本文摘要：【摘要】 机器人支气管镜系统是用于肺部病灶定位、活检、介入治疗的新技术，其安全性和有效性已得到临床证实。基于机器人支气管镜系统搭载的众多先进技术，临床医生进行气管镜操作时更加智能、方便、稳定，并且较磁导航辅助下支气管镜检查及普通支气管镜检查
【摘要】 机器人支气管镜系统是用于肺部病灶定位、活检、介入治疗的新技术，其安全性和有效性已得到临床证实。基于机器人支气管镜系统搭载的众多先进技术，临床医生进行气管镜操作时更加智能、方便、稳定，并且较磁导航辅助下支气管镜检查及普通支气管镜检查有更高的准确性、诊断率，并发症也相对较少。本文就机器人支气管镜系统应用的研究进展进行综述，并对其与人工智能领域的结合进行展望。
【关键词】机器人支气管镜;肺结节;人工智能;综述
1 支气管镜发展历史
现代支气管镜的发展与食管镜、喉镜在临床上的应用密不可分。1987年，有“现代支气管镜之父”之称的德国科学家GustavKillian首先报道了应用喉镜为1例男性患者从右主支气管内取出骨性异物的病例，从而开创了气管镜使用的历史[1]。但硬质气管镜存在照明亮度差、视野小、操作时患者较为痛苦、支气管远端难及等问题，在临床上受到一定限制。
1962年，日本胸外科医师ShigetoIkeda意识到光纤成像在支气管镜中的应用前景，着手研究纤维光束支气管镜，于1964年研发出纤维支气管镜，随后研究者们在此基础上进一步改良纤维支气管镜，增加镜身U型转弯、电视成像系统等，逐步发展为现在所使用的形态[2]。
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纤维支气管镜的发明称得上是支气管镜发展历史上的第二次革命，使得支气管镜的应用得以飞速发展，临床上支气管镜检查和治疗的适应证也越来越广，气管上绝大多数疾病可以被诊断、缓解甚至治愈，对肺部疾病的诊疗也起到关键性的作用。支气管镜装置的完善也推动了支气管镜下诊断的发展。1972年，Andersen等[3]首先报道了450例支气管镜下活检的经验。1978年，Wang等[4]发表了首个对气管旁肿瘤行经支气管镜细针穿刺活检(transbronchialneedleaspiration，TBNA)的案例。但彼时的TBNA存在无法实时引导及可视化的缺陷。
1992年，Hürter和Hanrath[5]首次报道了超声支气管镜(endobronchialultrasound，EBUS)的应用，实现了可经超声探查后经支气管镜肺穿刺活检(EBUS-TBNA)。2004年，凸面探头的超声支气管镜在纵隔及肺门淋巴穿刺活检中，被证实具有更高的敏感性及特异性，相对于传统的EBUS，凸面探头超声支气管镜能够实现在超声实时引导下行肿物穿刺，避免穿刺过程中盲穿的情况，并逐步成为诊断肺癌分期的标准检查手段[6-8]。但对于周围型肺部疾病病变，纤维支气管镜有其局限性，难以实现满意的穿刺活检，电磁导航支气管镜(electromagneticnavigationalbronchoscopy，ENB)的问世为解决此难题提供了良好方法。
2006年，Schwarz等[9]首次报道了ENB的应用。它是一种将电磁导航系统与现有高清支气管镜系统相结合的新技术，以电磁定位技术为基础，结合高分辨率螺旋CT成像与计算机虚拟支气管镜技术，经支气管镜引导至肺部周围型病灶进行活检或治疗[10]。ENB已经显示出导航的安全性以及对肺部周围型病灶穿刺活检准确性远超传统纤维支气管镜的优点。但其精准度及有效性受支气管镜技术制约，并需要更多的临床实践来证实。同时，对于部分周围型病灶，ENB往往也难以达到非常满意的活检。并且由于存在呼吸动度的影响，不可避免地出现CT虚拟支气管成像与实际患者气管走行及病灶位置存在一定差异。机器人支气管镜系统的发展，则进一步补足相应问题以及实现支气管检查更加智能化和更佳的操作性、安全性[11-13]。
2 机器人支气管镜系统介绍
手术机器人的临床应用最早于1985年被报道，PUMA200机器人系统用于CT引导下脑组织活检[14]。在上世纪90年代，AESOP机器人系统(automatedendoscopicsystemforoptimalpositioning) 是FDA批准的第一个用于手术治疗的机器人手术系统[15-16]。2000年，FDA批准达芬奇手术机器人系统用于普外科手术，随后机器人手术系统从普外科[17]逐步应用到泌尿外科、妇科及心胸外科等领域[18]。
而专门应用于支气管镜领域的机器人系统目前有2种，分别是AurisHealth公司研发的Monarch机器人支气管镜系统，于2018年被FDA批准上市。随后IntuitiveSurgical公司研发的Ion系统，也于2019年上市。机器人支气管镜，相对于ENB及传统支气管镜，具有更稳定的操纵性，针对周围型病灶取样活检，具有更好的稳定性及精确性。
2.1 Monarch机器人支气管镜系统
Monarch机器人支气管镜系统由可伸缩嵌套式支气管镜、机器人臂、显示系统、电磁导航装置及操作手柄组成。支气管镜镜身由一个可130°活动的关节鞘和一个内部支气管镜组成，镜身可从套筒中伸出并可实现180°弯曲，支气管镜外径4.2mm，鞘管外径6mm，可实现4个方向运动。
Monarch机器人支气管镜有2个独立的机器人手臂，可以同时或单独操作。遥控装置类似于游戏手柄，可更方便地进行器械操作。支气管镜内含有直径2.1mm的操作通道，可实现径向支气管镜超声检查(radialprobeendobronchialultrasound，REBUS)、活检、刷检、吸引等操作。在机器人支气管镜操作过程中，镜身鞘管可以被固定住，内窥镜在磁导航引导下进入气管，依靠磁导航以及气管镜镜头的微型摄像机实现操作的可视化及定位[19]。
2.2 Ion机器人支气管镜系统
Ion机器人支气管镜系统由单个机械手控制的单个支气管镜组成，镜身为超薄机器人导管，导管的外径为3.5mm，工作通道为2.0mm，可实现镜身180°弯曲，使其可以到达肺的所有18个节段。
通过操作装置可控制导管的插入和缩回以及精确的远端尖端关节运动。触摸屏用于在操作过程中更改系统设置。镜身头端置入视觉探头，可以在导航至目标的同时实时观察气管，导管配有光纤形状传感器，每秒可测量导管的完整形状数百次，从而在整个过程中提供实时的精确位置和形状信息。到达肺结节后，可以将导管锁定在适当的位置。形状传感器的实时测量与机器人控制算法相结合，可使导管保持固定，但在组织采样之前必须移除探头，无法实现操作的实时反馈。在活检过程中，Ion的活检标记功能可以记录活检针的活动轨迹，方便实现多次活检，提高活检准确度[20]。
3 机器人支气管镜系统应用现状
3.1 Monarch机器人支气管镜系统
Rojas-Solano等[21]首次报道了Monarch机器人支气管镜系统的可行性研究，该研究对15例肺部病灶患者进行活检(12例周围型病变，3例中央型病变)，在14例(93%)患者中获得了样本，并且没有患者出现气胸或严重出血等并发症。
Chaddha等[22]回顾性分析Monarch系统对165例患者167个肺部病灶导航活检情况，88.6%的病灶成功导航，其中70.7%病灶位于肺外周1/3，组织样本获取率为98.8%，诊断率估计为69.1%～77%。术后6例(3.6%)发生气胸，4例(2.4%)需要放置胸腔引流管，4例(2.4%)活检后出血。没有呼吸衰竭、死亡或其它任何与手术相关的并发症。Chen等[23]报道了Monarch系统应用于肺周围型病变的一项多中心、前瞻性、可行性研究(BENEFIT研究)，纳入5个中心55例患者，其中1例患者撤回知情同意书，仅54例患者纳入分析，其中53例患者可获得REBUS图像。
病灶中位直径23mm，其中51例(51/53，96.2%)成功导航，诊断率为74.1%，术后2例(2/54，3.7%)发生气胸，1例(1.9%)需行胸腔闭式引流，研究证实了Monarch系统相对于传统支气管镜检查，具有高成功率及低不良事件发生率。同时，关于Monarch机器人系统的一个更大样本量(1200例)囊括30个中心的多中心前瞻性研究(TARGET研究)目前正在进行当中[13]。
3.2 Ion机器人支气管镜系统
Fielding等[24]报道了首个Ion机器人支气管镜系统的研究，纳入29例患者，平均病变大小为12mm，其中28例(96.6%)成功导航，总体诊断率为79.3%，恶性肿瘤的诊断率为88%。Yarmus等[25]进行了一项前瞻性单盲随机对照研究(PRECISION-1研究)，在人尸体模型上评估了对于<2cm的周围型肺结节，用径向超声支气管镜(R-EBUS)、磁导航以及Ion机器人支气管镜系统进行定位和穿刺目标结节的能力。结果表明，与磁导航相比，使用机器人支气管镜系统的定位和穿刺成功率更高(80%vs.45%)。目前，关于Ion机器人系统的一项多中心、前瞻性研究(PRECIsE)正在进行，该研究纳入360例患者，以评估导航和活检的成功率及相关并发症[13]。
3.3 机器人操作系统的局限性
机器人支气管镜系统在良好的安全性基础上，显示其操作的优越性，在导航过程中实时定位、成像，镜身通过机器人平台，可以活动得更加稳定、精准、灵活，实时可视化的活动轨迹可以更准确地进行活检部署，扩大了常规支气管镜的导航及活检范围，肺周围型病灶穿刺定位的成功率及诊断率也较磁导航及普通气管镜高。
4 人工智能在机器人支气管镜系统中的应用展望
目前机器人支气管镜系统应用尚处于起步阶段，机器人系统含有众多高科技技术成分，基于此先进系统，人工智能辅助在该系统中的应用将有广阔前景，包括肺周围型病灶一体化诊疗模式、肺结节手术路径最优化建议等，希望在后续的机器人系统中得以实现。
5 小结
机器人支气管镜系统目前尚在起步阶段，其安全性、有效性已得到证实，与磁导航辅助下支气管镜检查及普通支气管镜检查相比，有更高的准确性、诊断率，并发症也相对较少。然而目前尚缺乏大样本临床验证，需要更多的临床数据来支持推广。但机器人支气管镜系统已显示出其优势，在肺部病灶的综合化治疗上更有特点。我们希望该系统在胸科领域得以进一步临床推广，进一步结合人工智能，让机器人更加“智能化”，对胸科疾病的诊断、治疗提供更多的帮助。
参考文献
PanchabhaiTS,MehtaAC.Historicalperspectivesofbronchoscopy.Connectingthedots.AnnAmThoracSoc,2015,12(5):631-641.
1MiyazawaT.Historyoftheflexiblebronchoscope.ProgRespirRes,2000,30:16-21.
2AndersenHA,FontanaRS.Transbronchoscopiclungbiopsyfordiffusepulmonarydiseases:Techniqueandresultsin450cases.Chest,1972,62(2):125-128.
3WangKP,TerryP,MarshB.Bronchoscopicneedleaspirationbiopsyofparatrachealtumors.AmRevRespirDis,1978,118(1):17-21.
4HürterT,HanrathP.Endobronchialsonography:Feasibilityandpreliminaryresults.Thorax,1992,47(7):565-567.
5YasufukuK,ChiyoM,SekineY,etal.Real-timeendobronchialultrasound-guidedtransbronchialneedleaspirationofmediastinalandhilarlymphnodes.Chest,2004,126(1):122-128.
作者：倪彭智1，俞豪杰2，汤杰1，梁瑞雪2，吕望1，胡坚1
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