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 (ÂľT) densitĂ 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 DensitĂ 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 proprietĂ 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 â&#x2030;&#x2C6; 0.2cm per parti del corpo (testa) â&#x2030;&#x2C6; 0.5 cm per corpo intero
Caratteristiche dei Tessuti
Risonanza Magnetica – Visible Human Project Da INTERNET – 52 layers (512x512 pixels)
ď Ź
Modello della sorgente e di tutte gli elementi che possono essere importanti per lo studio dellâ&#x20AC;&#x2122;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
â&#x2C6;&#x2020;T SAR = â&#x2C6;&#x2020;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 ( 37째)
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 ď Ź
Misura di campo elettrico allâ&#x20AC;&#x2122;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.