Történelem | Jog | Életmód | Földrajz | Kultúra | Egészség | Gazdaság | Politika | Mesterségek | Tudományok

A TUDÁS 365+1 NAPJA

Dozimetriai fogalmak

Fizikai és biofizikai megfontolások

A nem ionizáló sugárzások azok az elektromágneses (EM) sugárzások, illetve elektromos és mágneses terek, amelyek hullámhossza a 100 nm és a végtelen (statikus elektromos és mágneses tér) között van, fotonenergiája 12,4 eV-nál kisebb. Az EM sugárzás nem ionizáló jellege a mikrohullámú frekvenciatartományban, illetve alatt egyértelmű, hiszen a mikrohullámú foton energiája 300 GHz-nél is csak 1,24x10^-3 eV, amely a termikus energiánál is kisebb (2,7x10^-2 eV) és így intramolekuláris és intermolekuláris kötésfelhasítások nem feltételezhetők.

A tényleges biológiai hatást okozó elnyelt elektromágneses energia meghatározásához ismerni kell a sejtek és szövetek elektromos tulajdonságait, ugyanis az elnyelt energia mértékét az objektum elektromos permittivitása, ill. mágneses permeabilitása határozza meg. A külső EM térből való makroszkopikus energiafelvétel dielektromos polarizáció útján történik. A dielektromos polarizáció lejátszódásához időre van szükség. Ha az EM tér változásának ideje összemérhető a dipólok térváltozásához szükséges idővel, akkor fáziseltolódások keletkeznek, amelyek az objektumnak frekvenciafüggő tulajdonságot adnak. Az ilyen fázis- vagy időeltolódási jelenségeket diszperziós jelenségeknek, ill. az anyag diszperziós tulajdonságának nevezik. Az külső EM tér periódusideje és a dipólmozgások idejének összemérhetősége adott frekvencián maximális abszorpciót okoz. Ezt a frekvenciát relaxációs frekvenciának, az ehhez tartozó relaxációs körfrekvencia reciprokát relaxációs időnek nevezik.

A biológiai anyagok és a levegő mágneses permeabilitása közel azonos. A biológiailag fontos anyagok és a levegő elektromos permittivitása viszont jelentősen eltérő és a relaxációs folyamatok miatt erősen frekvenciafüggő. A különböző biológiai anyagok, szövetek dielektromos állandója és vesztesége összetett, függ a frekvenciától, és a függés jellegzetes szakaszait (a frekvenciatartományban) diszperziós tartományoknak nevezik [Polk, 1996]. A biológiai anyagoknál több diszperziós tartományt definiáltak. A különböző diszperziós tartományokért a rendszer különböző szintjén jelentkező relaxációs folyamatok felelősek (sejtmembrán, makromolekulák, fehérjék, aminosavak, kötött, ill. szabad víz). A dielektromos állandó spektruma diagnosztikai értékű információt is hordozhat (pl. daganatos, ill. normál szövetek közötti eltérés).

Dozimetriai egységek

A mikrohullámú és RF sugárzások biológiai hatásainak tárgyalásában egyrészt az elméleti villamosságtanban használt szokásos definíciókat használják: elektromos térerősség (E, V/m), mágneses térerősség (H, A/m), ill. teljesítménysűrűség (S, W/m², ill. mW/cm²), amelyek a szabad térben mérhető értékeket adják meg. Ezek meghatározott feltételek mellett (ún. távoltérben) egymásból átszámíthatók. A MH és RF sugárzások térerőssége a távolsággal arányosan, teljesítménysűrűsége a távolsággal négyzetesen csökken.

Az emberi testben, biológiai objektumban elnyelt dózis fogalmára egységesen a fajlagosan elnyelt teljesítmény az ún. SAR (SAR: Specific Absorption Rate) használatos, amely megadja az egységnyi tömegben elnyelt teljesítmény nagyságát W/kg-ban, ill. mW/g-ban. Az SA (SA: Specific Absorption) az SAR időbeli integrálja az elnyelt energiát adja meg J/kg-ban, ill. mJ/g-ban. A MH és RF tartományokban az energia elnyelődésének mértékét döntően a frekvencia és az objektum víztartalma, illetve alakja határozza meg. A víztartalomtól függően az objektumban elnyelt elektromágneses sugárzás hullámhossza és behatolási mélysége csökken. Behatolási mélységen azt a távolságot értjük, ahol az elektromágneses térerősség az e-ed részére csökken (az abszorbeált teljesítmény a felszínhez képest 13,5%-ra csökken).

Az emberben átlagosan elnyelt EM teljesítmény erősen függ az embert érő külső EM tér frekvenciájától. Az emberben elnyelt átlagos SAR meghatározása általában modellek alkalmazásával történik, amely alapján az egységnyi teljesítménysűrűségre vonatkoztatott ([mW/g])/([mW/cm²]) frekvenciafüggő értékek megadása szokásos.

Frekvenciafüggő elnyelőképesség

Az emberben elnyelt RF teljesítmény a biológiai anyagok dielektromos állandójának frekvenciafüggése, valamint a testméret és a hullámhossz aránya miatt erősen függ az embert érő külső EM tér frekvenciájától. Ezt a frekvenciafüggő elnyelést négy szakaszra szokták bontani: szubrezonáns tartomány 20 MHz alatt, rezonáns tartomány 20-300 MHz között, inhomogén lokális elnyelődés tartománya 300 MHz-2 GHz, felszíni elnyelődés 10 GHz felett. Az elnyelt energia eloszlása, különösen a 300 MHz-3 GHz frekvenciatartományban, a biológiai objektumon belül erősen inhomogén. Az inhomogenitást a különböző víztartalmú szövetek struktúrájától függő energiaelnyelés okozza. Az eltérő víztartalmú szövetekben a terjedés sebességének változása miatt az EM tér hullámhossza is megváltozik, s az egyes felülethatárokon fellépő reflexiók is különbözők. A létrejövő SAR eloszlás már viszonylag egyszerű zsír-izom struktúra esetében is igen összetett [Petersen, 19991].

A pulzus-, ill. amplitúdómodulált RF és mikrohullámú elektromágneses terek által keletkezett SAR modulációtól való függésében azt találták, hogy 1 MHz-nél alacsonyabb moduláló frekvenciánál a modulált EM sugárzás vivőfrekvenciája határozza meg az SAR eloszlását és nagyságát, s ebben az esetben a biológiai objektumokban az elnyelt pulzus időbeli alakja sem torzul el. 10 MHz-nél magasabb frekvenciájú moduláció esetében az SAR kialakulását (behatolási mélység, eloszlás) döntő mértékben a moduláló pulzus alapharmonikusa határozza meg, és a pulzus időbeli alakja is torzul.

Mikroszkopikus dozimetria

Az EM terek dozimetriájában is előtérbe kerültek a mikroszkopikus dozimetriai megfontolások. A kérdés az, hogy a makroszkopikusan meghatározott elnyelődés milyen szinten lép kölcsönhatásba a biológiai rendszerrel, illetve ennek milyen frekvenciafüggő jellege lehetséges. Melyek azok a frekvenciák, amelyek elsősorban a makromolekulákat, a sejtmembránt, a sejtfelszínt, a citoszkeletont, a citoplazmát, az intracelluláris membránokat stb. érintik, illetve ott nyelődnek el? Míg alacsony frekvenciákon (néhány 100 kHz alatt) a sejtmembrán leárnyékolja a külső elektromos teret, addig az RF frekvencia tartományokban a sejtmembrán fokozatosan "átlátszóvá" válik és a sugárzás az intracelluláris tartományban nyelődik el. A sejtmembránhoz kötődő, ill. egyéb sejtorganellumok által elnyelt energia nehezen becsülhető, míg az intracelluláris membránokban való elnyelődés csak egy meghatározott frekvenciatartományban lehetséges. Ennek alapján alacsony frekvenciáknál, ill. alacsony frekvenciákat tartalmazó pulzusmodulált EM tereknél elsősorban sejtmembránra gyakorolt (transzmembrán) hatást feltételezhetünk. Magasabb RF és mikrohullámú frekvenciákon az intracelluláris tér érintett, míg a sejtfelszínen lejátszódó folyamatokra gyakorolt hatás frekvenciafüggőségét e fizikai modell alapján nehéz megbecsülni [Repacholi, 1998, Tenforde, 1996].

A lakosság elektromágneses expozíciója

Környezeti expozíciók rádiófrekvenciás sugárzás esetében

A környezet természetes RF háttérintenzitása kevesebb mint 1,4x10-9 mikroW/m². A mesterséges RF sugárzások a környezetben elsősorban a rádió- és tévéadókból származnak, de nem elhanyagolható az egyre növekvő számú rádiótelefon-bázisállomásokból eredő sugárzás nagysága sem. Az embert érő RF és MH expozíció meghatározásánál ismerni kell az adóberendezés frekvenciáját, teljesítményét, a sugárzó antenna tulajdonságait és a terepviszonyokat (beépítettséget). A sugárzás 300 MHz felett, a fényhez hasonlóan, egyenes vonalban terjed, míg alacsonyabb frekvenciákon követi a Föld görbületét, illetve az ionoszféra közvetítésével terjed. Minél magasabb a frekvencia, annál jobban irányítható a sugárzás. A sugárzás kibocsátására szolgáló antenna fontos tulajdonsága, hogy az adott sugárzást mekkora területen szórja szét. Ez a tulajdonság az antenna sugárzási karakterisztikájával, illetve az antenna nyereségével jellemezhető [Thuróczy, 1996/1].

Egy USA-beli tanulmány szerint a 70-es években, az FM rádió, VHF és UHF sávban működő tévéadókból eredő teljesítménysűrűség középértéke a városi környezetben kb. 50 mikroW/m² volt. Az USA-ban a városi lakosság 0,1%-a 2 V/m-t meghaladó RF térerősségben él. Svédországi mérés szerint egy nagyváros centrumában levő irodában az expozíció 20 mikroW/m² volt a 10 kHz-1 GHz tartományban, ugyanakkor egy 100 000 lakosú városban a rádióadókból eredő, lakásban mérhető sugárzás 1 mikroW/m² körül van. Hazai mérések alapján egy átlagos bázisállomás esetében (100 W ERP effektív kisugárzott teljesítménynél) az antenna síkjában 30-40 m-re a teljesítménysűrűség 1 mikroW/cm² alá csökken, és a lakosság tartózkodási helyein ez az érték általában kisebb, mint 0,1 mikroW/cm².

Egyéb lakossági RF expozíciók

A lakosság által is használatos mikrohullámú sütők az utóbbi években az egész világon, és velük igen nagy teljesítményű mikrohullámú berendezések kerültek a lakásokon belülre. A piacra kerülő berendezések sugárzására vonatkozó nemzetközi és hazai szabványok egységesek, és a sütő felületétől 5 cm-re maximálisan 5 mW/cm² teljesítménysűrűséget engedélyeznek. Irodalmi adatok és saját tapasztalataink is azt mutatják, hogy a sütők új állapotban kielégítik az említett előírásokat [Jánossy, 1991/2].

Széles körű elterjedése és használata miatt a lakosságra vonatkozó terhelésnek (s nem csak munkahelyi sugárvédelmi kérdésnek) kell tekintenünk a számítógépes képernyők elektromos és mágneses terét. A monitorok elektromos, ill. mágneses terének frekvenciája a hálózati 50 Hz mellett 15 és 60 kHz között van, amely függ a készülék típusától (színes, monokróm, multiszinkron stb.). A nemzetközi adatok és saját méréseink is azt mutatják, hogy az 50 Hz-es elektromos és mágneses terek 1-10 V/m, ill. 0,08-0,6 A/m (0,1-0,7 µT) között, a 15-35 kHz-es frekvenciákon 10 V/m, ill. 0,17 A/m (0,21 µT) alatt vannak a felhasználó helyén, amelyek nem haladják meg a nemzeti szabványokban és nemzetközi ajánlásokban megengedett értékeket. A gyakori szem- és borérzékenységgel kapcsolatos panaszok a statikus feltöltődésből eredő porszemek szembe, arcra történő lecsapódásából erednek [Jánossy, 1991/1].

A lehetséges biológiai kölcsönhatások néhány modellje

Az EM terek biológiai hatásaira vonatkozó kísérletes adatok alapján a sejtmembránon zajló szabályozási folyamatok kerültek előtérbe. Feltételezik, hogy az extracelluláris térben keletkező áramsűrűség a sejtfelszíni receptorok, kötőhelyek működésében kelthet zavart, amely intracelluláris biokémiai kölcsönhatásokhoz is vezethet. Ezzel összefüggésben a sejt növekedésének és osztódásának szabályozása és az ebben közreműködő enzimek aktivitásának vizsgálata állnak a középpontban.

A kölcsönhatásmodellek biofizika felől történő értelmezésének központjában a sejtmembrán áll. A legnagyobb problémát az jelenti, hogy a külső EM expozícióból a sejtmembránon, illetve a sejt közötti állományban keletkezett elektromos térerősség, illetve áramsűrűség sokkal kisebb, mint a biológiai rendszerek normál működése során keletkező belső elektromágneses terek. A fizikai kölcsönhatások modelljeiben ezt az elektronikában is ismert jel/zaj viszonnyal írják le. A biológiai rendszerekben fellépő elektromos zaj a termikus zajból (Nyquist-zaj), a feszültségáram zajból (ún. 1/f zaj), elektronzajból (töltött részecske mozgásából adódó zajból) és az elektromos potenciálokat keltő szövetek, idegsejtek bioelektromos zajából összegződik. Ennek alapján a külső elektromágneses térből keletkező jel és az állandóan jelenlévő zaj viszonya 10^-3-10^-4-nél is rosszabb. A feltételezett hatásmechanizmus-modellek arra keresnek választ, hogy a biológiai rendszerek hogyan képesek ezt a rossz jel/zaj viszonyt legyőzni, ezáltal a külső elektromágneses térrel kölcsönhatásba lépni. A kölcsönhatások fizikai modelljeinek alapját a biológiai mikrostruktúrák (sejtmembránok, sejtkapcsolatok, idegsejtek) fiziko-kémiai felépítésének nemlineáris és funkcionális működésének rezonanciát, időben periodicitást tartalmazó jellege adja.

A lehetséges jel/zaj viszony javítását igazoló modellek a következők: a mikrostruktúrák nemlineáris dinamikus egyensúlyi állapotai mentén kialakuló (jel)erősítési folyamatok, a biológiai struktúrák szűk sávszélességéből és a külső elektromágneses jel koherenciájából keletkező jel/zaj viszony javulás, valamilyen rezonancia alapján létrejövő kölcsönhatások, a sejtkapcsolatok elektromos csatolásából és kommunikációjából adódó jel/zaj viszony javulás, a biológiai mikrostruktúrák ferromágneses partikuláinak kölcsönhatása a külső elektromágnes térrel. Mivel a biológiai rendszerek a sejtek funkcionálisan is összetartozó összességéből állnak, a kölcsönhatások leírásában helyet kaptak a sejtkapcsolatok (elektromos) csatolását és kommunikációját figyelembe vevő modellek. E modellek lényege, hogy az elektromosan és funkcionálisan csatolt sejtek (sejtmembránok) nem függetlenek, ezért egy adott sejtcsoportra vonatkozó jel/zaj viszony sokkal jobb lehet, mint az egyedi sejt esetében. Elektrodinamikai modell alapján kimutatták, hogy N számú elektromosan csatolt sejtmembrán a jel/zaj viszonyt N^-5/6 arányban javítja. Például egymillió sejt esetében ez 100 000-szeres javulást okozhat, ami már 0,1 µV/m-es érzékelést tenne lehetővé. A sejtkapcsolások neuronhálózati modelljében az adaptív tulajdonság miatt a hálózatban érintett sejtek száma nemlineárisan függ össze a jel/zaj viszony javulással.

Egészen új megközelítést hozott az a felismerés, hogy számos biológiai szövet ferromágneses kristályokat, ún. magnetitokat (Fe₃O₄) tartalmaz. E kristályokat megtalálták méhekben, madarakban, hüllőkben, és feltételezés szerint a tájékozódásban nyújtanak segítséget. A méhek ezáltal 10^-9 T mágneses indukciót, a madarak a Föld mágneses terének 10^-5 nagyságú változását is érzékelni tudják. A mágneses térrel történő kölcsönhatás lehetséges szerepét az adja, hogy az emberi agyszövet is tartalmaz magnetitokat. Mennyisége grammonként eléri a milliót, mérete 200 nm körüli (állatokban 20-30 nm). A kölcsönhatásban játszott szerepét nem a mennyisége (ui. csak minden századik sejtre jut egy kristály, és ezt a szakemberek kevésnek tartják), hanem a helye adja. Feltételezések szerint a membránhoz kötődő magnetit, mágneses momentuma miatt, a külső elektromágneses tér hatására mozgásba jön, és a nyomásérzékelő receptorok segítségével a sejtmembrán ioncsatornáinak ki- és bezáródását befolyásolja [Tenforde, 1996, UNEP/WHO, 1987].

Thuróczy György [Magyar Tudomány, 2002./8 .]

Az oldal tartalma a Változó Világ Internetportál Tartalomkezelési szabályzatának felel meg, és eszerint használható fel (GFDL-közeli feltételek). 1988-2010