Influenta Câmpului Electromagnetic Asupra Organismelor Vii

În abordarea problemelor ce fac referire la influența câmpului electromagnetic asupra organismelor vii, în literatura de specialitate se face deosebire între:

aspecte „tehnice”:

se evaluează sursele de emisie a perturbațiilor;

se determină intensitatea câmpurilor prin calcul, prin utilizarea modelării numerice pentru configurațiile tridimensionale și prin tehnica informatizată;

se determină distribuția spațială a câmpurilor;

se validează rezultatele prin realzarea unor studii experimentale.

aspecte ce vizează interacțiunea câmpurilor electromagnetice și organismele vii:

se determină intensitatea curenților indusă in corpurile vii aflate în componența continuă și tranzitorie;

se determină capacitatea echivalentă a corpurilor aflate în câmp;

se determină potențialele corpurilor, considerate izolate, din punct de vedere electric, față de sursele câmpului electromagnetic;

efecte biologice:

se determină limita de perceptibilitate a câmpului

se determină tipurile de senzații, în funcție de intensitatea câmpului;

se determină limita de suportabilitate;

se studiează mecanismele de acțiune aspupra organismelor vii, considerate ca sisteme biologice.

Interacțiunile dintre sistemul biologic și câmpul emis de o sursă de perturbație pot fi:

indirecte, încarcarea electrostatică a unui obiect și descărcarea acestuia prin corpul uman;

directe (prin radiație), rezultate prin interacțiunea directă dintre corpul uman și câmpul electromagnetic.

Interacțiunile prin radiație au evidențiat că la o frecvență aflată sub 100kHz, apar interacțiuni cu sistemul nervos, iar peste 100 kHz, apar efecte termice.

Efectul termic reprezintă creșterea temperaturii locale a corpului, la care organismul va răspunde cu termoreglare. Această incălzire este doar de câteva grade Celsius.

Efectele ce pot apărea la expuneriea la cămp electromagnetic pentru corpul omenesc sunt:

efectele cutanate, reprezintă încălzirea pielii, în cazul fercvențelor mari. Pot exista cazuri în care unele organe interne suferă arsuri, la nivele mari de expuneri, fără a simți durerea;

efectele oculare, cataracta, iritația ochilor;

tulburările de ritm cardiac, oboseală, anxietate și hipertensiune (în cazul nivelelor de expunere foarte mari).

Mărimile fizice utilizate pentru unele limite biologice pentru expunerea la câmp electric, magnetic sau electromagnetic sunt[1]:

J – Densitatea curentului electric de conducție prin corp, A/m2;

SAR(specific energy absorption) – Energia specifică absorbită de organism, J/kg;

P – Puterea specifică absorbită, W/kg.

Cercetătorii folosesc indicele SAR (rata specifică de absorție) pentru a determina cantitatea de radiații pe care o absoarbe țesutul uman. Această măsurătoare este importantă în cazul telefoanelor mobile, care emit radiații în apropierea creierului uman. În simularea din cadrul acestui capitol, studiază modul în care creierul uman absoarbe radiațiile, emise de antena unui telefon mobil, și modul în care radiațiile influențează temperatura creierului.

În zilele noastre, utilizarea cât mai multor dispozitive wireless duce la creșterea cantității de radiații la care corpul uman este expus, și este foarte important ca acestea să ajungă în cantități cât mai mici la nivelul creierului. Formula de calcul al indicelui SAR este [9]:

Esar=(3.1)

unde σ este conductivitatea creierului uman, ρ este densitatea, iar |E| este valoarea câmpului electric. Valoarea indicelui SAR, este media peste o regiune de 10g sau 1g de țesut al creierului, în funcție de normele fiecărei țari. Exemplul următor nu calculează valoarea medie , dar are în vedere valoarea locală a indicelui SAR. Valoarea maximă locală a indicelui SAR, este mai mare decât valoarea maximă admisă a indicelui SAR.

Geometria capului uman din cadrul simulării, este geometria utilizată de IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), IEC (International Electrotehnical Commision) și CENELEC (European Committee for Electrotechnical Standardization) pentru determinarea valorii standard a indicelui SAR.

Pentru a simula influența indicelui SAR asupra creierului uman, în programul COMSOL, din meniul File, se alege opțiunea New. Din fereastra New, se dă click pe Model wizard, apoi din fereastra Model Wizard, se dă click pe 3D. În continuare din Select physics, se selectează Heat TransferBioheat Transfer (ht), și se adaugă această selecție apasând butonul Add. În câmpul temperature, se introduce dT, iar din meniul Select physics, se selectează Radio Frequency Electromagnetic Waves, Frequency Domain (emw) și se adaugă acest câmp dând click pe Add.

În cadrul următorului pas, se dă click pe Study, iar din Select study, se selectează Costom StudiesPreset Studies for Some Physics InterfacesFrequency Domain, apoi se dă apasă butonul Done.

Pentru a definii parametrii, selectăm din meniul Home secțiunea Parameters, iar în fereastra de setări pentru Parameters, se introduc valorile din Tabelul 3.1.

Tabelul 3.1 Parametrii antenei, creierului și sângelui

Geometria capului uman a fost creată în afara programului COMSOL, deci se importă dintr-un fișier MPHBIN. Din meniul Home, se dă click pe Import, iar în fereastra de setări pentru Import, se dă click pe Browse și se adaugă fișierul sar_in_human_head.mphbin, apasând pe butonul Import.

Din meniul Geometry, se dă click pe Block, iar în fereastra de setări pentru Block, în secțiunea Size and Shape, se introduc valorile 0.004, în câmpul Width, 0.08, în câmpul Depth, și 0.08, în câmpul Height. În continuare, în secțiunea Position, se alege opțiunea Center, din lista Plane Definition, apoi în câmpul x, se introduce valoarea 0.1, iar în z, 0.05 și se apasă butonul Build All Objects.

La următorul pas, din meniul Geometry, se dă click pe Block, iar din fereastra de setări pentru Block, se introduc valorile 0.004, în câmpul Width, 0.08, în câmpul Depth, și 0.08, în câmpul Height. În continuare, din secțiunea PositionBase, se alege opțiunea Center, apoi în câmpul x, se introduce valorea 0.1, iar în câmpul z, se introduce valoarea 0.05 și se dă click pe butonul Build All Objects.

În continuare, din meniul Geometry, se dă click pe Work Plane, apoi în fereastra de setări pentru Work Plane, din secțiunea Plane DefinitionPlane, se alege yz-Plane, iar în câmpul x-coordinate, se notează valoarea 0.098. Se dă click dreapta pe Work Plane I (wpI) și se alege opțiunea Build Selected.

Din meniul Work Plane, se dă click pe Primitives și se alege Square. În fereastra de setări pentru Square, în secțiunea SizeSide Length, se introduce valoarea 0.06, iar în secțiunea PositionBase, se alege Center și se trece valoarea 0.05, în câmpul yw. În continuare, se dă click dreapta pe Square I ( sqI) și se alege opțiunea Build Selected.

Tot din meniul Work Plane, se dă click pe Primitives, și se alege Rectangle, apoi în fereastra de setări pentru Rectangle, secțiunea Size and Shape, se întroduc valorile 0.005, în câmpul Width, și 0.01, în câmpul Height. În continuare, din secțiunea PositionBase, se alege opțiunea Center, se trece valoarea 0.015, în câmpul yw, apoi se dă click dreapta pe Rectangle I (rI) și se alege Build Selected.

La următorul pas, din meniul Work Plane, se dă click pe Booleans and Partitions și se alege opțiunea Union, apoi se selectează obiectele rI și sqI. În fereastra de setări pentru Union, din secțiunea Union, se deselectează căsuța Keep Interior boundaries, iar din meniul Work Plane, se dă click pe Build All. În continuare, din meniul Geometry, se dă click pe Work Plane, iar în fereastra de setări pentru Rectangle, se trece în câmpul z-coordinate, din secțiunea Plane Definition, valoarea 0.01.

În cadrul urmatorului pas, din meniul Work Plane, se dă click pe Primitives și se alege Rectangle. Din fereastra de setări pentru Rectangle, se alege din secțiunea PositionBase, opțiunea Center, apoi se trece în câmpul xw, valoarea 0.1. În continuare, în secțiunea Size and Shape, se trece valoarea 0.004, în câmpul Width, iar în câmpul Height, se trece valoarea 0.005.

Pentru a se obține antena patch în apropierea capului uman, se dă click dreapta pe Rectamgle I(rI) și se alege Build selected, obținându-se rezultatul din Figura 52.

Figura 52 Poziția antenei fața de capul uman

În continuare, pentru a crea mediul înconjurător și stratul ce absoarbe radiațiile, din meniul Geometry, se dă click pe Sphere, apoi în fereastra de setări pentru Sphere, se notează valoarea 0.35, în secțiunea SizeRadius. În secțiunea Layers, se introduce în tabel, pentru Layer 1, valoarea 0.1, apoi se dă click pe butonul Build All Objects. Pentru a se optimiza imaginea, din meniul Graphics, se dă clic pe butoanele Zoom Extents și Transparency.

Din fereastra Model Builder, sub Component I (compi)Geometry I, se dă click pe Form Union(fin). În fereastra de setări pentru Form Union/Assembly, se notează valoarea 1E-5, în secțiunea Form Union/AssemblyRelative repair tolerance, și se obține rezultatul din Figura 53.

Figura 53 Capul uman în mediul de propagare al radiațiilor

În cadrul următorului pas, din fereastra Model Builder, sub Component I (compI), se dă click dreapta pe Definitions, și se alege View. Din fereastra de setări pentru View, se selectează căsuța Transparency, din secțiunea Transparency. Tot din fereastra Model Builder, sub Component I(compI), se dă click pe View 4, apoi în fereastra de setări pentru View, se selectează căsuța Lock camera, din secțiunea View, iar din meniul View 4, se dă click pe Hide Geometric Entities. În continuare, din fereastra Model Builder, se dă click dreapta pe Hide Geometric Entities I, se alege opțiunea Show Objects in Selection și se selectează domeniile 5, 7, și 8, iar din meniul Graphics, se dă click pe butonul Transparency.

La următorul pas, din meniul Definitions, se dă click pe Explicit, apoi din fereastra de setări pentru Explicit, se notează în câmpul Label, textul PML. În continuare, se dă click pe butonul Go to View I, din meniul Graphics, apoi se selectează domeniile 1-4 și 7-10. Din meniul Definition, se dă click pe Explicit, iar în fereastra de setări pentru Explicit, se noteaza Head, în câmpul Label, iar din meniul Graphics, se apasă butonul Go to View 4 și se selectează domeniul 6. Tot din același meniu Definition, se dă click pe Explicit, apoi în fereastra de setări pentru Explicit, se notează în câmpul Label, textul PCB, și se selectează domeniul 11.

În continuare, din meniul Definitions, se dă click pe Interpolation, iar din fereastra de setări pentru Interpolation, se alege, din secțiunea DefinitionData source, opțiunea File, apoi se dă click pe Browse, și se selectează fișierul sar_in_human_head_interp.txt și se adaugă după ce se dă click pe Import. În subsecțiunea Function, se introduce în table, pentru fbrain, valoarea 1.

Din meniul Definitions, se dă click pe Local Variables, iar din fereastra de setări pentru Variables, se alege din secțiunea Geometric Entity SelectionGeometric entity level, opțiunea Domain, apoi din lista Selection, se alege opțiunea Head. În secțiunea Variables, se introduc valorile din Tabelul 3.2.

Tabelul 3.2 Proprietățile creierului uman

La următorul pas, din fereastra Model Builder, sub Component I (compI), se dă click pe Bioheat Transfer(ht), apoi în fereastra de setări pentru Bioheat Transfer, din secțiunea Domain SelectionSelection, se alege opțiunea Head. În continuare, din fereastra Model Builder, sub Component I(compI), se dă click dreapta pe Materials și se alege opțiunea Blank Material, apoi din fereastra de setări pentru Material, se selectează opțiunea PCB, din secțiunea Geometric Entity SelectionSelection. În sectiunea Material Contents, se introduc valorile din Tabelul 3.3.

Tabelul 3.3 Proprietățile PCB-ului

În cadrul următorului pas, se dă click dreapta pe Materials și se alege Blank Material, apoi din fereastra de setări pentru Material, se alege din secțiunea Geometric Entity Selection Selection, se alege opțiunea Head. În secțiunea Material Contents, se introduc valorile din Tabelul 3.4.

Tabelul 3.4 Proprietațile scheletului osos aferent capului

Din meniul Home, se dă click pe Add Material, pentru a deschide fereastra Add Material, apoi din această fereastră se alege Built-InAir, și se dă click pe butonul Add to Component. Pentru a închide fereastra Add Material, din meniul Home, se dă click pe Add Material. În continuare din fereastra Model Builder, sub Component I (compI)Materials, se dă click pe Air(mat3), și se selectează domeniile 1-5 și 7-10.

La următorul pas, din fereastra Model Builder, se deschide nodul Component I (comp1)Bioheat Transfer (ht), apoi din aceiași fereastra, se deschide nodul Biological Tisue I și se dă click pe Bioheat I. În fereastra de setări pentru Bioheat, se introduc valorile rho_blood, în câmpul ρb, c_blood, în câmpul Cb, omega_head, în câmpul ωb, iar în câmpul Tb, valoarea 0.

În continuare, din meniul Physics, se dă click pe Domains și se alege Heat Source, iar din fereastra de setări pentru Heat Source, se alege opțiunea Head, din secțiunea Domain SelectionSelection. Din secțiunea Heat Source, se alege Total power density (emw/weel), din lista Q0.

În cadrul următorului pas, din fereastra Model Builder, sub Component I (compI) Bioheat Transfer(ht), se dă click pe Initial Values I, apoi în fereastra de setări pentru Initial Values, secțiunea Initial Values, se introduce valoarea 0, în câmpul dT. Din meniul Definitions, se dă click pe Perfect Matched Layer, apoi din fereastra de setări pentru Perfect Matched Layer, se selectează din secțiunea Domain SelectionSelection, opțiunea PML, iar din secțiunea GeometryType, se alege opțiunea Spherical.

Din fereastra Model Builder, sub Component I(compI), se dă click pe Electromagnetic Waves, Frequency Domain(emw), apoi din fereastra de setări pentru Electromagnetic Waves, Frequency Domain, se alege din secțiunea Analysis MethodologyMethodology options, opțiunea Fast. În continuare din meniul Physics, se dă click pe Boundaries, se alege opțiunea Perfect Electric Conductor și se aleg limitele 54 și 58.

Tot din meniul PhysicsBoundaries, se alege Scattering Boundary Condition și se selectează limitele 5-8, 33, 34, 39 și 44, apoi din fereastra de setări pentru Scattering Boundary Condition, se dă click pe Create Selection, iar in câmpul Create selectionSelection name, se trece textul PML_boundary și se dă click pe butonul Ok. În continuare, din secțiunea Scattering Boundary Condition, se alege opțiunea Spherical wave, din lista Scattered wave type.

La următorul pas, din meniul Physics, se dă click pe Boundaries, se alege Lumped Port și se alege limita 55. În fereastra de setări pentru Lumped Port, din secțiunea Lumped Port PropertiesWave excitation at this port, se alege opțiunea On, apoi în câmpul V0, se trece valoarea 45.5 iar în secțiunea Settings, câmpul Zref, se trece 75[ohm].

În continuare, din fereastra Model Builder, sub Component I(compI), se dă click dreapta pe Mesh I și se alege More OperationsFree Triangular, apoi din fereastra de setări pentru Free Triangular, se alege, din secțiunea Boundary SelectionSelection, opțiunea PML_boundary. Tot din fereastra Model Builder, se dă click dreapta pe Mesh I, și se alege opțiunea Swept. În fereastra de setări pentru Swept, se alege opțiunea Domain, din secțiunea Domain SelectionGeometric entity level, iar din lista Selection, se alege PML. În continuare, din secțiunea Source FacesSelection, se selectează PML_boundary, apoi se dă click dreapta pe Component I(compI)Mesh ISwept I și se alege opțiunea Distribution, iar din fereastra Model Builder, sub Component I(compI)Mesh ISwept I, se dă click dreapta pe Distribution I și se alege opțiunea Build Selected.

În cadrul următorului pas se dă click dreapta pe Mesh I și se alege Free Tetrahedral. Din fereastra Model Builder, sub Component I(compI)Mesh I, se dă click dreapta pe Tetrahedral I și se selectează Size, apoi în fereastra de setări pentru Size, din secțiunea Geometric Entity SelectionGeometruc entity level, se alege optiunea Edge și se selectează muchiile 81-83, 86, 87 și 89-91. În continuare, din sectiunea Element Size, se dă click pe butonul Custom, se selectează , din secțiunnea Element Size Parameters, căsuța Maximum element size, apoi în căsuța asociată, se trece valoarea 0.0015 și se apasă butonul Build all.

La următorul pas, se dă click dreapta pe Free Tetrahedral I , se alege opțiunea Size, apoi din fereastra de setări pentru Size, în secțiunea Geometric Entity SelectionGeometric entity level, se alege Domain și se selectează domeniul 6. În continuare, din secțiunea Element Size, se alege opțiunea Extra fine, din lista Predefined, apoi se dă click pe butonul Build all, obținându-se rezultatul din Figura 54.

Figura 54 Discretizarea elementelor modelate

Din fereastra Model Builder, se deschide nodul Study I, apoi se dă click pe Step I:Frequency Domain, apoi din fereastra de setări pentru Frequency Domain, în secțiunea Study SettingsFrequencies, se notează freq. În continuare, se introduce valoarea din Tabelul 3.4, în secțiunea Phisics and Variables Selection.

Tabelul 3.5 Phisics and Variables Selection

În continuare, din meniul Study, se dă click pe Study Steps și se alege Stationary Stationary. Din fereastra de setări pentru Stationary, în secțiunea Physics and Variables Selection, se introduc datele din Tabelul 3.6.

Tabelul 3.6 Phisics and Variables Selection

Din meniul Study, se dă click pe Show Default Solver, apoi din fereastra Model Builder, se deschide nodul Solution I (sol I). Tot din fereastra Model Builder, se deschide nodul Study ISolverConfigurationsSolution I(solI)Stationari Solver 2, apoi se dă click dreapta pe Direct și se alege opțiunea Enable, iar din meniul Study, se dă click pe butonul Compute.

În cadrul următorului pas , din fereastra de setări pentru 3D Plot Group, în secțiunea Plot Settings, se deselectează căsuța Plot data set edges, apoi din fereastra Model Builder, se dă click pe butonul Show și se selectează Advanced Results Options, din meniu. Tot din fereastra Model Builder,sub Results, se dă click dreapta pe Views și se alege opțiunea View 3D, apoi din fereastra de setări pentru View 3D, se deselectează căsuța Show grid, din secțiunea View, iar din secțiunea Light, se deselectează căsuța Scene light. Din meniul Graphics, se dă click pe butonul Go to YZ View, apoi se dă click pe butonul Zoom Box și cu ajutorul mouse-ului se mărește imaginea. În continuare, din fereastra Model Builder, sub ResultsViews, se dă click pe View 3D 5, apoi în fereastra de setări pentru View 3D, se selectează căsuța Lock Camera, din secțiunea View.

Tot din fereastra Model Builder, sub Results, se dă click pe Temperature (ht), apoi în fereastra de setări pentru 3D Plot group, se alege opțiunea View 3D 5, din secțiunea Plot Settings View. Din meniul Temperature (ht), se dă click pe Plot și se obține rezultatul din Figura 55.

Figura 55 Creșterea locală a temperaturii creierului

La următorul pas, din fereastra Model Builder, sub Results, se dă click pe Electric Field (emw)¸ apoi din fereastra de setări pentru 3D Plot Group, se deselectează căsuță Plot data set edges, din secțiunea Plot settings. Tot din fereastra Model Builder, se deschide nodul Electric Field (emw), se dă click dreapta pe Multisliece I și se alege opțiunea Delete. În continuare se repetă pasul Model BuilderElectric Field (emw), se da click dreapta pe Electric Field (emw) și se alege Slice, iar din fereastra de setări pentru Slice, în secțiunea ExpressionExpression, se notează valoarea log10(dSAR), apoi din secțiunea Plane Data Plane, se alege opțiunea xy-planes, iar în câmpul Planes, se trece valoarea 20. Din meniul Electric Field (emw), se dă click pe Plot.

În cadrul următorului pas, din fereastra Model Builder, sub Results, se dă click dreapta pe Views și se selectează opțiunea View 3D, apoi în fereastra de setări pentru View 3D, se deselectează căsuța Scene light, din secțiunea Light, iar din secțiunea View, se deselectează căsuța Show Grid și se dă click pe butonul Go to Default 3D View , din meniul Graphics. În continuare, tot din fereastra Model Builder, sub ResultsViews, se dă click pe View 3D 6, iar în fereastra de setări pentru 3D View 3D, se selectează căsuța Lock Camera, din secțiunea View.

La ultimul pas, din fereastra Model Builder, sub Results, se dă click pe Electric Field (emw), iar în fereastra de setări pentru 3D Plot Group, se alege din secțiunea Plot SettingsView, opțiunea View 3D 6 și din meniul Electric Field(emw), se dă click pe Plot și se obținea rezultatul din Figura 56.

Figura 56 Valoarea locala a SAR reprezentată pe scala logaritmică secționată grafic

Din simularea indicelui SAR în creierul uman, reiese că modelul studiat în simulare folosesțe o frecvența de 835 MHz. Valoarea indicelui SAR este mai mare , cu cât monstra studiată este mai aproape de sursa de radiație, după cum se observă și in Figura 55.

Ecuția de bioheat, produce o reprezentare grafică similară pentru încălzirea capului uman, care este aflat la cea mai mică distanță fața de antenă. Temperatura creierului crește de la 370C cu aproximativ 0.20C, și scade rapid în interiorul capului, după cum se observă în Figura 56.

În ultimii ani s-au făcut foarte multe studii cu privire la influența câmpului electric asupra omului dar nu s-a ajuns încă la un acord în legătură cu nocivitatea utilizării telefonului mobil.

Un studiu despre utilizatorii înrăiți ai telefoanelor mobile, efectuat de doctorul, epidemiolog si lector la Universitatea Tel Aviv, Siegal Sadetzki, arată că aceștia sunt predispuși să dezvolte o anumită formă de cancer. Acesta a publicat rezultatele studiului în „American Journal of Epidemiology”, constatându-se că utlilizătorii înrăiți ai telefoanelor mobile sunt supuși unui risc mai mare de a dezvolta tumori benigne și meligne ale glandelor salivarea. Conform studiilor, există un risc cu 50% mai mare decât a celor ce nu utilizează telefoanele mobile, de a dezvolta o tumoare a principalei glande salivare (parotida) pe partea unde subiecții țin telefonul mobil.[11]

Un alt studiu efectuat de cercetătorii danezi, care susțin că au urmărit 420.000 de utilizatori de telefoane mobile, arată că energia de radio frecvență generată de telefoanele mobile nu se asociază cu o creștere a riscului de cancer la utilizatorii înrăiți de telefoane mobile. Pe de altă parte, la scurt timp, Institutul Național Suedez pentru Viața Ocupațională a publicat în Arhivele Internaționale ale Sănătății Ocupaționale și de Mediu, un raport care contestă două studii mai vechi care afirmă că utilizarea telefoanelor mobile nu are nicio legătură cu creșterea riscului de a dezvolta o tumoare cerebrală. Cercetătorii au examinat utilizatori adulți de telefoane mobile la care s-au dezvoltat tumori maligne. Ei au constatat că persoanele care au vorbit un timp mai mare de 2000 de ore, au un risc de 3.7 ori mai mare de a dezvolta cancer la creier în comparație cu cei ce nu utilizează telefoanele mobile.[11]

Biroul federal pentru protecția la radiații (Bundesamt für Strahlenschutz, or BfS) din Germania, a constatat că nu există efecte adverse asociate cu utilizarea telefoanelor mobile. Din studiile efectuate în cadrul programului german, a reieșit că nu există nicio dovadă că telefoanele mobile ar reprezenta vre-un risc pentru sănătate.[11]

IGUMED (Interdisziplinare Gesellschaft fur Umweltmedizin Frieburg Appeal) a lansat un apel care subliniază faptul că in ultimii ani s-au constatat creșteri a incidențelor bolilor sever si cronice în rândul pacienților, precizându-se [1]:

fluctuații mari ale tensiunii arteriale;

dificultați de învațare si concentrare;

tulburările de comportament, specificându-se diminuarea atenției;

tulburările ritmului cardiac;

infarct și accidente vasculare la varste cât mai mici;

leucemia;

tumorile cerebrale.