，磁体间软组织厚度减小，磁感应强度随之变化，其值可在空间分布曲线上读取。假设吻合过程中吻合时间（t）与软组织厚度（h）满足h=0.6-0.005t，可得到吻合口黏膜层、黏膜下层、肌层和浆膜层的磁感应强度时间分布曲线，如图4（c）、（d）所示，2 种结构MCD 磁感应强度时间分布不同，磁芯结构MCD 变化范围为67.67～126.73 mT，磁壳结构MCD 变化范围为38.94～329.23 mT。

图4 磁芯和磁壳结构MCD 磁感应强度时空分布

3 动物实验

以大鼠为模型，采用上述2 种磁场分布不同但形状、尺寸和吻合力一致的MCD 进行回肠侧侧吻合，比较吻合口在大小、力学性能和病理学等方面是否存在差异。

3.1 实验动物

选取健康成年SD 大鼠12 只，体质量280～300 g，由西安交通大学实验动物中心提供，在普通动物环境中饲养管理。将12 只大鼠随机分配至磁芯组（使用磁芯结构MCD）和磁壳组（使用磁壳结构MCD），每组6只。本实验经西安交通大学动物伦理委员会批准。

3.2 实验方法

采用异氟烷吸入式麻醉大鼠后，将大鼠置于仰卧位固定消毒，开腹并取出回肠置于无菌纱布上，用温生理盐水润湿肠管。在回肠距盲肠8 cm 处做6 mm纵切口，从切口置入母环，并送至切口近端5 cm；置入子环，并送至切口远端5 cm。对合子母环，进行压榨吻合，如图5 所示。横向缝合回肠纵切口后逐层关腹。术后行腹部X 射线检查，确认子母磁体是否准确耦合，并记录磁体排出时间。

术后30 d，过量麻醉处死大鼠，暴露吻合口，根据粘连量表评估吻合口粘连情况。获取吻合口及其前后肠袢，采用浸水注气法测量吻合口爆破压，通过ImageJ_v 1.8.0（National Institutes of Health）测量吻合口大小，并进行HE 和Masson 染色评估吻合口愈合情况。

3.3 统计学分析

使用SPSS 23.0 统计软件处理数据，并对数据进行统计学分析。满足正态分布的连续变量使用均值±标准差（x¯±s）表示，采用Student-t 检验。不满足正态分布的连续变量以中位数（四分位间距，IQR）表示，采用秩和检验。所有统计检验均为双侧检验，P＜0.05表示差异具有统计学意义。

3.4 实验结果

2 组大鼠手术均顺利进行（如图5 所示），出血少。术后3 d，磁壳组大鼠死亡1 只，死因为腹腔内感染。X 射线平片显示2 组大鼠排磁时间分别为（6.2±1.1）d 和（5.9±0.7）d，差异无统计学意义（P=0.303）。

图5 磁芯组和磁壳组大鼠吻合效果及X 射线平片

术后30 d，2 组大鼠腹腔内解剖结构清晰，粘连较少，粘连评分无统计学差异（P=0.931）。大体标本显示，各组大鼠吻合口浆膜面整洁连续，黏膜光滑平整，吻合线愈合良好，如图6 所示。HE 和Masson染色显示，各组大鼠浆膜层、黏膜下层和黏膜层愈合较好。

图6 磁芯组和磁壳组大鼠吻合口浆膜面、黏膜面大体观及HE 与Masson 染色结果

术后30 d，2 组大鼠爆破压无统计学差异[磁芯组vs 磁壳组：（250.89±13.12）mmHg vs（258.32±19.58）mmHg（1 mmHg=133.32 Pa），P=0.532]，吻合口周长无统计学差异[磁芯组vs 磁壳组：（15.87±0.97）mm vs（16.72±0.88）mm，P=0.918]。

4 讨论

磁场的生物学效应十分复杂，在不同的研究中可表现出计量依赖效应、窗口效应[13，17]、双向效应[19]和不规则效应[20]等，与磁感应强度、磁场性质、暴露模式、暴露频率、暴露时间及组织种类等均有联系，不能从一类研究简单扩展到另一类研究。因此，研究不同MCD 磁场的时空分布及其对吻合口相关指标的影响是十分必要的，将成为MCD 设计加工的理论基础。

目前对磁相关物理量的计算大多是基于对麦克斯韦方程组的求解，除少数简单情况，一般难以求出解析解，这限制了对MCD 磁场的研究。FEA 利用网格离散化，将无限的连续区域转化为有限的离散区域，通过对子区域内的未知量进行近似处理，便可求解难以精确计算的偏微分方程。近年来，FEA 在医学领域的应用不断拓展[21-24]。在磁外科领域中，FEA 可作为磁场模拟、磁力计算和稳态分析的有效手段[25-27]。本研究利用COMSOL 软件设计了磁场分布不同但尺寸和吻合力一致的2 种MCD，并对其在吻合过程中磁场的时空分布进行了仿真。结果显示，磁芯结构MCD和磁壳结构MCD 磁场的时空分布不同，磁感应强度范围分别为67.67～126.73 mT 和38.94～329.23 mT。

现有关于磁场生物学效应的研究大多集中于细胞层面，如：李飞等[20]将脐静脉内皮细胞暴露于静磁场中48 h，发现0.05 mT 磁场促进细胞增殖，而1～100 mT 磁场抑制细胞增殖；胡丽芳等[19]在0.2～0.4 T静磁场中培养小鼠白血病细胞，发现1～3 d 后细胞增殖受到抑制，4～5 d 后细胞增殖反而增强；而在Schiffer 等[28]、May 等[29]和Nakahara 等[30]的研究中，磁场对细胞增殖并未产生明显的影响。本研究并未发现不同分布的磁场对吻合口形成时间、大小、力学性能和组织学等方面存在影响，表明“连续数天的中等强度静磁场暴露”这一MCA 特有的磁场暴露模式并不会对吻合口产生影响。相较于细胞层面的磁场生物学研究，本实验着眼于临床层面磁场分布对肠道吻合口形成及预后的影响。或许磁场对微观维度的细胞增殖、分化等有影响，但在大鼠肠道磁吻合术中，本实验并未观测到差异。因此，在磁吻合过程中，磁场仅作为吻合力的发源而不产生其他生物学效应。

本研究尚存在一些局限：一方面，缺乏大动物实验对结论的进一步验证；另一方面，由于磁场生物效应的复杂性，本研究并不能代表所有磁场分布模式均对吻合口无影响。后期尚需在大动物模型中通过多种应用场景（如食管吻合、胃肠吻合、胆肠吻合和结直肠吻合等）对不同MCD 的磁场生物效应进行进一步研究。