Fondamenti di Elettromagnetismo in Medicina, Università Politecnica delle Marche

Elettromagnetismo in Medicina

Fondamenti di Elettromagnetismo: Elettromagnetismo in Medicina Franco Moglie Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione (DII) Università Politecnica delle Marche, Ancona, Italy (Elettrostatica) A 00 UNIVER ECNICA DELLE MARCHE UNIVERSITÀ POLITECNICA DELLE MARCHE F. Moglie (DII - UNIVPM) 01.08 Galvani 2021 1/ 46Elettromagnetismo in Medicina Luigi Galvani (1737-1798) formula la teoria dell'elettricità animale. Suppone che l'elettricità sia presente nei muscoli della rana. F. Moglie (DII - UNIVPM) 01.08 Galvani 2021 2/46Elettromagnetismo in Medicina D'Arsonval scopre che una corrente elettrica alla frequenza di 10 kHz o più produce una sensazione di calore nell'attraversare i tessuti viventi, senza essere accompagnata dalla contrazione muscolare dolorosa che si avverte a più basse frequenze. Era il 1892, anno che segna l'ingresso dell'elettromagnetismo nella Medicina. Nel 1899, nell'ospedale Hotel-Dieu di Parigi si effettuarono i primi esperimenti terapeutici in collaborazione con il neurologo M. Benedikt. F. Moglie (DII - UNIVPM) 01.08 Galvani 2021 3/46Elettromagnetismo in Medicina

. A partire dall'inizio del XX secolo l'impiego in Medicina di correnti a frequenza fino a 3 MHz si diffonde soprattutto per il trattamento di affezioni dolorose dell'apparato muscolo-scheletrico, in alternativa ad altri tipi di terapia fisica basati sul calore. · Il termine diatermia (dia = attraverso, therme = calore) viene coniato nel 1907 da Nagelshmidt per indicare il riscaldamento dei tessuti viventi prodotto dalla conversione di correnti ad alta frequenza in calore. . Nei decenni seguenti le tecniche impiegate per la diatermia elettromagnetica sono quelle che si vanno sviluppando per applicazioni di altro tipo, soprattutto in campo militare, dalle onde corte (marconiterapia) alle microonde (radarterapia). . Dagli anni '30, e poi definitivamente nell'immediato dopoguerra, la diatermia diviene una metodica standard in terapia fisica. F. Moglie (DII - UNIVPM) 01.08 Galvani 2021 4/46Elettromagnetismo in Medicina

. Il riscaldamento elettromagnetico presenta alcuni vantaggi rispetto ad altre forme di riscaldamento (conduzione, radiazione infrarossa). In particolare le profondità di trattamento raggiungibili sono notevolmente superiori rispetto alle altre tecniche. . Mentre nel riscaldamento per contatto la temperatura all'interno dei tessuti decade esponenzialmente al valore fisiologico (37 ℃) in pochi millimetri, il riscaldamento elettromagnetico permette di ottenere una distribuzione di temperatura che può interessare profondità anche di diversi centimetri, non raggiungibili con altri mezzi esterni. . Inizialmente il controllo della temperatura nel corpo era legata empiricamente alle sensazioni del paziente. F. Moglie (DII - UNIVPM) 01.08 Galvani 2021 5/46Elettromagnetismo in Medicina

"Application of heat for a wide variety of medical conditions is a very old medical therapy, but the use of electromagnetic fields to create this heat is relatively new." Cynthia Furse, Douglas A. Christensen, Carl H. Durney, Basic Introduction to Bioelectromagnetics, Second Edition, CRC Press, 2009. La dosimetria dei campi elettromagnetici non ionizzanti quantifica l'interazione tra un campo elettromagnetico e un corpo biologico ad esso esposto. · Densità di corrente e quindi della potenza totale assorbita da un organismo biologico immerso in un campo elettromagnetico · Determinazione della distribuzione di tale potenza nell'organismo esposto F. Moglie (DII - UNIVPM) 01.08 Galvani 2021 6/46Elettromagnetismo in Medicina

Meccanismi di Trasferimento Energetico

Meccanismi responsabili del trasferimento di energia del campo elettrico · Correnti di conduzione indotte dal campo attraverso le forze esercitate su cariche libere presenti nel sistema. A tali correnti è associato lo sviluppo di calore per effetto Joule. · Induzione di dipoli. Il campo elettrico esercita delle forze di verso opposto sulle cariche positive e negative di un sistema legato allontanandole (polarizzazione indotta). 0 S V V R c E F. Moglie (DII - UNIVPM) 01.08 Galvani 2021 7/46

Descrizione Elettromagnetica dei Tessuti Biologici

Comportamento Dielettrico dei Tessuti

I tessuti biologici si comportano come dielettrici Da un punto di vista elettrico, i tessuti biologici si comportano quindi come dielettrici non ideali. Il loro comportamento è descritto da due grandezze fondamentali · La conducibilità elettrica o · La costante dielettrica assoluta E = E0Er Nei tessuti biologici, l'elemento di maggior significato per le loro proprietà elettriche è l'acqua che costituisce il 70% del peso del corpo umano. Quindi, è logico che le caratteristiche elettriche dei vari tessuti biologici siano perfettamente correlate con la percentuale di acqua in essi contenuta. F. Moglie (DII - UNIVPM) 01.08 Galvani 2021 8/46

Classificazione dei Tessuti Biologici

Classificazione dei tessuti biologici · Tessuti ad altissimo contenuto di acqua (90% o più di acqua): sangue, liquido cerebrospinale e altri liquidi organici. · Tessuti ad alto contenuto di acqua (circa l'80% di acqua): pelle, muscolo, cervello, e organi interni, quali reni, fegato, milza, ecc. · Tessuti a basso contenuto di acqua (acqua circa 50% e meno): grasso, tendini e ossa. F. Moglie (DII - UNIVPM) 01.08 Galvani 2021 9/46

Costante Dielettrica e Conducibilità del Muscolo

Costante dielettrica e conducibilità del muscolo al variare della frequenza Frequency (MHz) Relative Dielectric Constant (Er) Conductivity (o) 'S/m 0.1 1850 0.56 1.0 411 0.59 10 131 0.68 100 79 0.81 1000 60 1.33 10,000 42 13.3 100,000 8 60 Vedi anche: http://niremf.ifac.cnr.it/tissprop/ F. Moglie (DII - UNIVPM) 01.08 Galvani 2021 10/46Descrizione Elettromagnetica dei Tessuti Biologici Costante dielettrica e conducibilità del muscolo L'andamento di & e o del tessuto muscolare sono più elevate di circa un ordine di grandezza rispetto a quelle del tessuto adiposo 1.0E+8 1.0E+7 Permittivity 1.0E+6 1.0E+5 10 MHZ: 1.0E+4 1.0E+3 o = 0.62 S/m, 1.0E+2 Conductivity (S/m) 1.0E+1 1.0E+0 1.0E-1 1.0E+1 1.0E+2 1.0E+3 ' 1.0E+4 1.0E+5 1.0E+6 1.0E+7 1.0E+8 1.0E+9 1.0E+10 1.0E+11 Frequency (Hz) Er =171 F. Moglie (DII - UNIVPM) 01.08 Galvani 2021 11/46

Costante Dielettrica e Conducibilità del Grasso

Costante dielettrica e conducibilità del grasso L'andamento di & e o del tessuto muscolare sono più elevate di circa un ordine di grandezza rispetto a quelle del tessuto adiposo 1.0E+8 1.0E+7 Permittivity 1.0E+6 1.0E+5 1.0E+4 1.0E+3 1.0E+2 28 1.0E+1 Conductivity (S/m) 1.0E+0 1.0E-1 1.0E-2 1.0E+1 1.0E+2 1.0E+3 / 1.0E+4 1.0E+5 1.0E+6 1.0E+7 1.0E+8 1.0E+9 1.0E+10 1.0E+11 Frequency (Hz) 10 MHZ: o = 0.029 S/m, Er = 13.8 F. Moglie (DII - UNIVPM) 01.08 Galvani 2021 12/46

Mappe di Conducibilità a 900 MHz e 1800 MHz

CONDUCTIVITY MAPS 900 MHZ 1800 MHZ S/m 0 0.5 1 1.5 2 ITC irst F. Moglie (DII - UNIVPM) 01.08 Galvani 2021 13/46

Mappe di Permittività Relativa a 900 MHz e 1800 MHz

RELATIVE PERMITTIVITY MAPS 900 MHZ 1800 MHZ 15 30 45 60 75 ITC irst F. Moglie (DII - UNIVPM) 01.08 Galvani 2021 14/46

Mappe di Permittività e Conducibilità a 80 MHz

PERMITTIVITY MAPS ITC irst = TOTAL BODY Epsilon a 80Mhz Sigma a 80Mhz 90 1 0.9 70 60 0.6 50 0.5 40 0.4 30 0.3 20 0.2 10 -0.1 F. Moglie (DII - UNIVPM) 01.08 Galvani 2021 15/46 NMR DATA 80 -- 0.8 F- 0.7 Acquired: 407 coronal slices head: 97 (2.5 mm) body: 310 (5 mm) final voxel size: 2 X 2 X 2 mm EPSILON and SIGMA (80 MHz)

Interazione Campi Elettromagnetici - Corpo Umano

Incremento della Temperatura

Obiettivo: incremento della temperatura Frequenza sorgente Parametro fisico Meccanismo Causa Effetto RF (kHz) Corrente Resistenza Incremento di temperatura MW (100 MHz) Campo em Potenza F. Moglie (DII - UNIVPM) 01.08 Galvani 2021 16/46

Tecniche Terapeutiche con Campi Elettromagnetici

Tecniche terapeutiche con campi elettromagnetici Cura di malattie mediante l'uso di campi elettromagnetici: · Ricostruzione ossea . Stimolazione nervosa · Diatermia · Ipertermia · Ablazione O . . . Diatermia, ipertermia e ablazione sfruttano l'incremento di temperatura. Ipertermia e ablazione operano anche alle frequenze delle microonde. F. Moglie (DII - UNIVPM) 01.08 Galvani 2021 17/46

Ablazione Cardiaca

Ablazione cardiaca Nel battito cardiaco possono insorgere aritmie. Esse sono dovute alla mancanza di coordinamento nella contrazione delle cellule muscolari cardiache dovuto alla presenza di cammini spuri per la conduzione del segnale elettrico nel cuore. Diverse le possibili cause. Normal conduction Atrial fibrillation Normal electrical signals Disorganized electrical signais SA Node SA Node L'ablazione cardiaca cerca di eliminare il cammino spurio F. Moglie (DII - UNIVPM) 01.08 Galvani 2021 18/46

Confronto Trattamenti Aritmie Cardiache

Confronto tra i diversi trattamenti delle aritmie cardiache Treatment Type Curative Invasive Side-Effects Medications no no high Artificial Pacemaker no low no Implantable cardioverter-defibrillator no low medium Surgical Ablation yes high low Catheter Ablation yes low low Treatment Type: Which of the various approaches to treating an abnormal heart rhythm is being considered. Curative: The capability of a treatment to permanently cure the patient of an arrhythmia, as opposed to only treating the symptoms without addressing the underlying cause. Invasive: The extent to which the treatment involves cutting open and traumatizing the patients body. Side-Effects: The probability that there will be negative effects to the patient as a result of a treatment having been applied. F. Moglie (DII - UNIVPM) 01.08 Galvani 2021 19/46

Ablazione a Radiofrequenza

Ablazione a radiofrequenza 1 Reference patch electrode on the dorsal side Handle = 1 RF generator Catheter body Ablation electrode Panescu D et al., IEEE Trans, BME, 42: 9, pp. 879- 890, Sept. 1995 Schema di un set-up unipolare. Il catetere attivo è inserito nel cuore e l'elettrodo di massa sulla pelle. La corrente elettrica a radiofrequenza va dal catetere all'elettrodo di massa. F. Moglie (DII - UNIVPM) 01.08 Galvani 2021 20/46

Ablazione a Microonde

Ablazione a microonde Microwave Generator . ECG Monitor Switch O O Catheter Antenna Lin J.C., Bioelectromagnetics, vol. 20:54, pp. 120-132, 1999. Il catetere è un cavo coassiale che porta la potenza a microonde a una antenna posta alla sua estremità. Il campo elettromagnetico è irradiato direttamente nel cuore. F. Moglie (DII - UNIVPM) 01.08 Galvani 2021 21/ 46