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心脏支架手术方案“私人定制”

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心脏支架是治疗冠状动脉狭窄的主要手段,但什么情况下放支架?放几个支架?支架放到什么位置最合适?这些问题一直没有相关标准,目前更多的是依赖于医生的经验判断。日前,物理学家和医学家合作,想出了一个新办法——个体化的心血管三维模拟技术。科学家们展望,这种技术能够帮助医生制定最佳手术方案,方便医患沟通;同时,结合医疗大数据,能让治疗更系统、更严谨。


模拟计算与3D打印助力个性化治疗


中科院物理所研究员刘雳宇是这项研究的主要负责人。他介绍说:“支架介入治疗往往依靠医生的经验,医生会根据冠状动脉的斑块分布、分叉角度、血管直径等解剖学特征,来决定是否手术和手术方案。”但是,病人的个体差异比较大,因此有时候经验并不可靠,“由于支架选择和支架放置等因素,手术后再狭窄的情况屡屡发生,病人就需要再手术”。


那么,有没有一种方法,可以将经验与病人个体情况结合在一起,从而实现精准医疗?


基于临床病例医学影像数据,刘雳宇团队与安贞医院柳景华主任医师团队一同通过医学图像处理的方法重建了患者的真实血管形状,并根据临床医生的建议,使用计算机辅助设计的方法虚拟设计了四种支架放置位置不同的手术方案,并分别进行了计算机流体力学模拟计算。


刘雳宇说:“简单地说,血液在血管中流动,血液够不够用、对血管壁的压力有多大、是不是存在危险、后续会不会出现狭窄等问题,从物理学角度上看很大一部分都是流体力学的问题。因此我们设计了几种计算程序,将病人的一些数据带入后,就能构建其心血管的三维图像,进而得出患者是否需要支架,并进一步计算出支架该放多少个以及放在什么位置。”


为了验证模拟情况的准确度,研究人员利用3D打印技术和微流体芯片加工工艺,成功制造出具有真实三维结构的血管模型,并利用该模型实施了流体实验。测量结果显示,与计算机模拟结果的差异仅为10%左右。刘雳宇说:“这说明我们设计的流体力学模拟计算结果是可靠的。”


未来将开发便利的APP应用服务


刘雳宇说,团队未来研究的应用拓展是能在智能移动终端如智能手机上应用的APP程序。团队成员之一、中科院物理所的容晓晖博士这样描述该款APP:“在医院进行仪器检查并获得医学影像数据后,患者可首先将个人图像数据通过专用APP上传至云端。之后工程师将会根据图像类型和品质,选择并调整算法以获得三维重建出的血管模型。在我们的设计中,这个模型可以自由旋转、放大、测量,能给医生和病人最为形象直观的认识,而患者则可以免费使用这一基本应用及服务。”


接下来,工程师会根据医生建议,用计算机辅助设计的方法模拟几种可能的手术方案,并使用计算机物理建模计算,得到分析流场、力分布以及特定的临床指标,并将所有计算结果反馈给医生。医生得到这些计算结果后,将根据临床知识和经验确定最佳手术方案,然后再将通俗化诊断结果以及建议的手术方案反馈给患者。


“这还不是我们的最终目标。”刘雳宇说,“接下来我们希望可以及更多临床医生合作,建立病例大数据库。”他解释说,患者个体差异很大,“具体的手术方案制定不仅和支架选择和放置有关,还可能和生活习惯、体质、患病史、性格等多种因素有关”,但是这些数据要有足够的临床病例做支持,“我们将在这些数据的基础上开展系统、严谨的临床比对以及医学统计,并最终确定可靠的技术方案”。


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