《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Non-invasive estimation of material properties of normal and dissected human ascending aortas in vivo: comparison with the ex vivo tensile experiment
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本刊推荐：本研究创新性地提出一种基于经食道超声心动图（TEE）与计算机断层扫描（CT）的迭代算法，用于无创估测活体状态下正常与夹层人体升主动脉的各向异性材料特性。研究通过对比离体双轴拉伸实验数据，证实了该活体方法的可行性，并深入分析了材料参数初始猜测值对估算结果的影响，为主动脉夹层（AD）的临床生物力学分析及个体化诊疗提供了重要依据。
引言
主动脉夹层（Aortic Dissection, AD）是一种危及生命的疾病，其主要特征是主动脉内膜的撕裂。斯坦福A型AD累及升主动脉，通常表现为突发的剧烈胸痛，需要紧急手术干预。目前，临床诊断主要依赖影像学检查，如计算机断层扫描（Computed Tomography, CT）、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）、经胸超声心动图（Transthoracic Echocardiography, TTE）和经食道超声心动图（Transesophageal Echocardiography, TEE）。尽管升主动脉直径（≥5.5厘米）被用作预防性主动脉置换的参考标准，但约40%的主动脉夹层发生在此阈值以下。因此，深入理解主动脉的生物力学行为对于开发更有效的疾病预测标准至关重要。
主动脉壁的力学特性在决定其生物力学行为中扮演着关键角色。离体拉伸实验研究表明，病理性主动脉组织（如动脉瘤）的刚度显著高于健康组织。然而，离体实验只能在切除的组织上进行，无法用于评估活体状态下的主动脉力学特性。近年来，医学影像和计算模型的进步为无创确定患者特异性的活体主动脉材料特性带来了希望。
材料与方法
本研究旨在采用一种非侵入性方法估测正常和夹层人体升主动脉的活体材料特性。研究收集了5名A型AD患者（AD组）和5名无主动脉疾病的器官捐献者（N组）的升主动脉标本、医学影像（TEE和CT）及血压数据。对于N组，由于缺乏影像数据，使用了五名匹配志愿者的CT和TEE图像作为替代。
离体双轴拉伸测试在10个升主动脉标本上进行。样本被切割成约2厘米×2厘米的正方形，边缘沿主动脉组织的周向和轴向方向对齐。测试在37°C的磷酸盐缓冲液中进行，样品经过10个循环的预调节后，进行了五种不同力比（周向力与轴向力之比）的加载协议。
本研究选用各向异性的Mooney-Rivlin材料模型来评估主动脉的力学特性，假设材料是均匀且不可压缩的。其应变能密度函数包含各项同性和各向异性部分，材料参数通过信任域反射算法进行优化拟合。
医学影像处理方面，对每位患者的CT和TEE图像进行分割，以量化获取组织样本处的升主动脉形态。分割的CT图像提供了主动脉的管腔和外界轮廓。TEE图像序列用于记录一个心动周期内的主动脉变形，并通过水平集方法分割所有TEE图像中的管腔轮廓。
基于影像的薄片模型是本研究的关键。构建了三维薄片有限元模型，通过应用轴向收缩和拉伸来模拟活体状态。一个核心挑战在于确定零压几何形状（作为数值初始状态）所需的轴向和周向收缩率。研究中轴向收缩率固定为20%（对应活体轴向拉伸比为1.25），而周向收缩率和活体材料参数则通过提出的迭代算法确定。
为了确定每位患者特异性升主动脉的活体材料特性，研究采用了一个三循环迭代算法。该算法通过连续修正各向异性Mooney-Rivlin模型的参数值，并使模拟的收缩期和舒张期主动脉管腔周长与TEE图像测量的结果相匹配。内层循环调整周向收缩比（S）和材料参数比例（k），而中层和外层循环则对控制各向异性的参数K2和θ进行连续修正，直到获得最优解。
研究还探讨了材料参数初始猜测值对模型输出的影响，设置了三种不同的初始参数情景：M01（受试者特异性离体参数）、M02（所有模型使用同一初始参数，选自刚度接近中位数的患者AD1的离体参数）和M03（对M02的参数施加5%的变异）。
数据分析方面，为了比较样本间以及活体与离体条件下的组织刚度，计算了有效杨氏模量（YMc为周向，YMa为轴向）。此外，还计算了材料各向异性指数（AIYM）。由于数据不满足正态分布，所有连续数据以中位数（四分位距）表示，并使用Wilcoxon符号秩检验进行统计分析。
结果
离体材料特性方面，通过双轴拉伸实验数据确定了10个样本的各向异性Mooney-Rivlin模型的材料参数。采用的材料模型对所有样本都表现出良好的拟合度，决定系数（R2）均大于0.9188。
在比较活体与离体材料特性时，研究发现，除了患者AD3和AD4，使用迭代算法确定的活体材料特性在周向和轴向均比相应的离体主动脉组织更软。统计检验表明，活体算法得出的YMc和YMa值显著低于离体材料。以离体材料特性为基线，10名受试者中活体材料结果的YMc和YMa最大相对误差（RE）为-33.44%。YMc和YMa的中位RE分别为-14.50%和-8.54%。
关于初始参数设置的影响，当使用M02和M03作为初始条件时，迭代算法也能获得收敛解。与离体材料特性相比，基于M02和M03确定的YMc中位RE分别为-29.40%和-27.74%，YMa的中位RE分别为-28.51%和-31.00%。统计检验再次确认，基于M02和M03的活体实验获得的YMc值显著低于离体实验。
值得注意的是，对于患者AD4，使用M02初始猜测时，YMa的RE异常高。敏感性分析表明，初始猜测的各向异性与真实主动脉组织之间的差异对YMa的估算有显著影响。对AD4主动脉组织的组织学检查（H&E染色和油红O染色）显示其具有明显的动脉粥样硬化特征和更紊乱的组织纤维取向，这种微观结构的改变可能导致其材料各向异性的变化。
在评估初始参数设置对主动脉生物力学应力条件的影响时，研究发现，将基于M1（由M01得出）的应力作为参考，使用M2和M3计算的应力最大RE在10名患者中为13.84%。在10个受试者特异性模型中，初始材料参数5%的变异引起的应力值变化小于1.5%。
讨论
本研究采用非侵入性方法评估了正常和病理性人体升主动脉组织的活体材料特性。该方法综合考虑了主动脉几何形态、非侵入性血压条件以及主动脉组织的材料各向异性。研究结果表明，与离体测量相比，活体方法获得的血管组织特性表现出更低的刚度值。这与血管在活体环境下受到复杂生理调节（如平滑肌张力、血管活性物质等）的事实相符，而这些因素在离体实验中是无法完全复制的。
关于材料参数初始猜测值的影响，本研究的分析表明，在周向方向上，三种不同的初始猜测对确定的活体材料特性没有产生显著影响。但在轴向方向上，差异相对较大，特别是当初始猜测的各向异性与实际主动脉组织的各向异性存在较大偏差时。这凸显了在应用此类逆方法时，尽可能获得接近真实组织各向异性的初始参数的重要性。同时，一个微小的（5%）初始参数变异仅引起活体测量值的轻微变化，表明该方法对初始值的小扰动具有一定的鲁棒性。
局限性
本研究存在一些局限性。首先，假设了材料在周向是均匀的，而实际的主动脉壁在周向上存在力学特性的区域异质性。其次，研究中使用的有限元模型是固体模型，而非流固耦合（Fluid-Structure Interaction, FSI）模型，未考虑血流动力学因素的影响。第三，模型中的轴向收缩率保持恒定，目前尚无方法通过医学影像确定活体主动脉的轴向收缩率。第四，对于正常对照组（N组），由于器官捐献者缺乏影像数据，使用了匹配志愿者的影像数据作为替代，这可能会引入一些生理差异。最后，本研究的样本量较小，未来需要更大规模的研究进行验证。
结论
本研究提出了一种非侵入性方法，利用收缩期和舒张期两个活体主动脉几何形态来估测患者特异性的主动脉壁各向异性本构参数。基于有限元模型的迭代算法被应用于具有不同各向异性程度的正常和病理性人体升主动脉，并将其结果与双轴拉伸实验获得的材料特性进行了比较。总体而言，使用本非侵入性方法估测的活体材料特性在周向表现出比离体材料特性更低的YMc值。该方法可以轻松扩展到估测其他各向异性生物材料的活体特性，只要相关的临床数据可用，为心血管疾病的个体化生物力学分析提供了有力的工具。
