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.
