基于计算流体力学技术分析血管壁剪切力在颅内动脉粥样硬化斑块进展中的作用机制

Rupture of intracranial atherosclerotic (ICAS) plaque is the leading cause for ischemic stroke. Wall shear stress (WSS) is considered to be the most important hemodynamic factor associated with atherosclerotic plaque progression. However, few data are available regarding the hemodynamic mechanism of intracranial plaque progression, partly due to difficulty in hemodynamic measurement of intracranial artery. Our recent studies explore the feasibility of computational fluid dynamics (CFD) technique, as applied to cerebral vascular imaging, in simulating cerebral blood flow in vitro. In our previous work, we have demonstrated the heterogeneity of WSS distribution in ICAS disease. However, the role of WSS in prediction of intracranial plaque progression is still unknown. Based on our preliminary studies, the purpose of this project is to identify the detailed intracranial hemodynamics and vascular morphology in ICAS patients, and to explore the role of WSS in plaque progression. The proposed project will enhance our understanding of hemodynamic mechanism of intracranial plaque progression, and identify hemodynamic markers for prediction of vulnerable plaque. These results may improve secondary stroke prevention by fostering more effective personalized treatment.

颅内动脉粥样硬化（ICAS）斑块破裂是导致脑卒中发生及复发的首要原因，血管壁剪切力（WSS）被认为是斑块进展最相关的血流动力学因素。然而，因检测技术的限制，目前颅内血管血流动力学的研究极少。课题组前期研究中采用计算流体力学（CFD）技术与个体化血管影像结合进行颅内动脉的血流模拟和血流动力学参数评估，验证了CFD模拟在颅内血管血流动力学研究中的可行性。我们进一步观察了ICAS中血管壁剪切力的大小和分布特点。然而，目前对血管壁剪切力在引起ICAS斑块进展中的作用尚未明确。本研究拟在前期研究基础上进一步深入，应用CFD技术分析ICAS病变的血管壁剪切力与血管几何结构和斑块形态的关系，并采用高分辨率磁共振检测ICAS的动态变化，探索血管壁剪切力与ICAS斑块进展和转化的关系，从而阐明与ICAS斑块进展相关的血流动力学机制，探索早期识别斑块不良转归的血流动力学指标，进而指导脑卒中的精准治疗。

本项目分为回顾性和前瞻性两部分，回顾性纳入症状性颅内动脉狭窄（ICAS）患者300例，收集所有患者基线信息及头颅CT血管成像（CTA）原始图像；前瞻性纳入症状性ICAS患者50例，所有患者在基线和1年随访时进行CTA及血管壁高分辨率磁共振（HRMRI）检查。两部分均基于患者基线CTA原始图像进行CFD建模，计算斑块周围的血管壁剪切力（WSS）。分析ICAS患者的血管壁剪切力特征及其与血管几何结构的关系，探索与ICAS病变进展相关的血流动力学机制及预后识别指标。. 基于回顾性部分300例ICAS的研究，我们发现WSS在ICAS斑块上的分布是不均匀的，但具有一定的规律性。斑块的上游血管壁剪切力相对升高，随着管腔直径的变小，血管壁剪切力逐渐增高并在最狭窄处达到峰值。而在斑块的下游，高、低WSS共存，其大小和分布与血管空间结构和斑块形态有关。低血管壁剪切力（WSS<1.0，LWSS）通常位于斑块的下游、血管弯曲的内侧弯，而高血管壁剪切力（WSS>3.0，HWSS）在血管上游、下游均有分布，通常位于血管弯曲的外侧弯。血管空间结构（狭窄的位置、血管弯曲的朝向、曲度等）主要影响LWSS的大小和分布，朝向腹侧的血管和曲度大的血管LWSS的数值更低、面积更大，血管空间结构相关参数与HWSS无统计学相关性。斑块形态（管腔狭窄程度、斑块长度和径向梯度等）主要影响HWSS的大小和分布，上游优势的斑块或管腔重度狭窄的斑块，HWSS的数值更高、面积更大。以上结果提示，血管壁剪切力在ICAS的分布具有不均匀性、规律性，血管空间结构和斑块形态与WSS的分布与大小密切相关。. 基于前瞻性部分的研究，我们发现在目前指南推荐的最佳药物治疗方案下，基线时血管HWSS数值或HWSS面积与一年后血管管腔程度降低呈独立相关。其他临床或影像指标，包括性别、年龄、管腔狭窄程度等指标在ICAS进展方面均无相关性。以上结果提示，血管壁剪切力与ICAS病变的进展密切相关，HWSS的大小与面积可作为预测斑块进展的重要指标。