清華新聞網(wǎng)8月12日電 心血管系統(tǒng)的生物力學(xué)指標(biāo)，包括血管剛度、血壓及血管壁內(nèi)的應(yīng)力等，密切關(guān)聯(lián)著心血管系統(tǒng)的正常生理功能以及相關(guān)疾病的發(fā)生與發(fā)展。盡管已有研究分別提出了動(dòng)脈剛度、血壓或壁應(yīng)力的在體無(wú)創(chuàng)測(cè)量方法，但現(xiàn)有技術(shù)仍面臨直接測(cè)量多個(gè)力學(xué)指標(biāo)的難題和生物力學(xué)指標(biāo)在時(shí)間和空間上的不一致性?xún)蓚€(gè)問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)多力學(xué)指標(biāo)的同步、同位置表征不僅有助于深入揭示血管功能狀態(tài)，也構(gòu)成當(dāng)前面臨的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。
為解決上述挑戰(zhàn)，清華大學(xué)航天航空學(xué)院曹艷平課題組合作報(bào)道了一種基于超聲的血管在體力學(xué)成像技術(shù)。研究通過(guò)可編程聲輻射力在血管壁內(nèi)同時(shí)激發(fā)出沿環(huán)向和軸向傳播的彈性導(dǎo)波，并通過(guò)超快成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)成像面內(nèi)對(duì)這兩個(gè)方向?qū)Рǖ耐綔y(cè)量。研究進(jìn)一步構(gòu)建了考慮動(dòng)脈粘彈性、大變形、復(fù)雜幾何和邊界特征的波動(dòng)力學(xué)模型，并發(fā)展了智能參數(shù)反演方法，從而實(shí)現(xiàn)了動(dòng)脈局部血壓、軸向和環(huán)向剛度以及血管壁應(yīng)力的同步、同位置表征。此外，得益于單次超聲激勵(lì)與成像的極短時(shí)間（約4毫秒），該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多力學(xué)參數(shù)在心動(dòng)周期內(nèi)動(dòng)態(tài)變化的實(shí)時(shí)追蹤。
研究人員招募了健康年輕人、血壓正常的中老年人和高血壓中老年志愿者，開(kāi)展了在體實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該方法能夠定量測(cè)量心血管系統(tǒng)的衰老及心血管疾病引起的血壓、動(dòng)脈各向異性剛度和血管壁應(yīng)力的變化。這些力學(xué)指標(biāo)的同步測(cè)量不僅為深入理解它們之間的相互作用機(jī)制提供了依據(jù)，也為相關(guān)心血管疾病的早期識(shí)別與臨床診斷提供了新的手段。
圖1.動(dòng)脈軸向與環(huán)向?qū)Рǖ募ぐl(fā)與測(cè)量。（A）測(cè)量人體右頸總動(dòng)脈的實(shí)驗(yàn)示意圖。（B）超聲成像與聲輻射力激勵(lì)方式。（C）超聲成像的時(shí)間序列。（D）上側(cè)：在體實(shí)驗(yàn)中沿動(dòng)脈軸向切面成像的質(zhì)點(diǎn)空間速度場(chǎng)；下側(cè)：對(duì)應(yīng)的導(dǎo)波傳播示意圖，可觀(guān)察導(dǎo)波同時(shí)沿血管環(huán)向和軸向傳播。（E）在體實(shí)驗(yàn)中于舒張末期從血管上壁軸向路徑提取的質(zhì)點(diǎn)時(shí)空速度圖。圖中虛線(xiàn)對(duì)應(yīng)軸向?qū)Рǖ膫鞑?；t1時(shí)刻反映環(huán)向?qū)Рǖ男畔ⅰ＃‵）有限元仿真結(jié)果，包括沿軸向路徑（左側(cè)）和環(huán)向路徑（右側(cè)）提取的質(zhì)點(diǎn)時(shí)空速度圖
圖2.連續(xù)無(wú)創(chuàng)血壓測(cè)量。（A）三名年輕志愿者的軸向及環(huán)向?qū)Рúㄋ俚钠椒脚c血壓的關(guān)系。（B）有限元仿真結(jié)果用于驗(yàn)證雙向波速平方與血壓之間的線(xiàn)性關(guān)系，并對(duì)比兩種軸向伸長(zhǎng)比（也即兩種體姿）下的波速變化。（C）兩種體姿的對(duì)比實(shí)驗(yàn)：正常體姿（平視）與伸頸體姿（抬頭）。左上：正常體姿下舒張末期的質(zhì)點(diǎn)時(shí)空速度圖；右上：伸頸體姿下的質(zhì)點(diǎn)速度圖；左下：正常體姿下的雙向波速；右下：伸頸體姿下的雙向波速。（D）一名年輕志愿者的血壓測(cè)量結(jié)果，將基于環(huán)向?qū)Рúㄋ俚难獕簻y(cè)量方法與壓平測(cè)量法進(jìn)行對(duì)比（左側(cè)），并給出兩種方法的一致性分析圖（右側(cè)）。（E）來(lái)自九名志愿者的血壓測(cè)量結(jié)果，涵蓋年輕組、中老年正常血壓組和中老年高血壓組
圖3.動(dòng)脈雙向應(yīng)力與雙向剛度的表征。（A）上側(cè)：舒張末期與收縮峰期的軸向?qū)Рl散的在體測(cè)量結(jié)果；下側(cè)：一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)環(huán)向?qū)Рúㄋ俚脑隗w測(cè)量結(jié)果。（B）動(dòng)脈生物力學(xué)指標(biāo)的表征流程圖，包括血壓、雙向應(yīng)力及雙向剛度的表征方法。（C）兩種體姿（正常體姿與伸頸體姿）下的軸向?qū)Рl散曲線(xiàn)。（D）兩種體姿下舒張末期與收縮峰期的軸向應(yīng)力表征結(jié)果。正常體姿下，舒張末期與收縮峰期的軸向應(yīng)力分別為17.2±1.4kPa和34.4±0.2kPa；伸頸體姿下分別為31.3±3.8kPa和47.9±6.0kPa。（E）年輕組中舒張末期與收縮峰期的雙向應(yīng)力對(duì)比。（F）年輕組中舒張末期與收縮峰期的雙向動(dòng)脈剛度對(duì)比。（G）三名分別來(lái)自年輕組、中老年正常血壓組和中老年高血壓組的志愿者的軸向?qū)Рl散測(cè)量結(jié)果。（H）三組人群在舒張末期與收縮峰期的軸向應(yīng)力對(duì)比。（I）三組人群在舒張末期與收縮峰期的環(huán)向應(yīng)力對(duì)比。（J）三組人群在舒張末期的軸向剛度與環(huán)向剛度對(duì)比
相關(guān)研究成果以“雙向?qū)Рㄍ匠上裢瑫r(shí)探測(cè)動(dòng)脈力學(xué)各向異性、血壓和應(yīng)力”（Simultaneous imaging of bidirectional guided wavesprobesarterial mechanical anisotropy,blood pressure, and stresssynchronously）為題，于北京時(shí)間8月6日發(fā)表于《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）。
清華大學(xué)航天航空學(xué)院2018級(jí)博士生江宇軒（現(xiàn)為哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士后）為論文第一作者。清華大學(xué)航天航空學(xué)院教授曹艷平、北京大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院助理教授李國(guó)洋、北京大學(xué)第三醫(yī)院心內(nèi)科主任王新宇為論文共同通訊作者。清華大學(xué)航天航空學(xué)院2023級(jí)碩士生胡柯帥、2022級(jí)博士生馬世育、博士后鄭陽(yáng)、2020級(jí)碩士生姜銘巍、2020級(jí)博士生張昭熠為論文共同作者。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1126/sciadv.adv5660
供稿：航院
編輯：李華山
審核：郭玲
