流体力学在胆石症疾病的研究进展

颜喆，陆品相，罗轩明

（上海市徐汇区中心医院普外科，上海 200003）

自胆道外科开展以来，人们不仅从胆道的解剖结构、生理方面认识胆道，更从疾病病因、发病机制等方面研究胆道疾病，加快了胆道外科的发展。胆石症作为我国常见、多发良性疾病，发病率呈逐年增加趋势[1]；其中胆囊结石合并肝外胆管结石的发病率为10%～18%[2]，严重威胁患者的生命安全。因此，了解胆结石形成原因、治疗方法成为临床研究的重点。胆道的流体动力学改变在胆石症的发生过程中起到关键性作用，本文将结合近期的研究现状并回顾既往研究结果，探讨胆道流体力学的研究进展，旨在为胆道疾病的治疗提供新的依据和指导，以期降低胆石症所带来的危险，并为预防和治疗胆石症提供理论依据。

1 胆道胆汁特性及研究方法

1.1 胆汁流动特性 胆道内连续的胆道静水压力梯度是保证胆汁从肝脏流入胆囊和流向十二指肠的基本动力学因素，根据胆汁流动特性分为2 个部分，其中胆汁从肝细胞间的毛细胆管流经肝内各级胆管进入胆囊为第一胆流，驱动力来自肝分泌压和胆管收缩渗透压，流动是缓慢的、均匀的、片流性质的；第二胆流指自胆囊经胆总管排入十二指肠过程，驱动力来自胆囊收缩压和胰腺泡的分泌压，胆汁流体特性因胆管的吸收和分泌而有所改变，是急促的、阵性的[3-5]。胆汁流动受进食、入肝血流[6]等多因素调控，尤其是第二胆流，常呈不规律阵发性流动；由于胆管除Oddi 括约肌外无平滑肌组织，缺乏自行蠕动，肝外胆管在受到炎症牵拉等因素影响可导致胆管变形，进而导致胆流发生改变，可能形成若干涡流、胆管内压力增大等变化，并最终形成导致胆道结石。因此，研究胆流对于胆石症疾病的预防治疗及其重要。

1.2 胆道压力特性 胆道内的胆道压力一般通过胆道T 管外引流方法检测胆道内压力，通过检测胆汁的粘度等方法评估胆汁流动力学；也可根据Caroli 装置原理，自制简易胆道测压装置检测胆道压力及胆汁流量[7]，或通过计算机辅助99mT c-HIDA 显像方式，得出胆道压力，对临床治疗具有指导性意见。人体肝胆管压力为（40.18±6.08）kPa，胆囊压力为（26.95±9.34）kPa，胆总管压力为（33.76±5.85）kPa，十二指肠腔内压力为（7.11±1.44）kPa，肝胆管与十二指肠腔内压差为29.4～34.3 kPa[5，8]。然而上述方法均存在一定局限性，不能充分显示个体化胆流特性，因此，为避免加重患者负担，通过借助体外模拟技术探讨流体力学在胆石症疾病中的影响至关重要。

1.3 体外模拟胆道流体力学方法 Bird 等[9-10]对理想化和真实胆管模型进行了深入研究，数值模拟了胆管中的定向流动，并对结石成因进行深入分析；Meyer等[4]通过建立小鼠肝小叶胆道流动力学的3D模型，用于预测药物引起的胆汁流量变化；随着影像技术和计算流体力学（computational fluid dy‐namic CFD）的发展，CFD 成为研究胆道系统流量和功能的重要工具之一[11]，可通过体外模拟重建胆道结构，并根据胆道内流速、流量、压力等探讨胆管疾病发生原因、部位。基于图像的胆道流体力学研究步骤包括三维模型重建、有限元模拟构建、边界条件设定及胆道动力学数值模拟分析等，模拟胆囊、胆囊管、毛细胆管等结构。肝胆动态核素显像是一种无创伤性、高特异性的功能显像技术，其可实时定量评估胆汁从肝脏排泄至肠道的全过程，测定肝脏、胆管、十二指肠放射性核素转运情况，作出定量和定性诊断，记录不同研究对象胆汁动力学[12]。因此，通过多角度、多方式重建个体化胆道模型，精准化判断胆汁流体特性，对于胆石症成因分析是可行的。

2 胆道胆汁流体特征与胆石性疾病的关系

2.1 流体力学与胆囊结石的关系 部分研究学者[13]根据胆囊收缩特点及胆汁属性采用SIMPLER算法建立收缩胆囊内胆汁流动的数学模型，显示出胆囊收缩时，囊内出口附近区域存在明显的S 型漩涡，并大胆假设该区域的存在可能是形成胆囊结石的重要条件。通过CFD仿真、三维建模等研究胆囊管结构，均可从流体力学中证实胆囊管能提供恒定阻力控制胆囊内胆汁流出[9，11]，显示胆囊管形态及胆囊窝附近漩涡是胆囊结石形成的重要因素[9，11，13]，且由于流体力学条件各异，胆汁流入、流出胆囊均会产生强度不同、数目不等的涡流，造成胆囊内可能不只存在一个结石，且结石大小亦不相同[14]；同时，胆囊结石存在也会导致流体力学的改变，形成新的漩涡，导致胆囊结石形成。另外，胆囊内胆汁为非牛顿流体，即静态或低切变率时，胆汁内成分依赖其间的引力，相互聚集、沉淀，促进结石生成[15]。因此胆囊结石的形成是由多因素造成，根据胆囊形态模拟胆囊内流体力学可预判结石发生可能，避免因胆囊结石堵塞胆囊胆管引起重症胆囊炎。

2.2 流体力学与肝内胆管结石的关系 肝内胆道结石是我国良性胆道疾病患者死亡的重要原因之一，应遵从“去除病症、取尽结石、矫正狭窄、通畅引流、防止复发”方针，需根据结石部位、数量、胆管狭窄部位和程度等制订个体化的治疗方案并选择合适的手术方法[16]；胆管分叉部即胆道夹角处存在一个狭窄部，管腔变小，胆流对胆管壁的冲击力就大，如果胆道发生感染，胆汁或泥沙性胆汁呈非牛顿流体特性，其炎性反应致使分叉部胆管内膜先遭受破坏，继发病理性狭窄，导致该处胆汁流速减慢，胆汁淤积于狭窄部胆管上游，形成结石[17]；相反，胆道狭窄及结石形成亦会导致胆道压力增加，进而导致胆汁通过肝细胞途径及汇管区淋巴间隙途径返流入血[18]，引发严重并发症。目前，肝内胆管结石的手术治疗常采取肝切除术、肝门部胆管重建术、胆管空肠吻合术、保留Oddi括约肌的肝门胆管狭窄成形皮下盲袢埋置术（oddi sphincter-preserved cholangio‐plasty with hepatico subcutaneous stoma，OSPCHS）等[16，19-21]通过治疗可解除胆道狭窄，恢复胆道通畅性，保持流体特性稳定，减少胆汁漩涡形成，抑制胆管继发纤维化，预防并延缓结石复发，避免病情进一步恶化。非手术治疗包括介入治疗即经皮胆道镜取石术（percutaneous transhepatic cholangioscopic lithotripsy，PTCSL），该手术方式因对穿刺目标胆管的不确定性和肝内胆管的变异性等因素，在一定程度上限制了其在临床上的推广运用[22]。然而，通过体外3D模拟不同经皮胆管入径，可优化手术入路，减少术中时间，提高结石清除率。尤其是对于合并左右肝胆管出现狭窄患者，甚至可在透视下放置胆道内支撑管，扩张胆管狭窄狭窄部位，通畅胆道，降低结石复发率。

2.3 流体力学与肝外结石的关系 肝外胆管结石患者术中通过经胆囊管测量胆道内压力，指导胆总管切开后一期缝合[23]；对于胆总管结石行T 管引流术后患者，胆道测压与胆汁流出量能弥补胆道小结石在造影时不易发现的缺陷，指导拔除T管，缩短住院天数，减轻患者经济负担[7]。因此，对于肝外胆管结石患者，及时有效测量胆道压力、胆汁流量等能指导手术方案的选择，避免因过早或过迟拔除T 管而加重患者损伤，延缓愈合。

3 流体力学在胆石性黄疸中的应用

梗阻性黄疸是胆管结石常见并发症，胆道梗阻时门静脉受胆管压迫导致肝脏血供由门静脉供血优势逐渐转变为肝动脉优势，肝血流及胆汁动力学均发生改变，导致肝窦淤血、微循环障碍、小胆管增生与肝纤维化，最终引起肝细胞凋亡。对于梗阻性黄疸，尤其是恶性梗阻性黄疸患者，非手术治疗采用经皮经肝胆道引流术（percutaneous transhepatic biliary drainage，PTBD）或/和胆道内支架引流术（en‐doscopic retrograde biliary drainage，ERBD）途径进行减黄治疗，通过CFD 模拟建立胆道流动力学的3D 模型，有利于模拟选择方式减黄治疗，能更好保持胆道引流通畅，尽快降低胆道压力，促进肝功能恢复，尤其为恶性梗阻性黄疸患者提供更及时的手术时机是十分有利的。有学者通过3D体外模型流体力学检测显示，具有多侧孔的胆管内支架引流不但可能无法提高流量，而且可能会导致脓毒症的碎片堵塞引流管[24]，因此，如何选择引流管，需要强调流体力学在其中的应用原理。

4 流体力学在医源性胆管损伤中的应用

医源性胆管损伤（iatrogenic bile duct injury）常导致胆管狭窄和吻合口狭窄，部分患者合并血管损伤。通过对增强CT和MRI的原始图像数据进行三维重建和三维可视化分析，模拟胆道及血管流体情况，明确胆管狭窄位置和是否存在血管损伤；测量肝门深度和左肝管横部长度；评估是否存在肝脏萎缩、肝门旋转和肝内胆管结石，为胆管损伤的手术入路和手术方案的选择提供直观和定量依据，并制定医源性胆管损伤后狭窄的三维可视化评估与分型及相应的治疗原则[25-26]。当前胆囊切除术所引起的损伤性胆管狭窄是良性胆管狭窄的首位因素，经内镜逆行胆管造影（ERCP）治疗良性胆管狭窄具有创伤小、疗效确切、可反复操作等优点，主要手段为球囊扩张及胆道支架置入，胆道支架可根据类型、结构等特点分为塑料支架、非腹膜金属支架、全覆膜自膨式金属支架（fully covered self-expandable metal stent，FCSEMS）及生物可降解支架等型号[27-28]；对于严重吻合口狭窄可采用磁力再通技术治疗[29]；无论是行ERCP还是磁力再通技术，其治疗目的均是通畅胆管，恢复胆道内正常流体动力学，防止漩涡形成；如何避免过多次数扩张或无效扩张增加胆瘘、出血等风险是目前治疗难点，通过体外模拟胆汁流体力学的变化可更好地指导良性胆道狭窄的治疗，并有效预防吻合口狭窄、吻合口结石形成等。

5 小结

流体动力学在胆道疾病发生、发展、愈合中起到关键性作用，但因胆汁流速缓慢，并受多因素影响，导致胆汁流体力学的研究进展十分缓慢；当前在治疗胆道疾病时，需充分利用MRCP、T 管造影、胆道测压等有效方式测定胆道内流体特性，通过CFD、3D 重建等技术模拟胆道流体力学的改变，指导胆道疾病患者个体化精准治疗，提高治疗效果是必然趋势。未来需要进一步结合计算机运算能力和图像重建技术的发展，建立有效的胆汁动力学参数标准，开展更大样本量的流体力学多因素分析，以提供更优质的医疗资源。