Προσομοιωτική μελέτη επίδρασης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στους ανθρώπινους βιολογικούς ιστούς

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται η αλληλεπίδραση κεραιών και ασύρματων τερματικών συσκευών κινητών επικοινωνιών με ανατομικά μοντέλα ανθρώπινου εγκεφάλου με τη χρήση της μεθόδου Πεπερασμένων Διαφορών στο Πεδίο του Χρόνου (Finite Difference Time Domain - FDTD). Στόχος είναι η διευρεύνηση και εκτίμηση του Ρυθμού Ειδικής Απορρόφησης (SAR) που αναπτύσσεται σε μοντέλα ανθρώπινου κεφαλιού λόγω ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που προέρχεται είτε από μια απλή διπολική κεραία λ/2 ( σε συχνότητες 900 MHZ, 1800 MHZ και 2.44 GHZ), είτε από μια τερματική συσκευή ( σε συχνότητες GSM 900 MHZ και 1800 ΜΗΖ) είτε από ένα επίπεδο κύμα προερχόμενο από κεραία ασύρματου δικτύου (σε συχνότητα 2.44 GHZ). Η διπλωματική εργασία διαρθρώνεται ως εξής: Στο κεφάλαιο 1 περιγράφεται ο σκοπός της εργασίας και παρουσιάζονται τα βιοηλεκτρομαγνητικά προβλήματα που μελετήθηκαν κατά την διάρκεια εκπόνησης της. Στη συνέχεια γίνεται μια βιβλιογραφική ανασκόπηση της επιστημονικής έρευνας που έχει πραγματοποιηθεί σε αυτόν τον τομέα. Στο κεφάλαιο 2 περιγράφεται το ηλεκτρομαγνητισμό φάσμα και ο διαχωρισμός που σε ιοντίζουσες ακτινοβολίες. Στο κεφάλαιο 3 μελετάται η αλληλεπίδραση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και βιολογικών ιστών. Αναλύεται ο Ρυθμός Ειδικής Απορρόφησης και δίνεται έμφαση στις θερμικές επιδράσεις των RF ακτινοβολιών στους βιολογικούς ιστούς. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται τα όρια ασφαλούς έκθεσης σε μη ιοντίζουσα ακτινοβολία. Μελετούνται τα όρια της ICNIRP, του ΙΕΕΕ καθώς και τα όρια που ισχύουν στην Ελλάδα. Στο κεφάλαιο 5 περιγράφεται η μέθοδος Πεπερασμένων Διαφορών στο Πεδίου του Χρόνου (FDTD), η υπολογιστική μέθοδος η οποία χρησιμοποιήθηκε για την μελέτη των βιοηλεκτρομαγνητικών προβλημάτων. Στο κεφάλαιο 6, 7 και 8 παρουσιάζονται τα προβλήματα που μελετούμε, αναλύονται λεπτομερώς οι περιπτώσεις αυτών και παρέχονται συγκριτικά αποτελέσματα που προκύπτουνν ύστερα από προσομοιώσεις. Τέλος, στο κεφάλαιο 9 παρουσιάζονται τα συμπεράσματα και οι μελλοντικές επεκτάσεις της παρούσας εργασίας.

In present diploma thesis, the interaction between the antennas and the wireless terminal devices of mobile communication with anatomic models of human head is studied with the use of Finite Difference Time Domain method (FDTD). The aim is the probe and assessment of the Specific Absorption Rate (SAR), which is developed in the models of human heads because of the electromagnetic radiation, which comes either from a half wavelength dipole antenna (in frequencies 900 MHz, 1800 MHz and 2.44 GHz) or from a terminal device (GSM frequency at 900 MHz and 1800 MHz) or from a plane wave which comes from an antenna of wireless network (frequency 2.44 GHz). This diploma thesis is allocated as followed: In the first chapter, the aim of this diploma thesis is described and the bioelectromagnetic problems which were studied during its development are presented. Then, a bibliographic review of scientific investigation, which has been conducted in this field, is done. In the second chapter, the electromagnetic spectrum and its division into ionizing and non-ionizing radiation is described. In the third chapter, the interaction between the electromagnetic waves and the biological tissues is studied. The Specific Absorption Rate (SAR) is also analyzed and emphasis is given on the thermal effects of the RF radiations on the biological tissues. In the fourth chapter, the limits for safe exposure to non-ionizing radiation are presented. The limits of the ICNIPR, IEEE as well as the limits which are applied to Greece are studied, too. In fifth chapter, the Finite Difference Time Domain (FDTD), the calculative method which is used for the study of the bioelectromagnetic problems, is described. In the sixth, seventh and eighth chapter, the problems, which we study are presented. Moreover, their cases are detailed and results are given comparatively, which arise after simulations. Finally, in ninth chapter, the conclusions and the future developments of this diploma thesis are presented.