FULL BODY SCANNERS TECHNOLOGY REPORT

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1 FULL BODY SCANNERS TECHNOLOGY REPORT A causa del recente attentato terroristico su un volo Northwest Airlines diretto a Detroit, dove un IED (Improvised Esplosive Device) è passato attraverso i normali controlli di sicurezza (presumibilmente Metal detector magnetometrici) nascosto sotto l abbigliamento di un passeggero, i full-body scanners (FBS) all interno degli aeroporti sono stati presi in considerazione dagli Enti dell Aviazione Civile e dai Ministeri dell Interno di varie Nazioni, come mezzo teso a prevenire futuri, possibili eventi simili. Esistono due principali categorie di Scanners oggi sul mercato che potrebbero essere utilizzati, i cosiddetti stand off cioè a distanza, i quali possono essere puntati direttamente su di una folla di persone, ed i sistemi walk in in grado invece di controllare passando attraverso una apposita struttura, una persona alla volta. Bisogna evidenziare che questi ultimi sono già in uso presso Industrie produttrici di componenti elettroniche ad alta tecnologia e in luoghi ad elevato grado di sicurezza come centrali nucleari, ambasciate e installazioni militari. COME FUNZIONANO I Full Body Scanners cosiddetti walk-in, ovvero il sistema che presumibilmente verrà implementato su vasta scala all interno dei Sistemi di Sicurezza Aeroportuali, si basano a loro volta su due differenti tecnologie, la prima detta Backscatter Scanners sfrutta deboli fasci di Raggi X, (ex. Rapiscan Systems) la seconda risponde al nome di Millimeter Wave Scanners, ed usa una tecnologia differente basata sull uso della riflessione sulla pelle, di onde radio ad elevata frequenza.

2 Entrambe le tecnologie hanno lo scopo di evidenziare oggetti e materiali come esplosivi, gel o plastiche, nascosti al di sotto dell abbigliamento, e non rintracciabili con i normali metal detectors magnetometrici attualmente in uso. Esistono poi due sottocategorie tra I Millimetre Wave Scanners ovvero i cosiddetti sistemi passivi, in grado di rilevare le onde radio millimetriche emesse dall ambiente e riflesse dal corpo (sistema prodotto attualmente dalla QINETIQ) ; e i sistemi attivi che usano fasci di onde radio millimetriche emesse da un antenna e riflesse dal corpo umano (sistemi prodotti dalla Smiths Detection e dalla L3 Communications). Vediamo adesso in dettaglio quali sono i principi fisici utilizzati nelle due differenti tecnologie. Backscatter scanners Sono FBS che utilizzano Raggi X (radiazioni ionizzanti) a bassa intensità che vengono riflessi dalla pelle a dall abbigliamento. Un fascio di radiazioni molto stretto e a bassa potenza è irradiato sulla superficie corporea, la riflessione delle radiazioni detta backscatter (da cui il nome del sistema) è quindi ricevuto, digitalizzato e salvato su computer. A questo punto i dati vengono elaborati con apposito software per il trattamento delle immagini, onde creare una immagine della persona scannerizzata e di eventuali oggetti nascosti. Ogni scannerizzazione produce approssimativamente una dose di radiazioni pari a 3 (tre) milli ReM (secondo la dichiarazione di uno dei produttori l equivalente di 5 minuti di permanenza all aperto esponendosi alla radiazione ambientale di fondo). La persona scannerizzata in questo modo è esposta ad una modesta quantità di radiazioni durante il processo e stando ad un Documento rilasciato dal U.S.National Council on Radiation Protection and Measurement, una scannerizzazione dura approssimativamente 8 (otto) secondi e prevede un esposizione alle radiazioni ionizzanti pari ad una dose effettiva di 0,003 millisievert MsV. Millimeter Wave Scanners Le onde Millimetriche, occupano lo spettro compreso tra le onde radio e gli infrarossi. Sono radiazioni non ionizzanti con frequenza compresa tra 100 KHz e 300 GHz; fino a 300 MHz le radiazioni sono definite microonde, oltre tale limite radiofrequenze. Questa banda di frequenze ha la particolare proprietà di passare attraverso leggeri materiali come i tessuti di abbigliamento. E proprio questa la caratteristica che trova applicazione nei FBS, consentendo di identificare come già detto, oggetti nascosti al di sotto dei vestiti.

3 I sistemi basati sulle Millimetre-wave, sono notevolmente evoluti negli ultimi anni e le attuali tecnologie consentono di creare immagini video live particolarmente efficaci per lo scopo. Lo stato dell arte consta apparati in grado di scannerizzare una persona in circa 2 secondi con una potenza di emissione radio, (diecimila) volte inferiore a quella di un telefono cellulare (dichiarazione del costruttore). EFFETTI FISIOLOGICI SUL CORPO UMANO RADIAZIONI NON IONIZZANTI (millimetre wave scanners) Interazione delle onde radio e delle microonde con il tessuto biologico Il termine di radiazioni non ionizzanti (NIR, Non Ionizing Radiations) si riferisce a quelle forme di radiazione elettromagnetica, onde radio, microonde, infrarosso, visibile ed ultravioletto, che interagendo con gli atomi della materia non ne producono la ionizzazione. Tali radiazioni comprese nella banda tra 100 khz e 300 GHz, possiedono un'energia minore di 10 ev, che rappresenta in effetti la minima energia necessaria per la ionizzazione di un atomo. In questo breve saggio ci riferiremo essenzialmente alle onde radio ed alle microonde, le cui frequenze e le relative lunghezze d'onda sono date nella seguente Tabella 1. Per comprendere i danni prodotti sull'organismo umano da una radiazione non ionizzante e' necessario ricordare che ad ogni radiazione e' associata una ben determinata energia. Tenendo conto che una radiazione elettromagnetica e' formata da un campo magnetico e da un campo elettrico oscillanti, fra loro perpendicolari e a loro volta perpendicolari alla direzione di propagazione dell'onda, l'energia trasportata dall'onda e' espressa da una grandezza fisica chiamata vettore di Poynting e rappresenta l'energia che attraversa, nell'unita' di tempo, una superfice normale alla direzione di propagazione dell'onda incidente. L'unita' di misura e' il W/m 2. Quando una radiazione elettromagnetica urta un ostacolo, una parte dell'onda incidente viene riflessa ed una parte trasmessa all'interno del materiale. In questo ultimo caso, nel materiale sono presenti campi magnetici ed elettrici, oscillanti con una frequenza tipica della radiazione stessa, che interagiscono con gli atomi e le molecole della materia attraversata cedendo una parte della loro energia. I meccanismi con cui l'energia viene ceduta dipendono dalla frequenza dell'onda incidente e dalle caratteristiche dei materiali attraversati. Anche gli effetti di tale cessione d'energia sono diversi a seconda del materiale attraversato, in particolare se il materiale e' un isolante o un conduttore.

4 In generale, all'aumentare della frequenza dell'onda incidente aumenta la cessione di energia e l'onda viene assorbita sempre piu' in superficie. Per fare un esempio, un'onda di 100 MHz puo' penetrare il tessuto umano molle sino ad una profondita' di poco piu' di 10 cm, mentre per una frequenza di MHz il potere di penetrazione e' poco piu' di un centimetro. La seguente tabella 2 fornisce i valori della profondita' di penetrazione, in cm, il alcuni tessuti biologici, in funzione della frequenza in MHz. Nel caso di un materiale conduttore la situazione e' totalmente diversa poiche' gli elettroni di conduzione sono liberi di muoversi e quindi nel corpo stesso si generano delle correnti indotte quando e' posto in un campo elettromagnetico. L'effetto di queste correnti e' la produzione di calore per effetto Joule. L'interazione dei campi elettromagnetici con il mezzo biologico e' molto complessa per i seguenti motivi: Inomogeneita' dei tessuti biologici Variabilita' temporale delle caratteristiche elettriche dei tessuti a causa del loro riscaldamento Presenza dei vestiti e del sudore che modificano la propagazione dei campi Presenza dei vasi sanguigni che provvedono ad eliminare il calore prodotto. Per frequenze inferiori a 15 MHz, corrispondenti a una lunghezza d'onda di 20 m, e pertanto superiore alle dimensioni del corpo umano, l'energia elettromagnetica si trasforma in calore per effetto Joule prodotto dalle correnti indotte nei tessuti. E' quindi chiaro che piu' la frequenza dell'onda incidente e' bassa e quindi piu' elevata e' la profondita' di penetrazione, maggiormente vengono interessati organi profondi del corpo umano. L'occhio e' un organo molto sensibile alla radiazione elettromagnetica per il calore prodotto durante l'assorbimento. Infatti, essendo l'occhio scarsamente irrorato dalle vene, il calore assorbito stenta a dissiparsi con conseguente aumento della temperatura locale; cio' puo' provocare cataratte o distacco della retina. All'aumentare della frequenza gli effetti sono piu' che altro superficiali, come gia' detto in precedenza.

5 Va infine ricordata la capacità delle radiofrequenze e delle microonde di interferire sul funzionamento dei pacemaker cardiaci. Mentre la Americana FDA (Food and Drugs Administration) non ha ancora una stabilito una categoria comprendente i Sistemi di Sicurezza basati sull uso di Onde Radio ad Altissima frequenza, come quelle usate nei millimetre wave scanners, essa prevede invece raccomandazioni di sicurezza per l uso dei telefoni cellulari. Sulla base delle dichiarazioni della U.S. Transportation Security Agency (TSA), le radiazioni emesse dai FBS usati negli aeroporti sono meno di quelle emesse normalmente da un telefono cellulare in uso. Alti livelli di radiazioni radio ad altissima frequenza comunque, possono essere estremamente nocive per il corpo umano. Alti livelli assorbiti si possono tradurre in un innalzamento della temperatura dei tessuti, in quello che è chiamato Effetto termico (che è poi quello che fa funzionare un normale forno a microonde). Mentre il quantitativo di energia emessa in un FBS non sarebbe sufficiente ad arrecare effetti pericolosi sul corpo umano, è da notare invece che un malfunzionamento del sistema stesso potrebbe teoricamente causare una esposizione tale da provocare il cosiddetto effetto termico. RADIAZIONI IONIZZANTI (Backscatter Scanners) Un rapido cenno alla differenziazione delle Radiazioni e alle loro unità di misura. Dose Assorbita E la quantità fondamentale per descrivere gli effetti delle radiazioni in organi e tassuti umani. La dose assorbita è la quantità di energia depositata in un piccolo volume di tessuto, dal raggio di radiazioni passante attraverso il materiale, diviso la massa del materiale stessa. La dose assorbita è quindi misurata in termini di energia depositata per unità di massa di materiale. L Unità di Misura nel S.I. equivale a joule/kg, dove un (1) joule/kg equivale alla speciale unità di Gray (Gy), nel vecchio sistema di misura delle radiazioni, 1 Gy = 100 rad, 1 mgy=0,1 rad. Dose Equivalente Un altra grandezza di rilievo e la dose equivalente o efficace (detta anche RBE da Relative Biological Effectiveness). Questa rappresenta la dose misurata non in termini di pure grandezze fisiche ( energia e massa) ma in termini di efficacia biologica. La dose efficace o Equivalente (De) e legata alla dose Dose assorbita, da un fattore detto fattore di qualita Q, dipendente dal tipo di radiazione ( fotoni, elettroni, protoni, neutroni, alfa, etc...) e dall energia della particella incidente, De = Q x D. L unita di misura della dose equivalente e il Sievert (Sv) = Q x Gray. (Gy) E ancora usato, come unita di misura, il rem : 100 rem = 1 Sv. Gli effetti biologici di una dose assorbita ad una determinate intensità quindi, dipendono dal tipo di radiazioni che depositano l energia, (es. se raggi X, raggi gamma, particelle Alfa, neutroni etc.) e ovviamente dalla quantità di radiazioni assorbite. La differenza negli effetti è dovuta alla maniera in cui le differenti radiazioni interagiscono con il tessuto organico.

6 Tabella I. Comparazione della dose di radiazioni Diagnostic Procedure Typical Effective Dose (msv) 1 Number of Chest X rays (PA film) for Equivalent Effective Dose 2 Time Period for Equivalent Effective Dose from Natural Background Radiation 3 Chest x ray (PA film) days Skull x ray days Lumbar spine days I.V. urogram year Upper G.I. exam years Barium enema years CT head days CT abdomen years 1.Average effective dose in millisieverts (msv) as compiled by Fred A. Mettler, Jr., et al., "Effective Doses in Radiology and Diagnostic Nuclear Medicine: A Catalog," Radiology Vol. 248, No. 1, pp , July Based on the assumption of an average "effective dose" from chest x ray (PA film) of 0.02 msv. 3. Based on the assumption of an average "effective dose" from natural background radiation of 3 msv per year in the United States Il rischio da radiazioni ionizzanti Effetti delle radiazioni sulle cellule. Il danno cellulare puo' essere causato da un gran numero di agenti diversi, sia fisici, che chimici e biologici. Esso risulta comunque indipendente dall'agente che l'ha provocato, sia esso una sostanza chimica o una radiazione ionizzante. Su scala molecolare, la radiazione che attraversa le cellule viventi ionizza ed eccita gli atomi e le molecole della struttura cellulare, alterando le azioni di forza delle strutture molecolari organiche, in genere molto complesse, dando luogo a frammenti dotati di carica elettrica (ioni e radicali), che sono chimicamente instabili. A loro volta, i radicali e gli ioni possono interagire con la cellula stessa dando luogo a nuove alterazioni. Le alterazioni peggiori si verificano in genere nel nucleo, ma anche il danno al citoplasma puo' talvolta condurre a notevoli alterazioni della cellula. L'effetto totale e' comunque funzione della quantita' di radiazione ricevuta, la dose, e puo' manifestarsi in varie gradazioni di danno, fino alla morte della cellula stessa. I danni meno gravi possono essere riparati per azione della cellula stessa, per sostituzione delle cellule danneggiate attraverso mitosi delle cellule sane contigue. Se invece il danno ad un organo e' grave ed esteso, esso non sara' in grado di reintegrarsi.

7 Milioni di cellule dei tessuti del corpo umano muoiono ogni giorno ed ogni giorno vengono sostituite da altre cellule. Un piccolo numero di cellule morte in eccesso per qualche causa specifica, come a causa di una radiazione ionizzante, puo' non dare effetti osservabili. La perdita di un numero irrilevante di cellule diviene pero' importante allorche' il numero totale di cellule di un particolare tipo e' piccolo e non vi e' possibilita' di rimpiazzo, come e' ad esempio il caso delle cellule germinali femminili nell'ovaio o delle cellule dell'embrione nei suoi stadi iniziali. In talune circostanze i cambiamenti che possono intervenire nelle cellule colpite da una radiazione ionizzante possono portare a piu' pesanti conseguenze che la morte di tali cellule. Le cellule che sono state colpite in modo non mortale possono dare origine ad altre cellule che presenteranno gli stessi cambiamenti. In tal modo si trasmettono le alterazioni da cellula madre a cellule figlie in un certo organismo, oppure, se le cellule sono germinali, alle cellule dei discendenti dell'individuo colpito dalle radiazioni. Si puo allora intuire come le radiazioni ionizzanti possano essere pericolose per le cellule di esseri viventi. Ricapitolando quindi, se l energia ceduta da una particella mentre attraversa una cellula rompe il legame molecolare di una delle catene del DNA, la cellula puo morire oppure autonomamente ripararsi. In questa operazione puo anche accadere che il codice genetico venga reinterpretato in modo sbagliato innescando un processo pericoloso. Per concludere infine, secondo i dati riportati in uno studio effettuato dalla U.S. NCRP, una dose effettiva di 0.1 µsv per scannerizzazione, potrebbe consentire fino a 2500 passaggi annui all interno di un FBS per ogni individuo.questo senza eccedere quelle che sono le dosi ammesse per pubblico individuo cioè 0,25 msv di dose effettiva. Il che, considerando 250 giorni lavorativi medi per anno, corrisponderebbe a 10 (dieci) scansioni al giorno, una quantità difficilmente raggiungibile. Fonti: - Workshop on Transit Security, American National Standards Institute (ANSI) - Dipartimento di Fisica Universita' degli Studi di Roma "La Sapienza", Roma - International Commission on Non Ionizing Radiation Protection (ICNIRP) - U.S. Food and Drug Administration (FDA) - U.S. Department for Homeland Security - U.S National Council on Radiation Protection and Measurement (NCRP) - National Institute of Information and Communications Technology, EMC Group,