[01342895]基于MRA的在体颈动脉分叉血流动力学技术平台建立和应用

本项目研究基于MR血流成像的管壁切应力计算方法，通过对体外流体模型的计算和分析，探讨三维抛物面拟合法、双三次插值结合三维椭圆抛物面拟合法和拉格朗日插值法计算管壁切应力的准确性和可行性。研究结果显示，三种方法均能实现对局部管壁切应力值的计算；三维抛物面方法对于管壁切应力的计算误差值较小，是三种方法中最稳定，可重复性最高的方法，但仅适用于圆形或椭圆形态血管，对于状态复杂的流体评估效果有待研究；在三维抛物面模型计算方法基础上，双三次插值结合三维椭圆抛物面拟合方法对计算区域的选择和拟合方程进行了局部改进，理论上较前者更适用于流体状态相对复杂的部位。计算所得WSS值较理论值差别稍大，但可以基本反映出局部管壁切应力的时间变化和空间分布趋势；拉格朗日插值方法理论上适用于所有血管，不受血管形态及流体状态限制。但准确性及可重复性均较低，尤其是尚无法准确反映管壁切应力的空间分布趋势，可能还需要进一步的完善和改进。　　本项目研究了正常人群颈总动脉血管壁切应力(WSS)值的大小、范围、时间变化及空间分布特点，并分析颈总动脉血流分布模式。结果显示，正常人群颈总动脉血管壁切应力的大小，随时间的变化和空间分布形式均存在较大的个体差异，可能与不同的血管几何形态有关；颈总动脉低WSS位置在心动周期内的变化存在一定规律性，部分血管可能存在低血管壁切应力持续作用的区域；WSS的时间变化与相应层面的瞬时血流率的变化趋势近似。最大WSSTG与低WSS分布位置未发现明显一致性；体内环境中，颈总动脉实际血流状态远比通常假设的要复杂得多，可见明显的偏心性不对称血流，在血流速度突然下降的时相尤为明显。少数血管内存在的反方向WSS值揭示局部可能有不规律血流的存在。　　本研究通过MR血流成像技术结合图像后处理方法，计算正常人群颈内动脉血管壁切应力及相关参数值，并对局部血管壁切应力的时间变化，空间分布特点及颈内动脉局部的血流分布模式进行初步分析。发现颈内动脉血管壁切应力值的范围较大，多数血管在局部可见反向WSS值。其时间变化及空间分布均存在个体差异，可能与不同的血管形态及局部血流速度的差别有关；由于颈动脉分叉部血管几何结构及血流速度分布的影响，颈内动脉在体WSS的空间分布形式可能是多样的，而不仅仅是以往通过分叉模型研究提示的低WSS值固定分布在血管外侧壁这种单一形式；颈内动脉血管壁切应力的时间变化与血流率变化趋势相似。颈内动脉血管局部存在低WSS及高OSI同时作用的区域；颈内动脉起始部血流状态极为复杂，局部呈明显的漩涡状或凹陷形血流分布，对WSS的研究揭示此处可能存在血流停滞、逆流及再循环现象，在轴向血流速度急速下降的时相表现最为明显；对颈内动脉WSS的计算结果显示，在血流状态十分复杂的时相和部位，有错误数据的出现。揭示应用3DP方法对颈内动脉进行研究存在一定的局限性，可能需要发展其它更适用于复杂血流的方法对颈内动脉血管壁切应力及相关血流动力学参数进行研究。　　本研究结果表明：　　1.血液动力学因素影响着狭窄血管的动脉粥样硬化的发展进程，易导致不稳定斑块的破裂或表面血栓形成。当颈动脉分叉血管狭窄致使动脉粥样硬化斑块最终开始向管腔内突入造成颈动脉狭窄的形成和加重时，其血液动力状态发生较为明显的变化，该区域斑块周边的切应力也发生了实质性的变化。　　2.颈动脉球部轻度狭窄时，其形态轻度改变致原正常颈动脉球部存在的血液紊流区及低管壁切应力区缩小甚或消失，此时若能早期发现早期治疗，可较好地遏制粥样斑块的发展，甚至粥样斑块缩小或消失。　　3.颈动脉球部中至重度狭窄时，狭窄段出现明显异常的高切应力、狭窄上游和中心血流喷射区域形成高速血流以及所伴随的骤然血压波动均可导致易损斑块变形，成为该斑块薄弱区域破裂的触发因子，使不稳定斑块发生破裂或裂隙形成。　　4.颈动脉球部中至重度狭窄时，狭窄血管的斑块下游区域出现异常低管壁切应力区，与狭窄下游区域明显的血液涡流、回流等紊流现象协同产生促进粥样斑块发展的血液动力学环境。　　5.应用计算流体力学方法结合磁共振血管成像技术能显示狭窄颈动脉分叉的血液动力学变化，其结果与体外实验及病理观察结果具有良好的一致性和相关性，并有助于指导临床早期治疗。　　创新点：　　1.在国内外首次进行了基于3.0T超高场MR血流成像的在体颈动脉分叉计算流体力学的研究。建立了基于MR血流成像在体颈动脉分叉血流动力学技术平台。　　2.建立了正常国人颈动脉分叉血流模式和管壁切应力分型（在国际上第一次做出了在体颈动脉管壁切应力分型和血流模式分型）。　　3.与现有颈动脉WSS直接在体研究相比，本研究包括样本例数较多，对正常人群颈动脉WSS平均值大小、范围以及个体差异进行了研究，并对其时间变化和空间分布进行了分析。　　4.首次提出了颈动脉粥样硬化斑块是人体自身血管生理性重构的过程。提出狭窄区的异常高管壁切应力和高速血流易致粥样斑块破裂，狭窄下游的低管壁切应力和血液涡流可协同促使粥样斑块发展和血栓形成。　　血管壁切应力是一项重要的血流动力学参数，能够反映血管壁局部的血流力学特性，对其进行在体计算和评估具有重要的临床意义。研究一种准确性和可重复性高、适用于临床评估的无创性在体评估方法是目前需要解决的主要问题。对于血管壁切应力的研究有助于对动脉粥样硬化发生发展过程中血管内的局部血流动力学状态产生更加深入的了解，为今后进一步研究病变的治疗、预后评估以及早期预测奠定基础。