Русский  English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Застосування НВЧ хвиль в медицині найчастіше пов'язано з позитивним ефектом, який дає локальний прогрів певних частин людського тіла. Це найбільш вивчена сторона електромагнітного випромінювання, що застосовується в медичній практиці. У той же час електромагнітне випромінювання носить і негативний характер, пов'язаний з впливом НВЧ поля на нейронні зв'язки міжклітинної структури, а також ДНК. Зазначений ефект, а також і інші аспекти медичного і психологічного впливу НВЧ хвиль на людину знаходяться зараз в полі експериментальних досліджень [1].

Широке використання стільникового зв'язку викликало занепокоєння про можливу шкідливість від електромагнітного поля, випромінюваного телефоном.

Аналіз даної проблеми виявив, що вплив випромінювання стільникового телефону негативно позначається на здоров'ї людини, які викликають різні функціональні відхилення, що призводять до розвитку патологічних змін.

1. Актуальність теми

Сучасні комерційні програми електродинамічного моделювання НВЧ структур значно розширили коло фізичних задач, які можна успішно вирішити і таким чином змінили багато понять про навколишній світ [2].

Медичні завдання, пов'язані з НВЧ випромінюванням [3] – це моделювання явищ, які надають як позитивне, так і негативний вплив на життєдіяльність живих організмів і рослин. У зв'язку з широким розповсюдженням стільникового зв'язку в даний час актуальна проблема впливу на організм людини електромагнітного поля (ЕМП) випромінювального пристрою [4,5]. Саме завдяки моделюванню можливо наочно показати і довести негативний вплив випромінювання стільникового телефону. На сьогоднішній день дана проблема знаходиться в полі найбільш пріоритетних серед проблем сучасного світу.

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Метою дослідження є побудова трьох моделей взаємодії НВЧ випромінювання мобільного телефону з головою користувача-дитини (1-однорічного, 5-річного і 10-річного).

Основні завдання дослідження:

1. Вивчення спеціалізіруемой літератури для виявлення фізичних параметрів шарів голови дитини різного віку.

2. Побудова моделі голови дитини на основі усереднених анатомічних даних, моделювання мобільного телефону.

3. Розрахунок за питомим коефіцієнтом поглинання електромагнітної енергії (SAR) в шарах моделі голови дитини з вибором частот випромінювання, відповідним найбільш поширеним стандартам стільникового зв'язку.

4. Моделювання впливу локального нагрівання тканин від НВЧ-випромінювання мобільного телефону.

5. Порівняння результатів моделювання програмного продукту з результатами інших дослідників і винесення загального вердикту.

3. Рівень питомої поглинаючої потужності у дорослої людини

У різних країнах прийнятий стандарт обмеження ступеня впливу на людський організм випромінювань стільникового телефону. Ці стандарти забезпечують специфікацію з точки зору поглинання потужності на одиницю маси, тобто, величину питомої поглинається потужності (Specific Absorption Rate), викликаної в голові користувача при використанні мобільного телефону [6,7].

Програмний продукт дозволяє побудувати точні і реалістичні моделі голови і мобільного телефону з використанням відповідних чисельних методів з метою найбільш точної оцінки розподілу SAR в голові людини. Відповідний поставленому завданню програмний продукт CST STUDIO SUITE дозволив змоделювати 3D моделі досліджуваних об'єктів і побачити розподіл SAR в голові людини. CST STUDIO SUITE - це програма тривимірного моделювання електромагнітних систем, яка дозволяє використовувати різні методи розрахунку електромагнітного поля (розрахунок перехідного процесу в тимчасовій області, аналіз в частотної області, метод знаходження власних значень). Один з основних методів аналізу ЕМП - розрахунок перехідного процесу надає можливість вирішувати завдання дослідження структур, порушених радиоимпульсами, що відрізняє її від більшості інших програмних продуктів [8].

Тіло людини являє собою діелектричний матеріал з великими втратами, що в свою чергу, значно ускладнює вирішення електродинамічної задачі. Але на даний момент, визначення способів зменшення і розрахунок поглинається потужності тілом людини при роботі стільникового телефону, є одним із пріоритетних завдань.

Основний метод розрахунку потужності, що поглинається клітинами голови користувача, полягає у використанні спеціального режиму виведення результатів розрахунку модуля електромагнітного поля: уздовж лінії, що перетинає модель наскрізь. В цьому випадку можна розрахувати залежність модуля електромагнітного поля від видалення голови від антени [8].

Для моделювання дії ЕМ поля на біологічні системи, задається падаюче поле, частина якого поглинається в біологічному об'єкті і накопичує, таким чином, енергію, перетворюється на тепло. Характеристики швидкості питомої поглинання (SAR – Specific Absorbtion Ratio) і питомої поглинання (SA) в біологічних системах або моделях тканини були прийняті як тестові величини на радіочастотах. Показник SAR [Вт/кг] визначається як похідна за часом лінійно зростаючої енергії, поглиненої (або розсіяною) в лінійно збільшується масі, яка залежить від щільності матеріалу в даному обсязі. Величина SA [Дж/кг] – загальна сума падаючої і поглиненої енергії, дає інтегральну SAR в кінцевому інтервалі часу. Інформація щодо SA і SAR може служити критерієм для порівняння та екстраполяції експериментальних результатів для різних тканин тварин і людей. Це також корисно при аналізі залежностей біологічних явищ в різних моделях і об'єктах. Визначення SA і SAR ЕМП краще, тому що володіє наступними показниками:

1) пов'язує поле з реакцією біологічного об'єкта,

2) полегшує розуміння біологічних явищ, і

3) не залежить від механізмів взаємодії.

 

На підставі розрахунку порушеної електричного поля E [В/м] може бути визначена величина SAR [Вт/кг] з наступного співвідношення (1):

Співвідношення величини SAR

де σ – провідність матеріалу в даному обсязі, См/м;

Е – напруженість поля, В/м;

ρ – питома щільність речовини, кг м3.

Однак частіше в експериментальній дозиметрії використовують вимір підйому температури за короткий час (<30 сек), за умови впливу НВЧ потужності з високою інтенсивністю. Імпульсний сигнал дозволяє провести ці вимірювання без суттєвої конвекції тепла, термопровідні і теплового внеску в збільшення температури тканини. У цьому випадку швидкість зміни температури може бути пов'язана з SAR за допомогою формули [3]:

Швидкість зміни температури

де ΔT – підвищення температури (° C), c – питома теплоємність тканини (Дж/кг ° C),  Δt – тривалість (с) часу, за який температура змінилася на ΔT.

Таким чином, підвищення температури тканини під час початку і всього перехідного процесу поглинання ВЧ енергії пропорційно значенням SAR. Важливо відрізняти SAR і її похідну, що отримується по температурі. SAR – це показник поглинання потужності. Він не залежить від механізму виникнення тепла, який може бути викликаний, наприклад, рухом, тертям або іншими фізичними явищами. Це величина, яка відноситься тільки до використання електропровідності і розсіювання потужності в однорідної біологічному середовищі.

Розрахунок потужності поглинання в голові користувача мобільного телефону базується на основі моделі біологічного об'єкта, що складається з трьох шарів: шкіра, кістка, мізки.

Для збудження структури моделі голови в якості випромінювача використовується спрощена модель мобільного телефону (мал.1).

Модель голови користувача стільникового телефону і стільникового телефону

Мал. 1 – Модель голови користувача стільникового телефону і стільникового телефону

        Після закінчення перехідного процесу програмний продукт дозволяє відобразити розподіл електричного поля в просторі розрахунку, а також щільність потужності втрат (мал.2).
Розрахунок щільності потужності втрат
Мал. 2 – Розрахунок щільності потужності втрат

    Розподіл поглинаючої потужності на одиницю ваги по поверхні досліджуваного об'єкта (мал.3):

Розподіл SAR по поверхні моделі голови
Мал. 3 – Розподіл SAR по поверхні моделі голови

Для порівняння наведемо рівень питомої поглинаючої потужності (SAR) моделі голови і стільникового телефону (рис.5) (стандартний проект ПО CST STUDIO SUITE).

Стандартний проект голови людини в ПП CST STUDIO SUITE
Мал. 4 – Стандартний проект голови людини в ПП CST STUDIO SUITE

Розподіл SAR моделі голови і стільникового телефону

Мал. 5 – Розподіл SAR моделі голови і стільникового телефону

Розглянемо рівень питомої поглинаючої потужності (SAR) в залежності від розташування випромінювального пристрою. На мал. 6 представлена ситуація, коли телефон розташований до голови впритул.

Розташування випромінювача (телефону) впритул

Мал. 6 – Розташування випромінювача (телефону) впритул

    По закінченню перехідних процесів розподіл питомої поглинаючої потужності прийме такий вигляд (мал. 7):
Розподіл SAR по поверхні моделі голови

Мал. 7 – Розподіл SAR по поверхні моделі голови

    Перемістимо телефон на відстань, рівну приблизно 15 см від голови людини (мал.8):

Розташування мобільного телефону на видаленні 15 см

Мал. 8 – Розташування мобільного телефону на видаленні 15 см

    По закінченню перехідного процесу розподіл питомої поглинаючої потужності буде наступним (мал. 9):
Розподіл SAR по поверхні моделі голови при видаленні на 15 см джерела випромінювання

Мал. 9 – Розподіл SAR по поверхні моделі голови при видаленні на 15 см джерела випромінювання

Висновок
   

Аналіз розрахунків SAR (3) показав, що величина питомої поглинаючої потужності зменшилася більш ніж в 20 разів після видалення мобільного телефону від голови людини.

4. Вплив випромінювання мобільного телефону на дитину (огляд літератури)

В останні роки значно збільшилося використання мобільних телефонів дорослими, молодими людьми, дітьми та людьми похилого віку. Паралельно з боку наукового співтовариства, влади і громадськості виникла підвищена заклопотаність з приводу безпеки цих телефонів. Найбільш численною групою користувачів мобільних телефонів є діти і підлітки, організм яких найбільш чутливий до різних несприятливих факторів навколишнього середовища [9].

Дослідження вчених з Франції показали, що максимальний SAR10г, який був оцінений в моделях голови дорослих і дітей, приблизно однаковий, оскільки відмінності малі в порівнянні зі стандартними відхиленнями. Аналіз отриманих результатів також показав, що максимальний SAR1г периферичних тканин головного мозку моделей дітей у віці від 8 до 15 років можна порівняти з максимальним SAR1г периферичних тканин головного мозку дорослих моделей. У той час як цей показник приблизно в два рази вище для моделей дітей у віці від 5 до 8 років, що пов'язано, в свою чергу, з меншими толщинами вушної раковини, шкіри і черепа [10].

Деякі дослідження декількох вчених з різних країн світу використовували метод різниці кінцевих тимчасових областей (FDTD) для імітації певного коефіцієнта поглинання (SAR) в голові користувача стільникового телефону. В даний час це найбільш підходящий метод, коли задіяні високонеоднородние структури, для яких граничні методи мають фундаментальні обмеження. Результати оцінки SAR показали рівні впливу, які значно перевищують межі допустимих рекомендацій [11].

Для повноцінного аналізу були використані результати дослідження впливу на моделі голови дитини з різними критеріями і параметрами досліджуваної моделі.

Перша модель дитячої голови була заснована на масштабированной моделі голови дорослої людини, і було отримано SAR по відношенню до моделі голови дорослої людини близько 120% [12].

Друга модель голови дитини була побудована за допомогою магнітно-резонансеой томографії з використанням аналогічних електромагнітних параметрів, таких як для дорослих, і ніяких істотних відмінностей між результатами SAR для дорослих і дітей не спостерігалося [13].

Третя модель голови заснована на апроксимування сферами з урахуванням некотрая зміни електромагнітних параметрів і показала збільшення приблизно на 20% в розрахунковому SAR [14].

Четверта модель голови дитини, описана в дослідження [15], також заснована на масштабированной моделі з вихідними електромагнітними параметрами для голови дорослої людини. В даному дослідженні не відзначено значних змін для середнього SAR у всій голові, а 35% збільшення SAR було зафіксовано тільки при розгляді впливу на тканини мозку.

Деякі дослідження проводилися з метою оцінки поглинання потужності в моделях жінок і дітей. 10-річного та 5-річну дитину моделювали, масштабуючи дорослу модель людського тіла. Потрібно відзначити, що масштабування дорослої моделі людського тіла до дитячих розмірами не дає точну модель, так як різні органи масштабируются по-іншому; однак, загальні функції з точки зору висоти і ваги виконуються при обліку поглинання потужності. Таким чином, були отримані резонансні частоти 104 МГц для ізольованою моделі і 65 МГц для заземленого 10 річну дитину, в той час як для 5-річну дитину вони були рівні 126 і 73 МГц, відповідно [2]. У декількох роботах були досліджені масштабовані версії дорослої моделі людини, що представляють 10, 5 і 1-річних дітей, і виконано моделювання і заземленою і ізольованою моделі [16]. На мал. 10 показана частотна залежність SARWB, отримана для моделей трьох дітей в ізольованих умовах і падаючої щільності потужності 1 мВт/см2. Зрушення в резонансній частоті пов'язаний з висотою моделі - чим вище модель, тим нижче резонансна частота [16].

Частотна залежність SAR, усередненого по всьому тілу, для різних
Мал. 10 – Частотна залежність SAR, усередненого по всьому тілу, для різних
моделей дітей: 10, 5, і 1 рік (Потужність впливу 1 мВт / см2)

Отже, доступні дані з поглинання потужності в моделях людського тіла, при впливі полями плоскої хвилі, показують, що вибір моделі людського тіла впливає на отримані результати. Відмінності серед опублікованих даних є зазвичай більш сильні в локальних SAR, ніж в SAR, усереднених по цілому тілу. Висота тіла, маса, розподіл тканини і склад, включаючи жир і м'язи, є важливими факторами в поглинанні потужності і можуть пояснити деякі відмінності серед опублікованих даних. Інший фундаментальний аспект – значення діелектричної проникності різних тканин або органів в моделі тіла. У разі дітей, зміна у властивостях біологічної тканини також може впливати на результати розрахунку [17,18].

Висновки

На даному етапі роботи побудова моделей і іслледованія тривають. З повними висновками по даній роботі можна буде ознайомитися лише після закінчення написання магістерської дисертації у автора роботи або наукового керівника (пошта вказана в резюме).

Перелік посилань

  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.