蔡小川用超算模拟人体血液流动

「本文来源：南方周末」

编者按：用超级计算来实现精准医疗，一个计算数学家对人体血液流动长达20年的研究与探索，其成果让人惊叹，其应用前景更让人十分期待。南方周末科创力研究中心，与您分享来自最前沿的科学动态。

“看，年成像的血管长度大约为mm，年底变成约mm了，可见我真的在变老。”穿着格子衬衫的蔡小川，大方指着PPT上的图片自我调侃，台下听众们瞬间瞪大了眼睛，试图从两张看起来差不多的图片里找出更多不同来。

年10月下旬，在全国高性能计算学术年会（CCFHPCChina）上，来自澳门大学数学系的教授蔡小川，展示了自己脑血管的分析结果，包括脑血管结构图和计算得到的生物力学分布图，如压力、血流速度、血流量、壁面剪切力等。

血流量图显示，他在年总脑血流量是5位数（毫升），年降至4位数。蔡小川说，通过每年损失的血流量数据，可以获知人的老化速度，监测老化的过程。

用图像、数据监控自己的老化速度，这看起来似乎有些疯狂，但监控血液变化、预防心血管疾病的需求十分迫切。心血管疾病正在成为困扰人类生命健康的重要原因，中国国家心血管病中心发布的《中国心血管健康与疾病报告》推算，中国心脑血管病现患病人数达3.3亿人，其中脑卒中万、冠心病万。

蔡小川的主要研究领域是计算数学，却一不小心跨界到了医疗。最近二十多年里，他想方设法计算人体血管中的血流，试图基于心脑血管的几何形状，研发针对心脑血管疾病的精准医疗。这次他在大会上作了《在超级计算机上模拟全尺寸人体内的血液流动》的报告。

图说:蔡小川在全国高性能计算学术年会（CCFHPCChina）演讲

常规医学影像技术只能看到血管的几何形状，测量的数据都是静态的，而人体的血液是动态的，蔡小川团队试图用计算的方式实现对血管动态数据的监测。

从计算数学的角度来模拟人体血液在血管中的流动，相当于求解一系列的生物力学方程。蔡小川分享了一个多物理耦合方程组，其中包括描述血管形变的弹性力学方程和刻画血液流动的流体力学方程，这套方程叫做流体和固体耦合方程，它包括了所有血液流动和血管壁的力学信息，包括压力、速度、形变等。

寻找这个方程的解需要巨大的计算量。早期，蔡小川团队只是计算一小段血管，短短几厘米却需要一个月的CPU时间，计算得出的结果只有学术意义，并没有临床价值。

前后酝酿了20年，他与中科院深圳先进技术研究院的工程与科学计算团队合作，扫描并提取了一名志愿者全身直径大于1mm的所有动脉血管的信息，用一套基于区域分解方法的并行算法，在国产超级计算机天河二号上，最近终于成功模拟了全尺寸人体内的血液流动。

他们的研究成果，也为今天的临床医学，提供了一些不一样的思路。

一位患有高血压的志愿者，成为他们的研究对象。

人体器官多为24小时运作，每个器官都有最小供血量。如果这些器官出现“堵塞”，心脏为了让该器官的最小供血量不低于最小值，会主动加大压力，把全身的压力都加大，其后果就是高血压。

高血压病人一般通过降压药使得身体血压保持在正常数值，但最好的办法是找到病因，也就是出现异常的器官。这件事情临床医生很难做到，但可以利用超算进行大量的数值模拟来完成。

蔡小川团队扫描这位志愿者的血管，然后通过计算来寻找出现异常的部位，最后发现问题出在肠道血管上，随即进行了针对性的模拟治疗，达到了降低血压的效果。

他们的另外一个研究，是关于人体心脏的生物力学计算。

通过求解血液流动、心肌的运动和电场方程，蔡小川团队实现了一个真实病例完整心脏的生物力学模拟分析。这个数字孪生心脏，可以用来预测心脏疾病的可能结果，比如局部心肌的梗死对心脏的泵血能力、心电等的影响。

另外，医生在给心血管狭窄病人做支架手术前，一般需要将一根很细的压力导丝插入到心血管狭窄部位的前后端，以测量两个点之间的压力比值，以帮助医生判定是否要放置支架。这个手术不大，但存在一定风险，且成本很高。

蔡小川团队利用数值模拟的方式，研发了一套无创的心血管疾病评估方法。为了验证计算结果，他们做了临床对比。医生通过放置导丝来测量压力值，他们通过计算来计算压力值。最后发现，两种方法得出的结果吻合度非常好。

事实上，在导丝测量过程中，即使导丝直径很细小（0.3~0.4毫米），它进入血管时，还是会不可避免地挡住血管内血液流动，测试出来的结果与真实血液流动情况存在差异。而在计算过程中，可以移除导丝的干扰。某种意义上，计算比临床测量还要准。

南方周末研究员唐家乐