DOI: https://doi.org/10.1002/bem.70002
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40013992
تاريخ النشر: 2025-02-27
المؤلف: Yinliang Diao وآخرون
الموضوع الرئيسي: المجالات الكهرومغناطيسية وآثارها البيولوجية
نظرة عامة
في العقود الأخيرة، تم إحراز تقدم كبير في الطرق الحسابية لنمذجة التفاعل بين جسم الإنسان والحقول الكهرومغناطيسية (EMFs). هذه التطورات ضرورية لوضع حدود التعرض في المعايير الدولية التي تهدف إلى حماية صحة الإنسان من EMF، بالإضافة إلى تعزيز الجرعة الشخصية في التطبيقات الطبية. لتوحيد المعرفة الحالية في هذا المجال، نظم اللجنة الدولية للسلامة الكهرومغناطيسية (ICES) ورشة عمل دولية حول البيوالكترومغناطيسيات الحاسوبية في فبراير 2024.
تجمع هذه المراجعة العروض الفنية والنقاشات من الورشة، التي ساهم بها مؤلفون مختلفون، وتغطي مجموعة من المواضيع بما في ذلك قياس خصائص العزل النسيجي، وطرق النمذجة للبيوالكترومغناطيسيات ذات الترددات المنخفضة والراديوية، ودراسات المقارنة، وعدم اليقين الحسابي، والنمذجة العشوائية في الجرعات الكهرومغناطيسية الحرارية. من المتوقع أن تُفيد النتائج والرؤى من هذه الورشة في توجيه أبحاث المستقبل وتحسين دقة وموثوقية منهجيات تقييم التعرض.
طرق
تناقش قسم “طرق نمذجة البيوالكترومغناطيسيات ذات التردد المنخفض” تطبيق تقريب شبه ثابت (QSA) في جرعات الحقول الكهرومغناطيسية (EMF) ذات التردد المنخفض، تحديدًا ضمن نطاق 1 هرتز إلى 100 كيلوهرتز. يسمح QSA بتجاهل تأثيرات التباطؤ، مما يجعل من الممكن تحليل الحقول الكهربائية المستحثة في الأنسجة البيولوجية بسبب EMFs الخارجية. الآلية السائدة للعمل في هذا النطاق الترددي هي التحفيز الكهربائي للخلايا العصبية في الجهازين العصبي المركزي والمحيطي. يمكن حساب المجال الكهربائي الداخلي، الذي يعد حاسمًا لتقييم التأثيرات البيولوجية، باستخدام الجهد الكهربائي القياسي، الذي تحكمه المعادلة \(\nabla \cdot (\sigma \nabla \phi) = -j \omega \nabla \cdot (\sigma \mathbf{A})\)، مع شروط حدود محددة. تُستخدم طرق عددية متنوعة، بما في ذلك طرق العناصر المحدودة (FEM) وطرق فرق الجهد القياسي (SPFD)، لحل هذه المعادلات، حيث تُعتبر SPFD مناسبة بشكل خاص لنماذج الإنسان المستندة إلى الفوكسل المستمدة من بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي.
في سياق جرعات التردد الراديوي (RF)، وخاصة فوق 6 غيغاهرتز، يتحول التركيز إلى تقدير كثافة الطاقة الماصة/السطحية (EPD/APD)، والتي ترتبط مباشرة بتأثيرات تسخين السطح من التعرض لـ EMF. تُستخدم طريقة فرق الزمن المحدد (FDTD) عادةً لجرعات RF بسبب قدرتها على التعامل مع الهندسيات المعقدة وتسهيل الحوسبة المتوازية. تُستخدم طرق أخرى، مثل طريقة العناصر الحدودية (BEM) وطريقة اللحظات (MoM)، ولكن تواجه تحديات في الكفاءة الحسابية في الهياكل غير المتجانسة. يتم استكشاف طرق هجينة تجمع بين تقنيات مختلفة لتحسين تحليل تعرض جسم الإنسان لحقول RF، مع معالجة قيود التقنيات الفردية.
نقاش
تحدد قسم النقاش في ورقة البحث دور هيئات التوحيد القياسي الدولية، مثل IEEE ICES و ICNIRP، في وضع حدود التعرض للحقول الكهرومغناطيسية (EMFs) لحماية صحة الإنسان. تستند هذه الإرشادات إلى مراجعات شاملة للأدبيات العلمية التي تحدد التأثيرات البيولوجية الضارة للتعرض لـ EMF، بما في ذلك تحفيز الأعصاب وتغيرات في نفاذية غشاء الخلية للترددات المنخفضة (LF) والترددات الراديوية (RF) EMFs. تتضمن اشتقاق القيود الأساسية (BRs) أو حدود المرجع الجرعي (DRLs) طرقًا حسابية تقيم الكميات الفيزيائية الداخلية، بينما يتم وضع مستويات المرجع (RLs) بشكل محافظ لضمان السلامة عبر أنواع الأنسجة المختلفة.
تؤكد الورقة على أهمية البحث المستمر في الجرعات الحسابية، خاصة في ضوء التحديثات الأخيرة على إرشادات IEEE C95.1 و ICNIRP، التي تركز الآن على الترددات فوق 6 غيغاهرتز. تسلط الضوء على الحاجة إلى تحسين فهم خصائص العزل النسيجي، والتي تعتبر حاسمة لتقييمات التعرض الدقيقة. يناقش القسم أيضًا تعقيدات نمذجة تنشيط الأعصاب وضرورة وجود محاكاة أكثر واقعية تأخذ في الاعتبار ديناميات الخلايا العصبية وتنوع الأنسجة. بشكل عام، تدعو الورقة إلى استمرار التقدم في تقنيات القياس والنمذجة الحسابية لتعزيز دقة تقييمات التعرض لـ EMF وضمان الحماية الفعالة ضد الإشعاع غير المؤين.
DOI: https://doi.org/10.1002/bem.70002
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40013992
Publication Date: 2025-02-27
Author(s): Yinliang Diao et al.
Primary Topic: Electromagnetic Fields and Biological Effects
Overview
In recent decades, significant advancements have been made in computational methods for modeling the interaction between the human body and electromagnetic fields (EMFs). These developments are essential for establishing exposure limits in international standards aimed at protecting human health from EMF, as well as for enhancing personalized dosimetry in medical applications. To consolidate the current knowledge in this area, the IEEE International Committee on Electromagnetic Safety (ICES) organized an International Workshop on Computational Bioelectromagnetics in February 2024.
This review synthesizes the technical presentations and discussions from the workshop, contributed by various authors, and covers a range of topics including the measurement of tissue dielectric properties, modeling methods for low and radio frequency bioelectromagnetics, intercomparison studies, computational uncertainties, and stochastic modeling in electromagnetic-thermal dosimetry. The findings and insights from this workshop are expected to inform future research directions and improve the accuracy and reliability of exposure assessment methodologies.
Methods
The section on “Low Frequency Bioelectromagnetic Modeling Methods” discusses the application of quasi-static approximation (QSA) in low-frequency electromagnetic field (EMF) dosimetry, specifically within the range of 1 Hz to 100 kHz. The QSA allows for the neglect of retardation effects, making it feasible to analyze the induced electric fields in biological tissues due to external EMFs. The dominant mechanism of action in this frequency range is electrostimulation of neurons in the central and peripheral nervous systems. The internal electric field, which is crucial for assessing biological effects, can be computed using the electric scalar potential, governed by the equation \(\nabla \cdot (\sigma \nabla \phi) = -j \omega \nabla \cdot (\sigma \mathbf{A})\), with specific boundary conditions. Various numerical methods, including finite element methods (FEM) and scalar potential finite difference (SPFD) methods, are employed to solve these equations, with the SPFD being particularly suited for voxel-based human models derived from MRI data.
In the context of radio frequency (RF) dosimetry, particularly above 6 GHz, the focus shifts to estimating the epithelial/absorbed power density (EPD/APD), which is directly related to surface heating effects from EMF exposure. The finite difference time-domain (FDTD) method is commonly used for RF dosimetry due to its capability to handle complex geometries and facilitate parallel computing. Other methods, such as the boundary element method (BEM) and the method of moments (MoM), are also utilized but face challenges with computational efficiency in heterogeneous structures. Hybrid approaches combining different methods are explored to optimize the analysis of human body exposure to RF fields, addressing the limitations of individual techniques.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the role of international standardization bodies, such as the IEEE ICES and ICNIRP, in establishing exposure limits for electromagnetic fields (EMFs) to safeguard human health. These guidelines are grounded in extensive reviews of scientific literature that identify harmful biological effects of EMF exposure, including nerve stimulation and changes in cell membrane permeability for low-frequency (LF) and radio frequency (RF) EMFs. The derivation of basic restrictions (BRs) or dosimetric reference limits (DRLs) involves computational methods that assess internal physical quantities, while reference levels (RLs) are established conservatively to ensure safety across various tissue types.
The paper emphasizes the importance of ongoing research in computational dosimetry, particularly in light of recent updates to the IEEE C95.1 and ICNIRP guidelines, which now focus on frequencies above 6 GHz. It highlights the need for improved understanding of tissue dielectric properties, which are critical for accurate exposure assessments. The section also discusses the complexities of nerve activation modeling and the necessity for more realistic simulations that account for neuronal dynamics and tissue heterogeneity. Overall, the paper advocates for continued advancements in measurement techniques and computational modeling to enhance the accuracy of EMF exposure assessments and ensure effective protection against non-ionizing radiation.