基于四维血流磁共振成像技术对升主动脉扩张的流固耦合机制研究

Ascending aorta dilatation is a common kind of aortopathy, which can be lifethreatening because of the increased risk for aortic dissection and rupture. The asymmetric distribution of wall shear stress(WSS) is the original cause of ascending aortic dilation and can cause the change of aortic strain. Further study on the deformation process of ascending aorta under WSS and strain is helpful to further understand the mechanism of ascending aortic dilatation., Flow sensitive magnetic resonance imaging (4D-flow MRI)is three dimensiona(3D) phase-contrast magnetic resonance imaging with time resolution and can measure and visualize aortic 3D WSS and strain in vivo. With the application of 4D-Flow, We intend to study the effect of bicuspid aortic valve (BAV) and aortic valve dysfunction on ascending aorta 3D WSS and strain and aortic remodeling caused by the changes of 3D WSS and strain. We focus on how the changes of 3D WSS and strain mediated by BAV, aortic valve stenosis and aortic insufficiency to play a role in the pathological process of ascending aortic dilation. Combined with histopathology, matrix metalloproteinases(MMPs) and in-vitro mechanical testing, the biomechanical mechanism of of ascending aorta dilatation will be explored. This study is expected to provide evidence for clinical decision-making and intervention strategies in ascending aorta dilatation patients.

升主动脉扩张是常见的主动脉疾病，由于其存在潜在并发主动脉夹层及动脉瘤破裂的风险，可以造成死亡。管壁切应力(WSS)的不对称分布是升主动脉扩张的始动因子，研究升主动脉在WSS作用下的主动脉应变分析（strain analysis），有助于更深入了解升主动脉扩张的发生机制。具有时间分辨率的三维相位对比磁共振成像技术(4D-Flow)，是目前在体评价大血管血流比较理想的影像学手段，能反映和记录大血管三维WSS及应变程度，并且可视化。我们拟应用4D-Flow技术研究二叶式主动脉瓣畸形（BAV）及主动脉瓣功能异常对升主动脉3D WSS及strain的影响及所引发的主动脉重塑过程，同时结合组织病理、基质金属蛋白酶效应及体外力学试验，探究BAV及主动脉瓣功能异常所致升主动脉扩张的流固耦合生物力学机制，为升主动脉扩张临床决策和干预策略提供依据。

目的：应用4D-Flow MRI对升主动脉扩张与二叶式主动脉瓣（BAV）瓣膜融合方式及主动脉瓣功能障碍的流固耦合机制研究，并通过测定血浆金属蛋白酶水平，了解升主动脉扩张与伴有单纯重度主动脉瓣狭窄的二叶式主动脉瓣患者中基质金属蛋白酶的相关性。方法：共180名BAV患者及34名健康志愿者进行了磁共振检查，共93名BAV患者测定了血浆MMP/TIMP的水平，依据是否有升主动脉扩张、是否有严重主动脉瓣狭窄/返流（AS/AI）、二叶式主动脉瓣膜融合方式(RL/RN)，将BAV患者进一步分组。结果：与无升主动脉扩张BAV组患者比较，扩张BAV组中段升主动脉扩张度减低（P＜0.001）。与扩张BAV组、扩张BAV-AS组患者比较，扩张 BAV-AI组中段升主动脉扩张度明显升高（P=0.003；P=0.001）。BAV患者升主动脉血流表现为偏心射流，射流方位在RL组为升主动脉右前位，RN组为升主动脉右后位(P<0.005)。严重AS者导致加速的射流和更为明显的血流位移及WSS偏心率(P<0.005)，并导致升主动脉扩张（2型和3型）的患病率增加。升主动脉扩张表型的差异与血流位移和WSS偏心率等功能血流动力学参数的改变有关。在伴有严重AS者中，升主动脉扩张时血浆MMP-2和-9水平明显升高(p=0.001和p=0.002)。然而，MMP-2在主动脉瓣功能正常的升主动脉扩张BAV患者中仍然是血浆里唯一升高的成分(p=0.027)。多因素分析显示，MMP-2和MMP-9均可作为升主动脉扩张的独立危险因素(p=0.003和p=0.001)，主动脉瓣功能正常BAV者MMP-2可作为主动脉扩张的独立危险因素(p=0.002)。结论：在BAV患者中，升主动脉扩张可引起中段升主动脉弹性减低，AI对大动脉弹性的影响可延伸至降主动脉。因此，不同节段的主动脉管壁重塑与升主动脉扩张和AI相关。重度AS明显加重了BAV患者的升主动脉血流畸变，并掩盖了现有的RL和RN融合类型的明显血流特征。伴单纯主动脉瓣狭窄BAV患者表现出特征的血浆MMP/TIMP模式，这可能作为早期检测升主动脉扩张的循环生物标志物。