Model of Steady-state Temperature Rise in Multilayer Tissues Due to Narrow-beam Millimeter-wave Radiofrequency Field Exposure
Model of Steady-state Temperature Rise in Multilayer Tissues Due to Narrow-beam Millimeter-wave Radiofrequency Field Exposure
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- dc.contributor.author
- Gajda, Gregory B.
- Lemay, Eric
- Paradis, Jonathan
- dc.date.accessioned
- 2024-03-15T21:14:02Z
- dc.date.available
- 2024-03-15T21:14:02Z
- dc.date.issued
- 2019-02-18
- dc.description.abstract - en
- The assessment of health effects due to localized exposures from radiofrequency fields is facilitated by characterizing the steady-state, surface temperature rise in tissue. A closed-form analytical model was developed that relates the steady-state, surface temperature rise in multilayer planar tissues as a function of the spatial-peak power density and beam dimensions of an incident millimeter wave. Model data was derived from finite-difference solutions of the Pennes bioheat transfer equation for both normal-incidence plane waves and for narrow, circularly symmetric beams with Gaussian intensity distribution on the surface. Monte Carlo techniques were employed by representing tissue layer thicknesses at different body sites as statistical distributions compiled from human data found in the literature. The finite-difference solutions were validated against analytical solutions of the bioheat equation for the plane wave case and against a narrow-beam solution performed using a commercial multiphysics simulation package. In both cases, agreement was within 1-2%. For a given frequency, the resulting analytical model has four input parameters, two of which are deterministic, describing the level of exposure (i.e., the spatial-peak power density and beam width). The remaining two are stochastic quantities, extracted from the Monte Carlo analyses. The analytical model is composed of relatively simple functions that can be programmed in a spreadsheet. Demonstration of the analytical model is provided in two examples: the calculation of spatial-peak power density vs. beam width that produces a predefined maximum steady-state surface temperature, and the performance evaluation of various proposed spatial-averaging areas for the incident power density.
- dc.description.abstract-fosrctranslation - fr
- L’évaluation des effets sur la santé dus à des expositions localisées aux champs de radiofréquences est facilitée par la caractérisation de l’augmentation constante de la température de surface des tissus. Un modèle analytique de forme fermée a été développé qui relie l'augmentation de la température de surface en régime permanent dans les tissus planaires multicouches en fonction de la densité de puissance spatiale maximale et des dimensions du faisceau d'une onde millimétrique incidente. Les données du modèle ont été dérivées de solutions aux différences finies de l'équation de transfert de biochaleur de Pennes pour les ondes planes à incidence normale et pour des faisceaux étroits à symétrie circulaire avec une distribution d'intensité gaussienne à la surface. Les techniques de Monte Carlo ont été utilisées en représentant les épaisseurs des couches de tissus à différents sites du corps sous forme de distributions statistiques compilées à partir de données humaines trouvées dans la littérature. Les solutions aux différences finies ont été validées par rapport à des solutions analytiques de l'équation de biochaleur pour le cas des ondes planes et par rapport à une solution à faisceau étroit réalisée à l'aide d'un progiciel de simulation multiphysique commercial. Dans les deux cas, l'accord était compris entre 1 et 2 %. Pour une fréquence donnée, le modèle analytique résultant comporte quatre paramètres d'entrée, dont deux sont déterministes, décrivant le niveau d'exposition (c'est-à-dire la densité de puissance spatiale maximale et la largeur du faisceau). Les deux autres sont des quantités stochastiques, extraites des analyses de Monte Carlo. Le modèle analytique est composé de fonctions relativement simples qui peuvent être programmées dans une feuille de calcul. La démonstration du modèle analytique est fournie dans deux exemples : le calcul de la densité de puissance spatiale maximale par rapport à la largeur du faisceau qui produit une température de surface maximale prédéfinie en régime permanent, et l'évaluation des performances de diverses zones de moyenne spatiale proposées pour la densité de puissance incidente. .
- dc.identifier.doi
- https://doi.org/10.1097/HP.0000000000001036
- dc.identifier.uri
- https://open-science.canada.ca/handle/123456789/2155
- dc.language.iso
- en
- dc.publisher
- Lippincott, Williams & Wilkins
- dc.subject - en
- Health
- Health and safety
- dc.subject - fr
- Santé
- Santé et sécurité
- dc.subject.en - en
- Health
- Health and safety
- dc.subject.fr - fr
- Santé
- Santé et sécurité
- dc.title - en
- Model of Steady-state Temperature Rise in Multilayer Tissues Due to Narrow-beam Millimeter-wave Radiofrequency Field Exposure
- dc.type - en
- Article
- dc.type - fr
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