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周围型肺结节穿刺的辅助导航技术

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周围型肺结节穿刺的辅助导航技术
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临床上,凡是经过胸部 X 线、CT、PET-CT 等检查不能明确诊断的周围型肺结节(peripheral pulmonary lesions,PPLs)均可行穿刺活检。周围型肺结节的穿刺活检诊断包括经皮肺穿刺和经支气管肺穿刺,穿刺的辅助导航技术可能有助于提高穿刺的准确性、降低穿刺并发症。

1   经皮肺穿刺

1883 年,Leyden 首次对 1 例肺炎患者行肺穿刺针吸活检做细菌学检查,3 年后 Menetrier 首次应用肺穿刺针吸活检诊断肺癌。在 1930~1940 年间,很多学者对穿刺术进行研究,他们通常使用组织切割针,因未能借助 X 线定位引导穿刺,并发症多,死亡率高和肿瘤种植等原因,使这项技术未能广泛开展。1966 年 Dahlgren 和 Nordenstrom 介绍了 X 线透视引导下肺穿刺活检技术。1976 年 Haaga 等首次报道 CT 引导下肺穿刺活检技术。

2006 年加利福尼亚、佛罗里达、密歇根及纽约的医保项目门诊手术数据库及住院患者数据库中有 15865 例患者接受了 CT 引导下肺穿刺活检技术,气胸发生率 15%[95%CI(14,16)],其中 7%[95%CI(6,7.2)]需要放胸腔闭式引流;出血 1%[95%CI(0.9,1.2)],其中 17.8%[95%CI(12,24)]需要输血;发生这两种并发症需要放置引流管者住院时间明显延长(P<0.001),并且容易发展成需要机械通气的呼吸衰竭(P=0.02);高龄、吸烟、有 COPD 者容易出现并发症[1]。在一篇 Meta 分析中,粗针活检(core needle biopsy,CNB)(32 篇文章,8 133 次操作)和细针活检(fine needle aspiration,FNA)(17 篇文章,4 620 次操作)的汇总并发症总发生率分别为 38.8%[95%CI(34.3,43.5)]和 24.0%[95%CI(18.2,30.8)],前者显著高于后者(P<0.01);严重并发症发生率分别为 5.7%[95%CI(4.4,7.4)]和 4.4%[95%CI(2.7,7.0)][2]

CT 引导下肺穿刺的准确性取决于三个因素:进针点、进针深度和进针角度。进针点可用自制格栅定位标记;进针深度由 CT 机携带的软件进行准确测量;而进针角度,则由穿刺医生的经验决定(矢状面和横断面两个角度)。经验丰富的 CT 介入医生都有自己的感觉,比如通过在三维重建 CT 影像上的划线确定穿刺的角度,进行穿刺;或者张开你的手掌,几个指头就是一个天然的角度仪,比照 CT 划线,进行穿刺;或者术者把握矢状面穿刺角度,助手站在足侧掌控横断面穿刺角度。但是对较小或较深的病灶进行穿刺时,需要反复调整进针角度,可造成正常组织的创伤,导致各种并发症。为此,一些辅助导航技术应运而生。早期的辅助技术是利用机械框架或机械臂,通过看刻度来确定手术器械的位置,称之为机械式定位器。随着传感器和计算机技术的发展,机械定位器逐渐被电子传感器所代替,通过计算机处理、显示空间定位数据和医学影像,逐渐形成了目前的影像导航系统。

1.1   机械定位支架

1906 年英国 Horsley 和 Clarke 研制出立体定向仪,但它仅用于动物实验研究。41 年后 Spiegel 和 Wycis 发明人类的立体定位仪,并利用脑室造影定位技术,毁损脑深部结构以治疗精神病。以后,相继出现 Leksell、Reichert、Gillingham 和 Mccaul-Fairman 等定位仪。20 世纪 60~70 年代后,由于 CT 和 MRI 的广泛应用,大大提高了立体定位支架的准确性和安全性。近年来研制出适合肺部穿刺用立体定位支架,具有多方位、多角度定位作用。

1.2   跟踪定位系统

跟踪定位系统的设计原理源自全球定位系统(global positioning system,GPS)。它的设计原理是现代影像技术、立体定向技术与计算机技术(包括无线电和信号学等相关领域)有机结合的成果。但是,如何将计算机引导与医生的经验相结合,是一个值得探讨的问题。

1.2.1   机械定位系统

是最早应用于临床的测量手术器械空间位置的方法,从早期的框架式,到现在的机械臂式。框架式需要占用较大的空间,妨碍医生操作,现在已基本不用。机械臂式定位器可以在手术室内移动,比较灵活。机械臂一般具有 3 个以上自由度,由电脑控制其末端的空间位置和形态。手术器械固定在机械臂的末端,根据机械臂的数学模型,即能够推算出手术器械的空间位置和形态。目前研发的机械定位系统有印度 Perfint 公司的 ROBIO EX 系统。

1.2.2   光学跟踪定位系统

常用红外光跟踪定位系统。

1.2.2.1   光学反射球

红外光探测光学反射球被固定在穿刺针尖端上,使红外线照相机易于识别。实际应用中至少用 3 个以上光学反射球,以便进行 6 个自由度空间定位。

1.2.2.2   红外线照相机

将采集靶点的位置信息并传给计算机,计算靶点的空间位置,与先前的 CT 图像叠加。

光学跟踪定位系统不受电磁干扰,精度能够达到 1mm,但是医生在操作过程中不能阻挡光线传播的途径,因此活动空间受到限制。目前研发的光学跟踪定位系统有奥地利 Interventional System 公司的 iSYS 荧光导航系统、挪威 NeoRad 公司的 SimpliCT 激光导航系统。

1.2.3   电磁跟踪定位系统

1.2.3.1   磁场发生器

由一个三维线圈构成,在三维空间产生交变振荡的低频磁场。磁场发生器大小约为 20 cm×20 cm×20 cm,其可检测范围约为 0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm,靠近治疗部位,由可调节承重臂支撑。

1.2.3.2   定位传感器

一般非常小,直径<0.3 cm,长度<10 cm,固定于穿刺针尖端,通过一根导线将信号传输到控制系统,位于电磁场中的 X、Y、Z 轴以及运动时方位信息被磁场探测器捕获,与先前的 CT 图像叠加。定位传感器可以检测到 5 个或 6 个自由度(degree of freedom,DOF)。

电磁跟踪定位系统主要有两点优势,一是没有视线遮挡问题,包括人体、医生和铺巾等不会影响信号的传输;二是传感器非常小,已于固定在穿刺针上。主要缺点是可能受到周围磁场的干扰,包括操作器械、成像系统检查床等,严重影响定位的精度和可靠性;其次是需要反复调整场发生器的位置,确保定位传感器可以被检测到;再次是定位传感器需要有线连接;最后,比光学定位略低,一般在 3 mm 左右。目前研发的电磁跟踪定位系统有美国 GE 公司的 VTI InstaTrak3500 系统、加拿大 NDI Aurora 系统,美国 Veran Medical 的 IG4 系统。

2   经支气管肺穿刺

包括透视下经支气管肺活检术(transbronchial lung biopsy,TBLB)、超细支气管镜(外径 2.8~3.5 mm,ultrathin bronchoscope,UB)、径向探头支气管内超声(radial probe endobronchial ultrasonography,RP-EBUS)和导航支气管镜。

2.1   普通支气管镜

透视下(包括 C 型臂 CT)经支气管肺活检术是在透视下将支气管镜引导到目标位置穿刺,诊断率相对较低。美国胸部内科医师学院(American College of Chest Physicians,ACCP)指南指出软性支气管镜检查<2 cm 的病灶总敏感性为 34%,>2 cm 的病灶为 63%[3]

2.2   径向探头支气管内超声

径向探头气管内超声在频率 20 MHz 时,空间分辨率<1 mm,穿透深度 4~5 cm。2004 年,带引导鞘的支气管内超声(endobronchial ultrasonography with a guide sheath,EBUS-GS)是将引导鞘(guide sheath,GS)用于 RP-EBUS 中,引导鞘固定于 RP-EBUS 中,仅留下远端的超声探头暴露在外,RP-EBUS/GS 作为整体从气管镜工作通道进入到目标位置,引导鞘留在原位,抽走 RP-EBUS,置入活检工具活检。在一项 Meta 研究中(57 项研究,7 872 个病灶),RP-EBUS 的总加权诊断率 70.6%[95%CI:(68,73.1)],病灶>2 cm、有恶性征象、相关支气管征的诊断率更高;总并发症发生率 2.8%[4]。另一项 Meta 分析中(16 项研究,n=1 420),RP-EBUS 对周围型肺癌的诊断特异性为 100%,灵敏度为 73%,并发症发生率在 0~7.4% 之间,其中气胸发生率 1.0%,需要胸腔引流 0.4%,没有因出血需要处理的病例,也没有死亡报道[5]

2.3   导航支气管镜

导航支气管镜包括虚拟支气管镜导航(virtual bronchoscopic navigation,VBN)和电磁导航支气管镜(electromagnetic navigation bronchoscopy,ENB),是一种基于 CT 的新型虚拟成像技术,建立虚拟支气管路径,同时联合 X 线透视或 RP-EBUS 等将支气管镜引导到目标病灶提高活检的准确性、降低并发症发生率。

2.3.1   VBN

VBN 包括 LungPoint®系统(Broncus Technologies 公司,美国加州圣何塞)和 Directpath®系统(Olympus 公司,日本东京)。小样本临床研究结果显示,在恶性肿瘤高发人群中 LungPoint®系统的诊断率达 77%~80%,且并发症发生率低[67]。在日本对<3 cm 周围型肺结节进行了随机对照多中心临床研究,发现 VBN 组(Directpath®系统)的诊断率高于非 VBN 组(RP-EBUS/GS)[89]。最近的一篇文献综述报道 VBN 的总诊断率为 73.8%,对<2 cm 的病灶为 67.4%,并发症发生率低于 1%[10]。VBN 也有其局限性,不能对支气管镜进行实时引导,不能证实支气管镜是否到达病灶,有可能不会提高穿刺的敏感性,需结合透视、CT 或 EBUS 来证实。

2.3.2   ENB

2000 年 ENB 问世,其兼有 VBN 和传统纤维支气管镜的特点,可以准确到达常规支气管镜无法到达的肺部周围肺野进行活检,可以提高活检的成功率,降低假阳性发生率,减轻对肺组织的损伤,国内于 2011 年开始在临床上应用。操作前通过获取 CT 数据形成 VB 图像,并在支气管树及病灶中心做标记,然后让患者躺于电磁板上,胸前贴 3 个传感器,再将传感器探头通过导管经支气管镜通道置入患者支气管腔内进行校准,由软件自动生成到达目标病灶的导航线路,然后通过调节导管使远端探头做 360° 运动,沿导航路径行进,传感器探头有实时定位功能,引导支气管镜到达目标病灶后固定导管,退出导丝与探头后对病灶进行取样。在美国,目前有以下两种商用的 ENB 系统,即:superDimension i-LogicTM(美敦力公司,美国明尼苏达州普利茅斯)和 SPinSystemTM(Veran 医疗技术公司,美国密苏里州圣路易斯)。Folch 等收集了世界 75 个临床中心的数据指出,经 ENB 肺穿刺的诊断率为 38.5%~94.0%,可能与技术水平、仪器设备有关[11]。ENB 不能对支气管镜进行实时引导,设备昂贵、操作难度高。

2.3.3   对于不存在引导通道的病灶,可以开展经肺实质结节隧道(Bronchoscopic transparenchymal nodule access,BTNA)[12-14]

在一项 meta 研究中(39 项研究,n=3 052),在对周围型肺结节进行诊断评估时,使用导航支气管镜技术,包括超细支气管镜联合 RP-EBUS/GS、ENB、VBN 可增加支气管镜的诊断价值,合并后的诊断率 70%,其中,以 EBUS-GS 效果稍优(73.2%),与单纯 RP-EBUS(71%)和 VBN(72%)类似,但高于 ENB(67%)。气胸发生率 1.5%,需要胸腔插管的气胸风险为 0.6%,明显低于经皮肺穿刺活检技术[15]。ENB 可在 VBN、EBUS-GS 检查不能定位病灶时考虑使用。ENB 与 RP-EBUS 可以互补,但是既费钱又费力。

一般来说,位于内 2/3 区域、大于 2cm 的病灶经支气管镜活检相对容易成功,<1 cm、透视不能显示的外周病灶则较适合经皮肺穿刺活检。从 7345 项研究记录中,9 篇选择经支气管镜活检和 15 篇选择经皮肺穿刺活检诊断率分别为 75%[95%CI(69,80)]和 93%[95%CI(90,96)],<2 cm 的病灶,经皮肺穿刺活检诊断率为 92%[95%CI(88,95)],优于经支气管镜活检的 66%[95%CI(55,76)];而对>2 cm,但<3 cm 的病灶,使用经支气管镜活检的诊断率提高到 81%[95%CI(75,85)],且经皮肺穿刺活检的并发症高[16]。在另一项系统回顾和 Meta 分析中,31 篇关于经 RP-EBUS 肺穿刺活检的敏感性是 0.69[95%CI(0.67,0.71)],14 篇选择经皮肺穿刺活检的敏感性为 0.94[95%CI(0.94,0.95)],RP-EBUS 肺穿刺活检的并发症发生率低于经皮肺穿刺活检,严重出血发生率分别为 0.32%(32/11 234)和 0.087%(2/2 284),需要引流的气胸发生率分别为 1.09%(127/11 697)和 0.48%(11/2 284)[17]。因此,RP-EBUS/GS、ENB、VBN/UB 较 TBLB 有更高的敏感性,但是比经皮肺穿刺活检敏感性低;导航气管镜最大优点是并发症。

总之,经皮肺穿刺活检得敏感性达 90% 以上,但并发症发生率也高;经支气管镜肺活检敏感性低,并发症发生率也低。随着人工智能技术的进步,虚拟现实技术、增强现实等技术将逐步应用于周围型肺结节穿刺的辅助导航上。

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