双钳：一种新的SILS仪器

概要
在过去的十年中，单切口腹腔镜手术（SILS）比传统的腹腔镜手术（LAP）更受关注。许多研究对SILS和LAP的性能进行了比较。结果显示，单切口腹腔镜手术减少了疼痛，术后住院时间长短和血液流失。该技术还能够减少感染部位。尽管有许多优点，SILS仍然存在一些问题：腹腔镜器械三角测量和小工作空间。外科医生必须更加熟练地在SILS进行手术，因为外科医生只有三个腹腔镜器械，腹腔内只有一个孔。在本文中，介绍了一种新的腹腔镜仪器，以帮助外科医生在SILS手术期间。该仪器是具有双抓取器的创新钳。介绍了该仪器的不同设计，最后一种设计大大简化了结构和操作。介绍了使用创新仪器在实验室中的初步经验。外科医生在腹腔镜手术中并且在助手的帮助下经历了基于在模拟盒（腹腔镜盒式训练器）中执行的预定任务的训练计划。

1.简介
在过去，外科医生过去常常进行剖腹手术，需要在腹壁上进行大切口的外科手术才能进入腹腔[1,2]。

现在，传统的腹腔镜手术是一种比剖腹手术更少侵入性的手术技术[3,4]。在这种方法中，外科医生不用手直接观察他/她的动作的效果进行手术，而是通过仪器观察监视器上的场景。外科医生在肚脐附近做一个约1-2厘米长的小切口（肚脐）。然后用二氧化碳气体使腹部充气。这使得用腹腔镜更容易看到内脏。为了引入其他腹腔镜器械，外科医生在腹部皮肤中形成一个或多个单独的小切口。这些允许将薄器械引入腹腔。腹腔镜器械（抓紧器，剪刀和夹子施放器）的直径为5-10mm。因此，在传统手术（LAP）中，外科医生可以使用两个镊子来保持牵引组织[5-11]。

手术向微创方法的演变带来了一种新技术，称为SILS（单切口腹腔镜手术）[12,13]。外科医生在肚脐（腹部按钮）（约20毫米）处做一个切口作为腹腔的进入口。然后外科医生插入套管针以允许器械插入，但由于空间限制，目前仅使用三种器械：抓紧器，腹腔镜和剪刀或其他手术工具。事实上，即使技术上可以使用四个而不是三个仪器，问题不在于仪器的数量，而在于外科医生之间的协调[14-16]。四个器械需要四只手，因此外科医生将握住两个抓紧器，第二个是光学器件和手术器械，或者操作者将握住抓握器和手术器械，而另一个器械握住其余的器械。在这两种情况下，真正的问题是两位外科医生之间的协调，除了缺乏空间，四只手靠在一起，同时需要空间来移动手术器械。

与传统的腹腔镜手术（LAP）不同，在SILS中，双组织牵引和宽阔的工作空间被遗漏[17,18]。

由于对这种手术技术越来越感兴趣，许多制造商提出了创新的腹腔镜器械，以改善三角测量，收缩和患者安全。要解决的第一个问题是腹腔镜仪器三角测量。 Covidien Roticulator [17,19]是创新产品的早期产品之一。这些仪器允许0°至80°的铰接，铰接角度为360°轴向旋转。手柄铰接并可以锁定，如图1所示。


图1
新的腹腔镜钳提出增加机动性。

所有这些腹腔镜器械都允许一些三角测量，但不能解决双组织牵引的问题。

另一个例子是Spider Surgical System：一种单一的进入装置，允许通过柔性插管使用柔性腹腔镜器械[17,1,20,21]。 特别地，在蜘蛛系统的情况下，外科器械总是保持在两个抓紧器之间的中间，并且这迫使抓紧器的位置移动以便改变外科器械的位置。 除此之外，还值得注意的是，蜘蛛需要两只手被驱动，或者至少将手从仪器的一侧移动到另一侧，在此过程中失去对仪器的控制。 图2显示了Spider的图像。 作者的双镊子不会发生这种情况，因为手术器械和抓手完全独立。


图2
蜘蛛手术系统。

因此，在本文中，创新的双钳，该文章的第一作者外科医生感觉到的需要，而技术解决方案是由其最后一位作者发现的。

2.初步设计
双抓钳的钳子是外科环境的创新[22,23]。根据该仪器的第一个想法，它的手柄呈现四个环，一个下部和固定，另外三个在上部用于控制仪器运动：（1）中央一个专用于两个臂的分离和和解而侧面负责打开和关闭抓取器（图3）。该仪器利用传统的单体进入腹腔。一旦镊子进入套管针（直径约12mm），它就能够打开两个臂，而握住镊子的框架向内弯曲，因此外科医生可以获得双组织牵引力。


图3
腹腔镜双镊子：（a）关闭和（b）打开。

为了获得组织牵引力，已经研究了传输系统。中心环刚性连接到滑轮，滑轮通过传动电缆和较小直径的第二滑轮控制臂开口。 22.5度的中心环的手动旋转将对应于臂的45°旋转。这允许臂相对旋转，最大开口为90°。相反，钳子反向旋转由一对齿轮产生，其旋转也由控制臂开口的相同滑轮控制的缆线传动来控制。

如前所述，打开臂和反向旋转镊子的基本机构由滑轮和齿轮的混合系统组成，如图4所示，其中示出了电缆的路径。特别是，两根电缆缠绕在驱动皮带轮上，固定在中央指令环（1）上，第一次传递运动到下臂的下皮带轮（2）部分，并且还有一些与第二臂啮合的齿（ 3）和第二电缆驱动第二齿形皮带轮，第二齿形皮带轮放置在钳子臂（4）的顶上，该第二齿形皮带轮与第二齿形皮带轮（5）啮合。右侧的两个滑轮的直径都是驱动皮带轮的一半。由于两个臂都有齿，因此将环提升一定角度会导致臂轮由于直径不同而以相同的顺时针方向旋转两倍，而由齿驱动的上臂旋转相同的量但是方向相反。相反，位于上臂顶部的上滑轮，也固定在齿轮上，与第二齿轮和滑轮啮合，沿相反方向旋转。然后，这些齿轮通过电缆连接到抓紧器保持框架，使这些齿轮相对于臂反向旋转。


图4
电缆路径的方案。

图5（a）显示了使用数字铣床建造的第一个金属滑轮和齿轮的图片，以及硬币上的图片（欧元五美分），以了解所涉及的尺寸。 在这种情况下，示出了固定到臂上的齿轮和铰接在同一轴上的齿轮组，以致动保持钳子的框架的反向旋转。 这些齿具有一种摆线轮廓，基本上不可能用铣床制造; 因此，渐开线轮廓也用于第二个版本（b），这被证明更加可靠。 渐开线的构造参数是推力角为35°，这允许构造仅八个齿的正齿轮。


图5
建造的第一个金属齿轮的图片。

为了进一步阐明设计，图6显示了使用两个钻头安装在底座上的四个齿轮的图片：右侧带有内置齿轮的臂，位于仪器的基本支撑上，顶部装有齿轮用来向内转动拿着钳子的框架。


图6
用于系统驱动的迷你齿轮。

最后，两个外环只拉动一根电缆，打开和关闭抓紧器。 特别注意电缆路径，因此其长度与臂位置不变。 实际上，通过引入特殊的枢轴点，即使臂可以改变它们的开度，电缆的长度仍然可以保持不变。 特别是，图7显示了如何实现这一目标。 可以看出，实际上从中心体和第一臂之间的枢轴传递，电缆始终与半径为2R的销相切，然后在控制之前被迫绕半径R的枢轴转动π/ 2。 辅助臂上的钳子。 相反，当手臂倾斜时，电缆应伸展θ×2R，相应地，它在主臂和辅助臂之间的过渡中缩短2θ×R，保持其长度恒定。


图7
保持钳子电缆长度恒定的机制。

然而，有两个是这种设计的问题。第一个是带有微小齿轮的机构的复杂性，再加上用这些滑轮传递所需扭矩的事实很困难，并且经常它们会滑动，导致部件的不对准，这在外科器械中是不允许的。第二个问题是三个致动环的存在以及在手术期间保持臂张开的难度。然而，一旦使用棘轮来避免不必要的回报，最后一点也可以是积极的方面。事实上，使用三个环和三个棘轮可以仅使用一只手来完全控制该钳子的操作，而不必使用秒针。无论如何，目前新设计使用旋钮和内部蜗轮将臂推开。

3.最终设计
解决方案是在仪器的完全重新设计中找到的，从两个臂而不是铰接在两个平行轴上的事实开始，现在铰接在同一轴上，一个位于仪器中央框架上方，第二个位于仪器中央框架下方。此外，通过电缆不再打开臂，而是通过向前推动并在臂上偏心铰接的杆，如图8所示并由箭头指示，其中框架已被剖开以获得更清晰的表示[24]。 。另外，还将开发带有三个指令环的模型，为医生提供更多选择，允许单手操作仪器，显然引入棘轮的使用和每个环的相对释放按钮。还制定了能够独立移动手臂和定向钳的要求。这些请求中的第一个原则上可以满足，但是以引入第四个命令为代价，这可能使得该仪器有点过于复杂而无法启动。这可以在以后完成，即使它可能不那么有用，因为总是可以改变手臂开口，保持一个钳子固定，同时稍微旋转器械的主体。


图8
生产手臂开口的新机制。

为了允许固定钳子的微型框架的反向旋转，再次找到了一种基于杆的使用的解决方案，其中杆在一侧铰接在框架的固定点上并且在另一侧铰接在框架上的钳子上， 两者都在外部（图9）。 同样在这种情况下，为了清楚起见，在图中用箭头表示两个铰链。 以这种方式，当臂打开时，杆推动保持镊子的迷你框架，镊子在与臂的旋转加倍的角度的相反方向上转动。


图9
产生镊子逆旋转的新机制。

鉴于该机制的复杂性，目前使用EOS的两台3D打印机，钢材印刷的Sint M280和塑料的Formiga P110再现了所有这些功能。 图10显示了在拆卸组件之前用钢制成的板。


图10
3D输出板固定不同的组件。

最后，为了允许保持臂打开以避免不希望的返回，用于打开臂的杆的运动由蜗轮控制，从而减少了环的数量。 图11显示了最后一个版本，其中较长的环具有适合不干扰较短环的打开的形状。


图11
双钳的新版本。

这也允许引入棘轮机构以允许锁定钳子闭合和相对释放按钮，如图12所示。


图12
内部棘轮及其释放按钮。

当然，所有这些都已被纳入新的专利申请[23]。

结束本节，主轴尺寸外径为11.8 mm，旋转端与两臂轴之间长度为186.6 mm，尺寸为99.4×5.5×8.0 mm，而抓手和相对固定框架为47.5×5.5×5.5毫米。只有手柄，其环，旋钮和内部配合蜗杆是塑料的，其他一切都是由不锈钢制成。稍后将开发一次性版本，即使除了镊子之外的某些部件也将是不锈钢。关于定价，这是一个尚待解决的话题。

4.实验室培训
使用Helago腹腔镜盒式训练器（图13）。该训练器由带有自己的摄像头的腹腔镜躯干和带LCD监视器的显示器组成。由于可移动相机，可以在开放空间上改变视角。教练的一侧覆盖着铝箔。


图13
Helago腹腔镜盒式训练器。

这种安排允许绝对初学者在直接视线控制下控制腹腔镜器械的训练。 在高级模式中，仅通过在屏幕上显示就可以控制操作空间。 它可以与各种腹腔镜仪器（5,10,12和15 mm）一起使用，包括抓取器，热能设备和自动缝合设备[25]。

测试程序在Catanzaro的Magna Graecia大学医学院的外科部门进行。

4.1. 测试程序
作者使用腹腔镜盒式训练器将创新仪器与经典腹腔镜仪器进行比较。

外科医生执行两个简单的练习：

用抓紧器取黄色绳子，然后用另一个抓紧器插入一个按钮。

捏一张纸进行切割。

外科医生首先使用双钳进行这些练习，然后使用两个经典抓取器。

如图14所示，在第一次练习之后，外科医生将双重器械插入12 mm端口，以确定器械的可操作性（图14）。


图14
外科医生打开仪器的手臂。

4.1.1.第一次练习
在第一次练习之后，外科医生将双重器械插入12mm端口，以建立器械的可操作性（图1515和1616）。


图15
第一次使用腹腔镜盒式训练器进行锻炼。


图16
放大图15的屏幕; 可以看到两个钳子各持一根绳子。

为了进一步显示该仪器的可能性，图17显示了两个钳子按住每个按钮。


图17
视频的特写图片显示两个抓手每个按钮。

当然需要一定时间熟悉这种仪器; 这是作者的仪器第一次在外科医生手中。

4.1.2. 第二次练习
在第二个练习中，外科医生模拟牵引组织。 外科医生在腹腔镜盒式训练器中使用简单的片材，插入双钳，并捏住该片材的两个部分。 图18显示了外科医生用手进行第二次锻炼。 现在，外科医生可以用另一只手进行切片。


图18
腹腔镜盒式训练器的第二次练习。

之后，外科医生使用两种经典仪器进行相同的锻炼。 图19显示了用两只手进行第二次锻炼时的外科医生。 在这种情况下，外科医生没有其他手进行切割，因此外科医生需要另一个人进行切割。


图19
使用腹腔镜盒式训练器进行第二次锻炼：外科医生使用两种器械进行锻炼。

5.结果
在这项研究中，作者将创新仪器与经典腹腔镜仪器进行了比较。 外科医生使用盒式训练器进行两次练习; 对于每次运动，外科医生使用1（容易）到10（难度）的参考比例来评分难度。 结果显示在表11和表2.2中。 很明显，需要一定时间熟悉这种仪器; 事实上，这是外科医生第一次使用这种创新仪器。

表格1
第一次练习：插入一个按钮。


表2
第二个练习：捏一张纸。


6.结论
第一项研究表明双仪器易于在SILS技术中使用。事实上，对于传统仪器，当外科医生使用具有创新抓取器的模拟器盒时，外科医生仅使用一个端口具有双组织牵引力。由于设计变更的顺序，该设备的开发需要很长时间，这可以从PCT日期开始，也就是在2012年1月第一次专利申请后一年。由于设计的复杂性，目前作者正在生产第一个使用不锈钢3D打印机进行技术和动物试验的工作原型，即使后期生产将主要使用NC机器完成。

参考：
The Twin Forceps: A New Instrument for SILS
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