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Interazione Campi EM con i Tessuti Biologici

Implicazioni Interdisciplinari

Di Cesidio Bianchi

4. I meccanismi d'interazione alle alte frequenze

Un piatto di patate all’interno del forno a microonde ci aiuta a capire i principi dell’interazione dei campi elettromagnetici alle alte frequenze. Il piatto fatto di materiale dielettrico (non conduttore) non assorbe energia e, se non fosse per il contatto diretto con le patate, rimarrebbe freddo. In quanto al contenuto del piatto, le cose vanno un po’ diversamente. I campi elettrici delle microonde interagiscono principalmente con le molecole polari d’acqua costringendole a seguire le sue vibrazioni (circa 1 miliardo di vibrazioni al secondo alla frequenza di funzionamento del magnetron). Nel seguire queste oscillazioni le molecole sono anche sottoposte a un attrito molecolare che in definitiva riscalda le patate. Le pareti del forno di ottimo materiale conduttore sono poco scaldate dalle microonde in quanto la profondità di penetrazione interessa solo gli strati molto superficiali del conduttore stesso. Se inavvedutamente mettessimo un pezzo di metallo all’interno del forno in breve tempo questo si scalderebbe a causa delle correnti a radio frequenza indotte nel materiale conduttore.
Questo spiega grossolanamente il comportamento dei dielettrici (piatto), dielettrico dissipativo (patate) e conduttore (metallo).

FIGURA 7 Figura 7: Esempio di meccanismo d’interazione ad alta frequenza.

Quando un’onda elettromagnetica incide su un mezzo biologico, parte di essa viene riflessa e parte viene trasmessa attraverso il mezzo stesso in relazione agli indici di rifrazione, o per rimanere nell’ambito delle grandezze trattate, in relazione a εr.
La parte della radiazione che si trasmette subisce una attenuazione, e quest’ultima è funzione del fattore di perdita εi o della conducibilità σ che a sua volta dipende dalla frequenza. La profondità di penetrazione δ, cioè la profondità alla quale il campo si riduce circa al 37% del suo valore, è data da: dove ω è la pulsazione angolare dell’onda incidente (ω=2πf) e μ la permeabilità magnetica. Da quest’ultima si evince che all’aumentare della frequenza, cioè di ω, le onde hanno sempre più difficoltà nel penetrare il mezzo.
Per la classe degli effetti di interesse sanitario è necessario esaminare i meccanismi di interazione dei campi elettromagnetici alle alte frequenze anche dal punto di vista energetico. I meccanismi di interazione riguardano l’attivazione di stati traslazionali, rotazionali e vibrazionali (dipendenti dalla frequenza) di dipoli permanenti o di cariche spaziali (polarizzazioni/oscillazioni) con il ritorno successivo allo stato fondamentale (rilassamento) attraverso scattering o cessione di energia ai vari gradi di libertà possibili. In tale contesto i meccanismi di polarizzazione possibili sono i seguenti:

  • polarizzazione atomica (formazione di dipoli);
  • polarizzazione molecolare (spostamento delle posizioni di equilibrio dei singoli atomi per azione del campo sulle cariche che realizzano il legame molecolare);
  • polarizzazione per orientamento (dipoli permanenti);
  • polarizzazione di carica spaziale (distorsione della distribuzione delle cariche elettriche “intrappolate” su interfacce che non possono scaricarsi).

Nell’intervallo indicato (100 kHz - 10 GHz) si instaurano meccanismi di cessione di energia da parte del campo elettromagnetico ai tessuti. La grandezza dosimetrica significativa che rappresenta tali meccanismi è il tasso di assorbimento specifico SAR definito dalla derivata rispetto al tempo dell’energia dw dissipata in un elemento di massa dm di tessuto biologico contenuto in un elemento di volume dv di densità ρ.

SAR = [W/kg]

Il SAR può essere riferito a due situazioni espositive diverse:
  • SAR specifico o locale che è il rateo di energia trasferita ad un elemento ρdv di tessuto;
  • SAR medio che è la quantità totale di energia trasferita al corpo nell’unità di tempo divisa per la massa totale M del corpo.

SAR medio =

Questo fenomeno di cessione energetica, in pratica, dipende anche da altri fattori che sono le condizioni di risonanza e la polarizzazione del campo elettromagnetico rispetto alle massime dimensioni del mezzo in esame. Ad esempio in figura 8 è riportato il SAR alle varie frequenze nel caso in cui il campo elettrico sia parallelo alla massima dimensione lineare del corpo.
FIGURA 8 Fenomeni di risonanza nell’interazione dei campi con i tessuti biologici. In tale contesto è importante anche la polarizzazione (direzione del campo elettrico rispetto alle geometrie in gioco)

I valori massimi dell’assorbimento di energia si hanno nelle condizioni di risonanza. Condizione questa data da: λt = d. Essendo, λt la lunghezza d’onda all’interno del tessuto e d le dimensioni massime del corpo. Nelle condizioni di sub-risonanza, cioè quando λt>>d, la cessione di energia attraverso questo meccanismo è minima. Nelle condizioni di sovrarisonanza λt<<d, il trasferimento di energia elettromagnetica in calore perde efficacia rispetto ai valori in caso di risonanza. Per frequenze oltre i 20 - 30 GHz la grandezza di base più importante diventa la densità di potenza W/m2. Come abbiamo visto, per frequenze via via crescenti, la profondità di penetrazione si riduce al millimetro o meno. In tal caso gli effetti sono di natura locale e riguardano essenzialmente la superficie investita.

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