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

Trên hầu hết các quốc gia, phơi nhiễm trong lĩnh vực vô tuyến từ các trạm antenna gốcthường được quy định bởi CNIRP Ủy bản quốc tế về bảo vệ chống bức xạ không ionhóa hoặc các quy định

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 xuyêndiễn 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 antennatrạm gốc làm việc ở tần số 300MHz và 5GHz, với khoảng cách lớn hơn 200 mm Nghiêncứu chỉ ra rằng, giá trị bách phân vị thứ 95 chịu tác động của cơ chế hấp thụ thông quatrọng lượng, chiều cao Chỉ số khối lượng cơ thể Việc này đã được tiến hành thử nghiệmtrên 3 mô hình giải phẫu ( Duke, Ella, Thelonious) tiếp xúc với 12 trạm antenna cơ sởtrong 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 giảiphẫu là người lớn đã được chứng minh là đảm bảo cho các dự đoán về các giá trị phơinhiễm SAR trên 2 người lớn, nhưng lại có sự khác biệt khi nghiên cứu trên trẻ em Cácvấn đề đưa ra ở đây gồm: mô hình giải phẫu, cơ sở trạm ăng-ten, trường điện từ, tiếp xúcnghề nghiệp, giới hạn an toàn, tỷ lệ hấp thụ riêng (SAR)

I Giới thiệu

Trên hầu hết các quốc gia, phơi nhiễm trong lĩnh vực vô tuyến từ các trạm antenna gốcthường được quy định bởi CNIRP ( Ủy bản quốc tế về bảo vệ chống bức xạ không ionhóa) 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, hạnchế về mức hấp thụ riêng ( SAR) và mức phân bố hiện tại trong cơ thể con người, cácmức tham chiếu, và giới hạn vật lý trong lĩnh vực trường điện từ, tiếp theo đó là nhữnggiới hạn được tạo ra từ những hạn chế cơ bản Đối với trường khu gần, như các antennatrên các trạm cơ sở các mức tham chiếu có thể rất đảm bảo, tỉ số giữa các giá trị trườngngẫu nhiên và mức hấp thụ riêng là lớn hơn rất nhiều so với các mức tham chiếu và cácgiới hạn cơ bản Do đó, các phương pháp đo tại các khu vực quanh các trạm antenna dẫnđến các ước tính tỉ lệ phơi nhiễm an toàn Nói cách khác, các phương pháp đo tỉ lệ hấpthụ riêng là các phương pháp đo trong phòng thí nghiệm tại những khoảng cách xa từ cácnguồn 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 cóphơi nhiễm thể hiện rõ rệt Tài liệu kĩ thuật của antenna chứa các thông tin cơ bản vềthông số kĩ thuật như kích thước antenna, hệ số bức xạ… Vì thế, cần phải có sự phát triểncủa 1 dự toán nghiên cứu về hệ số bức xạ riêng đối với con người trong tầm phóng xa củatrường 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 nghiêncứu 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 khuvực gần các trạm antenna nhưng các ma trận phơi nhiễm thường không phổ biến, Hơn thếnữa, hầu hết các nghiên cứu mô phỏng có liên quan là không đồng nhất trên các mô hìnhcon 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 trườnghợp hấp thụ mạnh hơn Mức độ phơi nhiễm sóng phẳng trên các mô hình mẫu người khácnhau cho ta một tỷ lệ bức xa riêng phù hợp với mô hình mẫu người đó mà không cần phải

đạt tới một mức phơi nhiễm phù hợp của một mẫu nhỏ hơn [ được chỉ ra trong báo cáotác động của trường điện từ vô tuyến trên các mô hình giải phẫu khác nhau] và báo cáonày cũng chỉ ra mức độ phơi nhiễm ảnh hưởng tới trẻ em [ được chỉ ra trong báo cáo tỷ lệbức 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 thụriêng để xác định phơi nhiễm tại các trạm antenna Đây là những tính toán hoàn toàn phùhợp với phần lớn các dữ liệu về mức hấp thụ riêng Tuy nhiên nó chỉ ứng dụng cho mộtvài 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 côngthức 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

II Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính cho nghiên cứu này là để phục vụ cho việc phát triển tiêu chuẩn PT62232của 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 thụriêng 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 mặtcủa 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 đànông 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 môhình này được phân biệt bởi 80 đặc điểm nhận dạng dựa trên các hình ảnh cộng hưởng yhọc (MRI) của những người tình nguyện vì sức khỏe Các tham số điện môi được gántheo mô hình tham số và bảng tương đương được cung cấp cho các mô hình gia đình ảoVF

Bảng 1 miêu tả về tuổi, cân nặng, chiều cao, mặt chéo Scs và bề mặt da Sdubois của 3 môhình giải phẫu này Mô hình giải phẫu người được phát triển cho VF, đại diện cho các giátrị trung bình của con người ( dựa trên số liệu thống kê) Theo các công thức dự đoánđược 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 đãđược 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, 2trạm cho mỗi nhóm 6 tần số nằm trong khoảng 300Mhz đến 5Ghz Antenna đã được lựachọn đặc trưng cho các antenna không dây Trong bảng 2, tóm tắt các tham số đặc trưngbao gồm N- số các phần tử, D –kích thước lớn nhất của antenna, độ rộng bước sóng nửacông suất ngang (HPBW), độ rộng bước sóng nửa công suất dọc Các mô hình antennađược chuẩn hóa bởi bộ so sánh các đặc tính trường khu xa của nó, cũng như trong lĩnhvực trường điện từ, tại 4 mặt với các khoảng cách khác nhau trước trạm antenna, từphương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian (FDTD) và phương pháp mô phỏngmoment 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 môphỏng thực hiện trên nền tảng tính toán SEMCAD, bao gồm bộ hậu xử lý cho các giá trịước tính của đỉnh không gian mức hấp thụ riêng cho một số lượng người dùng đặc trưngbất kì

Việc sắp đặt các mô hình tại các khoảng cách lớn trong giới hạn của độ dài bước sóng lànguyên nhân các vấn đề tính toán trở nên rất rộng khi sử dụng phương pháp FDTD truyềnthống 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 liênquan 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 mặt GHB trên mô hình giải phẫu người Đối với ước tính phơi nhiễm, yêu cầu mộtphân giải lưới rất mạnh Các trường được ghi lại trước được thêm vào và bắt buộc trênlưới tại bề mặt GHB tại vị trí giữa mô hình Việc tính toán SAR được chuẩn hóa nhờ sửdụng phương pháp FDTD Phương pháp GHB chỉ được sử dụng để cấu hình ghép nốigiữa 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 củawbSAR và psSAR cho phơi nhiễm tại các trạm antenna cơ sở Hình 2 cho ta một biểu đồmiêu tả các bước trước khi được gửi Trước tiên, cơ thể người chịu tác động phơi nhiễmđược đặc trưng bởi khối hình hộp [đã được đề cập trong một số nghiên cứu sự ảnh hưởngcủa hình dạng tới mức phơi nhiễm trên cơ thể người], nhưng chưa bao giờ được sử dụngnhằm mục đích phỏng đoán hay phân tích Một phân tích về phân bổ, thống kê dân số vềkhối lượng, chiều cao, chỉ số khối cơ thể cho phép ta có thể rút ra kích thước của cơ thểcon người dẫn đến phơi nhiễm bảo toàn cho 95% dân số Một biểu thức đơn giản của

wbSAR được tìm ra và chuẩn hóa cho phơi nhiễm sóng phẳng bao gồm việc nâng cao cáclớp vấn đề Một phân tích các kết quả sóng phẳng sau đó chuẩn hóa và xác định trườnghợp tỉ số wbSAR trên psSAR xấu nhất.

Phân bố công suất trung bình trong ống dẫn sóng thẳng đứng của antenna đã đước đề cậpđến rất nhiều, như ta đã biết, phơi nhiễm từ các trạm antenna cơ sở là không đồng nhấttrên các phần khác nhau của cơ thể con người, bề mặt phát xạ chịu tác động của phơinhiễm được định nghĩa bởi khối hình hộp Sau đó, các công thức tính wbSAR và psSARđược phát hiện, phụ thuộc vào các tham số săn có của antenna, công suất bức xạ, khoảngcách 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/m3 Tiết diện da của người là S,

ví dụ như: cân nặng là m, chiều cao là H, ta sẽ có:

SDuBois[cm2]= 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 xácđịnh 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 lớnnhất đạt được liên quan tới độ rộng và chiều sâu nhỏ nhất, tại vị trí có độ phơi nhiễm cựcđại

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 tiếpcận phổ biến hơn là việc sử dụng công thức ước lượng để xác định kích thước thực củangười và để xác định trường hợp xấu nhất có thể xảy ra khi mà 95% số người lớn chịuảnh hưởng phơi nhiễm Giá trị wbSAR cao nhất đạt được khi tỉ số Scs/m cực đại Với mức

phơi nhiễm chuẩn trên một phần hình hộp, giá trị wbSAR, SARwb có thể được tính nhưsau:

SARwb=Scs/m PD,t (2)

Với PD,t là phân bố công suất truyền tải trong chất rắn và Scs =W.H là tiết diện trên hìnhhộp Nó được miêu tả là mức phơi nhiễm dẫn đến wbSAR khi chịu phơi nhiễm sóng mặtđất hoặc các trạm antenna cơ sở

Dưới phơi nhiễm của các trạm, đối với từng phần trên cơ thể, mức độ ảnh hưởng làkhông 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

11,2x10-3m2/kg Trong trường hợp phơi nhiễm tại các trạm antenna, rất có thể dẫn đếnwbSAR đạt cực đại; vì thế kích thước lựa chọn để đặc trưng cho giá trị phân vị thứ 95( tham khảo bảng 3).

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 ướctính 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 Erms,t

SAR=σ|EErms,t|E2/ρ (3)

Giá trị σ và ρ là dẫn suất và phân bố riêng của vật liệu Nói cách khác, ta có thể sử dụngcác tham số đặc tính của antenna để tính giá trị phân bố công suất trung bình theo tuyếndọc 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 riêngSAR như một hàm khối lượng có liên quan tới độ phơi nhiễm tại các trạm antenna, gọimật độ công suất tới là PD,i

Mật độ công suất của sóng điện từ được rút ra từ điện trường E và từ trường H như sau:

PD,t = Zi |Et|E2 R(1/Zt*) PD,i (5)

Với Zi là trở kháng vào, Zt là trở kháng phương tiện truyền, điện trường phát có thể đượctính như sau:

|EErms,t|E2=Zi|Et|E2 PD,i (6)

Công thức tính giá trị SAR có thể được tính khi x=0 :

SAR(0) = σ/ρ Zi|Et|E2 PD,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, SARwb được định nghĩa là tỉ số của tổng công suất hấp thụ trêntổng khối lượng hấp thụ Trong trường hợp chất rắn đồng nhất, khối lượng tổng Vtot cóthể được viết dưới dạng một hàm phụ thuộc vị trí SAR, SAR(x,y,z):

Ước tính này là hợp lệ với chất rắn đồng nhất và khối hình tùy ý, nhưng tích phân trở nênđơn giản hơn để tính toán trong trường hợp khối hình hộp Bỏ qua Hiệu suất biên và phản

xạ từ mặt sau của khối hình hộp Khối hình này được xử lý như một phần của nửa khônggian Đối với 1 sóng truyền lan theo phương x, ta giả sử rằng, giá trị SAR trong mặtphẳng yz là đồng nhất trong vùng phơi nhiễm Ryz và truyền sát mặt đất Bề mặt x vớichiều sâu trung bình là xd được tính như sau:

Cải thiện tỷ lệ hấp thụ riêng để so sánh cấu trúc phân lớp với khối đồng nhất đã được mô

tả ở trên Về cơ bản, phơi nhiễm ở trường khu xa dạng đơn giản là ở chế độ 1-D cácthành phần của lớp Tập hợp tất cả các thành phần lớp có khả năng tại bất kì một vị trínào trên bề mặt cơ thể người, điều này nói lên rằng hiệu ứng trên 10 g psSAR có thể lêntới 3dB

Tương tự đối với tập thành phần các lớp, với mô hình tính toán và phơi nhiễm, ta giả thiếttăng cường công suất hấp thụ tích hợp theo chiều sâu cơ thể , giả thiết không có phản xạ

từ bề mặt sau của cấu trúc Ta đưa ra các thành phần của cá lớp nửa không gian trongsóng phẳng gồm 7 tần số nằm giữa khoảng tần từ 30MHz đến 5,8GHz Công suất bức xạtrong cấu trúc này được so sánh với công suất bức xạ trên cơ thể đồng nhất với các đặctính điện môi đã được định trước.

Hình 4 mô tả hàm mật độ tích lũy CDF của tổng công suất hấp thụ với các hình thể khácnhau của các lớp được so sánh với chất rắn đồng nhất Các lớp hình thể gây ra trường hợpxấu nhất (3dB) không được tìm thấy ở bất kì cơ thể nào Ta quan tâm đến các tiến trìnhthực tiễn, xảy ra với con người trong thực tế, điều này là vô lý khi đưa ra giả thiết baohàm tất cả các phần Vì thế, nếu hình thể được đưa ra, sự tăng lên về tỉ lệ hấp thụ riêng

SAR sẽ đạt mức thấp hơn 3dB Hầu hết các dạng đều dẫn đến mức tăng lên 2.5dB baogồm lớp mỡ dày, phần được đưa ra với khối hình được lựa chọn trong phần IV-B đặctrưng cho những phần mỏng trên cơ thể Để tránh sự đánh giá quá cao này, một yếu tốphù hợp hơn đã được lựa chọn

F Tỉ lệ hấp thụ riêng trung bình trên cả cơ thể- Phơi nhiễm sóng phẳng

Đối với một khối hình hộp được đưa ra vào sóng phẳng đồng nhất, vùng phơi nhiễm Rxy

là khá đơn giản, diện tích bề mặt tới Scs, khi đó ta có :

Để chuẩn hóa khối hình hộp tiếp cận và phân lớp các yếu tố tăng cường của 2,5dB, cáckết quả mô phỏng với sóng phẳng được so sánh với mô phỏng wbSAR Trong hình 5miêu tả kết quả từ phơi nhiễm sóng phẳng ( nguyên nhân xấu nhất về phân cực và phơinhiễm) của VFB với các tần số trong khoảng 300MHz và 5GHz Kết quả được đưa radưới dạng % của wbSAR, hạn mức cơ bản với phơi nhiễm sóng phẳng đạt được tại mứctham chiếu ( theo ICNIRP, tham khảo thêm bảng IV và V) Ngoài ra, những mô phỏngnày được sử dụng cho khối hình hộp đồng nhất dựa trên các tham số về chiều cao, chiềurộng của VFB ( khối hình hộp như sau: 19,4kg, 0,065m,x0,253 mx1,176m), các tham sốđiện môi được quy định trước theo một vài nghiên cứu trước dựa trên 95% yêu cầu vớiphơi nhiễm trường khu gần Hình 5 biểu diễn mô phỏng khối hình hộp theo ước tínhwbSAR dựa theo kích thước của nó là thấp hơn so với wbSAR trên dải tần số.

Đối với dải tần cao hơn 2GHz, các tham số điện môi cho nhiều kết quả mô phỏng từ 1

mô hình khối đồng nhất

G Đỉnh không gian tỉ lệ hấp thụ riêng

Đỉnh không gian tỉ lệ hấp thụ riêng có sự phụ thuộc rất lớn vào các đặc tính giải phẫu và

tư thế ảnh [ dựa theo nghiên cứu cho 15 mô hình người trong khoảng tần 300-5000MHz)

Vị trí của các bộ phận cơ thể như cổ tay, mất cá chân, mũi, háng liên quan tới cực đạitrường địa phương cũng như có tác động trực tiếp tới giá trị psSAR Như vậy, psSAR chomỗi hình thể đặc biệt của antenna và mô hình người là khó ước lượng giá trị mô phỏng.Tuy nhiên, tỉ số giữa wbSAR và psSAR được xác định từ các mô phỏng sóng phẳng chophép xác định một giá trị gần đúng, đơn giản để xác đinh trưởng hợp xấu nhất Hình 6 sửdụng dữ liệu phơi nhiễm sóng phẳng để biểu diễn Rwb/R1g,10g, tỉ số giữa wbSAR vàpsSAR: R10g= SAR10g/SAR10glimit hoặc R1g=SAR1g/SAR1glimit.

Một tỉ số phụ thuộc vào khoảng tần số được sử dụng để mô phỏng psSAR từ ước lượngwbSAR

Rwb/1g={0,6 if 300 MHz ≤ f ≤2,5 GHz 0,3 if 2,5 GHz< f ≤5 GHz (15)

Rwb/10g= {1,5if 300 MHz ≤ f ≤ 2,5 GHz 1 if 2,5 GHZ< f ≤5 GHz (16)

Tỉ số tần số phụ thuộc dựa trên độ phơi nhiễm sóng phẳng cho mô hình đứng Các tư thếkhác có thể là nguyên nhân làm tăng psSAR.

Để tính toán psSAR(SAR1g, SAR10g dựa trên tỉ số đã được nghiên cưu trước đo chowbSAR:

SAR1g,10g/SAR limit

1g,10g = 1/ Rwb/1g,10g SARwb/ SARlimit

wb (17)SAR1g,10g= 1/ 2Rwb/1g,10g SARwb/ SARwblimit δ/Dbody SAR(0) (18)