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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Protection des personnes 2 Nov2008 – p13

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

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

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

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 41 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

Comment vérifier la conformité à ces limites Mobile Tests de conformité des mobiles (EN50360 & EN50361) adoptée en 2001 IEC 62209-1 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), EN50492 adoptée in 2008 Protocole de mesure in situ de l'ANFR Nov2008 – p18

Niveaux d'exposition induits par les systèmes existants (1) Les stations de base et points d'accès WiFi entre 1000 et plus de 100000 fois en dessous des normes Nov2008 – p19

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

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

3 Au-delà des effets connus… Nov2008 – p22

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

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 (www.who.int) Plus de 600 études biomédicales menées et répertoriées dans la base de donnée de l'OMS In Vitro In vivo Humaines Epidémiologiques Nov2008 – p24

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

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

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

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

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 0.5-4 0.77 (0.65-0.92) 384 5-9 0.75 (0.62-0.90) 342 >10 0.95 (0.74-1.23) 143 Coté de la tête: Même coté Opposé 0.5-4 years 1.08 (0.88-1.31) 0.70 (0.57-0.87) 5-9 years 1.10 (0.89-1.35) 0.74 (0.59-0.92) >10 years 1.39 (1.01-1.92) 0.98 (0.71-1.37) Nov2008 – p29

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

4 L'importance de la dosimétrie Nov2008 – p31

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

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

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

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 62209-1) Un fantôme homogène Des positions de test Un liquide équivalent Nov2008 – p35

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

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

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 2005 1245 Nov2008 – p38

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 2008 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

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 15- 20 minutes. Nov2008 – p40

Des modèles complexes et volumineux Les tissus sont trés hétérogenes 1 mm resolution ->tete = ~ 9 106 cellules…. 2 mm resolution -> corps entier ~ 60 106 cellules Les méthodes basées sur l'inversion de matrice sont a proscrire…. Nov2008 – p41

Les tissus sont des dielectriques à pertes http://www.fcc.gov/fcc-bin/dielec.sh 900 MHz Nov2008 – p42

Les tissus sont dispersifs. Peau LCR Nov2008 – p43

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

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

Un point crucial les modèles de sources camera Nov2008 – p46

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

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

recherche & développement Application Nov2008 – p49 recherche & développement

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. 2004 Pages:2076 – 2083   Nov2008 – p50

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

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

L'exposition des enfants Nov2008 – p53

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

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 219-233 (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. 4-11. 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 45-50 2005 Brain vol vs Skull thickness Nov2008 – p55

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

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

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

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 2008 . 53 1511-1525  Nov2008 – p59

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

morphologie est variable… Nov2008 – p61

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

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

4 Conclusions …. Nov2008 – p64

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