APPLICAZIONI TIPICHE dei campi magnetici in INGEGNERIA

APPLICAZIONI TIPICHE dei campi magnetici
in INGEGNERIA BIOMEDICA:
1)Stimolazione magnetica transcraniale
2)RFID
3) Alimentazione di apparati impiantati senza collegamenti fisici
4) misura di flusso sanguigno con l'effetto Hall
5) SQUID
6) Stimolazione magnetica cardiaca
STIMOLAZIONE MAGNETICA TRANSCRANIALE ( TMS)
http://pni.unibe.ch/artwork/Brainweek.gif
IL CONDENSATORE C SI SCARICA DAL
VALORE Qo SULLA BOBINA DI INDUTTANZA L
E SU UNA RESISTENZA Rb
DERIVIAMO L'ESPRESSIONE RISPETTO AL TEMPO t
L'equazione algebrica associata e'
LC s2 + RC s + 1 = 0
ed ha come soluzioni
ESAMINIAMO IL SEGNO DELL'ESPRESSIONE
SOTTO RADICE
LE DUE SOLUZIONI SONO REALI e POSITIVE
SE LA RESISTENZA
R ≥ 2 ( L/C )1/2
LA CORRENTE VALE
Con s1 e s2 reali e negativi
(Determinante positivo )
(Determinante nullo )
IMPONGO LE CONDIZIONI INIZIALI
OTTENGO
CASO REALE : L'INDUZIONE MAGNETICA B E'
PROPORZIONALE ALLA CORRENTE I NELLA BOBINA
msec
B
msec
dB/dt
msec
La f.e.m. indotta e' proporzionale a dB/dt
La densita' di corrente indotta e' proporzionale
alla f.e.m, e la densita' di carica e' l'integrale
della corrente
Walsh V & Cowey A. 2000.
Transcranial magnetic
stimulation and cognitive
neuroscience. Nat Rev
Neurosci 1:73–79.
Dove e' massima la densita' di corrente ?
Qual'e' il verso della corrente?
PER CALCOLARE LA DISTRIBUZIONE DI CORRENTE INDOTTA FACCIAMO
QUESTA IPOTESI SEMPLIFICATIVA: INDUZIONE MAGNETICA B
-COSTANTE ALL'INTERNO DELLA BOBINA
-TRASCURABILE ( nulla ) AL DI FUORI
All'interno della bobina il flusso di B e' proporzionale all'area ( che vale πr2 )
All'esterno della bobina il flusso e' costante e pari a π a2(essendo a il raggio della
bobina).
Quindi la densita' di corrente indotta J diminuisce con r
J 2πr/σb = - dB/dt πa2
da cui
J = - (σb a2 /2r ) dB/dt
Ilmoniemi RJ, et al. 1997. Neuroreport 8:3537–3540.
STIMOLATORE CIRCOLARE
E CON FORMA AD OTTO ( BUTTERFLY)
Bailey CJ, Karmu J, Ilmoniemi, RJ. 2001.
Scand J Psych 42: 297–306.
STORIA DELLA TMS
1771 Luigi Galvani : elettricita' animale
1853 Hermann von Helmholtz :misura della velocita' degli impulsi
nervosi.
1896 Arsenne d'Arsonval, "phosphene , vertigine ed anche sincopi"
per individui soggetti ad impulsi di campo magnetico
1959 Kolin, prima stimolazione magnetica nervosa
1965 Bickford & Fremming, prima stimolazione di nervi umani
con campi magnetici sinusoidali
STORIA DELLA TMS
Era Moderna
1985 Barker et al., stimolazione corticale con campi magnetici noninvasiva e indolore,
1984 David Cohen, 1988 Shoogo Ueno, idea e realizzazione di bobine
ad “otto”
1987/88 Cadwell Laboratories Inc., stimolazione ripetitiva con bobine
raffreddate ad acqua
dagli anni '90 ; sperimentazioni cliniche presso la Clinica Neurologica
dell'INRCA ad Ancona ( proff. Scarpino e Guidi )
Attenzione alla Sicurezza
• La potenza dissipata e' dell'ordine dei mWatt a 1 Hz contro 13 Watt
che sono all'incirca la potenza dissipata nel cervello per
metabolismo
• Gli apparati utilizzano condensatori caricati con tensioni fino a 4 kV e
quindi richiedono un perfetto isolamento di questi apparati
• Pericoloso per pazienti con impianti ferromagnetici o con
pacemakers per la presenza di un elevatissimo campo magnetico
all'atto della scarica del condensatore
vedi http:/www.biomag.hus.fi/tms/safety/html
RFID
PRINCIPALI APPLICAZIONI IN CAMPO BIOMEDICO:
Tracciabilita' dei farmaci
portabilita' dei dati fisiologici del paziente
assegnazione oggetti personali a pazienti con defcit di
memoria
certificato di sterilizzazione
inventario dei ferri in sala operatoria
EFFETTO HALL
In un conduttore percorso da corrente I in un campo di induzione magnetica B
le cariche q subiscono una deviazione dovuta alla forza di Lorentz ,
F=qvxB
F=k i B
+
+
+
+
+
i
F
L
B
Le cariche accumulate creano un campo elettrico tale che la
forza FE compensi la forza magnetica
FE = q E = FB = k i B
quindi la tensione ai capi del cristallo
V= E L
e' proporzionale a B
( EFFETTO HALL )
Dalla misura di B e della tensione V (= E d ) si ottiene la
velocita' v del sangue
Superconduttori
Nel 1908 gli esperimenti dell’olandese KammerlinghOnnes sulla liquefazione dell’elio portarono ad indagare un
gran numero di fenomeni nell’intervallo di temperature da
1 K a 14 K.
. La temperatura alla quale si ha la transizione dalla stato
“normale” a quello definito “superconduttore”, si indica con Tc
e si chiama “Temperatura critica”
Nei metalli e nelle leghe Tc è normalmente nell’intervallo 1 –
18 K.
Un grande salto in avanti fu la scoperta nel 1986 da parte di due ricercatori
dell’IBM diZurigo, J. G. Bednorz e K. A. Müller, della superconduttività i con
Tc di circa 36 K. Per questo fu conferito loro il Nobel per la fisica nel 1987.
Conseguenza pratica della superconduttività è che una corrente, una
volta iniettata in un superconduttore, a T<Tc, può continuare a
circolare per anni, senza necessità di una d.d.p. esterna.
• APPLICAZIONI
trasporto di corrente senza alcuna perdita di energia;
. • possibilità di far levitare mezzi di trasporto su campi magnetici
(treni maglev). I giapponesi dispongono già di un treno
sperimentale senza attrito che fluttua su rotaie magnetiche e ha
.raggiunto velocità superiori ai 500 Km/ora.
Magneti con campi fino a 25 Tesla che trovano applicazioni nel
settore biomedicale(Risonanza magnetica nucleare) e nella ricerca
fondamentale in fisica della materia e delle particelle.
SQUID
(Superconducting Quantum Interference Device)
e' un sensore di campi magnetici così bassi da essere in grado di rilevare le
debolissime correnti elettriche prodotte dai neuroni nel nostro cervello.
Oltre che nel settore biomedicale gli squid trovano applicazioni ogni volta
si voglia misurare un campo magnetico debolissimo.
Magnetoencelografia
Soglia di uno SQUID:
C.M.del cervello:
10-14 T
10-13 T
www.unich.it/itab
Magnetocardiografia
Soglia di uno SQUID:
10-14 T
Campo magnetico del cuore: 10-10 T
www.unich.it/itab
La Defibrillazione
La defibrillazione si basa sul fatto che il cuore risponde anche ad
impulsi elettrici estrinseci: se durante una fibrillazione ventricolare
viene rilasciata al torace una corrente adeguata, la maggioranza
delle cellule ventricolari viene depolarizzata permettendo ad un
pacemaker intrinseco di riprendere il controllo del cuore.
Può avvenire sia direttamente a torace aperto, che indirettamente
attraverso le sue pareti ed ha lo scopo di arrestare la fibrillazione
ventricolare e alcuni tipi di tachicardia ventricolare.
La Stimolazione
Nella stimolazione , diversamente dalla defibrillazione, in cui si rilascia
l’energia in modo asincrono rispetto al ciclo cardiaco, uno shock
sincronizzato rilascia l’energia durante la depolarizzazione
ventricolare.
E’ una terapia ambulatoriale per trattare certi tipi di aritmie, diverse dalla
fibrillazione ventricolare.
La stimolazione cardiaca mediante impulsi
di campo magnetico
Non si induce uno shock elettrico al paziente
I tempi di preparazione del paziente sono pressochè azzerati
il paziente non deve essere spogliato
al paziente non deve essere applicata nessuna sostanza conduttiva sulla
cute
basta appoggiare l’applicatore sul torace, nell’opportuna posizione
Per effettuare la stimolazione mediante impulsi di campo magnetico è
necessario e sufficiente che su un piccolo spazio del cuore(unpiccolo
insieme di cellule cardiache) arrivi un impulso di:
5 mA/cm2 e di durata0,5 ms
Procedura sperimentale
Applicatori
L [uH]
86.6
1. Spira Planare
668
2. Spira Rettangolare
720
3. Quadrifoglio
290
4. Farfalla Quadrata
Raggio = 12cm
R filo= 1mm
N= 20
Valori Bmax [mT] misurati
distanza
Posizione 1
Posizione 2
3cm
4,5
3,9
6cm
2,5
1,8
9cm
1,5
0,8