Interactions Ondes – Personnes. L'apport de la dosimetrie.

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1 Interactions Ondes – Personnes. L'apport de la dosimetrie.
Joe Wiart Orange Labs R&D Nov 2008

2 sommaire 1 Des ondes électromagnétiques et des antennes : les fondements Protection des personnes et questions actuelles Au-delà des effets connus Évaluer l'exposition: l'objectif de la dosimétrie et la contribution de Orange Labs R&D Conclusion 2 3 4 Nov2008 – p2

3 1 Des ondes électromagnétiques et des antennes …. Les fondements
Nov2008 – p3

4 Les ondes électromagnétiques dans l'environnement domestique
Les ondes électromagnétiques sont à la base de l'essentiel des communications sans fils. Mais les systèmes de communications ne sont pas les seuls à utiliser ou émettre des ondes RF Nov2008 – p4

5 Qu'est ce qu'une onde? Perturbation d'un milieu onde période : T
Fréquence: 1/T amplitude Longueur d'onde Nov2008 – p5

6 Et une onde électromagnétique ?
Des champs électrique et magnétique couplés E H Une énergie transportée sans support matériel et qui véhicule l'information La circulation de l'un est lié à la dérivée temporelle du flux de l'autre H E En radiofréquence et Loin des sources les champ électrique et magnétique ont une structure d'onde plané et sont proportionnels Nov2008 – p6

7 Des antennes pourquoi ? Le rôle d'une antenne est de créer ou de capter un champ électromagnétique Les antennes assurent la liaison entre systèmes sans fils Dans un réseau cellulaire Le rôle de l'antenne est d'émettre le signal de privilégier une direction Nov2008 – p7

8 Structure du Champ électromagnétique crée par une antenne
La valeur du champ électrique Décroit avec la distance (inversement proportionnel) Dépend de la directivité de l'antenne Loin des antennes les champ électrique et magnétique sont orthogonaux et proportionnels Nov2008 – p8

9 Puissance rayonnée E²/η=P/(4Πr²) Relation puissance- champ
Le carré de la valeur du champ électrique est proportionnel a la puissance émise. Variation de la puissance Les systèmes n'émettent pas forcément en permanence au maximum et pas a puissance constante E²/η=P/(4Πr²) GSM Antenne GSM Antenne FM Wifi Nov2008 – p9

10 Une gestion de la puissance qui dépend de la technologie.
Le GSM et l'UMTS n'ont pas la même stratégie de gestion de la puissance. Nov2008 – p10

11 Propagation et Absorption
Les milieux matériels à pertes absorbent les ondes électromagnétiques. L'absorption dépend de la forme, des tissus et de la fréquence incident Transmise et absorbée réfléchie Nov2008 – p11

12 Quantification de la puissance absorbée par les tissus
Energie absorbée Débit d'Absorption Spécifique Specific Absorption Rate Masse Temps Proportionnel au carré du champ électrique dans les tissues Moyenné localement ( 10g) ou sur le corps entier Nov2008 – p12

13 Protection des personnes
2 Nov2008 – p13

14 Des niveaux de protection existent
Etablis par la Commission Internationale de Protection contre les rayonnements non ionisant.( ICNIRP) En Europe ces niveaux ont été validés par le CSTEE et le SCENIHR En France ces niveaux ont été repris par un décret en 2002 Nov2008 – p14

15 Comment ont-elles été établies et de quoi protègent elles?
Basées sur la littérature scientifique Protègent des effets connus En RF 4 watt/kg peuvent entrainer une augmentation de température de plus de 1° En RF ils limitent la puissance absorbée par les tissus 50 fois en dessous des effets sanitaires pour le grand public 10 fois en dessous pour les travailleurs Nov2008 – p15

16 Les limites fondamentales: les restrictions de base
En RF les Restrictions de base, limites fondamentales, limitent la puissance absorbée. grand public travailleurs limite d‘exposition local moyennée sur 10g de tissus tête et tronc 2 W/kg 10 W/kg membres 4 W/kg 20 W/kg limite d‘exposition "corps entier" 0,08 W/kg 0,4 W/kg Nov2008 – p16

17 Des restrictions de base aux niveaux de références.
L’évaluation directe des restrictions de base n’est pas toujours possible. Des niveaux dérivés, Les niveaux de références ont été établis afin de permettre une vérification indirecte de la conformité aux restrictions de base. Grand public Travailleur 900 MHz 41 V/m 92 V/m 1800 MHz 58 V/m 130 V/m 2100 MHz 61 V/m 137 V/m Les normes sont fondamentalement en puissance. Donc attention à 900 MHz v/m représente 100% de la limite mais 4,1 v/m représente 1% de la limite. Évaluation de l'absorption des humains Établissement d'un gabarit de protection. Nov2008 – p17

18 Comment vérifier la conformité à ces limites
Mobile Tests de conformité des mobiles (EN50360 & EN50361) adoptée en 2001 IEC a remplacé la EN50360 en 2006 Antenne de station de Base Mise sur le marché (EN50383, EN50384 & EN50385) adoptée en 2002 Mise en Service (EN50400, EN50401) adoptée in 2005 Mesure in situ), EN adoptée in 2008 Protocole de mesure in situ de l'ANFR Nov2008 – p18

19 Niveaux d'exposition induits par les systèmes existants (1)
Les stations de base et points d'accès WiFi entre 1000 et plus de fois en dessous des normes Nov2008 – p19

20 Niveaux d'exposition induits par les systèmes existants (2)
Nov2008 – p20

21 Mais des questions subsistent
Utilisation des mobiles par les enfants. Des sources d'expositions nouvelles, multiples. Exposition sur de longues périodes.. Nov2008 – p21

22 3 Au-delà des effets connus… Nov2008 – p22

23 Sanitaire vs effets biologiques
Recherche Biologique Aucune action Résultat Négatif Résultat Positif Réplication Effet avéré Impact Sanitaire ? Nov2008 – p23

24 Y a-t-il d'autres effets que ceux connus
Y a-t-il d'autres effets que ceux connus? Beaucoup d'études ont été menées. Les études coordonnées par le projet EMF de l'Organisation Mondiale de la Santé (OMS). Crée en 1996 pour coordonner les recherches ( Plus de 600 études biomédicales menées et répertoriées dans la base de donnée de l'OMS In Vitro In vivo Humaines Epidémiologiques Nov2008 – p24

25 De nombreux groupes d'experts ont synthétisé les connaissances
France : AFSSE Royaume Uni: MTHR Suède SSI Pays Bas: Health Council. Canada: Société Royale du Canada Australie Belgique Irlande… Nov2008 – p25

26 Mobiles et stations de base: des problèmes différents
« Compte tenu des très faibles niveaux d’exposition et des résultats des travaux de recherche obtenus à ce jour, il n’existe aucun élément scientifique probant confirmant d’éventuels effets nocifs des stations de base et des réseaux sans fil pour la santé. » - Aide-mémoire n°304 de l’Organisation Mondiale de la Santé, mai 2006. « Il n’y a pas de preuve scientifique à ce jour que le Wi-Fi et les autres technologies sans fil aient un impact négatif sur la santé du grand public. Les signaux sont très faibles, de l’ordre de 0,1 Watt au niveau de l’ordinateur et du routeur et les résultats à ce jour montrent des expositions très inférieures aux seuils de l’ICNIRP. Compte tenu de ces éléments, il n’existe aucune raison pour que les écoles et les autres lieux ne continuent pas d’utiliser le Wi-Fi et les autres réseaux sans fil. » - Communiqué du Health Protection Agency, Royaume-Uni, octobre 2007. « Bien qu’aucune preuve scientifique ne permette de démontrer que l’utilisation des téléphones mobiles présente un risque pour la santé, cette hypothèse ne peut définitivement être exclue …. » dossier "Téléphonie mobile (Champs électromagnétiques - Radiofréquences)" actualisé en septembre 2005 du ministère de la santé et des solidarités Nov2008 – p26

27 Importance de la qualité des études
Les conditions d'expérimentation sont fondamentales Protocole. Traitement statistique. Dosimétrie. La réplication est indispensable. La matière vivante est complexe Une seule étude n'est pas suffisante Nov2008 – p27

28 Les réplications sont indispensables
Exemple d'études "positives" mais dont les réplications n'ont pas confirmé les résultats. Cancer (Repacholi 1996) Barriere hémato encéphalique (Aubineau 2001) Protéines de choc thermique ( De Pomerai 2000) Effet sur le bien être (TNO 2000) Nov2008 – p28

29 Complexité des études épidémiologiques:
(cas/population)exposés OR= (cas/population)non-exposés Exemple de l'étude "Nordic and UK Interphone studies combined" Lahkola et al. Int J Cancer 2007, Case-control study: 1521 glioma cases and 3301 controls Utilisation du tel depuis départ en années OR (95% CI) Nb de cas ( ) 384 ( ) 342 > ( ) 143 Coté de la tête: Même coté Opposé 0.5-4 years ( ) ( ) 5-9 years ( ) ( ) >10 years ( ) ( ) Nov2008 – p29

30 Les biais possibles Biais de sélection
N'y a-t'il pas un biais lié à la population qui accepte d'être "contrôle" Biais liés à des erreurs de mémoire N'y a-t'il pas un biais lié au fait que les personnes pensent avoir utilisé le portable du coté de la tumeur Biais liés aux faibles nombres Ex étude suédoise/tumeur nerf auditif: 14 cas ayant utilisé le portable depuis plus de 10 ans Nov2008 – p30

31 4 L'importance de la dosimétrie Nov2008 – p31

32 Qu'est ce que la dosimétrie?
Évaluer les niveaux d'exposition Champ Electrique et Magnétique Puissance absorbée DAS En fonction Des systèmes Des morphologies Des usages… Nov2008 – p32

33 Simulation et mesures des approches complémentaires.
Mesure invasive Complexe la mesure dans les milieux hétérogènes Mesure directe du champs induit par une source Sensibilité limitée des sondes de température Simulation Estimation non invasive L'hétérogénéité des tissus n'est pas un problème Le résultat dépend de la qualité et de la précision des modèles Pas de limite de sensibilité Nov2008 – p33

34 Mesure : Gros efforts menés depuis plus de 10 ans
Sondes de SAR Sondes de champ Nov2008 – p34

35 Analyse de la conformité
Définition d'une forme et d'un liquide qui garantissent que le SAR max sur un cube de 10 grammes sera toujours inférieur dans une vraie tête. Méthode normalisée (CENELEC EN50361 et IEC ) Un fantôme homogène Des positions de test Un liquide équivalent Nov2008 – p35

36 Les tests Puissance maximum Plusieurs positions Plusieurs fréquences
Recherche du SAR max sur un cube de 10 grammes Nov2008 – p36

37 Mesures de champ La contrainte des variations rapides…
dB meters La contrainte des variations rapides… Comment évaluer l'incertitude de l'évaluation? Combien de point de mesure? Nov2008 – p37

38 Des études statistiques pour évaluer l'incertitude.
Analyse de l’erreur sur la moyenne estimée en fonction Du type de variations rapides Du nombre de points. E Larcheveque, C Dale, M.F Wong and J. Wiart, & al Analysis of Electric Field Averaging for In-situ Radiofrequency Exposure Assessment IEEE trans on VTC , Vol. 54, N°. 4, July Nov2008 – p38

39 Dosimétrie personnelle
Enregistrement sur 10 heures - L'exposition est faible (70% en dessous de 0,05 v/m) - Des outils géostatistiques pour interpoler Geostatistical Estimation of Electromagnetic Exposure Y. Ould Isselmou, H.Wackernagel,W. Tabbara and J.Wiart A. Soares et al. (eds.), geoENV VI – Geostatistics for Environmental Applications, Springer pp 59–69 Estimating radioelectric exposure in the framework of an urban environmental monitoring system Béatrice Augereau, Hans Wackernagel, Walid Tabbara, Joe Wiart GeoENv 08 Nov2008 – p39

40 Dosimetrie numérique : une montée en puissance
Gros efforts depuis 10 ans Les moyens de calculs progressent Il y a 10 ans un modèle simpliste de téléphone et une sphère avec une résolution faible demandaient des jours de calculs Aujourd'hui une tête + un téléphone avec une résolution millimétrique demande minutes. Nov2008 – p40

41 Des modèles complexes et volumineux
Les tissus sont trés hétérogenes 1 mm resolution ->tete = ~ cellules…. 2 mm resolution -> corps entier ~ cellules Les méthodes basées sur l'inversion de matrice sont a proscrire…. Nov2008 – p41

42 Les tissus sont des dielectriques à pertes
900 MHz Nov2008 – p42

43 Les tissus sont dispersifs.
Peau LCR Nov2008 – p43

44 Méthode Numerique: la FDTD
Simple Précision acceptable Sans inversion…. La FDTD évalue les dérivées partielles via des différences finies L'espace est découpé en petits cubes Les ondes sont "propagées" sur ce maillage via les equations de Maxwell. Nov2008 – p44

45 E au centre de la cellule
Le SAR via la FDTD Le DAS ou SAR est calculé au centre de chaque cellule de 1 mm de coté. E au centre de la cellule Nov2008 – p45

46 Un point crucial les modèles de sources
camera Nov2008 – p46

47 Un autre point crucial les modèles de personnes ou d'animaux
Sources: IRM Coupes Segmentation ( reconnaissance des tissus) Nov2008 – p47

48 Approche élégantes mais les modèles sont complexes à construire
Résolution millimétrique Basés sur Acquisition directe ( VH) ou IRM Peu de modèles , ce qui pose la question de la représentativité Nov2008 – p48

49 recherche & développement
Application Nov2008 – p49 recherche & développement

50 Exemples d’application: Evaluation d ’un système d ’exposition
Tissues Maximum SAR (W/kg) 95% Confidence interval (W/kg) Skin 33.5 8 Skull 2.5 0.5 Brain 15.5 5 Dura Mater Inside the brain at 1 mm from the skull 12 Dosimetric analysis of a 900-MHz rat head exposure system Leveque, P.; Dale, C.; Veyret, B.; Wiart, J. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques ,Volume: 52 , Issue: 8 , Aug Pages:2076 – 2083 Nov2008 – p50

51 Evaluation des niveaux de SAR dans la tête d’un utilisateur
UMTS GSM 900 GSM 1800 Nov2008 – p51

52 Etude de la relation SAR / augmentation de température
0,07° Nov2008 – p52

53 L'exposition des enfants
Nov2008 – p53

54 Une tête d'enfant n'est pas une petite tête d'adulte….
Beaucoup de questions sont induites par une étude menée il y a 10 ans… Une tête d'adulte avait été réduite uniformément Le maillage initial était relativement grossier (2*2*3 mm) La tête "d'enfant" n'était pas une tête humaine. - les proportions sont différentes 80% Nov2008 – p54

55 Des têtes d'enfants ont été développées.
Basée sur des Images IRM Basée sur des techniques de Morphing Segmentation of the Skull in MRI Volumes Using Deformable Model and Taking the Partial Volume Effect into Account H. Rifai and I. Bloch and S. Hutchinson, J. Wiart and L. Garnero, Medical Image Analysis, Vol 4 N°3 pp (2000/09) Study of Specific Absorption Rate (SAR) Induced in the Two Child Head Models and Adult Heads Using a Mobile Phones Abdelhamid Hadjem, David Lautru, Christian Dale, Man Faï Wong, Victor Fouad Hanna, Joe Wiart IEEE Trans. MTT ; Vol.°53 ; N° 1 ; janvier 2005 ; pp Modeling of RF exposure in children J. Wiart,  A. Hadjem, N. Gadi, I Bloch,  M F Wong,, A Pradier, D Lautru; V.F Hanna and C. Dale. Bioelectromagnetics Vol 26 Issue S7 pp Brain vol vs Skull thickness Nov2008 – p55

56 Enfants vs adultes avec les modèles actuels
Pas de différence pour le DAS sur 10g Localement l'exposition peut être différente. Eg les tissus périphériques du cerveau Analysis of RF exposure in the head tissues of children and adults J. Wiart, A Hadjem, M F Wong and I Bloch, Phys. Med. Biol. 53 (2008) 3681–3695 Nov2008 – p56

57 Influence des nouveaux usages
Exposition comparée @ 10 cm en face de la tête l'exposition est égale à 10% de celle induite par le téléphone prés de l'oreille @ 40 cm cette exposition est de l'ordre de 1% à 10 cm et à 40 cm d Nov2008 – p57

58 Évaluer l'exposition réelle …. Comment gérer la variabilité?
Nov2008 – p58

59 Exposition corps entier
DAS corps entier vs champ Incident. Des modèles ont été développé mondialement …. et montrent une grande variabilité. Variability analysis of SAR from 20 MHz to 2.4 GHz for different adult and child models using finite-difference time-domain E Conil, A Hadjem, F Lacroux, M F Wong and J Wiart . Phys. Med. Biol   Nov2008 – p59

60 RF exposure is facing complexity, variability and representativeness
Nov2008 – p60

61 morphologie est variable…
Nov2008 – p61

62 Les êtres humains sont similaires mais différents
Mondialement moins de 15 modèles.. Quelle représentativité de ces modèles? Comment extrapoler ? Chinese population 20-24 Years old French population 20 years old BMI distribution Nov2008 – p62

63 Challenge actuel: évaluation de l'incertitude liée à la variabilité des données d'entrée
x1 xi xN Quels sont les paramètres influants Quel est la valeur du SAR max à 95% Avec comme contrainte majeure le nombre réduit de modèles. Numerical Method Piste actuelle: Méthode probabiliste Nov2008 – p63

64 4 Conclusions …. Nov2008 – p64

65 Dans la confusion trouver la simplicité
De la discorde faire jaillir l'harmonie Au milieu de la difficulté se trouve l'opportunité Albert Einstein, Trois règles de travail Nov2008 – p65