HealthX Talk 回顾 ｜射频加热的多物理场模型在食品加工与物理治疗中的应用
Health talk
田纳西大学食品科学博士杨然
绿遍山原白满川，子规声里雨如烟。夏至未至的第六期HealthX Talk中，我们很高兴地邀请到了田纳西大学食品科学专业的杨然博士做客HealthX Club，为我们带来了精彩的分享——射频加热的三维多物理场模型在食品加工和物理治疗中的应用。
杨然博士现就读于田纳西大学的食品科学专业，本科毕业于江南大学的食品科学学院，硕士毕业于马萨诸塞大学阿默斯特分校。现阶段的课题主要方向是运用多物理场三维模型分析和优优化微波射频加热技术处理食品的效果，以及通过固态微波源的操作参数控制来实现更好的加热效果。
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1.射频热处理的原理及应用
射频技术来源于电磁波，电磁波基本在生活中所有地方都用得到。根据电磁波波长的不同，它运用的角度、运用的方式也会不一样，如WiFi、5G，还有我们的手机信号等等，这些都是不同频率的电磁波。
一般的范围是30×10^3赫兹，到300×10^9赫兹。微波范围大概300×10^6赫兹，到300×10^9赫兹。我们比较关注微波，是因为它的波长比较小。
做热处理，希望电磁波的波长短。因为需要点对点处理对象，短波长比较好控制距离。所以，一般微博就是一米到一毫米的范围。2.45 赫兹是我们家用的微波炉的一个固定的波长。
也可以把波想象成一个毛毛虫😄，形态会有正负。相对应的下图像米老鼠头一样的就是水分子。一个水分子包括两个氢一个氧。虽然一整个水分子是电中性的，但是在两端是一正一负，会与电场产生反应，正负会挨在一起。
波在不断前进，可以想象成一个毛毛虫在往前面拱。拱一下之后是正负正就会变成负正负，相对应的水分子它就会转一个圈。这个电场是不断的往前走的，所以它的正负就是不断在变化，水分子也会不断的在那转来转去。转的速度非常快，与相邻的分子产生摩擦，摩擦生热。
食品从内部开始发热，把能量带给食物。形象化一点，就是当一个波接触到了一个食物的表面，它就会不断的把能量传递给食物，然后让水分子旋转。因为能量是守恒，水分子旋转吸收能量，波本身的能量就会越来越少，就会形成一个衰退的过程。衰退到一定程度之后，到某一个临界点，能量就消失了。
在微波炉加热一个比较体积比较大的样品，中心一般都是冷的。波不管怎么样传递，它还没有走到中间的时，它就已经没有能量了，加热就很难均匀。
食物有两个参数，一个是介电常数，一个是介电损耗。介电常数描述，波过来时，有多少能量是会穿过食物不被吸收。介电损耗就是有多少能量会被吸收。它们共同决定能量吸收的多少。
在实际过程中情况比较复杂。不同的食物的两个参数都会有不同，并且随着温度的变化，这两个参数也是在不断的变化。理想化的情况是一条电磁波过来，并逐步的衰退。这样理想化的情况是不存在的，所以就会让加热过程变得非常的复杂，用一些基础的微积分方程是没有办法解的。
总结一下微波加热的优点。比如效率很高，因为它不像煎或者油炸，那些过程都需要一个加热的介质。微波炉的话其实就不太存在这个问题，因为它就是食品自身在发热。
介电常数与介电损耗，每个材料都有不一样的参数。可以通过调节微波的波长，或者电场的强度，去处理一个样品中我们想处理的部分，尤其是水分含量高的部分是最容易吸收能量的。
在食品行业除了微波炉应用，使用较多是杀菌或者是杀虫。缺点刚才也说了，介电常数与介电损耗都是不断变化的，很难保证整个受热过程中，每一个点的参数都同时同样的在变化，所以受热是不均匀的。
2.多物理场
2021 SPRING
多物理场包括耦合了多个物理现象的计算机仿真，以及针对多个相互作用的物理性质的研究。
是一个跨学科的研究领域，涵盖科学和工程中的许多学科，杂合了数学，物理，科学，与工程应用以及数值分析等。
应用在土体固结理论，流体动力学模拟，电动力学应用，计算电磁场，传感器设计等
物理场模型的解法是基于有限元的解法，是一个三维的方法。所以我们就把空间划分成几十万个或者几百万个小块。每个块有一个顶点，对每一个点来求解。只要这个块分得足够小，它就可以描述整个空间的状况。
模拟中，我们可以用一个多物理场的有限元解法，可以计算空间电磁场，温度，湿度，杀菌程度的分布。优点是可以局部求解模拟预测，量化加热结果并做可视化如热力图，更加方便我们评价样品加热的好坏程度。，从而做相对应的改进。指导优化输入的参数。
3.肿瘤消融术
用微博治疗和检测肿瘤的原理跟加热食物是一样的。肿瘤与肿瘤边上的组织具有不同介电损耗和介电参数，肿瘤细胞的含水量高一点，更容易吸收微波的能量。这样就会有靶向治疗，微波能量传递到肿瘤里面，做一个热消融的效果。
当能量级别调低，可以升高细胞温度，但是不至于让细胞死亡，也可以来做肿瘤检测。
有各种各样的影响因素改变加热情况。并且加热不单是电磁场和热能之间的转换，热能也会有其他转化。
总的来说通过加热，处理肿瘤的原理和加热食品是一模一样的。电场通过，能量被肿瘤吸收，它的温度高到一定程度，并且时长足够的话，肿瘤细胞就会被杀死。
因为肿瘤组织它的水分含量是比健康的组织要高，所以让那些能量在穿过的时候更容易被肿瘤吸收，这样也是能保护周边的一些健康的组织。
中间部位是能量释放的地方，也是能量吸收最多的地方，10分钟就到了100多度，这是比较理想的处理癌症细胞的温度。
根据时间跟温度的关系，可以求出细胞死亡的效率。公式是与具体的温度和时间相关的，我们在求解的过程中可以把它也当成一个物理场，合并到刚刚的模型里面去计算。
切成了一个二维的图来分析。根据左边的温度，基于10分钟的计算，就可以得到右边致死率的一个图像。中间一小部分，已经达到一个比较好的致死的效果，基本上是100%死亡。外围的深蓝色的部分，没有致死的效果，这样也可以是保护健康的组织，或者知道肿瘤的尺寸的范围。
致死效果的影响，也是模拟的优势，如果有时不能实验，就可以做模拟，评估一下大概的效果。
可以看到电场的分布，就是正负正负分布。如果一个组织很正常，电场就是很均匀的，能量吸收的曲线就是很完美的衰退的形状，检测不到异样。但是如果有癌细胞，有更多的水分，就更容易吸收能量和升高温度。
通过反射，可以检测到有多少能量被吸收，有多少能量被反射的，检测下来就会产生数据，通过分析数据的异常也知道这是有肿瘤的。
以上是第六期HealthX Talk的回顾，欢迎转发，点赞，在看一键三连😄
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本期小编：刘立心，吉林大学计算机科学与技术学院大二学生，HealthX Club早期成员，对人工智能、深度学习在医学、生物学中的应用感兴趣。希望能与更多专注于医疗科技的朋友们交流学习。
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