Computational Multiscale Models for Microdosimetric Investigations of Skin Tissues under Electromagnetic Exposure
As ambitious projects such as Industry 4.0 and the Internet of Things evolve, the consequent drive towards next-generation telecommunication standards (i.e., 5G) implies increasing exposure to electromagnetic (EM) radiation at higher frequencies (2.5 - 6 GHz and 24 - 52 GHz) compared to those currently implemented (600 MHz up to 2.5 GHz, i.e., 2G-4G). This frequency shift brings into focus the absorption of EM energy in the outermost millimeters of the body, and especially in the skin. This highlights the need for both a reevaluation of current exposure guidelines and for refined methodological approaches that allow the dedicated assessment of EM absorption in tissue microstructures down to the cellular level in order to determine precisely where in the subcellular structure EM energy is converted to heat.
In response to this challenge, the research presented here introduced scale-back projection, a top-down, multiscale approach that accounts for the intricate interplay between tissue morphology, histochemical composition, and EM absorption at the cellular level. For this approach to be effectively applied, a tailored material description that is adapted to the specific tissue anatomy was required. To this end, a hierarchical bottom-up model of the epidermis was developed, offering a coherent representation of material properties at both macroscopic and microscopic scales. Central to the epidermal model is its detailed representation of the life cycle of keratinocytes, modeling the differentiation of epidermal cells across 24 cell layers by capturing changes in cell geometry, internal structure, and histochemical composition.
Scale-back projection allows a deeper exploration into EM exposure within individual cell microvolumes, precisely quantifying EM absorption relative to the specific location of individual epidermal cells. Using this innovative approach reveals a surprisingly high level of variability of EM fields induced in the cellular microstructure of such cells by up to 71 %, and exposure values which are up to 45 % higher than previously predicted by conventional dosimetric studies considering skin exposure on only a macroscopic scale. By providing more accurate exposure profiles across the epidermis, scale-back projection not only offers a detailed exposure map, but also emerges as a promising tool to complement and enhance conventional multiphysics simulation techniques currently used in EM dosimetry.
Angetrieben durch ehrgeizige Projekte wie Industrie 4.0 und das Internet der Dinge führt die konsequente Umstellung auf Telekommunikationsstandards der nächsten Generation (d. h. 5G) zu einer erhöhten Exposition durch elektromagnetische (EM) Strahlung bei höheren Frequenzen (2,5 - 6 GHz und 24 - 52 GHz) im Vergleich zu derzeit verwendeten Standards (600 MHz bis 2,5 GHz, d. h. 2G-4G). Diese Frequenzverschiebung rückt die Absorption von EM Energie in den äußersten Millimetern des Körpers und insbesondere in der Haut in den Mittelpunkt. Daraus folgt, dass sowohl eine Neubewertung der derzeitigen Expositionsrichtlinien als auch verfeinerte methodische Ansätze erforderlich sind, die eine gezielte Bewertung der EM Absorption in den Mikrostrukturen des Gewebes bis hinunter auf die Zellebene ermöglichen, um genau zu bestimmen, wo in der subzellulären Struktur EM Energie in Wärme umgewandelt wird.
Als Antwort auf diese Herausforderung wurde in der hier vorgestellten Forschungsarbeit die Scale-Back-Projektion eingeführt, ein top-down Multiskalen-Ansatz, der die komplexen Wechselwirkungen zwischen Gewebemorphologie, histochemischer Zusammensetzung und EM Absorption auf zellulärer Ebene berücksichtigt. Um diesen Ansatz effektiv anwenden zu können, ist eine maßgeschneiderte Materialbeschreibung erforderlich, die an die spezifische Gewebeanatomie angepasst ist. Zu diesem Zweck wurde ein hierarchisches Bottom-up-Modell der Epidermis entwickelt, das eine konsistente Darstellung der Materialeigenschaften sowohl auf makroskopischer als auch auf mikroskopischer Ebene ermöglicht. Im Mittelpunkt des Epidermismodells steht die detaillierte Darstellung des Lebenszyklus der Keratinozyten, wobei die Differenzierung dieser epidermalen Zellen in 24 Zellschichten durch die Erfassung von Veränderungen der Zellgeometrie, der inneren Struktur und der histochemischen Zusammensetzung modelliert wird.
Die Scale-Back-Projektion ermöglicht eine detailliertere Untersuchung der EM Exposition innerhalb einzelner Zellmikrovolumina durch die genaue Quantifizierung der EM Absorption in Abhängigkeit von der spezifischen Position einzelner epidermaler Zellen. Die Anwendung dieses innovativen Ansatzes zeigt sowohl eine überraschend hohe Variabilität der in die zelluläre Mikrostruktur solcher Zellen induzierten EM Felder von bis zu 71 % als auch Expositionswerte, die um bis zu 45 % höher liegen als bisher durch konventionelle dosimetrische Studien vorhergesagt, die die Hautexposition nur auf makroskopischer Ebene betrachten. Durch die Ermittlung genauerer Expositionsprofile über die Epidermis liefert die Scale-Back-Projektion nicht nur eine detaillierte Expositionsbewertung, sondern erweist sich auch als vielversprechendes Werkzeug zur Ergänzung und Verbesser\-ung konventioneller multiphysikalischer Simulationstechniken, die derzeit in der EM Dosimetrie eingesetzt werden.