ДонНТУ   Портал магистров

Тимошенко Ксения Михайловна

Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики

Кафедра радиотехники и защиты информации

Специальность Радиотехника

Исследование влияния излучения мобильного телефона на организм человека

Научный руководитель: к.т.н., доц. Паслён Владимир Владимирович

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• 3. Уровень удельной поглощаемой мощности у взрослого человека
• 4. Влияние излучения мобильного телефона на ребёнка (обзор литературы)
• Выводы
• Список источников

Введение

Применение СВЧ волн в медицине чаще всего связано с положительным эффектом, который даёт локальный прогрев определённых частей человеческого тела. Это наиболее изученная сторона электромагнитного излучения, применяемая в медицинской практике. В то же время электромагнитное излучение носит и отрицательный характер, связанный с влиянием СВЧ поля на нейронные связи межклеточной структуры, а также ДНК. Указанный эффект, а также и другие аспекты медицинского и психологического воздействия СВЧ волн на человека находятся сейчас в поле экспериментальных исследований [1].

Широкое использование сотовой связи вызвало беспокойство о возможной вредности от электромагнитного поля, излучаемого телефоном.

Анализ данной проблемы выявил, что влияние излучения сотового телефона негативно сказывается на здоровье человека, которые вызывают различные функциональные отклонения, приводящие к развитию патологических изменений.

 

 

1. Актуальность темы

Современные коммерческие программы электродинамического моделирования СВЧ структур значительно расширили круг физических задач, которые можно успешно решить и таким образом изменили многие понятия об окружающем мире [2].

Медицинские задачи, связанные с СВЧ излучением – это моделирование явлений, которые оказывают как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность живых организмов и растений. В связи с широким распространением сотовой связи в настоящее время актуальна проблема влияния на организм человека электромагнитного поля (ЭМП) излучающего устройства [4,5]. Именно благодаря моделированию возможно наглядно показать и доказать негативное влияние излучения сотового телефона. На сегодняшний день данная проблема находится в поле наиболее приоритетных среди проблем современного мира.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью исследования является построение трёх моделей взаимодействия СВЧ излучения мобильного телефона с головой пользователя-ребёнка (1-годовалого, 5-летнего и 10-летнего).

Основные задачи исследования:

1.    Изучение специализируемой литературы для выявления физических параметров слоёв головы ребёнка разных возрастов.

2.       Построение модели головы ребёнка на основе усредненных анатомических данных, моделирование мобильного телефона.

3.  Расчет удельного коэффициента поглощения электромагнитной энергии (SAR) в слоях модели головы ребёнка с выбором частот излучения, соответствующим наиболее распространенным стандартам сотовой связи.

4.       Моделирование воздействия локального нагрева тканей от СВЧ‑излучения мобильного телефона.

5.  Сравнение результатов моделирования программного продукта с результатами других исследователей и вынесение общего вердикта.

3. Уровень удельной поглощаемой мощности у взрослого человека

В различных странах принят стандарт ограничения степени воздействия на человеческий организм излучений сотового телефона. Эти стандарты обеспечивают спецификацию с точки зрения поглощения мощности на единицу массы, то есть, величину удельной поглощаемой мощности (Specific Absorption Rate), вызванной в голове пользователя при использовании мобильного телефона [6,7].

Программный продукт позволяет построить точные и реалистичные модели головы и мобильного телефона с использованием соответствующих численных методов с целью наиболее точной оценки распределения SAR в голове человека. Соответствующий поставленной задаче программный продукт CST STUDIO SUITE позволил смоделировать 3D модели изучаемых объектов и увидеть распределение SAR в голове человека. CST STUDIO SUITE – это программа трехмерного моделирования электромагнитных систем, которая позволяет использовать различные методы расчета электромагнитного поля (расчет переходного процесса во временной области, анализ в частотной области, метод нахождения собственных значений). Один из основных методов анализа ЭМП – расчет переходного процесса предоставляет возможность решать задачи исследования структур, возбуждённых радиоимпульсами, что отличает её от большинства других программных продуктов [8].

Тело человека представляет собой диэлектрический материал с большими потерями, что в свою очередь, значительно усложняет решение электродинамической задачи. Но на данный момент, определение способов уменьшения и расчет поглощаемой мощности телом человека при работе сотового телефона, является одной из приоритетных задач.

Основной метод расчета мощности, поглощаемой клетками головы пользователя, состоит в использовании специального режима вывода результатов расчета модуля электромагнитного поля: вдоль линии, пересекающей модель насквозь. В этом случае можно рассчитать зависимость модуля электромагнитного поля от удаления головы от антенны [8].

  Для моделирования действия ЭМ поля на биологические системы, задается падающее поле, часть которого поглощается в биологическом объекте и накапливает, таким образом, энергию, преобразующуюся в тепло. Характеристики скорости удельного поглощения (SAR-Specific Absorbtion Ratio) и удельного поглощения (SA) в биологических системах или моделях ткани были приняты как тестовые величины на радиочастотах. Показатель SAR [Вт/кг] определяется как производная по времени линейно возрастающей энергии, поглощенной (или рассеянной) в линейно увеличивающейся массе, зависящей от плотности материала в данном объеме. Величина SA [Дж/кг] – общая сумма падающей и поглощенной энергии, дает интегральную SAR в конечном интервале времени. Информация относительно SA и SAR может служить критерием для сравнения и экстраполяции экспериментальных результатов для различных тканей животных и людей. Это также полезно при анализе зависимостей биологических явлений в различных моделях и объектах. Определение SA и SAR ЭМП предпочтительнее, т.к. обладает следующими показателями:

1) связывает поле с реакцией биологического объекта,

2) облегчает понимание биологических явлений, и

3) не зависит от механизмов взаимодействия.

 

На основании расчёта возбужденного электрического поля E  [В/м] может быть определена величина SAR [Вт/кг] из следующего соотношения (1):

 где σ – проводимость материала в данном объеме, См/м;

Е – напряженность поля, В/м;

ρ – удельная плотность вещества, кг/м3.

Однако чаще в экспериментальной дозиметрии используют измерение подъема температуры за короткое время (<30 сек), при условии воздействия СВЧ мощности с высокой интенсивностью. Импульсный сигнал позволяет провести эти измерения без существенной конвекции тепла, термопроводности и теплового вклада в увеличение температуры ткани. В этом случае скорость изменения температуры может быть связана с SAR с помощью формулы [3]:

где ∆T – повышение температуры (°C), с – удельная теплоемкость ткани (Дж/кг °C), и ∆t – продолжительность (с) времени, за которое температура изменилась на ∆T.

Таким образом, повышение температуры ткани во время начала и всего переходного процесса поглощения ВЧ энергии пропорционально значению SAR. Важно отличать SAR и её производную, получаемую по температуре. SAR – это показатель поглощения мощности. Он не зависит от механизма возникновения тепла, который может быть вызван, например, движением, трением или другими физическими явлениями. Это величина, которая относится только к использованию электропроводности и рассеянию мощности в однородной биологической среде.

    Расчет мощности поглощения в голове пользователя мобильного телефона базируется на основе модели биологического объекта, состоящей из трёх слоёв: кожа, кость, мозги.

Для возбуждения структуры модели головы в качестве излучателя используется упрощённая модель мобильного телефона (рис.1).

4. Влияние излучения мобильного телефона на ребёнка (обзор литературы)

В последние годы значительно увеличилось использование мобильных телефонов взрослыми, молодыми людьми, детьми и престарелыми. Параллельно со стороны научного сообщества, властей и общественности возникла повышенная озабоченность по поводу безопасности этих телефонов. Наиболее многочисленной группой пользователей мобильных телефонов являются дети и подростки, организм которых наиболее чувствителен к различным неблагоприятным факторам окружающей среды [9].

Исследования ученых из Франции показали, что максимальный SAR_10г, который был оценен в моделях головы взрослых и детей, примерно одинаковый, поскольку различия малы по сравнению со стандартными отклонениями. Анализ полученных результатов также показал, что максимальный SAR_1г периферических тканей головного мозга моделей детей в возрасте от 8 до 15 лет сопоставим с максимальным SAR_1г периферических тканей головного мозга взрослых моделей. В то время как данный показатель примерно в два раза выше для моделей детей в возрасте от 5 до 8 лет, что связано, в свою очередь, с меньшими толщинами ушной раковины, кожи и черепа [10].

Некоторые исследования нескольких учёных из разных стран мира использовали метод разности конечных временных областей (FDTD) для имитации определенного коэффициента поглощения (SAR) в голове пользователя сотового телефона. В настоящее время это наиболее подходящий метод, когда задействованы высоконеоднородные структуры, для которых граничные методы имеют фундаментальные ограничения. Результаты оценки SAR показали уровни воздействия, которые значительно превышают пределы допустимых рекомендаций [11].

Для полноценного анализа были использованы результаты исследования воздействия на модели головы ребёнка с различными критериями и параметрами исследуемой модели.

Первая модель  детской головы была основана на масштабированной модели головы взрослого человека, и было  получено SAR по отношению к модели головы взрослого человека около 120 % [12]. 

Вторая модель головы ребёнка была построена при помощи магнитно-резонансеой томографии с использованием аналогичных электромагнитных параметров, таких как для взрослых, и никаких существенных различий между результатами SAR для взрослых и детей не наблюдалось [13].

Третья модель головы основана на аппроксимировании сферами с учетом некотрого изменения электромагнитных параметров и показала увеличение примерно на 20% в расчетном SAR [14].

Четвертая модель головы ребёнка, описанная в иследовании [15], также основана на масштабированной модели с исходными электромагнитными параметрами для головы взрослого человека. В данном исследовании не отмечено значительных изменений для среднего SAR во всей голове, а 35% увеличение SAR было зафиксировано только при рассмотрении воздействия на ткани мозга.

Некоторые исследования проводились с целью оценки поглощение мощности в моделях женщин и детей. 10-летнего и 5-летнего ребенка моделировали, масштабируя взрослую модель человеческого тела. Нужно отметить, что масштабирование взрослой модели человеческого тела к детским размерам не дает точную модель, так как различные органы масштабируются по-другому; однако, общие функции с точки зрения высоты и веса выполняются при учете поглощения мощности. Таким образом, были получены резонансные частоты 104 МГц для изолированной модели и 65 МГц для заземленного 10 летнего ребенка, в то время как для 5-летнего ребенка они были равны 126 и 73 МГц, соответственно [2]. В нескольких работах были исследованы масштабируемые версии взрослой модели человека, представляющие 10-, 5- и 1-летних детей, и выполнено моделирование и заземленной и изолированной модели [16]. На рис. 10 показана частотная зависимость SAR_WB, полученная для моделей трех детей в изолированных условиях и падающей плотности мощности 1 мВт/см2. Сдвиг в резонансной частоте связан с высотой модели – чем выше модель, тем ниже резонансная частота [16].

     

Рис. 10 – Частотная зависимость SAR, усредненного по всему телу, для различных

моделей детей: 10, 5, и 1 год (Мощность воздействия 1 мВт/см²)

Итак, доступные данные по поглощению мощности в моделях человеческого тела, при воздействии полями плоской волны, показывают, что выбор модели человеческого тела влияет на полученные результаты. Различия среди опубликованных данных являются обычно более сильные в локальных SAR, чем в SAR, усредненных по целому телу. Высота тела, масса, распределение ткани и состав, включая жир и мускулы, являются важными факторами в поглощении мощности и могут объяснить некоторые различия среди опубликованных данных. Другой фундаментальный аспект – значение диэлектрической проницаемости различных тканей или органов в модели тела. В случае детей, изменение в свойствах биологической ткани также может влиять на результаты расчета [17,18].

Выводы

На данном этапе работы построение моделей и исследования продолжаются. С полными выводами по данной работе можно будет ознакомиться     лишь по окончанию написания магистерской диссертации у автора работы или научного руководителя (почта указана в резюме).

          

Список источников

1. Курушин А.А. Школа проектирования СВЧ устройств в CST STUDIO SUITE. – М., ООО Сам Полиграфист, 2014, 433 с.
2. Курушин А.А. Расчет теплового поля в биологических объектах под воздействием СВЧ излучения (под редакцией д.ф.-м.н. Пермякова В.А.) – М., One-Book, 2015, 403 с.
3. Курушин А.А., Подковырин С.И. Программа анализа и проектирования СВЧ схем TOUCHSTONE/DOS. М., МГИЭМ, 1998. 251 с.
4. Григорьев Ю. Г., Григорьев О. А., Чекмарёв О. М. Биоэлектромагнитный терроризм: анализ возможной угрозы // Сотовая связь и здоровье. М., 2005. C. 204–214.
5. Кирюшин Г. В., Маслов О. Н. Сотовый телефон и экология // Вестник связи. 2004. № 8. C.48–56.
6. ICNIRP, Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic, and electromagnetic fields (up to 300 GHz) (инструкции для ограничения изменяемых во времени электрических, магнитных и электромагнитных полей (до частоты 30 ГГц), Health Phys., 1998.
7. IEEE, IEEE standard for safety levels with respect to human exposure to radio frequency electromagnetic fields, 3 kHz to 300 GHz, in IEEE Standard C95.1 (стандарт IEEE для уровня облучения человека ЭМ поля 3 кГц-300 ГГц), 1999.
8. Курушин А.А., Пластиков А.Н. Студия проектирования СВЧ устройств Microwave Studio. Книга для студентов и исследователей. – М., 2009, 250 с.
9. Курушин А.А., Подковырин С.И. Программа анализа и проектирования СВЧ схем TOUCHSTONE/DOS. М., МГИЭМ, 1998. 251 с.
10. Васильева Т.И., Сарокваша О.Ю. Влияние электромагнитного поля сотового телефона на организм человека в зависимости от возраста// Вестник СамГУ. Естественнонаучн. сер., 2012, № 3/2(94), с. 29–36.
11. Wiart J., Hadjem A., Wong M. F., Bloch I. Analysis of RF exposure in the head tissues of children and adults, Ecole Nationale Sup´erieure des T´el´ecommunications, TELECOM ParisTech, Paris, France.
12. Claudio R. Fernández, Giovani Bulla, Pedra A. C. and Alvaro. A. A. de Salles. Comparison of Electromagnetic Absorption Characteristics in the Head of Adult and a Children for 1800 MHz Mobile Phones.//Electrical Engineering Department, Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS)//Federal Center for Technological Education of Rio Grande do Sul (CEFET-RS), Brazil
13. American National Standards Institute (ANSI), IEEE C95.1-1991: IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields, 3 kHz to 300 GHz, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, USA.
14. Schoenborn F., Burkhardt M., Kuster N. Differences in energy absorption between heads of adults and children in the near field of sources, Health Phys., vol. 74, no. 2, Feb. 1998, pp. 160-168.
15. Anderson V., Comparisons of peak SAR levels in concentric sphere head models of children and adults for irradiation by a dipole at 900 MHz, Physics in Medicine and Biology, vol. 48, 2003, pp. 3263-3275.
16. Martínez-Búrdalo M., Martín A., Anguiano M. and Villar R., Comparison of FDTD-calculated specific absorption rate in adults and children when using a mobile phone at 900 and 1800 MHz, Phys. Med. Biol., vol. 49,  2004, pp. 345-354.
17. Dimbylow P.J., Fine resolution calculations of SAR in the human body for frequencies up to 3 GHz (расчет SAR в теле человека на частоте 3 ГГц), Phys. Med. Biol., 2002.
18. Gabriel S., Lau R.W., and Gabriel C., The dielectric properties of biological tissues: III. Parametric models for the dielectric spectrum of tissues (модели живой ткани), Phys. Med. Biol., 1996.
19. Gabriel C., Compilation of the Dielectric Properties of Body Tissues at RF and Microwave Frequencies (компиляция диэлектрических свойств биологических тканей на ВЧ и СВЧ), 1996.