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Thèse Année : 2023

EMF of cardiac implants at low frequencies 50 Hz in a normative context

CEM des implants cardiaques aux basses fréquences 50 Hz dans un contexte normatif

Mengxi Zhou
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1287587
  • IdRef : 272193917

Résumé

Targeting cardiology diagnosis and treatment, active implantable medical devices (AIMDs) have been rapidly developed and widely applied with constantly updated technologies in recent decades. It is vital for scientific research to catch up with the speed of the information era in terms of the side effects on human beings and the environment. Pacemakers (PMs), used for the treatment of arrhythmias (bradycardias and tachycardias), and implantable cardioverter defibrillators (ICDs), for palliating serious ventricular arrhythmias by electric shocks to the myocardial tissue are important AIMDs normally implanted in the human chest. Electromagnetic radiation is inevitable present in our surroundings and raised many questions concerning the potential effects on the AIMD-wearers. The increasing number of medical implant wearers, including those in active professional activities, has led to questions regarding their performance in the presence of an occupational electromagnetic field (EMF) exposure. Since the 1960s, these questions have concerned possible interference linked to the energy transport network. The frequencies allocated to electrical energy (50 Hz and 60 Hz) are in the analysis bandwidth of the cardiac signals, of which spectrum extends from a few Hertz to approximately 150 Hz. The AIMDs are usually equipped with selective filters enabling to significantly reduce or eliminate the interference. However, considering the nature formation of the heart signals, 50 Hz and 60 Hz may not be filtered in order to ensure the cardiac signal waves are correctly and completely sensed.In the workplaces, it is inevitable to have the existence of workers who are susceptible to the electromagnetic field (EMF)-related impact. The presence of workers wearing AIMDs is then to be considered as specific cases. In other words, particular attention should be given to AIMD carriers who are subject to higher risks and corresponding risk evaluation process should be established. The procedure for assessing the EMF exposures for workers bearing AIMDs was proposed in EN 50527 to determine the risk arising from the exposures in the workplaces. Immunity test on AIMDs is critical in the risk assessment procedure and requires a simple, feasible, and risk-free test method. To date, the electric field exposures at low frequencies has received little attention yet they commonly exist in the workplaces in electrical industries, for example, area near power lines and substations. In this study, high-intensity electric field exposures are mainly concerned. The frequency band was limited to extremely low frequency at 50 Hz to focus on the occupational exposures caused by power sources.The interference can be evaluated by the estimation of the induced voltage at its input. Equivalent systems can be built up by adopting this conception to reproduce the exposures and the implantation conditions in order to generate same effects at the input of cardiac implant (same induced voltage). In this work, a theoretical and experimental study was performed on an in vitro phantom that allowed to determine the voltage induced at the input of a cardiac implant subjected to a high-intensity electric field at 50 Hz. The phantom is composed of two parts with electrical characteristics similar to those of the human heart and the chest, where the cardiac lead and the housing are implanted. Experimental measurements and numerical simulation are coherent which validates the equivalence factors we found for our systems. Thus, the in vitro phantom can be applied as an equivalent system in the workplace for the immunity test on cardiac implants. Another result we established in this study is the equivalence between an electric field exposure system and an injection system which allows us to reduce the complexity of the study, and conduct simpler tests with reproduced perturbations
Les dispositifs médicaux implantables actifs (DMIA) ont été rapidement développés et largement appliqués pour le traitement des pathologies cardiaques avec des technologies constamment mises à jour au cours des dernières décennies. Le nombre croissant de porteurs de DMAI, y compris dans la population active, a entraîné un questionnement quant à leurs effets potentiels en présence d'un champ électromagnétique (CEM). Ces interrogations ont, dès les années 60, concerné les possibles interférences liées au réseau de transport de l'énergie. En effet, les fréquences allouées à l'énergie électrique (50 Hz et 60 Hz) sont dans la gamme que les signaux de l'activité cardiaque dont le spectre s'étend de quelques Hertz à 150 Hz environ. Les DMIA sont équipés de filtres sélectifs permettant de réduire considérablement ou d'éliminer les interférences. Toutefois, compte tenu de la nature des signaux cardiaques, il se peut que les fréquences de 50 Hz et 60 Hz ne soient pas filtrées afin de garantir une détection correcte et complète des ondes cardiaques. Sur les lieux de travail, certains travailleurs peuvent être soumis à des rayonnements électromagnétiques. La présence de travailleurs portant des DMIA est alors à considérer comme cas spécifiques. En d'autres termes, il convient d'accorder une attention particulière aux porteurs de DMIA qui sont exposés à des risques plus élevés et de mettre en place un processus d'évaluation des risques correspondant. La procédure d'évaluation des expositions aux CEM pour les travailleurs portant des DMIA a été régulée par la norme EN 50527 visant à déterminer le risque potentiel des expositions sur les lieux de travail. Le test d'immunité sur les DMIA est essentiel dans la procédure d'évaluation des risques et nécessite une méthode d'essai simple, reproductible et sans risque pour l'employé. Les expositions aux champs électriques à basse fréquence avaient reçu moins d'attention, bien qu'elles soient courantes sur les lieux de travail dans les industries électriques. Cette étude porte sur les expositions aux champs électriques de haute intensité de porteurs d'implants cardiaques. La bande de fréquence a été limitée à la fréquence du réseau européen, fréquence extrêmement basse de 50 Hz pour se concentrer sur les expositions professionnelles causées par les sources d'énergie. L'interférence peut être évaluée par l'estimation de la tension induite à l'entrée au niveau de la sonde de l'implant cardiaque. Des systèmes équivalents peuvent être élaborés pour reproduire les expositions et les conditions d'implantation afin de générer les mêmes effets à l'entrée de l'implant cardiaque. Dans ce travail, une étude théorique et expérimentale a été réalisée sur un fantôme in vitro. Cette étude a permis de déterminer la tension induite aux bornes de la sonde d'un implant cardiaque soumis à un champ électrique important à 50 Hz. Le fantôme se compose de deux zones de caractéristiques électriques similaires à celles du cœur humain et de la cage thoracique, lieux où la sonde cardiaque et le boîtier sont implantés. Les mesures expérimentales et la simulation numérique concordent ce qui valide les facteurs d'équivalence que nous avons trouvés pour notre système. Ainsi le fantôme in vitro peut être appliqué comme système équivalent dans les travaux sur la CEM des implants cardiaques. Un autre résultat que nous avons établi dans cette étude est l'équivalence entre un système d'exposition au champ électrique et un système par injection. Cette relation d'équivalence nous permet de ramener une étude sous champ électrique, dont la mise en œuvre est complexe, à une étude en perturbations conduites, beaucoup plus simple à réaliser.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04218487 , version 1 (26-09-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04218487 , version 1

Citer

Mengxi Zhou. EMF of cardiac implants at low frequencies 50 Hz in a normative context. Electromagnetism. Université de Lorraine, 2023. English. ⟨NNT : 2023LORR0110⟩. ⟨tel-04218487⟩
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