基于血管内膜超声微泡空蚀的局部可控易损斑块动物模型建立及活体评价方法

In this project, based on microbubble enhanced ultrasound cavitation injury to vascular endothelial cell, the methods are proposed and studied to prepare a localized animal model of vulnerable plaque in a controlled manner and to evaluate the dynamic development process of the plaque model. The research is focused on: (1)With the microfluidic chips, the super high-speed microscopical photograph and fluorescence imaging are used to study the transient process and mechanism of the cavitation damage to vascular endothelial cell by ultrasound actived microbubble under shear flow conditions. (2)Using all-digital ultrasound imaging platform to regulate and control the distance between microbubbles and vascular intima, and make time reversed self-adaptive focus for localized ultrasound cavitation injure. After the injury with controlled size is generate at the specific site on rabbit abdomen aorta intima, vulnerable plaque can be induced with combined with high fat diets. (3) The method used to evaluate the mechanical properties of local vascular segment will be studied based on high frame rate and high resolution ultrasound RF data and imaging. Combined with the results of vascular histological analysis and intravascular ultrasound imaging, the relationship between the change of local vascular mechanical properties and the composition and development stage of plaque will be determined. This model could become a useful tool for the studies on pathologic, physiologic and early diagnostic imaging of vulnerable plaque.

本项目基于微泡与界面间距调控-微泡增强超声空化-细胞空蚀的思路，提出和研究制备血管内局部可控的易损斑块动物模型，并对斑块模型发展过程进行动态评价的方法，克服现有球囊损伤模型为圆周性损伤且大小、位置和程度不可控，与实际斑块差异显著等缺点。主要研究内容包括：1)在微流控细胞芯片上利用声光共聚焦的超高速显微和荧光成像方法研究流动条件下超声激励微泡对血管内皮细胞空蚀的瞬态过程及作用机制；2)利用全数字化超声成像平台，实现微泡与血管内膜间距的调控以及局部超声空化-空蚀所需的时间反转自适应聚焦，在活体兔腹主动脉内膜指定部位产生大小可控的损伤，结合高脂饮食诱发形成易损斑块；3)研究基于高帧率高分辨超声射频数据及图像的局部血管力学特性评价方法，结合血管组织病理学分析和血管内超声成像结果，确定局部血管力学特性变化与斑块组成及发展阶段之间的关系。可为血管易损斑块生理、病理和早期诊断成像研究提供新的有利工具。

研究工作取得的主要进展包括以下几个方面：(1)成功制备了稳定的亚微米尺度全氟戊烷(PFP)微乳(液滴)，采用光学显微观察的方法研究了使其发生相变的超声辐射条件和影响因素，以及其在具有不同粘度的去离子水和60%丙三醇溶液(模拟血液)中的相变阈值、相变效率和演变过程；(2)在开放式全数字化超声成像系统上，实现了基于管中相变造影微泡的时间反转自适应聚集技术，可通过控制相变微泡产生的位置来调节聚集超声的焦点位置，从而实现对损伤部位的控制；(3)分别采用直径和弹性模量与腹主动脉相当的内壁光滑的透明血管仿体和离体兔腹主动脉血管，在模拟活体兔腹主动脉血流速度的脉动流条件下，研究了聚集超声场中普通造影剂和相变微乳两种不同造影微泡对管壁的损伤过程和损伤程度，结果表明在远离超声换能器一侧的管壁上，两种造影剂造成的空蚀损伤均近似呈圆形，并且随着超声功率的增大，血管壁损伤面积增大，损伤程度加剧。在相同的超声功率下，普通造影微泡的损伤面积比相变造影微泡要大，损伤程度也更剧烈；(4)设计和搭建了B超图像引导的活体动物聚焦超声空蚀损伤实验系统。此外还扩展提出了(1)一种采用低声压、宽波束平面超声波检测、获取相变后微泡群自然消散过程的时间强度曲线, 并进一步反推初始时刻相变微泡群尺寸分布的粒度估计方法；和(2)以基于反射模型的血管灰度非均匀性校正为基础的血管短轴/长轴方向的连续径向/圆周应变成像，并以超快速平面波成像为基础，实现了对脉搏波在血管壁上传播过程的成像，并获取脉搏波沿血管壁的传播速度。这些方法下一步将用于对血管壁损伤程度和斑块生长过程进行活体评价。研究工作按照原定计划进行，目前已发表SCI论文2篇，会议论文2篇，已投出审稿中论文1篇，正在撰写计划投出论文2篇，培养硕士研究生3人，协助培养博士研究生2人。