Cep telefonu elektromanyetik ışımasının insan kulak bölgesinde sebep olduğu sıcaklık artışının termal görüntüleme tekniği, bulanık C-ortalama ve beklenti maksimizasyonu yöntemleri ile analizi

Abstract

Cep telefonu haberleşmesi, elektromanyetik dalga vasıtasıyla sinyalin transfer edilmesi sonucu gerçekleşir. Cep telefonundan yayılan Elektromanyetik dalga, vücut tarafından emilir. Emilen elektromanyetik radyasyon, vücutta bazı somut ölçülebilir etkiler meydana getirir. Bu tez çalışmasında, cep telefonunun yetişkin bir insanın kulak ve yakın civarında bulunan yumuşak dokuda sebep olduğu termal etki incelenmiştir. Elektromanyetik radyasyonun emiliminden kaynaklanan insanın kulak ve etrafında meydana gelen termal etki, termal görüntüleme sistemleri ile görüntülenmiş ve analiz edilmiştir. Farklı SAR değerlerine sahip iki cep telefonu GSM900 ve DCS1800 servisleri ile kullanılmıştır. Bu tez çalışmasında, üç temel unsurun etkisi incelenmiştir: Cep telefonu SAR (Özgül Soğurma Oranı) değerinin etkisi, çalışma frekansının etkisi ve her iki frekansın karma etkisi (Mixed Effect). Günümüzde iki farklı frekansın kullanıldığı (çift hatlı) cep telefonları olduğu gibi farklı servislerle kullanılan çok fazla sayıda cep telefonları da mevcuttur. Çift hatlı telefonlarda iki farklı frekans ardışık olarak kullanılabilmektedir. Bu açıdan karma etkinin incelenmesi bu tür telefonların termal etkisi hakkında bilgi verecektir. Yapılan literatür araştırmasına göre karma etkinin incelenmediği görülmüştür. Çalışma yöntemi şöyle özetlenebilir: Her seansı 50 dakika süren cep telefonu konuşması esnasında Flir firmasına ait SC640 model termal kamera ile görüntü kaydı alınmıştır. Alınan görüntüler, Termal görüntüleme tekniği (TGT), Bulanık C-Ortalama Algoritması (FCM) ve Beklenti Maksimizasyonu (EM) Algoritması ile ayrı ayrı analiz edilmiştir. Termal görüntüleme tekniği ile analiz yönteminde, her bir resim için kulak ve etrafındaki bölgede ortalama sıcaklık değeri ThermaCAM Researcher Professional 2.10 ile hesaplanarak yapılmıştır. Bulanık C-Ortalama Algoritması ve Beklenti Maksimizasyonu Algoritması ile kaydedilen her bir resim Matlab R2013b'de bölütlenmiştir. Bölütlenen resimlerde sıcak bölgeler tespit edilmiştir. Tüm resimlerde kulak ve yakın civarındaki sıcak bölgelerin tüm baş bölgesine göre yüzdesi hesaplanmış, incelenmiş ve yorumlanmıştır. İlk çalışma, 900 MHz frekansta, 0,793 W/kg SAR değerine sahip cep telefonu ile yapılmıştır. Çalışma sonucunda kulak ve etrafında 2,2 °C sıcaklık artışı oluştuğu, FCM ile elde edilen verilere göre sıcak bölgenin alanında % 2,5081 ve EM ile elde edilen verilere göre ise %2,7336 artış oluştuğu görülmüştür. İkinci çalışma, 900 MHz frekansta, 0,52 W/kg SAR değerine sahip cep telefonu ile yapılmıştır. Çalışma sonucunda kulak ve etrafında 1,2 °C sıcaklık artışı oluştuğu, FCM ile elde edilen verilere göre sıcak bölgenin alanında % 0,5400 ve EM ile elde edilen verilere göre ise %0,8561 artış oluştuğu görülmüştür. Üçüncü çalışma, 1800 MHz frekansta, 0,793 W/kg SAR değerine sahip cep telefonu ile yapılmıştır. Çalışma sonucunda kulak ve etrafında 1,2 °C sıcaklık artışı oluştuğu, FCM ile elde edilen verilere göre sıcak bölgenin alanında % 0,5070 ve EM ile elde edilen verilere göre ise %0,5452 artış oluştuğu görülmüştür. Dördüncü çalışma, 0,793 W/kg SAR değerine sahip cep telefonunun 1800 MHz ve 900 MHz frekanslarda ardışık kullanılması (karma etki) ile yapılmıştır. Çalışma sonucunda, 900 MHz frekansta kulak ve etrafında 1,6 °C sıcaklık artışı oluştuğu, FCM ile elde edilen verilere göre sıcak bölgenin alanında % 1,5200 ve EM ile elde edilen verilere göre ise %1,4313 artış oluştuğu, 1800 MHz frekansta kulak ve etrafında 0,4 °C sıcaklık artışı oluştuğu, FCM ile elde edilen verilere göre sıcak bölgenin alanında % 0,996 ve EM ile elde edilen verilere göre ise %0,8611 artış oluştuğu görülmüştür. Yapılan analizler sonucunda, yüksek SAR değerine sahip cep telefonunun kulak ve etrafındaki dokuda, düşük SAR değerine sahip cep telefonuna göre daha fazla sıcaklık artışına sebep olduğu görülmüştür. 900 MHz frekansta çalışan cep telefonunun kulak ve etrafındaki dokuda, 1800 MHz frekansta çalışan cep telefonuna göre daha fazla sıcaklık artışına sebep olduğu görülmüştür. 900 MHz ve 1800 MHz frekansların sırası ile kullanılması (karma etki) sonucunda, 900 MHz frekansta kullanım sırasında 1800 MHz frekansta kullanıma göre daha fazla sıcaklık artışının olduğu görülmüştür. FCM ve EM ile elde edilen sonuçlara göre, tüm çalışmalarda elde edilen sıcak bölge alanlarındaki artış miktarlarının birbirine yakın ve birbiri ile uyumlu olduğu görülmüştür. Ayrıca 4 çalışmada her üç yöntemle elde edilen sonuçların birbiri ile uyumlu olduğu ve birbirini desteklediği görülmüştür.

Mobile communication is a result of transferring information signal via electromagnetic waves. Electromagnetic waves are readily absorbed by the human body while using mobile phones. In this study, the thermal effects caused by mobile phones on the ear-skull region and its periphery have been investigated. Temperature rise occurring in the human near ear-skull region has been recorded, illustrated and analyzed with thermal imaging systems available. Two mobile phones with different SAR values have been used with GSM 900 and DCS1800 mobile phones communication services. In this study, especially mixed effect of both frequencies of mobile communication was studied as it has not been investigated. Nowadays, dual-line mobile phones use both 900 MHz and 1800 MHz. In this respect, mixed effect tests disclose the thermal effects of dual-line mobile phones. The literature search, showed that mixed effect has not been studied before. Working method used is as follows: Successive records are regularly taken with Flir SC640 thermal camera during cell phone conversations for 50 minutes. Photos taken have been analyzed with three methods: Thermal imaging technique (TIT), Fuzzy C-Means (FCM) Algorithm and Expectation Maximization (EM) Algorithm. In analysis by the thermal imaging technique, the average temperature rise around the ear was calculated for all sequential records with ThermaCAM Researcher Professional 2.10. All photos are both segmented with FCM and EM Algorithm in Matlab 2013b. Hot regions in the segmented photos are detected. In all photos, the percentage was calculated and examined according to the head area or the hot region. In this thesis, four studies were performed. The first experimental study has been carried out with the mobile phone having 0,793 W/kg SAR value and 900 MHz operating frequency. As a result of the study, it is observed that temperature in near ear-skull region is increased by a level of 2,2 °C degrees. Area of the hot region is expanded by % 2,5081 to the FCM data, by %2,7336 to the EM data. The second experimental study has been carried out with the mobile phone having 0,52 W/kg SAR value and 900 MHz operating frequency. As a result of the study, it is observed that temperature in near ear-skull region is increased by a level of 1,2 °C degrees. Area of the hot region is expanded by % 0,5400 to the FCM data, by % 0,8561 to the EM data. The third experimental study has been carried out with the mobile phone having 0,793 W/kg SAR value and 1800 MHz operating frequency. As a result of the study, it is observed that temperature in near ear-skull region is increased by a level of 1,2 °C degrees. Area of the hot region is expanded by % 0,5070 to the FCM data, by % 0,5452 to the EM data. The fourth experimental study has been carried out with the mobile phone having 0,793 W/kg SAR value and 900 and 1800 MHz operating frequency, respectively. As a result of the study, it is observed on 900 MHz study that temperature in near ear-skull region is increased by a level of 1,6 °C degrees. Area of the hot region is expanded by 1,5200% to the FCM data, by % 1,4813 to the EM data. It is observed on 1800 MHz study that temperature in near ear skull region is increased at the level of 0,4 °C degrees. Area of the hot region is expanded by %0,9960 to the FCM data, by % 0,8611 to the EM data. In light of all the analysis performed, the mobile phone with higher SAR value causes more temperature increase in near ear skull region to the mobile phone with lower SAR value. 900 MHz causes more temperature increase in near ear skull region to the mobile phone with 1800 MHz. When the Mixed effect was analyzed, using the mobile phone with 900 MHz caused more temperature increase to the mobile phone with 1800 MHz. According to the results obtained by FCM and EM, the results obtained in 4 studies were found to be consistent with each other and close together. The results obtained with these three methods also has been found supporting each other.