編者按：用超級計算來實現精準醫療，一個計算數學家對人體血液流動長達20年的研究與探索，其成果讓人驚歎，其應用前景更讓人十分期待。南方週末科創力研究中心，與您分享來自最前沿的科學動態。
“看，2016年成像的血管長度大約為3000mm，2020年底變成約2500mm了，可見我真的在變老。”穿著格子襯衫的蔡小川，大方指著PPT上的圖片自我調侃，臺下聽眾們瞬間瞪大了眼睛，試圖從兩張看起來差不多的圖片裡找出更多不同來。
2021年10月下旬，在全國高效能計算學術年會（CCF HPC China 2021）上，來自澳門大學數學系的教授蔡小川，展示了自己腦血管的分析結果，包括腦血管結構圖和計算得到的生物力學分佈圖，如壓力、血流速度、血流量、壁面剪下力等。
血流量圖顯示，他在2016年總腦血流量是5位數（毫升），2020年降至4位數。蔡小川說，透過每年損失的血流量資料，可以獲知人的老化速度，監測老化的過程。
用影象、資料監控自己的老化速度，這看起來似乎有些瘋狂，但監控血液變化、預防心血管疾病的需求十分迫切。心血管疾病正在成為困擾人類生命健康的重要原因，中國國家心血管病中心釋出的《中國心血管健康與疾病報告2019》推算，中國心腦血管病現患病人數達3.3億人，其中腦卒中1300萬、冠心病1100萬。
蔡小川的主要研究領域是計算數學，卻一不小心跨界到了醫療。最近二十多年裡，他想方設法計算人體血管中的血流，試圖基於心腦血管的幾何形狀，研發針對心腦血管疾病的精準醫療。這次他在大會上作了《在超級計算機上模擬全尺寸人體內的血液流動》的報告。
圖說:蔡小川在全國高效能計算學術年會（CCF HPC China 2021）演講
常規醫學影像技術只能看到血管的幾何形狀，測量的資料都是靜態的，而人體的血液是動態的，蔡小川團隊試圖用計算的方式實現對血管動態資料的監測。
從計算數學的角度來模擬人體血液在血管中的流動，相當於求解一系列的生物力學方程。蔡小川分享了一個多物理耦合方程組，其中包括描述血管形變的彈性力學方程和刻畫血液流動的流體力學方程，這套方程叫做流體和固體耦合方程，它包括了所有血液流動和血管壁的力學資訊，包括壓力、速度、形變等。
尋找這個方程的解需要巨大的計算量。早期，蔡小川團隊只是計算一小段血管，短短几釐米卻需要一個月的CPU時間，計算得出的結果只有學術意義，並沒有臨床價值。
前後醞釀了20年，他與中科院深圳先進技術研究院的工程與科學計算團隊合作，掃描並提取了一名志願者全身直徑大於1mm的所有動脈血管的資訊，用一套基於區域分解方法的並行演算法，在國產超級計算機天河二號上，最近終於成功模擬了全尺寸人體內的血液流動。
他們的研究成果，也為今天的臨床醫學，提供了一些不一樣的思路。
一位患有高血壓的志願者，成為他們的研究物件。
人體器官多為24小時運作，每個器官都有最小供血量。如果這些器官出現“堵塞”，心臟為了讓該器官的最小供血量不低於最小值，會主動加大壓力，把全身的壓力都加大，其後果就是高血壓。
高血壓病人一般透過降壓藥使得身體血壓保持在正常數值，但最好的辦法是找到病因，也就是出現異常的器官。這件事情臨床醫生很難做到，但可以利用超算進行大量的數值模擬來完成。
蔡小川團隊掃描這位志願者的血管，然後透過計算來尋找出現異常的部位，最後發現問題出在腸道血管上，隨即進行了針對性的模擬治療，達到了降低血壓的效果。
他們的另外一個研究，是關於人體心臟的生物力學計算。
透過求解血液流動、心肌的運動和電場方程，蔡小川團隊實現了一個真實病例完整心臟的生物力學模擬分析。這個數字孿生心臟，可以用來預測心臟疾病的可能結果，比如區域性心肌的梗死對心臟的泵血能力、心電等的影響。
另外，醫生在給心血管狹窄病人做支架手術前，一般需要將一根很細的壓力導絲插入到心血管狹窄部位的前後端，以測量兩個點之間的壓力比值，以幫助醫生判定是否要放置支架。這個手術不大，但存在一定風險，且成本很高。
蔡小川團隊利用數值模擬的方式，研發了一套無創的心血管疾病評估方法。為了驗證計算結果，他們做了臨床對比。醫生透過放置導絲來測量壓力值，他們透過計算來計算壓力值。最後發現，兩種方法得出的結果吻合度非常好。
事實上，在導絲測量過程中，即使導絲直徑很細小（0.3~0.4毫米），它進入血管時，還是會不可避免地擋住血管內血液流動，測試出來的結果與真實血液流動情況存在差異。而在計算過程中，可以移除導絲的干擾。某種意義上，計算比臨床測量還要準。
南方週末研究員 唐家樂
