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Untersuchung zu altersabh¨ angigen Wirkungen hochfrequenter elektromagnetischer Felder auf der Basis relevanter biophysikalischer und biologischer Parameter Bestandsaufnahme Andreas Christ, Theodoros Samaras, Esra Neufeld, Niels Kuster urich, Oktober 2006

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Untersuchung zu altersabhangigen Wirkungen

hochfrequenter elektromagnetischer Felder auf der

Basis relevanter biophysikalischer und biologischer

ParameterBestandsaufnahme

Andreas Christ, Theodoros Samaras, Esra Neufeld, Niels Kuster

Zurich, Oktober 2006

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Der Bericht gibt die Auffassung und Meinung des Auftragnehmers wieder und muß nicht mitder Meinung des Auftraggebers (Bundesminister fur Umwelt, Naturschutz und

Reaktorsicherheit) ubereinstimmen.

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Inhaltsverzeichnis

1 Einfuhrung 3

2 Zielsetzung 3

3 Absorption elektromagnetischer Strahlung in homogenem und geschichtetemGewebe 4

4 Numerische Verfahren 54.1 Simulation elektromagnetischer Felder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.2 Simulation der Temperaturverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

5 Meßtechnische Verfahren 85.1 Experimentelle Verfahren zur dosimetrischen Nahfeldmessung . . . . . . . . . . . 8

5.1.1 Automatische Scanner zur E-Feld- und SAR-Bestimmung in dosimetri-schen Phantomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

5.1.2 Elektrooptischer Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85.1.3 Schnelles Meßverfahren zur SAR-Bestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . 9

5.2 Messung des induzierten Temperaturanstiegs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

6 Anatomische Computermodelle von Kinderkopfen 11

7 Thermische und thermophysiologische Gewebeparameter 157.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157.2 Durchblutung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

7.2.1 Modelle fur samtliche Gewebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167.2.2 Modelle fur unterschiedliche Gewebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

7.3 Stoffwechselbedingte Warmeerzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177.4 Warmeaustausch mit der Umgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

7.4.1 Konvektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187.4.2 Warmestrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197.4.3 Isolierung durch Kleidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207.4.4 Verdampfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

8 Studien zur Absorption elektromagnetischer Strahlung in Kopfen von Kin-dern 238.1 Generische Modelle des Kopfes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238.2 Studien mit skalierten anatomischen Modellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248.3 Generische Untersuchungen mit anatomischen Modellen von Kinderkopfen . . . . 278.4 Studien mit realitatsgetreuen Modellen des Kopfes und des Telefons . . . . . . . 298.5 Studien mit altersabhangigen Gewebeparametern . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308.6 Normalisierung auf Speisestrom oder Ausgangsleistung . . . . . . . . . . . . . . . 31

9 Schlußfolgerungen fur den weiteren Verlauf des Projektes 32

A Thermische Gewebeeigenschaften 41

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1 Einfuhrung

Die grundlegenden Mechanismen der Absorption elektromagnetischer Wellen in menschlichemGewebe wurden in den vergangenen Jahren in zahlreichen dosimetrischen Untersuchungen zurStrahlungsbelastung der Benutzer von Mobiltelefonen beschrieben [Burkhardt and Kuster, 1999],und meßtechnische Standards zur Typenprufung von Mobiltelfonen sind international etabliert(z. B. [IEEE, 2003, IEC, 2001, CENELEC, 2001]). Dennoch bestehen nach wie vor Unsicher-heiten, in wie weit die unter Berucksichtigung der anatomischen Eigenschaften Erwachsenerentwickelten Verfahren zum Schutz Heranwachsender geeignet sind. Die Weltgesundheitsorgani-sation (WHO) halt diese Fragestellung fur relevant und betont in einem kurzlich erschienenenArtikel [Kheifets et al., 2005] und in ihrem aktuellen Forschungsplan [WHO, 2006] die Dringlich-keit weiterer Erforschung offener Fragestellungen auf diesem Gebiet. Ebenso wies die Interna-tionale Kommision zum Schutz vor Nichtionisierender Strahlung (ICNIRP) auf die Notwendig-keit verbesserter numerischer Modellierung des menschlichen Korpers hin, wobei verschiedeneEntwicklungsstadien und eine genauere Beschreibung der Quellen elektromagnetischer Felderberucksichtigt werden sollen [ICNIRP, 2004].

Diese Bestandsaufnahme gibt einen Uberblick des derzeitigen Forschungsstandes auf dem Ge-biet der Bestimmung der Absorption elektromagnetischer Strahlung in den Kopfen von Kindernund Heranwachsenden. Hierbei wird sowohl auf numerische als auch auf meßtechnische Verfahreneingegangen. Dies beinhaltet eine Ubersicht uber existierende anatomische Modelle von KopfenMinderjahriger und der relevanten numerischen Studien, bei denen generische und anatomischeModelle des Kopfes verwendet wurden. Bisherige Studien zur Altersabhangigkeit der Absorptionelektromagnetischer Felder im Kopf werden besprochen, wobei auf die altersbedingten Unsicher-heiten der dielektrischen Parameter an Hand verschiedener neu erschienener Studien eingegangenwird.

Fur dieses Projekt wurde bereits eine Machbarkeitsstudie durchgefuhrt, deren Ergebnisse inder Schriftenreihe Reaktorsicherheit und Strahlenschutz des Bundesamtes fur Strahlenschutz ver-offentlicht sind [Schmid et al.,2005]. Die Ergebnisse dieser Studie sollen daher nicht innerhalb derBestandsaufnahme wiederholt werden. An geeigneter Stelle wird hingegen auf [Schmid et al.,2005]verwiesen. Dies betrifft insbesondere die Altersabhangigkeit der anatomischen und der dielek-trischen Parameter des Kopfes. Ein umfangreicher Abschnitt befaßt sich hingegen mit Modellenzur Bestimmung der Thermoregulation und dem Warmeaustausch der Hautoberfache mit derUmgebung. Eine vor kurzem abgeschlossene Studie [Christ et al., 2006c] zeigte, daß der Einflußder Randbedingungen, die an der Hautoberflache angenommen werden, von großer Relevanz furdie Temperatur der außeren Korperschichten ist. Der Bericht schließt mit einer Besprechung dersich ergebenden Folgen fur den weiteren Ablauf der Studie.

2 Zielsetzung

Folgende Ziele werden im Rahmen dieser Bestandsaufnahme erarbeitet:

• Besprechung der fur die Studie geeigneten Verfahren zur Berechnung der Absorption elek-tromagnetischer Felder

• Besprechung der fur die Studie geeigneten Verfahren zur Simulation der Temperaturver-teilung in anatomischen Modellen

• Zusammenfassung der fur die Studie geeigneten meßtechnischen Verfahren zur Bestim-mung elektromagnetischer Felder und des sich durch die Strahlungsabsorption ergebendenTemperaturanstiegs

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• Ubersicht uber existierende anatomische Kopfmodelle von Kindern und Jugendlichen

• Ubersicht uber Rechenmodelle fur Thermoregulation und Warmetaustausch zwischen Kor-peroberflache und Umgebung

• Zusammenfassung und Erganzung der in [Christ and Kuster, 2005] besprochenen wissen-schaftlichen Arbeiten zur Strahlenbelastung der Kopfe von Kindern und Jugendlichen

• Besprechung der Schlußfolgerungen fur den weiteren Ablauf der Studie

3 Absorption elektromagnetischer Strahlung in homogenem undgeschichtetem Gewebe

Der grundlegende Mechanismus der Absorption elektromagnetischer Strahlung in homogenembiologischem Gewebe im Nahfeld von am Kopf oder Korper getragenen Sendern wurde erst-mals in [Kuster and Balzano, 1992] beschrieben. Bei geringen Abstanden sind wegen der hohenDielektrizitatskonstante des Gewebes die durch die Stromverteilung auf der Antenne und demGerat erzeugten magnetischen Felder fur die Absorption maßgeblich. Diese Felder verursachenWirbelstrome auf der Haut und im Gewebe des Benutzers. Naherungsformeln, die den Absorp-tionsmechanismus beschreiben und mit denen sich die SAR im Rahmen einer Genauigkeit von±3 dB uber den gesamten fur tragbare Gerate relevanten Frequenzbereich (30 MHz - 6 GHz) be-stimmen laßt, finden sich in [Kuster and Balzano, 1992, Kuster et al., 1997, Loeser et al., 2006].Fur homogenes Gewebe laßt sich der Absorptionsmechanismus folgendermaßen beschreiben:

• Die SAR hangt hauptsachlich von der Kopplung der magnetischen Felder ab, die durchden Fußpunktstrom der Antenne verursacht werden. Die SAR steigt quadratisch mit demStrom und nimmt quadratisch mit dem Abstand zwischen Fußpunkt und Gewebe ab.

• Die reaktiven Komponenten des magnetischen Nahfeldes koppeln in gleichem Maße wiedie Einstrahlung durch das Fernfeld.

• Im unmittelbaren Nahfeld der Antenne fallt die SAR starker als exponentiell. Dieser Effektist besonders ausgepragt, wenn die Antenne wesentlich kurzer als λ/2 ist.

• Wegen der Verluste im Gewebe und der Abnahme des magnetischen Feldes mit dem Ab-stand ist die SAR-Maximum stark am Fußpunkt der Antenne konzentriert.

• Bei konstanter Ausgangsleistung steigt die SAR an, wenn die Fußpunktimpedanz fallt.

Zu berucksichtigen ist auch die gegenseitige Beeinflussung von Gerat und Kopf oder Korper desBenutzers, solange sich dieser im Nahfeld bzw. im reaktiven Bereich der Antenne befindet. Diesesind in Abbildung 1 zusammengefaßt.

In geschichtetem Gewebe konnen zusatzliche Effekte auftreten, wenn sich der Wassergehaltund damit die dielektrischen Eigenschaften der einzelnen Schichten stark voneinander unterschei-den. So kann es beispielsweise bei zwischen der Haut und einer Muskelschicht eingeschlossenemFettgewebe bei fernfeldahnlicher Belastung und einer Schichtdicke des Fettgewebes von etwaeiner viertel Wellenlange zu Stehwelleneffekten kommen, die zu einem starken Anstieg der Ab-sorption in der Haut fuhren [Christ et al., 2006b]. Diese sind jedoch bei typischer Verwendungvon Mobiltelefonen in unmittelbarer Nahe des Kopfes nicht relevant [Drossos et al., 2000]. BeiFrequenzen unterhalb von 450MHz kann es im Nahfeld zu verstarkter Einkopplung reaktiverelektrischer Felder in Fett- oder Knochenschichten kommen, wobei das lokale SAR in der dar-uberliegenden Hautschicht ebenfalls stark ansteigen kann. Dieser Effekt tritt jedoch vorwiegendbei elektrisch kleinen Antennen auf [Christ et al., 2006d]. Eine ausfuhrliche Diskussion der Ab-sorption in geschichtetem Gewebe findet sich in [Christ et al., 2006c].

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- Design (Antenne, Gehäuse, innerer Aufbau)- Anpassung der Antenne

- Größe / Form- Position

- H-Feldkopplung

Gerät

Stromverteilungauf der Antenne

SAR

und dem Gerät

- Phantomboden (Stärke, Material)- Flüssigkeitsparameter- Position

PhantomLage des Geräts

Lage des Körpersoder Gerätes

- Gewebeverteilung- Gewebeeigenschaften- Position

- Größe / Form- externe Objekte- Arm / Hand- Position

Abbildung 1: SAR bestimmende Faktoren und Zusammenhange

Abbildung 2: FDTD-Gitter mit den Vektorkomponenten der E- und H-Felder einer Zelle

4 Numerische Verfahren

4.1 Simulation elektromagnetischer Felder

Nahezu alle wissenschaftlichen Arbeiten auf dem Gebiet der numerischen Dosimetrie, die inden letzten Jahren verfaßt wurden, verwenden die Methode der finiten Differenzen im Zeit-bereicht (Finite-Difference Time-Domain, FDTD) [Yee, 1966]. Die Methode berechnet E- undH-Feldvektoren direkt an jedem Ort des Rechenraumes. Die Vektorkomponenten der E- undH-Felder werden in einem rechtwinkligen Gitter angeordnet (Abbildung 2). Dadurch wird es

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moglich, die Rotationsoperatoren der ersten beiden Maxwell’schen Gleichungen durch eine finiteDifferenzenform zweiter Ordnung anzunahern. E- und H-Felder lassen sich dann in aufeinander-folgenden Rechenschritten aus ihren jeweils zeitlich vorausgehenden Werten berechnen. Auf dieseWeise konnen sich Felder und Wellen im Rechengitter ausbreiten. Die Ausbreitungseigenschaftenwerden u. a. in [Schneider and Wagner, 1999] untersucht. Fur hinreichend gute Auflosung desRechenraumes (Gitterschrittweite < λ/10) ist die Rechengenauigkeit des Algorithmus fur diemeisten dosimetrischen Probleme hinreichend. Maßgeblich fur die notwendige Auflosung ist beidiesen Anwendungen in der Regel die Geometrie (anatomisches Korpermodell, drahtloses Geratmit feinen elektrisch relevanten Details). Eine detaillierte Beschreibung des FDTD-Algorithmusfindet sich z. B. in [Taflove and Hagness, 2000].

Die FDTD-Methode eignet sich sehr gut zur Simulation anatomischer Modelle, da komplexeGewebeverteilungen mit geringem Aufwand im Rechengitter abgebildet werden konnen. Dendiskretisierten Maxwellgleichungen des Algorithmus’ lassen sich die Materialeigenschaften derjeweiligen Gitterkante zuordenen, auf denen sie die E- und H-Felder berechnen. Unsicherheitenentstehen hierbei auf Grund der diskreten Struktur des Rechenraumes an samtlichen Material-ubergangen. Fur planare Grenzschichten ist die numerische Genauigkeit in [Christ et al., 2006a]beschrieben. Sie kann fur dosimetrische Probleme als ausreichend angenommen werden. Furschrage und gekrummte Grenzflachen existiert bisher keine theoretische Analyse. Erfahrungs-gemaß kann es auf Grund der stufenformigen Annaherung solcher Grenzflachen zu unphysika-lischen ortlich beschrankten Uberhohungen des Feldes kommen [Burkhardt, 1999]. Diese lassensich aber in der Regel bei der Auswertung der Daten identifizieren oder tragen bei der Be-rechnung des uber ein Volumen gemittelten SARs nur unwesentlich zum Ergebnis bei. WeitereVerfahren zur Berechnung elektromagnetischer Felder fur dosimetrische Anwendungen werdenin [Christ et al., 2005b] beschrieben. Diese kommen heute jedoch nur noch in seltenen Fallenzur Anwendung.

4.2 Simulation der Temperaturverteilung

Zur Berechnung der Temperaturverteilung in bei dosimetrischen Anwendungen mit anatomi-schen Modellen wird in zahlreichen Studien die sogenannte biologische Warmeubertragungsglei-chung (Bio Heat Transfer Equation, BHTE) nach [Pennes, 1948] verwendet.

cρ∂T

∂t+B(T − Tb) = k∇2T + S. (1)

Hierbei ist T die zu berechnende Gewebetemperatur, Tb die Temperatur des Blutes, B beschreibtdie Durchblutung des Gewebes, c seine Warmekapazitat, k seine Warmeleitfahigkeit und ρ seineDichte. Die Große S bezeichnet die durch Stoffwechselprozesse oder durch Absorption elektro-magnetischer Strahlung erzeugte Leistung. Die BHTE kann direkt mit einer FDTD-Simulationzur Berechnung der lokalen Leistungsdichteverteilung gekoppelt werden und verwendet dasselbeRechengitter, wodurch sich Unsicherheiten durch Interpolation insbesondere an Gewebeuber-gangen vermeiden lassen. Das thermische Modell der BHTE ist jedoch fur viele Anwendungenbeispielsweise aus dem Bereich der Hyperthermie zu einfach. Einschrankungen ergeben sich ausfolgenden Grunden:

• Die BHTE nimmt ein perfektes Warmegleichgewicht zwischen nahe beieinanderliegendenBlutgefaßen an, wovon eigentlich nur ausgegangen werden kann, wenn diese Blutgefaßekleiner als 0.2-0.3 mm sind [Arkin et al., 1994].

• Parallele Venen und Arterien mit ortsabhangiger Ausrichtung der Durchblutung (aniso-troper Warmefluß, Counter-Current Netzwerke) werden nicht berucksichtigt.

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Abbildung 3: SAR-Meßsystem (Schmid& Partner Engineering AG, Zurich) mit Prazisionsrobo-ter, flussigkeitsgefulltem Phantom und Steuerungs- und Datenerfassungseinheit.)

• Große Blutgefaße werden nicht berucksichtigt, obwohl großere Gefaße die Temperaturver-teilung in ihrer Umgebung bestimmen konnen.

• Die BHTE definiert keine Thermoregulationsmechanismen und keine temperaturabhangi-gen Gewebeparameter. Vereinzelte Ausnahmen existieren (z. B. [Lang et al., 1999a]).

Im Rahmen einer kurzlich abgeschlossenen Arbeit wurde ein erweitertes thermisches Modellentwickelt, das die hier aufgefuhrten Probleme behebt. Dieses Modell soll fur die in diesemProjekt durchzufuhrenden Berechnungen verwendet werden. Es ist in [Christ et al., 2006c] aus-fuhrlich beschrieben und wird daher hier nur kurz zusammengefaßt.

Das Modell fugt der BHTE eine tensorielle effektive Warmeleitfahigkeit (k → kij) hinzu[Weinbaum and Jiji, 1985] und erlaubt dadurch die Modellierung von Counter-Current Netz-werken. Zusatzlich kann wie beim in [Kotte et al., 1996] beschriebenen Discrete Vasculature(DIVA) Modell ein Gefaßbaum definiert werden. Durch die Kopplung des DIVA-Modells mitder tensoriellen Warmeleitung ist es jedoch nicht notig, kleinere Blutgefaße in den Gefaßbaumzu integrieren. Man erhalt somit auf einfache Weise ein inhomogenes, anisotropes Modell, welchesdie Diskretheit und die Gerichtetheit der Blutgefaße berucksichtigt und doch leicht aufzusetzenist und mit wenig Parametern auskommt. Zusatzlich erlaubt das Modell die Definition einertemperaturabhangigen Durchblutungsrate und zeitabhangige Warmeerzeugung. Das erlaubt es,die Veranderung des Stoffwechsels unter thermischem Streß zu berucksichtigen und die langsameErwarmung korperfremder Gerate, die mit dem Korper im Kontakt stehen, uber die Bestrah-lungszeit hinweg einzubeziehen.

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Spulendurchmesser:Keramiksubstrat:

Versorgung

Signal Substrat

Photo-voltaischesElement

H-Feldspule

Abbildung 4: Prinzip und Aufbau des optischen H-Feldsensors

5 Meßtechnische Verfahren

5.1 Experimentelle Verfahren zur dosimetrischen Nahfeldmessung

5.1.1 Automatische Scanner zur E-Feld- und SAR-Bestimmung in dosimetrischenPhantomen

Das fur die dosimetrischen Messungen dieses Projektes zu verwendende Meßsystem DASY 4wurde bereits in [Christ et al., 2005b] ausfuhrlich beschrieben und sei deshalb hier nur kurz zu-sammengefaßt. In den folgenden Abschnitten werden neue Entwicklungen auf dem Gebiet derNahfeldmessung beschrieben. Das DASY4-System besteht aus einem sechachsigen Prazisionsro-boter mit einer Wiederholgenauigkeit von weniger als ±0.2 mm, isotropen E-Feldsonden mit Di-odengleichrichtung, optischer Oberflachendetektion zur automatischen Positionierung der Sondeund hochentwickelter Software zur Datenverarbeitung und Steuerung der Messungen (Abbil-dung 3). Aufwendige Messungen wie beispielsweise Peak Spatial Average SAR konnen innerhalbvon 15 Minuten durchgefuhrt werden.

Moderne dosimetrische Sonden konnen im Frequenzbereich von 10 MHz bis 6GHz eingesetztwerden [Pokovic et al., 2005]. Sie haben Isotropiefehler von weniger als ±0,5 dB und Empfind-lichkeiten von 5–10µW/g. Auf Grund ihrer geringen Abmessungen (Durchmesser von 2,5 mm ander Spitze) besitzen sie eine hohe raumliche Auflosung und konnen sehr nah an Materialuber-gangen (Boden des Meßphantoms) eingesetzt werden. Das SAM-Phantom nach [IEEE, 2003,IEC, 2001, CENELEC, 2001] und ein elliptisches Phantom nach [IEC, 2005] stehen als Teile desMeßsystems zur Verfugung.

5.1.2 Elektrooptischer Sensor

Das im Abschnitt 5.1.1 beschriebene Meßsystem erlaubt nur die Messung des Effektivwertes desE- oder H-Feldes. Die Sonden mussen außerdem fur jede Frequenz kalibriert werden. Mittelseines neuartigen elektrooptischen Sensors konnen jedoch Signale im Zeitbereich uber Frequen-zen von 100 MHz bis 6 GHz gemessen werden. Das System besteht aus einem Sensorkopf undeiner separaten Versorgungs- und Meßverstarkereinheit. Beide Teile sind ausschließlich uber op-

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Sensorblock

geschirmteAuswerteeinheit

breitbandiges gewebe-simulierndes Medium

Abbildung 5: Schematischer Aufbau des iSAR-Systems

tische Fasern verbunden. Ein Leistungslaser speist die Empfangereinheit auf dem Sensorkopf(Abbildung 4) uber ein photovoltaisches Element. Dies versorgt einen zweiten Laser und einenLow-Noise-Amplifier (LNA). An diesen ist eine Schleifenantenne angeschlossen, die zur Messungdes H-Feldes dient. Das im LNA verstarkte Signal moduliert den Laser auf dem Sensorkopf.Das Signal gelangt dann uber eine optische Verbindung zum Meßverstarker, der es uber einen50 Ω-Ausgang zur Verfugung stellt.

Die Empfindlichkeit der Sonde betragt 0,09 mA/m bei einer Frequenz von 2,45GHz und einerBandbreite von 1 MHz. Der Frequenzgang zwischen 300 MHz und 6GHz ist etwa 10 dB bei75 dB Dynamik. Die E-Feldunterdruckung betragt 16 dB bei 2,45GHz. Diese kann durch externeSchirmung noch verbessert werden.

5.1.3 Schnelles Meßverfahren zur SAR-Bestimmung

Dosimetrische Meßverfahren zur Typenprufung drahtloser Gerate mit Dipolsensoren benotigensehr lange Meßzeiten zur kompletten Auswertung eines Gerates (Abschnitt 5.1.1). Dies gestaltetdie dosimetrische Optimierung eines Produktes in der Regel sehr zeitaufwendig. Eine schnelleMessung der SAR kann außerdem Informationen uber die Ausgangsleistung unter Last undAbweichungen der Stromverteilung der Hochfrequenz fuhrenden Teile eines Gerates liefern.

Zur unmittelbaren Messung der SAR-Verteilung wurde ein System entwickelt, das ein Ar-ray aus 256 dipolbasierten Meßsensoren verwendet (Abbildung 5). Die Sensoren decken eineOberflache von 240 mm×120 mm ab und sind in ein Medium eingebettet, dessen dielektrischeEigenschaften im Frequenzbereich von 300 MHz bis 6 GHz naherungsweise den in [IEEE, 2003,IEC, 2001, CENELEC, 2001] vorgegebenen Parametern fur gewebesimulierende Flussigkeit ent-sprechen. Die von den Sensoren aufgenommenen Signale werden simultan verstarkt und inte-griert, so daß die Meßdauer fur die SAR bei etwa 3 s liegt. Spezielle Algorithmen wurden imple-mentiert, um auch bei komplexen Modulationsverfahren (z. B. TDMA) messen zu konnen. DerWert der Peak Spatial SAR kann ebenfalls durch Extrapolation der Felder ermittelt werden. DieUnsicherheit der Peak Spatial Average SAR bezogen auf das DASY4-System (Abschnitt 5.1.1)ist kleiner als 1 dB. Die Wiederholgenauigkeit ist kleiner als 0,5 dB. In einem Frequenzbereichvon 400 MHz bis 3 GHz besitzt das System eine Empfindlichkeit von 0,05W/kg. Abbildung 6zeigt das iSAR-System beim Messen eines Mobiltelefons.

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Abbildung 6: Messung eines Mobiltelefons mit dem iSAR-System

5.2 Messung des induzierten Temperaturanstiegs

Die Bestimmung der durch hochfrequente Felder induzierten Temperatur bei dosimetrischen An-wendungen kann prinzipiell durch Messung mit Thermistoren, thermooptische Messungen undStrahlungsmessung (Infrarotfotographie) erfolgen. Eine vergleichende Ubersicht dieser Meßver-fahren findet sich in [Christ et al., 2005b]. Bei den fur dieses Projekt durchzufuhrenden Mes-sungen ist mit außerst geringer Erwarmung durch die absorbierte Hochfrequenzleistung zu rech-nen. Die notwendige Empfindlichkeit laßt sich daher nur mit Sonden mit Thermistoren errei-chen. Der Aufbau und die Funktionsweise dieser Sonden (Abbildung 7) sind in [Bowman, 1976,Schuderer et al., 2004] beschrieben. Der Durchmesser der Meßspitze dieser Sonden kann bis auf1 mm reduziert werden. Die Meßspitzen werden uber hochohmige Leitungen mit dem Meßver-starker verbunden, so daß Interferenzen der Meßanordnung mit dem einfallenden Feld ausge-schlossen werden konnen. Die technischen Daten der fur diese Studie verwendeten Sensoren sindin Tabelle 1 zusammengefaßt.

Aufbau Sensor mit NTC und hochohmigen Leitungen (Vierdrahtverfahren),eingebaute Schirmung gegen statische Aufladung

Meßbereich 0C - 60CGenauigkeit (T) ±0.2C absolut (kalibrationsabhangig)

±2 mK Rauschen (0.1 s Samplingzeit)Genauigkeit (dT/dT) ±2 %, Rauschen ±0.1 mK/s

(10 s Auswertungszeit)Empfindlichkeit (SAR) 0,2 mW/g in gewebesimulierender FlussigkeitAnstiegszeit < 1 sE-Feldinterferenz E-Feld enltlang der Sondenachse: 0.6 mK/s bei 1000 V/m uber 50 mm

E-Feld senkrecht zur Sondenachse: kein meßbarer EffektAbmessungen Sondenspitze 1mm DurchmesserAbstand Spitze - NTC 1 mm

Tabelle 1: Spezifikation der Temperaturmeßsonden

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Ti / Au Leitungen

a-Ge

100 µm

GlassubstratSiNx Passivierung

I = 20 nA

I = 20 nA

Usensor

4 M Ω4 M Ω

4 M Ω

Abbildung 7: Prinzipieller Aufbau (links) und Prinzipschaltung (rechts) des Thermistors einerMiniaturthermosonde

Abbildung 8: Entwicklung eines anatomischen Compound-Modells: Originale Kryosektionsfoto-graphie (links), Segmentierung der Fotographie (mitte), Computermodell (rechts)

6 Anatomische Computermodelle von Kinderkopfen

Die meisten dosimetrischen Studien zur Absorption elektromagnetischer Felder in den Kop-fen von Kindern verwenden skalierte Modelle von Erwachsenen (Abschnitt 8). Dies fuhrte zuzahlreichen Kontroversen, da die anatomische Genauigkeit der skalierten Modelle unbekannt ist.Lange Zeit waren die in [Schonborn et al., 1998] beschriebenen aus MR-Aufnahmen entwickeltenModelle eines drei- und eines siebenjahrigen Kindes die einzigen existierenden hochauflosendenComputermodelle von Minderjahrigen. Auf Grund der bereits erwahnten Unsicherheiten wurdenfur verschiedene neuere Studien weitere anatomisch korrekte Kinderkopfmodelle entwickelt oderbefinden sich zur Zeit in Entwicklung. Tabelle 2 gibt eine Ubersicht samtlicher anatomischerComputermodelle Minderjahriger, die auf MR- oder CT-Aufnahmen basieren. Eine Zusammen-fassung, die auch Modelle Erwachsener enthalt, findet sich in [Caon, 2004].

Fur die Entwicklung eines anatomischen Computermodells aus MR- oder CT-Aufnahmenmussen die Organe und Gewebe der einzelnen Aufnahmen von Hand identifiziert und segmentiert

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Abbildung 9: Compound-Modelle des siebenjahrigen (links) und des dreijahrigen (rechts) Kindes

werden. Obwohl Computerprogramme und Algorithmen diesen Prozess unterstutzen, dauertdie Entwicklung eines anatomischen Ganzkorpermodells in der Regel mehrere Monate. Einehalbautomatische Methode zur Erzeugung anatomischer Modelle direkt aus den MR-Aufnahmenwird in [Mazzurana et al., 2003] vorgestellt. Hierbei werden nicht einzelne Gewebe oder Organerekonstruiert, sondern die dielektrischen Eigenschaften werden an Hand des Grauwertes derMR-Aufnahmen direkt einzelnen Voxeln zugeordnet. Nachteile dieser Methode sind jedoch dasFehlen der Haut [Sandrini et al., 2004] sowie Unsicherheiten bei der Zuweisung der dielektrischenParameter beispielsweise der Lunge oder der Leber.

Die meisten anatomischen Computermodelle verwenden eine feste Auflosung oder Voxelgroße.Diese ist in der Regel mit der Auflosung der MR- oder CT-Aufnahmen identisch. Jedem Voxelwird ein fester Gewebetyp zugeordnet, der in der Regel direkt in das Rechengitter geschriebenwird (Abschnitt 4). Der Nachteil dieses Verfahrens ist der Verlust der Detailgenauigkeit, wenndie Auflosung des Rechengitters nicht mit der Originalauflosung ubereinstimmt. Dieser Fall kanneintreten, wenn auf Grund der zu simulierenden Frequenz eine feinere Auflosung notig wird oderwenn die Modelle im Rechenraum gedreht oder verschoben werden mussen. Feine Strukturenwie beispielsweise Blutgefaße oder dunne Gewebeschichten (Haut) konnen so mit großer Wahr-scheinlichkeit durch das numerische Modell nicht mehr korrekt wiedergegeben werden.

Ein verbessertes Verfahren zur numerischen Reprasentation der anatomischen Modelle wurdein [Christ et al., 2005a] beschrieben. Hierbei werden die Koordinaten der Gewebegrenzen jederAufnahmeschicht in einem 2,5-dimensionalen Format gespeichert (”Compound”-Format). Ausdiesen Daten laßt sich jedem Gitterpunkt der entsprechende Gewebetyp zuordnen, nachdem dasGitter erzeugt wurde. Die Koordinaten werden mittels einer Matrix berechnet, die die Lageund Orientierung des Modells relativ zum Koordinatensystem des Rechenraumes beschreibt.Die Auflosung des Rechengitters ist ebenfalls vollig unabhangig von der Auflosung der Origi-nalaufnahmen. Abbildung 8 beschreibt die Erzeugung eines ”Compound”-Modells. Neben demGanzkorpermodell eines Erwachsenen (Visible Human [Ackerman, 1998]) stehen die beiden fur[Schonborn et al., 1998] entwickelten Kinderkopfmodelle in diesem Format zur Verfugung (Ab-bildung 9).

Ein verbleibender Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch, daß die Modelle entlang der Achse,

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Altersabhangige Wirkungen hochfrequenter Felder 13

Abbildung 10: Dreidimensionale Rekonstruktion der MR-Aufnahmen des sechsjahrigen Jungen(links) und des elfjahrigen Madchens (rechts) des Virtual-Family Projektes

entlang der die MR- oder CT-Aufnahmen gemacht wurden, noch immer in diskretisierter Formvorliegen. Dies kann zu stufenartigen Gewebegrenzen fuhren, wenn das Modell im Rechengitterstark gedreht und mit sehr hoher Auflosung diskretisiert wird. Die einzige Losung dieses Pro-blems stellt die Rekonstruktion aller Gewebe und Organe als dreidimensionale CAD-Objektedar. Zur Zeit befinden sich Ganzkorpermodelle eines sechsjahrigen Jungen und eines elfjahrigenMadchens in Entwicklung, die auf hochauflosenden und kontrastreichen MR-Aufnahmen basieren(Abbildung 10). Samtliche Organe und Gewebe dieser Modelle werden nach der Segmentierungin entsprechende CAD-Objekte gewandelt.

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Altersabhangige Wirkungen hochfrequenter Felder 14

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[Veit

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al.,1989]

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[Schonborn

et

al.,1998]

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mm

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Kopf

Adela

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[Caon

et

al.,1999]

CT

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Jahre

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et

al.,2002]

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al.,2002]

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MR

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Altersabhangige Wirkungen hochfrequenter Felder 15

7 Thermische und thermophysiologische Gewebeparameter

7.1 Einleitung

Der grundlegende Gedanke zur Begrenzung der Belastung durch hochfrequente elektromagneit-sche Felder ist der Temperaturanstieg in der Haut, im gesamten Korper oder in raumlich engbegrenzten Gebieten (”hot spots”). Gerade bei stark inhomogener Absorption der Leistung soll-ten Korpergewebe oder -regionen, die empfindlich auf Erwarmung reagieren, besonders beruck-sichtigt werden. Dies sind zum Beispiel der Hypothalamus oder die nur schwach durchbluteteLinse des Auges.

Fur die gleichmaßige Belastung des ganzen Korpers erwartet man keine gesundheitlich schad-lichen Effekte, wenn der Temperaturanstieg 1C nicht uberschreitet. Bei Kindern oder Erwach-senen mit beeintrachtigtem Kreislauf sollte sie nicht uber 0,5C ansteigen. Im Hinblick auf lokalbeschrankte Erwarmung scheint die Annahme vernunftig, daß sich schadliche Effekte vermeidenlassen, wenn die Temperaturen im Kopf 38C, im Rumpf 39C und in den Gliedmaßen 40Cnicht uberschreiten.

In Anhang A sind die thermischen Eigenschaften der Gewebe des Kopfes aufgefuhrt. Bei denLiteraturangaben der thermischen Parameter einzelner Gewebe finden sich jedoch gewisse Un-sicherheiten, die in [Schmid et al., 2006, Schmid et al.,2005] aufgefuhrt und besprochen werden.Wieterhin mussen die Schwankungen der thermischen Paramter mit der Temperatur berucksich-tigt werden. Die Literaturangaben hierzu sind im allgemeinen nicht ausreichend. Grundlagenfinden sich in [Duck, 1990] und werden im Folgenden zusammengefaßt.

Ein Anstieg der Gewebetemperatur fuhrt ebenfalls zu einem Anstieg der thermischen Leitfa-higkeit. Die Rate des Anstieges im Bereich zwischen 3-45C ist nach [Duck, 1990] jedoch we-niger als 1 %/K. Ahnliche Ergebnisse werden in einer kurzlich erschienenen Arbeit vorgestellt[Bhattacharya and Mahajan, 2003]. Dort wurde gezeigt, daß die thermische Leitfahigkeit vonTiergewebe (Kollagen von Schafen, Lebergewebe von Kuhen) bei in vitro-Messungen bei Tem-peraturen zwischen 37C und 40C um nicht mehr als 10 % schwankt. Die spezifische Warme-kapazitat von Geweben mit hohem Wassergehalt andert sich stark bei Temperaturen unter demGefrierpunkt von Wasser, da dieser fur Gewebe auf Grund des Gehaltes von freiem und gebunde-nem Wasser unterschiedlich ist. Bei hoheren Temperaturen sind die Anderungen der spezifischenWarmekapazitat geringer [Duck, 1990]. Die Warmekapazitat von Fett folgt einem kompliziertenZusammenhang von Fettsauregehalt und -zusammensetzung und der Temperatur. Lipide kon-nen entweder als Gel oder als Flussigkristall vorkommen. Der Ubergang zwischen diesen beidenPhasen ist nur unter außerster Reinheit diskontinuierlich. Im Allgemeinen koexistieren die bei-den Phasen jedoch, und der Phasenubergang erstreckt sich uber ein breites Temperaturband.In [Duck, 1990] wird eine empirische Formel fur diesen Ubergang angegeben, deren Unsicherheitauf Grund fehlender Parameter aber sehr hoch ist.

7.2 Durchblutung

Die Durchblutung des Gewebes geht als Parameter direkt in das Modell zur Simulation derErwarmung ein (z. B. Pennes Modell, [Pennes, 1948]) und bestimmt auf indirektem Wege an-dere Parameter wie zum Beispiel keff [Weinbaum and Jiji, 1985] im vereinfachten Modell nachWeinbaum-Jiji. Es ist bekannt, daß die Durchblutung des Gewebes durch die Temperatur beein-flußt wird, da sie zur Thermoregulation beitragt. Insbesondere in der Haut wird die Durchblutungdurch einen komplexen Mechanismus gesteuert, der nicht nur von der lokalen Temperatur ab-hangt [Charkoudian, 2003, Wallin, 1990]. Im folgenden werden einige Modelle zur Berechnungder Durchblutung vorgestellt und besprochen.

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Altersabhangige Wirkungen hochfrequenter Felder 16

7.2.1 Modelle fur samtliche Gewebe

In ihrer Untersuchung zur Erwarmung des Beines wurde in [Hoque and Gandhi, 1988] folgendesModell zur Berechnung der Durchblutung der korperinneren Gewebe verwendet:

Qdilat = Bf for T ≤ 39C (2)

Qdilat = Bf (1 + 0.8(T − 39C) for 39C < T < 44C (3)

Qdilat = 5Bf for T ≥ 44C (4)

Hier sind Qdilat die durch die Thermoregulation erhohte Durchblutung und Bf die Basaldurch-blutung.

Im Ganzkorpermodell von [Fiala and Lomas, 1999] wird angenommen, daß die Durchblutunglinear von der Anderung des lokalen Stoffwechsels abhangt. Der erhohte Sauerstoffverbrauch wirdzur Berechnung des Parameters β [W m−3 K−1] der Durchblutung als Funktion des Stoffwechselsqm berucksichtigt:

∆β = µbl ∆qm (5)

mit µbl = 0, 932K−1. Dieses Modell ist nichtlinear, da die Stoffwechselrate exponentiell mit derTemperatur ansteigt.

Ein stark nichtlineares Modell mit sigmoidem Verhalten wurde in [Oguchi et al., 1992] zurModellierung der Durchblutung in normalem Gewebe verwendet.

Fn = 1 + α(T − 37)4 for 37C ≤ T ≤ 45C (6)

Fn = 1/(1 + d(T − 27)2)for T < 37C (7)

mit α = 1, 87 · 10−3 and d = 6, 94 · 10−3.

7.2.2 Modelle fur unterschiedliche Gewebe

In einer Arbeit zur Bestrahlung des Beins [Wainwright, 2003] wird zwischen der Durchblutungder Haut, der Muskeln und des Fettgewebes unterschieden. In dem Modell, das fur die Hautverwendet wird, wird angenommen, daß sich der Gleichgewichtswert der Durchblutung bei einemTemperaturanstieg von 4,5 jeweils verdoppelt und daß die momentane Durchblutung diesenWert exponentiell mit einer Zeitkonstante von 12 Minuten anstrebt. Dieses Modell kann durcheine Differentialgleichung dargestellt werden :

δq

δt=

w0

τBluteα(T−T0) − w (8)

mit τBlut als Zeitkonstante, w0 als Basaldurchblutung, T0 als Basaltemperatur und α = ln49

C.Die Durchblutung von Muskel- und Fettgewebe werden durch die in [Lang et al., 1999b] gege-benen Gleichungen bestimmt:

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Altersabhangige Wirkungen hochfrequenter Felder 17

Abbildung 11: Temperaturabhangigkeit der Durchblutung nach verschiedenen Modellen

wMuskel = 0, 45 + 3, 55e−(T − 45)2/12for T ≤ 45C (9)wMuskel = 4for T > 45C (10)

und

wFett = 0, 36 + 0, 36e−(T − 45)2/12for T ≤ 45C (11)wFett = 0, 72for T > 45C (12)

Abbildung 11 zeigt die Veranderung der Durchblutung nach den besprochenen Modellen unterAnnahme einer Basaltemperatur von 37C.

7.3 Stoffwechselbedingte Warmeerzeugung

Der Anstieg der Gewebetemperatur fuhrt zu einem Anstieg des basalen Stoffwechsels auf Grundder durch die hohere Temperatur beschleunigten biochemischen Reaktionen. Dieser ortlich be-schrankte Regulierungseffekt ist auf den van’t Hoff Q10-Effekt (Empfindlichkeit = 2) zuruckzu-fuhren [Fiala and Lomas, 1999, Bernardi et al., 2003]:

∆qm = qm0(2(T−T0)/10 − 1) (13)

7.4 Warmeaustausch mit der Umgebung

An der Korperoberflache wird Warme durch Konvektion qc mit der Umgebungsluft ausgetauscht.Die oberfachenabhangige Abstrahlung qR, die Einstrahlung von Quellen mit hoher Temperatur

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Altersabhangige Wirkungen hochfrequenter Felder 18

Abbildung 12: Konvektiver Warmetransferkoeffizient verschiedener Korperregionen als Funktionder Temperaturdifferenz zwischen Hautoberflache und Umgebung

qsR und die Verdampfung von Feuchtigkeit auf der Haut qe tragen ebenfalls zum Warmeaus-tausch bei. Das Ausmaß des Warmeaustauschs andert sich stark uber den Korper und wirdselbstverstandlich stark von der Kleidung beeinflußt. Im Allgemeinen laßt sich der Nettowarme-fluß durch die Korperoberflache durch die Summe der oben aufgefuhrten Beitrage bestimmen:

qsk = qc + qR − qsR + qe (14)

In den Folgenden Abschnitten werden die Terme dieser Gleichung ausfuhrlich besprochen.Der Beitrag der Warmeleitung wird hier nicht berucksichtigt, da die thermische Leitfahigkeitder Luft mit 0,02684 W/(mK) bei 37 sehr niedrig ist.

7.4.1 Konvektion

Der Warmeaustausch durch Konvektion qc kann bei einer Hautoberflachentemperatur Th undUmgebungstemperatur TLuft durch Annahme eines kombinierten Koeffizienten hc,mix fur freieund erzwungene Konvektion modelliert werden:

qc = hc,mix(Th − TLuft) (15)

Der Konvektionskoeffizient hc,mix ist Funktion der Korperregion, des Temperaturunterschiedszwischen Haut und Luft und der effektiven Geschwindigkeit der Luft vLufteff

:

hc =√anat

√Th − TLuft + afrc vLufteff

+ amix (16)

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Altersabhangige Wirkungen hochfrequenter Felder 19

Abbildung 13: Warmestrahlungskoeffizient als Funktion der Temperatur der Haut und der Um-gebung

Die Grundlage fur hc,mix sind meßtechnisch ermittelte Werte des lokalen Warmeverlustes durchKonvektion. Fur die Messungen wurde ein maßstabgetreues Phantom mit realistischer Tempe-raturverteilung auf der Haut verwendet. Die Koeffizienten anat, afrc und amix konnen durchRegressionsanalyse ermittelt werden (Tabelle 2 aus [Fiala and Lomas, 1999]).

Freie Konvektion kann angenommen werden, wenn vLufteff≤ 0, 05 m/s. In diesem Fall kann

der Term afrc vLufteff+ amix vernachlassigt werden, und es bestimmen lediglich anat und der

Temperaturunterschied zwischen Haut und Umgebung den Warmetransferkoeffizienten der Kon-vektion. In Abbildung 12 ist der Warmetransferkoeffizient fur freie Konvektion fur verschiedeneKorperregionen dargestellt. In den meisten Fallen variiert er um etwa 50 %, wenn der Tempe-raturunterschied zwischen Haut und Umgebung im Bereich von 2K - 10 K schwankt. Lediglichbeim Thorax betragt die Variation in diesem Falle nur etwa 18 %.

Falls die Umgebungstemperatur uber die Temperatur der Hautoberflache ansteigt, findet keinefreie Konvektion mehr statt, und der Korper nimmt Warmeenergie aus der Umgebung auf. Eben-so kann durch einen Luftstrom, dessen Temperatur uber der des Korpers liegt, konvektive Erwar-mung auftreten. Warmetransferkoeffizienten fur diese Falle finden sich in [de Dear et al., 1997].

7.4.2 Warmestrahlung

In unsymmetrischen Umgebungen wird der Warmeaustausch durch Strahlung qR eines Korper-teils durch die Summe der einzelnen Beitrage zum Warmeaustausch und der Umwelt (Oberfla-chentemperatur von Wanden, Fenstern usw.) bestimmt. Daher ist zur genauen Bestimmung vonqR die Berechnung von Sichtfaktoren notwendig, die den Einfluß der Geometrie auf den Warme-austausch mit der Umgebung beschreiben. Die Simulation dieser Sichtfaktoren ist jedoch sehraufwendig. In der Regel wird daher das Konzept der richtungsabhangigen Durchschnittstempe-ratur angewendet, wobei entweder die mittlere Temperatur der Oberflachen der Umgebung Tsrm

oder die mittlere Strahlungstemperatur (MST) benutzt werden kann. Der Wert von Tsrm kannals Temperatur einer die Haut einhullenden Struktur angenommen werden, der denselben War-

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Altersabhangige Wirkungen hochfrequenter Felder 20

meaustausch erzeugt wie die unsymmetrische Umgebung. Die Definition der MST ist ahnlich.Verwendet man Tsrm und fuhrt den (ortsabhangigen) Warmestrahlungskoeffizienten hR in dasGesetz von Stefan-Boltzmann ein, kann der Warmeaustausch durch

qR = hR(Tsf − Tsrm) (17)

berechnet werden, wobei

hR = σ εsf εsr ψsf−sr(T ∗2sf − T ∗2

srm)(T ∗

sf − T ∗srm

) (18)

ist. σ ist die Stefan-Boltzmann Konstante, εsr und εsf sind die Emissionskoeffizienten der Ober-flachen des Korpers und der Umgebung. ψsf−sr ist der Sichtfaktor, und T ∗

sf und T ∗srm

sind diemittleren Temperaturen der Oberflachen des Korpers und der Umgebung, die von der entspre-chenden Korperregion gesehen werden. Das Emissionsvermogen der Korperteile und -regionenhangt stark vom den Korper bedeckenden Material ab. Die Werte von Haut und Haar werden in[Fiala and Lomas, 1999] mit 0,99 bzw. 0,80 angegeben. In [Taurisano and Vorst, 2000] wird einWert von 0,98 fur Haut gemessen. Kleidung hat in der Regel einen Wert in der Großenordnungvon 0,95. Das Emmissionsvermogen der Umgebung εsr betragt in Innenraumen typischerweiseetwa 0,93.

Eine weitere Moglichkeit zur Linearisierung des Warmeaustauschs durch Strahlung wird in[Bligh and Johnson, 1973] vorgeschlagen. Dieser kann fur kleine Werte von 2(Tsf −Tsrm)/(Tsf +Tsrm) angenommen werden. Der lineare Strahlungstransferkoeffizient laßt sich dann als

hR = 4σT 3 (19)

schreiben. Nach Abbildung 13 andert er sich im Temperaturbereich zwischen 25C und 42C(Haut- und Umgebungstemperatur) um weniger als 20 %.

Die Bestrahlung des Korpers durch außere Quellen hoher Temperatur (z. B. durch die Sonne)kann durch den Term qsR berucksichtigt werden, der das Maß fur die Warmemenge darstellt,die durch die Haut aufgenommen wird. Dieser kann nach [Blum, 1945] durch

qsR = S(1 − F ) (20)

berechnet werden. S ist hier die Leistungsdichte der Sonne (ca. 800 - 1100 W/m2), und F ist derReflexionsfaktor der Haut, der je nach Hautfarbe zwischen 0,16 und 0,43 angenommen werdenkann.

7.4.3 Isolierung durch Kleidung

Da Kleidung eine wesentliche Rolle fur die Warmeregulierung des Menschen darstellt, wur-de betrachtlicher Aufwand in die Erforschung der Modellierung entsprechender Mechanismenbetrieben. Dennoch finden sich in der einschlagigen Literatur nur allgemeine Paramter fur Klei-dung. Diese sind die intrinsische Isolation durch Kleidung Icl, der Oberflachenfaktor fcl undein Index fur die Durchlassigkeit von Feuchtigkeit icl. Diese geben zwar nicht die tatsachlichenisolierenden Eigenschaften verschiedener Kleidungsstucke an, konnen aber einen den gesamtenKorper bedeckenden Ersatzzstoff beschreiben. Daher mussen die benotigten lokalen Isolationsko-effizienten Icl, fcl und icl aus Meßdaten fur verschiedene Kleidungsstucke unter Berucksichtigungdes Verdampfungswiederstandes Rf errechnet werden. Diese Werte schließen dadurch auch dieIsolation durch die Luftschicht zwischen der Haut und der Kleidung mit ein.

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Altersabhangige Wirkungen hochfrequenter Felder 21

Der ortsabhangige effektive Warmetransferkoeffizient U∗cl mehrerer Kleidungs- oder Stoff-

schichten kann mittels

U∗cl =

11/(f∗cl (hc,mix + hR)) +

∑I∗clj

(21)

berechnet werden. I∗clj ist der lokale Warmewiderstand der Schicht mit dem Index j, f∗cl istder Oberflachenfaktor der außeren Kleidungsschicht, und hc,mix und hR sind die eigentlichenKonvektions- und Strahlungskoeffizienten. Der entsprechende Verdampfungskoeffizient U∗

e,cl be-rechnet sich aus dem lokalen Wert von Icl und icl der einzelnen Kleidungsschichten, fcl deraußeren Kleidungsschicht, dem Konvektionskoeffizienten hc,mix und der Lewis-Konstante furLuft LLuft=0,0165 K/Pa:

U∗e,cl =

LLuft

1/(f∗cl hc,mix) +∑I∗clj/i

∗clj

(22)

In der einschlagigen Literatur sind jedoch keine Daten zu einzelnen Stoffen bzw. Kleidungs-stucken angegeben. Simulationsergebnisse finden sich aber in [Fiala and Lomas, 1999]. Dennochist aus den aufgefuhrten Gleichungen ersichtlich, auf welche Weise Bekleidung lokale Konvektiondurch Verringerung des Warmetransfer- und des Verdampfungskoeffizienten bewirkt.

7.4.4 Verdampfung

Der Energiefluß durch ein Teilstuck der Haut der Fache Ask ist durch

U∗e,cl(Psk − Pair) = λH2O/Ask

dmsw

dt+ (Psk,sat − Psk)/Re,sk (23)

gegeben. Die linke Seite dieser Gleichung stellt den Nettoenergietransfer durch das Verdamp-fungspotential zwischen Haut und Luft dar. Psk ist der Dampfdruck des Wassers an der Hauto-berflache, Pair ist der Dampfdruck der Umgebungsluft, und U∗

e,cl der resultierende Verdampfungs-koeffizient der die Haut bedeckenden Kleidung. Der erste Term der rechten Seite der Gleichungberucksichtigt die Verdampfung von Schweiß auf der Hautoberflache, wobei λH2O die Verdamp-fungswarme des Wassers und dmsw

dt die Rate der Schweißproduktion der Flache Ask ist. Der letzteTerm der Gleichung beschreibt den Warmetransport durch die Diffusion der Feuchtigkeit durchdie Haut mit Psk,sat als Sattigungsdampfdruck der außeren Hautschicht, auf der sich stets eineFeuchtigkeitsschicht befindet. Daher kann man dort den Sattigungsdampfdruck annehmen, derin Abhangigkeit von der Temperatur der Haut Tsk als

Psk,sat = 100 e19−4030(Tsk+235) (24)

berechnet werden kann. Die Durchlassigkeit der Haut fur Feuchtigkeit 1/Re,sk = 0, 003 W/(m2

Pa). Feuchtigkeit wird angesammelt, wenn Psk den Sattigungsdampfdruck des Wassers Psk,sat

ubersteigt. Ein weiteres Modell zur Berechnung des Sattigungsdampfdrucks (in mmHg) wird in[Atkins and Thompson, 2000] vorgeschlagen:

Psk,sat = 1, 92Tsk − 25, 3 for 27C ≤ T ≤ 37C (25)

Im relevanten Temperaturbereich unterscheiden sich die beiden Gleichungen nur unwesentlich(Abbildung 14).

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Altersabhangige Wirkungen hochfrequenter Felder 22

Abbildung 14: Temperaturabhangigkeit des Sattigungsdampfdrucks der Haut

Zur Bestimmung der Warmeverluste durch Verdampfung muß zusatzlich der Dampfdruckder Haut Psk bestimmt werden. Hierfur kann man die maximale Verdampfungskapazitat derUmgebung bestimmen:

Emax = fpcl he (Psk − Pair) (26)

fpcl ist der Durchdringungsfaktor der Kleidung, der einen Maximalwert von 1 erreichen kann.he ist der Transferkoeffizient der Verdampfungswarme, und Psk,sat kann hier an Stelle von Psk

verwendet werden. Ein einfacher Zusammenhang zwischen he und dem konvekiven Warmetrans-ferkoeffizienten hc wird durch die Lewis-Relation gegeben:

he = 16, 5hc (27)

Werte fur den Ganzkorperverdampfungswarmekoeffizienten wurden in [Candas et al., 1979]bei maximaler Hautfeuchtigkeit, d. h. bei maximaler Kuhlung durch Verdampfung, gemessen.Um die maximale Verdampfungskapazitat der Umgebung zu berechnen, muß der Dampfdruckder Umgebungsluft Pair bestimmt werden. Dieser hangt von der relativen Luftfeuchtigkeit RHfolgendermaßen ab:

RH = Pair/Pair,sat (28)

Pair,sat ist der Sattigungsdampfdruck:

Pair,sat = e77,345+0,0057Tair−7235/Tair/T 8,2air (29)

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Altersabhangige Wirkungen hochfrequenter Felder 23

Abbildung 15: Maximale Verdampfungskapazitat der Umgebung der Haut

Nimmt man hc = 6W/(m2 K) und Tsk = 30C an, kann man die maximale Verdampfungskapa-zitat als Funktion der Umgebungstemperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit RH dargestelltwerden (Abbildung 15).

Ein weiteres Modell zur Beschreibung der Verdampfung wird in [Deng and Liu, 2004] vorge-stelt. Hier werden die Verluste durch die Verdampfung durch

qe = (3, 054 + 16, 7hcWrsw) (Psk,sat − Pair) (30)

gegeben, wobei Wrsw die Feuchtigkeit der Haut (0 ≤Wrsw ≤ 1) ist.

8 Studien zur Absorption elektromagnetischer Strahlung in Kop-fen von Kindern

8.1 Generische Modelle des Kopfes

Obwohl mittlerweile verschiedene anatomische Modelle von Kinderkopfen zur Verfugung stehen(Abschnitt 6) und die Rechenleistung moderner Computer zur Simulation dieser Modelle mitAuflosungen im Submillimeterbereich ausreichend ist, verwenden verschiedene kurzlich erschie-nene Studien geschichtete Kugeln als generische Modelle des Kopfes. Diese Modelle kann manzwar nur als sehr rudimentaren Ansatz betrachten, dennoch reproduzieren sie die in Abschnitt 3beschriebenen Mechanismen und Effekte. Außerdem lassen sie sich mit analytischen oder halb-analytischen Methoden behandeln. Daher sind sie von den ublichen numerischen Unsicherheitender FDTD-Methode (z. B. durch Staircasing oder ungenugende Diskretisierung) nicht betroffen[Burkhardt, 1999]. Die Autoren von [Nikita et al., 2000, Anderson, 2003, Moneda et al., 2003]benutzen solche halbanalytische Methoden, um die SAR in einer geschichteten Kugel im Nah-feld von Dipolantennen zu berechnen. In [Anderson, 2003] wird die Abhangigkeit der Absorptionvon der Große des Kopfes mittels geschichteter Kugeln untersucht. Von einem Anstieg der SAR

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Altersabhangige Wirkungen hochfrequenter Felder 24

bei kleineren Kugeln wird zwar berichtet, dieser kann jedoch durch den Abstand zwischen Anten-ne und Gewebe erklart werden, der zusammen mit dem Durchmesser der Kugeln herunterskaliertwurde.

Trotzdem lassen sich generische Modelle des menschlichen Korpers oder Kopfes zur Charak-terisierung des Absorptionsverhaltens oder zur Analyse von Grenzfallen und der Unsicherheitverwenden [Christ et al., 2006b, Samaras et al., 2006]. In jedem Falle ist jedoch eine Validierungmittels geeigneter anatomischer Modelle erforderlich.

8.2 Studien mit skalierten anatomischen Modellen

Die meisten alteren dosimetrischen Studien zur Bestimmung der SAR in Kinderkopfen verwen-den skalierte anatomische Modelle von Kopfen Erwachsener. Tabelle 3 gibt eine Ubersicht der indiesem und den folgenden Abschnitten besprochenen Studien und die verwendeten Kopfmodelle.Verschiedene HF-Quellen wie z. B. Dipolantennen oder generische Telefone mit Monopol- oderHelixantennen aber auch realistische Telefonmodelle, die mittels CAD-Daten entwickelt wurden,werden verwendet. In allen Studien wird die FDTD-Methode zur Berechnung der Belastung be-nutzt.

Dimbylow [Dimbylow, 1993] diskutiert die SAR im menschlichen Kopf bei Belastung durcheine Dipolantenne in geringem Abstand. Die Studie berichtet von einem deutlichen Anstieg derAbsorption im Auge des Kindermodells bei Abstanden bis zu 10mm (3 dB bei 1900 MHz). Diefur das Erwachsenenmodell verwendete Gitterauflosung von 3,17mm erscheint jedoch zu grob,um alle anatomischen Details korrekt wiederzugeben. In einer spateren Untersuchung desselbenAutors [Dimbylow and Mann, 1994] wird ein generisches Mobiltelefon bei Abstanden zum Au-ge bzw. zum Ohr zwischen 14 mm und 50 mm verwendet. Die Auflosung des Gitters in dieserStudie betragt nur noch 2 mm. Die Belastung bei Erwachsenen und Kindern wird bei 900 MHzund 1800 MHz und 20 mm Abstand verglichen. Die Ergebnisse fur Kinder und Erwachsene sindvergleichbar mit Tendenz zu niedrigerer Belastung des Kindermodells.

Von einem deutlichen Anstieg der SAR in Kopfen von Kindern berichtete [Gandhi et al., 1996].In dieser Studie wurden skalierte anatomische Modelle einer Belastung durch λ/2-Dipole undgenerischen Mobiltelefonen mit Monopol- und Helixantennen bei 835 MHz und 1900 MHz ausge-setzt. Ein aus MRI-Aufnahmen entwickeltes Modell des Kopfes eines mannlichen Erwachsenenwurde herunterskaliert, so daß seine Große der des Kopfes eines 10-jahrigen und 5-jahrigen Kin-des entspricht. Die Hohen wurde mit einem Faktor von 0,782 fur das 10-jahrige und von 0,635fur das 5-jahrige Kind skaliert. Diese Faktoren basieren auf den mittleren Korpergrossen vonKindern in diesem Alter. Fur die horizontale Skalierung wurden Faktoren von 0,805 (10 Jah-re) und 0,693 (5 Jahre) verwendet, welche die durchschnittlichen Korpermassen von Kindernberucksichtigen. In den Simulationen wurden die Modelle durch Reduzieren der Zellgrosse desFDTD-Gitters verkleinert. Die Veroffentlichung enthalt jedoch keine Details uber die Positionie-rung der Antenne oder des Telefones gegenuber dem Kopf. Es bleibt daher offen, in wie weit derAbstand zwischen Strahlungsquelle und Gewebe durch die Veranderung der Zellgrosse beeinflußtwird.1 Die Autoren berichten von einem konstanten Anstieg der SAR, wenn die Große des Kopfesreduziert wird. Bei 835 MHz wurden fur das 5-jahrige Kind ein Anstieg des “Peak 1-Voxel SARs”von 5 dB und fur das uber 1 g gemittelte SAR ein Anstieg von 1,8 dB gefunden. Bei 1900MHzverandern sich die Werte fur kleinere Kopfe nicht deutlich. Außerdem berichten die Autoren voneiner erhohten Eindringtiefe der Felder in kleineren Kopfen. Fur das uber das Gehirn gemittelteSAR wird ein um das 2,2-Fache hoherer Wert fur das 10-jahrige Kind und ein um das 3,3-Fachehoherer Wert fur das 5-jahrige Kind angegeben. Diese Ergebnisse widersprechen jedoch denenzahlreicher anderer Studien, die in Tabelle 3 aufgefuhrt sind. In [Schonborn et al., 1998] und

1Fur geringe Verschiebungen des Telefons in einer Ebene parallel zum Ohr wurden bei stark inhomogenenanatomischen Modellen Unterschiede von mehr als 3 dB gemessen [Burkhardt and Kuster, 2000].

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[Schonborn, 2000] findet sich eine detaillierte Analyse der Studie von [Gandhi et al., 1996], dieim folgenden kurz zusammengefaßt wird:

• Die Maße der skalierten Kinderkopfe entsprechen eher denen eines Neugeborenen als deneneines 5- oder 10-jahrigen Kindes [Prader et al., 1988].

• Der beobachtete Anstieg der Eindringtiefe muß wahrscheinlich relativ zur Große des Kopfesbetrachtet werden. Ein physikalischer Zusammenhang der absoluten Eindringtiefe und derGroße des Kopfes laßt sich nicht begrunden.

• Die hoheren Werte fur das uber das gesamte Gehirn gemittelte SAR entsprechen praktischgenau dem Volumen, um das das Gehirn skaliert wurde (Faktoren von 2,0 und 3,3).

• Die hoheren Werte fur die Peak Spatial Average SAR bei 835 MHz konnten durch Ver-anderungen in der Positionierung der Quelle erklart werden, die sich durch die kleinereGitterschrittweite und die geringere Dicke der Ohrmuschel ergeben. Die Beobachtungenbei 835 MHz sind nicht im Einklang mit den Ergebnissen bei 1900MHz.

In einer spateren Studie derselben Gruppe [Gandhi and Kang, 2002] wurden zwei verschiedeneanatomische Kopfmodelle mannlicher Erwachsener um einen Faktor von +11.1 % und -9.1 %skaliert, um den vormals beschriebenen Zusammenhang zwischen Große und Absorption zubestatigen. Die Faktoren wurden so gewahlt, daß der Abstand und die Abmessungen der Strah-lungsquelle (generische Telefone) als ganzzahlige Vielfache der Gitterschrittweite in allen Simu-lationen konstant gehalten werden konnte. Die Dicke der Ohrmuschel beider Kopfmodelle betrug10 mm. Diese wurde ebenfalls um die entsprechenden Faktoren skaliert. Die Spatial Peak AverageSAR wurde nach [ANSI/IEEE, 2001] fur Hirngewebe und fur Kopfgewebe unter Ausschluß derOhrmuschel ermittelt. Die Ergebnisse zeigen bei abnehmender Große des Kopfes einen stetigenAnstieg des 1 g SARs. Unterschiede bis zu 0,75 dB fur Kopfgewebe und 1.8 dB fur Hirngewe-be wurden zwischen dem kleinsten und dem grossten Kopfmodell bei 835 MHz beobachtet. Bei1900 MHz erhohen sich diese Unterschiede auf 1,8 dB fur Kopfgewebe und 3,4 dB fur Hirnge-webe. Die Autoren erklaren den Anstieg der SAR mit “der reduzierten Dicke der Ohrmuschelund der Große des Kopfes. . . ”. Das bedeutet, daß die Entfernung des Telefons vom Kopf trotzdes konstanten “Abstandes von 20mm zwischen Antenne, der durch 9, 10 und 11 Zellen vomOhr bis zur Antenne modelliert wurde,” auf Grund der Skalierung der Ohrmuschel um etwa±10 % im Falle des kleinsten Kopfes um etwa 2 mm niedriger war als beim großten verwendetenKopf. Der zusatzliche Anstieg des 1 g SARs im Gehirn kann wahrscheinlich durch den dunnerenSchadelknochen des kleineren Kopfmodells erklart werden, da dadurch der Abstand zwischenGehirn und Antenne weiter reduziert wird. Die Autoren halten ihre Behauptung aufrecht, daßdie absorbierte Energie bei kleineren Kopfen tiefer in das Gehirn eindringe. Die in der Verof-fentlichung vorgestellten Ergebnisse belegen dies aber allenfalls, wenn man die Eindringtiefe imVerhaltnis zur Große des Kopfes betrachtet.

In einer Studie aus dem Jahr 2002 [Guy et al., 2002] wurde versucht, die Ergebnisse aus[Gandhi et al., 1996] zu reproduzieren. Dieselben Faktoren wurden verwendet, um ein anato-misches Kopfmodell auf die Große des Kopfes eines Funf- und eines Zehnjahrigen zu skalieren.Ein generisches Modells eines Mobiltelefons mit Monopolantenne wurde direkt an die Ohrmu-schel gesetzt. Die Simulationen ergaben keine durch die Große der Kopfe bedingten Unterschiededer 1 g Peak Spatial Average SAR und der Eindringtiefe.

In einer anderen Studie [Lee and Pack, 2002, Lee et al., 2002] wurde die Peak Spatial AverageSAR fur skalierte Kopfmodelle berechnet, die von MR-Aufnahmen eines koreanischen Erwachse-nen stammen. Das Kopfmodell wurde mit verschiedenen Faktoren zwischen 0.9 und 1.1 skaliertund mit der Strahlung eines generischen Mobiltelefons bei 835 MHz und 1765 MHz belastet.

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Die Ergebnisse wurden auf konstante Ausgangsleistung normalisiert. Das Gehause des Tele-fons beruhrte die Backe und war an der ”Referenzebene” [IEEE, 2003] ausgerichtet. Wahrendin [Lee and Pack, 2002] die Ohrmuschel entfernt wurde, war sie in [Lee et al., 2002] durch di-elektrisches Material ersetzt (εr = 4). Der Abstand der Antenne zu der den Kopf beruhrendenSeite des Telefons war 18 mm bei 835 MHz und 20mm bei 1765 MHz. Die Resultate zeigen keinesignifikanten Tendenzen fur einen Zusammenhang der 1 g oder 10 g Peak Spatial Average SARmit der Kopfgroße. In allen Fallen befindet sich das SAR-Maximum in der Backe.

Martinez-Burdalo et al. [Martinez-Burdalo et al., 2004] berichten von einer Abnahme der 1 gund des 10 g Peak Spatial Average SAR fur kleinere Kopfgroßen bei 900MHz. In ihrer Stu-die verwenden sie skalierte Modelle (0.88 und 0.78) eines mannlichen Erwachsenenkopfes, dermit einer Dipolantenne bei verschiedenen Abstanden vom Ohr (10mm - 50 mm) und konstanterAusgangsleistung bestrahlt wird. Bei 900MHz wird von einer Abnahme des maximalen SARsund der Peak Spatial Average SAR (bis zu 1.4 dB) fur kleinere Kopfe bei einer Distanz von22 mm vom Ohr berichtet. Bei 1800MHz sind die Abweichungen kleiner, und es konnen keineklaren Tendenzen festgestellt werden. Dennoch schlußfolgern die Autoren der Studie, daß dieSAR im Gehirn von Kindern hoher sei, schreiben dies aber dem wegen der geringeren Starke desSchadelknochens niedrigeren Abstand zwischen Gehirn und Antenne zu.

In [Hadjem et al., 2004] werden zwei generische Mobiltelefone verwendet, um den Kopf einesErwachsenen und eines Kindes (um einen Faktor von 0,8 skalierter Kopf des Erwachsenen) zubefelden. Beide Telefone haben integrierte Patch-Antennen fur das 900 MHz- und das 1800 MHz-Band. Die Autoren beobachten einen Anstieg von bis zu 2.2 dB fur das 10 g SAR fur Hirnge-webe im skalierten Kopf. Fur die SAR in anderen benachbarten Geweben (Haut, Knochen,zerebrospinale Flussigkeit) treten keine deutlichen Unterschiede zwischen den beiden Kopfmo-dellen auf. Dies gilt auch fur das uber alle Kopfgewebe gemittelte SAR. Diese Studie wird in[Hadjem et al., 2005a] um weitere skalierte Kopfmodelle erganzt. Bei der Skalierung dieser Mo-delle wurden die unterschiedlichen Proportionen des Kopfes wahrend der Entwicklungsjahre vomKind zum Erwachsenen berucksichtigt. Die mit diesen Modellen erhaltenen Ergebnisse bestati-gen die Schlußfolgerungen der ursprunglichen Studie.

Eine Erweiterung der Arbeit von [Guy et al., 2002] findet sich in [Bit-Babik et al., 2005]. Zu-satzlich zur einfachen Skalierung des erwachsenen Kopfmodells wird die Absorption in pro-portional skalierten Modellen untersucht, die bereits in [Wang and Fujiwara, 2003] verwendetwurden. Die bereits in zahlreichen vorhergehenden Studien nicht bestatigte Hypothese, daß ei-ne geringere Kopfgroße zu hoherer Eindringtiefe im Gewebe fuhre [Gandhi et al., 1996], wirdhier ebenfalls durch Messung der SAR in kugelformigen Phantomen verschiedenen Durchmes-sers widerlegt. Die Ergebnisse dieser Studie, die mit den proportional skalierten Kopfmodellenerhalten wurden, zeigen jedoch deutliche Unterschiede zu den Werten der Originalpublikation[Wang and Fujiwara, 2003] (siehe Abschnitt 8.6). Ort und Betrag der Peak Spatial Average SARweichen in vielen Fallen stark voneinander ab. Außerdem konnte der in [Wang and Fujiwara, 2003]vermutete Einfluß der Normalisierung auf Fußpunktstrom beziehungsweise Antennenleistung aufdie Unterschiede der Ergebnisse von [Gandhi et al., 1996] und [Schonborn et al., 1998] nicht be-statigt werden. Die Unterschiede fuhren [Bit-Babik et al., 2005] auf verschiedene Implementa-tionen des SAR-Mittelungsalgorithmus zuruck. Der in dieser Studie verwendete Algorithmusentspricht der Definition in [IEEE, 2002].

Um den Einfluß verschiedener Implementationen der FDTD-Methode und des SAR-Mittelungs-algorithmus’ sowie auch Unsicherheiten, die sich durch die Bedienung der Software durch ver-schiedene Benutzer ergeben, zu beurteilen, wurde von der amerikanischen Food and Drug Ad-ministration (FDA), Washington D. C., ein Ringvergleich durchgefuhrt [Beard et al., 2006]. Indiesem Vergleich sollte die Peak Spatial Average SAR im SAM-Phantom (siehe [IEEE, 2003])und in verschiedenen anatomischen Kopfmodellen bei Belastung durch ein generisches Telefonermittelt werden. Fur die Studie stand neben dem Kopfmodell eines Erwachsenen auch das in

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[Wang and Fujiwara, 2003] verwendete proportional auf die Große eines siebenjahrigen Kindesskalierte Modell zur Verfugung. Das Telefon wurde in den beiden in [IEEE, 2003] beschriebenenTestpositionen (”touch” und ”tilted”) bei 835 MHz und 1900MHz betrieben, und die Absorptionwurde auf die Ausgangsleistung und den Fußpunktstrom normiert. Vierzehn Forschungsgrup-pen nahmen an dem Ringvergleich teil. Die Standardabweichung der Ergebnisse lag bei 17 %fur 835 MHz und bei 29 % bei 1900 MHz. Die Ursache fur die Streuung liegt sehr wahrschein-lich an Unsicherheiten bei der aufwendigen Positionierung des Telefons an den Kopf, wie siein [IEEE, 2003] beschrieben ist. Die Unterschiede zwischen der Peak Spatial Average SAR desModells des Erwachsenen und der SAR des skalierten Kopfmodells sind gering. Eine Tendenzfur das eine oder andere Kopfmodell laß sich nicht feststellen.

8.3 Generische Untersuchungen mit anatomischen Modellen von Kinderkop-fen

Um die Widerspruche zwischen dem in [Kuster and Balzano, 1992] beschriebenen Absorptions-mechanismus und den Ergebnissen von [Gandhi et al., 1996] zu klaren, wurden in einer weiterenStudie [Schonborn et al., 1998] anatomische Kopfmodelle, die aus MR-Aufnahmen eines drei-und eines siebenjahrigen Kindes entwickelt wurden, zur Analyse der Belastung durch elektroma-gnetische Felder verwendet. Die Ergebnisse wurden mit einem Kopfmodell eines Erwachsenenverglichen, das mit verschiedenen Faktoren (1,0, 0,93, 0,88, 0,67) auf die entsprechenden Al-tersklassen sowie auf die Große eines neugeborenen skaliert wurde. Um Unsicherheiten bei derModellierung der Antenne zu minimieren, wurde ein generischer Ansatz mit einer einfachen undgut definierten Quelle verwendet: Eine 0,45λ-Dipolantenne wurde im Abstand von 15 mm zumnachsten Punkt des Kopfgewebes positioniert. Diese Antenne hat eine genau definierte Strom-verteilung und erlaubt die exakte Bestimmung des Abstandes zum Kopf. Im Unterschied zumModell eines Mobiltelefons vermindert dies die Unsicherheiten, die sich durch unterschiedlicheBelastung des Senders durch die verschiedenen Kopfe ergeben. Jegliche Unterschiede der Ab-sorption konnen deshalb eher den Veranderungen der Kopfgroße zugeschrieben werden als denUnsicherheiten der Modellierung der Quelle. Da die Energieabsorption in den Kopfen haupt-sachlich durch induktive Kopplung erfolgt, wird ein fester Fusspunktstrom zur Normierung derSAR benutzt. Die meisten anderen Studien normalisieren ihre Resultate hingegen auf die Aus-gangsleistung der Antenne (Tabelle 3).

In der Studie wurden keine von der Kopfgroße abhangigen Veranderungen der Spatial PeakAverage SAR und der Eindringtiefe beobachtet. Im Hirngewebe nimmt die SAR in Kinderkop-fen und den skalierten Kopfmodellen des Erwachsenen mit derselben Rate ab wie beim uns-kalierten Kopfmodell. Abschließend laßt sich daher sagen, daß die beobachteten Unterschiededer SAR-Verteilung und der Peak Spatial Average SAR klar innerhalb der Streuung liegen,die fur verschiedene Kopfmodelle Erwachsener gefunden wurde (z. B., [Hombach et al., 1996,Meier et al., 1997]). Die Ergebnisse stimmen daher mit dem in Abschnittt 3 Absorptionsmecha-nismus uberein.

In einer neueren Untersuchung [Keshvari and Lang, 2005] wurden die anatomischen Kinder-kopfmodelle, die bereits in [Schonborn et al., 1998] verwendet worden waren, durch eine Di-polantenne in 20mm Abstand befeldet und die Peak Spatial Average SAR mit dem zweierErwachsener (mannlich und weiblich) verglichen. Das SAR-Mittelungsvolumen wurde sowohlmit als auch unter Auschluß der Ohrmuschel bestimmt. Zusatzlich wurde die SAR im Bereichder Augen bestimmt, wobei sich die Dipolantenne in einem Abstand von 40 mm vor dem Kopfbefand. In allen Fallen wurde die SAR auf eine konstante Antennenleistung normiert. In allenuntersuchten Konfigurationen streuen die Werte fur das gemittelte SAR bei verschiedenen Kopf-modellen in der Goßenordnung von ±1 dB. Ein Zusammenhang zwischen einzelen Kopfmodellenbzw. deren Große und der SAR laßt sich jedoch nicht feststellen.

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8.4 Studien mit realitatsgetreuen Modellen des Kopfes und des Telefons

Auf Grund der andauernden Kontroverse um die Absorption elektromagnetischer Strahlung beiKindern haben verschiedene offentliche und kommerzielle Einrichtungen Forschungsarbeiten aus-geschrieben, die untersuchen sollten, ob die in den Regelwerken zur Typenprufung von Mobilte-lefonen (z. B. [IEEE, 2003, IEC, 2001, CENELEC, 2001]) beschriebenen Verfahren eine konser-vative Bestimmung der realen Belastung bei Kindern ermoglichen. Diese Regelwerke definierenzwei Testpositionen (”touch”und ”tilted”) am einem Kopfmodell (SAM), das mit der Absicht ent-wickelt wurde, die Belastung von mindestens 90 % des Benutzerspektrums sicher abzuschatzen.In einem Simulationsprogramm bestehen jedoch Unsicherheiten bei der entsprechenden Posi-tionierung eines Telefonmodells an den Kopf eines Benutzers, wie bereits bei der Besprechungvon [Beard et al., 2006] in Abschnitt 8.2 erwahnt wurde. Die Autoren von [Kainz et al., 2005]definieren eine Methode zur eindeutigen Positionierung eines Telefons an Kopfmodellen, die sichausschließlich an klar bestimmbaren anatomischen Merkmalen orientiert. Dieses Verfahren wirddann auch angewendet, um ein generisches Telefon mit Monopolantenne in den standardisiertenTestpositionen an 14 verschiedene anatomische Kopfmodelle zu positionieren. Unter diesen Mo-dellen befinden sich Erwachsene, skalierte Erwachsene und auch ein drei- und ein siebenjahrigesKind. Die Ergebnisse der Spatial Peak Average SAR unterscheiden sich bei den verschiedenenKopfmodellen um mehr als 3 dB. Ein Zusammenhang zwischen Alter oder Große des Kopfesund der Absorption konnte jedoch nicht festgestellt werden. Die Unterschiede sind vielmehr aufindividuelle anatomische Eigenschaften zuruckzufuhren.

In [Christ et al., 2005a] wird ebenfalls die Absorption im Kopfmodell eines siebenjahrigen Kin-des mit der im SAM-Phantom und in zwei Kopfmodellen von Erwachsenen verglichen. Nebengenerischen Telefonen mit Monopol- und Helixantenne wird auch ein realistisches CAD-Modelleines Motoroa T-250 Mobiltelfons verwendet. Die Peak Spatial Average SAR wurde im Kopfge-webe ein- und ausschließlich der Ohrmuschel berechnet. In keinem Fall konnte eine Korrelationzwischen Alter oder Große des Kopfes und der Absorption festgestellt werden. Weiterhin las-sen die Ergebnisse dieser Studie wie auch der in [Kainz et al., 2005] darauf schließen, daß dasSAM-Phantom die konservative Bestimmung der SAR von Mobiltelefonen erlaubt.

Zu vergleichbaren Ergebnissen kommen auch die in [Wiart et al., 2005, Hadjem et al., 2005c]beschriebenen Arbeiten. Diese beiden Studien verwenden skalierte Erwachsene sowie auf MR-Aufnahmen basierende Modelle eines zwolf- und eines vierjahrigen Kindes. Die Absorption inden Kopfmodellen der Kinder und denen der Erwachsenen ist ahnlich und liegt unter der desSAM-Phantoms. Eine Erganzung dieser Studien untersucht die Abhangigkeit der Absorptionim Gehirn und der Peak Spatial SAR von der Morphologie des Ohres [Hadjem et al., 2005b].Hierbei wird das Ohr des Modells des zwolfjahrigen Kindes innerhalb des statistisch relevantenBereiches skaliert [Leslie and Farkas, 1994]. Die Lange bzw. Hohe der Ohrmuschel wird zwischen56 mm und 63 mm, ihre Breite zwischen 33 mm und 38 mm und ihre Dicke zwischen 2 mm und10 mm skaliert. Hierbei wird angenommen, daß die Ohrmuschel durch das Telefon stark zusam-mengepreßt werden kann. Der Abstand des Dipols zum Kopf blieb unabhangig von der Grosseder Ohrmuschel, das Telefon wurde wie in [Wiart et al., 2005, Hadjem et al., 2005c] beschriebenpositioniert. Das Spatial Averag SAR wurde uber zusammenhangende (contiguous) Gewebevo-lumen von 1 g und 10 g Masse gemittelt. Ein allgemeiner Zusammenhang zwischen Große derOhrmuschel und Absorption in der Haut bzw. in oberflachennahem Gewebe kann aus den Re-sultaten der Studie nicht abgeleitet werden. Lediglich das mit zunehmender Dicke des Ohres,d. h. mit zunehmendem Abstand zum Kopf, abnehmende SAR im Gehirn bei Verwendung desTelefonmodells bestatigt den in Abschnitt 3 beschriebenen Absorptionsmechanismus.

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8.5 Studien mit altersabhangigen Gewebeparametern

Mehrere neuere Studien untersuchen den Einfluß moglicher Veranderungen der dielektrischenGewebeparameter mit dem Alter. Dabei wird generell von hoherem Wassergehalt und damit ho-herer Leitfahigkeit und Permittivitat bei geringerem Alter ausgegangen. In [Wang et al., 2006]wird eine Gleichung zur Bestimmung der Altersabhangigkeit der dielektrischen Parameter vor-geschlagen, die aus Lichteneckers Gesetz hergeleitet wurde [Lichtenecker, 1926]. Als Grundlagefur die Berechnung der Parameter wird der Gesamtwassergehalt des Korpers (Total Body Wa-ter, TBW) herangezogen, wie es in [Anderson, 2003] vorgeschlagen wird. Gemaß [Altman, 1974]fallt der TBW von Menschen innerhalb des ersten Lebensjahres ab und bleibt danach nahezukonstant. In [Wang et al., 2006] werden die dielektrischen Parameter fur die Gewebe eines drei-jahrigen und eines siebenjahrigen Kindes bestimmt. Diese weichen jedoch in den meisten Fallenum weniger als 5 % von denen des Erwachsenen ab. Die 1 g und 10 g Peak Spatial Average SARim Kopfmodell eines Erwachsenen und in auf die Große eines drei- und eines siebenjahrigen ska-lierten Modellen wurde mit einem generischen Telefon befeldet. Bei der Skalierung der Modellewurden die unterschiedlichen Proportionen von Kindern und Erwachsenen berucksichtigt. DieSAR in den Modellen der Kinderkopfe wurde sowohl fur die entsprechend berechneten Parame-ter als auch fur die Parameter Erwachsener bestimmt. Da diese auf Grund des angenommenenModells des TBWs nur gering voneinander abweichen, ergeben sich auch keine relevanten Un-terschiede in der SAR. Die Peak Spatial Average SAR in den skalierten Modellen liegt zwarunabhangig von den verwendeten Paramtern um etwa 15 % uber den Werten des Modelles desErwachsenen. Streuungen in dieser Großenordnung wurden aber bereits in anderen Studien mitvielen verschiedenen Kopfmodellen beobachtet (z. B. [Kainz et al., 2005]) und sind dort auf in-dividuelle anatomische Unterschiede zuruckzufuhren, so daß die Ergebnisse dieser Studie keineSchlußfolgerungen auf erhohte Absorption in kleineren Kopfen zulassen.

In einer weiteren Studie wird die SAR im Kopfmodell eines Zehnjahrigen mit um 20% er-hohter Permittivitat und Leitfahigkeit mit den Standardparametern und mit dem Kopfmodelleines Erwachsenen verglichen [Fernandez et al., 2005]. Die Erhohung um 20 % wurde durch diein [Peyman et al., 2001] an Ratten gemessenen Werte motiviert. Alle Kopfmodelle wurden miteinem generischen Telefon mit integrierter Patchantenne befeldet. Die Ergebnisse zeigen einenAnstieg um etwa 80% der 1 g und 10 g Peak Spatial Average SAR im Kopfmodell des Kindes.Unter Verwendung der fur Gewebe von Kindern angenommenen dielektrischen Eigenschaftenliegt die SAR geringfugig uber den Werten, die bei Verwendung der Parameter fur Erwachse-ne verwendet wurden. Wie in der weiter oben diskutierten Studie [Wang et al., 2006] sind dieGrunde fur das erhohte SAR im Kopf des Kindes in individuellen anatomischen Unterschie-den zu vermuten. Eine allgemeingultige Aussage uber den Zusammenhang von Absorption undKopfgroße ist praktisch nicht moglich, da lediglich ein Kopfmodell eines Kindes und und eineseines Erwachsenen verwendet wurden.

In [Koulouridis et al., 2005] wird die SAR in einem Kopfmodell eines Erwachenen mit demeines auf die Große eines zehnjahrigen Kindes skalierten Kopfes verglichen. Die dielektrischenParameter des Kinderkopfes werden dabei um ±10 % variiert, so daß sich insgesamt drei verschie-dene Parametersatze ergeben. Ob sich dies lediglich auf die Leitfahigkeit oder auf Permittivitatund Leitfahigkeit bezieht, wird in der Veroffentlichung nicht erlautert. Beide Kopfmodelle wur-den mit allen drei Parametersatzen simuliert. Die Unterschiede im Spitzenwert des lokalen SARsund der 1 g und 10 g Peak Spatial Average SAR unterscheiden sich nur um etwa ±15 % fur alleParametersatze und beide Kopfmodelle. Eine Abhangigkeit der Absorption von der Kopfgroßekann auch hier nicht beobachtet werden. Die SAR steigt jedoch bei ”hoheren” dielektrischenParametern in den jeweiligen Kopfmodellen stetig an. Dennoch schließen die Autoren der Studieauf ahnliche SAR-Werte in Erwachsenen und Kindern. Eine Grenzfallbetrachtung, mit denendie beobachteten Effekte nach oben abgeschatzt werden konnte, wird in der Studie jedoch nicht

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durchgefuhrt.Zu ahnlichen Ergebnissen kommen die Autoren von [Keshvari et al., 2006]. In dieser Studie

werden Kopfmodelle eines Erwachsenen und zweier Kinder (drei- und siebenjahrig) mit λ/2-Dipolantennen bei 900 MHz, 1800MHz und 2450MHz bestrahlt. Die Dipolantennen befindensich dabei in 10mm Abstand zum Ohr bzw. in 40 mm Abstand zum Auge. Zusatzlich wurde eingenerisches Flachphantom verwendet, das aus einer Haut- einer Fett- und einer Muskelschichtbesteht. Die Hautschichtdicke betragt 1 mm, die der Fettschicht 10mm und die der Muskelschicht100 mm. Diese Gewebeverteilung ist typisch fur den Rumpfbereich des menschlichen Korpers,nicht jedoch fur den Kopf. Die Diplantennen befinden sich in 20 mm Abstand zum Flachphan-tom. Die dielektrischen Parameter der Gewebe werden in mehreren Schritten um bis zu 20 %angehoben, wobei entweder nur die Leitfahigkeit oder Leitfahigkeit und Permittivitat skaliertwerden. Diese Skalierung wird durch den hoheren Wassergehalt junger Gewebe motiviert. Dieserandert sich nach Meinung der Autoren innerhalb der betrachteten Altersklassen (ab drei Jahre)nicht mehr deutlich. Daher wird die Skalierung um 20 % als Grenzfall angenommen. Die Ergeb-nisse der Studie lassen keine eindeutigen Schlußfolgerungen fur einen Zusammenhang zwischenden Gewebeparametern und der SAR zu. Weitere relevante Faktoren sind Gewebezusammenset-zung, Frequenz und Mittelungsvolumen. Wahrend bei 900 MHz in der uberwiegenden Zahl derbeschriebenen Falle ein Anstieg der SAR (1 g und 10 g Peak Spatial Average) zu beobachtenist, fallt es bei 1800 MHz und 2450 MHz in der Regel ab. Insgesamt variieren die beobachtetenWerte um maximal ±15 %. Auf einen Zusammenhang der SAR und der Grosse des Kopfmodellslaßt auch diese Studie nicht schließen.

8.6 Normalisierung auf Speisestrom oder Ausgangsleistung

In den meisten in Tabelle 3 aufgefuhrten Studien ist die Absorption auf die abgestrahlte An-tennenleistung normiert. Die Normierung auf den Fußpunktstrom berucksichtigt jedoch den inAbschnitt 3 beschriebenen grundlegenden Kopplungsmechanismus der Felder in das Gewebe. BeiNormierung auf Leistung tragt die Verstimmung der Antennenimpedanz durch den Kopf des Be-nutzers zur Gesamtabsorption bei. Die Verstimmung kann stark vom Antennentyp, der Positiondes Telefons am Kopf und der Leistungsregelung des Verstarkers abhangen. Daher sind allge-meine Schlußfolgerungen uber den Zusammenhang der Absorption elektromagnetischer Feldermit anatomischen Eigenschaften des Benutzers bei Leistungsnormierung in der Regel schwererzu ziehen. Dies trug auch zur Kontroverse um die beiden bereits besprochenen Studien vonGandhi [Gandhi et al., 1996] und Schonborn [Schonborn et al., 1998] bei, da dort verschiedeneNormierungen verwendet wurden. Die Autoren von [Wang and Fujiwara, 2003] hielten dies furdie Ursache der widerspruchlichen Schlußfolgerungen der beiden Studien und befeldeten verschie-den skalierte anatomische Kopfmodelle mit einer Dipolantenne und einem generischen Telefonmit Monopolantenne. Der Dipol wurde mit konstantem Strom und das Telefon mit konstanterLeistung gespeist. Die Kopfmodelle wurden entsprechend den Proportionen eines drei- und einessiebenjahrigen Kindes skaliert.

Die Ergebnisse zeigen einen maximalen Anstieg der 1 g Peak Spatial Average SAR um 1,25 dBfur das Modell des dreijahrigen Kindes im Vergleich zum Modell des Erwachsenen. Fur diesenFall steigt auf Grund der Anderung der Fußpunktimpedanz auch der Antennenstrom um etwa0,5 dB. Bei der 10 g Peak Spatial Average SAR ließen sich jedoch keine direkten Zusammenhangebeobachten. Bei Verwendung des Dipols und Normierung auf den Speisestrom konnten keinedeutlichen Unterschiede der SAR bei den verschiedenen Kopfmodellen festgestellt werden.

Lediglich zwei neuere Studien [Kainz et al., 2005, Beard et al., 2006] nehmen diese Fragestel-lung wieder auf, wobei die in [Beard et al., 2006] untersuchten Falle auch in [Kainz et al., 2005]beschrieben sind. In dieser Studie wird die Normalisierung auf Leistung und Strom fur 56 ver-schiedene Konfigurationen (Simulationssoftware, Kopf- und Telefonmodell, Frequenz und Posi-

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tion). Die 1 g Peak Spatial Average SAR ohne Ohrmuschel sowie der 10 g-Wert mit Ohrmuschelund der nur uber die Ohrmuschel gemittelte 10 g-Wert wurden verglichen. Die Streuung dieserWerte fallt bei Normierung auf den Fußpunktstrom etwas geringer aus.

9 Schlußfolgerungen fur den weiteren Verlauf des Projektes

Die Auswertung der Literatur zur Altersabhangigkeit der Absorption hochfrequenter elektroma-gnetischer Felder, wie sie beispielsweise durch Mobiltelefone erzeugt werden konnen, hat gezeigt,daß individuelle anatomische Unterschiede einen starkeren Einfluß auf die Absorption haben alsdie Große des Kopfes. Unsicherheiten verbleiben jedoch im Hinblick auf die Altersabhangigkeitder dielektrischen Parameter. Die hier aufgefuhrten Studien unterscheiden sich sehr stark sowohlbei der Extrapolation der Gewebeparameter fur Kinder als auch bei den mit diesen Parameternenthaltenen Ergebnisse. Fur die thermischen Parameter existiert praktisch keine relevante Li-teratur zur Altersabhangigkeit. Generell sind diese Parameter jedoch hoheren Unsicherheitenunterworfen als die dielektrischen. Dies trifft insbesondere auf die Durchblutung und auf denWarmeaustausch der Haut mit der Umgebung zu, der beispielsweise stark durch die Positiondes Mobiltelefons am Kopf eingeschrankt werden kann.

Bei den Simulationen der anatomischen Modelle konnen anthropomorphische Unsicherheitendurch die Verwendung von Modellen realer Kinderkopfe und durch die meßtechnische Ermitt-lung der Dicke und Elastizitat des Ohres weitgehend minimiert werden, so daß lediglich diedielektrischen und thermischen Parameter sowie die Variationsbreite der anatomisch korrektenDimensionen des Ohres (mit und ohne Mobiltelefon) in die Grenzfallbetrachtug eingeschlossenwerden mussen.

Fur die Weiterentwicklung der anatomischen Modelle stehen altere MR-Datensatze eines drei-und eines siebenjahrigen Jungen sowie neue qualitativ hochwertige MR-Aufnahmen eines sechs-jahrigen Jungen und eines elfjahrigen Madchens zur Verfugung. Die fur dieses Projekt zu be-rucksichtigenden Organe und Regionen des Kopfes (Pinealdruse, Hippocampus Hypothalamus,Knochenmark) sind auf den neueren Aufnahmen gut sichtbar und werden bei der Segmentierungdirekt integriert. Die Integration der entsprechenden Strukturen in das Modell des Dreijahrigenist ebenfalls moglich. Ebenso sind fur die Erweiterung des Modells des Erwachsenen keine Pro-bleme zu erwarten, da dies in Form von Kryosektionsfotographien vorliegt.

Neben dem Standardmeßverfahren zur Bestimmung der SAR stehen fur das Projekt Tem-peratursonden und entsprechende Datenerfassungssysteme zur Verfugung, mit denen sich eineMeßanordnung zur Bestimmung eventueller Erwarmung des Gewebes durch Mobiltelefone er-mitteln laßt. Die Empfindlichkeit der Sonden ist mit 2 mK in einem Meßintervall von 0,1 s furdie Erfassung auch geringer Temperaturschwankungen ausreichend. Die Meßspitzen konnen uberhochohmige Leitungen so am Korper angebracht werden, daß Interferenz zwischen Antenne undMeßanordnung ausgeschlossen werden kann.

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Altersabhangige Wirkungen hochfrequenter Felder 33

Literatur

[Ackerman, 1998] Ackerman, M. J. (1998). The Visible Human Project. Proceedings of theIEEE, 86(3):504–511.

[Altman, 1974] Altman, P. L., editor (1974). Biology Data Book: Blood and other Body Fluids.D. S. Dittmer, Feredation of American Societies for Experimental Biology, Washington DC.

[Anderson, 2003] Anderson, V. (2003). Comparisons of peak SAR levels in concentric spherehead modlels of children and adults for irradiation by a dipole at 900 MHz. Physics in Medicineand Biology, 48:3263–3275.

[ANSI/IEEE, 2001] ANSI/IEEE (2001). C95.1-2001 DRAFT Normative Section, 9-3-2001, IE-EE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Radio Frequency Electro-magnetic Fields, 3 kHz to 300GHz. The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.,New York, NY 10017.

[Arkin et al., 1994] Arkin, H., Xu, L. X., and Holmes, K. R. (1994). Recent developments in mo-deling heat transfer in blood perfused tissues. IEEE Transactions on Biomedical Engineering,41(2):97–107.

[Atkins and Thompson, 2000] Atkins, K. and Thompson, M. (2000). A spreadsheet for parti-tional calorimetry. Sportscience, 4(3). http://sportsci.org/jour/0003/ka.html.

[Beard et al., 2006] Beard, B., Kainz, W., Onishi, T., Iyama, T., Watanabe, S., Fujiwara, O.,Wang, J., Bit-Babik, G., Faraone, A., Wiart, J., Christ, A., Kuster, N., Lee, A.-K., Kroeze,H., Siegbahn, M., Keshvari, J., Abrishamkar, H., Stuchly, M. A., Simon, W., Manteuffel, D.,and Nikoloski, N. (2006). Comparisons of computed mobile phone induced sar in the samphantom to that in anatomically correct models of the human head. IEEE Transactions onElectromagnetic Compatibility, 48(2):397–407.

[Bernardi et al., 2003] Bernardi, P., Cavagnaro, M., Pisa, S., and Piuzzi, E. (2003). Specific ab-sorption rate and temperature elevation in a subject exposed in the far-field of radio-frequencysources operating in the 10-900 MHz range. IEEE Transactions on Biomedical Engineering,50(3):295–304.

[Bhattacharya and Mahajan, 2003] Bhattacharya, A. and Mahajan, R. (2003). Temperature de-pendence of thermal conductivity of biological tissues. Physiological Measurement, 24(3):769–783.

[Bit-Babik et al., 2005] Bit-Babik, G., Guy, A. W., Chou, C.-K., Faraone, A., Kanda, M.,Gessner, A., Wang, J., and Fujiwara, O. (2005). Simulation of exposure and SAR estimationfor adult and child heads exposed to radiofrequency energy from portable communicationdevices. Radiation Research, 163(5):580—590.

[Bligh and Johnson, 1973] Bligh, J. and Johnson, K. G. (1973). Glossary of terms for thermalphysiology. Journal of Applied Physiology, 35(6):941–961.

[Blum, 1945] Blum, H. (1945). The solar heat load: its relationship to total heat load and itsrelative importance in the design of clothing. Journal of Clinical Investigation, 24(5):712–721.

[Bowman, 1976] Bowman, R.-R. (1976). A probe for measuring temperature in radio-frequencyheated material. IEEE Transact Microwave Theor Tech, 24:43–45.

Page 35: Untersuchung zu altersabh¨angigen Wirkungen hochfrequenter ... · • Die BHTE definiert keine Thermoregulationsmechanismen und keine temperaturabh¨angi- gen Gewebeparameter. Vereinzelte

Altersabhangige Wirkungen hochfrequenter Felder 34

[Burkhardt, 1999] Burkhardt, M. (1999). Contributions toward Uncertainty Assessments andError Minimization of FDTD Simulations Involving Complex Dielectric Bodies. Phd thesis,Diss. ETH Nr. 13176, Eidgenoessische Technische Hochschule, Zuerich, Switzerland.

[Burkhardt and Kuster, 1999] Burkhardt, M. and Kuster, N. (1999). Review of exposure as-sessment for handheld mobile communications devices and antenna studies for optimizedperformance. In Stone, W. R., editor, Review of Radio Science 1996-1999. Oxford UniversityPress.

[Burkhardt and Kuster, 2000] Burkhardt, M. and Kuster, N. (2000). Appropriate modeling ofthe ear for compliance testing of handheld MTE with SAR safety limits at 900/1800 MHz.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 48(11(1)):1921–1934.

[Candas et al., 1979] Candas, V., Libert, J., and Vogt, J. (1979). Human skin wettedness andevaporative efficiency of sweating. Journal of Applied Physiology, 46(3):522–528.

[Caon, 2004] Caon, M. (2004). Voxel-based computational models of real human anatomy: areview. Radiation and Environmental Biophysics, 42(4):229–235.

[Caon et al., 1999] Caon, M., Bibbo, G., and Pattison, J. (1999). An egs4-ready tomographiccomputational model of a 14-year old femal torso for calculating organ doses from CT exami-nations. Physics in Medicine and Biology, 44:2213–2225.

[CENELEC, 2001] CENELEC (2001). EN 50361, Basic standard for the measurement of Spe-cific Absorption Rate related to human exposure to electromagnetic fields from mobile pho-nes. European Committee for Electrotechnical Standardization, Central Secretariat, rue deStassart 35, 1050 Brussels, Belgium.

[Charkoudian, 2003] Charkoudian, N. (2003). Skin blood flow in adult human thermoregulation:How it works, when it does not, and why. Mayo Clinic Proceedings, 78(5):603–612.

[Christ et al., 2006a] Christ, A., Benkler, S., Frohlich, J., and Kuster, N. (2006a). Analysis of theaccuracy of the numerical reflection coefficient of the finite-difference time-domain method atplanar material interfaces. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 48(2):264–272.

[Christ et al., 2005a] Christ, A., Chavannes, N., Nikoloski, N., Gerber, H.-U., Pokovic, K., andKuster, N. (2005a). A numerical and experimental comparison of human head phantoms forcompliance testing of mobile telephone equipment. Bioelectromagnetics, 26(2):125–137.

[Christ et al., 2005b] Christ, A., Klingenbock, A., and Kuster, N. (2005b). Exposition durchkorpernahe Sender im Rumpfbereich, Arbeitspaket 1: Bestandsaufnahme. Technical report,IT’IS Foundation for Research on Information Technologies in Society, Zeughausstrasse 43,8004 Zurich, Switzerland.

[Christ et al., 2006b] Christ, A., Klingenbock, A., Samaras, T., Goiceanu, C., and Kuster, N.(2006b). The dependence of electromagnetic far-field absorption on body tissue compositionin the frequency range from 300 MHz to 6 GHz. IEEE Transactions on Microwave Theoryand Techniques, 54(5):2188–2195.

[Christ et al., 2006c] Christ, A., Klingenbock, A., Samaras, T., Neufeld, E., and Kuster, N.(2006c). Exposition durch korpernahe sender im rumpfbereich: Ablschlussbericht. techre-port, IT’IS Foundation, Zeughausstrasse 43, 8004 Zurich. (Final Report).

Page 36: Untersuchung zu altersabh¨angigen Wirkungen hochfrequenter ... · • Die BHTE definiert keine Thermoregulationsmechanismen und keine temperaturabh¨angi- gen Gewebeparameter. Vereinzelte

Altersabhangige Wirkungen hochfrequenter Felder 35

[Christ and Kuster, 2005] Christ, A. and Kuster, N. (2005). Differences in RF energy absorptionin the heads of adults and children. Bioelectromagnetics, 26(S7):S31–S44.

[Christ et al., 2006d] Christ, A., Samaras, T., Klingenbock, A., and Kuster, N. (2006d). Cha-racterization of the electromagnetic near-field absorption in layered biological tissue in thefrequency range from 30MHz to 6000MHz. Physics in Medicine and Biology, 51(19):4951–4966.

[de Dear et al., 1997] de Dear, R., Arens, E., Hui, Z., and Oguro, M. (1997). Convective andradiative heat transfer coefficients for individual human body segments. International Journalof Biometeorology, 40(3):141–156.

[Deng and Liu, 2004] Deng, Z. S. and Liu, J. (2004). Mathematical modeling of temperaturemapping over skin surface and its implementation in thermal disease diagnostics. Computersin Biology and Medicine, 34(6):495–521.

[Dimbylow, 1993] Dimbylow, P. J. (1993). FDTD calculations of the SAR for a dipole closelycoupled to the head at 900 MHz and 1.9GHz. Physics in Medicine and Biology, 38:361–368.

[Dimbylow and Mann, 1994] Dimbylow, P. J. and Mann, S. M. (1994). SAR calculations in ananatomically realistic model of the head for mobile communication transceivers at 900 MHzand 1.8GHz. Physics in Medicine & Biology, 39:1537–1553.

[Drossos et al., 2000] Drossos, A., Santomaa, V., and Kuster, N. (2000). The dependence ofelectromagnetic energy absorption upon human head tissue composition in the frequency rangeof 300-3000 MHz. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 48(11):1988 –1995.

[Duck, 1990] Duck, F. (1990). Physical properties of tissue. A Comprehensive reference book.Academic Press Limited, London.

[Fernandez et al., 2005] Fernandez, C. R., Bulla, G., Pedra, A. C., and de Salles, A. A. A. (2005).Comparison of electromagnetic absorption characteristics in the head of adult and a childrenfor 1800 MHz mobile phones. In IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest,pp 523–528.

[Fiala and Lomas, 1999] Fiala, D. and Lomas, K. (1999). A computer model of human ther-moregulation for a wide range of environmental conditions: the passive system. Journal ofApplied Physiology, 87(5):1957–1972.

[Gandhi and Kang, 2002] Gandhi, O. P. and Kang, G. (2002). Some present problems and aproposed experimental phantom for SAR compliance testing of cellular telephones at 835 and1900 MHz. Physics in Medicine and Biology, 47:1501–1518.

[Gandhi et al., 1996] Gandhi, O. P., Lazzi, G., and Furse, C. M. (1996). Electromagnetic ab-sorption in the human head and neck for mobile telephones at 835 and 1900 MHz. IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques, 44(10):1884–1897.

[Guy et al., 2002] Guy, A. W., Chou, C. K., and Bit-Babik, G. (2002). FDTD derived SARdistributions on various size human head models exposed to simulated cellular telephonehandset transmitting 600mW. In 24th Annual Meeting of the Bioelectromagnetics Society,p 42, Quebec, Canada.

Page 37: Untersuchung zu altersabh¨angigen Wirkungen hochfrequenter ... · • Die BHTE definiert keine Thermoregulationsmechanismen und keine temperaturabh¨angi- gen Gewebeparameter. Vereinzelte

Altersabhangige Wirkungen hochfrequenter Felder 36

[Hadjem et al., 2004] Hadjem, A., Lautru, D., Dale, C., Wong, M. F., Hanna, V. F., and Wiart,J. (2004). Comparison of specific absorption rate (SAR) induced in children sized and adultsized heads using a dual band mobile phone. In IEEE MTT-S-International-Microwave-Symposium-Digest, volume 3, pp 1453–1456, Fort Worth, TX, USA.

[Hadjem et al., 2005a] Hadjem, A., Lautru, D., Dale, C., Wong, M. F., Hanna, V. F., and Wiart,J. (2005a). Study of specific absorption rate (SAR) induced in two child head models and inadult heads using mobile phones. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,53(1):4–11.

[Hadjem et al., 2005b] Hadjem, A., Lautru, D., Gadi, N., Bloch, I., Dale, C., Wong, M. F.,Hanna, V. F., and Wiart, J. (2005b). Influence of the ear’s morphology on specific absorptionrate (SAR) induced in a child head using two source models. In IEEE MTT-S InternationalMicrowave Symposium Digest, pp 1327–1330.

[Hadjem et al., 2005c] Hadjem, A., Lautru, D., Wong, M. F., Hanna, V. F., and Wiart, J.(2005c). Investigations on specific absorption rate (SAR) induced in child-like and true childhead using two source models. In IEEE Antennas and Propagation Society InternationalSymposium, pp 792–795.

[Hombach et al., 1996] Hombach, V., Meier, K., Burkhardt, M., Kuhn, E., and Kuster, N.(1996). The dependence of EM energy absorption upon human head modeling at 900 MHz.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 44(10):1865–1873.

[Hoque and Gandhi, 1988] Hoque, M. and Gandhi, O. (1988). Temperature distributions in thehuman leg for VLF-VHF exposures at the ANSI recommended safety levels. IEEE Transac-tions on Biomedical Engineering, 35(6):442–449.

[ICNIRP, 2004] ICNIRP (2004). ICNIRP statement related to the use of security and similardevices utilizing electromagnetic fields. Health Physics, 87(2):187–196.

[IEC, 2001] IEC (2001). IEC 62209 Draft Version 0.9 - Procedure to measure the Specific Ab-sorption Rate (SAR) for hand-held mobile wireless devices in the frequency range of 300MHz- 3GHz). IEC Technical Committee 106.

[IEC, 2005] IEC (2005). IEC62209 Part 2, Human Exposure to Radio Frequency Fields fromHandheld and Body-Mounted Wireless Communication Devices - Human Models, Instrumen-tation and Procedures, Part 2: Procedure to determine the Specific Absorption Rate (SAR) inthe head and body for 30MHz to 6GHz Handheld and Body-Mounted Devices used in closeproximity to the Body, Draft. International Electrotechnical Commission (IEC), IEC TechnicalCommittee 106, Geneva, Switzerland.

[IEEE, 2002] IEEE (2002). IEEE Std C95.3 Recommended Practice for Measurements and Com-putations of Radio Frequency Electromagnetic Fields With Respect to Human Exposure to SuchFields, 100 kHz–U300GHz. IEEE Standards Department, International Committee on Elec-tromagnetic Safety, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. 3 Park Avenue,New York, NY 10016-5997, USA.

[IEEE, 2003] IEEE (2003). IEEE1528/D1.2, Recommended Practice for Determining theSpatial-Peak Specific Absorption Rate (SAR) in the Human Body Due to Wireless Commu-nications Devices: Measurement Techniques. IEEE Standards Department, 445 Hoes Lane,P.O. Box 1331, Piscataway, NJ 08855-1331, USA.

Page 38: Untersuchung zu altersabh¨angigen Wirkungen hochfrequenter ... · • Die BHTE definiert keine Thermoregulationsmechanismen und keine temperaturabh¨angi- gen Gewebeparameter. Vereinzelte

Altersabhangige Wirkungen hochfrequenter Felder 37

[Kainz et al., 2005] Kainz, W., Christ, A., Kellom, T., Seidman, S., Nikoloski, N., Beard, B.,and Kuster, N. (2005). Dosimetric comparison of the specific anthropomorphic mannequin(SAM) to 14 anatomical head models using a novel definition for the mobile phone positioning.Physics in Medicine and Biology, 50(14):3423–3445.

[Keshvari et al., 2006] Keshvari, J., Keshvari, R., and Lang, S. (2006). The effect of increase indielectric values on specific absorption rate (SAR) in eye and head tissues following 900, 1800and 2450 MHz radio frequency (RF) exposure. Physics in Medicine and Biology, 51(6):1463—1477.

[Keshvari and Lang, 2005] Keshvari, J. and Lang, S. (2005). Comparison of radio frequencyenergy absorption in ear and eye region of children and adults at 900, 1800, and 2450 MHz.Physics in Medicine and Biology, 50(18):4355—4369.

[Kheifets et al., 2005] Kheifets, L., Repacholi, M., Saunders, R., and van Deventer, E. (2005).The sensitivity of children to electromagnetic fields. Pediatrics, 116(2):e303—e313.

[Kotte et al., 1996] Kotte, A., van Leeuwen, G., de Bree, J., van der Koijk, J., Crezee, H., andLagendijk, J. (1996). A description of discrete vessel segments in thermal modelling of tissues.Physics in Medicine and Biology, 41:865–884.

[Koulouridis et al., 2005] Koulouridis, S., M, C., and Nikita, K. S. (2005). Comparative as-sessment of power absorption in heads of adults and children exposed to the radiation ofcellular phones at 1800 mhz. The Environmentalist, 25(2—4):223—232.

[Kuster and Balzano, 1992] Kuster, N. and Balzano, Q. (1992). Energy absorption mechanismby biological bodies in the near field of dipole antennas above 300 MHz. IEEE Transactionson Vehicular Technology, 41(1):17–23.

[Kuster et al., 1997] Kuster, N., Balzano, Q., and Lin, J. C., editors (1997). Mobile Communi-cations Safety. Chapman & Hall, London.

[Lang et al., 1999a] Lang, J., Erdmann, B., and Sebass, M. (1999a). Impact of nonlinear heattransfer on temperature control in regional hyperthermia. IEEE Transactions on BiomedicalEngineering, 46(9):1129–1138.

[Lang et al., 1999b] Lang, J., Erdmann, B., and Seebass, M. (1999b). Impact of nonlinear heattransfer on temperature control in regional hyperthermia. IEEE Transactions on BiomedicalEngineering, 46(9):1129–1138.

[Lee et al., 2002] Lee, A.-K., Choi, H.-D., Lee, H.-S., and Pack, J.-K. (2002). Human head sizeand SAR characteristics for handset exposure. ETRI Journal, 24(2):176–179.

[Lee and Pack, 2002] Lee, A.-K. and Pack, J.-K. (2002). Effect of head size for cellular telephoneexposure on EM absorption. IEICE Transactions on Communications, E85-B(3):698–701.

[Leslie and Farkas, 1994] Leslie, G. and Farkas, M. D. (1994). Anthropometry of the Head andFace. Raven Press, University of Toronto, 2nd edition.

[Lichtenecker, 1926] Lichtenecker, K. (1926). Die Dielektrizitatskonstante kunstlicher und na-turlicher Mischkorper. Physikalische Zeitschrift, 27:115–158.

[Loeser et al., 2006] Loeser, M., Christ, A., Frohlich, J., and Kuster, N. (2006). SAR approxima-tion in the near-field of small antennas (30 MHz to 6 GHz) and deduction of an exclusionaryclause for low power devices. Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, ?(?):? sub-mitted, accepted.

Page 39: Untersuchung zu altersabh¨angigen Wirkungen hochfrequenter ... · • Die BHTE definiert keine Thermoregulationsmechanismen und keine temperaturabh¨angi- gen Gewebeparameter. Vereinzelte

Altersabhangige Wirkungen hochfrequenter Felder 38

[Martinez-Burdalo et al., 2004] Martinez-Burdalo, M., A. Martin, M. A., and Villar, R. (2004).Comparison of FDTD-calculated specific absorption rate in adults and children when using amobile phone at 900 and 1800 MHz. Physics in Medicine and Biology, 49:345–354.

[Mazzurana et al., 2003] Mazzurana, M., Sandrini, L., Vaccari, A., Malacarne, C., Cristoforetti,L., and Pontalti, R. (2003). A semi-automatic method for developing an anthropomorphicnumerical model of dielectric anatomy by MRI. Physics in Medicine and Biology, 48:3157–3170.

[Meier et al., 1997] Meier, K., Hombach, V., Kastle, R., Tay, R. Y.-S., and Kuster, N. (1997).The dependence of EM energy absorption upon human head modeling at 1800 MHz. IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques, 45(11):2058–2062.

[Moneda et al., 2003] Moneda, A. P., Ioannidou, M. P., and Chrissoulidis, D. P. (2003). Radio-wave exposure of the human head: Analytical study based on a versatile excentric spheresmodel including a brain core and a pair of eyeballs. IEEE Transactions on Biomedical Engi-neering, 50(6):667—676.

[Nikita et al., 2000] Nikita, K. S., Stamatakos, G. S., Uzunoglu, N. K., and Karafoitas, A. (2000).Analysis of the interaction between a layered spherical human head model and a finite-lengthdipole. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 48(11):2003–2013.

[Nipper et al., 2002] Nipper, J. C., Williams, J. L., and Bolch, W. E. (2002). Creation of twotomographic voxel models of paediatric patients in the first year of life. Physics in Medicineand Biology, 47:3143—3164.

[Oguchi et al., 1992] Oguchi, Y., Watanabe, N., Niitsu, Y., Doi, O., and Kodamas, K. (1992).A simulation-model of hyperthermia by rf capacitive heating. IEICE Transactions on Infor-mation and Systems, E75D(2):219–226.

[Pennes, 1948] Pennes, H. H. (1948). Analysis of tissue and arterial blood temperatures in therestung human forearm. Journal of Applied Physiology, 1(1):93–122.

[Peyman et al., 2001] Peyman, A., Rezazadeh, A. A., and Gabriel, C. (2001). Changes in thedielectric properties of rat tissue as a function of age at microwave frequencies. Physics inMedicine and Biology, 46:1617–1629.

[Pokovic et al., 2005] Pokovic, K., Nikoloski, N., Christ, A., and Kuster, N. (2005). Compliancetesting tools and procedures for emerging technologies (3–6 GHz). In Conference Procee-dings of the 18th International Conference on Applied Electromagnetics and Communications(ICECom-2005) and joint COST 284 Workshop, pp 577–580, Dubrovnik, Croatia. Session:EMC and Industrial Applications of Microwaves.

[Prader et al., 1988] Prader, A., Largo, R. H., Molinariand, L., and Issler, C. (1988). Physicalgrowth of Swiss children from birth to 20 years of age. Helvetica Paediatrica Acta, 43 (Suppl.52).

[Samaras et al., 2006] Samaras, T., Christ, A., Klingenbock, A., and Kuster, N. (2006). Worst-case temperature rise in a one-dimensional tissue model exposed to radiofrequency radiation.IEEE Transactions on Biomedical Engineering. in press.

[Sandrini et al., 2004] Sandrini, L., Vaccari, A., Malacarne, C., Cristoforetti, L., and Pontalti, R.(2004). RF dosimetry: a comparison between power absorption of female and male numericalmodels from 0.1 GHz to 4GHz. Physics in Medicine and Biology, 49:5185–5201.

Page 40: Untersuchung zu altersabh¨angigen Wirkungen hochfrequenter ... · • Die BHTE definiert keine Thermoregulationsmechanismen und keine temperaturabh¨angi- gen Gewebeparameter. Vereinzelte

Altersabhangige Wirkungen hochfrequenter Felder 39

[Schmid et al.,2005] Schmid, G., Pipal, L., Widhalm, K., and Tschabitscher, M. (2005). Mach-barkeitsstudie zur Untersuchung altersabhangiger Wirkungen hochfrequenter elektromagneti-scher Felder auf der Basis relevanter biophysikalischer und biologischer Parameter. Technicalreport, ARC Seibersdorf Research GmbH, Bereich Informationstechnologiesn, GeschaftsfeldSichere Mobilkommunikation.

[Schmid et al., 2006] Schmid, G., Uberacher, R., Preiner, P., Samaras, T., Mazal, P., Jappel,A., Baumgartner, W.-D., and Tschabitscher, M. (2006). Bestimmung der Expositionsver-teilung von HF Feldern im menschlichen Korper unter Berucksichtigung kleiner Strukturenund thermophysiologisch relevanter Parameter, Abschlußbericht. Technical report, ARC Sei-bersdorf Research GmbH im Auftrag des Bundesamtes fur Strahlenschutz, 38201 Salzgitter,Deutschland.

[Schneider and Wagner, 1999] Schneider, J. B. and Wagner, C. L. (1999). FDTD dispersionrevisited: Faster-than-light propagation. IEEE Microwave and Guided Wave Letters, 9(2):54–56.

[Schonborn et al., 1998] Schonborn, F., Burkhardt, M., and Kuster, N. (1998). Differences inenergy absorption between heads of adults and children in the near field of sources. HealthPhysics, 74(2):160–168.

[Schonborn, 2000] Schonborn, F. J. (2000). Risk Assessment to EMF Exposure by Mobile Pho-nes: Optimization of RF Exposure Setups. PhD thesis, Diss. ETH Nr. 13839, Zurich.

[Schuderer et al., 2004] Schuderer, J., Schmid, T., Urban, G., Samaras, T., and Kuster, N.(2004). Novel high resolution temperature probe for RF dosimetry. Physics in Medicineand Biology, 49(6):N83–N92.

[Taflove and Hagness, 2000] Taflove, A. and Hagness, S. C. (2000). Computational Electroma-gnetics: The Finite-Difference Time-Domain Method. Artech House, Inc., Boston, USA, Lon-don, United Kingdom, second edition.

[Taurisano and Vorst, 2000] Taurisano, M. D. and Vorst, A. V. (2000). Experimental thermo-graphic analysis of thermal effects induced on a human head exposed to 900MHz fields ofmobilephones. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 48(11):2022–2032.

[Veit et al., 1989] Veit, R., Petoussi, M., Mannweiler, N., Williams, E., and Drexler, G. (1989).Tomographic anthropomorphic models, Part i: Construction technique and description ofmodels of an 8 week old baby and a 7 year old child. Technical report, GSF-Bericht 3/89,GSF Forschungszentrum fur Umwelt und Gesundheit, Neuherberg, Germany.

[Wainwright, 2003] Wainwright, P. (2003). The relationship of temperature rise to specific ab-sorption rate and current in the human leg for exposure to electromagnetic radiation in thehigh frequency band. Physics in Medicine and Biology, 48(19):3143–3155.

[Wallin, 1990] Wallin, B. (1990). Neural control of human skin blood flow. Journal of theAutonomic Nervous System, 30(Suppl.):S185–S190.

[Wang and Fujiwara, 2003] Wang, J. and Fujiwara, O. (2003). Comparison and evaluation ofelectromagnetic absorption characteristics in realistic human head models of adult and child-ren for 900MHz mobile telephones. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,51(3):966—971.

Page 41: Untersuchung zu altersabh¨angigen Wirkungen hochfrequenter ... · • Die BHTE definiert keine Thermoregulationsmechanismen und keine temperaturabh¨angi- gen Gewebeparameter. Vereinzelte

Altersabhangige Wirkungen hochfrequenter Felder 40

[Wang et al., 2006] Wang, J., Fujiwara, O., and Watanabe, S. (2006). Approximation of agingeffect on dielectric tissue properties for SAR assessment of mobile telephones. IEEE Transac-tions on Electromagnetic Compatibility, 48(2):408–413.

[Weinbaum and Jiji, 1985] Weinbaum, S. and Jiji, L. M. (1985). A new simplified bioheat equa-tion for the effect of blood flow on local average tissue temperature. ASME Journal of Bio-mechanical Engineering, 107(7):131–139.

[WHO, 2006] WHO (2006). 2006 WHO research agenda for radio frequency fields.(http://www.who.ing/entity/peh-emf/research/rf research agenda.pdf).

[Wiart et al., 2005] Wiart, J., Hadjem, A., Gadi, N., Bloch, I., Wong, M. F., Pradier, A., Lau-tru, D., Hanna, V. F., and Dale, C. (2005). Modeling of RF head exposure in children.Bioelectromagnetics, 26(Supplement 7):S19—S30.

[Yee, 1966] Yee, K. S. (1966). Numerical solution of initial boundary value problems involvingMaxwell’s equations in isotropic media. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,14:585–589.

Page 42: Untersuchung zu altersabh¨angigen Wirkungen hochfrequenter ... · • Die BHTE definiert keine Thermoregulationsmechanismen und keine temperaturabh¨angi- gen Gewebeparameter. Vereinzelte

Altersabhangige Wirkungen hochfrequenter Felder 41

A Thermische Gewebeeigenschaften

Gewebe Spezifische Thermische DurchblutungWaermekapazitat Leitfahigkeit

[J/kg/K] [W/m/K] [ml/min/kg]Bindegewebe 2947 0.35 37.66Blut 3780 0.51 10000Drusen 3600 0.53 3059Fett 2493 0.24 22Glaskorper 4010 0.59 0Graue Hirnsubstanz 3684 0.57 608.5Haut 6300 0.37 86.6Hornhaut 3793 0.52 38Kammerwasser 3997 0.59 0Kleinhirn 3670 0.55 560Knochen (kortikal) 1300 0.39 11.5Knochen (spongios) 1613 0.39 30Knochenmark 3120 0.32 219Knorpel 3521 0.46 50Linse 3133 0.43 0Muskel 3580 0.50 26.6Nerven 3582 0.46 37.66Ruckenmark 3582 0.46 37.66Ruckenmarksflussigkeit 4116 0.59 0Schleimhaut 3250 0.40 120Sklera 3793 0.52 38Weiße Hirnsubstanz 3611 0.50 262.5Zahne 1170 0.06 0

Tabelle 4: Thermischer Parameter der Gewebe des Kopfes