西北大学的研究人员已经开发出第一个基于物理的指标来预测一个人是否有一天会患上主动脉瘤，这是一种致命的疾病，通常在破裂之前没有任何症状。

　　在这项新研究中，研究人员通过测量患者血管中细微的“颤动”来预测主动脉的异常生长。当血液流经主动脉时，它会导致血管壁颤动，就像旗帜在微风中飘扬一样。研究人员发现，稳定的血流预示着正常、自然的生长，而不稳定的颤振则高度预示着未来的异常生长和潜在的破裂。

　　该新指标被称为“颤振不稳定性参数”(FIP)，在FIP首次测量后的三年内，平均预测未来动脉瘤的准确率为98%。为了计算个性化的FIP，患者只需要一次4D流磁共振成像(MRI)扫描。

　　利用临床可测量的、可预测的指标，医生可以给高危患者开药，以干预并潜在地防止主动脉肿胀到危险的大小。

　　这项研究发表在本周(12月11日)的《自然生物医学工程》杂志上。

　　西北大学的Neelesh A. Patankar是这项研究的资深作者，他说:“主动脉瘤通常被称为‘沉默的杀手’，因为它们通常在发生灾难性的解剖或破裂之前不会被发现。”“驱动动脉瘤的基本物理原理尚不清楚。因此，没有临床批准的方案来预测它们。现在，我们已经证明了一个基于物理的指标的有效性，它有助于预测未来的增长。这在预测心脏疾病方面可能具有变革性。”

　　作为流体动力学专家，帕坦卡尔是西北大学麦考密克工程学院的机械工程教授。他与专门研究第一性原理生物力学的汤姆·赵博士共同领导了这项研究。

　　当主动脉(人体最大的动脉)膨胀到原来的1.5倍以上时，就会发生主动脉瘤。随着它的增长，主动脉壁变弱。最终，血管壁变得非常脆弱，无法承受血液流过的压力，导致主动脉破裂。虽然很罕见，但主动脉破裂通常是不可预测的，而且几乎总是致命的。

　　有几位知名人士死于主动脉瘤，其中包括一年前在2022年FIFA世界杯上突然去世的体育记者格兰特·沃尔(Grant Wahl)。其他去世的名人包括约翰·里特、露西尔·鲍尔和阿尔伯特·爱因斯坦。

　　帕坦卡尔说:“大多数人都没有意识到自己患有动脉瘤，除非他们在接受无关问题的扫描时意外发现。”如果医生发现了它，他们可以建议改变生活方式，或者开一些药物来降低血压、心率和胆固醇。如果没有被发现，它可能会破裂，这是一个直接的灾难性事件。”

　　赵补充说:“如果病人在医院外破裂，死亡率接近100%。”“身体的血液供应停止，所以像大脑这样的重要器官不能再发挥作用。”

　　对于目前的护理标准，医生根据危险因素(如年龄或吸烟史)和主动脉的大小来估计破裂的可能性。为了监测正在生长的主动脉，医生会定期进行成像扫描。如果主动脉开始生长过快或变得过大，那么患者通常会接受手术移植来加固血管壁，这是一种有风险的侵入性手术。

　　“我们集体缺乏了解，使得很难监测动脉瘤的进展，”赵说。“医生需要定期跟踪动脉瘤的大小，每隔一到五年对其位置进行成像，这取决于动脉瘤以前的生长速度以及患者是否患有任何相关疾病。在这段‘静观其变’的时期，动脉瘤可能会致命地破裂。”

　　观察血液在主动脉中的流动。图片来源:Ethan Johnson/西北大学

　　为了消除预测未来动脉瘤的猜测，Patankar, Zhao和他们的合作者试图抓住问题背后的基本物理原理。在广泛的数学工作和分析中，他们发现，当颤动的血管壁从稳定过渡到不稳定时，问题就出现了。这种不稳定性要么是动脉瘤的原因，要么是动脉瘤的信号。

　　Patankar说:“飘扬是未来成长的机械标志。”

　　为了量化从稳定到不稳定的转变，研究人员结合了血压、主动脉大小、主动脉壁硬度、管壁剪切应力和脉搏率。所得数字(或FIP)表征了血压和壁刚度之间的确切相互作用，最终引发了颤振不稳定。

　　帕坦卡尔说:“医生们已经知道这些因素——血压、心跳频率和主动脉大小——与此有关，但他们不知道如何量化它们。”“事实证明，这些因素的结合才是重要的。病人的主动脉壁可能不稳定，但主动脉大小正常，所以医生甚至不会意识到有问题。”

　　令人惊讶的是，研究人员发现，当墙更灵活时，不稳定性往往会出现。这一发现直接与“主动脉僵硬是疾病征兆”的常识相矛盾。

　　赵说:“我们的研究表明，关节越不僵硬，患者未来生长和破裂的风险就越大。”“这是因为一旦主动脉达到一定的大小，身体就会试图使它变硬，似乎是为了保护它免受未来的生长。”但是那些还在生长的就没那么僵硬了。如果壁更柔顺，主动脉就会颤动。”

　　为了测试这一新指标，研究人员回顾了117名接受心脏成像监测心脏病的患者和100名健康志愿者的4D血流MRI数据。基于该MRI，研究人员为每位患者分配了个性化的FIP。在这个度量中，零标志着稳定和不稳定之间的阈值。

　　对于FIP低于0的患者，他们的主动脉不太可能出现异常生长。然而，研究人员预测，FIP高于零的患者将经历异常生长和未来破裂。

　　该研究的第一作者之一、西北大学范伯格医学院心血管成像博士后Ethan Johnson博士说:“通过建立心血管4D血流MRI定量指标的预后价值，我们可以显著提高作为动脉瘤患者标准护理的成像价值。”

　　当研究人员将这些预测与后续的核磁共振成像或医生诊断进行比较时，他们发现他们的预测在98%的病例中是准确的。虽然FIP预测的是在第一次核磁共振检查(计算FIP时)平均三年后的未来增长，但研究人员表示，这一指标甚至可以提供每天或每月更细致的心脏健康状况。

　　赵说:“我们的临床数据所处的时间范围是1到8年。”“而不是FIP必须有效的总时间间隔。”

　　接下来，Patankar, Zhao和他们的团队计划探索FIP是否可以为其他心脏疾病的发展提供线索。他们也在研究是否患者特异性FIP可以表明哪种预防方法最有效地阻止动脉瘤的发展。

　　这项研究的标题是“作为胸主动脉瘤进展的生理标志的血壁飘动不稳定性”。

　　更多资料:Tom Y. Zhao等，血壁飘动不稳定性作为胸主动脉瘤进展的生理标志物，Nature Biomedical Engineering(2023)。期刊信息:自然生物医学工程

　　西北大学提供

　　引用:不稳定的“飘动”预测主动脉瘤的准确率为98%(2023,12月16日

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