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【生物密探中外讲座第二期回顾】中风精准预防: 从活体影像,血液动力学分析

发布时间:2021-05-10 17:04 点击次数:

【生物密探中外讲座第二期回顾】中风精准预防: 从活体影像,血液动力学分析到人工智能

英国biorbyt 前天

以下文章来源于生物密探 ,作者生物密探

生物密探
生物密探

挖掘科学前沿,探索生物奥秘

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活动介绍

主办方

生物密探 iSpyBio

 

赞助商

英国剑桥 Biorbyt Ltd. 

浙江玉安康瑞生物 YK Biotech

活动计划:此次活动是由《生物密探》公众号主办,英国剑桥biorbyt生物技术公司和浙江玉安康瑞生物科技有限公司联合赞助的国际科学公益讲座。我们将定期邀请国内外知名高校和研究机构不同领域的学者,进行科学探讨讲座。每次讲座将分为嘉宾主讲和会后提问讨论两个环节,欢迎大家积极参与。

 

讲座主旨:学习探讨科学前沿,挖掘探索生物奥秘。

 

讲座第二期回顾

4月23日周五的生物密探中外讲座第二期,我们荣幸地邀请到了剑桥大学放射系心血管影像研究组负责人滕忠照博士,为我们进行《中风精准预防: 从活体影像,血液动力学分析到人工智能》的主题讲座。

滕忠照博士,剑桥大学放射系心血管影像研究组负责人,南京景三医疗科技有限公司联合创始人兼首席科学家,全英华人生命科学学会主席,中国脑卒中学会脑血流与代谢分会委员。滕博士于1994年进入复旦大学力学与工程科学系就读,分别于2003年和2014年获得复旦大学流体力学和剑桥大学放射学双博士学位。滕博士主要研究高分辨血管成像和血液动力学分析在评价动脉粥样硬化和动脉瘤稳定性的作用,在专业杂志上发表SCI论文116篇,包括Circulation, JACC, European Heart Journal, Acta Biomaterialia, Atherosclerosis, Stroke, Journal of Biomechanics等杂志和其子刊。滕博士创办景三科技将其研究成果进行转化,多个产品已经获得国家药监局审批和欧盟CE认证,在英国和中国多家医院进行临床和科研应用。

 

本次讲座分为两部分,滕忠照博士主讲和会后Q&A环节,本次会议由biorbyt联合创始人杨群总裁主持。

 

一、滕忠照博士主讲

滕博士最初在上海复旦大学读理论与应用力学专业,研究生阶段开始从事血液动力学方面的研究工作,他的第一个博士学位是流体力学方向,第二个博士学位是在剑桥大学获得,从事血管影像方面的研究。滕博士目前的研究方向是两个博士专业结合的医工结合方向。

 

20年前,滕博士就已经开始从事医工结合和大数据方面的工作,他的部分研究结果可应用于中风和心肌梗死精准预测和预防。本次讲座滕博士先从学术角度阐述了粥样斑块(Atherosclerosis)的研究技术和成果,如何将这些技术应用于脑梗和心梗预测;最后就如何在一般人群里进行中风精准预防进行讲解。

 

1. 粥样斑块的成分、结构以及药物干预的演化过程

血管是人体内最重要的器官;从部位角度,头和心是人体最重要的两个部位。绝大部分的心脑血管疾病都与血管或者头与心有关,尤其人类健康的最大杀手,心肌梗死和中风,几乎都是由于粥样斑块(Atherosclerosis)导致。粥样斑块是血管内皮下长出来的复杂结构,其成分包括脂质,纤维化组织,钙化组织和内出血等。粥样斑块会使血管腔变窄。纤维帽可将脂质核心和血管腔中血流隔开,通常所说的斑块脱落就是由于纤维帽破裂,脂质与血液接触形成血栓,进而引起脑梗或者心梗的发生,血栓脱落甚至会直接导致死亡。

图1 粥样斑块结构(来自滕博士PPT)

 

粥样斑块在婴儿期就开始发生与发展,每个人10岁以后都会有或多或少的粥样斑块,40岁以后就会明显增加。据统计1/3的40岁以上的中国人在颈动脉处存在超声可探测到的粥样斑块。60岁以后,粥样斑块引起脑梗和心梗的风险就会越来越高。相比肿瘤18%的致死率,在中国,粥样斑块的致死率高达42%,是致死率最高的疾病!

 

目前关于粥样斑块的检查,临床上主要以成像技术,比如CT、超声或者核磁共振来观察血管是否有狭窄,根据狭窄度评估病人风险并制定治疗方案。大量研究,包括滕博士的研究工作,表明目前的评估标准不足以评定斑块的稳定性,因为粥样斑块的稳定性除了与其大小有关系,还与其成分和在血管里受到机械载荷强度有关。滕博士的团队于20年前就开始对以上因素进行了系统性研究。

 

健康血管和粥样斑块血管的区别

健康的血管是很薄很光滑的,浅黄色,内部没有杂质。随着年龄增加,血管壁开始增厚,开始以纤维化组织为主,进而出现脂质和钙化组织的粥样斑块。

图2 健康的和存在局部管壁增厚的颈动脉(自滕博士PPT)

 

隐源性卒中(cryptogenetic stroke)

滕博士的研究组与其他研究组发展的血管壁高分辨成像技术能更好地观察到粥样斑块的结构。有些斑块并不造成明显的血管腔狭窄,而是长在血管外面。以前的这样病灶导致的中风常称为隐源性卒中,顾名思义为找不到原因,而现在很大部分这样的卒中原因可以用高分辨成像技术来确定。下图是滕博士团队利用改进技术观察到的隐源性卒中病因的病例。

图3 不造成明显血管狭窄的粥样斑块(来自滕博士PPT)

 

粥样斑块观察有助于分析病人用药效果

目前大部分的慢性脑梗病人无法通过手术治疗,只有大约10%~20%的病人需要通过手术治疗,例如内膜剥脱术,或者通过支架把血管撑开血流恢复。尤其对于颅内斑块,目前的手术治疗效果并不一定好,大部分以保守药物治疗为主,通过控制高危因素(血压,血脂,炎症等)控制病情。但不同病人对药物的反应不一样,因此需要对治疗效果进行定量评估。

 

下图是滕博士团队对一脑梗病人的病灶演化进行分析,结果发现这个病人用药1年后斑块继续增大,并且出现炎症和溃疡,说明之前的药物对这个病人没有达到理想效果,就需要更换治疗方案。

 

图4 斑块的演化(来自滕博士PPT)

 

2. 血液动力学(Haemodynamics)分析粥样斑块稳定性

在生理状态下,血压的存在会导致斑块的形变,这就涉及到血液动力学的分析。在血流作用下,血管壁内皮会受到剪切应力(Wall shear stress/ WSS);同时,在血压作用血管壁扩张,血管会受到牵拉的力,称为血管结构应力(Vessel structural stress/VSS)。

 

 

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图5 壁剪切应力(WSS)和血管结构应力(VSS)(来自滕博士PPT)

 

合适的WSS对血管有保护作用,例如,内皮细胞分泌一氧*化碳,毛细血管扩张,调节血压。如果WSS比较紊乱,内皮细胞会出现各种应激反应,例如细胞表面黏附增加从而导致斑块的发生和发展。

 

粥样斑块常发生在血管几何形状不规则的地方,比如主动脉弓和血管分叉的位置,这些地方的血管形状较复杂,WSS比较紊乱。滕博士的团队研究发现这些位置的VSS也很高,所以粥样斑块形成可能同时受到WSS和VSS的影响,但是VSS比较难以计算,这可能是科研工作者常常只关注WSS与粥样斑块发生和发展之间关系的主要原因。

 

另外,VSS对血管内的平滑肌细胞功能有影响。血压作用下,平滑肌细胞膜和其细胞骨架会被牵拉,细胞内会发生一系列的生化反应,可导致细胞凋亡,迁移和增殖等。滕博士的初步研究表明,这些生化活动也会导致斑块的发生和发展。

 

滕博士指出评估斑块破裂风险与其所承受的血液动力学载荷密切相关,但WSS与VSS,哪个更为重要?一个结构的破裂,通常是由于外部施加的力超过其材料强度。因此,通过检测斑块的材料强度,一定程度上可以分析WSS和VSS在斑块破裂过程中的作用。滕博士的研究团队分离了斑块不同的组织(纤维、脂质等)做拉伸测试。结果发现拉断纤维帽需要几百到几千帕的应力,拉断脂质则需要几千帕到几十千帕的应力。考虑到在生理情况下,WSS通常在帕的量级,而VSS则在百千帕的量级,所以判断斑块稳定性时,VSS是关键。

 

图6 斑块材料强度测算(来自滕博士PPT)

 

那斑块破裂地方是否是VSS最大的地方?滕博士通过病理切片结果发现90%破裂在斑块中部和斑块肩部。为了排除病理操作导致的斑块破裂,滕博士团队还进一步用OCT和血管内超声对斑块进行成像,验证了斑块破裂部位与应力集中部位吻合。

 

斑块分析是否可以对病人进行分类?

滕博士认为可以通过整合斑块形状与组分和受力分析区分病人组别,预测病人未来梗死性事件。

 

斑块分析是否可以进行预测未来?

【心梗预测】

滕博士团队随访了3年40位冠心病患者,当斑块形态结构都一样(斑块负荷≧70%,最小官腔面积≦4mm2,纤维帽薄),如果斑块受力高于自身血压的12.5倍,就更容易发生后续心梗。此外,随访101位病人3年多的结果表示纤维帽受力不均匀的患者也能容易发生后续心梗。

 

【颈动脉脑梗预测】

滕博士团队对61个病人随访1年,发现纤维帽的受力越高,发生脑梗的机率就越高。对106病人随访2年的结果发现,斑块形变大,危险系数就高,相较形变较小的,再次发生脑梗可能性高达30倍。所以斑块受力分析有助于筛查高危病人,针对性做出合理治疗。

 

滕博士指出斑块很复杂,无法仅仅通过影像定义的狭窄度评估其风险。他团队的研究结果表明,结合斑块的结构和成分,以及血液动力学分析可以将诊断和预测准确度提高20~30倍。

 

3. 如何预防心血管疾病?

中国是心脑血管疾病发病率最高的国家,年龄是个高危因素。据统计国内2017年65岁以上的老龄人口已经达到1.5亿,到2030年将达2.5亿!其他的高危因素还有,高血压、高血脂、抽烟、糖尿病、房颤和肥胖等。

 

2016年中国疾控中心数据显示,中国有接近1亿的心脑血管疾病患者,其中心梗患者2300万,死亡率7.5%,中风2800万,死亡率6.3%,其中幸存的中风患者中30%~40%遗留不同程度的残疾。

 

据统计全社会中造成身体残疾的最大因素不是事故车祸,是中风!一人中风,一家瘫痪,所以中风是人类健康的首要敌人,除了危害患者个人,也危害整个家庭。所以中风的预防非常重要!

 

4. 那一般人群如何进行中风的精准预防呢?

滕博士以头颈为例,头颈部血管和大脑是最重要的,血管内出现斑块之后,要通过先进的成像技术对斑块稳定性进行评估,并评价药物治疗的效果。另外,除了评估脑血管健康外,还需要评估脑组织否健康。目前,临床上的定量评估技术还十分欠缺,这就需要科学工作者为医生提供更好的量化工具,才可以对各种治疗效果进行精准的量化评估。

 

滕博士创办的景三科技就是致力于心脑血管疾病风险预测、管理和预防服务。景三科技研发最*先*进的影像技术,并基于多尺度分析和影像多模态分析,对头颈部血管进行亚毫米级成像,评估脑梗死,脑溢血的风险。另一方面,景三科技通过全脑亚毫米级扫描,筛查脑肿瘤,定量评估脑微出血,微梗死和脑萎缩。对于存在病灶的患者对接国内优质医疗资源,进行预防性治疗。


图7 景三科技的影像分析(来自滕博士的PPT)

 

景三科技的心脑血管疾病预防和筛查技术和工具已经获得国内多家知名医院的认可,这些技术还与一些知名医院合作引入到特殊体检项目,可以排除脑梗死,脑溢血和脑肿瘤等重大隐患;定量评估大脑微梗死,微出血和96个脑区容积,评估脑萎缩情况。

 

可以关注以下【景三科技】的公众号(ID: Tenoke-Jingsan),了解更多他们关于心血管疾病预防的研究技术和服务。

景三医疗科技
景三医疗科技
景三医疗研发影像技术,并基于多尺度分析和影像多模态分析,提供心脑血管疾病风险预测、管理和预防服务。
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二、讲座Q&A环节和视频回顾

Q&A环节中滕博士就以下听众问题进行了详细解答:

1. 脑溢血出现后为什么会影响手部肿胀和脚部行走?是否可以根治或者改善?

2. VSS和WSS需要什么影像数据来计算呢?

3. 心脏支架手术后二次堵塞再狭窄的机率有多大?会受什么因素影响?

4. 生物成像分辨率和高分辨率磁共振成像的分辨率区别?分辨率受什么因素影响?

 

想了解更多讲座的细节和滕博士是如何解答以上问题的请点击以下视频观看全程讲座:

 

温馨提示:视频长约1个半小时,请在WIFI下观看

 

请持续关注我们的【2021生物密探中外讲座系列】,我们计划在2021年举行12场大咖专业科普/科研讲座,每月一场,我们下一期的讲座题目为《白血病的基因组和表观遗传学》,敬请期待!

 

   

 

 

 

BIORBYT简介

英国biorbyt为本系列讲座的首要赞助商,biorbyt成立于2011年,总部位于英国剑桥,系世界领*先地位的高品质生命科学试剂供应商,致力于为生命科学领域的科研人员提供高品质的产品和专业的技术服务。Biorbyt专注于生命科学和生物技术领域研究,主要产品有抗体、小分子、ELISA试剂盒、蛋白等。Biorbyt与世界著名高校、研究所、制药公司、生物科技公司和医院等客户建立了长期稳定的合作关系,产品销往全球。

Biorbyt Ltd. is the primary sponsor of this series of lectures, biorbyt was established in 2011, based in Cambridge, UK. We are committed to providing high quality products and professional technical services to researchers in the life science sector. Biorbyt is a leading, global, high-quality reagent supplier specialising in life science and biotechnology research. The main products offered by Biorbyt include antibodies, small molecules, ELISA kits, and proteins. Supplying on a global basis, Biorbyt has established long-term, stable, co-operative relationships with world-renowned universities,research institutes, pharmaceutical & biotechnology companies, as well as hospitals.

   

 

 

 

文案:滕忠照  陈小玲

编辑/排版: 陈小玲


 Biorbyt于2011年成立于欧洲最大的生物科学中心之一的剑桥。10年前,我们以一个纯粹而富有挑战性的使命开始了这一旅程:致力于向全球科学界提供最佳的科研试剂和服务。英国女王企业奖是英国对企业最高的荣誉,这也是我们10周年最*好*的礼物之一,往后我们更加决心为我们的目标而继续努力!
biorbyt拥有各种研究领域的抗体,蛋白和试剂盒,欢迎访问biorbyt全球官方网站(www.biorbyt.com)和中国网站(www.biorbyt.com.cn),或者拨打biorbyt中国办事处热线电话:400-966-3101;027-87663101。 或微信(电话)15307197287在线沟通。