Μελέτη κατανομής ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων ραδιοσυχνοτήτων και θερμικής αύξησης σε ειδικά περιβάλλοντα πολλαπλών ανακλάσεων

Abstract

The present PhD thesis undertakes a comprehensive study of the interaction between mobile phone electromagnetic radiation and biological tissues, focusing on multi-reflection exposure environments and on the factors that determine energy absorption, field distribution, and the resulting temperature rise. Through Finite-Difference Time-Domain (FDTD) simulations, SAR levels and temperature increases are evaluated under various scenarios, while safety limits for vulnerable populations (children, pregnant women) in different specialized exposure settings (closed-space multi-reflection chambers) are also identified. Finally, findings are compared across anthropomorphic models, and conclusions are drawn about the conditions that intensify local and whole-body exposure in the context of non-thermal biological effects. Initially, the theoretical framework of the research analyzes the principal risks associated with mobile phone use and highlights the parameters affecting EM fields absorption, such as geometry, antenna type and position, operating frequency, the mass density, the anatomy of the tissue and the dielectric properties. It also reviews studies on sensitive population groups (children, pregnant women) and the special exposure environments in which radiation may be amplified. Furthermore, the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method mathematical framework followed by analysis of absorbing boundary-condition techniques. It then defines the Specific Absorption Rate (SAR), reviews current SAR safety limits and standards, and finally connects field intensity to Pennes’s bioheat equation for computing tissue temperature increases due to electromagnetic exposure, concluding the specification of boundary conditions. The simulation protocols are described in detail, defining the anthropomorphic body models, the mobile phone model, and the exposure environments (elevator cabins type). It also specifies the dosimetric scenarios studied, including different phone to head positions, relative model placements within the cabin and to each other, and various operating frequencies of the phone antenna. All results taken are analyzed for each study scenario, and compare the extracted metrics, and identify high values when accounting for multi-reflection environments. Also, deviations are reported between different models and overall configurations. Finally, the conclusions discuss the effects of five different elevator cabin configurations, three phone placements relative to the user’s head, and various antenna operating frequencies on SAR and tissue thermal response for all human models and scenarios, both inside the cabin and in free space are summarized. The thesis focuses on quantitative comparisons across scenario categories and on evaluating differences at common study points, in order to derive universal conclusions regarding safety and the influence of mobile-phone usage parameters in complex environments.

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή επιχειρεί μια ολοκληρωμένη προσέγγιση της αλληλεπίδρασης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας κινητών τηλεφώνων με βιολογικούς ιστούς, εστιάζοντας σε περιβάλλοντα έκθεσης πολλαπλών ανακλάσεων, και στους παράγοντες που καθορίζουν την απορρόφηση ενέργειας, την κατανομή των πεδίων και την αύξηση θερμοκρασίας λόγω αυτών. Μέσα από προσομοιώσεις με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου αξιολογούνται τα επίπεδα SAR και την άνοδο θερμοκρασίας κάτω από διαφορετικά σενάρια χρήσης, ενώ ταυτόχρονα εντοπίζουμε τις κατανομές ηλεκτρομαγνητικού πεδίου για ευπαθείς ομάδες (παιδιά, έγκυες) σε διαφορετικά ειδικά περιβάλλοντα έκθεσης (θάλαμοι πολλαπλών ανακλάσεων κλειστού χώρου). Τέλος, συγκρίνονται τα ευρήματα μεταξύ αριθμητικών μοντέλων και εξάγονται συμπεράσματα για τις συνθήκες που εντείνουν την τοπική και ολική έκθεση στη μελέτη μη-θερμικών βιολογικών επιπτώσεων. Στο πρώτο κεφάλαιο ορίζεται το θεωρητικό πλαίσιο της έρευνας όπου αναλύονται οι βασικοί κίνδυνοι από τη χρήση κινητού τηλεφώνου, και αναδεικνύονται οι παράμετροι που επηρεάζουν το ρυθμό απορρόφησης του πεδίου (τύπος και θέση κεραίας, συχνότητα λειτουργίας, γεωμετρία ανθρωπίνου σώματος). Επιπλέον, περιγράφονται μελέτες σε ευαίσθητες πληθυσμιακές ομάδες (παιδιά, έγκυες) και τα ειδικά περιβάλλοντα έκθεσης όπου η ακτινοβολία μπορεί να ενισχύεται. Στο δεύτερο κεφάλαιο εισάγεται η μαθηματική θεμελίωση της μεθόδου των Πεπερασμένων Διαφορών στο Πεδίο του Χρόνου (Finite-Difference Time-Domain - FDTD) και η παρουσίαση των τεχνικών απορροφητικών οριακών συνθηκών. Στη συνέχεια ορίζεται ο Ρυθμός Ειδικής Απορρόφησης (SAR), και αναφέρονται τα ισχύοντα όρια και τα πρότυπα ασφάλειας για το SAR. Τέλος συνδέεται η ένταση των πεδίων με την η βιοθερμική εξίσωση του Pennes για τον υπολογισμό της τοπικής ανόδου θερμοκρασίας στους ιστούς λόγω ΗΜ ακτινοβολίας και ολοκληρώνεται με τον καθορισμό των συνοριακών συνθηκών. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφονται τα πρωτόκολλα προσομοιώσεων, όπου ορίζονται τα μοντέλα των ανθρωπομορφικών σωμάτων, το μοντέλο του κινητού τηλεφώνου και τα περιβάλλοντα έκθεσης (θάλαμοι ανελκυστήρα). Επιπλέον, καθορίζονται τα δοσιμετρικά σενάρια μελέτης με διαφορετικές θέσεις ομιλίας κινητού σε σχέση με το κεφάλι, σχετικές θέσεις μοντέλων μέσα στην καμπίνα αλλά και μεταξύ τους και οι συχνότητες λειτουργίας της κεραίας του κινητού. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναλύονται τα αποτελέσματα ανά σενάριο μελέτης, συγκρίνονται τα εξαγόμενα μεγέθη και εντοπίζονται υψηλές τιμές λαμβάνοντας υπόψη τα περιβάλλοντα πολλαπλών ανακλάσεων και καταγράφονται οι σχετικές αποκλίσεις μεταξύ μοντέλων και συνολικών ρυθμίσεων. Στο πέμπτο κεφάλαιο συνοψίζονται τα συμπεράσματα και αναλύονται οι επιδράσεις των πέντε διαφορετικών διαμορφώσεων του ανελκυστήρα, των τριών θέσεων τοποθέτησης του κινητού τηλεφώνου σε σχέση με το κεφάλι του χρήστη και των διαφορετικών συχνοτήτων λειτουργίας της κεραίας στο πεδίο SAR και στη θερμική απόκριση των ιστών για όλα τα ανθρώπινα μοντέλα και σενάρια, τόσο εντός της καμπίνας του ανελκυστήρα όσο και στον ελεύθερο χώρο. Η μελέτη εστιάζει στην ποσοτική σύγκριση των μετρήσεων ανά κατηγορία σεναρίου, αλλά και στην αξιολόγηση των διαφορών στα κοινά σημεία μελέτης, προκειμένου να εξαχθούν τα καθολικά συμπεράσματα σχετικά με την ασφάλεια και την επίδραση των ΗΜ πεδίων στον άνθρωπο.