Các công thức phỏng đoán mức hấp thụ riêng trên con người dưới tác động phơi nhiễm quanh khu vực antenna

IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL. 53, NO. 4, NOVEMBER 2011 Các công thức phỏng đoán mức hấp thụ riêng trên con người dưới tác động phơi nhiễm quanh khu vực antenna Dựa trên bài báo gốc: Estimation Formulas for the Specific Absorption Rate in Humans Exposed to Base-Station Antennas- Marie-Christine Gosselin, G¨ unter Vermeeren, Sven K¨ uhn, Valpr´ e Kellerman, Stefan Benkler,Tero M. I. Uusitupa, Wout Joseph, Member, IEEE, Azeddine Gati, Member, IEEE, Joe Wiart, Frans J. C. Meyer, Luc Martens, Member, IEEE, Toshio Nojima, Takashi Hikage, Quirino Balzano, Life Fellow, IEEE, Andreas Christ, and Niels Kuster, Fellow, IEEE Tóm tắt: Bài báo trình bày các vấn đề liên quan đến sự phơi nhiễm của antena trên cơ thể người , có thể coi đây là một quá trình nghiên cứu lâu dài hoặc các kết quả thường xuyên diễn ra. Để làm giảm bớt mức độ ảnh hưởng, sử dụng công thức xấp xỉ mức hấp thụ riêng ( SAR) và các thông số của antenna sẵn có sẽ được xác nhận và đưa ra trong báo cáo này. Các công thức được sử dụng cho người lớn, đứng trong khu vực bức xạ của một antenna trạm gốc làm việc ở tần số 300MHz và 5GHz, với khoảng cách lớn hơn 200 mm. Nghiên cứu chỉ ra rằng, giá trị bách phân vị thứ 95 chịu tác động của cơ chế hấp thụ thông qua trọng lượng, chiều cao. Chỉ số khối lượng cơ thể. Việc này đã được tiến hành thử nghiệm trên 3 mô hình giải phẫu ( Duke, Ella, Thelonious) tiếp xúc với 12 trạm antenna cơ sở trong phạm vi băng tần cơ sở là 300MHz đến 5GHz tại 6 khoảng cách nằm giữa 10mm và 3m.Từ việc đánh giá 432 cấu hình, các công thức ước lượng cho các mô hình giải phẫu là người lớn đã được chứng minh là đảm bảo cho các dự đoán về các giá trị phơi nhiễm SAR trên 2 người lớn, nhưng lại có sự khác biệt khi nghiên cứu trên trẻ em. Các vấn đề đưa ra ở đây gồm: mô hình giải phẫu, cơ sở trạm ăng-ten, trường điện từ, tiếp xúc nghề nghiệp, giới hạn an toàn, tỷ lệ hấp thụ riêng (SAR) I. Giới thiệu 1 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL. 53, NO. 4, NOVEMBER 2011 Trên hầu hết các quốc gia, phơi nhiễm trong lĩnh vực vô tuyến từ các trạm antenna gốc thường được quy định bởi CNIRP ( Ủy bản quốc tế về bảo vệ chống bức xạ không ion hóa) hoặc các quy định do IEEE ban hành. Với CNIRP, có 2 loại hạn chế khác nhau được định nghĩa là: Những hạn chế cơ bản, hạn chế về mức hấp thụ riêng ( SAR) và mức phân bố hiện tại trong cơ thể con người, các mức tham chiếu, và giới hạn vật lý trong lĩnh vực trường điện từ, tiếp theo đó là những giới hạn được tạo ra từ những hạn chế cơ bản. Đối với trường khu gần, như các antenna trên các trạm cơ sở các mức tham chiếu có thể rất đảm bảo, tỉ số giữa các giá trị trường ngẫu nhiên và mức hấp thụ riêng là lớn hơn rất nhiều so với các mức tham chiếu và các giới hạn cơ bản. Do đó, các phương pháp đo tại các khu vực quanh các trạm antenna dẫn đến các ước tính tỉ lệ phơi nhiễm an toàn. Nói cách khác, các phương pháp đo tỉ lệ hấp thụ riêng là các phương pháp đo trong phòng thí nghiệm tại những khoảng cách xa từ các nguồn vô tuyến tương đối tốt. Tại các vùng lân cận của các trạm antenna, nơi có tần số vô tuyến RF cao nhất, tại đó có phơi nhiễm thể hiện rõ rệt. Tài liệu kĩ thuật của antenna chứa các thông tin cơ bản về thông số kĩ thuật như kích thước antenna, hệ số bức xạ… Vì thế, cần phải có sự phát triển của 1 dự toán nghiên cứu về hệ số bức xạ riêng đối với con người trong tầm phóng xa của trường khu xa và trường khu gần của các trạm antenna. Phơi nhiễm của mô hình giải phẫu người tại một trạm antenna trước đây đã được nghiên cứu qua 2 đề tài “ sự phụ thuộc vào mức độ phơi nhiễm tại các trạm cơ sở theo các thông số kĩ thuật của antenna và cơ thể con người”- 2009 và đánh giá tỷ lệ hấp thụ riêng tại khu vực gần các trạm antenna nhưng các ma trận phơi nhiễm thường không phổ biến, Hơn thế nữa, hầu hết các nghiên cứu mô phỏng có liên quan là không đồng nhất trên các mô hình con người. Một dạng mô hình được sử dụng là dạng mô hình người có thể nhìn thấy được ( Visible human model) được đưa ra đại diện cho bình quân đầu người dẫn đến trường hợp hấp thụ mạnh hơn. Mức độ phơi nhiễm sóng phẳng trên các mô hình mẫu người khác nhau cho ta một tỷ lệ bức xa riêng phù hợp với mô hình mẫu người đó mà không cần phải đạt tới 2 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL. 53, NO. 4, NOVEMBER 2011 một mức phơi nhiễm phù hợp của một mẫu nhỏ hơn [ được chỉ ra trong báo cáo tác động của trường điện từ vô tuyến trên các mô hình giải phẫu khác nhau] và báo cáo này cũng chỉ ra mức độ phơi nhiễm ảnh hưởng tới trẻ em [ được chỉ ra trong báo cáo tỷ lệ bức xạ riêng sóng mặt đất giữa tần số 10MHz- 5,6Ghz]. Người ta đã tiến hành một vài nghiên cứu để đưa ra công thức phỏng đoán mức hấp thụ riêng để xác định phơi nhiễm tại các trạm antenna. Đây là những tính toán hoàn toàn phù hợp với phần lớn các dữ liệu về mức hấp thụ riêng. Tuy nhiên nó chỉ ứng dụng cho một vài mẫu giải phẫu là người lớn ở mức tần số 800- 2200MHz. Để tiếp cận vấn đề này sâu hơn bao gồm cả các yếu tố về thể chất để phát triển các công thức tính toán và so sánh nó với kết quả đạt được từ các giá trị mức hấp thụ riêng (SAR) từ ma trận phơi nhiễm mở rộng trên người khi đứng trước một trạm antenna. 3 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL. 53, NO. 4, NOVEMBER 2011 II. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chính cho nghiên cứu này là để phục vụ cho việc phát triển tiêu chuẩn PT62232 của tổ chức kĩ thuật điện quốc tế ( IEC) . Về cơ bản, bao gồm các nội dung sau: 1. Phát triển các công thức ước lượng cho toàn bộ cơ thể người, 1 g, 10 g SAR trên cơ sở nghiên cứu thể trạng vật lý cũng như các kết quả số học. 2. Chuẩn hóa các công thức thông qua đánh giá số học về mức trung bình hấp thụ riêng trên cơ thể người (wbSAR) và đỉnh không gian mức hấp thụ riêng (psSAR) của các mô hình giải phẫu có độ phân giải cao chịu tác động của phơi nhiễm gây ra bởi hàng loạt các trạm antenna có với các khoảng cách khác nhau và các mặt của phơi nhiễm. III. Phương pháp nghiên cứu A. Mô hình giải phẫu người Như fig.1. , 3 thành viên của một gia đình ảo bao gồm: Duke- đóng vai trò là người đàn ông trong gia đình ảo này ( VFM). Ella- đóng vai trò là người phụ nữ trong gia đình này (VFF) và Thelonious đóng vai trò là một bé trai trong gia đình ảo này (VFB). Những mô hình này được phân biệt bởi 80 đặc điểm nhận dạng dựa trên các hình ảnh cộng hưởng y học (MRI) của những người tình nguyện vì sức khỏe. Các tham số điện môi được gán theo mô hình tham số và bảng tương đương được cung cấp cho các mô hình gia đình ảo VF. 4 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL. 53, NO. 4, NOVEMBER 2011 Bảng 1 miêu tả về tuổi, cân nặng, chiều cao, mặt chéo Scs và bề mặt da Sdubois của 3 mô hình giải phẫu này. Mô hình giải phẫu người được phát triển cho VF, đại diện cho các giá trị trung bình của con người ( dựa trên số liệu thống kê). Theo các công thức dự đoán được phát triển trên nền tảng tiên đề áp dụng cho 95% dân số ( chỉ tính với người lớn), các kết quả mô phỏng từ mô hình gia đình ảo không nên vượt quá mức phơi nhiễm đã được tính toán trước qua các công thức ước lượng. B. Antennas 12 mô hình trạm antenna phổ biến đã được phát triển dựa trên mô hình antenna thực, 2 trạm cho mỗi nhóm 6 tần số nằm trong khoảng 300Mhz đến 5Ghz. Antenna đã được lựa chọn đặc trưng cho các antenna không dây. Trong bảng 2, tóm tắt các tham số đặc trưng bao gồm N- số các phần tử, D –kích thước lớn nhất của antenna, độ rộng bước sóng nửa công suất ngang (HPBW), độ rộng bước sóng nửa công suất dọc. Các mô hình antenna được chuẩn hóa bởi bộ so sánh các đặc tính trường khu xa của nó, cũng như trong lĩnh vực trường điện từ, tại 4 mặt với các khoảng cách khác nhau trước trạm antenna, từ phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian (FDTD) và phương pháp mô phỏng moment MoM để tính toán các giá trị từ tài liệu kĩ thuật của thiết bị. C. Các phương pháp số hóa Tất cả các ước tính về độ phơi nhiễm trên con người trước các trạm antenna đã được mô phỏng thực hiện trên nền tảng tính toán SEMCAD, bao gồm bộ hậu xử lý cho các giá trị ước tính của đỉnh không gian mức hấp thụ riêng cho một số lượng người dùng đặc trưng bất kì. Việc sắp đặt các mô hình tại các khoảng cách lớn trong giới hạn của độ dài bước sóng là nguyên nhân các vấn đề tính toán trở nên rất rộng khi sử dụng phương pháp FDTD truyền thống. một phương pháp mới được gọi là phương pháp GHB (generalized Huygens box) được phát triển và thực hiện tại SEMCAD X. Trong phương pháp này, các vùng có liên quan từ trạm antenna được tính toán trong không gian tự do sử dụng phương pháp FDTD, MoM, một phương pháp phân tích hoặc một vài phương pháp khác và được ghi lại trên bề 5 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL. 53, NO. 4, NOVEMBER 2011 mặt GHB trên mô hình giải phẫu người. Đối với ước tính phơi nhiễm, yêu cầu một phân giải lưới rất mạnh. Các trường được ghi lại trước được thêm vào và bắt buộc trên lưới tại bề mặt GHB tại vị trí giữa mô hình. Việc tính toán SAR được chuẩn hóa nhờ sử dụng phương pháp FDTD. Phương pháp GHB chỉ được sử dụng để cấu hình ghép nối giữa mô hình người và trạm antenna có thể được bỏ qua. IV. Các công thức phỏng đoán Phần sau đây sẽ miêu tả các bước một cách chi tiết các công thức phỏng đoán của wbSAR và psSAR cho phơi nhiễm tại các trạm antenna cơ sở. Hình 2 cho ta một biểu đồ miêu tả các bước trước khi được gửi. Trước tiên, cơ thể người chịu tác động phơi nhiễm được đặc trưng bởi khối hình hộp [đã được đề cập trong một số nghiên cứu sự ảnh hưởng của hình dạng tới mức phơi nhiễm trên cơ thể người], nhưng chưa bao giờ được sử dụng nhằm mục đích phỏng đoán hay phân tích. Một phân tích về phân bổ, thống kê dân số về khối lượng, chiều cao, chỉ số khối cơ thể cho phép ta có thể rút ra kích thước của cơ thể con người dẫn đến phơi nhiễm bảo toàn cho 95% dân số. Một biểu thức đơn giản của wbSAR được tìm ra 6 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL. 53, NO. 4, NOVEMBER 2011 và chuẩn hóa cho phơi nhiễm sóng phẳng bao gồm việc nâng cao các lớp vấn đề. Một phân tích các kết quả sóng phẳng sau đó chuẩn hóa và xác định trường hợp tỉ số wbSAR trên psSAR xấu nhất. Phân bố công suất trung bình trong ống dẫn sóng thẳng đứng của antenna đã đước đề cập đến rất nhiều, như ta đã biết, phơi nhiễm từ các trạm antenna cơ sở là không đồng nhất trên các phần khác nhau của cơ thể con người, bề mặt phát xạ chịu tác động của phơi nhiễm được định nghĩa bởi khối hình hộp. Sau đó, các công thức tính wbSAR và psSAR được phát hiện, phụ thuộc vào các tham số săn có của antenna, công suất bức xạ, khoảng cách khối hình hộp và kích thước của bách phân vụ thứ 95 của người. A. Mô hình người tổng thể Bước đầu tiên, mô hình người xấp xỉ với khối hình hộp về cân nặng, chiều cao, bề mặt da, khối hình hộp này đồng nhất với phân bố ρ= 1000kg/m 3 . Tiết diện da của người là S, ví dụ như: cân nặng là m, chiều cao là H, ta sẽ có: S DuBois [cm 2 ]= 71,84(m[kg]) 0,425 (H[cm]) o.725. (1) Tổng tiết diện của khối hình hộp được tính theo công thức (1), và giá trị của nó được xác định thông qua 2 tham số: cân nặng m và mật độ phân bố. Diện tích bề mặt và khối lượng V của nó đặc trưng cho kích thước của khối hình hộp: bao gồm chiều cao H, bề rộng W, độ sâu D. Hai tham số sau để xác định giá trị phương sai của S và V. Hai kích thước lớn nhất đạt được liên quan tới độ rộng và chiều sâu nhỏ nhất, tại vị trí có độ phơi nhiễm cực đại. B. Phân vị thứ 95 đặc trưng cho mô hình mẫu người Thay vì sử dụng khối hình hộp đặc trưng cho kích thước của con người, một cách tiếp cận phổ biến hơn là việc sử dụng công thức ước lượng để xác định kích thước thực của người và để xác định trường hợp xấu nhất có thể xảy ra khi mà 95% số người lớn chịu ảnh hưởng phơi nhiễm. Giá trị wbSAR cao nhất đạt được khi tỉ số S cs /m cực đại. Với mức phơi nhiễm chuẩn trên một phần hình hộp, giá trị wbSAR, SARwb có thể được tính như sau: 7 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL. 53, NO. 4, NOVEMBER 2011 SAR wb =S cs /m. P D,t (2) Với P D,t là phân bố công suất truyền tải trong chất rắn và S cs =W.H là tiết diện trên hình hộp. Nó được miêu tả là mức phơi nhiễm dẫn đến wbSAR khi chịu phơi nhiễm sóng mặt đất hoặc các trạm antenna cơ sở. Dưới phơi nhiễm của các trạm, đối với từng phần trên cơ thể, mức độ ảnh hưởng là không đồng nhất, mật độ công suất cao hơn tại vị trí trung tâm thẳng đứng của antenna. Trong trường hợp này, cơ thể người ngắn hơn, rộng hơn sẽ hấp thụ bức xạ nhiều hơn. Người thấp nhất, nhẹ nhất được miêu tả trong hình 3, tỉ số cross-section to mass đạt 11,2x10 -3 m 2 /kg. Trong trường hợp phơi nhiễm tại các trạm antenna, rất có thể dẫn đến wbSAR đạt cực đại; vì thế kích thước lựa chọn để đặc trưng cho giá trị phân vị thứ 95 ( tham khảo bảng 3). 8 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL. 53, NO. 4, NOVEMBER 2011 Với sự phơi nhiễm tại các trạm antenna cơ sở, mức độ ảnh lớn nhất là tại vị trí trung tâm, phỏng đoán này được đảm bảo cho 95% dân số ( chỉ tính với người đã trưởng thành). Nếu mức độ phơi nhiễm tại các trạm antenna cơ sở là đồng nhất trên các phần cơ thể ( tính theo chiều cao của mô hình), ta mong muốn khối hình hộp này có thể nhằm tới ước tính phơi nhiễm an toàn cho 90% dân số người lớn. C. Mật độ công suất gây ra Tỉ lệ hấp thụ riêng được định nghĩa như một hàm trong điện trường trong chất rắn E rms,t SAR=σ|E rms,t | 2 /ρ (3) Giá trị σ và ρ là dẫn suất và phân bố riêng của vật liệu. Nói cách khác, ta có thể sử dụng các tham số đặc tính của antenna để tính giá trị phân bố công suất trung bình theo tuyến dọc có cùng chiều cao antenna. Trong phần tiếp theo, mối quan hệ giữa điện trường phát và phân bố công suất tới sẽ được phát triển và sử dụng để tính toán tỉ lệ hấp thụ riêng SAR như một hàm khối lượng có liên quan tới độ phơi nhiễm tại các trạm antenna, gọi mật độ công suất tới là P D,i . Mật độ công suất của sóng điện từ được rút ra từ điện trường E và từ trường H như sau: P D = R{E rms x H rms } (4) 9 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL. 53, NO. 4, NOVEMBER 2011 Truyền lan sóng phẳng, điện trường và từ trường là trực giao và trở kháng sóng được tính bằng công thức Z=E/H= √ µ/ɛ . Giá trị µ là độ từ thẩm, ɛ là hằng số điện môi. Đối với sóng phẳng tới không gian tự do tại, từ trường bằng 0, hằng số điện môi ɛ r, , điện trường tiếp tuyến là E t, điện trường tới E i qua hệ số truyền tải t=2/(1+ √ ɛ r ) , với các định nghĩa này, mật độ công suất phát P D,t có thể được tính theo công thức sau: P D,t = Z i |t| 2 R(1/Z t *) P D,i (5) Với Z i là trở kháng vào, Z t là trở kháng phương tiện truyền, điện trường phát có thể được tính như sau: |E rms,t | 2 =Z i |t| 2 P D,i (6) Công thức tính giá trị SAR có thể được tính khi x=0 : SAR(0) = σ/ρ Z i |t| 2 P D,I (0) (7) D. Tỷ lệ hấp thụ riêng trung bình trên toàn cơ thể Phần này trình bày về các biểu thức tính toán wbSAR, dựa trên các nghiên cứu đã được sử dụng cho 10g psSAR từ tính xấp xỉ dựa trên SAR tại tiết diện của mô hình. Giá trị trung bình wbSAR, SAR wb được định nghĩa là tỉ số của tổng công suất hấp thụ trên tổng khối lượng hấp thụ. Trong trường hợp chất rắn đồng nhất, khối lượng tổng V tot có thể được viết dưới dạng một hàm phụ thuộc vị trí SAR, SAR(x,y,z): SAR wb =1/V tot SAR ( x , y , z ) dxdydz ¿ liiint ¿ vol ¿❑¿ (8) Ước tính này là hợp lệ với chất rắn đồng nhất và khối hình tùy ý, nhưng tích phân trở nên đơn giản hơn để tính toán trong trường hợp khối hình hộp. Bỏ qua Hiệu suất biên và phản 10 . NO. 4, NOVEMBER 2011 Các công thức phỏng đoán mức hấp thụ riêng trên con người dưới tác động phơi nhiễm quanh khu vực antenna Dựa trên bài báo gốc: Estimation. hóa các công thức thông qua đánh giá số học về mức trung bình hấp thụ riêng trên cơ thể người (wbSAR) và đỉnh không gian mức hấp thụ riêng (psSAR) của các