Jacques-Arsène d'Arsonval(1851-1940)
Il 1892, anno segna l’ingresso dell’Elettromagnetismo nella Medicina. Nel corso dei suoi studi sulle correnti ad alta frequenza, D’Arsonval scopre che una corrente elettrica alla frequenza di 10 KHz o più produce una sensazione di calore nell’attraversare i tessuti viventi, senza essere accompagnata dalla contrazione muscolare dolorosa che si avverte a più basse frequenze. Nel 1899 nell'ospedale Hotel-Dieu di Parigi si effettuarono i primi esperimenti terapeutici in collaborazione con il neurologo M. Benedikt.
A partire dall’inizio del XX secolo l’impiego in Medicina di correnti a frequenza fino a 3 MHz si diffonde soprattutto per il trattamento di affezioni dolorose dell’apparato muscoloscheletrico, in alternativa ad altri tipi di terapia fisica basati sul calore. Il termine diatermia (dia = attraverso, therme = calore) viene coniato nel 1907 da Nagelshmidt per indicare il riscaldamento dei tessuti viventi prodotto dalla conversione di correnti ad alta frequenza in calore. Nei decenni seguenti le tecniche impiegate per la diatermia elettromagnetica sono quelle che si vanno sviluppando per applicazioni di altro tipo, soprattutto in campo militare, dalle onde corte (marconiterapia) alle microonde (radarterapia). Dagli anni ’30, e poi definitivamente nell’immediato dopoguerra, la diatermia (onde lunghe e onde medie) diviene una metodica standard in terapia fisica.
Il riscaldamento elettromagnetico presenta alcuni vantaggi rispetto ad altre forme di riscaldamento (conduzione, radiazione infrarossa). Mentre nel riscaldamento per contatto la temperatura all’interno dei tessuti decade esponenzialmente al valore fisiologico (37°C) in pochi millimetri, il riscaldamento elettromagnetico permette di ottenere una distribuzione di temperatura più morbida che può interessare profondità anche di diversi centimetri, non raggiungibili con altri mezzi esterni.
La dosimetria quantifica l’interazione tra un campo elettromagnetico e un corpo biologico ad esso esposto per valutare effetti terapeutici o pericoli per la salute. Il problema della dosimetria dei campi EM non ionizzanti consiste nella: quantificazione della densita' di corrente J e quindi della potenza assorbita per unita' di peso ( SAR ) da un organismo biologico immerso in un campo elettromagnetico; determinazione della distribuzione del SAR nell’organismo esposto. SAR : specific absorption rate = assorbimento di potenza per Unita' di peso in Watt/chilogrammo
I meccanismi responsabili del trasferimento di energia del campo elettrico sono: •Correnti di conduzione indotte dal campo attraverso le forzeesercitate su cariche libere presenti nel sistema. A tali correnti è associato lo sviluppo di calore per effetto joule. •Induzione di dipoli; il campo elettrico esercita delle forze di versoopposto sulle cariche positive e negative di un sistema legato( ad esempio le molecole d’acqua ). Le oscillazioni dei dipoli in presenza di un campo elettrico variabile nel tempo creano calore nel corpo biologico
Da un punto di vista elettrico, i tessuti biologici si comportano quindi come dielettrici non ideali ; il loro comportamento è descritto da due grandezze fondamentali: la conducibilità elettrica σ la costante dielettrica assoluta εb.
Nei tessuti biologici, l’elemento di maggior significato per le loro proprietà elettriche è l’acqua che costituisce il 70% del peso del corpo umano. È logico quindi che le caratteristiche elettriche dei vari tessuti biologici siano perfettamente correlate con la percentuale di acqua in essi contenuta.
Possiamo classificare i tessuti biologici in: •
Tessuti ad altissimo contenuto di acqua (90% o più di acqua): sangue , liquido cerebrospinale e altri liquidi organici.
•
Tessuti ad alto contenuto di acqua (circa l’80% di acqua) : pelle, muscolo, cervello,e organi interni,quali reni fegato milza ecc.
•
Tessuti a basso contenuto di acqua (acqua circa 50% e meno): grasso, tendini e ossa.
L’andamento di ε e di σ del tessuto muscolare sono, a pari frequenza, più elevate di circa un ordine di grandezza rispetto a quelle del tessuto adiposo.
.
a 10 MHz
σ =0.68 S/m
εr =131
MUSCOLO
L’andamento di ε b e di σ del tessuto muscolare sono, a pari frequenza, più elevate di circa un ordine di grandezza rispetto a quelle del tessuto adiposo.
a 10 MHz
σ =0.2 S/m
εr =10
PERICOLOSITA' DLLA CORRENTE ELETTRICA IN UN CORPO BIOLOGICO A frequenze basse approssimiamo il corpo con 5 cilindri di lunghezza l e sezione S quindi di resistenza R = l /σS
Imax = 10 mA in condizioni “ normali” Valori anche mille volte minori per pazienti cateterizzati.
valori tipici Ra = 600 立 Rb = 200 立 Rl = 300 立
V = v1 + v2 = ( R1 + R2) i Req = R1 + R2
Vcc=120 V
I = Vcc / 2 Ra = 120/1200
=0,100 A = 100 mA
CORRENTE ELETTRICA IN UN CORPO BIOLOGICO valori tipici Ra = 600 立 Rb = 200 立 Rl = 300 立
Vcc=120 V
I = Vcc / ( Ra + Rb + Rl) = 110 mA
CORRENTE ELETTRICA IN UN CORPO BIOLOGICO valori tipici Ra = 600 立 Rb = 200 立 Rl = 300 立
Vcc=120 V
I =?
se R1 =R2 = R allora i1= i2 = v/R i = i1 + i2 = 2 v/R i = v / Req con Req = R/2
CORRENTE ELETTRICA IN UN CORPO BIOLOGICO valori tipici Ra = 600 立 Rb = 200 立 Rl = 300 立
Vcc=120 V
Vcc / ( Ra + Rb + Rl/2)= 120/ 950 = 0,11 A
La capacità del condensatore di racchiudere al suo interno l’energia del campo elettrico viene sfruttata per realizzare i defibrillatori.
La parte più importante del circuito del defibrillatore è il condensatore le cui due armature trasmettono la scarica alle piastre. Il processo di carica del condensatore consente di accumulare una notevole energia , che può essere scaricata in un tempo molto breve (dell’ordine dei millisecondi) sul paziente. Impiegando un condensatore da 70 µF e caricandolo con una tensione di 3000 V, l’energia immagazzinata vale 315 J.
Il condensatore si scarica sul corpo biologico schematizzato con una resistenza Rb La sua carica scende dal valore iniziale Q0 alla quantita' Q = Q0
t i(t)dt o
âˆŤ
Faccio la derivata rispetto al tempo
Valori tipici
L
ENERGIA TRASMESSA AL CORPO BIOLOGICO
Se V0 = 2 kV WC = 200 Joule Applicando il defibrillatore al paziente e scaricando 200 J di energia in un tempo di 20 ms, si produce un impulso di potenza di 10 kW
L’impedenza è la misura della capacità di un corpo di lasciarsi attraversare dalla corrente elettrica; una bassa impedenza significa una buona conduzione e quindi una ottima capacità di lasciarsi attraversare dalla corrente elettrica, un’ alta impedenza significa esattamente il contrario. Dalla misura della corrente in un arto a parita' di tensione applicata si puo' diagnosticare uno stato di infiammazione locale, normalmente associato ad un aumento del contenuto di acqua nei tessuti e quindi ad una diminuzione di resistenza elettrica nell'arto.