3D打印颅脑血管模型的剪切力分析及其与粥样硬化的相关性

The studies of coranary and peripharal artery suggest endothelial sheer stress is an important determinant of the formation,progression and vulnerability of atherosclerosis.Due to the technique limitations,intracranial sheer stress has been less well studied. In our previous studies, it was found: 1,3D printing techinque can perfectly establish in vitro intracranial vessel model, mimic in vivo vessel imaging.2,high resolution magnetic resonance imaging can depict intracranial vessel bed and provide accurately evaluation，including plaque distribution,volume,and components.In this study, we aim to use these two techniques together to elaborate the mechanisms of intracranial sheer stress hemodynamics. Based on magnetic resonance angiography source images，the individual 3D printing intracranial vessel models are established.In vitro perfusion and sheer stress measurements via particle image velocimetry will be performed according to individual circulation parameters.The results of sheer stress measurements will be matched with the characteristics revealed by high resolution magnetic resonance imaging and their relavance will be investigated.Current study is a highly original study, overlapped by digital material scicence and clinical imaging. New theroies of intracranial fluid dynamics and a new model for investigating intracranial vessel diseases will hopefully be established.

在冠状动脉和周围动脉的研究中，内皮剪切力被发现是粥样硬化发生、发展和易损性的重要决定因素。长期以来，由于技术手段的限制，颅内动脉剪切力的研究十分缺乏，其病理生理意义仍不清楚。申请人的前期工作表明：1、在血管影像重建后，3D打印技术可以制造出等比例的脑血管模型；2、3D高分辨率核磁可以将全脑动脉成像，准确评估斑块特性（分布、体积和成分）。由于3D打印技术能将体内血管"原型转移"到体外，它与3D高分辨率核磁的联用使体外研究颅内动脉剪切力成为可能。申请人拟基于核磁血管造影的源图像，建立3D 打印脑血管的模型；参考个体化循环参数，进行体外模拟灌注，利用粒子速度成像技术测定剪切力；将剪切力数据与原型高分辨核磁的颅内斑块特性进行匹配分析，确定其与粥样硬化的相关性。本项目是数字化制造科学和神经影像技术的交叉应用基础研究，具有高度原创性，有望建立颅内动脉剪切力的新理论，开创新的颅内动脉疾病的研究模式。

申请人基于高分辨核磁（high resolution magnetic resonance imaging，HRMRI），经颅多普勒超声、颈动脉彩超的个体化数据，通过3D打印技术和计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）技术初步建立颅内动脉剪切力场测算方法；初步探索颅内血管管壁剪切力与斑块分布的相关性规律。.具体内容包括：1.结合3D T1 HRMRI和CFD技术，观察大脑中动脉（middle cerebral artery, MCA）局部管壁剪切力和低度狭窄斑块分布的相关性，研究局部血流动力学对颅内动脉粥样硬化斑块形成的作用。2.3D打印正常颅内动脉和轻度狭窄颅内动脉（颈内动脉颅内段末段、大脑中动脉M1段为主要研究血管）模型，分析的剪切力场分布规律；3.用3D打印颅脑血管模型的剪切力分布规律验证运用高分辨核磁及计算流体力学评估的粥样硬化斑块的分布规律。.研究结果：我们入组分析43例患者（94个斑块，狭窄程度<50%）及对照组（25例，50条正常MCA）案例，发现在对照组中分析得到管壁剪切力在腹侧壁、下壁、MCA曲率内侧面明显较低，说明剪切力在正常血管中分布是不均匀的，且存在一定的分布规律；在病例组中分析得到斑块侧的管壁剪切力明显小于无斑块侧，提示低管壁剪切力与颅内动脉粥样硬化的始动密切相关。我们设计出了方便快捷的血管模型3D打印方法，使得采用3D打印材料体外模拟血液循环系统成为可能。基于磁共振血管造影的源图像，设计并实现一套体外模拟灌注及测量系统，能模拟输出类似颈动脉等的压力波形，并实现精确液体测速、测压和测粘度，误差0.5%以内，可用于流量在2L/min及压力在300mmHg以下的血流动力学及相类似的其他流体仿真实验。初步结论：3D打印的体外实验验证了斑块分布与剪切力分布的计算流体力学结果，穿越面和正交面方法得到的wss均值下壁比上壁低，前壁比后壁低，这与之前的结果一致，但wss绝对值偏小，原因可能是MRI测速分辨率（离血管壁最近的测速点在0.5mm以外）以及wss计算方法的差异造成。.本研究中颅内动脉的局部血流动力学分布规律对粥样硬化的个体化预防与治疗有重要指导意义。3D打印模型和基于影像的计算流体力学模型为未来个体化卒中的评估奠定基础。