使用导波光学相干弹性成像全面表征动脉组织的非线性粘弹性特性

为什么动脉的弹性很重要

每一次心跳都会在动脉中激起压力波，血管壁的伸展、回弹和能量耗散方式有助于维持顺畅的血流。此类机械行为的细微变化与高血压、动脉瘤和其它心血管疾病相关。然而，目前大多数临床检测只能看到血管的粗略平均刚度，而无法分辨血管壁不同层的行为或这些性质如何随心跳节律变化。本研究引入了一种光学技术，它能“倾听”动脉壁中的微小波动，并用这些信息逐层构建血管的详细力学轮廓。

倾听动脉壁中的微小波动

研究人员采用了一种称为光学相干弹性成像的方法，它是高分辨率光学成像的近亲。他们取用猪主动脉切片，在两方向上轻柔拉伸，并用一个小振动探头沿平展的动脉壁激发显微波纹。扫描光束测量表面对这些激励的位移响应。这些导波主要以两种模式传播：一种以弯曲运动为主，另一种以面内拉伸为主。由于波在较硬的材料中传播更快且其速度随频率变化，通过在广泛频率范围内分析这些运动，可以揭示组织对剪切（滑移）和拉伸的阻抗，类似于用不同音高敲击鼓皮来推断其张力和结构。

剥离不同层与方向

动脉壁并不均匀：内层的中膜含有丰富的弹性纤维，而外层的外膜则充满波状的胶原纤维，这些纤维在血管拉伸时拉直并承担载荷。使用分层材料中波传播的数学模型，团队分离了这两层以及壁内两个方向的力学贡献：环向（围绕血管）和轴向（沿血管长度）。他们发现，随着动脉被拉伸，剪切和拉伸刚度都增加，且血管在环向上始终比轴向更为刚硬。在低拉伸时，中膜略微更硬，但当张力上升到与心搏相近的水平时，外膜迅速变得远比中膜更刚硬，凸显出在生理压力下胶原纤维如何接管承载任务。

从弹性到能量耗散

真实的组织不仅仅是弹簧；它们也是粘弹性的，意味着在每个加载循环中既暂时储能又耗散能量。为刻画这种行为，作者使用了分数阶粘弹性模型，将血管壁视为一个弹性弹簧和一个能够捕捉迟缓、幂律响应的“spring-pot”元件的组合。将该模型拟合到测得的波速数据后，他们显示出：随着动脉被拉伸，其有效黏性和能量损失下降，而弹性刚度上升。换句话说，预拉伸的动脉壁更像一个高效的弹簧，而不是被强烈阻尼的减震器。对波在传播过程中衰减快慢的测量也证实了这一图景：较高的拉伸导致更小的衰减，与较低的黏性损失一致。

去除胶原会发生什么

为探查哪些微观成分生成这些力学特性，团队对部分动脉样本进行了化学处理，选择性降解胶原而在很大程度上保留弹性蛋白网络。处理后，血管壁变薄且在剪切和拉伸方向上都明显变软，证实了胶原在高应变下使动脉强韧的关键作用。然而，粘性部分的变化远小于弹性刚度的变化。这表明在适度拉伸水平下，胶原对整体强度至关重要，但并非粘弹性耗散的主要来源；弹性蛋白和壁内充液的微结构很可能在动脉每次心跳的能量耗散中发挥更重要的作用。

这对心血管健康意味着什么

通过将超精细的光学测量与先进的波动与材料模型相结合，这项工作提供了血管壁在拉伸时如何变硬并降低黏性的分层详图。对非专业读者来说，结论是：健康的动脉像是智能的、多层的弹簧——胶原和弹性蛋白纤维分担载荷，使血管在保持强度的同时在数十亿次心跳中仍能高效节能。这种新的光学方法最终有望帮助医生评估这种平衡的微小改变——例如外层的早期硬化或异常的能量损失——在其演变为明显血管疾病之前，实现更早的诊断和更精确的治疗目标化。

引用: Jiang, Y., Li, GY., Wang, R. et al. Comprehensive characterization of nonlinear viscoelastic properties of arterial tissues using guided-wave optical coherence elastography. Commun Phys 9, 66 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02502-0

关键词: 动脉生物力学, 光学相干弹性成像, 血管硬化, 粘弹性组织, 胶原与弹性蛋白