文|芝士派講解員
編輯|芝士派講解員
微創手術的興起和進步顯著改善了患者的預後，但其技術挑戰尚未克服，機器人手術為人體工程學挑戰提供了一些補償，因為縮回通常需要額外的機械臂，這使得整個系統的成本更高。
作為肝臟回縮的執行器，可展開的結構錨定繩子或帶子，以促進肝臟的提升或側向摺疊，為目標上腹部手術創造足夠的工作空間。
解決方案具有顯著的潛力，可實現改善的肝臟回縮，同時最小的組織損傷和外科醫生對手術主要焦點的最小干擾，這在原則上可能是有益的，即使在機器人輔助手術中也是如此。
這項研究的難點是什麼？是否能夠克服呢？
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●○傳統與變革○●
與傳統的開放手術相比，無論是手動、腹腔鏡器械還是機器人進行的MIS，都具有顯著的臨床益處，但相反，也存在一些技術挑戰。
圖像引導的機器人方法通常需要精確的術前圖像和患者登記，這在軟組織手術中仍然面臨重大挑戰，即使對於需要較低精度的任務。
在預測性和強大的機器人控制演算法在外科手術中變得與工業應用一樣準確之前，建議部署智能機電一體化概念，以保證功能源於設計和設計安全。
在MIS中，由於空間和通道有限，為各種程序建立必要的工作區域是一項挑戰，為了確保足夠的工作區域和能見度，同時限制侵入性，必須收回或抬起手術目標周圍的組織和器官。
組織回縮在MIS和機器人輔助MIS中都至關重要，「RAMIS依靠實時成像，使用內窺鏡攝像頭，提供廣角，高解析度，白光，視頻流作為手術部位的主要感官反饋。
機器人鉸接器械由外科醫生通過依賴於視頻流的手術控制台進行操作，在RAMIS中，最受歡迎的達芬奇手術系統經典版本。
這刺激了額外的機電一體化結構的引入，在手術室中佔用了更多空間，當安裝內腕型牽開器時，控制裝置仍然必須從主動控制的第三臂切換到第四臂。
這些都可以通過設計合理的磁卷收器系統來消除，雖然MIS磁錨固的想法並不新鮮，但目前MIS程序中的縮回技術和解決方案缺乏效率和實用性。
先前的研究涉及MIS中的相機和內袋錨定，不僅是回縮，而且所有這些確定的來源都是實驗研究，缺乏系統的背景分析來確定磁性組織錨定的邊界條件。
圖1.拉米斯與達芬奇手術系統一起使用的牽開器系統。
有許多下腹部和上腹部手術需要各種形式和程度的組織回縮，下腹部手術包括子宮切除術、前列腺切除術、結腸切除術和疝氣修復術。
腸道可以通過使用額外的切口來回縮，其中輔助外科醫生使用額外的機械腹腔鏡器械在手術的某些部分回縮腸道。
圖2.MIS中使用的牽開器。
通過優化用於回縮的器械可以提高回縮的效率，其中一個例子是充氣無創傷牽開器或磁錨，外科醫生可以通過它巧妙地處理組織，這些在安全插入、部署和縮回方面帶來了許多工程設計和應用挑戰。
磁感應和致動應用於從觸覺感測器到膠囊內鏡檢查的一系列侵入性醫，除非考慮使用磁共振成像套件，否則將其引入手術室並不涉及額外的複雜性。
圖3.Levita Magnetics 的機器人平台
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●○實驗動機○●
肝臟是一個脆弱的組織，通常採用常見的MIS手術，如膽囊切除術，侵入性更小、更有效的肝臟驅動和穩定解決方案將減少組織損傷，改善患者預後，從而顯著減少住院時間，從而減少住院費用。
這將極大地影響外科醫生和外科工作人員的工作，為他們提供更易於應用的肝臟回縮解決方案，減少技術挑戰，並減少術中精神壓力。
這使外科醫生能夠專註於主要的手術任務，減少干擾，許多臨床醫生不願意使用傳統的肝臟牽開器，因為它們與新的MIS工具設計解決方案不切實際。
圖4.（a） 磁錨固和驅動系統的初步設計概念
鼓勵他們在不影響手術質量的情況下充分回縮肝臟，自主機器人解決方案的開發是許多研究計劃的重點，而改進的手動工具已經可以顯著提高MIS程序的能力，從而有可能改善臨床結果。
除了被動回縮外，通過適當穩定的主動力施加，還可以實現連續操作，如目前的一些概念所示，一篇研究論文還提出了微型機器人的概念，這些機器人可以在強大的外部磁力的幫助下進行內部縮回。
圖5.在英斯特朗雙柱台式測試系統上測試磁力隨距離變化的實驗裝置
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●○實驗方法和數值結果○●
工程設計是通過確定臨床和用戶要求來啟動的，得出的結論是，對於不同的手術方法，這些要求是相同的，在MIS和RAMIS期間，許多組織通過牽開器處理。
在肝臟、胃和腸道等大腹部器官中，選擇肝臟是因為它覆蓋並阻礙了腹部手術的最大工作空間，以及自由度驅動，由於其大尺寸，縮回已經造成了重大挑戰。
圖6.磁力曲線作為 24 kg 拉力 N52 釹磁鐵與具有相同尺寸的銀鋼或低碳鋼靶標之間距離的函數。
這已經達到了原始達芬奇工具的物理極限，一種新的肝臟回縮工具設計可以專註於實現肝葉的充分提升，右葉的提升對於膽囊切除術是必要的，其中Calot三角形需要明確暴露，左葉的提升對於需要暴露的減肥手術。
通過這些力已經保證了穩定性，在操作過程中，工具上通常預計有10 N的力限制，該結構可以承受這些。研究的早期階段沒有考慮臨床和醫療設備要求，磁鐵還可以充當感測器，提供有關目標位置和牢固定位的基本安全信息，或者在極端情況下，可以移動/穩定目標區域。
圖7.選擇的形狀，尺寸和兩種不同的磁性材料用於該實驗，以對抗45公斤的拉力釹磁鐵。
通過外部磁力運動是膠囊內鏡檢查和微型游泳者解決方案的當前解決方案，MRI對人體的一般磁性進行了徹底的研究。
磁性解決方案的基本思想是設計一種可插入的磁性結構，可以作為肝臟操作的內部錨點，以便在回縮期間腹壁可以保持完整。
在這個概念中，可插入磁性結構和外部磁鐵之間的距離將相當於腹壁厚度，需要保持足夠的磁力，以便內部結構能夠承受肝臟的重量。
圖8.英斯特朗機器上的實驗裝置使用三種不同形狀和尺寸的銀鋼和 25 kg 拉力釹磁鐵作為目標試樣與 45 kg 拉力釹磁鐵
應該注意的是，壁厚和生理參數因患者而異，範圍很廣，這種特殊的解決方案可以由多個內部棒磁鐵組成，每個磁鐵由位於人體外部的磁鐵外部錨定。
內部桿磁鐵可以用作可調節琴弦的內部錨點，然後通過在其下方箍或使用鱷魚夾抓住肝臟下方橫膈膜的右殼來縮回肝臟，以促進肝臟的側向摺疊。
為了防止內部磁鐵相互碰撞，這些棒狀磁鐵可以通過限制其運動範圍的關節和連桿相互連接。
圖9.通過改變 45 kg 拉力釹磁鐵與短鋼棒、長鋼棒、鋼盤和圓盤磁鐵的目標試樣之間的距離產生的力曲線
這將導致單個可展開的結構將通過直徑為10毫米的穿刺器埠插入和移除，這樣的設計理念在進行詳細設計之前，必須對磁性技術的可行性進行嚴格評估。
由於知道磁力隨距離的變化而顯著變化，因此必須找到磁力要求，這是通過獲得腹壁厚度平均解剖距離的臨床數據來實現的。
實驗工作旨在模擬磁力作為距離的函數，各種磁性和鐵磁目標標本的使用以及環境介質的影響。實驗結果有望為磁致動器系統的詳細設計提供批判性評估的基礎。
圖 10.實驗裝置以 45 公斤拉力釹磁鐵、25 公斤拉力釹磁鐵為目標標本，中間放一袋 20 毫米厚的雞肝丁。
實驗是在英斯特朗機電萬能試驗機上進行的，該試驗機可以進行各種拉伸和壓縮測試。
通過將永磁體連接到儀器的小腿，將目標標本連接到儀器的大腿上，我們以高精度測試了磁力作為距離的函數。
可以通過用戶界面調整、測量和改變大腿和小腿之間的距離，包含數據採集速率為500 Hz的稱重感測器。
圖 11.45 kg 拉力釹磁鐵和 25 kg 拉力釹磁鐵作為目標標本之間的力曲線，中間有和沒有放置一袋 20 毫米厚的雞肝丁
這些結果表明，使用短鋼試樣時產生的力最弱，緊隨其後的是長鋼試樣。需要注意的是，目標鋼試樣的受力結果並不隨體積的增加而線性增加。鋼盤產生的力明顯強於任何鋼棒，與圓盤磁鐵相比，力要弱得多。
進行的實驗中的每一個都提供了有關磁性技術和該技術在本項目中使用方向的顯著發現。
圖 12.標記釹棒磁鐵的兩極，以便在連接到大腿時，盤形磁鐵和桿磁鐵之間的相對極彼此面對
目標試樣的大小和形狀顯示出略微更顯著的差異，其中發現力不一定隨著體積的增加而線性增加，但垂直於磁力線的面積更重要。
這在短棒磁鐵和長棒磁鐵之間尤其明顯，前者具有較大的體積但垂直於磁力線的較小面積，因此性能略差於體積較小但垂直於磁力線的面積較大的長棒磁鐵。
圖 13.實驗裝置將棒磁鐵連接到大腿上，北極朝向大腿，中心軸向對齊。
儘管這種形狀的鋼試樣的變化對力結果產生了影響，但由鋼與釹磁鐵製成的目標試樣之間的力值變化導致差異大了一個數量級。
可以得出結論，將磁性材料用於可展開結構的框架要有效得多，非鐵磁性組織對磁場幾乎沒有影響，軟組織的數量，包括皮膚、肌肉和脂肪，不會顯著削弱磁力。
選擇最強的徑向磁化N52釹棒磁鐵作為目標試樣，該試樣仍然可以舒適地安裝在10毫米標準穿刺器中。
圖 14.由 45 kg 拉力圓盤磁鐵和 6.9 kg 拉力直徑磁化棒磁鐵產生的力曲線。
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●○詳細設計○●
這種錨固結構將包含錨點，條帶或帶可以連接到這些錨點，或者鱷魚夾可以連接到繩子或帶子的末端，抓住肝臟下方橫膈膜的右殼。
接頭允許兩個自由度，偏航和俯仰，但不允許滾動，滾動受到限制，因為棒磁鐵的滾動意味著徑向磁化棒可以改變其極方向，導致磁吸引力減弱，如果桿滾動超過 90 度，甚至排斥。
圖 15.提出的設計概念是將內部桿磁鐵相互連接，允許偏航和俯仰旋轉。
該設備將具有標稱的北側和南側，每個磁鐵在組裝時都必須粘附在上面，由於實驗和模擬結果表明，考慮到20 mm腹壁厚度，三塊桿狀磁鐵能夠提供足夠的向上力來支撐肝臟，因此在該原型設計中，使用了三個磁鐵。
磁鐵將在每個連接特徵處通過三個接頭串聯連接，靠近磁鐵的兩個接頭將允許偏航，中間的接頭將允許俯仰。
上述詳細的接頭還允許靈活地在桿磁鐵上保持垂直力，因為它們具有柔韌性，甚至傾斜的力也會使耦合的磁體對自對準。
圖 16.側視圖和頂視圖的活動關節圖示，分別允許腹壁曲線擬合和程序設置調整。
對連接特徵進行了一些角度約束，而不是允許全範圍的旋轉，主要是為了防止棒狀磁鐵相互碰撞或彼此靠得太近，因為它們之間的磁力會危及設備的結構完整性，導致應力升高，甚至可能導致結構失效。
限制運動範圍的主要原因是防止棒磁鐵彼此靠得太近或相互碰撞，如果處理不當，會對設備或患者或手術人員造成損壞。
圖 17.通過在俯仰和偏航關節中提供有限的自由度來實現自對準。
外部磁碟磁鐵也存在相同的磁碰撞危險，為了防止這種情況，為外部圓盤磁鐵開發了一種合成橡膠外殼。
合成橡膠外殼允許一些俯仰和偏航旋轉，以確保磁鐵相對於彼此的可重新定位性，但保護它們不會相互碰撞。
外部釹盤磁鐵可以緊密安裝到為其設計的孔中，其中可以使用膠水或固定化合物將磁鐵固定在外殼中，組裝好的外部外殼將能夠跟隨腹部曲率，其插圖包括整個縮回系統。
圖 18.詳細的磁錨結構的CAD模型裝配，以及CAD裝配的等軸測視圖;一些關節略微彎曲，以說明應用時的潛在形狀。
外殼和內部錨固結構的長度和接頭分布相匹配，從而在實現最大磁性附著強度潛力的同時，整個系統形狀可調以滿足程序和解剖學需求。
外殼不會受到高機械力的影響，因為它只會稍微彎曲以遵循內部錨固結構的位置對齊要求，只有由於每個外部磁碟磁鐵之間的磁力才會發生高力，如果磁碟磁鐵彼此保持適當的距離，這是外部外殼的主要目的。
圖 19.接頭 1 和接頭 2 的橫截面。
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●○討論○●
作為我們正在進行的研究的一部分，提出了一種創新的肝臟回縮解決方案，其非侵入性磁錨主要用於手動腹腔鏡手術。
一旦設備建成、測試並通過臨床和監管批准程序，所提出的解決方案就有可能產生重大的臨床影響。
圖 20.關節 1 和關節 2 的分解圖和剖視圖，顯示了關節設計中固有的角節點旋轉約束。
這可能會改變上腹部手術的實施方法，因為肝回縮仍然是技術和外科手術的重大挑戰，盡量減少組織損傷並增加卡洛特三角形或裂孔的可見性和暴露是主要關注焦點，同時開發擬議的肝臟回縮解決方案。
提出磁錨固可以完全消除在腹壁上任何額外切口的需要，從而顯著降低術後疝氣發展的幾率，通過不抓住或刺穿肝臟進行回縮，也可以減少內部組織損傷。
圖 21.設備從側面和頂視圖的運動範圍。
唯一的內部組織損傷是在膜片的右側凹陷處造成的，以防使用第一個建議的弦/帶解決方案，這種最小的組織損傷甚至可以通過使用不同的技術將肝臟吸引到內部錨定結構的伴隨的弦/帶溶液來進一步減少。
通過在肝臟周圍循環而無需抓住橫膈膜，所提出的具有三個內部錨定帶的解決方案將充分摺疊肝臟的任何一個葉，以在工作空間中提供足夠大的可見性。
在更大的範圍內，磁性錨固解決方案可以應用於一系列其他程序，並調整隨附的夾具，幾乎可以進行任何其他組織回縮。
圖 22.用於外部圓盤磁鐵的合成橡膠外殼，防止碰撞並允許每個圓盤磁鐵相對於相鄰磁碟磁鐵的靈活性
可以說縮回的未來是機器人的，因為許多研究實驗已經提出了自主執行這些任務或在機器人支持下執行這些任務的方法，即使在這些未來的情況下，也需要先進的卷收器設計。
創建一個詳細的醫療設備設計和一種適用於肝臟回縮的磁性錨固系統，理論上用於手動或機器人輔助手術。
這項初步研究的主要目的是調查該方法的可行性、安全性和有效性，在上腹部手術中，肝臟回縮是一個重大挑戰，足以將肝臟從手術部位抬起，而不會對手術人員造成明顯的組織損傷和過度的技術挑戰。
圖 23.使用場景中的完整錨固系統 CAD 模型裝配圖示。
參考文獻：
海德格爾，斯派德爾，斯托亞諾夫，薩塔瓦，R.M.：機器人輔助微創手術——數據時代的手術機器人。2022
菲希廷格，特羅卡茲，Haidegger，T.：圖像引導介入機器人：迷失在翻譯中？2022
拉伊科，埃萊克，Haidegger，T.：機器人輔助微創手術中基於內窺鏡圖像的技能評估。2021
沙德林，阿隆采娃，庫賽因-穆拉特，卡德羅爾迪納，奧斯帕諾夫，Tamás，H.：應用補償演算法來控制機器人機械手的運動。2020
普雷斯蒂斯，馬薩諸塞州霍塔林，貢薩爾維斯，北卡羅來納州法比亞諾，俄亥俄州烏爾根，菲奧里尼，穆拉維，奧爾謝夫斯卡，海德格爾，T.：倫理驅動的機器人和自動化系統的第一個全球本體論標準。 2021
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