力学成像前沿｜清华团队实现动脉多力学参数同步无创测量新突破！

发布于： 2025-09-09 14:53

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心血管疾病是全球主要的健康负担之一。动脉的生物力学指标——包括壁内应力、轴向/环向刚度与局部血压，既是维持正常血流动力学的生理基础，也是高血压、动脉粥样硬化、心力衰竭和卒中等疾病发生与进展的重要力学线索。这些指标在时空上高度动态耦合并呈显著各向异性，然而现有体内测量手段多局限于单一指标，或依赖不同时间/不同位置的多次测量与群体统计假设，难以实现局部、同步、个体化的力学表征。

PART 01

新研究、新进展

New Research & New Developments

2025年8月，清华大学航天航空学院生物力学与医学工程研究所曹艳平教授课题组联合北京大学李国洋课题组及北医三院王新宇团队，在《Science Advances》上发表了一项突破性研究。该研究提出并验证了一种基于程序化声辐射力与超快超声成像的“同位同相”导波弹性成像方法，实现了在体、无创、同步测量动脉环向与轴向导波，并据此反演局部血压、双向壁内应力与各向异性刚度。该方法为研究动脉力学耦合、生理—病理转变及临床精准评估提供了新的力学成像工具。

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欢迎阅读原文以了解更多技术细节与数据支持：https://doi.org/10.1126/sciadv.adv5660

本研究利用编程的声辐射力，以序列化聚焦脉冲非侵入性地同时激发血管壁中沿轴向和环向传播的弹性导波（图1A–B）。并通过超快超声成像系统（帧率 ≥ 8000 Hz）在同一纵切面内实时捕捉双向导波传播过程（图1C–E），获取双向导波空间—时间速度场。基于该波场信息，团队构建了融合血管粘弹性、有限变形与实际边界条件的导波动力学模型，并开发出智能反演算法。从而实现了：

血压的连续无创估计：研究发现环向导波特征与局部血压呈显著相关（图2A–B）。在不同体位（如颈部伸展）实验中，环向导波速度对姿态的敏感性远低于轴向波速，表现出更好的鲁棒性（图2C）。与经皮压平法对比显示，该方法在志愿者群体中均具有良好可比性（图2D–E），且本研究方法无需压迫血管，显著提升舒适度与适用范围。

应力和刚度的同步反演：通过轴向与环向导波的频散特性（图3A, 3C, 3G）等波动属性的动态变化，可反演血管壁在舒张末期与收缩期的双向应力（图3D–E, 3H–I）与刚度（图3F, 3J）。伸颈体姿下轴向应力显著增加（约13 kPa），而环向应力变化较小，凸显该技术对力学状态改变的敏感性与准确性（图3D）。人群数据显示，颈动脉的体环向应力普遍高于轴向应力，环向刚度也显著大于轴向刚度，表明动脉壁力学性质具有强烈的各向异性（图3E–F, 3H–J）。

心动周期内测量与病理敏感性：本研究单次数据采集仅需约4毫秒，支持在一个或多个心动周期内实时追踪力学参数变化。在体实验结果表明，青年组、中老年正常血压组与中老年高血压组志愿者的力学特征具有显著性差异，尤其在高血压组中环向刚度与应力显著上升，表明该方法在该人群血管健康状态评估中的高度敏感性（图3G–J）。

PART 02

研究成果图示

Research Findings Diagram

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图1：双向导波激发与测量实验示意图与在体数据

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图2：血压测量结果与压平法对比，一致性优良

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图3：动脉应力与刚度在多种体姿与人群中的表征结果

PART 03

结论与展望

Conclusion and Outlook

本研究实现了在体、同步、无创测量动脉多力学参数的突破，解决了以往技术中时空不一致和依赖先验参数的关键瓶颈。该方法不仅具备揭示血管病理老化与重塑机制的潜力，也为心血管疾病的早期筛查、动态监测与个体化评估提供了全新的力学途径。未来，该技术框架还可扩展至心脏力学成像、人工血管评估及柔性器件力学监测等领域，具有广泛的临床应用前景。

PART 04

合作团队与作者介绍

Research Team & Author Introduction

本研究由清华大学航天航空学院生物力学与医学工程研究所曹艳平教授课题组牵头完成。清华大学航天航空学院生物力学与医学工程研究所教授曹艳平、北京大学力学与工程科学学院助理教授李国洋、北京大学第三医院心内科主任医师王新宇为论文的共同通讯作者。论文第一作者为曹艳平课题组的江宇轩博士（现任哈佛大学医学院博士后）。其他作者包括曹艳平课题组成员胡柯帅、马世育、郑阳博士（现任曦健科技首席技术官）、姜铭巍硕士和张昭熠。本研究受到国家自然科学基金等项目资助，核心成果已申请国家发明专利保护。

该研究是论文第一作者江宇轩博士论文的部分研究内容。江宇轩博士在博士期间聚焦于心血管系统的力学成像理论和成像方法研究，发展了一系列针对动脉、静脉和心脏的在体力学成像方法，以第一或共同第一作者身份在《Sci. Adv.》、《IEEE Trans. Med. Imaging》、《Int. J. Eng. Sci.》等相关领域权威期刊发表学术论文5篇，授权发明专利4件，其中1件已转移至曦健科技。江宇轩博士目前正积极推进心血管力学成像技术的研究，旨在实现更高分辨率的血管力学表征，并探索其在临床诊断中的应用前景。

关于曦健

北京曦健科技有限公司立足于清华大学生物材料和软材料力学实验室在人体软组织力学表征领域的十余年研究基础，致力于推进人体生物力学成像平台型技术的产业化，聚焦运动健康、皮肤医美、重大疾病诊疗等临床蓝海刚需市场。

编辑：耿天水｜监制：张利加

设计素材来源：创客贴、96编辑器