Canlı-Elektromagnetik Alan Etkileşimi Benzetim Yöntemleri

Abstract

Günümüzde cep telefonlarının yaşamımıza girmesiyle daha fazla elektromagnetik dalgaya maruz kalmaktayız. Bu nedenlerle elektromagnetik dalgaların canlılar üzerine etkisini araştıran çalışmaların sayısı artmıştır. Ancak biyolojik süreçlerin karmaşıklığı etkilerin gözlemi için büyük bir zorluktur. Elektromagnetik radyasyonun belirli değerleri aşmaması için standartlar geliştirilmiştir. Elektromagnetik(EM) dalgaların etkilerini gösteren büyüklüklerden biride Özgül Soğurma Oranı(SAR)'dır. Özgül Soğurma Oranı vücut dokuları tarafından soğurulan elektromagnetik enerjinin soğurulma hızı veya birim doku tarafından soğurulan elektromagnetik güç miktarıdır. Bu enerji dokularda ısı artışına neden olur ve SAR esasen ısı artışı ile ilgili bir büyüklüktür. SAR hesapları ısı değişim hızı, elektrik alan ve akım yoğunluğu kullanılarak üç farklı şekilde yapılmaktadır. Bu çalışmada elektrik alan şiddeti kullanılarak SAR hesabı gözönüne alınmıştır. SAR ölçümü için kesin ve güvenilir standartlar bulunamamıştır. Etik nedenlerle çalışmalar canlı insan vücudu üzerinde yapılamamaktadır. SAR hesabı içinde analitik yöntemlerin kullanımı oldukça karmaşık ve zordur. Bu nedenle sayısal yöntemler tercih edilmektedir. Bu tez , SAR değerlerini Zamanda Sonlu Farklar yöntemini kullanarak hesaplamaktadır. FDTD yöntemi, Maxwell denklemlerindeki kısmi türev operatörlerinin sonlu farklar kullanılarak zamanda ve konumda ayrıklaştırılmasına dayanır. Bu çalışmada FDTD yöntemi kullanılarak elektromagnetik dalgaların yayılmasının benzetimleri yapılmıştır. Canlı dokuların benzetimi için MR(Magnetik rezonans) görüntüleri kullanılmıştır. Bu görüntülerin bölütlenmesi ve kümelenmesi için K-means kümeleme algoritması kullanılmıştır. Bunun ardında yatan kavram, tıbbi alanda sadece görsel tanı amaçlı olarak kullanılmış olan bölütleme yöntemlerinin FDTD yöntemiye en azından nitel olarak istene bilgiyi sağlama amacıyla kullanılmasıdır. Elde edilen 2-B SAR dağılımlarının 2-B den 3-B ye aktarılması sorununun çözümü de önerilmiştir.

The wider usage of mobile phone usage in recent years has dramatically increased our exposure to electromagnetic waves . Therefore, there has been an increase in the number of works on how electromagnetic waves affect living systems. Since biological processes are complicated, it is difficult to observe these effects. Standards have been developed for limiting exposure to electromagnetic waves. One of the measures that defines the effect of electromagnetic wave is specific absorbtion rate(SAR). Specific absorbtion rate is a measure of the rate of electromagnetic energy absorbed by body tissues or electromagnetic power absorbed by unit tissue. This energy results in heat rise in tissues, and SAR is a parameter essentialy related to heat rise. The SAR is calculated in three different ways such as the use of either rate of heat change, electromagnetic field, and current density. In this thesis, the SAR computation through the use of electromagnetic field strength is adopted.Reliable or certain standarts can not be found for SAR measurement. The research can not be studied experimentally on human body for ethical reasons. Since calculating SAR with analytical methods is very difficult, numerical methods are preferred. This thesis proposes a method to compute SAR values using finite difference time domain method . FDTD method, relies on the discretization the partial differential Maxvell equations in space and time using the finite difference approach . FDTD method is used to simulate electromagnetic wave propagation. MR(Magnetic Resonance) images used for live tissues. K-Means clustering algorithm used for segmentation and clustering these images. A 2-D approach has been employed sufficient to yield at least the qualitative assessment. The main contribution underlying is the segmentation aiming the use of of FDTD method. Similar segmentation have been caried out but mainly for the purpose of medical diagnosis of tumors. Construction of the 3-D distribution from the 2-D distribution slices have also been examined.