给我一个支点,给我一个课题

2013年的某一天,华夏文摘的一个著名作家,陪着一个漂亮社会活动家,来我们实验室参观,并听取我们领导汇报新发明的抗癌法。社会活动家社会能量大,或许能帮我们找到研究经费。作家一进门便说:“最近在读程抱一。程抱一,知道吗?他说的一生二、二生三、三生万物,你们肯定都没听说过。”我心里笑笑。程抱一我早就读过。七年前,还读过孙惠芬一篇小说,《三生万物》,里面就有“一生二、二生三、三生万物”。当然,作家的意思,不是我们没听说过,而是我们不可能懂得那话后面的道理。那道理,太博大精深,深邃玄妙,不是一般人能明白的。我当然也不明白,也不想弄明白这种宏大道理,因为我正为一个微小得不能再微小的课题——恒定功率射频消融数学模拟——伤透脑筋。

射频消融是医学上的一个物理疗法。就是在人体内需要治疗的某一位置,插入电极,引入射频电流,产生热能(物理上称作焦耳热),烧死(即消融)电极附近的细胞团。因为癌肿瘤也是细胞团,所以射频消融可以用来治疗实体癌,例如肝癌,肺癌,肾癌等。医学上也有用射频消融来处理心血管痉挛,就是把痉挛的地方烫死,它就不痉挛了。与外科手术切除癌肿瘤相比,射频消融的优点是对人体的损伤很小,属于微创手术。

所谓射频电流,就是频率500千赫左右的交流电。从电网进入我们家里线路的交流电,频率是50赫兹,属于低频电流,不能引入人体,会干扰心脏跳动,导致猝死。而微波炉里电磁波的频率是2450兆赫,也不能引入人体,会伤及电极周围无辜脏器。射频电流的频率,不低不高,恰好能避免以上两个损害,可以安全地引入人体。这想起来,真是有点奇怪。为什么上帝造人时,要给电流进入人体,留下一个安全频率窄门?当然,上帝预先留下这样一个窄门是一回事儿,发现这个窄门是另一回事儿。那需要智慧,耐心和运气。是谁发现的?我尚未查到。

我不是学医的,自然不可能真的拿根电极插入人体。我研究的是,怎样用数学,在计算机上,模拟射频电流消融过程。

为什么要模拟呢?因为可以事先优化治疗参数(电压,电流,功率,时间,温度分布),预测治疗效果。射频电流消融是个由电生热的过程。用数学模拟,至少须求解两个偏微分方程,一个是电势方程(拉普拉斯方程),另一个是热传导方程。这样求解的一个基本假设,是忽略射频电流的频率影响,也就是把交流电当作直流电来求解。迄今为止,我看过超过100篇关于射频消融数学模拟的论文,全都基于这个基本假设。至于为什么?我没见人给出长度超过一句话的解释。当然,如果不忽略,数学模拟的困难,立想而知:频率500千赫,即每秒钟发生50万次正负变化的电压和电流,你如何模拟?而且还要模拟到大约10分钟射频消融的实施过程,也就是说,10分钟内,电压和电流要变化,10x3600x50万=18.000.000.000次,您能不头晕,知繁而退吗?

前面说过,我正为一个微小得不能再微小的课题——恒定功率射频消融数学模拟——伤透脑筋。微小,不是因为射频消融数学模拟,而是因为定语,“恒定功率”。恒定功率条件下的射频消融数学模拟,目前世界上只我一人在研究,也只是为了一个人,因为这个人在作了十多年,如今仍在做的博士论文里,把大多数射频消融实验的功率,设定为50瓦。这个条件,对他毫无困难,只需在实验时,扭动射频机上的一个旋钮,将旋钮上方视频里的显示数字调为“50”就行了,而我,则为这个“50”,伤透脑筋。

为什么?因为人体组织的电阻率不是常数,它随温度变化。而射频消融就是要让人体组织的局部温度,由37度上升到可以热死细胞的水平(大于42摄氏度,小于100度)。因此,在射频消融中,电极附近人体组织的局部温度是一定要变化的,因而电阻率也是一定要变化的。而电阻率的变化,又导致电流和电压的变化。我们知道,功率等于电流x电压。按照欧姆定律,电流=电压/电阻。于是,功率又等于电压的平方/电阻。也就是说,如果电阻变化,则电压也要作相应的变化,才能保证功率不变。

问题在于,任给一个大块区域(例如人体内的一块组织),其中任意两点间的电阻,竟然没办法直接计算,即使知道区域介质(例如人体组织)的电阻率如何变化!

起初,我不敢相信,这么个简单问题,电学搞到现在,怎会还没有解决?查了很多书,又问了许多人,没得到明确回答。但现在我相信,确实是这样。这想想也公平。因为,这就如同在固体力学里,任给一个区域,要计算任意两点间的位移或力场,也是没有公式直接能求解的,需要用有限元或其它数值方法作近似计算。但区别在于,如果您问我,或者任何一个教过弹性力学的人,什么情况下,有分析解,什么情况下没有,我,或他/她,可以立刻告诉您。但在电学上,我打听到现在,没人,也没书,告诉我类似问题的答案。说明什么呢?我相信,说明不仅公众的电学造诣差,而且电学专家的电学造诣,也差于力学老师的力学造诣。(以上写于2014年6月,待续)

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