Elektromanyetik alanların ısıl etkilerinin farklı metotlarla incelenmesi ve esnek hesaplama yöntemleri ile modellenmesi
Investigation of the thermal effects of electromagnetic field with different methods and modeling with soft computing methods
Yazar: UĞUR SORGUCU
Danışman: PROF. DR. İBRAHİM DEVELİ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Biyofizik = Biophysics ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Elektromanyetik enerji = Electromagnetic energy ; Elektromanyetik kirlilik = Electromagnetic pollution ; Elektromanyetik radyasyon = Electromagnetic radiation ; Elektromanyetik teori = Electromagnetic theory ; Elektromanyetik yayılma = Electromagnetic propagation ; Geçici elektromanyetik = Transient electromagnetic

Özet:
Elektromanyetik alanların sağlık üzerindeki olası zararlı etkileri bilimsel çevrelerce tartışılan önemli bir konudur. Elektrik enerjisi ile çalışan birçok cihaz ve sistem çevresine elektromanyetik enerji yaymaktadır. Bu enerjinin biyolojik kütlelerce soğurulması durumunda ortaya çıkabilecek en temel riskin ısı artışı olduğu düşünülmektedir. Elektromanyetik alanlara maruz kalınması halinde oluşabilecek ısı artışını insan bedeni üzerinde araştırmak ise akademik araştırma etiği ile bağdaşmamaktadır. Bu nedenle, bu tez çalışması kapsamında elektromanyetik alanlara maruz biyolojik dokular üzerindeki ısıl değişikliklerin alternatif yöntemlerle gözlemlenmesi amaçlanmıştır. Biyolojik doku örneği olarak beyin dokusu ele alınarak GSM frekans sahasındaki elektromanyetik alanların insan beyni üzerindeki sıcaklık etkisi farklı yöntemlerle araştırılmış ve esnek hesaplama yöntemleri ile modellenmiştir. 
Tez çalışmasının birinci bölümünde, elektromanyetik alanlarla ilgili temel kavramlardan bahsedilmiştir. Elektromanyetik kirlilik tüm spektrum boyunca etkili bir olgu iken GSM çalışma frekansının neden seçildiğine değinilmiştir. Ayrıca, elektromanyetik alanlar ile biyolojik dokular arasındaki etkileşim mekanizmasına ilişkin bir literatür bilgisi aktarılmıştır. Son olarak, elektromanyetik kirliliği önlemek adına ulusal ve uluslararası kuruluşlar tarafından geliştirilen standartlara ilişkin bilgiler sunulmuştur.
Tez çalışmasının ikinci bölümünde elektromanyetik alanların ısıl etkileri farklı metotlarla incelenmiştir. Bu yöndeki çalışmalara, insan beynini elektriksel değerler bakımından taklit eden bir doku eşdeğer modeli üzerinde başlanmıştır. Bu kapsamda, beyni elektriksel olarak taklit edebilen bir eşdeğer doku üretilmiş ve üretilen eşdeğer dokunun insan beynini taklit edip edemediğini tespit edebilmek üzere TUBİTAK Ulusal Metroloji Enstitüsünde ilgili ölçümler yapılmıştır. Ardından Akdeniz Üniversitesi Endüstriyel ve Medikal Uygulamalar Mikrodalga Uygulama ve Araştırma Merkezindeki yankısız odalarda hazırlanmış olan deney düzeneği ile eşdeğer doku modellerine farklı şartlar altında elektromanyetik alan uygulanmış ve doku eşdeğer modelinde oluşan sıcaklık değişiklikleri gözlemlenmiştir.
Deneysel sürecin tamamlanmasıyla, elektromanyetik alan ile doku modeli arasındaki ısı transferinin matematiksel olarak analiz edilmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda Pennes' in biyo ısı tranfer denkleminin analitik çözümlenmesi sağlanmış ve bir eşdeğer doku modeline ilişkin analiz grafiksel olarak sunulmuştur.
Elektromanyetik alanların ısıl etkileri matematiksel ve deneysel olarak gösterildikten sonra çalışmanın bilgisayar benzetimleri ile desteklenmesi amaçlanmıştır. Çünkü bilgisayar benzetimleri ile tüm elektromanyetik alan kuvvetleri, istenilen uzaklıklarda uygulanabilmektedir. Böylelikle değişken ortam modelleri analiz edilebilmektedir. Bu tez çalışması kapsamında da dinamik bir sistem için bilgisayar benzetimleri gerçekleştirilmiş ve deriden beyne kadar olan bölümdeki ısıl dağılım görsel olarak izah edilmiştir. 
Bu tez çalışmasının son kısmında, ülkemizdeki mobil hücresel şebekelerin 2G (ikinci nesil) haberleşme frekansları olan 900 MHz ve 1800 MHz deki elektromanyetik alanlara maruziyet neticesinde oluşan sıcaklık artışları esnek hesaplama yöntemleri ile modellenmiştir. Elektromanyetik alanların ısıl etkilerini modellemek üzere esnek hesaplama yöntemleri literatürde ilk defa bu tez çalışması kapsamında kullanılmıştır. Böylelikle iki farklı frekans bandındaki elektromanyetik alanlar faklı uzaklıklardan, farklı şiddetlerle uygulanmış ve beyin eşdeğer dokusunda oluşan sıcaklık değişimleri farklı derinliklerde gözlemlenmiştir. Böylelikle bu tez çalışması kapsamında değerlendirilmeyen bir elektromanyetik alan şiddetinin oluşturabileceği sıcaklık etkisi modelleme yöntemleri ile belirlenebilmiştir.

Abstract:
The possible harmful effects of electromagnetic fields on health are an important issue discussed by scientific circles. Many devices and systems working with electrical energy emit electromagnetic energy to their surroundings. If this energy is absorbed by biological masses, it is thought that the most basic risk that may arise is the temperature increase in the biological tissue. It is incompatible with academic research ethics to investigate the heat increase that may occur in case of exposure to electromagnetic fields on the human body. Therefore, within the scope of this thesis, it is aimed to observe the thermal changes on biological tissues exposed to electromagnetic fields with alternative methods. By taking the brain tissue as a biological tissue example, the temperature effect of electromagnetic fields in the GSM frequency domain on the human brain was investigated with different methods and modeled with soft computing methods.
In the first part of the thesis, basic concepts related to electromagnetic fields are mentioned. While electromagnetic pollution is an effective phenomenon in the whole spectrum, it is explained why the GSM operating frequency is chosen. In addition, literature information on the interaction mechanism between electromagnetic fields and biological tissues has been given. Finally, information on the standards developed by national and international organizations to prevent electromagnetic pollution is presented.
In the second part of the thesis, the thermal effects of electromagnetic fields are examined with different methods. Studies in this direction have been started on a tissue equivalent model that imitates the human brain in terms of electrical values. In this context, an equivalent tissue that can imitate the brain electrically was produced and relevant measurements were made at TUBITAK National Metrology Institute to determine whether the produced equivalent tissue could imitate the human brain. Then, electromagnetic field was applied to the equivalent tissue models under different conditions with the experimental setup prepared in the anechoic chambers at Akdeniz University Industrial and Medical Applications Microwave Application and Research Center, and temperature changes in the tissue equivalent model were observed.
After the completion of the experimental process, it is aimed to analyze the heat transfer between the electromagnetic field and the tissue model mathematically. In this context, the analytical solution of Pennes' bioheat transfer equation was provided and the analysis of an equivalent tissue model was presented graphically.
It is aimed to support the study with computer simulations, after the thermal effects of electromagnetic fields are shown mathematically and experimentally. Because with computer simulations, all electromagnetic field forces can be applied at desired distances. Thus, variable environment models can be analyzed. Within the scope of this thesis, computer simulations for a dynamic system were carried out and the thermal distribution in the section from the skin to the brain was explained visually.
In the last part of this thesis, the temperature increases caused by exposure to electromagnetic fields at 900 MHz and 1800 MHz, which are the 2G (second generation) communication frequencies of mobile cellular networks in our country, are modeled with soft computing methods. In order to model the thermal effects of electromagnetic fields, soft computing methods have been used for the first time in the literature within the scope of this thesis. Thus, electromagnetic fields in two different frequency bands were applied from different distances and with different intensities and temperature changes in the brain equivalent tissue were observed at different depths. Thus, the temperature effect of an electromagnetic field intensity that was not evaluated within the scope of this thesis could be determined by modeling methods.