最早的磁外科研究始于應用磁性吻合裝置進行血管吻合，目前已被廣泛應用于血管、胃腸道、膽道等消化道吻合。2010 年呂毅等在國際上率先提出“磁外科”概念，并將磁外科技術歸納為磁錨定技術、磁導航技術、磁壓榨技術、磁示蹤技術及磁懸浮技術 5 大類，其在胸外科領域的應用主要包括磁壓榨技術、磁錨定技術及磁導航技術等。本文總結了磁外科技術在胸外科中的應用并展望了其在胸外科領域未來的發展。
引用本文： 張勇, 嚴小鵬, 史愛華, 王浩華, 馬鋒, 劉仕琪, 呂毅, 付軍科. 磁外科技術在胸外科中的應用進展. 中國胸心血管外科臨床雜志, 2020, 27(3): 336-342. doi: 10.7507/1007-4848.202001001 復制
1978 年日本學者 Obora[1]報道了利用針環結構的磁性吻合裝置進行犬和大鼠小血管端端吻合的實驗研究。此后，大量研究人員設計了各種各樣的磁性裝置或磁柱行管腔狀器官的吻合重建，其中日本山內榮五郎（Yamanouchi）[2]利用磁壓榨技術治療腸道和膽道梗阻，取得了良好的治療效果，提出磁壓榨吻合的概念。2012 年美國著名外科醫師 Harrison 通過大動物實驗及臨床研究，提出了磁吻合（magnamosis）的概念[3]。目前國際上磁壓榨技術已被廣泛應用于普外科[4-6]、婦產科[7]及血管外科[8]等領域。
國內侯鄭生等[9] 于 2009 年報導了磁壓榨吻合治療犬腸梗阻的動物實驗，探索了磁力大小對吻合效果的影響。2015 年 Xu 等[10]設計了半球形磁鐵，相吸后為球形，采用此裝置對豬結腸進行吻合，并與釘式吻合器吻合相對比，結果顯示磁壓榨吻合的吻合口組織愈合更快，并發癥發生率更低。2018 年胡兵等[11]報道了內鏡下應用磁性壓迫吻合術治療食管憩室，并將這種方法命名為“磁鐵輔助憩室成形術”。呂毅等[12]在磁性材料與外科融合方面做了大量的基礎與臨床工作，于 2010 年在國際上率先提出了“磁外科（magnetic surgery）”的概念，并將磁外科技術歸納為以下 5 大類：磁錨定技術、磁導航技術、磁壓榨技術、磁示蹤技術及磁懸浮技術。
磁外科技術在胸外科領域的應用主要包括：（1）磁壓榨技術，如磁壓榨食管閉鎖（狹窄）再通[13-15]及磁力環治療胃食管反流病[16]；（2）磁錨定技術，如磁錨定輔助胸腔鏡肺切除，磁錨定輔助胸腔鏡攝像系統[17] 及磁力漏斗胸矯正技術[18-20]；（3）磁導航技術，如電磁導航支氣管鏡技術[21]等。
1 磁壓榨技術
磁壓榨技術是利用 2 個或 2 個以上磁體（或數個磁體與數個順磁性材料）之間的磁性吸引力，通過開腹（胸）手術、腔鏡手術、內鏡操作、介入操作等來實現臟器的連接再通、組織的壓榨閉合、管腔內容物的限流等，從而實現對臨床疾病進行診斷和治療的目的。磁壓榨技術實現器官吻合是利用“非接觸性”磁場力，使磁體之間的壓榨組織發生缺血-壞死-脫落，而壓榨旁組織發生粘連-修復-愈合的病理變化過程[22]，從而實現吻合的目的（圖 1）[23]。
圖1
磁壓榨小腸側側吻合示意圖[23]
1.1 磁壓榨食管閉鎖（狹窄）再通
先天性食管閉鎖與氣管食管瘺是一種嚴重的先天性畸形，發病率為 1/3 000[24]，食管閉鎖段距離越長，治療難度越大，并發癥越多。閉鎖段距離超過 3 cm 者，難以采用傳統縫合方法進行一期食管吻合術，往往需要分期手術，首先結扎氣管食管瘺，然后在術后數月行食管吻合術，期間患者需要遭受較多痛苦，而且術后護理難度較大，并發癥發生率也較高[24]。針對這些問題，有研究報道對于閉鎖段距離較長者，如果伴有氣管食管瘺，在結扎瘺管的同時采用磁錨定技術技術行一期食管吻合，術后平均吻合口形成時間 4.8 d，隨訪未發現吻合口狹窄等并發癥[13, 25-28]。
良性食管狹窄的傳統治療方式為反復行胃鏡下狹窄擴張術，擴張后容易反復發生再狹窄，有報道利用磁錨定技術治療食管吻合術后吻合口嚴重狹窄并發癥取得良好效果[29]。對于誤食腐蝕性物質導致的腐蝕性食管狹窄，食管擴張適用于狹窄段<2 cm 或環形狹窄者，擴張后再狹窄率高，存在擴張失敗、穿孔及瘺管形成等并發癥[30-32]。對需要反復擴張或擴張失敗的氣管食管瘺、狹窄段較長或晚期瘢痕增生、閉鎖狹窄病例，傳統的做法為外科手術切除狹窄段食管，行胃或腸代食管，術后反流等并發癥發生率高[29-33]。在前期研究中，我們已經成功開展了中國首例兒童良性食管狹窄的磁壓榨疏通術（圖 2）[33]及先天性食管閉鎖的磁壓榨疏通術（圖 3）[34]，后續又開展了 2 例食管閉鎖及 3 例良性食管狹窄磁錨定疏通術，所有術后患者恢復良好，未見穿孔等并發癥發生。
1.2 磁力環治療胃食管反流病
2013 年，新英格蘭醫學雜志報道了利用 LINX?裝置治療胃食管反流病的臨床研究（圖 4）[16]，該研究納入了來自美國 13 個醫療中心及荷蘭 1 個醫療中心的 100 例胃食管反流病患者，隨訪 5 年時間，結果顯示術后患者的酸暴露指數及質子泵抑制劑用量明顯下降、反流癥狀明顯改善。雖然該技術并未涉及吻合過程，但我們認為其原理與磁錨定技術一致，仍可歸屬于磁錨定技術，這是對磁錨定技術更靈活運用的特殊范例。
圖4
食管下段括約肌磁性增強裝置[16]
2018 年，我國孫益峰等[35]通過大動物實驗發現磁力環能夠增加食管下括約肌張力達到抗胃食管反流的效果，認為磁力環裝置及其安裝技術安全、可靠，可轉化到胃食管反流病患者中，隨后啟動了自主研發的磁力環治療胃食管反流病的全國多中心臨床研究，目前研究尚未結束。
2 磁錨定技術
磁錨定技術是利用磁體與磁體，或磁體與順磁性物質之間的磁場吸引力，使錨定磁體（anchor magnet，AM）對靶磁體（target magnet，TM）進行非接觸性空間錨定的技術，常用于腔鏡手術時體外錨定磁體對胸腔、腹腔、盆腔內抓鉗的錨定，以實現減戳卡或充分顯露術野的目的；也可用于畸形的矯正，如漏斗胸矯正等。
2.1 磁錨定輔助胸腔鏡攝像系統
胸腔鏡輔助肺切除、食管切除術已經被廣大患者及胸外科醫生所接收，但是傷口疼痛仍然困擾著患者，影響術后快速康復，自從 2011 年 Gonzalez-Rivas 等[36]報道單孔胸腔鏡下肺葉切除術以來，單孔胸腔鏡輔助手術得到的廣大胸外科醫生的認可，然而，由于需要在同一個操作口內同時容納主操作器械、腔鏡抓鉗、腔鏡攝像系統等，器械之間容易出現相互碰撞干擾，操作困難程度增大，術者也不易掌握[37-39]。在單孔腹腔鏡中同樣存在器械之間相互干擾的問題，為了解決減戳卡微創手術中器械之間相互干擾的難題，國內外外科醫生進行了不懈努力，首先考慮到減少腔鏡攝像系統的干擾，研發了磁錨定技術技術輔助的腔鏡攝像系統，并在腹腔鏡膽囊切除術[40]及腎臟切除術[41]中取得了良好的效果，術中采用磁錨定導航系統，減少了進入戳卡的攝像系統裝置，獲得了良好的手術視野，成功實現了減戳卡目的。
大多數用于腹腔鏡的磁錨定導航系統，內窺鏡的傾斜自由度及視角受到一定的限制，其中 30° 視角小型內窺鏡視角明顯改善，但是其傾斜程度仍然需要通過手動按壓腹壁進行協助[42-43]，這在胸腔是難以實現的，因為胸壁不同于腹壁，沒法通過按壓調整內窺鏡的傾斜度。為了使磁錨定內鏡系統滿足單孔胸腔鏡手術需求，Cheng 等設計了兩款內鏡系統：軟體磁錨定導航系統內鏡系統（圖 5）[17]及磁錨定導航內鏡系統（圖 6）[17]。軟體磁錨定導航技術系統可以獲得良好的手術視野，但是由于攝像系統體積較大，加之相機分辨力及電池壽命的限制，限制了其在電視胸腔鏡中的應用。而磁錨定定向內鏡系統克服了以上困難，采用體積較小的膠囊式內鏡系統，同時攜帶有纖細的電源線，使得攝像系統不受時間限制，更為重要的是加入了較為智能的視覺追蹤信號系統，可以根據術者的視野需求自動調整攝像頭位置。
圖6
磁錨定導航內鏡系統[17]
a：內窺鏡設計示意圖；b：內窺鏡原型，透明膠囊顯示內部組件；c、d：豬尸體評估；c：所示 EPMs 控制器；d：所示帶顯示屏的眼動跟蹤器；e～g：用腹腔鏡觀察尸體內的內窺鏡驅動，包括平移（e）、傾斜（f）和搖攝（g）
2.2 磁錨定輔助肺切除術
因為較為理想并能為大多數胸外科醫生所接受的磁錨定導航技術系統未能實現臨床推廣及市場化，在需要保留傳統硬質腔鏡系統進入切口的前提下，還有沒有其他方法能減少單孔胸腔鏡術中器械之間的相互干擾？結合我們前期大量的動物實驗及臨床經驗，我們設計了用于減少牽拉肺及食管的器械的方法—磁錨定輔助牽拉肺及食管組織，首次報道了磁錨定輔助肺切除手術（圖 7）[44]，術中通過外磁體調整內磁體的位置，內磁體攜帶的組織夾可以牽拉肺組織至合適的位置，獲得良好的手術視野，減少了手術器械之間的相互干擾。
圖7
磁錨定輔助肺楔形切除術[44]
2.3 磁錨定漏斗胸矯正技術
Harrison 等[20]報道了應用 Magnetic Mini-Mover device（3MP dedevice，圖 8）進行漏斗胸矯正術，收集了來自美國 3 個醫療中心的 15 例漏斗胸患者，Haller 指數大于 3.5，體內植入物放置時間 24（18～32）個月，術后每個月隨訪 1 次，術后漏斗胸得到完美矯正（圖 9），目前 Magnetic Mini-Mover 已經發展到第 2 代。該技術通過外部磁體錨定同時持續牽引靶磁體修復胸骨畸形。
圖8
磁驅動漏斗胸矯正裝置（3MP device）[20]
圖9
3MP 裝置漏斗胸矯正效果[20]
3 磁導航技術
磁導航技術（magnetic navigation technique，MNT）是利用體外磁場牽引帶動體內的響應磁體或順磁性物質沿預設的移動路徑到達目標位置的技術。
電磁導航支氣管鏡技術（electromagnetic navigation bronchoscopy，ENB）于 2005 年在美國首次運用于臨床，利用 CT 和電腦軟件系統重建虛擬圖像，標記目標病灶并規劃到達路徑（圖 10），然后在導航系統的引導下將導絲送達病灶部位，進行活檢或者注射美蘭、醫用膠等進行標記[45-48]。
4 總結與展望
歷經 40 年的發展，磁外科技術的先進性已被國內外同行所認可，國內外磁外科的研究已成蓬勃之勢，成為臨床創新極具生命力的領域之一，其在胸外科領域具有廣闊的發展前景。國外學者在磁壓榨食管閉鎖（狹窄）再通、漏斗胸矯正、磁錨定輔助胸腔鏡攝像系統、支氣管鏡電磁導航及磁力環治療胃食管返流病的基礎研究及臨床應用方面起步早，已經取得的巨大的成績。可喜的是我國學者已經重視到磁外科學巨大的生命力，除了在磁力環治療胃食管反流病方面處于趕超態勢，我們在國際上首先發表了磁錨定輔助肺切除相關文章[44]。借此之際，我們希望同更多的胸外科同道、材料學專家、機械學專家及生物工程學專家等工科研究人員合作，共同促進磁外科學在胸外科領域的發展。
1978 年日本學者 Obora[1]報道了利用針環結構的磁性吻合裝置進行犬和大鼠小血管端端吻合的實驗研究。此后，大量研究人員設計了各種各樣的磁性裝置或磁柱行管腔狀器官的吻合重建，其中日本山內榮五郎（Yamanouchi）[2]利用磁壓榨技術治療腸道和膽道梗阻，取得了良好的治療效果，提出磁壓榨吻合的概念。2012 年美國著名外科醫師 Harrison 通過大動物實驗及臨床研究，提出了磁吻合（magnamosis）的概念[3]。目前國際上磁壓榨技術已被廣泛應用于普外科[4-6]、婦產科[7]及血管外科[8]等領域。
國內侯鄭生等[9] 于 2009 年報導了磁壓榨吻合治療犬腸梗阻的動物實驗，探索了磁力大小對吻合效果的影響。2015 年 Xu 等[10]設計了半球形磁鐵，相吸后為球形，采用此裝置對豬結腸進行吻合，并與釘式吻合器吻合相對比，結果顯示磁壓榨吻合的吻合口組織愈合更快，并發癥發生率更低。2018 年胡兵等[11]報道了內鏡下應用磁性壓迫吻合術治療食管憩室，并將這種方法命名為“磁鐵輔助憩室成形術”。呂毅等[12]在磁性材料與外科融合方面做了大量的基礎與臨床工作，于 2010 年在國際上率先提出了“磁外科（magnetic surgery）”的概念，并將磁外科技術歸納為以下 5 大類：磁錨定技術、磁導航技術、磁壓榨技術、磁示蹤技術及磁懸浮技術。
磁外科技術在胸外科領域的應用主要包括：（1）磁壓榨技術，如磁壓榨食管閉鎖（狹窄）再通[13-15]及磁力環治療胃食管反流病[16]；（2）磁錨定技術，如磁錨定輔助胸腔鏡肺切除，磁錨定輔助胸腔鏡攝像系統[17] 及磁力漏斗胸矯正技術[18-20]；（3）磁導航技術，如電磁導航支氣管鏡技術[21]等。
1 磁壓榨技術
磁壓榨技術是利用 2 個或 2 個以上磁體（或數個磁體與數個順磁性材料）之間的磁性吸引力，通過開腹（胸）手術、腔鏡手術、內鏡操作、介入操作等來實現臟器的連接再通、組織的壓榨閉合、管腔內容物的限流等，從而實現對臨床疾病進行診斷和治療的目的。磁壓榨技術實現器官吻合是利用“非接觸性”磁場力，使磁體之間的壓榨組織發生缺血-壞死-脫落，而壓榨旁組織發生粘連-修復-愈合的病理變化過程[22]，從而實現吻合的目的（圖 1）[23]。
圖1
磁壓榨小腸側側吻合示意圖[23]
1.1 磁壓榨食管閉鎖（狹窄）再通
先天性食管閉鎖與氣管食管瘺是一種嚴重的先天性畸形，發病率為 1/3 000[24]，食管閉鎖段距離越長，治療難度越大，并發癥越多。閉鎖段距離超過 3 cm 者，難以采用傳統縫合方法進行一期食管吻合術，往往需要分期手術，首先結扎氣管食管瘺，然后在術后數月行食管吻合術，期間患者需要遭受較多痛苦，而且術后護理難度較大，并發癥發生率也較高[24]。針對這些問題，有研究報道對于閉鎖段距離較長者，如果伴有氣管食管瘺，在結扎瘺管的同時采用磁錨定技術技術行一期食管吻合，術后平均吻合口形成時間 4.8 d，隨訪未發現吻合口狹窄等并發癥[13, 25-28]。
良性食管狹窄的傳統治療方式為反復行胃鏡下狹窄擴張術，擴張后容易反復發生再狹窄，有報道利用磁錨定技術治療食管吻合術后吻合口嚴重狹窄并發癥取得良好效果[29]。對于誤食腐蝕性物質導致的腐蝕性食管狹窄，食管擴張適用于狹窄段<2 cm 或環形狹窄者，擴張后再狹窄率高，存在擴張失敗、穿孔及瘺管形成等并發癥[30-32]。對需要反復擴張或擴張失敗的氣管食管瘺、狹窄段較長或晚期瘢痕增生、閉鎖狹窄病例，傳統的做法為外科手術切除狹窄段食管，行胃或腸代食管，術后反流等并發癥發生率高[29-33]。在前期研究中，我們已經成功開展了中國首例兒童良性食管狹窄的磁壓榨疏通術（圖 2）[33]及先天性食管閉鎖的磁壓榨疏通術（圖 3）[34]，后續又開展了 2 例食管閉鎖及 3 例良性食管狹窄磁錨定疏通術，所有術后患者恢復良好，未見穿孔等并發癥發生。
1.2 磁力環治療胃食管反流病
2013 年，新英格蘭醫學雜志報道了利用 LINX?裝置治療胃食管反流病的臨床研究（圖 4）[16]，該研究納入了來自美國 13 個醫療中心及荷蘭 1 個醫療中心的 100 例胃食管反流病患者，隨訪 5 年時間，結果顯示術后患者的酸暴露指數及質子泵抑制劑用量明顯下降、反流癥狀明顯改善。雖然該技術并未涉及吻合過程，但我們認為其原理與磁錨定技術一致，仍可歸屬于磁錨定技術，這是對磁錨定技術更靈活運用的特殊范例。
圖4
食管下段括約肌磁性增強裝置[16]
2018 年，我國孫益峰等[35]通過大動物實驗發現磁力環能夠增加食管下括約肌張力達到抗胃食管反流的效果，認為磁力環裝置及其安裝技術安全、可靠，可轉化到胃食管反流病患者中，隨后啟動了自主研發的磁力環治療胃食管反流病的全國多中心臨床研究，目前研究尚未結束。
2 磁錨定技術
磁錨定技術是利用磁體與磁體，或磁體與順磁性物質之間的磁場吸引力，使錨定磁體（anchor magnet，AM）對靶磁體（target magnet，TM）進行非接觸性空間錨定的技術，常用于腔鏡手術時體外錨定磁體對胸腔、腹腔、盆腔內抓鉗的錨定，以實現減戳卡或充分顯露術野的目的；也可用于畸形的矯正，如漏斗胸矯正等。
2.1 磁錨定輔助胸腔鏡攝像系統
胸腔鏡輔助肺切除、食管切除術已經被廣大患者及胸外科醫生所接收，但是傷口疼痛仍然困擾著患者，影響術后快速康復，自從 2011 年 Gonzalez-Rivas 等[36]報道單孔胸腔鏡下肺葉切除術以來，單孔胸腔鏡輔助手術得到的廣大胸外科醫生的認可，然而，由于需要在同一個操作口內同時容納主操作器械、腔鏡抓鉗、腔鏡攝像系統等，器械之間容易出現相互碰撞干擾，操作困難程度增大，術者也不易掌握[37-39]。在單孔腹腔鏡中同樣存在器械之間相互干擾的問題，為了解決減戳卡微創手術中器械之間相互干擾的難題，國內外外科醫生進行了不懈努力，首先考慮到減少腔鏡攝像系統的干擾，研發了磁錨定技術技術輔助的腔鏡攝像系統，并在腹腔鏡膽囊切除術[40]及腎臟切除術[41]中取得了良好的效果，術中采用磁錨定導航系統，減少了進入戳卡的攝像系統裝置，獲得了良好的手術視野，成功實現了減戳卡目的。
大多數用于腹腔鏡的磁錨定導航系統，內窺鏡的傾斜自由度及視角受到一定的限制，其中 30° 視角小型內窺鏡視角明顯改善，但是其傾斜程度仍然需要通過手動按壓腹壁進行協助[42-43]，這在胸腔是難以實現的，因為胸壁不同于腹壁，沒法通過按壓調整內窺鏡的傾斜度。為了使磁錨定內鏡系統滿足單孔胸腔鏡手術需求，Cheng 等設計了兩款內鏡系統：軟體磁錨定導航系統內鏡系統（圖 5）[17]及磁錨定導航內鏡系統（圖 6）[17]。軟體磁錨定導航技術系統可以獲得良好的手術視野，但是由于攝像系統體積較大，加之相機分辨力及電池壽命的限制，限制了其在電視胸腔鏡中的應用。而磁錨定定向內鏡系統克服了以上困難，采用體積較小的膠囊式內鏡系統，同時攜帶有纖細的電源線，使得攝像系統不受時間限制，更為重要的是加入了較為智能的視覺追蹤信號系統，可以根據術者的視野需求自動調整攝像頭位置。
圖6
磁錨定導航內鏡系統[17]
a：內窺鏡設計示意圖；b：內窺鏡原型，透明膠囊顯示內部組件；c、d：豬尸體評估；c：所示 EPMs 控制器；d：所示帶顯示屏的眼動跟蹤器；e～g：用腹腔鏡觀察尸體內的內窺鏡驅動，包括平移（e）、傾斜（f）和搖攝（g）
2.2 磁錨定輔助肺切除術
因為較為理想并能為大多數胸外科醫生所接受的磁錨定導航技術系統未能實現臨床推廣及市場化，在需要保留傳統硬質腔鏡系統進入切口的前提下，還有沒有其他方法能減少單孔胸腔鏡術中器械之間的相互干擾？結合我們前期大量的動物實驗及臨床經驗，我們設計了用于減少牽拉肺及食管的器械的方法—磁錨定輔助牽拉肺及食管組織，首次報道了磁錨定輔助肺切除手術（圖 7）[44]，術中通過外磁體調整內磁體的位置，內磁體攜帶的組織夾可以牽拉肺組織至合適的位置，獲得良好的手術視野，減少了手術器械之間的相互干擾。
圖7
磁錨定輔助肺楔形切除術[44]
2.3 磁錨定漏斗胸矯正技術
Harrison 等[20]報道了應用 Magnetic Mini-Mover device（3MP dedevice，圖 8）進行漏斗胸矯正術，收集了來自美國 3 個醫療中心的 15 例漏斗胸患者，Haller 指數大于 3.5，體內植入物放置時間 24（18～32）個月，術后每個月隨訪 1 次，術后漏斗胸得到完美矯正（圖 9），目前 Magnetic Mini-Mover 已經發展到第 2 代。該技術通過外部磁體錨定同時持續牽引靶磁體修復胸骨畸形。
圖8
磁驅動漏斗胸矯正裝置（3MP device）[20]
圖9
3MP 裝置漏斗胸矯正效果[20]
3 磁導航技術
磁導航技術（magnetic navigation technique，MNT）是利用體外磁場牽引帶動體內的響應磁體或順磁性物質沿預設的移動路徑到達目標位置的技術。
電磁導航支氣管鏡技術（electromagnetic navigation bronchoscopy，ENB）于 2005 年在美國首次運用于臨床，利用 CT 和電腦軟件系統重建虛擬圖像，標記目標病灶并規劃到達路徑（圖 10），然后在導航系統的引導下將導絲送達病灶部位，進行活檢或者注射美蘭、醫用膠等進行標記[45-48]。
4 總結與展望
歷經 40 年的發展，磁外科技術的先進性已被國內外同行所認可，國內外磁外科的研究已成蓬勃之勢，成為臨床創新極具生命力的領域之一，其在胸外科領域具有廣闊的發展前景。國外學者在磁壓榨食管閉鎖（狹窄）再通、漏斗胸矯正、磁錨定輔助胸腔鏡攝像系統、支氣管鏡電磁導航及磁力環治療胃食管返流病的基礎研究及臨床應用方面起步早，已經取得的巨大的成績。可喜的是我國學者已經重視到磁外科學巨大的生命力，除了在磁力環治療胃食管反流病方面處于趕超態勢，我們在國際上首先發表了磁錨定輔助肺切除相關文章[44]。借此之際，我們希望同更多的胸外科同道、材料學專家、機械學專家及生物工程學專家等工科研究人員合作，共同促進磁外科學在胸外科領域的發展。
