Expositionsanlagen für in-vitro Projekte (BHS, Genexpression) Lehrstuhl für Theoretische Elektrotechnik Bergische Universität Wuppertal

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1 Expositionsanlagen für in-vitro Projekte (BHS, Genexpression) Lehrstuhl für Theoretische Elektrotechnik Bergische Universität Wuppertal

2 Übersicht Expositionssystem 1: IU Bremen, Prof. Dr. Lerchl Untersuchungen zu Wirkungsmechanismen an Zellen unter Exposition mit hochfrequenten elektromagnetischen Feldern der Mobilfunktechnologie. B. Pinealdrüse - Anforderungen - Konzeption und Aufbau - Dosimetrie Expositionssystem 2: Universitätsklinikum Münster, PD Dr. Young, Dr. Franke In vitro Experimente unter Exposition mit hochfrequenten elektromagnetischen Feldern der Mobilfunkkommunikation. C. Blut-Hirn-Schranke - Anforderungen - Konzepte - vorläufige Dosimetrie

3 Anforderungen Expositionssystem Pinealdrüse Blindversuch: zwei identische Expositionskammern Expositionskammer für 23 Pinealdrüsen hohe elektromagnetische Entkopplung der Expositionskammern, da im selben Inkubator untergebracht Exposition mit CW-Signal und einem generischen GSM- Testsignal mit einer Trägerfrequenz von 1800 MHz SAR: 8, 80, 800 mw/kg; SAR max = 2.7 W/kg

4 Generisches GSM-Testsignal 8 bursts = 1 frame Spektralkomponenten: f T ± n 1733 Hz f T ± n 217 Hz f T ± n 8 Hz f T ± n 2 Hz 0,537 µs dbm Messung Zeit Frequenz f-f T [khz] f-f C Schüller M, Streckert J, Bitz A, Menzel K, Eicher B: Proposal for generic GSM test signal. Proc. 22nd BEMS Annual Meeting, Munich, June 2000,

5 Radiale Wellenleitung homogene Exposition vieler Proben Feldanregung: Konusantenne im Zentrum Biologische Proben auf einem Kreis um Antenne angeordnet Grundwellentyp: transversal elektromagnetische Welle (TEM-Welle) ( ( ρ, ϕ, z) B H 2 ) ( k0 ρ ) E z = H 00 ( 2 ( ) ) ', ϕ, z = jb H ( k ρ) 0 ωε k ϕ ρ R Käfig Metallplatten z Einspeisung ρ ϕ x Absorber h ρ Käfig

6 Probengefäß für Pinealdrüse Glasrohr Ø 8 Schlauch Verschluss Ø5 Ø1.6 isolierte Pinealdrüsen auf Schädelknochen Glaszylinder (ca. 1 cm Länge, innen 0,5 cm) Pinealdrüsen werden während der Exposition kontinuierlich von Nährflüssigkeit umspült

7 Dämpfungskamin z y x E r TEM-Welle e α D z E r Metallrohr als Dämpfungskamin Metallplatte a db = ε L D 1 r f c f 2 Öffnungen für Schläuche dürfen die TEM-Welle nicht stören und keine elektromagnetischen Felder abstrahlen Metallrohre auf oberer und unterer Metallplatte werden als Rundhohlleitungen weit unterhalb der cut-off Frequenz ihrer Grundmode betrieben mechanisch offene, aber gleichzeitig elektromagnetisch geschlossene und damit abgeschirmte Expositionskammer

8 Aufbau der Expositionskammer (1) 23 Probengefäße + 1 Feldsonde + 1 Temperatursonde R197 R Pinealdrüsen Durchmesser ca. 40 cm, Höhe 8,5 cm Dämpfungskamin: 2mm, Länge 30 mm Temperatursonde im Glaszylinder Feldsonde Dämpfungskamin Konusantenne 5 Ø 64 Teflon Absorber 3 Ø2

9 Aufbau der Expositionskammer (2) (Quelle: A. Lerchl, IU Bremen)

10 Symmetrie der Feldverteilung Gemessene Feldverteilung am Ort der Proben in beiden Wellenleitungen (logarithmische Darstellung) Wellenleitung 1 Wellenleitung Standardabweichung des E-Feldes am Ort der Proben von ±3,5% bzw. ±4,8% Reflexionsfaktor am Eingang der Wellenleitungen 10 db

11 Schema des Expositionssystems Verstärker Expositionskontrolle Inkubator Versorgung mit Nährflüssigkeit HF-Schalter mit UMTS- GSM Zufallsgenerator Signalgenerator Feldsensor Temperatursensor Expositionskontrolle: u.a. - Zufallsgenerator für Expositionssignal - Erfassung von Feldstärke und Temperatur

12 Modell für numerische Feldberechnung ideal magnetisches Material TEM-Welle Verschluss Teflon Glasrohr z y 15 -Sektor der Wellenleitung x Metall Pinealdrüse auf Knochenplatte (räumliche Auflösung mm) Teflonschlauch mit Puffer

13 Feldverteilung (horizontal) E in V/m Probengefäß mit Pinealdrüse TEM- Welle y [m] x [m] 20 0

14 SAR-Verteilung (horizontal) SAR max = 1.23 W/kg Pinealdrüse SAR lokal in db y [m] x [m] Knochen TEM- Welle Masse der Pinealdrüse: ca. 7, kg 800 mw/kg bei Leerfeldstärke von ca. 110 V/m (P in = c. 500 mw)

15 SAR-Verteilung (vertikal) SAR max = 22.7 W/kg SAR lokal in db TEM- Welle z [m] x [m] Dämpfung von > 90 db in den Dämpfungskaminen Variation der SAR im Pinealorgan durch dessen mögliche unterschiedliche Orientierung bzw. Lage im Probengefäß beträgt max. ±15%

16 Zusammenfassung Expositionssystem Pinealdrüse Zwei identische radiale Wellenleiter für jeweils 23 Pinealdrüsen mechanisch offenes, aber gleichzeitig elektromagnetisch geschlossenes und damit abgeschirmtes Expositionssystem Feld- und Temperaturerfassung Feldvariation am Ort der Proben < ±5% SAR von 8, 80, 800 mw/kg, SAR max = 2,7 W/kg SAR-Variation max. ±15%

17 Anforderungen Expositionssystem BHS Expositionskammern für jeweils 6 Gewebekulturschalen hohe elektromagnetische Entkopplung der Expositionskammern, da im selben Inkubator untergebracht Exposition mit generischem GSM-Testsignal mit einer Trägerfrequenz von 1.8 GHz generischem UMTS-Testsignal mit einer Trägerfrequenz von 2 GHz SAR: 0.4, 1, 3 W/kg und 8 W/kg

18 Generisches UMTS-Testsignal S(t) GHz Trägerfrequenz 0.1s s 15 s... t 60 s 16 ms 16 ms 3 db Zeitverlauf des mit 1 Minute periodischen generischen UMTS-Testsignals (Quelle: G. Schmid, ARCS Seibersdorf) Ndoumbè Mbonjo Mbonjo, H., Streckert, J., Bitz, A., Hansen, V., Glasmachers, A., Gencol, S., Rozic, D.: A generic UMTS test signal for RF bioelectromagnetic studies. Bioelectromagnetics, Vol. 21, No. 6, 2004, pp

19 Probengefäß und Halterung Gewebekulturschale: Ø 39 Probenhalter: 12.5 Ø 35.5 Kulturschale gefüllt mit 2 ml Medium Schalen am Probenhalter mit Edelstahldeckel aus Expositionskammer zu entnehmen

20 Aufbau der Expositionskammer Ø55 R Kulturschalen Durchmesser ca. 40 cm, Höhe 9 cm Probenhalter platziert Schale mittig Temperatursonde im Medium Feldsonde R192 5 Ø Ø

21 Feldeinkopplung in das Medium E TEM-Welle geringe Feldeinkopplung hohe Feldstärken zur Erzeugung der gewünschten SAR notwendig Konzepte: Kurzgeschlossene Radiale Wellenleitung Offene (mit Absorber abgeschlossene) Radiale Wellenleitung

22 Modell Wellenleitung mit Kulturschale Kulturschale mit Medium 60 -Sektor räumliche Auflösung im Medium 0.33 mm TEM- Welle Probenhalter Kurzschluss bzw. Absorber TEM- Welle

23 Feldverteilung (f = 2 GHz) E in V/m E in V/m TEM- Welle Kurzschluss: Stehwelligkeit, Schale λ/2 entfernt vom Kurzschluss Absorber

24 SAR-Verteilung (f = 2 GHz) SAR lokal [db] SAR lokal [db] Kurzschluss Absorber σ SAR = ± 22% σ SAR = ± 28% (SAR-Variation aus SAR lokal über untere Voxelschicht des Mediums) SAR Kurzschluss / SAR offen = 3.5

25 Zeitl. Temperatur-Verlauf T [ C] Temperatur in C T = 1.1 C Zeit in s Absorber SAR max = 8 W/kg P in = c. 70 W (CW)

26 Zusammenfassung Expositionssystem BHS radiale Wellenleiter für jeweils 6 Kulturschalen Konzepte: offene oder kurzgeschlossene Wellenleitung SAR von 0.4, 1, 3 und 8 W/kg P in = 20 W (CW) bzw. 70 W (CW) für SAR max = 8 W/kg SAR-Variation < ± 28% (über die die BHS-Zellen einschließende untere Voxelschicht im Medium) SAR max = 8 W/kg -> T>1 C Feld- und Temperaturerfassung