彭雯佳，滕忠照，江遠(yuǎn)亮，陳士躍，劉崎，陸建平

·實驗研究·

基于活體MRI的3D流-固耦合模型分析對癥狀性大腦中動脈粥樣硬化斑塊的研究

彭雯佳，滕忠照，江遠(yuǎn)亮，陳士躍，劉崎，陸建平

目的：以癥狀性大腦中動脈（MCA）斑塊的活體高分辨率磁共振成像（HR-MRI）數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立3D完全耦合的流-固耦合（FSI）模型，探索不同組分MCA斑塊的生物力學(xué)特征。方法：研究對象為擬行介入手術(shù)治療的12例癥狀性單側(cè)MCA局限性動脈粥樣硬化狹窄的患者。首先，術(shù)前對MCA管壁行HR-MRI作為力學(xué)建模的形態(tài)學(xué)依據(jù)；其次，利用相位對比MRI技術(shù)和DSA引導(dǎo)下的測壓微導(dǎo)管分別采集MCA狹窄前端的血流參數(shù)和血壓數(shù)據(jù)作為載荷條件，并對目標(biāo)血管的3D幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格生成等前處理，導(dǎo)入有限元程序軟件ADINA（ADINA R＆D，Inc，USA）進(jìn)行FSI求解；最后，從3D FSI結(jié)果中提取3個力學(xué)指標(biāo)值：最大主應(yīng)力（MPS）、最大主伸長比（STRETCH-P1）和最大剪應(yīng)力（FMSS），分析比較不同狹窄程度和不同斑塊成分的各項力學(xué)指標(biāo)的差異。結(jié)果：按照狹窄率分組比較發(fā)現(xiàn)，輕中度狹窄組的MPS、STRETCH-P1和FMSS與重度狹窄組之間的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＝0.9323、0.3872和0.1271）。分析不同斑塊成分發(fā)現(xiàn)，含＂脂質(zhì)核心＂斑塊的層面中MPS稍高于含“纖維成分”斑塊（P＝0.0744），STRETCH-P1明顯高于“纖維成分”斑塊（P＝0.0169），F(xiàn)MSS顯著低于“纖維成分”斑塊（P＝0.0021）。結(jié)論：癥狀性MCA粥樣硬化病變中，“脂質(zhì)核心”斑塊的主應(yīng)力和主伸長比均不同程度地高于“纖維化”斑塊，提示富含脂質(zhì)壞死核心斑塊的機(jī)械負(fù)荷較大、可能有相對較高的破裂風(fēng)險。

大腦中動脈；動脈粥樣硬化；磁共振成像；斑塊；流固耦合模型

動脈粥樣硬化是危害人類健康的常見病，在我國的發(fā)病率仍呈上升趨勢［1］。目前，臨床制訂動脈粥樣硬化疾病的治療方案和評價療效的主要依據(jù)仍然是管腔狹窄率，但是狹窄程度不一定真正反映病變嚴(yán)重程度［2］。研究提示斑塊若含有大的脂質(zhì)核心、薄的纖維帽和炎性細(xì)胞浸潤，則其破裂風(fēng)險明顯增加［3］，然而，也有研究發(fā)現(xiàn)具備上述易損特征的斑塊并不一定真正發(fā)生破裂［4］。因此，如何有效鑒別高危斑塊來預(yù)防繼發(fā)性心腦血管意外事件是當(dāng)今社會面臨的重大研究課題。

從生物力學(xué)的角度分析，斑塊纖維帽破裂的原因是局部管壁（斑塊纖維帽）所承受的壓力超過了纖維帽自身的材料強(qiáng)度［5］。在諸多生物力學(xué)建模方法中，三維完全耦合（3D fully coupled）的流-固耦合（fluidstructure interaction，F(xiàn)SI）模型將血壓對斑塊的變形作用和管腔內(nèi)血流脈動的影響設(shè)定為力學(xué)分析的環(huán)境條件，目前認(rèn)為這種方法是評估斑塊易損性的最準(zhǔn)確的模型方法［6］。因此，本研究將以癥狀性大腦中動脈（middle cerebral artery，MCA）斑塊的活體高分辨率磁共振成像（high-resolution magnetic resonance imaging，hr MRI）數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立3D完全耦合的FSI多組分計算模型，探索不同組分的MCA斑塊在生物力學(xué)方面的特征。

材料與方法

1.MRI數(shù)據(jù)采集

研究對象為擬行介入手術(shù)（支架成形術(shù)和/或球囊擴(kuò)張術(shù)）治療的12例癥狀性單側(cè)MCA局限性動脈粥樣硬化狹窄的患者。所有患者均無MRI檢查禁忌證，檢查前均簽署知情同意書。

使用GE HDX platform 3.0T MR儀和8通道頭顱線圈進(jìn)行圖像采集。MRI掃描序列主要有4種。①全腦橫軸面DWI：TR 5300 ms，TE 74.3 ms，視野24 cm×24 cm，b＝1000 s/mm2，激勵次數(shù)2，矩陣160×160，層厚5 mm，掃描時間42 s。②3D TOF MRA（圖1a）：TR 29 ms，TE 3.4 ms，視野24 cm× 21.6 cm，激勵次數(shù)1，矩陣384×192，掃描時間4 min 47 s。③MCA管壁的hr MRI：掃描方向垂直于M1段，連續(xù)12層，層厚2 mm，包括T2WI、STIR、T1WI和T1WI對比增強(qiáng)掃描，其中T2WI參數(shù)為TR 2884 ms，TE 51 ms，視野10 cm×10 cm，回波鏈長度6，矩陣320×256，掃描時間3 min 51 s；STIR參數(shù)為TR 3700 ms，TE 51 ms，視野10 cm×10 cm，激勵次數(shù)4，矩陣288×192，回波鏈長度14，掃描時間3 min 35 s；T1WI參數(shù)為TR 581 ms，TE 20 ms，視野10 cm×10 cm，激勵次數(shù)4，矩陣320×256，回波鏈長度6，掃描時間5 min；對比劑Gd-DTPA經(jīng)高壓注射器給藥，劑量0.2 mmol/kg，注射流率2 m L/s，15 m L生理鹽水沖管，延遲5 min后啟動T1WI增強(qiáng)掃描。④2D相位對比（phase-contrast，PC）MRI，采集MCA狹窄近端（流入端）層面的血流信息，獲取至少一個心動周期的幅值圖和相位圖（圖1b，c），經(jīng)后處理軟件計算獲得平均血流速度（圖1d）和血流量，為后續(xù)生物力學(xué)建模提供活體參考數(shù)據(jù)。掃描參數(shù)：層厚5 mm，TR 6.8040 ms，TE 3.2040 ms，觸發(fā)時間10 ms，常規(guī)間隔1000 ms，一個心動周期的圖像數(shù)量50幀，觸發(fā)窗50 ms，翻轉(zhuǎn)角30°，速度編碼40～60 cm/s，矩陣512× 512。

2.MCA狹窄前端血壓的測量

在患者行血管介入手術(shù)期間，在DSA導(dǎo)向下利用壓力微導(dǎo)管傳感器連接心電監(jiān)護(hù)儀對MCA狹窄近端進(jìn)行有創(chuàng)血壓記錄，采集動脈狹窄前端局部的收縮壓/舒張壓和平均動脈壓，為后續(xù)建模提供活體壓力載荷數(shù)據(jù)。操作步驟為使用5Fr豬尾導(dǎo)管（Medtronic，Minneapolis，USA）進(jìn)行選擇性動脈造影，然后將測壓微導(dǎo)管（DePuy Orthopaedics，Inc.，Warsaw，USA）置于MCA狹窄段前端約0.5～1.0 cm處，與之相聯(lián)通的心電監(jiān)護(hù)儀實時監(jiān)測MCA局部管腔內(nèi)的血壓動態(tài)情況并同步錄像，測壓持續(xù)時間約10～15 s。

3.FSI模型構(gòu)建和計算

MCA管壁圖像分割：利用CMR Tools軟件（Cardiovascular Imaging Solutions Ltd，UK）手動勾畫管壁圖像中MCA的外壁和內(nèi)腔輪廓，以及斑塊內(nèi)各組成成分的輪廓，并提取出相應(yīng)的幾何信息（圖1e、f），作為后續(xù)3D幾何重建的依據(jù)。多序列MR管壁成像的MCA斑塊信號特征以同序列眼外肌信號強(qiáng)度為參考，根據(jù)頸動脈斑塊不同成分在MR圖像中的信號特征來判定。

目標(biāo)血管的三維重建和網(wǎng)格生成：將hr MRI管壁圖像的幾何數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維重建前處理軟件D3 Plaque（運行平臺MATLAB R2013b）（圖2a），然后采用擬合網(wǎng)格技術(shù)逐步生成結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格（圖2b）。本研究利用一種組分適應(yīng)性網(wǎng)格生成技術(shù)［21］將三維斑塊區(qū)域分成幾百個小六面體＂體積元＂，以擬合含有多種成分的不規(guī)則幾何形狀的斑塊形態(tài)和管壁（固體）結(jié)構(gòu)以及腔內(nèi)血液（流體）（圖2c、d）。當(dāng)研究對象為活體血管這種非線性和血壓作用下的大變形的生物材料時，這種組分適應(yīng)性網(wǎng)格生成技術(shù)極大地提高了模擬的收斂性和計算效率。另外，在活體環(huán)境中動脈血管在血壓和血流作用下而被動地拉伸和受壓，因此在計算模擬之前還要預(yù)先進(jìn)行軸向和圓周的收縮。

3D FSI計算模擬：①導(dǎo)入載荷條件。為了精確模擬MCA管壁應(yīng)力的真實環(huán)境，在建模過程中導(dǎo)入之前PC-MRI法測量的目標(biāo)血管的流量和DSA引導(dǎo)下測量的局部腔內(nèi)血壓數(shù)據(jù)，作為力學(xué)建模的載荷條件。②獲取無載荷狀態(tài)。MRI采集的活體幾何數(shù)據(jù)是受血壓等作用的變形后的形態(tài)，而精確的模擬結(jié)果必須以零壓力下的形態(tài)作為計算的起始條件。本研究利用“均勻”和“非均勻”收縮法獲取模擬所需的起始形狀［21］。③斑塊和管壁的材料性質(zhì)。在進(jìn)行FSI模擬時，本研究參考頸動脈粥樣硬化材料樣本的體外測量信息結(jié)合改良的Mooney-Rivlin模型以描述MCA斑塊內(nèi)不同組分的材料特性［9］。④流-固耦合過程：血流將被簡化成牛頓液體，即血流的特征設(shè)定為層流、遵循牛頓力學(xué)、粘性且不可壓縮。流動控制方程為黏性動量守恒方程（Navier-Stokes Equations）。動脈壁和斑塊成分將假定為不可壓縮的、各向同性的非線性超彈性的均質(zhì)性材料。使用商業(yè)化的有限元程序包ADINA（R＆D，Inc，USA）進(jìn)行計算，選擇無結(jié)構(gòu)有限元法處理流體和固體模型，并運用非線性遞增迭代過程來解決流-固耦合作用，具體將使用Newton-Raphson迭代法求解方程組，在求解過程中將逐步增加載荷，包括軸向拉伸和加壓，使得模型更容易收斂。

圖1 常規(guī)檢查序列及定位方法。a）TOF-MRA圖像示左側(cè)MCA的M1段中部局限性狹窄（箭），垂直于M1段進(jìn)行管壁hr MRI，且在狹窄前端正常血管處（黃線）定位2D PC-MRI序列；b）2D PC-MRI的幅值圖，白箭指示MCA的橫截面；c）2D PC-MRI的相位圖，白箭指示MCA的橫截面；d）根據(jù)PC-MRI數(shù)據(jù)獲取的心動周期中某一時刻MCA狹窄近心端的3D血流速度示意圖；e）在hr MRI T2WI上手動勾畫管壁內(nèi)、外輪廓及斑塊的輪廓；f）根據(jù)hr MRI數(shù)據(jù)獲取層面中所勾畫的幾何輪廓。

圖2 目標(biāo)血管的三維重建和網(wǎng)格生成圖像。a）對提取出的2D幾何輪廓根據(jù)相對空間位置進(jìn)行3D排列重建；b）3D固體（管壁）網(wǎng)格模型和流體（血流）網(wǎng)格模型；c）導(dǎo)入局部血壓和流量參數(shù)后經(jīng)ADINA計算得到3D固體（管壁）的MPS云圖；d）導(dǎo)入局部血壓和流量參數(shù)后經(jīng)ADINA計算生成3D流體（血流）的FMSS云圖；e）在3D固體（管壁）主應(yīng)力云圖中沿血流方向依次提取出與管壁hr MRI各層面相對應(yīng)的2D固體（管壁）MPS云圖。

力學(xué)數(shù)據(jù)的提取和統(tǒng)計分析：從3D FSI模擬結(jié)果的每片含有斑塊的層面中提取最大主應(yīng)力（maximum principal stress，MPS）的在一個心動周期中的平均值、最大主伸長比（STRETCH-P1）和最大剪應(yīng)力（flow maximum shear stress，F(xiàn)MSS）。MPS和STRETCH-P1與局部血壓密切相關(guān)，分別反映管壁及斑塊所承受的壓力和拉伸力大小，是評價斑塊破裂風(fēng)險的主要力學(xué)指標(biāo)；FMSS反映管腔內(nèi)血流作用于管壁的剪切力大小，也是流體力學(xué)分析中常用的指標(biāo)。

12個斑塊模型的管腔表面的所有積分節(jié)點的值均被提取出來（圖2e）。根據(jù)節(jié)點的位置和其鄰近的組分，將每個節(jié)點均被賦予一種類型（斑塊內(nèi)某種成分或管壁）［21］。借鑒有關(guān)頸動脈斑塊組分的MRI信號特征和病理研究的經(jīng)驗，對MCA的斑塊組分進(jìn)行劃分。比較分析每個患者的每個節(jié)點類型的各項力學(xué)參數(shù)，假設(shè)同一例患者的不同層面之間是相互獨立的，在統(tǒng)計時把所有患者的不同切片作為獨立樣本進(jìn)行分析。P＜0.05代表統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)比較差異具有顯著性意義。

結(jié) 果

1.患者的基線資料統(tǒng)計

12例患者的平均年齡為（60.8±9.60）歲，其中男5例、女7例。按照MCA狹窄率將納入患者分為輕中度狹窄組（＜70%）和重度狹窄組（≥70%）；其中，僅2例的狹窄率略小于50%（48.36%，48.28%），其余均為中度或重度狹窄（≥50%）。這兩組的基線情況比較結(jié)果見表1。除舒張壓在兩組間差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＝0.0180）以外，其它臨床指標(biāo)間差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）；另外，腦DWI和ADC圖顯示，重度狹窄組發(fā)生MCA供血區(qū)的缺血性卒中者明顯多于輕中度狹窄組（P＝0.0182）。

2.不同狹窄程度的流-固耦合力學(xué)指標(biāo)的差異

按照狹窄率分組，首先對層面內(nèi)的某項力學(xué)指標(biāo)最大處在一個心動周期中的結(jié)果取平均值，然后針對一根血管取各層面的平均值，比較各項FSI力學(xué)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)（表2），輕中度狹窄組的MPS大于重度狹窄組，但差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＝0.9323）；兩組間的STRETCH-P1相當(dāng)（P＝0.3872）；而重度狹窄組的FMSS大于輕中度狹窄組，但差異也無統(tǒng)計學(xué)意義（P＝0.1271）。

3.不同斑塊成分的層面中力學(xué)指標(biāo)的差異

依據(jù)12例患者的hr MRI管壁圖像判斷斑塊各層面的主要成分，有“脂質(zhì)核心”樣信號（圖3）共19層（48.72%），“纖維成分”樣信號（圖4）20層（51.28%），未發(fā)現(xiàn)斑塊內(nèi)出血和明顯鈣化。

表1 不同狹窄程度組的基線情況比較

不同成分層面的各項FSI力學(xué)指標(biāo)測量結(jié)果見表3。含有脂質(zhì)核心斑塊的層面中MPS的最大值、最小值和均值均高于纖維成分型斑塊的層面，但差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＝0.0744）；含有脂質(zhì)核心斑塊的層面中STRETCH-P1高于纖維成分型斑塊，且差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＝0.0169）；含有脂質(zhì)核心斑塊的層面中FMSS低于纖維成分型斑塊，且差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＝0.0021）。

表2 不同狹窄程度組各FSI力學(xué)指標(biāo)的比較

表3 不同斑塊成分的層面中各FSI力學(xué)指標(biāo)的比較

討 論

動脈粥樣硬化相關(guān)的心腦血管疾病嚴(yán)重危害著人類的健康［1，7］，其中以MCA硬化狹窄為代表的顱內(nèi)動脈粥樣硬化癥在亞洲地區(qū)的高發(fā)病率尤為突出［1］。目前，對于顱內(nèi)動脈粥樣硬化癥的治療方案的指導(dǎo)主要參考的影像學(xué)指標(biāo)是管腔狹窄率［2］，即癥狀性患者若MCA狹窄率超過50%且藥物治療無效，則應(yīng)考慮行球囊擴(kuò)張成形術(shù)，可聯(lián)合或不聯(lián)合支架置入術(shù)。然而，介入治療有較高的再狹窄率（32.4%）和一定的術(shù)后腦卒中發(fā)生率（7.3%）［2］，而且狹窄程度并不能完全代表疾病的嚴(yán)重程度［8］，說明單純以狹窄率界定是否需要手術(shù)治療的劃分標(biāo)準(zhǔn)可能不夠準(zhǔn)確。

圖3 MCA管壁的多序列hr MRI。常規(guī)各序列hr MRI顯示MCA斑塊中含有“脂質(zhì)核心”樣成分（黃色*），在T2WI和STIR圖像上呈相對低信號，在T1WI上呈等信號，增強(qiáng)掃描有輕度強(qiáng)化，紅色*號區(qū)代表管腔；手動勾畫并提取出相應(yīng)的管腔、管壁和脂質(zhì)樣成分的幾何輪廓，采用3D FSI模型，模擬計算獲得管壁主應(yīng)力云圖、管壁伸長比云圖和流體的剪應(yīng)力云圖，可見主應(yīng)力和伸長比的最大值均位于“肩部”管腔面的同一處（“肩部”即斑塊與正常管壁的交界處），最大流體剪應(yīng)力位于“脂核”正上方表面的管腔側(cè)。a）T2WI；b）STIR；c）T1WI；d）T1WI增強(qiáng)掃描；e）經(jīng)后處理獲得的血管及斑塊的幾何輪廓圖；f）主應(yīng)力云圖；g）管壁伸長比云圖；h）流體的剪應(yīng)力云圖。

有關(guān)頸動脈的研究發(fā)現(xiàn)，不穩(wěn)定斑塊的主要特征有斑塊內(nèi)出血、較大的脂質(zhì)壞死核心、不完整或薄的纖維帽［9］，并且上述特征可通過活體hr MRI顯示，其成像的準(zhǔn)確性已經(jīng)被病理結(jié)果所證實［9］。更重要的是，hr MRI管壁成像技術(shù)所顯示的頸動脈斑塊高危特征能在一定程度上預(yù)測患者發(fā)生腦卒中的風(fēng)險。因此，了解易損斑塊本身的形態(tài)特征和組成成分，遠(yuǎn)比僅僅顯示管腔狹窄程度更為重要。hr MRI針對頸動脈斑塊組分的研究較為成熟。一方面因頸部血管表淺，覆蓋特殊表面線圈可方便地增強(qiáng)信號，且頸動脈受心跳和呼吸運動的干擾較小，有利于成像；另一方面頸動脈內(nèi)膜剝脫術(shù)作為一種常規(guī)的治療方法，可完整地獲取斑塊樣本進(jìn)行病理檢查，從而能夠與活體hr MRI診斷相印證。本研究就是參照頸動脈斑塊組分的MR特征對MCA斑塊內(nèi)成分進(jìn)行判斷，即“脂質(zhì)核心”在T1WI呈等～高信號、T2WI呈低信號以及STIR呈低信號，“纖維成分”在T1WI呈低～等信號、在T2WI和STIR圖像上呈高信號［10-12］。另外，對比增強(qiáng)T1WI不僅可反映炎癥程度［10］，也有利于鑒別斑塊內(nèi)組分［12］。定量研究發(fā)現(xiàn)含有新生血管的纖維組織增強(qiáng)后有明顯強(qiáng)化（強(qiáng)化率可達(dá)79.5%），缺乏新生血管的脂核強(qiáng)化較弱（強(qiáng)化率僅28.6%）［13］。

圖4 MCA管壁的多序列hr MRI。常規(guī)各序列hr MRI顯示MCA斑塊中含有“纖維組織”樣成分（綠色*），在T2WI和STIR圖像上呈相對高信號，在T1WI上呈等信號，增強(qiáng)掃描有明顯強(qiáng)化，紅色*號區(qū)代表管腔；手動勾畫并提取出相應(yīng)的管腔、管壁和和纖維樣成分的幾何輪廓，采用3D FSI模型，模擬計算獲得管壁主應(yīng)力云圖、管壁伸長比云圖和流體的剪應(yīng)力云圖，可見主應(yīng)力和伸長比的最大值均位于纖維成分之上管腔表面的同一處，流體剪應(yīng)力的最大值則位于管腔表面的另一端。a）T2WI；b）STIR；c）T1WI；d）T1WI增強(qiáng)掃描；e）經(jīng)后處理獲得的血管及斑塊的幾何輪廓圖；f）管壁主應(yīng)力云圖；g）管壁伸長比云圖；h）流體的剪應(yīng)力云圖。

盡管顱內(nèi)血管的解剖特點（如位于顱腔深部、管徑相對細(xì)?。Q定了對其管壁成像的難度高于顱外血管，但是近年來也不斷有研究嘗試對顱內(nèi)動脈（以大腦中動脈和基底動脈為代表）的進(jìn)行血管壁hr MRI，發(fā)現(xiàn)hr MRI對于顯示MCA斑塊的形態(tài)學(xué)改變具有很好的可重復(fù)性［14］。然而，對頸動脈斑塊的研究中發(fā)現(xiàn)具備所謂“易損斑塊”特征（斑塊內(nèi)出血或纖維帽破裂/潰瘍）的患者一年內(nèi)繼發(fā)腦血管栓塞事件的概率較低（10%～15%）［15］，提示準(zhǔn)確評判斑塊穩(wěn)定性的難度和復(fù)雜性。截至目前，對于顱內(nèi)動脈粥樣硬化斑塊的hr MRI與病理對照的相關(guān)研究非常少，僅少數(shù)尸檢病例研究。離體顱內(nèi)斑塊的hr MRI發(fā)現(xiàn)，富含泡沫巨噬細(xì)胞和脂質(zhì)的區(qū)域在T2WI上呈低信號，這一表現(xiàn)與活頸動脈斑塊相類似，而膠原纖維區(qū)域的信號特征一致性較差［17］。有尸檢病理對照的活體顱內(nèi)動脈粥樣硬化斑塊hr MRI研究，筆者僅檢索到一篇個案報道［18］，其研究中發(fā)現(xiàn)與頸動脈斑塊基本類似的特征，即斑塊內(nèi)脂質(zhì)和疏松基質(zhì)在T1WI上呈等信號、T2WI上呈低～等信號，纖維組織在T1WI和T2WI均呈等信號，鈣化在各序列均呈低信號，斑塊內(nèi)出血在T1WI呈高信號。

處于活體環(huán)境的血管不可避免地受到來自血壓和血流的機(jī)械刺激，因此從生物力學(xué)的角度對斑塊發(fā)生、發(fā)展和演進(jìn)的研究也是逐漸備受關(guān)注的領(lǐng)域。研究發(fā)現(xiàn)局部的高壓力或高張力將導(dǎo)致斑塊結(jié)構(gòu)的改變，如纖維帽破裂和出血［16］。進(jìn)一步的研究提示，hr MRI所顯示的斑塊形態(tài)學(xué)結(jié)合生物力學(xué)分析將為預(yù)測腦血管意外事件提供更多有價值的信息。

動脈粥樣硬化斑塊為多成分結(jié)構(gòu)，且?guī)缀涡螤畈灰?guī)則、其材料特性為高度非線性、斑塊在搏動性血壓作用下經(jīng)歷著大變形，這些因素都是預(yù)測斑塊機(jī)械負(fù)荷的巨大挑戰(zhàn)。目前，對動脈粥樣硬化血管的生物力學(xué)建模的方法包括二維結(jié)構(gòu)模型［3-4］、二維縱向的流-固耦合［15］、三維結(jié)構(gòu)模型［19］、三維單向的［20］和完全耦合的流固耦合模型［21-24］。Huang等［6］發(fā)現(xiàn)2D結(jié)構(gòu)正交彈性模型對破裂位置預(yù)測不準(zhǔn)確，且2D模擬過高估計了管壁峰值壓力；3D結(jié)構(gòu)模型的主要缺點是忽略了作用于整個動脈的軸向壓降，導(dǎo)致管壁結(jié)構(gòu)模型過度膨脹，從而對應(yīng)力水平存在逐漸過高估計；單向耦合的FSI是完全耦合的FSI模型的簡化，雖然引入了血流信息，但是在流體域和固體域之間沒有執(zhí)行迭代，而且單向FSI在關(guān)鍵假定條件中沒有考慮到結(jié)構(gòu)的變形，忽略了在收縮期作用于流體域和固體域之間的壓力，低估了斑塊內(nèi)的最大主應(yīng)力；完全耦合的FSI分析具有很高的準(zhǔn)確性和可靠性，無論與理論解析解、還是與實驗數(shù)據(jù)都有著很高的一致性［6］，因此3D完全耦合的FSI被認(rèn)為是其它各種模型分析評估的金標(biāo)準(zhǔn)。

本研究正是應(yīng)用該方法模擬計算癥狀性MCA狹窄者的各項力學(xué)指標(biāo)。結(jié)果顯示重度狹窄組的最大主應(yīng)力小于輕中度狹窄組（盡管差異無統(tǒng)計學(xué)顯著性），提示狹窄率較大并非意味著管壁承受的應(yīng)力越大、斑塊破裂的風(fēng)險越大，推測重度狹窄者發(fā)生腦卒中可能是血流灌注不足所致。但是本研究的樣本量偏小，存在選擇性偏移和個體化差異，尚不能完全說明狹窄率與機(jī)械應(yīng)力的相關(guān)性。另外，本研究納入的癥狀性斑塊的成分主要為脂質(zhì)核心和纖維成分，根據(jù)成分分組比較發(fā)現(xiàn)，含有脂質(zhì)核心斑塊的層面中MPS和STRETCH-P1均不同程度地高于纖維成分斑塊的層面，提示富含脂質(zhì)斑塊所承受的機(jī)械應(yīng)力相對較大，這一發(fā)現(xiàn)符合對頸動脈和冠脈的生物力學(xué)研究結(jié)果［25-26］，即富含脂質(zhì)核心的斑塊可能因承受較大的壓力/拉伸力而更傾向于發(fā)生破裂。

血流對管壁內(nèi)表面的剪應(yīng)力也是生物力學(xué)分析中的一項重要指標(biāo)。無論是本研究還是其它對顱外動脈的研究均發(fā)現(xiàn)，剪應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于相應(yīng)血管壁所承受的壓力（本研究中兩者相差超過1×104的數(shù)量級），因此，剪應(yīng)力對斑塊破裂的直接影響微乎其微，剪應(yīng)力對血管的影響主要在細(xì)胞水平、且比較復(fù)雜［21］。當(dāng)剪應(yīng)力增加時可能增加內(nèi)膜細(xì)胞損傷，即高血流剪應(yīng)力長期作用于管腔表面可能導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙和管腔表面變得脆弱，從而促進(jìn)內(nèi)膜破損處的血栓形成；而在剪應(yīng)力低水平處，發(fā)現(xiàn)有更多的脂質(zhì)成分沉積于管壁，提示可能與斑塊的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。本研究中含有脂質(zhì)核心斑塊的FMSS明顯低于纖維成分型斑塊，這與既往對顱外動脈研究的發(fā)現(xiàn)類似。但本研究是基于宏觀形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)建立的力學(xué)模型，因此對剪應(yīng)力的結(jié)果不應(yīng)該過分解讀。

本研究中除了樣本量較小以外，最大的局限性是無法獲取活體MCA斑塊的標(biāo)本，不能印證hr MRI對斑塊成分的診斷和FSI建模過程中對斑塊材料特性的直接測量。另外，本研究的流-固耦合分析中設(shè)定血流為層流，雖然對每一例納入患者的MCA狹窄前端的PC血流數(shù)據(jù)采集均證實局部為層流狀態(tài)，但不排除在重度狹窄處血流的改變或甚至發(fā)生渦流，這種局部血流狀態(tài)的復(fù)雜情況有待于進(jìn)一步的研究。

（注：1mm Hg＝0.133kPa）

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Symptomatic atherosclerotic plaque of middle cerebral artery by in vivo MRI-based 3D fluid-structure interaction analysis

PENG Wei-jia，TENG Zhong-zhao，JIANG Yuan-liang，et al.Department of Radiology，Changhai Hospital，the Second Military Medical University，Shanghai 200433，P.R.China

Objective：Based on the in vivo high-resolution magnetic resonance imaging（HR-MRI）of symptomatic atherosclerotic middle cerebral artery（MCA），3D fully coupled fluid-structure interaction（FSI）models were constructed to assess biomechanical behaviors of the varieties of components in MCA plaques.Methods：Twelve symptomatic patients with unilateral atherosclerotic stenosis of MCA who were prepared to be treated by interventional therapy were enrolled in our study.Firstly，affected MCA was examined by HR-MRI，and the geometric data were extracted from the wall images of HRMRI for constructing FSI models.Secondly，the flow rate and regional blood pressure proximal to the stenotic MCA were separately measured by phase-contrast MRI and DSA guided pressure measurement using microcatheter.After a series of pre-processing steps of 3D reconstruction and mesh generation process，the coupled FSI models were solved by a finite-element package ADINA（ADINA R＆D，Inc，USA）.Finally，the maximum principal stress（MPS），maximum principal stresselongation ratio（STRETCH-P1）and flow maximum shear stress（FMSS）were extracted from 3D FSI solutions for comparing in terms of stenosis extent and plaque components.Results：The differences of MPSs，STRETCH-P1s and FMSSs were not statistically significant between mild-moderate stenosis group and severe stenosis group（P＝0.9323，0.3872 and 0.1271）.For different plaque components，MPSs were slightly higher，STRETCH-P1s were significant higher，and FMSSs were significant lower in slices with lipid core plaque than those with fibrosis components with statistic difference（P＝0.0744，0.0169 and 0.0021，respectively）.Conclusion：In symptomatic atherosclerotic MCA，plaques with lipid core possessed higher MPS and STRETCH-P1 than those of fibrotic plaques，that means lipid-rich plaques may suffer relatively higher mechanical burden.

Middle cerebral artery；Atherosclerosis；Magnetic resonance imaging；Plaque；Fluid structure interaction model

R445.2；R543.4

A

1000-0313（2015）12-1195-08

10.13609/j.cnki.1000-0313.2015.12.010

2015-07-21

2015-09-11）

200433 上海，第二軍醫(yī)大學(xué)附屬長海醫(yī)院影像醫(yī)學(xué)科（）；Cambridge，UK，CB2 0QQ，劍橋大學(xué)附屬Addenbrooke＇s醫(yī)院放射科（滕忠照）

彭雯佳（1984-），女，廣東陸豐人，博士，主治醫(yī)師，講師，主要從事神經(jīng)系統(tǒng)放射學(xué)診斷和研究工作。

陸建平，E-mail：cjr.lujianping＠vip.163.com

國家自然科學(xué)基金面上項目（31470910），上海市市級醫(yī)院新興前沿技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)項目（SHDC12013110），全軍醫(yī)學(xué)科研“十二五”計劃重點課題（BWS12J026）