Development and evaluation of biological and technical material models for numerical simulations of the human body's exposure to Terahertz fields, respectively of non-destructive testing analyses of glass- or carbon-fibre reinforced structures with mm- or sub-mm-waves.
Final Report Abstract
Ziel dieses Themenbereichs des Forschungsvorhabens war die Untersuchung der Wirkung einer EM-Exposition des Mundraums auf den Menschen in Anlehnung an bekannte Diagnosegeräte, die im THz-Frequenzbereich arbeiten. Augenmerk wurde hierbei auf die Ermittlung der Geometrien und der dielektrischen Materialeigenschaften der einzelnen Körpergewebe für diesen Frequenzbereich sowie auf die Erstellung der Simulationsmodelle für die anschließenden elektromagnetischen und thermischen Feldberechnungen gelegt. Die Vorgehensweise orientierte sich an einem vom Forschungsnehmer entwickelten dreistufigen Verfahren. Um die dielektrischen Materialparameter für diesen Frequenzbereich zu bestimmen, wurden realistische Modelle entwickelt, die den Mundraum in Zahn, Mundschleimhaut und Zunge unterteilen. Anhand von Literaturstudien zu Anatomie und Histologie der Teilkörper wurden Geometrie- und Materialmodelle entwickelt, deren Gewebebestandteile sich an der im THz-Frequenzbereich notwendigen hohen Ortsauflösung orientieren. Mithilfe der Mischtheorie wurden die dielektrischen Materialparameter für den THz-Frequenzbereich der hier betrachteten Gewebeschichten auf Basis der bereits aus der Literatur bekannten Parameter ihrer Grundbestandteile berechnet. Der Anteil von Wasser in den betrachteten Geweben ist oftmals in Bezug auf dessen dielektrische Eigenschaften maßgeblich. Die dielektrischen Materialparameter für die einzelnen Gewebeschichten sind tabellarisch aufgelistet. In den anschließenden EM-Feldberechnungen wurden die Expositionen der Modelle durch einfallende TEM-Wellen variierender Frequenzen im THz-Frequenzbereich simuliert. Fokus lag hierbei auf den räumlichen Verteilungen der elektrischen Feldstärke sowie der spezifischen Absorptionsrate. Vor den einzelnen Schichtübergängen wurden bei den elektromagnetischen Feld-Simulationen Stehwelligkeitsanteile, bei der SAR sprungartige Änderungen beobachtet. Da die Felder mit zunehmender Frequenz immer schneller absorbiert werden, wurden für die höheren Frequenzen ab 2 THz nur noch die obersten Gewebeschichten der hier verwendeten Modelle betrachtet. Die thermischen Feldberechnungen nutzten die aus den elektromagnetischen Simulationen resultierenden Verlustleistungen der einfallenden elektromagnetischen Wellen als zusätzliche Wärmequelle in der Wärmetransportgleichung nach Pennes, um Temperaturprofile der einzelnen Teilkörpermodelle zu berechnen. Hierzu wurden auf Basis weiterer Literaturstudien zusätzliche thermische Modelle mit größerer Ausdehnung in Längsrichtung, sowie thermische Parameter für die einzelnen Gewebeschichten herangezogen. Um die räumlichen, aber auch zeitlichen Verläufe der Temperatur zu ermitteln, wurden die Berechnungen in stationäre und transiente Fälle unterteilt. Neben der Untersuchung der Wirkung elektromagnetischer Wellen verschiedener Frequenzen wurden weiterhin auch Variationen der Leistungsdichten der einfallenden Wellen von 0,1 W/m2 bis zu 100 W/m2 berücksichtigt. Die stationären Simulationen zeigten die sich aufgrund einfallender Wellen einstellenden räumlichen Temperaturverteilungen im Vergleich zur natürlichen Temperaturverteilung des Gewebes ohne EM- Exposition. Hierbei traten die größten Temperaturanstiege erwartungsgemäß an der Modelloberfläche auf und betrugen bei der hier maximalen Leistungsdichte von 100 W/m2 bis zu 1,81 K. Weitergehende Untersuchungen zur Temperaturerhöhung im Mundraum, vgl. Veröffentlichung im Anhang, zeigten eine maximale Temperaturerhöhung im thermischen Modell der Wange für eine Exposition bei f = 10 THz und S = 100 W/m2 von ΔTmax = 2,62 K. Die transienten Simulationen wurden zusätzlich in eine Langzeitexposition von 100 Minuten und in eine Kurzzeitexposition von 60 Millisekunden in Anlehnung an realistische medizintechnische Diagnosegeräte unterteilt. Die zeitabhängigen Temperaturverläufe wurden an einem Messpunkt, unmittelbar unter der Gewebeoberfläche liegend, ausgewertet. Bei den Temperaturverläufen der Langzeitexposition wurde nach ungefähr einer Stunde eine sich einstellende konstante Temperaturerhöhung sichtbar, die je nach Leistungsdichte der einfallenden Wellen unterschiedlich stark ausfiel. Die Temperaturerhöhungen der Kurzzeitexposition betrugen bei maximaler einfallender Leistungsdichte einige Milli-Kelvin und hatten ihr Maximum unmittelbar nach der Expositionsdauer von 60 Millisekunden, waren aber nach der Gesamtbetrachtung von einer Sekunde wieder fast vollständig abgeklungen. Die berechneten Temperaturanstiege in den hier untersuchten Szenarien sollten von Biologen und Medizinern in Bezug auf Grenzwertempfehlungen diskutiert werden. Für zukünftige Forschungsarbeiten könnte eine noch detailliertere Auflösung, z.B. der Zunge, in Betracht gezogen werden, sodass z.B. die Geometrie der Zungenpapillen in zukünftigen Arbeiten mit einbezogen wird. Auch Verletzungen im Mundraum und somit Schädigungen der Gewebeschichten könnten Einfluss auf die elektromagnetischen und thermischen Feldverteilungen haben und Potenzial für weitere Untersuchungen bieten.
Publications
- (2015) Numerical computation of temperature elevation in human skin due to electromagnetic exposure in the THz frequency range. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology 5 (6) 978-989
Spathmann, Oliver; Schürmann, René; Zang, Martin; Streckert, Joachim; Hansen, Volkert; Saviz, Mehrdad; Clemens, Markus
(See online at https://doi.org/10.1109/TTHZ.2015.2476962) - Simulation of Nondestructive Testing Methods for the Detection of Composite Material Defects, 17th International IGTE Symposium on Numerical Field Calculation in Electrical Engineering (IGTE 2016), Graz, Austria, 18.-21.09.2016. Book of Abstracts, p. 11, September 2016
S. Runke, G. An, O. Spathmann, J. Streckert and M. Clemens
- "Detection of defects in single and multilayer composite material models by numerical nondestructive testing simulations," 2017 International Symposium on Electromagnetic Compatibility - EMC EUROPE, 2017, pp. 1-5
S. Runke and M. Clemens
(See online at https://doi.org/10.1109/EMCEurope.2017.8094665) - Numerical Nondestructive Testing Simulations for the Detection of Defects in Thin Multilayer Composite Material Models, International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA 2017), Verona, Italy, September 2017, accepted April 2017
S. Runke and M. Clemens
(See online at https://doi.org/10.1109/ICEAA.2017.8065483)
