面向單孔腹腔鏡手術(shù)應(yīng)用的水平式微型磁錨定腹腔鏡的設(shè)計(jì)

董鼎輝，朱皓陽，馬濤，王越，陳環(huán)，向俊西，吳榮謙，呂毅

西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院 a. 肝膽外科；b. 精準(zhǔn)外科與再生醫(yī)學(xué)國家地方聯(lián)合工程中心，陜西 西安 710061

引言

單孔腹腔鏡技術(shù)（Laparo-Endoscopic Single Site Surgery，LESS） 是 當(dāng) 前 微 創(chuàng) 外 科（Minimally Invasive Surgery，MIS）發(fā)展的重要方向，其通過身體隱蔽部位的單個(gè)切口完成腹腔鏡手術(shù)[1]。由于術(shù)中所有器械同時(shí)占用唯一的戳卡空間，當(dāng)前LESS 的主要問題表現(xiàn)在操作性與微創(chuàng)性兩個(gè)方面：① 器械相互干擾，難以形成操作三角；② 戳卡直徑需30 mm 左右，明顯大于傳統(tǒng)腹腔鏡戳卡[2]。因此，如能創(chuàng)新器械的術(shù)中定位方式，減少唯一戳卡內(nèi)的器械數(shù)目，則將顯著改善LESS 的操作性與微創(chuàng)性短板。

磁體之間通過“場”的形式相互作用，兩個(gè)磁體相距一定距離即可產(chǎn)生力的作用，換言之，當(dāng)兩個(gè)磁體分別位于密閉空間內(nèi)外時(shí)，兩者可不經(jīng)過直接接觸即能吸附在一起，在相互吸力的作用下，位于密閉空間外的磁體的位置改變能夠拖動(dòng)位于密閉空間內(nèi)的磁體的位置改變[3-7]。將磁體的這種磁錨定特性應(yīng)用于腔鏡器械中，在腹腔外磁體的作用下，具有內(nèi)磁體的腔鏡器械在使用過程中可不依賴戳卡進(jìn)行腹腔內(nèi)的定位與導(dǎo)航，不占用戳卡空間。因此，依賴于磁錨定定位方式的磁錨定腔鏡器械有望減少LESS 術(shù)中唯一戳卡內(nèi)的器械數(shù)目，解決當(dāng)前LESS 手術(shù)面臨的操作性與微創(chuàng)性難題。經(jīng)過多年發(fā)展，已有磁錨定腔鏡器械獲得FDA 批準(zhǔn)上市，標(biāo)志著這項(xiàng)技術(shù)逐步走向成熟[8]。

結(jié)合臨床工作實(shí)際，LESS 器械中視頻器械體積相對大、操作要求簡單，如其術(shù)中不占用戳卡空間則其余器械在10 mm 戳卡中即可形成良好的操作三角且不影響手術(shù)的安全性。因此，磁錨定視頻器械是改善LESS 的操作性與微創(chuàng)性短板最有效的方法之一。故本研究旨在研制一款非電機(jī)驅(qū)動(dòng)、基于有線設(shè)計(jì)的水平式微型磁錨定腹腔鏡，其具有體積小、質(zhì)量輕、設(shè)計(jì)巧妙等特點(diǎn)，可減少切口大小，同時(shí)提高磁錨定運(yùn)動(dòng)安全性與應(yīng)用范圍，更符合臨床應(yīng)用需求。

1 設(shè)計(jì)思路

針對當(dāng)前磁錨定視頻器械在微創(chuàng)性方面的不足，水平式微型磁錨定腹腔鏡的整體設(shè)計(jì)目標(biāo)為：① 直徑＜12 mm，可通過12 mm 傳統(tǒng)腔鏡戳卡；② 能夠?qū)崿F(xiàn)非電機(jī)驅(qū)動(dòng)的30°傾角；③ 能夠?qū)崿F(xiàn)視場變換。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，在水平式微型磁錨定腹腔鏡的設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行了針對性處理。在體積方面：① 舍棄電機(jī)驅(qū)動(dòng)自由度，避免了電機(jī)、控制器以及相應(yīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用；② 舍棄“無纜”設(shè)計(jì)，將磁錨定視頻器械中原有的無線通信模塊及電池模塊外置于可固定于床旁的小型體外工作站，簡化結(jié)構(gòu)使水平式微型磁錨定腹腔鏡的直徑可控制在12 mm 以內(nèi)。在功能方面：打破以往內(nèi)磁體對稱式的設(shè)計(jì)，使內(nèi)磁體由錨定磁體與導(dǎo)向磁體構(gòu)成，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建“懸垂法”，利用錨定磁體與導(dǎo)向磁體的磁力、重力對水平式微型磁錨定腹腔鏡的作用使攝像模塊實(shí)現(xiàn)非電機(jī)驅(qū)動(dòng)的30°傾角，并使其實(shí)現(xiàn)視場變換，保證了水平式微型磁錨定腹腔鏡的應(yīng)用效果，避免了電機(jī)驅(qū)動(dòng)自由度的引入。

2 基本結(jié)構(gòu)

水平式微型磁錨定腹腔鏡由殼體、水平式視頻組塊、定向磁體、錨定磁體、數(shù)據(jù)線及接口組成（圖1）。殼體主體選用圓柱狀套管，體積為Φ7 mm×30 mm，殼體內(nèi)放置攝像模塊與LED 光源，殼體外固定定向磁體。水平式攝像模塊與LED 光源構(gòu)成水平式微型磁錨定腹腔鏡的視頻組件。水平式攝像模塊選用水平式微型CMOS 攝像模塊，其CMOS 攝像頭與電路板呈垂直分布；LED 光源選用貼片式LED 燈，共6 個(gè)，呈放射狀均勻分布于水平式攝像模塊四周。水平式攝像模塊末端為數(shù)據(jù)線，通過數(shù)據(jù)線末端的接口與體外工作站相連，實(shí)現(xiàn)水平式微型磁錨定腹腔鏡的圖像傳輸與供能。近水平式攝像模塊的數(shù)據(jù)線上固定有錨定磁體，因數(shù)據(jù)線為軟線，通過加厚錨定磁體與水平式攝像模塊之間數(shù)據(jù)線的熱縮厚度使其具有所需要的剛性。錨定磁體與定向磁體構(gòu)成水平式微型磁錨定腹腔鏡的運(yùn)動(dòng)組件，基于二者構(gòu)造的“懸垂法”不僅可使水平式攝像模塊實(shí)現(xiàn)非電機(jī)驅(qū)動(dòng)的30°傾角，還可使其實(shí)現(xiàn)視場變換。

為實(shí)現(xiàn)水平式微型磁錨定腹腔鏡的功能，還設(shè)計(jì)了相應(yīng)的體外支持系統(tǒng)。水平式微型磁錨定腹腔鏡的體外支持系統(tǒng)包括體外磁錨定單元、體外工作站以及圖像輸出端構(gòu)成。其中，體外磁錨定單元與水平式微型磁錨定腹腔鏡的定向磁體、錨定磁體配合實(shí)現(xiàn)“懸垂法”構(gòu)想；體外控制臺(tái)與水平式微型磁錨定腹腔鏡相連，為其供能，并將其采集的圖像以無線方式傳輸給圖像輸出端；圖像輸出端實(shí)現(xiàn)水平式微型磁錨定腹腔鏡所采集圖像信息的輸出，并可根據(jù)需要保存相應(yīng)的視頻、圖片資料。“懸垂法”工作過程原理圖，見圖2。

圖1 水平式微型磁錨定腹腔鏡設(shè)計(jì)圖

圖2 “懸垂法”原理圖

3 工作過程

3.1 錨定狀態(tài)

體外磁錨定單元的兩個(gè)外磁體同時(shí)作用于水平式微型磁錨定腹腔鏡的錨定磁體和定向磁體，此時(shí)水平式微型磁錨定腹腔鏡被吸附于腹壁上，在體外磁錨定單元的作用下，水平式微型磁錨定腹腔鏡可在腹腔內(nèi)完成平移、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，到達(dá)目標(biāo)位置完成視場變換。

3.2 工作狀態(tài)

到達(dá)目標(biāo)位置后，移去體外磁錨定單元中與定向磁體作用的外磁體（兩個(gè)外磁體外部的支架環(huán)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)二者的結(jié)合與分離），此時(shí)水平式微型磁錨定腹腔鏡中僅有錨定磁體受體外磁錨定單元的磁力作用，由于錨定磁體與微型磁錨定腹腔鏡頭端之間的連接機(jī)構(gòu)（即數(shù)據(jù)線）為非完全剛性結(jié)構(gòu)，在微型磁錨定腹腔鏡頭端所產(chǎn)生的重力作用下，可使水平式微型磁錨定腹腔鏡產(chǎn)生一個(gè)近30°的傾角，從而獲得目標(biāo)視野。

4 應(yīng)用效果

水平式微型磁錨定腹腔鏡及其體外支持系統(tǒng)試驗(yàn)樣件，在體內(nèi)外進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。體外及大動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明：水平式微型磁錨定腹腔鏡可通過12 mm 傳統(tǒng)腹腔鏡戳卡進(jìn)入腹腔內(nèi)，并被體外磁錨定單元定位于腹壁上；到達(dá)目標(biāo)位置后，通過“懸垂法”能夠使其獲得30°傾角，從而采集到目標(biāo)術(shù)野圖像；工作狀態(tài)下，通過兩個(gè)外磁體重新組合，水平式微型磁錨定腹腔鏡可恢復(fù)至水平狀態(tài)，繼而操縱體外磁錨定單元可使其到達(dá)新的目標(biāo)位置，隨后利用“懸垂法”，其能夠采集到新的目標(biāo)術(shù)野圖像，實(shí)現(xiàn)術(shù)野的改變；在水平式微型磁錨定腹腔鏡的引導(dǎo)下，腹腔鏡抓鉗可實(shí)現(xiàn)牽拉膽囊操作，并共用一個(gè)戳卡；操作結(jié)束后，撤去體外磁錨定單元，回拉數(shù)據(jù)線，可輕松將水平式微型磁錨定腹腔鏡經(jīng)戳卡取出體外。體內(nèi)外試用結(jié)果表明水平式微型磁錨定腹腔鏡能滿足臨床操作。水平式微型磁錨定腹腔鏡行腹腔探查術(shù)應(yīng)用圖，見圖3。

圖3 水平式微型磁錨定腹腔鏡行腹腔探查術(shù)

5 討論

磁錨定腔鏡器械的探索最早見于Park 等[9]的研究，該團(tuán)隊(duì)分別利用所研發(fā)的磁錨定抓鉗與磁錨定腹腔鏡在實(shí)驗(yàn)豬上完成了兩例減戳卡腹腔鏡腎切除術(shù)，術(shù)中在外磁體的控制下，磁錨定手術(shù)器械可不占用戳卡空間實(shí)現(xiàn)腹腔內(nèi)自由定位。伴隨著LESS 技術(shù)的出現(xiàn)，磁錨定腔鏡器械具有了更好的應(yīng)用土壤。當(dāng)前磁錨定腔鏡器械的研究涵蓋LESS操作器械的各個(gè)方面，包括磁錨定牽拉器械[10-12]、磁錨定燒灼器械[13-14]以及磁錨定視頻器械[15-17]。其中，磁錨定視頻器械的研究前景最被研究者所看好。

當(dāng)前應(yīng)用于LESS 手術(shù)的磁錨定視頻器械分為兩類：一類是磁錨定視頻機(jī)器人[18-19]；另一類是磁錨定腹腔鏡[15,17,20]。二者的區(qū)別在于：前者以微型機(jī)器人技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)中存在電機(jī)驅(qū)動(dòng)自由度；后者不具備上述特征。磁錨定視頻機(jī)器人的優(yōu)勢在于智能化；磁錨定腹腔鏡的優(yōu)勢在于微型化。既往國外磁錨定視頻器械研究的主流是“機(jī)器人”式裝置[15,20-21]，國內(nèi)相關(guān)研究也緊隨其后[22-23]。與國外研究相比，國內(nèi)類似研究在體積、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面已迎頭趕上。但此類磁錨定視頻器械的不足之處在于其電機(jī)驅(qū)動(dòng)及無線控制設(shè)計(jì)使得磁錨定視頻器械體積相對龐大（直徑25 mm 左右），不能有效減小戳卡直徑，微創(chuàng)性不足；此外，其質(zhì)量較大，運(yùn)動(dòng)安全性較差。伴隨著人們對LESS 手術(shù)理解的不斷深入，磁錨定腹腔鏡的研究逐漸受到重視。目前，國外研制的磁錨定腹腔鏡直徑可在15 mm 以內(nèi)[15,20]，國內(nèi)前期研制的磁錨定腹腔鏡直徑可至12 mm[17]，但均無法實(shí)現(xiàn)非電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)自由度。與以往國內(nèi)外研究相比，本研究所制磁錨定腹腔鏡不僅體積小，而且利用磁體作用特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)非電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)自由度。

本研究設(shè)計(jì)了一種面向LESS 手術(shù)應(yīng)用的水平式微型磁錨定腹腔鏡，其具體優(yōu)勢在于：① 可順利通過12 mm 傳統(tǒng)腔鏡戳卡進(jìn)入腹腔內(nèi)，有助于LESS 手術(shù)微創(chuàng)性的提高；② 通過與體外磁錨定單元配合，可實(shí)現(xiàn)腹腔內(nèi)的錨定、導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)，同時(shí)利用“懸垂法”可實(shí)現(xiàn)非電機(jī)驅(qū)動(dòng)的30°傾角，獲得目標(biāo)視場，設(shè)計(jì)輕便、巧妙。該裝置的推廣應(yīng)用對提高當(dāng)前LESS 手術(shù)的微創(chuàng)性及操作性有重要意義。