文|干酪派讲解员
编辑|干酪派讲解员
微创手术的兴起和进步显著改善了患者的预后，但其技术挑战尚未克服，机器人手术为人体工程学挑战提供了一些补偿，因为缩回通常需要额外的机械臂，这使得整个系统的成本更高。
作为肝脏回缩的执行器，可展开的结构锚定绳子或带子，以促进肝脏的提升或侧向折叠，为目标上腹部手术创造足够的工作空间。
解决方案具有显著的潜力，可实现改善的肝脏回缩，同时最小的组织损伤和外科医生对手术主要焦点的最小干扰，这在原则上可能是有益的，即使在机器人辅助手术中也是如此。
这项研究的难点是什么？是否能够克服呢？
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●○传统与变革○●
与传统的开放手术相比，无论是手动、腹腔镜器械还是机器人进行的MIS，都具有显著的临床益处，但相反，也存在一些技术挑战。
图像引导的机器人方法通常需要精确的术前图像和患者登记，这在软组织手术中仍然面临重大挑战，即使对于需要较低精度的任务。
在预测性和强大的机器人控制算法在外科手术中变得与工业应用一样准确之前，建议部署智能机电一体化概念，以保证功能源于设计和设计安全。
在MIS中，由于空间和通道有限，为各种程序建立必要的工作区域是一项挑战，为了确保足够的工作区域和能见度，同时限制侵入性，必须收回或抬起手术目标周围的组织和器官。
组织回缩在MIS和机器人辅助MIS中都至关重要，“RAMIS依靠实时成像，使用内窥镜摄像头，提供广角，高分辨率，白光，视频流作为手术部位的主要感官反馈。
机器人铰接器械由外科医生通过依赖于视频流的手术控制台进行操作，在RAMIS中，最受欢迎的达芬奇手术系统经典版本。
这刺激了额外的机电一体化结构的引入，在手术室中占用了更多空间，当安装内腕型牵开器时，控制装置仍然必须从主动控制的第三臂切换到第四臂。
这些都可以通过设计合理的磁卷收器系统来消除，虽然MIS磁锚固的想法并不新鲜，但目前MIS程序中的缩回技术和解决方案缺乏效率和实用性。
先前的研究涉及MIS中的相机和内袋锚定，不仅是回缩，而且所有这些确定的来源都是实验研究，缺乏系统的背景分析来确定磁性组织锚定的边界条件。
图1.拉米斯与达芬奇手术系统一起使用的牵开器系统。
有许多下腹部和上腹部手术需要各种形式和程度的组织回缩，下腹部手术包括子宫切除术、前列腺切除术、结肠切除术和疝气修复术。
肠道可以通过使用额外的切口来回缩，其中辅助外科医生使用额外的机械腹腔镜器械在手术的某些部分回缩肠道。
图2.MIS中使用的牵开器。
通过优化用于回缩的器械可以提高回缩的效率，其中一个例子是充气无创伤牵开器或磁锚，外科医生可以通过它巧妙地处理组织，这些在安全插入、部署和缩回方面带来了许多工程设计和应用挑战。
磁感应和致动应用于从触觉传感器到胶囊内镜检查的一系列侵入性医，除非考虑使用磁共振成像套件，否则将其引入手术室并不涉及额外的复杂性。
图3.Levita Magnetics 的机器人平台
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●○实验动机○●
肝脏是一个脆弱的组织，通常采用常见的MIS手术，如胆囊切除术，侵入性更小、更有效的肝脏驱动和稳定解决方案将减少组织损伤，改善患者预后，从而显著减少住院时间，从而减少住院费用。
这将极大地影响外科医生和外科工作人员的工作，为他们提供更易于应用的肝脏回缩解决方案，减少技术挑战，并减少术中精神压力。
这使外科医生能够专注于主要的手术任务，减少干扰，许多临床医生不愿意使用传统的肝脏牵开器，因为它们与新的MIS工具设计解决方案不切实际。
图4.（a） 磁锚固和驱动系统的初步设计概念
鼓励他们在不影响手术质量的情况下充分回缩肝脏，自主机器人解决方案的开发是许多研究计划的重点，而改进的手动工具已经可以显著提高MIS程序的能力，从而有可能改善临床结果。
除了被动回缩外，通过适当稳定的主动力施加，还可以实现连续操作，如目前的一些概念所示，一篇研究论文还提出了微型机器人的概念，这些机器人可以在强大的外部磁力的帮助下进行内部缩回。
图5.在英斯特朗双柱台式测试系统上测试磁力随距离变化的实验装置
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●○实验方法和数值结果○●
工程设计是通过确定临床和用户要求来启动的，得出的结论是，对于不同的手术方法，这些要求是相同的，在MIS和RAMIS期间，许多组织通过牵开器处理。
在肝脏、胃和肠道等大腹部器官中，选择肝脏是因为它覆盖并阻碍了腹部手术的最大工作空间，以及自由度驱动，由于其大尺寸，缩回已经造成了重大挑战。
图6.磁力曲线作为 24 kg 拉力 N52 钕磁铁与具有相同尺寸的银钢或低碳钢靶标之间距离的函数。
这已经达到了原始达芬奇工具的物理极限，一种新的肝脏回缩工具设计可以专注于实现肝叶的充分提升，右叶的提升对于胆囊切除术是必要的，其中Calot三角形需要明确暴露，左叶的提升对于需要暴露的减肥手术。
通过这些力已经保证了稳定性，在操作过程中，工具上通常预计有10 N的力限制，该结构可以承受这些。研究的早期阶段没有考虑临床和医疗设备要求，磁铁还可以充当传感器，提供有关目标位置和牢固定位的基本安全信息，或者在极端情况下，可以移动/稳定目标区域。
图7.选择的形状，尺寸和两种不同的磁性材料用于该实验，以对抗45公斤的拉力钕磁铁。
通过外部磁力运动是胶囊内镜检查和微型游泳者解决方案的当前解决方案，MRI对人体的一般磁性进行了彻底的研究。
磁性解决方案的基本思想是设计一种可插入的磁性结构，可以作为肝脏操作的内部锚点，以便在回缩期间腹壁可以保持完整。
在这个概念中，可插入磁性结构和外部磁铁之间的距离将相当于腹壁厚度，需要保持足够的磁力，以便内部结构能够承受肝脏的重量。
图8.英斯特朗机器上的实验装置使用三种不同形状和尺寸的银钢和 25 kg 拉力钕磁铁作为目标试样与 45 kg 拉力钕磁铁
应该注意的是，壁厚和生理参数因患者而异，范围很广，这种特殊的解决方案可以由多个内部棒磁铁组成，每个磁铁由位于人体外部的磁铁外部锚定。
内部杆磁铁可以用作可调节琴弦的内部锚点，然后通过在其下方箍或使用鳄鱼夹抓住肝脏下方横膈膜的右壳来缩回肝脏，以促进肝脏的侧向折叠。
为了防止内部磁铁相互碰撞，这些棒状磁铁可以通过限制其运动范围的关节和连杆相互连接。
图9.通过改变 45 kg 拉力钕磁铁与短钢棒、长钢棒、钢盘和圆盘磁铁的目标试样之间的距离产生的力曲线
这将导致单个可展开的结构将通过直径为10毫米的穿刺器端口插入和移除，这样的设计理念在进行详细设计之前，必须对磁性技术的可行性进行严格评估。
由于知道磁力随距离的变化而显着变化，因此必须找到磁力要求，这是通过获得腹壁厚度平均解剖距离的临床数据来实现的。
实验工作旨在模拟磁力作为距离的函数，各种磁性和铁磁目标标本的使用以及环境介质的影响。实验结果有望为磁致动器系统的详细设计提供批判性评估的基础。
图 10.实验装置以 45 公斤拉力钕磁铁、25 公斤拉力钕磁铁为目标标本，中间放一袋 20 毫米厚的鸡肝丁。
实验是在英斯特朗机电万能试验机上进行的，该试验机可以进行各种拉伸和压缩测试。
通过将永磁体连接到仪器的小腿，将目标标本连接到仪器的大腿上，我们以高精度测试了磁力作为距离的函数。
可以通过用户界面调整、测量和改变大腿和小腿之间的距离，包含数据采集速率为500 Hz的称重传感器。
图 11.45 kg 拉力钕磁铁和 25 kg 拉力钕磁铁作为目标标本之间的力曲线，中间有和没有放置一袋 20 毫米厚的鸡肝丁
这些结果表明，使用短钢试样时产生的力最弱，紧随其后的是长钢试样。需要注意的是，目标钢试样的受力结果并不随体积的增加而线性增加。钢盘产生的力明显强于任何钢棒，与圆盘磁铁相比，力要弱得多。
进行的实验中的每一个都提供了有关磁性技术和该技术在本项目中使用方向的显著发现。
图 12.标记钕棒磁铁的两极，以便在连接到大腿时，盘形磁铁和杆磁铁之间的相对极彼此面对
目标试样的大小和形状显示出略微更显著的差异，其中发现力不一定随着体积的增加而线性增加，但垂直于磁力线的面积更重要。
这在短棒磁铁和长棒磁铁之间尤其明显，前者具有较大的体积但垂直于磁力线的较小面积，因此性能略差于体积较小但垂直于磁力线的面积较大的长棒磁铁。
图 13.实验装置将棒磁铁连接到大腿上，北极朝向大腿，中心轴向对齐。
尽管这种形状的钢试样的变化对力结果产生了影响，但由钢与钕磁铁制成的目标试样之间的力值变化导致差异大了一个数量级。
可以得出结论，将磁性材料用于可展开结构的框架要有效得多，非铁磁性组织对磁场几乎没有影响，软组织的数量，包括皮肤、肌肉和脂肪，不会显著削弱磁力。
选择最强的径向磁化N52钕棒磁铁作为目标试样，该试样仍然可以舒适地安装在10毫米标准穿刺器中。
图 14.由 45 kg 拉力圆盘磁铁和 6.9 kg 拉力直径磁化棒磁铁产生的力曲线。
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●○详细设计○●
这种锚固结构将包含锚点，条带或带可以连接到这些锚点，或者鳄鱼夹可以连接到绳子或带子的末端，抓住肝脏下方横膈膜的右壳。
接头允许两个自由度，偏航和俯仰，但不允许滚动，滚动受到限制，因为棒磁铁的滚动意味着径向磁化棒可以改变其极方向，导致磁吸引力减弱，如果杆滚动超过 90 度，甚至排斥。
图 15.提出的设计概念是将内部杆磁铁相互连接，允许偏航和俯仰旋转。
该设备将具有标称的北侧和南侧，每个磁铁在组装时都必须粘附在上面，由于实验和模拟结果表明，考虑到20 mm腹壁厚度，三块杆状磁铁能够提供足够的向上力来支撑肝脏，因此在该原型设计中，使用了三个磁铁。
磁铁将在每个连接特征处通过三个接头串联连接，靠近磁铁的两个接头将允许偏航，中间的接头将允许俯仰。
上述详细的接头还允许灵活地在杆磁铁上保持垂直力，因为它们具有柔韧性，甚至倾斜的力也会使耦合的磁体对自对准。
图 16.侧视图和顶视图的活动关节图示，分别允许腹壁曲线拟合和程序设置调整。
对连接特征进行了一些角度约束，而不是允许全范围的旋转，主要是为了防止棒状磁铁相互碰撞或彼此靠得太近，因为它们之间的磁力会危及设备的结构完整性，导致应力升高，甚至可能导致结构失效。
限制运动范围的主要原因是防止棒磁铁彼此靠得太近或相互碰撞，如果处理不当，会对设备或患者或手术人员造成损坏。
图 17.通过在俯仰和偏航关节中提供有限的自由度来实现自对准。
外部磁盘磁铁也存在相同的磁碰撞危险，为了防止这种情况，为外部圆盘磁铁开发了一种合成橡胶外壳。
合成橡胶外壳允许一些俯仰和偏航旋转，以确保磁铁相对于彼此的可重新定位性，但保护它们不会相互碰撞。
外部钕盘磁铁可以紧密安装到为其设计的孔中，其中可以使用胶水或固定化合物将磁铁固定在外壳中，组装好的外部外壳将能够跟随腹部曲率，其插图包括整个缩回系统。
图 18.详细的磁锚结构的CAD模型装配，以及CAD装配的等轴测视图;一些关节略微弯曲，以说明应用时的潜在形状。
外壳和内部锚固结构的长度和接头分布相匹配，从而在实现最大磁性附着强度潜力的同时，整个系统形状可调以满足程序和解剖学需求。
外壳不会受到高机械力的影响，因为它只会稍微弯曲以遵循内部锚固结构的位置对齐要求，只有由于每个外部磁盘磁铁之间的磁力才会发生高力，如果磁盘磁铁彼此保持适当的距离，这是外部外壳的主要目的。
图 19.接头 1 和接头 2 的横截面。
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●○讨论○●
作为我们正在进行的研究的一部分，提出了一种创新的肝脏回缩解决方案，其非侵入性磁锚主要用于手动腹腔镜手术。
一旦设备建成、测试并通过临床和监管批准程序，所提出的解决方案就有可能产生重大的临床影响。
图 20.关节 1 和关节 2 的分解图和剖视图，显示了关节设计中固有的角节点旋转约束。
这可能会改变上腹部手术的实施方法，因为肝回缩仍然是技术和外科手术的重大挑战，尽量减少组织损伤并增加卡洛特三角形或裂孔的可见性和暴露是主要关注焦点，同时开发拟议的肝脏回缩解决方案。
提出磁锚固可以完全消除在腹壁上任何额外切口的需要，从而显着降低术后疝气发展的几率，通过不抓住或刺穿肝脏进行回缩，也可以减少内部组织损伤。
图 21.设备从侧面和顶视图的运动范围。
唯一的内部组织损伤是在膜片的右侧凹陷处造成的，以防使用第一个建议的弦/带解决方案，这种最小的组织损伤甚至可以通过使用不同的技术将肝脏吸引到内部锚定结构的伴随的弦/带溶液来进一步减少。
通过在肝脏周围循环而无需抓住横膈膜，所提出的具有三个内部锚定带的解决方案将充分折叠肝脏的任何一个叶，以在工作空间中提供足够大的可见性。
在更大的范围内，磁性锚固解决方案可以应用于一系列其他程序，并调整随附的夹具，几乎可以进行任何其他组织回缩。
图 22.用于外部圆盘磁铁的合成橡胶外壳，防止碰撞并允许每个圆盘磁铁相对于相邻磁盘磁铁的灵活性
可以说缩回的未来是机器人的，因为许多研究实验已经提出了自主执行这些任务或在机器人支持下执行这些任务的方法，即使在这些未来的情况下，也需要先进的卷收器设计。
创建一个详细的医疗设备设计和一种适用于肝脏回缩的磁性锚固系统，理论上用于手动或机器人辅助手术。
这项初步研究的主要目的是调查该方法的可行性、安全性和有效性，在上腹部手术中，肝脏回缩是一个重大挑战，足以将肝脏从手术部位抬起，而不会对手术人员造成明显的组织损伤和过度的技术挑战。
图 23.使用场景中的完整锚固系统 CAD 模型装配图示。
参考文献：
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普雷斯蒂斯，马萨诸塞州霍塔林，贡萨尔维斯，北卡罗来纳州法比亚诺，俄亥俄州乌尔根，菲奥里尼，穆拉维，奥尔谢夫斯卡，海德格尔，T.：伦理驱动的机器人和自动化系统的第一个全球本体论标准。 2021
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