基于超声生物力学成像方法的血管斑块力学特性研究

Vulnerable plaque (VP) rupture is a major cause of cardiovascular and cerebrovascular diseases (CVDs). Thus, it is still a worldwide difficult problem for detecting VPs and evaluating their risk. Diagnostic imaging techniques can obtain the structural and componential informations of plaques. However, in addition to morphological and functional informations, the external forces of plaque and its mechanical properties are also important reasons to decide its vulnerability. In this project, a high accuracy, high temporal and spatial resolution ultrasonic biomechanics method will be developed to quantitatively measure the hemodynamic parameters (flow velocity, vorticity, wall shear stress) and elastic properties (strain, Young modulus) based on ultrasound images using the cross-correlation algorithm. We will examine the role of the ultrasonic biomechanics method in identifying the VPs by phantom and in vivo experiments using a high-frame rate high-frequency ultrasonic system with a linear array transducer (Center Frequency: 40MHz). The development of this study could not only help understand the mechanical character of vulnerable plaque, but also provide a novel approach to early diagnose the vulnerability of plaques.

动脉内易损斑块破裂导致血管阻塞是心脑血管疾病发生的主要机制。因此，易损斑块的检测和危险性评估是心脑血管疾病精准诊疗的挑战性问题。目前的影像学诊断方法虽然可以获得斑块组织的结构、形态和成分信息，然而斑块的破裂不仅取决于形态成分信息，斑块的力学特性，如其所受的外力和自身力学参数，也是决定易损性的关键因素。本项目提出一种基于超声图像的生物力学成像方法，该方法利用互相关算法定量获得斑块周围的血流动力学参数（血流速度、涡度、血流剪切应力）和斑块组织的弹性力学参数（应变、弹性模量）。利用40MHz线阵高帧率高频超声系统开展体外仿体实验和活体动物实验，通过超声生物力学方法测量斑块周围血流剪切应力分布和斑块组织弹性模量分布，明确血流动力学参数、斑块弹性力学参数与斑块易损性之间的关系，探索生物力学参数在斑块破裂中的作用。该项目的开展不仅有助于理解易损斑块的力学特征，而且可为易损斑块的早期诊断提供新方法。

动脉粥样硬化斑块的破损是心血管疾病的主要病因。已经有研究表明，具有较大的脂质核和较薄的纤维帽是斑块破损的主要原因。斑块内的成分包括软的脂质和硬的纤维组织和钙化成分等。所以，对斑块内弹性分布的分析是识别动脉粥样硬化斑块破损的重要手段。.本项目基于超声动态图，应用无创的超声纹理匹配方法来计算斑块内的弹性模量分布，从而评估斑块的易损性。本项目分别通过体外仿体实验，活体动物实验和临床实验对超声纹理匹配算法的可行性进行了分析。仿体实验应用聚乙烯醇作为实验材料，分别制作了两种硬度成分和三种硬度成分的仿体，并搭建了一个体外仿体循环系统，用纹理匹配算法来计算斑块的弹性模量分布。仿体的平均弹性模量被弹性压缩测试机进一步测试。活体动物实验选取腹主动脉造模的雄性新西兰大白兔，造模成功后计算兔子斑块的弹性模量分布，并取出斑块进行组织学验证。仿体实验和动物实验均应用 VisualSnoics - Vevo2100 高分辨超声成像系统采集斑块位置的动态图。最后，与中山大学附属第三医院合作，应用 ALOKA Prosound6 超声成像系统获取颈动脉有明显狭窄斑块病人的数据，计算患者斑块的弹性分布并与临床医生分析验证。.结果显示，在三种组织成分的仿体中，软组织成分，硬组织成分和周围组织成分的平均弹性模量分别是72.1 ± 5.0 kPa，221.2 ± 13.9 kPa 和 381.6 ± 3.8 k Pa，弹性压缩实验测试的弹性模量分别是 60.9 ± 6.8 kPa，248.8 ± 12.1 kPa 和 310.3 ± 14.1 kPa。动物实验中，兔子斑块的弹性模量分布与组织学染色结果匹配，脂质和纤维组织分别对应低弹性模量和高弹性模量区域。在临床实验中，劲动脉斑块的弹性分布与斑块的超声回声特性相符，并得到了图像超声回声强度和临床医生的验证。.经过验证，超声纹理匹配算法可以识别斑块的弹性模量分布，有望作为一种应用到临床上诊断动脉粥样硬化斑块易损性的手段。