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（A）医学图像处理后的临床病例（刚接受完血管支架手术）血管数字模型；（B）使用高精度3D打印机制成的蜡基材质的三维血管模型；（C）使用蜡基模型脱模制成的用于流体力学研究的血管通道模型（红圈之内是临床使用的血管支架）。
安贞医院的医生也来到中科院物理所的实验室，像做手术一样把真实的支架放置到三维虚拟手术的模型里，以此来探求怎么样放支架最容易，怎么样对血管壁更好。
目前我国有1/5的人口都患有心血管疾病，冠脉粥样硬化病变在临床上多采用经皮冠状动脉介入手术（PCI）放置血管支架来实现血运动能改善。而其中冠脉分叉区域病变是这些手术中最常见、预后也相对较差的病变类型，再狭窄的情况时有发生。如何将支架放置在血管内最佳位置，最大程度上降低血管再狭窄的风险，成为多年来科研人员和医生们致力解决的问题。
再狭窄的尴尬
最近，中科院物理研究所刘雳宇团队与安贞医院柳景华主任医师团队，以及力学所和中国科技大相关研究人员在这方面的合作研究有了可喜的进展。
他们创造性地利用3D打印技术制造出具有真实结构的血管模型，并开创了一套适用于三维流场观察测量的技术。该技术不但可以应用于对计算机CFD计算结果的实验验证上，还可以为未来的心血管病人，提供定制化的支架手术方案，即如何将支架放置在血管内最佳位置，最大程度上降低血管再狭窄的风险。
这项进展源于三年前一次偶然的经历。
三年前，刘雳宇的同事兼好友，首都师范大学附属安贞医院的医生告诉他这样一个典型的病例：一位60岁的老先生突发心绞痛，送到安贞医院检查，造影显示在他的血管心脏的上方出现了一个斑点，严重影响了血流。当时医生建议他立刻进行手术，手术之后支架的确把血管撑开了，血流从支架中空的地方顺畅通过，病人的病情得到缓解。可是两年之后，病人心绞痛复发，再次送医后发现这个支架处再次出现了斑块。
而这并非个例。在同类案例中，医生常常会根据临床经验来进行判断并选择相应的PCI处理策略。然而由于支架的选择以及支架放置等原因，支架手术后发生再狭窄的情况屡屡发生，给病人带来更多痛苦和伤害。如何确定病人特异性并选择最佳支架手术策略成为摆在医务人员面前的难题。
流体力学大显身手
刘雳宇团队和他的同事们接受了这个挑战。他们的办法是——三维重构。
科研人员将病人血管的医学影像重构成为一个数字化的三维模型。同时，将移植的支架也做了一个数字化重构，虚拟空间中定量的分析，研判把支架放在哪个位置，对血管壁的刺激是最小的，有可能得到最优手术方案，最大程度减少再狭窄风险。
“基于临床病例医学影像数据，我们设计了四种不同支架手术方案并分别进行了计算机计算流体力学（CFD）计算，从流体力学角度分析并比较了再狭窄的风险高低。”刘雳宇说。
不仅如此，为了让研究做得更加深入，他们还运用了最流行的3D打印技术，把病人的血管真实地打印出来。
据介绍，在这项研究中，科研人员使用的是美国3D Systems公司打印精度最高的3D打印机。其打印材料的加工精度可达16微米，最终获得透明的三维血管通道模型。
与此同时，科学家们还运用物理和工程的技术，在体外做了一个“三维虚拟手术”的模型，利用这个模型，可以把病人的血管形态清晰地体现出来。
“我们利用这个模型进行了流体实验，验证了CFD计算结果的可靠性。”刘雳宇兴奋地告诉记者。
流动的血液模型也是值得一提的。为了解决这个问题，研究组专门配置了折射系数与PDMS几乎相同的人造血液。科研人员通过将流体实验流速测量结果与CFD计算结果进行比对，发现除了个别流速很小的位置之外，体外实验测量结果与计算机CFD模拟结果的差异仅为5%左右，表现出很高的一致性，“这说明CFD的计算结果是可靠的”。
更有意义的是，安贞医院的医生也来到中科院物理所的实验室，像做手术一样把真实的支架放置到三维虚拟手术的模型里，以此来探求怎么样放支架最容易，怎么样对血管壁更好。
“由于病变是病人特异的，手术最佳方案的结果同样具有特异性，如在临床应用还需根据病人的实际情况进行个体化设定与计算。”刘雳宇特别指出这一点。
“技术的下一步研究将考虑制成具有弹性血管壁的血管模型，并尝试将血管内表皮细胞置入模型内表面实时研究内表皮细胞在动态流场作用下的物理、生物、化学等方面的表现，从而进一步揭示动脉粥样硬化的机理。” 刘雳宇说。
