心脏引起的大脑组织应变与全局边界条件及局部微观结构的匹配：各向异性的潜在影响

《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Alignment of cardiac-induced brain tissue strain with global boundary conditions and local microstructure: potential effects of anisotropy

脑应变张量成像揭示第一主应变（FPS）方向主要由全局边界条件决定，第三主应变（TPS）方向呈现与DTI扩散主方向垂直的趋势，支持脑白质存在机械各向异性。

　　本研究通过一种新颖的影像技术——应变张量成像，探索了人脑在生理负荷下产生的主应变方向是否能够由全球边界条件和局部微观结构来解释。应变张量成像能够在不损伤组织的情况下获取精确的脑组织变形数据，从而构建出完整的三维应变张量。这种技术为研究脑组织的机械特性提供了新的途径，尤其是在活体环境下，可以揭示脑组织是否具有机械各向异性。研究中还结合了扩散张量成像（DTI）和几何建模方法，以定量分析脑的机械行为和特性。

在引入部分，文章指出近年来，脑的机械行为引起了越来越多的关注，因为脑力学在神经发育、损伤反应、废物清除和疾病进展中扮演着关键角色。然而，直接测量这些机械特性具有挑战性，主要是由于脑组织具有超柔软、高度脆弱、双相性和异质性等特征。此外，脑组织样本极为稀缺，使得实验研究面临困难。因此，计算建模成为研究脑在不同条件下的机械行为的重要工具，它能够提供关于脑结构和疾病影响的深入见解。然而，这些计算方法依赖于准确的机械模型，而这些模型需要关于脑组织多尺度机械响应的高级材料属性。因此，明确微观结构与宏观机械行为之间的关系，对于进一步理解脑的机械特性及其在神经系统健康和疾病管理中的作用至关重要。

机械各向异性是研究中一个关键的建模特性。尽管已有大量研究探讨这一问题，但文献中存在分歧，有些研究认为脑是机械各向同性，而另一些则认为其具有机械各向异性。大多数研究使用机械测试或计算建模的方法，但这些方法都受到上述因素的限制。因此，近年来的研究通过应变张量成像提供了一种新的方法，以在活体环境下研究脑的机械行为。应变张量成像通过精确的非侵入性位移测量，计算出完整的三维应变张量。这种测量能够捕捉脑组织在动脉搏动期间由于心血管系统引起的变形。通过将应变张量分解为第一主应变（FPS）和第三主应变（TPS），可以进一步分析这些应变方向与脑组织变形之间的关系。FPS描述的是最大拉伸方向，而TPS描述的是最大压缩方向。这些方向的分析有助于理解脑组织在不同区域的机械特性。

在方法部分，研究团队使用了之前一项7T MRI研究中获取的数据，该研究包括8名健康受试者的应变张量和DTI数据。应变张量是通过DENSE序列（一种用于获取脑变形数据的高精度位移测量技术）构建的。研究团队将实际测量的应变方向与两种概念模型进行比较，以评估全球边界条件和局部脑微结构对测量结果的影响。第一种模型基于脑的几何结构，特别是全球边界条件，通过两个基本现象学原理构建：脑在动脉搏动期间的膨胀受到颅骨的限制，使得主要拉伸方向垂直于颅骨内表面；血管解剖结构导致血液流进组织的方向与脑表面垂直。第二种模型则基于局部微结构，通过DTI测量数据，这些数据是在与应变张量相同的扫描过程中获得的。研究团队比较了FPS和TPS方向与这两个模型，以评估哪一种模型更符合观察到的应变模式。

研究结果表明，基于边界条件的模型成功解释了所有受试者的FPS方向，表明全球边界条件在脑动脉搏动期间对拉伸方向具有主导作用。TPS则显示出一种与DTI方向垂直的倾向，这可能反映了局部脑微结构对压缩方向的影响。通过比较实际测量的应变方向与模拟的随机应变方向，研究团队发现TPS与DTI方向之间的角度分布存在明显的非随机性，这表明TPS的方向可能受到局部结构的影响。而FPS方向与DTI之间的角度分布则与随机应变方向相近，说明FPS主要由全球边界条件决定，而不是局部微结构。这种发现有助于解释脑在生理条件下是否具有机械各向异性。

进一步的分析表明，在低偏差子选择中，TPS与DTI之间的角度分布显示出显著的非随机性，尤其是在白质区域，TPS与DTI主方向之间的角度较高。而灰质区域则没有这种趋势，说明灰质的机械特性与白质不同。脑干则表现出相反的行为，TPS与DTI方向之间倾向于对齐，这表明脑干可能具有更明显的机械各向异性。这些结果支持了机械各向异性在活体条件下的存在，并可能有助于解决关于脑是否为机械各向同性的长期争论。

在讨论部分，研究团队指出，FPS方向主要由全球边界条件决定，而TPS方向则更可能与局部微结构相关。这一现象表明，脑组织在某些情况下可能表现出机械各向异性。尽管目前还没有直接测量脑内脉动血流负荷的手段，FPS方向可以作为活体环境下这些负荷的替代指标。此外，研究还指出，白质可能在拉伸方向上比在横向方向上更坚硬，这与张力各向异性一致。这一发现与近期的磁共振弹性成像（MR elastography）研究相吻合，进一步支持了机械各向异性在生理条件下的存在。然而，研究也提到，另一种可能的解释是白质中存在残余应力，这种残余应力可能与内在材料各向异性相互作用。尽管目前的研究结果仅在动物模型中得到验证，但它们表明残余应力可能对观察到的应变方向产生影响。

此外，研究还探讨了如何避免在TPS方向分析中引入偏差。由于TPS方向可能受到局部结构的影响，因此采用了一种子选择策略，排除了部分 voxels。这种策略有助于确保分析的准确性，但同时也可能导致某些脑区的数据缺失，进而影响对各向异性效应的判断。尽管如此，通过纳入多个受试者，研究团队能够确保大多数脑区的数据都被采样，如热图所示。对于排除的区域，它们在0-30°和30-60°的子选择热图中显得尤为明显，而60-90°的热图中则出现了空缺。通过应用严格的掩膜技术，可以进一步减少 voxels 数量，以确保更明确的应变。虽然大多数区域被减少到初始 voxels 数量的一半，但灰质区域的 voxels 数量被大幅减少，从约8961 ± 4407减少到1147 ± 637。尽管如此，应用和不应用严格掩膜的应变角度分布显示出高度相似性，说明这种减少是必要的，以确保分析的准确性。

研究还指出，由于分辨率较高（3 mm），可能会导致部分体积效应，进而影响对各向异性效应的判断。灰质的机械特性似乎与白质不同，这可能削弱在白质与灰质交界处观察到的各向异性效应。此外，较高的 voxels 尺寸可能会平均掉白质中的细微结构变化，导致对各向异性程度的低估。尽管如此，研究团队认为，使用更精细的分辨率数据可能有助于更准确地捕捉这些变化，尽管会牺牲单 voxel 的信噪比。

研究的主要发现表明，脑的机械行为在很大程度上受到全球边界条件的支配，而TPS则显示出与局部微结构相关的倾向。这一发现为理解脑的机械特性提供了新的视角，并可能有助于解决关于脑是否为机械各向同性的长期争论。此外，研究强调，这种非侵入性的方法能够避免传统机械测试中的许多问题，如组织样本的稀缺性、实验条件的控制以及对活体环境的模拟。因此，这种方法不仅能够提供更准确的机械特性数据，还能够更真实地反映脑的功能状态。

在结论部分，研究总结了脑在生理条件下产生的主应变方向是否能够由全球边界条件和局部微结构来解释。研究发现，基于边界条件的模型能够较好地解释FPS方向，这表明脑的拉伸方向主要受到全球边界条件的影响。而TPS方向则显示出与DTI方向垂直的倾向，这可能反映了局部微结构对压缩方向的影响。这些结果表明，脑的机械行为可能在某些情况下表现出各向异性，特别是在TPS方向上。研究还指出，尽管当前的研究结果基于观察数据，但它们为未来更深入的机械特性研究提供了基础，尤其是在开发更复杂的计算模型方面。研究团队也表示，愿意分享数据，以促进更进一步的研究和建模工作。