雙鉗：一種新的SILS儀器

概要

在過去的十年中，單切口腹腔鏡手術（SILS）比傳統的腹腔鏡手術（LAP）更受關注。許多研究對SILS和LAP的性能進行了比較。結果顯示，單切口腹腔鏡手術減少了疼痛，術後住院時間長短和血液流失。該技術還能夠減少感染部位。儘管有許多優點，SILS仍然存在一些問題：腹腔鏡器械三角測量和小工作空間。外科醫生必須更加熟練地在SILS進行手術，因為外科醫生只有三個腹腔鏡器械，腹腔內只有一個孔。在本文中，介紹了一種新的腹腔鏡儀器，以幫助外科醫生在SILS手術期間。該儀器是具有雙抓取器的創新鉗。介紹了該儀器的不同設計，最後一種設計大大簡化了結構和操作。介紹了使用創新儀器在實驗室中的初步經驗。外科醫生在腹腔鏡手術中並且在助手的幫助下經歷了基於在模擬盒（腹腔鏡盒式訓練器）中執行的預定任務的訓練計劃。

1.簡介

在過去，外科醫生過去常常進行剖腹手術，需要在腹壁上進行大切口的外科手術才能進入腹腔[1,2]。

現在，傳統的腹腔鏡手術是一種比剖腹手術更少侵入性的手術技術[3,4]。在這種方法中，外科醫生不用手直接觀察他/她的動作的效果進行手術，而是通過儀器觀察監視器上的場景。外科醫生在肚臍附近做一個約1-2厘米長的小切口（肚臍）。然後用二氧化碳氣體使腹部充氣。這使得用腹腔鏡更容易看到內臟。為了引入其他腹腔鏡器械，外科醫生在腹部皮膚中形成一個或多個單獨的小切口。這些允許將薄器械引入腹腔。腹腔鏡器械（抓緊器，剪刀和夾子施放器）的直徑為5-10mm。因此，在傳統手術（LAP）中，外科醫生可以使用兩個鑷子來保持牽引組織[5-11]。

手術向微創方法的演變帶來了一種新技術，稱為SILS（單切口腹腔鏡手術）[12,13]。外科醫生在肚臍（腹部按鈕）（約20毫米）處做一個切口作為腹腔的進入口。然後外科醫生插入套管針以允許器械插入，但由於空間限制，目前僅使用三種器械：抓緊器，腹腔鏡和剪刀或其他手術工具。事實上，即使技術上可以使用四個而不是三個儀器，問題不在於儀器的數量，而在於外科醫生之間的協調[14-16]。四個器械需要四隻手，因此外科醫生將握住兩個抓緊器，第二個是光學器件和手術器械，或者操作者將握住抓握器和手術器械，而另一個器械握住其餘的器械。在這兩種情況下，真正的問題是兩位外科醫生之間的協調，除了缺乏空間，四隻手靠在一起，同時需要空間來移動手術器械。

與傳統的腹腔鏡手術（LAP）不同，在SILS中，雙組織牽引和寬闊的工作空間被遺漏[17,18]。

由於對這種手術技術越來越感興趣，許多製造商提出了創新的腹腔鏡器械，以改善三角測量，收縮和患者安全。要解決的第一個問題是腹腔鏡儀器三角測量。Covidien Roticulator [17,19]是創新產品的早期產品之一。這些儀器允許0°至80°的鉸接，鉸接角度為360°軸向旋轉。手柄鉸接並可以鎖定，如圖1所示。

圖1

新的腹腔鏡鉗提出增加機動性。

所有這些腹腔鏡器械都允許一些三角測量，但不能解決雙組織牽引的問題。

另一個例子是Spider Surgical System：一種單一的進入裝置，允許通過柔性插管使用柔性腹腔鏡器械[17,1,20,21]。特別地，在蜘蛛系統的情況下，外科器械總是保持在兩個抓緊器之間的中間，並且這迫使抓緊器的位置移動以便改變外科器械的位置。除此之外，還值得注意的是，蜘蛛需要兩隻手被驅動，或者至少將手從儀器的一側移動到另一側，在此過程中失去對儀器的控制。圖2顯示了Spider的圖像。作者的雙鑷子不會發生這種情況，因為手術器械和抓手完全獨立。

圖2

蜘蛛手術系統。

因此，在本文中，創新的雙鉗，該文章的第一作者外科醫生感覺到的需要，而技術解決方案是由其最後一位作者發現的。

2.初步設計

雙抓鉗的鉗子是外科環境的創新[22,23]。根據該儀器的第一個想法，它的手柄呈現四個環，一個下部和固定，另外三個在上部用於控制儀器運動：（1）中央一個專用於兩個臂的分離和和解而側面負責打開和關閉抓取器（圖3）。該儀器利用傳統的單體進入腹腔。一旦鑷子進入套管針（直徑約12mm），它就能夠打開兩個臂，而握住鑷子的框架向內彎曲，因此外科醫生可以獲得雙組織牽引力。

圖3

腹腔鏡雙鑷子：（a）關閉和（b）打開。

為了獲得組織牽引力，已經研究了傳輸系統。中心環剛性連接到滑輪，滑輪通過傳動電纜和較小直徑的第二滑輪控制臂開口。22.5度的中心環的手動旋轉將對應於臂的45°旋轉。這允許臂相對旋轉，最大開口為90°。相反，鉗子反向旋轉由一對齒輪產生，其旋轉也由控制臂開口的相同滑輪控制的纜線傳動來控制。

如前所述，打開臂和反向旋轉鑷子的基本機構由滑輪和齒輪的混合系統組成，如圖4所示，其中示出了電纜的路徑。特別是，兩根電纜纏繞在驅動皮帶輪上，固定在中央指令環（1）上，第一次傳遞運動到下臂的下皮帶輪（2）部分，並且還有一些與第二臂嚙合的齒（ 3）和第二電纜驅動第二齒形皮帶輪，第二齒形皮帶輪放置在鉗子臂（4）的頂上，該第二齒形皮帶輪與第二齒形皮帶輪（5）嚙合。右側的兩個滑輪的直徑都是驅動皮帶輪的一半。由於兩個臂都有齒，因此將環提升一定角度會導致臂輪由於直徑不同而以相同的順時針方向旋轉兩倍，而由齒驅動的上臂旋轉相同的量但是方向相反。相反，位於上臂頂部的上滑輪，也固定在齒輪上，與第二齒輪和滑輪嚙合，沿相反方向旋轉。然後，這些齒輪通過電纜連接到抓緊器保持框架，使這些齒輪相對於臂反向旋轉。

圖4

電纜路徑的方案。

圖5（a）顯示了使用數字銑床建造的第一個金屬滑輪和齒輪的圖片，以及硬幣上的圖片（歐元五美分），以了解所涉及的尺寸。在這種情況下，示出了固定到臂上的齒輪和鉸接在同一軸上的齒輪組，以致動保持鉗子的框架的反向旋轉。這些齒具有一種擺線輪廓，基本上不可能用銑床製造; 因此，漸開線輪廓也用於第二個版本（b），這被證明更加可靠。漸開線的構造參數是推力角為35°，這允許構造僅八個齒的正齒輪。

圖5

建造的第一個金屬齒輪的圖片。

為了進一步闡明設計，圖6顯示了使用兩個鑽頭安裝在底座上的四個齒輪的圖片：右側帶有內置齒輪的臂，位於儀器的基本支撐上，頂部裝有齒輪用來向內轉動拿著鉗子的框架。

圖6

用於系統驅動的迷你齒輪。

最後，兩個外環只拉動一根電纜，打開和關閉抓緊器。特別注意電纜路徑，因此其長度與臂位置不變。實際上，通過引入特殊的樞軸點，即使臂可以改變它們的開度，電纜的長度仍然可以保持不變。特別是，圖7顯示了如何實現這一目標。可以看出，實際上從中心體和第一臂之間的樞軸傳遞，電纜始終與半徑為2R的銷相切，然後在控制之前被迫繞半徑R的樞軸轉動π/ 2。輔助臂上的鉗子。相反，當手臂傾斜時，電纜應伸展θ×2R，相應地，它在主臂和輔助臂之間的過渡中縮短2θ×R，保持其長度恆定。

圖7

保持鉗子電纜長度恆定的機制。

然而，有兩個是這種設計的問題。第一個是帶有微小齒輪的機構的複雜性，再加上用這些滑輪傳遞所需扭矩的事實很困難，並且經常它們會滑動，導致部件的不對準，這在外科器械中是不允許的。第二個問題是三個致動環的存在以及在手術期間保持臂張開的難度。然而，一旦使用棘輪來避免不必要的回報，最後一點也可以是積極的方面。事實上，使用三個環和三個棘輪可以僅使用一隻手來完全控制該鉗子的操作，而不必使用秒針。無論如何，目前新設計使用旋鈕和內部蝸輪將臂推開。

3.最終設計

解決方案是在儀器的完全重新設計中找到的，從兩個臂而不是鉸接在兩個平行軸上的事實開始，現在鉸接在同一軸上，一個位於儀器中央框架上方，第二個位於儀器中央框架下方。此外，通過電纜不再打開臂，而是通過向前推動並在臂上偏心鉸接的桿，如圖8所示並由箭頭指示，其中框架已被剖開以獲得更清晰的表示[24]。。另外，還將開發帶有三個指令環的模型，為醫生提供更多選擇，允許單手操作儀器，顯然引入棘輪的使用和每個環的相對釋放按鈕。還制定了能夠獨立移動手臂和定向鉗的要求。這些請求中的第一個原則上可以滿足，但是以引入第四個命令為代價，這可能使得該儀器有點過於複雜而無法啟動。這可以在以後完成，即使它可能不那麼有用，因為總是可以改變手臂開口，保持一個鉗子固定，同時稍微旋轉器械的主體。

圖8

生產手臂開口的新機制。

為了允許固定鉗子的微型框架的反向旋轉，再次找到了一種基於桿的使用的解決方案，其中桿在一側鉸接在框架的固定點上並且在另一側鉸接在框架上的鉗子上， 兩者都在外部（圖9）。同樣在這種情況下，為了清楚起見，在圖中用箭頭表示兩個鉸鏈。以這種方式，當臂打開時，桿推動保持鑷子的迷你框架，鑷子在與臂的旋轉加倍的角度的相反方向上轉動。

圖9

產生鑷子逆旋轉的新機制。

鑒於該機制的複雜性，目前使用EOS的兩台3D印表機，鋼材印刷的Sint M280和塑料的Formiga P110再現了所有這些功能。圖10顯示了在拆卸組件之前用鋼製成的板。

圖10

3D輸出板固定不同的組件。

最後，為了允許保持臂打開以避免不希望的返回，用於打開臂的桿的運動由蝸輪控制，從而減少了環的數量。圖11顯示了最後一個版本，其中較長的環具有適合不干擾較短環的打開的形狀。

圖11

雙鉗的新版本。

這也允許引入棘輪機構以允許鎖定鉗子閉合和相對釋放按鈕，如圖12所示。

圖12

內部棘輪及其釋放按鈕。

當然，所有這些都已被納入新的專利申請[23]。

結束本節，主軸尺寸外徑為11.8 mm，旋轉端與兩臂軸之間長度為186.6 mm，尺寸為99.4×5.5×8.0 mm，而抓手和相對固定框架為47.5×5.5×5.5毫米。只有手柄，其環，旋鈕和內部配合蝸桿是塑料的，其他一切都是由不鏽鋼製成。稍後將開發一次性版本，即使除了鑷子之外的某些部件也將是不鏽鋼。關於定價，這是一個尚待解決的話題。

4.實驗室培訓

使用Helago腹腔鏡盒式訓練器（圖13）。該訓練器由帶有自己的攝像頭的腹腔鏡軀幹和帶LCD監視器的顯示器組成。由於可移動相機，可以在開放空間上改變視角。教練的一側覆蓋著鋁箔。

圖13

Helago腹腔鏡盒式訓練器。

這種安排允許絕對初學者在直接視線控制下控制腹腔鏡器械的訓練。在高級模式中，僅通過在屏幕上顯示就可以控制操作空間。它可以與各種腹腔鏡儀器（5,10,12和15 mm）一起使用，包括抓取器，熱能設備和自動縫合設備[25]。

測試程序在Catanzaro的Magna Graecia大學醫學院的外科部門進行。

4.1. 測試程序

作者使用腹腔鏡盒式訓練器將創新儀器與經典腹腔鏡儀器進行比較。

外科醫生執行兩個簡單的練習：

用抓緊器取黃色繩子，然後用另一個抓緊器插入一個按鈕。

捏一張紙進行切割。

外科醫生首先使用雙鉗進行這些練習，然後使用兩個經典抓取器。

如圖14所示，在第一次練習之後，外科醫生將雙重器械插入12 mm埠，以確定器械的可操作性（圖14）。

圖14

外科醫生打開儀器的手臂。

4.1.1.第一次練習

在第一次練習之後，外科醫生將雙重器械插入12mm埠，以建立器械的可操作性（圖1515和1616）。

圖15

第一次使用腹腔鏡盒式訓練器進行鍛煉。

圖16

放大圖15的屏幕; 可以看到兩個鉗子各持一根繩子。

為了進一步顯示該儀器的可能性，圖17顯示了兩個鉗子按住每個按鈕。

圖17

視頻的特寫圖片顯示兩個抓手每個按鈕。

當然需要一定時間熟悉這種儀器; 這是作者的儀器第一次在外科醫生手中。

4.1.2. 第二次練習

在第二個練習中，外科醫生模擬牽引組織。外科醫生在腹腔鏡盒式訓練器中使用簡單的片材，插入雙鉗，並捏住該片材的兩個部分。圖18顯示了外科醫生用手進行第二次鍛煉。現在，外科醫生可以用另一隻手進行切片。

圖18

腹腔鏡盒式訓練器的第二次練習。

之後，外科醫生使用兩種經典儀器進行相同的鍛煉。圖19顯示了用兩隻手進行第二次鍛煉時的外科醫生。在這種情況下，外科醫生沒有其他手進行切割，因此外科醫生需要另一個人進行切割。

圖19

使用腹腔鏡盒式訓練器進行第二次鍛煉：外科醫生使用兩種器械進行鍛煉。

5.結果

在這項研究中，作者將創新儀器與經典腹腔鏡儀器進行了比較。外科醫生使用盒式訓練器進行兩次練習; 對於每次運動，外科醫生使用1（容易）到10（難度）的參考比例來評分難度。結果顯示在表11和表2.2中。很明顯，需要一定時間熟悉這種儀器; 事實上，這是外科醫生第一次使用這種創新儀器。

表格1

第一次練習：插入一個按鈕。

表2

第二個練習：捏一張紙。

6.結論

第一項研究表明雙儀器易於在SILS技術中使用。事實上，對於傳統儀器，當外科醫生使用具有創新抓取器的模擬器盒時，外科醫生僅使用一個埠具有雙組織牽引力。由於設計變更的順序，該設備的開發需要很長時間，這可以從PCT日期開始，也就是在2012年1月第一次專利申請後一年。由於設計的複雜性，目前作者正在生產第一個使用不鏽鋼3D印表機進行技術和動物試驗的工作原型，即使後期生產將主要使用NC機器完成。

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