^XFdtd® Software für elektromagnetische 3D-Simulation

Da die Millimeterwellen-Technologie (MMW), insbesondere in Geräten der fünften Generation (5G), an Bedeutung gewinnt, besteht ein entscheidender Bedarf an umfassenden elektromagnetischen (EM) Modellen von Augengeweben, um die EM-Expositionsbedingungen genau zu verstehen und zu charakterisieren. In dieser Studie wird die Wechselwirkung zwischen MMW und der Hornhaut mittels numerischer Modellierung untersucht, um die EM-Feldverteilungen und die Absorption innerhalb eines anatomisch genauen Augenmodells zu charakterisieren und dabei den Einfluss der Wimpern zu berücksichtigen. Unter Verwendung der Finite-Differenzen-Zeitbereich-Methode (FDTD) führen wir Simulationen der EM-Strahlungswechselwirkungen von 20,0 bis 100,0 GHz mit einem menschlichen Augenmodell durch. Darüber hinaus analysieren wir den Anstieg der Temperaturverteilung innerhalb des Augenmodells unter Verwendung eines thermischen Sensors in XFdtd, wobei wir ein auf der Finite-Differenzen-Methode (FD) basierendes Schema verwenden. Unsere Ergebnisse zeigen eine ungleichmäßige Verteilung des EM-Feldes, die besonders in den Hornhautregionen in der Nähe der Wimpern und Augenlider verstärkt ist. Trotz ähnlicher EM-Feldmuster hat das Vorhandensein oder Fehlen von Wimpern nur minimale Auswirkungen auf die Temperaturunterschiede. Die Studie zeigt jedoch eine erhöhte Strahlungsabsorption durch die Epidermis der Augenlider bei 100,0 GHz, wodurch der Temperaturanstieg der Hornhaut verringert wird.

Foroughimehr N, Vilagosh Z, Yavari A, Holz A: Der Einfluss von Wimpern auf die elektrische Feldverteilung und die absorbierte Leistungsdichte in der Hornhaut unter Millimeterwellen-Exposition. Bioelektromagnetik, 1-12 (2024)

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Die Anwendung von 28-GHz-Millimeterwellen ist aufgrund der weltweiten Verbreitung von drahtlosen Kommunikationssystemen der fünften Generation weit verbreitet. Ihre thermische Wirkung ist ein dominanter Faktor, der möglicherweise Schmerzen und Gewebeschäden an den Körperteilen verursacht, die den Millimeterwellen ausgesetzt sind. Der Schwellenwert dieser thermischen Empfindung, d. h. der Grad der Veränderung der Hauttemperatur gegenüber dem Ausgangswert, bei dem die erste subjektive Reaktion auf die thermischen Auswirkungen der Millimeterwellen auftritt, ist jedoch noch unklar. Hier untersuchten wir den Schwellenwert für die thermische Empfindung und bewerteten seine Zuverlässigkeit bei Exposition mit Millimeterwellen. Zwanzig gesunde Erwachsene wurden mit 28 GHz-Millimeterwellen an der linken mittleren Fingerspitze bei fünf Leistungsstufen der Antenne exponiert: 0,2, 1,1, 1,6, 2,1 und 3,4 W (einfallende Leistungsdichte: 27-399 mW/cm²). Diese Messung wurde zweimal am selben Tag wiederholt, um die Zuverlässigkeit der Schwellenwerte zu bewerten. Der Intraklassen-Korrelationskoeffizient (ICC) und die Bland-Altman-Analyse wurden als Näherungswerte für die relative bzw. absolute Zuverlässigkeit verwendet. Die Anzahl der Teilnehmer, die während der beiden Sitzungen bei jeder Expositionsstufe eine Empfindung wahrgenommen haben, wurde ebenfalls als Wahrnehmungsrate gezählt. Die mittleren Schwellenwerte für thermische Empfindungen lagen innerhalb von 0,9°C-1,0°C für die 126-399 mW/cm² Bedingungen innerhalb von 0,2°C, während der Schwellenwert für die 27 mW/cm² Bedingung. Die ICCs für die Schwellenwerte bei 27 und 126 mW/cm² wurden als schlecht bzw. mittelmäßig interpretiert, während die Werte bei höheren Expositionsniveaus mäßig bis erheblich waren. Abgesehen von einer proportionalen Verzerrung bei der 191 mW/cm² Bedingung, gab es keine feste Verzerrung. Alle Teilnehmer empfanden eine thermische Empfindung bei 399 mW/cm² wahr, und die Wahrnehmungsrate nahm bei niedrigeren Expositionsniveaus allmählich ab. Wichtig ist, dass zwei Drittel der Teilnehmer antworteten, dass sie in beiden oder einer der Sitzungen eine thermische Empfindung bei 27 mW/cm²trotz der niedrigen Temperaturerhöhung. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Schwellenwert für das Wärmeempfinden bei etwa 1,0°C liegt und über alle Expositionsniveaus hinweg konsistent ist, während seine Zuverlässigkeit mit höheren Expositionsniveaus zunimmt. Darüber hinaus kann die Wahrnehmung der Wärmeempfindung aufgrund der Natur der menschlichen Wahrnehmung von Natur aus mehrdeutig sein.

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Die parallele Transmissions-MRT bei 7 T wird zunehmend in Forschungsprojekten eingesetzt und bietet ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis und neuartige Kontraste. Allerdings müssen die Wechselwirkungen der Felder im Körper sorgfältig berücksichtigt werden, um ein sicheres Scannen zu gewährleisten. Jüngste Fortschritte bei physikalisch flexiblen Körperspulen haben eine Hochfeld-Bildgebung des Abdomens ermöglicht, aber die Auswirkungen der erhöhten Variabilität auf die Energiedeposition müssen weiter untersucht werden. Ziel dieser Studie war es, die Auswirkungen der Probandengeometrie, der Atmungsphase und der Spulenpositionierung auf die spezifische Absorptionsrate (SAR) zu untersuchen. Zehn gesunde Probanden (Body-Mass-Index [BMI] = 25 ± 5 kg m-2) wurden (bei 3 T) während des Ausatmens mit angehaltenem Atem gescannt und die Bilder zur Erstellung von Körpermodellen verwendet. Sieben dieser Probanden wurden auch während des Einatmens gescannt. Zunächst wurden Vereinfachungen der Spulen- und Körpermodelle untersucht, und dann wurden Finite-Differenzen-Zeitbereichssimulationen mit einer typischen achtkanaligen parallelen Sendespule über dem Bauch durchgeführt. Mit Hilfe der Simulationen wurden über 100.000 Phaseneinstellungen gemittelte SAR-Karten mit 10 g (SAR10g) erstellt, und das Worst-Case-Szenario mit 10 g gemittelter SAR (wocSAR10g) wurde durch trigonometrische Maximierung ermittelt. Die durchschnittliche maximale SAR10g der 10 Probanden mit 1 W Eingangsleistung pro Kanal betrug 1,77 W kg-1. Die Hotspots befanden sich immer in der Nähe der Körperoberfläche, nahe der Muskelwandbegrenzung. Der wocSAR10g der 10 Probanden lag zwischen 2,3 und 3,2 W kg-1 und war umgekehrt korreliert mit dem prozentualen Fettvolumen (R = 8) und dem BMI (R = 0,6). Die Werte des Variationskoeffizienten für SAR10g aufgrund von Variationen der Probandengeometrie, der Atmungsphase und der realistischen Spulenpositionierung betrugen 12 %, 4 % bzw. 12 %. In dieser Studie wurde festgestellt, dass die Variabilität aufgrund der realistischen Spulenpositionierung ähnlich groß ist wie die Variabilität aufgrund unterschiedlicher Geometrien gesunder Probanden bei der abdominalen Bildgebung. Dies ist wichtig, da es darauf hindeutet, dass eine populationsbasierte Modellierung bei der Festlegung sicherer Schwellenwerte für die abdominale Bildgebung wahrscheinlich nützlicher ist als eine individuelle Modellierung.

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In dieser theoretischen Studie werden das Design und die analytisch-numerische Optimierung neuartiger Zweikanal-Transversalfeld-Hochfrequenz (HF)-Oberflächenspulen für die 1,5-T-Magnetresonanztomographie (MRT) vorgestellt. Die Forschung untersucht einen planaren Aufbau mit zwei Kanälen in einer Reihe und einer gleichgerichteten räumlichen Ausrichtung der HF-Spulen, um einen häufigen Designnachteil von einkanaligen Querfeld-HF-Spulen zu beheben: das reduzierte Sichtfeld (FOV) entlang der Richtung des HF-Feldes. Eine große Herausforderung bei diesem Design ist die effiziente Entkopplung von zwei Sätzen von Transversalfeld-HF-Spulen, um gegenseitige Interferenzen zu vermeiden. Unser Modellierungsansatz integriert die theoretische Modellierung dünner Drähte, magnetostatische Berechnungen für Streifenleiterspulen und deren elektromagnetische Vollwellensimulation. Die wichtigsten Ergebnisse bei 64 MHz zeigen, dass die strategische geometrische Anordnung der Zweikanal-HF-Spule und die Einführung einer geometrischen Asymmetrie im Design der einzelnen HF-Spulen die gegenseitige Induktivität minimiert und den Weg für effektive Zweikanal-MRT-Anwendungen ebnet. Dieser Entkopplungsansatz ermöglicht es, das FOV zu vergrößern und bietet einen theoretischen Rahmen für die Entwicklung optimierter Zweikanal-HF-Spulenkonfigurationen mit transversalem Feld. Das aktuelle Design wurde mit einer numerischen Vollwellenstudie bei 64 MHz (1H, 1,5 T) validiert und kann bei niedrigeren oder höheren Frequenzen erweitert werden, wobei im letzteren Fall das Vorhandensein von verlustbehafteten Proben berücksichtigt werden muss.

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Die Bedeutung der Erforschung der gesundheitlichen Auswirkungen von HF-Strahlung auf die Hornhaut kann nicht hoch genug eingeschätzt werden. In dieser Studie wurde die Absorption von Millimeterwellen (mmW) und Terahertzwellen (THz) durch die Hornhaut mit Hilfe einer mathematischen Simulation untersucht, wobei sowohl normale als auch pathologische Bedingungen berücksichtigt wurden.

Foroughimehr N, Vilagosh Z, Yavari A, Wood A. The Effects of mmW and THz Radiation on Dry Eyes: A Finite-Difference Time-Domain (FDTD) Computational Simulation Using XFdtd. Sensors. 2023; 23(13):5853. 

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Der Inhalt dieser Arbeit ist die Fortsetzung der bisherigen Forschung der Autoren. Um eine sinnvolle Auslegung der Nahfeld-Magnetfeldsonde zur Teilentladungsdetektion in der Schaltanlage zu realisieren, wird in dieser Arbeit der Einfluss der inneren Struktur der Schaltanlage auf die Nahfeld-Ausbreitungseigenschaften des durch die Teilentladung erzeugten elektromagnetischen Wellensignals simuliert und analysiert und die Einbauposition der Nahfeldsonde in der Schaltanlage bestimmt. Zunächst werden die Ausbreitungseigenschaften von elektromagnetischen Wellensignalen in den verschiedenen Medien der Schaltanlage analysiert und das Schaltanlagenmodell erstellt. Dann wird auf der Grundlage der Finite-Differenzen-Zeitbereichsmethode der Einfluss verschiedener Geräte in der Schaltanlage auf die Nahfeldausbreitung des elektromagnetischen Teilentladungswellensignals simuliert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der Stromwandler, der Isolator, die Sammelschiene und der Schaltschrank die Amplitude der durch die Teilentladung erzeugten elektromagnetischen Nahfeldsignale deutlich abschwächen und der Isolator eine deutliche Signalverzerrung verursacht. Schließlich wird festgestellt, dass die Nahfeldsonde an der Innenwand oder an der rechten Wand in der Nähe der Bodenplatte der Schaltanlage installiert werden kann.

Suo C, Zhao J, Wang L, Xu Z, Luo R, He M, Zhang W. Research on Near-Field Propagation Characteristics of Partial Discharge Electromagnetic Wave Signal in Switchgear. Energies. 2023; 16(8):3372. 

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Die PEDOT-Polymerelektrode ist eine metallfreie Elektrode, die aus einem Acrylat (Zahnkomposit) und dem leitfähigen Polymer Poly(3,4-ethylendioxythiophen)polystyrolsulfonat (PEDOT:PSS) besteht. Die Elektrode wird als Gel auf die Haut aufgetragen und 10-20 s lang mit blauem Licht ausgehärtet, um eine leitfähige Verbindung mit der Haut herzustellen. Die Elektroden werden in Kombination mit Polymerkabeln verwendet, die aus einem textilen Grundgerüst und PEDOT:PSS bestehen. Um diesen neuen Elektroden- und Kabeltyp unter verschiedenen Bedingungen zu testen, haben wir zwei Belastungstests entwickelt: hochempfindliche Temperaturaufzeichnungen in einem Kopfphantom während einer Magnetresonanztomographie (MRT) und Langzeitstabilität in einer Klimakammer mit hoher Luftfeuchtigkeit. Um das physikalische Verhalten in einem starken Magnetfeld (3 Tesla) zu untersuchen, wurde die PEDOT-Polymerelektrode während einer Bildsequenz in einem Magnetresonanztomographen an einem Agarose-Kopfphantom befestigt. MRI-sichere Temperatursensoren wurden in der Nähe angebracht, um mögliche Erwärmungseffekte zu messen. Im Vergleich zu einem Metallkabel konnte nahezu kein Temperaturanstieg beobachtet werden, wenn die Elektrode in Kombination mit einem leitfähigen Textilkabel verwendet wurde. Darüber hinaus zeigte die Elektrode in einer Klimakammer an 4 aufeinanderfolgenden Tagen stabile Impedanzwerte. Diese Ergebnisse ebnen den Weg für die Erprobung der PEDOT-Polymerelektrode als Biosignal-Aufzeichnungselektrode während der MRT, insbesondere für die Kardio-MRT und die Elektroenzephalographie in Kombination mit der funktionellen MRT (EEG-fMRI).

de Camp, N.V., Bergeler, J. & Seifert, F. Physikalisches Verhalten von PEDOT-Polymerelektroden während der Magnetresonanztomographie und Langzeittest in der Klimakammer. Sci Rep 13, 5826 (2023). 

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In diesem Beitrag wird ein Ersatzmodell für die Absorption elektromagnetischer Wellen im menschlichen Körper unter Verwendung von Deep-Learning vorgeschlagen. Insbesondere ermöglicht es eine Familie von Daten aus Finite-Differenzen-Zeitbereichsanalysen, ein Convolutional Neural Network (CNN) zu trainieren, um die durchschnittliche und maximale Leistungsdichte im Querschnittsbereich des menschlichen Kopfes bei einer Frequenz von 3,5 GHz zu ermitteln. Die entwickelte Methode ermöglicht eine schnelle Bestimmung der mittleren und maximalen Leistungsdichte für den Bereich des gesamten Kopfes und der Augenpartie. Die auf diese Weise erzielten Ergebnisse ähneln denen, die mit der auf den Maxwellschen Gleichungen basierenden Methode erzielt wurden.

Di Barba P, Januszkiewicz Ł, Kawecki J, Mognaschi ME. Electromagnetic Wave Absorption in the Human Head: A Virtual Sensor Based on a Deep-Learning Model. Sensors. 2023; 23(6):3131. 

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Die Fortschritte bei den Technologien zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung im Terahertzbereich (THz) haben zu einem wachsenden Interesse an der Erforschung möglicher Anwendungen geführt. Neue Anwendungen werden unweigerlich zu einer verstärkten zufälligen Interaktion von Menschen mit THz-Strahlung führen. Da die Wellenlänge der THz-Strahlung in der gleichen Größenordnung liegt wie die Abmessungen von Hautstrukturen wie Haaren und Schweißkanälen, ist die Möglichkeit einer Wechselwirkung zwischen diesen Strukturen von Interesse. Die Wechselwirkung wurde mit Hilfe von FDTD-Simulationen (Finite Difference Time Domain) unter Verwendung einer Fernfeldanregung von 0,45 THz untersucht. Es wurden keine antennenartigen Effekte festgestellt. Bereiche mit erhöhter spezifischer Absorptionsrate (SAR) aufgrund von reaktiven Nahfeldeffekten sowohl bei den Haaren als auch bei den Schweißkanälen wurden in der Größenordnung von 0,01-0,05 mm bzw. 0,001-0,002 mm gefunden. Simulationen mit nicht gewickelten Schweißkanälen ergaben das gleiche Durchdringungsmuster wie bei der spiralförmigen Struktur, was darauf hindeutet, dass die spiralförmige Struktur keinen Einfluss auf die Ausbreitung der THz-Strahlung in der Haut hat.

Vilagosh Z, Foroughimehr N, Lajevardipour A, Wood AW. FDTD-Simulationen von Schweißkanälen und Haaren bei 0,45 THz. Dermato. 2023; 3(1):69-84. 

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Drahtlose Kapselendoskope erfassen und übertragen Bilder des menschlichen Magen-Darm-Trakts für die medizinische Diagnose. Die Lokalisierung der Kapsel ermöglicht die genaue Identifizierung von Bereichen mit Läsionen, die während der Untersuchung entdeckt werden. Die Antenne ist ein wichtiges Element der endoskopischen Kapsel, das für die Übertragung des Signals mit dem aufgezeichneten Bild aus dem Inneren des Verdauungssystems verwendet wird. Die Antennenparameter beeinflussen auch die Leistung der Algorithmen, die die Kapselendoskope auf der Grundlage der Analyse des empfangenen Signals lokalisieren. Die Zick-Zack-konforme Antenne für die Endoskopkapsel wird in diesem Beitrag vorgestellt. Sie wurde sowohl in der Simulation als auch in einer Gewebesimulanzflüssigkeit untersucht. Anschließend wird sie auf ein verbessertes Lokalisierungssystem angewandt, das auf der Phasendifferenzanalyse der empfangenen Signale beruht. Bei diesem neuen Ansatz wählt der Algorithmus fünf externe Empfänger aus einem vordefinierten Satz aus und verwendet eine adaptive Schätzung der Permittivität des menschlichen Körpermodells. Der Lokalisierungsalgorithmus wurde mit Computersimulationen verifiziert. Für die Simulationen wurden die Software Remcom XFdtd und sowohl vereinfachte als auch heterogene menschliche Körpermodelle verwendet. Die Technik, die eine automatische Auswahl des externen Empfängers zusammen mit der vorgeschlagenen Antenne verwendet, verbesserte die Lokalisierungsgenauigkeit um etwa 15 % im Vergleich zur vorherigen Version dieses Algorithmus.

Oleksy P, Januszkiewicz Ł. Localization of Wireless Capsule Endoscopes Using the Receiver Selection Algorithm and a Modified Capsule Antenna. Electronics. 2023; 12(4):784. 

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In diesem Artikel wird der Entwurfsprozess einer Struktur vorgestellt, die das elektromagnetische Feld des Senders der fünften Generation, der im 3,5-GHz-Band arbeitet, abschirmt. Der Zweck dieses Projekts ist die Begrenzung der Leistungsdichte im Augenbereich. Aus diesem Grund besteht die Struktur aus leitenden Drähten, die ein Gitter bilden, das für Licht halbtransparent ist. Der Entwurf wurde mit Hilfe von Computersimulationen mit einer Finite-Differenzen-Zeitbereichsmethode und einer evolutionär basierten Optimierungsmethode durchgeführt. Um den Zeitaufwand für die Simulation zu verringern, wurde ein vereinfachtes Modell des Gesichts und der Augen entwickelt. Die hier vorgestellte Konstruktion der Abschirmstruktur kann leicht in Form einer Schutzbrille hergestellt werden. Die Ergebnisse der Computersimulationen zeigen, dass die Leistungsdichte im Augenbereich im Vergleich zum ungeschirmten Fall um fast das Siebenfache reduziert werden kann.

Kawecki J, Januszkiewicz Ł, Di Barba P, Kropidłowski K. Eye Shielding against Electromagnetic Radiation: Optimales Design unter Verwendung eines reduzierten Modells des Kopfes. Electronics. 2023; 12(2):291. 

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In diesem Beitrag beschreiben die Autoren, wie die Wahl der elektrischen Parameter (wie Leitergeometrie und Kondensatorqualität) die Gesamtleistung der Spule in Bezug auf den Qualitätsfaktor Q, das Verhältnis zwischen unbelastetem und belastetem Q und die Spulenempfindlichkeit beeinflusst. Anschließend fassen wir die Arbeit zusammen, die in unserem elektromagnetischen Labor in Zusammenarbeit mit MR-Herstellern auf dem Gebiet der Entwicklung, des Baus und der Prüfung von HF-Spulen für klinische Magnetresonanztomographen (MR) von 0,18 bis 0,55 T durchgeführt wurde, wobei wir zwischen Oberflächen-, Volumen- und Phased-Array-Spulen unterscheiden.

Giovannetti G, Frijia F, Flori A. Hochfrequenzspulen für Niederfeld-Magnetresonanztomographen (0,18-0,55 T): Erfahrungen aus einer Kooperation zwischen Forschungslabor und Herstellerfirmen. Elektronik. 2022; 11(24):4233. 

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Diese Studie demonstriert die Variation der Genauigkeit des FDTD-Simulationssystems, wenn verschiedene Maschengrößen verwendet werden, anhand der Wechselwirkung der kritisch empfindlichen menschlichen Hornhaut mit EM im Bereich von 30 bis 100 GHz. Es wurden verschiedene Ansätze zur Festlegung der Basiszellengröße verglichen. Die Genauigkeit der Berechnung wird durch den Einsatz von Planarsensoren bestimmt, die sowohl die Details der elektrischen Feldverteilung als auch die absoluten Werte des von Punktsensoren erfassten elektrischen Feldes zeigen. Es wurde festgestellt, dass die manuelle Festlegung der Basiszellengrößen sowohl die Modellgröße als auch die Berechnungszeit reduziert. Allerdings nimmt die Genauigkeit der Berechnung auf unvorhersehbare Weise ab. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Nutzung einer Cloud-Computing-Kapazität eine entscheidende Rolle bei der Minimierung der Berechnungszeit spielt.

Foroughimehr N, Vilagosh Z, Yavari A, Wood A. The Impact of Base Cell Size Setup on the Finite Difference Time Domain Computational Simulation of Human Cornea Exposed to Millimeter Wave Radiation at Frequencies above 30 GHz. Sensors. 2022; 22(15):5924. 

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Millimeterwellen-(mmWave)-Zellen-freie Massive-Multiuser-(MU)-Multiple-Input-Multiple-Output-(MIMO)-Systeme kombinieren die großen Bandbreiten, die bei mmWave-Frequenzen verfügbar sind, mit der verbesserten Abdeckung von zellenfreien Systemen. Um jedoch die hohen Pfadverluste bei mmWave-Frequenzen auszugleichen, müssen die Benutzergeräte (UEs) Strahlen in sinnvolle Richtungen, d. h. zu einem nahe gelegenen Zugangspunkt (AP), bilden. Gleichzeitig sollten mehrere UEs vermeiden, an denselben AP zu senden, um MU-Interferenzen zu reduzieren. Sie schlagen eine interferenzbewusste Methode zur Strahlausrichtung (BA) im zellfreien mmWave Massive MU-MIMO Uplink vor. In dem betrachteten Szenario führen die APs vollständig digitales Empfangsbeamforming durch, während die UEs analoges Sendebeamforming durchführen. Sie evaluieren unsere Methode mit realistischen mmWave-Kanälen aus einem kommerziellen Raytracer und zeigen die Überlegenheit der vorgeschlagenen Methode gegenüber omnidirektionaler Übertragung sowie gegenüber Methoden, die MU-Interferenzen nicht berücksichtigen.

Beam Alignment in mmWave User-Centric Cell-Free Massive MIMO Systems 2021 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM)2021
S. BuzziCarmen D'AndreaMaria FresiaXiaofeng Wu

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Das Beamforming Elevated Array for COsmic Neutrinos (BEACON) ist ein geplantes Neutrinoteleskop, das die Radioemission von aufsteigenden Luftschauern aufspüren soll, die durch ultrahochenergetische Tau-Neutrinowechselwirkungen in der Erde entstehen. Dieser Nachweismechanismus ermöglicht die Messung des Tau-Flusses kosmischer Neutrinos. Sie haben ein 8-Kanal-Prototyp-Instrument in großer Höhe an der Barcroft Field Station installiert, das seit 2018 in Betrieb ist und aus vier doppelt polarisierten Antennen besteht, die zwischen 30 und 80 MHz empfindlich sind und deren Signale gefiltert, verstärkt, digitalisiert und mit einem speziellen Datenerfassungssystem (DAQ) auf Festplatte gespeichert werden. Der BEACON-Prototyp befindet sich in großer Höhe, um die effektive Lautstärke zu maximieren, und verwendet einen direktionalen Beamforming-Trigger, um die Unterdrückung von anthropogenem Hintergrundrauschen auf der Triggerebene zu verbessern. In diesem Artikel werden das Design, die Konstruktion und die Kalibrierung des BEACON-Prototyp-Instruments beschrieben. Außerdem wird die vom Instrument beobachtete Hochfrequenzumgebung erörtert und die vom Instrument beobachteten Ereignistypen kategorisiert, einschließlich eines wahrscheinlichen kosmischen Strahlungsereignisses.

Design and performance of an interferometric trigger array for radio detection of high-energy neutrinos, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers Detectors And Associated Equipment 2019

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In diesem Beitrag werden zwei verschiedene Verfahren zur Abschätzung der Spuleninduktivität beschrieben und miteinander verglichen, um ein schnelles Spulen-Prototyping zu ermöglichen. Die erste Methode, die auf Berechnungen in quasistatischer Näherung beruht, ermöglicht eine Untersuchung, wie sich die Querschnittsgeometrie der HF-Spulenleiter auf die Gesamtinduktivität auswirkt, und kann leicht für eine Vielzahl von Spulengeometrien berechnet werden. Der zweite Ansatz verwendet eine numerische Vollwellenmethode auf der Grundlage des Finite-Difference Time-Domain (FDTD)-Algorithmus und ermöglicht die Simulation von HF-Spulen mit beliebiger komplexer Geometrie, einschließlich des Falles eines Multi-Element-Phased-Array. Der Vergleich mit Messungen am Prüfstand bestätigt sowohl die analytischen als auch die numerischen Ergebnisse für HF-Spulen, die in einem breiten Feldbereich (0,18-7 T) arbeiten.

Giovannetti G, Frijia F, Flori A, Galante A, Rizza C, Alecci M. A Practical Guide to Estimating Coil Inductance for Magnetic Resonance Applications. Elektronik. 2022; 11(13):1974. 

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In diesem Beitrag wird eine vollständig textile Dualband-Logo-Antenne mit integriertem Reflektor für die Anwendung in IoT-Wearable-Geräten vorgeschlagen. Die strahlenden Elemente der vorgeschlagenen Antenne wurden so geformt, dass sie das Logo der South-West University "Neofit Rilski" nachahmen, um eine unauffällige Integration in Accessoires zu ermöglichen. Ein Reflektor wurde auf der gegenüberliegenden Seite des Textilsubstrats angebracht, um die Strahlung der tragbaren Antenne zu reduzieren und ihre Robustheit gegenüber der Belastung durch nahe gelegene Objekte zu verbessern. Zwei Antennenprototypen wurden hergestellt und sowohl im freien Raum als auch an drei verschiedenen Objekten (menschlicher Körper, Notebook und Laptop) getestet. In den beiden interessierenden Frequenzbereichen wurde eine Strahlungseffizienz von 25-38% und 62-90% erreicht. Darüber hinaus wurde aufgrund des Reflektors die maximale lokale spezifische Absorptionsrate, gemittelt über 10 g Masse im menschlichen Körperphantom, mit 0,5182 W/kg bei 2,4 GHz und 0,16379 W/kg bei 5,47 GHz ermittelt. Darüber hinaus haben die Ergebnisse der durchgeführten Messkampagne den Signalstärkeindikator und den Paketverlust für ein Off-Body-Szenario im realen Einsatz erfasst, was zeigt, dass der in den Rucksack integrierte Antennenprototyp hochwertige Off-Body-Kommunikationskanäle bilden kann.

Atanasova GL, Atanasov BN, Atanasov NT. Vollständig textile Dual-Band-Logo-Antenne für IoT-Wearable Devices. Sensors. 2022; 22(12):4516. 

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Kabellose Kapselendoskope nehmen Fotos des menschlichen Verdauungstrakts auf und senden sie, die zur medizinischen Diagnose verwendet werden. Die Position der Kapsel ermöglicht eine genaue Identifizierung der Regionen mit Läsionen. Dies kann durch die Analyse der Parameter der von der Kapsel empfangenen elektromagnetischen Welle erfolgen. Da der menschliche Körper eine komplexe heterogene Umgebung ist, die die Ausbreitung von Funksignalen beeinflusst, ist die Bestimmung der Entfernung zwischen Sender und Empfänger auf der Grundlage des empfangenen Leistungspegels eine Herausforderung. In diesem Beitrag wird ein verbesserter Ansatz zur Identifizierung der Position von Endoskopkapseln unter Verwendung eines Algorithmus zur Erkennung der Phase von Funksignalen vorgestellt. Für jede Kapselposition verwendet diese Technik eine adaptive Schätzung der Permittivität des menschlichen Körpermodells. Dieser Ansatz wurde anhand von Computersimulationen in der Remcom XFdtd-Software unter Verwendung eines numerischen, heterogenen menschlichen Körpermodells sowie anhand von Messungen mit einem physischen Phantom getestet.

Oleksy P, Januszkiewicz Ł. Wireless Capsule Endoscope Localization with Phase Detection Algorithm and Adaptive Body Model. Sensors. 2022; 22(6):2200. 

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Exposures to radiofrequency electromagnetic fields (RF-EMFs, 100 kHz to 6 GHz) have been associated with both positive and negative effects on cognitive behavior. To elucidate the mechanism of RF-EMF interaction, a few studies have examined its impact on neuronal activity and synaptic plasticity. However, there is still a need for additional basic research that further our understanding of the underlying mechanisms of RF-EMFs on the neuronal system. The present study investigated changes in neuronal activity and synaptic transmission following a 60-min exposure to 3.0 GHz RF-EMF at a low dose (specific absorption rate (SAR) < 1 W/kg). The authors showed that RF-EMF exposure decreased the amplitude of action potential (AP), depolarized neuronal resting membrane potential (MP), and increased neuronal excitability and synaptic transmission in cultured primary hippocampal neurons (PHNs). The results show that RF-EMF exposure can alter neuronal activity and highlight that more investigations should be performed to fully explore the RF-EMF effects and mechanisms.

Echchgadda, I., Cantu, J.C., Tolstykh, G.P. et al. Veränderungen in der Erregbarkeit primärer Hippocampus-Neuronen nach Exposition bei hochfrequenten elektromagnetischen Feldern von 3,0 GHz. Sci Rep 12, 3506 (2022). 

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Dieses Papier zeigt, wie wirksam der "Hut aus Alufolie" wirklich ist, wenn er auf die Strahlung von Basisstationen in einem Telekommunikationssystem der fünften Generation angewendet wird. Es werden die Ergebnisse einer Untersuchung über die Wirksamkeit dieser Schutzvorrichtungen in Bezug auf ihre Abschirmungseigenschaften bei den Frequenzen vorgestellt, die in drahtlosen Systemen der fünften Generation verwendet werden. Die Untersuchung wurde auf der Grundlage von Computersimulationen durchgeführt. Die Software Remcom XFdtd, die eine Finite-Differenzen-Zeitbereich-Methode und ein numerisches Modell des Kopfes verwendet, wurde eingesetzt, um die Daten über die Abschirmungseigenschaften von leitfähigen Kopfabdeckungen zu erhalten. Es wurde festgestellt, dass im Falle von Folienkopfabdeckungen der maximale Reduktionsfaktor der Leistungsdichte im Kopfbereich etwa 50% beträgt.

Januszkiewicz Ł. Analysis of Shielding Properties of Head Covers Made of Conductive Materials in Application to 5G Wireless Systems. Energies. 2021; 14(21):7004. 

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In diesem Beitrag wird das optimale Design einer tragbaren Vierbandantenne vorgestellt, die sowohl für die Arbeit in drahtlosen Systemen der fünften Generation als auch in zellularen Systemen und in unlizenzierten Bändern geeignet ist. Der Entwurf der Antenne beruht auf einer sorgfältigen Untersuchung von Optimierungsalgorithmen, die für den Antennenentwurf geeignet sind. Die Autoren haben ein Benchmark-Problem vorgeschlagen, um verschiedene Optimierungsalgorithmen zu vergleichen. Anhand von vorberechneten Daten haben sie die Parameter der Optimierungsroutine auf optimale Leistung mit dem Benchmark abgestimmt. Danach optimierten sie die Geometrie der vierbandigen tragbaren Antenne. Im Optimierungsprozess wurde die FDTD-Methode zusammen mit einem vereinfachten Modell des menschlichen Körpers verwendet. Das Antennendesign wurde anhand eines hergestellten Prototyps bewertet.

Januszkiewicz Ł, Barba PD, Kawecki J. Design Optimization of Wearable Multiband Antenna Using Evolutionary Algorithm Tuned with Dipole Benchmark Problem. Electronics. 2021; 10(18):2249. 

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Dieser Artikel konzentriert sich auf die Magnetresonanztomographie des menschlichen Kopfes bei 10,5 Tesla (T), für die die Autoren eine 8-Kanal-Dipol-Antennengruppe gebaut und den Einfluss von koaxialen Speisekabeln untersucht haben. Der Einfluss von koaxialen Speisekabeln wurde in der Simulation bewertet und mit einem physisch gebauten Array in Bezug auf die Effizienz des transmittierenden Magnetfelds (B1+) und der spezifischen Absorptionsrate (SAR) verglichen. Für die Untersuchung des Speisungsortes wurde die mittig gespeiste Dipolantennengruppe mit zwei 8-kanaligen endgespeisten Gruppen verglichen: Monopol- und Sleeve-Antennengruppen. Die Simulationsergebnisse mit einem Phantom zeigen, dass diese Arrays im Vergleich zum Dipol-Antennen-Array eine um 24 % höhere SAR-Effizienz erreichen. Für ein menschliches Kopfmodell wurde eine 30,8 % niedrigere SAR-Effizienz mit der 8-Kanal-Monopol-Antennengruppe im Vergleich zum Phantom beobachtet.

Woo MK, DelaBarre L, Waks MT, Park YW, Lagore RL, Jungst S, Eryaman Y, Oh S-H, Ugurbil K, Adriany G. Evaluation of 8-Channel Radiative Antenna Arrays for Human Head Imaging at 10.5 Tesla. Sensors. 2021; 21(18):6000. 

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Es besteht ein zunehmendes Interesse an Anwendungen, die den Frequenzbereich von 30 bis 90 GHz nutzen, z. B. Kfz-Radar, 5-G-Mobilfunknetze und drahtlose lokale Verbindungen. In dieser Studie wurde das Eindringen gepulster 30-90-GHz-Strahlung in den menschlichen Gehörgang und das Trommelfell mit Hilfe von Computerphantomen untersucht.

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Anwendungen, die Strahlung im Terahertzbereich (THz) nutzen, werden unweigerlich zu einer erhöhten Exposition des Menschen führen. Die Simulationen der Leistungsdichte und der spezifischen Absorptionsrate (SAR) von dünner Haut bei 0,45 THz zeigen, dass der Großteil der Energie im oberen Stratum spinosum absorbiert wird und der maximale Temperaturanstieg im unteren Stratum spinosum stattfindet. An der Grenze zwischen Stratum spinosum und Stratum basale gibt es Bereiche mit einem SAR-Anstieg von 100 % über dem lokalen Durchschnitt. Die abgestorbene Stratum Corneum-Schicht schützt das darunter liegende Gewebe der dicken Haut. Reflexionsstudien deuten darauf hin, dass spitze Winkel und die Verwendung von polarisierter einfallender Strahlung die Bewertung der diabetischen Neuropathie verbessern können.

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Ein Array mit sechzehn Kanälen, bestehend aus acht Paaren von gestapelten Schleifen- und Dipolantennen, wurde für MRT-Anwendungen am Kopf bei 10,5 Tesla simuliert. Remcom XFdtd wurde verwendet, um die Isolation zwischen Schleifen- und Dipolelementen zu berechnen, die mit einer dielektrischen Last mit variierendem Abstand zwischen Schleifen- und Dipolelementen modelliert wurden. Eine Schleifen-Dipol-Anordnung wurde für eine mögliche Elementkonfiguration mit einem kopfförmigen dielektrischen Phantom simuliert.

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Beim Autofahren wird die Außenantenne durch die Karosserie des Fahrzeugs elektrostatisch von den Insassen abgeschirmt. Beim Motorradfahren gibt es keine solche Abschirmung, so dass der Fahrer die Eigenschaften der am Motorrad montierten Antenne beeinflussen kann. Daher muss die Wechselwirkung zwischen der Antenne und dem menschlichen Körper berücksichtigt werden. In diesem Beitrag wird ein einfaches Modell vorgeschlagen, um den Einfluss des Fahrers auf die Motorradantenne zu analysieren. Die Strahlungseigenschaften im 145-MHz-Band und der Einfluss der Montageposition auf den Reflexionskoeffizienten werden mit der Software XFdtd simuliert. Die resultierenden Werte werden mit gemessenen Werten verglichen.

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In diesem Beitrag wird eine Dualband-2×2-MIMO-Antenne für tragbare Geräte vorgestellt, die die 5G-Frequenzzuweisungen bei 3,3-3,6 und 4,5-5 GHz in China unterstützt. Die einzelne Antenneneinheit besteht aus einem Monopolmodus und einem gefalteten Schleifenmodus mit einer einzigen Einspeisung zur Abdeckung dieser beiden Bänder. Zur Demonstration der MIMO-Leistung werden zwei identische Antennen verwendet, die an der Ober- und Unterseite einer Leiterplatte in der Größe einer Smartwatch (40×40mm2) angebracht sind. Die Simulationsergebnisse von XFdtd zeigen, dass diese MIMO-Antennen eine Effizienz von über 85 %, eine Isolierung von mehr als 17 dB und einen Korrelationskoeffizienten von 0,02 auf beiden Bändern erreichen können.

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Diese Studie stellt eine systematische Analyse der spezifischen Energieabsorptionsrate (SAR) in Berechnungsmodellen einer schwangeren Frau und des Fötus in drei verschiedenen Schwangerschaftsstadien (3., 6. und 9. Monat) vor. Monat). Numerische Simulationen wurden bei zwei Frequenzen (64 und 128 MHz), für zwei Spulendurchmesser (750 und 650 mm) und für sieben Orientierungspunkte durchgeführt, nämlich Schulter, Herz, Brustbein, Bauch (d. h. Kopf des Fötus), Becken (d. h. Körper des Fötus), Oberschenkel und Knie. Die Auswirkung zusätzlicher Merkmale auf die SAR, wie z. B. die Position der Eingangsquelle und die y-Position des Modells der schwangeren Frau in der Vogelkäfigspule, wurde bewertet.

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Die C-Magnetresonanzspektroskopie ist eine praktikable, nicht-invasive Methode zur Untersuchung des Zellstoffwechsels in Skelettmuskeln. In diesem Beitrag wird die Entwicklung, Bewertung und erste In-vivo-Messung mit einem 7 T 3-Kanal-C- und 4-Kanal-H-Transceiver-Array vorgestellt, das für die H-entkoppelte C-MRS in den hinteren menschlichen Wadenmuskeln optimiert wurde. Das entwickelte Spulenarray wurde erfolgreich in Phantom- und In-vivo-MR-Experimenten getestet und zeigte ein vereinfachtes Spektralmuster und einen Anstieg des Signal-Rausch-Verhältnisses um etwa einen Faktor 2 zwischen nicht-entkoppelten und H-entkoppelten Spektren in einem Glukose-Phantom und dem menschlichen Wadenmuskel.

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In diesem Beitrag wurde ein inhomogenes menschliches Körpermodell vorgestellt, um die Ausbreitungseigenschaften zu untersuchen, wenn der menschliche Körper als Antenne für die Signalübertragung verwendet wurde. Insbesondere wurde der Kanalgewinn von vier Szenarien, nämlich (1) sowohl die TX-Elektrode als auch die RX-Elektrode waren in der Luft platziert, (2) die TX-Elektrode war am menschlichen Körper angebracht und die RX-Elektrode war in der Luft platziert, (3) die TX-Elektrode war in der Luft platziert und die RX-Elektrode war am menschlichen Körper angebracht, (4) sowohl die TX-Elektrode als auch die RX-Elektrode waren am menschlichen Körper angebracht, durch numerische Simulation im Frequenzbereich 1 MHz bis 90 MHz untersucht.

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Kurzstreckenradargeräte wie das Bodenradar benötigen eine große Bandbreite für eine hohe Auflösung und eine niedrige Frequenz für eine bessere Durchdringung. Dies stellt Einschränkungen für das Antennendesign dar, um eine kompakte UWB-Antenne mit niedrigerer Mittenfrequenz und unidirektionalem Muster zu haben. Diese Arbeit befasst sich mit der Verbesserung der fraktionierten Bandbreite einer Monopolantenne mit gestuftem Reflektor und unidirektionalem Strahlungsdiagramm über die gesamte erforderliche Bandbreite. Der Entwurf, die Simulation und die experimentellen Ergebnisse sind in dieser Arbeit enthalten.

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Ziel dieser Studie ist eine systematische Bewertung von fünf Berechnungsmodellen einer Birdcage-Spule für die Magnetresonanztomographie (MRT) im Hinblick auf Genauigkeit und Rechenaufwand. Die Genauigkeit der Modelle wurde anhand des "symmetrischen mittleren absoluten prozentualen Fehlers" ("SMAPE") durch Vergleich mit Messungen in Bezug auf den Frequenzgang sowie die elektrische (||E⃗||) und magnetische (||B⃗||) Feldstärke bewertet. Signifikanz: Die computergestützte Modellierung von Birdcage-Körperspulen wird in großem Umfang bei der Bewertung der hochfrequenzinduzierten Erwärmung während der MRT verwendet. Die experimentelle Validierung numerischer Modelle ist notwendig, um festzustellen, ob ein Modell eine genaue Darstellung einer physischen Spule ist.

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In diesem Beitrag wird eine neue Methode zur Verbesserung der Trennungsrate und der Lokalisierungsgenauigkeit vorgeschlagen. Es wird eine gerichtete Messplattform mit zwei Richtantennen gebaut. Die Zeitverzögerung (TD) der von den Antennen erfassten Signale wird berechnet, und TD-Sequenzen werden durch Drehen der Plattform in verschiedenen Winkeln erhalten. Die Sequenzen werden mit der TD-Verteilungsfunktion getrennt, und die Richtungen der Multi-PD-Quellen werden berechnet. Die PD-Quellen werden anhand der Richtungen mit Hilfe der Fehlerwahrscheinlichkeitsmethode lokalisiert. Zur Verifizierung der Methode wurde mit XFdtd ein simuliertes Modell mit drei TE-Quellen erstellt.

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Dieses Papier zeigt Simulationsergebnisse der transkraniellen Magnetstimulation (TMS) für drei verschiedene Spulen, darunter die Fo8-Spule (Achterspule), die V-Spule und die Butterfly-Spule. In Anbetracht der klinischen Anwendungen wird die Durchführbarkeit von drei verschiedenen Spulen bei TMS analysiert. XFdtd wird verwendet, um die dreidimensionale Verteilung des elektrischen und magnetischen Feldes in einem realistischen Kopfmodell zu erhalten. Diese Studie, die mit einem realistischen Kopfmodell durchgeführt wird, bietet eine tatsächliche Eindringtiefe, Fokalität und Biokompatibilität, die mit einem homogenen Kopfmodell, das in einigen bestehenden Arbeiten verwendet wird, nicht möglich ist.

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In diesem Beitrag wird eine konforme zirkular polarisierte Breitbandantenne (CP) für endoskopische Kapselanwendungen im 915-MHz-Band für Industrie, Wissenschaft und Medizin (902-928 MHz) vorgestellt. Die Dicke der Antenne beträgt nur 0,2 mm und kann in die Innenwand einer Kapsel eingepackt werden. Für das anfängliche Design und die Optimierung mit parametrischen Studien wird ein einschichtiger homogener Muskelphantomkasten verwendet. Die Auswirkungen der internen Komponenten im Inneren der Kapsel werden bei der Analyse der Antennenleistung diskutiert, um ein praktischeres Szenario zu realisieren. Darüber hinaus wird ein realistisches menschliches Körpermodell in einer Remcom XFdtd-Simulationsumgebung betrachtet, um die Antenneneigenschaften und die CP-Reinheit zu bewerten und die spezifische Absorptionsrate in verschiedenen Organen entlang des Magen-Darm-Trakts zu bestimmen.

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Multiturn-Spiraloberflächenspulen werden in flacher und zylindrischer Anordnung gebaut und für die Hochfeld-MRT (7,1 T) an Mäusen verwendet. Die kommerziell erhältliche Vogelkäfigspule übertrifft die zylindrische Spiralspule im rSNR um das 3-5-fache. Der umfassende Ansatz und die Methodik, die für den genauen Entwurf, die Simulation, die Implementierung und die Prüfung von Hochfrequenzspulen jeder Geometrie und jedes Typs unter allen Belastungsbedingungen angewandt wurden, können für jede Anwendung der Hochfeld-Mäusekardial-MRT verallgemeinert werden.

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Die Erkennung von Teilentladungsmustern ist für die Isolationsdiagnose von abgedeckten Leitern in Freileitungen unerlässlich. Die derzeitige Forschung hat sich nicht ausreichend mit dem komplexen Hintergrundrauschen in realen Umgebungen befasst, und die meisten Erkennungsmethoden hängen in erster Linie vom Feature-Engineering oder Deep Learning ab, was Potenzial für eine Verbesserung der Genauigkeit und Effizienz bietet. Dies hat die Autoren dazu veranlasst, einen PD-Mustererkennungsalgorithmus vorzuschlagen, der Merkmalsauswahl und tiefes Lernen integriert. Dieser Algorithmus beinhaltet die Entwicklung einer diskreten Wavelet-Entrauschungsfunktion, die speziell auf die Merkmale von PD zur Datenvorverarbeitung zugeschnitten ist. Er verwendet Bayes'sche Optimierungsalgorithmen und leichte Gradient-Boosting-Maschinen zur Charakterisierung von Koronaentladungsmerkmalen. Darüber hinaus werden Multiskalen-Clustering-Merkmale und phasenaufgelöste Merkmale für die Merkmalsfusion entwickelt und aufschlussreiche Merkmale auf der Grundlage der Light-Gradient-Boosting-Maschine konstruiert. Schließlich wird ein neuartiges Deep-Learning-Modell formuliert, das eine außergewöhnliche Erkennungsleistung für Frühfehler in abgedeckten Leitern zeigt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass dieser Algorithmus einen Matthews-Korrelationskoeffizienten von 0,814 erreicht, was eine Verbesserung von 13,2 % gegenüber dem Basisalgorithmus von 0,719 und eine Geschwindigkeitssteigerung von 39,18 % bedeutet. Die endgültige Genauigkeit liegt bei 97,85 %. Dieser Algorithmus zeigt eine außergewöhnliche Leistung bei der Früherkennung von Isolationsfehlern in Leitern.

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