Bioelettromagnetismo

POLARIZZAZIONE DELLE ONDE PIANE

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Polarizzazione lineare →

Polarizzazione circolare sinistrorsa e destrorsa

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Polarizzazione ellittica simile a quella circolare ma un po’ + allungata.

ONDA PIANA NEL DOMINIO DEI FASORI →

Si preferisce questo dominio perché la trattazione risulta + semplice le problematiche della

dosimetria di interesse biomedico sono infatti affrontate nel dominio della frequenza come

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vedremo in questo dominio l’equazione dell’onda è l’equazione di Helmoltz

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Dove k è il numero d’onda o costante di propagazione

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La costante di fase rende conto dell’andamento della fase della parte periodica delle grandezze

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costante di attenuazione caratterizza il decadimento delle grandezze in gioco in funzione

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delle perdite del mezzo quindi in un mezzo privo di perdite k=beta quindi k come vettore sarà

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il vettore d’onda che generalizza la direzione di propagazione in senso arbitrario e il suo

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modulo è il numero d’onda mezzo omogeneo con perdite per i mezzi di interesse biologico

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anche in funzione della frequenza si possono presentare caratteristiche tipiche dei dielettrici o

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dei conduttori spesso è difficile considerare la trattazione del tutto polarizzata in uno dei due

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casi ma è comunque utile prendere in considerazione le trattazioni semplificate che competono

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ai due estremi anche per trarre considerazioni di massima profondità di penetrazione il

regime di buono o cattivo conduttore è dettato dal legame tra conducibilità e dalla parte reale

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della costante dielettrica al variare della frequenza l’onda sperimenta un’attenuazione per unità

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di lunghezza proporzionale all’inverso di alfa il concetto di profondità di penetrazione è di

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grande interesse in questo contesto perché da esso dipende l’impatto di un’onda

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elettromagnetica nel penetrare in un corpo in particolare questo concetto servirà come linea

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guida per comprendere cosa succede nel caso di interazione ad alta frequenza la profondità di

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penetrazione si indica con delta e si tratta di una grandezza che dipende ovviamente dalla

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frequenza e che in particolare tipicamente decresce all’aumentare di questa si evince che anche

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l’energia veicolata dall’onda elettromagnetica decade esponenzialmente e questo fenomeno è

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legato alla costante di penetrazione ma presenta un tasso di decadimento doppio da questi

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risultati si dice che si ha una penetrazione maggiore a frequenza basse e se si vuole riscaldare

bisogna preferire frequenze basse.

08 DOSIMETRIA

INTRODUZIONE

L’ambiente elettromagnetico è costituito da radiazioni naturali e campi elettromagnetici generati

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dall’uomo quest’ultimi sono prodotti intenzionalmente o come sottoprodotti dell’uso di

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dispositivi e sistemi elettrici l’ambiente elettromagnetico naturale ha origine dalle scariche →

terrestri ed elettriche nell’atmosfera terrestre e dalle radiazioni a largo spettro del sole e spazio

le sorgenti che generano alti livelli di campi elettromagnetici si trovano tipicamente in applicazioni

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mediche RM diatermia ipertermia vari tipi di ablazione è pertanto necessario procedere alla

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qualificazione e quantificazione dell’interazione tra queste sorgenti e l’uomo la disciplina che si

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occupa di questo prende il nome di dosimetria la quantificazione è necessaria per

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permettere un’indagine oggettiva degli effetti positivi o negativi di questa interazione.

RADIAZIONI IONIZZANTI IR E NON IONIZZANTI NIR

Per distinguere tra radiazioni ionizzanti e non è necessario fare appello a concetti e modelli della

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fisica quantistica da questo punto di vista una radiazione elettromagnetica può essere

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immaginata come composta da fotoni che trasportano un quanto di energia alla frequenza f

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posseggono una energia E = h x f dove h è la costante di Planck l’elettrovolt è un modo per

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misurare l’energia energia cinetica acquisita da 1 elettrone accelerato da una ddp di 1 V IR

onda elettromagnetica i cui fotoni possiedono individualmente energia cinetica sufficiente per

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liberare un elettrone da un atomo ovvero capaci di ionizzare la ionizzazione è generata da

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reazioni nucleari l’esposizione alle IR provoca danneggiamento del tessuto vivente dal momento

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che lo ionizza portando a mutazione genetica cancro e morte NIR composte da fotoni

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che non hanno sufficiente energia per ionizzare tuttavia il passaggio tra NIR e IR non repentino

→ il confine non è definibile esattamente e comunque è in relazione al tipo di tessuto preso in

esame.

DOSIMETRIA

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Cosa è si intende la determinazione quantitativa delle dosi di radiazioni emesse da una sorgente

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o dualmente assorbire da un tessuto esiste una dosimetria sia per il caso ionizzante che

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per il caso non ionizzante a seconda del caso IR o NIR sono molto diversi sia gli strumenti che

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le metriche qualunque sia la natura NIR o IR la dosimetria svolge un ruolo importante nella

valutazione del rischio dell’esposizione umana alle radiazioni in quanto quantifica l’interazione

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delle radiazioni con i tessuti biologici e fornisce quindi i mezzi per correlare cause ed effetti

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nell’ambito NIR qui la dosimetria si occupa di quantificazione del dosaggio della radiazione

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con riferimento alle quantità massime tollerabili al variare del distretto biologico di interesse

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e determinazione della distribuzione delle quantità dosimetriche per quanto riguarda la

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descrizione dosimetrica del dosaggio si ha i livelli di esposizione nella gamma della

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radiofrequenza e delle microonde solitamente descritti in termini di densità di potenza e in

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vicinanza alle sorgenti RF e per lunghezza d’onda grandi si utilizzano anche i valori dei campi e i

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loro derivati separatamente e indipendentemente gli effetti dei campi elettromagnetici sui

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sistemi biologici variano notevolmente dipendono principalmente dalla frequenza dalla

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modulazione e dall’intensità ma anche da parametri individuali come la forma del corpo la

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massa e determinate condizioni fisiche come la messa a terra e la direzione nel campo gli effetti

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possono essere classificati secondo le seguenti gamme di frequenza campi elettrostatici

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innalzamento peli elettrificazione e scarica campi stazionari e a bassa frequenza stimoli

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acuti verso cellule sensoriali nervose e muscolari le correnti causate fungono da stimolo nei

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tessuti campi ad alta frequenza stimoli termici predominanti aumento quindi della T del

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corpo causato dall’assorbimento della radiazione esposizione ai campi NIR può dare origine a 2

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categorie di effetti deterministici/fisici innalzamento della T corporea per assorbimento di

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energia elettromagnetica e induzione di correnti spurie che interferiscono debolmente con il

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sistema nervoso sensoriali/biologici l’esposizione al campo elettromagnetico è messa in

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relazione con effetti biologici come distorsione sensoriale alterazione dei meccanismi

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cellulari tumori stimolazione di meccanismi di termoregolazione ecc il problema è che

non sempre il meccanismo fisico alla base dell’effetto biologico è noto.

INDUZIONE DI CORRENTE NEI TESSUTI

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Correnti parassite uno dei fenomeni dosimetrici tenuto in considerazione nate come →

conseguenza all’applicazione di campo elettrico o campo di induzione magnetica al tessuto

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impatto dei campi elettrici a bassa frequenza evidente che corpo umano sottoposto a una ddp

in regime di bassa frequenza si comporta come un resistore con una piccola componente

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capacitiva data la nostra conducibilità non nulla la corrente che scorre nei tessuti biologici è

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sostanzialmente quella ohmica a seconda della forma e della dimensione del corpo la forza

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del campo sulla superficie del corpo può variare notevolmente →

Si ricorda che correnti elettriche e densità di corrente prodotte da campi esterni nel corpo sono

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rilevanti per eccitazione di nervi e muscoli per stimolarli densità di corrente deve superare

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soglia dipendente dalla frequenza l’eccitazione segue la regola del tutto o nulla quindi anche

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con densità di correnti + alte l’eccitazione non aumenta ulteriormente tuttavia l’attivazione

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dell’eccitazione dipende fortemente dall’andamento dalla durata e dalla frequenza del campo

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che influenza impatto dei campi magnetici a bassa frequenza in generale la corrente

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parassita detta eddy current è proporzionale a conducibilità del corpo in esame

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dimensione caratteristica del corpo interessato entità del campo magnetico/induzione

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magnetica frequenza di lavoro a cui il campo opera.

PROPAGAZIONE E ASSORBIMENTO EM NEI TESSUTI

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Assunzioni e ipotesi di lavoro onda piana uniforme che incide normalmente sul tessuto

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biologico e con raggi di curvatura grandi rispetto alla lunghezza d’onda se le frequenze non

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superano i 10 GHz per cui lo spessore di penetrazione non scende sotto 1 cm l’onda EM che

prosegue nei tessuti biologici di varia natura incontra di fatto superfici di discontinuità fra materiali

diversi che danno origini a riflessioni interne multiple e conseguenti concentrazioni di campo EM

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apprezzabili creando zone di assorbimento di energia concentrate si è già osservato come

questo sia compatibile con il semplice modello dell’onda piana in un mezzo stratificato.

EFFETTI TERMICI → →

Assunzioni e ipotesi di lavoro come noto dalla teoria base dell’elettromagnetismo classico

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quando il campo elettromagnetico penetra un materiale con perdite in questo vi sarà

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dissipazione di potenza mediante effetto joule ovvero riscaldamento come + volte detto il

contenuto d’acqua &egra