磁吻合裝置磁場分布的有限元分析及生物學效應研究

陳 環，單麗宇，2，馬 濤，王 越，呂 毅，2*

（1.西安交通大學第一附屬醫院精準外科與再生醫學國家地方聯合工程中心，西安710061；2.西安交通大學第一附屬醫院肝膽外科，西安710061）

0 引言

磁外科[1-4]是利用特殊設計的磁性醫療器械或設備，將磁性物質間的非接觸性磁場力轉化為臨床診療中能夠發揮特定功能的力，從而完成系列臨床干預的新興學科。隨著磁外科的發展，永磁性外科植入裝置被越來越廣泛地用于手術中。作為磁外科的核心技術，磁吻合[5-9]（magnetic compression anastomosis，MCA）利用磁體間的非接觸力對被壓榨的組織產生持續壓力最終實現吻合，具有組織損傷小、操作便捷等優點，得到了國內外學者的廣泛關注和研究。在磁吻合過程中，磁性裝置在患者體內留存數天至數周，使吻合口及其周圍組織長時間持續暴露于中等強度的靜磁場中。

為適用不同臨床場景，如食管吻合[6]、胃腸吻合[10]、結直腸吻合[11]、膽腸吻合[12]和胰腸吻合[7]等，磁吻合裝置（magnetic compression device，MCD）在尺寸選擇、結構設計和材料加工等方面各具特點，磁場分布也各不相同。磁場的生物學效應十分復雜，與磁感應強度、磁場性質、暴露模式、暴露時間及組織種類均有聯系[13-16]。MCD 具備的特征性磁場分布在吻合口形成過程中是否產生特殊的生物學效應，是指導吻合器設計加工的理論基礎?，F有的關于磁場生物效應的研究，大多數源自對核磁共振設備等強磁場的安全性考慮，因此多采取“強磁場，短周期，間斷重復暴露”的暴露模式[16-17]。另外一些采用中低強度磁場的研究則以磁療等替代醫學療法，關注了磁場刺激可興奮細胞或分泌性細胞等的影響，暴露模式多采用短時間暴露或間斷重復暴露[18]。因而，這些研究采用的磁場暴露模式并不適用于磁吻合術中吻合器磁場對吻合口的作用模式。

因此，本研究旨在設計加工磁場分布不同，但形狀、尺寸和吻合力一致的2 種MCD，并利用有限元分析（finite element analysis，FEA）對磁場的時空分布進行仿真分析，而后在大鼠腸吻合模型中對這2 種MCD進行比較，探討不同MCD 是否因磁場分布不同而對吻合口相關指標產生影響，為MCD 的尺寸選擇、結構設計及材料加工提供理論基礎。

1 設計思路

如圖1 所示，分別采用磁芯和磁殼2 種結構，制作磁場分布不同，但形狀、尺寸和吻合力一致的MCD。磁芯結構MCD 具體制作方式為在圓形磁體外包裹環形光敏樹脂殼[如圖1（a）、（b）所示]，磁殼結構MCD 具體制作方式為在環形磁體內鑲嵌圓形光敏樹脂芯[如圖1（c）、（d）所示]。為適用大鼠小腸吻合，2 種MCD 外徑均定為6 mm，高均定為1 mm。磁芯結構MCD 吻合力由磁芯提供，磁殼結構MCD 吻合力由磁殼提供。

圖1 磁場分布不同的磁芯結構和磁殼結構MCD 示意圖與實物圖

2 有限元分析

2.1 吻合力分析

對磁芯或磁殼的吻合力相關參數進行分析。磁性材料選用Nd-Fe-B（N45），磁體間距離為0.6 mm（即子母磁體間的腸壁厚度）。有限元分析結果如圖2 所示，磁芯結構MCD 吻合力隨磁芯外徑增大而增加[如圖2（a）所示]，磁殼結構MCD 吻合力隨磁殼內徑增大而減小[如圖2（b）所示]。外徑4 mm 的磁芯與內徑4 mm 的磁殼具有相似吻合力。

圖2 磁芯和磁殼吻合力相關參數的有限元分析

由此得到形狀、尺寸和吻合力一致，但磁場分布不同的2 種MCD。磁芯結構MCD 參數：磁芯外徑4 mm、厚1 mm，樹脂殼外徑6 mm、內徑4 mm、厚1 mm；磁殼結構MCD 參數：磁殼外徑6 mm、內徑4 mm、厚1 mm，樹脂芯外徑4 mm、厚度1 mm。

2.2 磁場分析

選取MCD 中軸所在平面為工作平面（yz 平面），利用COMSOL Multiphysics 5.6 軟件包，計算子母磁體相距0～0.6 mm 時，2 種結構MCD 磁感應強度的分布情況，結果如圖3 所示。以y 軸為工作曲線，得到磁感應強度-距離y 變化關系，繪制2 種結構MCD磁感應強度空間分布曲線，如圖4（a）、（b）所示，可見其空間分布不同。

選取距MCD 中軸3.0、3.1、3.2 和3.3 mm 4 個位置，隨吻合推進，磁體間軟組織厚度減小，磁感應強度隨之變化，其值可在空間分布曲線上讀取。假設吻合過程中吻合時間（t）與軟組織厚度（h）滿足h=0.6-0.005t，可得到吻合口黏膜層、黏膜下層、肌層和漿膜層的磁感應強度時間分布曲線，如圖4（c）、（d）所示，2 種結構MCD 磁感應強度時間分布不同，磁芯結構MCD 變化范圍為67.67～126.73 mT，磁殼結構MCD 變化范圍為38.94～329.23 mT。

圖4 磁芯和磁殼結構MCD 磁感應強度時空分布

3 動物實驗

以大鼠為模型，采用上述2 種磁場分布不同但形狀、尺寸和吻合力一致的MCD 進行回腸側側吻合，比較吻合口在大小、力學性能和病理學等方面是否存在差異。

3.1 實驗動物

選取健康成年SD 大鼠12 只，體質量280～300 g，由西安交通大學實驗動物中心提供，在普通動物環境中飼養管理。將12 只大鼠隨機分配至磁芯組（使用磁芯結構MCD）和磁殼組（使用磁殼結構MCD），每組6只。本實驗經西安交通大學動物倫理委員會批準。

3.2 實驗方法

采用異氟烷吸入式麻醉大鼠后，將大鼠置于仰臥位固定消毒，開腹并取出回腸置于無菌紗布上，用溫生理鹽水潤濕腸管。在回腸距盲腸8 cm 處做6 mm縱切口，從切口置入母環，并送至切口近端5 cm；置入子環，并送至切口遠端5 cm。對合子母環，進行壓榨吻合，如圖5 所示。橫向縫合回腸縱切口后逐層關腹。術后行腹部X 射線檢查，確認子母磁體是否準確耦合，并記錄磁體排出時間。

術后30 d，過量麻醉處死大鼠，暴露吻合口，根據粘連量表評估吻合口粘連情況。獲取吻合口及其前后腸袢，采用浸水注氣法測量吻合口爆破壓，通過ImageJ_v 1.8.0（National Institutes of Health）測量吻合口大小，并進行HE 和Masson 染色評估吻合口愈合情況。

3.3 統計學分析

使用SPSS 23.0 統計軟件處理數據，并對數據進行統計學分析。滿足正態分布的連續變量使用均值±標準差（xˉ±s）表示，采用Student-t 檢驗。不滿足正態分布的連續變量以中位數（四分位間距，IQR）表示，采用秩和檢驗。所有統計檢驗均為雙側檢驗，P＜0.05表示差異具有統計學意義。

3.4 實驗結果

2 組大鼠手術均順利進行（如圖5 所示），出血少。術后3 d，磁殼組大鼠死亡1 只，死因為腹腔內感染。X 射線平片顯示2 組大鼠排磁時間分別為（6.2±1.1）d 和（5.9±0.7）d，差異無統計學意義（P=0.303）。

圖5 磁芯組和磁殼組大鼠吻合效果及X 射線平片

術后30 d，2 組大鼠腹腔內解剖結構清晰，粘連較少，粘連評分無統計學差異（P=0.931）。大體標本顯示，各組大鼠吻合口漿膜面整潔連續，黏膜光滑平整，吻合線愈合良好，如圖6 所示。HE 和Masson染色顯示，各組大鼠漿膜層、黏膜下層和黏膜層愈合較好。

圖6 磁芯組和磁殼組大鼠吻合口漿膜面、黏膜面大體觀及HE 與Masson 染色結果

術后30 d，2 組大鼠爆破壓無統計學差異[磁芯組vs 磁殼組：（250.89±13.12）mmHg vs（258.32±19.58）mmHg（1 mmHg=133.32 Pa），P=0.532]，吻合口周長無統計學差異[磁芯組vs 磁殼組：（15.87±0.97）mm vs（16.72±0.88）mm，P=0.918]。

4 討論

磁場的生物學效應十分復雜，在不同的研究中可表現出計量依賴效應、窗口效應[13，17]、雙向效應[19]和不規則效應[20]等，與磁感應強度、磁場性質、暴露模式、暴露頻率、暴露時間及組織種類等均有聯系，不能從一類研究簡單擴展到另一類研究。因此，研究不同MCD 磁場的時空分布及其對吻合口相關指標的影響是十分必要的，將成為MCD 設計加工的理論基礎。

目前對磁相關物理量的計算大多是基于對麥克斯韋方程組的求解，除少數簡單情況，一般難以求出解析解，這限制了對MCD 磁場的研究。FEA 利用網格離散化，將無限的連續區域轉化為有限的離散區域，通過對子區域內的未知量進行近似處理，便可求解難以精確計算的偏微分方程。近年來，FEA 在醫學領域的應用不斷拓展[21-24]。在磁外科領域中，FEA 可作為磁場模擬、磁力計算和穩態分析的有效手段[25-27]。本研究利用COMSOL 軟件設計了磁場分布不同但尺寸和吻合力一致的2 種MCD，并對其在吻合過程中磁場的時空分布進行了仿真。結果顯示，磁芯結構MCD和磁殼結構MCD 磁場的時空分布不同，磁感應強度范圍分別為67.67～126.73 mT 和38.94～329.23 mT。

現有關于磁場生物學效應的研究大多集中于細胞層面，如：李飛等[20]將臍靜脈內皮細胞暴露于靜磁場中48 h，發現0.05 mT 磁場促進細胞增殖，而1～100 mT 磁場抑制細胞增殖；胡麗芳等[19]在0.2～0.4 T靜磁場中培養小鼠白血病細胞，發現1～3 d 后細胞增殖受到抑制，4～5 d 后細胞增殖反而增強；而在Schiffer 等[28]、May 等[29]和Nakahara 等[30]的研究中，磁場對細胞增殖并未產生明顯的影響。本研究并未發現不同分布的磁場對吻合口形成時間、大小、力學性能和組織學等方面存在影響，表明“連續數天的中等強度靜磁場暴露”這一MCA 特有的磁場暴露模式并不會對吻合口產生影響。相較于細胞層面的磁場生物學研究，本實驗著眼于臨床層面磁場分布對腸道吻合口形成及預后的影響?；蛟S磁場對微觀維度的細胞增殖、分化等有影響，但在大鼠腸道磁吻合術中，本實驗并未觀測到差異。因此，在磁吻合過程中，磁場僅作為吻合力的發源而不產生其他生物學效應。

本研究尚存在一些局限：一方面，缺乏大動物實驗對結論的進一步驗證；另一方面，由于磁場生物效應的復雜性，本研究并不能代表所有磁場分布模式均對吻合口無影響。后期尚需在大動物模型中通過多種應用場景（如食管吻合、胃腸吻合、膽腸吻合和結直腸吻合等）對不同MCD 的磁場生物效應進行進一步研究。