본 논문에서는 지속적인 고출력 전자기파 근접 노출 환경에서 인체 두부에서의 온도 변화를 살펴보았다. 근접 전자기파 발생 장치로 반파장 다이폴 안테나를 사용하고, 안테나의 위치는 귀 옆과 눈 앞 두 종류의 환경을 설정하였다. 이때, 안테나의 주파수는 두 종류의 단일 주파수 835 MHz와 1,800 MHz를 고려하였다. 전자기파 노출에 의한 인체의 전자파흡수율(Specific Absorption Rate: SAR) 값은 시간 영역 유한 차분법(Finite-Difference Time-Domain: FDTD)으로 계산하였고, 인체에서의 온도 변화는 생체 열 방정식(Bio-Heat Equation: BHE)를 이용해 계산하였다. 또한, 연속적인 고출력 노출 환경에서 인체의 온도 변화를 보다 정확히 예측하기 위해서 온도조절 기능(thermoregulation)을 고려하였다. 온도 조절 기능을 고려하지 않을 경우에는 최대 온도 상승은 안테나 출력에 비례하는 것을 확인하였다. 반면에, 온도 조절 기능을 고려하면, 피부의 온도가 $5^{\circ}C$ 이상 증가한 구간에서는 안테나 출력에 비례하는 특성이 나타나지 않는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 수치 해석 방법으로, 인체조직에 손상을 일으키는 온도 상승(뇌: $3.5^{\circ}C$, 피부: $10^{\circ}C$)을 야기할 수 있는 전자기파 노출 환경을 예측하기 위해서는 온도 조절 기능을 포함한 해석을 수행해야 한다.
본 논문에서는 지속적인 고출력 전자기파 근접 노출 환경에서 인체 두부에서의 온도 변화를 살펴보았다. 근접 전자기파 발생 장치로 반파장 다이폴 안테나를 사용하고, 안테나의 위치는 귀 옆과 눈 앞 두 종류의 환경을 설정하였다. 이때, 안테나의 주파수는 두 종류의 단일 주파수 835 MHz와 1,800 MHz를 고려하였다. 전자기파 노출에 의한 인체의 전자파 흡수율(Specific Absorption Rate: SAR) 값은 시간 영역 유한 차분법(Finite-Difference Time-Domain: FDTD)으로 계산하였고, 인체에서의 온도 변화는 생체 열 방정식(Bio-Heat Equation: BHE)를 이용해 계산하였다. 또한, 연속적인 고출력 노출 환경에서 인체의 온도 변화를 보다 정확히 예측하기 위해서 온도조절 기능(thermoregulation)을 고려하였다. 온도 조절 기능을 고려하지 않을 경우에는 최대 온도 상승은 안테나 출력에 비례하는 것을 확인하였다. 반면에, 온도 조절 기능을 고려하면, 피부의 온도가 $5^{\circ}C$ 이상 증가한 구간에서는 안테나 출력에 비례하는 특성이 나타나지 않는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 수치 해석 방법으로, 인체조직에 손상을 일으키는 온도 상승(뇌: $3.5^{\circ}C$, 피부: $10^{\circ}C$)을 야기할 수 있는 전자기파 노출 환경을 예측하기 위해서는 온도 조절 기능을 포함한 해석을 수행해야 한다.
In this paper, the bio-heat equation including thermoregulatory functions is solved for an anatomically based human head model comprised of 14 tissues to study the thermal implications of high-power exposure to electromagnetic(EM) fields due to half-wave dipole antenna both at 835 and 1,800 MHz. The...
In this paper, the bio-heat equation including thermoregulatory functions is solved for an anatomically based human head model comprised of 14 tissues to study the thermal implications of high-power exposure to electromagnetic(EM) fields due to half-wave dipole antenna both at 835 and 1,800 MHz. The dipole antenna is located at the side of the ear and the front of the eyes. The FDTD method has been used for the SAR computation. When solving the BHE, the thermoregulation function and sweating effetecs are included in order to predict more exact temperature increase. It is noted that an approximately proportional relationship between the tissues and the maximum temperature increase and the antenna power is not maintained when the thermoregulation and sweating effects are fully accounted for under high power exposure.
In this paper, the bio-heat equation including thermoregulatory functions is solved for an anatomically based human head model comprised of 14 tissues to study the thermal implications of high-power exposure to electromagnetic(EM) fields due to half-wave dipole antenna both at 835 and 1,800 MHz. The dipole antenna is located at the side of the ear and the front of the eyes. The FDTD method has been used for the SAR computation. When solving the BHE, the thermoregulation function and sweating effetecs are included in order to predict more exact temperature increase. It is noted that an approximately proportional relationship between the tissues and the maximum temperature increase and the antenna power is not maintained when the thermoregulation and sweating effects are fully accounted for under high power exposure.
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문제 정의
또한, 다이폴 안테나의 출력 크기에 따른 온도 변화에 대한 분석을 두 가지 주파수 835 MHz와 1,800 MHz에 대해서 수행하였다. 본 논문에는 인체에 대한 실제 측정 결과를 포함하지는 않고 있지만, 모의 실험을 진행하면서, 기존의 연구 결과와 비교를 하였고, 현재 널리 사용되고, 검증된 수치 해석 방법들을 이용했을 때, 고출력 전자기파 환경에서 인체의 온도 변화는 어떤 양상을 갖는지 보여주고자 한다.
본 논문에서는, ETRI1)에서 제작한 인체 두부 모델을 이용해 여러 가지 조건을 통해 인체의 온도 항상성에 대해 분석하도록 한다. 이를 위해 FDTD 방법을 이용해 전자기파 노출을 평가하고, 온도 조절 기능을 포함한 BHE를 이용해 인체 두부에서의 온도 변화를 살펴보도록 한다.
본 연구에서는 두 종류의 안테나 위치를 고려해, 다이폴 안테나에 의한 고출력 영향을 평가하였다. 고출력의 전자기파 노출 환경에서 보다 정확한 온도 예측을 위해서 인체의 온도 조절 기능도 함께 고려하였다.
가설 설정
각각의 송신 전력은 상용 셀룰라 휴대폰과 PCS 휴대폰에서 허용한 최대 출력 전력 크기이다. FDTD 계산 영역은 개공간을 가정하였기에 경계 조건으로 perfect matched layer(PML)[31]을 사용하였다.
인체 두부 조직의 온도 상수들은 표 1에 요약하였다. 본 연구에서는 인체 두부 모델의 주변 공기의 온도는 23 ℃로 가정하였고, 내부 공기는 36.7 ℃로 고정하였다. 이때, BHE의 경계 조건을 적용함에 있어, 내부 조직과 내부 공기 사이의 경계 조건에는 적용하지 않도록 한다.
그 다음에 주변 공기 온도를 23 ℃로 가정하고, SAR 값을 이용해 인체 두부 조직에 흡수된 전자기파 에너지를 BHE에 반영해 전자기파에 의한 인체 온도 변화를 모의 실험한다. 이때, 전자기파 노출 시간은 인체 내에서의 온도 변화가 정상 상태에 도달할 때까지 충분히 지속적으로 유지된다고 가정한다.
이를 위해 FDTD 방법을 이용해 전자기파 노출을 평가하고, 온도 조절 기능을 포함한 BHE를 이용해 인체 두부에서의 온도 변화를 살펴보도록 한다. 이때, 전자기파 노출은 연속적으로 장시간 지속된다고 가정한다. 또한, 다이폴 안테나의 출력 크기에 따른 온도 변화에 대한 분석을 두 가지 주파수 835 MHz와 1,800 MHz에 대해서 수행하였다.
제안 방법
FDTD 방법을 이용해 단일 주파수에 대한 전자기파 해석이 정상 상태에 도달하면, voxel의 중심점에서의 Ex, Ey, Ez 전자기파를 이용해 voxel의 SAR 값을 다음과 같이 계산하도록 한다.
본 두부 모델은 14 종류의 조직으로 구성되었고, 온도 해석에는 온도 조절 기능을 포함한 bio heat equation을 사용하였다. FDTD 해석을 통해 구한 평균 1 g SAR 값을 이용해, 각 조직의 온도 변화를 살펴보았다. 연속적인 전자기파 노출 상황에서 835 MHz(600 mW), 1,800 MHz(250 mW)일 때 인체 두부 모델에서 최대 온도 상승은 0.
본 연구에서는 두 종류의 안테나 위치를 고려해, 다이폴 안테나에 의한 고출력 영향을 평가하였다. 고출력의 전자기파 노출 환경에서 보다 정확한 온도 예측을 위해서 인체의 온도 조절 기능도 함께 고려하였다.
첫 번째 단계로, 우선 인체 두부에 흡수된 SAR 값을 계산하기 위해 3차원 FDTD 방법을 이용해 전자기파 해석을 수행한다. 그 다음에 주변 공기 온도를 23 ℃로 가정하고, SAR 값을 이용해 인체 두부 조직에 흡수된 전자기파 에너지를 BHE에 반영해 전자기파에 의한 인체 온도 변화를 모의 실험한다. 이때, 전자기파 노출 시간은 인체 내에서의 온도 변화가 정상 상태에 도달할 때까지 충분히 지속적으로 유지된다고 가정한다.
Case I의 모의 실험 환경은 참고문헌[11],[17],[19]에서 나타난 안구에서의 온도 변화를 관찰하기 어려운 경우이다. 따라서, 안구에서의 온도 변화 특성을 좀 더 자세히 살펴보기 위해서 안구 가까이에 다이폴 안테나를 위치시킨 Case Ⅱ를 고려하였다. 본 연구에서 사용한 인체 두부 모델은 눈꺼풀이 덮인 모델을 사용하였기 때문에, 안구로부터 발생하는 방사와 대류 효과를 배제할 수 있다[19].
이때, 전자기파 노출은 연속적으로 장시간 지속된다고 가정한다. 또한, 다이폴 안테나의 출력 크기에 따른 온도 변화에 대한 분석을 두 가지 주파수 835 MHz와 1,800 MHz에 대해서 수행하였다. 본 논문에는 인체에 대한 실제 측정 결과를 포함하지는 않고 있지만, 모의 실험을 진행하면서, 기존의 연구 결과와 비교를 하였고, 현재 널리 사용되고, 검증된 수치 해석 방법들을 이용했을 때, 고출력 전자기파 환경에서 인체의 온도 변화는 어떤 양상을 갖는지 보여주고자 한다.
본 연구에서는 몸통을 고려하지 않으므로 식 (2)의 RL은 고려하지 않도록 한다. 또한, 본 연구에서는 인체 두부 모델만 고려하기 때문에 참고문헌[4]와 같이 몸 전체 모델을 고려했을 때, 조직과 혈액의 열 교환에 의한 혈액의 온도 변화를 반영하는 것 역시 적합하지 않으므로, 본 연구에서는 혈액의 온도는 36.7 ℃로 고정하였고, 피부에서의 경계 조건은 다음과 같이 주어진다[4],[12].
수치 해석 방법에 의한 평가 과정은 보통 두 단계로 진행된다. 먼저, 전자기파 노출에 의한 인체의 전자기파 흡수율 SAR 값을 계산하고, 생체 열 방정식(Bio-Heat Equation: BHE)을 이용해 외부 열 에너지 공급원으로 계산된 SAR 값을 적용해 인체에서의 온도 상승을 예측한다[21]. 생체 열 방정식 BHE는 인체 내의 다양한 열 이동 방법들, 예를 들면, 전도성 이동, 혈류에 의한 이동, 외부 열 흡수 등에 의한 열 이동에 따른 인체 조직에서의 온도 변화를 수식적으로 모델링한 것이다.
Case Ⅱ의 경우는 온도 조절 기능을 활성화한 조건에 대한 실험만 수행하였다. 모든 경우에 대해서 두 가지 주파수 835 MHz와 1,800 MHz에 대해 실험을 하였고, 출력은 835 MHz인 경우, 기본 0.6 W를 시작으로 1.2, 2.4, 4.8, 9.6, 19.2, 38.4 W로 2배씩 증가시켜 분석하였고, 1,800 MHz인 경우에는 0.25, 0.5, 1.0, 2.0, 4.0, 8.0, 16.0 W 출력을 고려하였다.
, SW 각각 대류(convection) 상수, 인체 표면(피부) 온도, 외부 공기 온도, 그리고 땀에 의한 열 손실 상수를 나타낸다. 본 논문에서는 자세한 수식과 설명들은 생략하였지만, 참고문헌 [12]에서 설명한 인체 온도 조절 기능(thermoregulation)을 포함하고 있다. 온도 조절 기능이란 체내 온도를 약 37 ℃ 정도로 유지하기 위한 인체의 조절 기능으로 만약 인체의 온도 상승이 클 경우, 온도 상승에 따라 혈류 이동 속도의 증가, 피부에서의 혈관 확장, 땀 배출 등을 증가시켜 열 배출을 가속화 하고 반대의 경우 열손실을 막기 위해 열 배출을 최소화 한다[21],[33]~[35].
인체 두부 모델을 기반으로 835 MHz와 1,800 MHz 다이폴 안테나의 전자기파 노출에 의한 인체 두부의 온도 변화를 살펴보았다. 본 두부 모델은 14 종류의 조직으로 구성되었고, 온도 해석에는 온도 조절 기능을 포함한 bio heat equation을 사용하였다. FDTD 해석을 통해 구한 평균 1 g SAR 값을 이용해, 각 조직의 온도 변화를 살펴보았다.
온도 조절 기능을 고려하지 않는 경우 온도 상승은 전자파 노출량에 비례해서 최대 온도 상승이 나타나는 것을 Case Ⅰ-(a)를 통해서 확인하였기 때문에, Case Ⅱ의 경우에는 온도 조절 기능을 포함한 해석 만을 수행하였다.
35 cm의 반파장 다이폴 안테나를 각기 사용하였다. 이때 다이폴 안테나는 중간 급전을 사용하였고, 출력 크기는 급전점에서의 전류와 전압의 복소곱에 의해 결정하였다. 주파수 835MHz 다이폴 안테나는 600 mW의 송신 전력이 나타나도록, 1,800 MHz에서는 250 mW가 되도록 하였다.
에서 제작한 인체 두부 모델을 이용해 여러 가지 조건을 통해 인체의 온도 항상성에 대해 분석하도록 한다. 이를 위해 FDTD 방법을 이용해 전자기파 노출을 평가하고, 온도 조절 기능을 포함한 BHE를 이용해 인체 두부에서의 온도 변화를 살펴보도록 한다. 이때, 전자기파 노출은 연속적으로 장시간 지속된다고 가정한다.
인체 두부 모델을 기반으로 835 MHz와 1,800 MHz 다이폴 안테나의 전자기파 노출에 의한 인체 두부의 온도 변화를 살펴보았다. 본 두부 모델은 14 종류의 조직으로 구성되었고, 온도 해석에는 온도 조절 기능을 포함한 bio heat equation을 사용하였다.
대상 데이터
본 논문에서 사용한 인체 두부 모델은 ETRI에서 computed tomography(CT) 스캔을 통해 표준 한국인 성인을 선정하여 개발한 것으로 271개의 단면으로 이루어졌고, 해상도는 1×1×1 mm3으로 목 부분까지 포함하고 있는 두부 모델이다.
본 연구에서 고려한 주파수 835 MHz와 1,800 MHz에 대한 인체 조직의 밀도 ρ, 유전율 εr, 전도율 σ은 참고문헌 [1]로부터 데이터를 구했고, 해당 내용을 표 1에 정리하였다.
으로 목 부분까지 포함하고 있는 두부 모델이다. 본 인체 두부 모델은 다음과 같은 blood, bone cortical, cartilage, cerebellum, CSF, sclera, fat, gray matter, white matter, lens nucleus, muscle, nerve(spinal chord), skin and tongue의 총 14개의 조직으로 구성되어 있고, 이 모델의 특징은 안구를 피부 눈꺼풀이 덮고 있는 점이다. 본 모델의 안구는 외부 공기에 직접적으로 노출되어 있지 않기 때문에, 안구에 대한 온도 영향으로 복사와 대류 효과를 배제할 수 있다.
인체 두부를 포함하는 전체 계산 영역은 330×270×270셀로 설정하였고, 각 셀의 크기는 1×1×1 mm3이다.
인체 두부를 포함하는 전체 계산 영역은 330×270×270셀로 설정하였고, 각 셀의 크기는 1×1×1 mm3이다. 전자기파 발생 장치로, 주파수 835 MHz와 1,800 MHz에서 공진하는 길이 18 cm와 8.35 cm의 반파장 다이폴 안테나를 각기 사용하였다. 이때 다이폴 안테나는 중간 급전을 사용하였고, 출력 크기는 급전점에서의 전류와 전압의 복소곱에 의해 결정하였다.
이론/모형
(i, j, k), ρ(i, j, k), σ(i, j, k)는 각각 (i∆x, j∆y, k∆z) 위치에서의 u-축 방향 전기장의 최대값이고, 인체 조직의 밀도와 전도율이다. 1 g 평균 최대 SAR 값을 계산하기 위해 최대 80 %의 공기 포함을 허용하였고, 자세한 계산 방식은 참고문헌[32]를 참고하였다.
본 연구에서는 FDTD 방법[20]이 SAR 계산을 위해 사용되었고, 해석 조건들은 다음과 같다. 인체 두부를 포함하는 전체 계산 영역은 330×270×270셀로 설정하였고, 각 셀의 크기는 1×1×1 mm3이다.
인체 두부 모델 내의 온도 분포는 생체 열 방정식(bio-heat equation: BHE)을 이용해 계산한다. 이때 온도 조절 기능(thermoregulation)[4],[10],[12]을 포함하도록 하고, BHE는 다음과 같이 나타난다.
모의 실험 방법의 과정은 그림 2에 간략히 설명하였다. 첫 번째 단계로, 우선 인체 두부에 흡수된 SAR 값을 계산하기 위해 3차원 FDTD 방법을 이용해 전자기파 해석을 수행한다. 그 다음에 주변 공기 온도를 23 ℃로 가정하고, SAR 값을 이용해 인체 두부 조직에 흡수된 전자기파 에너지를 BHE에 반영해 전자기파에 의한 인체 온도 변화를 모의 실험한다.
성능/효과
09 ℃ 정도 상승하는 것을 확인할 수 있다. 두 결과를 보면 피부에서는 두 주파수에서 모두 0.3 ℃ 정도 비슷하게 상승하는 것을 알 수 있지만, 뇌에서는 서로 차이가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 그 원인은 1,800 MHz에서 인체 조직의 전도율이 835 MHz에서 보다 커지기 때문에, 835 MHz에 비해 1,800 MHz에서 전자기파의 침투량이 적어져서 인체 두부 내의 뇌 조직에서 온도 상승이 1,800 MHz에서 적게 나타나는 것으로 판단된다.
본 연구에서 땀 배출 효과 등의 온도 조절 기능을 고려하지 않았을 때 두부 모델의 초기 온도 분포는, 피부 조직의 평균 온도는 33.84 ℃로 나타났고, 온도 조절 기능을 모두 고려하였을 때는 33.72 ℃로 나타났다. 이러한 초기 온도는 참고문헌 [36]의 인체 두부의 피부 온도 34.
FDTD 해석을 통해 구한 평균 1 g SAR 값을 이용해, 각 조직의 온도 변화를 살펴보았다. 연속적인 전자기파 노출 상황에서 835 MHz(600 mW), 1,800 MHz(250 mW)일 때 인체 두부 모델에서 최대 온도 상승은 0.34 ℃와 0.24 ℃로 나타났고, 뇌에서는 각각 0.21 ℃와 0.09 ℃로 나타났다. 온도 조절 기능을 고려하지 않을 경우에는 최대 온도 상승은 안테나 출력에 비례하는 것을 확인하였다.
09 ℃로 나타났다. 온도 조절 기능을 고려하지 않을 경우에는 최대 온도 상승은 안테나 출력에 비례하는 것을 확인하였다. 반면에, 온도 조절 기능을 고려하면, 피부에서 5 ℃ 이상 상승한 후로는 비례적인 특성이 나타나지 않는 것을 확인할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
ICNIRP의 안전 기준은 어떤 것을 평가 기준으로 두고 있나?
최근 전자 통신 장비의 급격한 발전과 폭넓은 보급은 무선 통신 기기의 사용을 보편화시켰고, 이로 인해, 일상 생활에서의 전자기파에 의한 인체 위해 성에 대한 염려가 크게 증가하였다. 이에 따른 다양한 연구 보고서[1]~[3]가 작성되었고, 전자파 흡수율(SAR)을 평가 기준으로 한 ICNIRP의 안전 기준[3]도 마련되었다. 전자파 흡수가 인체에 미치는 영향은 단기와 장기적 측면에서 평가할 수 있다.
몇 도 이상의 온도가 상승 시 뇌에 큰 손상을 유발하는가?
일례로, 뇌나 안구 같은 특정 조직에서의 온도 상승은 물리적이나 생리적으로 인체에 심각한 손상을 입힐 수 있다. 뇌에서 3.5 ℃ 이상의 온도 상승은 뇌에 큰 손상을 유발한다고 알려져 있다[4]. 안구에 대한 실험 결과를 보면, 안구에서의 3~5 ℃의 온도 상승은 백내장 같은 안구 질환을 유발하는 원인이 된다[5]~[7].
전자파 흡수가 인체에 미치는 영향 중 단기적, 장기적 위해성 평가란?
전자파 흡수가 인체에 미치는 영향은 단기와 장기적 측면에서 평가할 수 있다. 장기적 위해성은 오랜 기간 전자기파 노출 시 인체의 유전적 변이나 생체 질환 발생 가능성을 평가하는 것이고, 단기적 위해성은 인체에 전자기파 에너지가 흡수될 경우, 직접적인 손상이 발생하는 지를 평가하는 것이다. 실제적으로, 전자기파 노출에 의한 장기적 영향을 평가하는 것은 매우 어렵기 때문에, 대부분의 연구는 단기적 영향에 한정해서 실험을 진행한다.
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