Absorción de radiación 5G en el tejido cerebral en función de la frecuencia, la potencia y el tiempo
https://plataforma.quieroauditoriaenergetica.org/blog/15-categoria-blog-2/529-radiacion-5gege-cerebro?fbclid=IwAR30tiTGNSUbcm_z_CUZrVUS9MHz3qz8l3kn24Jd5hZeF-3t4UL3BhoQqWALa rápida liberación de las redes de comunicaciones inalámbricas 5G ha generado nuevas preocupaciones con respecto a las interacciones de la Radiación de Radiofrecuencia (RF) más alta con las especies vivas.
Examinamos la exposición y absorción de RF en tejido cerebral bovino ex vivo y un gel de simulación cerebral en tres frecuencias: 1,9 GHz, 4 GHz y 39 GHz que son relevantes para los espectros actuales (4G) y futuros (5G). Introducimos un método térmico de alta sensibilidad para la evaluación de la exposición a la radiación, y derivamos experimentalmente relaciones precisas entre el aumento de temperatura (ΔT), la tasa de absorción específica (SAR) y la densidad de potencia incidente (F), y tabulamos los coeficientes, ΔT / ΔF y Δ (SAR) / ΔF, en función de la frecuencia, profundidad y tiempo.
Este nuevo método proporciona tanto ΔT como SAR aplicables al rango de frecuencia por debajo y por encima de 6 GHz como se muestra en 1.9, 4 y 39 GHz, y demuestra la evaluación experimental más sensible de la exposición del tejido cerebral a la radiación de ondas milimétricas hasta la fecha, con una detección límite de 1 mW. Examinamos la penetración del haz, la absorción y la difusión térmica a frecuencias representativas de 4G y 5G y mostramos que el calentamiento de RF aumenta rápidamente con la frecuencia debido a la disminución de la longitud de onda de la fuente de RF y al aumento de la densidad de potencia con la misma potencia incidente y tiempo de exposición.
También mostramos los efectos de la temperatura de la onda continua, secuencias de pulsos rápidos y pulsos individuales con duración de pulso variable, y empleamos modelos electromagnéticos para mapear las distribuciones de campo en el tejido. Finalmente, utilizando esta nueva metodología, medimos experimentalmente la difusividad térmica del tejido cerebral bovino ex vivo.
Motivación de la investigación
Existe una tendencia creciente a implementar tecnologías de la información y las comunicaciones con velocidades de transmisión de datos mucho más altas. Más de la mitad de la población mundial está ahora en línea y casi toda la población mundial está al alcance de una red celular móvil [1], [2].
El próximo sistema de comunicaciones inalámbricas de quinta generación (5G) ampliará las redes existentes más allá de los casi siete mil millones de usuarios actuales de teléfonos móviles y entrará en el ámbito del Internet de las cosas, conectando potencialmente billones de dispositivos inalámbricos [1], [2]. Los casos de uso de 5G identificados se basan en gran medida en una banda ancha móvil mejorada, comunicaciones masivas de máquina a máquina y comunicaciones ultra fiables y de baja latencia [1], [2].
La importancia estratégica de estas tecnologías de la información y las comunicaciones ha creado una intensa competencia internacional para adquirir la infraestructura integral con fuertes implicaciones para el crecimiento económico, la defensa y la seguridad nacional [3] - [4] [5].
La capacidad total de datos depende de la densidad de la celda, la eficiencia espectral y el ancho de banda de frecuencia. Los requisitos de rendimiento técnico actuales necesitan nuevas tecnologías de radiodifusión y un espectro mucho más amplio [1], [2]. Un método preferido para cumplir con los requisitos del espectro es utilizar frecuencias más altas, específicamente las bandas de ondas milimétricas entre 30 y 300 GHz. Además, el aumento de la frecuencia y la disminución de la longitud de onda correspondiente permite la miniaturización de antenas, estaciones base y dispositivos inalámbricos, haciéndolos más adecuados para mejorar la densidad celular. Sin embargo, las ondas milimétricas tienen rangos cortos de propagación, son absorbidas por el vapor de agua y el oxígeno en la atmósfera, por la vegetación, muy fuertemente por el agua en los tejidos de las personas y los animales, y son fácilmente reflejadas y dispersadas por pequeñas partículas metálicas. y objetos dieléctricos, desorden urbano y grandes estructuras naturales y artificiales [6] - [7] [8].
Superar estas limitaciones aumentando la densidad de la celda, aumenta la interferencia y requiere una mayor directividad y, por lo tanto, una mayor densidad de potencia. El aumento de la frecuencia y el ancho de banda requieren un vallado espectral significativo a expensas de otras aplicaciones.
Actualmente, el espectro sub-6 GHz está muy concurrido y ya incluye celulares 3G / 4G, GPS, Wi-Fi, satélites de banda L, radares de banda S y banda C y otras asignaciones. Con el fin de reducir la interferencia y los requisitos de potencia, y mejorar el rango y la eficiencia espectral, una solución para 5G es la densificación de la red, que emplea una gran cantidad de celdas más pequeñas y una gran cantidad de antenas más pequeñas en cada estación base con alta directividad electrónica.
Capacidades de formación y dirección del haz [9]. El número de antenas de transmisión y recepción por estación base aumentará típicamente con el aumento de la frecuencia para los puntos de acceso interiores, así como para permitir una cobertura de banda ancha móvil urbana y rural densa. Las próximas redes de comunicaciones móviles utilizarán radios multibanda con una combinación de frecuencias de banda baja, media y alta para optimizar la cobertura y la capacidad [10].
A la fecha, las bandas asignadas se han especificado en términos generales por debajo o por encima de 6 GHz y se han etiquetado como: banda baja (600, 800 y 900 MHz); banda media (2,5, 3,5 y 3,7–4,2 GHz); y banda alta (24, 26, 28, 37, 39, 42 y 47 GHz) con el resto de bandas sin licencia por encima de 95 GHz [10].
A pesar de los estándares establecidos por la FCC y las comunidades de RF, la absorción de radiación electromagnética en los tejidos biológicos ha sido y sigue siendo una preocupación pública [11] [12] [13] [14] [15] [16].
Esto lo será aún más con el próximo despliegue de una gran cantidad de dispositivos de mayor frecuencia y mayor potencia con una mayor direccionalidad a medida que se despliegue 5G. Algunos de los primeros estudios relevantes han tratado de evaluar con precisión las interacciones biológicas y las tasas de absorción efectiva de RF de alta frecuencia con modelos humanos y animales [17] - [18] [19] [20] [21] [22] [23] [ 24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38].
También hay estudios en curso que evalúan las pautas establecidas [39] [40] para la exposición a las próximas bandas de alta frecuencia 5G. Recientemente, la Comisión Internacional de Protección contra Radiaciones No Ionizantes (ICNIRP) revisó sus pautas y el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) revisó el estándar C95.1 para usar la tasa de absorción específica (SAR) por debajo de 6 GHz y absorbida densidad de potencia (PD) por encima de 6 GHz [39], [40].
Los enfoques actuales adoptados generalmente utilizan la medición directa de la radiación de los dispositivos transmisores a través de una sonda que se mueve en una cuadrícula tridimensional en un fluido de simulación de tejido [41] o utilizan modelos y simulaciones de software para predecir la SAR en medios biológicos [42]. Aunque la comunidad de investigadores continúa debatiendo entre los efectos térmicos y no térmicos de la radiación absorbida a niveles de SAR particulares [43], proponemos que tales distinciones pueden estar relacionadas esencialmente con los límites de detección de absorción en tejido biológico a niveles muy bajos. Una vez que se establece una dependencia precisa de las constantes y mecanismos térmicos, es posible estimar con precisión la absorción a niveles de potencia de RF muy bajos. El establecimiento de esos umbrales dejaría de ser objeto de debate.
En última instancia, los efectos de la temperatura sobre los procesos físicos, químicos, electroquímicos y biológicos son complejos y pueden registrarse como efectos positivos, negativos o nulos en tejidos u organismos específicos [44] [45].
A pesar de las controversias sobre los estudios de los sistemas inalámbricos existentes de hasta 1,9 GHz (4G), los efectos de penetración del haz, absorción y difusión térmica de las ondas milimétricas (5G) en los tejidos difieren significativamente de los valores de 4G. Aunque es común extrapolar la absorción de frecuencia más baja y el aumento de temperatura confiando en características dieléctricas de tejido premedidas y modelos electromagnéticos para establecer requisitos de seguridad en todas las bandas de ondas milimétricas, dichos modelos generalmente no tienen en cuenta las características detalladas del haz de RF, térmicas difusión y convección, o geometrías y condiciones de exposición específicas.
Creemos que existe una clara necesidad y mucho que aprender mediante la introducción de métodos experimentales sencillos que amplían las investigaciones de baja frecuencia en tejidos específicos en todo el rango de frecuencias 5G.
Se estudió la absorción de ondas electromagnéticas en cerebro bovino ex vivo y un gel equivalente de cerebro en función de la frecuencia (f), la densidad de potencia incidente (F) y el tiempo de exposición (t) con el objetivo principal de medir con precisión la temperatura (T) y tasa de absorción específica (SAR) versus densidad de potencia incidente (F) y derivando los coeficientes ΔT / ΔF y Δ (SAR) / ΔF para las muestras. Tres bandas de frecuencia, 1,9, 4 y 39 GHz, niveles de potencia incidente de 1 mW a 2 W (correspondientes a densidades de potencia incidente de 0,14 a 275,40, 0,61 a 1226,40 y 16,58 a 33155,26 W / m2 en la superficie del tejido de las tres fuentes de guía de ondas respectivamente) y los tiempos de exposición de 1 segundo a 30 minutos, pulsados y CW, se presentan todos.
La radiación de RF que incide provoca efectos dinámicos simultáneos complejos dentro del tejido cerebral como resultado de la penetración, la absorción y la difusión térmica del haz, que deben tenerse en cuenta para evaluar el impacto de la exposición con precisión en función de la frecuencia, la potencia y el tiempo. Aunque el aumento general de temperatura no es lineal con el tiempo, es lineal en intervalos cortos, al igual que la potencia de RF absorbida en tiempos de exposición discretos y profundidades dentro del tejido en cada frecuencia que medimos. Por tanto, podemos proponer un modelo lineal para el cambio de temperatura, dT = (dT / dF) dF, con densidad de potencia, y dT = (dT / dt) dt con el tiempo, para exposiciones cortas.
Dado que el SAR es proporcional al dT/dt inicial a través del calor específico (C), una gráfica de C (ΔT/Δt) versus F dará una línea recta con una pendiente de Δ (SAR) / Δ F, y una gráfica de ΔT frente a F dará una pendiente de ΔT / ΔF. Estos coeficientes dependientes de la densidad de potencia incidente de aumento de temperatura y tasa de absorción específica, ΔT / ΔF y Δ (SAR) / ΔF, pueden usarse como una medida de exposición a RF en cada rango de frecuencia y densidad de potencia.
El ΔT/ΔF se puede derivar experimentalmente en función de la frecuencia, los tiempos de exposición y la profundidad en el tejido cerebral después de realizar una serie de mediciones de alta precisión de temperatura versus profundidad que abarcan múltiples niveles de potencia y tiempos de exposición en cada frecuencia. Los datos tabulados de ΔT / ΔF y Δ (SAR) / ΔF se pueden utilizar para predecir el aumento de temperatura en el tejido cerebral para cualquier frecuencia, densidad de potencia incidente, profundidad y tiempo de exposición dados en las frecuencias y en los rangos de potencia. estudió.
Dado que encontramos que las gráficas ΔT / ΔF son lineales hasta las potencias más bajas medibles, creemos que es posible extrapolar ΔT / ΔF a niveles de potencia por debajo de los que podemos detectar con nuestras sondas térmicas, y predecir con precisión incluso cambios de temperatura más pequeños en cerebro (<0,1 ° C) de lo que hemos observado, como resultado de exposiciones a RF incluso más bajas que las que hemos probado.
Primero presentamos el aumento de temperatura medido en cada una de las 5 posiciones axiales dentro del cerebro y las muestras de gel en función del tiempo y la potencia de RF incidente. Todas las mediciones se realizan a temperatura ambiente y cualquier desviación de la línea base en las lecturas del termopar se elimina mediante muestreo durante 5 minutos sin aplicar energía de RF. La energía siempre se aplica durante 30 minutos, seguida de un período de “apagado” de 30 minutos antes de que se establezca y aplique el siguiente nivel de energía. En todos los casos, pasamos de la potencia aplicada más baja a la más alta en una secuencia que generalmente dura 12 horas para cada muestra en cada frecuencia.
El aumento de temperatura experimental (ΔT) frente al tiempo (t) y la potencia incidente (P) para el cerebro bovino (panel izquierdo) y el gel (panel derecho) a 1,9 GHz se muestran en la Fig. 2. Las curvas de color corresponden a la temperatura y el tiempo mediciones a niveles de potencia de 250, 500, 1000 y 2000 mW, con tiempos de exposición de 30 minutos y profundidades de muestreo de temperatura de 1, 6, 11, 16 y 21 mm, respectivamente.
El aumento de temperatura experimental (ΔT) frente al tiempo (t) y la potencia incidente (P) para el cerebro bovino (panel izquierdo) y el gel (panel derecho) a 4 GHz se muestran en el informe. Las curvas de color corresponden a la temperatura y el tiempo mediciones a los niveles de potencia de 16, 32, 62,5, 125, 250, 500, 1000 y 2000 mW, con tiempos de exposición de 30 minutos y profundidades de muestreo de temperatura de 1, 6, 11, 16 y 21 mm, respectivamente. Tenga en cuenta que a medida que aumentamos en frecuencia, de 1,9 a 4 GHz, y en potencia incidente, los perfiles de temperatura del cerebro y el gel comienzan a desviarse significativamente entre sí. Esto es especialmente obvio por encima de 1 W, donde el gel comienza a mostrar convección térmica que indica una desviación de un modelo de difusión estricto: un aplanamiento, e incluso un vuelco térmico, de la temperatura máxima a lo largo del tiempo y un enfriamiento rápido cuando se apaga la energía. . Concluimos que el gel está pasando a un estado líquido a los niveles de potencia más altos y comienza a aparecer un calentamiento y enfriamiento por convección.
El aumento de temperatura experimental (ΔT) frente al tiempo (t) y la potencia incidente (P) para el cerebro bovino (panel izquierdo) y el gel (panel derecho) a 39 GHz se muestran en la Fig. 4. Las curvas de color corresponden a la temperatura y el tiempo mediciones a los niveles de potencia de 1, 2, 4, 8, 16, 32, 62,5, 125, 250, 500, 1000 y 2000 mW, con tiempos de exposición de 30 minutos y profundidades de muestreo de temperatura de 1, 6, 11, 16 y 21 mm, respectivamente. En comparación con la frecuencia más baja, a 39 GHz el calentamiento de RF es mayor en cada profundidad mientras que la absorción de RF está muy limitada a la superficie de la muestra (ver Apéndice) y los cambios rápidos resultantes en las curvas de calentamiento y enfriamiento son muy evidentes tanto en el cerebro y gel.
A 39 GHz, como a 4 GHz, el cerebro exhibe un amplio rango de linealidad de temperatura y potencia, mientras que el aumento de la temperatura del gel gira a alta potencia y la transferencia de calor parece haber cambiado de difusión a convección. Ahora hay una gran diferencia entre el calentamiento en el primer termopar (1 mm de profundidad) y el segundo (6 mm de profundidad) que muestra gradientes térmicos mucho más altos. Al igual que con las mediciones de 4 GHz, esto muestra el confinamiento de la RF a la superficie de la muestra y proporciona una buena medida de la constante de tiempo térmica para el calentamiento por conducción tanto en el tejido cerebral como en el gel. Observe en el gráfico superior izquierdo que podemos detectar cambios muy pequeños en la potencia (1 mW) y la temperatura (<0,1 ° C) en ambas muestras con nuestra configuración y nuestro método produce perfiles de calentamiento realistas incluso cuando la penetración de RF es limitada.
La magnitud del aumento de temperatura (ΔT), la tasa de temperatura (ΔT / Δt) y el gradiente de temperatura (ΔT / Δz) aumentan rápidamente con la frecuencia creciente. El aumento de ΔT / Δz en cada muestra a un nivel de potencia incidente dado (P) indica una menor penetración de RF y una mayor concentración de energía de RF cerca de las superficies a medida que aumenta la frecuencia. Sin embargo, este cambio también es una función de la difusión térmica, la concentración del haz de RF, el índice de refracción en cada frecuencia y el coeficiente de absorción dependiente de la frecuencia, todos los cuales contribuyen a la posición de la potencia de RF más intensa en la muestra (ver Apéndice ). Aunque la densidad de energía de RF aumenta cerca de la superficie con mayor frecuencia, la velocidad de calentamiento aún aumenta significativamente en profundidad como resultado de la difusión de calor.
Usando los datos de medición, podemos volver a trazar el ΔT frente a ΔF en intervalos de tiempo fijos y luego derivar ΔT / ΔF para el rango lineal donde una gráfica de ΔT frente a ΔF tiene una línea recta. El rango lineal varía con la densidad de potencia incidente, la frecuencia y el tiempo de exposición. Estos gráficos se muestran en las Figs. 5 y 6 para cerebro y gel en las tres frecuencias, 1,9, 4 y 39 GHz. Además, las muestras de gel se midieron a 29 GHz.
El informe muestra que el tejido cerebral bovino exhibe un amplio rango de linealidad en la absorción de radiación de RF en un amplio rango de frecuencia, potencia y tiempos de exposición. El tejido cerebral tiene una respuesta lineal de hasta 2 W de potencia y hasta 30 minutos de tiempo de exposición a 1,9 y 4 GHz y hasta 1 W a 39 GHz. En contraste, se muestra que las curvas de temperatura y tiempo se desplazan en el gel a las potencias más altas y frecuencias 5G (29 y 39 GHz) especialmente, en el rango más alto de potencia y tiempos de exposición. Este comportamiento contrasta dramáticamente con el tejido del cerebro bovino y se debe a cambios en las propiedades del gel y al inicio de la convección como resultado del calentamiento intenso y la concentración de la potencia de RF en la muestra.
