數字醫(yī)學在小兒肝膽胰外科中的應用

周顯軍 董 蒨

數字醫(yī)學在小兒肝膽胰外科中的應用

周顯軍 董 蒨

數字醫(yī)學（digitalmedicine）是現代醫(yī)學與數字化技術相結合、以醫(yī)學為主體，涵蓋計算機科學、數學、信息學、機械工程學、生物醫(yī)學工程學等多學科的一門前沿交叉學科［1］；是以現代數字化技術為工具，解釋醫(yī)學現象，解決醫(yī)學問題，探討醫(yī)學機理，提高生存質量的科學；其基本內涵是采用數字化技術提高臨床診療水平。

隨著現代外科多維價值觀的確立和醫(yī)學實踐確定性的不斷提高，傳統(tǒng)外科進入以“個性化、精準化、微創(chuàng)化與遠程化”為特征的精準外科時代［2－3］。小兒肝膽疾病特別是先天性肝膽疾病在亞洲非常常見，發(fā)病率遠高于歐美國家。因此小兒肝膽外科學的發(fā)展對于廣大人民群眾特別是我國兒童的健康、醫(yī)療非常重要，對于我國該領域的學術研究也具有極為重要的意義。近年來，青島大學附屬醫(yī)院董蒨教授領銜的科研團隊與海信集團合作，在“十二五”國家科技支撐計劃課題及青島市自主創(chuàng)新重大專項資金支持下，成功研發(fā)出擁有完全自主知識產權的計算機輔助手術系統(tǒng)（Hisense CAS）及外科智能顯示系統(tǒng)（Hisense SID），其交叉融合CT數據三維重建、虛擬仿真、數字肝臟大數據分析等多學科技術，配合手術控制智能顯示術中導航，為小兒外科患兒提供精準、微創(chuàng)、個性化手術解決方案［4－5］。

一、計算機輔助手術

計算機輔助外科手術［6］（computer assisted surgery或computer aided surgery，CAS）是一個新的外科手術概念，指利用當今醫(yī)學領域的先進成像設備，如CT／MRI所得的圖像數據，在計算機技術的幫助下制定合理的手術方案，進行手術前規(guī)劃，并指導或輔助進行外科手術。一般認為CAS包括：創(chuàng)建虛擬的患者的圖像；患者圖像的分析與深度處理；診斷、手術前規(guī)劃、手術步驟的模擬；手術導航；機器人手術。計算機輔助手術技術作為一種全新的疾病診療模式，讓高難度、高風險的手術能夠更安全的開展，指引著當代小兒肝膽外科向一個新的方向發(fā)展。

二、基于數字肝臟大數據分析的新型肝段分型體系

隨著現代外科不斷向個體化與精細化發(fā)展，肝臟部分切除術及活體肝移植技術的開展，精準了解肝臟解剖對于手術安全性尤為重要［7］，隨著肝臟解剖研究的深入，依據肝內管道系統(tǒng)走形和分布不同，許多學者提出了不同的肝臟分段方法，其中，1954年Couinaud［8］提出了八段法功能解剖，在當今臨床實踐中廣泛應用，后來對于尾狀葉認識不斷深入，1994年Couinaud又將背扇區(qū)分為Ⅰ、Ⅸ兩個段，即九段分類法。但由于上世紀50年代提出的傳統(tǒng)的Couinaud肝臟八段分類方法影響深遠，而第Ⅸ段在肝臟整體所占比例較小，新近提出九段分類法反而鮮為廣大外科醫(yī)生所知。由于肝臟分段解剖基于尸體肝臟灌注模型并受限于標本數量，難免欠精準。隨著現代影像學的發(fā)展及數字醫(yī)學研究的深入，通過三維可視化技術半透明、交互式、全方位顯示真實的肝內血管的立體解剖關系和空間管道變異，使得基于活體進行肝臟分段成為可能。董蒨教授及其團隊通過對1 260例數字化肝臟模型進行大數據分析，發(fā)現人類肝臟的血管結構并不完全相同，與Couinaud教授研究結果并非完全一致，其中肝臟左葉門靜脈分支及血供相對一致，分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段。而肝臟右葉則變化較多，無法用一種分段方法來全部包含。通過對數字肝臟的門靜脈血管形態(tài)、走行、支配肝臟區(qū)域進行分析，以精準肝臟外科要求的基本功能性肝單位的門靜脈分支為基準，在國際上首次提出了Dong＇s肝段分型并將其分為4種類型［9］，其中A型（8段型）：根據肝內門靜脈走行及分支分為8段，占42.62%。B型（9段型）：根據肝內門靜脈走行及分支分為9段，占36.83%。C型（RP弓狀型）：門靜脈右后支呈弓狀型，根據肝內門靜脈走行及分支分為7段（C—a）或8段（C—b），占8.10%。D型（特殊變異型）：包含較多特殊變異，占12.46%。

數字醫(yī)學的發(fā)展為肝段的劃分提供新思路，基于計算機輔助手術三維重建得到數字化門靜脈模型，通過全方位觀察模型，為影像學提供了三維可視化的解剖學基礎，通過對大數據量的數字肝臟進行觀察，發(fā)現門靜脈解剖結構復雜多變，在此基礎上進行歸納分析并提出新的Dong＇s肝段分型體系，對于臨床醫(yī)生、醫(yī)學生更加全面認知肝臟解剖結構及指導精準肝切除手術具有重要意義。同時，D型為多種特殊變異類型且比例較高也證實了臨床中個體化精準手術的必要性，術前應根據每位患者的影像學資料建立個體化肝臟模型進行肝臟分段，再制定個體化手術方案，從而指導精準肝切除等手術的實施。

三、數字醫(yī)學技術在小兒肝臟外科手術的應用

小兒肝臟腫瘤的首選治療方法仍為根治性腫瘤切除［10］，然而，由于小兒肝臟解剖結構精細復雜，小兒肝臟腫瘤多表現為瘤體巨大、生長較快、病理種類多、部位復雜、不同年齡患兒肝臟容積差別大等特點，手術難度較大，手術前準確判斷腫瘤的具體位置、累及范圍及其與周圍血管的毗鄰關系尤為重要。精準外科理念在肝臟外科的演繹即精準肝臟外科，旨在通過最大化病灶去除、最大化臟器保護、最小化創(chuàng)傷侵襲等多策略的均衡，實現手術安全化、治療高效化和干預微創(chuàng)化的多目標優(yōu)化，“精準”理念貫穿于精密術前規(guī)劃、精工手術操作和精良術后護理的圍手術期全過程，而精密的手術規(guī)劃是實現精準肝臟手術的先決和保障。

傳統(tǒng)的小兒肝臟腫瘤手術術前規(guī)劃依靠解剖學知識，B超、CT等二維影像資料，需要憑借二維影像在頭腦中重建出三維構象，限于外科醫(yī)師的經驗難免存在構象的誤區(qū)，且術前無法進行驗證，有時甚至需開腹探查才能決定最終手術方案。這使得二維規(guī)劃下的小兒肝臟腫瘤手術在術前規(guī)劃、術中操作和術后恢復上都存在極大的不確定性，包括：腫瘤的侵及范圍、血液供應及與周圍血管的毗鄰關系，肝內管道走形及是否存在變異，腫瘤能否手術完整切除、切除范圍及切除方式等。隨著計算機技術及影像檢查技術的不斷發(fā)展，以精確的術前影像學和功能評估、精細的手術操作為核心的精準肝切除技術日益受到重視。基于數字醫(yī)學的計算機輔助手術技術則是實現肝臟精準手術操作的基礎。計算機輔助手術系統(tǒng)可將術前二維（two dimensional，2D）的CT／MRI影像數據進行三維（three dimensional，3D）重建，建立個體化的肝臟三維解剖模型［4，11－12］，清晰顯示肝臟內脈管系統(tǒng)的走行及解剖關系，還原病灶與其周圍脈管結構的立體解剖構象，準確對病變進行定位、定性和評估，制定合理的手術方案，實施個體化的肝臟血管取舍分配方案及實施精準肝臟手術。

肝移植是治療小兒終末期肝病的有效方法［13］，由于肝臟解剖結構復雜，內有肝靜脈系統(tǒng)及Glisson系統(tǒng)，肝移植手術風險極高。由于血管復雜性和變異性易引起手術大出血，術前準確的血管影像學檢查及精確的手術技術是小兒肝移植成功的關鍵。通過計算機輔助手術系統(tǒng)進行三維重建得到的數字化模型立體全方位顯示肝臟及其內部管道結構的位置、形態(tài)及其與周圍大血管等結構的解剖關系，有利于個體化肝移植手術方案的設計。肝靜脈解剖變異的發(fā)生率約為20%，通過三維重建明確血管變異情況，模擬手術過程，找到合理的處理方法，避免術中不必要的意外。肝動脈解剖變異的發(fā)生率約為20%～50%，肝動脈的血供是保證移植肝臟存活的必要條件，故術前了解肝動脈血供對外科醫(yī)生制定最合理的動脈重建計劃、保證肝臟供氧和膽管樹的灌注有重要意義。通過對供體肝臟進行三維重建得到數字化肝臟模型，術前精細了解血管系統(tǒng)在肝內走行，評估供體肝臟體積，結合供體和受體情況，比較不同切割層面效果，經過術前手術規(guī)劃設計，評估不同切取平面是否滿足術后肝臟功能代償需要，最終制定科學的供肝切取方案，降低了損傷血管和膽管的危險，減少出血量，同時完整的保留了供肝和殘肝的血液循環(huán)，最大限度的減少了無效肝組織量［14－15］。

四、數字醫(yī)學技術在小兒胰、膽手術中的應用

小兒胰腺腫瘤較為少見，僅占兒童腫瘤的0.6%～0.8%。腫瘤多發(fā)生于學齡期或青春前期兒童，男孩多于女孩。惡性腫瘤占80%以上，以胰母細胞瘤、乳頭狀囊腺癌多見，其次為胰腺癌、胃泌素瘤和其他胰腺肉瘤。良性腫瘤以乳頭狀囊腺瘤最多見，但惡變率甚高。臨床診斷主要依據就診癥狀、腹部B型超聲和CT等輔助檢查，腫瘤根治性手術是小兒胰腺腫瘤的首選治療。通過計算機輔助手術系統(tǒng)對胰腺及胰腺周圍重要結構進行三維重建，創(chuàng)建全新的三維可視化胰腺解剖，術者可全方位、立體、直觀的觀察腫瘤形態(tài)、血管形態(tài)及走行情況，彌補了二維CT的不足，對全面判斷腫瘤對胰周大血管、膽管、胰管壓迫或浸潤侵犯以及導致梗阻擴張的范圍及程度，術前對胰周血管的三維重建可及時提示胰周血管存在的復雜變異情況，使可切除評估與血管變異相結合，使其更加科學、客觀。隨著計算機輔助手術技術的進一步發(fā)展，對于胰腺疾病的診斷更加智能化，對于小兒胰腺腫瘤的可切除評估更加精確、客觀。

先天性膽管擴張癥為臨床上最常見的一種先天性膽道畸形。其病變主要是指膽總管的一部分呈囊狀或梭狀擴張，有時可伴有肝內膽管擴張的這樣一種先天性畸形［15］。先天性膽管擴張癥的診斷多借助于CT／MRI等影像學檢查手段，在臨床應用上有一定的局限性。三維虛擬肝臟技術是在二維影像學資料如CT等圖像的基礎上，通過三維重組軟件和工具，對二維影像學的數據資料進行三維立體分析，重組形成立體的、有空間結構的、虛擬的肝臟三維圖像。這項技術較傳統(tǒng)的二維平面成像技術，有著明顯的優(yōu)勢，3D虛擬肝臟技術可以構造出一個虛擬的、可視化的肝臟模型。通過對這種模型的觀察，可以很容易地分辨出肝臟器官的組織結構、解剖特點，直觀研究肝外膽總管的形態(tài)差異，明確肝內膽管的形態(tài)、走形、是否合并擴張、狹窄及結石，胰膽管合流的形態(tài)及共同通道內是否有狹窄、擴張和結石等病變情況，預先規(guī)劃處理可能合并存在的肝內膽管擴張、狹窄或其他復雜膽道畸形，清晰地顯示肝內脈管系統(tǒng)，包括門靜脈、肝動脈及肝靜脈的走行、分支，并可多角度、全方位觀察病變膽道與其周圍重要血管尤其是伴行的門靜脈之間的解剖關系，大大提高了外科醫(yī)師在術前對肝臟內部各管道結構及其變異判斷的精確性和可靠性，精準地對病變進行判斷和評估，還可根據患者自身的病變特點，制定出合理、個體化的手術方案，最大限度地降低術中和術后并發(fā)癥發(fā)生率，并術中導航實時指導手術，提高手術的精準性和成功率。

隨著數字醫(yī)學的發(fā)展，虛擬現實交互技術及計算機輔助手術技術的應用及普及，使得小兒外科醫(yī)生得以清楚的了解肝膽系統(tǒng)解剖，精準的對病變進行定位，指導個性化的手術規(guī)劃設計，推動小兒肝膽外科進一步向精準化邁進。

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（本文編輯：王愛蓮）

本文引用格式：周顯軍，董蒨數字醫(yī)學在小兒肝膽 胰外科中的應用［J］.臨床小兒外科雜志，2017，16（4）：328—331.DOI：10.3969／j.issn.1671—6353.2017.04.005.

Citing this article as：Zhou XJ，Dong Q.Applications of digital medicine in pediatric hepatobiliopancreatic surgery［J］.J Clin Ped Sur，2017，16（4）：328—331.DOI：10. 3969／j.issn.1671—6353.2017.04.005.

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2017—07—08）

doi：10.3969／j.issn.1671－6353.2017.04.005

1.國家十二五科技支撐計劃項目（2013BAI01B03），2.基于數字肝臟大數據分析的新一代海信 CAS的研發(fā)（2016GGB14019）

青島大學附屬醫(yī)院小兒外科；山東省數字醫(yī)學與 計算機輔助手術重點實驗室（山東省青島市，266003），Email：13165052269＠163.com