Экспериментальная дозиметрия радиочастотных электромагнитных полей персональных средств связи в гигиеническом нормировании (обзор литературы)

PORTABLE RADIO ELECTROMAGNETIC FIELD HYGIENIC ASSESSMENT

N.B. RUBTSOVA, S.YU. PEROV, YE.V. KALINICHEVA

Research Institute of Labour Medicine, Russian Academy of Medical Sciences Foundation for Research on Information Technologies in Society, Zurich, Switzerland

The article presents the results of electromagnetic field of portable radio transmitter measurements, as well as dosimetric estimation of specific absorption rates and its distribution. The complex approach for adequate hygienic assessment of radiofrequency electromagnetic field emitted by personal communication systems intended for operative communication is considered.

Key words: electromagnetic field, hygienic assessment, specific absorption rate, portable radio transmitter.

УДК 613.648.2

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ДОЗИМЕТРИЯ РАДИОЧАСТОТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ПЕРСОНАЛЬНЫХ СРЕДСТВ СВЯЗИ В ГИГИЕНИЧЕСКОМ НОРМИРОВАНИИ

С.Ю. ПЕРОВ*"

В работе рассмотрен дозиметрический подход к оценке персональных средств связи. Показана детальная структура автоматизированного комплекса, позволяющего проводить измерения в полном соответствии с международными требованиями. Рассмотрены требования к системам автоматизированной дозиметрии на основании международных стандартов и рекомендаций.

Ключевые слова: дозиметрия, гигиеническое нормирование, фантом, тканеэвивалентная жидкость.

В структуре социально-экономической политики любого цивилизованного государства непременно присутствует охрана здоровья человека, в которой немаловажная роль отводится защите от опасных факторов окружающей среды. Радиочастотные (РЧ) электромагнитные поля (ЭМП) относятся к неблагоприятным для человека физическим факторам и безусловно подлежат гигиенической оценке и нормированию [1,21]. Относительно недавно, до стремительного развития информационных технологий и их внедрения в общественную жизнь, воздействию РЧ ЭМП преимущественно подвергалась исключительно узкая группа профессионалов-специалистов. В настоящее время число лиц, находящихся в зоне действия РЧ ЭМИ, существенно возросло за счет использования мобильных систем связи и передачи данных, в том числе и других беспроводных устройств бытового назначения. Таким образом, в этот контингент лиц попало население, которое непосредственно не связано с профессиональным воздействием РЧ ЭМИ, но подвергающееся при этом круглосуточному облучению. Сложившаяся ситуация привела к необходимости установления безопасных уровней РЧ ЭМП для неконтролируемого облучения от бытовых средств связи в непроизводственных условиях. Основной целью проводящихся во многих странах исследований биологического действия РЧ ЭМП является обоснование и разработка документов, регламентирующих предельно допустимых уровни (ПДУ) и для профессиональных групп, и для населения [4,6,14,16].

Однако полученные разными научными коллективами результаты, достаточно противоречивы и не способствуют формированию законченной концепции о влиянии РЧ ЭМП на биологические объекты и, в том числе, и на человека. Есть все основания предполагать, что в основе существующих противоречий лежат неодинаковые принципы оценки энергии РЧ ЭМП поглощенной биологическим объектом, которые связаны с методами измерения величины поглощенной дозы - дозиметрии ЭМП [7].

Параметром оценки поглощенной энергии ЭМП является ее удельная величина, отнесенная на единицу массы объекта и выражаемая в Вт/кг или мВт/г. В англоязычной литературе обозначается как «specific absorption rate» и аббревиатурой SAR. В отечественной литературе эквивалентное обозначение отсутствует, и используются различные по своему смысловому содержанию термины: удельное поглощение, поглощенная мощность, плот-

Научно-исследовательский институт медицины труда РАМН, Москва, Россия, 105272, Москва, проспект Буденного д.31

Foundation for Research on Information Technologies in Society, Цюрих, Швейцария

ность поглощенной мощности, мощность поглощенной дозы и т.п. [2]. В связи с этим в дальнейшем предпочтительнее использовать SAR, как параметр, употребляемый в нормативных документах США, странах Европы и международных рекомендациях, в том числе и Всемирной организацией здравоохранения [11]. Система определения SAR должна не только соответствовать существующим международным стандартам для РЧ ЭМП, но и обеспечивать необходимый объем функциональных возможностей, позволяющий ее применять при совершенствовании имеющихся и разработке новых норм безопасности.

Гигиенические нормативы (стандарты безопасности) РЧ ЭМП. Гигиеническая оценка воздействия РЧ ЭМП лежит в основе разработки стандартов, гарантирующих безопасные уровни воздействия полей на человека. Разработка и обоснование нормативных документов для РЧ ЭМП связана с биологическими экспериментами, выполненными в лабораторных условиях и на экспериментальных животных, клинико-физиологическими и эпидемиологическими исследованиями [1]. Конечным результатом является величина ПДУ для определенного диапазона/диапазонов ЭМП, ограничивающая уровень воздействия на определенную группу лиц. В качестве основных ограничений воздействия ЭМП плотности тока, SAR и плотности потока энергии (ППЭ) происходит в зависимости от параметров электромагнитного излучения (частоты, интенсивности, вида модуляции и т.п.).

Существуют определенные ограничения по использованию величины SAR в качестве нормируемого параметра, которые зависят, в первую очередь, от диапазона частот ЭМП. В соответствии с существующими представлениями механизмы поглощения энергии в РЧ диапазоне ЭМП в облучаемом биологическом объекте в зависимости от частоты характеризуются определенной спецификой. Поглощение энергии ЭМП, характеризуемое величиной SAR, может происходить во всем объекте, локализоваться в его отдельных частях или быть преимущественно поверхностным [8,12,13]. Оптимальным для использования SAR в качестве нормируемого параметра в стандартах безопасности является частоты ЭМП от 100 кГц до 10 ГГц, поскольку большинство современных средств связи работает именно в этом диапазоне частот.

Существуют два основных уровня ограничений при воздействии РЧ ЭМП: минимальная величина SAR при облучении всего тела и более высокое значение для локального облучения отдельных частей тела (голова, кисти рук и т.д.). Для локального облучения частей тела величина SAR усреднена по объему, определенному как объем ткани в форме куба. Величины ПДУ для воздействия РЧ ЭМП разработаны и представлены в действующих в настоящее время стандартах безопасности [4,6,14,16]. Использование SAR для характеристики объемного поглощение энергии ЭМП в диапазоне выше 10 ГГц не корректно, поскольку основные процессы поглощения энергии ЭМП происходят на поверхности кожи или в ее наружных слоях.

Экспериментальные данные показывают, что 30-минутное облучение ЭМП всего тела человека при SAR 4 Вт/кг температура тканей повышается не более чем на 1°C. Соответственно экспозиция в ЭМП, когда SAR приобретает более высокие значения, может вызывать являющийся опасным для человека нагрев тканей тела. Поэтому профессиональное ограничение облучения РЧ ЭМИ составляет 0,4 Вт/кг (гигиенический коэффициент запаса 10), а для населения - 0,08 Вт/кг (с дополнительным коэффициентом запаса 5) [14].

На основании международных рекомендаций по измерению и контролю РЧ ЭМИ величина SAR не должна превышать установленных величин для всех используемых населением персональных средств связи и иных бытовых устройств. Исходя из этого, для обоснования величин ПДУ ЭМП необходимо экспериментальное определение величины SAR для каждого конкретного устройства.

Экспериментальная дозиметрия РЧ ЭМИ это комплекс мероприятий, в процессе которых измеряется количество и структура распределения энергии РЧ ЭМИ, поглощенной объектом при его облучении [8,12]. В результате определяется нормируемая величина SAR, которая связана с параметрами электромагнитной волны, электрическими свойствами тканей, формой облучаемого объекта и определяется по формуле:

a\E\2

SAR =.

Р

где SAR, Вт/кг, 2 - среднеквадратичное значение величины

электрической составляющей ЭМП, В/м; о - удельная электрическая проводимость объекта, См/м и р - его плотность, кг/м3.

В оценке воздействия ЭМП от радиопередающих (беспроводных) средств связи различного назначения на человека, применяются методы дозиметрии с использованием имитационных моделей (фантомов) [8,12,13]. Стандартизированный фантом моделирует форму тела человека или отдельных его частей, а для имитации тканей используются среды, преимущественно жидкости, с эквивалентными электрическими параметрами. Фантом располагается в зоне излучения беспроводного устройства на строго регламентированном расстоянии и пространственном положении относительно источника ЭМП. Измерение Е-составляющей ЭМП виде малогабаритной дипольной антенны, помещаемой в определенные точки танеэквивалентной жидкости фантома. Достоверность определения SAR зависит от соответствия диэлектрических свойств жидкостей моделируемым тканям и воспроизводимости измерений величины Е-составляющей ЭМП.

Определение величины SAR также могут быть реализовано при использовании методы, которые не требуют непосредственного измерения Е- составляющих ЭМП. Теплофизические методы дозиметрии ЭМП, в том числе и с использованием фантомов были предложены A.W.Guy в 1971 г. Калориметрия, контактная термометрия и радиотермография - это технологии, основанные на измерении повышения температуры, в результате поглощения ЭМП в биологических тканях. Величина SAR может быть определена путем измерения повышения температуры всего объекта или в его определенной точке в результате облучения ЭМП и описывается уравнением

SAR CAT

At

где С - удельная теплоемкость объекта ( Дж), ДТ и At - темпе-

кг °С

ратура объекта до и после облучения соответственно °С, t - время облучения, с.

Общая калориметрия позволяет определить величину SAR во всем фантоме или целом теле экспериментального животного. Распределение локальной SAR в объекте прослеживается с использованием термометрии и радиотермографии. Следует подчеркнуть, что первые результаты дозиметрии были получены именно благодаря методам локальной термометрии с помощью термисторных зондов. Однако точность таких температурных измерений не высока в результате вносимых зондом в структуру ЭМП искажений и может быть соблюдена лишь с очень большими ограничениями. Впоследствии были предложены температурные зонды с высокой степенью радиопрозрачности, в которых полученная информация передается по оптическому волокну [20]. Однако благодаря недостаточной чувствительности и инерционности эти зонды мало применимы для стандартизированных дозиметрических оценок SAR в РЧ диапазоне ЭМП.

Радиотермография (СВЧ- или микроволновая) является более быстродействующим и эффективным методом, позволяющим регистрировать повышение температуры в тканях при поглощении энергии ЭМП [3]. Преимуществом этого метода дозиметрии является его неинвазивность, что позволяет получить достоверную информацию о характере распределения температуры в тканях без их повреждения. Однако высокая чувствительность систем радиотермографии не позволяет использовать данный метод в дозиметрии в условиях in statu nascendi ЭМП.

Средства определения SAR в настоящее время сконцентрировались в области миниатюрных изотропных зондов на основе дипольных антенн, ориентированные на измерение Е- или Н-составляющих ЭМП. Применение их особенно целесообразно при измерениях в ближней зоне источника ЭМП, что наиболее адекватно для персональных систем связи (сотовых и безшнуро-вых телефонов). В ближней зоне источника излучения характер распределения интенсивности ЭМП может иметь резкие пространственные изменения, как по величине, так по поляризации. Основным ограничением использования данного подхода является техническая реализация зонда, поскольку в идеальном случае он должен быть значительно меньше длины электромагнитной волны в тканеэквивалентной жидкости фантома. Таким образом, идеальный зонд для измерения SAR должен быть меньше длины волны в объекте, изотропным и характеризоваться линейной

зависимостью от квадрата наведенного потенциала, а также не искажать структуру ЭМП в среде [5]. В настоящее время разработаны изотропные измерительные зонды для Е-составляющей ЭМП с граничной частотой до 6 ГГц, тогда как однокоординат-ные зонды позволяют проводить измерения вплоть до 10 ГГц, что отвечает ограничениям для SAR [17,18].

Зонд, предназначенный для измерения Е- или Н-составляющей ЭМП, состоит из системы трех ортогональных диполей с общим центром, был впервые предложен H.I. Bassen в 1977 г.. С тех пор конструкция подобных зондов принципиальных изменений не претерпела, и они широко применяются в различных дозиметрических системах. В состав зонда помимо трех диполей входят диоды Шотки, высокоомные радиопрозрачные соединительные линий и оптоэлектронная система передачи информации [18]. Изотропная измерительная система из трех диполей нечувствительна к расположению векторов ЭМП, что исключает влияние поляризации электромагнитной волны на процесс измерений. Диод зонда при малой интенсивности ЭМП работает в квадратичной области, что обеспечивает пропорциональность выпрямленного выходного напряжения среднеквадратичному значению Е- или Н-составляющим.

Калибровка зонда производится в различных тканеэквива-лентных жидкостях, являющихся составляющими измерительного фантома. Зонды должны калиброваться в среде со свойствами эквивалентными составам, используемым для измерения SAR от подлежащих оценки источников ЭМП. При калибровке необходимо учитывать характеристики среды (диэлектрическая проницаемость и проводимость, частота ЭМП, температура и др.), исходя из которых, вычисляется реальная погрешность измерения. В связи с этим, калибровка измерительного зонда должна быть проведена в различных тканеэквивалентных жидкостях с электрическими характеристиками, эквивалентными моделируемым тканям.

Фантомы, точнее входящие в их состав тканеэквивалент-ные жидкости используются для моделирования тканей тела человека при определенной частоте ЭМП и температуре в процессе измерении SAR. Поскольку эти свойства зависят от частоты, тканеэквивалентная жидкость должна быть индивидуальной для каждого диапазона частот. Измерительные стандарты выдвигают определенные требования для электрических свойств (диэлектрической проницаемости и проводимости) таких жидкостей в каждом диапазоне частот. Однако идеальных рецептов приготовления тканеэквивалентных жидкостей с достаточно точными величинами не существует, частично из-за погрешностей в процессе приготовления, частично из-за изменений в свойствах каждого компонента. Поэтому фактические характеристики (а не стандартная спецификация) тканеэквивалентной жидкости фантома должны быть определены в каждом конкретном случае и учтены в процессе измерения.

Граничные эффекты, заключающиеся в искажении электрической Е-составляющей ЭМП, происходят в результате эффекта взаимодействия излучения источника и стенок фантома, когда измерительный зонд находится в непосредственной близости от них. Существует определенный компромисс между увеличением расстояния и уменьшением граничных эффектов, однако в результате чего увеличивается погрешность при экстраполяции данных. Частичная компенсация граничного эффекта может быть вычислена путем сравнения измеренного зондом ЭМИ около края фантома с аналитически полученным показателем.

Экспериментальное определение SAR производится при двух- и трехмерном механическом сканировании с высокой точностью позиционирования при перемещении измерительной части зонда в жидкостном фантоме во время облучения ЭМП [19]. В экспериментальной дозиметрии сотовых телефонов в основном используются два вида фантомов: прямоугольный формы и анатомический (в форме головы человека). Источник ЭМП (сотовый телефон) располагается на фиксированном расстоянии от фантома на непроводящем держателе, обеспечивающий точность позиционирования [9]. Предварительные процедуры просмотра (быстрый режим сканирования) позволяют определить максимальную величину SAR. Трехмерные измерения позволяют получить значение в заданных точках пространства для вычисления среднего пространственного значения SAR на 1 г и/или 10 г объема куба тканеэквивалентной жидкости. Максимальную величину SAR измеряют до и после трехмерного скани-

рования, чтобы минимизировать возможное влияния изменение мощности источника ЭМП в процессе измерения.

Общая погрешность, связанная с измерением УПМ, включает:

• погрешность собственно измерительного зонда;

• погрешность анатомического фантома;

• погрешность и изменение параметров тканеэквивалентной жидкости;

• отклонение расположения источника излучения относительно фантома и системы координат измерения;

• точность расположения измерительного зонда.

Оценка общей погрешности должна быть выполнена для всех составляющих ЭМП, вовлеченных в технику измерений SAR, согласно стандартизированным методикам. Отдельные погрешности могут быть устранены численными методами. Другие погрешности должны быть определены опытным путем с помощью анализа результатов повторных измерений.

Для оценки погрешности исследований должны быть выполнены следующие условия:

• калибровка зонда и измерение точности при известном уровне интенсивности ЭМП;

• измерение электрических свойств фантома в используемом диапазоне частот ЭМП;

• измерение вариации толщины анатомического фантома;

• измерение вариации мощности источника ЭМП с использованием системы позиционирования;

• проверка алгоритмов расчета для средней величины SAR для 1 г и 10 г объема жидкости.

Общая погрешность в системе определения SAR регламентирована методами в соответствии с рекомендациями стандарта IEEE 1528 [15].

В заключение следует отметить, что рассмотренная система дозиметрии является наиболее оптимальной для оценки влияния на человека РЧ ЭМИ, создаваемых современными системами связи. Наибольший интерес она представляет для оценки SAR при расположении человека в ближней зоне источника. Однако тенденции развития новых стандартов связи и систем коммуникации показывают, что необходимо повышать диапазон частот свыше 2 ГГц. Несомненно, что в настоящее время SAR является наиболее оптимальным и широко используемым параметром при оценке степени влияния РЧ ЭМИ на человека. В качестве нормируемого параметра в стандартах и руководствах по безопасности SAR наиболее объективно отражает характер распространения и поглощения энергии РЧ ЭМИ в тканях, методология определения которого непрерывно совершенствуется [10]. Данный подход успешно реализован в системах дозиметрии и введен в систему стандартизации и в Международные стандарты безопасности. Однако следует признать, что параметр SAR не в полной мере отражает реальные механизмы взаимодействия РЧ ЭМИ с биологическими объектами. Такой параметр исключает оценку биологических эффектов с учетом метаболизма, терморегуляции и гетерогенной биологической структуре. Использование автоматизированных дозиметрических систем, а также применение численного моделирования позволяет учесть текущие проблемы и разработать адекватные методы оценки воздействия РЧ ЭМИ для интеграции новых разработок в систему дозиметрии нового поколения.

Литература

1. Измеров Н.Ф. и др. // Физические факторы производственной и природной среды. Гигиеническая оценка и контроль. М.: Медицина, 2003. С.12-66.

2. Карпов В.Н. и др. // Космич. биол. и авиакосмич. медицина. 1984. Т.18, №2. С.7-22.

3. Резник А.Н., Юрасова Н.В. // ЖТФ. 2004. Т.74, вып.4. С. 108-116.

4. СанПиН 2.1.8/2.2.4.1190-03. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы «Гигиенические требования к размещению и эксплуатации средств сухопутной подвижной радиосвязи». М., 2003.

5. Bassen H.I., Smith G.S. // IEEE Trans. Anten. Propag. 1983. V.31, N.5. P.710-718.

6. CENELEC ENV 50166-2, 1995. Human exposure to electromagnetic fields, high frequency (10 kHz to 300 GHz).

7. Chou C.K. // Радиац. биол. Радиоэкология. 2003. Т.43, № 5. С.512-518.

8. Chou C.K. et al. // Bioelectromagnetics. 1996. V.17, N.3. P.195-208.

9. Christ A. et al. // Phys Med Biol. 2006. V.51, N.19. P.4951-

4965.

10. Crespo-Valero P. et al. Novel methodology to characterize electromagnetic exposure of the brain // Phys. Med. Biol. 2011. V.56, N.2. P.383-396.

11. Electromagnetic fields (300 Hz to 300 GHz) / Environmental Health Criteria; 137. World Health Organization, Geneva, 1993.

12. Fujiwara O., Wang J. // Electromagnetics in Biology / M. Kato ed. Springer, Tokyo, Berlin, Heidelberg, New York, 2006. P.223-250.

13. High Frequency Electromagnetic Dosimetry / D.A. Sanchez-Hernandez ed., Artech House Publishers, Inc., Boston, London, 2009. 260 p.

14. ICNIRP Guidelines / Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic and electromagnetic fields (up to 300 GHz) // Health physics. 1998. V.74, N.4. P. 494-522.

15. IEEE Standard 1528. IEEE Recommended Practice for Determining the Peak Spatial- Average Specific Absorption Rate (SAR) in the Human Head from Wireless Communications Devices - Measurement Techniques, 2003.

16. IEEE Standard C95.3-2002(R2008). IEEE Recommended Practice for Measurements and Computations of Radio Frequency Electromagnetic Fields With Respect to Human Exposure to Such Fields 100 kHz-300 GHz, 2008.

17. Kuster N. et al. // Bioelectromagnetics. 2006. V.27, N.5. P.378-391.

18. Pokovic K. et al. // IEEE Trans. Instr. Meas. 2000. V.49, N.4. P.873-878.

19. Schmid T. et al. // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1996. V.44, N.1. P.105-113.

20. Schuderer J. et al. // Phys Med Biol. 2004.V.49, N.6. P.83-

92.

21. van Deventer E. et al. // Biological and Medical Aspects of Electromagnetic Fields. Handbook of Biological Effects of Electromagnetic Fields. 3rd ed. / F.S. Barnes, B. Greenebaum eds. CRC Press, Taylor & Francis Group, London, New York, 2007. P.277-292.

THE EXPERIMENTAL DOSIMETRY OF PERSONAL VEHICLES FOR COMMUNICATION RADIO FREQUENCY ELECTROMAGNETIC FIELDS IN SANITARY STANDARDIZATION

S.YU. PEROV

Research Institute of Labour Medicine, Russian Academy of Medical Sciences Foundation for Research on Information Technologies in Society, Zurich, Switzerland

The article considers a dosimetry approach to personal communication devices. It shows a detailed structure of dosimetric assessment system, which is fully compatible with all worldwide standards. The requirements to automated dosimetry systems on the basis of the international standards and recommendations are considered.

Key words: dosimetry, hygienic rating, phantom, tissue simulating liquid.

УДК [615.451.16: 582.681.81].015: 616-002-092.9

ИЗУЧЕНИЕ ПРОТИВОВОСПАЛИТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ ВОДНЫХ ИЗВЛЕЧЕНИЙ ИЗ КОРЫ И ОДНОЛЕТНИХ ПОБЕГОВ ИВЫ БЕЛОЙ

Т.А. ЛЫСЕНКО, О.О.ХИТЕВА, И.А. САВЕНКО, Е.В. КОМПАНЦЕВА*

Определена противовоспалительная активность водных извлечений коры и однолетних побегов ивы белой (Salix alba L.). Отвар побегов ивы белой обладает выраженной антиэкссудативной и антипроли-феративной активностью, сравнимой с лекарственным средством -кислотой ацетилсалициловой и отваром корневищ с корнями сабельника. Отвар коры ивы белой по угнетению экссудации и пролиферации сопоставим с кислотой ацетилсалициловой, но его действие уступает отвару сабельника. Выявленные эффекты отваров коры и побегов ивы белой способствуют регенерации тканей в очаге воспаления. Отвары коры и побегов ивы белой в отличие от кислоты

* ГОУ ВПО «Пятигорская государственная фармацевтическая академия Росздрава», г. Пятигорск, Ставропольский край, пр. Калинина, д. 11, е-шаП: oxifarm@mail.ru