Análisis de la distribución del SAR producido por dispositivos de comunicación móvil en modelos de tejido usando el método FDTD

Abstract

RESUMEN: Esta tesis presenta un análisis de la interacción de diversos modelos de tejido con el campo electromagnético de radiofrecuencia a 2.4 GHz mediante el concepto de la tasa de absorción específica SAR, así como un análisis del incremento de temperatura mediante la ecuación de bio-calor en su forma simple. Se realiza una vigilancia tecnológica sobre la interacción del campo electromagnético con los seres vivos y sus posibles efectos biológicos. Así como los diversos métodos para cuantificar dicha interacción mediante el SAR y las diversas recomendaciones internacionales que regulan la exposición a estos campos. Se presenta un análisis del SAR mediante diversos parámetros estadísticos como son: mínimo, mediana, máximo, primer y tercer cuartil. Estos parámetros describen de mejor manera una distribución no uniforme de SAR, como la que se presenta cuando un sujeto es expuesto a campos electromagnéticos. Además, estos parámetros son presentados mediante diagramas de caja con la finalidad de tener una mejor representación visual de estos datos; a diferencia de los diversos trabajos publicados y normas, en donde el SAR solo suele presentarse como un valor promedio, o máximo. Se realiza un análisis del SAR debido a un modem Wi-Fi en dos modelos de cabeza humana: un modelo homogéneo y un modelo heterogéneo. El modelo homogéneo presenta las mismas características eléctricas y de densidad de masa que presentan los modelos phantom usados por las normas. Mientras que el modelo heterogéneo presenta diversas zonas con diferentes valores en los parámetros eléctricos y de masa, con la finalidad de imitar una cabeza humana real compuesta de diversos tejidos. Se presentan las diferencias que existen en los valores de SAR encontrados en ambos modelos; analizando el modelo íntegro y por zonas, las cuales corresponden a los tejidos que componen la cabeza humana. Esto permitió analizar cuáles son las áreas (tejidos) en los que los niveles de SAR son mayores, desglosando los diversos valores estadísticos de SAR encontrado por zonas. Se presentan diferentes análisis estadísticos del SAR y de temperatura en un modelo heterogéneo de cabeza en donde se consideran dos fuentes de campo electromagnético, dispositivo móvil y punto de acceso o modem Wi-Fi, a las cuales está expuesto el sujeto cuando hace uso de un sistema de comunicación móvil que usa la banda de 2.4 GHz. A II diferencia del celular cuando se usa para llamadas telefónicas, las distancias entre el sujeto expuesto y las fuentes de radiación electromagnética no son fijas; este trabajo toma en consideración tal situación por lo que la distancia en una de las fuentes se mantendrá fija, la del dispositivo móvil, mientras que la otra, el modem Wi-Fi se varía. El método de Diferencias Finitas en el Dominio del Tiempo FDTD es la base para la obtención del campo eléctrico que se propaga en las diferentes áreas que componen el modelo analizado y así llevar a cabo la cuantificación del SAR en los modelos de tejido, por lo que se presenta una descripción de este método. Una de las principales aportaciones de esta tesis es que este trabajo provee un método para la cuantificación de la Tasa de Absorción Especifica (SAR) producida por dispositivos de comunicación móvil. El algoritmo para la obtención del SAR desarrollado en esta tesis es una alternativa al uso del material requerido en las normas IEC e IEEE. Para implementar el método, el algoritmo solo requiere conocer la dirección de propagación e intensidad de campo que incide en el sujeto expuesto. Otra de las aportaciones del presente trabajo es el desarrollo de un conjunto de ecuaciones en las cuales se usan diversas técnicas computacionales necesarias para una correcta implementación del algoritmo de obtención del SAR mediante el método FDTD y que en la literatura sobre el tema se presentan por separado y sin ninguna relación entre ellos. Las técnicas usadas en este conjunto de ecuaciones desarrolladas son: Total-Field Scattered Field TFSF y Convolutional Perfect Match Layer CPML. Esta tesis de investigación es parte del proyecto “Efectos biológicos y consecuencias a la salud por la exposición de campos electromagnéticos en las frecuencias VHF, UHF y microondas” con registro CONACYT 241791. En la cual participan el departamento de Fisiología de la Escuela Nacional de Ciencias Biológicas Zacatenco ENCB Zac y el Laboratorio de Compatibilidad Electromagnética de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Zacatenco ESIME Zac. ABSTRACT: In this thesis an analysis of the interaction of various tissue models with the electromagnetic field of radiofrequency at 2.4GHz, using the concept of SAR specific absorption rate, is presented. Besides, an analysis of the temperature increase using the bio-heat equation in its simple form is carried out. A technological monitoring on the interaction of the electromagnetic field with living beings and their possible biological effects is made. The different methods to quantify this interaction through the SAR, and the various international recommendations that regulate exposure to these fields are reviewed as well. An analysis of the SAR using some statistical parameters such as: minimum, median, maximum, first and third quartile is presented. These parameters give a best description of a non-uniform distribution of SAR, such as that which occurs when a subject is exposed to electromagnetic fields. In addition, these parameters are displayed in box-plots in order to have a better visual representation of these data, unlike various published works and standards where the SAR usually appears just as an average or maximum value. Using two models of human head: an homogeneous and heterogeneous, an analysis of SAR due to a Wi-Fi modem is carried out. The homogeneous model presents the same electrical and mass density characteristics as the phantom models use in the standards. In order to imitate a real human head composed of various tissues, the heterogeneous model presents different areas with different values in its electrical and mass parameters. The differences between the SAR values found in both models are presented, first in the whole model and then breaking down by zones which correspond to the tissues that make up the human head. Different SAR and temperature statistical analyzes in a heterogeneous head model are presented. Two sources of electromagnetic field, mobile device and Wi-Fi access point or modem, are considered. The subject is exposed to them when he makes use of a mobile communication system that uses the 2.4 GHz band. Unlike the cell phone when used for telephone calls, the distances between the exposed subject and the sources of electromagnetic radiation are not fixed; this work takes into account such a situation so that one of them will remain fixed, the mobile device, while the other, the Wi-Fi modem, it will be variable. IV The Finite Differences in the Domain of Time FDTD method is the basis to get the electric field propagating in the different areas that make up the model analyzed and thus carry out the quantification of SAR in tissue models, so that a description of this method is presented. One of the main contributions of this thesis is that this work provides a method for the quantification of the SAR produced by mobile communication devices. The algorithm to get the SAR developed in this thesis is an alternative to the use of the material required in the IEC and IEEE standards. To implement the method, the algorithm only needs to know the direction of propagation and the intensity of the electric that impinges on the subject exposed. Another contribution of the present thesis is the development of a set of equations in which various computational techniques are used, all of them necessary for a correct calculation of the SAR by means of the FDTD method. These techniques are presented separately in the literature on the subject and without any relationship between them. The techniques used in this set of developed equations are: Total-Field Scattered Field TFSF and Convolutional Perfect Match Layer CPML. This research thesis is part of the project " Efectos biológicos y consecuencias a la salud por la exposición de campos electromagnéticos en las frecuencias VHF, UHF y microondas " with registration CONACYT 241791. In which “Departamento de Fisiología de la Escuela Nacional de Ciencias Biológicas Zacatenco ENCB Zac” and “Laboratorio de Compatibilidad Electromagnética de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Zacatenco ESIME Zac” are participants.