【作 者】張成 ，苑曦宸 ，商澎

1 西北工業(yè)大學(xué)深圳研究院，深圳市，518057

2 西北工業(yè)大學(xué)生命學(xué)院，西安市，710072

3 西北工業(yè)大學(xué)空間生物實(shí)驗(yàn)?zāi)M技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安市，710072

0 引言

近年來(lái)消化道早癌在我國(guó)發(fā)病率越來(lái)越高，傳統(tǒng)的內(nèi)鏡治療技術(shù)包括內(nèi)鏡黏膜下剝離術(shù)、內(nèi)鏡下黏膜切除術(shù)雖已趨于成熟，但其操作難度相對(duì)較大，且存在出血、穿孔等嚴(yán)重并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)，不易推廣[1-3]。因此，探索治療效果可靠，易于掌握推廣的無(wú)創(chuàng)治療技術(shù)具有重大意義。這幾年一種基于生物電磁學(xué)的陡脈沖電場(chǎng)消融的不可逆電穿孔技術(shù)，因其便捷、安全、無(wú)創(chuàng)而受到了廣泛關(guān)注[4]。BEEBE等[5]發(fā)現(xiàn)基于納秒脈沖電場(chǎng)（nanosecond pulsed electric field,nsPEF）的組織消融技術(shù)在治療腫瘤時(shí)可以更深入地作用于細(xì)胞器，直接激活細(xì)胞程序性死亡機(jī)制，同時(shí)啟動(dòng)自身免疫系統(tǒng)對(duì)腫瘤的清除作用，極大地提升了不可逆電穿孔技術(shù)（irreversible electroporation,IRE）的安全性與有效性，該技術(shù)不依賴熱效應(yīng)，不損傷組織支架結(jié)構(gòu)，不易誘發(fā)出血和穿孔，相比射頻等基于熱效應(yīng)的消融技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。但是由于消化道管壁纖薄，腫瘤形態(tài)特殊，現(xiàn)有的治療電極無(wú)法實(shí)現(xiàn)在消化道管壁的錨定，治療深度也很難精確掌控。MATSUZAKI等[6]介紹了在磁錨引導(dǎo)（見(jiàn)圖1）下的內(nèi)鏡黏膜下剝離術(shù)（endoscopic submucosal dissection,ESD）。使用兩個(gè)釹鐵硼分別作為外部和內(nèi)部磁體，內(nèi)磁體附著在血管夾上，外磁體通過(guò)柔性臂控制，利用磁力為內(nèi)鏡下組織收縮提供牽引力，暴露了黏膜下的解剖平面，促進(jìn)了黏膜下層的良好顯示。程序均報(bào)告成功，未發(fā)生與使用磁體相關(guān)的并發(fā)癥?；诖?，我們向內(nèi)鏡系統(tǒng)引入磁錨定消融電極，通過(guò)磁錨定技術(shù)來(lái)控制消融電極，充分利用磁力恒久性、非接觸性的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)電極的穩(wěn)固錨定，隨后通過(guò)陡脈沖電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)消融[7-8]。

圖1 磁錨引導(dǎo)系統(tǒng)Fig.1 Magnetic anchor–guided system

1 設(shè)計(jì)思路

綜上所述，我們向現(xiàn)有的CMD-90D型LED電子上消化道內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中引入磁錨定消融電極。具體針對(duì)內(nèi)窺鏡頭端的鏡頭罩進(jìn)行加工改造，引入磁錨定模塊和消融電極模塊。磁錨定模塊包括體外引導(dǎo)磁體和體內(nèi)磁體，體內(nèi)磁體由內(nèi)鏡頭端鏡頭罩充任，體外引導(dǎo)磁體為釹鐵硼；消融電極模塊由兩個(gè)尺寸相同的正負(fù)電極組成，固定于內(nèi)鏡頭端鏡頭罩兩側(cè)，呈對(duì)稱分布，并在體外引導(dǎo)磁體和內(nèi)鏡負(fù)壓系統(tǒng)的共同調(diào)控下在消化道腔內(nèi)部位于管壁錨定吸合，使電極與腫瘤充分接觸，正負(fù)電極間形成的脈沖電場(chǎng)可以對(duì)消化道早癌適形覆蓋，進(jìn)行消融治療。

2 基本結(jié)構(gòu)

無(wú)創(chuàng)消化道早癌磁錨定消融電極內(nèi)鏡系統(tǒng)是在現(xiàn)有CMD-90D型LED電子上消化道內(nèi)窺鏡基礎(chǔ)上增加了磁錨定模塊和消融電極模塊。

2.1 CMD-90D型LED電子上消化道內(nèi)窺鏡

CMD-90D型LED電子上消化道內(nèi)窺鏡是西安西川醫(yī)療器械公司生產(chǎn)的一種普通內(nèi)鏡，圖2是其整體蛇形結(jié)構(gòu)，放大部分是內(nèi)鏡頭端鏡頭罩結(jié)構(gòu)。

圖2 CMD-90D型內(nèi)鏡蛇形結(jié)構(gòu)（放大部分是內(nèi)鏡前端鏡頭罩結(jié)構(gòu)）Fig.2 CMD-90D type endoscope serpentine structure (The magnifying part is the structure of the front end lens hood of the endoscope)

2.2 磁錨定模塊

磁錨定模塊由體外引導(dǎo)磁體和體內(nèi)靶磁體組成。體外引導(dǎo)磁體由永磁材料釹鐵硼N45制得，形狀為長(zhǎng)方體，尺寸為40 mm×40 mm×20 mm。為了保護(hù)磁體，在其表面包裝了一個(gè)由聚丙烯樹(shù)脂制作的外殼。釹鐵硼N45的剩磁Br約為1.367 T，矯頑力Hcb約1 047 kA/m，最大磁能積約為357 kJ/m3。體內(nèi)磁體由內(nèi)鏡頭端鏡頭罩充任，原內(nèi)鏡鏡頭罩的加工材料為塑料，不具有磁性，我們用永磁材料釹鐵硼或者軟磁材料坡莫合金替代它，坡莫合金易加工但磁性略弱，釹鐵硼加工難度更大但磁性更強(qiáng)，我們將其作為磁錨定模塊中的內(nèi)部靶磁體，在外部磁體的引導(dǎo)和控制下，通過(guò)控制兩者間磁力的大小，配合內(nèi)鏡負(fù)壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)鏡頭端鏡頭罩的精確和穩(wěn)固錨定。

2.3 消融電極模塊

基于內(nèi)鏡頭端鏡頭罩的基本結(jié)構(gòu)，我們將消融電極模塊與鏡頭罩結(jié)合，設(shè)計(jì)出了全新的磁性消融電極鏡頭罩結(jié)構(gòu)。圖3是消融電極內(nèi)鏡前端鏡頭罩的結(jié)構(gòu)圖，其與原鏡頭罩整體尺寸基本不變，圖中序號(hào)1代表攝像頭孔道（φ4.00 mm），2代表鉗導(dǎo)管孔道（φ2.80 mm），3代表LED燈孔道（φ2.40 mm），4代表噴嘴孔道（φ1.40 mm），側(cè)面搭載有兩個(gè)關(guān)于內(nèi)鏡鏡頭罩成對(duì)稱分布的消融電極，5代表消融電極，消融電極材料為304不銹鋼，通過(guò)對(duì)稱電極間形成的脈沖電場(chǎng)對(duì)腫瘤進(jìn)行消融。

圖3 消融電極內(nèi)鏡系統(tǒng)前端鏡頭罩結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure diagram of the front lens cover of the ablation electrode endoscopic system

3 磁力有效作用范圍

考慮到治療病人的肥胖程度不同，胃壁厚度也不同，為了得到磁錨定系統(tǒng)的工作范圍，即磁力的有效作用范圍，我們通過(guò)Comsol multiphysics軟件來(lái)對(duì)體外錨定磁體與體內(nèi)靶磁體之間的磁力進(jìn)行模擬仿真，仿真結(jié)果，如圖4所示。我們得到磁力的有效作用范圍在0～40 mm之間。

圖4 Comsol仿真結(jié)果Fig.4 Comsol simulation results

4 工作過(guò)程

以內(nèi)鏡手術(shù)為例，手術(shù)開(kāi)始后，磁錨定消融電極內(nèi)鏡像傳統(tǒng)內(nèi)鏡一樣進(jìn)入人體消化道內(nèi)部，在放大染色內(nèi)鏡下結(jié)合超聲內(nèi)鏡探測(cè)技術(shù)從寬度和深度兩個(gè)維度完成對(duì)腫瘤的診斷與初步定位，隨后通過(guò)磁錨定技術(shù)結(jié)合內(nèi)鏡負(fù)壓系統(tǒng)完成消融電極精確和穩(wěn)固錨定，利用數(shù)字醫(yī)學(xué)3D顯微重建完成適形治療域規(guī)劃，隨后接通消融電極連接的高壓納秒脈沖電源后，通過(guò)消融電極間形成的電場(chǎng)對(duì)腫瘤進(jìn)行消融治療，圖5是磁錨定消融電極胃鏡消融的過(guò)程示意圖。手術(shù)結(jié)束后，移除體外引導(dǎo)磁體，從人體撤出磁錨定消融電極內(nèi)鏡系統(tǒng)。

圖5 磁錨定消融電極消融過(guò)程示意圖Fig.5 Schematic diagram of ablation process with magnetic anchored ablation electrode

5 結(jié)語(yǔ)

內(nèi)鏡作為微創(chuàng)手術(shù)的主要設(shè)備，其地位十分重要。特別是對(duì)于消化道的腫瘤，手術(shù)操作難度復(fù)雜，且當(dāng)下的內(nèi)鏡系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤的無(wú)創(chuàng)治療。基于此，我團(tuán)隊(duì)研制的無(wú)創(chuàng)磁錨定消融電極內(nèi)鏡系統(tǒng)，巧妙地將傳統(tǒng)內(nèi)鏡與脈沖電場(chǎng)消融的不可逆電穿孔技術(shù)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)消化道腫瘤的無(wú)創(chuàng)治療，同時(shí)利用磁錨定技術(shù)的特殊定位方式，在使用過(guò)程中達(dá)到對(duì)消融電極精準(zhǔn)和穩(wěn)固錨定的效果。本無(wú)創(chuàng)磁錨定消融電極內(nèi)鏡系統(tǒng)的臨床應(yīng)用將優(yōu)化微創(chuàng)技術(shù)，造福廣大患者。