機器人在肺癌診療領域中的應用
編者按：本文轉載自 思宇醫械觀察（公眾號：suribot） ，作者：劉稷軒，動脈網經授權轉載。
肺癌是發病率和死亡率增長最快，對人群健康和生命威脅最大的惡性腫瘤之一。
據中國腫瘤登記中心的資訊顯示，在所有的癌症死亡病例中，肺癌死亡比例超過了35%。男性患者高於女性患者；發病年齡大多數在40歲以上，50～70歲最多見。肺癌早期往往無明顯症狀，75%患者診斷時已是晚期。
隨著人口老齡化，老年肺癌患者的數目也在不斷增加。由於老年人肺功能、肝臟儲備功能和腎臟清除能力降低，骨髓造血功能減退以及合併多種老年性疾病等因素，導致老年腫瘤患者治療耐受性低，治療過程中也容易出現複雜多樣的臨床狀況。針對肺癌開展免疫治療、外科手術手段和裝置相關的研究具有非常重要的意義，也是我國未來醫療水平技術發展急需攻克的難點。
近期，手術機器人鼻祖美國直觀醫療器械公司（Intuitive Surgical）與復星醫藥正式啟動戰略合作，共同注資1億美元在上海成立合資企業，研發針對肺癌早期診斷和治療的創新產品。與此同時，多家創新企業也開始涉足此領域。肺癌機器人這個新的戰場，也即將烽煙四起。思宇醫械觀察對此作出了梳理。
一、肺癌診斷機器人
為對肺癌進行精準治療，組織活檢必不可少。但傳統人工的組織活檢技術存在多種問題，輔助活檢的機器人系統應運而生。I-SYS、SimpliCT、ROBIO EX、美敦力的Super Dimension Navigation系統等便是這一領域的先驅。
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（一）穿刺機器人
奧地利Interventional system 公司的iSYS系統是一種新穎的小型機器人瞄準系統，用於協助介入放射手術。放射科醫師使用手持式操縱桿進行遠端控制，可以使用實時的熒光定位導軌在遠離光束的安全距離內進行操作。
iSYS1允許放射科醫生在手術之前預先設定針路徑，其準確性和精確度得到認證，並能提供可靠的重現性，使用者介面設計非常直觀和簡單，可以與任何CBCT（錐形束投照計算機重組斷層影像）， C-Arm（C臂透視機）平臺相容。該系統使用方便快捷，可在3分鐘內完成準備工作。
iSYS系統圖示
挪威NeoRad 公司的SimpliCT系統是用於CT，PET-CT和（錐形CT）的介入式鐳射導航裝置，用於非血管性干預，如活檢，消融，排洩，滲透等。SimpliCT使用鐳射束顯著提高計算機斷層掃描（CT / CBCT）指導穿刺程式的準確性，並且可以減少操作員和患者的輻射劑量。
SimpliCT使用Mavig Portegra2天花板系統安裝，用更快更安全的程式改善患者的舒適度。SimpliCT鐳射導航目前已在美國，歐盟，日本，韓國，臺灣，新加坡，澳大利亞以及許多中東和南美的國家得到銷售和推廣。
SimpliCT系統圖示
SimpliCT系統鐳射定點陣圖示
印度Perfint 公司的ROBIO EX系統是CT和PET-CT引導的機器人定位系統，可以用於胸部腹部的介入治療，幫助快速準確地靶向腫瘤和放置工具，具體應用包括組織活檢，細針穿刺細胞學檢查（FNAC），疼痛管理，引流和腫瘤消融。
ROBIO EX的機械臂具有5個自由度以及亞毫米和亞角度的精度。這確保了手術可以在不同的高度和位置進行。
幾種穿刺機器人的比較
支氣管鏡檢查技術在肺癌早期診斷中佔有重要地位。傳統的支氣管鏡主要適用於中央型肺癌的診斷，而對於一些黏膜和黏膜下早期病變，整合細胞自發熒光和電腦影象分析技術的自熒光支氣管鏡則具有一定優勢。對於縱隔或周圍型肺癌，近年來出現的經支氣管鏡腔內超聲( endobronchial ultrasonography，EBUS) 可發揮很好的診斷效能。根據超聲探頭的不同，EBUS 分為徑向探頭( radial probe，RP) 和凸面探頭( convex probe，CP) 。RP-EBUS 主要用於檢查周圍型( 亞段以下支氣管) 病灶; CP-EBUS 主要用於對縱隔淋巴結進行檢查與診斷，與經食管超聲內鏡聯合使用，對多數縱隔淋巴結進行準確穿刺。
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（二）電磁導航支氣管鏡機器人系統
電磁導航支氣管鏡( electromagnetic navigation bronchoscopy，ENB) 是最新一代的支氣管鏡導航技術，結合電磁導航、虛擬支氣管鏡和 CT 影象三維重建等技術，可實現實時導航，大大提高活檢的精確性。該技術主要適用於傳統支氣管鏡或肺穿刺無法確診的周圍型病灶，目前正逐步擴充套件到輔助外科手術定位、放療定位，及對一些失去手術機會的周圍型肺癌患者進行精準導航下的消融治療。
美敦力的Super Dimension Navigation系統使用了電磁導航支氣管鏡（ENB）技術用於氣管支氣管樹的影象顯示，以輔助醫生引導內窺鏡工具或肺道導管和在柔軟的肺組織內進行標記。該系統由導航系統，定位板，病人三聯體，定位導管，內窺鏡工作通道延長導管組成。Super Dimension in Reach系統通過使用患者的計算機斷層掃描影像構建一個三維（3D）影像。3D影像用於規劃從肺部到潛在疑似病變的路徑，並在定位導管尖端經過預期路徑時提供反饋資訊。定位板發射電磁訊號，定位導管上的電磁感測器以及病人三聯體上的三個感測器檢測訊號，系統通過這一方式執行。當定位導管到達預期位置時，取出定位導管，但延長工作通道留在原位，從而允許其他工具達到該部位。
美敦力superdimension電磁導航支氣管鏡（ENB）
二、肺癌腔鏡機器人
20世紀90 年代以來，隨著胸腔鏡裝置的更新及高清影像技術的發展，胸腔鏡下肺癌微創手術已成為臨床上應用最廣的手術方式之一。由於胸腔鏡手術術後併發症發生率低、住院時間短、術後恢復快等優點，已取代多數開胸手術。手術切口從開始的 4 孔逐步過度到 3 孔、兩孔、單孔、劍突下單孔胸腔鏡操作。術式從傳統肺葉切除術，發展到更精準的解剖式肺葉、亞肺葉( 肺段、楔形) 切除術，以及全胸腔鏡下支氣管袖式肺葉切除術和支氣管袖式加血管袖式雙袖式肺葉切除術等。
機器人輔助外科手術成為全胸腔鏡下肺癌微創手術的先進代表，微創手術在肺癌手術中有著顯著的優勢，由於創傷小、出血少、恢復快、住院時間短、術後併發症和死亡率低，已經逐漸成為肺癌的首選外科治療方式。微創手術又包括兩種不同的手術方式：電視輔助胸腔鏡外科手術（vats）和達芬奇機器人手術系統（da Vinci）。
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(一）電視輔助胸腔鏡外科手術（vats）
電視胸腔鏡手術在上個世紀初首先用於肺結核的治療，當時胸腔鏡技術還不能用於肺癌肺葉切除。隨著光學、器械等技術的發展，胸腔鏡技術逐漸用於肺癌治療，並出現了單孔胸腔鏡技術。胸腔鏡手術器械主要有胸腔鏡、微型攝像機、光源、螢幕監視器、電刀、超聲刀、直線切割閉合器、長電凝鉤、ENDO-GIA切割吻合器等，另外還包括常規的胸外科手術器械等。胸腔鏡頭常用5mm，30°角，便於更好觀察胸腔內組織器官的位置關係。切割縫合器常用關節頭為可旋轉式，胸腔鏡下操作更為方便，直接指向靶組織，縮短手術時間。
目前胸腔鏡手術器械的操作柄直徑可能會對單孔下更快、更好的手術操作產生干擾，隨著技術發展，未來可能設計直徑更細的操作器械。2015年的ASCVTS會議上有研究者介紹了5毫米血管閉合器，如果這種血管閉合器能推出問世，無疑將對單孔胸腔鏡手術起到很大的促進作用。
電視輔助胸腔鏡外科手術（vats）
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（二）達芬奇機器人手術系統（da Vinci）
1.達芬奇手術機器人系統概述
達芬奇機器人手術系統是真正意義上的機器人蔘與肺癌手術，該系統由intuitive surgical公司製造，2000年7月通過FDA認證後，成為世界上首套可以正式在手術室中使用的機器人手術系統。達芬奇機器人由三部分組成：外科醫生控制檯、床旁機械臂系統、成像系統。主刀醫生坐在控制檯中，位於手術室無菌區之外，使用雙手(通過操作兩個主控制器)及腳(通過腳踏板)來控制器械和一個三維高清內窺鏡。
床旁機械臂系統(Patient Cart)是外科手術機器人的操作部件，其主要功能是為器械臂和攝像臂提供支撐。助手醫生在無菌區內的床旁機械臂系統邊工作，負責更換器械和內窺鏡，協助主刀醫生完成手術。成像系統(Video Cart)內裝有外科手術機器人的核心處理器以及圖象處理裝置，外科手術機器人的內窺鏡為高解析度三維(3D)鏡頭，對手術視野具有10倍以上的放大倍數，能為主刀醫生帶來患者體腔內三維立體高清影像，使主刀醫生較普通腹腔鏡手術更能把握操作距離，更能辨認解剖結構，提升了手術精確度。
達芬奇手術機器人系統
達芬奇機器人手術系統創新運用人機合一的理念，大幅度提升了微創手術的整體水平，在胸外科等領域已經普遍運用。胸外科應用該系統手術於2001年3月5日方被美國FDA批准使用， 開展時間相對較晚。目前在國際上， 只有美國、義大利、日本等少數幾個國家允許應用達芬奇機器人手術系統實施普胸外科手術。在國內， 2006年首先由北京中國人民解放軍總醫院引入該手術系統，主要由高長青教授將其應用於心外科手術中。
達芬奇機器人目前已發展到第六代SP系統機器人，其最大的特點是隻有一個機械臂，單臂可提供三個多關節儀器和一個3DHD攝像頭，可在狹窄的手術空間內實現可視性控制。此外也在流線型設定、多種控制模式、動態資訊顯示等方面做了改進。通過一個特製的套管，一條鏡頭臂和兩條交叉彎曲的器械臂進入體腔內進行手術，從而只需要在胸壁開一個小孔就可以完成肺癌手術所有的操作。
國內普胸外科應用達芬奇機器人手術系統可以完成的手術術式包括:前、後縱隔腫瘤切除術 (囊性及實性腫瘤) 、全胸腺切除及前縱隔脂肪清除術、膈肌裂孔修補術、賁門肌層切開術、食管壁內囊腫切除及食管黏膜縫合修補術、食管癌根治術、肺大泡切除術、肺段切除術、肺內病變行病灶楔形切除術或肺癌肺葉切除、淋巴結清除術等。
達芬奇手術機器人系統
達芬奇機器人手術系統主要在以下方面優於傳統胸腔鏡手術。
（1）手術更精準。機器人系統配有高解析度三維內鏡，視覺可放大10～15倍，並且機器手的大小也僅為5或8毫米，比人的手指更為精細，手術的精確度實現質的飛躍。
（2）患者創傷更小、恢復更快。術中，機器人的機械手臂在患者體表留下的創口更小，出血更少，術中的組織創傷和炎性反應減少，術後患者疼痛感更少，住院時間縮短，生命質量改善。
（3）醫生操作更靈活和便捷。達芬奇手術機器人可增加醫生視野角度；機器手在患者體內可實現靈巧的轉腕，能以不同角度操作；還可減少醫生手部顫動，同時可以減少醫生的疲勞，使其可以更集中精力為患者手術。這是傳統胸腔鏡所不具備的重要突破。
2.達芬奇市場情況
截止至2013年9月30日， 全球已售出達芬奇機器人手術系統2871臺， 其中美國2042臺， 歐洲455臺， 亞洲261臺， 其餘地區113臺。亞洲韓國39臺， 日本138臺， 印度23臺， 中國大陸17臺， 香港8臺， 臺灣18臺， 新加坡8臺， 馬來西亞3臺， 泰國6臺， 菲律賓1臺， 印度尼西亞1臺。
中國大陸自2006年中國人民解放軍總醫院首先引入達芬奇機器人手術系統， 至2013年6月底共擁有17臺， 其中北京中國人民解放軍總醫院4臺， 北京地壇醫院、北京中國人民解放軍第二炮兵總醫院、上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院、上海交通大學附屬胸科醫院、復旦大學附屬華東醫院、復旦大學附屬中山醫院、南京軍區南京總醫院、第三軍醫大學附屬西南醫院、瀋陽軍區總醫院、上海長海醫院、北京協和醫院、濟南軍區總醫院、第四軍醫大學附屬西京醫院各1臺。瀋陽軍區總醫院為東北地區目前唯一一家擁有達芬奇機器人手術系統的單位。
2012年全球共應用達芬奇機器人手術系統完成手術約45萬臺次， 比2011年增長超過25%。國內自2006年至2013年12月共完成達芬奇機器人手術6535臺次， 其中2013年1月至12月完成手術2984臺次。由此可見， 達芬奇機器人的發展及應用速度之快， 讓人刮目。
3.達芬奇在中國開展胸外科手術情況
由於開展達芬奇機器人行肺癌肺葉切除、淋巴結清除術的手術難度大， 需要有熟練的常規開胸行肺葉切除技術， 以及熟練地應用電視胸腔鏡下實施完全VATS下肺葉切除技術， 所以欲開展此術式就顯得更加困難。據不完全瞭解， 目前國內能夠應用達芬奇機器人手術系統開展肺癌肺葉切除、淋巴結清除術的醫院僅有少數幾家包括:解放軍總醫院、瀋陽軍區總醫院、上海交通大學附屬胸科醫院、南京軍區總醫院、第三軍醫大學附屬西南醫院等。
自2006年至2013年12月底。我國達芬奇手術機器人共完成普胸外科疾病手術量為607例， 佔所有各專業達芬奇手術量的9%。各醫院手術量:瀋陽軍區總醫院260例、南京軍區總醫院191例、上海交通大學附屬胸科醫院70例、北京中國人民解放軍第二炮兵總醫院49例、北京中國人民解放軍總醫院11例、復旦大學附屬中山醫院和第三軍醫大學附屬西南醫院分別完成9例、濟南軍區總醫院6例、復旦大學附屬華東醫院和上海長海醫院各完成1例。
三、肺癌放療消融機器人
近 30 年來放療裝置及相關輔助裝置的不斷更新，帶來放射治療技術飛速的進步，臨床放射治療也從最初的二維照射發展至目前的三維適形/調強療 ( three-dimensional conformal /intensity-modulated radiation therapy，3DCRT / IMRT) ，及由此而衍生出的影像引導放療 ( image-guided radiation therapy，IGRT) 、自適應放療( adaptive radiation therapy，ART) 等。這些放療技術的革新也在一定程度上改變放療在肺癌綜合治療中的地位。
20 世紀 90 年代後期，體部腫瘤立體定向消融放療 ( stereotactic ablative radiotherapy， SABR ) 技術逐漸開始應用於臨床研究，5 年生存率可大於50% 。對於身體條件可以耐受手術，但是患者拒絕的 Ⅰ 期 NSCLC，如果放療等效生物劑量( biological effective dose，BED) 超過100 Gy，可以取得與手術類似的治療效果。2015 年發表在 Lancet Oncol 的一項 2 個比較 SABR和肺葉切除的研究彙總( STARS 和ROSEL) ，共 58 例患者，手術組和 SABR組的 3 年生 存率分別是 79% 和 95% 。SABR目前主要用於周圍型肺癌 和體積比較小肺癌( 腫瘤最大徑 ＜ 5 cm) 的治療。
美國瓦里安醫療系統公司（Varian Medical Systems），是目前全球綜合放射治療裝置軟硬體以及X光診斷裝置關鍵軟硬體的供應商。致力於提供癌症及其他疾病放射治療、放射外科、質子治療和近距離放射治療裝置及相關軟體，是全球領先的癌症及其他重大疾病診斷及治療解決方案的供應商。目前，瓦里安醫療系統公司在全球安裝了7000餘套放射治療系統，佔據全球近70%的市場份額。 瓦里安醫療系統公司Varian's TrueBeam(TM) 線性加速器和 Calypso® 'GPS腫瘤立體定位系統是全球市佔率最高的立體定向消融放療系統。
四、中國肺癌機器人開展相關進展
中國目前肺癌機器人相關的研發進展才剛剛開始，結合人工智慧在我國發展的熱火朝天，我國肺癌疾病相關的機器人主要集中於閱片診斷領域。
科大訊飛股份有限公司近日和安徽省立醫院合辦的醫學人工智慧實驗室合作研發出一款影像識別機器人，能夠通過研讀肺部CT片識別是否有炎症或癌症。通過研讀肺部CT片識別是否有炎症或癌症。目前它已被用於臨床試驗，識別準確率超過95%。
科大訊飛肺癌影像診斷閱片機器人
真健康（北京）醫療科技有限公司，由北航、清華、中科院等多方資源共同發起。聚焦於中國肺癌的診斷與治療，結合人工智慧技術實現對肺癌早期的精準診斷和精準手術。公司開發了一款肺結節自動診斷肺癌手術機器人系統，其通過機器人導航和控制技術結合大資料自動分割和三維重建，幫助醫生自動診斷肺結節並自動導航到術前規劃的手術位置。目前該產品已完成樣機生產，定位精度達到1mm，即將開展臨床試驗的準備工作。
蘇州安術醫療有限公司是一家自主研發智慧消融手術輔助機器人系統的專業化高科技公司，也是國內第一家提供精準穿刺消融技術的公司，成功打破了傳統腫瘤消融術的瓶頸，並且為肺癌晚期的病人帶來了手術治療的可能性。公司目前是國內第一個成功研發腫瘤消融機器人系統的公司，有相當大的未來市場，目前處於樣機開發完成階段。
五、結語
隨著機器人技術的發展和癌症患者對微創手術的需求，肺癌相關的機器人市場具有廣闊的發展前景。無論是肺癌手術機器人、肺癌早期診斷機器人、立體定向消融放療機器人，我國離歐美等主要發達國家還有一定的距離，還需要給與一定的時間去培育出具有我國自主智慧財產權的、全產業鏈的肺癌機器人公司。但是這一領域尚屬於藍海，發現機遇的國內創新公司正在大步趕上，在某些領域已經和國外領域的頂級醫療器械企業處於同一起跑線。