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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
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
Dosimetría y microdosimetría ETSIT - 2002
• 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)
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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
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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
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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
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Interacción de campos electromagnéticos con sistemas biológicos:Dosimetría y microdosimetría
Introducción
Campos Electromagnéticos externosCampos Electromagnéticos internos: Dosimetría
Distribución de campos internos (microscópicos y microscópicos)
Determinación Experimental de la SAR
Limitaciones actuales en la medida de la SAR
Conclusiones
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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
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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.
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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Interacción de campos electromagnéticos con sistemas biológicos:Dosimetría y microdosimetría
Campos Electromagnéticos externos
Campos Electromagnéticos internos: Dosimetría
Distribución de campos internos (macroscópicos y microscópicos)
Determinación Experimental de la SAR
Limitaciones actuales en la medida de la SAR
Conclusiones
Introducción
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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FACTORES QUE DETERMINAN LA ABSORCIÓN DE ENERGÍA EN TEJIDOS
Propiedades Eléctricas
Geometría Tamaño
Orientación Polarización
Frecuencia radiación
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
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FACTORES QUE DETERMINAN LA ABSORCIÓN DE ENERGÍA EN TEJIDOS
Propiedades Eléctricas
Geometría Tamaño
Orientación Polarización
Frecuencia radiación
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
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FACTORES QUE DETERMINAN LA ABSORCIÓN DE ENERGÍA EN TEJIDOS
Propiedades Eléctricas
Geometría Tamaño
Orientación Polarización
Frecuencia radiación
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 ≈ )
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FACTORES QUE DETERMINAN LA ABSORCIÓN DE ENERGÍA EN TEJIDOS
Propiedades Eléctricas
Geometría Tamaño
Orientación Polarización
Frecuencia radiación
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
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FACTORES QUE DETERMINAN LA ABSORCIÓN DE ENERGÍA EN TEJIDOS
Propiedades Eléctricas
Geometría Tamaño
Orientación Polarización
Frecuencia radiación
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
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FACTORES QUE DETERMINAN LA ABSORCIÓN DE ENERGÍA EN TEJIDOS
Propiedades Eléctricas
Geometría Tamaño
Orientación Polarización
Frecuencia radiación
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
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Interacción de campos electromagnéticos con sistemas biológicos:Dosimetría y microdosimetría
Campos Electromagnéticos externos
Campos Electromagnéticos internos: Dosimetría
Distribución de campos internos (macro y micro)
Determinación Experimental de la SAR
Limitaciones actuales en la medida de la SAR
Conclusiones
Introducción
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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
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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
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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
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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.
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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
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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 =
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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
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Interacción de campos electromagnéticos con sistemas biológicos:Dosimetría y microdosimetría
Campos Electromagnéticos externos
Campos Electromagnéticos internos: Dosimetría
Distribución de campos internos (macroscópicos y microscópicos)
Determinación Experimental de la SAR
Limitaciones actuales en la medida de la SAR
Conclusiones
Introducción
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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
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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
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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!
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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
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• 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
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• 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
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• 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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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SISTEMA EXPERIMENTAL DE MEDIDA DE CAMPOS LOCALES
Terminal telefónico
Sondas E, H
Fantoma
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SISTEMA EXPERIMENTAL DE MEDIDA DE CAMPOS LOCALES
Terminal telefónico
Sondas E, H
Fantoma
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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
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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
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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
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Interacción de campos electromagnéticos con sistemas biológicos:Dosimetría y microdosimetría
Campos Electromagnéticos externos
Campos Electromagnéticos internos: Dosimetría
Distribución de campos internos (macroscópicos y microscópicos)
Determinación Experimental de la SAR
Limitaciones actuales en la medida de la SAR
Conclusiones
Introducción
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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)
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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
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LIMITACIONES ACTUALES EN LA SAR
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
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LIMITACIONES ACTUALES EN LA SAR
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
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LIMITACIONES ACTUALES EN LA SAR
• 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
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LIMITACIONES ACTUALES EN LA SAR
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
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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
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FANTOMA: de la realidad virtual a la realidad física
Scan MRI o TC
Modelo Sólido 3D
Reconstrucción 3D (Biomedical Modeling Inc., NY)
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LIMITACIONES ACTUALES EN LA SAR
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.
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LIMITACIONES ACTUALES EN LA SAR
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
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Geometrías de células
elipsoide esfera
bastón eritrocito
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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
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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
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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
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Interacción de campos electromagnéticos con sistemas biológicos:Dosimetría y microdosimetría
Campos Electromagnéticos externos
Campos Electromagnéticos internos: Dosimetría
Distribución de campos internos (macroscópicos y microscópicos)
Determinación Experimental de la SAR
Limitaciones actuales en la medida de la SAR
Conclusiones
Introducción
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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
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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
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