Interacción de campos electromagnéticos con sistemas ... · • A diferencia de una radiación...

Interacción de campos electromagnéticos con sistemas biológicos: Dosimetría y microdosimetría

José Luis Sebastián Franco

Departamento de Física Aplicada IIIFacultad de Ciencias Físicas

Universidad Complutense de Madrid

Dosimetría y microdosimetría ETSIT - 2002

Interacción de campos electromagnéticos con sistemas biológicos:Dosimetría y microdosimetría

Introducción

Campos Electromagnéticos externos

Campos Electromagnéticos internos: Dosimetría

Distribución de campos internos (microscópicos y microscópicos)

Determinación Experimental de la SAR

Limitaciones actuales en la medida de la SAR

Conclusiones


• Primera observación de la influencia de la electricidad y de los CEM en sistemas biológicos:

Siglo XVIII : Galvani

Siglo XIX : d’Arsonval

Interacción con campos electromagnéticos

• A partir de 1950 surge un auténtico interés por Bioelectromagnetismo

• Áreas de aplicación: Terapia, diagnosis, biotecnología, comunicaciones

Normativa sobre exposición a campos EM

• El interés se ha centrado en dos intervalos de frecuencias:

• ELF y SLF (3 – 300 Hz)

• RF y Microondas (3 MHz -30 GHz)


Bioelectromagnetismo: Una disciplina difícil

Características de un sistema biologico

MolecularCelularOrgánico Sistémico

Niveles de organización

Compartimentalización

Complejidad

Extrema sensibilidad• Irreversibilidad • No linealidad

Cooperatividad, coherencia

Exposición EM Bioefecto

primario Amplificación de señal

Alteración comportamiento

celular

Efecto adverso

TRANSDUCCIÓNSEÑALIZACIÓN

CELULAR

RESPUESTA BIOLÓGICA

DISFUNCIÓN


Importancia de la determinación precisa de los mecanismos de interacción:

Sistematizar y organizar los datos experimentales, en un esquema racional

Predecir posibles bioefectos

Precisar el significado de “dosis”

Establecer guías para el diseño de nuevos experimentos


Criterios de seguridad

• Países orientales• la respuesta del sistema nervioso central• comportamiento de animales como respuesta a su exposición a campos de RF

• Países occidentales• en el efecto térmico que se produciría en personas expuestasa RF

• Unión Europea• recomendación para exposición a CEM (0 Hz – 300 GHz) 1999/519/CE



Introducción

Campos Electromagnéticos externosCampos Electromagnéticos internos: Dosimetría

Distribución de campos internos (microscópicos y microscópicos)



Conclusiones


ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

Bajas corrientes inducidasAltas corrientes

inducidas

Calentamiento

Rotura de enlacesDañado de DNA

Excitación electrónica

Efectos fotoquímicos

109

(GHz)106

(MHz)103

(kHz)100

(Hz)1012 1015

Baja Frecuencia Radio Frecuencia Microondas Infrarrojo UV X, Gamma, Rayos cósmicos

300

Líneas AT móvilesTV/FM Radar traf. Calor

Visible

Bronceado Rayos X medicinaRadar

laser

Frecuencia

1018 1021 1024

(Mm)106108

(km)103

(m)1

(mm)10-3

(µm)10-6

(nm) Å10-9 10-10 10-15

50

Radiación No Ionizante Radiación Ionizante

Longitud de onda

AM

Hornos µondas


CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS

• Radiaciones no Ionizantes (RNI): La energía cuántica que corresponde a este rango es insuficiente para alterar la estructura interna de las moléculas o romper enlaces intermoleculares

• λ >> dimensiones de la estructura atómica o molecular• λ << dimensiones de los cuerpos biológicos

• A diferencia de una radiación ionizante, una RNI de frecuencia más baja y con la misma intensidad de campo puede producir niveles de absorción de energía muy distintos

• Los posibles efectos biológicos pueden ser muy distintos dependiendode la frecuencia.


RADIACIÓN IONIZANTE y No IONIZANTE

Energía en el campo electromagnético: = ×S E H W h f=2

SAR (W/kg)efE

= σρ

Energía depositada por unidad de masa:

Radiación No ionizante

Energía de un enlace químico (caso más débil): ≥ 1 kcal/mol ≅ 1.6 kBT

3000 MHz 2000 cuantos para romper un enlacef N→: :k TNh f

≅

Radiación ionizante:

1 fotón UV, 400 nm ƒ = 7.5 1014 Hz, energía ≈ 120 kBT~ C-C

Probabilidad de coincidencia de 2000 cuantos en un volumen ~ tamaño de macromolécula, durante el tiempo de vida de un organismo ~ 10-833


CAMPOS AMBIENTALES DE ORIGEN NATURAL

· Campo magnético terrestre 30-50 µTVariaciones diurnas ~ ± 30 nTTormenta magnética ~ 400 nT

· Resonancias Schuman, en la cavidad resonante Tierra-ionosfera:0,1 mV/(m Hz1/2) 7,8 Hz

· Campo eléctrico atmosférico ~ 100 V/m

Fluctuaciones, debidas a turbulencias, inversión de capas, tormentas

≤ 40 000 V/m E ~ 100 V/mJ ~ 10-12 A/m2

· Radiación solar, con fuerte absorción del UV por el ozono1.4 kW/m2


INTENSIDADES DE CAMPOS AMBIENTALES

(ELF) CAMPO MAGNÉTICOCampo geomagnético 30 µT-50 µT

Actividad solar, tormentas < 10 µTFuentes naturales Campo magnético corazón 0.5 nT, 0.1- 40 Hz

Campo magnético cerebro 5 pT, 0.1- 40 Hz

Origen Líneas de trenes ≤ 100 µTElectrodomésticos 2.5 µTProcesos industriales (acerías) 8 mTFuentes

artificiales Terminales de video 5 µTLíneas de potencia 60 µT

Aplicaciones diagnósticas o clínicas:NMR 0.1-2.5 T (estático) Consolidación fracturas: 1 mT (pulsado)


INTENSIDADES DE CAMPOS AMBIENTALES

(ELF) CAMPO ELÉCTRICO

• Campo atmosférico, hacia la superficie terrestre ~ 100 V/m, con corriente de iones ~ 10-12 A/m2

• Campo de resonancias Schuman 10 mV/m

Fuentes naturales

Origen

Fuentes artificiales

Líneas de alta tensión ~ 10 kV/m

Electrodomésticos ~ 10 V/m

(UHF y frecuencias superiores)

• Radiación solar 1.4 kW/m2

• Usos industriales (2450 MHz) y médicos de las microondas• Telefonía móvil: 250-500 mW, 900, 1800 MHz, modulación por

pulsos


CAMPOS ENDÓGENOS

Inversión de la polarización en una neurona (despolarización)Potencial de membrana ~ 100 mV

J ∼ 1 A / m2pulso

Actividad eléctrica del corazón y el cerebroA la distancia r los campos son descritos como campos de corrientes dipolares ∼ 1 / r 3

Campo máximo ∼ 1 V/m en el corazón y ∼ 10 mV/m en el abdomen

Potencial eléctrico medido (ECG) ∼ 1-50 mV

Campo magnético medido (MCG) ∼ 10 – 100 pT, (MEG) ∼ 10-100 fT

Frecuencia primaria ∼ 1 Hz. El pico característico (ECG) (QRS) es estrecho, de ∼ 30 ms, f ∼ 40-100 Hz. Ondas cerebrales (ritmos alfa, beta, gamma), f ∼ 30-200 Hz


CAMPOS ENDÓGENOS

10-15

10-12

10-9

10-6

10-3

B (T)

f (Hz)0.1 1 10 100 1000

Campo magnético terrestre

Campo magnético del corazón

Actividad de la corteza cerebral

Ruido urbano

Actividad eléctrica en el desarrollo embrionario J ∼ 1 A/m2 , E ∼ 1 – 200 V/m

Actividad eléctrica en reparación de tejidos, fracturas óseas J ∼ 1.3 A/m2


Mecanismos físicos de campos estáticos, ELF, RF y MW que podrían inducir cambios biológicos

Frecuencia Mecanismo Unidad

Campo magnético Inducción magnética Gauss, Testático 0 Hz Interacciones magnetomecánicas

ELF Corriente inducida 30 Hz – 300 Hz en el cuerpo A/m²

RF y microondas Energía depositada SAR (W/kg)0,1 MHz – 10 GHz

10 GHz – 300 GHZ Calentamiento superficial del Densidad de Potencia del tejido (W/m2)

SAR = Tasa de absorción específica





Distribución de campos internos (macroscópicos y microscópicos)



Conclusiones

Introducción


ESTUDIO DE LA INTERACCIÓN: Punto de partida

Determinación de la energía absorbida por un cuerpo expuesto a loscampos EM que componen una señal de RF

Energía absorbida

campos EM “internos” (campos EM dentro del objeto)

Dosimetría: determinación de los campos EM internos


ESTUDIO DE LA INTERACCIÓN: Campos internos

• los campos internos son muy distintos de los incidentes

• tamaño y forma del objeto• sus propiedades eléctricas• su orientación respecto a los campos incidentes• la frecuencia de los campos incidentes

cualquier relación causa-efecto debe formularse en términos de los campos internos, NO de los incidentes


DEFINICIONES BÁSICAS

Absorción específica (SA): Energía total absorbida por una masa dada dentro de un cuerpo expuesto a RF externo (J/kg ) - (W.s/kg)

Tasa de Absorción específica (SAR): Ritmo temporal al que se absorbe energía por un cuerpo expuesto a RF externo (W/kg) - (mW/g)

SAR promediada sobre el cuerpo completo: valor único de SAR que representa la magnitud del SAR promediado sobre todo el cuerpo expuesto a RF.

SAR local: valor único de SAR que representa la magnitud del SAR en una pequeña porción del cuerpo expuesto a RF.


PARÁMETROS PARA CUANTIFICAR LA INTERACCIÓN

• Densidad de corriente inducida en un tejido (J)

• Intensidad de campo E interno (E)• SAR

2

W/KgE

SARσ

ρ=

12

V/mE SARρσ

=

( )1

22 A/mJ SARσρ=

ρ = densidad del tejido kg/m3

σ = conductividad eléctrica del tejido S/m


SAR

• La SAR es una medida del campo eléctrico en el punto de estudio

• La SAR es una medida de la razón de calentamiento local dT/dt

C/sº c

SARdtdT

=

c es el capacidad calorífica del tejido J/kg ºC

Para un tejido típico (músculo, c = 3.5 kJ/kg ºC) una SAR = 1W/kgestá asociada con una tasa de calentamiento menor que 0.0003 ºCpor segundo

• Necesitaría más de una hora para incrementar la temperatura 1 ºC


PARÁMETROS PARA CUANTIFICAR LA INTERACCIÓN

J SAR E

Cuantificación del campo EM en el tejido irradiado

En estudios dosimétricos la SAR se suele tratar como una cantidad lineal

los valores de SAR obtenidos a altas intensidades y cortos intervalos de tiempo se pueden extrapolar a exposiciones a bajas potencias


FACTORES QUE DETERMINAN LA ABSORCIÓN DE ENERGÍA EN TEJIDOS

Propiedades Eléctricas

Geometría Tamaño

Orientación Polarización

Frecuencia radiación

Tipo de fuente

Tiempo Intensidad

Entorno Exposición

• Conductividad σ (0.3 – 2.5 S/m)

• Permitividad εr (5 – 80)

• Determinan configuración espacial de E y H

Tejidos alto contenido en agua Tejidos bajo contenido en agua

Ojo MúsculoPiel HígadoRiñón

GrasaHueso


Respuesta dieléctrica de los tejidos

σ (mS/cm)ε/ε0

f (Hz)

102

105

108 103

102

10

102 1010106

β

γ

α

Dispersión Origen

(a) Polarización de capa de contra-iones en la superficie de la célula

(b) Polarización de estructuras celulares conectadas a la membrana plasmática (estructuras tubulares)

α

(a) Polarización de la membrana celular (b) Polarización de orgánulos celulares (mitocondrias,

núcleo)β

Polarización del agua en los tejidos, libre y ligada (dispersión δ ) γ




Geometría Tamaño



Tipo de fuente

Tiempo Intensidad

Entorno Exposición

Mayor SAR local: en la superficie de un objeto expuesto a una RF

Superficies curvas

Cuerpos resonantesHay valores SAR altos (puntos calientes) en distintas posiciones

Capas con distinto Γy τ f(ε,σ)

• Espesor grasa• Curvatura tejido• Dimensiones (λ)

Distribución de WCuerpo Humano




Geometría Tamaño



Tipo de fuente

Tiempo Intensidad

Entorno Exposición

SAR máxima

SARE = 20 SARH

E

H

k H

E

k

xy

z

a

b

xy

z

a

b

xy

z

a

b

Polarización E Polarización H Polarización k

E

H

kH

E

k

EH

k




Geometría Tamaño



Tipo de fuente

Tiempo Intensidad

Entorno Exposición

SAR cuerpo completo

Baja frecuencia (LF) : <SAR (f)> varía con f2

Frecuencias medias (MF) : <SAR (f)> varía con f (Máximo a la frecuencia resonante)

SAR Local

0410λ

Máximo a la frecuencia de resonancia del cuerpo completo (en resonancia longitud del eje largo es ≈ )




Geometría Tamaño



Tipo de fuente

Tiempo Intensidad

Entorno Exposición

Campo Lejano2

0

2Ddλ

> D: longitud más larga del elemento radiante

SAR• independiente de la configuración de la fuente

• no hay acoplo entre fuente y objeto

Campo Próximo 2

0

2Ddλ

<

Acoplo de energía Forma y tamaño de la fuente




Geometría Tamaño



Tipo de fuente

Tiempo Intensidad

Entorno Exposición

Espacio libre

Sobre un plano conductor

Cerca de metales reflectores

Dentro de estructuras conductoras

Presencia de otros cuerpos (animales, etc)

Implantes metálicos: modificación SAR

Energía absorbida




Geometría Tamaño



Tipo de fuente

Tiempo Intensidad

Entorno Exposición

Intensidad radiación

Tiempo de exposición

Modulación (amplitud, pulsos)

Energía absorbida por tejidos

Medida de <SAR> por si misma es insuficiente para caracterizar la exposición

Hay que especificar las características de modulación





Distribución de campos internos (macro y micro)



Conclusiones

Introducción


DISTRIBUCIÓN DE LOS CAMPOS INTERNOS

Campo Eléctrico

Baja frecuencia: (ELF, 50 Hz)

Alta frecuencia

Atenuación: E=

Profundidad de penetración

/z E0 e− δ

2 (σ > ωε)ωµσ

δ =

0.5 S/mσ ≈ 80int 10−≈≈

σωε

extEE

Campo estático: Efecto de apantallamiento

3.41.33601000

13.20.6813110

2130.5618500.1

δ (cm)σ (S/m)εrf (MHz)

Músculo expuesto a Eparalelo a la fibra del tejido


CAMPOS EN LA CÉLULA: Heterogeneidad y amplificación

r ≈ 10 µm

d ≈ 5-10 nm

σm ≈ 10-7-10-5 S/m

εm ≈ 11

σt ≈ 0.5 S/m

εt ≈ 50

f = 50 Hz

amplificación¡la membrana es sitio preferente

de interacción !

800 03 2 10i

t

E E x Eωεσ

−≈ ≈

1.5 3000m i irE E Ed

≈ ≈

22 10 V/mmE x −≈

0 300 V/mE =

66 10 V/miE x −=fosfolípidos

Em

d

citoplasmaproteinas

membrana

núcleo

r

electrolitotejido

Ei

aire

E0

H0

n

Ei

E0aire


DISTRIBUCIÓN DE LOS CAMPOS INTERNOS

• El campo magnético B es permeable a todas las frecuencias

Bt

∂∂

r

E Importancia de la modulación del campo de RF

• Efectos de orientación de proteínas por anisotropía diamagnética

• Fuerzas sobre partículas de magnetita controlan los canales

• El campo E puede originar posibles efectos de rectificación:acumulación de iones en el interior de la célula

• La amplificación de campo en la membrana se produce a bajas y altas frecuencias


LA MEMBRANA CELULAR

• Los canales controlan el flujo de iones a través de la membrana tales como Na+, K+ y Ca2+. Este flujo a su vez, afecta a la excitabilidad eléctrica de la membrana y a la función biológica de la célula en los procesos de neurotransmisión.

• Sin embargo, no se ha especificado ningún mecanismo de interacciónde los campos EM con la membrana. Se desconoce cualquier posible mecanismo para los efectos de campos débiles de RF/MW sobre la estructura molecular de las proteínas.


ACCIÓN DEL CAMPO ELECTRICO

Posible modulación del tránsito de iones a través de canales

Vr

d

r8 2 +

10 nmV 100 mV

7.6 10 m /(V.s) (K )

d

−

≈≈

µ ≈ ×

2

13 nstrr

dtVµ

~ ~

E

ftE

1≈ Si f ≈ 150 MHz, ttr ≥ tE


rectificación de señal por las células

dañoDNA

SJin

S

PJ c

Jin -J

c

/

/

0 0

0

1

, 1.5 cos cos

( ) ( ) no lineal con

U kT

open U kT

in in in

ePe

U U U U z e E r t

J J U J U U

−

−=+

= + δ δ = θ ω

δ = − δ

δJin

δUcambios de conformación de enzimas

E E*

E*PES

k1 k-1

S P

k2φ

k3

k4 φ -1

k-2φ -1

k-3

k-4φ

Blanco preferente: moléculas de membrana (reducción de dimensionalidad)

0 cos( ) /

-5 5

z e U t k Te

z

ω

< <

φ =


1 102 104 106

frecuencia

0.3

0.2

0.1

0

ritm

o m

edio

(x10

)Tipo de cambio Proceso resultante

Cambio de enzima de membrana Alteración actividad enzimática

Protuberancia molecular Mecanismo de señalización

Deformación de la célula General

Deformación de la membrana Posible ruptura o transición de fase

Fluctuaciones de interfases de Formación de poros transitorios dominios de lípidosDepresiones y distorsiones locales Precursores de poros transitorios








Conclusiones

Introducción


LA DOSIMETRIA COMO HERRAMIENTA

• La dosimetría: relaciona campos internos (que producen el efecto) conlos incidentes (que son medibles)

Necesaria para:

1 - determinar que campos internos en los animales dan lugar a undeterminado efecto biológico

2 - determinar que campo incidente produciría un campo interno análogo en el cuerpo humano y por consiguiente un efecto biológico similar


INTERES DE LA DOSIMETRIA

• Es especialmente importante en experimentos con pequeños animalesporque el tamaño afecta muy significativamente la absorción de energía

Ej.: a 2450 MHz la absorción media por unidad de masa en una rata media sería 10 veces la producida en un hombre típico para el mismo campo incidente

No se espera observar en una persona un efecto biológico que si se observa en una rata a menos que los campos incidentes fueran mucho más altos que con los que se han irradiado a la rata


Extrapolación de Resultados

• A una frecuencia dada, el campo interno en un cuerpo irradiado depende mucho del tamaño del cuerpo

• Al extrapolar los resultados obtenidos de un animal de laboratorio a otro de distinto tamaño o de un animal de laboratorio a un humano

hay que determinar que campos incidentes producirían el mismo campo interno en estos cuerpos de diferente tamaño

¡Si los campos internos deben ser iguales, los campos incidentesdeben ser distintos!


Formas para ajustar los campos incidentes de forma que los campos internos sean iguales:

1. Extrapolación en potencia

Cambiar la densidad de potencia de la radiación incidente

2. Extrapolación en frecuencia

Cambiar la frecuencia de la radiación incidente

• en cualquiera de los dos casos, la distribución de campo internoes distinta, incluso aunque las SAR promedio fueran iguales

• los campos internos se pueden aproximar, relacionando lalongitud de onda de la radiación incidente con la longitud del objeto


• Cuando los efectos biológicos son debidos a calor por la radiación, extrapolación en frecuencia + extrapolación en potencia hace que <SAR> la misma y da lugar a una distribución interna de campos muy similar

Ejemplo:• rata de peso 320g • expuesta a un campo de RF polarizado E• f = 2450MHz• Pinc = 20mW/cm2

¿Qué condiciones de exposición producirían aproximadamente la mismaSAR y la misma distribución de campo interno en un humano?

• Las características fisiológica de la rata y del hombre son distintas• rata << humano a 2450 MHz: la distribución de campo interno serámuy distinta


• modelos esferoides prolatos

• La profundidad skin : 2 cm (2450 MHz)

rata

0.72bδ

=hombre

0.14bδ

=

b

a

• semiejes menoresar = 10 cm br = 2.76 cmah = 87.5 cm bh = 13.8 cm

cualquier calentamiento RF sería superficial para el hombre y más volúmico para la rata


• comparar efectos RF en humanos con animales más pequeños puedeque no sea muy significativo a 2450 MHz.

• la comparación puede ser más significativa a una frecuencia másbaja, donde las distribuciones de campo interno son más similares

• una forma simple de elegir la frecuencia adecuada para la exposiciónhumana es hacer λ/2a (razón de la longitud de onda en el espaciolibre a la longitud del cuerpo) la misma para el hombre y la rata

• este criterio no tiene en cuenta el cambio de permitividad con la frecuencia


2 2802

rh r

h

af f MHza

= =2 2h h r ra f a f=

la frecuencia de exposición humana debe de estar en el rango 200 - 400 MHz para poder compararla con la de una rata a 2450 MHz.

Densidad de potencia incidente necesaria:

Igual <SAR>

rata de 320g a 2450 MHzcon Pin =20 mW/cm2

hombre típico a 280 MHz


Frecuencia (MHz)

SAR

med

io (W

/Kg

por m

W/c

m2 )

Hombre (280 MHz)

Pin = 1 mW/cm2 SAR promedio = 0.041 W/KgPin = 107 mW/cm2 SAR promedio = 4.4 W/kg

SAR

med

io (W

/Kg

por m

W/c

m2 )

Frecuencia (MHz)

Rata (2450 MHz)

Pin = 1 mW/cm2 SAR medio = 0.22 W/KgPin = 20 mW/cm2 SAR medio = 4.4 W/kg


DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA SAR LOCAL

2

W/KgE

SARσ

ρ=Determinación de E

Sondas campo eléctrico

Medida de ∆T en tejidos o en cultivos in vitro

Sondas térmicas4186 (W/Kg)Hc TSAR

t∆

≅

No implica que el mecanismo de cualquier efecto biológico que se observe sea de origen térmico


DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA SAR LOCAL

SONDAS E• Medida de E en un punto dentro de un tejido o un fantoma• La sensibilidad de la sonda E α ldip• La resolución espacial α 1/ldip• Sondas con ldip ≤ 5mm pueden detectar SAR < 0.2 W/Kg

Para E débiles:

• La sensibilidad se aumenta con detección síncrona o técnicasde promediado


SONDAS E

Configuración :

Tres dipolos ortogonales proporcionan medidas isotrópicas

d1

d2

d3

x

y

z

Para determinar SAR con precisión sondas calibradas

Calibración• lámina o modelo esférico irradiados con E y polarizaciónconocidos

• el modelo >> ldip

• SAR uniforme en todo el volumen


LIMITACIONES EN FRECUENCIA DE LAS SONDAS E

Límite inferior de frecuencia: f < 150 MHz

• Señales espurias de RF recogidas en hilos de Z >> degrada la resolución

Límite superior de frecuencia: cuerpo

dipololλ

≈

10cuerpo

dipololλ

≤ E no es uniforme sobre ldip (mala exactitud)

Limita el uso de sondas actuales implantadas en cuerpos a f ≈ GHz


SONDAS TÉRMICAS

Temperatura del tejido crece linealmente durante corta exposición a RF intensa

SAR se puede obtener a partir de medidas de temperatura

• Se mantiene máximo ∆T ≤ 10º C para prevenir “thermal runaway”

• Thermal runaway: áreas calientes absorben más energía de RF que áreas frías

• Cambios en las propiedades dieléctricas alteran la distribución de absorción


SONDAS TÉRMICAS

t : duración exposición (s)cH : capacidad calorífica espec. tejido

(Kcal/Kg.ºC)4186 (W/Kg)Hc TSAR

t∆

≅

• Para cuantificar con precisión la razón de crecimiento de la T sin que hayapérdidas térmicas significativas por conducción

La irradiación del fantoma debe ser con RF intensa y durante un corto tiempopara producir un incremento lineal de T que se pueda medir


SONDAS TÉRMICAS

Error común en la medida de la SAR: Exposición a RF baja densidad de potenciaen intervalos largos de tiempo

Sensor (fluorgermanato de magnesio MFG)

Funda de silicio

0.7 mm

0.125 mmPFA

Sonda Luxtron®

• Difícil de hacer medidas precisas consondas térmicas y bajas potencias

• La sensibilidad de sondas térmicas esmenor que la de sondas E (0.1 W/Kg)

La eliminación de energía térmica por difusión reduce el ∆T inducido por RF


SISTEMA EXPERIMENTAL DE MEDIDA DE CAMPOS LOCALES

Terminal telefónico

Sondas E, H

Fantoma


MEDIDAS DE LA SAR EN 2D

Medidas SAR puntuales:

• muy tediosas

• mucho tiempo para obtener una distribución espacial de SARlocal en un objeto

• propiedades dieléctricas = f(T) el modelo se debe enfriarentre exposiciones

Sondas locales no garantizan la determinación de puntos calientes

Es necesario hacer un mapa detallado de distribución de la SAR


Técnicas para la determinación de la distribución de la SAR en un área plana en un volumen 3D

Lámina de cristal líquido sensible a la Temperatura

• visualización cualitativa de la distribución de T

Cámara termográfica por infrarrojos

• se obtienen varios cientos de miles de puntos simultáneamente en seg.

Imágenes por resonancia magnética

• proporcionan distribución de T dentro del cuerpo

• Única técnica no invasiva

Técnica de imágenes por luminiscencia

• proporciona distribución de SAR en modelos ópticamente transparentes

• utiliza componentes químico-luminiscentes


MEDIDA DE LA SAR PROMEDIADA SOBRE EL CUERPO COMPLETO

Sistemas biológicos iguales en equilibrio térmico

Ventajas:

- adecuado para estructurasbiológicas pequeñas

Inconvenientes:- tiempo de difusión del calor para estructuras biológicas grandes

Calorímetro de doble pozo

osición

FES

tTTc

SARexp

)( −=

TF: temperatura final del calorímetro

TE: temperatura normalizada del objeto

errores por descomposición








Conclusiones

Introducción


LIMITACIONES ACTUALES EN LA MEDIDA DE LA SAR

Criterio ANSI/IEEE C95.1-1992 para exposición humana :

• Máxima SAR permisible es aplicable sólo en ∆f = 0.1 MHz – 6 GHz “Una exposicion es aceptable si produce SAR inferior a 0.08 W/Kg,promediada sobre cuerpo completo y un valor de pico de SAR localinferior a 1.6 W/kg promeidada en 1 g de tejido”

• Estándar europeo establece <SAR> = 2 W/kg en un volumen equi-valente a 10 g y en un intervalo de 6 m

• Difícil de usar con campos no uniformes (región de campo próximode los terminales móviles)


LIMITACIONES ACTUALES EN LA SAR

f < 0.1 MHz

• corrientes inducidas y de contacto (shocks y quemaduras)

• los limites se establecen a partir de fenómenos de electro-estimulación

Investigar en umbrales dosimétricos en electroestimulación y energía depositada en el intervalo 0.01 – 1 MHz

Cambiar de límites de exposición basados en electroestimulación a f < 0.1 MHz a criterios de energía depositada (SAR) a f > 0.1 MHz



f > 6 GHz

• la radiación penetra muy poco en el objeto biológico (< 2 mm)

• la absorción superficial condiciona los posibles efectos• la energía depositada superficialmente es más útil que la SARinterna

• Investigar en calentamiento de estructuras biológicas f > 6 GHz.

• Es necesario conocer bien la transición de energía depositada auna cierta profundidad de un objeto a la superficie del mismo



f > 6 GHz

• tiempo promedio de exposición = f (τ constante térmica del cuerpo)

• calentamiento de una estructura plana τ ~ minutos

• valores de τ no comprobados experimentalmente

Investigación

los valores medios de exposición se correspondan con una dependencia más precisa de τ con la frecuencia



• La aplicación de la dosimetría a volúmenes pequeños es limitada

• Pocos trabajos sobre exposición parcial de animales

• Los límites en C95.1 se relajan de forma tentativa e incompleta

Necesidad de tiempos de exposición más precisos

En aplicaciones médicas de diatermia o hipertermia, SAR puede alcanzar valores de 100 W/Kg en una exposición parcial



Macroscópico

• Datos imprecisos de ε y σ de tejidos

ε hueso vivo ≈ ε músculo

hay que utilizar valores más altos que los actuales

los valores de la SAR son sobreestimados

• No hay disponibilidad de modelos estándar y materiales equivalentes


FANTOMAS Y MODELOS DE CÁLCULO

Fantoma

Modelo para cálculo: aire, piel músculo, grasa, hueso, sangre, cerebro, cartílago, humor vítreo, cornea, globo ocular

Modelo por IMR y CT: Aire, piel músculo, hueso,cerebro y humor vítreo


FANTOMA: de la realidad virtual a la realidad física

Scan MRI o TC

Modelo Sólido 3D

Reconstrucción 3D (Biomedical Modeling Inc., NY)



Macroscópico

• No hay sistemas calibrados completos de medida del campo E

• No hay procedimiento estándar para calibración de sondas de E o T

• Datos experimentales poco fiables para SAR < 10 W/Kg

• La SAR es una magnitud escalar. No da la dirección de E inducido

• Hay que especificar la polarización del campo

• Si un efecto biológico en células o tejidos está relacionado con la interacción directa con B (interacción con magnetita), hay que hacer medidas de E y B internos.

• La parte de la SAR debida a la absorción de campo B es muy difícil deinterpretar y medir.



Microscópico: Nivel celular

No hay estándar para geometríaestructura propiedades eléctricas

No hay estudios de influencia mutua

Los valores de la SAR pueden ser muy distintos de los reales


Geometrías de células

elipsoide esfera

bastón eritrocito


Importancia de la geometría correcta del modelo

• La influencia de la orientación y de la geometría de la célula en la distribución de campo interno obliga a técnicas sofisticadas de cálculo, potencia y tiempo (170’ elipsoide – 360’ eritrocito)

• La transición de un eritrocito a un elipsoide indica que los campos en la membrana son sobreestimados.

• Los estudios que utilizan elipsoides confocales y no confocales(espesor uniforme de la membrana) para modelar eritrocitos son aproximaciones groseras si se desea un estudio preciso de bioefectos en células


Importancia de la estructura correcta del modeloCampo E en la membrana para estructuras de 2 y 4 capas

01234567801234567

4 layers

f = 900 MHz

Agua ligada externa

CitoplasmaMembranaMedio adyacente a la membrana

2 layers

E in

duci

do/ E

ext

erno

2 capasmembrana = 10 nm espesorcitoplasma = 3.5 µm radio

4 capasmembrana = 10 nmcitoplasma = 3.5 µmEBW= 1 nm espesorCBW= 0.5 nm espesor

f = 900 MHz

f = 900 MHz

E in

duci

do/ E

ext

erno

Agua ligada citoplasma


Importancia de las propiedades eléctricas del modelo

Variación de E en la membrana con el valor de la permitividad de la membrana

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 220

5

10

15

20

25

30

Mem brana Medio externo C itoplasm a

f = 900 MHzCam po aplicado 1 V/m

E mem

(V/m

)

ε mem

E








Conclusiones

Introducción


CONCLUSIONES

Interacción de RF con sistemas biológicos es muy compleja

Interacción campos EM internos

Agente causal: Energía depositada en los tejidos (HF)

Dosimetría: determinación de los campos EM internos

La determinación precisa de la SAR es muy difícil, incluso auna sola frecuencia

Se pueden realizar medidas físicas especiales y cálculos paradeterminar aproximadamente el valor <SAR> y local espacialen un objeto biológico


CONCLUSIONES

Hay que investigar en el cálculo de la distribución de SARen un objeto expuesto a radiación en un margen amplio defrecuencias

Hay limitaciones en el rigor y completitud de la SAR paradefinir la dosis

Se puede y debe seguir utilizando la SAR para:

desarrollar directrices

cuantificar los efectos biológicos debidos a la exposición acampos de RF


Interacción de campos electromagnéticos con sistemas ... · • A diferencia de una radiación...

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