Software^XFdtd® para simulación electromagnética 3D

A medida que la tecnología de ondas milimétricas (MMW), en particular en los dispositivos de quinta generación (5G), gana importancia, existe una necesidad crucial de modelos electromagnéticos (EM) completos de los tejidos oculares para comprender y caracterizar las condiciones de exposición EM con precisión. Este estudio emplea modelos numéricos para investigar la interacción entre el MMW y la córnea, con el objetivo de caracterizar las distribuciones de campo EM y la absorción dentro de un modelo ocular anatómicamente preciso, teniendo en cuenta la influencia de las pestañas. Utilizando el método de diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD), realizamos simulaciones de las interacciones de la radiación EM de 20,0 a 100,0 GHz con un modelo de ojo humano. Además, analizamos el aumento de la distribución de la temperatura dentro del modelo de ojo utilizando un sensor térmico en XFdtd, empleando un esquema basado en el método de diferencias finitas (FD). Nuestros resultados revelan una distribución no uniforme del campo EM, particularmente intensificada en las regiones de la córnea adyacentes a las pestañas y los párpados. A pesar de que los patrones del campo EM son similares, la presencia o ausencia de pestañas tiene un impacto mínimo en las diferencias de temperatura. Sin embargo, el estudio pone de relieve una mayor absorción de la radiación por la epidermis del párpado a 100,0 GHz, lo que reduce el aumento de la temperatura de la córnea.

Foroughimehr N, Vilagosh Z, Yavari A, Madera A: Influencia de las pestañas en la distribución del campo eléctrico y la densidad de potencia absorbida en la córnea bajo exposición a ondas milimétricas. Bioelectromagnética, 1-12 (2024)

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La aplicación de las ondas milimétricas de 28 GHz es frecuente debido a la difusión mundial de los sistemas de comunicación inalámbrica de quinta generación. Su efecto térmico es un factor dominante que puede causar dolor y daños tisulares en las partes del cuerpo expuestas a las ondas milimétricas. Sin embargo, el umbral de esta sensación térmica, es decir, el grado de cambio en la temperatura de la piel con respecto a la línea de base en el que se produce la primera respuesta subjetiva a los efectos térmicos de las ondas milimétricas, sigue sin estar claro. Aquí investigamos el umbral de sensación térmica y evaluamos su fiabilidad cuando se expone a ondas milimétricas. Veinte adultos sanos fueron expuestos a ondas milimétricas de 28 GHz en la yema del dedo corazón izquierdo a cinco niveles de potencia de entrada de la antena: 0,2, 1,1, 1,6, 2,1 y 3,4 W (densidad de potencia incidente: 27-399 mW/cm²). Esta sesión de medición se repitió dos veces el mismo día para evaluar la fiabilidad del umbral. Se utilizaron el coeficiente de correlación intraclase (CCI) y el análisis de Bland-Altman como indicadores de la fiabilidad relativa y absoluta, respectivamente. El número de participantes que percibieron una sensación durante las dos sesiones en cada nivel de exposición también se contabilizó como índice de percepción. La media de los umbrales de sensación térmica se situó entre 0,9 °C y 1,0 °C para los niveles de exposición de 126-399 mW/cm² y de 0,2 °C en el caso de los 27 mW/cm² . Los ICC de los umbrales de 27 y 126 mW/cm² se interpretaron como pobre y regular, respectivamente, mientras que los de los niveles de exposición más altos fueron de moderados a sustanciales. Aparte de un sesgo proporcional en el umbral de 191 mW/cm² no se observó ningún sesgo fijo. Todos los participantes percibieron una sensación térmica a 399 mW/cm² en ambas sesiones, y el índice de percepción disminuyó gradualmente con niveles de exposición más bajos. Es importante destacar que dos tercios de los participantes respondieron que percibieron una sensación térmica en ambas o en una de las sesiones a 27 mW/cm²a pesar del aumento de la baja temperatura. Estos resultados sugieren que el umbral de sensación térmica se sitúa en torno a 1,0°C, de forma consistente en todos los niveles de exposición, mientras que su fiabilidad aumenta con niveles de exposición más altos. Además, la percepción de la sensación térmica puede ser intrínsecamente ambigua debido a la naturaleza de la percepción humana.

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La RM de transmisión paralela a 7 T se ha adoptado cada vez más en proyectos de investigación y proporciona mayores relaciones señal-ruido y nuevos contrastes. Sin embargo, las interacciones de los campos en el cuerpo deben considerarse cuidadosamente para garantizar la seguridad de la exploración. Los recientes avances en bobinas corporales físicamente flexibles han permitido la obtención de imágenes abdominales de alto campo, pero los efectos del aumento de la variabilidad en la deposición de energía necesitan una mayor exploración. El objetivo de este estudio era evaluar el impacto de la geometría del sujeto, la fase de respiración y la posición de la bobina en la tasa de absorción específica (SAR). Diez sujetos sanos (índice de masa corporal [IMC] = 25 ± 5 kg m-2) fueron escaneados (a 3 T) durante la contención de la respiración espiratoria y las imágenes se utilizaron para generar modelos corporales. Siete de estos sujetos también fueron escaneados durante la inhalación. Primero se exploraron las simplificaciones de la bobina y los modelos corporales y, a continuación, se realizaron simulaciones en el dominio del tiempo por diferencia finita con una bobina típica de transmisión paralela de ocho canales colocada sobre el abdomen. Las simulaciones se utilizaron para generar mapas de SAR promediado de 10 g (SAR10g) a través de 100.000 ajustes de fase, y se identificó el peor escenario de SAR promediado de 10 g (wocSAR10g) utilizando la maximización trigonométrica. El SAR10g máximo medio de los 10 sujetos con una potencia de entrada de 1 W por canal fue de 1,77 W kg-1. Los puntos calientes se encontraban siempre cerca de la superficie de la piel. Los puntos calientes estaban siempre cerca de la superficie corporal, cerca del límite de la pared muscular. El wocSAR10g en los 10 sujetos osciló entre 2,3 y 3,2 W kg-1 y se correlacionó inversamente con el porcentaje de volumen de grasa (R = 8) y el IMC (R = 0,6). Los valores del coeficiente de variación en SAR10g debidos a variaciones en la geometría del sujeto, la fase de respiración y el reposicionamiento realista de la bobina fueron del 12%, 4% y 12%, respectivamente. Este estudio descubrió que la variabilidad debida al reposicionamiento realista de la bobina era similar a la variabilidad debida a las distintas geometrías de sujetos sanos para la obtención de imágenes abdominales. Esto es importante, ya que sugiere que la modelización basada en la población probablemente sea más útil que la modelización individual a la hora de establecer umbrales seguros para la obtención de imágenes abdominales.

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Este estudio teórico presenta el diseño y la optimización analítica/numérica de nuevas bobinas de superficie de radiofrecuencia (RF) de campo transversal de doble canal para imágenes por resonancia magnética (IRM) de 1,5 T. La investigación explora una configuración plana con dos canales en una fila con orientación espacial alineada de las bobinas de RF, con el objetivo de resolver un inconveniente de diseño común de las bobinas de RF de campo transversal de un solo canal: el reducido campo de visión (FOV) a lo largo de la dirección del campo de RF. Un reto importante en este diseño es el desacoplamiento eficaz de dos conjuntos de bobinas de RF de campo transversal para evitar interferencias mutuas. Nuestro enfoque de modelado integra el modelado teórico de alambres delgados, el cálculo magnetostático para bobinas conductoras de banda y su simulación electromagnética de onda completa. Los resultados clave a 64 MHz demuestran que la colocación geométrica estratégica entre la bobina de RF de dos canales y la introducción de asimetría geométrica en el diseño de las bobinas de RF individuales minimiza la inductancia mutua, allanando el camino para aplicaciones eficaces de RM de doble canal. Este enfoque de desacoplamiento permite mejorar el FOV, proporcionando un marco teórico para el desarrollo de configuraciones optimizadas de bobinas de RF de campo transversal de doble canal. El diseño actual se validó con un estudio numérico de onda completa a 64 MHz (1H, 1,5 T), tiene potencial para ampliarse a frecuencias más bajas o más altas, y en este último caso es necesario tener en cuenta la presencia de muestras con pérdidas.

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Nunca se insistirá lo suficiente en la importancia de investigar los efectos de la radiación de radiofrecuencia sobre la salud de la córnea. El presente estudio pretende dar respuesta a esta necesidad utilizando una simulación matemática para examinar la absorción de ondas milimétricas (mmW) y de terahercios (THz) por la córnea, considerando tanto las condiciones normales como las patológicas.

Foroughimehr N, Vilagosh Z, Yavari A, Wood A. The Effects of mmW and THz Radiation on Dry Eyes: A Finite-Difference Time-Domain (FDTD) Computational Simulation Using XFdtd. Sensors. 2023; 23(13):5853. 

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El contenido de este trabajo es la continuación de las investigaciones anteriores de los autores. Con el fin de realizar la disposición razonable de la sonda de campo magnético de campo cercano para la detección de descargas parciales en la aparamenta de distribución, este trabajo simula y analiza la influencia de la estructura interna de la aparamenta de distribución en las características de propagación de campo cercano de la señal de onda electromagnética generada por la descarga parcial, y determina la posición de instalación de la sonda de campo cercano en la aparamenta de distribución. En primer lugar, se analizan las características de propagación de las señales de ondas electromagnéticas en los diferentes medios de la aparamenta y se establece el modelo de la aparamenta. A continuación, basándose en el método de diferencias finitas en el dominio del tiempo, se simula la influencia de los diferentes dispositivos de la aparamenta en la propagación en campo cercano de la señal de onda electromagnética de descarga parcial. Los resultados de la simulación muestran que el transformador de corriente, el aislador, la barra colectora y el armario atenúan de forma evidente la amplitud de las señales de ondas electromagnéticas de campo cercano generadas por la descarga parcial, y el aislador provoca una distorsión evidente de la señal. Por último, se determina que la sonda de campo cercano puede instalarse en la pared interior o en la pared derecha, cerca de la placa inferior de la aparamenta.

Suo C, Zhao J, Wang L, Xu Z, Luo R, He M, Zhang W. Research on Near-Field Propagation Characteristics of Partial Discharge Electromagnetic Wave Signal in Switchgear. Energies. 2023; 16(8):3372. 

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El electrodo de polímero PEDOT es un electrodo sin metal, formado por un acrilato (composite dental) y el polímero conductor poli(3,4-etilendioxitiofeno) poliestireno sulfonato (PEDOT:PSS). El electrodo se aplica en forma de gel sobre la piel y se cura con luz azul durante 10-20 s para conseguir una unión conductora con la piel. Los electrodos se utilizan en combinación con cables poliméricos formados por una espina dorsal textil y PEDOT:PSS. Para probar este nuevo tipo de electrodo y cable en diferentes condiciones, diseñamos dos pruebas de estrés: registros de temperatura altamente sensibles dentro de un maniquí de cabeza durante la Resonancia Magnética (RM) y estabilidad a largo plazo dentro de una cámara climática con alta humedad. Para estudiar el comportamiento físico dentro del campo magnético intenso (3 Tesla), el electrodo de polímero PEDOT se fijó a un fantoma craneal de agarosa dentro de un tomógrafo de resonancia magnética durante una secuencia de imágenes. En las proximidades se colocaron sensores de temperatura a prueba de IRM para medir los posibles efectos del calentamiento. En comparación con un cable metálico, no se observó prácticamente ningún aumento de la temperatura si el electrodo se utilizaba en combinación con un cable textil conductor. Además, el electrodo mostró valores de impedancia estables dentro de una cámara climática durante 4 días consecutivos. Estos resultados allanan el camino para probar el electrodo de polímero PEDOT como electrodo de registro de bioseñales durante la resonancia magnética, especialmente para la resonancia magnética cardiovascular y la electroencefalografía en combinación con la resonancia magnética funcional (EEG-fMRI).

de Camp, N.V., Bergeler, J. & Seifert, F. Physical behavior of PEDOT polymer electrode during magnetic resonance imaging and long-term test in the climate chamber. Sci Rep 13, 5826 (2023). 

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En este trabajo se propone un modelo sustitutivo de absorción de ondas electromagnéticas en el cuerpo humano, utilizando Deep-Learning. En particular, una familia de datos procedentes de análisis en el dominio del tiempo por diferencias finitas permite entrenar una red neuronal convolucional (CNN), con vistas a recuperar la densidad de potencia media y máxima en la región de la sección transversal de la cabeza humana a la frecuencia de 3,5 GHz. El método desarrollado permite determinar rápidamente la densidad de potencia media y máxima para el área de toda la cabeza y las zonas del globo ocular. Los resultados así obtenidos son similares a los obtenidos por el método basado en las ecuaciones de Maxwell.

Di Barba P, Januszkiewicz Ł, Kawecki J, Mognaschi ME. Electromagnetic Wave Absorption in the Human Head: A Virtual Sensor Based on a Deep-Learning Model (Absorción de ondas electromagnéticas en la cabeza humana: un sensor virtual basado en un modelo de aprendizaje profundo). Sensors. 2023; 23(6):3131. 

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Los avances en las tecnologías de producción de radiaciones electromagnéticas de frecuencia de terahercios (THz) han generado un interés creciente por explorar posibles aplicaciones. Las nuevas aplicaciones conducirán inevitablemente a una mayor interacción fortuita de los seres humanos con la radiación THz. Dado que la longitud de onda de la radiación THz se encuentra en el mismo orden de magnitud que las dimensiones de estructuras de la piel como el pelo y los conductos sudoríparos, la posibilidad de interacción entre estas estructuras resulta de interés. La interacción se estudió mediante simulaciones en el dominio del tiempo por diferencias finitas (FDTD) utilizando una excitación de campo lejano de 0,45 THz. No se detectaron efectos de tipo antena. Se encontraron regiones de aumento de la tasa de absorción específica (SAR) debidas a efectos reactivos de campo cercano tanto con el pelo como con los conductos sudoríparos del orden de 0,01-0,05 mm y 0,001-0,002 mm, respectivamente. Las simulaciones realizadas con conductos sudoríparos no enrollados arrojaron el mismo patrón de penetración que la estructura helicoidal, lo que indica que ésta no influye en la propagación de la radiación THz en la piel.

Vilagosh Z, Foroughimehr N, Lajevardipour A, Wood AW. FDTD Simulations of Sweat Ducts and Hair at 0.45 THz. Dermato. 2023; 3(1):69-84. 

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Los endoscopios de cápsula inalámbricos captan y transmiten imágenes del tracto gastrointestinal humano para su uso en diagnóstico médico. La localización de la cápsula permite identificar con precisión las zonas con lesiones detectadas durante el examen. La antena es un elemento importante de la cápsula endoscópica que se utiliza para la transmisión de la señal que contiene la imagen grabada del interior del aparato digestivo. Los parámetros de la antena influyen también en el rendimiento de los algoritmos de localización de cápsulas endoscópicas basados en el análisis de la señal recibida. En este trabajo se presenta la antena conformada en zig-zag para la cápsula del endoscopio. Se examina tanto en simulación como en líquido simulante de tejido. A continuación, se aplica a un sistema de localización mejorado que se basa en el análisis de diferencia de fase de las señales recibidas. En este nuevo enfoque, el algoritmo selecciona cinco receptores externos del conjunto predefinido y utiliza una estimación adaptativa de la permitividad del modelo del cuerpo humano. El algoritmo de localización se verificó con simulaciones por ordenador. En las simulaciones se aplicó el software Remcom XFdtd y modelos de cuerpo humano tanto simplificados como heterogéneos. La técnica que utiliza la selección automática del receptor externo junto con la antena propuesta mejoró la precisión de la localización en aproximadamente un 15% en comparación con la versión anterior de este algoritmo.

Oleksy P, Januszkiewicz Ł. Localization of Wireless Capsule Endoscopes Using the Receiver Selection Algorithm and a Modified Capsule Antenna. Electronics. 2023; 12(4):784. 

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Este artículo presenta el proceso de diseño de una estructura que apantalla el campo electromagnético del transmisor de quinta generación que opera en la banda de 3,5 GHz. El objetivo de este proyecto es la limitación de la densidad de potencia en la región ocular. Por este motivo, la estructura está formada por hilos conductores que forman una rejilla semitransparente a la luz. El diseño se ha realizado mediante simulaciones por ordenador con un método de diferencias finitas en el dominio del tiempo y una metodología de optimización basada en la evolución. Se desarrolló un modelo simplificado de la cara y los ojos para reducir el tiempo necesario para la simulación. La construcción de la estructura de blindaje que aquí se presenta puede fabricarse fácilmente en forma de gafas protectoras. Los resultados de las simulaciones por ordenador muestran que la densidad de potencia en la región ocular puede reducirse casi siete veces en comparación con el caso sin blindaje.

Kawecki J, Januszkiewicz Ł, Di Barba P, Kropidłowski K. Eye Shielding against Electromagnetic Radiation: Optimal Design Using a Reduced Model of the Head. Electronics. 2023; 12(2):291. 

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En este artículo, los autores describen cómo la elección de los parámetros eléctricos (como la geometría del conductor y la calidad del condensador) afecta al rendimiento global de la bobina en términos de factor de calidad Q, relación entre Q sin carga y con carga, y sensibilidad de la bobina. Posteriormente, resumiremos el trabajo realizado en nuestro laboratorio electromagnético en colaboración con empresas fabricantes de RM en el campo del diseño, la construcción y las pruebas de bobinas de RF para escáneres clínicos de resonancia magnética (RM) de 0,18-0,55 T, clasificándolas entre bobinas de superficie, de volumen y phased-array.

Giovannetti G, Frijia F, Flori A. Radiofrequency Coils for Low-Field (0.18-0.55 T) Magnetic Resonance Scanners: Experience from a Research Lab-Manufacturing Companies Cooperation. Electronics. 2022; 11(24):4233. 

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Este estudio demuestra la variación de la precisión del sistema de simulación computacional FDTD cuando se utilizan diferentes tamaños de malla, utilizando la interacción de la córnea humana, críticamente sensible, con EM en el rango de 30 a 100 GHz. Se compararon diferentes enfoques de las especificaciones del tamaño de la celda base. La precisión del cálculo se determina aplicando sensores planares que muestran el detalle de la distribución del campo eléctrico, así como los valores absolutos del campo eléctrico recogidos por sensores puntuales. Se ha comprobado que la definición manual del tamaño de las celdas base reduce el tamaño del modelo y el tiempo de cálculo. Sin embargo, la precisión del cálculo disminuye de forma impredecible. Los resultados indicaron que el uso de una capacidad de computación en nube desempeña un papel crucial en la minimización del tiempo de cálculo.

Foroughimehr N, Vilagosh Z, Yavari A, Wood A. The Impact of Base Cell Size Setup on the Finite Difference Time Domain Computational Simulation of Human Cornea Exposed to Millimeter Wave Radiation at Frequencies above 30 GHz. Sensors. 2022; 22(15):5924. 

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Los sistemas multiusuario masivos (MU) de entrada múltiple y salida múltiple (MIMO) sin células de ondas milimétricas (mmWave) combinan los grandes anchos de banda disponibles en las frecuencias mmWave con la cobertura mejorada de los sistemas sin células. Sin embargo, para combatir la elevada pérdida de trayecto en las frecuencias mmWave, los equipos de usuario (UE) deben formar haces en direcciones significativas, es decir, hacia un punto de acceso (AP) cercano. Al mismo tiempo, múltiples UEs deben evitar transmitir al mismo AP para reducir la interferencia MU. Proponen un método de alineación de haces (BA) que tiene en cuenta las interferencias en el enlace ascendente MU-MIMO masivo de ondas milimétricas sin células. En el escenario considerado, los puntos de acceso realizan una formación de haces de recepción totalmente digital, mientras que los equipos de usuario realizan una formación de haces de transmisión analógica. Evalúan nuestro método utilizando canales mmWave realistas de un trazador de rayos comercial, mostrando la superioridad del método propuesto sobre la transmisión omnidireccional, así como sobre los métodos que no tienen en cuenta la interferencia MU.

Beam Alignment in mmWave User-Centric Cell-Free Massive MIMO Systems 2021 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM)2021
S. BuzziCarmen D'AndreaMaria FresiaXiaofeng Wu

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El Beamforming Elevated Array for COsmic Neutrinos (BEACON) es un telescopio de neutrinos diseñado para detectar emisiones de radio procedentes de lluvias de aire ascendentes generadas por interacciones de neutrinos tau de energía ultra alta en la Tierra. Este mecanismo de detección permite medir el flujo tau de neutrinos cósmicos. Han instalado un instrumento prototipo de 8 canales a gran altitud en la estación de campo de Barcroft, que funciona desde 2018, y consta de 4 antenas de doble polarización sensibles entre 30-80 MHz, cuyas señales se filtran, amplifican, digitalizan y guardan en disco mediante un sistema de adquisición de datos (DAQ) personalizado. El prototipo BEACON se encuentra a gran altura para maximizar el volumen efectivo y utiliza un disparador direccional beamforming para mejorar el rechazo del ruido de fondo antropogénico en el nivel de disparo. Aquí se discute el diseño, construcción y calibración del instrumento prototipo BEACON. También se discute el entorno de radiofrecuencia observado por el instrumento, y se categorizan los tipos de eventos vistos por el instrumento, incluyendo un probable evento candidato a rayo cósmico.

Design and performance of an interferometric trigger array for radio detection of high-energy neutrinos, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers Detectors And Associated Equipment 2019.

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En este artículo se describen y comparan dos procedimientos diferentes para estimar la inductancia de las bobinas, con el fin de agilizar el proceso de creación de prototipos de bobinas. El primer método, basado en cálculos en la aproximación cuasiestática, permite investigar cómo la geometría de la sección transversal de los conductores de la bobina de RF afecta a la inductancia total y puede calcularse fácilmente para una amplia variedad de geometrías de bobina. El segundo enfoque utiliza un método numérico de onda completa basado en el algoritmo FDTD (Finite-Difference Time-Domain), y permite la simulación de bobinas de RF con cualquier geometría compleja, incluido el caso de phased array multielemento. La comparación con las mediciones del banco de trabajo valida tanto los resultados analíticos como los numéricos para bobinas de RF que operan dentro de un amplio rango de campos (0,18-7 T).

Giovannetti G, Frijia F, Flori A, Galante A, Rizza C, Alecci M. A Practical Guide to Estimating Coil Inductance for Magnetic Resonance Applications. Electronics. 2022; 11(13):1974. 

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En este trabajo se propone una antena de doble banda con logotipo totalmente textil integrada con un reflector para su aplicación en dispositivos IoT vestibles. Los elementos radiantes de la antena propuesta han sido moldeados para imitar el logotipo de la Universidad del Sudoeste "Neofit Rilski" para una integración discreta en accesorios. Se ha montado un reflector en el lado opuesto del sustrato textil para reducir la radiación de la antena vestible y mejorar su robustez frente al efecto de carga de objetos cercanos. Se fabricaron dos prototipos de antena y se probaron tanto en el espacio libre como en tres objetos diferentes (cuerpo humano, portátil y ordenador portátil). Además, en los dos rangos de frecuencia de interés se alcanzó una eficiencia de radiación del 25-38% y del 62-90%. Además, debido al reflector, la tasa de absorción específica local máxima, que se promedió sobre una masa de 10 g en el maniquí de cuerpo humano, resultó ser igual a 0,5182 W/kg a 2,4 GHz y 0,16379 W/kg a 5,47 GHz. Además, los resultados de la campaña de medición realizada recogieron el indicador de intensidad de la señal y la pérdida de paquetes para un escenario fuera del cuerpo en uso real, lo que demuestra que el prototipo de antena integrada en la mochila puede formar canales de comunicación fuera del cuerpo de alta calidad.

Atanasova GL, Atanasov BN, Atanasov NT. Fully Textile Dual-Band Logo Antenna for IoT Wearable Devices. Sensors. 2022; 22(12):4516. 

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Los endoscopios de cápsula inalámbrica toman y envían fotos del tubo digestivo humano, que se utilizan para el diagnóstico médico. La localización de la cápsula permite identificar con exactitud las regiones con lesiones. Esto puede llevarse a cabo analizando los parámetros de la onda electromagnética recibida de la cápsula. Dado que el cuerpo humano es un entorno heterogéneo complejo que afecta a la propagación de las señales inalámbricas, determinar la distancia entre el transmisor y el receptor basándose en el nivel de potencia recibido es todo un reto. En este artículo se presenta un enfoque mejorado para identificar la ubicación de las cápsulas endoscópicas mediante un algoritmo de detección de fase de señales inalámbricas. Para cada posición de la cápsula, esta técnica utiliza una estimación adaptativa de la permitividad del modelo del cuerpo humano. Este enfoque se probó mediante simulaciones por ordenador en el software Remcom XFdtd utilizando un modelo numérico heterogéneo del cuerpo humano, así como mediciones con un maniquí físico.

Oleksy P, Januszkiewicz Ł. Wireless Capsule Endoscope Localization with Phase Detection Algorithm and Adaptive Body Model. Sensors. 2022; 22(6):2200. 

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Exposures to radiofrequency electromagnetic fields (RF-EMFs, 100 kHz to 6 GHz) have been associated with both positive and negative effects on cognitive behavior. To elucidate the mechanism of RF-EMF interaction, a few studies have examined its impact on neuronal activity and synaptic plasticity. However, there is still a need for additional basic research that further our understanding of the underlying mechanisms of RF-EMFs on the neuronal system. The present study investigated changes in neuronal activity and synaptic transmission following a 60-min exposure to 3.0 GHz RF-EMF at a low dose (specific absorption rate (SAR) < 1 W/kg). The authors showed that RF-EMF exposure decreased the amplitude of action potential (AP), depolarized neuronal resting membrane potential (MP), and increased neuronal excitability and synaptic transmission in cultured primary hippocampal neurons (PHNs). The results show that RF-EMF exposure can alter neuronal activity and highlight that more investigations should be performed to fully explore the RF-EMF effects and mechanisms.

Echchgadda, I., Cantu, J.C., Tolstykh, G.P. et al. Changes in the excitability of primary hippocampal neurons following exposure to 3.0 GHz radiofrequency electromagnetic fields. Sci Rep 12, 3506 (2022). 

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Este artículo muestra la eficacia real del "sombrero de hojalata" cuando se aplica a la radiación de la estación base en un sistema de telecomunicaciones de quinta generación. Presenta los resultados de una investigación sobre la eficacia de estas protecciones en cuanto a sus propiedades de apantallamiento en las frecuencias utilizadas en los sistemas inalámbricos de quinta generación. La investigación se realizó a partir de simulaciones por ordenador. Se aplicó el software Remcom XFdtd, que utiliza un método de diferencias finitas en el dominio del tiempo y un modelo numérico del cabezal, para obtener los datos sobre las propiedades de apantallamiento de las cubiertas conductoras del cabezal. Se comprobó que, en el caso de las cubiertas de lámina para la cabeza, el factor máximo de reducción de la densidad de potencia en la región de la cabeza es de aproximadamente el 50%.

Januszkiewicz Ł. Analysis of Shielding Properties of Head Covers Made of Conductive Materials in Application to 5G Wireless Systems. Energies. 2021; 14(21):7004. 

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En este artículo se presenta el diseño óptimo de una antena portátil de cuatro bandas adecuada para trabajar en sistemas inalámbricos de quinta generación, así como en sistemas celulares y en bandas sin licencia. El diseño de la antena se basa en un cuidadoso estudio de los algoritmos de optimización adecuados para el diseño de antenas. Los autores han propuesto un problema de referencia para comparar distintos algoritmos de optimización. Utilizando datos precalculados, han ajustado los parámetros de la rutina de optimización para obtener un rendimiento óptimo con el punto de referencia. Después, optimizaron la geometría de la antena portátil de cuatro bandas. En el proceso de optimización se utilizó el método FDTD junto con un modelo simplificado del cuerpo humano. El diseño de la antena se evaluó con un prototipo fabricado.

Januszkiewicz Ł, Barba PD, Kawecki J. Design Optimization of Wearable Multiband Antenna Using Evolutionary Algorithm Tuned with Dipole Benchmark Problem. Electronics. 2021; 10(18):2249. 

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Este artículo se centra en la obtención de imágenes por resonancia magnética de la cabeza humana a 10,5 tesla (T), para lo cual los autores construyeron un conjunto de antenas dipolo transceptoras de 8 canales y evaluaron la influencia de los cables coaxiales de alimentación. La influencia de los cables de alimentación coaxiales se evaluó en simulación y se comparó con un conjunto construido físicamente en términos de campo magnético de transmisión (B1+) y eficiencia de la tasa de absorción específica (SAR). Para la investigación de la ubicación de la alimentación, se comparó el conjunto de antenas dipolo de alimentación central con dos conjuntos de antenas de alimentación final de 8 canales: conjuntos de antenas monopolo y de manguito. Los resultados de la simulación con un maniquí indican que estos conjuntos consiguieron una eficacia de SAR ~24% superior a la del conjunto de antenas dipolo. Para un modelo de cabeza humana, se observó una eficacia SAR un 30,8% inferior con el conjunto de antenas monopolo de 8 canales en comparación con el maniquí.

Woo MK, DelaBarre L, Waks MT, Park YW, Lagore RL, Jungst S, Eryaman Y, Oh S-H, Ugurbil K, Adriany G. Evaluation of 8-Channel Radiative Antenna Arrays for Human Head Imaging at 10.5 Tesla. Sensors. 2021; 21(18):6000. 

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Cada vez hay más interés por las aplicaciones que utilizan la gama de frecuencias de 30 a 90 GHz, como los radares para automóviles, las redes celulares de 5 G y los enlaces inalámbricos de área local. En este estudio se investigó la penetración de radiación pulsada de 30-90 GHz en el conducto auditivo y la membrana timpánica humanos utilizando fantomas computacionales.

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Las aplicaciones que utilizan radiaciones de frecuencia de terahercios (THz) provocarán inevitablemente un aumento de la exposición humana. Las simulaciones de la densidad de potencia y la tasa de absorción específica (SAR) de la piel fina a 0,45 THz muestran que la mayor parte de la energía se absorbe en el estrato espinoso superior y que el aumento máximo de temperatura se produce en el estrato espinoso inferior. Existen regiones con un aumento del SAR del 100% por encima de la media local en el límite entre el estrato córneo y el estrato basal. La capa muerta del estrato córneo protege los tejidos subyacentes en la piel gruesa. Los estudios de reflexión sugieren que los ángulos agudos y el uso de radiación incidente polarizada pueden mejorar la evaluación de la neuropatía diabética.

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Se simuló un conjunto de dieciséis canales formado por ocho pares de antenas de bucle y dipolo apiladas para aplicaciones de resonancia magnética de la cabeza a 10,5 Tesla. Se utilizó Remcom XFdtd para calcular el aislamiento entre los elementos de bucle y dipolo modelados con una carga dieléctrica con espacio variable entre los elementos de bucle y dipolo. Se simuló un conjunto bucle-dipolo para una configuración de elementos candidatos con un maniquí dieléctrico en forma de cabeza.

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Cuando conducimos un coche, la antena exterior está protegida electrostáticamente por la carrocería de los pasajeros. Cuando conducimos una motocicleta no existe tal blindaje, por lo que el conductor puede afectar a las características de la antena montada en la motocicleta. Por lo tanto, hay que tener en cuenta la interacción entre la antena y el cuerpo humano. En este trabajo se propone un modelo sencillo para analizar la influencia del cuerpo del motociclista en la antena de la motocicleta. Las características de radiación en la banda de 145 MHz y el impacto de la posición de montaje en el coeficiente de reflexión se simulan utilizando el software XFdtd. Los valores resultantes se comparan con los medidos.

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En este trabajo se presenta una antena MIMO 2×2 de doble banda para aplicaciones de dispositivos wearables que soporta las asignaciones de radiofrecuencia 5G en 3,3-3,6 y 4,5-5 GHz en China. La unidad de antena única se compone de un modo monopolo y un modo de bucle plegado con una sola alimentación para cubrir estas dos bandas. Para demostrar el rendimiento MIMO se utilizan dos antenas idénticas situadas en los lados superior e inferior de una placa de circuito impreso del tamaño de un reloj inteligente (40×40 mm2). Los resultados de la simulación con XFdtd muestran que estas antenas MIMO pueden alcanzar más del 85 % de eficiencia, más de 17 dB de aislamiento y un coeficiente de correlación de 0,02 en ambas bandas.

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Este estudio presenta un análisis sistemático de la tasa específica de absorción de energía (SAR) en modelos computacionales de una mujer embarazada y el feto en tres edades de gestación diferentes (3er, 6º y 9º mes). Se realizaron simulaciones numéricas a dos frecuencias (64 y 128 MHz), para dos diámetros de bobina (750 y 650 mm) y para siete puntos de referencia: hombro, corazón, esternón, abdomen (cabeza del feto), pelvis (cuerpo del feto), muslo y rodilla. Se evaluó el efecto de características adicionales en el SAR, como la ubicación de la fuente de entrada y la posición y del modelo de mujer embarazada en la bobina de la jaula.

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La espectroscopia de resonancia magnética C es un método viable y no invasivo para estudiar el metabolismo celular en los músculos esqueléticos. En este artículo se presenta el desarrollo, la evaluación y la primera medición in vivo con un conjunto transceptor de 7 T de 3 canales C y 4 canales H optimizado para C-MRS desacoplada de H en los músculos posteriores de la pantorrilla humana. El conjunto de bobinas desarrollado se probó con éxito en experimentos con maniquíes y RM in vivo, mostrando un patrón espectral simplificado y un aumento de la relación señal-ruido de aproximadamente un factor 2 entre los espectros no desacoplados y los desacoplados con H en un maniquí de glucosa y en el músculo de la pantorrilla humana.

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En este artículo se presenta un modelo de cuerpo humano no homogéneo para investigar las características de propagación cuando el cuerpo humano se utiliza como antena para lograr la transmisión de la señal. En concreto, se estudió mediante simulación numérica la ganancia de canal en cuatro escenarios: (1) el electrodo TX y el electrodo RX se colocaron en el aire, (2) el electrodo TX se colocó en el cuerpo humano y el electrodo RX se colocó en el aire, (3) el electrodo TX se colocó en el aire y el electrodo RX se colocó en el cuerpo humano, (4) el electrodo TX y el electrodo RX se colocaron en el cuerpo humano, en el rango de frecuencias de 1 MHz a 90 MHz.

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Los radares de corto alcance, como los de penetración en el suelo, necesitan un gran ancho de banda para obtener una alta resolución y una baja frecuencia para mejorar la penetración. Esto limita el diseño de la antena para obtener una antena UWB compacta con una frecuencia central más baja y un patrón unidireccional. Este trabajo se centra en la mejora del ancho de banda fraccional de una antena monopolo con reflector escalonado para obtener un diagrama de radiación unidireccional en todo el ancho de banda requerido. En este trabajo se incluyen el diseño, la simulación y los resultados experimentales.

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El objetivo de este estudio es la evaluación sistemática de cinco modelos computacionales de una bobina de jaula de pájaro para resonancia magnética (RM) en cuanto a precisión y coste computacional. La precisión de los modelos se evaluó utilizando el "error porcentual absoluto medio simétrico" ("SMAPE"), mediante la comparación con mediciones en términos de respuesta de frecuencia, así como de magnitud de campo eléctrico (||E⃗||) y magnético (||B⃗||). Importancia: El modelado computacional de bobinas corporales tipo jaula de pájaro se utiliza ampliamente en la evaluación del calentamiento inducido por radiofrecuencia durante la resonancia magnética. La validación experimental de los modelos numéricos es necesaria para determinar si un modelo es una representación exacta de una bobina física.

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En este artículo se propone un nuevo método para mejorar la tasa de separación y la precisión de la localización. Se construye una plataforma de medición direccional utilizando dos antenas direccionales. Se calcula el retardo temporal (TD) de las señales captadas por las antenas y se obtienen secuencias de TD girando la plataforma en diferentes ángulos. Las secuencias se separan con la función de distribución de TD y se calculan las direcciones de las fuentes multi-PD. Las fuentes de DP se localizan por direcciones utilizando el método de probabilidad de error. Para verificar el método, se estableció un modelo simulado con tres fuentes de DP mediante XFdtd.

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En este artículo se muestran los resultados de la simulación de la estimulación magnética transcraneal (EMT) con tres bobinas diferentes: la bobina Fo8 (figura de ocho), la bobina en forma de V y la bobina de mariposa. Teniendo en cuenta las aplicaciones clínicas, se analiza la viabilidad de tres bobinas diferentes en la EMT. Se utiliza XFdtd para obtener la distribución tridimensional del campo eléctrico y el campo magnético en un modelo de cabeza realista. Este estudio, realizado con un modelo de cabeza realista, ofrece una profundidad de penetración, una focalización y una biocompatibilidad reales que no son posibles con el modelo de cabeza homogéneo utilizado en algunos trabajos existentes.

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En este artículo se presenta una antena conformada de banda ancha y polarización circular (CP) para su aplicación en cápsulas endoscópicas en la banda industrial, científica y médica (902-928 MHz) de 915 MHz. El grosor de la antena es de sólo 0,2 mm, por lo que puede envolverse dentro de la pared interior de una cápsula. Para el diseño inicial y la optimización con estudios paramétricos se utiliza una caja fantasma muscular homogénea de una sola capa. El efecto de los componentes internos dentro de una cápsula se discute en el análisis del rendimiento de la antena y para realizar un escenario más práctico. Además, se considera un modelo realista de cuerpo humano en un entorno de simulación Remcom XFdtd para evaluar las características de la antena y la pureza CP, y para especificar el límite de la tasa de absorción específica en diferentes órganos a lo largo del tracto gastrointestinal.

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Las bobinas espirales multigiro de superficie se construyen en disposiciones planas y cilíndricas y se utilizan para RM cardíaca de ratón de alto campo (7,1 T). La jaula de pájaro disponible comercialmente supera a la bobina espiral cilíndrica en rSNR por un factor de 3-5 veces. El enfoque integral y la metodología adoptados para diseñar, simular, implementar y probar con precisión bobinas de radiofrecuencia de cualquier geometría y tipo, en cualquier condición de carga, pueden generalizarse para cualquier aplicación de RM cardiaca de ratón de alto campo.

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El reconocimiento de patrones de descarga parcial (DP) es esencial para el diagnóstico del aislamiento de conductores cubiertos en líneas aéreas. La investigación actual no ha abordado suficientemente el complejo ruido de fondo en entornos reales, y la mayoría de los métodos de detección dependen principalmente de la ingeniería de características o del aprendizaje profundo, lo que sugiere un potencial de mejora de la precisión y la eficiencia. Esto ha llevado a los autores a proponer un algoritmo de reconocimiento de patrones de DP que integra la selección de características y el aprendizaje profundo. Este algoritmo incorpora el diseño de una función de eliminación de ruido wavelet discreta adaptada específicamente a las características de la EP para el preprocesamiento de datos. Emplea algoritmos de optimización bayesianos y máquinas de aumento de gradiente ligero para caracterizar las características de la descarga de corona. Además, desarrolla características de agrupación multiescala y características de fase resuelta para la fusión de características, y construye características perspicaces basadas en la máquina de aumento de gradiente de luz. Por último, se formula un nuevo modelo de aprendizaje profundo que demuestra un rendimiento de detección excepcional para fallos tempranos en conductores cubiertos. Los resultados experimentales muestran que este algoritmo alcanza una puntuación del coeficiente de correlación de Matthews de 0,814, una mejora del 13,2% respecto al algoritmo de referencia de 0,719, y un aumento de la velocidad del 39,18%. La precisión final asciende al 97,85%. Este algoritmo demuestra un rendimiento excepcional en la detección precoz de fallos de aislamiento en conductores.

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