基于磁锚定技术的减戳孔腔镜手术内置抓钳的设计

史爱华 ，马思捷 , ，付珊 , ，张勇 , ，白纪刚 , ，张欣，马锋 ，吕毅 , ，严小鹏 , 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研究中心，西安市，71001 陕西省再生医学与外科工程研究中心，西安市，71001 西安交通大学 启德书院，西安市，71001 西安交通大学 第一附属医院 胸外科，西安市，71001 西安交通大学 第一附属医院 肝胆外科，西安市，71001 中国科学院 合肥物质科学研究院 强磁场科学中心，合肥市，001

0 引言

损伤控制是外科手术的基本原则之一。腔镜技术的出现引发了现代外科的巨大变革，也为损伤控制理念找到了新的临床实践途径。减戳孔是腔镜手术再微创化的有效方法[1-2]。单孔腔镜手术借助特殊的设备使腔镜操作器械通过一个戳卡通道即可进行操作，可进一步减少手术切口创伤，但其弊端也很明显：腔镜操作器械平行而入，相互干扰，难以形成操作三角，影响术野显露和操作[3]。总之，由于单孔腔镜技术本身的局限性、专用器械研发的滞后性和昂贵的手术器械费用等因素，单孔腔镜手术在临床上并未广泛开展。

磁外科（Magnetic Surgery，MS）在经历了实验验证阶段、自由探索阶段后，目前已进入学科建设阶段，并初步形成了以磁压榨技术（Magnetic Compression Technique，MCT）、磁锚定技术（Magnetic Anchor Technique，MAT）、磁导航技术（Magnetic Navigation Technique，MNT）、磁悬浮技术（Magnetic Levitation Technique，MLT）、磁示踪技术（Magnetic Tracer Technique，MTT）为核心的临床应用体系[4]。磁外科相关技术已用于胃肠道吻合[5-7]、血管吻合[8-9]、胆道狭窄疏通[10]、直肠阴道瘘修补[11-13]、消化道瘘动物模型制备[14-15]、辅助内镜下黏膜切除术[16]，显示出巨大的临床应用潜力。磁锚定技术（MAT）作为磁外科重要的临床应用方向之一，尤其是减戳孔腔镜手术在再微创化手术中发挥重要作用。磁锚定减戳孔腔镜手术在胆囊切除[17]、阑尾切除[18]、结直肠切除[19]中已有报道，这些均属于外锚定的范畴，即利用体外锚定磁体对腹腔内靶磁体进行锚定牵引，以达到充分显露术野的目的。国内基于磁锚定的减戳孔腔镜手术报道较少，且没有相关医疗器械产品。本文基于团队多年来在磁外科方面研究的基础上提出了一种磁锚定减戳孔腔镜手术内置抓钳的设计方案，现介绍如下。

1 设计思路

该内置抓钳采用三组件设计，针对体内靶磁体采用磁屏蔽技术，以求在尺寸和磁力间获得最佳性能的平衡，且能避免腹腔内各操作器械受靶磁体的磁力干扰。由螺帽和螺杆构成的连接组件能够调节内置抓钳的长度，以满足腹腔和胸腔不同环境下的使用需求。组织抓钳采用特殊的曲臂保护结构可避免抓钳臂造成的副损伤，方便置入和取出。

2 基本结构

基于磁锚定技术的减戳孔腔镜手术内置抓钳的基本结构包括三部分：靶磁体、连接组件、组织抓钳。

2.1 靶磁体

靶磁体的结构如图1所示，由内部磁核加外部磁屏蔽壳组装而成。为获取更大的磁力，内部的磁核采用高性能钕铁硼永磁材料精加工而成，磁核表面氮化钛镀层。磁核基本形状为圆柱体，磁体直径8～10 mm，磁核的高度可为其直径的1.5～2倍。外部磁屏蔽壳采用高导磁率的金属如电工纯铁、坡莫合金等加工而成，为头端开口、底端为半球形的类圆柱状金属壳，金属壳侧壁厚度为1 mm，在半球形磁屏蔽壳底端正中有螺孔，用于和连接组件组合，整个壳体氮化钛镀层处理。

图1 靶磁体结构示意图Fig. 1 Structure diagram of the target magnet

2.2 连接组件

连接组件的主要功能是一方面对靶磁体和组织抓钳起连接作用，另一方面可根据需要调节整个内置抓钳的长度，以满足腹腔、胸腔等不同环境以及因个体因素造成的手术操作空间大小不同的差异性需求。连接组件由螺孔和螺杆两部分组成，如图2所示。连接组件头端的螺杆与磁屏蔽壳底端正中的螺孔相匹配。连接组件尾端的螺孔用于和组织抓钳相互连接。整个连接组件由非顺磁性金属材料如钛合金、铝合金、铜、高分子材料等加工而成。

图2 连接组件结构示意图Fig. 2 Structure diagram of the connection component

2.3 组织抓钳

组织抓钳的结构如图3所示。组织抓钳由扭转弹簧提供弹性张力，头端为上下相互啮合的无损伤齿纹结构，尾端有曲臂结构。曲臂的功能在于防止组织抓钳钳臂对体内的组织器官造成副损伤。曲臂结构正中有螺杆，可以与连接组件尾端的螺孔相互耦合连接。与曲臂结构一体的是固定钳臂，与固定钳臂对应的是活动钳臂，在固定钳臂和活动钳臂上开有凹形钳夹口，用于方便手术时抓持。活动钳臂和固定钳臂依靠锚定连接一体，活动钳臂远端的活动钳口和固定钳臂远端的固定钳口有无损伤齿图纹结构。图3为组织抓钳钳口闭合状态的结构示意图，图4为组织抓钳钳口张开状态的结构示意图。图5为内置（组织）抓钳组装后示意图。组织抓钳由非顺磁性金属材料加工。

3 使用过程

（1） 腹壁或胸壁戳孔建立后，探查腹腔或胸腔，预判手术中可能需要的内置抓钳的长度，通过改变加载的连接组件的数量可调整整个内置抓钳处于合适的长度。将靶磁体、连接组件和组织抓钳组装起来，如图5所示，经戳卡置入内置抓钳。

图3 组织抓钳闭合状态示意图Fig.3 Schematic diagram of closed state of tissue grasper

图4 组织抓钳张开状态示意图Fig.4 Schematic diagram of opened state of tissue grasper

图5 内置抓钳组装完成后的示意图Fig.5 Schematic diagram of complete assembly of the internal grasper

（2）腔镜抓钳抓持组织抓钳的钳夹口，使组织抓钳头端张开，钳夹于需要锚定牵拉的组织上，腹部或胸壁外放置锚定磁体，锚定磁体与靶磁体相吸，改变体外锚定磁体的位置可调节体内内置抓钳的牵拉方向和牵拉力度。

（3）术中根据需要可更换组织抓钳的钳夹部位。

（4）手术完毕，移除体外锚定磁体，腔镜抓钳置于靶磁体工作面，依靠磁性吸力腔镜抓钳可引导整个内置抓钳经戳卡取出体外。

4 结语

磁锚定减戳孔腔镜手术临床推进的关键在于合适的内置抓钳。合理的内置抓钳设计在性能上应满足以下几点：第一，内置抓钳的轴向尺寸略小于戳卡内径，以方便置入和取出；第二，长度可调，以满足不同腔镜手术和患者个体差异的需要；第三，方便腹腔镜对器官夹持部位的切换和调整。本文介绍的磁锚定内置抓钳通过结构上的优化设计巧妙解决了上述问题。①靶磁体屏蔽技术既解决了因轴向尺寸限制而导致的磁力不足，又能够对靶磁体非工作面磁场进行屏蔽，减少腹腔内器械之间的磁力干扰；②连接组件采用螺孔螺杆结构设计，能够对整个内置抓钳的长度进行调节，可满足不同部位的应用需求；③组织抓钳末端的弧形曲臂可避免组织抓钳钳臂对腹腔组织造成的副损伤，抓钳臂上的凹形钳夹口可有效防止钳夹组织抓钳时出现滑脱现象，有利于调整组织抓钳的钳夹位置。该内置抓钳目前尚处于设计研发阶段，在经过一系列磁力学性能测试、结构参数优化后将进行动物实验验证和临床初步试用。