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recherche & développement Interactions Ondes – Personnes. L'apport de la dosimetrie . Joe Wiart Orange Labs R&D Nov 2008

Recherche & développement Interactions Ondes – Personnes. L'apport de la dosimetrie. Joe Wiart Orange Labs R&D Nov 2008

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recherche & développement

Interactions Ondes – Personnes.L'apport de la dosimetrie .

Joe Wiart

Orange Labs R&D

Nov 2008

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Des ondes électromagnétiques et des antennes : les fondements

Protection des personnes et questions actuelles

Au-delà des effets connus

Évaluer l'exposition: l'objectif de la dosimétrie et la contribution de Orange Labs R&D

Conclusion

1

2

3

sommaire

4

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1Des ondes électromagnétiques et des antennes …. Les fondements

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Les ondes électromagnétiques dans l'environnement domestique Les ondes électromagnétiques sont à la

base de l'essentiel des communications sans fils.

Mais les systèmes de communications ne sont pas les seuls à utiliser ou émettre des ondes RF

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Qu'est ce qu'une onde?

Perturbation d'un milieu

onde

période : T

Longueur d'onde

Fréquence: 1/T

amplitude

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Et une onde électromagnétique ?

Une énergie transportée sans support matériel et qui véhicule l'information

Des champs électrique et magnétique couplés

En radiofréquence et Loin des sources les champ électrique et magnétique ont une structure d'onde plané et sont proportionnels

EH

HE

La circulation de l'un est lié à la dérivée temporelle du flux de l'autre

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Des antennes pourquoi ?

Dans un réseau cellulaire Le rôle de l'antenne est

d'émettre le signal de privilégier une direction

Le rôle d'une antenne est de créer ou de capter un champ électromagnétique

Les antennes assurent la liaison entre systèmes sans fils

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Structure du Champ électromagnétique crée par une antenne

La valeur du champ électrique

Décroit avec la distance (inversement proportionnel)

Dépend de la directivité de l'antenne

champ électrique

020406080

100

0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00

Loin des antennes les champ électrique et magnétique sont orthogonaux et proportionnels

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Puissance rayonnée

Relation puissance- champ Le carré de la valeur du champ électrique

est proportionnel a la puissance émise.

Variation de la puissance Les systèmes n'émettent pas forcément en

permanence au maximum et pas a puissance constante

E²/η=P/(4Πr²)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 220.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5time variation of FM services normalized to the mean value

FM

/Mea

n va

lue

Hours

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 220.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5time variation of GSM1800 services normalized to the mean value

GS

M18

00/M

ean

valu

e

Hours

Antenne GSM Antenne FM Wifi GSM

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Une gestion de la puissance qui dépend de la technologie.

Le GSM et l'UMTS n'ont pas la même stratégie de gestion de la puissance.

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Propagation et Absorption

Les milieux matériels à pertes absorbent les ondes électromagnétiques.

L'absorption dépend de la forme, des tissus et de la fréquence

incident

réfléchie

Transmise et

absorbée

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Quantification de la puissance absorbée par les tissus

( )dW

ddmSARdt

Energie absorbée

MasseTemps

Débit d'Absorption SpécifiqueSpecific Absorption Rate

Moyenné localement ( 10g) ou sur le corps entier

²2E

SAR

Proportionnel au carré du champ

électrique dans les tissues

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Protection des personnes

2

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Des niveaux de protection existent

Etablis par la Commission Internationale de Protection contre les rayonnements non ionisant.( ICNIRP)

En Europe ces niveaux ont été validés par le CSTEE

et le SCENIHR

En France ces niveaux ont été repris par un décret en 2002

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Comment ont-elles été établies et de quoi protègent elles?

Basées sur la littérature scientifique

Protègent des effets connus

En RF 4 watt/kg peuvent entrainer une augmentation de température de plus de 1°

En RF ils limitent la puissance absorbée par les tissus

50 fois en dessous des effets sanitaires pour le grand public 10 fois en dessous pour les travailleurs

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Les limites fondamentales: les restrictions de base

grand public

travailleurs

limite d‘exposition local moyennée sur 10g de

tissus

tête et tronc 2 W/kg 10 W/kg

membres 4 W/kg 20 W/kg

limite d‘exposition "corps entier" 0,08 W/kg 0,4 W/kg

En RF les Restrictions de base, limites fondamentales, limitent la puissance absorbée.

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Des restrictions de base aux niveaux de références.

Grand public Travailleur

900 MHz 41 V/m 92 V/m

1800 MHz 58 V/m 130 V/m

2100 MHz 61 V/m 137 V/m

L’évaluation directe des restrictions de base n’est pas toujours possible. Des niveaux dérivés, Les niveaux de références ont été établis afin de permettre une vérification indirecte de la conformité aux restrictions de base.

Évaluation de l'absorption des humains Établissement d'un gabarit de protection.

Les normes sont fondamentalement en puissance. Donc attention à 900 MHz 41 v/m représente 100% de la limite mais 4,1 v/m représente 1% de la limite.

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Comment vérifier la conformité à ces limites

Mobile • Tests de conformité des mobiles (EN50360 & EN50361) adoptée en 2001• IEC 62209-1 a remplacé la EN50360 en 2006

Antenne de station de Base

• Mise sur le marché (EN50383, EN50384 & EN50385) adoptée en 2002

• Mise en Service (EN50400, EN50401) adoptée in 2005

• Mesure in situ), EN50492 adoptée in 2008

• Protocole de mesure in situ de l'ANFR

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Niveaux d'exposition induits par les systèmes existants (1)

Les stations de base et points d'accès WiFi entre 1000 et plus de 100000 fois en dessous des normes

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Niveaux d'exposition induits par les systèmes existants (2)

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Mais des questions subsistent

Utilisation des mobiles par les enfants.

Des sources d'expositions nouvelles, multiples.

Exposition sur de longues périodes..

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3Au-delà des effets connus…

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Sanitaire vs effets biologiques

Recherche Biologique

Aucune actionAucune action

Résultat Négatif

Résultat Négatif

Résultat Positif

Réplication

Effet avéré

Impact Sanitaire ? Aucune actionAucune action

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Y a-t-il d'autres effets que ceux connus? Beaucoup d'études ont été menées. Les études coordonnées par le projet EMF de

l'Organisation Mondiale de la Santé (OMS). Crée en 1996 pour coordonner les recherches (www.who.int)

Plus de 600 études biomédicales menées et répertoriées dans la base de donnée de l'OMS

In Vitro In vivo Humaines Epidémiologiques

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De nombreux groupes d'experts ont synthétisé les connaissances

France : AFSSE

Royaume Uni: MTHR

Suède SSI

Pays Bas: Health Council.

Canada: Société Royale du Canada

Australie

Belgique

Irlande…

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Mobiles et stations de base: des problèmes différents

« Il n’y a pas de preuve scientifique à ce jour que le Wi-Fi et les autres technologies sans fil aient un impact négatif sur la santé du grand public. Les signaux sont très

faibles, de l’ordre de 0,1 Watt au niveau de l’ordinateur et du routeur et les résultats à ce jour montrent des expositions très inférieures aux seuils de l’ICNIRP. Compte tenu de

ces éléments, il n’existe aucune raison pour que les écoles et les autres lieux ne continuent pas d’utiliser le Wi-Fi et les autres réseaux sans fil. » - Communiqué du

Health Protection Agency, Royaume-Uni, octobre 2007.

« Bien qu’aucune preuve scientifique ne permette de démontrer que l’utilisation des téléphones mobiles présente un risque pour la santé, cette hypothèse ne peut

définitivement être exclue …. » dossier "Téléphonie mobile (Champs électromagnétiques - Radiofréquences)" actualisé en septembre 2005 du

ministère de la santé et des solidarités

« Compte tenu des très faibles niveaux d’exposition et des résultats des travaux de recherche obtenus à ce jour, il n’existe aucun élément scientifique probant

confirmant d’éventuels effets nocifs des stations de base et des réseaux sans fil pour la santé. » - Aide-mémoire n°304 de l’Organisation Mondiale de la Santé,

mai 2006.

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Importance de la qualité des études

Les conditions d'expérimentation sont fondamentales

Protocole. Traitement statistique. Dosimétrie.

La réplication est indispensable.

La matière vivante est complexe Une seule étude n'est pas suffisante

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Les réplications sont indispensables

Exemple d'études "positives" mais dont les réplications n'ont pas confirmé les résultats.

Cancer (Repacholi 1996)

Barriere hémato encéphalique (Aubineau 2001)

Protéines de choc thermique ( De Pomerai 2000)

Effet sur le bien être (TNO 2000)

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Complexité des études épidémiologiques:

Exemple de l'étude "Nordic and UK Interphone studies combined"Lahkola et al. Int J Cancer 2007,

Case-control study: 1521 glioma cases and 3301 controls

Utilisation du tel depuis départ en années OR (95% CI) Nb de cas0.5-4 0.77 (0.65-0.92) 3845-9 0.75 (0.62-0.90) 342>10 0.95 (0.74-1.23) 143

Coté de la tête: Même coté Opposé0.5-4 years 1.08 (0.88-1.31) 0.70 (0.57-0.87)5-9 years 1.10 (0.89-1.35) 0.74 (0.59-

0.92)>10 years 1.39 (1.01-1.92) 0.98 (0.71-

1.37)

(cas/population)exposés

(cas/population)non-exposés

OR=

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Les biais possibles

Biais de sélection N'y a-t'il pas un biais lié à la population qui accepte d'être "contrôle"

Biais liés à des erreurs de mémoire

N'y a-t'il pas un biais lié au fait que les personnes pensent avoir utilisé le portable du coté de la tumeur

Biais liés aux faibles nombres

Ex étude suédoise/tumeur nerf auditif: 14 cas ayant utilisé le portable depuis plus de 10 ans

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4L'importance de la dosimétrie

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Qu'est ce que la dosimétrie?

Évaluer les niveaux d'exposition

Champ Electrique et Magnétique Puissance absorbée DAS

En fonction

Des systèmes Des morphologies Des usages…

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Simulation et mesures des approches complémentaires. Mesure

Mesure invasive - - -

Complexe la mesure dans les milieux hétérogènes - - -

Mesure directe du champs induit par une source + + +

Sensibilité limitée des sondes de température - -

Simulation Estimation non invasive + + +

L'hétérogénéité des tissus n'est pas un problème + + +

Le résultat dépend de la qualité et de la précision des modèles. - - -

Pas de limite de sensibilité + +

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Mesure : Gros efforts menés depuis plus de 10 ans

Sondes de SAR

Sondes de champ

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Analyse de la conformité Définition d'une forme et d'un liquide

qui garantissent que le SAR max sur un cube de 10 grammes sera toujours inférieur dans une vraie tête.

Méthode normalisée (CENELEC EN50361 et IEC 62209-1)

Un fantôme homogène Des positions de test Un liquide équivalent

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Les tests

Puissance maximum

Plusieurs positions

Plusieurs fréquences

Recherche du SAR max sur un cube de 10 grammes

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Mesures de champ

La contrainte des variations rapides…

Comment évaluer l'incertitude de l'évaluation?

Combien de point de mesure?

traffic variation

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

0:0

0

1:0

0

2:0

0

3:0

0

4:0

0

5:0

0

6:0

0

7:0

0

8:0

0

9:0

0

10

:00

11

:00

12

:00

13

:00

14

:00

15

:00

16

:00

17

:00

18

:00

19

:00

20

:00

21

:00

22

:00

23

:00

Heure

Tra

fic

no

rma

lis

é a

u m

ax

imu

m

dB

meters

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Des études statistiques pour évaluer l'incertitude.

Analyse de l’erreur sur la moyenne estimée en fonction

Du type de variations rapides

Du nombre de points.

E Larcheveque, C Dale, M.F Wong and J. Wiart, & al Analysis of Electric Field Averaging for In-situ Radiofrequency Exposure Assessment IEEE trans on VTC , Vol. 54, N°. 4, July 2005 1245

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recherche & développement Groupe France Télécom Nov2008 – p39

Dosimétrie personnelle

SUPERVISEUR/TRAITEMENT

USB

Analog to Digital

Converter

data storage

TV3

FM

TV4&5

GSM Tx

GSM Rx

DCS Tx

DCS Rx

UMTS Tx

UMTS Rx

Vbatterie

(temperature

power supply

real time clock

RF board power supply

RF board control

RF board

user’s interface

Enregistrement sur 10 heures

Geostatistical Estimation of Electromagnetic Exposure Y. Ould Isselmou, H.Wackernagel,W. Tabbara and J.Wiart A. Soares et al. (eds.), geoENV VI – Geostatistics for Environmental Applications, Springer 2008 pp 59–69

Estimating radioelectric exposure in the framework of an urban environmental monitoring system Béatrice Augereau, Hans Wackernagel, Walid Tabbara, Joe Wiart GeoENv 08

)()( ssZ - L'exposition est faible (70% en dessous de 0,05 v/m)

- Des outils géostatistiques pour interpoler

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Dosimetrie numérique : une montée en puissance Gros efforts depuis 10 ans

Les moyens de calculs progressent

Il y a 10 ans un modèle simpliste de téléphone et une sphère avec une résolution faible demandaient des jours de calculs

Aujourd'hui une tête + un téléphone avec une résolution millimétrique demande 15- 20 minutes.

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Des modèles complexes et volumineux

Les tissus sont trés hétérogenes

1 mm resolution ->tete = ~ 9 106 cellules….

2 mm resolution -> corps entier ~ 60 106 cellules

Les méthodes basées sur l'inversion de matrice sont a proscrire….

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Les tissus sont des dielectriques à pertes

Tissue Epslon SigmaBlood 61.3 1.53Bone_Cortical 12.4 0.14Bone_Marrow_Infiltrated 11.2 0.22Bone_Marrow_Not_Infilt 5.5 0.04Cartilage 42.6 0.78Cerebro_Spinal_Fluid 68.6 2.41Eye_Tissue(Sclera) 55.2 1.16Fat 5.4 0.05Grey_Matter 52.7 0.94Muscle 55.0 0.94Nerve(Spinal_chord) 32.5 0.57Skin(Dry) 41.4 0.86Skin(Wet) 46.0 0.84Tongue 55.2 0.93White_Matter 38.8 0.59

•900 MHzhttp://www.fcc.gov/fcc-bin/dielec.sh

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Les tissus sont dispersifs.

Peau

LCR

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recherche & développement Groupe France Télécom Nov2008 – p44

E ( n-1 ) H ( n-1/2 )E ( n )

H ( n+1/2 )t

Méthode Numerique: la FDTD

Simple Précision acceptable Sans inversion….

La FDTD évalue les dérivées partielles via des différences finies

L'espace est découpé en petits cubes

Les ondes sont "propagées" sur ce maillage via les equations de Maxwell.

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recherche & développement Groupe France Télécom Nov2008 – p45

Le SAR via la FDTD

Le DAS ou SAR est calculé au centre de chaque cellule de 1 mm de coté.

E au centre de la cellule

²2E

SAR

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Un point crucial les modèles de sources

camera

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Un autre point crucial les modèles de personnes ou d'animaux

Sources: IRM

Coupes

Segmentation

( reconnaissance des tissus)

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Approche élégantes mais les modèles sont complexes à construire

Résolution millimétrique

Basés sur Acquisition directe ( VH) ou IRM

Peu de modèles , ce qui pose la question de la représentativité

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Application

recherche & développement

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Exemples d’application: Evaluation d ’un système d ’exposition

0 5 10 15 20 25 30 35 400

5

10

15

Ski

n

SAR Histograms per tissue (100 highest value)

0 5 10 15 20 25 30 35 400

50

100

Sku

ll

0 5 10 15 20 25 30 35 400

5

10

15

Dur

amat

ter

0 5 10 15 20 25 30 35 400

10

20

30

Bra

in

W/kg for 1 Watt emitted

Tissues Maximum SAR

(W/kg)

95% Confidence interval (W/kg)

Skin 33.5 8

Skull 2.5 0.5

Brain 15.5 5

Dura Mater 15.5 5

Inside the brain at 1 mm from the skull

12 2.5

Dosimetric analysis of a 900-MHz rat head exposure systemLeveque, P.; Dale, C.; Veyret, B.; Wiart, J. IEEE Transactions on Microwave Theory

and Techniques ,Volume: 52 , Issue: 8 , Aug. 2004 Pages:2076 – 2083 

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recherche & développement Groupe France Télécom Nov2008 – p51

Evaluation des niveaux de SAR dans la tête d’un utilisateur

GSM 900 GSM 1800

UMTS

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Etude de la relation SAR / augmentation de température

extérieurlavec

peauladeEchangeshhh

lationThermoréguTTCb

eMétabolismh

EMChampsSAR

DiffusionTkt

TC

EVACONVRAD

bbf

m

'

)(

.

.

)(.

SAR

Augmentation de température

0,07°

Heating

Cooling

Metabolism

Blood perfusion

Radiation

Evaporation

Convection

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recherche & développement Groupe France Télécom Nov2008 – p53

L'exposition des enfants

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recherche & développement Groupe France Télécom Nov2008 – p54

Une tête d'enfant n'est pas une petite tête d'adulte….

Beaucoup de questions sont induites par une étude menée il y a 10 ans…

Une tête d'adulte avait été réduite uniformément

Le maillage initial était relativement grossier (2*2*3 mm)

La tête "d'enfant" n'était pas une tête humaine.

- les proportions sont différentes

80%

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recherche & développement Groupe France Télécom Nov2008 – p55

Des têtes d'enfants ont été développées.

Basée sur des Images IRM

Basée sur des techniques de Morphing

Segmentation of the Skull in MRI Volumes Using Deformable Model and Taking the Partial Volume Effect into Account H. Rifai and I. Bloch and S. Hutchinson, J. Wiart and L. Garnero, Medical

Image Analysis, Vol 4 N°3 pp 219-233 (2000/09)

Study of Specific Absorption Rate (SAR) Induced in the Two Child Head Models and Adult Heads Using a Mobile Phones Abdelhamid Hadjem, David Lautru, Christian Dale, Man Faï Wong, Victor Fouad Hanna, Joe Wiart IEEE Trans. MTT ; Vol.°53 ; N° 1 ; janvier 2005 ; pp. 4-11.

Modeling of RF exposure in children J. Wiart,  A. Hadjem, N. Gadi, I Bloch,  M F Wong,, A Pradier, D Lautru; V.F Hanna and C. Dale. Bioelectromagnetics Vol 26 Issue S7 pp 45-50 2005

Brain vol vs Skull thickness

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recherche & développement Groupe France Télécom Nov2008 – p56

Enfants vs adultes avec les modèles actuels

Pas de différence pour le DAS sur 10g

Localement l'exposition peut être différente.

Eg les tissus périphériques du cerveau

Relative SAR in children and Adult brain tissues

0,000,250,500,751,001,251,501,752,00

2400MHz

2100MHz

1800MHz

900MHz

2400MHz

2100MHz

1800MHz

900MHz

2400MHz

2100MHz

1800MHz

900MHz

DMP CMP GMP

SAR

(w

/kg)

Children 5-8

chidren 8-15

Adult

Analysis of RF exposure in the head tissues of children and adults J. Wiart, A Hadjem, M F Wong and I Bloch, Phys. Med.

Biol. 53 (2008) 3681–3695

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recherche & développement Groupe France Télécom Nov2008 – p57

Influence des nouveaux usages

Exposition comparée

@ 10 cm en face de la tête l'exposition est égale à 10% de celle induite par le téléphone prés de l'oreille

@ 40 cm cette exposition est de l'ordre de 1%

SAR over 10g in position SMS / SAR over 10g in voice position

9 y.o15 y.o

VH

SAM

9 y.o

15 y.o

VH

SAM

-

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

Tri band at 2100MHz IEEE mobile phone at 2100MHz

Ra

tio

d

d

à 10 cm et à 40 cm

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recherche & développement Groupe France Télécom Nov2008 – p59

Exposition corps entier

DAS corps entier vs champ Incident. Des modèles ont été développé

mondialement …. et montrent une grande variabilité.

Variability analysis of SAR from 20 MHz to 2.4 GHz for different adult and child models using finite-difference time-domain E Conil, A Hadjem, F Lacroux, M F Wong and J Wiart

. Phys. Med. Biol 2008 . 53 1511-1525 

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recherche & développement Groupe France Télécom Nov2008 – p60

RF exposure is facing complexity, variability and representativeness

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recherche & développement Groupe France Télécom Nov2008 – p61

morphologie est variable…

Main Tissues of Phantoms

5% 8% 12%6% 7%

43

%

47

%

47

%

42

%

45

%

33

%

29

% 18

%

14

%

21

%

22

%

32

%

13

%

11

%

12

%

14

%

15

%

6%

10

% 16

% 15

%

17

%

11

%

16

%1

3%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

VH Zubal Korean JapanMale

Norman JapanFemale

ma

ss

pe

rce

nt

(%)

others

brain

fat

muscles

bones

skin

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recherche & développement Groupe France Télécom Nov2008 – p62

Les êtres humains sont similaires mais différents Mondialement moins de 15 modèles..

Quelle représentativité de ces modèles?

Comment extrapoler ?

0 10 20 30 400

0.05

0.1

0.15

0.2

BMI

Comparison of BMI and w eight of phantoms w ith the distribution of French of 20 yeras of age

0 50 100 1500

0.01

0.02

0.03

0.04

Weight

0 10 20 30 400

0.05

0.1

0.15

0.2

BMI

Comparison of BMI and w eight of phantoms w ith the distribution of chinese of 20-24 years of age

0 50 100 1500

0.02

0.04

0.06

Weight0 10 20 30 40

0

0.05

0.1

0.15

0.2

BMI

Comparison of BMI and w eight of phantoms w ith the distribution of French of 20 yeras of age

0 50 100 1500

0.01

0.02

0.03

0.04

Weight

0 10 20 30 400

0.05

0.1

0.15

0.2

BMI

Comparison of BMI and w eight of phantoms w ith the distribution of chinese of 20-24 years of age

0 50 100 1500

0.02

0.04

0.06

Weight

Chinese population

20-24 Years old

French population

20 years old

BMI distribution

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recherche & développement Groupe France Télécom Nov2008 – p63

Challenge actuel: évaluation de l'incertitude liée à la variabilité des données d'entrée

x1

xi

xN

Quels sont les paramètres influants

Quel est la valeur du SAR max à 95%

Avec comme contrainte majeure le nombre réduit de modèles.

Piste actuelle:

Méthode probabiliste

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4Conclusions ….

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recherche & développement Groupe France Télécom Nov2008 – p65

Dans la confusion trouver la simplicité

De la discorde faire jaillir l'harmonie

Au milieu de la difficulté se trouve l'opportunité

Albert Einstein,

Trois règles de travail