A theoretical way of distinguishing the thermal and non-thermal effects in biological tissues subject to EM radiation

Abstract

 Effects of electromagnetic (EM) radiation to the biological bodies keep receiving great attentions over the years due to extensive applications of many electric devices such as cellular phones, microwave ovens, hyperthermia apparatus, which may emit EM wave during operation. Studies on the mechanisms thus induced on the human body are critical for the safe use of the devices. In this paper, thermal and EM analysises are simultaneously performed to get a better understanding on the concentration shift of ions over a cell membrane in living tissues exposed to various microwaves. The closed form analytical solutions to the thermal and EM fields are obtained. Influence of the temperature increases to the concentration shift of the ions on opposite sides of a cell membrane is correlated. Effects of the microwave to the concentration shift due to thermal or non-thermal effects are compared, respectively. Parametric studies are performed to investigate whether thermal or EM (non-thermal) effects would be the major factor to induce the ion concentration shift. Several simple criterions are established to characterize these behaviors.

Zusammenfassung

 Die Auswirkung elektromagnetischer Strahlung auf biologische Körper erfährt in den letzten Jahren eine zunehmende Bedeutung, da die Verwendung von elektronischen Geräten, wie z.B. Mobil-Telefone, Mikrowellenöfen, die eine derartige Strahlung abgeben, ebenfalls stark zugenommen hat. Eine Untersuchung der zugrundeliegenden Mechanismen des Einwirkens auf den menschlichen Körper ist für den sicheren Gebrauch dieser Geräte von elementarer Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit wird das Ausmaß der lonen-Konzentrationsverschiebung auf der Zellmembranoberfläche infolge des Einwirkens von unterschiedlichen Mikrowellenstrahlungen untersucht. Die analytischen Lösungen für die Temperatur- und elektromagnetischen Felder werden vorgestellt. Der Temperatureinfluß auf die lonen-Konzentrationsverschiebung auf den entgegengesetzten Seiten einer Zellmembran wird aufgezeigt. Der Einfluß einer Mikrowellenstrahlung auf die Konzentrationsverschiebung infolge thermischer und nicht-thermischer Effekte wird verglichen. Parametrische Studien werden vorgestellt, um die Haupteinflußgröße auf die lonenkonzentrationverschiebung herauszuarbeiten. Einige einfache Kriterien werden angegeben, um eine einfache Beurteilung in der Praxis vornehmen zu können.