Elettromagnetismo ambientale e interazioni bioelettromagnetiche

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1 Elettromagnetismo ambientale e interazioni bioelettromagnetiche Prof. Roberto De Leo Dipartimento di Ingegneria Biomedica, Elettronica etelecomunicazioni Tel r.deleo@univpm.it

2 Con elettromagnetismo s intende l insieme dei fenomeni dovuti alle interazioni generate da cariche elettriche statiche e/o in movimento

3 Elettromagnetismo 1)Attraverso il campo elettromagnetico e' possibile trasportare ENERGIA INFORMAZIONI con e senza collegamenti fisici ( wireless) anche all'interno di corpi biologici. 2) gli organi del nostro corpo utilizzano segnali elettrici per comunicare tra di loro

4 BIOELETTROMAGNETISMO Il trasporto di energia e informazioni all'interno di corpi biologici con onde elettromagnetiche a) e' essenziale per studiare il funzionamento dei nostri organi b) e' molto interessante per applicazioni biomedicali -nella diagnosi -in terapia Ma puo' creare problemi e pericoli -all'ambiente -direttamente agli esseri viventi -indirettamente su apparati elettronici vitali (interferenze )

5 OGGETTO DEL CORSO 1)caratterizzazione fisica e descrizione matematica dei campi elettromagnetici 2)sorgenti di campo elettromagnetico e loro impatto ambientale 3) Interazione tra campo elettromagnetico e sistemi biologici : energia assorbita 4) applicazioni cliniche 5) protezione da effetti nocivi di campi elettromagnetici

6 Occorre distinguere : effetti biologici innocui per esempio la reazione corporea che consiste in un aumento della circolazione sanguigna nella pelle in risposta ad un leggero aumento del riscaldamento da parte del sole effetti biologici vantaggiosi la sensazione di calore da parte dei raggi del sole in una giornata fredda, o effetti positivi per la salute (ad es. produzione di vitamina D). effetti biologici nocivi per esempio il dolore per le ustioni solari. Un effetto di danno alla salute si verifica quando l effetto biologico è al di fuori dell intervallo in cui l organismo può normalmente compensarlo, e ciò porta a qualche condizione di detrimento della salute

7 Effetti dei campi elettromagnetici Livello Parametro fisico Organismo Densità di potenza assorbita Termici Non Termici Effetto Aumento generale della temperatura Organi Aumento localizzato della temperatura Colture cellulari Risonanza macromolecolare Cellule (nucleo e membrana) Molecole Forze sulle cariche (ioni, elettroni) e sui dipoli (indotti o permanenti) Danni alla membrana Danni al DNA Riattivazione di cellule dormienti

8 Studi in vitro: studi a livello della membrana cellulare su alterazioni del flusso di ioni, del comportamento delle proteine e mutamenti del potenziale alla membrana; studi a livello del nucleo cellulare su aberrazioni del DNA, riattivazione di cellule dormienti, alterazione del tasso di crescita cellulare Studi in vivo: riguardano il sistema nervoso, endocrino, cardiovascolare, immunitario, linfatico, apparato riproduttivo, mutagenesi e carcinogenesi Studi epidemiologici: si riferiscono soprattutto a rischi di cancro e ad effetti sulla riproduzione in ambienti residenziali e di lavoro. Si effettuano misure di associazione al fine di effettuare confronti di rischi per diversi livelli di esposizione.

9 Con il termine dosimetria si intende l insieme degli studi volti a determinare come il campo elettromagnetico si distribuisce all'interno di un corpo biologico (che sia un uomo o un animale o una coltura cellulare ) per un assegnata situazione di esposizione.

10 L elettromagnetismo non gode di buona reputazione perché è considerato disciplina difficile ed astratta, è legato ad applicazioni militari, - è ritenuto nocivo per la salute (la sua applicazione più antica, il trasporto di energia elettrica, viene considerata simile ad Erode per quanto riguarda la salute dei bambini e la sua applicazione più popolare, la telefonia cellulare, provoca terrore nella popolazione che vive a meno di qualche chilometro da una stazione radiobase Ma non fu sempre così

11 In principio creavit Deus coelum, et terram. Terra autem erat inanis, et vacua, et tenebrae erant super faciem abyssi: et Spiritus Dei ferebatur super aquas. Dixitque Deus: Fiat lux. lux Et facta est lux. Et vidit Deus lucem, quod esset bona. Et dividit lucem a tenebris. Genesis; I,1-4

12 La luce e' una radiazione elettromagnetica essenziale per gli esseri viventi Energia luminosa trasduttori Energia chimica Biosintesi & Riproduzione

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14 Proprietà delle radiazioni elettromagnetiche È una forma di energia e non ha massa Viaggia alla velocità della luce Puo viaggiare attraverso il vuoto Si muove nello spazio come pacchetti di energia o fotoni Ogni fotone ha una frequenza caratteristica L energia del fotone E dipende dalla sua frequenza f E=hf ( h = costante di Planck = 6, Joule sec)

15 Frequenza f : numero di oscillazioni al secondo Periodo T : durata di una oscillazione ( T = 1 / f ) Lunghezza d'onda λ = c / f

16 APPLICAZIONI DELL'ELETTROMAGNETISMO a) nelle telecomunicazioni ( antenne, sistemi radiomobili, radar, ecc ) b) applicazioni ISM ( scientifiche,industriali e mediche )

17 SPETTRO EM Frequenze estremamente bassa (ELF)o frequenze industriali ( minori di 100 Hz): i campi (elettrici e magnetici) a frequenza estremamente bassa, si formano prevalentemente in corrispondenza di apparecchiature o cavi elettrici in ambienti domestici o lavorativi, oppure a ridosso delle linee ad alta tensione L effetto biologico principale dei campi a bassa frequenza è di produrre all interno del nostro organismo delle correnti elettriche che si possono sovrapporre a quelle naturali, dando vita, soprattutto in presenza di elevate intensità di campo, a sovreccitazioni nervose e muscolari (azione irritativa sul sistema nervoso centrale). Si parla anche di una possibile correlazione tra i campi a bassa frequenza ed alcuni casi di leucemia infantile insorti in bambini residenti in prossimità di linee ad alta tensione.

18 SPETTRO EM Radiofrequenze (RF - Radio Frequency) comprese tra 300 KHz e 300 MHz. Le principali sorgenti sono costituite dagli impianti di ricetrasmissione radio/tv e da apparati ISM ( industriali,scientifici e medici ) Microonde con frequenze comprese tra 300 MHz e 300 GHz. Le principali sorgenti di microonde sono costituite dagli impianti di telefonia cellulare, dai ponti radio e da apparati ISM. Alle alte frequenze, soprattutto in presenza di elevate intensità di campo, predominano gli effetti cosiddetti termici,ossia il riscaldamento dei tessuti corporei dovuto all assorbimento delle radiazioni.

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25 NIR ( radiazioni non ionizzanti) E = h f < 10 ev (circa Joule ) ( h = costante di Planck = 6, Joule sec) i campi elettromagnetici non hanno energia sufficiente a ionizzare le molecole dei corpi biologici

26 Le radiazioni ionizzanti (IR Ionizating Radiation): sulla base delle loro caratteristiche di ionizzare (staccare dalla loro struttura singoli elettroni), possono rompere dei legami chimici di molecole del nostro corpo o creare in esso sostanze particolarmente reattive, che a loro volta possono causare danni rilevanti al sistema biologico. E' risaputo che anche piccole dosi di raggi ultravioletti o radiazioni ionizzanti (radioattività) possono determinare patologie anche molto gravi come i tumori della pelle o la leucemia.

27 Le radiazioni non ionizzanti (NIR Non Ionizating Radiation): le radiazioni non ionizzanti, anche in presenza d intensità di campo assai elevate non sono in grado di ionizzare (staccare dalla loro struttura singoli elettroni) le molecole di cui è costituito il nostro corpo. Il principale effetto che riescono a produrre sulle molecole è quello di farle oscillare producendo attrito e di conseguenza calore (come accade ad esempio in un forno amicroonde): il riscaldamento è proprio l effetto principale delle radiazioni non ionizzanti

28 L interazione dei campi elettromagnetici nello spettro di frequenze da 0 a 300 GHz, con la materia biologica è basata su due differenti e complementari effetti: induzione di correnti elettriche riscaldamento. Lo studio dei meccanismi dell' interazione EM si basa su principi fisici ben noti ma le difficoltà provengono essenzialmente dalla complessità dei sistemi biologici in studio.

29 Istituzioni di riferimento in Italia: ICEmB( Consorzio Interuniversitario per lo studio degli effetti del campo elettromagnetico in corpi biologici) ISS ( Istituto Superiore di Sanita' ) in Europa: EBEA ( European Bioelectromagnetic Association ) nel mondo: BEMS ( Bioelectromagnetics Society ) ICNIRP ( Commissione Internazionale per lo studio delle radiazioni non ionizzanti ) OMS WHO ( Organizz. Mondiale di Sanita')

30 Allo stato dell arte il riferimento più autorevole è costituito dalla International Commission on Non Ionizing Radiation Protection (ICNIRP), che gode del riconoscimento ufficiale dell OMS ( Organizzazione Mondiale della Sanita') e della IARC (International Agency for Research on Cancer). La definizione dei limiti di esposizione secondo la guida ICNIRP (1998) si basa solo sugli effetti di cui si ha una accertata conoscenza scientifica della loro pericolosità per la salute. E necessario differenziare due tipi di rischi: il rischio da esposizione (anche istantanea) a livelli elevati, ovvero superiori ai limiti di riferimento ICNIRP, per i quali sono noti gli effetti avversi da un punto di vista medico (effetti acuti); il rischio da esposizione (prolungata) sotto i livelli di riferimento, per i quali non ancora è possibile trarre conclusioni definitive.

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32 I CAMPI ELETTROMAGNETICI APPAIONO AL MOMENTO COME UNA REALTA IRRINUNCIABILE NEL PRESENTE E NEL FUTURO DEL GENERE UMANO ESISTONO METODI E TECNICHE CHE CONSENTONO DI RIDURRE L ESPOSIZIONE AI CAMPI E.M.E CHE FANNO PARTE DI UNA NUOVA DISCIPLINA: BIOETICA ELETTROMAGNETICA

33 Le problematiche relative all uso dei campi elettromagnetici e le tecniche di protezione dagli effetti indesiderati impongono all'ingegnere il ruolo di studio e sviluppo di: 1) Tecniche Dosimetriche ( calcolo del campo elettromagnetico all'interno di corpi biologici per definire i valori di campo nell'ambiente che danno origine a effetti nocivi ) 2) Tecniche di misura del campo elettromagnetico 3) Definizione di zone proibite, zone ad accesso limitato, zone sicure 4) Azione sulle sorgenti e sull'ambiente (schermi elettromagnetici ) 5) nuovi apparati per diagnostica e per la terapia 6)sistemi radio per la gestione in tempo reale di pazienti ( body area networks e servizi di telemedicina e teleassistenza)

34 Il campo elettromagnetico è la grandezza fisica,generalmente funzione dello spazio e del tempo, in grado di descrivere quantitativamente le interazioni collegate alle cariche elettriche in quiete o in moto Mentre le metodologie di ricerca biologiche e cliniche sono essenzialmente sperimentali l'elettromagnetismo ha tre caratteristiche 1)una base teorica tanto robusta da resistere al terremoto della relativita'. 2) una metodologia di analisi rigorosa ed efficiente, sia analitica che numerica, sviluppata dal dopoguerra in poi ( invenzione del radar e sviluppo delle telecomunicazioni e delle applicazioni militari e spaziali ) 3) Sistemi di misura precisi e affidabili

35 Nella laurea in Ingegneria Biomedica le nozioni di BIOELETTROMAGNETISMO sono organizzate in tre parti 1)Interazioni bioelettromagnetiche 1.1) Leggi dell'elettromagnetismo 1.2 )Energia assorbita dai corpi biologici in presenza di campi elettromagnetici 2)Impatto ambientale dei campi elettromagnetici 2.1 Campi a bassa frequenza: sorgenti, misura e normative di protezione 2.2 Campi a radiofrequenza :sorgenti, misura e normative di protezione

36 3) Compatibilita' Elettromagnetica in apparati biomedicali ( LM) 3,1 Misura e controllo della emissione di apparati biomedicali 3.2 Misura e controllo dell'immunita' di apparati biomedicali 3.3 Misura e controllo dell'impatto ambientale dei campi elettromagnetici con riferimento particolare alla sicurezza dei pazienti e degli operatori sanitari

37 Testi consigliati: 1)F.Ulaby : Fondamenti di campi elettromagnetici. McGraw-Hill 2) W.E.Gettys,F.J.Keller,M.J.Skove : Fisica2 :Elettromagnetismo, Onde, Ottica. McGraw-Hill 2)IROE AA.VV. : Protezione dai campi elettromagnetici non ionizzanti.( 3.a Ed) Edizioni CNR 3) P. Bevitori : Inquinamento da campi elettrici,magnetici ed elettromagnetici.maggioli Ed. 4) L. Zappelli:Esercizi di Campi Elettromagnetici. Ed. Pitagora Inoltre vi sara' distribuito tutto il materiale delle lezioni in forma elettronica Nel sito del Docente ( UNIVPM.IT ) sono presentati gli esercizi assegnati in precedenti sessioni di esame