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Efectos y aplicaciones terapéuticas de
los campos electromagnéticos
XIII Semana de la Ciencia 2013
Profs. J.L. Sebastián, S. Muñoz , M . Sancho
y Dr. A. Martín (CSIC)
Dpto. Física Aplicada III Facultad de Físicas
BIOELECTROMAGNETISMO
Bioelectromagnetismo: disciplina que estudia los fenómenos
eléctricos, magnéticos y electromagnéticos que aparecen en
los tejidos biológicos
• fuentes
• respuesta de células excitables a estímulos eléctricos y magnéticos
• propiedades intrínsecas tanto eléctricas como magnéticas de un
tejido.
Campos Electromagnéticos
XIII Semana de la Ciencia 2013
Carácter multidisciplinar del Bioelectromagnetismo
Medicina
Ingeniería
Médica
Biología
Electrónica
Electrónica
Médica
Física Médica
BioElectromagnetismo
Física
Biofísica
Ingeniería
Campos Electromagnéticos
Bio-Ingeniería
XIII Semana de la Ciencia 2013
• El interés por el Bioelectromagnetismo surge a partir de 1950
• La proliferación de dispositivos que utilizan o generan CEM
una preocupación cada vez mayor sobre:
- la seguridad
- el peligro de su utilización
• El interés se centra en dos intervalos de frecuencias:
• 50 – 60 Hz (Líneas de alta tensión)
• RF y Microondas (Telefonía móvil)
Campos Electromagnéticos
XIII Semana de la Ciencia 2013
ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
10 MeV
10 MeV
1 MeV
100 keV
10 keV
1 keV
100 eV
10 eV
1 eV
1 THz
100 GHz
10 GHz
1 GHz
100 MHz
10 MHz
1 MHz
100 kHz
10 kHz
1 kHz
100 Hz
10 Hz
Rayos - g
Rayos - X
Ultravioleta
Visible
Infrarrojo
Radiación Ionizante
EHF
Microondas SHF
UHF
VHF
HF
MF
LF
VF
VLF
Frecuencias
ELF
1 fm
10 fm
100 fm
1 pm
10 pm
100 pm
1 nm
10 nm
100 nm
Longitud de onda
1 mm
10 mm
100 mm
1 mm
1 cm
10 cm
1m
10 m
100 m
1 km
10 km
100 km
1000 km
10000 km
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Campos Electromagnéticos
Energía Fotón
Frecuencia
Ondas de Radio
Cuestiones de interés
¿Son peligrosos para la salud los campos electromagnéticos?
¿Podemos utilizar los campos electromagnéticos para mejorar
nuestra salud?
• Difícil contestación
• Solo se puede contestar teniendo en cuenta la evidencia actual
• Se puede modificar la contestación en un futuro cercano
• Distintas organizaciones, gubernamentales y privadas, han establecido:
• estándares de seguridad sobre exposición a CEM
• normas para una exposición segura.
• Aplicaciones diagnosis médica
Campos Electromagnéticos
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Efectos biológicos y Efectos adversos
Organización Mundial de la Salud (OMS)
• Un efecto biológico es una respuesta fisiológica medible .. a la exposición a CEM…. No necesariamente debe
ser considerado como peligroso.
• Un efecto adverso a la salud es un efecto biológico
fuera del rango normal de compensación fisiológica del
cuerpo y que va en detrimento de la salud o bienestar
Campos Electromagnéticos
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Radiacion Ionizante pero NO CEMs
• El riesgo de un efecto aumenta con una dosis creciente, pero
existe riesgo a todos los niveles de dosis
• Los límites se establecen en base a un nivel aceptable de
riesgo
CEMs y Radiación ionizante
• Los efectos ocurren por encima de un nivel de exposición, que
puede variar de una persona a otra
• Los límites se establecen al valor más bajo dentro del rango de
valores umbrales para prevenir efectos
Campos Electromagnéticos
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• Países orientales
• la respuesta del sistema nervioso central
• comportamiento como respuesta atribuido a la exposición a
CEM en animales
• Países occidentales
• en el efecto térmico que se produciría en personas expuesta
a CEM
• Los estándares de seguridad tienen que modificarse y revisarse
• mayores datos sobre los efectos de CEM en el cuerpo humano
• nuevos experimentos y técnicas
Campos Electromagnéticos
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Criterio Térmico Internacional para protección
para señales RF
N: Potencia capaz de
aumentar 1º C la temperatura.
Efecto nocivo
Factor
de
seguridad:
Establecido por ICNIRP 50
veces inferior al límite térmico
N. Garantiza la seguridad
frente a efectos térmicos de la
exposición del público a
campos electromagnéticos
Campos Electromagnéticos
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Restricciones Básicas sobre CEM
• Cubren la exposición a CEMs desde campos E & H estáticos al
limite inferior al infrarojo, 300 GHz
• Relacionan la exposición de la gente, NO las emisiones desde las
fuentes
• Se aplican tanto a trabajadores como publico en general
• NO se aplican a pacientes expuestos para diagnósis médica o por
razones de tratamiento.
• NO cubren la interferencia eléctrica o el calentameitno de
implantes médicos
• Establece un marco de protección basado en restricciones básicas
y en niveles de referencia
Campos Electromagnéticos
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Público en General
País
E(V/m)
UE y España
5000
41.25
58.33
100 mT
450
900
50 Hz
900 MHZ
1800 MHz
5000
4
3
8.5
1 mT
4
20
50 Hz
900 MHz
Radio y TV
Onda M y L
Líneas AT
Telefonía móvil
Radio y TV
Radio
5000
6
100 mT
10
100
400
50 Hz
900 M R - TV
3MHz - 3 GHz
3GHz -300GHz
Líneas AT
Telefonía móvil
Inalámbricos
Microondas
3
100 mT
2.4
50 Hz
900 MHz
Líneas AT
Telefonía móvil
5
100 mT
6.6
50 Hz
900 MHz
Líneas AT
Telefonía móvil
Suiza
Italia
Rusia
China
Campos Electromagnéticos
Densidad
(mW/cm2)
Trabajadores
Frecuencia
E(V/m)
90
58.33
Densidad
(mW/cm2)
Equipos
característicos
2250
4500
Líneas AT
Telefonía móvil
Telefonía móvil
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Efectos de Campos Magnéticos Estáticos
• Efectos Adversos en la Salud
•
•
•
•
•
Nauseas
Vertigo
Arritmia cardiaca
Función mental descoordinada
Otros efectos sensoriales al mover la cabeza en un gradiente de campo
• Se establecen restricciones básicas sobre la densidad de flujo
magnético
• Cuando, B > 3 mT
• Hay que tomar precauciones para prevenir riesgos debidos al movimiento
de objetos ferromagnéticos ( efectos indirectos)
Campos Electromagnéticos
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Restricciones Básicas sobre campos B estáticos
Cantidad
Promediado en el tiempo
Máximo en la cabeza y
tronco
Máximo en las
extremidades
Exposición continua
Densidad de flujo magnético (T)
ICNIRP
Ocupacional
Publico en
general
0,2*
-
2
-
5
-
-
0,04
* Exposición sobre todo el cuerpo promediado durante un día completo
Campos Electromagnéticos
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Efectos de CEM variables con el tiempo (f < 10 MHz)
Frecuencias inferiores a 100 kHz
• Actualmente no hay suficiente información
sobre los posibles mecanismos de acción
biológica para poder explicar satisfactoriamente
supuestos efectos nocivos de CEM débiles y
frecuencias bajas
B
B
B
B
Corrientes inducidas por un campo B de 60 Hz
Mínimo
Máximo
Campos Electromagnéticos
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Líneas de Alto Voltaje (f<100 kHz)
A
El campo eléctrico no penetra en el
cuerpo humano, pero establece una
carga en su superficie
B
La
exposición
a
campos
magnéticos origina corrientes
que circulan por el cuerpo
humano
Campos Electromagnéticos
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Intensidad de campo magnético (microteslas)
Líneas Eléctricas de Baja Tensión (Rural, 20 kV)
5m
Campos Electromagnéticos
Compactación
Cambio de línea aérea de BT (20 kV) a subterránea.
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Efectos de CEM variables con el tiempo (f < 10 MHz)
• Efectos adversos sobre funciones del sistema nervioso central (SNC)
•
•
•
•
•
Control del movimiento
Control de la postura
Memoria
Razonamiento
Procesos Visuales
• Magnetofosfenos
• Estimulacion directa de nervios y musculos (exposición a valores muy
altos)
• Se establecen restricciones básicas en los valores eficaces de
densidades de corrientes inducidas en tejidos del SNC
Campos Electromagnéticos
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Restricciones básicas sobre
la densidad de corriente inducida
Densidad de Corriente (mA m-2)
100000
10000
Ocupacional
1000
100
Público General
10
1
0
1
10
100
1k
10k
100k
1M
10M
Frecuencia, Hz
• Las restricciones básicas siguen la dependencia con la frecuencia de las respuestas
biológicas
• Los efectos son instantáneos y no se puede hacer un promediado en el tiempo
Campos Electromagnéticos
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Efectos de CEM variables con el tiempo (f > 10 MHz)
• Efectos adversos de la absorción de energía
• Stress por calor (~38ºC)
– Dolor de cabeza, somnolencia, sed
• Disminucion en el número de espermatozoides (temporal)
• Defectos en el desarrollo
• Reducción en la capacidad cognitiva
• Golpe de calor (~41ºC)
– Convulsiones, perdida de conciencia, daños en órganos, muerte
• Se establecen restricciones básicas sobre:
• SAR (frecuencias por debajo de 10 GHz)
• Densidad de potencia (frecuencias por encima de 10 GHz)
Campos Electromagnéticos
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SAR
• El término SAR lo sugirió el National Council on Radiation
Protection and Measurement
• SAR (Tasa de Absorción Específica): densidad de energía
absorbida, por unidad de tiempo y por unidad de masa.
• Los datos dosimétricos se presentan en términos de la tasa
(razón) de absorción específica (SAR) en W/Kg, considerando
que la densidad media del tejido es de 1 g/cm3.
Campos Electromagnéticos
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SAR
• Se distingue entre SAR LOCAL o DISTRIBUCION DE SAR de
SAR promediado sobre todo el cuerpo.
• El SAR promedio se define como la razón de cambio temporal
de la energía total transferida a la absorbida, dividida por la
masa total del cuerpo.
Campos Electromagnéticos
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Principios de las restricciones básicas sobre el SAR
• Restringir el SAR de cuerpo completo para evitar el stress por
calor y el golpe de calor debido a un calentamiento generalizado
• Un SAR promediado sobre cuerpo completo de 4 W kg–1 produce un
incremento de 1°C en la temperature del cuerpo.
• Restringir el SAR localizado para evitar daños en tejidos
• Daño ocular, daños en el feto, etc
• Restringir la densidad de potencia más que el SAR para
frecuencias superiores a 10 GHz
• Calentamiento está confinado a la piel y en otros tejidos superficiales.
• Promediasr las exposiciones sobre un periodo de tiempo
• El incremento de temperatjura debido a la absorción de energía no es
instantáneo
Campos Electromagnéticos
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Aplicación Restricciones Básicas
Densidad de
potencia
SAR
Densidad de
corriente
Campo B
estático
0
1
100k
10M
10G
300G
Frecuencia, Hz
Campos Electromagnéticos
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Hipersensibilidad a los CEM
Síntomas
• En el sistema nervioso (p.ej. Alteraciones del sueño, fatiga,
stress
• En la piel (escozor, sensación de quemadura, sarpullidos..)
• En el cuerpo (dolores y malestar en los músculos..)
• En los ojos (sensación de quemadura..)
• Varios síntomas menos comunes que incluyen problemas en los
oídos, nariz y garganta, así como desórdenes digestivos.
• Los síntomas que presentan los individuos hipersensibles son
reales
Campos Electromagnéticos
XIII Semana de la Ciencia 2013
Medidas experimentales para la
determinación de CEM
• Las tres medidas electromagnéticas fundamentales son:
• Determinación de E
• Determinación de H
• Cálculo de SAR
Medidas de campo Eléctrico (E)
Los dispositivos para medir un campo eléctrico consisten en:
- Una pequeña antena (o cualquier otro dispositivo sensible a E)
- Un detector que convierte la señal a una forma que se puede
indicar como una lectura en una escala.
Campos Electromagnéticos
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Medidas de campo electrico (E): Dipolo
- a) Formado por dos hilos muy cortos
- b) Dos tiras muy delgadas de metal en un circuito impreso
- c) Con forma de pajarita para mejorar la anchura de banda del dipolo
Diagrama de radiación
Campos Electromagnéticos
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Modelo comercial para BF
Wide Frequency Response 10 kHz – 1 GHz
For Use with the HI-4460 and HI-4416 Readout, HI-4413P RS232 Fiber Optic
Interface
Dynamic Range 1 – 300 V/m
Settable Ranges Auto, 10, 30, 100, 300 V/m Full Scale
Frequency Range 10kHz – 1GHz (2GHz)
Frequency Response *** ± 0.5 dB (10kHz – 250MHz)
± 1.0 dB (250MHz – 1GHz)
Response Time 40msec (Bus Request-to-Bus Receipt Communication Time)
Probe Processing Time 26msec (within Response Time specification)
Bus Sample Rate 1 – 26 Samples per Second
Data Conversion Rate 2000 Samples per Second (A/D Converter Processing Rate)
Linearity ± 0.5 dB Full Scale
Isotropic Deviation ± 0.5 dB
Accuracy ± 0.5 dB at Calibration Frequencies
Overload Withstand 1000 V/m, All Ranges
Operating Time 40 Hours
Environmental Range 10°C to 40°C
Campos Electromagnéticos
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Medidas de campo Magnético (H)
Los dispositivos para medir un campo B consisten en:
- Una pequeña antena (o cualquier otro dispositivo sensible a B)
- Un detector que convierte la señal a una forma que se puede
indicar como una lectura en una escala.
La antena es un loop sensible solo a la componente normal del
campo B al plano del loop
B
Un campo B variable con el tiempo induce un voltaje en el loop que
es proporcional al área del loop y a la rapidez (frecuencia) con que
varía el campo B.
Campos Electromagnéticos
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A bajas frecuencias, el loop debe ser bastante grande para que sea
sensible a campos B débiles.
Al igual que en el caso del campo E, hay un compromiso para hacer el
loop lo suficientemente grande para mejorar la sensibilidad y al mismo
tiempo no perturbar el campo B que queremos medir.
Distintas formas de construir una
sonda de campo B
Campos Electromagnéticos
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Estudios Experimentales: Fantomas
Campos Electromagnéticos
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FANTOMA: de la realidad virtual a la realidad física
Scan MRI o TC
Modelo Sólido 3D
Reconstrucción 3D
Campos Electromagnéticos
(Biomedical Modeling Inc., NY)
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SISTEMA EXPERIMENTAL DE MEDIDA DE CAMPOS LOCALES
Fantoma
Sondas
E, H
Terminal telefónico
Campos Electromagnéticos
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Líneas de Investigación Actuales
en la Facultad de Físicas
• Alteraciones morfológicas de células expuestas a campos EM
• “Rouleau” de eritrocitos por la acción de los CEM
• Control de gemación y fisión de levaduras por espectroscopia
dieléctrica
• Caracterización eléctrica de células por métodos no invasivos
(dielectroforesis y electrorotación)
Campos Electromagnéticos
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Campos Electromagnéticos
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Campos Electromagnéticos
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Rouleaux de eritrocitos
Campos Electromagnéticos
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Campos Electromagnéticos
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Pérdida de la biconcavidad o de la simetría
Estomatocitos
Discocito bicóncavo
Discocito no simétrico
Campos Electromagnéticos
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Aparecen espículas o protusiones convexas
Campos Electromagnéticos
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Control de gemación y fisión de levaduras por
espectroscopía dieléctrica
Campos Electromagnéticos
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Estudios Experimentales a nivel Microscópico
Irradiación de Cultivos celulares
Campos Electromagnéticos
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Caracterización eléctrica de células por
Dielectroforesis y Electrorotación
Electrodo +
20 V
Electrodo Electrodo Electrodo +
E = 107 V/m
d = 100 µm
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FIN