2. Caratterizzazione elettrica dei tessuti biologici nell'interazione con i CEM 
I tessuti biologici costituiti da fluidi extracellulari contenenti strutture cellulari e intracellulari che si presentano a varie scale dimensionali da 10-9m (per esempio gli ioni e piccole molecole dipolari) fino a 10-5 (piccoli gruppi di cellule) e aggregati cellulari aventi dimensioni maggiori di vari ordini grandezza, sono caratterizzati da numerose superfici di separazione (membrane cellulari, membrane intracellulari, ecc.) che impediscono in vario grado gli spostamenti liberi o indotti dei costituenti e delle cariche. Le membrane cellulari sono anche considerate le principali strutture dove si esplicano le interazioni tra i campi CEM e i sistemi biologici. Le cellule sono strutture complesse e fortemente disomogenee che racchiudono varie sottostrutture quali nuclei e organelli separati anch’essi da membrane interne, macromolecole proteiche, DNA ecc.. A loro volta le membrane sono costituite principalmente da fosfolipidi combinati con proteine. I fosfolipidi sono composti che mostrano una preponderanza di gruppi non polari a catena aperta con due lunghe code e un gruppo di testa polare disposti a doppio strato. È evidente che nella interazione con i CEM un tale “miscuglio” è difficile da trattare come somma di singoli costituenti da un punto di vista quantitativo. L’approccio macroscopico consiste allora nel considerare i tessuti come miscugli di differenti costituenti assimilabili a mezzi viscosi e densi a contenuto variabile di acqua, dotati di capacità di termoregolazione (se viventi), nei quali sono in sospensione ioni, molecole e aggregati con distribuzione di carica elettrica.
Questo miscuglio costituito da differenti ioni, molecole e aggregati molecolari interagisce con il campo elettrico indotto dai campi esterni con due diverse classi di risposta alla sollecitazione: con correnti elettriche di conduzione, tanto più intense quanto maggiore è la conducibilità σ dei tessuti e con effetti di polarizzazione che dipendono in modo non semplice dalla costante dielettrica locale ε.
Da un punto di vista elettromagnetico, relativamente alla frequenza considerata, possiamo pensare ai tessuti biologici come dielettrici capaci di immagazzinare e dissipare energia dei campi elettromagnetici. Pertanto possiamo trattare questo particolare mezzo come un dielettrico dispersivo e dissipativo. Per esempio un buon conduttore riflette quasi completamente le onde elettromagnetiche e dissipa energia a causa delle correnti indotte che in esso si producono. Al contrario, un dielettrico è quasi completamente trasparente alle onde elettromagnetiche ma può immagazzinare una parte di energia. I tessuti biologici, in una certa misura, possono fare le due cose. Nella teoria elettromagnetica l’unica grandezza fisica che può tener conto di questi meccanismi è la permettività dielettrica relativa in forma complessa: εrel = εr - jεi. Infatti il primo termine reale εr tiene conto dell’accumulo temporaneo dell’energia nel mezzo, il secondo termine εi, immaginario, chiamato fattore di perdita, è funzione della conducibilità σ. Il termine immaginario è responsabile della dissipazione dell’energia elettromagnetica mentre il rapporto tra i due, che indica se siamo più o meno in presenza di conduttore o di dielettrico, viene indicato in letteratura come tangente di perdita. Pertanto, la determinazione di εr e σ, alle frequenze di interesse, consente di sapere tutto, o quasi, riguardo alla interazione dell’onda con il tessuto biologico. I valori di εr e σ sono riportati in un intervallo di frequenza da 0 a 1THz (1012 Hz) nella figura 3. È interessante notare che per frequenze basse il tessuto biologico esibisce valori di εr dell’ordine di 106 - 107. Questo vuol dire che un campo elettrico esterno che penetra il tessuto si riduce dello stesso fattore. Per esempio un campo esterno di un 10 kV/m all’interno del tessuto si abbatte fino a ≈ 10 mV/m. Questa peculiarità conferita a tutti gli organismi viventi dalle membrane cellulari rappresenta una specie di difesa naturale. È proprio in virtù di questa proprietà che, per esempio, gli uccelli si possono posare su una linea ad alta tensione senza riportare danni. Le membrane cellulari e gli altri organelli sub cellulari, quali i mitocondri, nuclei, ecc., fanno si che εr dei tessuti sia molto più grande dei singoli costituendi cellulari presi separatamente. Ad esempio il valore di εr dell’acqua, che costituisce in larga parte i tessuti, è circa 80. Pertanto, la stessa intensità di campo, all’interno di un mezzo come l’acqua, produrrebbe un campo interno con valori almeno 10.000 volte maggiori rispetto ai campi interni che si stabiliscono nei tessuti.
Le proprietà amagnetiche insieme alla isotropia dei tessuti biologici, come si è visto, semplificano un po’ il problema. Le proprietà elettriche dei tessuti si possono riassumere con le grandezze σ(ω), ε(ω) riportate in figura 3. La permettività dielettrica εr dei tessuti decresce con la frequenza secondo l’andamento in figura e, a basse frequenze, presenta dei valori notevolmente più alti, soprattutto se paragonata ai valori dei solidi o liquidi omogenei costituenti gli stessi tessuti. Per esempio, un organismo composto di oltre l’80% d’acqua e di altri composti che considerati come materiali omogenei hanno dei valori relativamente bassi di permettività dielettrica (ad esempio per l’acqua si ha εr ≈ 80), come aggregati cellulari essi esibiscono valori di εr > 106 alle basse frequenze. In figura 3 si può notare (tratto continuo della curva) che εr decresce con la frequenza. Sono varie le cause che intervengono per stabilire questa tendenza generale di dispersione del tessuto. Per campi quasi statici il valore di εr è massimo. Infatti, le cariche ioniche intorno alle membrane determinano i valori della permettività dielettrica del mezzo alle basse frequenze. Tale regione di dispersione è indicata con α e la permettività dielettrica si abbatte di due ordini di grandezza, al crescere della frequenza, in relazione alla mobilità degli ioni intorno alle membrane. Per frequenze ancora più elevate le macromolecole e le cariche delle membrane plasmatiche inclusa la capacità elettrica intrinseca della stessa, subentrano nei processi di interazione dei campi e.m. con i tessuti. Perciò a partire dalle frequenze intorno al kHz, si instaura un altro meccanismo e la costante dielettrica si abbatte ancora di un paio d’ordini di grandezza (regione di dispersione β). È la capacità di membrana che gioca un ruolo piuttosto importante intorno a queste frequenze in queste due regioni di dispersione.
Il meccanismo è qui di seguito brevemente descritto. I campi elettrici a bassa frequenza caricano i mini condensatori della membrana e fanno accumulare le cariche all’interfaccia di separazione di cellule e tessuti (spazio intra-extra cellulare). Al crescere della frequenza comunque il tempo di accumulo di queste cariche in prossimità delle membrane diminuisce (prima che si siano accumulate i campi elettrici si invertono, cambiando verso alle velocità delle cariche) pertanto la permettività dielettrica decresce e questa tendenza permane nel campo di frequenza 10 kHz-100 MHz. Nel campo di frequenza 100-1000 MHz, (regione di dispersione δ) sono i moti di orientazione delle molecole polari dell’acqua legate alle proteine o ad altre strutture cellulari a influenzare il valore di εr. Questa tendenza si mantiene fino al limite della banda investigata e comunque gli altri cambiamenti della permettività dielettrica si hanno quando i livelli, prima rotazionali e poi vibrazionali delle varie macromolecole polari e dell’acqua cominciano ad essere via via interessati, per frequenze maggiori di 20 GHz (regione di dispersione γ).
Per quanto riguarda la conduttività σ la sua dipendenza dalla frequenza è descritta dalla curva in figura 4. Vi è una cosiddetta conducibilità σdc (conducibilità in corrente continua) dovuta agli ioni presenti nel citoplasma e nei fluidi extracellulari. Un secondo tipo di conduttività è di tipo dispersivo poiché dipendente dalla frequenza. Tale conduttività aumenta con la frequenza. Schematizzando come in un circuito elettrico, i mini condensatori plasmatici a bassa frequenza non si lasciano attraversare dai campi elettrici (impedenza data da 1/ωC), essi operano come un filtro di reiezione a bassa frequenza. Pertanto, solo correnti di conduzione relativamente basse possono fluire.
Per frequenze via via crescenti (>1 kHz) i “condensatori plasmatici” cominciano a risultare cortocircuitati lasciando scorrere correnti RF relativamente intense poiché i fluidi intra-extra cellulari partecipano alla conduzione senza essere impediti dalle membrane plasmatiche. Un semplice schema circuitale, con resistenze e capacità intra-extra cellulare, che tiene conto delle caratteristiche elettriche del tessuto biologico. In tale schema semplificato si possono già dedurre le conducibilità σdc e σRF e altre caratteristiche dielettriche dovute soprattutto alla presenza della membrana plasmatica.
A frequenze sempre più elevate è il comportamento della molecola polare dell’acqua a stabilire le condizioni di conduttività. Il comportamento in generale è dominato dal fatto che campi elettrici oscillanti a frequenze sempre più elevate, a causa dell’inerzia delle cariche, perdono di efficacia nel conferire alle stesse cariche, sia la mobilità traslazionale, sia la mobilità rotazionale. La conduttività σ influenza anche la penetrazione dei campi nei tessuti. Partendo dalle frequenze più basse e andando alle frequenze più elevate la profondità di penetrazione δ diminuisce. Pertanto, come abbiamo visto, è soltanto il valore della conduttività elettrica σ in funzione della frequenza che influenza questa grandezza.
Come abbiamo visto, al variare della frequenza variano sia εr che σ e questo porta a distinguere le varie grandezze di base (grandezze dosimetriche) dei vari campi di frequenza impiegati. Si distinguono per questo i vari campi di frequenza. In maniera sintetica si assume, in genere, che alle basse frequenze, fino a 10 kHz, prevalgano alcuni meccanismi e che le grandezze significative siano la densità di corrente (A/m2) e la corrente di contatto (A). Mentre alle alte frequenze i meccanismi predominanti sono quelli di tipo termico e le grandezze significative sono il SAR (W/kg), e la densità di potenza (W/m2). Per questa ragione, nei fenomeni riguardanti l’interazione dei campi elettromagnetici con i tessuti biologici, i due ambiti di frequenza sono trattati separatamente.