Comparison of simulated ELF magnetic field dosimetry between in vivo and in vitro

Abstract

Previous experiments studying magnetic field dosimetry have exploited a plethora of magnetic field parameters in order to study the effects of external magnetic fields onto biological tissue. The uncoordinated use and insufficient reporting of the parameters has made it difficult to address the fundamental phenomena behind the interaction of external magnetic fields and biological tissue.

This thesis assesses the comparability of effects of different parameters and common test setups by FEM simulations with Comsol Multiphysics. For the simulations, two models of common cell culture dishes, namely Petri and 48-well dish, and a simplified cylindrical model of a leg were built. In order to enhance the accuracy of the modeled cell culture medium, the conductivity of five different cell culture media was measured. Simulations were run using continuous sinusoidal, triangular, square waves and a pulsed bone growth signal with different field amplitudes and orientations. Also the effect of square wave rise time, the amount of liquid on cell culture dishes and the heating caused by sinusoidal fields was studied.

The results of this thesis describe the differences in the effects of the tested signal parameters have on the induced electric current densities. Based on the simulation results, improvements for the ELF EMF experiments are suggested. Also analytic equations to solve induced current densities on sinusoidal, triangular and square waved magnetic field input on circular cell culture dish are presented. The results of this thesis are significant as the parameter choice can affect whether the induced current densities reach the endogenous range.

Aiemmat magneettikenttien kudosvaikutusten tutkimukset ovat hyödyntäneet hyvin suurta määrää erilaisia magneettikentän parametreja erilaisille koeasetelmille. Erilaisten parametrien käyttö sekä koeasetelmien puutteellinen raportointi ovat tehneet tutkimustulosten vertailun vaikeaksi ja hankaloittaneet magneettikenttien ja kudoksen vuorovaikutusmekanismien ymmärtämistä.

Tämä diplomityö arvioi eri parametrien vaikutusta ja tyypillisten koeasetelmien vertailukelpoisuutta Comsol Multiphysics -ohjelmistolla suoritetuilla elementtimenetelmä-simulaatioilla. Näitä simulaatioita varten mallinnettiin Petri-malja ja 48-kuoppalevy sekä yksinkertainen sylinterimäinen malli säärestä. Soluviljelyastia-mallien tarkkuuden parantamiseksi tässä diplomityössä mitattiin myös viiden soluviljelymedian sähkönjohtavuudet. Simulaatiot ajettiin käyttäen jatkuvaa sinusoidaalista, kolmiomaista ja kanttimaista aaltoa eri taajuuksilla ja amplitudeilla sekä pulssitettua Bone Growth -signaalia. Näiden parametrien lisäksi tutkittiin myös kantti aallon nousuajan sekä soluviljelymaljoilla olevan nesteen määrän vaikutusta indusoituneisiin virtoihin.

Tämän diplomityön tulokset kuvaavat eroavaisuuksia, joita testatut parametrit aiheuttavat indusoituneissa sähkövirroissa. Tulosten perusteella esitetään myös parannuksia in vitro-kokeisiin sekä kirjallisuutta hyödyntäen analyyttiset yhtälöt sinusoidaaliselle, kolmiomaiselle ja kanttimaiselle magneettikentälle käytettäväksi apuna in vitro kokeiden suunnittelussa. Diplomityön tulokset ovat merkittäviä, sillä parametrien valinta voi vaikuttaa siihen yltävätkö indusoidut virrat biologisten virtojen suuruusluokkaan.