主动脉瓣介导的血流模式致升主动脉重构的4D Flow MRI可视化预测模型研究
批准号:
82071991
项目类别:
面上项目
资助金额:
56.0 万元
负责人:
汪咏莳
依托单位:
学科分类:
医学图像数据处理、分析与可视化
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
汪咏莳
中文摘要
主动脉瓣病变介导的血流模式在升主动脉扩张的发生发展中发挥关键作用,其生物力学机制尚不明确,亟需无创的血流动力学评估手段实现在体研究。4D Flow MRI为解决这一问题提供了新方法,但其现有的空间分辨率、基于参考平面的定量方式等严重影响评估参数的精度、准确性和可视化应用。我们前期利用样条插值等数学建模工具开发了高精度图像处理方式,获取主动脉内连续的血流速度分布以提高检测精度。本项目拟在此基础上提取主动脉立体结构,通过医学图像配准插值,创建同步量化和可视化主动脉血流动力学和血管壁顺应性的方法;并将上述方法应用于主动脉瓣疾病动物模型,结合血管体外力学、病理和分子生物学检测,研究主动脉瓣病变介导的血流模式如何通过改变升主动脉所处力学环境,导致血管壁力学和组织学特性发生重构的力学响应机制,据此建立4D Flow MRI可视化模型预测升主动脉扩张趋势,以期为主动脉疾病精准治疗提供新的思路和理论依据。
英文摘要
The aortic valve-mediated flow patterns play a key role in the pathogenesis of ascending aortic dilatation in aortic valve disorders. However, its biomechanical mechanism is yet to be elucidated, which urges an in-vivo non-invasive method to evaluate the hemodynamic alterations. Four-dimensional flow MRI has provided a new approach, while its current bottlenecks including limited spatial resolution and the reliance on reference plane for quantification have interfered the precision, accuracy, and visualization application of its derived parameters. Utilizing mathematical modeling tools including spline interpolation to develop a high-precision image processing approach, our preliminary work has successfully acquired continuous distribution of flow velocity within the aorta. The present study intends to develop an approach to realize quantification and visualization of aortic hemodynamic forces and wall compliance synchronically via aortic 3D structure extraction as well as medical image registration and interpolation techniques. Along with in-vitro measurements of aortic wall mechanical properties, histopathology, and molecular biology analysis, we also intend to apply the above approach in miniature swine models with aortic valve disorders, aiming to elaborate on how aortic valve-mediated flow patterns alter the hemodynamic environment of the ascending aorta and induce vessel wall remodeling. Furthermore, the present study attempts to establish a 4D Flow MRI visualization model for prediction of ascending aortic dilatation tendency, thus providing novel vantage point and theoretical evidence for the precision management of aortic diseases.
主动脉瓣结构和功能异常在升主动脉瘤发生发展中起关键作用,研究主动脉瓣介导的血流模式对升主动脉造成力学损伤的机制具有重要意义。研究第一部分利用数学建模工具量化和可视化4D Flow MRI采集的信号,分析主动脉血流动力学和血管壁顺应性特征,并在动物模型中验证技术方法准确性。研究结果表明基于4D Flow MRI提取的流体数据和左心导管测量血流速率具有高度一致性,两者Spearman’s相关系数为0.83~0.91,相较传统多普勒技术,4D Flow MRI对复杂流体的直接测量避免了角度依赖性、数学公式简化等造成的误差。研究第二部分致力于阐明主动脉瓣结构和功能异常产生的非生理性血流模式引起升主动脉扩张重构和顺应性受损的力学响应机制,研究结果表明根据4D Flow MRI血流剪切力的分布热区图采集升主动脉血管壁样本,壁内弹力纤维含量与区域平均血流剪切力呈负相关,基质金属蛋白酶MMP-2、MMP-9表达以及圆周向组织硬度与区域平均血流剪切力呈正相关,圆周向组织硬度与血管壁蛋白聚糖和弹力蛋白含量呈正相关,异常增高的血流剪切力可刺激血管壁释放MMP-2和MMP-9,造成MMP/TIMP系统失衡,引起弹力纤维丢失和生物力学特性改变,导致血管功能受损、形态重构。临床随访进一步证实4D Flow MRI血流剪切力热图中高血流剪切力的升主动脉区域面积大小是其年扩张速率的独立相关因素。同期研究利用4D Flow MRI量化主动脉瓣介导血流模式产生的不可逆粘滞性能量损耗,发现能量损耗热区分布于升主动脉内跨主动脉瓣高速射流区域、偏心性血流冲击血管壁区域、以及螺旋流和涡流区域,并通过主动脉-左心室偶联造成心肌促血管生成和抑制血管生成因子表达谱改变,血管生成活性减弱,心肌细胞纤维化。主动脉血流剪切力和粘滞性能量损耗作为“主动脉瓣源性力学损伤”的生物标志物,可独立预测患者不良心血管事件的发生。研究成果多次入选欧洲心脏病年会、心血管磁共振协会学术会议等国际会议口头发言,并发表于北美放射学会(RSNA)会刊等高质量专业期刊中,项目负责人受学会邀请在RSNA News分享研究亮点。
MMP/TIMP在二叶式主动脉瓣升主动脉重塑中的作用及其与局部血流动力学的关系
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批准号:81300232
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:23.0万元
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批准年份:2013
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负责人:汪咏莳
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依托单位:
国内基金
海外基金