SÄHKÖ- JA MAGNEETTIKENTÄN KYTKEYTYMINEN IHMISEEN (DOSIMETRIA) S-108.4110 Sähkömagneettisten kenttien ja optisen säteilyn biologiset vaikutukset ja mittaukset Syksy 2013 SÄHKÖ- JA MAGNEETTIKENTÄN KYTKEYTYMINEN IHMISEEN (DOSIMETRIA) Lauri Puranen Säteilyturvakeskus Ionisoimattoman säteilyn valvonta

Luennon sisältö kenttien kytkeytyminen kudoksiin ja soluihin kudosten ja solujen rakenne sekä koostumus permittiivisyys, johtavuus ja permeabilisuus dispersio ja polarisaatio kudoksissa kenttien kytkeytyminen kehoon kvasistaattinen alue resonanssialue pinta-absorptioalue 28.10.2013/LP

Kudosten ja solujen rakenne sekä koostumus kudokset sisältävät vettä, siihen liuenneita suoloja, erilaisia orgaanisia yhdisteitä, mm. aminohappoja, hiilihydraatteja, nukleiini- ja rasvahappoja kudosten sähköisiin ominaisuuksiin vaikuttavat eniten suuri vesipitoisuus (40 - 70 %) solurakenne solu koostuu solulimasta ja siinä olevista soluelimistä (tuma, mitokondriot, endoplasminen kalvosto) sekä solua ympäröivästä solukalvosta, joka koostuu kahdesta fosfolipidimolekyylikerroksesta tuma koostuu DNA-rihmoista, joista muodostuvat kromosomit ja joissa sijaitsevat ihmisen geenit sähköisesti kudokset ja solut ovat sekoitus eristeitä ja johteita 28.10.2013/LP

Solukalvon rakenne 28.10.2013/LP

Polarisaatio aineen sisäisen sähkökentän ja varautuneiden hiukkasten väliset sähköiset vuorovaikutukset määräävät aineen sähköiset ominaisuudet vapaat varauksenkuljettajat liikkuvat sähkökentän suuntaan ja erimerkkisistä varauksista koostuvat hiukkaset eli dipolit kääntyvät sähkökentän suuntaisiksi kudosten tärkeimpiä polarisaatiomuotoja dipolipolarisaatio, esim. vesimolekyyli Maxwell-Wagnerin polarisaatio (sähköiset rajapinnat) 28.10.2013/LP

Solun polarisoituminen sähkökentässä 28.10.2013/LP

Permittiivisyys, johtavuus ja permeabilisuus permittiivisyys  kuvaa aineen kykyä varastoida ja kuluttaa sähkökentän energiaa 0 = tyhjiön permittiivisyys r’ = suhteellisen permittiivisyyden reaaliosa r” = suhteellisen permittiivisyyden imaginaariosa vapaat ionit ja polarisaatiohäviöt vaikuttavat teholliseen johtavuuteen pienillä taajuuksilla (< 1 MHz) kudokset ovat johteita ja suurilla taajuuksilla häviöllisiä eristeitä kudoksissa ei ole magneettista materiaalia eli kudosten permeabilisuus  = 0 vapaan tilan permeabilisuus 28.10.2013/LP

Häviöllinen levy sähkökentässä A Ei IG ID U C G U d U=Ei d ID + IG Levymäinen häviöllinen kappale kondensaattori-levyjen välissä IG = johtavuusvirta Yleinen levykondensaattorin yhtälö ID = kapasitiivinen siirrosvirta kuvaa aineen johtavuutta ja häviöllisyyttä kuvaa aineen energianvarastointikykyä 28.10.2013/LP

Häviöllinen levy sähkökentässä johtavuusvirran tiheys kapasitiivisen siirrosvirran tiheys kondensaattorin tehohäviö tehohäviö massayksikköä kohti = ominaisabsorptionopeus 28.10.2013/LP

Dispersio ja polarisaatio kudoksissa dispersio = aallon etenemisnopeus kudoksessa riippuu taajuudesta 28.10.2013/LP

Polarisaatiomekanismeja - ja –dispersio ovat tärkeimmät 28.10.2013/LP

Maksakudoksen sähköiset ominaisuudet 28.10.2013/LP

Debyen yhtälöt Esim. puhdas H2O 28.10.2013/LP

Veden sähköiset ominaisuudet suolapitoisuuden funktiona (-dispersio) 0 - 3 % 28.10.2013/LP

Sähkökentän kytkeytyminen soluun (-dispersio) 28.10.2013/LP

Sähkökentän kytkeytyminen soluun solukalvon yli kytkeytynyt jännite K1= 0,75 pallomaisille soluille K1= 0,5 pitkulaisille soluille Ee = sähkökenttä soluväliaineessa relaksaatiotaajuus pallomaisille soluille h = solun halkaisija cm = 1 µF/cm2 sähkökenttä solukalvon sisällä (d on kalvon paksuus) d  5 nm solun sisäinen sähkökenttä virrantiheys soluväliaineessa virrantiheys solulimassa e = 1 S/m i = 0,5 S/m 28.10.2013/LP

Sähkökentän kytkeytyminen solu- ja tumakalvoon sekä solulimaan ja tumaan 28.10.2013/LP

Kudosten suhteellinen permittiivisyys taajuuden funktiona 28.10.2013/LP

Kudosten johtavuus taajuuden funktiona 28.10.2013/LP

Virran kulku hermokudoksessa pienillä taajuuksilla johtavuus riippuu merkittävästi virran suunnasta alle 1 kHz taajuuksilla 28.10.2013/LP

Sähkö- ja magneettikenttien kytkeytyminen kehoon eri taajuusalueilla Alue Taajuus Kvasistaattinen < 30 MHz Resonanssi 30- 3000 MHz Pinta-absorptio 3 - 300 GHz Huom. /2 > kehon pituus E- ja H-kytkeytyvät erikseen virta-absorptio kehon sisällä /2  kehon tai sen osan pituus resonansseja säteilylähteen puoleiset sisäelimet altistuvat kuumia pisteitä kehon sisällä (mm.päässä) absorptio muuttuu pinnalliseksi iho ja silmät altistuvat eniten 28.10.2013/LP

Pientaajuisen sähkökentän kytkeytyminen maassa seisovaan ihmiseen Ihmiskeho vaikuttaa merkittävästi pientaajuisen sähkökentän jakaumaan. Pintavarausten muodostama vastak-kaissuuntainen sähkökenttä kumoaa ulkoisen sähkökentän melkein kokonaan kehon sisällä. Pienen pieni nettokenttä tarvitaan tuottamaan ulkoisen kentän tahdissa värähtelevä pintavaraus. taajuuksilla 50 - 60 Hz 28.10.2013/LP

ken = 2 - 18 (maksimiarvo päässä) PIENTAAJUISEN SÄHKÖKENTÄN KYTKEYTYMINEN HOMOGEENISESSA KENTÄSSÄ SEISOVAAN IHMISEEN pintakenttä pintavaraus virrantiheys iholla virrantiheys sisäosissa ken = 2 - 18 (maksimiarvo päässä) 50 Hz johtavuus  (S/m) veri 1,0 lihas 0,1 rasva 0,02 - 0,05 jalkavirta maahan 28.10.2013/LP

Pientaajuisen sähkökentän kytkeytyminen ihmisen kudosellipsoidimalliin eristetty maadoitettu Ellisoidin pituus = 4a 28.10.2013/LP

Eo Ei K= J R = a/b, r’<< r’’= alle 1 MHz taajuuksilla SÄHKÖKENTÄN KYTKEYTYMINEN PYÖRÄHDYSELLIPSOIDIIN ALLE 10 MHz TAAJUUKSILLA Eo 2b + vähennys- kerroin depolarisaatio-kerroin Ei J K= R = a/b, 2a aksiaalisuhde alle 1 MHz taajuuksilla r’<< r’’= 28.10.2013/LP

Sähkökentän kytkeytyminen erimuotoisiin kudosmalleihin Ei = sisäinen sähkökenttä Eo=ulkoinen (homog.) sähkökenttä ω =kulmataajuus σ =johtavuus N=depolarisaatiokerroin 28.10.2013/LP

10 kV/m sähkökentän indusoimia virrantiheyksiä ihmisen kehossa 1-3 mA/m2 12 mA/m2 jalat oikosulussa maahan 28.10.2013/LP

Pientaajuisen sähkökentän kytkeytyminen kehoon Sisäinen sähkökenttä on merkittävästi pienempi kuin ulkoinen. Suurimmat sisäiset sähkökentät syntyvät, kun jalat ovat hyvässä kontaktissa maahan ja pienimmät kentät syntyvät, kun keho on täysin eristetty maasta. Kehon koko ja muoto sekä asento vaikuttavat kehossa kulkevaan kokonaisvirtaan enemmän kuin kudosten johtavuus, kun jalat ovat hyvässä kontaktissa maahan. Kehoon syntyvien virtojen paikallinen jakauma riippuu kudosten ja elinten johtavuudesta. Pientaajuisen sähkökentän välillinen vaikutus on kosketusvirta, joka syntyy kosketettaessa sähkökentässä maasta eristettyä johtavaa kappaletta. 28.10.2013/LP

Pientaajuisen magneettikentän kytkeytyminen ihmiseen ja erimuotoisiin kappaleisiin Ihmiskeho ei vaikuta ulkoiseen magneettikenttään. Sisäinen ja ulkoinen magneettikenttä ovat yhtä suuria. Muuttuva magneettikenttä indusoi sähkökentän ja pyörrevirtoja Sisäinen sähkökenttä ja virrantiheys ovat suurim- millaan kehon ja kappaleen pinnalla. 28.10.2013/LP

Pientaajuisen magneettikentän kytkeytyminen palloon Φ = r2Bo magneettivuo U = 2rEi induktiojännite Ei U = -dΦ/dt Faradayn laki r Bo Sinimuotoisella kentällä maksimikenttä pinnalla keskellä 0 28.10.2013/LP

Magneettikentän kytkeytyminen pyörähdysellipsoidiin Induktiokenttä suurimmillaan B-kenttää vasten kohtisuorassa tasossa pinnalla B-kenttä xy-tasossa Indusoituva sähkökenttä keskialueella (z=0), Indusoituva sähkökenttä keskialueella (z=0), kun a/b>6 (sinimuotoinen kenttä) 28.10.2013/LP

Pientaajuisen magneettikentän kytkeytyminen kehoon Kookkaampien ihmisten kehoon syntyy suuremmat sisäiset sähkökentät, koska kehon sisäiset virtasilmukat ovat suuremmat. Sisäinen sähkökenttä riippuu magneettikentän suunnasta kehoon nähden. Suurin sisäinen sähkökenttä syntyy, kun magneettikenttä tulee kehon edestä tai takaa ja on kohtisuorassa kehon pituusakseliin nähden (suurin poikkipinta-ala). Pienin sisäinen sähkökenttä syntyy, kun magneettikenttä on kehon pituusakselin suuntainen (pienin poikkipinta-ala). Elimen sisäinen sähkökenttä riippuu magneettikentän suunnasta elimeen nähden. Sisäisen sähkökentän paikallinen jakauma riippuu kudosten ja elinten johtavuudesta. 28.10.2013/LP

Taajuuden vaikutus kehon sisäiseen altistumiseen sähkö- ja magneettikentässä laskettu maadoitetulla ihmisen pyörähdysellipsoidimallilla E on pituusakselin suuntainen H on kohtisuorassa pituusakseliin nähden johtavuus 0,2 S/m taajuudella 50 Hz ja 0,4 S/m taajuudella 1 MHz tasoaalto-olosuhteissa (E/H=613/1,63 = 377 W) sähkökenttä kytkeytyy voimakkaammin kuin magneettikenttä 28.10.2013/LP

Ei,e Ei,m  =ave= 2/3 lihas  = 1000 kg/m3 SAR pyörähdysellipsoidissa  =ave= 2/3 lihas  = 1000 kg/m3 Ei,e E Sähkökentän aiheuttama koko kehon keskimääräinen SAR Ei,m Magneettikentän aiheuttama koko kehon keskimääräinen SAR Ei,m = pintakenttä H SARwba=SARwba,e+SARwba,m 28.10.2013/LP

Oikosulkuvirta jaloissa homogeenisessa sähkökentässä E0 johtavaan maatasoon oikosulussa olevan ihmisen jalkojen kautta kulkeva oikosulkuvirta h = ihmisen pituus f = taajuus K0 = virtavakio pyörähdysellipsoidista johdettu virtavakion lauseke keskikokoiselle miehelle R = 12,8 K0 = 0,078 nA/(m2HzVm-1) realistisemmilla malleilla ja mittauksilla saadut virtavakiot 0,07 - 0,108 nA/(m2HzVm-1) malli toimii noin 30 MHz taajuuteen asti 28.10.2013/LP

50 Hz SÄHKÖKENTÄN INDUSOIMA VIRTA KEHOSSA ¯ 28.10.2013/LP

Laskentamallien käyttökelpoisuus alle 30 MHz taajuuksilla Pyörähdysellipsoidimalleilla voidaan arvioida virrantiheyksiä ja oikosulkuvirtoja maahan sekä kentän polarisaation vaikutusta absorptioon homogeenisissa kentissä. Anatomisilla ja epähomogeenisilla kehon laskentamalleilla on arvioitava koko kehon SAR ja varsinkin paikallinen SAR myös homogeenisessa kentässä, koska raajoissa on suuria paikallisia absorptioita. koko kehon SAR, paikallinen SAR, virrantiheydet ja sisäinen sähkökenttä epähomogeenisessa kentässä, esim. hyvin lähellä säteilylähdettä Epähomogeeninen kenttä aiheuttaa aina pienemmän sisäisen sähkökentän kuin homogeeninen kenttä. 28.10.2013/LP

Kehon SAR-jakaumia taajuuksilla 50 – 150 MHz laskettu aikuisen miehen (Duke) numeerisella anatomisella mallilla sähkökenttä on kehon pituusakselin suuntainen maadoitettu maasta eristetty 28.10.2013/LP

Koko kehon keskimääräinen ominaisabsorptionopeus SAR taajuuden funktiona SAR  f2 28.10.2013/LP

Koon ja maakontaktin vaikutus absorptioon 28.10.2013/LP

Ihmisen ja rotan SAR eri polarisaatioilla 28.10.2013/LP

KUUMAT PISTEET Virran ahtautuminen kapeissa kehon osissa Seisovat aallot Fokusoituminen kaareutuvista rajapinnoista Puoliaaltoresonanssi (pää, silmä) Pieni antenni lähellä kehoa (matkapuhelin) Tasoaallossa paikallinen SAR on eristetyssä ihmisessä noin 25-kertainen koko kehon SAR-arvoon nähden (30 - 3000 MHz). 28.10.2013/LP

SAR-JAKAUMA 15 cm PALLOSSA (PÄÄ) z SAR (W/kg) x y ´ er=35 s = 0,7 S/m y-akselilla x-akselilla 28.10.2013/LP

Matkapuhelimen aiheuttama SAR-jakauma päässä Matkapuhelimen aiheuttama SAR on pinnallinen, koska pää on puhelimen lähikentässä, joka pienenee nopeasti etäisyyden kasvaessa. http://www.elmagn.chalmers.se/~elfrk/work/dosimetry/dosimetry.html 28.10.2013/LP

SM-aallon tunkeutuminen kudokseen z Eo Et k Ht k Ho Tunkeutumissyvyydellä Et(z)/Et(0)=0,37 (1/e) St(z)/St(0)=0,135 (1/e2) 28.10.2013/LP

IHO JA IHONALAINEN KUDOS 28.10.2013/LP

MIKROAALLON TUNKEUTUMINEN KEHOON 10 GHz TAAJUUDELLA 28.10.2013/LP

Maksimi SAR iholla taajuuden funktiona 28.10.2013/LP

TASOAALTO KOHTAA HÄVIÖLLISEN VÄLIAINEEN tuleva aalto H0 Et k läpäissyt aalto k Ht heijastunut aalto Hr Er E Et z 28.10.2013/LP

SAR:n ja tehotiheyden välinen yhteys pinta-absorptioalueella koko kehon SAR R2 = tehonheijastuskerroin, S = tehotiheys, A = kehon fysikaalinen poikkipinta-ala noin kolmannes mikroaaltotehosta absorboituu kehoon koko kehon SAR pyörähdysellipsoidimallilla, kun sähkökenttä on pituusakselin suuntainen samanmuotoisilla kehoilla koko kehon SAR on kääntäen verrannollinen kehon läpimittaan 28.10.2013/LP

Yhteenveto kudosten sähköiset ominaisuudet määräytyvät kentän ja varautuneiden hiukkasten välisistä vuorovaikutuksista kudoksessa sähköistä polarisaatiota kudosten permittiivisyys ja johtavuus riippuvat eniten vesimolekyylien muodostamien dipolien aiheuttamasta polarisaatiosta (-dispersio) kudosnesteiden vapaiden ionien kulkeutumisesta kentän suuntaan solukalvojen polarisoitumisesta (-dispersio, < 10 MHz) kudoksen johtavuus riippuu sen vesipitoisuudesta kehoon sisään syntyvään sähkökenttään vaikuttavat ulkoiset kentät ja ympäristö kehon koko ja muoto sekä kudosten sähköiset ominaisuudet kentän kytkeytymisen taajuusalueet kvasistaattinen (< 30 MHz) resonanssi (30 - 3000 MHz) pinta-absorptioalue (3 - 300 GHz) 28.10.2013/LP