方法文章

机器人辅助支气管镜联合多模态成像用于靶向肺冷冻活检

DOI：

10.3791/66868

⸱

2024年7月19日

 , 
1Division of Pulmonary and Critical Care Medicine, University of Texas Southwestern Medical Center

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本文旨在介绍一种逐步实施机器人辅助支气管镜检查联合透视成像、径向支气管内超声及锥形束计算机断层扫描以获取靶向经支气管肺冷冻活检样本的方法。 

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

机器人辅助支气管镜检查（RAB）可实现对肺部病灶的靶向支气管镜活检。在术前通过薄层胸部计算机断层扫描获取三维（3D）肺部和气道重建图像，并据此规划路径后，机器人辅助支气管镜可在直视下沿气道导航至目标病灶。RAB能够到达全肺范围内的远端气道，具有精确的导管尖端操控能力以及机械臂带来的稳定性。RAB可联合使用多种辅助成像工具，如透视成像、径向支气管内超声（r-EBUS）和锥形束计算机断层扫描（CBCT）。采用形状感知型机器人辅助支气管镜检查（ssRAB）的研究表明，对于外周型肺部病变（PPLs）的活检，无论在恶性或非恶性病变中，均具有良好的诊断效果和安全性。与传统支气管镜钳夹活检相比，结合1.1 mm冷冻探针的ssRAB已被证实对PPLs的诊断安全且有效。该技术也可用于良性病变的靶向肺组织取样。本文旨在描述一种结合RAB、透视成像、r-EBUS和CBCT进行靶向经支气管肺冷冻活检（TBLC）的分步操作方法。

引言

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

经支气管肺活检（TBBX）联合可弯曲支气管镜检查是一种用于评估胸部影像学异常的诊断方法，包括肺部肿块、结节、无法吸收的浸润影或肺实质疾病1弥漫性肺实质疾病（DPLD）常表现为纤维化和/或炎症。尽管部分患者可通过详尽的病史采集、体格检查、相关血清学检查、高分辨率计算机断层扫描（HRCT）结果以及多学科讨论（MDD）进行无创诊断，但许多患者仍需通过侵入性操作以明确诊断。2常规经支气管肺活检使用活检钳存在局限性，主要由于活检组织较小以及存在挤压伪影；因此，外科肺活检 活检一直被视为金标准，尽管其具有显著的发病率和死亡率3,4.

经支气管肺冷冻活检（TBLC）是一种可用于诊断间质性肺疾病（ILD）或弥漫性肺实质疾病（DPLD）的技术，可能作为外科肺活检（SLB）的替代方法5。根据欧洲呼吸学会指南，TBLC被推荐用于适合的患者以替代SLB6。同样，美国胸科学会指南在具备TBLC操作和结果解读必要专业知识的医疗中心，对TBLC作为SLB的替代方案提出了有条件推荐7。与SLB相比，TBLC在历史上表现出良好的诊断准确性，但其应用受限于出血和气胸等并发症8。最近的一项荟萃分析显示，TBLC总体诊断率为77%，在多学科讨论（MDD）后提升至80.7%，气胸发生率为9.2%，出血发生率为9.9%9。TBLC还被用于肺周围性病变（PPLs）的评估10。 

机器人辅助支气管镜（RAB）的发展使得能够在直视下通过气道进行精确导航，并凭借灵活的导管操控性、精准的导管尖端活动能力、操作稳定性，以及利用机械臂在远端气道中通过导管维持支气管楔形嵌顿的能力，实现对肺部病灶的靶向取样。Ion腔内系统采用形状感知技术进行导航，以到达肺内特定目标区域。使用形状感知机器人辅助支气管镜（ssRAB）的研究表明，该技术在诊断结果和安全性方面表现良好，主要用于可疑恶性肺周围病变（PPLs）的诊断11,12,13,14。结合ssRAB使用的1.1 mm冷冻探针在经支气管冷冻肺活检（TBLC）中已被证明在肺结节诊断方面安全有效，相较于使用活检钳的经支气管活检更具优势15。该技术可用于获取比传统活检钳经支气管活检更大的靶向肺组织样本，且样本较少受到挤压伪影的影响。 

径向支气管内超声（r-EBUS）和锥形束计算机断层扫描常与传统支气管镜、电磁导航或机器人导航系统联合使用，以在取样肺外周病变（PPLs）前实现实时确认16,17,18,19,20,21,22。r-EBUS 也已在经支气管肺活检（TBLC）用于弥漫性肺实质疾病（DPLD）诊断时得到应用，可提高肺组织标本的病理诊断可信度，减少出血，并缩短操作时间23。联合使用锥形束CT（CBCT）进一步提高了TBLC用于DPLD时的安全性，通过确认活检探针尖端位于安全区域，实现对距胸膜距离的客观测量，并能够可视化及避开血管结构24,25,26。 

本方案将描述一种在临床环境下，对能够耐受并可从操作中获益的患者，在全身麻醉下结合使用Ion支气管内系统、X线透视、径向支气管内超声（r-EBUS）和锥形束CT（CBCT），对肺实质病变进行靶向经支气管肺活检（TBLC）的操作流程。这种多模态方法可实现对目标病灶区域的精确诊断取样。 

方案

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本文所述方案概述了标准的临床实践。德克萨斯大学西南医学中心机构审查委员会已批准对接受常规支气管镜检查联合ssRAB的患者进行前瞻性数据收集（STU-2021-0346），纳入本数据库无需单独知情同意。在操作前，患者需签署常规操作知情同意书。对于影像学表现为弥漫性肺实质病变（DPLD）且符合支气管镜肺活检适应证的患者，将被转诊接受此项操作。5,27年龄超过18岁的患者，经转诊医生和操作医生评估后认为可耐受该操作。排除标准包括出血性疾病（国际标准化比值升高） >1.3 血小板减少症 <100,000/µL），低氧血症伴脉搏血氧测定 <90% 且在 2 L/min 补充氧气条件下，肺动脉高压（经超声心动图测量的体循环肺动脉压） >50 mmHg）或严重心脏疾病。本研究中所用设备的详细信息列于下文 材料表.

1. 术前规划

  1. 将患者的薄层胸部 CT 上传至规划软件。软件将自动创建气道和肺部的三维重建图像。
  2. 在肺部选择拟采样目标区域，位置应距离胸膜边缘约 10 mm。注：该区域可能是磨玻璃影、浸润灶、结节样改变或纤维化，具体需结合转诊医师、放射科医师的意见或临床判断确定。既往文献报道显示，若目标区域面积  >2 cm28，对外周肺病变的诊断率更高。
  3. 为每个目标位置规划路径。
    注：若术中发现路径不可行，应考虑规划备用路径。
  4. 在全部三种 CT 视图（轴位、冠状位和矢状位）以及虚拟支气管镜下审查计划（图 1）。
  5. 将计划导出至控制器控制台。 

2. 患者准备

  1. 使用最小规格为8.0的单腔气管导管诱导并维持全身麻醉。采用神经肌肉阻滞和全静脉麻醉，并结合呼吸机方案以减少肺不张的发生29。
    注：通过外周神经刺激器进行四次成串刺激（train-of-four）测试来监测神经肌肉阻滞程度29。
  2. 将患者双臂妥善固定，以便在锥形束CT（CBCT）旋转扫描过程中实现C形臂的完整旋转。
  3. 调整患者和C形臂的位置，使经荧光透视定位的目标区域位于等中心位置。

3. 常规支气管镜检查

  1. 插入诊断性或治疗性支气管镜 通过 将支气管镜适配器插入气管插管中。
  2. 进行气道检查，并尽量减少吸痰以降低肺不张的发生风险30.
  3. 取出支气管镜。

4. 机器人辅助支气管镜检查

  1. 分子对接
    1. 将机器人支气管镜移至患者旁边的指定位置。
    2. 将机械臂与磁性支气管镜适配器对接。将导管和视觉探头插入气管插管中。
  2. 注册
    1. 将导管放置到位，使直视图像与气管隆嵴处的虚拟支气管镜图像相匹配。
    2. 操控机器人导管 通过 将控制器控制台上的滚轮和轨迹球插入左右主支气管，随后进入双侧上、下呼吸道，以采集气道数据。
    3. 注册完成后，比较虚拟与实际支气管镜图像。若发现明显错配或偏差，需重新注册；否则，接受该注册结果。
  3. 导航
    1. 使用控制器控制台上的滚轮和轨迹球，沿预定路径将导管经气道推进至目标病灶。
    2. 如果发现路径偏离（虚拟气道与实际气道之间存在差异），请使用“预览路径”功能来跟踪气道图像。
  4. 使用透视、径向支气管内超声（r-EBUS）和锥形束CT（CBCT）确认位置。
    1. 当导管距离目标病灶5–10 mm时，移除视觉探头。
    2. 在荧光透视下推进径向支气管内超声（r-EBUS）探头并旋转探头，直至到达胸膜边界图2A).
    3. 在透视引导下，将r-EBUS探头从胸膜边界回撤约10 mm，至预期的活检目标位置。使用r-EBUS探头观察目标区域，并评估潜在活检区域周围的肺实质及任何血管结构。取出r-EBUS探头。
    4. 插入1.1 mm接触式冷冻探针 通过 导管并在荧光透视下延伸至预先确定的活检目标区域（图2B).
    5. 根据系统特定方案执行锥形束CT旋转扫描。可根据操作者偏好继续通气，或使用呼吸机的可调压力限制阀设定至与呼气末正压（PEEP）或肺活量动作相匹配，实施吸气末屏气。
      注意：CBCT旋转可在预期活检部位不旋转地延伸r-EBUS探头或1.1 mm冷冻探头时进行。
    6. 解读并比对术中影像与术前胸部CT及计划，以确认导管位于目标位置。若锥形束CT（CBCT）配备增强透视功能，可在活检期间对目标区域进行分割，以便在二维透视下可视化图3).
    7. 根据透视、锥形束CT（CBCT）和径向支气管内超声（r-EBUS）调整导管位置，以确保在合适的位置进行取样。
    8. 必要时在调整导管后重复锥形束CT扫描。
  5. 组织取样
    1. 确保1.1 mm接触式冷冻探针处于适当的活检位置。
    2. 踩下脚踏板，启动冷冻循环，持续4至6秒，然后在保持脚踏板下压的同时，一次性回撤探头。
    3. 松开脚踏板，将带有组织活检样本的探头尖端放入0.9%氯化钠溶液或固定液中，以使活检组织从尖端释放。
    4. 重复步骤 4.5.1–4.5.3 以执行 TBLC。
      注意：作者通常在每个部位取1–4个活检样本。在活检过程中，每次活检前可轻微调整导管位置，以确保获得足够的组织样本；这可能需要在步骤4.4中重复锥形束CT（CBCT）扫描，或使用径向支气管内超声（r-EBUS）确认位置。
    5. 最后一次活检后，使用10 mL鲁尔锁注射器向导管内注入1–2 mL生理盐水和空气，以清除任何血液或分泌物。
    6. 插入视觉探头以观察采样部位，并缓慢回撤导管。若发现出血迹象 通过 直视下或在透视引导下发现出血点后，局部注射1:10,000肾上腺素1 mL、额外冷盐水或氨甲环酸50–100 mg 通过 松开止血夹，然后将导管留置原位 3–5 分钟，以进一步压迫止血。
    7. 重复步骤 4.5.6。若无出血迹象，将导管回撤至气管。
    8. 如果发现明显出血，则应撤出机器人支气管镜，并遵循柔性支气管镜检查后医源性出血的处理方案31.
  6. 额外的取材位点：如果计划对额外的取材位点进行活检，则重复步骤 4.3–4.5。
  7. 机器人辅助支气管镜检查结束后，撤回导管，解除机器人系统的对接，并将其移出操作位置。

5. 常规支气管镜检查 

  1. 通过支气管镜适配器将诊断性或治疗性支气管镜重新插入气道，进行气道检查和吸痰。
  2. 如果需要进行支气管肺泡灌洗，将支气管镜推进至未实施经支气管肺活检（TBLC）的亚段气道，形成楔入状态。分次注入生理盐水等分试样，然后回收 通过 手动吸液。 

6. 实验步骤总结

  1. 取出支气管镜。
  2. 进行透视检查或重点超声检查5，以评估是否存在气胸。若发现气胸，应根据气胸范围及患者的临床状况，考虑放置胸腔引流管或采取保守治疗并连续观察。
  3. 如有必要，将经支气管肺活检标本从0.9%氯化钠溶液转移至含固定液的容器中。
  4. 逆转麻醉作用，拔除气管导管，并唤醒患者。
  5. 将患者转运至麻醉后监护室。
  6. 行术后胸部X线检查，并进行影像 review（图4）。

7. 术后随访

  1. 在由间质性肺疾病领域的肺科专家、胸部放射科医生和胸部病理学家参加的多学科讨论会上，回顾支气管镜检查结果，以确定间质性肺疾病（ILD）的亚型。
  2. 将支气管镜检查结果及多学科讨论会（MDD）的结论告知患者，并讨论后续管理和随访计划。 

结果

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

所述技术可实现靶向经支气管肺冷冻活检 通过 在荧光透视、径向支气管内超声（r-EBUS）和锥形束CT（CBCT）引导下进行RAB。与传统的支气管镜检查结合随机经支气管肺活检（TBLC）相比，该技术可在活检前评估周围结构，并实现对间质性肺疾病（DPLD）或肺周围病变（PPLs）感兴趣区域的精确定位。该技术可单独结合r-EBUS与荧光透视使用，也可联合CBCT进行。尽管该技术最初为肺周围病变设计，但仍可用于良性及弥漫性肺实质疾病，以确保对特定目标区域进行精确取样。

既往，经支气管冷冻肺活检（TBLC）使用的是较大的冷冻探针（1.7 mm、1.9 mm、2.4 mm）9,10。目前，对更小的一次性1.1 mm冷冻探针的评估仍在进行中。最近一项前瞻性、随机对照试验比较了在评估弥漫性肺实质疾病（DPLD）患者中接受支气管镜联合TBLC时使用1.1 mm与1.9 mm冷冻探针的效果，结果显示两者在标本质量和诊断率方面无显著差异，但1.1 mm冷冻探针获取的样本体积较小32。FROSTBITE-2试验是一项比较1.1 mm冷冻探针与标准2.0 mm活检钳在多种肺部疾病（包括肺移植供体评估、DPLD或肺部孤立性结节[PPL]）中经支气管肺活检有效性的研究，目前正处于受试者招募阶段。

关于使用导航支气管镜引导获取经支气管肺活检（TBLC）诊断弥漫性实质性肺病（DPLD）的研究数据有限。Kronborg 等人33报道了一项前瞻性研究，该研究在18例DPLD患者中使用电磁导航支气管镜引导下TBLC，采用1.7 mm或1.9 mm接触式冷冻探针。研究显示，活检结果对11例患者的诊断有所帮助，3例出现气胸，7例出现轻度至中度出血33。

我们此前已发表过采用这种多模态技术（结合ssRAB、透视成像、r-EBUS和CBCT）对良性和恶性肺部疾病患者进行靶向肺组织取样的结果21,22。自最初提交论文以来，另有10例弥漫性肺实质疾病（DPLD）患者接受了用于经支气管肺活检（TBLC）的RAB联合透视成像、CBCT及r-EBUS检查，这些病例未包含在上述数据集中。在此队列中，无一例患者出现需要干预的出血事件。1例患者因气胸扩大但无症状而需住院观察，随后置入胸腔引流管。8例患者在单个肺叶进行活检（1例右上叶，5例右下叶，1例左上叶，1例左下叶），2例患者在多个肺叶进行活检（右上叶和右下叶）。平均获取的总活检标本数为7 ± 1.2个。活检标本的平均最大径为0.32 mm ± 0.1 mm。支气管镜检查结果对70%患者的诊断提供了帮助。数据收集工作仍在持续进行中。

CT肺部扫描分析；轴向、冠状、矢状视图，气道三维重建，解剖准确性。
图1：胸部CT的轴向、冠状和矢状切片图像，包含气道重建及右上叶选定的活检部位与规划路径。 请点击此处查看该图的放大版本。

在X线透视引导下进行导管放置、医学成像技术、解剖结构邻近信息。
图 2：ssRAB控制台显示图像，左侧为左前斜位（LAO）30度X线透视图像并包含数字放大。 (A) 上图显示r-EBUS已伸出，活检部位未见明显血管结构。(B) 1.1 mm冷冻活检探针已伸出。请点击此处查看该图的放大版本。

CT扫描图像，肺部横截面，突出显示用于诊断分析的病灶，医学影像。
图3：使用r-EBUS探头可见时进行的锥形束CT扫描。 活检区域已分割，可用于增强型透视成像。请注意，在进行锥形束CT旋转扫描时若未屏气，会出现明显的运动伪影和肺不张。 请点击此处查看该图的放大版本。

胸部X光片显示肺野、诊断成像、肺部状况的医学分析。
图4：术后前后位胸部X线片。 双侧间质性密度影，未见气胸或胸腔积液。请点击此处查看该图的放大版本。

讨论

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本手稿提供了一种逐步实施RAB的方法，结合使用透视成像、径向支气管内超声（r-EBUS）和锥形束CT，以获取靶向经支气管肺活检标本（TBLC）。 

本方案中有若干关键步骤。首先，必须严格选择患者，以确保其既适合接受该操作（活检 procedure 可能直接影响诊断和后续治疗），又具备接受该 procedure 的医学条件5,6。操作前的准备工作包括与转诊医师和/或放射科医师进行讨论，以明确鉴别诊断及可能获取诊断性组织的最优活检区域。对于患有弥漫性肺实质疾病（DPLD）但可能存在可靶向取样的局灶性病变（如结节或磨玻璃样阴影）的患者，或当最佳活检部位邻近重要结构（胸膜、血管）或因支气管走行角度或解剖结构原因导致支气管镜难以到达的肺部区域时，联合使用锥形束CT（CBCT）与径向支气管内超声（r-EBUS）技术尤为有益。若无法获取CBCT，则加用r-EBUS有助于确定胸膜边界，并通过r-EBUS观察计划活检区域，识别磨玻璃样区域并避开血管结构，从而降低出血风险。 

应尽可能计划采集多个病灶样本，并考虑到达目标区域的多种路径，因为许多变量（如远端气道狭窄、黏液嵌塞或气道成角）可能使导航变得困难。使用外径为3.5 mm的ssRAB导管的优势在于其灵活性和稳定性，可实现对全肺范围的通达，包括以往支气管镜难以到达的区域。 

导航后，辅助成像技术（如径向支气管内超声和锥形束CT）可用于确认潜在活检部位是否合适。结合二维透视的径向支气管内超声可用于观察潜在活检部位的胸膜边界、肺实质以及任何血管结构。锥形束CT则进一步确保活检部位周围无重要结构，确认取样路径方向，并在术中影像上传至PACS系统时，有助于多学科讨论会（MDD）中后续的临床-病理相关性分析。 

在获取经支气管肺活检（TBLC）时，使用1.1 mm接触式冷冻探针撤出探头的过程中，必须持续按压脚踏开关，因为过早松开可能导致组织提前解冻并造成组织丢失。操作的调整应基于患者特征，包括体型及疾病分布情况，可包括调整活检靶区、每个靶部位获取的TBLC数量，或根据所获组织大小调整冷冻周期。 

鉴于当前ssRAB导管的尺寸和所述技术，本方案仅限于使用1.1 mm的接触式冷冻探针。与较大探针（1.7 mm、1.9 mm或2.4 mm）相比，较小的冷冻探针结合ssRAB能够可靠地维持远端楔入位置，从而降低了出血风险，并可能避免了对支气管内阻塞器的需求。对于因患者特征或可用操作技术限制而原本无法接受非靶向TBLC 的患者，该技术可能具有帮助作用，这些患者 otherwise 只能接受常规支气管镜检查伴TBBX或不进行任何操作。在非恶性肺实质疾病中，该技术尚需进一步研究。 

鉴于多模态方法及所需设备（ssRAB、透视成像、CBCT 和 r-EBUS）的成本、可及性以及操作培训要求，该技术组合目前可能具有一定的应用局限性15,34。然而，随着这些技术在肺周围病变（PPLs）活检中的应用日益广泛且可及性不断提高，其在未来非恶性肺部疾病中的应用潜力有望增加。这些技术的可重复性应在具备丰富外周支气管镜操作经验且能够处理相关并发症（如气胸和气道出血）的高容量医疗中心进行验证；若用于弥漫性肺实质疾病（DPLD）的评估，还需具备多学科讨论（MDD）以及胸外科支持条件。未来可能在支气管镜评估 DPLD 中发挥补充作用的其他新兴技术包括光学相干断层扫描（OCT）、共聚焦激光显微内镜（CLE）、快速现场评估（ROSE）以判断标本 adequacy、以及免疫组织化学和基因组分类器（GC）检测35,36,37,38,39。 

综上所述，对于存在恶性或良性肺部病变且胸部CT异常的患者，采用ssRAB联合辅助高级影像技术及1.1 mm冷冻探针进行靶向肺活检的多模式方法，可能提供一种更为安全的肺组织获取方式，并有助于明确诊断。然而，针对这些联合技术在良性和恶性疾病中的诊断效能和安全性，仍需进一步证据支持。 

披露

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

DP 声明无利益冲突。KS 报告与 Intuitive Surgical Inc. 存在关系，包括差旅费报销。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作者感谢德克萨斯大学西南医学中心的介入肺脏病学团队、内镜工作人员、麻醉团队、细胞病理学团队以及杂交手术室放射科技师。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
0.9% 氯化钠溶液，1000 mL任意品牌
10 mL 带锁扣注射器任意品牌
20 mL 滑动接头注射器任意品牌
支气管镜Intuitive
支气管镜处理器及视频显示器Intuitive
二氧化碳气体钢瓶
带C型臂及控制台的锥形束计算机断层扫描系统
活检通道一次性阀门
吸引用一次性阀门
ERBECRYO 2 单踏板脚踏开关 AP & IP X8 设备 USErbe20402-201
ERBECRYO 2 推车Erbe20402-300
ERBECRYO 2 冷冻外科设备Erbe10402-000
ERBECRYO 2 系统Erbe
柔性冷冻探针，外径 1.1 mm，长度 1.15 m，带护套，护套外径 2.6 mm，长度 817 mmErbe20402-401
柔性气体软管；长度 1 m，适用于 Erbokryo CA/AE/ERBECRYO 2Erbe20410-004
气体瓶适配器 H 型；CO2；销指数Erbe20410-011
带机械臂和控制台的 Ion 内窥腔系统Intuitive
Ion 全可动导管Intuitive490105
Ion 仪器及附件
Ion 周边视野探针Intuitive490106
配备 PlanPoint 规划软件的笔记本电脑Intuitive
探针驱动装置OlympusMAJ-1720
径向 EBUS 探针OlympusUM-S20-17S 或 UM-S20-20R-3
径向支气管内超声系统
符合机构标准的含固定液的标本容器
无菌一次性杯子
吸引管路
局部用 1:10,000 肾上腺素，10 mL
局部用氨甲环酸 1000 mg，10 mL
通用超声处理器 OlympusEU-ME2
金属网篮；339 x 205 x 155 / 100 mmErbe20180-010

参考文献

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