肺结节是指影像学表现为直径≤3 cm 的局灶性、类圆形、密度增高的实性或亚实性肺部阴影,可为孤立性或多发性。肺结节中直径<5 mm 者定义为微小结节;直径为 5~10 mm 者为小结节[1]。目前,治疗肺小结节的方法首选手术切除,为方便术中寻找病灶,术前进行穿刺定位十分重要[2]。术前常用的定位方法包括 CT(computed tomography)引导下穿刺针定位、弹簧圈定位、液体染料定位等,但存在术后并发症多、费用高等缺点[3]。
钕铁硼等磁性材料具有良好的稳定性及组织相容性[4],其表面经电镀镍处理后可防止被氧化腐蚀,在医学领域的应用具有良好的发展前景[5]。本文介绍了一种采用 N45 钕铁硼制作的磁珠进行肺小结节术前定位的磁示踪技术(magnetic tracer technique,MTT)[6],在手术前将示踪磁体(tracer magnet,TM)通过穿刺针注入假想的肺小结节附近,以寻踪磁体(pursuit magnet,PM)施加外磁场后假想小结节突出肺表面,从而实现肺小结节定位。
1 材料与方法
1.1 实验动物
本实验选取成年新西兰兔 12 只,体重 4~5 kg,为适应环境实验前 1 周进行常规饲养,实验动物均由西安交通大学医学部实验动物中心提供。本实验已完成西安交通大学动物实验伦理委员会批准程序(No.XJTULAC2020-1176),符合实验动物伦理学要求。
1.2 磁性材料
本实验所用磁性材料包括示踪磁体(磁珠)和寻踪磁体(深圳拉拉磁材发展有限公司)。磁珠为直径 1 mm,高为 3 mm 的圆柱体,寻踪磁体为直径 9 mm,高 19 mm 的圆柱体,均由烧结 N45 钕铁硼(Nd-Fe-B)永磁材料径向充磁构成,经磁性检测后表面经电镀镍处理机械制作而成。寻踪磁体和磁珠之间的磁力大小约为 0.58 N。剩余磁通密度 Br 为(1320-1380)mT,磁能积最大值 BH 为(43~46)kJ/m。磁珠和寻踪磁体经饱和充磁处理,在密闭的环氧乙烷灭菌器内进行灭菌。磁体实物见图 1。寻踪磁体与磁珠间的吸引力随距离的变化见图 2。


1.3 磁珠定位方法
随机分为 A、B 两组,每组 6 只。1 mL/kg 戊巴比妥钠(50 mg/mL)由耳缘静脉快速注射,麻醉完成后平卧位固定,颈部气管切开、插管建立机械通气。
A 组:右侧卧位,经第 5 肋间切开进胸,于左肺假想肺结节附近注射 1 个和 2 个磁珠。
B 组:右侧卧位,在 X 线引导下进行经皮穿刺左肺注射 1 个和 2 个磁珠,注射完成后开胸,观察所注射磁珠的位置等指标见图 3;示意图见图 4。

红色箭头所示为 TM,蓝色箭头所示为穿刺针

A 用穿刺针注入磁珠;B 用寻踪磁体吸引磁珠
1.4 观察指标
1.4.1 大体标本观察
首先通过肉眼观察肺组织的注射部位有无出血、血肿。将 PM 靠近注射部位,观察对 TM 的吸引情况,PM 和 TM 之间吸引力大小,对肺组织是否挤压损伤,TM 是否有脱出等情况,被吸引的肺组织即为假想的肺小结节所在部位。
1.4.2 示踪磁体活动度观察
分别将两组将肺组织牵向不同位置,观察自主呼吸、机械通气和肺组织被动移位后,TM 在肺内的位置是否停留在初始注射部位,是否有移位,容易发生移位的情况等。
2 结果
A、B 组 12 只新西兰兔均操作成功,术中及术后动物无死亡情况。
2.1 大体标本观察
注射部位的肺组织均微量出血,无血肿形成。将 PM 靠近注射部位,注射 TM 部位肺组织被吸引突出肺表面,见图 5a、图 6;将 PM 与注射部位分离,肺组织无挤压损伤;注射 1 个 TM 的动物中有 1 例在应用 PM 进行探寻时发生 TM 脱出肺组织现象,见图 5b,注射 2 个 TM 的动物中未发生磁珠移位或脱出等情况。


2.2 示踪磁体活动度观察
两组在自主呼吸、机械通气情况下将肺组织牵向不同位置,注射部位的 TM 仍停留在初始注射部位,无明显移位。试验结束后给予耳缘静脉快速注射 2 mL/kg 戊巴比妥钠(50 mg/mL)行安乐死。
3 讨论
肺癌在世界范围内患病率和死亡率均位于恶性肿瘤之首[7-8]。因为肺癌的早期多无明显症状,临床上的大部分患者产生症状就诊时已属晚期[9]。我国近年来肺癌的发病率和死亡率的上升趋势越来越显著。国家癌症中心的统计数据表明,我国肺癌发病率和死亡率在 2015 年分别为 57.26/10 万和 45.87/10 万,在恶性肿瘤中排名第 1:5 年相对生存率为 16.1%,在全部恶性肿瘤的排名中位于倒数第 3 位。肺癌预后较差与多数患者诊断时的临床分期较晚有关[10]。美国癌症协会的统计数据显示,初次诊断肺癌时为局部、区域、远处转移的患者所占比例分别为 16%、22% 和 57%,相应的 5 年相对生存率分别为 56%、29% 和 5%[11]。肺癌的预后会因为在肺癌的早期阶段(特别是Ⅰ期)实行手术切除而得到显著改善。因此,为达到早期诊断和治疗的目的,早期筛查作为降低肺癌病死率的有效途径之一显得尤为重要。早期较小且不易触及的肿瘤检出率过低的情况随着胸部低剂量 CT(low-dose computed tomography,LDCT)技术的发展得到改善。通过筛查肺癌高危人群,肺癌病死率下降可达 20%。因为这些小结节在手术中定位比较困难,所以肺小结节术前定位尤其重要[7]。
常用的肺小结节定位方法包括 CT 引导下经皮穿刺定位、注射医用胶及硬化剂、CT 结合解剖标志定位法、导航支气管镜技术、近红外荧光成像、超声辅助定位和 CT 三维重建[3]。通过 CT 引导经皮穿刺技术常见出血、气胸等并发症包括,此外在目前最常用的带钩金属丝和微弹簧圈定位方法中,存在定位物其随着呼吸运动或者在术中肺被牵拉过程中发生移位、脱钩的风险。注射医用胶及硬化剂的定位方法术后刺激性咳嗽发生率较高[12]。CT 结合解剖标志定位法对术者要求较高,术者需要熟悉肺部精细解剖结构,并且能够将患者侧卧位解剖结构和水平位 CT 影像相互对应[3]。导航支气管镜技术、近红外荧光成像及超声辅助定位技术对设备的要求高,需要专业的技术人员辅助;CT 三维重建定位常需要和穿刺定位或者导航支气管镜等技术相结合[3]。为了减少定位相关并发症和提高定位成功率,我们设计了一种应用磁珠进行肺小结节定位的技术,其属于磁示踪技术(magnetic tracer technique,MTT)的一种,MTT 是将磁性材料注射到人体管腔或与管腔相通的脏器内,利用体外检测设备对其进行监测和追踪,以实现对疾病的诊断和治疗的目的[6]。
钕铁硼磁性材料最早被用于口腔正畸中,将永磁体直接粘贴于牙齿上进行简单错颌畸形的矫治,或在固定矫治器上辅以磁力系统进行牵引等[13]。近 20 多年来随着磁外科的发展,钕铁硼磁性材料在医学领域广泛使用,已被应用到人体多个部位[14],如将磁血管端口吻合术应用于微创冠状动脉搭桥术中[15]、利用磁吻合技术进行小肠的侧侧吻合[16]和磁锚定辅助内镜下胃粘膜切除术[17]等。本研究所用 N45 钕铁硼永磁材料(Nd-Fe-B)是一种重要的稀土应用材料,能够制备出质量轻、体积小、性能良好的设备或者器械,它具有很高磁能积和矫顽力,能在外磁场的作用下被吸引从而实现定位。钕铁硼材料表面的镍镀层可以防止其进入生物体内被氧化腐蚀,具有安全性和抗氧化自由基、耐高温、耐腐蚀等优良性能[5]。
随着影像技术的发展,CT 引导下经皮肺穿定位技术发展迅速,在不考虑出血等并发症的情况下,穿刺针几乎可以定位至肺部任何位置[9, 18]。我们本次实验目的在于评估应用磁珠进行肺小结节定位的可行性,对 CT 引导下肺穿刺技术不做特殊要求,因此分别在开胸和 X 线引导下将磁珠注入假想的肺小结节附近进行定位后,在开胸直视下进行验证,评估定位情况。实验结果表明 TM 注射部位的肺组织仅有微量出血,无血肿形成,注射 1 个 TM 后可能发生在寻踪磁体探寻时移位或脱出的现象,同时注射 2 个 TM 后定位效果可靠。
总之,本次实验初步验证了采用磁珠进行肺小结节定位的方法是可行的,其操作步骤简便,成本较低,可以缩短手术时间。所用的 2 个磁珠在注射入肺内后相互吸引,压迫肺组织,可以减少术后气胸、出血、刺激性干咳等并发症的产生,有望成为一种新的肺小结节术前定位方法。
利益冲突:无。
作者贡献:吕璐论文设计、数据整理与分析、论文初稿撰写、论文审阅与修改;史爱华论文设计、论文审阅与修改;严小鹏整理与分析数据、论文审阅与修改;张至轩、周古翔、付军科整理与分析数据;数据整理与分析;马锋论、王浩华审阅与修改论文;吕毅进行论文设计、论文审阅与修改;张勇进行论文设计、论文初稿撰写、论文审阅与修改。
肺结节是指影像学表现为直径≤3 cm 的局灶性、类圆形、密度增高的实性或亚实性肺部阴影,可为孤立性或多发性。肺结节中直径<5 mm 者定义为微小结节;直径为 5~10 mm 者为小结节[1]。目前,治疗肺小结节的方法首选手术切除,为方便术中寻找病灶,术前进行穿刺定位十分重要[2]。术前常用的定位方法包括 CT(computed tomography)引导下穿刺针定位、弹簧圈定位、液体染料定位等,但存在术后并发症多、费用高等缺点[3]。
钕铁硼等磁性材料具有良好的稳定性及组织相容性[4],其表面经电镀镍处理后可防止被氧化腐蚀,在医学领域的应用具有良好的发展前景[5]。本文介绍了一种采用 N45 钕铁硼制作的磁珠进行肺小结节术前定位的磁示踪技术(magnetic tracer technique,MTT)[6],在手术前将示踪磁体(tracer magnet,TM)通过穿刺针注入假想的肺小结节附近,以寻踪磁体(pursuit magnet,PM)施加外磁场后假想小结节突出肺表面,从而实现肺小结节定位。
1 材料与方法
1.1 实验动物
本实验选取成年新西兰兔 12 只,体重 4~5 kg,为适应环境实验前 1 周进行常规饲养,实验动物均由西安交通大学医学部实验动物中心提供。本实验已完成西安交通大学动物实验伦理委员会批准程序(No.XJTULAC2020-1176),符合实验动物伦理学要求。
1.2 磁性材料
本实验所用磁性材料包括示踪磁体(磁珠)和寻踪磁体(深圳拉拉磁材发展有限公司)。磁珠为直径 1 mm,高为 3 mm 的圆柱体,寻踪磁体为直径 9 mm,高 19 mm 的圆柱体,均由烧结 N45 钕铁硼(Nd-Fe-B)永磁材料径向充磁构成,经磁性检测后表面经电镀镍处理机械制作而成。寻踪磁体和磁珠之间的磁力大小约为 0.58 N。剩余磁通密度 Br 为(1320-1380)mT,磁能积最大值 BH 为(43~46)kJ/m。磁珠和寻踪磁体经饱和充磁处理,在密闭的环氧乙烷灭菌器内进行灭菌。磁体实物见图 1。寻踪磁体与磁珠间的吸引力随距离的变化见图 2。


1.3 磁珠定位方法
随机分为 A、B 两组,每组 6 只。1 mL/kg 戊巴比妥钠(50 mg/mL)由耳缘静脉快速注射,麻醉完成后平卧位固定,颈部气管切开、插管建立机械通气。
A 组:右侧卧位,经第 5 肋间切开进胸,于左肺假想肺结节附近注射 1 个和 2 个磁珠。
B 组:右侧卧位,在 X 线引导下进行经皮穿刺左肺注射 1 个和 2 个磁珠,注射完成后开胸,观察所注射磁珠的位置等指标见图 3;示意图见图 4。

红色箭头所示为 TM,蓝色箭头所示为穿刺针

A 用穿刺针注入磁珠;B 用寻踪磁体吸引磁珠
1.4 观察指标
1.4.1 大体标本观察
首先通过肉眼观察肺组织的注射部位有无出血、血肿。将 PM 靠近注射部位,观察对 TM 的吸引情况,PM 和 TM 之间吸引力大小,对肺组织是否挤压损伤,TM 是否有脱出等情况,被吸引的肺组织即为假想的肺小结节所在部位。
1.4.2 示踪磁体活动度观察
分别将两组将肺组织牵向不同位置,观察自主呼吸、机械通气和肺组织被动移位后,TM 在肺内的位置是否停留在初始注射部位,是否有移位,容易发生移位的情况等。
2 结果
A、B 组 12 只新西兰兔均操作成功,术中及术后动物无死亡情况。
2.1 大体标本观察
注射部位的肺组织均微量出血,无血肿形成。将 PM 靠近注射部位,注射 TM 部位肺组织被吸引突出肺表面,见图 5a、图 6;将 PM 与注射部位分离,肺组织无挤压损伤;注射 1 个 TM 的动物中有 1 例在应用 PM 进行探寻时发生 TM 脱出肺组织现象,见图 5b,注射 2 个 TM 的动物中未发生磁珠移位或脱出等情况。


2.2 示踪磁体活动度观察
两组在自主呼吸、机械通气情况下将肺组织牵向不同位置,注射部位的 TM 仍停留在初始注射部位,无明显移位。试验结束后给予耳缘静脉快速注射 2 mL/kg 戊巴比妥钠(50 mg/mL)行安乐死。
3 讨论
肺癌在世界范围内患病率和死亡率均位于恶性肿瘤之首[7-8]。因为肺癌的早期多无明显症状,临床上的大部分患者产生症状就诊时已属晚期[9]。我国近年来肺癌的发病率和死亡率的上升趋势越来越显著。国家癌症中心的统计数据表明,我国肺癌发病率和死亡率在 2015 年分别为 57.26/10 万和 45.87/10 万,在恶性肿瘤中排名第 1:5 年相对生存率为 16.1%,在全部恶性肿瘤的排名中位于倒数第 3 位。肺癌预后较差与多数患者诊断时的临床分期较晚有关[10]。美国癌症协会的统计数据显示,初次诊断肺癌时为局部、区域、远处转移的患者所占比例分别为 16%、22% 和 57%,相应的 5 年相对生存率分别为 56%、29% 和 5%[11]。肺癌的预后会因为在肺癌的早期阶段(特别是Ⅰ期)实行手术切除而得到显著改善。因此,为达到早期诊断和治疗的目的,早期筛查作为降低肺癌病死率的有效途径之一显得尤为重要。早期较小且不易触及的肿瘤检出率过低的情况随着胸部低剂量 CT(low-dose computed tomography,LDCT)技术的发展得到改善。通过筛查肺癌高危人群,肺癌病死率下降可达 20%。因为这些小结节在手术中定位比较困难,所以肺小结节术前定位尤其重要[7]。
常用的肺小结节定位方法包括 CT 引导下经皮穿刺定位、注射医用胶及硬化剂、CT 结合解剖标志定位法、导航支气管镜技术、近红外荧光成像、超声辅助定位和 CT 三维重建[3]。通过 CT 引导经皮穿刺技术常见出血、气胸等并发症包括,此外在目前最常用的带钩金属丝和微弹簧圈定位方法中,存在定位物其随着呼吸运动或者在术中肺被牵拉过程中发生移位、脱钩的风险。注射医用胶及硬化剂的定位方法术后刺激性咳嗽发生率较高[12]。CT 结合解剖标志定位法对术者要求较高,术者需要熟悉肺部精细解剖结构,并且能够将患者侧卧位解剖结构和水平位 CT 影像相互对应[3]。导航支气管镜技术、近红外荧光成像及超声辅助定位技术对设备的要求高,需要专业的技术人员辅助;CT 三维重建定位常需要和穿刺定位或者导航支气管镜等技术相结合[3]。为了减少定位相关并发症和提高定位成功率,我们设计了一种应用磁珠进行肺小结节定位的技术,其属于磁示踪技术(magnetic tracer technique,MTT)的一种,MTT 是将磁性材料注射到人体管腔或与管腔相通的脏器内,利用体外检测设备对其进行监测和追踪,以实现对疾病的诊断和治疗的目的[6]。
钕铁硼磁性材料最早被用于口腔正畸中,将永磁体直接粘贴于牙齿上进行简单错颌畸形的矫治,或在固定矫治器上辅以磁力系统进行牵引等[13]。近 20 多年来随着磁外科的发展,钕铁硼磁性材料在医学领域广泛使用,已被应用到人体多个部位[14],如将磁血管端口吻合术应用于微创冠状动脉搭桥术中[15]、利用磁吻合技术进行小肠的侧侧吻合[16]和磁锚定辅助内镜下胃粘膜切除术[17]等。本研究所用 N45 钕铁硼永磁材料(Nd-Fe-B)是一种重要的稀土应用材料,能够制备出质量轻、体积小、性能良好的设备或者器械,它具有很高磁能积和矫顽力,能在外磁场的作用下被吸引从而实现定位。钕铁硼材料表面的镍镀层可以防止其进入生物体内被氧化腐蚀,具有安全性和抗氧化自由基、耐高温、耐腐蚀等优良性能[5]。
随着影像技术的发展,CT 引导下经皮肺穿定位技术发展迅速,在不考虑出血等并发症的情况下,穿刺针几乎可以定位至肺部任何位置[9, 18]。我们本次实验目的在于评估应用磁珠进行肺小结节定位的可行性,对 CT 引导下肺穿刺技术不做特殊要求,因此分别在开胸和 X 线引导下将磁珠注入假想的肺小结节附近进行定位后,在开胸直视下进行验证,评估定位情况。实验结果表明 TM 注射部位的肺组织仅有微量出血,无血肿形成,注射 1 个 TM 后可能发生在寻踪磁体探寻时移位或脱出的现象,同时注射 2 个 TM 后定位效果可靠。
总之,本次实验初步验证了采用磁珠进行肺小结节定位的方法是可行的,其操作步骤简便,成本较低,可以缩短手术时间。所用的 2 个磁珠在注射入肺内后相互吸引,压迫肺组织,可以减少术后气胸、出血、刺激性干咳等并发症的产生,有望成为一种新的肺小结节术前定位方法。
利益冲突:无。
作者贡献:吕璐论文设计、数据整理与分析、论文初稿撰写、论文审阅与修改;史爱华论文设计、论文审阅与修改;严小鹏整理与分析数据、论文审阅与修改;张至轩、周古翔、付军科整理与分析数据;数据整理与分析;马锋论、王浩华审阅与修改论文;吕毅进行论文设计、论文审阅与修改;张勇进行论文设计、论文初稿撰写、论文审阅与修改。