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人类数字肝脏数据库开放平台建立及其意义

e医疗 2018-06-30

以研究小儿肝脏肿瘤诊疗的计算机辅助手术系统为契机,基于研究课题收集中国16家医院提供的1260例各年龄段人类正常肝脏的增强CT原始DICOM文件,运用计算机辅助手术系统三维重建肝脏以及肝内血管系统,对大量的数字肝脏数据进行分析归纳挖掘,全面阐述介绍人类数字肝脏数据库平台的建立以及数据库平台的组成与意义。



人类数字肝脏数据库开放平台是青岛大学附属医院董蒨教授为总负责人的“十二五”国家科技支撑计划课题“小儿肝脏肿瘤手术治疗临床决策系统开发(编号2013BAI01B03)”,山东省重点研发计划“计算机辅助手术工作站一体机的研发与装备产业化”(编号2015GSF118130),青岛市自主创新重大专项课题“计算机辅助手术工作站的研发与装备产业化”(编号146-1-6-zdzx)等课题以研究小儿肝脏肿瘤诊疗的计算机辅助手术系统为契机的数字医学科研成果,同时也是山东省科技厅批准建立的山东省数字医学与计算机辅助手术重点实验室,山东省卫生厅批准建立的医药卫生数字医学与计算机辅助手术重点实验室建设的一个重要组成部分,系由青岛大学附属医院、海信集团、腾讯、浙江大学合作建设,立足于公益事业和国内外病患的福祉,联袂打造全球首个以及最大的人类数字肝脏数据库开放平台。复旦大学附属儿科医院、中国医科大学附属盛京医院、浙江大学儿童医院、首都儿科研究所、上海交通大学附属新华医院、华中科技大学同济医学院附属同济医院等全国16所医院为平台建设提供大量数据支持。百度公司在平台建设初期给予大量技术支持,对平台建设具有重要意义。

 

1.人类数字肝脏数据库平台建设背景

 

肝脏作为人体最大的实质器官,存在肝静脉、门静脉、肝动脉和胆管等四套管道系统,并且各种管道的变异比较常见,其解剖、生理和病理的复杂性决定了肝切除术的难度高、风险大。肝脏肿瘤发病率、死亡率高,预后差。基于现代影像学和计算机技术发展起来的三维重建技术,计算机辅助手术系统(CAS)可将人体肝脏三维重建,直观、动态显示肝脏及其血管系统的三维立体图像,辅助术前手术方案的规划,对肝胆外科发展具有重大的推动作用。

 

通过对大量三维数字肝脏的数据分析,研究发现,人群个体的肝脏并非按照解剖图谱生长,是具有个性化,如何利用大量的数字肝脏的资料,如何对这些数据进行分析、挖掘?因此,需要建立一个涵盖各年龄段、包含正常肝脏、肿瘤肝脏的人类数字肝脏数据库开放平台以解决。

 

在2016年6月,建设人类数字肝脏数据库开放平台作为一项任务,被纳入《山东省人民政府关于印发山东省“互联网+”行动计划(2016-2018年)的通知》(鲁政发〔2016〕14号文件),通知中明确指出“依托青岛大学附属医院、海信医疗等单位,建设全球共享的公益性数字肝脏数据开放平台,共同打造全球共享的公益性数字肝脏数据开放平台。强化人口健康大数据应用和信息共享,提高重大疾病和突发公共卫生事件防控能力”。

 

2.人类数字肝脏数据库开放平台的建立

 

基于青岛大学附属医院董蒨教授团队联合海信集团研发的计算机辅助手术系统(海信CAS),由山东省数字医学与计算机辅助手术重点实验室对符合重建标准的CT数据进行筛选后三维重建数字肝脏,建立全球最大的儿童、成人(从新生儿到老年人)正常肝脏及肝脏肿瘤数字肝脏大数据开放平台(http://hdldb.net),该平台对不同年龄组大数据量的人类正常肝脏及主要肝胆胰疾病的数字模型进行三维展示,结合肝脏数据的案例详情和标注,以全方位角度静态数字肝脏图片及模拟动画的方式将数字肝脏清晰完整的在数据库开放平台中体现。任意角度的模拟动画可清晰、直观的了解大量正常人的肝脏血管等管道系统解剖结构差异以及肝脏肿瘤等肝胆疾病患者内部肿瘤状态。

 

平台面向医生、医学生、普通互联网用户免费开放大量数字肝脏信息,用于医疗学习、科研、交流等;以数字肝脏数据为基础,吸引专家、专业用户,不断扩展数据种类;以开放数据为基础,允许数据自由上传、分享、评论等,服务医生和医学生在平台上进行科研和学习,未来将逐渐发展成医学影像数据开放平台。通过大数据量数字肝脏数据库的展示,提升医生、医学生对人类肝脏的了解程度,具有极高的医学教学价值与临床手术指导价值。通过人类数字肝脏数据库开放平台,可以与全球各地专家共享数字化肝脏数据、讨论病例,有利于医生间交流,共享知识,符合国家互联网+战略方向。

 

目前已初步完成平台建设,共收集正常肝脏,肝脏肿瘤、先天性胆管扩张症、胰腺肿瘤、脾脏疾病等病例1260余例,基于数字肝脏及其内部血管的大数据分析,已建立了中国人命名的“Dong’s数字肝脏分段体系”(董氏数字肝脏分段体系),利用“大数据引擎”分析、智能化处理肝脏重建数据,分析各年龄段正常人肝脏体积等,优化肝脏肿瘤切除的手术方案,达到个体化精准肝切除。

 

该平台的建立对医学界发展具有重要意义。人类数字肝脏数据库开放平台建立后,医学生可以通过观察三维立体肝脏模型了解解剖学课本上枯燥难懂的理论知识,帮助学生在脑海中形成完整的肝脏结构;该平台通过网络访问,克服了空间和地点的限制;通过对二维影像资料进行三维重建,应用模拟操作、预演练各种手术方案,有利于最佳手术方案的抉择;其共享性允许各地医生上传病例资料,实时交流,实现专家远程支持。

 

3.人类数字肝脏数据库平台组成

 

平台对小儿肝脏肿瘤、成人肝脏肿瘤、门静脉高压症、先天性胆管扩张症、胰腺肿瘤等疾病进行典型病例介绍;对数字医学、计算机辅助手术、肝脏分段历史以及基于数字肝脏大数据分析的Dong’s肝脏分段进行介绍。

 

3.1肝胆胰脾典型病例


平台所收录的典型病例,来自全球各个医疗中心,内容包含了正常肝脏解剖罕见变异以及成人肝脏肿瘤、小儿肝脏肿瘤、胰腺病变、脾脏病变、胆道病变、肝脏血管系统病变等常见疾病的数字肝脏模型,同时还包括罕见、少见肝脏疾病的数字肝脏模型,为人类认识肝脏各类病变、展示人类对肝脏奥秘的探索成就提供平台。

 

3.2肝脏体积

 

利用海信CAS计算机辅助手术系统三维重建增强CT扫描中的肝脏、胆囊以及肝内的血管系统,清晰显示出三维重建数字肝脏结构的位置情况,定义了重要血管的形状,起源和分叉,以及门静脉,肝静脉和肝动脉之间的3D解剖学关系进一步进行大数据分析,精确测量不同年龄段肝脏体积,初步建立我国肝脏体积范围标准并探讨其医疗和科研价值。

 

3.3正常肝脏

 

对全国乃至全球成人正常数字肝脏所组成的大数据库(正常成人数字肝脏数据库)进行分析,清晰了解人类肝脏的形态特征、体积容量、血管分型、人种差异等,有效避免了上述资料过去主要来源于尸体解剖、术中所见、二维影像资料的弊端,为人类进一步认识正常成人肝脏的形态结构、解剖生理等提供直观、有效的临床数字化资料,为肝脏功能储备评估、活体肝移植评估、患病几率评估等提供个体化的临床资料,使肝脏解剖结构个体化、精准化,对肝脏肿瘤、肝胆管结石等成人肝胆外科常见疾病的诊断及手术的临床可切除性评估、风险评估及剩余肝脏代偿体积的评估等都具有重要的指导意义。

 

3.4其他疾病

 

其他疾病所指各种肝脏少见、罕见病种,主要涉及先天性畸形、肝移植后肝脏、肝比邻脏器的肿瘤等,这些疾病病因多样、分布散在、发病率极低、等因素致使得诊断困难,同时因解剖生理复杂、对其认识有限等使治疗极为困难。


本平台综合全国乃至全球的同类病变肝脏的数字模型组建此类病变的数字肝脏数据库,此数据库可一定程度的摒弃病种罕见稀少、临床资料残缺、随访失败等不确定因素,提高疾病的研究可行性。通过对数据库的分析,有利于进一步了解肝脏罕见、少见病变的生物学特性、流行病学特征、治疗效果以及治疗后肝脏的形态改变等情况,进而评估病变对机体的影响、治疗的近远期效果,分析病因,为我们研究肝脏罕见、少见疾病病理生理学、治疗学、病因学、未成年体发育学等提供直观、充足、有效的临床数字化资料。

 

3.5Dong's肝脏分段体系

 

随着影像学技术的发展、肝脏外科技术的革新以及“精准肝切除”概念的提出和基于自主研发的计算机辅助手术系统(CAS),针对人类活体真实情况采集的肝脏及内部管道系统图像数据对肝脏分段的发展提供了具有划时代意义的支持。伴随数字医学时代发展的“Dong's肝脏分段体系(Dong's Liver Classification System)”则应运而生。青岛大学附属医院董蒨教授利用海信CAS计算机辅助手术系统对各年龄段人类正常肝脏的增强CT的原始Dicom文件三维重建出肝脏、肝内血管系统和胆囊,然后进行血管分析和肝脏的分段。

 

根据1260例正常人类数字肝脏的三维重建影像,以精准肝脏外科基本要求的功能性肝脏单位的门静脉走行及分支为基准、4级门静脉支配领域作为肝脏分段等判定标准,进行Dong’s肝脏分段,得出以下结论:

 

  • A型(8段型)

根据肝内门静脉走行及分支分为8段,占42.62%左右。


  • B型(9段型)

根据肝内门静脉走行及分支分为9段,占36.83%左右。


  • C型(RP弓状型)

门静脉右后支呈弓状型,根据肝内门静脉走行及分支分为7段(C-a)或8段(C-b),占8.09%左右。


  • D型(特殊变异型)

包含较多特殊变异,占12.46%左右。

 

4.人类数字肝脏大数字分析对精准肝切除的意义

 

随着数字医学时代步伐的快速前进,外科手术的精准性要求越来越高,以“最小肝脏侵袭和最大肝脏保护”为宗旨的解剖性肝切除,要求术前、术中、术后准备都达到最佳精准性。数字医学的发展为肝段的划分提供新思路,基于计算机辅助手术三维重建得到数字化门静脉模型,通过全方位观察模型,为影像学提供了三维可视化的解剖学基础,对肝脏外科的发展有着重要推动作用。人类数字肝脏数据库开放平台的逐步建立完善,对于临床医师、医学生更加全面的认知肝脏解剖及指导精准肝切除手术具有划时代的重要意义。



 

参考文献


 [1] 周显军,董蒨,朱呈瞻等。数字化重建技术在基于肝脏门静脉结构的肝段划分中的作用及意义[J],中华外科杂志,2018,56(1)61-67. DOI:10.3760/cma. j.issn.0529-5815.2018.01.014.


[2] 董蒨,周显军.计算机辅助手术系统在小儿精准肝胆胰外科手术中的意义[J].中华小儿外科杂志,2016,37(11):801-803.DOI:10.3760/cma.j.issn.0253-3006.2016.11.001.


 [3] 董蒨,陈永健,卢云,等.数字医学与计算机辅助手术的发展及临床应用[J].中国信息界·e医疗,2013,(9):58-61.


[4] 陈永健,董蒨,高川,等.数字医学与计算机辅助手术设备的发展趋势[J]. 中国信息界·e医疗,2014,(4):50-53.

 

[5] 吴萤,朱呈瞻,周显军,等.小儿门静脉分型及肝脏体积测量的数字化研究[J].中华小儿外科杂志,2016,37(11):804-809.


[6] 吴萤,周显军,孙兆旭,等.计算机辅助手术系统在小儿巨大肝间叶性错构瘤诊治中的应用[J].临床小儿外科杂志,2016,15(4):379-382,388.


[8]周显军,苏琳,董蒨,等. 计算机辅助手术系统在小儿复杂性肝脏肿瘤精准手术中的应用[J]. 中华小儿外科杂志,2015,36(4):244-248.



作者信息

魏宾、周显军、董蒨、朱呈瞻、董冰子、陈永健、吴莹、夏楠、王菲菲(青岛大学附属医院、山东省数字医学与计算机辅助手术重点实验室、青岛大学数字医学与计算机辅助手术研究院)



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