EFFETTI FISIOPATOLOGICI : VALORI DI CORRENTE E DI POTENZA DISSIPATA ALL'INTERNO DEI CORPI BIOLOGICI PER EVITARE EFFETTI PATOLOGICI ACUTI

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1 sorgenti energia EM SISTEMA BIOLOGICO effetti fisiopatologi ci Energia EM depositata Meccanismi biofisici d interazione ASPETTO MACROSCOPICO DOSIMETRIA EFFETTI FISIOPATOLOGICI : VALORI DI CORRENTE E DI POTENZA DISSIPATA ALL'INTERNO DEI CORPI BIOLOGICI PER EVITARE EFFETTI PATOLOGICI ACUTI NORMATIVE : VALORI DI CAMPO ELETTROMAGNETICO NELL'AMBIENTE FACILMENTE MISURABILI

2 La DOSIMETRIA determina la relazione tra limiti di base e livelli derivati di riferimento

3 ATTENZIONE:a differenza dei limiti di base i livelli derivati sono facilmente misurabili campo elettrico (V/m) campo magnetico (A/m) induzione magnetica (µt) densità di potenza (W/m 2 )

4 Meccanismi di interazionea bassa frequenza fino alla frequenza di circa 1 MHz prevale l induzione di correnti elettriche nei tessuti elettricamente stimolabili (nervi e muscoli) si tratta di effetti a soglia: perché si verifichi la stimolazione la densità di corrente elettrica deve essere maggiore di un determinato valore

5 Principali effetti biologici in relazione all induzione di corrente nell'intervallo di frequenza Hz Densità di corrente (ma/m 2 ) EFFETTI > 1000 Extrasistole e fibrillazione ventricolare: rischi per la salute ben determinati Stimolazione dei tessuti eccitabili: possibili rischi per la salute Possibili effetti sul sistema nervoso 1 10 Effetti biologici minori

6 Restrizioni fondamentali sulle grandezze di base a frequenze industriali Densità di corrente massima (A/m 2 ) nella testa e nel tronco Il limite di base per i lavoratori incorpora un fattore di protezione pari a 10 rispetto agli effetti da prevenire (stimolazione dei nervi periferici). J max = 10 ma/m 2 il limite di base per la popolazione incorpora un fattore di sicurezza aggiuntivo pari a 5 J max = 2 ma/m 2

7 Interazione tra Onde Elettromagnetiche e Corpi Biologici in alta frequenza Onda Incidente Onda Riflessa Onda Trasmessa Assorbimento Sorgente

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11 Esposizione p=k 1 P T /r 2 (W/m 2 ) E = k 2 P T½ /r ( V/m) H = E/ 377 (A/m) r

12 Assorbimento Assorbimento Mediato Hot spots SAR Medio: SAR mediato sull intero corpo Il SAR è usato nelle normative internazionali di protezione dei campi EM SAR =P dissipata / peso [ Watt/ chilogrammo] Hot spot = punto caldo

13 SAR Medio (W/kg) Potenza Totale Assorbita/ Peso del Corpo SAR Locale (W/kg) Potenza Assorbita in un Volume Infinitesimo (1 or 10 cm 3 )/Peso del Volume (1 or 10 g) Significato biofisico SARi e SARm SAR medio o totale esprime densità di potenza media assorbita dal volume v ed indica la quantità di calore immesso nel corpo SAR specifico o locale fornisce indicazioni su come la densità di potenza si è distribuita all interno del volume. Consente di individuare i punti caldi specialmente se si verificano in organi più sensibili e/o scarsamente vascolarizzati

14 SAR (specifico e medio )dipende da: SORGENTE(quantità,forma,dimensioni,polarizzazione, potenza, frequenza,modulazione) REGIONE DI INTERAZIONE (campo lontano o campo vicini,distanza) AMBIENTE CIRCOSTANTE( terreno,strutture metalliche,pareti riflettenti,finestre,condizioni Ambientali) SOGGETTO IRRADIATO( uomo o sue parti,animali,posizione,tipo di tessuto)

15 ll SAR dipende quindi -dalle caratteristiche del corpo esposto ( dimensioni) -dalla sua posizione rispetto alle linee di campo em -dalle proprietà dielettriche dei differenti strati del tessuto dagli effetti della terra e da quelli di riflessione causati dalla presenza di altri oggetti nel campo come superfici metalliche vicine al corpo esposto

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17 SPESSORE DI PENETRAZIONE δ =1/ ( πfσμ ) 1/2 f1 < f2 < f3

18 Dosimetria numerica determinare il valore del campo elettrico in ogni punto del corpo biologico in esame: E = E(x,y,z)soluzione delle equazioni di Maxwell attraverso metodi numerici P diss,vol =1/2 σ ΙEΙ 2 ( Watt/m 3 ) SAR =P diss /d ( Watt/kg) Vantaggi Modelli anatomici eterogenei σ = σ(x,y,z) ed ε(x,y,z) Buona accuratezza

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21 FDTD (Finite Difference Time Domain Method) Set di equazioni alle differenze finite per la risoluzione delle eq. Maxwell Divisione dello spazio di calcolo in celle cubiche Modello del corpo biologico diviso in celle elementari Caratterizzazione elettromagnetica dei tessuti (permettività, conducibilità, permeabilità) Valutazione delle componenti dei campi E ed H Nello SPAZIO Nel TEMPO

22 Discretizzazione Dimensione Celle 0.2cm per parti del corpo (testa) 0.5 cm per corpo intero

23 Caratteristiche dei Tessuti Risonanza Magnetica Visible Human Project Da INTERNET 52 layers (512x512 pixels)

24 Modello della sorgente e di tutte gli elementi che possono essere importanti per lo studio dell esposizione in esame

25 Dosimetria numerica: esempio

26 SAR per Individuidi di taglia diversa 100 Uomo su piastra collegata a terra SAR [(mw/kg)/(w/m 2 )] Altezza 0.74 m - Peso 10 kg Altezza 1.38 m - Peso 32 kg Altezza 1.75 m - Peso 70 kg f MHz

27 Equazione del calore In un materiale T = t SAR c s c s : calore specifico del materiale T : temperatura t : tempo

28 Equazione del calore nel corpo biologico W B W c C W M T = costante W M ( tasso di riscaldamento per metabolismo in W/kg) W C ( perdita di calore per conduzione termica) W B ( scambio di potenza con il sangue ) W M = W c + W B

29 I tre termini si fanno equilibrio e la temperatura interna e' costante ( 37 ) W m - W b - W c = c s dt/dt = 0 Quindi T costante Se si ha potenza dissipata ( SAR ) nel corpo biologico SAR + W m - W b + W c = c s dt/dt SAR positivo e quindi dt/dt > 0

30 Il SAR perturba l'equilibrio termico nel corpo biologico T aumenta fino a un nuovo valore di equilibrio W B W C W M SAR T aumenta W M ( tasso di riscaldamento per metabolismo in W/kg) W C ( perdita di calore per conduzione termica) W B ( scambio di potenza con il sangue ) SAR= tasso di assorbimento specifico /W/kg)

31 Danni biologici Gli effetti biologici sono legati ai valori di SAR. I valori per cui si manifestano danni e' di 4 W/kg. I valori accettati per i professionalmente esposti sono pari ad un decimo: 0.4 W/kg I valori accettati per la popolazione sono pari ad un cinquantesimo: 0.08 W/kg.

32 Livelli ammessi (popolazione) 1000 CE (continuo) 100 E ( V/m) 10 1 Italia Esposizione> 4 ore f [MHz]

33 Dosimetria sperimentale Valutazioni sperimentali vengono eseguite su modelli estremamente semplificati (fantocci) costituiti da materiali biologico-equivalenti in grado di simulare i tessuti umani alle frequenze di interesse L equivalenza tra materiali biologico-equivalenti e tessuti biologici è stabilita dall ugualianza dei valori dei parametri che caratterizzano i mezzi dal punto di vista elettromagnetico permittività dielettrica conducibilità

34 valori delle costanti elettromagnetiche utilizzate ad una frequenza di 900 MHz per diversi tessuti Cervello Cranio Muscolo Occhio Pelle Osso ε r σ (S/m)

35 Esistono ricettari per ottenere dielttrici che simulano le proprieta' dielettriche e conduttrici dei vari tessuti umani Materiale Componenti ε' ε'' Cervello (*) 900 MHz Acqua Glicol Etilene Sale (NaCl) Agar 57,35 ± ,71 ±0.52 Cervello (*) 1800 MHz Acqua Glicol Etilene Agar 52,34 ±1.3 19,73 ±0,5 Osso (*) (skull) Grafite araldite (glue) HY MHz: 17,67±2, MHz: 16,92±2,4 900 MHz: 2,2±0, MHz: 1,61±1,1

36 : Proprietà dielettriche relative ad un tessuto sintetico simulante il cervello di un individuo Frequenza (MHz) ε r σ (S/m)

37 Dosimetria sperimentale Misura di campo elettrico all interno di fantocci (phantoms) che rappresentano il corpo biologico con sensori di campo elettrico

38 Dosimetria sperimentale In alternativa con l'utilizzo di sensori di temperatura T = t SAR c s c s : calore specifico del materiale E quindi prima che la diffusione termica alteri le temperature SAR = c s T/ t

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40 L utilizzo in macchina del cellulare crea un effetto di amplificazione del CEM, tipo Gabbia di Faraday. Soluzione: vivavoce con antenna esterna.

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