【作 者】 吴阳 ,艾克山江·艾力亚尔，冯慧，蔡逸帆，张凌梓，张宇航，丁泓帆，王善佩，董鼎辉，吕毅，马涛

1 西安交通大学 精准外科与再生医学国家地方联合工程研究中心，西安市，710000

2 西安交通大学第一附属医院 陕西省再生医学与外科工程研究中心，西安市，710000

3 西安交通大学第一附属医院 肝胆外科，西安市，710000

4 西安交通大学 宗濂书院，西安市，710000

5 西安交通大学第一附属医院 心血管外科，西安市，710000

0 引言

随着腔镜技术的发展，微创外科已发展成为当今外科治疗的主流，相较于以往开放式的手术操作，微创外科以其术后疼痛轻、美容效果好、对患者的创伤小等优势获得了医生和患者的广泛认同[1]。然而，外科医生对于微创手术的追求并未就此停止，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（laparoendoscopic single-site surgery,LESS）应运而生，将以往3～5个手术切口减少到了1个。然而，因为多个腔镜器械只能从同一个戳卡置入，戳卡的直径不得不增大到20～25 mm，并未达到理想的微创效果，且单戳卡不利于操作三角的形成，增大了操作难度[2]。

近年来，磁外科（magnetic surgery）蓬勃发展，磁锚定技术（magnetic anchor technique,MAT）作为其重要组成部分为解决单孔腹腔镜在临床上的窘境带来了新的曙光。MAT利用磁体与磁体，或磁体与顺磁性物质之间的磁场吸引力，使锚定磁体对靶磁体进行非接触性空间锚定的技术[3]。基于该技术的磁锚定视频系统，可通过体外磁体实现视频系统在腹腔内的定位、导航，不占或少占用戳卡空间，进而缩小伤口大小，避免器械间的互相干扰，是改善LESS操作性、微创性的有效方式[4]。下面回顾磁锚定腹腔视频系统的研究状况并展望其未来发展方向。

1 磁锚定腹腔视频系统的发展历史

CADEDDU团队于2007年最早提出磁锚定导航系统（magnetic anchoring and guidance system,MAGS），并通过所研发的磁锚定抓钳与磁锚定腹腔镜在实验猪上完成了两例减戳卡腹腔镜肾切除术。术中在外磁体的控制下，磁锚定腹腔镜可不占用戳卡空间，避免了术中腹腔视频系统对于手术的干扰（见图1）[5]。磁锚定腹腔镜体内部分包括相机（见图2）、外壳和内部MAGS，总重量为35 g，直径为15 mm。随后该团队用该磁锚定腹腔镜和磁锚定机器人手臂烧灼器实现了单戳卡的腹腔镜肾切除术[6]和完全经阴道胆囊切除术[7]。在使用过程中碰到如下问题：相机焦距固定，所以定位较困难；图像因摄像头雾化而明显受损；由于其相机不是专为外科手术设计的，其分辨率低于传统的腹腔镜。该磁锚定腹腔镜由于外磁体磁力的限制，腹壁厚度超过2.5 cm时将影响磁体锚定的有效性。

在接下来的几年里，该团队对原来的磁锚定相机进行了改进，新一代MAGS相机[8]的成像元件和永磁体被安置在一个金属外壳中（尺寸为Φ15 mm×80 mm；重65 g），并有一个用于信号和能量传输的单线绳（直径2.5 mm），其镜头具有30°倾角，如图3所示。与常规腹腔镜相比，新一代MAGS相机减少了实验猪肾切除手术[9]和膀胱造口闭合术[10]的工作量；与传统单孔腹腔镜胆囊切除相比，MAGS相机形成了更好的操作三角，降低了手术难度[11]。由于使用了高质量的医疗级成像元件，相机分辨率明显提高。但受到腹壁厚度限制的问题仍没有得到解决。且此类相机只能以固定的角度在腹腔内移动，视角单一，能够获得的手术视野较为有限。

2012年，TERRY等[12]设计了一个具有摄像系统的单孔腹腔镜机器人，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，因此特别适用于肥胖患者。图4为该腹腔镜的工作状态示意。除磁铁控制的运动外，应用了电机驱动的视场调节技术，有3个电机驱动的自由度，能够灵活地从各个视角采集到手术区域的图像，增大了手术的视野，减少了器械与视频系统之间的干扰，但同时也使得设备体积大（32 mm×29 mm×129 mm）且腹腔内灵活性差。BEST等[13]研制了少自由度磁锚定的横式腹腔镜，尺寸为Φ20 mm×60 mm，相对减小了体积和重量。图5显示该少自由度磁锚定腹腔镜的CAD模型，图6显示该腹腔镜在腹腔内的效果。其摄像头为30°倾斜，横式腹腔镜的设计使它不需要专门的助手保持相机的位置。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。

国内开展相关研究的人员有磁外科专家吕毅教授及其团队，近几年也获得了较大进展[14-15]，2017年封海波等设计了一种用于LESS的体内视觉机器人，应用了专为单孔腹腔镜手术设计的立体视觉控制系统。

机器人的自由度包括3个被动自由度（绕圆柱运动和2个方向的位移）和2个主动自由度（滚动和滑动）。机器人分为有线和无线两种，原型Ⅰ（Φ20 mm×80 mm）采用电缆供电；原型Ⅱ（Φ20 mm×110 mm）采用可充电电池单元供电[16]。与其他磁锚定腹腔视频设备相比，该视觉机器人还提供了清洁镜头的能力，解决了镜头雾化的问题。但是对于原型Ⅱ，一旦机器人与外磁体脱落，就必须终止LESS手术，开腹取出掉入腹腔的视觉机器人，而有线的原型Ⅰ可以通过牵拉电缆线实现内外磁体的重新锚定。图7为视觉机器人的组成示意。

本研究团队设计出了第一个能通过10 mm戳卡的微型磁锚定相机[17-19]，并于2019年在此基础上设计了一种面向 LESS手术的水平式微型磁锚定腹腔镜[4]。本水平式微型磁锚定腹腔镜设计如图8所示，圆柱状壳体尺寸为Φ7 mm×30 mm，壳体外固定定向磁体。相较其他视频器械，该相机有如下优点：①可顺利通过12 mm传统腔镜戳卡进入腹腔，显著提高了LESS手术的微创性；②利用“悬垂法”移开定向磁体对应的体外磁体，在重力作用下可实现非电机驱动的30°倾角，以提供目标视场的变换。但由于体积的限制，不具备清洗镜头的功能。

2 磁锚定腹腔视频系统的研究现状

自2007年CADEDDU团队提出将磁性锚定与导航技术应用于腹腔镜手术器械以来，小型化、可操作性强、智能化始终是其研发的方向。

当前磁锚定腹腔视频系统可分为两类：一类是磁锚定视频机器人[12，20]；另一类是磁锚定腹腔镜[8-9]。两者的区别在于：前者结构中存在电机驱动自由度；后者则不具备上述特征，结构相对简单。磁锚定视频机器人更注重智能化，磁锚定腹腔镜则更注重微型化。既往国外磁锚定腹腔视频系统研究的主要方向是“机器人”式装置[12，20]，国内相关研究也紧随其后[14-16]。因其具有电机驱动的自由度，可以灵活调节视场，极大地满足了手术者对视野的需求。但此类磁锚定视频器械有一共同的不足之处，因其采用电机驱动及无线控制设计，相机体积相对庞大，内部组件收缩状态下体积达32 mm×29 mm×129 mm[12]，尽管最近的研究体积减小到Φ20 mm×80 mm[16]，手术戳卡直径仍需增大，导致微创性不足。伴随着人们对微创手术理解的不断深入，磁锚定腹腔镜的研究也逐渐受到重视。研制的磁锚定腹腔镜体积不断缩小以满足微创的需要，目前，国外研制的磁锚定腹腔镜直径可在15 mm以内[8-11]，国内最新研制的磁锚定腹腔镜直径可至12 mm以下[4]，意味着国内研制的磁锚定腹腔镜可顺利通过传统腹腔镜戳卡进入腹腔内，应用范围更加广泛。

随着研究的不断深入，最初的几个问题陆续得到了解决，磁锚定相机的功能也在不断丰富。首先是相机部分，医疗专用相机使获得的图像质量明显提高，像传统腹腔镜一样加入了光源——高色温的LED照明模块保证了视野的亮度。磁力随着距离增大而衰减，腹壁厚度超过了一定限度就会限制磁体的使用，使用新型磁材料在一定程度克服了腹壁厚度的问题[21]。此外，TUGWELL等[22]将永磁体与电磁控制技术结合形成电永磁铁，必要时可关闭，具有可控、高力等优点，并研究证明了控制系统耦合距离的能力，以缓解目前的磁耦合方法由于腹壁厚度的变化而存在的缺点。由于人体内环境的影响及手术过程中组织液及血液的存在，摄像机镜头上会不可避免地附着水蒸气和污渍，会严重影响成像的质量，一些新型设备提供了清洗镜头的装置以避免手术过程中镜头的雾化带来的干扰[11，16]。大部分微型相机视角单一，一些新型相机在保留小型化的同时利用巧妙的设计实现了非电机驱动的运动自由度[4，17-19]。此外，磁锚定技术与其他技术的结合为其发展开拓了思路，如荧光成像技术成熟应用于肝脏肿瘤术中精准定位，可大大提高腹腔镜下肿瘤切除的准确性，在微创外科中具有重要意义[23]。本研究团队将磁锚定技术与荧光成像技术结合，研制出一套磁锚定荧光腹腔镜，可进一步实现肝脏肿瘤切除手术中诊断微创化及精准化。

磁锚定腹腔视频系统在蓬勃发展的同时仍然面临一定的挑战，如果要实现临床的广泛应用，必须解决眼下的几个问题：①MAGS腹腔镜在实现多功能性的同时不可避免地会导致体积增大，如何权衡微创性和多功能性是设计者需要进一步思考的问题，如调节视场角度和清洗镜头的功能等。②磁力在距离上呈指数级衰减，磁力的强度会根据患者腹部厚度而变化。患者肥胖程度等仍然是制约磁锚定技术临床应用的重要因素[24]。另外，使用磁锚定技术时须计算所需的磁力，避免磁力过大引起组织损伤。因此，未来磁锚定技术需要在靶磁体、锚定磁体的设计等方面进一步深入研究。③虽然目前磁场对人体影响多为正面报道[25-26]，但是在大规模应用于临床之前，磁场对机体的电生理活动及细胞学行为的剂量-效应关系仍须进一步研究。④磁锚定腹腔视频系统目前有内置电源和通过导线外置电源两种方式。外置电源的优点是减小了机器人的体积和重量，但是由于导线的存在，一定程度上降低了机器人移动的灵活性；内置电源的优点是无线传输，不占用戳卡空间，同时避免了机器人移动时导线的干扰，但增加了机器人的体积和重量。两者孰优孰劣尚无定论，但都需要让腹腔内视频器械的部署和回收简单可靠。⑤各类磁锚定器械同时使用时磁体之间存在一定的相互干扰，目前主要通过磁体间保持足够的距离来避免这种干扰。但如何减少甚至避免多个磁铁距离较近时的相互干扰仍然是磁锚定技术发展亟待解决的问题。

3 结语

磁锚定腹腔视频系统是微创外科中最有前途的创新技术之一，特别是在单孔腹腔镜手术领域。这项技术可以减小用于进出摄像系统的戳卡尺寸，避免术中摄像系统对手术的干扰，还可以减少手术医生和助手的工作量。不仅适用于腹腔手术，并可能满足胸腔手术在视觉效果和手术性能方面的特殊需求[27]，在其他可以使用腔镜的手术领域具有广阔的应用前景[28]。可以预见的是，更多的磁锚定视频设备将会被研发用于不同的腔镜手术，为更多患者带来更加微创、直观的手术效果。