Tessuti organici e assorbimento specifico da tecnologia WiFi

LA TESI
ARPA Rivista N. 4 luglio-agosto 2008
Tessuti organici e assorbimento specifico
da tecnologia WiFi
Il campo elettrico prodotto dal sistema di rice-trasmissione nello standard 802.11b è stato monitorato per verificare
il rispetto dei valori imposti dai criteri di radioprotezione. In particolare lo studio ha riguardato la risposta alla
perturbazione elettromagnetica di due differenti tessuti organici, muscolare e adiposo, attraverso la grandezza fisica
definita dal SAR (rateo di assorbimento specifico).
Muscolo
MHz del primo fino ai 2488.5
MHz del tredicesimo e ultimo
canale distanziati tra di loro di
5MHz. I canali che possono
essere scelti per la comunicazione sono al massimo 3, nelle
configurazioni 1-6-11, 2-7-13
oppure 3-8-13. La configurazione solitamente adottata per
la comunicazione è la prima con
un centro frequenza pari a 2137
MHz.
Nei tessuti biologici esposti l’elemento di maggiore importanza, per le proprietà elettriche
che dona al sistema vivente analizzato, è l’acqua. Le caratteristiche elettriche possedute dai
vari tessuti sono strettamente
correlate alla concentrazione di
acqua contenuta. Sulla base
della quantità d’acqua contenuta è possibile classificare i
tessuti in:
1. tessuti ad altissimo contenuto di acqua con concentrazione fino al 90% del proprio
peso, come il sangue e il
liquido celebrospinale
2. tessuti ad alto contenuto di
acqua con concentrazione
fino al 80% del proprio peso,
come i muscoli, la pelle, il
cervello, organi interni (es.
fegato, milza, reni)
3. tessuti a basso contenuto di
acqua fino al 50% del peso,
come il grasso, i tendini, le
ossa
I due grafici in figura 1 mostrano
gli andamenti della costante
dielettrica relativa εr e della
conducibilità elettrica σ dei due
materiali biologici analizzati
(tessuto muscolare e tessuto
adiposo) al variare della frequenza del campo incidente.
La differente risposta che i tessuti biologici presentano, a
parità di frequenza del campo
incidente, è da attribuire alla
quantità d’acqua contenuta.
Dalla lettura dei grafici si evince
che la conducibilità elettrica
aumenta all’aumentare della
frequenza del campo incidente
poiché aumenta l’eccitazione
dei portatori di carica mentre la
costante dielettrica relativa
decresce con l’aumentare della
frequenza a causa della progressiva diminuzione dei meccanismi di polarizzazione.
Alla frequenza prossima a quella
emessa dal sistema di comunicazione WiFi per lo standard
802.11b, i valori di conducibilità
elettrica e di costante dielettrica
relativa sono rispettivamente di:
• σ = 1,740 S/m - εr = 53 per i
tessuti muscolari alla frequenza
di 2450 MHz
• σ = 0,150 S/m - εr = 5,3 - per i
Muscolo Grasso
Grasso
100000
10
100
1000
10000
100000
0,1
0,01
Frequenza in MHz
ρ
10000
1000
100
10
1
0,001
- Università di Bologna, Alma Mater Studiorum, Facoltà di scienze
matematiche, fisiche e naturali
- Anno accademico 2005-2006
- Corso di laurea in Fisica, indirizzo Biosistemi
Relatore: Giovanni Testoni
Correlatore: Pier Luca Rossi
Candidato: Fabrizio Pizzotti
ANALIZZATI
Costante dielettrica relativa
0,1
Misure di campi elettromagnetici prodotti da tecnologia WiFi
nello standard IEEE 802.11b e determinazione del rateo di
assorbimento specifico
DEI TESSUTI BIOLOGICI
10
1
Tesi di laurea
PROPRIETÀ DIELETTRICHE
100
Conducibilità Elettrica in S/m
36
La tecnologia wireless, nei vari
standard IEEE 802.11 esistenti,
è un sistema di comunicazione
estremamente versatile che permette agli apparati di essere
liberi dai vincoli e dai limiti –
meccanici, tecnici e logistici –
imposti dai normali collegamenti cablati. Si può immaginare un futuro non molto prossimo nel quale essi possano ricoprire un ruolo fondamentale e
sostitutivo alle normali reti
LAN. I vantaggi che questo tipo
di rete offre, sono basati sulla
mobilità fisica dell’utente, sull’installazione rapida e semplice
con una riduzione dei costi di
realizzazione, la scalabilità e la
compatibilità ai differenti standard, proprietà che lo rendono
un ottimo e interessante prodotto commerciale. La normativa europea limita l’emissione
in potenza fino a 100 mWatt,
con una copertura del segnale
che, a secondo dell’antenna utilizzata, può essere da qualche
decina di metri (nel caso di
ambienti confinati) fino a qualche centinaio di metri (per
ambienti aperti). La frequenza
utilizzata nella comunicazione
dello standard IEEE 802.11b
qui analizzato, comprende un
intervallo che và dai 2399.5
0,1
1
10
100
1000
10000
100000
Frequenza in MHz
Fig. 1 Andamento della costante dielettrica relativa e della conducibilità elettrica al variare della frequenza del campo incidente
in tessuto muscolare e tessuto adiposo
σ
- la conducibilità σ include la perdita
dipolare in funzione del tipo di tessuto e dalla frequenza del campo incidente
- ρ è la densità del materiale considerato
- E è il valore del campo elettrico
espresso in V/m utilizzando lo strumento in banda larga
- l’unità di misura del SAR è il Watt/kg
Fig. 2 Grandezza dosimetrica del SAR
ARPA Rivista N. 4 luglio-agosto 2008
tessuti adiposi alla frequenza di
2450 MHz.
La verifica dei criteri radioprotezionistici possono essere risolti
introducendo la grandezza dosimetrica del SAR che esprime la
densità di potenza assorbita dai
tessuti attraverso la relazione
matematica in figura 2.
Il modello matematico utilizzato
per la determinazione del SAR
considera una persona di sesso
maschile del peso di 70 kg, di
altezza pari a 175 cm, di densità
uniforme che per l’intero corpo
ha un valore pari a: ρ=(1,096 ±
0,007) g/cm3.
PROTOCOLLO
DI MISURA
La procedura utilizzata per la
misura del campo elettrico,
nella condizione di massima
esposizione, è stata di fissare la
sonda EMR 300 a un’altezza
costante dal piano di calpestio
pari a 1,5 metri in modo tale da
poter misurare il valore del
campo prodotto dal lobo principale dell’antenna. Le misure
sono state eseguite a tre differenti distanze dalla sorgente (50
CONFRONTO DEL SAR ALLA DISTANZA DI 50 CM
Muscolo
Grasso
1000
SAR (µ WATT/KG)
750
500
250
cm, 100 cm e 150 cm), in modo
da avere un significativo decadimento del campo con la
distanza, mantenendo la sonda
sempre lungo l’asse del lobo
principale emesso dall’apparato
WiFi. I valori di campo elettrico
sono stati misurati per un intervallo di 3 minuti e registrati
nelle celle di memoria dello
strumento con tempi di acquisizione del segnale pari a 1
secondo.
Al momento dell’indagine il
sistema si trovava in comunicazione e ricezione con alcuni portatili presenti in una stanza attigua.
È stata eseguita una misura in
condizioni di campo vicino
ponendo il sensore dello strumento “a contatto” con l’antenna; montato lo strumento sul
puntale, questo ha fornito un
valore di campo elettrico pari a
2,46 V/m.
CONCLUSIONI
0
0
50
100
150
200
INTERVALLO DI TEMPO IN SECONDI
Fig. 3 Confronto del SAR per i due tessuti alla distanza di 50 cm dall’antenna WiFi
Tab. 1 - Misure di campo elettrico e relativi valori di SAR per i due tessuti analizzati
Punto
di misura
Distanza tra la
sonda e la
sorgente WiFi
Altezza della
sonda da terra
EMIN
istantaneo
[V/m]
EMAX
istantaneo
[V/m]
EMEDIO
[V/m]
1°
50 cm
150 cm
(0,18 ± 0,09)
(1,1 ± 0,6)
(0,41 ± 0,22)
2°
100 cm
150 cm
(0,13 ± 0,07)
(0,77 ± 0,43)
(0,42 ± 0,23)
3°
150 cm
150 cm
(0,56 ± 0,31)
(0,32 ± 0,18)
(0,42 ± 0,23)
Punto di
misura
Tessuto muscolare
Tessuto adiposo
SARMIN
istantaneo
[µW/Kg]
SARMAX
istantaneo
[µW/Kg]
SARMEDIO
[µW/Kg]
SARMAX
istantaneo
[µW/Kg]
SARMIN
istantaneo
[µW/Kg]
SARMEDIO
[µW/Kg]
1°
(26 ± 14)
(960 ± 530)
(133 ± 74)
(83 ± 46)
(2,2 ± 1,1)
(11,5 ± 6,3)
2°
(13 ± 7)
(471 ±
263)
(140 ± 76)
(41 ± 23)
(12,1 ± 6,6)
3°
(1,2 ± 0,6)
(81 ± 45)
(249 ± 138)
(140 ± 76)
(22 ± 12)
(12,1 ± 6,6)
(7,0 ± 4,0)
Tab. 2 - Valori ottenuti in condizioni di campo vicino
Punto di misura
EMAX
istantaneo
[V/m]
SARMAX istantaneo
Per il tessuto muscolare
[mW/Kg]
A contatto con l’antenna
(2,5 ± 0,9)
(4,8 ± 1,9)
(414 ± 162)
SARMAX istantaneo
Per il tessuto adiposo
[µW/Kg]
Tutti i risultati ottenuti sono
pienamente inferiori al valore
minimo di soglia del SAR fissato
a 1 W/kg, valore per cui si possono presentare, per tempi
esposizione maggiori di 30
minuti, variazioni di temperatura corporea attorno al grado
centigrado. Alle distanze analizzate di 50 cm, 100 cm, 150 cm e
a contatto con l’antenna il valore
massimo di SAR registrato è di
4.8 mWatt/kg.
Si può pertanto affermare che il
campo elettrico emesso nello
standard 802.11b produce un
valore di rateo di assorbimento
specifico che rientra nei fenomeni classificati “di interazioni”.
A tali fenomeni è associata una
variazione dell’equilibrio termico con un leggero aumento di
temperatura solo se associato a
lunghi tempi di esposizione.
In conclusione gli effetti diretti
registrati sul materiale biologico
esposto al campo elettrico
emesso dalla tecnologia WiFi ad
alta frequenza (standard IEEE
802.11b) sono del tutto trascurabili.
Fabrizio Pizzotti
Arpa Emilia-Romagna
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