本文摘要：【摘要】 機器人支氣管鏡系統(tǒng)是用于肺部病灶定位、活檢、介入治療的新技術(shù)，其安全性和有效性已得到臨床證實�；跈C器人支氣管鏡系統(tǒng)搭載的眾多先進技術(shù)，臨床醫(yī)生進行氣管鏡操作時更加智能、方便、穩(wěn)定，并且較磁導(dǎo)航輔助下支氣管鏡檢查及普通支氣管鏡檢查
【摘要】 機器人支氣管鏡系統(tǒng)是用于肺部病灶定位、活檢、介入治療的新技術(shù)，其安全性和有效性已得到臨床證實�；跈C器人支氣管鏡系統(tǒng)搭載的眾多先進技術(shù)，臨床醫(yī)生進行氣管鏡操作時更加智能、方便、穩(wěn)定，并且較磁導(dǎo)航輔助下支氣管鏡檢查及普通支氣管鏡檢查有更高的準(zhǔn)確性、診斷率，并發(fā)癥也相對較少。本文就機器人支氣管鏡系統(tǒng)應(yīng)用的研究進展進行綜述，并對其與人工智能領(lǐng)域的結(jié)合進行展望。
【關(guān)鍵詞】機器人支氣管鏡;肺結(jié)節(jié);人工智能;綜述
1 支氣管鏡發(fā)展歷史
現(xiàn)代支氣管鏡的發(fā)展與食管鏡、喉鏡在臨床上的應(yīng)用密不可分。1987年，有“現(xiàn)代支氣管鏡之父”之稱的德國科學(xué)家GustavKillian首先報道了應(yīng)用喉鏡為1例男性患者從右主支氣管內(nèi)取出骨性異物的病例，從而開創(chuàng)了氣管鏡使用的歷史[1]。但硬質(zhì)氣管鏡存在照明亮度差、視野小、操作時患者較為痛苦、支氣管遠端難及等問題，在臨床上受到一定限制。
1962年，日本胸外科醫(yī)師ShigetoIkeda意識到光纖成像在支氣管鏡中的應(yīng)用前景，著手研究纖維光束支氣管鏡，于1964年研發(fā)出纖維支氣管鏡，隨后研究者們在此基礎(chǔ)上進一步改良纖維支氣管鏡，增加鏡身U型轉(zhuǎn)彎、電視成像系統(tǒng)等，逐步發(fā)展為現(xiàn)在所使用的形態(tài)[2]。
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纖維支氣管鏡的發(fā)明稱得上是支氣管鏡發(fā)展歷史上的第二次革命，使得支氣管鏡的應(yīng)用得以飛速發(fā)展，臨床上支氣管鏡檢查和治療的適應(yīng)證也越來越廣，氣管上絕大多數(shù)疾病可以被診斷、緩解甚至治愈，對肺部疾病的診療也起到關(guān)鍵性的作用。支氣管鏡裝置的完善也推動了支氣管鏡下診斷的發(fā)展。1972年，Andersen等[3]首先報道了450例支氣管鏡下活檢的經(jīng)驗。1978年，Wang等[4]發(fā)表了首個對氣管旁腫瘤行經(jīng)支氣管鏡細針穿刺活檢(transbronchialneedleaspiration，TBNA)的案例。但彼時的TBNA存在無法實時引導(dǎo)及可視化的缺陷。
1992年，Hürter和Hanrath[5]首次報道了超聲支氣管鏡(endobronchialultrasound，EBUS)的應(yīng)用，實現(xiàn)了可經(jīng)超聲探查后經(jīng)支氣管鏡肺穿刺活檢(EBUS-TBNA)。2004年，凸面探頭的超聲支氣管鏡在縱隔及肺門淋巴穿刺活檢中，被證實具有更高的敏感性及特異性，相對于傳統(tǒng)的EBUS，凸面探頭超聲支氣管鏡能夠?qū)崿F(xiàn)在超聲實時引導(dǎo)下行腫物穿刺，避免穿刺過程中盲穿的情況，并逐步成為診斷肺癌分期的標(biāo)準(zhǔn)檢查手段[6-8]。但對于周圍型肺部疾病病變，纖維支氣管鏡有其局限性，難以實現(xiàn)滿意的穿刺活檢，電磁導(dǎo)航支氣管鏡(electromagneticnavigationalbronchoscopy，ENB)的問世為解決此難題提供了良好方法。
2006年，Schwarz等[9]首次報道了ENB的應(yīng)用。它是一種將電磁導(dǎo)航系統(tǒng)與現(xiàn)有高清支氣管鏡系統(tǒng)相結(jié)合的新技術(shù)，以電磁定位技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合高分辨率螺旋CT成像與計算機虛擬支氣管鏡技術(shù)，經(jīng)支氣管鏡引導(dǎo)至肺部周圍型病灶進行活檢或治療[10]。ENB已經(jīng)顯示出導(dǎo)航的安全性以及對肺部周圍型病灶穿刺活檢準(zhǔn)確性遠超傳統(tǒng)纖維支氣管鏡的優(yōu)點。但其精準(zhǔn)度及有效性受支氣管鏡技術(shù)制約，并需要更多的臨床實踐來證實。同時，對于部分周圍型病灶，ENB往往也難以達到非常滿意的活檢。并且由于存在呼吸動度的影響，不可避免地出現(xiàn)CT虛擬支氣管成像與實際患者氣管走行及病灶位置存在一定差異。機器人支氣管鏡系統(tǒng)的發(fā)展，則進一步補足相應(yīng)問題以及實現(xiàn)支氣管檢查更加智能化和更佳的操作性、安全性[11-13]。
2 機器人支氣管鏡系統(tǒng)介紹
手術(shù)機器人的臨床應(yīng)用最早于1985年被報道，PUMA200機器人系統(tǒng)用于CT引導(dǎo)下腦組織活檢[14]。在上世紀(jì)90年代，AESOP機器人系統(tǒng)(automatedendoscopicsystemforoptimalpositioning) 是FDA批準(zhǔn)的第一個用于手術(shù)治療的機器人手術(shù)系統(tǒng)[15-16]。2000年，F(xiàn)DA批準(zhǔn)達芬奇手術(shù)機器人系統(tǒng)用于普外科手術(shù)，隨后機器人手術(shù)系統(tǒng)從普外科[17]逐步應(yīng)用到泌尿外科、婦科及心胸外科等領(lǐng)域[18]。
而專門應(yīng)用于支氣管鏡領(lǐng)域的機器人系統(tǒng)目前有2種，分別是AurisHealth公司研發(fā)的Monarch機器人支氣管鏡系統(tǒng)，于2018年被FDA批準(zhǔn)上市。隨后IntuitiveSurgical公司研發(fā)的Ion系統(tǒng)，也于2019年上市。機器人支氣管鏡，相對于ENB及傳統(tǒng)支氣管鏡，具有更穩(wěn)定的操縱性，針對周圍型病灶取樣活檢，具有更好的穩(wěn)定性及精確性。
2.1 Monarch機器人支氣管鏡系統(tǒng)
Monarch機器人支氣管鏡系統(tǒng)由可伸縮嵌套式支氣管鏡、機器人臂、顯示系統(tǒng)、電磁導(dǎo)航裝置及操作手柄組成。支氣管鏡鏡身由一個可130°活動的關(guān)節(jié)鞘和一個內(nèi)部支氣管鏡組成，鏡身可從套筒中伸出并可實現(xiàn)180°彎曲，支氣管鏡外徑4.2mm，鞘管外徑6mm，可實現(xiàn)4個方向運動。
Monarch機器人支氣管鏡有2個獨立的機器人手臂，可以同時或單獨操作。遙控裝置類似于游戲手柄，可更方便地進行器械操作。支氣管鏡內(nèi)含有直徑2.1mm的操作通道，可實現(xiàn)徑向支氣管鏡超聲檢查(radialprobeendobronchialultrasound，REBUS)、活檢、刷檢、吸引等操作。在機器人支氣管鏡操作過程中，鏡身鞘管可以被固定住，內(nèi)窺鏡在磁導(dǎo)航引導(dǎo)下進入氣管，依靠磁導(dǎo)航以及氣管鏡鏡頭的微型攝像機實現(xiàn)操作的可視化及定位[19]。
2.2 Ion機器人支氣管鏡系統(tǒng)
Ion機器人支氣管鏡系統(tǒng)由單個機械手控制的單個支氣管鏡組成，鏡身為超薄機器人導(dǎo)管，導(dǎo)管的外徑為3.5mm，工作通道為2.0mm，可實現(xiàn)鏡身180°彎曲，使其可以到達肺的所有18個節(jié)段。
通過操作裝置可控制導(dǎo)管的插入和縮回以及精確的遠端尖端關(guān)節(jié)運動。觸摸屏用于在操作過程中更改系統(tǒng)設(shè)置。鏡身頭端置入視覺探頭，可以在導(dǎo)航至目標(biāo)的同時實時觀察氣管，導(dǎo)管配有光纖形狀傳感器，每秒可測量導(dǎo)管的完整形狀數(shù)百次，從而在整個過程中提供實時的精確位置和形狀信息。到達肺結(jié)節(jié)后，可以將導(dǎo)管鎖定在適當(dāng)?shù)奈恢�。形狀傳感器的實時測量與機器人控制算法相結(jié)合，可使導(dǎo)管保持固定，但在組織采樣之前必須移除探頭，無法實現(xiàn)操作的實時反饋。在活檢過程中，Ion的活檢標(biāo)記功能可以記錄活檢針的活動軌跡，方便實現(xiàn)多次活檢，提高活檢準(zhǔn)確度[20]。
3 機器人支氣管鏡系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀
3.1 Monarch機器人支氣管鏡系統(tǒng)
Rojas-Solano等[21]首次報道了Monarch機器人支氣管鏡系統(tǒng)的可行性研究，該研究對15例肺部病灶患者進行活檢(12例周圍型病變，3例中央型病變)，在14例(93%)患者中獲得了樣本，并且沒有患者出現(xiàn)氣胸或嚴(yán)重出血等并發(fā)癥。
Chaddha等[22]回顧性分析Monarch系統(tǒng)對165例患者167個肺部病灶導(dǎo)航活檢情況，88.6%的病灶成功導(dǎo)航，其中70.7%病灶位于肺外周1/3，組織樣本獲取率為98.8%，診斷率估計為69.1%～77%。術(shù)后6例(3.6%)發(fā)生氣胸，4例(2.4%)需要放置胸腔引流管，4例(2.4%)活檢后出血。沒有呼吸衰竭、死亡或其它任何與手術(shù)相關(guān)的并發(fā)癥。Chen等[23]報道了Monarch系統(tǒng)應(yīng)用于肺周圍型病變的一項多中心、前瞻性、可行性研究(BENEFIT研究)，納入5個中心55例患者，其中1例患者撤回知情同意書，僅54例患者納入分析，其中53例患者可獲得REBUS圖像。
病灶中位直徑23mm，其中51例(51/53，96.2%)成功導(dǎo)航，診斷率為74.1%，術(shù)后2例(2/54，3.7%)發(fā)生氣胸，1例(1.9%)需行胸腔閉式引流，研究證實了Monarch系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)支氣管鏡檢查，具有高成功率及低不良事件發(fā)生率。同時，關(guān)于Monarch機器人系統(tǒng)的一個更大樣本量(1200例)囊括30個中心的多中心前瞻性研究(TARGET研究)目前正在進行當(dāng)中[13]。
3.2 Ion機器人支氣管鏡系統(tǒng)
Fielding等[24]報道了首個Ion機器人支氣管鏡系統(tǒng)的研究，納入29例患者，平均病變大小為12mm，其中28例(96.6%)成功導(dǎo)航，總體診斷率為79.3%，惡性腫瘤的診斷率為88%。Yarmus等[25]進行了一項前瞻性單盲隨機對照研究(PRECISION-1研究)，在人尸體模型上評估了對于<2cm的周圍型肺結(jié)節(jié)，用徑向超聲支氣管鏡(R-EBUS)、磁導(dǎo)航以及Ion機器人支氣管鏡系統(tǒng)進行定位和穿刺目標(biāo)結(jié)節(jié)的能力。結(jié)果表明，與磁導(dǎo)航相比，使用機器人支氣管鏡系統(tǒng)的定位和穿刺成功率更高(80%vs.45%)。目前，關(guān)于Ion機器人系統(tǒng)的一項多中心、前瞻性研究(PRECIsE)正在進行，該研究納入360例患者，以評估導(dǎo)航和活檢的成功率及相關(guān)并發(fā)癥[13]。
3.3 機器人操作系統(tǒng)的局限性
機器人支氣管鏡系統(tǒng)在良好的安全性基礎(chǔ)上，顯示其操作的優(yōu)越性，在導(dǎo)航過程中實時定位、成像，鏡身通過機器人平臺，可以活動得更加穩(wěn)定、精準(zhǔn)、靈活，實時可視化的活動軌跡可以更準(zhǔn)確地進行活檢部署，擴大了常規(guī)支氣管鏡的導(dǎo)航及活檢范圍，肺周圍型病灶穿刺定位的成功率及診斷率也較磁導(dǎo)航及普通氣管鏡高。
4 人工智能在機器人支氣管鏡系統(tǒng)中的應(yīng)用展望
目前機器人支氣管鏡系統(tǒng)應(yīng)用尚處于起步階段，機器人系統(tǒng)含有眾多高科技技術(shù)成分，基于此先進系統(tǒng)，人工智能輔助在該系統(tǒng)中的應(yīng)用將有廣闊前景，包括肺周圍型病灶一體化診療模式、肺結(jié)節(jié)手術(shù)路徑最優(yōu)化建議等，希望在后續(xù)的機器人系統(tǒng)中得以實現(xiàn)。
5 小結(jié)
機器人支氣管鏡系統(tǒng)目前尚在起步階段，其安全性、有效性已得到證實，與磁導(dǎo)航輔助下支氣管鏡檢查及普通支氣管鏡檢查相比，有更高的準(zhǔn)確性、診斷率，并發(fā)癥也相對較少。然而目前尚缺乏大樣本臨床驗證，需要更多的臨床數(shù)據(jù)來支持推廣。但機器人支氣管鏡系統(tǒng)已顯示出其優(yōu)勢，在肺部病灶的綜合化治療上更有特點。我們希望該系統(tǒng)在胸科領(lǐng)域得以進一步臨床推廣，進一步結(jié)合人工智能，讓機器人更加“智能化”，對胸科疾病的診斷、治療提供更多的幫助。
參考文獻
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作者：倪彭智1，俞豪杰2，湯杰1，梁瑞雪2，呂望1，胡堅1
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