APPLICAZIONI TIPICHE dei campi magnetici in INGEGNERIA BIOMEDICA:

1)Stimolazione magnetica transcraniale

2)RFID

3) Alimentazione di apparati impiantati senza collegamenti fisici

4) misura di flusso sanguigno con l'effetto Hall

5) SQUID

6) Stimolazione magnetica cardiaca

STIMOLAZIONE MAGNETICA TRANSCRANIALE ( TMS)

http://pni.unibe.ch/artwork/Brainweek.gif

IL CONDENSATORE C SI SCARICA DAL VALORE Q

o SULLA BOBINA DI INDUTTANZA L

E SU UNA RESISTENZA Rb

DERIVIAMO L'ESPRESSIONE RISPETTO AL TEMPO t

L'equazione algebrica associata e'

LC s2 + RC s + 1 = 0

ed ha come soluzioni

ESAMINIAMO IL SEGNO DELL'ESPRESSIONESOTTO RADICE

LE DUE SOLUZIONI SONO REALI e POSITIVESE LA RESISTENZA R ≥ 2 ( L/C )1/2

LA CORRENTE VALE

Con s1 e s

2 reali e negativi

(Determinante positivo ) (Determinante nullo )

IMPONGO LE CONDIZIONI INIZIALI

OTTENGO

CASO REALE : L'INDUZIONE MAGNETICA B E' PROPORZIONALE ALLA CORRENTE I NELLA BOBINA

msec

B

dB/dt

msec

msec

La f.e.m. indotta e' proporzionale a dB/dt

La densita' di corrente indotta e' proporzionale alla f.e.m, e la densita' di carica e' l'integrale della corrente

Walsh V & Cowey A. 2000. Transcranial magnetic stimulation and cognitive neuroscience. Nat Rev Neurosci 1:73–79.

Dove e' massima la densita' di corrente ?

Qual'e' il verso della corrente?

PER CALCOLARE LA DISTRIBUZIONE DI CORRENTE INDOTTA FACCIAMO QUESTA IPOTESI SEMPLIFICATIVA: INDUZIONE MAGNETICA B -COSTANTE ALL'INTERNO DELLA BOBINA -TRASCURABILE ( nulla ) AL DI FUORI

All'interno della bobina il flusso di B e' proporzionale all'area ( che vale πr2 )

All'esterno della bobina il flusso e' costante e pari a π a2(essendo a il raggio della bobina). Quindi la densita' di corrente indotta J diminuisce con r

J 2πr/σb

= - dB/dt πa2

da cui

J = - (σb a2 /2r ) dB/dt

Ilmoniemi RJ, et al. 1997. Neuroreport 8:3537–3540.

Bailey CJ, Karmu J, Ilmoniemi, RJ. 2001. Scand J Psych 42: 297–306.

STIMOLATORE CIRCOLARE E CON FORMA AD OTTO ( BUTTERFLY)

E

STORIA DELLA TMS

1771 Luigi Galvani : elettricita' animale

1853 Hermann von Helmholtz :misura della velocita' degli impulsi nervosi.

1896 Arsenne d'Arsonval, "phosphene , vertigine ed anche sincopi" per individui soggetti ad impulsi di campo magnetico

1959 Kolin, prima stimolazione magnetica nervosa

1965 Bickford & Fremming, prima stimolazione di nervi umani con campi magnetici sinusoidali

STORIA DELLA TMS Era Moderna

1985 Barker et al., stimolazione corticale con campi magnetici non-invasiva e indolore,

1984 David Cohen, 1988 Shoogo Ueno, idea e realizzazione di bobine ad “otto”

1987/88 Cadwell Laboratories Inc., stimolazione ripetitiva con bobine raffreddate ad acqua

dagli anni '90 ; sperimentazioni cliniche presso la Clinica Neurologica

dell'INRCA ad Ancona ( proff. Scarpino e Guidi )

�

Attenzione alla Sicurezza

• La potenza dissipata e' dell'ordine dei mWatt a 1 Hz contro 13 Watt che sono all'incirca la potenza dissipata nel cervello per metabolismo

• Gli apparati utilizzano condensatori caricati con tensioni fino a 4 kV e quindi richiedono un perfetto isolamento di questi apparati

• Pericoloso per pazienti con impianti ferromagnetici o con pacemakers per la presenza di un elevatissimo campo magnetico all'atto della scarica del condensatore

vedi http:/www.biomag.hus.fi/tms/safety/html

RFID

PRINCIPALI APPLICAZIONI IN CAMPO BIOMEDICO:

Tracciabilita' dei farmaci

portabilita' dei dati fisiologici del paziente

assegnazione oggetti personali a pazienti con defcit di memoria

certificato di sterilizzazione

inventario dei ferri in sala operatoria

i

B

F

L

EFFETTO HALLIn un conduttore percorso da corrente I in un campo di induzione magnetica B le cariche q subiscono una deviazione dovuta alla forza di Lorentz ,

F = q v x B

F = k i B

------

+++++

Le cariche accumulate creano un campo elettrico tale che la forza F

E compensi la forza magnetica

FE = q E = F

B = k i B

quindi la tensione ai capi del cristallo V= E L

e' proporzionale a B

( EFFETTO HALL )

Dalla misura di B e della tensione V (= E d ) si ottiene la velocita' v del sangue

Nel 1908 gli esperimenti dell’olandese Kammerlingh-Onnes sulla liquefazione dell’elio portarono ad indagare un gran numero di fenomeni nell’intervallo di temperature da 1 K a 14 K.

Superconduttori

. La temperatura alla quale si ha la transizione dalla stato “normale” a quello definito “superconduttore”, si indica con Tc e si chiama “Temperatura critica”

Nei metalli e nelle leghe Tc è normalmente nell’intervallo 1 – 18 K.

Un grande salto in avanti fu la scoperta nel 1986 da parte di due ricercatori dell’IBM diZurigo, J. G. Bednorz e K. A. Müller, della superconduttività i con Tc di circa 36 K. Per questo fu conferito loro il Nobel per la fisica nel 1987.

Conseguenza pratica della superconduttività è che una corrente, una volta iniettata in un superconduttore, a T<Tc, può continuare a circolare per anni, senza necessità di una d.d.p. esterna.

• APPLICAZIONItrasporto di corrente senza alcuna perdita di energia; • possibilità di far levitare mezzi di trasporto su campi magnetici (treni maglev). I giapponesi dispongono già di un treno sperimentale senza attrito che fluttua su rotaie magnetiche e ha raggiunto velocità superiori ai 500 Km/ora.

Magneti con campi fino a 25 Tesla che trovano applicazioni nel settore biomedicale(Risonanza magnetica nucleare) e nella ricerca fondamentale in fisica della materia e delle particelle.

.

.

SQUID

(Superconducting Quantum Interference Device)e' un sensore di campi magnetici così bassi da essere in grado di rilevare le debolissime correnti elettriche prodotte dai neuroni nel nostro cervello. Oltre che nel settore biomedicale gli squid trovano applicazioni ogni volta si voglia misurare un campo magnetico debolissimo.

Magnetoencelografia

Soglia di uno SQUID: 10-14 T

C.M.del cervello: 10-13 T

www.unich.it/itab

Magnetocardiografia

Soglia di uno SQUID: 10-14 T

Campo magnetico del cuore: 10-10 T

www.unich.it/itab

La Defibrillazione

La defibrillazione si basa sul fatto che il cuore risponde anche ad impulsi elettrici estrinseci: se durante una fibrillazione ventricolare viene rilasciata al torace una corrente adeguata, la maggioranza delle cellule ventricolari viene depolarizzata permettendo ad un pacemaker intrinseco di riprendere il controllo del cuore.

Può avvenire sia direttamente a torace aperto, che indirettamente attraverso le sue pareti ed ha lo scopo di arrestare la fibrillazione ventricolare e alcuni tipi di tachicardia ventricolare.

La StimolazioneNella stimolazione , diversamente dalla defibrillazione, in cui si rilascia

l’energia in modo asincrono rispetto al ciclo cardiaco, uno shock sincronizzato rilascia l’energia durante la depolarizzazione ventricolare.

E’ una terapia ambulatoriale per trattare certi tipi di aritmie, diverse dalla fibrillazione ventricolare.

La stimolazione cardiaca mediante impulsi di campo magneticoNon si induce uno shock elettrico al paziente

I tempi di preparazione del paziente sono pressochè azzeratiil paziente non deve essere spogliato al paziente non deve essere applicata nessuna sostanza conduttiva sulla cute basta appoggiare l’applicatore sul torace, nell’opportuna posizione

Per effettuare la stimolazione mediante impulsi di campo magnetico è necessario e sufficiente che su un piccolo spazio del cuore(unpiccolo insieme di cellule cardiache) arrivi un impulso di:5 mA/cm2 e di durata0,5 ms

Procedura sperimentale

Applicatori L [uH]

86.6

668

720

290

1. Spira Planare

2. Spira Rettangolare

3. Quadrifoglio

4. Farfalla Quadrata

Raggio = 12cmR filo= 1mmN= 20

distanza Posizione 1 Posizione 2

3cm 4,5 3,9

6cm 2,5 1,8

9cm 1,5 0,8

Valori Bmax [mT] misurati