Диэлектрические свойства человеческого мозга, измеренные менее 10‑ти часов после смерти

Аннотация

Г. Шмид, Г. Нойбауер, П. Р. Мазл Диэлектрические свойства человеческого мозга, измеренные менее 10‑ти часов после смерти После того, как эксперименты на животных показали, что электропроводность ткани головного мозга в диапазоне частот от 800 до 2450 МГц уменьшается после смерти, были проведены серии измерений на 20‑ти человеческих мозгах в период времени от 3‑х до 10‑ти часов после смерти. Анализ результатов измерений, полученный на свежей ткани, дал среднее значение электропроводности серого вещества, несколько превышающее значения, приведенные на сегодняшний день в литературе. Сравнение средней электропроводности после смерти мозга подтверждает наблюдения из экспериментов над животными, хотя степень снижения находится в пределах стандартного отклонения измерений.

Общая постановка проблемы

Проводимость Σ и диэлектрическая проницаемость ε ткани человека являются фундаментальными параметрами в радиочастотной дозиметрии, из‑за их роли в распределении поля внутри тела. Кроме того, электрическая проводимость σ связана с удельным коэффициентом поглощения (SAR) через уравнение:

где SAR — это количество поглощенной радиочастотной мощности на единицу массы ткани, измеряется в Вт/кг. Другая физическая величина в (1) — напряженность электрического поля Е внутри ткани и плотность массы р ткани.

Электромагнитный смог — это загрязнение среды обитания человека неионизирующими излучениями от устройств использующих, передающих и генерирующих электромагнитную энергию и возникающие из‑за несовершенства техники или нерационального ее применения.

Все системы дозиметрической оценки, используемые в настоящее время, то есть, измерительные системы и программы компьютерного моделирования, в основном опираются на знание диэлектрических свойств тканей организма. Следовательно, результаты радиочастотной дозиметрии могут быть так же точны, как измеренные значения диэлектрических свойств ткани. Ввиду их важности, диэлектрические свойства биологических тканей изучаются на протяжение многих лет. Наиболее доработанные и известные публикации материалов вышли в 1996 году [1, 2, 3]. Записи предоставили исчерпывающий обзор литературы, дополненный измерениями и деривациями параметрических моделей для человечеких тканей в диапазоне частот от 10 Гц до 20 ГГц. Однако почти все работы, упомянутые выше, основаны на измерениях вырезанных тканей животных около 2‑х часов после смерти или вскрытии тела человека через 24 часа после смерти и более. Лишь несколько публикаций, включенных в обзоре литературы [1] показали результаты измерения тканей животных в естественных условиях. Важными остаются вопросы: изменяются ли диэлектрические свойства тканей человека после наступления смерти? Если да, то в какой степени?

Быстрый рост и общественное использование современного оборудования мобильной связи в наши дни, подтолкнули к задаче вычисления SAR, подводимой к голове человека при пользовании мобильным телефоном.

Поэтому стали необходимы точные значения диэлектрических свойств живых тканей головы человека в диапазоне частот от 800 до 2450 МГц. Поскольку живые ткани головы человека недоступны (за исключением эпидермиса), мы разработали пошаговый подход для определения изменений в тканях после наступления смерти в диапазоне интересующих нас частот. На первом этапе мы провели эксперименты на животных — свиньях, в результате чего мы измеряли диэлектрические свойства серого вещества головного мозга при переходе от жизни к смерти, как это описано в [4, 5]. На втором этапе были выполнены диэлектрические измерения на 20‑ти человеческих мозгах, меньше 10‑ти часов после наступления смерти, во время запланированной процедуры вскрытия. В нашей работе мы первым делом сконцентрировали внимание на ткани серого вещества, потому что эта часть мозга наиболее подвержена влиянию оборудования мобильной связи. Внешние слои тканей головы человека оказывают фундаментальное влияние на результаты поглощения радиочастот головой, поэтому кости черепа и кожа будут учитываться в нашей дальнейшей работе.

Материалы и методы

Все измерения на мозге человека были проведены во время процедуры вскрытия сразу же после иссечения головного мозга. В исследование были включены только мозги со временем 10 часов и менее после смерти. Извлеченный головной мозг помещают в пластиковое блюдо и измеряют диэлектрические свойства в диапазоне частот от 800 до 2450 МГц на 4‑х конкретных позициях на левой и правой височной долях (рис. 1). Измерения были выполнены без твердой мозговой оболочки, однако паутинная мозговая оболочка осталась неповрежденной в области измерений. Височная доля была выбрана в качестве целевой области, поскольку она считается наиболее подверженной при использовании мобильного телефона. После измерений, которые длились около 30‑;ти минут, мозги были изучены в соответствии с обычной процедурой вскрытия. Были исключены мозги пациентов, которые страдали от неврологических заболеваний.

Для всех измерений использовался коаксиальный зонд (HP85070B) вместе с анализатором электрических схем (HP8722C) (рис. 2). Температура ткани в непосредственной близости от зоны измерений регистрировалась с использованием волоконно‑оптического измерительного устройства Luxtron 790.

В общей сложности были собраны данные в 160‑ти различных точках на 20‑ти человеческих мозгах (10‑ти мужских и 10‑ти женских), которые соответствуют критериям измерения. Средний послеоперационный смертный возраст ткани составило 6,7 часа (мин. 3 часа, макс. 10 часов), стандартное отклонение 1,6 часа. Средняя температура ткани при измерениях была 21,35 °С (мин. 18 °C, макс. 25 °С), стандартное отклонение 1,57 °С. Возраст больных на момент смерти был в среднем 70,4 лет (мин. 47,5 лет, макс. 87,6 лет), стандартное отклонение 9,9 лет

Результаты

Ниже мы приводим значения электропроводности из‑за их значимости по отношению к максимальной мощности радиочастотного поглощения. Кроме того, эксперименты на животных [4, 5] показали большее изменение проводимости ткани головного мозга при переходе от жизни к смерти, чем для диэлектрической проницаемости

На рисунке 3 показаны необработанные данные измерений электропроводности образцов серого вещества при 900 и 1800 МГц соответственно. Для каждого головного мозга среднее значение рассчитывали из 8‑ми одиночных измерений, температура ткани отличалась и колебалась от 18 до 25 °C. С правой стороны общее среднее значение ± стандартное отклонение дается для всех 20‑ти головных мозгов, то есть, для 160‑ти единичных измерений. Также на рисунке 3 показана средняя проводимость 1,17 См/м (стандартное отклонение 0,11 См/м) на частоте 900 МГц и 1,64 См/м (стандартное отклонение 0,13 См/м) на 1800 МГц соответственно. На первый взгляд, эти значения проводимости согласованы с величинами, используемыми сегодня в радиочастотной дозиметрии. Однако следует учитывать, что представленные данные соответствуют средней температуре ткани 21,35 °C, как известно, проводимость серого вещетсва имеет положительный температурный коэффициент [6, 7]. Это указывает на то, что фактическая проводимость живой ткани мозга при 37 °C, несколько выше, чем показано на рисунке 3. К сожалению, информации о температурных коэффициентах проводимости мозговой ткани крайне мало. Наши собственные измерения, выполненные в пробирке на головном мозге свиньи дали 1,2 %/ °C при 900 МГц и 0,8 %/ °C при 1800 МГц. Используя эти температурные коэффициенты для экстраполяции, измеренные данные при температуре тела 37 °С приведут к средним значениям проводимости 1,39 См/м (стандартное отклонение 0,14 См/м) на частоте 900 МГц и 1,84 См/м (стандартное отклонение 0,16 См/м) при 1800 МГц соответственно, выше, чем используемые сегодня в дозиметрической оценке значения. Наряду с положительным температурным коэффициентом, второй эффект, который увеличивает значения данных на рисунке 3, это быстрое снижение электропроводности после смерти. Эксперименты на животных, проведенные на свиньях [4, 5] показали, что среднее уменьшение электропроводности серого вещества лежит в области от 10% до 15% в течение первых 30‑ти минут после смерти.

Мы не можем подтвердить данное поведение, исходя из измерений, проведенных на мозгах человека, потому что не представляется возможным иметь доступ к ткани мозга менее чем через 3 часа после смерти.

Выводы

Значения электропроводности человеческого мозга (серого вещества) измерялись в промежутке от 3‑х до 10‑ти часов после смерти в диапазоне рабочих частот от 800 до 2450 МГц, фактическая электропроводность живого серого вещества выше, чем используется на сегодняшний день в радиочастотной дозиметрии. Как показали эксперименты на животных, предполагаемое десятипроцентное снижение проводимости в первые 30 минут после смерти, будет фактическим равнятся электропроводности живого серого вещества, которое выше значений, используемых сегодня в рассмотренном диапазоне частот. Подтвердив это, возможно оказать значительное влияние на радиочастотную дозиметрию, и возникнет необходимость учитывать, что не только проводимость тканей головного мозга оказывает влияние на поглощение энергии в человеческой голове. Наружные слои внешних тканей, такие как кожа и кости черепа, должны быть исследованы в отношении их фактических диэлектрических свойств. Если во внешних тканях есть значительные различия в их диэлектрических свойствах в естественных условиях и после смерти, то это повлияет на поглощение мощности внутри человеческой головы.

Список использованной литературы

1. C. Gabriel, S. Gabriel, E. Corthout, // “The dielectric properties of biological tissues: I. Literature Survey,“ Phys. Med. Biol. 41 2231-49, 1996.
2. S. Gabriel, R. W. Lau, C. Gabriel, // “The dielectric properties of biological tissues: II. Measurements in the frequency range 10 Hz to 20 GHz,“ Phys. Med. Biol. 41 2251-69, 1996.
3. S. Gabriel, R. W. Lau, C. Gabriel, // “The dielectric properties of biological tissues: III. Parametric models for the dielectric spectrum of tissues,“ Phys. Med. Biol. 41 2271-93, 1996.
4. G. Schmid, G. Neubauer, F. Alesch, U.M. Illievich, “In Vivo / In situ Measurements on Pig Brains for Determining Dielectric Property Changes in the Time Period Around Death,“ The Bioelectromagnetics Society (BEMS), Milleniums Workshop on Biological Effects Electromagnetic Fields, Crete, Greece, October 2000, Proceeding Book pp. 215-222.
5. G. Schmid, G. Neubauer, F. Alesch, // “Changes in Dielectric Properties (800-1900 MHz) of Pig Brain Tissue in the Transition from Life to Death,“, Poster Presentation at the 24th annual meeting of the Bioelectromagnetics Society (BEMS), Quebec, Canada, June 2002, Abstract Book, in press.
6. C. H. Durney, H. Massoudi, M.F. Iskander, // “Radio Frequency Dosimetry Handbook“, 4th Edition, Brooks Air Force Base USAFSAM-TR-85-73, 1986. 7. F. A. Duck, // “Physical Properties of Tissue: A Comprehensive Reference Book“, Academic Press, Harcourt Brace Jovanovich, Publishers, 1990, ISBN 0-12-222800-6.