Russian Federation
The article considers a possibility of improving the methods of controlling the electro-magnetic environment subject to additional parameters. There has been conducted analysis of the Russian and international standards on hygienic regulation of electromagnetic fields to reveal the parameters characterizing the interaction between the energy of an electromagnetic field and biological objects. A specific absorbed rate and a specific absorbed energy are quantitative characteristics of the interaction of electromagnetic fields with biological objects. The biological effects of electromagnetic radiation on the biological objects are considered. A promising direction for ensuring safety from the effects of electromagnetic radiation is a comprehensive methodology of monitoring and visualizing the electromagnetic environment. To improve the principles of monitoring the electromagnetic environment there have been considered the methods of dosimetry of electromagnetic fields of the radio frequency range. Theoretical dosimetry methods are based on the use of anatomically realistic computer models of typical biological objects, taking into account the values of electrical properties for different simulated biological tissues in the models. There have been shown the advantages and disadvantages of theoretical dosimetry methods based on computational methods: the finite element method, method of moments, multipolar method, hybrid methods and analytically based methods. Experimental dosimetry consists in direct measurement of the magnitude of the electromagnetic field energy of the emitting object. A modern system of experimental dosimetry of electromagnetic radiation for assessing the dosimetric parameters of the absorbed electromagnetic field energy is presented including measuring probes, a probe positioning system, a testing system, a method for measuring parameters, as well as a control and data processing system. The conducted research makes it possible to identify theoretical and experimental methods of dosimetry that can be used to control the electromagnetic environment, taking into account dosimetric parameters.
electromagnetic field, radiation source, biological effects, electromagnetic environment, specific absorbed rate, energy absorption, numerical model, dosimetry
Введение
Интенсивный рост современных беспроводных технологий характерен не только для бытовой сферы, но и для производственной сферы агропромышленного комплекса (АПК) [1–3]. Беспроводные технологии связаны с непосредственным использованием радиочастотных электромагнитных полей (ЭМП) для передачи информации. Большинство современных персональных устройств беспроводной связи представляют собой портативные приемопередатчики ЭМП, работающие вблизи биологических объектов. Поскольку электромагнитная энергия, поглощаемая тканями биологических объектов, вызывает неблагоприятные биологические эффекты, радиочастотные ЭМП от персональных телекоммуникационных устройств и технологий потенциально опасны для здоровья населения. Таким образом, для защиты пользователей, обслуживающего персонала от негативного влияния таких устройств необходимы корректные оценки воздействия радиочастотного ЭМП [2, 3]. Такой принцип важен для определения допустимого уровня ЭМП и приведения в соответствие российских и международных стандартов [1].
Международные пределы воздействия радиочастотных ЭМП на биологические объекты в ближнем поле имеют основные ограничения, определяемые уровнем дозиметрического значения удельной поглощенной мощности (УПМ) и удельной поглощенной энергии [4]. Удельная поглощенная мощность характеризуется скоростью поглощения электромагнитной энергии в единице массы биологической ткани или ткани, имитирующей фантомы. Оценка дозиметрических параметров поглощенной энергии ЭМП проводится с учетом измерения напряженности электрического поля. Такой метод позволяет анализировать пространственное распределение поглощенной мощности в облучаемом объекте и определяет «горячие точки», т. е. места максимального значения УПМ [4, 5].
Дозиметрия ЭМП необходима для того, чтобы определить количественную взаимосвязь между причиной и следствием [6, 7]. Зная взаимосвязь между причиной и следствием, можно предсказать эффект для различных значений величины причины, для которых даже не может быть экспериментальных данных. Наиболее точные прогнозы получаются, когда причинно-следственная диаграмма представляет собой прямую линию, например, когда удвоение причины удваивает эффект (линейная причинно-следственная связь) [6]. Согласно экспериментальным данным [8–10], биологические эффекты, воздействие на здоровье от искусственных ЭМП неионизирующего излучения не подчиняются линейной зависимости «доза – реакция» (или причинно-следственной связи). Исследования показывают [9–11], что поглощение большего количества энергии той же массой данной ткани и в течение того же интервала времени не обязательно вызывает больший биологический эффект.
Проблемы взаимодействия неионизирующих электромагнитных излучений различной интенсивности и частоты с биологическими объектами
Биологический эффект от определенного количества поглощенной энергии биологическим объектом зависит, прежде всего, от конкретной биомолекулы, поглощающей некоторое количество энергии в течение интервала времени [9, 10]. Проведенные исследования [10, 11] указывают на серьезные биологические изменения (повреждение ДНК) в результате взаимодействия с источниками ЭМП без нагрева биологических тканей. Это может происходить с помощью нетепловых механизмов, которые включают прямые изменения внутриклеточных концентраций ионов или изменения ферментативной активности [5, 9, 10]. Повреждение ДНК может привести к раку, нейродегенеративным заболеваниям, снижению репродуктивной функции или даже наследственным мутациям. Опухоли головного мозга, снижение репродуктивной способности или симптомы, описываемые как «микроволновый синдром» (головные боли, потеря памяти, усталость и т. д.), характерны для людей, подвергшихся воздействию излучения мобильной телефонной связи в течение последних лет [8–10]. Международное агентство по изучению рака (МАИР) классифицировало радиочастотные/микроволновые ЭМП как «возможно канцерогенные для человека» [5, 9, 10].
Защита от вредного воздействия ЭМП на биологический объект основывается на нескольких принципах: защита по времени, защита на расстоянии и использование защитных средств (коллективные и индивидуальные) [11]. Принцип защиты на расстоянии заключается в максимальном удалении рабочих мест или мест непрофессионального воздействия от источника ЭМП и зоны воздействия ЭМП высокой интенсивности. В частности, для общей защиты населения организованы полосы отвода (санитарно-защитные зоны). Защита по времени позволяет уменьшить предельные значения воздействия на персонал выше гигиенических норм в течение всего рабочего дня. Этот принцип защиты применяется, когда необходимо работать при более высоких уровнях ЭМП в течение короткого периода времени и нет возможности уменьшить его. Использование средств коллективной и индивидуальной защиты позволяет снизить высокую интенсивность ЭМП на рабочих местах до допустимых уровней с помощью экранирующих устройств, одежды [3, 10–12].
Методы дозиметрии электромагнитных полей радиочастотного диапазона для совершенствования принципов контроля электромагнитной обстановки
Безопасные уровни воздействия ЭМП на человека должны соответствовать допустимым уровням, установленным в качестве гигиенических требований [4], при этом представленные принципы защиты должны опираться на конкретные данные для определения необходимости проведения того или иного мероприятия по защите. Для этого разработана комплексная методология контроля и визуализации электромагнитной обстановки в АПК, суть которой подробно рассматривается в работах [2, 13, 14]. Принципы комплексного контроля и визуализации электромагнитной обстановки основаны на использовании динамичной информационно-измерительной системы с изменяемой структурой [14]. Однако существенным недостатком представленной методологии является отсутствие возможности учета дозиметрических параметров поглощенной энергии ЭМП [1].
В соответствии с этим необходимо провести анализ методов дозиметрии ЭМП для совершенствования контроля электромагнитной обстановки.
Определение характеристик распределения и поглощения энергии ЭМП в биологических объектах основывается на использовании теоретических и экспериментальных методов дозиметрии [6, 15–17].
Методы теоретической дозиметрии основаны на вычислительных методах, позволяющих определить величину энергии ЭМП, которая поглощается биологическим объектом, с учетом различных характеристик (форма объекта, его расположение, электрические свойства). Теоретическая дозиметрия связана с определением величин дозиметрических параметров поглощенной энергии в моделях, которые в той или иной степени близки аппроксимацией к биологическим объектам с простейшей геометрической формой (сфера, шар, цилиндр) [6].
Численная модель для дозиметрической оценки включает источник излучения, объект воздействия и окружающую среду, которые оказывают влияние на воздействие. Точность и пространственное разрешение дозиметрии обычно ограничены качеством определенной модели. На практике модель представляет собой массив расчетных ячеек, каждая из которых описывает электрические свойства материала, расположенного в определенной точке расчетного пространства, а также электрические источники и завершение расчетной сетки [15, 16]. Модели могут быть созданы с помощью генератора моделей, входящего в состав программных пакетов FDTD, или на основе доступных CAD (автоматизированное проектирование) или воксельных данных [15–17].
Для детальной дозиметрии необходимы гетерогенные модели тканей. Точные численные модели для конкретного случая могут быть сгенерированы на основе данных магнитно-резонансной томографии или компьютерной томографии. Повышение точности и доступности томографии в последние годы привело к увеличению доступности численных моделей. Однако для того, чтобы сгенерировать численную модель на основе данных визуализации, типы биологических тканей должны быть сегментированы, что означает идентификацию типов тканей различных областей на изображении. Кроме того, должны быть известны диэлектрические параметры типов тканей [16, 17].
Теоретические методы дозиметрии используют анатомически реалистичные компьютерные модели типичных моделей биологических объектов,
а также значения электрических свойств для различных моделируемых биологических тканей
в моделях [6, 15]. Распределение дозиметрических параметров в биологическом объекте оценивается на основе численного решения уравнений Максвелла. Одной из сложностей методов теоретической дозиметрии является корректное моделирование излучающего источника. Однако использование моделей в ограниченном частотном диапазоне и условий облучения ЭМП обуславливает существование нескольких методов теоретической дозиметрии. На рис. 1 представлены основные методы дозиметрии с учетом преимуществ и недостатков конкретного метода [17].
Рис. 1. Методы теоретической дозиметрии
Fig. 1. Methods of theoretical dosimetry
Распространенным алгоритмом теоретической дозиметрии для оценки параметров является метод конечных разностей во временной области (FDTD). Однако численные модели и процедуры моделирования для дозиметрической оценки зависят от конкретного случая [6].
Основная проблема теоретической дозиметрии заключается в том, что метод чувствителен ко многим параметрам. Недостатки в численной модели трудно распознать, основываясь только на результатах моделирования. Следовательно, моделирование всегда должно быть подтверждено другим
независимым методом, таким как экспериментальная измерительная установка, аналитическое решение в упрощенном случае или, по крайней мере, моделирование с использованием другой численной модели и алгоритма [15–17].
Экспериментальные установки используются для оценки эффектов воздействия радиочастотных полей на биологические объекты. Специально разработанные системы облучения обеспечивают воздействие на исследуемый образец строго определенным электромагнитным полем, избегая помех от других источников облучения. Такие системы обычно представляют собой контролируемую среду с точки зрения температуры и защиты от различных загрязнений [18, 19].
Первые результаты экспериментальной дозиметрии были получены на основе использования теплофизических методов, в основе которых лежит приращение тепловой энергии объекта при облучении ЭМП [5, 18]. В таких случаях дозиметрия использовалась для определения облучения от носимого оборудования с помощью термисторных зондов. Основным недостатком таких методов экспериментальной дозиметрии является низкая точность температурных измерений с учетом большого количества ограничений [18, 19].
К другой группе методов экспериментальной дозиметрии относятся измерения величин электрической или магнитной составляющих электромагнитного излучения [18–20]. Современная система дозиметрии электромагнитного излучения для оценки дозиметрических параметров поглощенной энергии ЭМП включает в свой состав определенное оборудование (рис. 2).
Рис. 2. Современная система экспериментальной дозиметрии [20]
Fig. 2. Modern system of experimental dosimetry [20]
Одной из систем экспериментальной дозиметрии является использование фантомов и тканеэквивалентных жидкостей [6, 18, 19]. В таком случае экспериментальная установка состоит из некоторых компонентов: датчиков электрического поля, системы сканирования, дистанционного управления и записи данных. Фантом должен обладать электрическими свойствами, аналогичными свойствам биологических тканей. Разработаны различные жидкие и твердые материалы, соответствующие электрическим свойствам различных тканей человека в широком диапазоне частот [6–8].
Небольшие датчики электрического поля используются для измерения электрических полей внутри физического фантома, сводя к минимуму изменения полей, создаваемых присутствием зонда. Эти процедуры были стандартизированы для проверки соответствия различных устройств рекомендациям по радиочастотной безопасности, которые требуют высокой воспроизводимости [18–20].
Основное преимущество использования экспериментальной дозиметрии для оценки дозиметрических параметров заключается в отсутствии чувствительности к грубым ошибкам. При измерениях используется фактическая антенна, поэтому определение параметров внутренних структур антенны не требуется. Настройка измерения дозиметрических параметров может быть проверена, например, с помощью стандартного измерения источника (диполя) перед фактическими измерениями, чтобы убедиться в приемлемости результатов. Надежность и воспроизводимость измерений параметров особенно способствуют использованию таких измерений в качестве метода проверки для теоретической дозиметрии [18–20].
Главное преимущество использования теоретических методов дозиметрии заключается в получении подробной информации о воздействии [5, 15–17]. Более того, поскольку генерируется исходная модель, различные биологические модели, позы и расстояния могут быть проанализированы с относительно небольшими усилиями.
Теоретические и экспериментальные методы дозиметрии обладают не только вышеуказанными преимуществами, но и существенными недостатками, заключающимися в наличии ошибок и погрешностей при определении структуры распределения и поглощения энергии ЭМП и определении величины дозиметрических параметров.
Заключение
В результате увеличения количества разнообразных источников ЭМП, а также учитывая эпидемиологические исследования, подтверждающие негативное влияние ЭМП на биологические объекты, для защиты от электромагнитных полей и излучений необходимо выявить перспективные направления контроля электромагнитной обстановки. Одним из таких направлений является взаимосвязанное применение теоретических и экспериментальных методов дозиметрии. Экспериментальные методы дозиметрии позволяют измерять величины электрической или магнитной составляющих электромагнитного излучения, с последующим использованием полученных результатов в теоретических методах дозиметрии. При этом полученные результаты оказывают непосредственное влияние на оценку опасности электромагнитной обстановки по результатам математического моделирования.
Таким образом, совершенствование методологии контроля электромагнитной обстановки с учетом дозиметрических параметров поглощенной энергии ЭМП заключается в объединении теоретических и экспериментальных методов дозиметрии.
1. Solovskoy A. S., Vasil'ev V. Yu., Titov E. V. Metodika kontrolya elektromagnitnoy obstanovki s uchetom dopolnitel'nyh energeticheskih parametrov // Polzunov. al'm. 2022. № 2. S. 91-93.
2. Titov E. V., Soshnikov A. A., Vasil'ev V. Yu., Solovskoy A. S. Komp'yuternoe modelirovanie nalozhennyh elektromagnitnyh voln ot istochnikov elektromagnitnogo polya v shirokom diapazone chastot // Vestn. Alt. gos. agrar. un-ta. 2022. № 3 (209). S. 102-108.
3. Titov E. V., Migalev I. E., Ustyugov D. V., Barsukov D. V. Issledovanie ustroystva dlya zaschity ot elektromagnitnyh izlucheniy // Gorizonty obrazovaniya. 2017. № 19 (23). URL: http://edu.secna.ru/media/f/epb_tez_2017.pdf (data obrascheniya 11.01.2023).
4. Barnes F., Greenebaum B. Setting Guidelines for Electromagnetic Exposures and Research Needs // Bioelec-tromagnetics. 2020. V. 41. N. 5. P. 392-397.
5. Russell C. L. 5 G wireless telecommunications expansion: Public health and environmental implications // Environmental Research. 2018. V. 165. P. 484-495.
6. Rubcova N. B., Perov S. Yu. Metody dozimetrii elektromagnitnyh poley pri ocenke ih biologicheskogo deystviya // Aviakosmicheskaya i ekologicheskaya medicina. 2012. T. 46. № 3. S. 3-8.
7. Solovskoy A. S., Titov E. V. Kontrol' elektro-magnitnoy obstanovki s uchetom kolichestvennoy ocenki pogloschennoy elektromagnitnoy energii // Resursosberegayuschie tehnologii v agropromyshlennom komplekse Rossii: materialy III Mezhdunar. nauch. konf. (Krasnoyarsk, 24 noyabrya 2022 g.). Krasnoyarsk: Izd-vo KGAU, 2022. S. 121-124.
8. Rubtsova N. B., Perov S. Y., Belaya O. V. The Model of Equivalent Radiofrequency Electromagnetic Field Exposure for Biological Effect Assessment // Progress in Electromagnetics Research Symposium: 2019 PhotonIcs and Electromagnetics Research Symposium - Spring, PIERS-Spring 2019 - Proceedings, Rome. Rome: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2019. P. 1413-1415.
9. Shteyn Ya. Profilakticheskie mery po snizheniyu negativnogo vozdeystviya elektromagnitnogo izlucheniya na zdorov'e // Analiz riska zdorov'yu. 2021. № 3. S. 42-53.
10. Buhtiyarov I. V., Rubcova N. B., Perov S. Yu., Belaya O. V. Sovremennye trebovaniya k sredstvam individual'noy zaschity ot elektricheskih poley promyshlennoy chastoty i soputstvuyuschih faktorov proizvodstvennoy sredy // Elektroenergiya. Peredacha i raspredelenie. 2018. № 5 (50). S. 114-116.
11. Mariscotti A. Assessment of human exposure (Including interference to implantable devices) to low-frequency electromagnetic field in modern microgrids, power systems and electric transports // Energies. 2021. V. 14. N. 20. URL: https://www.mdpi.com/1996-1073/14/20/6789/xml (data obrascheniya 12.01.2023).
12. Evstaf'ev V. N. Elektromagnitnye izlucheniya, sozdavaemye trankingovymi stanciyami na ob'ektah transporta i svyazi // Aktual'nye problemy transportnoy mediciny. 2011. № 4 (26). S. 30-36.
13. Titov E. V., Soshnikov A. A., Drobyazko O. N. Experimental research of electromagnetic environment in domestic environment with computer visualization of electromagnetic pollution // Proceedings 2020 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2020, Sochi. Sochi: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2020. P. 9112010.
14. Soshnikov A. A., Migalev I. E., Titov E. V. Mobil'naya sistema integrirovannoy ocenki opasnosti elektromagnitnyh izlucheniy // Elektrotehnika. 2018. № 12. S. 10-14.
15. Gapeev A. B., Chemeris N. K. Voprosy dozimetrii pri issledovanii biologicheskogo deystviya elektromagnitnogo izlucheniya krayne vysokih chastot // Biomedicinskaya radioelektronika. 2010. № 1. S. 13-36.
16. Rubtsova N. B., Perov S. Y., Belaya O. V. The Comparison of Approaches to Power Frequency Electro-magnetic Field Hygienic Regulations // Lecture Notes in Electrical Engineering. 2020. V. 598 LNEE. P. 131-137.
17. Perov S. Yu., Kudryashov Yu. B., Rubcova N. B. Ocenka informativnosti teoreticheskih osnov i ogranicheniy raschetnoy dozimetrii radiochastotnyh elektromagnitnyh izlucheniy // Radiacionnaya biologiya. Radioekologiya. 2012. T. 52. № 2. S. 181.
18. Perov S. Yu., Kudryashov Yu. B., Rubcova N. B. Instrumental'naya dozimetriya radiochastotnyh elektromagnitnyh izlucheniy: obschie principy i sovremennaya // Radiacionnaya biologiya. Radioekologiya. 2012. T. 52. № 3. S. 276.
19. Perov S. Yu. Eksperimental'naya dozimetriya radiochastotnyh elektromagnitnyh poley personal'nyh sredstv svyazi v gigienicheskom normirovanii (obzor literatury) // Vestn. novyh medic. tehnologiy. 2011. T. 18. № 3. S. 286-288.
20. Rubcova N. B., Perov S. Yu. Metody dozimetrii elektromagnitnyh poley pri ocenke ih biologicheskogo deystviya // Aviakosmicheskaya i ekologicheskaya medicina. 2012. T. 46. № 3. S. 3-8.
