Dosimetria sperimentale

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
La DOSIMETRIA determina la relazione tra limiti di base e
livelli derivati di riferimento
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/m2)
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
Principali effetti biologici in relazione all’induzione
di corrente nell'intervallo di frequenza 1- 300 Hz
Densità di corrente
(mA/m2)
EFFETTI
> 1000
Extrasistole e fibrillazione ventricolare: rischi
per la salute ben determinati
100 – 1000
Stimolazione dei tessuti eccitabili: possibili rischi
per la salute
10 – 100
Possibili effetti sul sistema nervoso
1 – 10
Effetti biologici minori
Restrizioni fondamentali sulle grandezze di base a frequenze
industriali
Densità di corrente massima (A/m2) 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/m2
il limite di base per la popolazione incorpora un fattore di
sicurezza aggiuntivo pari a 5
J max = 2 mA/m2
Interazione tra Onde Elettromagnetiche e Corpi
Biologici in alta frequenza
Onda
Rifles
sa
da ente
n
O cid
In
Onda
Trasmessa
Assorbimento
Sorgente
Esposizione
p=k1PT/r2(W/m2)
E = k2 PT½/r ( V/m)
H = E/ 377 (A/m)
r
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
●
●
SAR Medio (W/kg)
Potenza Totale Assorbita/ Peso del Corpo
SAR Locale (W/kg)
Potenza Assorbita in un Volume Infinitesimo (1 or 10
cm3)/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
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)
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
SPESSORE DI PENETRAZIONE
f1
<
f2
δ =1/ ( πfσμ )1/2
<
f3
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
Pdiss,vol=1/2 σ ΙEΙ2 ( Watt/m3)
SAR =Pdiss /d ( Watt/kg)

Vantaggi
Modelli anatomici eterogenei
σ = σ(x,y,z) ed ε(x,y,z)
Buona accuratezza
●
●
●
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
Discretizzazione
Dimensione Celle
≈ 0.2cm per parti del
corpo (testa)
≈ 0.5 cm per corpo
intero
Caratteristiche dei Tessuti
Risonanza Magnetica – Visible Human Project
Da INTERNET – 52 layers (512x512 pixels)

Modello della sorgente e di tutte gli elementi che
possono essere importanti per lo studio dell’esposizione
in esame
Dosimetria numerica: esempio
SAR per Individuidi di taglia diversa
SAR [(mW/kg)/(W/m2)]
100
Uomo su piastra collegata a terra
10
Altezza 0.74 m - Peso 10 kg
1
Altezza 1.38 m - Peso 32 kg
Altezza 1.75 m - Peso 70 kg
0.1
10
100
1000 f MHz
Equazione del calore
In un materiale
∆T SAR
=
∆t
cs
cs: calore specifico del materiale
T : temperatura
t : tempo
Equazione del calore
nel corpo biologico

WB
WM
W cC
T = costante



WM ( tasso di riscaldamento per
metabolismo in W/kg)
WC ( perdita di calore per
conduzione termica)
WB ( scambio di potenza con il
sangue )
WM = Wc + WB
I tre termini si fanno equilibrio e la temperatura interna e' costante ( 37°)
Wm - Wb - W c = cs dT/dt = 0
Quindi T costante
Se si ha potenza dissipata ( SAR ) nel corpo biologico
SAR + Wm - Wb + W c = cs dT/dt
SAR positivo e quindi
dT/dt > 0
Il SAR perturba l'equilibrio termico nel corpo biologico
T aumenta fino a un nuovo valore di equilibrio

WB
WC
WM

SAR
T aumenta


WM ( tasso di riscaldamento per
metabolismo in W/kg)
WC ( perdita di calore per conduzione
termica)
WB ( scambio di potenza con il sangue )
SAR= tasso di assorbimento
specifico /W/kg)
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.
Livelli ammessi (popolazione)
1000
CE (continuo)
100
E ( V/m)
10
Italia
Esposizione> 4 ore
1
0.1
0.01
0.001
0.1
10
1000 100000
f [MHz]
●
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
●
valori delle costanti elettromagnetiche utilizzate ad una
frequenza di 900 MHz per diversi tessuti
εr
σ (S/m)
Cervello
39.8
0.84
Cranio
2.4
0
Muscolo
51.7
1.13
Occhio
69.4
1.62
Pelle
42
0.8
Osso
14.7
0.14
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 ±1.43
20,71 ±0.52
Cervello (*)
1800 MHz
Acqua
Glicol Etilene
Agar
52,34 ±1.3
19,73 ±0,5
Osso (*)
(skull)
Grafite
araldite (glue)
HY956
900 MHz: 17,67±2,8
1800 MHz: 16,92±2,4
900 MHz: 2,2±0,7
1800 MHz: 1,61±1,1
●
:
●
Proprietà dielettriche relative ad un tessuto
sintetico simulante il cervello di un individuo
Frequenza (MHz)
εr
σ (S/m)
500
46
0.7
1000
43
0.9
1500
42
1.1
2000
41
1.4
2500
40
1.6
Dosimetria sperimentale

Misura di campo elettrico all’interno di fantocci
(phantoms) che rappresentano il corpo biologico
con sensori di campo elettrico
Dosimetria sperimentale
In alternativa con l'utilizzo di sensori di temperatura
∆T SAR
=
∆t
cs
cs: calore specifico del materiale
E quindi prima che la diffusione termica alteri le temperature
SAR = cs∆T/∆t
L’utilizzo in macchina del cellulare crea
un effetto di amplificazione del CEM,
tipo “Gabbia di Faraday”.
Soluzione: vivavoce con antenna
esterna.