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.

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1 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

2 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. BIOELECTROMAGNETISMO Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013

3 Carácter multidisciplinar del Bioelectromagnetismo Medicina Física Ingeniería Ingeniería Médica Electrónica Médica Bio-Ingeniería Biofísica Bio- Electromagnetismo Electrónica Biología Física Médica Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013

4 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

5 Longitud de onda Ultravioleta Rayos - X Rayos -  Energía Fotón Frecuencia I n f r a rrojo M i c r o ondas H F V H F M F U H F S H F E H F L F V L F V F Ondas de Radio Radiación Ionizante Frecuencias ELF 1 0 H z 1 0 0 H z 1 k H z 1 0 k H z 1 0 0 k H z 1 M H z 1 0 M H z 1 0 0 M H z 1 G H z 1 0 G H z 1 0 0 G H z 1 T H z 1 0 0 0 0 k m 1 0 0 0 k m 1 0 0 k m 1 0 k m 1 k m 1 0 0 m 1 0 m 1 m 1 0 c m 1 c m 1 m m 1 0 m  1 0 0 m  1 0 0 n m 1 0 n m 1 n m 1 p m 1 f m 1 0 0 p m 1 0 0 f m 1 0 p m 1 0 f m 1 m  1 e V 1 0 e V 1 0 0 e V 1 k e V 1 0 k e V 1 0 0 k e V 1 M e V 1 0 M e V 1 0 M e V V i s i b l e ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013

6 ¿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. Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013 Aplicaciones diagnosis médica Cuestiones de interés

7 Efectos biológicos y Efectos adversos Organización Mundial de la Salud (OMS) Un efecto biológico es una respuesta fisiológica medi- ble.. 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 XIII Semana de la Ciencia 2013

8 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 XIII Semana de la Ciencia 2013

9 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 XIII Semana de la Ciencia 2013

10 N: Potencia capaz de aumentar 1º C la tempe- ratura. 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 Criterio Térmico Internacional para protección para señales RF Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013

11 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 Restricciones Básicas sobre CEM Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013

12 PaísE(V/m)Densidad (  W/cm 2 ) FrecuenciaE(V/m)Densidad (  W/cm 2 ) Equipos característicos UE y España5000 41.25 58.33 100  T 450 900 50 Hz 900 MHZ 1800 MHz 90 58.33 2250 4500 Líneas AT Telefonía móvil Suiza5000 4 3 8.5 1  T 4 20 50 Hz 900 MHz Radio y TV Onda M y L Líneas AT Telefonía móvil Radio y TV Radio Italia5000 6 100  T 10 100 400 50 Hz 900 M R - TV 3MHz - 3 GHz 3GHz -300GHz Líneas AT Telefonía móvil Inalámbricos Microondas Rusia 3 100  T 2.4 50 Hz 900 MHz Líneas AT Telefonía móvil China 5 100  T 6.6 50 Hz 900 MHz Líneas AT Telefonía móvil Público en General Trabajadores Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013

13 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) Efectos de Campos Magnéticos Estáticos Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013

14 CantidadDensidad de flujo magnético (T) ICNIRP Ocupacional Publico en general Promediado en el tiempo Máximo en la cabeza y tronco Máximo en las extremidades Exposición continua 0,2* 2 5 - 0,04 * Exposición sobre todo el cuerpo promediado durante un día completo Restricciones Básicas sobre campos B estáticos Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013

15 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 Corrientes inducidas por un campo B de 60 Hz B B BB Mínimo Máximo Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013 Efectos de CEM variables con el tiempo (f < 10 MHz)

16 Líneas de Alto Voltaje (f<100 kHz) El campo eléctrico no penetra en el cuerpo humano, pero establece una carga en su superficie La exposición a campos magnéticos origina corrientes que circulan por el cuerpo humano A B Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013

17 Cambio de línea aérea de BT (20 kV) a subterránea. Líneas Eléctricas de Baja Tensión (Rural, 20 kV) Intensidad de campo magnético (microteslas) 5 m Compactación Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013

18 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 Efectos de CEM variables con el tiempo (f < 10 MHz) Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013

19 1 10 100 1000 10000 100000 Frecuencia, Hz Densidad de Corriente (mA m -2 ) Ocupacional Público General 1011k10k100k1M10M1000 Restricciones básicas sobre la densidad de corriente inducida 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 XIII Semana de la Ciencia 2013

20 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 XIII Semana de la Ciencia 2013 Efectos de CEM variables con el tiempo (f > 10 MHz)

21 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/cm 3. SAR Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013

22 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. SAR Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013

23 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 Principios de las restricciones básicas sobre el SAR Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013

24 Aplicación Restricciones Básicas Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013

25 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 Hipersensibilidad a los CEM Síntomas Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013

26 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 XIII Semana de la Ciencia 2013 Medidas experimentales para la determinación de CEM

27 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 XIII Semana de la Ciencia 2013

28 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 XIII Semana de la Ciencia 2013 Modelo comercial para BF

29 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 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. B Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013

30 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 XIII Semana de la Ciencia 2013

31 Estudios Experimentales: Fantomas Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013

32 FANTOMA: de la realidad virtual a la realidad física (Biomedical Modeling Inc., NY) Scan MRI o TC Reconstrucción 3D Modelo Sólido 3D Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013

33 Terminal telefónico Sondas E, H Fantoma SISTEMA EXPERIMENTAL DE MEDIDA DE CAMPOS LOCALES Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013

34 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 XIII Semana de la Ciencia 2013

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37 Rouleaux de eritrocitos Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013

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39 Pérdida de la biconcavidad o de la simetría Discocito bicóncavo Estomatocitos Discocito no simétrico Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013

40 Aparecen espículas o protusiones convexas Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013

41 Control de gemación y fisión de levaduras por espectroscopía dieléctrica Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013

42 Estudios Experimentales a nivel Microscópico Irradiación de Cultivos celulares Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013

43 Electrodo - Electrodo + Electrodo - 20 V E = 10 7 V/m d = 100 µm Caracterización eléctrica de células por Dielectroforesis y Electrorotación Campos Electromagnéticos XIII Semana de la Ciencia 2013

44 FIN