數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)在肝膽管結(jié)石診斷與治療中的應(yīng)用研究.pdf

1、研究背景:
　　 肝膽管結(jié)石病是我國長江以南、沿海一帶、西南地區(qū)，尤其是廣大農(nóng)村地區(qū)的多發(fā)病，也常見于東南亞及日本，是帶有強(qiáng)烈區(qū)域分布特點(diǎn)的疾病，具有病情頑固，復(fù)發(fā)率高的特點(diǎn)，嚴(yán)重危害國人的健康。該病常伴有不同程度的肝內(nèi)肝管系統(tǒng)和肝細(xì)胞損傷，引起嚴(yán)重的并發(fā)癥，系我國良性膽道疾病死亡的重要原因。
　　 自1958年黃志強(qiáng)等首先提出的用肝部分切除治療肝內(nèi)膽管結(jié)石以來，目前公認(rèn)的肝內(nèi)膽管結(jié)石治療原則是:①祛除病灶，②解除狹窄，

2、③取盡結(jié)石，④通暢引流。肝膽管結(jié)石病主要靠外科治療，外科治療包括:膽管切開取石術(shù)，肝部分切除術(shù)，膽管狹窄修復(fù)重建術(shù)，肝移植術(shù)。單純手術(shù)取石及膽腸吻合具有一定局限性。肝切除術(shù)不僅能清除肝內(nèi)結(jié)石，而且能切除病變的膽道，包括狹窄，纖維化和潛在癌變的膽管，因而能降低肝膽管結(jié)石的復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，是肝膽管結(jié)石病的最有效治療方法。然而，肝臟及其內(nèi)部管道結(jié)構(gòu)本身就存在較多變異，結(jié)石患者的肝臟常常出現(xiàn)變形、轉(zhuǎn)位，合并肝內(nèi)血管與膽管變異幾率更高，行外科手術(shù)時(shí)由于

3、不了解解剖變異常常造成肝內(nèi)重要管道損傷而產(chǎn)生嚴(yán)重并發(fā)癥;另一方面，由于結(jié)石多分布于肝實(shí)質(zhì)深面，通常難于觸及，且膽管狹窄位置不定等，使得CT、MRI等二維影像檢查手段常常難以精確定位，診治策略存在一定難度，肝切除雖然能切除病變肝臟以最大限度地清除含有結(jié)石、狹窄及擴(kuò)張膽管的病灶，但仍常常遺留狹窄膽管及殘留結(jié)石，這是肝膽管結(jié)石術(shù)后復(fù)發(fā)及再次手術(shù)的兩個(gè)主要因素。
　　 近年來，數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)(包括三維重建技術(shù)和可視化仿真手術(shù)技術(shù))在肝臟腫

4、瘤及肝移植等肝臟疾病診療方面已顯示其重要的應(yīng)用價(jià)值，取得了不少的成就，但其在膽道外科的應(yīng)用研究目前多數(shù)還處于基礎(chǔ)研究階段，真正應(yīng)用于臨床的報(bào)道較少。三維可視化技術(shù)由于能在術(shù)前立體地再現(xiàn)肝內(nèi)各組織結(jié)構(gòu)解剖特點(diǎn)及相互關(guān)系，故可明確結(jié)石分布范圍、結(jié)石形狀特點(diǎn)、膽管系統(tǒng)狹窄部位及程度、肝內(nèi)血管走行特征及肝實(shí)質(zhì)病變等情況，這對手術(shù)方案多變的肝膽管結(jié)石病來說，能在術(shù)前就確定其個(gè)體化的手術(shù)方式，有效實(shí)現(xiàn)取盡結(jié)石、祛除病灶、解除狹窄、通暢引流的同時(shí)，可

5、降低肝膽管結(jié)石手術(shù)并發(fā)癥，提高手術(shù)的安全性及促進(jìn)患者術(shù)后的恢復(fù)。本研究運(yùn)用數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)對肝膽管結(jié)石患者的腹部CT薄層圖像進(jìn)行三維重建及可視化仿真手術(shù)，通過觀察模型對肝膽管結(jié)石的肝靜脈及門靜脈的解剖與變異進(jìn)行研究，并分析其對外科手術(shù)的影響;基于數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)平臺，對肝膽管結(jié)石患者行外科手術(shù)治療，評價(jià)其在外科治療的應(yīng)用價(jià)值。
　　 目的:
　　 1.基于數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)對肝膽管結(jié)石的肝靜脈及門靜脈的解剖與變異進(jìn)行研究，并分析其對外

6、科手術(shù)的影響;
　　 2.評價(jià)數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)在肝膽管結(jié)石病外科診治中的應(yīng)用價(jià)值;
　　 3.探討數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)在復(fù)雜性肝膽管結(jié)石中的應(yīng)用價(jià)值。
　　 方法:
　　 1.材料:
　　 1.1.設(shè)備:荷蘭PHILIPS公司:PHILIPSBRILLIANCE64排螺旋CT掃描儀(探測器組合為0.625mm×64)、PHILIPS閱片器、DICOM查看器、PHILIPSBrilliance64層螺旋CT自帶

7、Mxview工作站、美國MEDRAD公司:雙筒高壓注射器、自行研發(fā)的醫(yī)學(xué)圖像三維可視化系統(tǒng)(MI-3DVS)及3D圖像工作站、HP刀片式服務(wù)器。
　　 1.2.藥品:德國先靈公司:優(yōu)維顯(300mgI/ml)
　　 1.3.對象:南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院肝膽一科2006年6月至2011年12月期間收治的124例行外科手術(shù)治療的肝膽管結(jié)石患者。納入標(biāo)準(zhǔn):1.擇期手術(shù)患者;2.肝膽管結(jié)石分型Ⅰ，Ⅱa、b型患者(根據(jù)中華醫(yī)學(xué)會外科

8、學(xué)分會膽道外科學(xué)組《肝膽管結(jié)石病診斷治療指南》進(jìn)行分型)[9]。排除標(biāo)準(zhǔn):急診手術(shù)、Ⅱc型、術(shù)前并發(fā)膽管癌患者。124例患者性別構(gòu)成(男/女)為51/73，平均年齡51.8±12.6歲，37例(29.8％)合并其它疾病(例如心血管疾病、肺部疾病、糖尿病等等)，35例(28.2％)有膽道手術(shù)史(包括肝切除術(shù)，膽道探查術(shù)，膽腸吻合術(shù);其中1次膽道手術(shù)史19例，2次10例，3次5例)，30.6％(38/124)患者入院時(shí)有發(fā)熱、腹痛、黃疸等不

9、同程度的膽管炎表現(xiàn)。
　　 2.方法:
　　 2.1.上腹部高質(zhì)量CT圖像數(shù)據(jù)的獲得
　　 常規(guī)平掃時(shí)患者取仰臥位，頭足方向，掃描范圍由膈頂至肝臟下緣，掃描條件120KV、300mAs;采用0.625×64排探測器組合，以層厚5mm、間隔5mm，螺距(Pitch)0.984，球管旋轉(zhuǎn)一周時(shí)間0.5s。動(dòng)脈期注射后掃描延遲時(shí)間20-25s，靜脈期掃描延遲時(shí)間50-55s。掃描結(jié)束后將圖像數(shù)據(jù)傳至Mxview工作站。

10、
　　 高質(zhì)量肝臟及肝內(nèi)管道數(shù)據(jù)采集:肝臟CT強(qiáng)化時(shí)，確保掃描時(shí)間位于靶血管的峰值強(qiáng)化平臺期內(nèi)，改善了血管成像的質(zhì)量，為3D提供了高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)。
　　 高質(zhì)量膽道、結(jié)石數(shù)據(jù)采集:對結(jié)石患者進(jìn)行CT檢查時(shí)，均采用0.625mm超薄層掃描，由此獲得了高質(zhì)量結(jié)石、擴(kuò)張或狹窄膽管的圖像數(shù)據(jù)。
　　 對肝膽管結(jié)石患者上腹部的平掃期、動(dòng)脈期、門靜脈期、靜脈期等四期數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。
　　 2.2.CT薄層數(shù)據(jù)的收集<

11、br>　　 在Mxview圖像后處理工作站上將該四期圖像數(shù)據(jù)通過專線內(nèi)網(wǎng)傳輸至數(shù)字醫(yī)學(xué)研究生中心臨床部HP刀片式服務(wù)器，導(dǎo)出存盤。
　　 2.3.圖像配準(zhǔn)、分割與三維重建
　　 將患者CT原始圖像導(dǎo)入自主研發(fā)的醫(yī)學(xué)圖像三維可視化系統(tǒng)(MI-3DVS)軟件進(jìn)行分析，采用自動(dòng)化的預(yù)處理腹部臟器組織序列圖的新型模板匹配算法，完成上述四期圖像的同步配準(zhǔn)。運(yùn)用三維自適應(yīng)區(qū)域生長分割計(jì)算法，把圖像紋理灰度差別小、邊緣不明顯的肝、膽

12、、胰、脾等器官及各種管道和組織從CT序列圖像中準(zhǔn)確、快速、自動(dòng)地提取并分割出來。將同步配準(zhǔn)、分割好的多器官及組織圖像進(jìn)行多器官同步三維重建，系統(tǒng)根據(jù)各組織臟器的真實(shí)空間位置關(guān)系自動(dòng)配置成一整套的臟器三維重建模型，對模型及各組成部分可以進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)，透明等操作，全方位觀察各結(jié)構(gòu)或細(xì)節(jié)。
　　 2.4.3D肝膽管結(jié)石肝靜脈、門靜脈分類方法
　　 肝靜脈分類方法:包括三條主肝靜脈與下腔靜脈關(guān)系以及有關(guān)變異情況，三條主肝

13、靜脈獨(dú)自的變異情況和是否出現(xiàn)其他特殊肝靜脈。
　　 門靜脈分類方法:以Couinaud門靜脈分類方法為基礎(chǔ)，結(jié)合患者個(gè)體化三維模型，把肝內(nèi)門靜脈分支劃分為以下幾種類型:(1)正常型。門脈主干在肝門處分為左支和右支，右支向右側(cè)走行，分為右前支和右后支。(2)Ⅰ型變異。門脈主干在肝門處呈三叉狀直接分為左支、右前支和右后支。(3)Ⅱ型變異。門脈主干先發(fā)出右后支，繼續(xù)向右上行分為左支和右前支。(4)Ⅲ型變異。門脈主干先發(fā)出右后支，然后向

14、左側(cè)略彎曲斜行，演變?yōu)樽笾?，右前支起自左支?5)其他變異，包括門脈左支水平段缺如及門脈右支缺如等。
　　 2.5.肝膽管結(jié)石分型診斷
　　 在3D模型中調(diào)整透明度，立體顯示結(jié)石的部位、大小、形態(tài)、分布和膽管狹窄的部位、程度、長度，并根據(jù)《肝膽管結(jié)石病診斷治療指南》做出分型診斷。
　　 2.6.個(gè)體化肝臟的分段
　　 將3D模型中的肝臟半透明化，先單獨(dú)顯示內(nèi)部的肝靜脈，根據(jù)肝靜脈的三支主干走行分布，先將肝

15、臟劃分為四個(gè)扇區(qū)，劃分方法選用多次“立體選框”法，肝靜脈主干走行作為扇區(qū)邊界作為引流出道;然后隱藏肝靜脈單獨(dú)顯示門靜脈，按照門靜脈左右支主干分布在肝臟表面的投影位置標(biāo)記多個(gè)投影點(diǎn)，依照投影點(diǎn)的連接面作為分隔面(段間邊界)，使門靜脈的主干作為肝段邊界，而二級以上分支走行于肝段內(nèi)部作為血液供應(yīng)流入道。這樣以來每一肝段都有獨(dú)立的血供和回流系統(tǒng)，可視為肝臟的一個(gè)功能單位，劃分好的每一肝段配以不同的顏色加以對比區(qū)分。根據(jù)實(shí)際分段情況觀察結(jié)石及膽管

16、狹窄具體分布。
　　 2.7.體積測量
　　 肝臟三維模型導(dǎo)入MI-3DVS進(jìn)行仿真手術(shù)切割，將肝臟整體、切除的肝臟及殘肝分別作為體積測量模塊進(jìn)行體積測算，并計(jì)算切除肝臟的體積及殘肝體積占肝臟整體體積的百分比，以對需要行肝切除術(shù)治療的結(jié)石患者術(shù)前手術(shù)方案的安全性評估。
　　 2.8.仿真手術(shù)
　　 將重建出的三維模型導(dǎo)入FreeFormModelingSystem中，對模型及各組成部分隨意進(jìn)行拆分、放大、

17、縮小、旋轉(zhuǎn)、透明等操作，通過全方位、多角度、多層次地觀察各組織結(jié)構(gòu)解剖特點(diǎn)及相互關(guān)系，明確結(jié)石分布范圍、結(jié)石形狀特點(diǎn)、膽管系統(tǒng)狹窄部位及程度、肝內(nèi)血管走行特征及肝實(shí)質(zhì)病變等情況;然后利用力反饋設(shè)備PHANTOM和自行開發(fā)設(shè)計(jì)的虛擬手術(shù)器械在FreeFormModelingSystem中對重建模型進(jìn)行各種類型的仿真手術(shù)，通過多種仿真手術(shù)方式的模擬和比較確定最終手術(shù)方案，以提供術(shù)前手術(shù)規(guī)劃及在實(shí)際手術(shù)中提供實(shí)時(shí)指導(dǎo)。
　　 2.9.

18、實(shí)際手術(shù)
　　 觀察實(shí)際手術(shù)中所見肝內(nèi)外管道解剖結(jié)構(gòu)與結(jié)石分布是否與3D模型一致，以及實(shí)際手術(shù)方式與仿真手術(shù)符合情況。術(shù)中常規(guī)運(yùn)用膽道鏡檢查是否殘留結(jié)石及膽管狹窄，并常規(guī)放置T管以用于術(shù)后膽道造影及膽道鏡檢查。術(shù)后常規(guī)進(jìn)行膽道造影或膽道鏡檢查以明確是否有殘留結(jié)石和膽道狹窄。在隨訪期間每6月至1年，或者當(dāng)病人出現(xiàn)膽管炎癥狀時(shí)行超聲或CT檢查。對患者術(shù)前的一般情況，手術(shù)情況，手術(shù)近期并發(fā)癥及遠(yuǎn)期并發(fā)癥等臨床記錄資料進(jìn)行分析，從而評價(jià)

19、三維技術(shù)在肝膽管結(jié)石外科診治中的應(yīng)用價(jià)值。
　　 2.10.評價(jià)指標(biāo)
　　 ①觀察三維模型能否準(zhǔn)確顯示肝內(nèi)解剖情況以及可視化仿真手術(shù)方案與實(shí)際手術(shù)方案符合率。②分析肝膽管結(jié)石肝靜脈及門靜脈解剖與變異對外科手術(shù)的影響。③通過平均手術(shù)時(shí)間、平均術(shù)后住院日、術(shù)中出血量及輸血量，結(jié)石取盡情況，是否發(fā)生手術(shù)近期及遠(yuǎn)期并發(fā)癥等臨床資料評價(jià)數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)在肝膽管結(jié)石病外科診治中的應(yīng)用價(jià)值及其在復(fù)雜性肝膽管結(jié)石中的應(yīng)用價(jià)值。
　　

20、 3.統(tǒng)計(jì)學(xué)方法:
　　 本研究不涉及統(tǒng)計(jì)分析。
　　 結(jié)果:
　　 1.三維重建及分型診斷
　　 三維重建模型結(jié)構(gòu)清晰、肝臟內(nèi)部含有的所有結(jié)構(gòu)包括膽管、肝動(dòng)脈、肝靜脈、門靜脈系統(tǒng)以及結(jié)石等具有了較強(qiáng)的立體感，形態(tài)逼真且各組織空間位置關(guān)系與真實(shí)情況相一致，術(shù)中所見結(jié)石大小、形態(tài)、數(shù)量、位置及膽管走行、狹窄部位、狹窄程度與三維重建模型顯示均一致。根據(jù)三維模型進(jìn)行分型診斷，124例患者中，Ⅰ型66例，Ⅱ型58

21、例(其中其中Ⅱa型19例，Ⅱb型39例)。其中，52.4％合并膽總管結(jié)石，38.7％存在膽道狹窄。2肝靜脈及門靜脈的解剖與變異情況
　　 三支主肝靜脈與下腔靜脈的關(guān)系:三支肝靜脈單獨(dú)匯入下腔靜脈約占22.6％;肝左靜脈和肝中靜脈合成短干后再匯入下腔靜脈約占67.7％;肝左靜脈消失約占9.7％。肝右靜脈的變異情況:正常的肝右靜脈約占42.7％;粗短的肝右靜脈伴支配右后下的粗大肝短靜脈約占21.0％;右肝靜脈分出副肝右靜脈約占7.3

22、％;細(xì)短肝右靜脈伴多個(gè)副支的肝中靜脈約占29.0％。肝中靜脈的變異情況:正常的肝中靜脈約占73.4％;Ⅳ段靜脈與肝中靜脈匯合約占17.7％;Ⅳ段靜脈獨(dú)自匯入下腔靜脈約占8.9％。肝左靜脈的變異情況:正常的肝左靜脈約占76.6％;Ⅳ段靜脈與肝左靜脈匯合約占13.7％;肝左靜脈消失約占9.7％。
　　 門靜脈正常型約占67.7％，Ⅰ型變異約占8.9％，Ⅱ型變異約占7.3％，Ⅲ型變異約占12.1％，其他變異約占4.0％。其他變異中，有

23、1例門靜脈右后支萎縮，門靜脈右前支與門靜脈左支共干并共同發(fā)出分支支配左肝內(nèi)葉，亦可認(rèn)為是門靜脈右支缺如;1例門靜脈尾狀葉分支非常發(fā)達(dá)，門靜脈右支附屬分支萎縮明顯;1例門靜脈為一主干型，沒有分出典型門靜脈左右支，沿途發(fā)出門靜脈左外葉支、Ⅳ段分支及右肝分支;1例門靜脈右支沿途發(fā)出門靜脈右前分支(Ⅴ、Ⅷ段分支不共干，從門脈右支主干發(fā)出);1例門靜脈右支末端直接分出右前支及Ⅵ，Ⅶ段門靜脈支，缺乏門靜脈右后支主干，并且門靜脈左支萎縮。另外，門靜脈

24、分支萎縮十分常見，約33.9％病例有不同程度的門靜脈分支萎縮。3個(gè)體化肝臟分段及體積測量
　　 個(gè)體化肝臟分段后將各段標(biāo)示顏色隱去或不同程度透明化處理，將結(jié)石膽道分別或同時(shí)顯示，通過不同角度旋轉(zhuǎn)觀察，可清晰的觀察到結(jié)石及膽道病變部位在各肝段內(nèi)的分布情況，進(jìn)行結(jié)石和病變膽管的精確定位診斷。采用MI-3DVS體積測量模塊分別計(jì)算出103例行肝切除術(shù)患者的整體肝臟、預(yù)切除肝臟及殘肝的體積大小，并計(jì)算出預(yù)切除肝臟體積及殘肝體積占肝臟整體

25、體積的百分比，結(jié)合患者實(shí)際肝功能情況評估手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。103例行肝切除術(shù)患者術(shù)后均未發(fā)生肝功能衰竭。4仿真手術(shù)
　　 在FreeFormModelingSystem中，通過力反饋設(shè)備PHANTOM和虛擬手術(shù)器械可方便地對重建模型進(jìn)行各種類型的仿真手術(shù)，包括膽管探查取石術(shù)，肝切除術(shù)等。通過個(gè)體化分段可準(zhǔn)確對結(jié)石及膽管狹窄進(jìn)行定位，術(shù)前體積測量能準(zhǔn)確估算肝切除術(shù)后殘肝體積以規(guī)避術(shù)后肝功能衰竭發(fā)生?？梢暬抡媸中g(shù)觀察肝切除平面內(nèi)重要血管、

26、膽管及結(jié)石的解剖關(guān)系，通過多個(gè)手術(shù)方案的優(yōu)化篩選確定最佳手術(shù)方案。124例結(jié)石患者仿真手術(shù)方案為:21例行膽管探查取石術(shù)(包括膽總管切開取石術(shù)、肝內(nèi)膽管切開取石術(shù)、狹窄膽管整形術(shù)、膽腸吻合術(shù))，103例行肝切除術(shù)為主的外科手術(shù)(包括各種術(shù)式的肝部分切除術(shù)、肝內(nèi)外膽管切開取石術(shù)、經(jīng)肝斷面膽管探查取石術(shù)、狹窄膽管整形術(shù)、膽管支撐管支持引流術(shù)、膽腸吻合術(shù))。
　　 5.實(shí)際手術(shù)
　　 124例結(jié)石患者中21例行膽管探查取石術(shù)(

27、包括膽總管切開取石術(shù)、肝內(nèi)膽管切開取石術(shù)、狹窄膽管整形術(shù)、膽腸吻合術(shù))，103例行肝切除術(shù)為主的外科手術(shù)(包括各種術(shù)式的肝部分切除術(shù)、肝內(nèi)外膽管切開取石術(shù)、經(jīng)肝斷面膽管探查取石術(shù)、狹窄膽管整形術(shù)、膽管支撐管支持引流術(shù)、膽腸吻合術(shù))，與仿真手術(shù)方案相一致。31.5％施行膽腸吻合術(shù)，術(shù)后住院天數(shù)為11.7±3.7天，48例需要術(shù)中輸血，平均輸血量420.8±211.3ml，平均手術(shù)時(shí)間為234.7±40.0分鐘，術(shù)中估計(jì)失血量為446.7±

28、181.8ml。近期并發(fā)癥發(fā)生率為13.7％，殘石率0.8％。124例患者平均隨訪38.4±18.3月，總體遠(yuǎn)期并發(fā)癥發(fā)生率為5.6％，結(jié)石復(fù)發(fā)率為2.4％、癥狀復(fù)發(fā)4例。
　　 41例復(fù)雜肝膽管結(jié)石患者平均手術(shù)時(shí)間265.4±38.9分鐘，平均術(shù)后住院天數(shù)13.1±4.9天，平均術(shù)中估計(jì)術(shù)中出血量596.4±178.6ml，有23例患者需要輸血，輸血量200-800ml，近期并發(fā)癥發(fā)生率為19.5％，通過術(shù)后T管造影及CT檢查

29、，證實(shí)結(jié)石取盡率為97.6％。41例復(fù)雜肝膽管結(jié)石患者術(shù)后患者均隨訪，隨訪35.6±15.9月，結(jié)石復(fù)發(fā)率2.4％(1/41)，癥狀復(fù)發(fā)2例，遠(yuǎn)期并發(fā)癥發(fā)生率為9.8％。
　　 結(jié)論:
　　 1.肝膽管結(jié)石肝靜脈及門靜脈解剖復(fù)雜，變異多，個(gè)體化可視化的三維立體血管模型，有助于明確變異，合理規(guī)劃手術(shù)，規(guī)避手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高手術(shù)安全性;
　　 2.數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)指導(dǎo)下行外科手術(shù)治療肝膽管結(jié)石，能有效降低手術(shù)并發(fā)癥，改善預(yù)后