Identification of factors influencing the Whole Body Absorption Rate using statistical analysis

To protect people from Electromagnetic Fields (EMF), ICNIRP has defined limits. The fundamental ones are the Basic Restrictions (BRs) [1]. The BRs determine the maximum values (averaged over the whole body and averaged over 10 grams of tissues) of Specific Absorption Rate (SAR). Since BRs can be complex to assess ICNIRP has also defined derived value: the reference levels (RLs). These RLs were established to guaranty the compliance to the BRs. Several studies with human model voxels (a.k.a. phantoms) show that even below the RLs, the WBSAR (Whole Body average SAR) may exceed the BRs due to the variability of human morphology [2]. In this paper we will identify the morphological factors influencing the WBSAR in the case of a frontal plane wave exposure at the frequency of 2100MHz in isolated conditions and vertical polar. The method is based on the construction of a model that makes it possible to estimate the statistical distribution of the WBSAR for a given human population

Identification des facteurs morphologiques impactant le Débit d'Absorption Spécifique du Corps Entier

Les systèmes fondés sur des technologies liées aux champs électromagnétiques (EM) sont de plus en plus répandus. La question des effets possibles sur la santé dus à ces technologies sont devenues une préoccupation publique. Afin de limiter l'exposition des personnes aux ondes EM, des niveaux de protection appelés restrictions de bases, ont été définis par l'ICNIRP [1]. Ces niveaux fixent des valeurs de Débit d'Absorption Spécifique (Specific Absorption Rate : SAR) à ne pas dépasser. Des niveaux de références ont été dérivés des restrictions de base de façon conservative. Plusieurs études menées avec des modèles numériques d'humains [2,3] (fantômes) montrent que, pour certaines configurations, le WBSAR (Whole Body averged Specific Absorption Rate) est très proche des restrictions de base. D'autres études ont souligné la variabilité du WBSAR due à la variabilité de la morphologie humaine [2]. L'objectif de ce papier est d'identifier les facteurs morphologiques (internes et externes) qui ont un impact sur le WBSAR pour des fantômes exposés à une onde plane à une fréquence fixée à 2100MHz et une densité de puissance de 1W/m²

Bayesian experiment planning applied to numerical dosimetry

To protect people from electromagnetic field, Basic Restrictions (BR) are defined [1]. These BR fix a limit to be not exceeded. The metric associated with these BR is the Specific Absorption Rate (SAR). Reference Levels (RL) are also defined since the BR are difficult to check in situ. These RL set the maximum allowed electromagnetic field. The compliance to RL guaranties the compliance to BR. To evaluate the SAR in the human body, some anatomical models (phantoms) and numerical methods are used (e.g. Finite Difference in Time Domain). Based on this, studies show that for some configurations the Whole Body SAR (WBSAR) is close to BR. Other studies stressed the variability of the WBSAR due to the variability of human morphology [2]. Despite the computing resources development, the number of the phantoms is very limited. This limited number of phantoms does not allow using usual method such as Monte Carlo to assess the maximal threshold of the WBSAR for a given population. Hence the construction of a model of the WBSAR as a function of morphology is required. Nevertheless, the WBSAR is impacted by the external morphology (height and weight) and the internal morphology (proportion of fat, proportion of muscles...). But there is no statistical data concerning the internal ones. In this paper, the external morphology is focused and the internal morphology is released by considering homogeneous phantoms. A Bayesian sequential experiment planning is proposed. This method consists in refining the region of interest of the WBSAR statistical distribution for a given population. This region of interest is the threshold of the WBSAR at 95% (WBSAR95). This study is conducted in the case of a plane wave vertically polarized and frontally oriented on phantoms. The incident power is equal to 1W/m². The frequency is fixed at 2.1GHz

Analyse statistique de la puissance absorbée par le corps entier en radiofréquence

Dans ce papier, nous proposons une identification des facteurs morphologiques qui peuvent impacter le Débit d'Absorption Spécifique (DAS) du corps entier dans le cas d'une onde plan. Cette étude compare différents modèles mathématiques et conclue l'analyse des données par des tests statistiques. Sous certaines hypothèses aussi une approche permettant de quantifier le quantile à 95% du DAS pour le corps entier est enfin proposée

Plan d'expériences séquentiel appliqué à la dosimétrie numérique

Dans ce papier nous allons proposer une méthodologie consistant à trouver la valeur du Débit d'Absorption Spécifique du Corps Entier (DAS_CE) qui couvre 95% d'une population donnée. Cette méthode repose d'une part sur de l'Inférence Bayesienne et d'autre part sur un modèle paramétrique de prédiction du DAS_CE en fonction de la morphologie ainsi que des outils de simulations numériques

Propagation of the variability of the human morphology on the Specific Absorption Rate in numerical dosimetry

Dans ce mémoire, nous étudions l’exposition aux ondes électromagnétiques l’échelle d’une population. Cette étude est réalisée pour une exposition à une onde plane orientée frontalement sur des modèles anatomiques du corps humains (fantômes) avec une puissance incidente de 1W/m2 et une fréquence de 2.1 GHz. Pour ce faire, l’idée est de construire un modèle du WBSAR (Whole Body averaged Specific Absorption Rate) en fonction de lamorphologie. Les facteurs morphologiques influençant le WBSAR ont été identifiés à l’aide des fantômes existant dont le nombre se limite à 18 et des modèles de régressions. Cette analyse préliminaire montre que les facteurs morphologiques externes (taille, poids ...) seuls ne suffisent pas pour construire un tel modèle, mais l’introduction des facteurs morphologiques internes (muscles, graisse ...) est nécessaire. L’absence de données statistiques sur les facteurs morphologiques internes de populations nous a conduits à intégrer des connaissances apriori sur ces facteursafin d’étudier l’exposition d’une population donnée. Des lois paramétriques usuelles et des mélanges de gaussiennes sont utilisés pour modéliser ces facteurs internes afin d’étudier leur influence sur le quantile du WBSAR à 95 %.L’utilisation des fantômes homogènes où le fantôme homogène est obtenu en remplaçant tous les tissus internes par un unique tissu équivalent. Ces fantômes homogènes permettent de s’affranchir de l’influence de la morphologie interne dans un modèle du WBSAR et facilitent également leur déformation par une technique de morphing. Ainsi nous avons pu enrichir la base de fantômes existant. Pour donner une estimation du quantile du WBSAR à 95 %, nous avons mis en place un plan d’expériences séquentiel qui repose sur un modèle paramétrique du WBSAR et l’inférence bayésienne et qui permet de raffiner la région à 95 %. Cette approche nous a permis de trouver le quantile à 95 % pour une population et un exemple de fantôme correspondant. Cependant, cette approche ne permet pas d’obtenir une estimation de toute la distribution du WBSAR. Afin d’obtenir une estimation de toute cette distribution, nous avons construit une surface de réponse en utilisant les polynômes de chaos. Dans l’objectif d’obtenirdes résultats cohérents nous avons effectué un changement de variables permettant de traduire les connaissances physiques dans cette surface de réponse.In this report, a study of the exposure to electromagnetic waves at the level of population is proposed. This study is conducted in the case of a plane wave oriented frontally on anatomical models (phantoms) with an incident power of 1W/m2 and at the frequency of 2.1 GHz. For this purpose, the idea is to build a surrogate model of the WBSAR (Whole Body averaged Specific Absorption Rate) as a function of morphology. An identificationof morphological factor is performed using the limited number of phantoms (18phantoms)and different regressions. This analysis shows that to use only external morphological factors (height, weight ...) is not sufficient to build such surrogate model and that internal morphological factors (muscles, fat ...) are also important. The absence of statistical data on internal morphology conducts us to introduce some prior knowledge on these internal factors to study the exposure for a given population. Some parametric laws and Gaussian mixture are used to study their influence on the quantile of the WBSAR at 95 The lack of data on internal morphology led us to consider homogeneous phantoms instead of the heterogeneous one. In homogeneous phantoms, all the internal tissues are substituted by an equivalent tissue. These homogeneous phantoms allow us to overcome the influence of internal morphology for a WBSAR model and to use a morphing technique to increase the database of phantoms. To give an estimation of the WBSAR quantile at 95 %, a sequential experiment design is used. This approach is based on a parametric model and Bayesian inference. This experiment design allows us to estimate the quantile at 95 for a given population and an example of one corresponding phantom. Nevertheless, this approach does not allow one to estimate the whole distribution of the WBSAR for a given population. To give an estimate of this distribution a surface of response is established using polynomial chaos. This approach gives incoherent results with the physical phenomenon. To obtain coherent results, physical knowledge is introduced by variables changing in this responsesurface

Propagation de la variabilité de la morphologie humaine sur le débit d'absorption spécifique en dosimétrie numérique.

In this report, a study of the exposure to electromagnetic waves at the level of population is proposed. This study is conducted in the case of a plane wave oriented frontally on anatomical models (phantoms) with an incident power of 1W/m2 and at the frequency of 2.1 GHz. For this purpose, the idea is to build a surrogate model of the WBSAR (Whole Body averaged Specific Absorption Rate) as a function of morphology. An identificationof morphological factor is performed using the limited number of phantoms (18phantoms)and different regressions. This analysis shows that to use only external morphological factors (height, weight ...) is not sufficient to build such surrogate model and that internal morphological factors (muscles, fat ...) are also important. The absence of statistical data on internal morphology conducts us to introduce some prior knowledge on these internal factors to study the exposure for a given population. Some parametric laws and Gaussian mixture are used to study their influence on the quantile of the WBSAR at 95 The lack of data on internal morphology led us to consider homogeneous phantoms instead of the heterogeneous one. In homogeneous phantoms, all the internal tissues are substituted by an equivalent tissue. These homogeneous phantoms allow us to overcome the influence of internal morphology for a WBSAR model and to use a morphing technique to increase the database of phantoms. To give an estimation of the WBSAR quantile at 95 %, a sequential experiment design is used. This approach is based on a parametric model and Bayesian inference. This experiment design allows us to estimate the quantile at 95 for a given population and an example of one corresponding phantom. Nevertheless, this approach does not allow one to estimate the whole distribution of the WBSAR for a given population. To give an estimate of this distribution a surface of response is established using polynomial chaos. This approach gives incoherent results with the physical phenomenon. To obtain coherent results, physical knowledge is introduced by variables changing in this responsesurface.Dans ce mémoire, nous étudions l’exposition aux ondes électromagnétiques l’échelle d’une population. Cette étude est réalisée pour une exposition à une onde plane orientée frontalement sur des modèles anatomiques du corps humains (fantômes) avec une puissance incidente de 1W/m2 et une fréquence de 2.1 GHz. Pour ce faire, l’idée est de construire un modèle du WBSAR (Whole Body averaged Specific Absorption Rate) en fonction de lamorphologie. Les facteurs morphologiques influençant le WBSAR ont été identifiés à l’aide des fantômes existant dont le nombre se limite à 18 et des modèles de régressions. Cette analyse préliminaire montre que les facteurs morphologiques externes (taille, poids ...) seuls ne suffisent pas pour construire un tel modèle, mais l’introduction des facteurs morphologiques internes (muscles, graisse ...) est nécessaire. L’absence de données statistiques sur les facteurs morphologiques internes de populations nous a conduits à intégrer des connaissances apriori sur ces facteursafin d’étudier l’exposition d’une population donnée. Des lois paramétriques usuelles et des mélanges de gaussiennes sont utilisés pour modéliser ces facteurs internes afin d’étudier leur influence sur le quantile du WBSAR à 95 %.L’utilisation des fantômes homogènes où le fantôme homogène est obtenu en remplaçant tous les tissus internes par un unique tissu équivalent. Ces fantômes homogènes permettent de s’affranchir de l’influence de la morphologie interne dans un modèle du WBSAR et facilitent également leur déformation par une technique de morphing. Ainsi nous avons pu enrichir la base de fantômes existant. Pour donner une estimation du quantile du WBSAR à 95 %, nous avons mis en place un plan d’expériences séquentiel qui repose sur un modèle paramétrique du WBSAR et l’inférence bayésienne et qui permet de raffiner la région à 95 %. Cette approche nous a permis de trouver le quantile à 95 % pour une population et un exemple de fantôme correspondant. Cependant, cette approche ne permet pas d’obtenir une estimation de toute la distribution du WBSAR. Afin d’obtenir une estimation de toute cette distribution, nous avons construit une surface de réponse en utilisant les polynômes de chaos. Dans l’objectif d’obtenirdes résultats cohérents nous avons effectué un changement de variables permettant de traduire les connaissances physiques dans cette surface de réponse

Global sensitivity analysis of the kinematics obtained with a multi-body optimisation using a parallel mechanism of the shoulder

International audienc