引用本文： 呂璐, 史愛華, 嚴小鵬, 張至軒, 周古翔, 付軍科, 馬鋒, 王浩華, 呂毅, 張勇. 磁珠肺小結節定位技術的動物實驗研究. 中國胸心血管外科臨床雜志, 2021, 28(11): 1360-1364. doi: 10.7507/1007-4848.202009014 復制
肺結節是指影像學表現為直徑≤3 cm 的局灶性、類圓形、密度增高的實性或亞實性肺部陰影，可為孤立性或多發性。肺結節中直徑<5 mm 者定義為微小結節；直徑為 5～10 mm 者為小結節[1]。目前，治療肺小結節的方法首選手術切除，為方便術中尋找病灶，術前進行穿刺定位十分重要[2]。術前常用的定位方法包括 CT（computed tomography）引導下穿刺針定位、彈簧圈定位、液體染料定位等，但存在術后并發癥多、費用高等缺點[3]。
釹鐵硼等磁性材料具有良好的穩定性及組織相容性[4]，其表面經電鍍鎳處理后可防止被氧化腐蝕，在醫學領域的應用具有良好的發展前景[5]。本文介紹了一種采用N45釹鐵硼制作的磁珠進行肺小結節術前定位的磁示蹤技術（magnetic tracer technique，MTT）[6]，在手術前將示蹤磁體（tracer magnet，TM）通過穿刺針注入假想的肺小結節附近，以尋蹤磁體（pursuit magness，PM）施加外磁場后假想小結節突出肺表面，從而實現肺小結節定位。
1 材料與方法
1.1 實驗動物
本實驗選取成年新西蘭兔 12 只，體重 4～5 kg，為適應環境實驗前 1 周進行常規飼養，實驗動物均由西安交通大學醫學部實驗動物中心提供。
1.2 磁性材料
本實驗所用磁性材料包括示蹤磁體（磁珠）和尋蹤磁體（深圳拉拉磁材發展有限公司）。磁珠為直徑 1 mm、高為 3 mm 的圓柱體，尋蹤磁體為直徑 9 mm、高 19 mm 的圓柱體，均由燒結 N45 釹鐵硼（Nd-Fe-B）永磁材料徑向充磁構成，經磁性檢測后表面經電鍍鎳處理機械制作而成。尋蹤磁體和磁珠之間的磁力大小約為 0.58 N。剩余磁通密度 Br 為（1320～1380）mT，磁能積最大值 BH 為（43～46）kJ/m。磁珠和尋蹤磁體經飽和充磁處理，在密閉的環氧乙烷滅菌器內進行滅菌。磁體實物見圖 1。尋蹤磁體與磁珠間的吸引力隨距離的變化見圖 2。
圖1
尋蹤磁體、磁珠
圖2
尋蹤磁體與磁珠間的吸引力隨距離的變化
1.3 磁珠定位方法
隨機分為 A、B 兩組，每組 6 只。1 mL/kg 戊巴比妥鈉（50 mg/mL）由耳緣靜脈快速注射，麻醉完成后平臥位固定，頸部氣管切開、插管建立機械通氣。
A 組：右側臥位，經第 5 肋間切開進胸，于左肺假想肺結節附近注射 1 個和 2 個磁珠。
B 組：右側臥位，在 X 線引導下進行經皮穿刺左肺注射 1 個和 2 個磁珠，注射完成后開胸，觀察所注射磁珠的位置等指標見圖 3；示意圖見圖 4。
圖3
X 線下左肺注射 TM
a：注射 1 個 TM；b：注射 2 個 TM；紅色箭頭所示為 TM，藍色箭頭所示為穿刺針；TM：示蹤磁體
圖4
磁珠定位方法示意圖
a：用穿刺針注入磁珠；b：用尋蹤磁體吸引磁珠
試驗結束后給予耳緣靜脈快速注射 2 mL/kg 戊巴比妥鈉（50 mg/mL）行安樂死。
1.4 觀察指標
1.4.1 大體標本觀察
首先通過肉眼觀察肺組織的注射部位有無出血、血腫。將 PM 靠近注射部位，觀察對 TM 的吸引情況，PM 和 TM 之間吸引力大小，對肺組織是否擠壓損傷，TM 是否有脫出等情況，被吸引的肺組織即為假想的肺小結節所在部位。
1.4.2 示蹤磁體活動度觀察
分別將兩組肺組織牽向不同位置，觀察自主呼吸、機械通氣和肺組織被動移位后，TM 在肺內的位置是否停留在初始注射部位，是否有移位，容易發生移位的情況等。
1.5 倫理審查
本實驗已完成西安交通大學動物實驗倫理委員會批準程序（No.XJTULAC2020-1176），符合實驗動物倫理學要求。
2 結果
A、B 組 12 只新西蘭兔均操作成功，術中及術后動物無死亡情況。
2.1 大體標本觀察
注射部位的肺組織均微量出血，無血腫形成。將 PM 靠近注射部位，注射 TM 部位肺組織被吸引突出肺表面，見圖 5a、圖 6；將 PM 與注射部位分離，肺組織無擠壓損傷；注射 1 個 TM 的動物中有 1 例在應用 PM 進行探尋時發生 TM 脫出肺組織現象，見圖 5b，注射 2 個 TM 的動物中未發生磁珠移位或脫出等情況。
圖5
注射 1 個 TM 被吸引的左肺肺組織
a：注射 TM 部位肺組織被吸引突出肺表面；b：藍色箭頭所示為被吸引脫出的磁珠；TM：示蹤磁體
圖6
注射 2 個示蹤磁體被吸引的左肺肺組織
2.2 示蹤磁體活動度觀察
兩組在自主呼吸、機械通氣情況下將肺組織牽向不同位置，注射部位的 TM 仍停留在初始注射部位，無明顯移位。
3 討論
肺癌在世界范圍內患病率和死亡率均位于惡性腫瘤之首[7-8]。因為肺癌的早期多無明顯癥狀，臨床上的大部分患者產生癥狀就診時已屬晚期[9]。我國近年來肺癌的發病率和死亡率的上升趨勢越來越顯著。國家癌癥中心的統計數據表明，我國肺癌發病率和死亡率在 2015 年分別為 57.26/10 萬和 45.87/10 萬，在惡性腫瘤中排名第 1，5 年相對生存率為 16.1%，在全部惡性腫瘤的排名中位于倒數第 3 位。肺癌預后較差與多數患者診斷時的臨床分期較晚有關[10]。美國癌癥協會的統計數據顯示，初次診斷肺癌時為局部、區域、遠處轉移的患者所占比例分別為 16%、22% 和 57%，相應的 5 年相對生存率分別為 56%、29% 和 5%[11]。肺癌的預后會因為在肺癌的早期階段（特別是Ⅰ期）實行手術切除而得到顯著改善。因此，為達到早期診斷和治療的目的，早期篩查作為降低肺癌病死率的有效途徑之一顯得尤為重要。早期較小且不易觸及的腫瘤檢出率過低的情況隨著胸部低劑量 CT（low-dose computed tomography，LDCT）技術的發展得到改善。通過篩查肺癌高危人群，肺癌病死率下降可達 20%。因為這些小結節在手術中定位比較困難，所以肺小結節術前定位尤其重要[7]。
常用的肺小結節定位方法包括 CT 引導下經皮穿刺定位、注射醫用膠及硬化劑、CT 結合解剖標志定位法、導航支氣管鏡技術、近紅外熒光成像、超聲輔助定位和 CT 三維重建[3]。通過 CT 引導經皮穿刺技術常見出血、氣胸等并發癥，此外在目前最常用的帶鉤金屬絲和微彈簧圈定位方法中，存在定位物其隨著呼吸運動或者在術中肺被牽拉過程中發生移位、脫鉤的風險。注射醫用膠及硬化劑的定位方法術后刺激性咳嗽發生率較高[12]。CT 結合解剖標志定位法對術者要求較高，術者需要熟悉肺部精細解剖結構，并且能夠將患者側臥位解剖結構和水平位 CT 影像相互對應[3]。導航支氣管鏡技術、近紅外熒光成像及超聲輔助定位技術對設備的要求高，需要專業的技術人員輔助；CT 三維重建定位常需要和穿刺定位或者導航支氣管鏡等技術相結合[3]。為了減少定位相關并發癥和提高定位成功率，我們設計了一種應用磁珠進行肺小結節定位的技術，其屬于 MTT 的一種，MTT 是將磁性材料注射到人體管腔或與管腔相通的臟器內，利用體外檢測設備對其進行監測和追蹤，以實現對疾病的診斷和治療的目的[6]。
釹鐵硼磁性材料最早被用于口腔正畸中，將永磁體直接粘貼于牙齒上進行簡單錯頜畸形的矯治，或在固定矯治器上輔以磁力系統進行牽引等[13]。近 20 多年來隨著磁外科的發展，釹鐵硼磁性材料在醫學領域廣泛使用，已被應用到人體多個部位[14]，如將磁血管端口吻合術應用于微創冠狀動脈搭橋術中[15]、利用磁吻合技術進行小腸的側側吻合[16]和磁錨定輔助內鏡下胃黏膜切除術[17]等。本研究所用 N45 釹鐵硼永磁材料（Nd-Fe-B）是一種重要的稀土應用材料，能夠制備出質量輕、體積小、性能良好的設備或者器械，它具有很高磁能積和矯頑力，能在外磁場的作用下被吸引從而實現定位。釹鐵硼材料表面的鎳鍍層可以防止其進入生物體內被氧化腐蝕，具有安全性和抗氧化自由基、耐高溫、耐腐蝕等優良性能[5]。
隨著影像技術的發展，CT 引導下經皮肺穿定位技術發展迅速，在不考慮出血等并發癥的情況下，穿刺針幾乎可以定位至肺部任何位置[9, 18]。我們本次實驗目的在于評估應用磁珠進行肺小結節定位的可行性，對 CT 引導下肺穿刺技術不做特殊要求，因此分別在開胸和 X 線引導下將磁珠注入假想的肺小結節附近進行定位后，在開胸直視下進行驗證，評估定位情況。實驗結果表明 TM 注射部位的肺組織僅有微量出血，無血腫形成，注射 1 個 TM 后可能發生在尋蹤磁體探尋時移位或脫出的現象，同時注射 2 個 TM 后定位效果可靠。
總之，本次實驗初步驗證了采用磁珠進行肺小結節定位的方法是可行的，其操作步驟簡便，成本較低，可以縮短手術時間。所用的 2 個磁珠在注射入肺內后相互吸引，壓迫肺組織，可以減少術后氣胸、出血、刺激性干咳等并發癥的產生，有望成為一種新的肺小結節術前定位方法。
利益沖突：無。
作者貢獻：呂璐論文設計、數據整理與分析、論文初稿撰寫、論文審閱與修改；史愛華論文設計、論文審閱與修改；嚴小鵬整理與分析數據、論文審閱與修改；張至軒、周古翔、付軍科整理與分析數據；馬鋒、王浩華審閱與修改論文；呂毅進行論文設計、論文審閱與修改；張勇進行論文設計、論文初稿撰寫、論文審閱與修改。
肺結節是指影像學表現為直徑≤3 cm 的局灶性、類圓形、密度增高的實性或亞實性肺部陰影，可為孤立性或多發性。肺結節中直徑<5 mm 者定義為微小結節；直徑為 5～10 mm 者為小結節[1]。目前，治療肺小結節的方法首選手術切除，為方便術中尋找病灶，術前進行穿刺定位十分重要[2]。術前常用的定位方法包括 CT（computed tomography）引導下穿刺針定位、彈簧圈定位、液體染料定位等，但存在術后并發癥多、費用高等缺點[3]。
釹鐵硼等磁性材料具有良好的穩定性及組織相容性[4]，其表面經電鍍鎳處理后可防止被氧化腐蝕，在醫學領域的應用具有良好的發展前景[5]。本文介紹了一種采用N45釹鐵硼制作的磁珠進行肺小結節術前定位的磁示蹤技術（magnetic tracer technique，MTT）[6]，在手術前將示蹤磁體（tracer magnet，TM）通過穿刺針注入假想的肺小結節附近，以尋蹤磁體（pursuit magness，PM）施加外磁場后假想小結節突出肺表面，從而實現肺小結節定位。
1 材料與方法
1.1 實驗動物
本實驗選取成年新西蘭兔 12 只，體重 4～5 kg，為適應環境實驗前 1 周進行常規飼養，實驗動物均由西安交通大學醫學部實驗動物中心提供。
1.2 磁性材料
本實驗所用磁性材料包括示蹤磁體（磁珠）和尋蹤磁體（深圳拉拉磁材發展有限公司）。磁珠為直徑 1 mm、高為 3 mm 的圓柱體，尋蹤磁體為直徑 9 mm、高 19 mm 的圓柱體，均由燒結 N45 釹鐵硼（Nd-Fe-B）永磁材料徑向充磁構成，經磁性檢測后表面經電鍍鎳處理機械制作而成。尋蹤磁體和磁珠之間的磁力大小約為 0.58 N。剩余磁通密度 Br 為（1320～1380）mT，磁能積最大值 BH 為（43～46）kJ/m。磁珠和尋蹤磁體經飽和充磁處理，在密閉的環氧乙烷滅菌器內進行滅菌。磁體實物見圖 1。尋蹤磁體與磁珠間的吸引力隨距離的變化見圖 2。
圖1
尋蹤磁體、磁珠
圖2
尋蹤磁體與磁珠間的吸引力隨距離的變化
1.3 磁珠定位方法
隨機分為 A、B 兩組，每組 6 只。1 mL/kg 戊巴比妥鈉（50 mg/mL）由耳緣靜脈快速注射，麻醉完成后平臥位固定，頸部氣管切開、插管建立機械通氣。
A 組：右側臥位，經第 5 肋間切開進胸，于左肺假想肺結節附近注射 1 個和 2 個磁珠。
B 組：右側臥位，在 X 線引導下進行經皮穿刺左肺注射 1 個和 2 個磁珠，注射完成后開胸，觀察所注射磁珠的位置等指標見圖 3；示意圖見圖 4。
圖3
X 線下左肺注射 TM
a：注射 1 個 TM；b：注射 2 個 TM；紅色箭頭所示為 TM，藍色箭頭所示為穿刺針；TM：示蹤磁體
圖4
磁珠定位方法示意圖
a：用穿刺針注入磁珠；b：用尋蹤磁體吸引磁珠
試驗結束后給予耳緣靜脈快速注射 2 mL/kg 戊巴比妥鈉（50 mg/mL）行安樂死。
1.4 觀察指標
1.4.1 大體標本觀察
首先通過肉眼觀察肺組織的注射部位有無出血、血腫。將 PM 靠近注射部位，觀察對 TM 的吸引情況，PM 和 TM 之間吸引力大小，對肺組織是否擠壓損傷，TM 是否有脫出等情況，被吸引的肺組織即為假想的肺小結節所在部位。
1.4.2 示蹤磁體活動度觀察
分別將兩組肺組織牽向不同位置，觀察自主呼吸、機械通氣和肺組織被動移位后，TM 在肺內的位置是否停留在初始注射部位，是否有移位，容易發生移位的情況等。
1.5 倫理審查
本實驗已完成西安交通大學動物實驗倫理委員會批準程序（No.XJTULAC2020-1176），符合實驗動物倫理學要求。
2 結果
A、B 組 12 只新西蘭兔均操作成功，術中及術后動物無死亡情況。
2.1 大體標本觀察
注射部位的肺組織均微量出血，無血腫形成。將 PM 靠近注射部位，注射 TM 部位肺組織被吸引突出肺表面，見圖 5a、圖 6；將 PM 與注射部位分離，肺組織無擠壓損傷；注射 1 個 TM 的動物中有 1 例在應用 PM 進行探尋時發生 TM 脫出肺組織現象，見圖 5b，注射 2 個 TM 的動物中未發生磁珠移位或脫出等情況。
圖5
注射 1 個 TM 被吸引的左肺肺組織
a：注射 TM 部位肺組織被吸引突出肺表面；b：藍色箭頭所示為被吸引脫出的磁珠；TM：示蹤磁體
圖6
注射 2 個示蹤磁體被吸引的左肺肺組織
2.2 示蹤磁體活動度觀察
兩組在自主呼吸、機械通氣情況下將肺組織牽向不同位置，注射部位的 TM 仍停留在初始注射部位，無明顯移位。
3 討論
肺癌在世界范圍內患病率和死亡率均位于惡性腫瘤之首[7-8]。因為肺癌的早期多無明顯癥狀，臨床上的大部分患者產生癥狀就診時已屬晚期[9]。我國近年來肺癌的發病率和死亡率的上升趨勢越來越顯著。國家癌癥中心的統計數據表明，我國肺癌發病率和死亡率在 2015 年分別為 57.26/10 萬和 45.87/10 萬，在惡性腫瘤中排名第 1，5 年相對生存率為 16.1%，在全部惡性腫瘤的排名中位于倒數第 3 位。肺癌預后較差與多數患者診斷時的臨床分期較晚有關[10]。美國癌癥協會的統計數據顯示，初次診斷肺癌時為局部、區域、遠處轉移的患者所占比例分別為 16%、22% 和 57%，相應的 5 年相對生存率分別為 56%、29% 和 5%[11]。肺癌的預后會因為在肺癌的早期階段（特別是Ⅰ期）實行手術切除而得到顯著改善。因此，為達到早期診斷和治療的目的，早期篩查作為降低肺癌病死率的有效途徑之一顯得尤為重要。早期較小且不易觸及的腫瘤檢出率過低的情況隨著胸部低劑量 CT（low-dose computed tomography，LDCT）技術的發展得到改善。通過篩查肺癌高危人群，肺癌病死率下降可達 20%。因為這些小結節在手術中定位比較困難，所以肺小結節術前定位尤其重要[7]。
常用的肺小結節定位方法包括 CT 引導下經皮穿刺定位、注射醫用膠及硬化劑、CT 結合解剖標志定位法、導航支氣管鏡技術、近紅外熒光成像、超聲輔助定位和 CT 三維重建[3]。通過 CT 引導經皮穿刺技術常見出血、氣胸等并發癥，此外在目前最常用的帶鉤金屬絲和微彈簧圈定位方法中，存在定位物其隨著呼吸運動或者在術中肺被牽拉過程中發生移位、脫鉤的風險。注射醫用膠及硬化劑的定位方法術后刺激性咳嗽發生率較高[12]。CT 結合解剖標志定位法對術者要求較高，術者需要熟悉肺部精細解剖結構，并且能夠將患者側臥位解剖結構和水平位 CT 影像相互對應[3]。導航支氣管鏡技術、近紅外熒光成像及超聲輔助定位技術對設備的要求高，需要專業的技術人員輔助；CT 三維重建定位常需要和穿刺定位或者導航支氣管鏡等技術相結合[3]。為了減少定位相關并發癥和提高定位成功率，我們設計了一種應用磁珠進行肺小結節定位的技術，其屬于 MTT 的一種，MTT 是將磁性材料注射到人體管腔或與管腔相通的臟器內，利用體外檢測設備對其進行監測和追蹤，以實現對疾病的診斷和治療的目的[6]。
釹鐵硼磁性材料最早被用于口腔正畸中，將永磁體直接粘貼于牙齒上進行簡單錯頜畸形的矯治，或在固定矯治器上輔以磁力系統進行牽引等[13]。近 20 多年來隨著磁外科的發展，釹鐵硼磁性材料在醫學領域廣泛使用，已被應用到人體多個部位[14]，如將磁血管端口吻合術應用于微創冠狀動脈搭橋術中[15]、利用磁吻合技術進行小腸的側側吻合[16]和磁錨定輔助內鏡下胃黏膜切除術[17]等。本研究所用 N45 釹鐵硼永磁材料（Nd-Fe-B）是一種重要的稀土應用材料，能夠制備出質量輕、體積小、性能良好的設備或者器械，它具有很高磁能積和矯頑力，能在外磁場的作用下被吸引從而實現定位。釹鐵硼材料表面的鎳鍍層可以防止其進入生物體內被氧化腐蝕，具有安全性和抗氧化自由基、耐高溫、耐腐蝕等優良性能[5]。
隨著影像技術的發展，CT 引導下經皮肺穿定位技術發展迅速，在不考慮出血等并發癥的情況下，穿刺針幾乎可以定位至肺部任何位置[9, 18]。我們本次實驗目的在于評估應用磁珠進行肺小結節定位的可行性，對 CT 引導下肺穿刺技術不做特殊要求，因此分別在開胸和 X 線引導下將磁珠注入假想的肺小結節附近進行定位后，在開胸直視下進行驗證，評估定位情況。實驗結果表明 TM 注射部位的肺組織僅有微量出血，無血腫形成，注射 1 個 TM 后可能發生在尋蹤磁體探尋時移位或脫出的現象，同時注射 2 個 TM 后定位效果可靠。
總之，本次實驗初步驗證了采用磁珠進行肺小結節定位的方法是可行的，其操作步驟簡便，成本較低，可以縮短手術時間。所用的 2 個磁珠在注射入肺內后相互吸引，壓迫肺組織，可以減少術后氣胸、出血、刺激性干咳等并發癥的產生，有望成為一種新的肺小結節術前定位方法。
利益沖突：無。
作者貢獻：呂璐論文設計、數據整理與分析、論文初稿撰寫、論文審閱與修改；史愛華論文設計、論文審閱與修改；嚴小鵬整理與分析數據、論文審閱與修改；張至軒、周古翔、付軍科整理與分析數據；馬鋒、王浩華審閱與修改論文；呂毅進行論文設計、論文審閱與修改；張勇進行論文設計、論文初稿撰寫、論文審閱與修改。
