Bioelektromagnetische Simulation
Analyse der Wechselwirkung elektromagnetischer Felder mit dem menschlichen Körper
Was ist Bioelektromagnetik?
Bioelektromagnetik (BioEM) deckt die Interaktion von elektromagnetischen (EM) Feldern mit dem menschlichen Körper ab. Es ist ein wichtiges Thema in der Forschung für eine breite Palette von Medizinprodukten im Bereich Bildgebung und Behandlung. Sicherheitsvorschriften, die von Regulierungsbehörden wie der International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP) festgelegt wurden, zeigen, dass dies auch ein Problem für eine Vielzahl anderer Produkte darstellt, von Smartphones bis hin zu Elektroautos. Der menschliche Körper ist eine komplexe Struktur mit einer Vielzahl von Gewebetypen mit frequenzabhängigen EM- und thermischen Eigenschaften. Um diese komplexen Zusammenhänge anzugehen, benötigen wir spezielle Modellierungs- und Simulationsmethoden.
Die elektromagnetischen und Multiphysik-Simulationstools von CST Studio Suite können dabei helfen, die Herausforderungen der Elektrotechnik in der Nähe des menschlichen Körpers zu bewältigen. Leistungsstarke Konstruktionswerkzeuge und realistische Materialmodelle können die zahlreichen Details elektronischer Geräte und des menschlichen Körpers erfassen. Die Hochleistungs-Solver-Technologie kann EM-Felder in der komplexen Umgebung des Körpers schnell und genau simulieren.
Elektromagnetische Felder im menschlichen Körper
Die Komplexität des menschlichen Körpers erfordert detaillierte Simulationsmodelle. Die SIMULIA Software unterstützt sowohl polygonale (CAD) Körpermodelle als auch Voxel-Körpermodelle, die innerhalb des Tools dargestellt werden können, um realistische Testszenarien einzurichten. SIMULIA bietet eine Familie simulationsfähiger menschlicher Körpermodelle, die verschiedene Körpertypen repräsentieren.
Die Simulationslösungen der CST Studio Suite umfassen auch präzise biologische Wärmemodelle. Unser Ansatz berücksichtigt die Auswirkungen der Wärmeregulierung wie Blutfluss und metabolische Wärme, um realistisch zu simulieren, wie elektromagnetische Felder den Körper erwärmen.
Beispiele für die BioEM-Simulation
- BioEM-Simulation im Bereich Life Sciences
- BioEM-Simulation für High-Tech und Industriegeräte
Bioelektromagnetische Simulation im Bereich Life Sciences
Der Betrieb medizinischer Geräte von Magnetresonanztomographen (MRT), Mikrowellen-Bildgebung und Diathermie ist ohne EM-Felder nicht möglich. Die Forschung und Entwicklung eines effizienten, hochauflösenden MRT-Scanners erfordert zum Beispiel ein Verständnis des Konzepts mehrerer sich überlagernder Felder mit einem großen Frequenzbereich – vom statischen Magnetfeld bis zum Hochfrequenzimpuls – und deren komplexe Interaktion mit den Molekülen des Körpers.
Die elektromagnetische Simulation modelliert die Ausbreitung von Wellen durch den Körper und die Interaktion von Wellen mit Gewebe – unabhängig davon, ob es sich um eine erforderliche therapeutische Wirkung oder eine unerwünschte Nebenwirkung handelt. Ingenieure und Ärzte können anhand der Simulationsergebnisse genau verstehen, wie Energie vom Körper absorbiert wird, und Konstruktionen und Behandlungsprotokolle validieren. Die Simulation kann beispielsweise als Methode zur Überprüfung der Sicherheit von Implantaten und Geräten wie Herzschrittmachern während eines Scans oder zur Berechnung des Erwärmungsmusters und der sicheren Leistungspegel für eine Hochfrequenzdiathermie (HF-Diathermie) eingesetzt werden.
Der MRT-Simulationsansatz von SIMULIA modelliert die einzelnen Spulen und deren Steuerschaltkreise zusammen mit dem Patienten, um eine vollständige Systemsimulation des Scanverfahrens zu ermöglichen. Durch die Simulation des Scanverfahrens können MRT-Techniker die Spulen für ein optimales Bild unter Berücksichtigung der tatsächlichen Körperstruktur abstimmen.
Anwendungen umfassen:
- MRT
- HF- und Mikrowellenbildgebung
- Diathermie und Hyperthermie
- Sicherheit von Implantaten
- Tragbare und implantierbare Elektronik
Bioelektromagnetische Simulation für High-Tech und Industriegeräte
Bei Hoch- und Mikrowellenfrequenzen können elektromagnetische Wellen vom menschlichen Körper reflektiert, gebrochen oder absorbiert werden. Diese Interaktion ist eine Hauptursache für Leistungsprobleme bei tragbaren Geräten wie Smartphones und Smartwatches, bei denen die genaue Position der Hand die Antennenleistung erheblich beeinträchtigen kann.
Sicherheitsvorschriften begrenzen die Hochfrequenz-Strahlenbelastung, die von Verbraucher- und Industriegeräten ausgehen darf. Bei vielen Verbrauchergeräten wird diese Belastung durch die spezifische Absorptionsrate (SAR) quantifiziert – ein Maß dafür, wie viel Leistung von Körpergewebe während der Verwendung absorbiert wird. Andere Bereiche wie Hochleistungssender und Luft- und Raumfahrtradar haben ähnliche KPIs für die Strahlungsgefährdung (RADHAZ). Die Exposition von Menschen ist für niederfrequente Felder in der Nähe von Stromleitungen und drahtlosen Ladestationen ebenfalls ein Problem.
Mithilfe der bioelektromagnetischen Simulation lassen sich die Leistung eines körpernahen Geräts analysieren und potenzielle Probleme entschärfen, bevor ein physischer Prototyp erstellt wird, wodurch das Risiko kostspieliger späterer Konformitätsmängel verringert wird. KPIs wie SAR können automatisch berechnet werden, und alle Überschreitungen von festgelegten Grenzwerten werden sofort markiert.
Anwendungen umfassen:
- Smartphones und drahtlose Geräte
- Body Area Network (BAN)
- Signalblockierung durch Hand und Körper
- 5G-Abdeckung
- SAR
- Radar- und Kommunikations-Strahlungsgefährdung
- Exposition gegenüber niederfrequenten Feldern
- Arbeitssicherheit
Häufig gestellte Fragen zur Bioelektromagnetik-Simulation
Die spezifische Absorptionsrate (SAR) gibt an, wie viel Energie vom Körper absorbiert wird, wenn er elektromagnetischen Hochfrequenzfeldern ausgesetzt wird. Sie wird in Watt pro Kilogramm (W/kg) gemessen und dient zur Bewertung der potenziellen Gesundheitsrisiken, die mit der Exposition gegenüber drahtlosen Geräten wie Mobiltelefonen, Laptops und Tablets verbunden sind. CST Studio Suite bietet Lösungen für Ganzkörper-SAR, die für entfernte Geräte relevanter sind, sowie für lokale SAR, wenn sich die Strahlungsquelle in der Nähe des Körpers befindet. Die Methode zur Berechnung der lokalen SAR variiert mit den geltenden Standards. Die CST Studio Suite bietet Lösungen für beide relevanten Standards, bei denen der Durchschnitt für die Gewebemasse 1 g oder 10 g beträgt.
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