《Japanese Journal of Radiology》：Robots for CT-guided needle insertion: clinical implementation and future perspectives
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用于计算机断层扫描（CT）引导下针刺置入的机器人系统已被开发，以解决传统手动针刺置入的局限性。迄今为止，多种机器人系统已进入临床实施，不断积累的证据提示其临床实用性。相关证据已从初步可行性和早期临床经验，发展到更大规模的观察性研究和比较性研究。这些研究证明，机
用于计算机断层扫描（CT）引导下针刺置入的机器人系统已被开发，以解决传统手动针刺置入的局限性。迄今为止，多种机器人系统已进入临床实施，不断积累的证据提示其临床实用性。相关证据已从初步可行性和早期临床经验，发展到更大规模的观察性研究和比较性研究。这些研究证明，机器人辅助针刺置入在多种CT引导介入中具有较高成功率，包括热消融（thermal ablation）、活检（biopsy）和术前定位（preoperative localization）。此外，越来越多比较性研究证明机器人辅助操作相较传统手动操作具有优势，包括提高针刺置入精度和降低患者和/或医师的辐射剂量。尽管目前大多数可用机器人系统为针导引机器人，设计用于将针导引器对准预定置入轨迹，但研究人员开发了一种CT引导下针刺置入机器人，可通过遥控实现机器人进针。临床研究证明，使用该系统进行机器人针刺置入具有可行性，且针置入精度与传统手动操作相当，同时消除医师的辐射暴露。人工智能（AI）整合和远程机器人介入（telerobotic intervention）的实施预计将显著促进CT引导下针刺置入机器人系统的进一步发展。本叙述性综述总结当前CT引导下针刺置入机器人系统（包括研究人员开发的系统）的临床实施和可用证据，并讨论该领域未来展望。
引言
计算机断层扫描（CT）引导介入包括活检、引流、术前肿瘤定位和肿瘤消融，广泛应用于当前临床实践。这些操作基于医师参考CT图像手动推进针的技术。尽管CT引导能够实现目标病灶的准确置针，但存在若干固有局限。首先，沿计划轨迹实现准确置针需要大量培训。其次，针刺置入通常沿轴位CT成像平面进行，而沿非成像平面轨迹进行置入（即出平面置入）在技术上具有挑战性。第三，CT引导操作不可避免涉及辐射暴露，尤其当使用CT透视进行实时图像引导时，患者和医师均暴露于辐射。为缓解这些局限，用于CT引导下针刺置入的导航和机器人系统已被开发。机器人系统可能提高针刺置入精度、缩短学习曲线、促进出平面针刺置入并降低操作过程中的辐射剂量。多种系统已进入临床实践，其临床采用持续扩大。研究人员一直开发CT引导下针刺置入机器人系统Zerobot，该系统已证明临床可行性，开发工作仍在继续以进一步扩展其能力。本叙述性综述概述CT引导下针刺置入机器人系统的当前临床实施和可用证据，包括研究人员系统的开发，并讨论这些机器人系统演进的未来展望，尤其关注人工智能（AI）-机器人整合和远程机器人介入的潜力。
CT引导下针刺置入机器人系统：当前临床实施
多种用于CT引导下针刺置入的机器人系统已被开发并临床实施。具有美国食品药品监督管理局（FDA）批准或CE标志的代表性系统包括AcuBot、INNOMOTION、iSYS1及其后续Micromate、ROBIO EX和MAXIO、Epione和XACT ACE，尽管其中部分系统已不再商用。早期研究主要提示机器人系统在活检和消融操作中的临床效用。Bodard等对截至2023年发表的10项机器人辅助经皮肝脏介入临床研究进行系统评价，涵盖使用MAXIO、ROBIO EX、Epione、AcuBot或XACT ACE完成的429例肿瘤消融和57例活检；与手动操作相比，机器人辅助操作与更小的针偏差、更少的针调整、更短的操作时间和更低的患者及医师辐射暴露相关。该研究还评价截至2023年发表的4项机器人辅助经皮肺活检研究，涵盖使用MAXIO、ROBIO EX或XACT ACE完成的113例操作；与手动操作相比，机器人辅助操作的技术成功率和诊断率相当，针调整更少，操作时间相当或更短，患者辐射剂量相当或更低。近期，越来越多具有较大临床队列的观察性和比较性研究发表。这些研究证明机器人辅助操作在消融、活检和术前定位中具有较高成功率，涉及肺、肝、肾等多种器官。比较性研究进一步支持早期研究提示的机器人辅助操作优势，包括准确置针和降低操作过程中患者及医师辐射剂量。值得注意的是，除上述代表性机器人系统外，关于新开发系统的研究日益增多，例如TH-S系列。近期涉及50例及以上患者接受机器人辅助CT引导操作的研究已汇总。总体而言，现有证据提示使用机器人系统实施的CT引导操作可实现较高操作成功率，并具有若干临床优势。临床研究中评价的大多数机器人系统为针导引机器人，设计用于将针导引器对准计划置入轨迹。这些系统的主要局限是需要医师手动推进针，因此其临床获益可能在一定程度上与基于电磁、光学或传感器技术的非机器人导航系统重叠。相比之下，部分机器人系统称为针驱动机器人，可无需医师手动推进而完成针刺置入。这类机器人具有独特优势，即允许医师远程推进针。因此，针刺置入几乎独立于手动操作，医师体力负荷可显著降低；此外，即使针刺置入过程中使用CT透视，医师辐射暴露理论上也可最小化。尽管具有这些优势，针驱动机器人的临床实施仍较针导引机器人有限。这可能是因为针驱动机器人设计用于执行固有侵入性的针刺置入任务，需要比针导引机器人更高水平的安全保障。在能够执行此类任务的机器人系统中，XACT ACE是最知名的商用系统。然而，尽管早期临床结果具有前景，该系统尚未获得广泛采用，且XACT Robotics已停止运营。Zerobot虽尚未商业化，但为已在临床研究中评价的远程控制针驱动机器人。
Zerobot：开发与临床评价
Zerobot的开发始于2012年，由临床医生和工程师参与的产学研合作推动。该机器人系统为地面安装的六自由度（DOF）机器人，设计用于滑动龙门架CT扫描仪。其包括基座单元和机械臂单元，并整合兼容多种活检引导针和消融探针的针持器。该机器人由医师通过包括手持控制器和触摸屏的操作界面远程操作，使医师能够坐在远离CT机架处操纵针。与针导引机器人操作中医师沿预定轨迹通过针导引器单步进针并按需手动重新调整不同，Zerobot使医师能够在置入过程中通过远程控制机械臂近实时调整针轨迹，从而使精确置针完全通过机器人操作完成。临床前体模和动物研究证明，该机器人系统可实现准确针刺置入。在包括肝、肾、肺和肌肉的猪器官中，活检引导针的平均针刺置入精度（即距离误差）为3.2 mm，消融探针为2.8 mm。此外，该机器人系统可实现准确的出平面针刺置入；猪活检引导针的平均针刺置入精度在无轨迹调整时为5.0 mm，在基于术中CT图像调整后为2.5 mm。基于临床前研究的良好结果，2018年开展首次人体试验，评价CT透视引导活检中机器人针刺置入的可行性和安全性。该试验对10例肾、肺、纵隔、肾上腺和肌肉病灶患者实施活检引导针机器人置入，医师无辐射暴露。不良事件仅限于出血和气胸等常见活检相关并发症，未观察到机器人相关并发症。首次人体试验之后，2020年至2023年开展随机对照试验，每组纳入11例患者，以证明机器人针刺置入精度相对手动置入的非劣效性。机器人组活检针置入精度非劣于手动组（机器人组4.8 mm vs 手动组7.0 mm），且机器人组医师辐射暴露被消除。另一项单臂探索性队列包括5例患者，评价消融探针机器人置入精度，肾肿瘤冷冻消融针的置入精度为4.7 mm。尽管临床研究提示Zerobot在多种软组织器官CT引导操作中具有可行性和潜在临床效用，但这些研究中评价的系统不能将针置入骨。为解决该局限，研究人员开发了用于骨针置入的新型机械臂，并将其整合至Zerobot的机械臂单元。该机械臂采用旋转钻机制和力反馈置入速度控制，可根据通过针传递的阻力调整进针速度，从而置入商用骨通道针。初步动物研究证明，机器人骨针置入猪腰椎、髂骨和股骨可行且准确，中位角度误差小于1°。目前正在推进机器人骨针置入的临床评价。
未来展望
许多研究提示CT引导下针刺置入机器人系统具有应用价值，支持其在临床环境中采用。然而，机器人系统在常规临床实践中的可用性仍然有限，尤其在日本。为使机器人系统获得更广泛临床采用，需明确其相较传统手动方法的获益，并证明其超过潜在局限，例如系统设置所需时间和额外成本。尽管与传统技术相比，机器人系统的使用可能缩短学习曲线，但医师仍可能需要针对机器人辅助操作的专门培训以获得一致结果。因此，需要大规模临床研究的进一步证据，以综合评估机器人系统对操作结果、临床流程和卫生经济学的影响。此外，进一步开发以扩展机器人系统能力对于拓宽其临床应用至关重要。将机器人系统适应于骨介入即为功能扩展的一个例子。AI是进一步推进CT引导下针刺置入机器人系统的关键技术。AI可支持CT引导介入的多个方面，包括建议最佳针配置、规划针轨迹、模拟治疗覆盖（例如预测消融区）和评估操作结果。AI与机器人的整合预计将增强机器人系统的能力和临床获益，尤其通过优化工作流程和实现自动化。例如，将基于AI的操作规划整合至机器人系统，可通过自动病灶分割、病灶检测和针轨迹生成简化操作规划。特别是，AI可能促进复杂针轨迹规划，例如出平面置入，而机器人系统在该类操作中的优势尤为明显。根据Cornelis等的观点，现有系统中已实施的最先进AI整合水平为“策略选择”，即系统建议患者特异性策略（例如规划最佳针轨迹），医师可选择或修改。随着AI-机器人整合的进一步进展，未来可能实现更高水平的自主性。最终，系统可在医师批准下生成、选择、执行和监测患者特异性操作策略，或在无需医师批准的情况下自主管理整个操作。尽管如此高水平的AI-机器人整合可通过减少人为错误和标准化操作结果革新CT引导介入，但在实施前仍需解决若干重大挑战。开发能够处理多样临床场景的AI系统需要大规模训练数据集，但此类数据集在图像引导介入领域仍然有限。此外，必须解决伦理问题，例如AI驱动机器人介入过程中发生不良事件时的责任判定。再者，即使AI驱动的自动化介入在技术上可行，患者可能仍重视与医师的个人关系以及人类监督，并将其视为将医疗托付给医师的必要前提。机器人系统进步的另一个潜在方向是实现远程机器人介入。理论上，远程控制机器人可使医师通过通信网络为医疗可及性有限的偏远医院患者提供高度专业化介入。远程机器人图像引导介入的可行性早在2001年即由Bauer等证明，其报道了使用PAKY（一种后来整合至AcuBot系统的针驱动机器人）进行的透视引导远程经皮肾穿刺操作。他们通过普通电话线从美国巴尔的摩控制意大利罗马的机器人，对肾集合系统实施远程针刺置入。然而，此后多年远程机器人图像引导针刺置入的进展有限。近期，机器人系统和高速度通信网络的进步引起对远程机器人图像引导介入的兴趣。特别是，第五代（5G）通信技术可实现低延迟高速数据传输，可能促进远程机器人介入的实施。基于5G的远程机器人超声引导介入针刺置入的可行性已在实验和初步临床研究中得到证明。在Liu等的研究中，位于距患者现场3 km处的医师通过5G局域网使用配备6-DOF机械臂的远程超声系统操纵超声探头，同时患者现场的另一名医师通过探头安装的针导引器实施针刺置入。远程机器人针刺置入体模和猪肝目标的精度与经验丰富医师实施的常规超声引导置入相当。临床病例中肾囊肿穿刺和肝活检无并发症完成。远程机器人CT引导介入可能以类似方式可行，但关于该概念的研究仍然缺乏。其临床实施将需要解决若干技术、监管和社会挑战，包括稳定低延迟通信、网络安全、责任问题和财务因素。
结论
CT引导下针刺置入机器人系统已稳步发展，越来越多证据支持其临床效用。然而，其在常规实践中的广泛采用仍是一项重大挑战。AI整合和远程机器人介入的实施可能显著扩展机器人系统的临床价值。
