Intelligent tools to control the effect of radiation on the eye

Abstract

This thesis delves into how certain human tissues, as the eye's lens, are prone to damage from radiation. Notably, the eye's lens has shown a significant vulnerability to low-LET radiation through a variety of processes. There's been an effort by the International Commission on Radiological Protection (ICRP) to revise the guidelines on acceptable limits for high-LET radiation exposure. The article offers important perspectives on how radiation affects human tissues, emphasizing the necessity for correct radiation exposure guidelines. It also examines the potential impact of radiation on other eye diseases and the development of cataracts among health workers, flight personnel, and astronauts. This thesis could offer valuable insights into the root causes of radiation-induced eye diseases and aid in refining radiation protection strategies. Recent studies support the long-held belief that the lens of the eye is one of the human body's most radiosensitive tissues, especially in the ocular region. This study highlights the influence of non-ionizing electromagnetic radiation, which may cause cataracts or other visual illnesses. We exposed intact cultured lenses to microwave radiation for extended periods while maintaining a consistent ambient temperature using an A.I. computer-controlled electromagnetic bench. To simulate using a cell phone, both eyes were exposed to microwave radiation at 0.8 to1.2 GHz and 2.0 W from a distance of 2 to 5 cm. The investigation of electromagnetic field(EMF) distribution in living tissues was simulated using the Sim4Life platform's MIDAS head phantom for personalized experiments through “Digital Twin” approaches. According to our research, this electromagnetic radiation causes a mean rapid 2 °C temperature increase. Notably, electromagnetic radiation causes temperature-related effects on the sclera, choroid, and retina, which are the posterior portions of the eye. This is explained by the predominant heat flux that these regions' blood flow produces. Extended exposure (i.e., more than 20 minutes) to 2.0 Wat 1.1 GHz is detrimental to the eyes’ health and optical performance. The temperature elevation is the main cause of possible damaging processes for the nonionizing radiation band, according to International Regulation Bodies such as ICRP and ICNIRP. The study unequivocally shows that microwave radiation has an impact on the eye structures, introducing risks with both immediate and long-term consequences. The optical transmission properties of these structures are compromised by electromagnetic radiation that surpasses specific energy thresholds, indicating potential harm to them. The current methodology can also be applied to personalize workplace/environment safety measures or even medication techniques for eye tissues, as all Digital Twins models

Αυτή η διατριβή εξετάζει πώς ορισμένοι ανθρώπινοι ιστοί, όπως του ματιού, είναι ευάλωτοι στη βλάβη από ακτινοβολία. Ιδιαίτερα, ο φακός του ματιού έχει επιδείξει σημαντική ευαισθησία στηχαμηλή ακτινοβολία μέσω διαφόρων διεργασιών. Έχει γίνει προσπάθεια από τη Διεθνή Επιτροπή Προστασίας από τη Ραδιενέργεια (ICRP) να αναθεωρήσει τις οδηγίες για τα αποδεκτά όρια για την έκθεση σε ακτινοβολία-LET. Η εργασία προσφέρει σημαντικές προοπτικές σχετικάμε το πώς η ακτινοβολία επηρεάζει τους ανθρώπινους ιστούς, τονίζοντας την ανάγκη για σωστές οδηγίες έκθεσης στην ακτινοβολία. Επίσης, εξετάζει το πιθανό αντίκτυπο της ακτινοβολίας σε άλλες ασθένειες του ματιού και στην ανάπτυξη καταρράκτη μεταξύ εργαζομένων στην υγεία, προσωπικού πτήσης και αστροναυτών. Αυτή η διατριβή θα μπορούσε να προσφέρει πολύτιμες εισαγωγές στις επιπτώσεις των ακτινοβολιών στην ανάπτυξη ασθενειών του ματιού και να βοηθήσει στο σχεδιασμό στρατηγικών προστασίας από την ακτινοβολία. Πρόσφατες μελέτες υποστηρίζουν την καθιερωμένη αντίληψη ότι ο φακός του ματιού είναι ένας από τους πιο ραδιοευαίσθητους ιστούς του ανθρώπινου σώματος, ειδικά στην οφθαλμική περιοχή. Η παρούσα εργασία μελετά την επίδραση της μη-ιονίζουσας ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, η οποία μπορεί να προκαλέσει καταρράκτη ή άλλες ασθένειες του οφθαλμού. Εκτελέσαμε εκτεταμένες πειραματικές μελέτες εκθέτοντας οφθαλμό σε μικροκυματική ακτινοβολία για εκτεταμένα χρονικά διαστήματα διατηρώντας σταθερή την περιβαλλοντική θερμοκρασία χρησιμοποιώντας μια υπολογιστική πλατφόρμα. Προκειμένου να προσομοιώσουμε τη χρήση κινητού τηλεφώνου, και οι δύο ματιές εκτέθηκαν σε μικροκυματική ακτινοβολία στα 0,8 έως 1,2 GHz και 2,0 W από απόσταση 2 έως 5 εκατοστών. Η έρευνα της κατανομής του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου (EMF) στα ζωντανά ιστούς προσομοιώθηκε χρησιμοποιώντας το μοντέλο MIDAS head phantom της πλατφόρμας Sim4Life για εξατομικευμένες προβλέψεις μέσω προσεγγίσεων Digital Twins. Σύμφωνα με την έρευνά μας, αυτή η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία προκαλεί κατά μέσο όρο ταχεία αύξηση της θερμοκρασίας έως 2 °C. Ειδικότερα, η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολίαπροκαλεί επιδράσεις σχετικές με τη θερμοκρασία στα οπίσθια κυρίως τμήματα του ματιού. Αυτό εξηγείται από την ροή θερμότητας που παράγει η ροή αίματος αυτών των περιοχών. Η εκτεταμένη έκθεση (δηλαδή, περισσότερο από 20 λεπτά) στα 2,0 W στα 1,1 GHz είναι επιζήμια για την υγεία των ματιών και την οπτική απόδοση. Η αύξηση της θερμοκρασίας είναι η κύρια αιτία δυνητικών διαδικασιών βλάβης για το φάσμα της μη-ιονίζουσας ακτινοβολίας, σύμφωνα με Διεθνείς Οργανισμούς Ρύθμισης όπως η ICRP και η ICNIRP. Η μελέτη δείχνει αναμφισβήτητα ότι η μικροκυματική ακτινοβολία έχει επίδραση στις δομές του ματιού, εισάγοντας κινδύνους για άμεσες και μακροπρόθεσμες συνέπειες. Οι οπτικές ιδιότητες μετάδοσης αυτών των δομών επηρεάζονται από την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που υπερβαίνει συγκεκριμένα όρια ενέργειας, ενδεικνύοντας δυνητική βλάβη σε αυτές. Η τρέχουσα μεθοδολογία μπορεί επίσης να εφαρμοστεί για την εξατομίκευση μέτρων ασφαλείας στον χώρο εργασίας/περιβάλλοντος ή ακόμη και τεχνικών θεραπειών για ιστούς του ματιού, όπως όλα τα μοντέλα Digital Twins.