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Type: Tese de Doutorado
Title: Caracterização elétrica de tecidos biológicos e cálculo dos fenômenos induzidos no corpo humano por campos eletromagnéticos de frequência inferior a 1 GHz
Authors: Laurent Didier Bernard
First Advisor: Joao Antonio de Vasconcelos
First Co-advisor: Laurent Nicolas
metadata.dc.contributor.advisor-co2: Noel Burais
First Referee: Gerard Meunir
Second Referee: Carlos Andrey Maia
Third Referee: Walter Pereira Carpes Junior
metadata.dc.contributor.referee4: Lionel Pichon
Abstract: Este trabalho faz parte de um processo cujo objetivo é avaliar e aperfeiçoar o desempenho de ferramentas existentes para o estudo das interações entre os campos eletromagnéticos e o corpo humano. As ferramentas incluem métodos de caracterização para medir as propriedades elétricas macroscópicas dos meios biológicos, e métodos numéricos que permitem modelar e calcular os campos induzidos no corpo humano por fontes eletromagnéticas. As principais propriedades dos tecidos biológicos são primeiramente descritas com a finalidade de elucidar as dificuldades encontradas na sua caracterização elétrica. Os métodos de caracterização elétrica, suas especificidades e faixa de freqüência de operação são apresentados. Valores encontrados na literatura de permissividade e condutividade elétricas são usados para mostrar quais os principais parâmetros que os influenciam bem como a falta de conhecimento sobre sua exatidão. Um método de caracterização usual, baseado em medições de impedância a quatro-eletrodos é estudado na faixa de 10Hz a 10MHz. O sistema de medição é desenvolvido e testado em soluções iônicas, permitindo a construção de modelos completos e confiáveis. Estes modelos são usados para estimar a exatidão das medições e para otimizar o método de caracterização na faixa de freqüência de 10Hz a 10MHz. Vários métodos numéricos que permitem a modelagem e o cálculo de fenômenos eletromagnéticos induzidos no corpo humano são então apresentados. As dificuldades na modelagem são elucidadas e correlacionadas às propriedades geométricas e elétricas pouco comuns encontradas no corpo humano, e à diversidade de fontes de campos eletromagnéticos. Formulações e condições de contorno especialmente desenvolvidas para o problema são descritas. Usando o método de elementos finitos, e assumindo as propriedades elétricas do corpo conhecidas, vários modelos (malha, formulação e condições de contorno) são analisados. A eficiência de cada modelo é avaliada através da simulação de problemas canônicos, representativos do problema original, em 2 e 3 dimensões. Os resultados permitem estimar a exatidão do cálculo e escolher a modelagem mais eficiente para cada freqüência entre 10Hz e 1GHz. O trabalho fornece argumentos que podem ser usados para provar a consistência dos resultados obtidos na interação entre campos eletromagnéticos e o corpo humano. Ele permite também aplicações diretas na caracterização de meios biológicos e no estabelecimento de novas normas de exposição humana a campos eletromagnéticos.
Abstract: This work is part of a process aiming at evaluating and improving the performances of existing tools for the study of the interactions between the electromagnetic fields and the human body. The tools include characterisation methods to measure the macroscopic electrical properties of biological media, and numerical methods allowing to model and compute the fields induced by electromagnetic sources in the human body. The main properties of biological tissues are first described in order to explain the difficulties of their electrical characterisation. The existing characterisation methods are presented. Their specificities and operating frequency range are emphasized. Permittivity and conductivity values found in the literature are used to show the main parameters they depend on and the lack of knowledge on their accuracy. A usual characterisation method based on four-electrode impedance measurements is then studied between 10Hz and 10MHz. The measurement system is developed and tested on ionic solutions in order to build reliable and complete models. These models are used to estimate the accuracy of the measure and to optimize the characterisation method at 10Hz and 10MHz. Various numerical methods that allow modelling and computing induced electromagnetic phenomena in the body are then presented. The difficulties of the modelling are explained and linked to the unusual electrical and geometrical properties of the human body, and to the diversity of the sources of electromagnetic fields. Formulations and boundary conditions especially developed for the problem are described. Using the finite element method, and assuming the electrical properties of the body are known, various models (mesh, formulation, boundary conditions) are studied. Their efficiency is evaluated by simulating 2D and 3D representative canonical problems. The results allow estimating the accuracy of the computation and choosing the more efficient modelling for each frequency between 10Hz and 1GHz. The work gives arguments which can be used to prove the consistency of the results when studying the interaction between the electromagnetic fields and the human body. It has also direct applications in the accurate characterisation of biological media and in the establishment of new norms on human exposure to electromagnetic fields.
Subject: Eletromagnetismo na medicina
Engenharia elétrica
Bioengenharia
language: Francês
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/DJPV-7DTPXT
Issue Date: 20-Sep-2007
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