Mikrodalga frekanslı EM radyasyona maruz kalan biyolojik dokularda oluşan ısıl etkinin teorik ve deneysel incelenmesi

Abstract

EMA, RP, MD, Biyo-ısı transferi, Doku termal model analizi, FDTD, Beyin eşdeğer fantom model, Doku termal cevabı, Risk analizi MD frekanslı EM alanlara vücut kısımlarının maruz kalması durumunda, Biyo ısı transferinin doku termal modellerine uygulanması, dokuda oluşması beklenen lokal sıcaklık artışlarının sınırlandırılması ve oluşturulan beyin dokusu eşdeğer fantom modeli ile termal analiz ve ölçümlerin gerçekleştirilmesi bu araştırmanın amaçlarını oluşturmaktadır. MD'lara maruz kalan dokuların termal model analizleri için BITD analitik ve FDTD metodu ile nümerik olarak çözülmüştür. Yapılan çözümlerin doku termal modellerine uygulanabilmesi için MATLAB kodlan oluşturulmuştur. Doku termal modelleri üzerinde yapılan termal analizler ile doku termal parametrelerinin ve dokuda depolanan EM enerjinin sıcaklık artışına etkileri detaylı olarak incelenmiştir. İzole sınır şartlanndaki çözümler ile deri ve göz dokusu yüzeyindeki sıcaklık artışının maruz kalma süresine bağlı analizleri yapılmıştır. MD frekanslarında yüzeysel soğurulma arttığı için deri dokusu vücudu koruyan bir ekran tabakası olarak düşünülmüş ve deri dokusu için termal model oluşturulmuştur. Bu model, deri dokusu termal parametrelerinin frekansa göre değişimleri dikkate alınarak kurulmuştur. Deri dokusu termal analizi, fizyolojik parametrelere (kan akış oranı, termal iletkenlik sabiti, doku özgül ısı kapasitesi, doku yoğunluğu v.b) bağlı olarak yapılmış ve grafik olarak sunulmuştur. BITD ısı yayılmasının sonsuz hızda olduğu bilgisi üzerine kurulmuştur. BITD yanında, biyolojik dokuların termal gevşeme zaman sabitlerine bağlı olarak ısı yayılmasının sonlu hızda olduğu prensibine dayanan TDBIT denklemi, MD'lara maruz kalan dokuların termal analizleri için ilk defa yeni bir yaklaşım olarak kullanılmıştır. Bu amaçla TDBIT denklemi FDTD metodu ile çözülmüş Matlab kodu oluşturulmuştur. TDBIT ve temel Penne biyo ısı denklemi doku termal modellerine uygulanarak karşılaştırmalı analizler yapılmıştır. 900MHz ve 1800MHz için S.D.Ü Tıp Fakültesi Biyokimya Laboratuarında beyin dokusu eşdeğer fantom karışımları hazırlanmıştır. Elde edilen bu karışımları uzun bir süre kullanabilmek için (elektriksel özellikleri değişmeden) karışımlarda özel kimyasallar kullanılmıştır. Bakteriyel etki testleri S.D.Ü Merkezi Araştırma Laboratuarında yapılmıştır. Yapılan testler, eşdeğer dokuların yaklaşık bir yıl gibi uzunca bir süre bozulmadan tekrarlı ölçümlerde kullanılabileceğini göstermiştir. Karışımların elektriksel özellikleri ölçülerek tespit edilmiştir. Bu karışımlara ilgili frekanslarda farklı maruz kalma durumları için dipol antenler kullanılarak RFR uygulanmıştır. Beyin eşdeğer dokusunda oluşan sıcaklık artışları hassas bir şekilde ölçülmüştür. Ölçüm sonuçlan grafik olarak düzenlenerek sunulmuştur.

THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDY ON THERMAL ANALYSIS IN BIOLOGICAL TISSUE WHICH UNDER EXPOSURE OF MW FREQUENCY EM RADIATION SUMMARY Keywords: EMA, RF, MW, Bio-heat transfer, Tissue thermal model analysis, FDTD, Brain- equivalent tissue phantom model, Risk analysis The aim of this study is, as the part of body under MW exposure, application of tissue thermal model of bio-heat transfer, limiting of expected local heat rise and making thermal analysis, measurement by using brain-equivalent tissue phantom model. Thermal model analysis of tissues exposed to MW was made by using BITD analytical and by using FDTD numerical. In order to apply results which we have got to tissue thermal model, codes have been generated using MATLAB. Thermal analysis on tissue thermal models, thermal parameters of tissue, and effect of stored EM energy in tissue on heat rise were investigated. Solutions on the isolated boundary conditions and analysis of heat rise on the surface of eye and skin related to exposure time have been analyzed. As absorption in MW frequencies increases; considering that the skin is a shielding layer so that a thermal model has been set up for skin tissue. A new model was created with a consider of the thermal parameters of skin tissue that may vary vs. frequency. Thermal analysis of skin tissue was made related to physiological parameters (blood flow rate, thermal conductivity, tissue specific heat capacity, tissue density etc.) and it was presented graphically. BITD has been established on the information of infinite velocity of spread of heat. Beside BITD, TDBIT equation is under condition of principle of finite velocity related to thermal relaxation time of biological tissue. In this study this equation was used in thermal analysis of tissue under MW exposure for the first time. For this goal TDBIT equation has been solved with FDTD method and MATLAB codes have been generated. Basic Penne's bio- heat equation and TDBIT have been applied to tissue thermal models so comparative analysis could be made. For 900 and 1800 MHz, brain-equivalent phantom mixtures have been prepared at the Biochemistry Laboratory of Medical Faculty of Süleyman Demirel University. In order to use these obtained mixtures for a long time, specific chemicals were used in these mixtures. Bacteriological effect tests have been made in Central Research Laboratory of Süleyman Demirel University. The tests made show that the mixtures can be used for nearly one year for repeated measuring. Electrical features of mixtures were determined by measuring. Dipole antennas were used to apply RFR to these mixtures at certain frequencies for different cases of exposure times. In those cases heat rises in brain-equivalent tissue phantom models have been measured sensitively. Results of measuring have been presented graphically. XVII