修回日期: 2026-05-07
接受日期: 2026-05-25
在线出版日期: 2026-05-28
肝胆管结石病是亚太地区常见的复杂胆道疾病, 其形成机制除传统的"胆汁成分异常、胆道感染、胆道梗阻"三联学说外, 生物力学因素日益受到重视. 胆道系统并非静态管道, 其内部胆汁流动、管壁舒缩、括约肌启闭及结石自身的运动均涉及复杂的生物力学过程. 深入探讨生物力学在结石形成与演进中的作用, 对于革新诊疗策略, 尤其是指导精准外科手术具有重要意义. 系统综述生物力学因素, 包括胆道流体力学、Oddi括约肌动力学、胆道壁力学特性及结石动力学在肝胆管结石形成中的作用机制, 并阐述其对术前评估、手术入路选择、病灶清除及术后复发预防等外科实践的指导价值. 检索PubMed、Web of Science、中国知网、万方等数据库中近10年关于肝胆管结石生物力学、胆道动力学、影像流体力学及胆道手术力学相关的文献, 进行归纳、分析与综述. 生物力学机制贯穿于肝胆管结石形成的始动、增长、迁移及引起临床症状的全过程. 主要包括四个方面: (1)胆道流体力学; (2)Oddi括约肌动力学; (3)胆道壁力学特性; (4)结石动力学. 这些机制通过高分辨率影像学(如磁共振胰胆管成像、动态超声)和计算流体力学模拟得以可视化与量化. 生物力学视角为理解肝胆管结石的病理生理提供了动态、系统的框架. 其对手术的指导作用体现在: (1)术前精准评估; (2)手术策略优化; (3)术中操作引导; (4)术后复发预防策略. 未来, 通过融合在体实时压力监测、个性化计算流体力学模型与机器人手术导航技术, 有望推动肝胆管结石诊疗迈向全程化、智能化的生物力学管理新模式.
核心提要: 本文突破传统静态病因观, 从生物力学动态视角系统阐释了胆道流体环境、括约肌功能、管壁力学及结石自身运动在肝胆管结石形成与演进中的核心作用, 并首次全面论述了该机制体系对肝胆管结石外科手术从术前评估、策略制定、术中操作到术后康复的全链条、精准化指导价值, 为推动该疾病的外科治疗向"力学精准"时代迈进提供了理论依据与实践路径.
引文著录: 林德新, 卓信斌, 雷文俤, 常贵建, 黄健, 蔡耀元, 张勇. 生物力学在肝胆管结石形成中的机制及其对手术指导的研究进展. 世界华人消化杂志 2026; 34(5): 379-384
Revised: May 7, 2026
Accepted: May 25, 2026
Published online: May 28, 2026
Hepatolithiasis is a complex biliary disease prevalent in the Asia-Pacific region. Beyond the traditional triad of abnormal bile composition, biliary infection, and biliary obstruction, biomechanical factors are increasingly recognized as playing a role in its pathogenesis. The biliary system is not a static conduit; it involves intricate biomechanical processes, including bile flow, ductal wall motility, sphincter dynamics, and calculus movement. A deeper understanding of biomechanics in calculus formation and progression is essential for advancing diagnostic and treatment strategies, particularly for guiding precise surgical interventions. This review aims to systematically examine the roles of biomechanical factors-namely, biliary tract fluid dynamics, Oddi sphincter kinetics, biomechanical properties of the biliary wall, and calculus dynamics-in the formation of hepatolithiasis, and to elucidate their guiding value for surgical practice, including preoperative assessment, selection of surgical approach, lesion clearance, and postoperative recurrence prevention. A literature search was conducted in databases such as PubMed, Web of Science, CNKI, and Wanfang Data for publications from the past decade related to the biomechanics, biliary dynamics, imaging-based fluid dynamics, and surgical mechanics of hepatolithiasis. The retrieved literature was summarized, analyzed, and reviewed. Biomechanical mechanisms are involved throughout the entire process of hepatolithiasis, from initiation and growth to migration and clinical symptom manifestation. Four main aspects have been identified: (1) Biliary tract fluid dynamics; (2) Oddi sphincter kinetics; (3) Biomechanical properties of the biliary wall; and (4) Calculus dynamics. These mechanisms can be visualized and quantified through high-resolution imaging (e.g., magnetic resonance cholangiopancreatography and dynamic ultrasound) and computational fluid dynamics (CFD) simulations. The biomechanical perspective provides a dynamic and systematic framework for understanding the pathophysiology of hepatolithiasis. Its implications for surgery are evident in four key areas: (1) Precise preoperative assessment; (2) Optimization of surgical strategies; (3) Guidance for intraoperative maneuvers; and (4) Strategies for preventing postoperative recurrence. In the future, integrating real-time in vivo pressure monitoring, personalized CFD models, and robotic surgical navigation technology holds promise for advancing the management of hepatolithiasis toward a comprehensive, intelligent, and biomechanically-driven new paradigm.
- Citation: Lin DX, Zhuo XB, Lei WD, Chang GJ, Huang J, Cai YY, Zhang Y. Biomechanical mechanisms of hepatolithiasis formation and their implications for surgical management. Shijie Huaren Xiaohua Zazhi 2026; 34(5): 379-384
- URL: https://www.wjgnet.com/1009-3079/full/v34/i5/379.htm
- DOI: https://dx.doi.org/10.11569/wcjd.v34.i5.379
核心提要: 本文突破传统静态病因观, 从生物力学动态视角系统阐释了胆道流体环境、括约肌功能、管壁力学及结石自身运动在肝胆管结石形成与演进中的核心作用, 并首次全面论述了该机制体系对肝胆管结石外科手术从术前评估、策略制定、术中操作到术后康复的全链条、精准化指导价值, 为推动该疾病的外科治疗向"力学精准"时代迈进提供了理论依据与实践路径.
肝胆管结石病, 又称原发性肝内胆管结石, 是一种在东亚及东南亚地区高发的胆道良性病变. 该病由于复发率高, 易引发胆管炎、肝脓肿、继发性胆汁性肝硬化甚至胆管癌等严重并发症, 已成为肝胆外科治疗中的难点[1-3]. 传统病因学主要基于"胆汁成分异常(胆固醇/胆色素过饱和)、胆道细菌或寄生虫感染、胆道解剖性或功能性梗阻"的三联学说[4]. 然而, 临床实践表明, 即便在取尽结石、解除胆道梗阻并规范应用抗生素治疗, 结石复发仍难以完全避免. 这提示, 除生物化学与微生物学因素外, 胆道系统作为动态的"流体输送管道", 其内在的生物力学环境在结石的发生、发展及预后转归过程中也起着至关重要的作用[5,6].
生物力学是研究力与生物体结构、功能相互作用的交叉学科[7,8]. 在肝胆管结石的研究范畴内, 主要包括以下几方面的力学机制: (1)胆道流体力学: 探讨胆汁在胆管树内的流动特征, 包括层流与湍流状态、流速以及流体剪切力[9-12]; (2)胆管壁固体力学: 分析胆管壁在腔内压力与张力作用下的形变、应力分布及其相关的病理学改变[13]; (3)括约肌动力学: 研究Oddi括约肌的张力、收缩与舒张节律对胆汁排出的调控作用[9]; (4)结石颗粒动力学: 阐明结石在流动胆汁中的运动行为、沉降趋势及发生嵌顿的规律[14]. 近年来, 伴随医学影像技术(如四维血流磁共振成像、超声造影)的发展, 以及计算流体力学在生物医学领域的应用拓展, 在体或离体条件下模拟胆道系统的生物力学环境已成为可能, 相关研究也日益增多[15-17].
本文旨在系统综述生物力学因素在肝胆管结石形成过程中的具体作用机制, 并着重探讨如何将这些力学原理转化为对临床手术具有直接指导意义的实践策略, 从而为肝胆外科医生构建一个全新的、动态化的诊疗思维框架, 以期改善患者预后, 降低结石复发率.
本综述通过检索PubMed、Web of Science、中国知网、万方等数据库, 系统收集了近十年来关于肝胆管结石、生物力学、胆道动力学、影像流体力学及胆道手术力学相关研究文献. 在排除胆道肿瘤及单纯胆道手术相关文章后, 最终共纳入文献136篇, 并对这些文献进行了归纳、分析与综合评述.
胆汁的正常流体动力学状态是维持其胶体稳定性、防止溶质沉淀的重要保障[18]. 关键流体力学参数, 包括流速、壁面剪切应力及流动形态, 直接影响微晶体的成核、聚集与生长过程.
胆汁淤滞与低剪切应力: 在生理状态下, 胆汁流动会对胆管壁产生一定的壁面剪切应力. 这种力学信号有助于维持胆管上皮细胞的正常功能, 并可能抑制黏蛋白等促成核物质的过度分泌[19,20]. 当胆管存在狭窄(如炎性瘢痕、肿瘤压迫)、扩张或成角畸形时, 局部流速显著下降, 壁面剪切应力降低甚至接近于零, 形成流体"死区". 低壁面剪切应力环境已被证实可上调胆管上皮细胞的炎症因子表达, 促进黏液分泌, 从而为胆汁中过饱和的胆固醇晶体或胆红素钙颗粒提供聚集的基质和物理附着点, 由此启动结石的形成过程[21-23].
涡流与流动分离现象: 在胆管发生突然扩张、狭窄下游区域或锐角分支部位, 层流状态遭到破坏, 易诱发涡流及流动分离[24-26]. 此类复杂流态不仅延长了胆汁中颗粒物质的局部滞留, 提高其碰撞聚集的可能性, 同时其流动的不稳定性还可增强对胆管壁的机械刺激, 从而诱发慢性炎症与纤维化改变, 进一步恶化局部流体环境, 形成"流场异常-结构重塑-流场异常加剧"的恶性循环[27]. 计算流体力学模拟研究[28]明确显示, 肝内胆管结石的好发部位(如左肝管、肝门部胆管汇合区)常与复杂的涡流场分布相吻合.
Oddi括约肌是调控胆汁流入十二指肠的最终"阀门". 其功能不仅在于简单的开闭, 更体现为具有精细张力调节及周期性舒张与收缩的动力学特征[29,30].
张力过高与舒张功能障碍: 括约肌基础张力增高、对胆囊收缩素等生理性刺激的反应性舒张不足, 或发生病理性痉挛, 均可导致胆汁排出阻力增加, 引起胆总管乃至肝内胆管压力升高[31]. 此种功能性梗阻是肝内胆管结石(尤其是弥漫型结石)形成的重要始动因素之一[28,32]. 内镜下Oddi括约肌测压结果显示, 部分肝胆管结石患者存在括约肌运动功能紊乱[33].
协调性障碍: 正常的胆汁排泌需要胆囊收缩、胆管蠕动与Oddi括约肌舒张的协同作用. 任一环节功能失调均可导致胆汁"排泌不畅", 其机制类似于心脏的"收缩不同步", 长期存在可引发胆汁淤积[34]. 对此类动力学协调性的评估, 需借助动态超声、核素扫描等功能影像学方法进行综合分析.
胆管壁并非刚性管道, 而是具有粘弹性的生物组织. 在胆石症病程中, 其力学特性呈动态演变, 并可对结石形成及发展产生主动影响.
顺应性降低与应力集中效应: 在慢性胆管炎病理过程中, 胆管壁全层纤维化、管壁增厚, 导致其顺应性(即随腔内压力变化而扩张的能力)明显下降[35]. 僵硬的胆管壁在结石嵌顿部位更易形成显著的局部应力集中. 这种持续的机械应力可压迫管壁毛细血管, 引起黏膜缺血、溃疡形成乃至坏死, 严重时可发展成穿透性溃疡. 上述机制可解释为何结石嵌顿常并发胆管壁的严重损伤甚至穿孔[22]. 此外, 纤维化胆管壁的收缩功能减弱, 其"蠕动泵"作用下降, 进一步削弱了清除细小结石及胆汁的能力.
胆管壁的主动重塑过程: 在炎症与机械刺激作用下, 胆管壁内的成纤维细胞被激活, 导致胶原过度沉积[36]. 这一重塑本为适应异常力学环境而发生, 但其结果却使管道结构更不利于正常流动, 从而形成病理性的正反馈循环[37].
结石形成后, 其自身的动力学特性是影响患者症状表现和治疗难度的重要基础.
迁移与嵌顿: 结石在胆道内的移动受其自身物理特性(大小、密度、形状)与胆道流体动力学环境的共同调控. 体积较小的结石可随胆汁流动, 部分可经胆总管排入十二指肠; 然而, 若其在下行过程中于胆总管末端、壶腹部或胰管共同开口处发生一过性或持续性嵌顿, 则可能引发梗阻性黄疸或急性胆源性胰腺炎. 体积较大的结石, 尤其是当其直径接近胆管局部内径时, 可能在流体动力作用下发生嵌顿. 嵌顿的发生取决于结石与胆管壁之间的摩擦系数、胆管蠕动产生的挤压力量以及下游流出道的阻力. 一旦发生嵌顿, 即可导致胆道完全性梗阻, 临床表现为剧烈胆绞痛和急性胆管炎[38].
结石-胆管壁相互作用: 形态不规则、质地坚硬的结石对胆管壁的局部压强大幅高于表面光滑的类球形结石, 因此对胆管黏膜的机械损伤也更为显著[3]. 在施行胆道镜取石操作时, 嵌顿结石所受到的周围组织"抓持力"较大, 若强行牵拉, 极易导致胆管壁黏膜撕裂甚至出血[39].
对上述生物力学机制的深入认知, 可有效转化为对外科手术精准度、疗效及安全性的显著提升.
精准定位"疾病关键区域": 传统计算机断层扫描/磁共振胰胆管成像主要揭示解剖学狭窄. 通过结合计算流体力学模拟或四维血流磁共振成像, 能够可视化并定量分析狭窄后方的低速区与涡流区, 这些"流体力学薄弱区域"正是结石最易形成和复发的位置[17]. 该方法可指导外科医生不仅关注已明确的狭窄, 更要重视那些尚未出现显著解剖狭窄但已存在严重流体力学异常的胆管节段, 从而更精准地判定需要切除的肝段或需行成形术的胆管范围.
评估Oddi括约肌功能: 针对合并胆总管扩张或疑似存在功能性梗阻的患者, 术前可采用动态腹部超声进行评估. 通过观察脂餐(或促胆囊收缩素)刺激后胆总管内径的动态变化, 以及壶腹部Oddi括约肌区域的开闭形态, 可以间接评估括约肌的基础张力和舒张功能. 若提示存在异常, 再行经内镜Oddi括约肌测压进行确诊. 若证实存在明确的括约肌功能障碍, 手术方案应考虑同期或分期实施内镜下括约肌切开/成形术, 以解除动力性梗阻, 否则肝内病灶处理后结石复发风险仍较高[40,41].
预测取石难度与规划手术入路: 通过三维重建模型, 测量结石直径与所在胆管最小内径的比值, 并评估结石形态与胆管走行的匹配程度, 可在术前预测结石嵌顿的严重程度. 对于预估难度较大的病例, 可提前准备更适宜的器械(如激光碎石、液电碎石等), 或规划更为直接的手术入路(如经肝实质胆道镜取石).
肝切除范围的力学依据: 解剖性肝切除术是治疗区域性肝内胆管结石的金标准[42,43]. 其目标不仅在于切除含结石的胆管, 更在于彻底清除因长期炎症及胆汁流体动力学异常所引起的、已发生不可逆纤维化萎缩的肝实质与病变胆管树[44]. 从力学角度而言, 即需切除因正常胆汁引流动力丧失而成为"流体死区"的整个功能单元. 术中应沿Glisson鞘进行精细解剖, 以保证切除的彻底性.
胆道重建的流体力学优化: 在实施胆肠吻合术(尤其在肝门部胆管空肠Roux-en-Y吻合)时, 吻合口的力学设计原理是决定远期效果的关键因素[45]. (1)大口径吻合: 构建足够宽大的吻合口, 以最大限度地降低胆汁流动阻力. 通常建议吻合口径与胆总管直径相匹配, 且不小于2.0-2.5 cm, 或行胆管成形后与空肠侧侧吻合, 原则上吻合口应大于预计的生理性胆管狭窄段, 以确保术后胆汁流出道无阻力; (2)黏膜对黏膜吻合: 采用精确的单层间断缝合技术, 确保吻合口内壁光滑, 减少湍流形成及因缝线刺激导致的肉芽组织增生与远期狭窄; (3)顺蠕动与无张力原则: Roux肠袢应保持足够长度及自然顺向走行, 避免扭曲或成角; 确保吻合口在任何生理体位下均无张力, 此为维持其长期通畅性的力学基础.
术中取石的流体动力学辅助: 在胆道镜取石操作中: (1)灌注压力调控: 通过调节灌注液压力, 可适度扩张胆管, 产生"流体润滑"效应, 有助于松动嵌顿结石. 但需注意压力过高可能诱发菌血症或胆道壁损伤, 应根据胆管壁弹性、结石嵌顿情况动态调整压力; (2)器械操作与力学方向: 对于嵌顿性结石, 采用取石网篮套取后, 可结合灌注液冲击力, 并沿胆管纵轴方向施加轻柔、持续的牵引力, 避免暴力垂直拽拉. 在使用激光或液电碎石时, 应将能量精准聚焦于结石核心, 以防止损伤对侧胆管壁[46].
可降解胆道支架的应用前景: 对于胆管狭窄成形术或弥漫性胆管炎患者, 为预防术后早期因组织水肿或炎症反应所致的再狭窄, 可考虑置入临时性的可降解生物材料支架[47,48]. 此类支架能够在一定时期内为胆管提供必要的力学支撑, 保持管腔通畅, 待其在体内逐步降解后, 胆管已愈合并进入稳定状态, 从而避免了因永久性金属支架留置可能引发的相关并发症[49]. 这一策略体现了"通过临时力学干预, 促进生理性愈合"的核心理念.
术后随访的力学指标: 除进行常规的解剖学评估外, 应重点关注胆道动力学功能(即胆汁分泌与排泄的动力功能)的恢复. 具体评估方法包括: ①通过动态超声观察脂餐后胆囊体积变化率及胆总管排空时间, 评估胆囊收缩与胆汁排泄功能; ②利用实时剪切波弹性成像评估胆管壁的弹性模量, 间接反映胆管壁的纤维化程度与顺应性; ③通过肝胆核素显像(如99mTc-EHIDA扫描)定量评估胆汁排泄半衰期和胆道通过时间, 综合判断胆道是否存在功能性梗阻. 通过动态超声观察胆汁排泄动力学, 或利用声脉冲辐射力成像等技术检测胆管壁的弹性, 可以间接评估胆道系统的动力学环境是否得到了根本性改善[50,51].
生物力学为肝胆管结石这一经典疾病提供了全新且动态的解读框架. 它将胆道系统理解为一个复杂的"流固"耦合系统, 而结石的形成、发展与转归则是该系统内部多种力学失衡的综合结果. 基于这一视角, 外科治疗的核心目标, 已从传统的"取净结石, 解除狭窄"进一步升华为"重建符合生理状态的胆道生物力学环境".
目前, 该领域的研究正处于蓬勃发展阶段. 未来的重点方向主要包括: (1)开发可用于临床的、能在术中与术后实时监测胆道压力与流量的系统; (2)建立基于患者个体影像学的计算流体力学预测模型, 用于术前手术方案模拟与预后评估[16]; (3)研发更符合胆道生物力学特性的新型吻合器械、胆管替代物、可降解支架及智能胆管移植物[52-54]; (4)探索利用特定力学刺激(如特定频率的振动、可控流场刺激)以促进胆管上皮修复与功能恢复的生物治疗新策略[55,56].
随着精准外科与数智化外科时代的深入发展, 将生物力学参数深度整合进肝胆管结石的诊疗全流程, 必将推动该疾病的外科治疗迈向更为精准、高效和个体化的新阶段. 未来, 外科医生不仅需要是一名技艺精湛的"工匠", 更应成为一位善于理解、运用并精准调节人体内在力学环境的"工程师".
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学科分类: 胃肠病学和肝病学
手稿来源地: 福建省
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科学编辑: 刘继红 制作编辑:张砚梁