Características electromagnéticas de los tejidos humanos

𝜔 → 0 (baja frecuencia), respectivamente. Mientras que 𝜏! _{es el tiempo de}

relajación (tiempo requerido para que un dipolo estimulado vuelva a su estado original). Pero con esta ecuación únicamente, no se puede calcular la dispersión en un amplio rango debido a que en ( 25 ) únicamente se tiene en cuenta el tiempo de relajación de primer orden.

El comportamiento dieléctrico de los tejidos humanos en una amplia banda de frecuencias se puede separar en cuatro regiones de dispersión. Por lo que surge una versión mejorada de la ecuación Deybe, la ecuación Cole-Cole, que proporciona múltiples términos de dispersión. Estos términos predicen la dependencia frecuencial dentro de cada región de dispersión. 𝜀 𝜔 = 𝜀_! 𝜀_!− 𝑗 _!!! ! = 𝜀!+ ∆!! !!(!"!!₎!!!! + !! !"!! ! ( 26 ) donde 𝛼_! es el parámetro que mide la anchura de la dispersión, 𝑛 indica las 4 regiones de dispersión diferentes, ∆𝜀 = 𝜀_!− 𝜀_! denota la magnitud de la dispersión y 𝜎_! la conductividad iónica estática.

2.5.3 Características electromagnéticas de los tejidos humanos

Las propiedades electromagnéticas de los tejidos biológicos afectan a la propagación, reflexión, atenuación y otros efectos relacionados con los campos EM alrededor del cuerpo. Estas propiedades dependen enormemente del tipo de tejido y de la frecuencia. La temperatura y la perfusión de sangre o fluidos también afectan a estas propiedades, pero se consideran secundarios y no se tienen en cuenta. Solo se estudia la permitividad relativa y la conductividad. Por otra parte, como el cuerpo es tan débilmente magnético, la permeabilidad relativa se considera 1, excepto en para aplicaciones especiales como la resonancia magnética de imágenes (MRI).

En [42] se han calculado los diferentes parámetros dieléctricos de los tejidos biológicos para un margen de frecuencias comprendido entre 1 GHz y 10 GHz. En Figura 12 se ha representado la permitividad relativa (𝜀_!) de diferentes tejidos humanos para el rango de frecuencias comprendido entre 1GHz y 10GHz. Principalmente se han representado los tejidos que forman el abdomen, debido a que son los tejidos que van a estar implicados en el funcionamiento de la antena.

Figura 12 Permitividad relativa de diferentes tejidos humanos en función de la frecuencia Figura 13 Conductividad de diferentes tejidos humanos en función de la frecuencia Tal y como se observa la onda electromagnética presenta una atenuación mucho mayor en los tejidos humanos que en el espacio abierto. Las capas que conforman el cuerpo humano se pueden clasificar en dos tipos: el primer tipo tiene bajo contenido en agua (por ejemplo: grasa, hueso, etc), constante dieléctrica baja y pérdidas reducidas; mientras que el segundo tipo tiene alto contenido en agua (por ejemplo: la piel, músculo, etc), contante dieléctrica alta y pérdidas elevadas. En la Figura 13 se observa como la conductividad (S/m) de todos los tejidos aumenta con la frecuencia.

Figura 14 Profundidad de penetración en diferentes tejidos humanos en función de la frecuencia

Por último, en la Figura 14 se observa como la profundidad de penetración decrece drásticamente con la frecuencia. En otras palabras, el cuerpo humano tiene pérdidas y las ondas incidentes se atenúan rápidamente a altas frecuencias. 2.5.4 Características de propagación de señales de microondas en el modelo multicapa Durante la propagación de señales de microondas en el cuerpo humano se producen reflexiones en los límites de los diferentes tejidos biológicos. El coeficiente de reflexión de una onda plana se puede obtener a partir de la ecuación de Fresnel, es decir, en el caso de una incidencia normal en una superficie formada por dos capas superpuestas de dos dieléctricos diferentes, cuyas permitividades son 𝜀_! y 𝜀_! respectivamente, el coeficiente de reflexión se puede escribir como:

𝜏 = !! ! !! !! ! !! ( 27 )

Por lo que las señales que se propagan a través del modelo multicapa del abdomen humano (véase Figura 16) experimentan reflexiones en las fronteras entre los diversos tejidos biológicos. La primera reflexión se produce en el límite entre el espacio libre (aire 𝜀_! = 1) y la piel (𝜀_! ≈ 36 para f=4GHz), donde al existir una gran diferencia entre los respectivos valores de permitividades la mitad de la energía se refleja hacia atrás. Los mismo ocurre con el contraste entre la piel y la grasa, así como entre la grasa y el músculo, donde también se producen fuertes reflejos en estos límites. Mientras que la reflexión entre el músculo y la orina es débil, puesto que ambos tejidos presentan similares propiedades dieléctricas.

2.5.5 Métodos para evaluar el campo eléctrico en los tejidos biológicos [43]

Existen múltiples métodos para evaluar el campo dieléctrico en los tejidos que conforman el cuerpo humano. El primer método considera los tejidos como un medio homogéneo, para luego analizar las características de transmisión de la estructura multicapa mediante un método de línea de transmisión no uniforme [44] [45]. La impedancia característica y el coeficiente de transmisión de cada tejido se puede obtener a partir de las siguientes ecuaciones: 𝑍! = _{!! !"!}!"!! ! ( 28 ) 𝛾_! = 𝑗𝜔𝜇_!(𝜎_!+ 𝑗𝜔𝜀_!) ( 29 )

Una vez calculadas las impedancias características y los coeficientes de transmisión de cada tejido, se obtiene el perímetro de la red ABCD mediante la matriz de parámetros de red de una línea de transmisión no uniforme. Para aplicar este método los tejidos biológicos son considerados como capas de una dimensión con una profundidad D diferente (véase Figura 15).

El segundo método consiste en utilizar un software para evaluar el campo eléctrico en los tejidos biológicos. En el mercado existen diferentes software de simulación electromagnética como, por ejemplo: CST Microwave Studio, ANSYS HFSS, COMSOL, FEKO o Sim4Life que permiten modelar los tejidos biológicos con sus respectivas propiedades electromagnéticas. Con estas herramientas se pueden emular los tejidos humanos mediante dos métodos diferentes, que se diferencian en su complejidad y exactitud teórica:

- Modelo de capas: este modelo tiene una complejidad y coste computacional menor. Consiste en emular los diferentes tejidos biológicos mediante capas homogéneas o heterogéneas rectangulares con el grosor y permitividad relativa correspondientes. En el modelo homogéneo solo existe una capa que representa un objeto sólido, que puede ser el cuerpo humano entero, una región específica del cuerpo o un órgano. Mientras que en el modelo heterogéneo (véase Figura 16) se pueden distinguir varias capas que imitan los diferentes tejidos que conforman el cuerpo humano [46].

- Modelo Voxel: este modelo emula a la perfección la anatomía humana, mediante unas propiedades electromagnéticas más exactas. Incluso existen modelos que imitan la forma y modelos de los órganos humanos teniendo en cuenta sus propiedades biológicas [47] . Pero esto provoca un enorme coste computacional y enormes tiempos de simulación [48]. Necesitando sistemas de alta capacidad y por lo tanto de gran coste [49]. Figura 15 Profundidad de cada tejido