UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI ROMA TOR VERGATA ... - statistiche
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UNIVERSITA’ <strong>DEGLI</strong> <strong>STU<strong>DI</strong></strong> <strong>DI</strong> <strong>ROMA</strong> <strong>TOR</strong> <strong>VERGATA</strong><br />
FACOLTA’ <strong>DI</strong> SCIENZE MATEMATICHE, FISICHE, NATURALI<br />
TESI <strong>DI</strong> LAUREA MAGISTRALE IN FISICA<br />
<strong>STU<strong>DI</strong></strong>O <strong>DI</strong> POSSIBILI EFFETTI MUTAGENI INDOTTI<br />
DA CAMPI ELETT<strong>ROMA</strong>GNETICI A RF (915 MHz)<br />
SU CELLULE <strong>DI</strong> APICI RA<strong>DI</strong>CALI <strong>DI</strong> VICIA FABA<br />
RELA<strong>TOR</strong>I<br />
Prof. Giovanni CARBONI<br />
CAN<strong>DI</strong>DATO<br />
Roberto PETRILLO<br />
Prof. Marco RIZZONI<br />
Anno Accademico 2009-2010
SOMMARIO<br />
1 INTRODUZIONE .............................................................................................................. 7<br />
2 LE RA<strong>DI</strong>AZIONI NON IONIZZANTI, SORGENTI NATURALI ED ARTIFICIALI . 12<br />
2.1 La radiazione elettromagnetica ................................................................................. 12<br />
2.1.1 Radiazioni ionizzanti ........................................................................................ 14<br />
2.1.2 Radiazioni non ionizzanti RNI ......................................................................... 15<br />
2.2 Sorgenti naturali di RNI ............................................................................................ 16<br />
2.3 Sorgenti artificiali di RNI a bassa frequenza ........................................................... 17<br />
2.4 Sorgenti artificiali di RNI ad alta frequenza ............................................................. 18<br />
2.4.1 Stazioni Radio e TV .......................................................................................... 18<br />
2.4.2 Radar ................................................................................................................. 20<br />
2.4.3 Dispositivi Wireless .......................................................................................... 20<br />
2.4.4 Dispositivi Bluetooth ........................................................................................ 22<br />
2.4.5 DECT ................................................................................................................ 22<br />
2.5 Telefonia mobile ....................................................................................................... 22<br />
2.5.1 Funzionamento della rete cellulare ................................................................... 24<br />
2.5.2 Evoluzione della tecnologia .............................................................................. 25<br />
2.6 Esposizione alle radiazioni e.m. emesse dai sistemi di telefonia mobile ................. 27<br />
2.6.1 Potenza di trasmissione dei telefoni cellulari.................................................... 27<br />
2.6.2 Caratteristiche del campo irradiato dalle antenne dei telefonini ....................... 29<br />
2.6.3 Esposizione alla radiazione emessa da un telefono cellulare (SAR) ................ 31<br />
2.6.4 Esposizione alla radiazione emessa dalle Stazioni Radio Base ........................ 33<br />
3 MECCANISMI <strong>DI</strong> INTERAZIONE DEI CAMPI E.M. CON I SOGGETTI BIOLOGICI<br />
ESPOSTI ................................................................................................................................... 36<br />
3.1 Interazione dei campi e.m. con la materia ................................................................ 36<br />
3.2 Interazione della radiazione e.m. con un corpo macroscopico ................................. 42<br />
3.3 Assorbimento della radiazione e.m. – Spessore di penetrazione ............................. 45<br />
3.4 Proprietà elettriche dei tessuti biologici .................................................................... 48<br />
3.5 Tasso di Assorbimento Specifico SAR ..................................................................... 49<br />
3.5.1 Misura della SAR .............................................................................................. 51
4 EFFETTI BIOLOGICI DEI CAMPI E.M. ....................................................................... 53<br />
4.1 Effetto biologico ed effetto sanitario ........................................................................ 53<br />
4.2 Effetti deterministici ed effetti stocastici.................................................................. 54<br />
4.3 Frequenza delle RNI ed effetti biologici .................................................................. 54<br />
4.4 Effetti biologici dei campi e.m a bassa frequenza .................................................... 55<br />
4.5 Effetti biologici dei campi ad alta frequenza............................................................ 57<br />
4.5.1 Effetti termici ................................................................................................... 57<br />
4.5.2 Effetti atermici (effetti a lungo termine) .......................................................... 59<br />
4.6 Altri effetti delle radiazioni e.m. .............................................................................. 63<br />
4.6.1 Potenziale di ionizzazione dei campi RF ......................................................... 63<br />
4.6.2 Struttura a collana di perle ................................................................................ 63<br />
4.6.3 Fenomeno uditivo da microonde ...................................................................... 63<br />
4.7 Studi a livello cellulare ............................................................................................. 64<br />
4.7.1 Studi sperimentali di effetti a livello cellulare delle radiazioni RF .................. 64<br />
4.7.2 Mutagenesi ....................................................................................................... 66<br />
4.7.3 Studi sperimentali su effetti genotossici ........................................................... 66<br />
4.7.4 Test dei micronuclei ......................................................................................... 68<br />
4.7.5 Scelta del sistema biologico ............................................................................. 69<br />
5 ESPERIMENTO .............................................................................................................. 71<br />
5.1 Apparati sperimentali per l’esposizione alle RF – camera anecoica ........................ 71<br />
5.2 Cella TEM – caratteristiche generali ........................................................................ 72<br />
5.3 Caratteristiche e taratura della cella TEM utilizzata per l’esperimento ................... 75<br />
5.3.1 Alimentazione della cella TEM ........................................................................ 76<br />
5.3.2 Taratura del wattmetro ..................................................................................... 78<br />
5.4 Procedura sperimentale ............................................................................................ 81<br />
5.4.1 Preparazione del sistema biologico e germinazione ......................................... 81<br />
5.4.2 Esposizione alla radiazione RF ........................................................................ 82<br />
5.4.3 Fissaggio, colorazione e allestimento dei vetrini ............................................. 85<br />
5.5 Osservazione dei vetrini ........................................................................................... 87<br />
5.5.1 Il metodo di osservazione ................................................................................. 87<br />
5.5.2 I vetrini osservati – controllo negativo e controllo positivo ............................. 90<br />
5.6 Secondo conteggio ................................................................................................... 91<br />
5.7 Misura della SAR ..................................................................................................... 92<br />
6 RISULTATI E <strong>DI</strong>SCUSSIONI ........................................................................................ 96<br />
4
6.1 Risultati ed analisi dati del primo conteggio............................................................. 96<br />
6.2 Risultati ed analisi dopo il secondo conteggio .......................................................... 99<br />
6.3 Discussione dei risultati e conclusioni .................................................................... 101<br />
APPEN<strong>DI</strong>CE .......................................................................................................................... 103<br />
A1 Campo irradiato dalle antenne – Campo vicino e campo lontano ............................... 104<br />
A2 Richiami di biologia ...................................................................................................... 107<br />
A2.1 Struttura cellulare degli organismi ......................................................................... 107<br />
A2.2 DNA e Cromosomi ............................................................................................... 108<br />
A2.3 Mitosi .................................................................................................................... 109<br />
A2.3.1 Profase ................................................................................................................ 110<br />
A2.3.2 Metafase ............................................................................................................. 111<br />
A2.3.3 Anafase .............................................................................................................. 111<br />
A2.3.4 Telofase .............................................................................................................. 112<br />
A3 Sintesi dei risultati di ricerche sugli effetti biologici delle RNI ................................... 113<br />
A3.1 Studio di danni al DNA indotti da RF usando il metodo elettroforesi a singola cella<br />
........................................................................................................................................ 113<br />
A3.2 Indagini citogenetiche sulla genotossicità delle RF .............................................. 113<br />
A3.3 Studi sulla genotossicità delle RF su animali vivi ................................................ 115<br />
A4 Limiti di esposizione alle RNI ..................................................................................... 117<br />
A4.1 ICNIRP ................................................................................................................. 117<br />
A4.1.1 Restrizioni di base .............................................................................................. 118<br />
A4.1.2 Livelli di riferimento .......................................................................................... 121<br />
A4.2 Normativa Italiana sui limiti di esposizione alle RNI ........................................... 122<br />
A5 Test statistici di significatività ..................................................................................... 125<br />
A5.1 Test di ipotesi sulla differenza tra due medie - Test t-student ............................... 127<br />
A6 Risultati dettagliati dell’esperimento ........................................................................... 129<br />
A6.1 Risultati del primo conteggio ................................................................................. 129<br />
A6.2 Risultati dopo il secondo conteggio ...................................................................... 131<br />
BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................ 133<br />
5
1 INTRODUZIONE<br />
Le radiazioni non ionizzanti (RNI) sono onde elettromagnetiche che si propagano nel vuoto o<br />
nei mezzi materiali, e che, a differenza delle radiazioni ionizzanti (RI), non hanno energia<br />
sufficiente per ionizzare atomi o molecole. Le caratteristiche delle RNI sono molto diverse a<br />
seconda della frequenza dell’onda e.m., così come sono diverse le sorgenti. Vengono<br />
normalmente inclusi nelle RNI anche i campi elettrici e magnetici statitici, o quelli a<br />
bassissima frequenza, sebbene essi non siano a rigore campi di radiazione.<br />
Oggi l’ambiente è pervaso da segnali elettromagnetici propagati dai più diversi apparecchi, al<br />
punto che si parla apertamente di inquinamento elettromagnetico (elettrosmog). In realtà i<br />
campi elettromagnetici di origine naturale sono stati sempre presenti nella storia dell’uomo, e<br />
nella storia della vita sulla terra in generale. Sono campi e.m. la luce proveniente dalle stelle<br />
(e in particolare dal sole), e la radiazione infrarossa proveniente dagli oggetti caldi 1 ; sono<br />
fonte di radiazione e.m. i fulmini ed altri fenomeni atmosferici (es. aurore boreali); l’intero<br />
pianeta terra si comporta come un’enorme calamita, generando un campo magnetico statico<br />
tra i due poli.<br />
La vita sulla terra è nata e si è sviluppata in presenza di questi campi, i quali in realtà hanno<br />
avuto ed hanno un ruolo essenziale nei processi biologici (basta pensare alla fotosintesi).<br />
A questi campi di origine naturale si sono aggiunti nel recente passato quelli creati dall’uomo;<br />
le linee e le apparecchiature elettriche emettono (seppur non intenzionalmente) campi elettrici<br />
e magnetici a bassa frequenza (50Hz in Europa, 60 Hz in America); le stazioni di trasmissione<br />
radio televisive emettono intenzionalmente campi e.m. ad alta frequenza; tali radiazioni<br />
operano con intensità e frequenze diverse da quelle naturali, e costituiscono una novità per i<br />
soggetti biologici che vi si trovano ad essere esposti.<br />
In particolare la recente diffusione dei telefoni cellulari e di dispositivi wireless ha<br />
incrementato e avvicinato alle persone le sorgenti di onde radio, aumentando di conseguenza<br />
il livello di esposizione ai campi elettromagnetici; questo ha creato una crescente<br />
preoccupazione sui possibili effetti negativi alla salute, ed in particolare il timore che i campi<br />
e.m. possano essere causa dell’insorgenza di tumori, specialmente nei bambini. Il principio<br />
precauzionale ha portato i diversi stati a emanare leggi e norme atte a limitare l’esposizione ai<br />
campi elettromagnetici.<br />
1 In realtà qualsiasi oggetto a temperatura superiore allo zero assoluto emette radiazione e.m., ad una<br />
frequenza proporzionale alla temperatura dell’oggetto; i corpi a temperatura ambiente emettono nella<br />
regione dell’infrarosso.<br />
7
La materia resta comunque controversa, e molto ancora si discute sui quelli che dovrebbero<br />
essere i valori limite dei campi elettromagnetici, da imporre nei diversi ambienti frequentati<br />
dagli esseri umani.<br />
La ricerca scientifica ha cercato di dare delle risposte a queste preoccupazioni attraverso studi<br />
di tipo sperimentale (in vitro ed in vivo), e di tipo statistico (studi epidemiologici). Mentre per<br />
gli effetti acuti e a breve termine i fenomeni sono ormai chiari (le onde e.m. particolarmente<br />
intense scaldano, e al limite cuociono, i tessuti biologici, come in un forno a microonde), per<br />
gli effetti dovuti ai campi e.m. di bassa intensità e prolungata esposizione gli studi hanno<br />
fornito risultati contraddittori.<br />
Gli studi epidemiologici, in base a dati statistici, hanno cercato di stabilire una correlazione<br />
tra esposizione ai campi e insorgenza di malattie; in particolare gli studi epidemiologici sulle<br />
leucemie infantili per soggetti che vivono in prossimità di linee elettriche hanno portato lo<br />
IARC (Agenzia Internazionale per la Ricerca sul Cancro) a classificare come “possibili<br />
cancerogeni” 2 i campi magnetici a bassa frequenza (campi ELF 0-300Hz).<br />
Anche per i campi ad alta frequenza sono stati svolti studi epidemiologici; in particolare lo<br />
IARC ha promosso un importante studio internazionale (Studio INTERPHONE)<br />
sull’insorgenza di tumori cerebrali ed uso del telefonino cellulare, i cui risultati sembrano<br />
escludere una correlazione tra i due (per alcuni casi le analisi dei dati indicano che l’uso del<br />
cellulare diminuisce il rischio di malattia).<br />
In realtà questa tipologia di studi presenta diversi punti deboli. In primo luogo vi è la<br />
difficoltà a stabilire con la dovuta precisione la dose effettivamente assorbita dai soggetti<br />
esposti. Nel caso dello studio Interphone l’esposizione è stata determinata tramite domande ai<br />
2 Lo IARC classifica gli agenti cancerogeni nei seguenti gruppi:<br />
gruppo 1 cancerogeni per l’uomo: agenti con evidenza sufficiente di cancerogenità per l’uomo e con<br />
qualsiasi livello di evidenza per gli animali<br />
gruppo 2A: probabile cancerogeno: agenti con limitata evidenza di cancerogenità per l’uomo e con<br />
evidenza sufficiente per gli animali<br />
gruppo 2B: possibile cancerogeno: agenti con limitata evidenza di cancerogenità per l’uomo e<br />
assenza di evidenze sufficienti per gli animali<br />
gruppo 3 non classificabile: agenti con evidenza limitata, inadeguata o assente per gli animali e con<br />
evidenze inadeguate o assenti per l’uomo<br />
gruppo 4 probabile non cancerogeno: evidenza di assenza di effetti cancerogeni per l’uomo<br />
Lo IARC classifica nel gruppo 3 i campi elettici e magnetici statici ed i campi elettrici ELF<br />
8
soggetti esposti circa il loro abituale utilizzo del cellulare negli anni passati, con le<br />
conseguenti incertezze derivanti dalla memoria umana e dai condizionamenti psicologici.<br />
Negli studi epidemiologici inoltre risulta spesso abbastanza difficile stabilire una separazione<br />
netta tra soggetti esposti, e soggetti non esposti, per poter fare un confronto dei dati,<br />
considerato che ormai tutti sono esposti ai campi e.m. presenti nell’ambiente.<br />
Un campo di ricerca ulteriormente complicato degli studi epidemiologici sono le indagini<br />
volte ad accertare possibili effetti combinati di più cause tossiche concorrenti insieme a quella<br />
dei campi e.m.; l’ipotesi da verificare (non escludibile a priori) è che una data radiazione em<br />
possa essere innocua se agente da sola, ma possa innescare effetti biologici dannosi in<br />
presenza di altri agenti chimici o fisici; allo stato attuale, non esistono evidenze per questa<br />
tipologia di rischio.<br />
Gli studi sperimentali consistono nell’osservazione di eventuali effetti biologici su soggetti<br />
esposti in condizioni controllate. Essi comprendono studi in vitro (ovvero su campioni<br />
biologici isolati) e studi in vivo (su soggetti macroscopici vivi).<br />
Gli studi in vitro sono generalmente più semplici, più economici e non comportano l'uso di<br />
animali. D'altra parte, l'uso di un animale vivo consente di verificare il destino di una<br />
molecola in un organismo complesso, in cui organi e sistemi funzionano insieme e non in<br />
modo separato come negli organi isolati. Negli studi in vivo i risultati saranno pertanto molto<br />
più rispondenti a quello che si verifica in un organismo umano. Attualmente quindi i metodi<br />
in vitro e in vivo sono approcci complementari che non possono essere utilizzati in<br />
alternativa.<br />
Anche gli studi sperimentali, come quelli epidemiologici, presentano una serie di difficoltà, e<br />
vanno svolti con le dovute cautele per poter trarre conclusioni di carattere generale. Vi sono<br />
diversi punti critici da analizzare per arrivare a definire una corretta valutazione del rischio<br />
per la salute. In primo luogo vi è da mettere in conto l’estrema complessità della macchina<br />
biologica, dei delicati meccanismi biochimici con la quale funziona, e delle naturali difese che<br />
ogni organismo adotta contro gli agenti esterni, in grado di riparare possibili danni. Va inoltre<br />
distinta e valutata la differenza tra effetto biologico ed effetto sanitario; l’abbronzatura è un<br />
effetto biologico dell’esposizione all radiazione solare, ma questo non comporta<br />
necessariamente effetti sanitari, a meno che la dose assorbita non superi certi livelli, per i<br />
quali aumenta il rischio di ustioni (effetto acuto a breve termine) e tumori della pelle (effetto a<br />
lungo termine).<br />
In secondo luogo vi è la difficoltà a valutare correttamente gli effettivi livelli e tempi di<br />
esposizione ai campi e.m., e la loro particolare interazione con i diversi soggetti biologici<br />
9
esposti. Tali considerazioni sono essenziali per poter poi stabilire una correlazione tra i<br />
risultati sperimentali e le reali condizioni ambientali (e quindi tra causa ed effetto); questo<br />
problema va generalmente sotto il nome di dosimetria, ovvero delle dosi effettivamente<br />
assorbite e determinanti per causare significativi effetti biologici. Anche le grandezze fisiche<br />
coinvolte sono diverse (campo elettrico, campo magnetico, densità di potenza, correnti<br />
indotte, energia assorbita, ..), ed è importante individuare quelle che siano maggiormente<br />
significative per gli eventuali effetti biologici. Molto dipende anche dalla diversa natura delle<br />
onde e.m. (legate principalmente alla frequenza). Per i campi ad alta frequenza è opinione<br />
ormai condivisa che la grandezza maggiormente rilevante per valutare gli effetti biologici<br />
delle radiazioni e.m. sia la SAR (Specific Absorbition Rate), ovvero la potenza specifica<br />
assorbita per unità di massa. Il valore della SAR dipende dal valore dei campi all’interno del<br />
soggetto esposto, e non da quello della radiazione incidente dall’esterno; l’intensità dei due<br />
campi (esterno e interno) può essere sensibilmente diversa; il campo interno infatti dipende<br />
fortemente dalle modalità di accoppiamento, e quindi da forma e dimensioni del soggetto<br />
esposto; adulti, bambini, cavie animali, per le loro diverse dimensioni fisiche, interagiscono in<br />
modo diverso con i campi e.m., e possono subire pertanto effetti diversi; un topo esposto ad<br />
una radiazione e.m. a 2450 MHz, per fenomeni di risonanza, assorbe una SAR circa dieci<br />
volte superiore a quella assorbita da un uomo nelle stesse condizioni di esposizione.<br />
Negli anni sono stati pubblicati numerosi lavori di studi sperimentali. Sono state prese in<br />
considerazione diverse sorgenti di campi e.m. (e quindi con diverse caratteristiche fisiche, in<br />
primo luogo la frequenza), diversi soggetti esposti (batteri, vegetali, animali, umani), e sono<br />
stati indagati diversi effetti biologici (danni al DNA, al sistema immunitario, alterazione di<br />
cicli biochimici, …); i risultati ottenuti sono diversi e, come per gli studi epidemiologici, a<br />
volte in contraddizione tra loro.<br />
In questo lavoro di tesi viene discusso un esperimento volto a indagare i possibili effetti<br />
mutageni causati dalle radiazioni e.m. a 915MHz, frequenza tipica dei segnali emessi dai<br />
telefoni cellulari. I soggetti esposti sono stati germogli di Vicia faba, una leguminose della<br />
famiglia delle fave, già abbondantemente utilizzata per indagare gli effetti tossici di diversi<br />
agenti inquinanti. L’eventuale effetto mutageno (di danno al DNA) è stato valutato con il test<br />
dei micronuclei, un test ampiamente utilizzato in biologia, che consiste nell’osservazione al<br />
microscopio di cellule esposte, e nella determinazione quindi della frequenza di micronuclei.<br />
L’apparato sperimentale è costituito da una cella TEM, un dispositivo che, opportunamente<br />
alimentato, è in grado di creare al suo interno un campo e.m. uniforme di intensità e frequenza<br />
note, e nel quale sono state lasciate esposte in modo continuo e per un certo tempo i germogli<br />
10
di Vicia faba. La cella TEM è stata alimentata con un segnale CW (Continuos Wave) a 915<br />
MHz; tramite un wattmetro per alta frequenza è stata misurata la potenza in ingresso alla cella<br />
TEM (e l’eventuale potenza riflessa), e da questa è stata ricavata l’intensità della radiazione<br />
all’interno. Tramite considerazioni di tipo calorimetrico, è stata fatta una stima della SAR a<br />
cui sono sottoposti e germogli, e confrontata con quella oggi dichiarata dai costruttori di<br />
cellulari.<br />
Prima di affrontare nel dettaglio la discussione dell’esperimento, nei capitoli successivi verrà<br />
fatta una panoramica delle sorgenti di radiazioni e.m. (naturali e umane); con maggiori<br />
dettagli verrà descritto il funzionamento dei sistemi di telefonia mobile, ed in particolare le<br />
caratteristiche dei segnali emessi; tali considerazioni saranno necessarie per poter<br />
correttamente valutare gli effettivi livelli di esposizione alle radiazioni emesse dai cellulari.<br />
Nel capitolo 3 verranno descritti i meccanismi fisici di interazione dei campi con la materia (e<br />
dei tessuti biologici in particolare) e verrà discusso il problema della dosimetria. Nel capitolo<br />
4 verranno descritti i principali effetti biologici osservati e lo stato delle ricerche scientifiche;<br />
in particolare ci soffermeremo sugli studi a livello cellulare e sugli effetti mutageni.<br />
11
2 LE RA<strong>DI</strong>AZIONI NON IONIZZANTI, SORGENTI<br />
NATURALI ED ARTIFICIALI<br />
2.1 La radiazione elettromagnetica<br />
Il campo elettromagnetico è dato dalla combinazione del campo elettrico e del campo<br />
magnetico.<br />
Le equazioni di Maxwell descrivono il comportamento di questi due campi, e la loro reciproca<br />
interazione (un campo elettrico variabile genera un campo magnetico e viceversa); in<br />
particolare dimostrano che nello spazio vuoto il campo e.m. si propaga come un’onda<br />
trasversale; il campo elettrico E ed il campo magnetico H sono perpendicolari tra loro e<br />
perpendicolari alla direzione di propagazione dell’onda k.<br />
Figura 2-1 Propagazione di un’onda elettro magnetica<br />
La velocità di propagazione dell’onda dipende dalle caratteristiche del mezzo in cui la<br />
propagazione avviene; nel vuoto tale velocità è la ben nota velocità della luce c = 3·10 8 m/sec;<br />
nel caso generale la velocità è data dalla 2.1.<br />
ω 1 c<br />
v = = =<br />
(2.1)<br />
k µ ⋅ε<br />
n<br />
dove µ è la permeabilità magnetica, ε è la permittività elettrica, n è l’indice di rifrazione,<br />
caratteristici del materiale.<br />
La velocità di propagazione è legata alla frequenza f tramite la lunghezza d’onda λ, secondo<br />
la relazione 2.2.<br />
v = λ·f (2.2)<br />
12
Il rapporto tra l’intensità del campo elettrico E e di quello magnetico H risulta costante per<br />
un’onda e.m. piana; nel vuoto vale la relazione 2.3.<br />
E<br />
H<br />
=<br />
ε<br />
0<br />
µ<br />
0<br />
= Z 0 = 377 Ω (2.3)<br />
Z 0 prende il nome di impedenza caratteristica nel vuoto.<br />
A livello macroscopico la potenza associata ad un’onda elettromagnetica è descritta dal<br />
vettore di Poynting S, definito dalla 2.4, che esprime la potenza irradiata in una certa<br />
direzione per unità di superficie.<br />
S = E x H (2.4)<br />
A grande distanza dalla sorgente e se le dimensioni dell’oggetto investito dalla radiazione<br />
sono abbastanza piccole per considerare il fronte d’onda piano, l’intensità dell’onda, definita<br />
come la potenza trasportata per unità di area è data dalla 2.5<br />
2<br />
⎡Watt<br />
⎤ E<br />
Intensità<br />
⎢<br />
= ( t)<br />
=<br />
2<br />
m ⎥<br />
S (2.5)<br />
⎣ ⎦ Z<br />
Per descrivere correttamente l’interazione delle onde e.m. con la materia, il modello<br />
ondulatorio classico in alcuni casi può risultare non adeguato (in particolare quando la<br />
frequenza della radiazione e.m. è alta). Secondo il modello quantistico la luce (e in generale la<br />
radiazione e.m.) si propaga attraverso quanti discreti (fotoni), ciascuno dotato di una certa<br />
energia W, legata alla frequenza f dell’onda del modello classico, tramite la costante di Plank<br />
W = h·f (2.6)<br />
dove h = 6,626 10 -34 Joule·sec = 4,136 10 -15 eVolt·sec è la costante di Plank<br />
Le caratteristiche fisiche di un’onda e.m. dipendono fortemente dalla frequenza; a questa<br />
abbiamo visto sono legate anche la lunghezza d’onda e l’energia quantistica trasportata; alla<br />
bassa frequenza corrisponde grande lunghezza d’onda e bassa energia; all’alta frequenza<br />
viceversa piccola lunghezza d’onda e alta energia.<br />
Il range di frequenze in cui spaziano le onde e.m. è quanto mai ampio; una prima importante<br />
divisione dello spettro elettromagnetico è legata alla possibilità di ionizzare la materia da<br />
parte delle radiazioni a più alta energia, le quali vengono appunto dette Radiazioni Ionizzanti<br />
(RI) e distinte dalle Radiazioni Non Ionizzanti (RNI) a più bassa energia. In figura 2.2 un<br />
esempio di suddivisione dello spettro elettromagnetico e delle loro sorgenti.<br />
0<br />
13
Figura 2.2 Suddivisione dello spettro elettromagnetico. Le radiazioni hanno nomi, caratteristiche e<br />
sorgenti diverse in base alla loro frequenza (e all’energia). Di particolare rilevanza per la nostra<br />
salute è la suddivisione in radiazioni non ionizzanti e ionizzanti.<br />
2.1.1 Radiazioni ionizzanti<br />
Quando un fotone colpisce un atomo o una molecola, può cedere la sua energia; se questa è<br />
sufficientemente elevata, può determinare l’allontanamento di un elettrone dall’atomo,<br />
trasformandolo in uno ione; il valore minimo di energia necessario è detto energia di<br />
ionizzazione, e varia a seconda dell’atomo o della molecola in esame. In figura 2.3 viene<br />
mostrata l’energia di ionizzazione dei singoli atomi in natura.<br />
Figura 2.3 Energia di ionizzazione in eV per i singoli atomi<br />
Le radiazioni elettromagnetiche i cui fotoni hanno energia superiore all’energia di<br />
ionizzazione della materia, sono dette appunto radiazioni ionizzanti (RI). Esse sono anche in<br />
14
grado di rompere i legami chimici delle molecole; in particolare possono quindi danneggiare<br />
in maniera irreversibile le complesse molecole biologiche che sono alla base del<br />
funzionamento degli organismi (DNA, proteine, ..), innescando processi che portano ad effetti<br />
patogeni gravi come i tumori. Nella tabella 2.1 sono riportati i valori di energia media che<br />
caratterizzano i diversi tipi di legame chimico.<br />
Tabella 2.1 Energia media per diverse tipologie di legame chimico<br />
Tipo di legame Kcal/mole eV/molecola<br />
Covalente 50-100 2,2 – 4,8<br />
Van der Vals 1-2 0,04 – 0,08<br />
Legame Idrogeno 3-7 0,13 – 0,30<br />
Ionico 5 0,2<br />
Energia termica a 310K 0,62 0,027<br />
2.1.2 Radiazioni non ionizzanti RNI<br />
Per radiazioni non ionizzanti in senso lato intenderemo quei campi elettromagnetici che non<br />
hanno energia sufficiente per rompere i legami chimici. La loro interazione con la materia<br />
agisce prevalentemente sugli stati vibrazionali o rotazionali delle molecole, determinandone<br />
principalmente un riscaldamento a livello macroscopico; il loro effetto quindi, anche con<br />
livelli di intensità molto elevati, è profondamente diverso da quello delle radiazioni ionizzanti.<br />
Nella tabella 2.2 è riportato uno schema di suddivisione delle RNI in base alla frequenza, alla<br />
lunghezza d’onda e all’energia.<br />
Tabella 2.2 Suddivisione delle RNI in base alla frequenza, alla lunghezza d’onda λ, e all’energia<br />
frequenza lunghezza d'onda Energia<br />
LF Bassa Frequenza f < 100 kHz λ < 3 km E < 4,1 10 -10 eV<br />
RF Radio Frequenza 100 kΗz − 300 GHz 1 mm − 3 km 4,1 10 -10 eV – 1,2 meV<br />
MO Micro Onde 300 ΜΗz − 300 GHz 1 mm − 1 m 1,2 µeV – 1,2 meV<br />
IR Infrarosso (3 10 11 − 4 10 14 ) Hz 0,75 µm − 1000 µm 1,2 meV – 1,65 eV<br />
LV Luce visibile (4 − 7,9) 10 14 Hz 380 nm − 750 nm (1,65 – 3,27) eV<br />
UV Ultravioletto (7,9 − 30) 10 14 Hz 100 nm − 380 nm (3,27 – 12,4) eV<br />
Nota La banda delle micro onde si sovrappone a quella delle radio frequenze<br />
Oggi l’ambiente è pervaso da RNI provenienti dai più diversi dispositivi; alcuni sono<br />
realizzati per emettere intenzionalmente onde e.m., altri diffondono i campi come<br />
15
conseguenza del loro funzionamento; tali campi prodotti dall’attività umana si sommano a<br />
quelli già presenti in natura. Nello studio degli eventuali effetti biologici, le sorgenti di RNI<br />
vengono solitamente distinte in due gruppi:<br />
1. sorgenti a bassa frequenza (da 0Hz a 100kHz), rappresentate principalmente dalle<br />
linee e dalle apparecchiature elettriche;<br />
2. sorgenti ad alta frequenza (da 100kHz a 300 GHz), spesso indicate anche come Radio<br />
Frequenza (RF), rappresentate principalmente dalle antenne.<br />
Daremo nei seguenti paragrafi una caratterizzazione sintetica delle principali sorgenti naturali<br />
ed artificiali, a bassa ed ad alta frequenza; tratteremo in maggior dettaglio i sistemi di<br />
telefonia mobile, e le caratteristiche dei segnali da questi emessi; potremo così meglio<br />
contestualizzare l’esperimento oggetto di questa tesi che descriveremo nel capitolo 5.<br />
2.2 Sorgenti naturali di RNI<br />
Se ci limitiamo a considerare le frequenze inferiori a 300 GHz, le radiazioni RF di origine<br />
naturale sono estremamente basse, se confrontate con quelle di origine umane. La<br />
caratteristica spettrale dei campi presenti in natura è quella di avere un fondo continuo e di<br />
bassa intensità, al quale si sommano di tanto in tanto brevi picchi.<br />
Al di sotto di 30 MHz il fondo di radiazione elettromagnetica è generato principalmente da<br />
scariche di fulmini. Le osservazioni satellitari hanno permesso di stabilire un numero annuale<br />
di fulmini sulla terra compreso tra 2 e 50 per chilometro quadrato. L’intensa corrente<br />
associata al fulmine genera un impulso elettromagnetico a banda larga che si propaga<br />
nell’atmosfera; a breve distanza (meno di 100m) l’intensità del picco del campo elettrico è<br />
dell’ordine di 10 kV/m; a 30 km il valore misurato scende a 1-5 V/m (Willet et al 1990 [2]).<br />
Alle radio frequenze superiori a 30 MHz il campo e.m. è generato dalla radiazione a banda<br />
larga del calore della terra e da quello proveniente dallo spazio, principalmente dal sole;<br />
l’atmosfera terrestre (ionosfera) riflette una buona parte della radiazione spaziale,<br />
specialmente in alcune fasce di frequenza.<br />
Il sole è la principale fonte di radiazione extraterrestre; se consideriamo anche tutto lo spettro<br />
elettromagnetico, l’intensità della radiazione solare sulla terra è di circa 1370 W/m²; tale<br />
valore viene indicato come “costante solare” e rappresenta l’intensità della radiazione solare<br />
che raggiunge il pianeta Terra al di fuori dell’atmosfera (che invece attenua l’intensità della<br />
radiazione che giunge al suolo). L'energia al livello del suolo è minore rispetto alla costante<br />
solare a causa dei fenomeni atmosferici di assorbimento e diffusione. Circa il 55%<br />
16
dell'energia viene assorbita o riflessa dalle nubi e dall'aria. La stratosfera assorbe i raggi<br />
ultravioletti grazie all'ozono (assorbe a 200-300 nm), la troposfera riflette, assorbe e diffonde<br />
l'infrarosso grazie al vapore acqueo e alla CO2. Il valore di massima radiazione "orizzontale"<br />
(ossia misurata sul piano) al suolo viene normalmente assunto pari a 1000 W/m². In Italia la<br />
potenza specifica solare oscilla mediamente da 900 a 1100 W/m². 3<br />
La densità di potenza della radiazione termica dalla terra a 300K è di pochi mW/m 2 ; la<br />
radiazione extraterrestre è 1000 volte inferiore (esclusa la radiazione luminosa dal sole).<br />
Figura 2.4 Sorgenti naturali di campi e.m. [1]<br />
2.3 Sorgenti artificiali di RNI a bassa frequenza<br />
Le linee di trasmissione e di distribuzione dell’energia elettrica, così come la maggior parte<br />
delle apparecchiature elettriche, funzionano con tensioni e correnti sinusoidali a bassa<br />
frequenza (50Hz in Europa, 60 Hz in America); inevitabilmente esse generano campi elettrici<br />
e magnetici, che però a queste frequenze restano indipendenti tra loro, e che quindi possono<br />
essere analizzati separatamente. Il campo elettrico E viene generato dai conduttori in tensione,<br />
e quindi anche dalle apparecchiature elettriche quando sono spente ma collegate alla presa; i<br />
3 http://www.ecoage.it/la-radiazione-solare-al-suolo.htm<br />
17
valori più elevati si riscontrano generalmente in prossimità delle linee elettriche di<br />
trasmissione in alta tensione; la sua propagazione può essere facilmente limitata tramite<br />
schermi metallici; all’interno dei conduttori infatti, il campo E risulta nullo. Il campo<br />
magnetico B viene generato dal passaggio di corrente elettrica nei conduttori; sono pertanto<br />
fonte di campo magnetico le apparecchiature elettriche funzionanti, la cabine di<br />
trasformazione, e le linee elettriche percorse da corrente. Diversamente dal campo elettrico, il<br />
campo magnetico viene schermato con più difficoltà e può quindi propagarsi liberamente;<br />
nella maggior parte dei casi pratici comunque, la geometria dei conduttori è tale che esso<br />
decade abbastanza velocemente con il quadrato della distanza dalla sorgente.<br />
A titolo di esempio nella tabella 2.3 vengono dati dei valori indicativi di campo magnetico B<br />
e campo elettrico E per vari casi pratici.<br />
Tabella 2.3 Intensità del campo magnetico e del campo elettrico per diverse condizione di esposizione<br />
da sorgenti a bassa frequenza (valori indicativi)<br />
Condizioni di esposizione Induzione magnetica (µT) Campo elettrico E (Volt/m)<br />
Sotto una linea elettrica di<br />
trasmissione<br />
A 50 m da una linea elettrica di<br />
trasmissione<br />
5 - 20 1000 - 5000<br />
1 - 2 50 - 200<br />
A 30 cm da un elettrodomestico 1 - 1000 5 - 50<br />
2.4 Sorgenti artificiali di RNI ad alta frequenza<br />
Le maggiori sorgenti di onde e.m. a radio frequenza sono le antenne, dispositivi<br />
intenzionalmente preposti alla diffusione di segnali tramite energia elettromagnetica. Diversi<br />
sono gli usi civili e militari derivanti dalla diffusione dei segnali e.m. Norme nazionali ed<br />
internazionali disciplinano l’uso delle bande di frequenza del campo e.m., attribuendo un uso<br />
specifico alle varie bande.<br />
2.4.1 Stazioni Radio e TV<br />
La maggior parte delle stazioni per la radiodiffusione sonora trasmette segnali nei canali<br />
compresi in due bande di frequenze:<br />
da 148 kHz a 283 KHz e da 526 kHz a 1606 kHz per i segnali modulati in ampiezza AM<br />
da 88 MHz a 108 MHz per i segnali modulati in frequenza FM<br />
18
Le stazioni televisive trasmettono su diversi canali, la maggior parte compresi tra 470 e 854<br />
MHz.<br />
Le antenne per le radio trasmissioni consistono generalmente in 3 o 4 dipoli verticali, istallati<br />
su 3 o 4 lati di una torre. La potenza di ingresso al sistema complessivo di antenne varia da 10<br />
a 50 kW, mentre la potenza fornita a ciascun dipolo varia da 50 a 500 W [1]. I dipoli più<br />
vicini sono la principale fonte di esposizione; la fonte secondaria è generata dalle correnti<br />
indotte nelle strutture metalliche; parte di tali correnti possono accoppiarsi direttamente con le<br />
mani e le gambe in contatto con scale o altre parti metalliche in prossimità dell’antenna.<br />
Le antenne sono progettate per irradiare una raggio a forma di disco, poco sotto l’orizzonte; in<br />
direzione verticale il campo risulta di intensità inferiore; nelle immediate vicinanze al di sotto<br />
di tali antenne sono stati registrati campi dell’ordine di 2 – 200 V/m [1]. I valori misurati sono<br />
molto diversi tra i vari autori, anche perché la presenza di strutture metalliche nelle immediate<br />
vicinanze delle antenne può rendere i campi molto non uniformi.<br />
Figura 2.6 Irraggiamento tipico di un’antenna<br />
In tabella 2.4 sono riportate l’intensità del campo elettrico indotto e della corrente misurata in<br />
prossimità delle antenne di trasmissione. I dati MF e HF sono stati misurati a livello del suolo<br />
a distanze diverse dalla antenna. La maggior parte delle misurazioni VHF e UHF sono stati<br />
effettuati nelle torri nei pressi del antenne.<br />
19
Tabella 2.4 Misure di campo elettrico in prossimità di antenne per la diffusione radio – televisiva [1]<br />
Range di<br />
frequenza<br />
(MHz)<br />
0,3 – 3 (MF)<br />
3 – 30 (HF)<br />
30 – 300<br />
(VHF)<br />
300 – 3000<br />
(UHF)<br />
Potenza<br />
media di<br />
trasmissione<br />
(kW)<br />
Modulazione<br />
Campo<br />
elettrico<br />
(V/m)<br />
Distanza e<br />
localizzazione<br />
1 - 50 AM 3 - 800 1 – 100 m<br />
600 AM 40 - 500 10 – 100 m<br />
- AM 2 - 200 0 – 300 m<br />
500 AM 35 - 120 5 – 100 m<br />
4 FM 60 - 900 Sulla torre<br />
-<br />
FM – AM<br />
(TV)<br />
Fino a 430<br />
- FM 300<br />
40 FM 20 - 150<br />
30<br />
16<br />
DVB o<br />
FM/AM (TV)<br />
DVB o<br />
FM/AM (TV)<br />
Fino a 620<br />
Fino a 526<br />
Sulla torre<br />
10 – 15 cm dal<br />
cavo RF<br />
20 cm dalla<br />
scala<br />
Sulla torre<br />
10 – 20 cm<br />
dall’antenna<br />
Riferimento<br />
Mantiply et<br />
al. 1997 [3]<br />
Jokela et al.<br />
1994 [4]<br />
Mantiply et<br />
al. 1997 [3]<br />
Jokela et al.<br />
1994 [4]<br />
Mantiply et<br />
al. 1997[3]<br />
Mantiply et<br />
al. 1997 [3]<br />
Hansson<br />
Mild 1981<br />
Jokela et al.<br />
1999<br />
Hansson<br />
Mild 1981<br />
Jokela et al.<br />
1994<br />
2.4.2 Radar<br />
I sistemi radar generano microonde di frequenza tra 500 MHz e 15 GHz; i segnali prodotti<br />
sono impulsi con un duty cycle molto basso, per cui la potenza media è alcuni ordini di<br />
grandezza più bassa di quella del picco. Le antenne radar generano un raggio di pochi gradi di<br />
ampiezza, che ruota e varia periodicamente di elevazione. La potenza di picco di questi raggi<br />
può raggiungere i 10 MW/m 2 , cui corrisponde una potenza media fino a 100 W/m 2 . Le<br />
antenne radar per il controllo del traffico aereo (ATC) operano con frequenza di 2,8 GHz,<br />
potenza di picco 650 kW, cui corrisponde una densità di potenza di 0,5 W/m 2 a 60 m di<br />
distanza; se il raggio ruota, il valore medio risulta un ordine di grandezza inferiore.<br />
2.4.3 Dispositivi Wireless<br />
Negli ultimi anni si sono sviluppate tecnologie per la comunicazione senza fili (wireless), con<br />
la conseguente creazione di reti locali WLAN (Wireless Local Area Network), in cui<br />
avvengono comunicazioni a corto raggio tra un punto di accesso (stazione base) e diversi<br />
utenti. Sistemi WLAN sono stati installati in abitazioni domestiche, hotel, cafè, aeroporti,<br />
parchi cittadini, campus universitari; le stazioni base sono solitamente connessi alla rete<br />
20
internet. La tecnologia WLAN è stata standardizzata; lo standard più diffuso è IEEE 802.11,<br />
le cui caratteristiche si sono evolute nel tempo come mostrato nella tabella 2.5.<br />
Tabella 2.5 Caratteristiche delle trasmissioni WLAN per lo standard IEEE 802.11 [1]<br />
Standard Descrizione Frequenza<br />
Velocità di<br />
trasmissione<br />
Anno<br />
IEEE<br />
802.11<br />
Standard originario, usa la banda ISM 2.4 GHz 2 Mb/s 1997<br />
IEEE<br />
802.11b<br />
IEEE<br />
802.11a<br />
IEEE<br />
802.11g<br />
IEEE<br />
802.11h<br />
Incremento della velocità di trasmissione<br />
nella banda ISM<br />
Versione più veloce dello standard,<br />
usando la banda UNII<br />
Stessa velocità della 802.11, ma nella<br />
banda ISM<br />
Modifica della 802.11 per garantire<br />
l’usabilità in Europa<br />
2.4 GHz 11 Mb/s 1999<br />
5.7 GHz 54 Mb/s 1999<br />
2.4 GHz 54 Mb/s 2003<br />
5.7 GHz 54 Mb/s 2003<br />
Lo standard IEEE 802.11 non impone alcun limite alla massima potenza irradiata, perchè tali<br />
limiti sono stabiliti dai diversi enti regolatori nazionali (in Europa dal CEPT, negli USA<br />
l’FCC); in tabella 2.6 sono riportati la suddivisione delle bande di frequenza è il limite di<br />
potenza irradiata<br />
Tabella 2.6 Assegnazione delle bande di frequenza e potenza di trasmissione consentita per le reti<br />
LAN Wireless [1]<br />
Banda di<br />
frequenza [MHz]<br />
USA (FCC)<br />
Europe (CEPT)<br />
Potenza irradiata EIRP 4 Potenza irradiata EIRP<br />
2400 ÷ 2483.5 30 dBm 36 dBm - 20 dBm<br />
5150 ÷ 5250 17 dBm 23 dBm - 23 dBm<br />
5250 ÷ 5350 24 dBm 30 dBm - 23 dBm<br />
5470 ÷ 5725 24 dBm 30 dBm - 30 dBm<br />
5725 ÷ 5850 30 dBm 36 dBm Banda di frequenza non disponibile<br />
Le trasmissioni WLAN sono intermittenti, il che porta a fluttuazioni di potenza dipendenti dal<br />
flusso dei dati trasmessi, ed ad una potenza media inferiore a quelle indicate in tabella.<br />
4 EIRP Equivalent Isotropical Radiation Power è la potenza che un’antenna isotropica emetterebbe per produrre<br />
il picco di potenza osservato nella direzione di guadagno massimo dell’antenna<br />
21
2.4.4 Dispositivi Bluetooth<br />
Al posto dei cavi, è possibile connettere due dispositivi vicini tramite il sistema bluetooth, che<br />
opera tramite trasmissione di segnali wireless a 2,45 GHz. Diversi apparecchi utilizzano oggi<br />
la tecnologia buetooth, tra cui accessori per computer come stampanti, tastiere, mouse, ed<br />
anche cellulari. Il raggio di azione è normalmente abbastanza limitato, da pochi metri ad una<br />
decina di metri; le potenze di uscita sono di pochi milliwatt, circa 100 volte inferiori a quelle<br />
dei cellulari, da cui risulta un livello di esposizione comunque basso. In base alla potenza<br />
irradiata si distinguono tre classi.<br />
Tabella 2.7 Classi di potenza dei dispositivi Bluetooth [1]<br />
Classe<br />
Potenza<br />
(mW)<br />
Potenza<br />
(dBm)<br />
Distanza<br />
(m)<br />
Classe 1 100 20 ~ 100<br />
Classe 2 2,5 4 ~ 10<br />
Classe 3 1 0 ~ 1<br />
2.4.5 DECT<br />
Il DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunication) è un sistema di comunicazione<br />
sviluppato in Europa, utilizzato in ambiente domestico e negli uffici. L’applicazione<br />
principale è quella della comunicazione vocale di buona qualità, cui si sono affiancate anche<br />
accesso ad internet e comunicazioni di rete. La banda di trasmissione è suddivisa in dieci<br />
sottobande, nell’inervallo (1880 – 1900) MHz; all’interno di ciascun canale la trasmissione e<br />
la ricezione sono separate tramite uno schema TDMA5. La potenza di trasmissione di picco è<br />
250 mW.<br />
2.5 Telefonia mobile<br />
I telefoni mobili o cellulari sono oggi parte integrante delle moderne telecomunicazioni. In<br />
molti paesi, oltre metà della popolazione usa telefoni cellulari e il mercato è in rapida crescita.<br />
Alla fine del 2009, si stimava vi fossero globalmente 4,6 miliardi di abbonamenti. In alcune<br />
parti del mondo, i telefoni cellulari sono i telefoni più affidabili o gli unici disponibili; altrove,<br />
5 TDMA Time Division Multiple Access (accesso multiplo a ripartizione nel tempo) è una tecnica di<br />
multiplazione numerica in cui la condivisione del canale è realizzata mediante ripartizione del tempo<br />
di accesso allo stesso da parte degli utenti.<br />
22
i telefoni cellulari sono molto popolari perché permettono alle persone di mantenere la<br />
comunicazione senza limitare la libertà di movimento.<br />
In Europa l’industria di telefonia cellulare ha conosciuto un rapidissimo sviluppo negli ultimi<br />
anni; nella EU 27 il numero di abbonamenti agli operatori di telefonia mobile è passato da 55<br />
milioni nel 1997 a oltre 600 milioni nel 2008, con un numero medio di sottoscrizioni salito da<br />
12 ogni 100 abitanti, a 122 ogni 100 abitanti (per cui alcune persone hanno più di un<br />
abbonamento); gli italiani hanno contribuito non poco a questo incremento, e nel 2008<br />
risultavano secondi solo ai greci in Europa per numero medio di abbonamenti. [5]<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008<br />
Figura 2.7 Numero di abbonamenti di telefonia<br />
mobile in Italia, valori in milioni [5]<br />
175<br />
150<br />
125<br />
100<br />
75<br />
50<br />
25<br />
0<br />
1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008<br />
Figura 2.8 Numero medio di abbonamenti di<br />
telefonia mobile per 100 abitanti in Italia, [5]<br />
Figura 2.9 Numero medio di abbonamenti di telefonia mobile per<br />
100 abitanti in Europa nel 2008 [5]<br />
23
2.5.1 Funzionamento della rete cellulare<br />
La rete di telefonia mobile è costituita da un insieme di aree contigue chiamate celle (di solito<br />
di forma esagonale), da cui il nome di telefonia cellulare.<br />
Figura 2.10 Suddivisione del territorio in celle; al centro di cella è posta<br />
una Stazione Radio Base [6]<br />
Al centro di ciascuna cella viene posta una SRB (Stazione Radio Base), in inglese BTS (Base<br />
Transceiver Station), con un’antenna in cima ad una torre, che ha il compito di collegarsi a<br />
mezzo di onde elettromagnetiche con i cellulari presenti nella sua area d’azione.<br />
Figura 2.11 Stazione Radio Base in collegamento un<br />
dispositivo cellulare posto all’interno della cella [6]<br />
Il singolo telefono cellulare è in collegamento via radio con la SRB più vicina, quella che si<br />
trova al centro della sua cella.<br />
Le dimensioni delle celle in cui è suddiviso il territorio possono essere varie, e dipendono<br />
dalla tipologia di area e dal numero di utenti normalmente presenti. Le macrocelle<br />
costituiscono la struttura principale della rete di SRB. Le potenze trasmesse dalle stazioni<br />
base variano da decine a centinaia di Watt. La distanza massima alla quale può avvenire la<br />
24
comunicazione con il dispositivo mobile è di 35 km (ma di solito le celle hanno dimensioni<br />
inferiori) 6 .<br />
Dato che una cella radio può consentire contemporaneamente un numero limitato di<br />
telefonate, in città è necessario installare un numero di stazioni di base contigue più elevato<br />
rispetto alla campagna. Le microcelle servono a migliorare l’efficienza della rete,<br />
specialmente in zone dove vi è un alto numero di chiamate; si trovano in aeroporti, stazioni<br />
ferroviarie, centri commerciale, ed il loro numero è in crescita, coerentemente con la crescita<br />
della domanda di cellulari. La potenza trasmessa dalle stazioni è minore rispetto a quella delle<br />
macrocelle, è il loro range è di alcune centinaia di metri. Il livello di esposizione è<br />
generalmente basso, considerato che l’involucro protettivo delle antenne impedisce di<br />
avvicinarsi troppo.<br />
Le picocelle hanno una potenza di uscita inferiore alle microcelle (alcuni Watt), e sono poste<br />
all’interno di edifici con grande traffico di chiamate telefoniche.<br />
2.5.2 Evoluzione della tecnologia<br />
L’onda RF usata per la comunicazione viene detta onda portante. L’informazione trasmessa<br />
(voce, messaggi, immagini, ..) è aggiunta all’onda portante attraverso un processo chiamato<br />
modulazione. L’informazione può essere trasmessa con tecniche analogiche o digitali.<br />
La trasmissione digitale offre molti vantaggi tecnici rispetto sistemi di trasmissione analogica.<br />
È, per esempio, meno soggetta a distorsione da interferenze e rumore elettrico, e sta<br />
sostituendo progressivamente la trasmissione analogica in nella telefonia mobile.<br />
Le caratteristiche del segnale trasmesso dipendono dal tipo di tecnologia utilizzata; questa si è<br />
evoluta molto velocemente nel tempo, e nel corso degli ultimi anni si sono succedute diverse<br />
generazioni tecnologiche.<br />
La prima generazione di telefonini si basava su un sistema di trasmissione analogico, operante<br />
con una modulazione di frequenza su portanti di 450 MHz e di 800/900 MHz. Negli USA<br />
venne sviluppato negli anni 70 un sistema chiamato AMPS (Advanced Mobile Phone<br />
Standard), mentre in Europa un sistema simile chiamato TACS (Total Access Communication<br />
6 La potenza delle antenne consentirebbe di coprire distanze maggiori . Il limite è dovuto alla difficoltà di<br />
centrare il cosiddetto timeslot overlap (dove il timeslot è il tempo allocato per ciascuna chiamata) quando il<br />
terminale si trova a grande distanza dalla stazione radio-base. Infatti, i canali TDMA (vedi oltre) consentono una<br />
tolleranza di temporizzazione di poco più di 100 microsecondi: ciò significa che il segnale tra SRB e terminale<br />
mobile non può impiegare un tempo superiore a propagarsi, pena l'overlap tra canali. Dal fatto che le onde<br />
elettromagnetiche percorrono un chilometro in 3,2 microsecondi circa, la massima distanza risulta essere,<br />
appunto, di 100/3,2 = circa 31 km.<br />
25
System) venne adottato a partire dagli anni 80. Tali sistemi analogici garantivano<br />
principalmente servizi vocali, e vennero progressivamente abbandonati sostituiti da più<br />
moderni sistemi digitali.<br />
Agli inizi degli anni 90 si sviluppa un nuovo sistema di comunicazione digitale chiamato<br />
GSM (Global System for Mobile communication). In Europa è caratterizzato da una<br />
frequenza portante di 900 MHz e 1800 MHz (850 MHz e 1900 MHz in america). La codifica<br />
digitale dei segnali avviene con un processo di modulazione di fase, che determina una<br />
variazione molto contenuta dell’ampiezza della portante. Il cellulare trasmette verso la SRB<br />
(uplink) nell’intervallo di frequenza (890 – 915) MHz, riceve il segnale dalla SRB (downlink)<br />
nell’intervallo (935 – 960) MHz.<br />
Per incrementare il numero di utenti con i quali può comunicare una SRB, viene impiegata<br />
una particolare tecnica, chiamata accesso multiplo a divisione di tempo TDMA (Time<br />
Division Multiple Access), che consente ad uno stesso canale di essere utilizzato da otto<br />
telefoni; un pacchetto di informazioni di 4,6 msec viene compresso e trasmesso con un<br />
impulso di 0,58 msec; quindi un telefonino trasmette segnale per 0,58 msec in un intervallo di<br />
4,6 msec; ne risulta un segnale finale modulato in impulsi a 217 Hz. 7<br />
La potenza massima di trasmissione consentita è di 2 Watt per i telefonini a 900 MHz, e di 1<br />
Watt per quelli a 1800 MHz. Considerando la tecnica TDMA, la potenza media di<br />
trasmissione di un telefonino può raggiungere al massimo un ottavo di tali valori (0,25 W e<br />
0,125 W), ma risulta spesso ridotta per effetto del controllo adattativo di potenza (APC) e<br />
dalla discontinuità di trasmissione.<br />
La crescente popolarità di internet e di connessioni wireless ha determinato la necessità di<br />
trasmissione dati con una velocità maggiore da quella consentita dal sistema 2G, progettato<br />
principalmente per applicazioni vocali; una evoluzione del sistema 2G ha portato al GPRS<br />
(General Racket Radio Service); il GPRS supporta una velocità di trasmissione dati di 140,8<br />
kbit/sec, ed è un sistema orientato alla trasmissione per pacchetto.<br />
L’ultima generazione di tecnologia cellulare (3G) è nota in Europa come UMTS (Universal<br />
Mobile Telecommunication System). Le bande di frequenza in cui opera sono 1885-<br />
2010MHz e 2110-2200MHz. L’alta velocità di trasmissione dati (384 kbit/sec) consente ai<br />
7 Con il funzionamento TDMA, la batteria del cellulare genera corrente in modo periodico,<br />
determinando una componente di radiazione a bassa frequenza a 217 Hz (e multipli interi di 217Hz).<br />
In questa tesi ci occuperemo solo della componente a RF, sebbene anche la componente di bassa<br />
frequenza possa essere interessante.<br />
26
telefonini di terza generazione di navigare su internet, di fare video chiamate, di scaricare<br />
musica e applicazioni. Lo standard globale della tecnologia 3G prende il nome di IMT-2000;<br />
tale tecnologia si basa su un sistema W-CDMA (Wide Code Division Multiple Access). Gli<br />
utenti che fanno capo a una stazione di base non sono ripartiti in intervalli di tempo ma in<br />
codici. Durante il collegamento, il telefono cellulare trasmette costantemente. La radiazione<br />
non è quindi pulsata. Una cella radio UMTS raggiunge la capacità di trasmissione massima se<br />
tutti i collegamenti utilizzano una potenza di trasmissione minima. La stazione di base può<br />
quindi escludere dalla comunicazione e indirizzare a un'altra cella i telefonini che si trovano al<br />
margine dell'area di copertura e che possono essere raggiunti solo con una maggiore potenza<br />
di trasmissione. La dimensione della cella radio varia entro un certo margine in base alla<br />
quantità di dati trasmessi.<br />
2.6 Esposizione alle radiazioni e.m. emesse dai sistemi di telefonia<br />
mobile<br />
Il campo e.m. diffuso dalle antenne dei sistemi cellulari è legato alla potenza di trasmissione.<br />
Sia nel telefono cellulare, sia nella stazione radio base, la potenza emessa si regola<br />
automaticamente e costantemente sul valore minimo necessario (Controllo Adattativo di<br />
Potenza). Poiché la presenza di muri o altri ostacoli ha un effetto schermante sul segnale,<br />
telefonando da ambienti chiusi o addirittura sotterranei (cantine, garage ecc.) occorre una<br />
potenza di trasmissione molto più elevata che non all’aperto. In entrambi i casi, sia il cellulare<br />
che la stazione radio base aumentano la potenza del segnale emesso. Perciò a seconda del<br />
luogo in cui si trova chi telefona, l’intensità del segnale emesso tanto dal cellulare quanto<br />
dalla stazione radio base fissa varia costantemente. Se nessuno sta telefonando, le radiazioni<br />
emesse dalla stazione radio base sono ridotte al minimo. Se i telefoni cellulari venissero<br />
utilizzati solo all’aperto, la potenza emessa da entrambi i dispositivi potrebbe essere ridotta<br />
notevolmente.<br />
2.6.1 Potenza di trasmissione dei telefoni cellulari<br />
I telefoni cellulari sono delle piccole ricetrasmittenti manuali a bassa potenza. È importante<br />
distinguere tra potenza di picco, potenza (media) di trasmissione massima e potenza (media)<br />
di trasmissione effettiva. Per potenza di picco s'intende l'irradiazione massima istantanea<br />
raggiunta da un cellulare. La potenza di trasmissione massima indica l'irradiazione massima<br />
di un cellulare mediata nell'arco del tempo (ad esempio l’intervallo di invio di un pacchetto<br />
dati). Per quanto detto prima, i cellulari usano tale potenza di trasmissione massima solo nelle<br />
27
condizioni più avverse, quando ostacoli naturali (muri, solai, ecc..) schermano la trasmissione<br />
verso la SRB. I cellulari regolano automaticamente i livelli di potenza al minimo necessario<br />
(anche per consentire una durata maggiore delle batterie), per cui la potenza di trasmissione<br />
effettiva è generalmente inferiore alla potenza di trasmissione massima.<br />
I livelli di potenza trasmessi dai cellulari dipendono dalla tecnologia che essi utilizzano; la<br />
potenza di trasmissione si è progressivamente ridotta nel tempo come conseguenza dell’uso di<br />
tecnologie più efficienti; in tabella 2.8 si riporta una sintesi delle caratteristiche di trasmissioni<br />
delle ultime generazioni tecnologiche (GSM e UMTS).<br />
Tabella 2.8 Caratteristiche dei segnali trasmessi per i sistemi GSM e UMTS<br />
GSM<br />
UMTS<br />
Frequenza di trasmissione (MHz) 900 1800 2100<br />
Potenza di picco (mW) 2000 1000 125 - 250<br />
Potenza di trasmissione<br />
massima (mW)<br />
240 120 125 -250<br />
Controllo della potenza (Hz) 1 - 2 1500<br />
Frequenza della radiazione<br />
pulsata (Hz)<br />
Impulso di trasmissione in standby<br />
ogni … min<br />
217<br />
Standard attuale (FDD, tecnica di<br />
suddivisione della frequenza): niente<br />
impulsi per dati e telefonia<br />
12 -240 5 - 720, attualmente ca. 33<br />
Per i sistemi GSM, In Europa la potenza di picco massima consentita è di 2 Watt per i<br />
telefonini a 900 MHz, e di 1 Watt per quelli a 1800 MHz. Considerando la tecnica TDMA, la<br />
potenza media di trasmissione di un telefonino può raggiungere al massimo un ottavo di tali<br />
valori (0,25 W e 0,125 W), ma risulta spesso ridotta per effetto del controllo adattativo di<br />
potenza (APC) e dalla discontinuità di trasmissione. Nella trasmissione dei dati con le<br />
tecnologie GPRS o Edge la potenza di trasmissione massima varia da 1 a 0,5 W in quanto per<br />
½ - ¼ del tempo la trasmissione avviene con gli apparecchi attualmente disponibili; le<br />
condizioni di esposizione in quest’ultimo caso sono molto diverse da quelle del traffico voce,<br />
in quanto l’utente generalmente tiene il dispositivo ad una distanza maggiore. La potenza di<br />
trasmissione viene adeguata 1-2 volte al secondo a seconda della qualità del collegamento; nei<br />
casi ottimali la potenza di trasmissione può diminuire di un fattore 1000. Essa viene<br />
ulteriormente indebolita di circa 2 volte utilizzando la modalità di trasmissione discontinua<br />
(Discontinuous Transmission Mode - DTX), che interrompe la trasmissione durante le pause<br />
nella conversazione.<br />
28
Figura 2.11 Schema di trasmissione GSM. Nel corso di una telefonata il singolo<br />
cellulare trasmette soltanto per 1/8 del tempo<br />
Nel sistema UMTS la potenza di picco e la potenza di trasmissione massima durante il<br />
collegamento (traffico dati e conversazioni telefoniche) sono pari a 250 mW, in quanto la<br />
trasmissione è continua. La potenza di trasmissione viene adeguata 1500 volte al secondo alla<br />
qualità del collegamento e alla capacità di trasmissione. Questo riduce considerevolmente la<br />
potenza di trasmissione media rispetto alla tecnologia GSM (a pari velocità di trasmissione e<br />
numero di conversazioni telefoniche).<br />
2.6.2 Caratteristiche del campo irradiato dalle antenne dei telefonini<br />
Pur non essendo specificatamente direzionale, le antenne dei telefonini irradiano in modo non<br />
uniforme, per cui ci sarà più potenza verso alcune direzioni rispetto ad altre; in prossimità<br />
dell’antenna, inoltre, siamo nella regione di campo vicino, caratterizzato da un andamento<br />
assai irregolare dei campi, con rapida variazione di intensità fra punti vicini e con flussi di<br />
potenza emessa e riassorbita dal generatore (antenna); la valutazione dell'energia associata ad<br />
un punto è legata alla misura di entrambi i campi presenti, elettrico e magnetico, considerati<br />
separatamente 8 ; per particolari tipi di antenna sono stati calcolati i valori massimi dei campi a<br />
2,2 cm di distanza dall’antenna; i valori trovati per il campo elettrico sono di 400V/m per i<br />
telefonini GSM 900 MHz (2Watt), e 200 V/m per quelli GSM 1800 MHz [79]; per il campo<br />
magnetico il valore calcolato è di 1µT per entrambe le frequenze; per entrambi inoltre è stata<br />
8 Si fa notare che i campi elettrici e magnetici variano in modo piuttosto complicato a distanze da<br />
un'antenna che sono piccole rispetto alla lunghezza d'onda λ della radiazione (33,3 cm a 900 MHz e<br />
16.7 cm a 1800 MHz). Quindi sono necessari calcoli dettagliati per ottenere valori esatti per le<br />
intensità dei campi vicini a un telefono e le approssimazioni qui riportate hanno solo lo scopo di<br />
fornire indicazioni di massima. Per maggiori dettagli, si veda l’appendice A1<br />
29
stimata a 2,2 cm una intensità massima di radiazione di circa 200 W/m 2 . Questi valori si<br />
riferiscono alla condizione di telefonino in campo aperto, quando non vi sono ostacoli intorno<br />
all’antenna; quando l'antenna è vicino al corpo, la radiazione penetra, ma i campi all'interno<br />
sono sensibilmente più bassi, rispetto ai valori che si avrebbero all’esterno (fenomeni di<br />
riflessione, accoppiamento, attenuazione della radiazione, vedi cap 3). Per esempio, è stato<br />
calcolato che il campo di maggiore intensità che si può avere all'interno di una testa umana<br />
posta a 1,4 cm dall’antenna è circa tre volte inferiore ai valori sopra riportati. C’è da<br />
sottolineare comunque che i valori medi di campo effettivi sono tutti sensibilmente inferiore a<br />
questi valori massimi riportati sopra per le ragioni spiegate in precedenza (controllo adattativi<br />
di potenza APC, accesso multiplo a divisione di tempo TDMA).<br />
A titolo di esempio si riportano alcune misure di campi elettrici e magnetici in prossimità di<br />
cellulari eseguite da una ditta specializzata 9 su incarico dell’ospedale Fatebenefratelli di<br />
Roma. Le misure sono state eseguite su un campione di 60 persone nel periodo gennaio/marzo<br />
2001 negli uffici siti all’interno dell’ospedale Fatebenefratelli simulando le normali<br />
condizioni in cui si opera. Si è posizionato il sensore 10 per eseguire la misura in prossimità<br />
dell’orecchio dell’utilizzatore del telefonino cellulare e si è dato luogo alla chiamata del<br />
telefonino, simulandone quindi le normali modalità di utilizzo. I valori ottenuti durante le<br />
misure sono riportati nella tabella 2.9.<br />
Si precisa che il valore massimo si ha durante la chiamata nell’istante in cui arriva la<br />
chiamata, in tale istante il telefonino cellulare è interrogato dalla Stazione Radio Base (SRB) e<br />
squilla. Nell’istante in cui il telefonino è individuato dalla SRB e l’utilizzatore risponde<br />
aprendo la comunicazione il valore di campo elettrico si porta a valori determinati dalla<br />
minima potenza necessaria in emissione da parte del telefonino per essere visto dalla SRB. Si<br />
stabilisce quindi un valore medio di campo elettrico necessario affinché i due apparati<br />
(telefonino e SRB) possano colloquiare.<br />
9 MPB Srl Roma<br />
10 Sonda utilizzata sensore: EMCO model 7405/905<br />
30
Tabella 2.9 Valori di campo elettrico e magnetico misurati in prossimità di cellulari durante il loro<br />
funzionamento in trasmissione<br />
Si precisa che i valori max ottenuti si hanno per uno o due secondi, dopo di che siamo in presenza dei<br />
valori medi, determinati da una comunicazione stabile tra i due apparati telefonino e SRB.<br />
2.6.3 Esposizione alla radiazione emessa da un telefono cellulare (SAR)<br />
Come accennato nell’introduzione (e come vedremo più in dettaglio nel capitolo 3), la<br />
grandezza che meglio caratterizza il livello di esposizione di un soggetto alla radiazione e.m.<br />
ad alta frequenza, è il tasso d'assorbimento specifico SAR (W/kg), che indica la potenza<br />
rilasciata dalla radiazione nel corpo. La SAR dipende fortemente dalle modalità di<br />
accoppiamento dei campi (ed in particolare della sorgente) con il soggetto esposto. Quello<br />
dell’uso del cellulare rappresenta un caso peculiare, in quanto le sue modalità di utilizzo, ed in<br />
particolare il fatto che venga normalmente tenuto vicino ad un orecchio, rendono abbastanza<br />
standardizzabili le modalità di accoppiamento tra sorgente di radiazione RF (l’antenna del<br />
cellulare) e soggetto esposto (testa dell’utente).<br />
I valori di SAR possono essere misurati attraverso un apposito apparato sperimentale; questo<br />
comprende un fantoccio, che viene realizzato con caratteristiche e materiali tali da simulare il<br />
comportamento elettrico di una testa umana e dei suoi tessuti biologici.<br />
Figura 2.12 Fantoccio con cellulare per la misura della SAR<br />
31
Data l’enorme diffusione dei telefonini e l’importanza economica e sociale della questione<br />
sanitaria legata ai possibili effetti biologici delle radiazioni emesse, sono stati fissati dei<br />
protocolli da seguire nell’esecuzione delle misure. In tabella 2.10 sono riportati i diversi<br />
protocolli da seguire per i paesi occidentali, insieme ai limiti di esposizione ed ai riferimenti<br />
alla normativa.<br />
Tabella 2.10 Protocollo di riferimento per la misura della SAR; sono indicati anche i valori limite [8]<br />
Area<br />
Protocollo di Misura della SAR<br />
Riferimento per il<br />
limite di SAR<br />
Limite<br />
Europa<br />
European Specification<br />
ES 59005 (1998)<br />
ICNIRP Guidelines 1998<br />
(ICNIRP 1998) [16]<br />
2,0 W/Kg in 10g di<br />
tessuto per 6<br />
minuti<br />
Australia<br />
Australian Communications Authority<br />
(ACA) Standard<br />
(ACA RS 1999)<br />
Australian Standard<br />
AS/NZS 2772.1<br />
1,6 W/Kg in 1g di<br />
tessuto<br />
US<br />
Federal Communications Commission<br />
(FCC)<br />
Guidelines (FCC 1997)<br />
American Standard ANSI<br />
C95.1 (ANSI 1992)<br />
1,6 W/Kg in 1g di<br />
tessuto per 30<br />
minuti<br />
I produttori di cellulari sono obbligati a mettere in commercio solo apparecchi che abbiano<br />
valori di SAR inferiori ai limiti indicati in tabella; i valori di SAR misurati devono inoltre<br />
essere resi pubblici; vi è però ancora un po’ di confusione per chi debba eseguire le misure (il<br />
produttore stesso o un ente autonomo) 11 , e sulla modalità di diffusione dei valori di SAR<br />
misurati 12 ([8] [44]).<br />
11 Attraverso una semplice informativa pubblicata sul suo sito internet, la Federal Communications Commission<br />
(FCC) americana ha rivisto la propria posizione in merito alla sicurezza dei telefonini.<br />
L'Ente ha deciso di far ricadere sui costruttori l'obbligo di condurre i test sul livello di emissioni SAR. Devono<br />
essere i produttori a testare il funzionamento dei cellulari, per stabilire il livello di emissioni in ogni possibile<br />
condizione e per tutte le bande di frequenza. La Federal Communications Commission ha imposto un limite SAR<br />
medio di 1,6 W/kg di tessuto corporeo.<br />
12 A titolo di esempio, la NOKIA pubblica sul suo sito internet le informazioni relative alla SAR dei suoi modelli<br />
di cellulari; interrogata sul modello NOKIA 5800, fornisce le seguenti informazioni:<br />
“Questo dispositivo cellulare è conforme ai requisiti delle direttive vigenti per l’esposizione alle onde radio. […]<br />
È stato ideato per non superare i limiti per l'esposizione alle onde radio raccomandati dalle direttive<br />
internazionali. […] Il limite SAR indicato nelle direttive ICNIRP è pari a 2,0 W/kg su una media di oltre 10<br />
grammi di tessuto. […]. I test per i livelli di SAR vengono eseguiti utilizzando le normali posizioni d'uso con il<br />
dispositivo che trasmette al massimo livello di potenza certificato in tutte le bande di frequenza testate. Il livello<br />
massimo di SAR in base alle direttive ICNIRP per l’uso del dispositivo sull’orecchio è 0,97 W/kg.”<br />
32
2.6.4 Esposizione alla radiazione emessa dalle Stazioni Radio Base<br />
L’esposizione ai campi prodotti dalle SRB è generalmente più bassa di quella dovuta ai<br />
cellulari; nonostante le potenze delle SRB siano certamente maggiori di quelle dei cellulari, la<br />
distanza dai soggetti esposti (pochi centimetri per i cellulari, centinaia di metri per le SRB<br />
delle macrocelle), rende sicuramente minore l’esposizione alle radiazioni provenienti dalle<br />
SRB.<br />
Le antenne delle stazioni radio base SRB che servono le macrocelle sono montate su torri a<br />
stelo, in genere a 10-30 m di altezza, su torri più basse in cima agli edifici, o attaccate su una<br />
facciata degli edifici. In una configurazione tipica, ogni torre supporta tre antenne, ciascuna<br />
delle quali trasmette in un settore di 120°.<br />
Per ottenere una copertura mirata, nelle telecomunicazioni si utilizzano antenne speciali il cui<br />
fascio di radiazione ha uno specifico angolo d’emissione orizzontale e verticale, col risultato<br />
che queste antenne non inviano il segnale uniformemente nello spazio, ma quasi tutta<br />
l’intensità viene trasmessa in una direzione soltanto. In questo modo si evita di disperdere<br />
inutilmente energia verso luoghi in cui non ci sono utenti. In prima approssimazione ci si può<br />
immaginare la radiazione emessa dall’antenna simile al fascio di luce emesso da una torcia<br />
elettrica o da un faro, che parte dall’antenna e si propaga espandendosi in funzione della<br />
distanza, ma perdendo gradualmente d’intensità.<br />
Gran parte della potenza è concentrata in un raggio di ampiezza di circa 6 0 , ed il resto va in<br />
una serie di deboli raggi (chiamati lobi laterali) ai due lati del fascio principale. Il raggio<br />
principale è leggermente inclinato verso il basso (Figura 2.13) ma non raggiunge il livello del<br />
suolo fino a quando la distanza dalla torre è di almeno 50 m (di solito 50-200 m).<br />
Figura 2.13 Lobo principale del fascio di radiazione emesso da un’antenna di telefonia mobile; il<br />
fascio ha un’ampiezza di circa 6 0 , ed è leggermente inclinato verso il basso, raggiungendo il terreno ad<br />
una distanza di variabile a seconda le circostanze, generalmente tra 50 e 200m.<br />
33
Figura 2.14 Fascio di radiazione emesso da un’antenna di telefonia mobile. Il<br />
grafico riporta approssimativamente la distribuzione percentuale dell’intensità di<br />
campo prodotta da un’antenna montata sul tetto di un edificio. Di regola, anche<br />
nella direzione del fascio non si supera la soglia preventiva di legge (6 V/m a<br />
partire da una distanza di 30 - 40 metri dall’antenna. La casa che ospita le antenne<br />
ha un’esposizione minima.<br />
Figura 2.15 Radiazioni emesse da un’antenna. Con l’aumentare della distanza dalla<br />
stazione radio base cala l’esposizione alle onde elettromagnetiche. Tuttavia, benché<br />
l’edificio A si trovi ad una distanza maggiore dalla stazione, la sua esposizione alle onde<br />
elettromagnetiche risulta maggiore, poiché è ubicato in corrispondenza della direzione di<br />
massimo irraggiamento. Anche in questa posizione, il campo a partire da una distanza di<br />
30-40 metri dall’antenna non supera quasi mai la soglia preventiva di 6 V/m che la legge<br />
italiana stabilisce. L’edificio C, posto dietro all’antenna trasmittente, non è interessato<br />
dalle radiazioni.<br />
Il limite alla potenza di trasmissione delle SRB è di fatto fissato dalla necessità di evitare<br />
interferenze RF con le celle vicine, ed è definito da una licenza rilasciata da parte dell'agenzia<br />
delle radiocomunicazioni. Queste disposizioni non limitano direttamente la potenza totale<br />
emessa ma lo fanno indirettamente fissando l'intensità massima che una antenna in grado di<br />
34
trasmettere nel raggio principale. Ciò viene fatto definendo la massima "potenza isotropa<br />
irradiata equivalente" (Equivalent Isotropically Radiated Power EIRP) che può essere<br />
trasmessa. L'EIRP è la potenza equivalente che dovrebbe emettere l’antenna se irradiasse in<br />
modo isotropo in tutte le direzioni. In realtà, come già osservato, le antenne utilizzate sono<br />
molto lontane dalla emissione isotropa, con la maggior parte della potenza emessa nel raggio<br />
principale, e il rapporto tra la EIRP e la potenza totale di uscita è chiamato il guadagno<br />
dell'antenna. Per un settore di 120 0 il guadagno di antenna è di solito compreso tra 40 e 60.<br />
Henderson e Bangay [9] hanno riportato i risultati dei livelli di esposizione da radiazioni<br />
provenienti dalle antenne di stazioni radio base; le misure sono state fatte a distanze variabili,<br />
da 50 a 500 m dalle sorgenti, in cinque città australiane.<br />
Tabella 2.10 Misure eseguite a varie distanze dalle stazioni radio base [1]<br />
Tecnologia<br />
CDMA (UMTS)<br />
(29 torri)<br />
Livelli di flusso di potenza media misurati W/m -2<br />
50 m 200 m 500 m Massimo 1<br />
2.7·10 -5 3.3·10 -5 5.9·10 -6 8.1·10 -5<br />
GSM900<br />
(51 torri)<br />
GSM1800<br />
(12 torri)<br />
3G<br />
(35 torri)<br />
3.3·10 -4 2.6·10 -4 2.3·10 -5 7.1·10 -4<br />
3.1·10 -4 4.1·10 -5 4.7·10 -6 4.3·10 -4<br />
4.1·10 -5 5.6·10 -5 7.6·10 -6 1.4·10 -4<br />
Tutti 3.8·10 -4 2.8·10 -4 2.8·10 -5 8.1·10 -4<br />
1 Massimo si ha a distanza compresa tra 50 e 200 m<br />
Tramite la 2.5 è possibile determinare il campo elettrico; I = 8,1 10 -4 W/m 2 → E = 0,55 V/m<br />
Misure in prossimità di SRB di micro e pico celle di sistemi GSM sono state eseguite da<br />
Cooper [10]. Sono state scelte in modo random 20 antenne GSM, situate ad un altezza<br />
compresa tra 2,5 m e 9 m, con potenze nominali per ciascun antenna compresa tra 1 e 5 Watt.<br />
Il 95% delle misure è risultato compreso in un intervallo di 21 dB. La densità di potenza<br />
media alla distanza di un metro è stata di 2 10 -2 W/m 2 , scesa a 3 10 -3 W/m 2 a 10 m e a 2 10 -6<br />
W/m 2 a 100m.<br />
35
3 MECCANISMI <strong>DI</strong> INTERAZIONE DEI CAMPI E.M.<br />
CON I SOGGETTI BIOLOGICI ESPOSTI<br />
3.1 Interazione dei campi e.m. con la materia<br />
Abbiamo già visto che l’interazione delle radiazioni ad alta energia può determinare nella<br />
materia fenomeni quantistici di ionizzazione e di rottura di legami chimici. Le radiazioni a RF<br />
non hanno l’energia sufficiente a determinare tali fenomeni, ma interferiscono ugualmente<br />
con le cariche elettriche costituenti la materia; il campo elettrico e magnetico esterni infatti,<br />
causano delle forze su tali cariche, facendone variare la distribuzione originaria (equilibrio); la<br />
nuova distribuzione che si viene a determinare, crea a sua volta dei campi all’interno della<br />
materia, che si vanno a sommare a quelli esterni. Per quanto riguarda gli effetti magnetici,<br />
questi sono rilevanti per i materiali ferromagnetici (ferro, nichel, cobalto, e alcune leghe); per<br />
i rimanenti materiali (compresi, con rarissime eccezioni, i tessuti biologici), gli effetti<br />
magnetici sono trascurabili, e ci si può limitare ai soli effetti del campo elettrico, che<br />
possiamo sintetizzare:<br />
1. polarizzazione delle cariche legate<br />
2. orientamento dei dipoli permanenti<br />
3. spostamento delle cariche libere (conduzione)<br />
I materiali soggetti principalmente ai primi due fenomeni sono detti dielettrici; i materiali<br />
soggetti principalmente al terzo fenomeno sono detti conduttori.<br />
Il primo fenomeno avviene nelle molecole neutre; la presenza di un campo esterno induce le<br />
cariche presenti nella molecola a spostarsi, le cariche positive in direzione del campo, quelle<br />
negative dalla parte opposta; si viene così a creare un dipolo elettrico indotto (vedi figura 3.1).<br />
Figura 3.1 Polarizzazione di un atomo o di<br />
una molecola in presenza di un campo<br />
elettrico esterno<br />
36
Il secondo effetto riguarda l’azione del campo elettrico esterno sull’orientazione dei dipoli<br />
permanenti (quelli presenti anche senza il campo esterno, sono principalmente rappresentati<br />
da molecole polari come l’acqua); in assenza di campo i dipoli sono orientati in modo casuale,<br />
per cui l’effetto complessivo è nullo; in presenza di campo esterno i dipoli tendono ad<br />
orientarsi in maniera parallela al campo; l’orientazione rimane parziale per effetto<br />
dell’agitazione termica; rimane comunque un effetto complessivo che si somma al campo<br />
esterno.<br />
Figura 3.2 Orientazione di un dipolo in<br />
presenza di un campo elettrico esterno<br />
Dal punto di vista formale, lo stato di polarizzazione di un materiale viene descritto da vettore<br />
spostamento elettrico D, legato al campo esterno E dalla relazione:<br />
D = ε·E =ε r ε 0·E (3.1)<br />
Dove ε è la permittività elettrica (o costante dielettrica), ε r è permittività elettrica relativa<br />
(entrambe dipendenti dal particolare materiale), ε 13 0 è una costante universale (costante<br />
dielettrica del vuoto).<br />
Nel caso di campi variabili nel tempo, gli spostamenti delle cariche elettriche danno origine<br />
ad una corrente, la cui densità si calcola:<br />
∂<br />
J = D<br />
S (3.2)<br />
∂t<br />
Dove J S indica il vettore densità di corrente di spostamento; nel caso di variazioni nel tempo<br />
di tipo sinusoidale, le grandezze possono essere rappresentate con i corrispondenti fasori:<br />
J S<br />
= i ω ⋅ D = iω ⋅ ε ⋅ E<br />
(3.3)<br />
13 ε 0 = 8,85·10 -12 F/m<br />
37
Il terzo fenomeno si ha in presenza di cariche libere all’interno del materiale; il campo esterno<br />
agisce su tali cariche (elettroni o ioni), causandone il movimento (deriva) nel materiale;<br />
l’effetto macroscopico è una corrente di conduzione, che dà origine ad un campo magnetico.<br />
L’equazione che caratterizza questo fenomeno è la 3.4.<br />
J C = σ·E (3.4)<br />
Dove J C è la densità superficiale di corrente di conduzione [A/m 2 ] e σ è la conducibilità<br />
elettrica del materiale [S/m].<br />
Oltre che dalla natura del materiale, ε e σ dipendono dalla temperatura e, nel caso di campo<br />
elettrico variabile nel tempo con legge sinusoidale, dipendono dalla frequenza f del campo (o,<br />
che è lo stesso, dalla pulsazione ω = 2πf).<br />
Questa dipendenza dalla frequenza riflette il fatto che la polarizzazione di un materiale non<br />
risponde istantaneamente a un campo applicato. La risposta deve essere sempre causale (deve<br />
manifestarsi dopo il campo applicato), e questo può essere rappresentato da una differenza di<br />
fase tra causa (campo esterno) ed effetto (polarizzazione della materia). Per questo motivo la<br />
permittività è spesso trattata come una funzione complessa della pulsazione ω del campo<br />
applicato (in quanto i numeri complessi permettono di specificare modulo e fase). La<br />
definizione di permittività diventa quindi:<br />
e la 3.1 viene riscritta:<br />
) E<br />
ε (ω) =<br />
(3.5)<br />
D<br />
D = ) ε (ω)<br />
⋅ E<br />
(3.6)<br />
dove D e E sono i fasori del vettore di spostamento e del campo elettrico.<br />
La risposta del mezzo al campo elettrico statico è descritta dal limite a bassa frequenza della<br />
permittività ) ε (ω)<br />
, chiamata permittività statica :<br />
lim<br />
ω→ 0<br />
ε<br />
s<br />
= ˆ( ε ω)<br />
(3.7)<br />
Nel limite ad alta frequenza, la permittività complessa è comunemente indicata con ε ∞ .<br />
Poiché la risposta dei materiali ai campi alternati è caratterizzato da una permittività<br />
complessa, è naturale separare le parti reali e immaginarie, che si fa per convenzione nel<br />
seguente modo:<br />
38
( δ − isenδ<br />
)<br />
ˆ ε ( ω)<br />
= ε '(<br />
ω)<br />
− iε<br />
''(<br />
ω)<br />
= ε cos<br />
(3.8)<br />
dove<br />
ε" è la parte immaginaria della permittività, ed è legata alla dissipazione (o perdita) di energia<br />
all'interno del mezzo.<br />
ε' è la parte reale della permittività, che è legata alla energia immagazzinata all'interno del<br />
mezzo.<br />
È possibile dimostrare che la parte immaginaria della costante complessa deve essere<br />
negativa; si può arrivare a questa conclusione anche attraverso semplici considerazioni.<br />
Prendiamo in esame un piccolo volume di materiale omogeneo, sottoposto a campo elettrico;<br />
possiamo schematizzare il piccolo volume come un parallelepipedo al quale su due facce<br />
opposte applichiamo una differenza di potenziale.<br />
Figura 3.3 Volume elementare di resistività ρ<br />
e permittività elettrica ε<br />
Il volume di materiale di sezione S e altezza d si comporta come un circuito costituito da una<br />
resistenza in parallelo con un condensatore; si ha:<br />
S<br />
C = ε ⋅<br />
(3.9)<br />
d<br />
d<br />
R = ρ<br />
(3.10)<br />
S<br />
dove ρ è la resistività del materiale, pari al reciproco della sua conducibilità σ; è possibile<br />
calcolare l’impedenza equivalente Z del circuito parallelo:<br />
1<br />
Z<br />
=<br />
1<br />
+ iωC<br />
=<br />
R<br />
⎛ 1 ⎞<br />
jω⎜ε<br />
+ ⎟<br />
⎝ iωρ<br />
⎠<br />
S<br />
d<br />
(3.11)<br />
39
Possiamo vedere il prisma come un condensatore in cui le perdite nel dielettrico sono causate<br />
da una costante dielettrica complessa, la cui parte immaginaria vediamo essere negativa.<br />
1 σ<br />
ˆ ε = ε + = ε − i = ε'<br />
−iε<br />
' '<br />
(3.12)<br />
iωρ<br />
ω<br />
La parte immaginaria della costante dielettrica è sempre negativa per ragioni fisiche, dato che<br />
essa è responsabile dell’effetto dissipativo. Una parte immaginaria positiva corrisponderebbe<br />
a una non fisica produzione di energia nel materiale.<br />
La corrente totale che attraversa il materiale può essere espressa come somma dei due<br />
contributi di conduzione e di spostamento:<br />
Mettendo in evidenza il campo E:<br />
J<br />
= J + J = i ω ε·<br />
Ε + σ Ε<br />
(3.13)<br />
T S C<br />
·<br />
J T<br />
⎛ σ ⎞ ⎛ σ ⎞<br />
= ( i ωε + σ ) ⋅ E = iω<br />
⋅ ⎜ε<br />
+ ⎟ ⋅ E = iω<br />
⋅ ⎜ε<br />
− i ⎟ ⋅ E = iω<br />
⋅ ˆ ε ⋅ E (3.14)<br />
⎝ iω<br />
⎠ ⎝ ω ⎠<br />
Dove εˆ è la permittività complessa.<br />
I diversi materiali possono essere classificati in base a quale dei due contributi di corrente (di<br />
spostamento Js o di conduzione Jc) risulta essere prevalente, e quindi in base alla permittività<br />
ε e alla conducibilità σ del materiale stesso. Definiamo p il rapporto tra la corrente di<br />
conduzione e quella di spostamento (in modulo):<br />
J<br />
C<br />
σ ε'<br />
'<br />
p = =<br />
(3.15)<br />
J ωε ' ε '<br />
=<br />
S<br />
I materiali per i quali prevale la corrente di conduzione, J C >> J S e p >> 1, sono detti<br />
conduttori.<br />
I materiali per i quali prevale la corrente di spostamento, J S >> J C e p
frequenza. n primo luogo, vi sono gli effetti di rilassamento associati ai dipoli molecolari<br />
permanenti e indotti. Alle basse frequenze il campo cambia abbastanza lentamente da<br />
permettere ai dipoli di raggiungere l'equilibrio, prima che il campo possa cambiare.<br />
L’orientazione dei dipoli segue quella del campo esterno. All’aumentare della frequenza i<br />
dipoli non riescono più a seguire il campo di applicazione a causa della viscosità del mezzo, e<br />
l'assorbimento di energia del campo porta alla dissipazione di energia. Tale fenomeno e per i<br />
dipoli ideali è descritto dal classico rilassamento di Debye.<br />
In secondo luogo vi sono da considerare gli effetti di risonanza, che derivano dalla rotazioni o<br />
vibrazioni degli atomi, degli ioni o degli elettroni. Questi processi si osservano in prossimità<br />
delle frequenze caratteristiche di assorbimento.<br />
Gli effetti sopra descritti spesso si combinano per causare effetti non lineari, e ne risulta un<br />
andamento con la frequenza abbastanza irregolare.<br />
Un materiale che assorbe una notevole quantità di energia per un dato campo applicato viene<br />
detto materiale dispersivo.<br />
Una misura della dispersività di un materiale è il valore immaginario della costante dielettrica<br />
ε": maggiore è la ε", maggiore sarà la perdita per il materiale. In alcuni manuali viene<br />
riportata la tangente di perdita, definita come:<br />
ε'<br />
'<br />
tg δ<br />
p<br />
=<br />
(3.16)<br />
ε '<br />
La tangente di perdita varia con la frequenza; per l’acqua pura è pari a 0,040 alla frequenza di<br />
1MHz, e 0,265 a 25 GHz [11]. Generalmente più un materiale è umido, maggiori saranno le<br />
sue perdite.<br />
In regime sinusoidale è possibile ricavare la potenza media assorbita all’interno ad un corpo<br />
esposto ai campi RF tramite la 3.17<br />
P = σ·E 2 (3.17)<br />
dove σ è la conducibilità del materiale ed E è l’intensità del campo elettrico nel punto<br />
considerato interno al materiale; dividendo questo valore per la densità di massa ρ m , si ottiene<br />
la SAR in quel punto:<br />
2<br />
σ ⋅ E<br />
SAR = (3.18)<br />
ρ<br />
m<br />
41
3.2 Interazione della radiazione e.m. con un corpo macroscopico<br />
Quando un’onda e.m. che si propaga in un dato mezzo incontra un corpo con caratteristiche<br />
elettriche diverse, subisce alcune significative modificazioni, riguardanti l’intensità dei campi<br />
e la velocità di propagazione. Sulla superficie di separazione tra i due mezzi inoltre,<br />
l’interazione tra campi e cariche elettriche della materia determina la riflessione parziale (in<br />
alcuni casi totale) dell’onda incidente; i fenomeni sono fortemente dipendenti dalla frequenza<br />
dei campi, dalla natura elettrica dei materiali, e dalla geometria dei corpi considerati; a<br />
seconda del tipo di materiale, si possono distinguere tre casi tipici, come illustrato in figura<br />
3.5.<br />
Figura 3.5 interazione di un onda e.m. piana con una superficie piana;<br />
a) materiale conduttore; b) tessuto biologico; c) materiale isolante<br />
La prima immagine mostra il caso in cui l’onda e.m. impatta un conduttore (ad esempio un<br />
metallo); in questo caso tutta l’energia incidente viene riflessa.<br />
Nella parte bassa della figura (caso c) viene mostrato il caso in cui l’onda incontri un<br />
materiale isolante; la maggior parte dell’energia attraversa l’oggetto, una parte viene riflessa<br />
indietro, e una parte (modesta) viene dissipata all’interno dell’oggetto stesso.<br />
Il caso intermedio, mostrato al centro della figura, è quello caratteristico dei materiali<br />
biologici, in cui la permittività e la conducibilità elettriche presentano valori intermedi a quelli<br />
dei conduttori e degli isolanti; se lo spessore dell’oggetto è sufficiente, l’energia dell’onda<br />
viene riflessa o dissipata all’interno, e solo una piccola parte viene trasmessa.<br />
42
Considerando il caso semplice di un’onda piana a RF incidente su una superficie di<br />
separazione piana, possiamo andare a definire i seguenti coefficienti.<br />
coefficiente di riflessione<br />
E<br />
E<br />
r<br />
Γ =<br />
(3.19)<br />
i<br />
coefficiente di trasmissione<br />
E<br />
E<br />
t<br />
T = (3.20)<br />
i<br />
Dove E i , E r , E t sono rispettivamente l’intensità del campo elettrico dell’onda incidente,<br />
riflessa, trasmessa.<br />
Le relazione per Γ e T diventano piuttosto semplici per dielettrici senza perdite (p « 1) e per<br />
buoni conduttori (p » 1). Poiché le sostanze biologiche non sono né l'uno né l'altro, sono<br />
necessarie le espressioni più generali per Γ e T, applicabili alla superficie piana.<br />
Figura 3.6 Interazione di un onda e.m. piana con una superficie piana [12]<br />
Per incidenza perpendicolare, illustrata in fig. 3.6, i coefficienti di riflessione e di trasmissione<br />
si possono ricavare dalla 3.21 e 3.22<br />
η −η<br />
η + η<br />
2 1<br />
Γ =<br />
(3.21)<br />
2<br />
1<br />
2 ⋅η2<br />
T = = 1 + Γ<br />
(3.22)<br />
η + η<br />
ove η 1 ed η 2 sono le impedenze d'onda, rispettivamente del mezzo 1 e 2.<br />
2<br />
1<br />
43
L'impedenza d'onda di un mezzo è il rapporto del campo E su quello H in un'onda piana che si<br />
propaga attraverso quel mezzo; essa ed è data dalla 3.23<br />
iωµ<br />
η = (3.23)<br />
σ + iωε<br />
Chiaramente Γ e T sono in generale numeri complessi, anche quando il mezzo 1 è l'aria per la<br />
quale l'equazione 3.23 si riduce alla quantità reale η 0 = (µ 0 /ε 0 ) 1/2 = 377Ω; il mezzo 2 che<br />
considereremo infatti, è la materia vivente, che usualmente ha un'impedenza d'onda<br />
complessa alle RF. Le potenze incidente, riflessa e trasmessa sono date dalle 3.24<br />
P<br />
i<br />
2<br />
i<br />
E<br />
= ⋅ R<br />
(3.24a)<br />
η<br />
1<br />
1<br />
P<br />
r<br />
2<br />
r<br />
E<br />
= ⋅ R<br />
(3.24b)<br />
η<br />
1<br />
1<br />
P<br />
t<br />
2<br />
t<br />
E<br />
= ⋅ R<br />
(3.24c)<br />
η<br />
2<br />
2<br />
Dove R 1 e R 2 sono la parte reale di η 1 e η 2 . Se il mezzo 1 è l'aria, η 1 =R 1 =377Ω.<br />
L'ampiezza del coefficiente di trasmissione T per l'interfaccia aria-muscolo nell'intervallo di<br />
frequenza 1÷100 MHz è riportata in fig. 3.7; l'ampiezza del campo E trasmesso nel tessuto<br />
muscolare è considerevolmente più piccola di quella del campo E nell'aria.<br />
Figura 3.7 Rapporto tra potenza trasmessa e potenza incidente<br />
espresso come percentuale della potenza incidente. Interfaccia<br />
aria-muscolo, incidenza perpendicolare (eq. 3.29). [12]<br />
44
Oltre alla riflessione sulla superficie di separazione aria-tessuto, ulteriori riflessioni hanno<br />
luogo ad ogni discontinuità tra materiali diversi. Come esempio, è mostrata in tabella 3.1<br />
l'ampiezza del coefficiente di riflessione sulla superficie di separazione tra muscolo e<br />
materiali organici con basso contenuto d'acqua, tipo grasso od osso.<br />
Tabella 3.1 Coefficiente di riflessione al passaggio di un’onda piana su una superficie piana di<br />
separazione tra muscolo e altro materiale organico con basso contenuto di acqua [12]<br />
Freq. (MHz) σ ε r σ/ωε 0 ε r =p<br />
1 0.40 2000 3.6<br />
10 0.63 160 7.1<br />
100 0.89 72 2.2<br />
10 3 1.65 50 0.59<br />
10 4 10.3 40 0.46<br />
10 5 80 6 2.4<br />
La situazione ovviamente si complica nel caso di incidenza non normale con i coefficienti di<br />
trasmissione e riflessione che dipendono dall’angolo di incidenza e dallo stato di<br />
polarizzazione della radiazione.<br />
Quando sono presenti vari strati di tessuto si deve tener conto delle riflessioni nelle varie<br />
interfacce e del fatto che una parte dell’energia riflessa all’indietro può nuovamente essere<br />
riflessa in avanti.<br />
3.3 Assorbimento della radiazione e.m. – Spessore di penetrazione<br />
L’assorbimento di energia da parte di un corpo investito da un onda elettromagnetica è<br />
fortemente dipendente dalla frequenza dell’onda; molte misure sui diversi materiali e tessuti<br />
biologici sono stati eseguiti nel corso degli anni dai diversi ricercatori, fornendo una serie di<br />
dati caratteristici.<br />
Il primo modello con il quale spigare il fenomeno è quello dell’onda piana che investe una<br />
superficie piana; si tratta di un modello poco realistico, ma utile per definire alcune importanti<br />
caratteristiche del mezzo in esame; penetrando nel mezzo, l’onda gradualmente cede la sua<br />
energia e si attenua; si verifica che l’intensità dei campi (elettrico e magnetico) dell’onda<br />
diminuiscono con una legge esponenziale:<br />
45
x<br />
−<br />
δ<br />
E = E 0<br />
⋅ e<br />
(3.25)<br />
dove E 0 è l’intensità del campo trasmesso sulla superficie piana di ingresso dell’onda, x è la<br />
distanza percorsa nel mezzo, δ è una distanza caratteristica, definita spessore di penetrazione<br />
(skin depth); δ è la distanza alla quale l’onda, ovvero l’intensità del campo elettrico E e del<br />
campo magnetico H, si è attenuata di un fattore e -1 .<br />
Lo spessore di penetrazione δ dipende dalle caratteristiche del materiale (permittività e<br />
conducibilità elettriche) e dalla frequenza dell’onda, come si vede nella 3.26 [12]<br />
δ =<br />
⎡ µ<br />
0ε<br />
'<br />
ω ⋅<br />
⎢<br />
⎣ 2<br />
1<br />
2<br />
( 1 + p −1)<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
1<br />
2<br />
(3.26a)<br />
σ ε ''<br />
p = =<br />
(3.26b)<br />
ω ⋅ε<br />
' ε '<br />
dove anche ε’ che ε’’ dipendono dalla frequenza.<br />
In figura 3.8 è riportato l’andamento dello spessore di penetrazione per il tessuto muscolare in<br />
funzione della frequenza.<br />
Figura 3.8 Andamento dello spessore di penetrazione per il tessuto muscolare<br />
in funzione della frequenza [14]<br />
Per gli oggetti di dimensioni finite, ed in particolari quelli con dimensioni paragonabili alla<br />
lunghezza d’onda λ, le modalità di penetrazione dei campi dipendono sensibilmente dalla<br />
forma, dalle dimensioni dell’oggetto, e dalla polarizzazione dell’onda; l’orientazione dei<br />
46
campi incidenti E ed H rispetto all’oggetto irradiato ha un effetto considerevole sulla intensità<br />
dei campi all’interno.<br />
Nel caso di oggetti aventi simmetria circolare lungo un asse, è possibile definire tre tipi di<br />
polarizzazione caratteristici, in base a quale dei tre vettori E, H, k risulta parallelo all’asse<br />
principale dell’oggetto esposto; si avrà quindi polarizzazione E se E è parallelo all’asse<br />
maggiore, polarizzazione H se H è parallelo all’asse maggiore, polarizzazione k se k è<br />
parallelo all’asse maggiore<br />
Figura 3.9 Tipi di polarizzazione per radiazione incidente su<br />
un oggetto con simmetria circolare lungo un asse; [11]<br />
Per gli oggetti che non hanno simmetria di rivoluzione, le cose sono un po’ più complicate; si<br />
definiscono sei polarizzazioni, come mostrato negli ellissoidi in figura 3.11.<br />
Figura 3.10 Tipi di polarizzazione per radiazione incidente<br />
su un oggetto privo di particolare simmetria [11]<br />
Gli ellissoidi hanno tre semiassi, di lunghezza a, b, c, con a>b>c; la polarizzazione è definita<br />
con quale vettore è parallelo a ciascun asse (considerati in ordine crescente); per esempio<br />
nella polarizzazione EHK E è parallelo ad a, H è parallelo a b, k è parallelo a c.<br />
47
3.4 Proprietà elettriche dei tessuti biologici<br />
La permeabilità magnetica dei tessuti biologici è sostanzialmente uguale a quella del vuoto (o<br />
dell’aria); la permittività e la conducibilità elettrica invece sono sensibilmente diverse dal<br />
vuoto, e dipendono fortemente dalla frequenza, oltre che naturalmente, dalla particolare<br />
natura del tessuto considerato; in figura 3.11 sono mostrati gli andamenti di ε’ ed ε’’ in<br />
funzione della frequenza per il tessuto muscolare.<br />
Figura 3.10 Valori della permeabilità complessa ε’ e ε’’ in funzione della<br />
frequenza per il tessuto muscolare fonte [14]<br />
Al di sotto di 1MHz i tessuti diventano anisotropi, e la conducibilità in una direzione è diversa<br />
da quella in una direzione diversa.<br />
La permittività generalmente diminuisce con l’aumento della frequenza; questo come<br />
conseguenza dell’inerzia dei dipoli a rispondere a variazioni rapide dei campi.<br />
Nei tessuti la ε" tiene conto della conduttività ionica e dei fenomeni di assorbimento causati<br />
dai processi di rilassamento, tra cui l'attrito associato al riallineamento dei dipoli elettrici e ai<br />
moti vibrazionali e rotazionali delle molecole.<br />
48
3.5 Tasso di Assorbimento Specifico SAR<br />
Quando un’onda elettromagnetica penetra in un mezzo dielettrico dispersivo,<br />
progressivamente cede a questo energia; l’energia, o meglio, la potenza ceduta, viene valutata<br />
in termini di assorbimento specifico (Specific Absorbition Rate), ovvero di potenza ceduta per<br />
unità di massa.<br />
Potenza ⎡Watt<br />
⎤<br />
SAR =<br />
massa<br />
⎢ ⎥<br />
⎣ kg ⎦<br />
(3.27)<br />
La SAR è una funzione puntuale; a rigore va definita come la potenza assorbita in un volume<br />
piccolo intorno ad un dato punto (ma fisicamente abbastanza grande da contenere un numero<br />
sufficientemente alto di molecole), diviso la massa contenuta in quel volume; è possibile<br />
definire anche una SAR complessiva come potenza totale assorbita da un corpo macroscopico<br />
diviso la sua massa totale; quella che si ottiene è una SAR media di tutto il corpo; se<br />
l’oggetto esposto è grande rispetto alla lunghezza d’onda della radiazione, si potrebbero avere<br />
anche forti disomogeneità della SAR all’interno del corpo.<br />
La SAR puntuale è legata al valore del campo elettrico attraverso la formula 3.28.<br />
SAR<br />
( x,<br />
y,<br />
z)<br />
σ<br />
2<br />
( x,<br />
y,<br />
z) ⋅ E ( x,<br />
y,<br />
z)<br />
ρ ( x,<br />
y z)<br />
= (3.28)<br />
m<br />
,<br />
dove σ è la conducibilità elettrica (misurata in Siemens/m) e ρ m è la densità di massa del<br />
tessuto (misurata in kg/m 3 ), ed E è il campo elettrico nel punto considerato. 14<br />
La SAR è una quantità molto importante nella dosimetria; essa può essere misurata in quanto<br />
l’energia assorbita si manifesta come calore; inoltre consente una misura indiretta dei campi<br />
all’interno di un corpo irradiato, campi che sono l’effettiva causa dei diversi effetti biologici,<br />
di cui l’aumento di temperatura è solo quello più evidente; ricordiamo infatti, che il valore dei<br />
campi interni può essere sensibilmente diverso da quello misurato all’esterno, dipendendo<br />
fortemente dalla geometria (forma e dimensioni) e dalla natura del corpo irradiato; per un una<br />
valida lettura dei risultati sperimentali condotti su cavie animali e vegetali diverse da quelle<br />
umane, la SAR risulta la misura più valida e coerente.<br />
14 È importante ribadire che il valore del campo elettrico E da considerare nella 3.28 è il campo interno<br />
che, per le ragioni spiegate nei paragrafi precedenti (riflessione, spessore di penetrazione) può essere<br />
molto diverso dal valore di campo che si ha all’esterno dell’oggetto esposto.<br />
49
La SAR risulta essere fortemente dipendente dalla frequenza della radiazione e.m. In<br />
particolare si osservano sperimentalmente dei picchi di assorbimento in corrispondenza di<br />
particolari frequenze di risonanza; tali risonanze dipendono a loro volta dalla forma e<br />
soprattutto dalle dimensioni del corpo investito; per un corpo biologico dalle dimensioni<br />
umane essa avviene a circa 80 MHz (polarizzazione E dell’onda), mentre per un corpo<br />
biologico delle dimensioni di un topo si ha a circa 600 MHz; nelle figure 3.11 sono mostrati<br />
gli andamenti della SAR in funzione della frequenza per uomo e topo (vengono distinte anche<br />
le tre diverse polarizzazioni E, H, k).<br />
uomo<br />
topo<br />
Figura 3.11 Andamento della SAR in funzione della frequenza per le tre polarizzazioni principali (k,<br />
E, H), per due diversi soggetti esposti (uomo e topo) [11]<br />
In generale, per i corpi sottili e conduttori, la risonanza avviene quando la lunghezza<br />
dell’oggetto è circa la metà della lunghezza d’onda della radiazione incidente; per i corpi<br />
biologici la risonanza avviene a frequenze per le quali la lunghezza del corpo è circa quattro<br />
decimi della lunghezza d’onda; una formula approssimata per il calcolo della frequenza di<br />
risonanza f 0 per polarizzazione E del campo è la 3.29<br />
f<br />
0<br />
⎡<br />
⎢2<br />
⎣<br />
π<br />
4<br />
2 2<br />
( l + )<br />
2<br />
8 2<br />
= ⋅ ⋅ l + d<br />
2,75<br />
10<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
−1/<br />
2<br />
(3.29)<br />
dove l è la lunghezza dell’oggetto, d è il diametro medio.<br />
Al di sotto della frequenza di risonanza la SAR varia circa come f 2 , mentre per frequenze<br />
maggiori va come 1/f.<br />
Dall’osservazione di misure sperimentali si evidenziano alcune caratteristiche peculiari della<br />
SAR e dei campi all’interno dei tessuti biologici, che si possono sintetizzare:<br />
50
1. i materiali (nel caso biologico, tessuti) ricchi di acqua (muscolo) assorbono dal campo<br />
e.m. più energia di quelli “secchi” (grasso, ossa);<br />
2. la SAR è maggiore quando il campo elettrico E risulta parallelo al corpo investito;<br />
3. la SAR è maggiore quando la sezione trasversale del corpo perpendicolare al campo<br />
magnetico H è grande;<br />
4. angoli e punte concentrano il campo elettrico; quando sono posti perpendicolari al<br />
campo E, fili conduttori e piatti causano una perturbazione minore ai campi;<br />
5. un campo incidente uniforme generalmente non determina un campo uniforme<br />
all’interno di un corpo;<br />
6. lo spessore di penetrazione diminuisce con la conducibilità del materiale e con la<br />
frequenza dell’onda;<br />
7. oggetti piccoli rispetto alla lunghezza d’onda causano un perturbazione piccola ai<br />
campi;<br />
8. nel caso che la radiazione incidente abbia polarizzazione E, la SAR aumenta se il<br />
corpo diventa lungo e sottile, diminuisce se diventa corto e tozzo.<br />
3.5.1 Misura della SAR<br />
Solitamente solo i laboratori di ricerca eseguono misure di SAR, in quanto esse sono<br />
relativamente difficili e richiedono condizioni e apparecchiature particolari. Vi sono<br />
essenzialmente tre tecniche per la misura della SAR.<br />
La prima tecnica consiste nel misurare il campo elettrico all’interno del corpo, usando<br />
apposite sonde di campo, e successivamente calcolare la SAR tramite la formula x; tale<br />
formula richiede la conoscenza della conducibilità del materiale alla frequenza di lavoro, e la<br />
sua densità di massa; questa tecnica è adatta per misurare la SAR solo in un punto specifico<br />
all’interno del materiale.<br />
Una seconda tecnica per la misura della SAR si basa sulla misura della variazione di<br />
temperatura dovuta al calore prodotto dall’energia assorbita dalla radiazione e.m. Una sonda<br />
inserita nel corpo del soggetto esposto misura la temperatura locale; dall’incremento di<br />
temperatura si può risalire alla SAR; tale calcolo è semplice se l’energia lasciata dal campo è<br />
elevata, e quindi la temperatura sale velocemente in poco tempo; nei primi istanti del<br />
transitorio termico lo scambio di calore con l’esterno è trascurabile, l’incremento di<br />
temperatura è lineare ed è legato al calore prodotto per unità di massa, che è equivalente alla<br />
SAR:<br />
51
∆T<br />
SAR = c<br />
(3.30)<br />
∆t<br />
dove c è il calore specifico [Joule/kg] e T è la temperatura<br />
Se l’incremento di temperatura non è lineare nel tempo, il calcolo della SAR è più complesso,<br />
e richiede la valutazione degli scambi termici con l’esterno. Un altro problema è rappresentato<br />
dalla presenza delle sonde di temperatura e dai loro fili di collegamento, che possono<br />
perturbare il campo elettrico producendo degli artefatti nelle misure; questo problema ha<br />
condotto allo sviluppo di sonde di temperatura che usano fibre ottiche o fili di collegamento<br />
ad alta resistenza.<br />
La terza tecnica consiste nel misurare la potenza in ingresso ed in uscita alla camera dove è<br />
presente il campione; se la camera è schermata, la differenza tra la potenza in ingresso e<br />
quella di uscita fornisce una misura della potenza totale assorbita dal campione, e questa,<br />
diviso la massa, da la SAR globale del campione esposto.<br />
52
4 EFFETTI BIOLOGICI DEI CAMPI E.M.<br />
4.1 Effetto biologico ed effetto sanitario<br />
Come abbiamo visto nel capitolo 3, una considerazione importante da valutare<br />
nell’esposizione alle RNI è l'accoppiamento del campo e.m. esterno (ovvero normalmente<br />
presente in un dato ambiente), con un soggetto biologico che si trova ad essere esposto a tale<br />
campo. Quando un organismo biologico (per esempio un individuo) si trova immerso in un<br />
campo elettromagnetico, ha inevitabilmente luogo una interazione tra i campi e le cariche (e le<br />
correnti) elettriche presenti nei tessuti dell'organismo. Come conseguenza dell'interazione,<br />
all'interno dell'organismo vengono indotte grandezze fisiche (campo elettrico, campo<br />
magnetico, densità di corrente) legate non solo alla intensità ed alla frequenza dei campi<br />
esterni, ma anche alle caratteristiche dell'organismo ed alle modalità di esposizione.<br />
Il risultato della interazione è sempre una "perturbazione" intesa come deviazione dalle<br />
condizioni di equilibrio elettrico a livello molecolare; per poter parlare propriamente di effetto<br />
biologico, si deve però verificare una variazione (morfologica o funzionale) in strutture di<br />
livello superiore (tessuti, organi, sistemi). Un effetto biologico non costituisce<br />
necessariamente un danno; perché questo si verifichi, occorre che l'effetto superi la capacità di<br />
compensazione di cui dispone l'organismo, che dipende ovviamente anche dalle condizioni<br />
ambientali.<br />
Quest’ultimo aspetto è stato più volte precisato anche dall’OMS, l’Organizzazione Mondiale<br />
della Sanità, che nel suo Promemoria n.182 (“Campi elettromagnetici e salute pubblica<br />
Proprietà fisiche ed effetti sui sistemi biologici”) [15] ha così spiegato i due aspetti: un effetto<br />
biologico si verifica quando l’esposizione alle onde elettromagnetiche provoca qualche<br />
variazione fisiologica rilevabile, ancorché non dannosa, in un sistema biologico; un effetto<br />
sanitario (danno alla salute) si verifica quando l’effetto biologico è al di fuori dell’intervallo<br />
in cui l’organismo può normalmente compensarlo, e ciò porta qualche effetto patologico 15 .<br />
Col termine rischio si vuole in genere indicare la probabilità di subire un danno; in linea di<br />
principio, le norme di sicurezza dovrebbero mirare proprio a proteggere gli individui dal<br />
rischio di subire un danno a causa dell'esposizione ad un campo elettromagnetico, il che in<br />
15 Ricordiamo a titolo di esempio la differenza tra abbronzatura, ustione, e tumore della pelle, tutti<br />
effetti conseguenti all’esposizione alle radiazioni UV del sole; tutti sono effetti biologici, ma solo gli<br />
ultimi sono effetti sanitari.<br />
53
genere significa fissare dei valori limite di esposizione che siano sufficientemente al di sotto<br />
dei livelli che provocano effetti biologici accertati. Risulta fondamentale a tale proposito<br />
stabilire correttamente le grandezze fisiche rilevanti per gli effetti biologici delle radiazioni<br />
e.m. e le modalità di interazione (dosimetria).<br />
4.2 Effetti deterministici ed effetti stocastici<br />
Si definisce effetto deterministico o effetto somatico non stocastico un effetto “non casuale”<br />
ma “determinato”, che si manifesta negli individui che abbiano ricevuto una dose superiore ad<br />
un certo livello di dose detto soglia. La gravità dell’effetto aumenta all’aumentare della dose<br />
(oltre la soglia): per questa ragione tali effetti vengono detti ad accrescimento. La soglia di<br />
dose varia fortemente a seconda dell’effetto considerato. Inoltre gli effetti non stocastici si<br />
manifestano di regola come effetti precoci (tossicità acuta), cioè a breve distanza di tempo<br />
dopo l’irradiazione.<br />
Per gli effetti stocastici (o probabilistici) non è possibile stabilire dei valori di soglia oltre i<br />
quali certamente si verifichi un dato effetto; il verificarsi di un effetto risulta invece legato in<br />
modo probabilistico alla dose assorbita. Gli effetti stocastici possono essere di tipo somatico<br />
(tumori solidi, leucemie) oppure di tipo genetico (mutazioni geniche, alterazioni<br />
cromosomiche).<br />
Gli attuali studi sperimentali indicano che gli effetti deterministici dannosi per la salute umana<br />
si verificano per dosi estremamente elevate dei campi e.m., dosi che una persona non arriva<br />
ad assumere nella normale vita quotidiana.<br />
4.3 Frequenza delle RNI ed effetti biologici<br />
La frequenza è il parametro principale che influenza la modalità di interazione del campo<br />
elettromagnetico con un sistema biologico e quindi ne condiziona gli effetti, al punto che un<br />
campo elettrico di fissata intensità può essere pressoché insignificante o assai pericoloso, a<br />
seconda della sua frequenza; per questo motivo le norme di sicurezza specificano sempre<br />
limiti massimi notevolmente variabili con la frequenza 16 . Diversi sono gli aspetti significativi<br />
di questa questione, in parte visti nel capitolo precedente. Li riassumiamo brevemente:<br />
1. La frequenza condiziona la struttura stessa del campo e.m. nell'intorno della sorgente, che<br />
si modifica notevolmente in funzione della distanza da essa, rapportata alla lunghezza<br />
16 Vedi appendice A4<br />
54
d'onda del campo e.m., passando dalla zona dei campi reattivi a quella dei campi<br />
radiativi 17 (questo fenomeno condiziona anche le modalità di misura).<br />
2. Il meccanismo di accoppiamento fisico tra il campo e.m. e i soggetti biologici dipende in<br />
modo critico dal rapporto tra la dimensione dell'organismo esposto e la lunghezza d'onda<br />
del campo e.m.; in corrispondenza di determinate frequenze l’accoppiamento risulta<br />
essere particolarmente accentuato, mostrando dei picchi di risonanza (per il tronco del<br />
corpo umano circa 80 MHz, a frequenze leggermente più alte per gli arti e per la testa).<br />
3. La riflessione del campo e.m. sulla superficie del corpo esposto e la sua penetrazione<br />
all’interno dipendono dalla frequenza (vedi paragrafo 3.3 spessore di penetrazione).<br />
4. La quantità di energia rilasciata nei tessuti biologici dipende fortemente dalla frequenza<br />
del campo (paragrafo 3.5).<br />
5. Le modalità con le quali i campi e.m. possono interferire con i meccanismi biologici e le<br />
risposte dei tessuti, delle cellule, o delle molecole biologiche dipendono dalla frequenza.<br />
Per questi motivi, e per le diverse caratteristiche e tipologie di sorgenti, è pratica comune<br />
distinguere gli effetti dovuti ai campi e.m. in due categorie: quelli indotti dai campi a bassa<br />
frequenza (al di sotto di qualche kiloHertz), e quelli indotti dai campi ad alta frequenza<br />
(radiofrequenza RF e microonde MW) 18 .<br />
4.4 Effetti biologici dei campi e.m a bassa frequenza<br />
Come abbiamo visto nel capitolo 2, i campi a bassa frequenza 19 in genere sono associati ad<br />
elettrodotti, centrali elettriche, cabine primarie e secondarie, stazioni elettriche ed<br />
elettrodomestici; le frequenze caratteristiche sono 50 Hz in Europa e 60 Hz in America<br />
(comunemente dette frequenze industriali).<br />
Esistono notevoli controversie sulla possibilità di un legame tra l’esposizione a campi<br />
magnetici ELF ed un aumento del rischio di cancro. Sono apparsi diversi lavori su questo<br />
17 Per una trattazione più dettagliata, si veda l’appendice A1<br />
18 La separazione tra bassa e alta frequenza non è netta, ed in letteratura si trovano valori diversi per<br />
indicare il confine tra queste due categorie, compresi generalmente tra 300 Hz e 100 kHz; in questo<br />
testo, seguendo le indicazioni dell’ICNIRP, considereremo 100 kHz come valore di separazione.<br />
Anche il confine tra radiofrequenza e microonde non è netto, e dipende spesso dai diversi campi di<br />
applicazione (tecomunicazioni, usi industriali, ..).<br />
19 Spesso per tali campi si usa la designazione ELF (Extremely Low Frequency); la nomenclatura<br />
tecnica può risultare in alcuni casi leggermente diversa: la commissione ONU per le<br />
telecomunicazione (ITU) ha indicato per la designazione ELF campi a frequenze 3
argomento, da quando Wertheimer e Leeper (1979) [17] segnalarono un’associazione tra la<br />
mortalità per cancro infantile e la vicinanza delle case a linee di distribuzione elettrica. I<br />
risultati delle ricerche non sempre sono coerenti tra loro; su 13 studi fatti sullo sviluppo di<br />
leucemia in soggetti esposti ai campi magnetici delle abitazioni, tutti, salvo cinque, hanno<br />
riportato stime di rischi relativi comprese tra 1,5 e 3,0 20 [16].<br />
Sia le misure dirette del campo magnetico, sia le stime basate sulla vicinanza delle linee sono<br />
indicatori grezzi dell’esposizione che si è verificata in momenti diversi prima che i casi di<br />
leucemia fossero diagnosticati, e non è chiaro quale di questi due metodi fornisca la stima più<br />
valida. Anche se i dati suggeriscono che i campi elettromagnetici potrebbero effettivamente<br />
svolgere un ruolo nell’associazione con il rischio di leucemia, vi è incertezza a causa del piccolo<br />
numero dei soggetti studiati e per la correlazione tra il campo magnetico e la vicinanza alle linee<br />
elettriche.<br />
Con la sola eccezione, forse, dei tumori mammari, gli studi di laboratorio forniscono poca<br />
evidenza che i campi magnetici a frequenza industriale abbiano un effetto di promozione dei<br />
tumori. Anche se occorrono ulteriori studi su animali per chiarire i possibili effetti dei campi ELF<br />
sui segnali prodotti nelle cellule e sulla regolazione endocrina (ciascuno dei quali può influenzare<br />
lo sviluppo di tumori promuovendo la proliferazione di cellule iniziate), si può solo concludere<br />
che, al momento attuale, non c’è nessuna evidenza convincente di effetti cancerogeni di questi<br />
campi.<br />
In conclusione, i diversi studi condotti non consentono ancora di stabilire un effetto cancerogeno<br />
certo degli ELF; lo IARC (Internationa Agency for Research on Cancer) sembra però ritenere i<br />
campi a bassa frequenza più pericolosi di quelli ad alta frequenza, classificando i primi come<br />
“possibili cancerogeni”, mentre ad oggi non attribuisce nessuna classificazione sui secondi.<br />
20 Il rischio relativo (risk rate, RR) è la probabilità che un soggetto, appartenente ad un gruppo esposto<br />
a determinati fattori, sviluppi la malattia, rispetto alla probabilità che un soggetto appartenente ad un<br />
gruppo non esposto sviluppi la stessa malattia. Questo indice è utilizzato negli studi di coorte dove<br />
l'esposizione è misurata nel tempo:<br />
RR = I(esposti) / I(nonesposti)<br />
I = incidenza, che si definisce come I = (n. nuovi ammalati) / (n. persone tot − n. ammalati)<br />
se l'RR risulta uguale a 1 il fattore di rischio è ininfluente sulla comparsa della malattia; se l'RR è<br />
maggiore di 1 il fattore di rischio è implicato nel manifestarsi della malattia; se l'RR è minore di 1 il<br />
fattore di rischio difende dalla malattia (fattore di difesa).<br />
56
4.5 Effetti biologici dei campi ad alta frequenza<br />
Per campi a alta frequenza si considerano generalmente quelli con frequenze superiori a 100<br />
kHz, in genere suddivisi in campi a radiofrequenza (RF) e microonde (MW); le principali<br />
applicazioni sono quelle legate alla telefonia mobile, alle stazioni radiobase, alle emittenti<br />
radio-televisive.<br />
Gli studi di Chatterjee et al. (1986) [18] hanno dimostrato che, con l’aumentare della frequenza da<br />
circa 100 kHz a 10 MHz, l’effetto dominante dell’esposizione a campi elettromagnetici di forte<br />
intensità cambia, spostandosi dalla stimolazione di nervi e muscoli al riscaldamento. A 100 kHz la<br />
sensazione principale è quella di un tremito nervoso, mentre a 10 MHz è quella di calore sulla<br />
pelle. A frequenze da 10 MHz a 300 GHz, il riscaldamento è l’effetto principale dell’assorbimento<br />
di energia elettromagnetica; aumenti di temperatura superiori a 1- 2 °C possono comportare effetti<br />
nocivi per la salute, come affaticamento e infarto da calore [16].<br />
4.5.1 Effetti termici<br />
Il riscaldamento dei tessuti biologici è l’effetto più evidente e più semplice da rilevare<br />
dell’esposizione ai campi e.m.; tale riscaldamento è dovuto al rilascio di energia da parte<br />
dell’onda elettromagnetica; determinanti per questo fenomeno sono le caratteristiche<br />
elettriche della sostanza esposta, ed in particolare la sua permittività e la sua conducibilità<br />
elettrica.<br />
In generale, l’esposizione a un campo elettromagnetico uniforme (onda piana) dà luogo a una<br />
deposizione e ad una distribuzione dell’energia nel corpo molto disuniformi, che devono essere<br />
valutate mediante misure e calcoli dosimetrici.<br />
Dal punto di vista dell’assorbimento di energia da parte del corpo umano, i campi<br />
elettromagnetici possono essere suddivisi in quattro intervalli di frequenza (Durney et al.<br />
1985) [19]:<br />
1. frequenze da circa 100 kHz a circa 20 MHz, per le quali l’assorbimento nel tronco diminuisce<br />
rapidamente al decrescere della frequenza, mentre assorbimenti significativi possono prodursi<br />
nel collo e nelle gambe;<br />
2. frequenze nell’intervallo tra circa 20 MHz e 300 MHz, per le quali si può presentare un<br />
assorbimento relativamente alto nel corpo intero, ed uno ancora più elevato se si considerano<br />
gli effetti di risonanza in singole parti del corpo (ad esempio la testa);<br />
3. frequenze nell’intervallo da circa 300 MHz a qualche gigahertz, in corrispondenza delle quali<br />
si verifica un significativo e disuniforme assorbimento locale;<br />
57
4. frequenze superiori a circa 10 GHz, per le quali l’assorbimento di energia ha luogo soprattutto<br />
sulla superficie del corpo.<br />
Nei tessuti, la SAR è proporzionale al quadrato dell’intensità del campo elettrico interno. La<br />
SAR media e la distribuzione della SAR possono essere calcolati o stimati da misure di<br />
laboratorio. I valori del SAR dipendono dai seguenti fattori:<br />
• parametri che caratterizzano il campo incidente, cioè frequenza, intensità, polarizzazione e<br />
posizione relativa della sorgente e dell’oggetto (campo vicino o lontano);<br />
• caratteristiche del corpo esposto, cioè dimensioni e geometria interna e esterna, nonché<br />
proprietà dielettriche dei vari tessuti;<br />
• effetti di contatto a terra ed effetti di riflessione da parte di altri oggetti nel campo, vicino al<br />
corpo esposto.<br />
Quando l’asse maggiore del corpo umano è parallelo al vettore campo elettrico, ed in condizioni<br />
di onda piana (cioè di esposizione in campo lontano), la SAR nel corpo intero raggiunge i suoi<br />
valori massimi. Il cosiddetto “uomo di riferimento tipico" (ICNIRP 1994), in assenza di contatto a<br />
terra, ha una frequenza di risonanza prossima ai 70 MHz. Per individui più alti la frequenza di<br />
risonanza è un po’ più bassa, mentre nel caso di adulti di bassa statura, bambini o neonati e nel<br />
caso in posizione seduta può superare 100 MHz.<br />
In base alle caratteristiche peculiari del tessuto (tra le quali forma, orientamento,<br />
composizione, dimensioni, ecc.) ed alla frequenza dell’onda elettromagnetica incidente, si<br />
possono formare dei fenomeni parziali di risonanza tissutale con formazione di “punti caldi”,<br />
ovvero zone in cui la formazione di calore è particolarmente accentuata. A questo<br />
meccanismo si può poi associare anche un’accentuata sensibilità da parte degli organi del<br />
corpo umano interessati dall’esposizione.<br />
L’entità del riscaldamento prodotto dipende molto anche dalle possibilità di smaltire il calore<br />
prodotto attraverso scambi termici con l’esterno o attraverso altri meccanismi biologici.<br />
Nel caso di esposizioni locali, con quantità di energia assorbita elevata, può avvenire un<br />
rapido incremento locale di temperatura. In presenza di tassi d’assorbimento elevati sono<br />
particolarmente a rischio gli organi poco vascolarizzati, quelli cioè con una scarsa<br />
circolazione sanguigna e quindi un decongestionamento termico più lento, come gli occhi o i<br />
testicoli. Essi si riscaldano più velocemente e sono quindi più esposti al rischio rispetto ad<br />
altre zone del corpo.<br />
I dati sperimentali disponibili indicano che l’esposizione per circa 30 minuti dell’uomo a<br />
riposo a campi elettromagnetici che producano una SAR mediata sul corpo intero tra 1 e 4<br />
58
W/kg dà luogo ad un aumento della temperatura corporea inferiore a 1 °C. I dati su animali<br />
indicano una soglia per risposte di tipo comportamentale che si colloca nello stesso intervallo<br />
di SAR. Esposizioni a campi più intensi, che producano valori di SAR superiori a 4 W/kg,<br />
possono andare al di là della capacità di termoregolazione del corpo e produrre riscaldamenti<br />
del corpo a livelli pericolosi. Molti studi di laboratorio su roditori e primati hanno dimostrato<br />
la grande varietà dei danni ai tessuti conseguenti a riscaldamenti del corpo intero o di parti di<br />
esso che diano luogo ad aumenti di temperatura superiori a 1-2 °C. La sensibilità dei vari tipi<br />
di tessuto a danni di origine termica varia molto, ma la soglia per effetti irreversibili, anche<br />
nei tessuti più sensibili, è superiore a 4 W/kg in normali condizioni ambientali.<br />
Questi dati costituiscono la base per stabilire i valori limite per l’esposizione a campi RF<br />
(vedi appendice A4); per l’esposizione professionale il limite è fissato a 0,4 W/kg, un valore<br />
che fornisce un ampio margine di sicurezza, anche per condizioni particolarmente gravose,<br />
come alta temperatura ambientale, umidità o intensa attività fisica.<br />
4.5.2 Effetti atermici (effetti a lungo termine)<br />
Gli effetti termici visti nel precedente paragrafo sono effetti deterministici e a breve termine;<br />
circa la possibilità di eventuali effetti dovuti a esposizioni di lunga durata ai campi e.m., ma<br />
associati a valori di SAR di bassa entità, la discussione è tuttora aperta.<br />
La ricerca scientifica non ha ancora fatto piena luce sulle conseguenze reali che tali effetti<br />
atermici possono avere per la salute umana. In alcuni casi si dispone soltanto di dati<br />
sperimentali (ottenuti cioè con prove in vitro o su cavie animali). In altri, i risultati ottenuti<br />
appaiono contraddittori.<br />
Attualmente, analogamente ad altri agenti i cui effetti biologici sono in parte ancora ignoti, le<br />
ricerche stanno cercando di chiarire alcuni aspetti considerati particolarmente critici:<br />
l’eventuale rapporto tra i campi ad alta frequenza o quelli a bassissima frequenza e alcuni tipi<br />
di tumori, i disturbi della funzione riproduttiva, alcune malformazioni congenite, l’epilessia,<br />
le cefalee ed altri disturbi neurofisiologici (come amnesie o depressioni), disturbi del sistema<br />
immunitario, degenerazione del tessuto oculare, l’aumento del rischio dell’insorgenza di<br />
effetti negativi in alcuni soggetti come i bambini, le gestanti o gli anziani.<br />
In generale, possiamo supporre che possano insorgere cambiamenti rilevabili solo se l'effetto<br />
del campo elettrico all'interno del sistema biologico esposto a campi a radiofrequenza non è<br />
mascherato da rumore termico [7]. Il rumore termico o moto casuale, noto anche come moto<br />
browniano, è dovuto all'energia termica che tutti gli oggetti hanno a temperature sopra lo zero<br />
59
assoluto. Nei solidi, gli atomi vibrano e nei gas e nei liquidi si muovono in modo irregolare<br />
con frequenti collisioni con altri atomi. Quindi tutti i componenti del tessuto biologico - ioni,<br />
molecole e cellule - sono in costante movimento. L'energia termica di ciascun componente ha<br />
un valore medio di circa kT, dove k, la costante di Boltzmann, è 86 µeV per grado e T è la<br />
temperatura assoluta misurata in kelvin, (T = 273+t, dove t è la temperatura in gradi<br />
centigradi ). La temperatura corporea dell’uomo è di circa 310 K, cui corrisponde quindi<br />
un’energia kT pari a circa 27 meV; se l’energia associata al campo e.m. esterno è molto più<br />
bassa di questo valore, l'eventuale effetto del campo sarà completamente mascherato (non<br />
rilevata da un componente del tessuto biologico). Questo confronto con il rumore termico<br />
dovrebbe quindi fornire una buona misura del campo elettrico minimo necessario per produrre<br />
effetti biologici rilevabili. Va notato, tuttavia, che se ci fosse un caso particolare in cui il<br />
sistema biologico fosse particolarmente sensibile alla frequenza del campo elettrico<br />
(risonanza), potrebbero produrre effetti rilevabili.<br />
Tra i possibili effetti biologici, si sono studiati quelli associati al funzionamento delle<br />
membrane cellulari, relativamente al moto di ioni (e quindi correnti) attraverso la membrana<br />
in entrambe le direzioni. Le membrane sono note per avere proprietà elettriche fortemente non<br />
lineari (Montaigne e Pickard, 1984) [7] [20]. Quando viene applicata una tensione attraverso<br />
la membrana, la corrente che scorre non è sempre proporzionale alla tensione. Parte di questo<br />
non-linearità può, infatti, essere dovuta all'effetto del campo elettrico sulle proteine di<br />
membrana o su quelle nelle vicinanze, che assistono il flusso delle correnti ioniche attraverso<br />
la membrana. La membrana agisce anche da raddrizzatore. Se una tensione oscillante (campo<br />
elettrico) viene applicata su un raddrizzatore, la corrente totale che scorre quando il campo è<br />
in una direzione non è bilanciata dalla corrente quando il campo è in altri: un campo AC<br />
determina una componente continua non nulla e quindi un flusso netto di prodotti attraverso la<br />
membrana. Tuttavia, i tempi di risposta delle porte ioniche cellulari sono molto più lente<br />
rispetto al periodo delle microonde e, utilizzando i dati ottenuti da misurazioni sulle<br />
membrane (Montaigne e Pickard, 1984) [7] [20], è stato dimostrato che, per i campi elettrici<br />
di 200 V / m , la variazione relativa del potenziale di membrana è molto piccolo (Adair, 1994,<br />
v. anche Foster, 2000a) [7]. Pertanto, non sembrano probabili effetti biologici da questo<br />
meccanismo.<br />
Molti altri meccanismi sono stati proposti per i quali potrebbero sorgere significativi effetti<br />
biologici dei campi RF, ma molto pochi sembrano reggere ad un’attenta analisi critica (Foster,<br />
2000b) [7]. Uno di questi, per la quale vi è un recente supporto sperimentale (Bohr e Bohr,<br />
60
2000) [7] [21], è che le radiazioni da microonde possano causare la denaturazione delle<br />
proteine (unfolding). Gli esperimenti sono stati effettuati in un forno a microonde modificato<br />
a 2,45 GHz, una frequenza paragonabile ai probabile modi torsionali della proteina.<br />
L'intensità non è stata specificata, ma sembra probabile che sia stata sopra le linee guida<br />
ICNIRP. Gli esperimenti sono stati recenti e non sono ancora stati replicati.<br />
Un altro meccanismo che ha continuato a creare interesse si basa sul presupposto che i sistemi<br />
biologici potrebbero interagire in modo risonante con i campi delle microonde. Questa<br />
possibilità è stata inizialmente discussa da Herbert Fröhlich (1968, 1980) [22] [23] e la sua<br />
opera ha avuto un impatto considerevole ( Penrose, 1994; Pokorny e Wu, 1998).<br />
Fröhlich era interessato al meccanismo attraverso il quale l'energia chimica assunta nel corpo<br />
(il cibo) viene incanalata in processi altamente ordinati, come la costruzione di cellule,<br />
piuttosto che in calore. Il suo modello coinvolge le vibrazioni meccaniche di molecole di<br />
grandi dimensioni o componenti dei tessuti biologici e il loro modo di interagire reciproco,<br />
che, sostiene, potrebbe portare all'esistenza di una banda di frequenze in cui l'energia venga<br />
assorbita, e all’esistenza di un particolare "stato coerente" di vibrazione. Egli ha anche<br />
esaminato se i campi elettrici oscillanti di bassa intensità possano mettere energia in questo<br />
stato, e quindi innescare significativi cambiamenti biologici; il che equivarrebbe a considerare<br />
che un sistema biologico vivente potrebbe comportarsi in un modo abbastanza simile a un<br />
ricevitore radio. Una radio è in grado di rilevare e amplificare un segnale estremamente<br />
piccolo in un contesto di segnali molto più ampio. Questo avviene quando l'operatore<br />
sintonizza un circuito risonante alla frequenza dell'onda portante del segnale. Il circuito<br />
risonante risponde essenzialmente solo alle onde elettromagnetiche di frequenza (compresi<br />
quelli generati da rumore termico) in una banda stretta. La potenza necessaria per amplificare<br />
queste onde deriva dalla presa di corrente della radio. Diversi sistemi a stato solido si<br />
comportano in modo simile, come gli amplificatori ottici a banda stretta, che sono alla base<br />
dei laser.<br />
Il modello di Fröhlich ha stimolato una serie di altri lavori. Tuttavia, finora non sembra<br />
esserci alcuna prova sperimentale diretta, e neanche una convincente prova sperimentale<br />
indiretta, che possa confermare l'esistenza di uno stato coerente di Fröhlich nei sistemi<br />
biologici. Inoltre, il modello teorico non sembra in grado di fornire stime per l'ampiezza del<br />
campo elettrico necessario per produrre effetti biologici. Fröhlich ha suggerito che i risultati<br />
di una serie di esperimenti condotti a frequenze di 40 GHz e superiori su sistemi quali la E<br />
coli batteri e lieviti (vedi Fröhlich, 1980 [22]) potrebbe essere la prova (indiretta) per il suo<br />
61
modello, dal momento che queste frequenze si trovano nel campo dove ci si aspetta che le<br />
membrane cellulari risuonino meccanicamente. Quattro recenti tentativi di riprodurre una<br />
parte di questo lavoro non hanno confermato i risultati di Frolich (E coli: Athey e Krop, 1980;<br />
Santo, 1983; colture di lievito: Furia et al, 1986; Gos et al, 1997) [7]. Una recente valutazione<br />
di tutti questi lavori (Foster, 2000a) osserva che gli esperimenti presentano considerevoli<br />
problemi tecnici e che, sebbene i loro risultati potrebbero essere statisticamente significativi,<br />
potrebbero però non riuscire ad eliminare gli errori sistematici. Con tali considerazioni, non è<br />
possibile concludere che questi lavori possano fornire supporto per l'esistenza di assorbimenti<br />
risonanti da parte del tessuto biologico.<br />
Hyland (1998) [24] ha suggerito che il meccanismo proposto nel modello di Fröhlich<br />
potrebbero portare a effetti biologici per campi elettromagnetici alle frequenze sensibilmente<br />
più basse dei telefoni cellulari. Ciò richiederebbe la presenza di componenti nel tessuto<br />
biologico con modi vibrazionali di risonanza molto stretti in questa gamma di frequenza.<br />
Alcuni lavori teorici (Kohli et al, 1981; Van Zandt, 1986; Porkny e Wu, 1998) [7]<br />
suggeriscono che i polimeri di DNA e gli elementi delle strutture fibrose (citoscheletro), come<br />
i microtubuli e filamenti di actina, potrebbe avere modi in questa gamma. Tuttavia, poiché<br />
questi componenti sono circondati da fluidi relativamente viscosi, le loro vibrazioni<br />
meccaniche normalmente dovrebbe essere molto smorzate. Così, le risonanze che potrebbero<br />
avere se fossero isolati, sarebbe quasi completamente attenuata quando sono immersi 21 .<br />
Nessuna prova di assorbimento risonante è stata trovata nel DNA in soluzione (Gabriel et al,<br />
1987)[7], anche se questo potrebbe non escludere la possibilità che questo si possa verificare<br />
nelle condizioni naturali in cui si trova il DNA nelle cellule.<br />
In conclusione, le indagini su eventuali risonanze con il DNA dovrebbero essere ripetute in<br />
condizioni più vicine a quelle in cui si trova nei tessuti biologici, e misure analoghe<br />
dovrebbero essere effettuate sui microtubuli e sui filamenti di actina.<br />
21 L'acqua fornisce un esempio di questo effetto. Il vapore acqueo mostra un forte assorbimento in<br />
risonanza, ma le risonanze sono attenuate in acqua liquida e l'assorbimento avviene in un ampio<br />
intervallo di frequenze. Scott (1984) e Van Zandt (1986) hanno, tuttavia, proposto modelli per<br />
spiegare perché questo potrebbe non accadere per il DNA in soluzione.<br />
62
4.6 Altri effetti delle radiazioni e.m.<br />
4.6.1 Potenziale di ionizzazione dei campi RF<br />
Abbiamo già visto che l’energia del campo e.m. è trasportata in pacchetti discreti, chiamati<br />
quanti o fotoni; l’energia di ciascun fotone è data da W = h·f, dove h = 6,625·10 -34 J·sec =<br />
4,136·10 -15 eVolt·sec è la costante di Plank, ed f è la frequenza dell’onda. La minima energia<br />
necessaria per ionizzare gli elementi base dei tessuti biologici (Acqua, Azoto, Idrogeno,<br />
Ossigeno) è compresa tra i 10 eV e i 25 eV. Un singolo fotone di una radiazione RF ha un<br />
energia di gran lunga inferiore (a 915 MHz W = 3,78·10 -6 eV), e quindi non è in grado di<br />
ionizzare la materia biologica. Per un campo RF molto intenso, l’azione combinata di un gran<br />
numero di fotoni può, in linea di principio, determinare un assorbimento simultaneo di<br />
energie tale da indurre la ionizzazione delle molecole biologiche, ma questa è una possibilità<br />
con una probabilità molto bassa, e comunque, con tali intensità, gli effetti termici diventano<br />
predominanti [1].<br />
4.6.2 Struttura a collana di perle<br />
Le molecole e le cellule sotto l’influenza di un campo elettrico esterno tendono ad allinearsi<br />
lungo la direzione del campo formando una struttura simile ad una catena. Tale fenomeno è<br />
stato osservato da diversi ricercatori e riportato come effetto a catena di perle (Schwan 1982,<br />
Takashima and Schwan 1985) [1] [25].<br />
4.6.3 Fenomeno uditivo da microonde<br />
L’effetto audio da microonde riguarda la percezione di un click da parte di persone e animali<br />
investiti da un impulso elettromagnetico. Osservato per la prima volta dai piloti di arerei al<br />
passaggio in prossimità dei radar, questo fenomeno si verifica per effetto di un’onda e.m.<br />
impulsiva con frequenza tra il centinaio di megahertz e la decina di gigahertz. Esperimenti e<br />
studi teorici hanno mostrato che l’origine di tale fenomeno non deriva dall’interazione<br />
dell’impulso di microonda direttamente con il nervo acustico; piuttosto l’impulso, dopo essere<br />
stato assorbito dai tessuti molli nella testa, lancia un’onda termoplastica di pressione acustica<br />
che viaggia attraverso l’osso fino all’orecchio interno.<br />
L’effetto si origina, per esempio, ad una soglia densità di energia di 400 mJ/m 2 per un<br />
impulso di 10 µsec e frequenza 2450 MHz, incidente la testa di un soggetto umano e con una<br />
soglia di 1,6 kW/kg [1].<br />
63
4.7 Studi a livello cellulare<br />
Tra i diversi studi sperimentali condotti per valutare gli effetti biologici delle radiazioni RF, ci<br />
vogliamo soffermare su quelli condotti a livello cellulare. Una sintesi della struttura cellulare<br />
degli organismi e dei suoi meccanismi di replicazione è presente in appendice A3.<br />
4.7.1 Studi sperimentali di effetti a livello cellulare delle radiazioni RF<br />
Le analisi su campioni cellulari sono ampiamente utilizzate nelle indagini tossicologiche. Questo<br />
perché sono in grado di fornire informazioni essenziali circa i potenziali effetti nocivi delle<br />
sostanze chimiche e di altri agenti fisici come le radiazioni, e di fornire un approccio più rapido e<br />
conveniente rispetto ad analisi convenzionali con cavie animali. In laboratorio è possibile isolare<br />
una grande varietà di tipi di cellule, che vanno dalle cellule staminali (cellule indifferenziate<br />
fibroblasto-simili o epiteliali) a quelle altamente differenziate specifiche dei diversi tessuti.<br />
Un’importante tipologia di cellula è quella dei linfociti umani, proprio per la sua origine umana e<br />
la facilità con cui può essere ottenuta (ad esempio, mediante prelievo venoso). I linfociti del<br />
sangue umano possono essere facilmente conservati per almeno 72 ore; questo è un tempo<br />
sufficiente per compiere indagini citogenetiche 22 con esposizioni ad inquinanti o alle radiazioni.<br />
Tuttavia, questi globuli bianchi non necessariamente rispondono a sostanze chimiche o a<br />
radiazioni nello stesso modo di altre cellule, ed anche la scelta della metodologia seguita può<br />
influenzare fortemente i risultati di un esperimento.<br />
Gli studi in vitro hanno dimostrato di essere utili a chiarire i meccanismi di azione di agenti<br />
esterni, e sono predittivi per alcuni rischi per la salute e per l’insorgenza di malattie. L’aumento<br />
della frequenze di aberrazioni cromosomiche strutturali e di micronuclei in linfociti umani di<br />
una data popolazione sono risultati, per esempio, indicativi di un aumento di rischio di cancro,<br />
non a livello individuale, ma a livello globale della popolazione in studio (Bonassi et al 1995,<br />
2007; Hagmar et al 1994) [1]. Tuttavia, quando si usano sistemi di studio cellulare troppo<br />
semplicistici per valutare la tossicità, è importante riconoscere che le cellule sono macchine<br />
omeostatiche finemente bilanciate che rispondono a stimoli esterni attraverso percorsi complessi.<br />
22 La citogenetica studia la morfologia dei cromosomi, per quanto visibile al microscopio ottico, e il<br />
cariotipo, ossia l'insieme dei cromosomi di una cellula. Tramite tecniche citogenetiche è possibile<br />
apprezzare e studiare i meccanismi di duplicazione e di segregazione dei cromosomi durante la mitosi<br />
e la meiosi, e di analizzare le anomalie sia nella struttura dei cromosomi (anomalie cromosomiche) sia<br />
nel loro numero (anomalie genomiche).<br />
64
Dal momento che la tossicità di un agente esterno può essere il risultato di una moltitudine di<br />
eventi cellulari, e poiché le colture cellulari in vitro spesso non hanno quel funzionamento<br />
sistemico globale (come per le complesse interazioni e gli effetti del sistema immunitario, del<br />
sistema endocrino e del sistema nervoso), è chiaro che nessun test in vitro può simulare in modo<br />
completo il funzionamento di un organismo pluricellulare vivo.<br />
Le indagini in vitro quindi contribuiscono in modo utile alla valutazione di tossicità e di rischio<br />
ma da sole non bastano per arrivare a risultati certi. Questo è certamente vero anche per quanto<br />
riguarda le indagini di effetti cellulari dalle radiazioni RF, e dovrebbe essere tenuto presente nel<br />
valutare i dati provenienti dai diversi esperimenti in vitro. La possibilità che l'esposizione alle<br />
radiazioni RF colpisca il DNA (in particolare dopo l'introduzione di sistemi di comunicazione<br />
wireless come i cellulari), è stato oggetto di molte discussioni. Se fosse dimostrato che un basso<br />
livello di esposizione a campi elettromagnetici RF induca alterazioni genetiche, questo sarebbe<br />
certamente indicativo di un potenziale grave rischio per la salute pubblica.<br />
Va chiarito comunque che gli effetti genetici non sono esclusivamente ed in tutti i casi predittivi<br />
per il cancro. E’ inoltre evidente da diversi studi che molte sostanze chimiche possono<br />
contribuire al processo cancerogeno senza indurre mutazioni.<br />
Gli studi sui possibili effetti delle radiazioni RF a livello cellulare hanno indagato sulle funzioni<br />
di biosegnalazione cellulare e intracellulare, sulle funzioni genetiche di espressione proteica, sul<br />
metabolismo cellulare, sulla progressione del ciclo cellulare, sulla proliferazione e la<br />
differenziazione, sull’apoptosi; un effetto delle RF sulle diverse vie metaboliche, potrebbe<br />
produrre effetti biologici sulle cellule. Tuttavia se la radiazione RF agisce come un segnale<br />
esterno, il meccanismo attraverso il quale tale segnale fisico esterno venga trasdotto in un<br />
segnale biologico resta sfuggente. Ulteriori studi a livello cellulare sono quindi necessari per<br />
chiarire se e come questi meccanismi possano agire. Il loro interesse è molto alto in quanto è<br />
noto che alterazioni dei cicli e delle funzioni cellulari possono portare allo sviluppo di processi<br />
fisiologici e patologici gravi (tumori).<br />
Per quanto riguarda le indagini in vitro, va anche sottolineato che le modalità di esposizione alle<br />
RF e, quindi un’appropriata valutazione dosimetria, sono fondamentali. Ad esempio, per un dato<br />
setup di esposizione, le cellule esposte in un piatto di Petri potrebbero assorbire una SAR molto<br />
diversa a seconda della posizione relativa nel piatto stesso.<br />
65
4.7.2 Mutagenesi<br />
Agenti chimici e fisici esterni possono interferire con il normale processo di divisione<br />
cellulare, determinando delle alterazioni alla struttura del DNA; viene detto agente<br />
genotossico un agente (chimico o fisico) in grado di creare un danno primario al DNA. Errori<br />
nella replicazione del DNA possono avvenire anche in maniera spontanea. Per questo, e anche<br />
perché gli agenti mutageni sono sempre esistiti (es. la radiazione solare), la natura ha previsto<br />
che durante la replicazione del DNA, si attivino dei processi di riparazione in grado di<br />
intervenire e di correggere eventuali errori. Se il danno prodotto è di entità tale da non essere<br />
riparato, l’errore rimane e la cellula muore; se il danno è riparato in maniera errata, si ha una<br />
mutazione (si parlerà quindi di agente mutageno). Le mutazioni possono essere classificate in:<br />
1. Puntiformi: quando vi è un’alterazione nella sequenza del DNA (esempio: una timina al<br />
posto di una citosina 23 ).<br />
2. Cromosomiche Strutturali: quando, a seguito di una rottura al singolo o al doppio<br />
filamento, si ha una risaldatura illegittima, determinando un’aberrazione cromosomica<br />
(mancanza o eccesso di una parte di cromosoma o spostamento di una parte in un punto o<br />
in un cromosoma diverso).<br />
3. Cromosomiche numeriche: si ha a seguito di un’errata segregazione dei cromosomi<br />
durante la mitosi, per cui le cellule figlie si troveranno ad avere un numero di cromosomi<br />
diverso dal normale. Contrariamente alle prime due, in cui è il DNA ad essere<br />
danneggiato e modificato, per queste mutazioni è danneggiato l’apparato mitotico.<br />
4.7.3 Studi sperimentali su effetti genotossici<br />
Sono state pubblicate diverse recensioni di studi su eventuali effetti genotossici delle radiazioni<br />
RF; la maggior parte indicano che le radiazioni RF non sono direttamente mutagene, e che<br />
probabilmente non fanno aumentare la genotossicità di altri agenti chimici o fisici (ad esempio,<br />
Brusick et al 1998 [26]; Verschaeve e Maes 1998 [27]; Meltz 2003 [28]; Vijayalaxmi e Obe<br />
2004 [29]; Verschaeve 2005 [30]; McNamee e Bellier 2007).<br />
Sono stati riportati anche risultati positivi, ma questi erano generalmente attribuiti ad ipertermia,<br />
a possibili errori di metodo o di interpretazione dei dati. Tuttavia, a seguito di un basso livello di<br />
esposizione (non termico), ci possono essere alcuni sottili effetti indiretti, per esempio, sulla<br />
riproduzione e/o sulla trascrizione di geni, e alcuni nuovi studi (per esempio, REFLEX<br />
23 Timina e citosina sono due delle possibili basi che costituiscono il DNA; per maggiori dettagli, si<br />
veda l’appendice A2<br />
66
2004 [32] ) hanno riaperto la discussione. Quindi, ancora non si è giunti ad una conclusione certa<br />
e condivisa.<br />
Sebbene siano stati eseguiti in questo campo studi di tipologia e complessità molto varie, per la<br />
maggior parte si tratta di indagini citogenetiche, in cui vengono studiate le frequenze delle<br />
aberrazioni cromosomiche, di scambi fra cromatidi fratelli e micronuclei. Ciò è dovuto a ragioni<br />
storiche, e perché è noto che un elevato numero di aberrazioni cromosomiche nei linfociti umani<br />
sono predittivi per il rischio di cancro (Hagmar et al 1994 [33]; Bonassi et al 1995 [34]).<br />
Recentemente, sono state presentate prove che indicano che questo è probabilmente vero anche<br />
per elevate frequenze di micronuclei nei linfociti (Mateuca et al 2006 [35]; Bonassi et al<br />
2007[36]). Pertanto, questi indicatori possono essere utilizzati per identificare potenziali rischi di<br />
cancro ben prima della manifestazione clinica della malattia. Tuttavia, i metodi citogenetici<br />
possono rivelare gravi danni genetici ma non sono in grado di rilevare la maggior parte dei sottili<br />
effetti indiretti che potrebbero essere indotti dalle radiazioni RF. Il miglioramento dei metodi<br />
esistenti o l’impiego di nuove tecnologie più sensibili sono quindi di grande importanza per<br />
arrivare a conclusioni più certe.<br />
Tra i vari test per valutare il livello di effetti mutageni vi è il test della cometa, introdotto una<br />
ventina di anni fa (Singh et al 1988) [37] [1]. In questa tecnica le cellule sono mescolate con gel<br />
di agarosio e lasciate diffondere su un vetrino da microscopio. Le cellule sono lisate in un<br />
ambiente con elevate concentrazioni saline e con detergenti, il DNA nucleare è quindi denaturato<br />
e sottoposto a elettroforesi in una soluzione tampone; i frammenti di DNA migrano fuori dal<br />
nucleo verso il polo positivo. Quindi si viene a formare una figura simile ad una cometa che può<br />
essere visualizzata dopo la colorazione con un fluorocromo. Un sistema di analisi delle immagini<br />
può essere usato per misurare attraverso vari parametri l’entità dei danni genetici, come per<br />
esempio la lunghezza della coda della cometa il contenuto di DNA in coda. I principali vantaggi<br />
di questo test sono la maggiore sensibilità rispetto ai test citogenetici e la possibilità di<br />
esecuzione su praticamente tutte le cellule che contengono il DNA (anche cellule non<br />
proliferanti). Inoltre, si possono analizzare singole cellule, e questo è un vantaggio in termini di<br />
identificazione di sottopopolazioni che rispondono in modo diverso ai trattamenti citotossici o da<br />
esposizione. Il test della cometa è di solito eseguito in una delle due varianti. Il test della cometa<br />
in ambiente alcalino può essere utilizzato per rilevare la combinazione di rotture del DNA a<br />
singolo filamento (SSBs), rotture a doppio filamento (DSB) e siti alcali-labili nel DNA. La<br />
seconda procedura è eseguita in ambiente neutro e rileva prevalentemente rotture del DNA a<br />
doppio filamento (Olive e Banáth 2006)[1]. Il test della cometa, malgrado diversi vantaggi<br />
rispetto ad altre tecnologie, presenta anche una serie di limitazioni che possono ostacolare<br />
67
l'interpretazione dei risultati. Il metodo non è ancora completamente convalidato. Le procedure<br />
standard prevedono di analizzare solo 50 comete, e questo potrebbe non essere sufficiente se vi<br />
è una notevole eterogeneità nei danni al DNA all'interno di una popolazione. Come indicato da<br />
Olive e Banáth (2006) [1] l'interpretazione dei risultati del test della cometa è complicato dal<br />
fatto che non esiste una relazione semplice tra la quantità di danni al DNA causati da un agente<br />
specifico e l'impatto biologico di tale danno.<br />
Ogni agente mutageno può differire in termini di numero di rotture del DNA che sono associati a<br />
un dato effetto biologico. È quindi necessario un confronto con altre tipologie di test per poter<br />
valutare la rilevanza biologica del danno. In altre parole, il test della cometa è diventato uno<br />
strumento importante per valutare il danno al DNA, ma l'interpretazione dei risultati non è<br />
sempre facile, e considerato da solo, potrebbe portare a risultati fuorvianti.<br />
Per questo motivo ulteriori nuove tecnologie potrebbe acquisire importanza nei prossimi anni.<br />
Una di queste tecnologie può essere la rilevazione dell’istone γ H2AX fosforilato (Huang X et al<br />
2005) [1]. Uno dei primi segni di una rottura del DNA a doppio filamento negli eucarioti è la<br />
fosforilazione dell’istone H2AX per creare γ-H2AX contenente nucleosomi (Rogakou et al<br />
1998)[1]. L’γ-H2AX è essenziale per il riconoscimento efficiente e per la riparazione del DNA<br />
da rotture a doppio filamento. Il γ-H2AX fosforilato può essere visualizzato con l'uso di<br />
anticorpi specifici con etichette fluorescenti e direttamente conteggiato con un microscopio a<br />
fluorescenza.<br />
Un altro test molto utilizzato per la sua semplicità e di cui parleremo più in dettaglio nel<br />
prossimo paragrafo è il test dei micronuclei; le cellule esposte vengono osservate al microscopio<br />
e la frequenza dei micronuclei può dare una stima dell’effetto genotossico.<br />
Test di varia natura e tipologia sono stati eseguiti su cellule procariote ed eucariote; in appendice<br />
A05 una sintesi dei risultati di queste ricerche, tratte da una recensione dell’ICNIRP [1].<br />
4.7.4 Test dei micronuclei<br />
Il test dei micronuclei è un test di mutagenesi che consente di osservare eventuali effetti<br />
nell'interfase causati da agenti mutageni. Il micronucleo è un frammento di materiale<br />
cromosomico (o anche un intero cromosoma), che rimane separato dal nucleo a seguito di<br />
un’aberrazione cromosomica, strutturale o numerica. I micronuclei appaiono al microscopio<br />
come dei piccoli nuclei accessori, morfologicamente simili a quelli normali; dunque tondi, ma<br />
di dimensioni notevolmente ridotte. Infatti per essere considerati dei veri e propri micronuclei,<br />
generalmente non devono superare un terzo delle dimensioni del nucleo principale.<br />
68
Effettuando un'analisi statistica sui risultati ottenuti (confrontandoli con un controllo costituito<br />
da un organismo non sottoposto al mutageno) è possibile determinare l'effetto della sostanza<br />
mutagena.<br />
Figura 4.6 Formazione di micronuclei in<br />
cellule sottoposte ad un agente mutageno<br />
Il test dei micronuclei risulta semplice ed efficace nella stima del potenziale mutageno di<br />
agenti presenti nell’ambiente; esso risulta facilmente applicabile a diversi sistemi biologici sia<br />
in vivo che in vitro. I micronuclei sono facilmente identificabili nell’osservazione al<br />
microscopio, e questa può essere svolta anche da personale non particolarmente specializzato;<br />
il danno mutageno può avvenire in qualsiasi momento del ciclo di vita cellulare precedente,<br />
ed i suoi effetti possono essere osservati sotto forma di micronuclei già dopo un solo ciclo di<br />
divisione cellulare. È possibile eseguire il test dei micronuclei sia in cellule germinali che<br />
somatiche. La formazione dei micronuclei, subordinata alla condizione di proliferazione del<br />
tessuto, può essere rilevata anche in cellule che hanno appena lasciato la fase di proliferazione<br />
e procedono verso il differenziamento.<br />
4.7.5 Scelta del sistema biologico<br />
Tra i sistemi vegetali gli organismi maggiormente utilizzati nei test di mutagenesi, vi sono Vicia<br />
faba, Allium cepa e Tradescantia. Questi test richiedono l'utilizzo di cellule proliferanti; negli<br />
organismi vegetali suddetti vengono generalmente utilizzati gli apparati radicali.<br />
Nell’esperimento realizzato per questo lavoro di tesi, sono state utilizzate le cellule degli apici<br />
radicali secondari di Vicia faba. Questa pianta, appartenente alle leguminose, è dotata di<br />
specifiche caratteristiche:<br />
• sensibilità agli effetti delle diverse categorie di agenti mutageni ed elevata sensibilità anche a<br />
dosi estremamente basse di raggi X (Rizzoni et al., 1987 [38]);<br />
• cariotipo estremamente favorevole, caratterizzato dalla presenza di 12 cromosomi facilmente<br />
distinguibili, cioè una coppia di cromosomi metacentrici e cinque coppie di cromosomi<br />
acrocentrici (Dobel et al., 1973 [39]);<br />
69
• ampia letteratura disponibile sull’applicazione dei saggi di mutagenesi con protocolli<br />
standardizzati;<br />
• ampio numero di cellule proliferanti analizzabili dagli apici secondari di ciascuna piantina;<br />
Inoltre risultano vantaggiose le condizioni di:<br />
• facile reperibilità e facilità di conservazione dei semi;<br />
• tempi di germinazione brevi;<br />
• bassi costi di utilizzo.<br />
L’utilizzo di sistemi vegetali per i test di mutagenesi è possibile data la profonda somiglianza<br />
nell’organizzazione dei cromosomi fra piante e animali.<br />
In figura 4.2 è riportato il risultato di uno studio condotto su apici di Vicia faba esposti a dosi<br />
crescenti di radiazioni ionizzanti; si nota l’andamento crescente della frequenza di micronuclei<br />
rispetto alla dose di RI, indice di evidenti effetti mutageni.<br />
Figura 4.2 Frequenza media (±ES) di micronuclei (MN) in 1000 cellule<br />
indotti da basse dosi di raggi X; la media è stata valutata in 50 (controllo,<br />
1R, 2R) ed in 25 (4R, 8R, 12R) apici, con 1000 cellule per apice; [38]<br />
70
5 ESPERIMENTO<br />
5.1 Apparati sperimentali per l’esposizione alle RF – camera<br />
anecoica<br />
Nello studio dell’interazione del campo elettromagnetico ad alta frequenza con i sistemi<br />
biologici, la qualità dell’esperimento dipende dalla modalità di esposizione del campione. Un<br />
sistema di buona esposizione deve generare un campo elettromagnetico controllato con la<br />
stessa intensità per tutti i campioni biologici. Le soluzioni tecniche per realizzare un volume<br />
con condizioni controllate di campo e.m. possono essere diverse, ma le più utilizzate sono<br />
essenzialmente due: la cella TEM e la camera anecoica.<br />
La camera anecoica è un ambiente chiuso, realizzato con pareti speciali, in grado di impedire<br />
la riflessione delle onde e.m. Le pareti sono ricoperte da strutture piramidali di materiali<br />
fortemente assorbenti per la radiazione RF (vedi figura 5.1).<br />
Figura 5.1 Camera Anecoica<br />
L’oggetto in esame viene posto su di un supporto di legno o di plastica (materiali trasparenti<br />
al segnale elettromagnetico), e quindi esposto alla radiazione RF emessa da un’antenna. Se<br />
un’altra radiazione, ad esempio riflessa dalle pareti investisse l’oggetto, non sarebbe possibile<br />
discriminare l’effetto dovuto alla sola onda incidente. La camera anecoica realizza quindi<br />
delle condizioni di propagazione simili a quelle dello spazio libero indefinito.<br />
Uno dei principali inconvenienti per l’uso della camera anecoica è il costo abbastanza elevato<br />
per la sua realizzazione, specialmente per camere di grandi dimensioni. Bisogna inoltre<br />
sottolinare come il campo e.m. emesso dalle antenne sia decisamente non uniforme,<br />
71
specialmente vicino all’antenna 24 ; per avere condizioni di propagazione uniformi simili a<br />
quelle di un’onda piana, bisogna porsi ad una certa distanza dall’antenna, costringendo quindi<br />
ad aumentare dimensioni e costi della camera anecoica.<br />
Una soluzione alternativa per l’esposizione alle radiazioni RF è rappresentata dalla cella<br />
TEM; per la sua semplicità di realizzazione, per il suo basso costo, per la maggiore facilità di<br />
utilizzo la preferiamo alla camera anecoica per la realizzazione dell’esperimento.<br />
5.2 Cella TEM – caratteristiche generali<br />
La cella TEM (Transverse Electro Magnetic) o cella di Crawford (dal nome del suo inventore<br />
1974 [40]) è un dispositivo che, opportunamente alimentato, è in grado di generare al suo<br />
interno valori noti di campo e.m. L’onda generata si propaga nella cella in modo trasverso e<br />
con le caratteristiche di un onda piana; diversamente da una guida d’onda, il campo e.m.<br />
all’interno risulta essere uniforme (a parte gli effetti di bordo).<br />
La struttura geometrica di una cella TEM è simile a quella di un cavo coassiale, in cui i<br />
conduttori si allargano diventando delle superfici piane, simili a quelle di un condensatore; ne<br />
risultano tre conduttori piani, i due esterni collegati tra loro alle estremità, e uno al centro, di<br />
larghezza leggermente inferiore ai primi due (vedi figura 5.2).<br />
Figura 5.2 Struttura di una cella TEM<br />
Alle due estremità sono posti due connettori coassiali; di questi uno viene collegato ad un<br />
generatore di segnale RF, per alimentare la cella, l’altro solitamente è chiuso su un carico<br />
adattato (per evitare la riflessione del segnale e.m.).<br />
I campi che si generano all’interno della cella risultano perpendicolari tra loro e alla direzione<br />
di propagazione (modo Trasverso Elettro Magnetico); nella figura 5.3 sono rappresentate le<br />
linee di forza dei campi elettrico E (in rosso) e magnetico B (in verde), nella cella TEM vista<br />
in sezione.<br />
24 Vedi appendice A1<br />
72
Figura 5.3 Linee di forza del campo<br />
elettrico E (in rosso) e del campo magnetico<br />
B (in verde) all’interno di una cella TEM<br />
La struttura della cella TEM è fatta in modo da permettere che l’impedenza vista dall’onda<br />
che si propaga sia costante. Tale impedenza dipende dai parametri geometrici della cella;<br />
solitamente si fa in modo che abbia un valore di 50Ω, in modo che la cella risulti adattata ai<br />
cavi e agli altri dispositivi elettronici normalmente utilizzati.<br />
Nella cella TEM l’impedenza è legata alla larghezza del piatto centrale (indicato con w nella<br />
figura 5.4) rispetto all’altezza che separa i piatti della struttura. Se il rapporto a/b è mantenuto<br />
costante la cella diviene una linea di trasmissione ed al centro siamo in situazione di<br />
propagazione TEM ideale (onda piana tra due conduttori).<br />
Figura 5.4 Sezione trasversale di una cella TEM;<br />
a larghezza dei piatti esterni, b distanza tra i due piatti esterni,<br />
w larghezza del piatto centrale, t spessore del piatto centrale<br />
L’impedenza caratteristica della cella può essere calcolata tramite la 5.1 [41]<br />
Z<br />
C<br />
( Ω)<br />
=<br />
⎡<br />
ε ⎢<br />
r<br />
⋅<br />
⎢2d<br />
⋅<br />
⎣<br />
94 ,15<br />
w<br />
C<br />
f<br />
+<br />
( ) ⎥ ⎥ 1−<br />
t 0,0885ε<br />
r<br />
2d<br />
⎦<br />
⎤<br />
(5.1)<br />
dove ε r è la costante dielettrica relativa dell’isolante all’interno della cella (solitamente aria,<br />
quindi ε r =1), w è la larghezza del piatto centrale e t il suo spessore, d = b/2 è la distanza tra il<br />
piatto centrale e uno di quelli esterni, C f = 0,053 pF/cm.<br />
73
Tramite un wattmetro posto a monte della cella, è possibile misurare la potenza in ingresso, e<br />
da questa calcolare con la 5.2 il campo elettrico (uniforme) [41] [42]:<br />
P ⋅ ZC<br />
E = (5.2)<br />
b 2<br />
dove P è la potenza immessa nella cella, e Z C è l’impedenza caratteristica della cella TEM<br />
Per un corretto funzionamento della cella (e affinchè sia garantito un campo TEM uniforme al<br />
suo interno), esiste una relazione che deve essere rispettata nelle dimensioni della cella [42]<br />
[43]. Infatti, in corrispondenza di determinate frequenze caratteristiche (di risonanza) possono<br />
attivarsi modi di ordine superiore, caratteristici di una guida d’onda (modi TE e modi TM);<br />
l’attivazione di tali modi rende non uniforme la propagazione dell’onda e.m. all’interno della<br />
cella, e determina inoltre la formazione di un’onda regressiva, rilevabile come potenza riflessa<br />
all’ingresso alla cella. I valori delle frequenze di taglio sono inversamente proporzionali alla<br />
larghezza della base della cella TEM. Celle di grandi dimensioni devono essere usate quindi<br />
solo a basse frequenze, mentre celle piú piccole possono essere usate fino a frequenze piú<br />
elevate, per fare in modo che il dispositivo si comporti come un cavo coassiale e non come<br />
una guida d’onda.<br />
Ci sono soluzioni numeriche per determinare la frequenza di cut-off normalizzata del primo<br />
modo di ordine superiore in funzione della larghezza del conduttore interno. Tuttavia,<br />
determinare in modo esatto le frequenze di risonanza di una cella non è banale, in quanto le<br />
sezioni coniche terminali influenzano in maniera diversa i diversi modi di ordine superiore.<br />
Poiché una cella TEM è una cavità ad alto fattore di merito Q 25 , le risonanze di ordine<br />
superiore appaiono in una banda molto ristretta intorno ai valori caratteristici di risonanza. Per<br />
questo è possibile prevedere delle finestre tra i livelli di risonanza in cui l'utilizzo della cella<br />
TEM è ancora valido. In che misura queste strutture siano utilizzabili in tali intervalli di<br />
frequenza dipende molto dalla particolare applicazione per la quale la cella è in uso. La<br />
frequenza di taglio (cut-off) per il modo TE 10 , solitamente definita come primo modo di<br />
ordine superiore (first high order mode), può essere calcolata con la 5.3 [42]<br />
c<br />
f c<br />
=<br />
1 ,0<br />
(5.3)<br />
2a<br />
( )<br />
dove c è la velocità della luce, a la larghezza della cella;<br />
25 Il fattore di merito Q è un parametro dal quale dipende l’ampiezza del picco di risonanza; ad un Q<br />
alto corrisponde una fascia stretta di frequenze in cui si verificano effetti di risonanza<br />
74
la 5.4 permette di calcolare le altre frequenze di taglio di ordine superiore.<br />
( f )<br />
c m,<br />
n<br />
2 2 2 2<br />
c(<br />
b m + a n )<br />
= (5.4)<br />
2ba<br />
Vi è da sottolineare che i valori calcolabili con queste formule si riferiscono alla cella vuota;<br />
inserendovi un oggetto all’interno, viene a crearsi una deformazione di campo; ci si trova<br />
infatti di fronte ad un cavo coassiale parzialmente riempito e che presenta quindi due diverse<br />
costanti dieletriche (ε 0 per lo spazio libero e ε r dell’oggetto). Viene a mancare quindi<br />
l’uniformità del mezzo di propagazione dell’onda piana (condizione affinché si abbia un<br />
modo TEM).<br />
Per evitare che tali effetti compromettano drasticamente il modo di propagazione TEM,<br />
l’oggetto immesso nella cella non dovrebbe superare in altezza 1/3 della distanza tra il piatto<br />
centrale e quello sulla base.<br />
Un’analisi piú dettagliata del campo sull’oggetto si può ottenere ricorrendo a simulazioni con<br />
metodi numerici (per esempio il metodo alle differenze finite nel dominio del tempo, utile in<br />
quanto si hanno condizioni al contorno ben definite essendo le pareti metalliche).<br />
5.3 Caratteristiche e taratura della cella TEM utilizzata per<br />
l’esperimento<br />
La cella TEM utilizzata per questo esperimento è stata realizzata seguendo le indicazioni di S.<br />
M. Satav e V. Agarwal [41]; per la sua realizzazione, si sono utilizzate delle lastre di vetronite<br />
biramata saldate tra di loro. In figura 5.5 sono riportate le caratteristiche geometriche della<br />
cella.<br />
a = 300 mm<br />
b= 180 mm<br />
w = 214 mm<br />
t = 3mm<br />
Figura 5.5 Caratteristiche geometriche della cella TEM utilizzata negli esperimenti<br />
75
Diversamente dalle celle TEM tradizionali, questa cella è stata realizzata senza pareti laterali,<br />
risultando più semplice e leggera, e permettendo un più comodo inserimento dei campioni<br />
all’interno. Di contro, la mancanza delle pareti laterali non garantisce una totale schermatura<br />
ai campi esterni. Inoltre le letture di potenza (in ingresso e riflessa), non permetteranno<br />
un’accurata stima della potenza eventualmente assorbita nella cella, non potendo disporre di<br />
una misura della potenza dispersa ai lati della cella.<br />
Satav e Agarwal garantiscono il funzionamento della cella fino a 1GHz; in realtà, utilizzando<br />
la 5.3, dalle dimensioni della cella, si deduce una prima frequenza caratteristica già a<br />
500MHz. Per valutare la possibile presenza di modi di propagazione diversi da quello TEM<br />
nelle prove sperimentali da condurre sulle piantine di Vicia faba, sono state eseguite alcune<br />
misure preliminari sulla cella TEM, facendo più prove con segnali di alimentazione a<br />
frequenze diverse nell’intorno di 915 MHz. Le misure di potenza riflessa permettono di<br />
escludere la presenza di modi di propagazione diversi da quello TEM, e di ritenere, almeno<br />
per la cella vuota, sufficientemente uniforme il campo all’interno.<br />
L’impedenza caratteristica, calcolata tramite la formula 5.1, risulta Z C = (52±2) Ω.<br />
Anche per la stima di Z C le misure preliminari fatte in laboratorio, indicando una potenza<br />
riflessa pari a zero, permettono di escludere un eventuale disadattamento tra l’impedenza<br />
caratteristica della cella e quella delle altre apparecchiature utilizzate (tutte a 50Ω) possa<br />
generare effetti significativi.<br />
5.3.1 Alimentazione della cella TEM<br />
La cella TEM è stata alimentata secondo lo schema mostrato in figura 5.6.<br />
Figura 5.6 Schema di alimentazione della cella TEM<br />
Il generatore di segnale genera una tensione sinusoidale di ampiezza e frequenza assegnate;<br />
per il nostro esperimento si è scelto un segnale CW a 915 MHz (frequenza di uplink dei<br />
cellulari con tecnologia GSM). Poiché il segnale in uscita dal generatore è di bassa potenza,<br />
esso va amplificato tramite un amplificatore (specifico per alte frequenze); il wattmetro<br />
misura la potenza in ingresso alla cella TEM e l’eventuale potenza riflessa dalla cella.<br />
In tabella 5.1 sono riportate le specifiche della strumentazione utilizzata.<br />
76
Tabella 5.1 Caratteristiche della strumentazione utilizzata per la prova<br />
Generatore<br />
Amplificatore<br />
Wattmetro<br />
Agilent ESG-A and ESG-D RF Signal Generators E4420B<br />
Range di frequenza 250 kHz to 2 GHz; Resolution 0,01 Hz<br />
Output: +10 to –136 dBm 26 ; Resolution 0,02 dB<br />
Impedenza interna 50 Ω<br />
Mini-Circuits<br />
ZHL-5W-2G+ 50Ω 5W<br />
Range di frequenza 800 - 2000kHz<br />
Guadagno tipico 45 dBm (da 40 a 50 dBm)<br />
DAIWA<br />
CN 801 G<br />
Range di frequenza: 900 – 1300 MHz<br />
Range di potenza 2 – 20 W<br />
Tolleranza ±10% a fondo scala<br />
Impedenza di ingresso 50 Ω<br />
Cella TEM Vedi figura 5.5<br />
Cavi<br />
Connettori<br />
Oscilloscopio<br />
Cavi coassiali 50 Ω<br />
tipo n<br />
Tektronix TDS 684A oscilloscopio digitale<br />
Banda passante 1 GHz<br />
Impedenza di ingresso 50 Ω<br />
Tutto il sistema (generatore, cavi di collegamento, carico finale in uscita alla TEM) è adattato<br />
per funzionare con un’impedenza di 50 Ω; se uno solo dei componenti avesse un’impedenza<br />
diversa, si creerebbe un’onda regressiva, rilevabile sul wattmetro come potenza riflessa; una<br />
serie di misure preliminari, fatte a frequenze diverse con la cella vuota, ha escluso la presenza<br />
di riflessioni nel sistema.<br />
26<br />
Il dBm è un’unità di misura molto utilizzata in elettronica; 0 dBm corrisponde ad 1 mW; in generale<br />
si ottiene il valore di potenza in dBm utilizzando la formula 5.6; la conseguenza di questo tipo di<br />
misura è quello di avere una scala di tipo logaritmico, dove un aumento di 10 dBm corrisponde a<br />
moltiplicare per 10.<br />
77
5.3.2 Taratura del wattmetro<br />
Per le misure di potenza in ingresso ed in uscita dalla cella TEM si è utilizzato un wattmetro<br />
per alte frequenze, le cui caratteristiche sono riportate in figura 5.7.<br />
DAIWA<br />
CN 801 G Type<br />
Range di frequenza: 900 – 1300 MHz<br />
Range di potenza 2 – 20 W<br />
Tolleranza ±10% a fondo scala<br />
Impedenza di ingresso 50 Ω<br />
Figura 5.7 Caratteristiche del Wattmetro ad alta frequenza utilizzato nelle misure<br />
Prima di procedere alle misure per l’esperimento, si è proceduto ad una taratura preliminare<br />
del wattmetro; per tale scopo, si è utilizzato un oscilloscopio digitale (TDS 684A) 27 .<br />
L’oscilloscopio però, ha una banda passante limitata, e per una corretta misura a 915 MHz, si<br />
è fatta prima un’analisi in frequenza del comportamento dell’oscilloscopio.<br />
Figura 5.8 Schema di alimentazione dell’oscilloscopio<br />
Si è impostato un valore fisso per l’ampiezza del segnale del generatore, e si sono fatte una<br />
serie di misure variando la frquenza da 100 MHz a 1000 MHz; per ciascuna frequenza si è<br />
misurata sull’oscilloscopio l’ampiezza (picco picco) in tensione dell’onda sinusoidale; dal<br />
valore di tensione, si è ricavata la potenza teorica in Watt e in dBm su un’impedenza di 50 Ω<br />
(impedenza di ingresso dell’oscilloscopio).<br />
2<br />
V<br />
P = (5.5)<br />
50<br />
( P[<br />
])<br />
P [ dBm]<br />
= 10log mW<br />
(5.6)<br />
27 A questo scopo sarebbe stato più utile un analizzatore di spettro.<br />
78
Tabella 5.2 Valori di tensione letti sull’oscilloscopio per varie frequenze in corrispondenza di un<br />
valore costante di ampiezza del segnale in ingresso; dal valore di tensione letto sull’oscilloscopio sono<br />
calcolati i valori (teorici) di potenza in Watt ed in dBm<br />
Generatore E4420B<br />
P = 10dBm Ri = 50Ω<br />
Oscilloscopio TDS 684A<br />
Rc = 50 Ω<br />
f (MHz) Vrms (V) P (mW) P(dBm)<br />
100 0,718 10,3 10,1<br />
200 0,700 9,8 9,9<br />
300 0,672 9,0 9,6<br />
500 0,601 7,2 8,6<br />
700 0,537 5,8 7,6<br />
900 0,516 5,3 7,3<br />
915 0,516 5,3 7,3<br />
1000 0,520 5,4 7,3<br />
Confrontando i valori a 100 MHz ed a 915 MHz, possiamo stimare l’attenuazione<br />
dell’oscilloscopio sulla misura di potenza. È necessario però tenere conto anche<br />
dell’attenuazione del cavo coassiale di collegamento; questa si può considera trascurabile a<br />
100MHz, mentre è stata misurata a 915 MHz ed è pari a 0,5 dBm; ricaviamo quindi<br />
l’attenuazione della misura data dall’oscilloscopio a 915 MHz pari a 2,3 dBm (10,1 – 7,3 –<br />
0,5); tale valore è coerente con la banda passante di 1GHz dell’oscilloscopio.<br />
Il passo successivo è stato quello di fare delle misure a potenza maggiore (utilizzando anche<br />
l’amplificatore), andando a variare la potenza sul generatore di funzioni, e prendendo la<br />
misura una volta sull’oscilloscopio (secondo lo schema in figura 5.9) ed un’altra sul<br />
wattmetro (figura 5.10), per poterne poi fare un confronto.<br />
Figura 5.9 Schema di alimentazione dell’oscilloscopio<br />
con amplificatore<br />
79
Figura 5.10 Schema di alimentazione del wattmetro con<br />
amplificatore<br />
I valori di tensione letti sull’oscilloscopio sono stati trasformati in potenza tramite la formula<br />
5.6 (considerata una resistenza di ingresso pari a 50Ω), convertiti in dBm, corretti tramite il<br />
fattore di conversione calcolato precedentemente e pari a 2,3 dBm, riconvertiti in Watt, e<br />
quindi confrontati con i valori letti sul wattmetro.<br />
Tabella 5.3 Confronto tra i valori di potenza ricavati dalla lettura dell’oscilloscopio ed i valori rilevati<br />
sul wattmetro<br />
Generatore E4420B Oscilloscopio TDS 684A Wattmetro<br />
Ri = 50 Ω<br />
Rc = 50 Ω<br />
P corretto<br />
P corretto<br />
dBm f (MHz) Vrms (V) P (mW) P (dBm)<br />
dBm<br />
(W)<br />
Potenza (W)<br />
-25 915 1,329 35,3 15,5 17,8 0,060 0,045<br />
-20 915 2,234 99,9 20,0 22,3 0,170 0,14<br />
-18 915 2,687 144,4 21,6 23,9 0,245 0,22<br />
Il confronto tra le misure è stato possibile solo per valori bassi della scala di lettura del<br />
wattmetro, in quanto potenze più alte applicate sulla resistenza di ingresso dell’oscilloscopio<br />
ne avrebbero causato la rottura.<br />
Facendo il confronto sulla terza misura si osserva uno scostamento tra i due valori del 10%<br />
circa, in linea con le indicazioni fornite dal costruttore del wattmetro (10% a fondo scala).<br />
Ne concludiamo che il wattmetro risulta conforme alle specifiche del costruttore, e garantisce<br />
una misura corretta nei limiti del 10%; tale errore non è eccessivo per gli esperimenti da<br />
condurre in questa tesi.<br />
80
5.4 Procedura sperimentale<br />
5.4.1 Preparazione del sistema biologico e germinazione<br />
Per l’esperimento vengono utilizzate piantine di Vicia faba esposte in condizioni controllate a<br />
RNI a radio frequenze nella cella TEM. La preparazione delle piantine ha seguito un<br />
protocollo standard negli esperimenti biologici. I semi di Vicia faba sono stati posti per 20<br />
minuti in una soluzione di ipoclorito (comune candeggina) diluita al 50%, in modo tale da<br />
poter eliminare eventuali spore e muffe dal tegumento. Sciacquati con acqua di fonte e fatti<br />
reidratare per 24 ore, sono stati sistemati in contenitori riempiti con argilla espansa, versando<br />
una quantità di acqua sufficiente a mantenere i semi costantemente bagnati. Successivamente i<br />
contenitori sono state poste in un armadio termostato a 20°C per alcuni giorni, fino al<br />
momento in cui la radice primaria aveva raggiunto una lunghezza di 1-2 centimetri. A questo<br />
punto per favorire lo sviluppo delle radici secondarie abbiamo eliminato l’apice della radice<br />
primaria rimuovendo anche la cuticola esterna.<br />
Figura 5.11 Esempi di semi di Vicia faba lasciati in<br />
armadio termostatato (20°C) per la germinazione per<br />
tempi crescenti (da 3 a 7 giorni). La dimensione<br />
ideale delle radici primarie da utilizzare (tagliare)<br />
per la germinazione delle secondarie è quella<br />
intermedia (4° e 5° seme). Barra = 1 cm.<br />
Successivamente i semi germogliati di Vicia faba sono stati sistemati in 2 vaschette di plastica<br />
trasparente; ogni vaschetta ha dimensioni 114x52x50 mm, ed è stata riempita con acqua di<br />
fontana per un’altezza di circa 35 mm; sul pelo dell’acqua è stato sistemato un supporto forato<br />
di plastica sottile, che ha permesso di sostenere i germogli lasciandoli in contatto con l’acqua<br />
ma impedendo che vi sprofondassero; ogni vaschetta conteneva un numero di semi variabile<br />
dalle 30 alle 40 unità, per un totale di circa 70 semi; l’alto numero di semi è stato necessario<br />
per avere un numero di apici secondari sufficientemente alto per i trattamenti successivi.<br />
81
Figura 5.12 Germogli di Vicia faba sistemati nelle vaschette<br />
con le quali saranno esposti alle RNI<br />
Le vaschette sono state sistemate nuovamente nell’armadio termostato a 20°C per qualche<br />
altro giorno mantenendole al buio, ottenendo in questo modo un numero sufficiente di<br />
radichette secondarie aventi una lunghezza di circa 5 mm.<br />
5.4.2 Esposizione alla radiazione RF<br />
La cella TEM è stata sistemata in posizione verticale all’interno di un armadio termostato a<br />
20°C, e collegata con le altre apparecchiature per la sua alimentazione secondo lo schema di<br />
figura 5.6. Le due vaschette contenenti i semi germogliati di Vicia faba sono state quindi<br />
posizionate al centro della cella TEM, come mostrato nelle figure 5.13 e 5.14.<br />
Figura 5.6 Schema di alimentazione della cella TEM con wattmetro in ingresso<br />
82
Figura 5.13 Sistemazione delle 2 vaschette con i semi di<br />
Vicia faba nella cella TEM, inserita a sua volta all’interno<br />
dell’armadio termostatato<br />
Figura 5.14 Sezione trasversale della cella TEM con<br />
le 2 vaschette posizionate all’interno<br />
83
La cella TEM è stata quindi alimentata con un segnale sinusoidale CW (Continuos Wave) di<br />
frequenza f = 915 MHz; potenza impostata sul generatore -10 dBm. Il wattmetro (in ingresso<br />
alla TEM secondo lo schema mostrato in figura 5.6) ha dato le seguenti letture: potenza in<br />
ingresso P i = 1,53 W; potenza riflessa P r = 0,07 W.<br />
Posto invece in uscita alla cella TEM (figura 5.15), il wattmetro ha fornito le seguenti misure:<br />
potenza in uscita P out = 0,3 W (con le 2 vaschette colme di acqua e semi), P out0 = 1,175 W con<br />
la cella vuota; in entrambi i casi la potenza riflessa era naturalmente nulla, essendo il<br />
wattmetro chiuso su un carico a 50 Ω e quindi adattato alla cella.<br />
Figura 5.15 Schema di alimentazione della cella TEM con wattmetro in uscita<br />
Dai valori di potenza misurati è possibile calcolare l’intensità del campo elettrico e la potenza<br />
specifica dell’onda em all’interno della cella TEM vuota; tramite la 5.2 si ottiene:<br />
Pm<br />
⋅ ZC<br />
V<br />
E = = ( 93±<br />
7) intensità del campo elettrico<br />
b 2<br />
m<br />
dove P m = 1,35 W è la media tra P in e P out0 e Z C = (52±2) Ω è l’impedenza caratteristica della<br />
cella.<br />
Tramite la 2.5 è possibile calcolare l’intensità della radiazione:<br />
2<br />
E<br />
I = = ±<br />
Z<br />
0<br />
W<br />
m<br />
( 23 3) 2<br />
dove Z 0 = 377 Ω è l’impedenza caratteristica nel vuoto (e nell’aria).<br />
Il valore del campo elettrico all’interno della cella è stato scelto in modo da essere dello stesso<br />
ordine di grandezza dei valori che si possono misurare in prossimità dell’antenna di un<br />
cellulare (vedi paragrafo 2.6.2 e tabella 2.9). Inoltre, come vedremo nel paragrafo 5.6, il<br />
valore scelto per l’alimentazione della cella condurrà ad una misura della SAR delle piantine<br />
confrontabile con quella fornita dai costruttori dei cellulari ([8] [44]).<br />
I semi delle due vaschette sono stati esposti alle radiazione e.m. dentro la cella TEM con<br />
tempi diversi, per poter osservare possibili differenze nello sviluppo di effetti mutageni; i<br />
tempi di esposizione sono stati 24 h e 72h. Quando la prima vaschetta è stata rimossa (dopo<br />
24 ore), è stata sostituita con un’altra vaschetta simile (contenente quindi anch’essa acqua e<br />
84
semi), per non alterare la simmetria all’interno della cella, e lasciare i semi della seconda<br />
vaschetta nelle stesse condizioni iniziali. Metà degli apici della prima vaschetta sono stati<br />
fissati al termine dell’esposizione (24h), l’altra metà dei germogli è stata lasciata nella<br />
vaschetta e riposta in un altro armadio termostatato; gli apici rimanenti sono stati fissati<br />
insieme agli apici della seconda vaschetta, al termine dell’esposizione a 72h.<br />
Riassumendo, abbiamo i seguenti tre trattamenti:<br />
1. vaschetta 1: esposizione di 24h, con fissaggio a 24h: trattamento 24h/24h;<br />
2. vaschetta 1: esposizione di 24h, con fissaggio a 72h; trattamento 24h/72h;<br />
3. vaschetta 2: esposizione di 72h, con fissaggio a 72h; trattamento 72h/72h;<br />
Poiché il ciclo di vita cellulare della Vicia faba è di circa 22 ore, la formazione di micronuclei<br />
a seguito di un eventuale effetto mutageno delle radiazioni non avverrebbe subito, ed è<br />
necessario attendere un tempo almeno pari a quello del ciclo cellulare. Se un effetto mutageno<br />
fosse presente, ci aspetteremmo un aumento nella frequenza di micronuclei nel primo<br />
trattamento, una diminuzione nel secondo rispetto al primo (nelle 48h successive<br />
all’esposizione, le cellule continuerebbero a moltiplicarsi, “diluendo” gli eventuali<br />
micronuclei formatisi nelle prime 24h), ed un aumento nel terzo trattamento.<br />
5.4.3 Fissaggio, colorazione e allestimento dei vetrini<br />
Il fissaggio degli apici radicali è avvenuto in due momenti diversi, come si evince dal<br />
sommario del paragrafo precedente: un primo fissaggio è avvenuto a 24 ore dall’inizio<br />
dell’esperimento, ed un secondo a 72 ore. Da ciascun seme sono state rimosse le radici<br />
secondarie; queste sono state quindi immerse in una soluzione di fissaggio, costituita da tre<br />
parti di etanolo e una parte di acido acetico; dopo 30 minuti il fissativo vecchio è stato<br />
sostituito con uno nuovo (con la stessa composizione); sistemate in un termostato a 4°C, le<br />
radici sono rimaste in questo fissativo fino al momento della colorazione.<br />
Per la colorazione è stato utilizzato il metodo di Feulgen: i campioni fissati sono stati<br />
reidratati in acqua di fonte e successivamente immersi a bagnomaria, per 10 minuti, in una<br />
soluzione precedentemente riscaldata a 60°C di HCl 1N (digestione della parete cellulare e<br />
blanda idrolisi del DNA). Infine l’HCl è stato sostituito con il reattivo di Schiff, che abbiamo<br />
lasciato agire al buio per 45 minuti e a temperatura ambiente, al termine dei quali sono stati<br />
85
allestiti i vetrini. Asciugate le radichette e posizionate su un vetrino portaoggetti abbiamo<br />
tagliato l’apice, colorato più intensamente 28 , eliminando il resto della radichetta.<br />
Su ciascun vetrino sono stati adagiati un numero di apici variabile da 6 a 12 (a seconda<br />
dell’esperienza dell’operatore nel gestire gli spazi sul vetrino), ponendo su ogni apice una<br />
goccia di acido acetico al 45% in modo da evitarne l’essiccamento durante l’operazione.<br />
Successivamente abbiamo poggiato il vetrino coprioggetto sugli apici e, esercitando una<br />
leggera pressione in corrispondenza di ogni apice, abbiamo effettuato lo schiacciamento,<br />
ottenendo così un monostrato di cellule; in ultimo i vetrini sono stati immersi in azoto liquido,<br />
per l’eliminazione del vetrino coprioggetto, facendo uso di un bisturi con un movimento<br />
rapido e deciso della lama. Dopo essiccamento all’aria del preparato, il vetrino è stato<br />
montato permanentemente con resina (DPX). Al termine delle operazioni ciascun apice<br />
appariva come una macchiolina rossastra un pò sfumata (figura 5.16); ciascuna di queste<br />
macchioline contiene un numero molto elevato di cellule, sicuramente molto superiore a<br />
quello necessario per l’osservazione (che sarà fissato a 5000 cellule).<br />
Figura 5.16 Vetrino con 10 apici pronto per l’osservazione al microscopio<br />
28 La parte terminale della radice è quella che contiene il maggior numero di cellule meristematiche,<br />
che sono cellule ancora indifferenziate in grado di dividersi per mitosi originando nuove cellule; la<br />
loro funzione è paragonabile a quella delle cellule staminali negli animali. Considerata la sua elevata<br />
attività mitotica, il tessuto meristematico è quello a cui siamo maggiormente interessati per osservare<br />
eventuali danni mutageni.<br />
86
5.5 Osservazione dei vetrini<br />
5.5.1 Il metodo di osservazione<br />
L’osservazione dei vetrini è stata fatta con un microscopio ottico LEICA, con un<br />
ingrandimento 400X; in figura 5.17 è riportato un esempio di campo visivo osservabile al<br />
microscopio.<br />
Figura 5.17 Campo visivo al microscopio<br />
Per il conteggio dei micronuclei si è seguita una procedura standard, che prevede<br />
l’osservazione di 5000 cellule 29 per ciascun apice osservato; oltre al numero di micronuclei,<br />
sono state conteggiate le mitosi presenti per garantire un’osservazione omogenea su cellule<br />
con un’attività proliferante 30 simile. Nel conteggio delle mitosi sono incluse solo quelle che<br />
appaiono più certe, quindi sono escluse le profasi precoci e le telofasi avanzate.<br />
Il campo visivo che si offre al microscopio è piuttosto vario; in particolare può risultare molto<br />
diversa la densità delle cellule presenti, e per questo è necessario conteggiare direttamente e<br />
manualmente per ciascun campo visivo il totale delle cellule presenti. Questa operazione può<br />
risultare molto complicata, se non impossibile, per chi non riesce a tenere nella propria<br />
memoria visiva le cellule già contate, rischiando quindi di contarle due volte; per evitare tale<br />
29 In realtà con la colorazione fulgen quello che si osservano al microscopio sono i nuclei delle cellule;<br />
la colorazione agisce infatti sul materiale cromosomico, facendolo apparire di un rosso – fucsia<br />
caratteristico<br />
30 L’attività proliferante indica quanto velocemente le cellule si riproducono, e può essere stimata dalla<br />
frequenza di mitosi; è evidente che anche la frequenza di micronuclei sia direttamente proporzionale<br />
all’attività proliferante, per questo è necessario avere condizioni di omogeneità proliferativa nei<br />
campioni di partenza osservati.<br />
87
inconveniente, ed anche per lasciare una traccia del lavoro svolto, è stata utilizzata una<br />
macchina fotografica digitale, da applicare al microscopio, per archiviare ciascun campo<br />
osservato con una foto, sulla quale andare a conteggiare successivamente il numero di cellule.<br />
La procedura seguita per l’osservazione è stata la seguente. Scelto sul vetrino l’apice da<br />
osservare, al microscopio si sono cercate le zone dove era più agevole la lettura e dove<br />
apparivano un numero sufficientemente alto di mitosi (indice di un elevata attività<br />
proliferante). Fissato un campo, se ne è acquisita l’immagine con la fotocamera; sullo stesso<br />
campo, tramite osservazione ottica al microscopio, si è cercata la presenza di eventuali<br />
micronuclei e si è proceduto al loro conteggio 31 . Quindi ci si spostava su campi vicini,<br />
ripetendo l’operazione e archiviando le immagini di ciascun campo. In un momento<br />
successivo si è proceduto al conteggio di cellule e mitosi visualizzando l’immagine di ciascun<br />
campo sul monitor di un PC. A questo punto però sorgono due problemi.<br />
Il primo è relativo alla differenza tra l’immagine del campo al microscopio, e quella fatta<br />
dalla fotocamera digitale; quest’ultima è infatti rettangolare, mentre il campo al microscopio è<br />
circolare, e ne risultano quindi tagliate le calotte superiore ed inferiore. Ma non è tutto;<br />
l’ottica della fotocamera riprende un campo visivo più ampio di quello osservabile<br />
direttamente al microscopio; dal confronto diretto delle due immagini, si è estrapolata una<br />
procedura per ricavare dalla foto digitale, con un margine di errore contenuto, un cerchio che<br />
riproduce il campo visto al microscopio. In figura 5.18, l’immagine registrata dalla<br />
fotocamera, e, con un cerchio, il campo ottico visibile all’occhio dell’operatore.<br />
31 Le foto ottenibili al microscopio non sono perfettamente a fuoco; l’immagine ottenibile risulta<br />
sufficientemente nitida per distinguere cellule e mitosi, ma non altrettanto per quanto riguarda<br />
l’identificazione dei micronuclei; questi, essendo più piccoli, potrebbero confondersi con altre cose<br />
(sporcizie, residui della colorazione), o addirittura risultare invisibili; è necessario allora agire sulla<br />
manopola del fuoco del microscopio (in gergo, “fochettare”), per una loro corretta individuazione,<br />
operazione evidentemente impossibile sulle immagini digitali archiviate.<br />
88
Figura 5.18 Immagine registrata dalla fotocamera; il cerchio<br />
interno rappresenta il campo ottico visto al microscopio<br />
Restano escluse, come accennato, le due calotte superiore ed inferiore; per il conteggio in<br />
queste aree, si è proceduto all’acquisizione di un’ulteriore immagine per lo stesso campo,<br />
ottenuta ruotando la fotocamera di 90 gradi rispetto all’orientazione orizzontale, e, dal<br />
confronto delle due, si sono ottenute le cellule mancanti. Questa procedura però, è piuttosto<br />
lunga ed elaborata (considerando la necessità di essere ripetuta per quasi un centinaio di<br />
campi), ed è stata eseguita solo per i primi campi osservati; successivamente il numero di<br />
cellule nelle calotte è stato stimato nella misura del 5% rispetto alle cellule osservate nel<br />
campo disponibile sulla foto.<br />
Un secondo inconveniente riscontrato nelle operazioni di conteggio è venuto dalla procedura<br />
di spunta delle cellule già contate; un considerevole aiuto per tale operazione è venuto allora<br />
dall’utilizzo di una tavoletta grafica, in cui la spunta delle cellule è ottenibile tramite la<br />
semplice pressione di un’apposita penna sulla tavoletta, come si vede nella figura 5.19.<br />
Figura 5.19 Procedura di conteggio delle cellule tramite tavoletta grafica<br />
89
5.5.2 I vetrini osservati – controllo negativo e controllo positivo<br />
La frequenza di micronuclei in cellule non esposte ad agenti mutageni è normalmente molto<br />
bassa; per questo è necessaria l’osservazione di un numero molto alto di cellule per ottenere<br />
dei numeri significativi. In figura 5.20 sono presentate alcune immagini prese dai campi<br />
osservati per questo esperimento, in cui sono stati identificati dei micronuclei (cerchiati in<br />
rosso).<br />
Figura 5.20 Cerchiati in rosso, alcuni dei micronuclei identificati nell’osservazione al microscopio<br />
Per avere dei termini di confronto cui sottoporre i dati provenienti dall’osservazione degli<br />
apici esposti, è necessario affiancare a questi, i dati provenienti da un controllo negativo e da<br />
un controllo positivo eseguiti dallo stesso operatore. Il controllo negativo è relativo<br />
all’osservazione di apici non esposti a nessun agente mutageno, quindi lasciati liberi di<br />
crescere in condizioni analoghe a quelle degli apici da sottoporre a test, ma senza l’azione del<br />
mutageno (nel nostro caso le radiazioni non ionizzanti). In questo esperimento, i germogli per<br />
il controllo negativo sono stati presi dalla stessa coltura di quelli esposti alle RNI; la loro<br />
90
crescita è quindi avvenuta in contemporanea con gli altri, in un ambiente (vaschette in un<br />
termostato a 20 0 C) simile, ma non identico a quello dei germogli esposti.<br />
Il controllo positivo è relativo all’osservazione di apici sottoposti all’azione di un mutageno<br />
noto (nel nostro caso idrazide maleica 10 -4 M) e la sua utilità consiste nel confermare la<br />
sensibilità del sistema biologico ad un agente mutageno standard; se non ci fosse una<br />
differenza significativa fra controllo negativo e controllo positivo, il sistema biologico non<br />
sarebbe sensibile in maniera sufficiente all’azione mutagena e tutti i risultati ottenuti con<br />
l’esposizione alle radiofrequenze sarebbero invalutabili.<br />
In questo esperimento, l’osservazione per il controllo positivo è avvenuto su apici di piantine<br />
cresciute in un momento diverso da quelle usate per l’esposizione alle RNI e per il controllo<br />
negativo; i semi di tutti i germogli utilizzati provenivano comunque dallo stesso stock, per cui<br />
si può supporre una sufficiente omogeneità genetica di tutte le piantine osservate. Per il<br />
controllo positivo i germogli sono stati lasciati esposti per 4h all’azione tossica di una<br />
soluzione di idrazide maleica 10 -4 M, e fissati a 48h.<br />
Solitamente l’osservazione al microscopio viene eseguita secondo il metodo della “lettura<br />
cieca”; un operatore (diverso da colui che guarderà al microscopio) maschera i vetrini da<br />
osservare coprendo la targhetta identificativa, e assegna loro nomi diversi (vetrino A, B, C,<br />
…); l’operatore che osserva al microscopio non conosce la vera identità del vetrino che sta<br />
osservando (esperimento, controllo negativo o positivo), e non potrà essere influenzato da<br />
ragioni soggettive nell’identificazione dei micronuclei; solo al termine della lettura di tutti i<br />
vetrini, verranno svelate le carte e assegnati i risultati delle osservazioni ai diversi casi.<br />
Inizialmente 32 si è deciso di limitare l’osservazione ad un campione ridotto, costituito da due<br />
trattamenti (esposizione 24h/72h e 72h/72h), dal controllo negativo e da quello positivo; per<br />
ognuno dei quattro punti sperimentali si sono osservati 5 apici, e su ogni apice 5000 cellule,<br />
per un totale quindi di 100000 cellule.<br />
5.6 Secondo conteggio<br />
I risultati del primo conteggio sulla frequenza di micronuclei (vedi paragrafo 6.1) indicano<br />
che la differenza tra le medie dei campioni esposti e quella dei campioni non esposti non è<br />
statisticamente significativa; il non poter rifiutare l’ipotesi nulla (uguaglianza delle medie)<br />
non vuol dire però automaticamente l’accettazione dell’ipotesi. La strada da percorrere è<br />
32 L’analisi dei dati provenienti da questo primo conteggio servirà a decidere se ed in quale direzione<br />
estendere l’osservazione dei vetrini<br />
91
quella di aggiungere nuovi campioni, e questo è quanto mai necessario quando il test è stato<br />
eseguito su un numero di campioni limitato (5 apici) come nel nostro caso; considerato però<br />
l’onere di tempo nella procedura di osservazione e di acquisizione dati, e visto che<br />
l’osservazione precedente ha già fornito un risultato accettabile per il confronto con il<br />
controllo positivo, si è deciso di procedere ad un ulteriore conteggio, limitandosi però<br />
all’osservazione del controllo negativo e dell’esposizione 72h/72h. Si sono quindi mascherati<br />
altri vetrini, diversi da quelli osservati precedentemente, e si sono andati a conteggiare i<br />
micronuclei di altri 10 apici (10 per il controllo, 10 per l’esposizione a RNI), per un totale di<br />
altre 100000 cellule osservate. Le osservazioni del primo e del secondo conteggio sono state<br />
quindi sommate, in modo da ottenere una base di dati più ampia su cui poter fare il confronto<br />
tramite l’analisi statistica.<br />
5.7 Misura della SAR<br />
La SAR assorbita della piantine di Vicia faba è stata misurata con una tecnica calorimetria,<br />
eseguendo un’apposita prova sulle vaschette sottoposte a radiazione nella cella TEM,<br />
successivamente all’esposizione delle piantine.<br />
Il metodo si basa sul transitorio termico dell’acqua di una vaschetta sottoposta a RNI. Dal<br />
transitorio termico è infatti possibile ricavare la potenza assorbita dall’acqua, e da questa la<br />
SAR. Considerato che il valore di campo elettrico utilizzato per l’esposizione delle piantine<br />
(vedi paragrafo 5.4.2) è basso per avere degli effetti termici apprezzabili, si è proceduto a<br />
coibentare con del polistirolo 33 una delle vaschette, in modo da limitare gli scambi termici con<br />
l’esterno ed aumentare quindi il salto di temperatura dell’acqua.<br />
Figura 5.21 Vaschetta coibentata con polistirolo per la prova calorimetrica<br />
33 Il polistirolo è trasparente alle radiazioni a 915MHz; la conferma è venuta da prove preliminari eseguite con la<br />
cella TEM.<br />
92
Si è proceduto quindi a sistemare nella cella TEM due vaschette, nella stessa posizione, e<br />
contenenti la stessa quantità di acqua di quella dell’esperimento con le piantine (0,21 litri per<br />
ciascuna vaschetta); una delle due vaschette è coibentata, e munita di sonda PT100 34 per la<br />
misura di temperatura dell’acqua.<br />
La cella con le vaschette viene sistemata nel termostato a 20 gradi e lasciata termalizzare per<br />
una notte; la mattina viene acceso il multimetro, e si attende un’ora per far stabilizzare il<br />
valore di resistenza della PT100 (ulteriore termalizzazione con la PT100 alimentata dal<br />
multimetro).<br />
La cella TEM viene quindi alimentata con le stesse modalità dell’esperimento con le piantine,<br />
ma con una potenza di ingresso superiore e pari a Pi = 4 W (lettura del wattmetro in ingresso);<br />
l’acqua presente nelle vaschette, assorbendo parte della radiazione presente, inizia a<br />
riscaldarsi (come in un forno a microonde).<br />
Vengono quindi acquisite tramite un multimetro digitale a 5 cifre le misure di resistenza della<br />
PT100, prese per tempi diversi, a partire dall’istante di alimentazione della cella TEM; in<br />
figura 5.22 viene riportato il grafico nel tempo dei valori di resistenza misurati.<br />
Figura 5.22 Transitorio termico dell’acqua in una vaschetta coibentata, esposta a RNI dentro la<br />
cella TEM; Radiazione CW 915 MHz, potenza in ingresso Pi = 4W<br />
34 La PT100 è un sensore di temperatura; essa è costituita da un sottile filo di platino, che, alla temperatura di 0<br />
gradi centigradi, presenta una resistenza elettrica di 100 Ω; al variare della temperatura, la resistenza varia con<br />
un legge abbastanza lineare (per intervalli limitati):<br />
R(T) = 100 (1+ A T (T-100))<br />
dove A T = 0,00385 C -1 è il coefficiente di temperatura specifico del platino.<br />
93
La curva mostra chiaramente un andamento esponenziale, coerente con la teoria; infatti<br />
l’equazione di bilancio termico per l’acqua nella vaschetta si può scrivere con la 5.7<br />
P<br />
C<br />
( ∆T<br />
)<br />
d<br />
= Ct<br />
+ λ ⋅ ( ∆T<br />
)<br />
(5.7)<br />
dt<br />
dove P C è la potenza fornita all’acqua, C t è la capacità termica dell’acqua, ∆T è la variazione<br />
di temperatura a partire dal valore iniziale (temperatura ambiente, pari ai 20 gradi nel<br />
termostato), λ è il coefficiente di scambio termico della vaschetta con l’esterno; la soluzione<br />
dell’equazione differenziale è:<br />
t<br />
−<br />
τ<br />
∆ T = ∆T F<br />
( 1 − e )<br />
(5.8)<br />
dove ∆T F è la differenza tra la temperatura dell’acqua a regime e quella iniziale; data la<br />
relazione di linearità tra la resistenza della PT100 e la temperatura misurata, si può scrivere:<br />
t<br />
−<br />
τ<br />
∆ R = ∆R F<br />
( 1 − e )<br />
(5.9)<br />
Dal fit dei dati misurati con la 5.9 (vedi figura 5.22), si ricava la variazione di resistenza a<br />
regime ∆R F = R F – R 0 = (2,057 ± 0,010) Ω e la costante di tempo τ = (144,8 ± 1,6) minuti<br />
Da queste possiamo andare a calcolare la SAR dell’acqua; dal coefficiente di temperatura<br />
della PT100, si ricava il salto termico:<br />
∆ T<br />
F<br />
∆RF<br />
=<br />
R A<br />
0<br />
T<br />
= ( 5,34 ±<br />
0,03)<br />
0<br />
dove A T = 0,00385 0 C -1 è la costante termica della PT100<br />
C<br />
La capacità termica dell’acqua di una vaschetta è: C t = m ·c = 879 Joule/C<br />
dove m = 0,21 kg è la massa dell’acqua e c = 4186 Joule kg -1 0 C -1 è il calore specifico<br />
dell’acqua<br />
Ricaviamo quindi la potenza termica assorbita dalla vaschetta P c =<br />
e da questa la SAR:<br />
Pc<br />
∆TF<br />
SAR = = c ⋅<br />
m τ<br />
( 2,57 ±<br />
W<br />
0,04)<br />
kg<br />
∆T<br />
Ct ⋅<br />
τ<br />
F<br />
= 0,54W<br />
Tale valore è relativo all’esperimento termometrico fatto con potenza di ingresso della<br />
radiazione nella cella TEM Pi = 4W; ipotizzando un comportamento lineare, si riporta tale<br />
valore all’esperimento con le piantine, dove la potenza di ingresso era Pi = 1,55W<br />
2,57 ⋅1,55<br />
SAR = = (1,00 ± 0,01)<br />
4<br />
W<br />
kg<br />
94
Un secondo metodo utilizzabile per la stima della SAR si basa sulla pendenza iniziale del<br />
transitorio termico; negli istanti iniziali lo scambio termico con l’esterno può essere<br />
considerato trascurabile, ed il calore assorbito dall’acqua va interamente ad incrementare la<br />
temperatura;<br />
P<br />
C<br />
( ∆T<br />
)<br />
d<br />
= C<br />
dt<br />
t=0<br />
dall’analisi dei dati iniziali, si ricava una pendenza iniziale della curva di salita termica pari a<br />
(0,014±0,001) Ω/min = (0,233±0,017) mΩ/sec; da questa si calcola la SAR:<br />
dT d(<br />
∆R)<br />
1<br />
W<br />
SAR = c = c<br />
= (2,53 ± 0,18) per Pi = 4W<br />
dt dt R A<br />
kg<br />
0<br />
T<br />
Riportando il valore al caso dell’esperimento sulle piantine con potenza di ingresso Pi =<br />
1,55W:<br />
2,53⋅1,55<br />
SAR = = (0,98 ± 0,05)<br />
4<br />
W<br />
kg<br />
Quindi in ottimo accordo con la stima precedente.<br />
I valori ottenuti si riferiscono alla SAR media dell’acqua nella vaschetta; la SAR assorbita<br />
dalle piantine può in buona approssimazione essere valuta uguale a questa calcolata per<br />
l’acqua, non disponendo di tecniche più raffinate per la sua determinazione.<br />
Il valore trovato risulta dello stesso ordine di grandezza dei valori di SAR che riportano i<br />
costruttori di cellulari per la maggior parte dei modelli oggi in commercio (variabili tra 0,35 e<br />
1,8 W/kg [8] [44]).<br />
95
6 RISULTATI E <strong>DI</strong>SCUSSIONI<br />
6.1 Risultati ed analisi dati del primo conteggio<br />
I dati riassuntivi delle prime osservazioni sono riportati nella tabella 6.1; per i dati più<br />
dettagliati si veda l’appendice A6. Ricordiamo che per ciascun apice sono state conteggiate<br />
circa 5000 cellule meristematiche.<br />
Tabella 6.1 Frequenze medie dei micronuclei e dell’indice mitotico, entrambi studiati su 5000 cellule<br />
per apice, 5 apici per ogni punto sperimentale.<br />
Trattamento<br />
Tempo di<br />
fissaggio (h)<br />
Frequenza micronuclei<br />
/ apice (5000 cellule)<br />
(± ES)<br />
Indice mitotico medio<br />
/ apice (5000 cellule)<br />
(± ES)<br />
Controllo Negativo 1,30±0,58 110,6±7,3<br />
RF 915 MHZ<br />
SAR = 1W/kg<br />
I = 23 W/m 2<br />
24h<br />
72h<br />
1,80±0,80<br />
2,00±1,05<br />
97,0±13,8<br />
112,5±6,1<br />
Controllo Positivo MH 48h 15,0±2,9 72,6±9,7<br />
SAR = tasso di assorbimento specifico, I = intensità della radiazione, MH= idrazide maleica 10 -4 M<br />
Prima di considerare i dati sui micronuclei è importante verificare che le condizioni di<br />
proliferazione delle popolazioni cellulari esaminate siano soddisfacenti. Dai valori sul numero<br />
di mitosi mostrati nelle tabelle, si può notare un buon tasso di proliferazione in tutti i punti<br />
sperimentali, oltre ad una sostanziale omogeneità tra i valori. Da queste osservazioni si può<br />
considerare che le condizioni di proliferazione risultano idonee.<br />
Riguardo all’analisi degli effetti mutageni attraverso la frequenza di micronuclei, è<br />
chiaramente evidente la differenza tra il controllo positivo e gli altri tre esperimenti; si nota<br />
anche un leggero incremento di micronuclei nei campioni esposti a RNI rispetto al controllo<br />
negativo; la differenza tra le medie risulta però contenuta all’interno dell’errore standard, e<br />
quindi sembra essere poco significativa (vedi figura 6.1)<br />
96
Figura 6.1 Fasce di incertezza media ± errore standard del numero di micronuclei per apice (5000<br />
cellule), su un campione di 5 apici; valori rilevati nel controllo positivo (esposizione ad idrazide<br />
maleica), nel controllo negativo, nell’esposizione alle RF 24h con fissaggio 72h ed nell’esposizione<br />
72h con fissaggio 72h<br />
Per un’analisi più approfondita, abbiamo eseguito un test di significatività sulla differenza tra<br />
le medie delle distribuzioni (considerate a coppie); verificata la normalità dei dati di partenza,<br />
abbiamo eseguito un test parametrico a due code; nello specifico, abbiamo utilizzato il t-<br />
student 35 . Nelle tabelle 6.2 e 6.3 sono riportati i valori trovati per la variabile statistica t e per<br />
il p-value rispettivamente.<br />
Tabella 6.2 Valori della variabile statistica t per la differenza tra la media della<br />
distribuzione riga e la media della distribuzione colonna<br />
t<br />
Vetrino A<br />
Esposizione<br />
24h/72h<br />
Vetrino B<br />
Esposizione<br />
72h/72h<br />
Vetrino C<br />
Controllo<br />
Negativo<br />
Controllo<br />
Positivo<br />
Vetrino A 0,00 -0,152 0,606 -4,32<br />
Vetrino B 0,152 0,00 0,667 -4,15<br />
Vetrino C -0,606 -0,667 0,00 -4,59<br />
CP 4,32 4,15 4,59 0,00<br />
Tabella 6.3 Valori del p-value per la differenza tra la media della distribuzione riga<br />
e la media della distribuzione colonna<br />
p-value<br />
Vetrino A<br />
Esposizione<br />
24h/72h<br />
Vetrino B<br />
Esposizione<br />
72h/72h<br />
Vetrino C<br />
Controllo<br />
Negativo<br />
Controllo<br />
Positivo<br />
Vetrino A 1,00 0,883 0,561 0,0025<br />
Vetrino B 0,883 1,00 0,524 0,0032<br />
Vetrino C 0,561 0,524 1,00 0,0018<br />
CP 0,0025 0,0032 0,0018 1,00<br />
35 Vedi Appendice A5<br />
97
Dai risultati nelle tabelle si osserva che la frequenza di micronuclei nel controllo positivo<br />
risulta superiore rispetto al controllo negativo in modo altamente significativo. Questo<br />
risultato positivo permette di affermare la sensibilità del nostro sistema di saggio agli effetti<br />
mutageni e di discutere quindi i dati relativi ai trattamenti con le radiazioni RF.<br />
Il confronto tra la distribuzione del controllo negativo (distribuzione C) con quelle relative<br />
agli apici esposti alle RNI (distribuzioni A e B), presenta dei valori per la variabile statistica t<br />
piuttosto bassi; fissando il livello di significatività del test al 5%, ovvero la probabilità di<br />
commettere un errore di tipo I (rifiutare l’ipotesi nulla quando è vera) al 5%, si ricavano dalle<br />
tabelle della distribuzione t-student i valori critici della regione di rifiuto:<br />
per ν = n B + n C – 2 = 8 dove ν è il grado di libertà, n B = 5 ed n C = 5 è il numero dei campioni;<br />
fissando α = 0,05; test a due code → t α = 2,306<br />
quindi la regione di rifiuto è costituita dagli intervalli (t < -t α ) e (t > t α )<br />
i valori trovati t BC = 0,667<br />
e t AC = 0,606 cadono abbondantemente nella regione di<br />
accettazione, quindi si può concludere che l’ipotesi nulla non può essere rifiutata: non ci sono<br />
differenze significative tra le medie.<br />
Alla stessa conclusione si perviene osservando i valori del p-value; tra la distribuzione B e la<br />
distribuzione C il test fornisce un p-value BC = 0,524 (vedi figura 6.2).<br />
Figura 6.2 Distribuzione t-student, esito del confronto tra la<br />
distribuzione B (esp. 72h/72h) e la distribuzione C (controllo negativo)<br />
Vi è quindi una probabilità del 52,4% di osservare una differenza tra le due medie maggiore<br />
di quella trovata nei campioni quando le medie delle popolazioni sono uguali.<br />
98
6.2 Risultati ed analisi dopo il secondo conteggio<br />
Dall’analisi dei dati del primo conteggio, la differenza tra le frequenze di micronuclei nei<br />
campioni esposti e nel controllo negativo risulta statisticamente non significativa; questo non<br />
vuol dire necessariamente che tale differenza non esiste; se le medie di due popolazioni<br />
distinte sono molto vicine tra loro, è necessario un numero abbastanza alto di campioni per<br />
evidenziare in modo significativo tale differenza. Il primo conteggio, statisticamente parlando,<br />
è stato eseguito su un numero limitato di campioni (5 apici); il secondo conteggio ha<br />
permesso ampliare notevolmente la base dei dati, aggiungendo 10 apici al controllo negativo e<br />
all’esperimento 72h/72h.<br />
I dati sintetici della seconda osservazione (comprensivi anche della prima) sono riportati in<br />
tabella 6.4.<br />
Tabella 6.4 Frequenze medie dei micronuclei e dell’indice mitotico, entrambi studiati su 5000 cellule<br />
per apice, 15 apici per ogni punto sperimentale (dati complessivi del primo e del secondo conteggio)<br />
(MH= idrazide maleica 10 -4 M)<br />
Trattamento<br />
Tempo di fissaggio<br />
(h)<br />
Frequenza<br />
micronuclei/5000<br />
cellule (± ES)<br />
Indice mitotico<br />
medio/5000 cellule<br />
(± ES)<br />
Controllo Negativo 1,67±0,32 134,3±7,9<br />
RF 915 MHZ<br />
SAR = 1W/kg<br />
72h 3,73±0,62 111,8±4,2<br />
I = 23 W/m 2<br />
La differenza tra le due medie risulta incrementata rispetto all’osservazione precedente, e,<br />
considerando la fascia di incertezza delimitata dall’errore standard, sembra essere diventata<br />
significativa (vedi figura 6.4).<br />
Figura 6.4 Fasce di incertezza media ± errore standard del numero di micronuclei per<br />
apice (5000 cellule per apice), su un campione di 15 apici complessivi, rilevati nel<br />
controllo negativo e nell’esposizione alle RF 72h con fissaggio 72h (dati complessivi<br />
del primo e del secondo conteggio)<br />
99
Verificata la normalità delle due nuove distribuzioni, si è ripetuto il test di significatività sulla<br />
differenza delle due medie (t-student a due code). Fissando il livello di significatività del test<br />
all’1%, ovvero la probabilità di commettere un errore di tipo I (rifiutare l’ipotesi nulla quando<br />
è vera) al 1%, si ricavano da tabelle della distribuzione t-student i valori critici della regione<br />
di rifiuto: per ν = n B + n C – 2 = 28 (gradi di libertà); α = 0,01 ; test a due code → t α = 2,763<br />
quindi la regione di rifiuto è costituita dagli intervalli (t < -t α ) e (t > t α );<br />
il confronto tra le due distribuzione fornisce come risultato per la variabile statistica t il valore<br />
t BC = 2,96, che viene a trovarsi nella regione di rifiuto; la differenza tra le due medie è quindi<br />
significativa.<br />
Alla stessa conclusione si perviene osservando il p-value; tra la distribuzione B e la<br />
distribuzione C il test fornisce un p-value BC = 0,0062 (vedi figura 6.5).<br />
Figura 6.5 Distribuzione t-student; esito del confronto tra la<br />
distribuzione B (esp. 72h/72h) e la distribuzione C (controllo<br />
negativo) con i dati del primo e del secondo conteggio<br />
Rifiutando l’ipotesi nulla (uguaglianza delle medie), abbiamo una probabilità di sbagliare<br />
dello 0,62%, decisamente bassa.<br />
In definitiva possiamo affermare che la media di micronuclei osservata nei campioni esposti<br />
alle radiazioni per 72h è significativamente diversa da quella osservata nei campioni non<br />
esposti.<br />
100
6.3 Discussione dei risultati e conclusioni<br />
Lo scopo dell’esperimento condotto per questo lavoro di tesi era quello di verificare<br />
l’eventuale effetto mutageno della radiazione e.m. a 915 MHz su germogli di Vicia faba. Con<br />
un’esposizione di 72 ore ad una radiazione di intensità 23 W/m 2 , (cui corrisponde una SAR di<br />
1 W/kg per l’acqua in cui erano immerse le piantine), la frequenza di micronuclei osservata<br />
nelle cellule degli apici radicali dei germogli esposti (3,73 micronuclei/apice, 0,746<br />
micronuclei su 1000 cellule) è aumenta in maniera significativa (p-value = 0,0062) rispetto<br />
alla frequenza osservata in apici di piantine non esposte (1,67 micronuclei/apice, 0,334<br />
micronuclei su 1000 cellule).<br />
Il risultato del nostro esperimento si aggiunge ad un repertorio sempre più vasto di studi sui<br />
possibili effetti genotossici delle radiazioni RF (vedi appendice A5). Per la maggior parte si<br />
tratta di studi in vitro su linfociti umani e studi in vivo su topi. L’esperimento sulle piantine di<br />
Vicia faba costituisce una novità in questo ampio panorama di studi, i cui risultati complessivi<br />
appaiono per certi versi in contraddizione tra loro. La maggior parte delle ricerche [52, 55-56,<br />
60-63, 65-67, 70, 73-74, 77] non rivela effetti genotossici significativi; in alcune viene<br />
segnalato un aumento della frequenza di aberrazioni cromosomiche e di micronuclei [49-51,<br />
53-54, 57], ma non viene fornita la SAR per un confronto dei risultati, e soprattutto per<br />
escludere un possibile effetto termico; in alcuni studi si evidenzia un aumento di aneuploidia<br />
[59, 64]; alcune ricerche [68, 71-72, 75] fatte su cellule di topo o di ratti esposti a RF con<br />
SAR paragonabile a quella del nostro esperimento (0,5 – 2 W/kg), hanno evidenziato un<br />
aumento significativo delle frequenza di micronuclei o [76] di rottura al singolo filamento di<br />
DNA.<br />
L’aumento della frequenza di micronuclei negli apici esposti a RF 915MHz che abbiamo<br />
riscontrato in questo esperimento, costituisce un risultato importante che merita sicuramente<br />
attenzione e ulteriori indagini. L’effetto genotossico delle RF sugli apici esposti appare<br />
chiaro. Restano tuttavia alcuni aspetti della misura che devono essere approfonditi.<br />
Ad esempio va preliminarmente osservato che per il controllo negativo con cui si è fatto il<br />
confronto, sono stati presi germogli cresciuti contemporaneamente a quelli esposti, ma in un<br />
armadio termostatato diverso; non è pertanto possibile escludere che l’effetto tossico sia stato<br />
causato da un agente diverso dalle RF, presente nel primo armadio (con la cella TEM) e<br />
assente nel secondo, anche se l’eventualità appare abbastanza remota.<br />
Un altro aspetto che andrebbe approfondito è quello sull’uniformità del campo e.m.<br />
all’interno della cella TEM, ed in particolare all’interno della vaschetta dove sono immersi gli<br />
101
apici. Sappiamo infatti che la cella TEM garantisce un campo e.m. uniforme quando è vuota,<br />
ma la presenza delle vaschette con l’acqua e con i germogli potrebbe avere determinato delle<br />
differenze tra un punto ed un altro; come conseguenza anche la SAR, che abbiamo misurato<br />
come valore medio su un’intera vaschetta, potrebbe avere avuto valori diversi, ed in<br />
particolare per gli apici delle piantine, che per il campo e.m. costituiscono una discontinuità<br />
con l’acqua in cui erano immersi. D’altra parte va comunque osservato che anche la materia<br />
organica di cui sono fatte le persone non è uniforme, e nella testa di un utente che usa il<br />
cellulare potrebbero formarsi punti “caldi”, dove la SAR specifica potrebbe essere diversa dal<br />
valore medio 36 fornito dai costruttori (problema della dosimetria).<br />
L’esperimento eseguito per questa tesi costituisce comunque un primo punto importante per<br />
uno studio più ampio da poter condurre a Tor Vergata sugli effetti genotossici delle RF. Il<br />
passo successivo sarà quello di ripetere l’esperimento con dosi differenti di SAR, per<br />
verificare se esiste una relazione dose – effetto delle RNI simile a quella riscontrata per le<br />
radiazioni ionizzanti (vedi paragrafo 4.7.5). Un’eventuale risposta proporzionale della<br />
frequenza di micronuclei alla dose assorbita di radiazione RF costituirebbe un’importante<br />
prova degli effetti genotossici delle RNI a 915 MHz.<br />
36 Gli standard europei indicano di mediare la SAR su 10g di tessuto<br />
102
APPEN<strong>DI</strong>CE<br />
103
A1 Campo irradiato dalle antenne – Campo vicino e campo<br />
lontano<br />
La radiazione elettromagnetica RF viene diffusa attraverso l'uso di antenne. La distribuzione<br />
spaziale di energia RF di un antenna è direzionale e varia con la distanza dall'antenna. A<br />
distanze sufficientemente lontane dalla antenna sorgente, il campo cambia solo con la distanza<br />
(regione di campo lontano). A breve distanza, l’intensità dei campi dipende fortemente non<br />
solo dalla distanza ma anche dall’angolazione (regione di campo vicino).<br />
Il comportamento dei campi RF e i meccanismi di accoppiamento e di interazione con il<br />
sistema biologico sono molto diversi a seconda della regione di campo considerata.<br />
La transizione tra regione di campo vicino e regione di campo lontano ovviamente non è<br />
netta; come valore di riferimento per separare le due zone si considera la maggiore delle<br />
seguenti due distanze: 3·λ e R = 2·D 2·λ -1 , dove D è la più grande dimensione dell'antenna.<br />
Inoltre, la zona di campo vicino può essere divisa in due sub-regioni: la regione radiativa e la<br />
regione reattiva. La regione reattiva è quella più vicina all’antenna. Per la maggior parte delle<br />
antenne, il punto di transizione tra regione reattiva e radiativa avviene tra 0,2-0,4 D 2 λ -1 . Per<br />
una antenna a dipolo corto, la componente reattiva e radiativa risultano uguali ad una distanza<br />
di circa λ/2π.<br />
Alla frequenza di 100 kHz, la lunghezza d'onda in aria è di 3 km; la distanza di confine tra<br />
regione reattiva e radiativa λ/2π è di circa 477m. Al contrario, a 900 MHz, la lunghezza<br />
d'onda in aria è di 33 cm e la distanza λ/2π è di 5,3 cm, che risulta molto vicina al valore R= 6<br />
cm (2D 2 λ -1 ) per un’antenna RF di 10cm che opera a 900 MHz in aria. Risulta quindi evidente<br />
che una persona che usa un cellulare viene a trovarsi sia nella zona di campo reattivo che nella<br />
zona di campo radiativi.<br />
104
Figura A1.1 Campo irradiato da un’antenna; campo vicino e campo<br />
lontano [1]<br />
Nella regione di campo lontano il campo elettromagnetico ha una le caratteristiche di un’onda<br />
piana. In tali condizioni la misura di una sola delle tre grandezze (campo elettrico, campo<br />
magnetico, densità di potenza) sarà sufficiente a descrivere esaurientemente, dal punto di vista<br />
protezionistico, il sito.<br />
In sintesi, nella zona di campo lontano, i campi a radiofrequenza sono caratterizzate come<br />
segue:<br />
(1) hanno fronte d'onda piano e sono indipendente dalla configurazioni di origine,<br />
(2) la potenza irradiata diminuisce monotonicamente con la distanza dall'antenna<br />
(3) i campi elettrici e magnetici sono univocamente definiti attraverso l'impedenza intrinseca<br />
del mezzo. Così, una determinazione del comportamento del campo elettrico o di quello<br />
magnetico è sufficiente a caratterizzare l'esposizione in termini di densità di potenza.<br />
Nella regione di campo vicino la situazione è più complicata. La quantità di potenza irradiata<br />
verso l'esterno è la stessa che nella regione di campo lontano, ma vicino all'antenna una<br />
notevole<br />
quantità di energia elettromagnetica rimane come immagazzinata in prossimità dell’antenna<br />
stessa. Così oltre all'energia netta irradiata verso l’esterno, vi è un’energia supplementare che<br />
oscilla avanti e indietro. Questi flussi oscillanti si verificano perpendicolarmente alla<br />
direzione verso l'esterno dell’antenna; Il campo E e il campo B sono ancora perpendicolari tra<br />
loro e alla direzione in cui l’energia si propaga, ma non sono più in fase e la loro intensità può<br />
variare notevolmente rispetto a quella calcolata per il campo nella regione lontana. Tale<br />
regione si estende dalla superficie della sorgente fino ad una distanza dell'ordine di una<br />
lunghezza d'onda λ. In tale situazione una valutazione fatta solo in termini di densità di<br />
potenza è priva di significato poiché tale valore viene ottenuto dalla conversione numerica<br />
105
della misura di uno solo dei campi associati, che in regione di campo vicino è priva di<br />
fondamento. Particolare attenzione comunque si dovrà riservare a campi prodotti da sorgenti<br />
multiple di pari o diversa frequenza e alle caratteristiche di campo con cui si sovrappongono<br />
nei vari punti di misura.<br />
Alcune delle caratteristiche salienti della zona di campo vicino sono:<br />
(1) campi elettrici e magnetici sono disaccoppiati, quasi-statici, e non sono uniformi<br />
(2) Impedenza d'onda varia da punto a punto<br />
(3) La larghezza del raggio emesso dall’antenna è divergente ed è piccolo rispetto alla testa o<br />
al corpo umano, soprattutto per una piccola antenna<br />
(4) La potenza varia di meno con la distanza dall'antenna<br />
(5) i trasferimenti di potenza dall'antenna ai mezzi circostanti sono costanti.<br />
Le differenze tra il campo vicino e quello lontano per un'antenna a dipolo elettrico è illustrata<br />
nella figura A1.2, in cui sono mostrate le direzioni in cui la maggior dell’energia fluisce. (La<br />
direzione del campo elettrico è nel piano del foglio e perpendicolare alla direzione del flusso<br />
di energia, mentre la direzione del campo magnetico è perpendicolari al foglio). Lontano<br />
dalla antenna, l'energia fluisce solo verso l'esterno. Tuttavia, in prossimità dell'antenna, la<br />
maggior parte della energia viene immagazzinata intorno all'antenna, scorrendo avanti e<br />
indietro lungo la sua lunghezza, e solo una piccola parte viene irradiato verso l'esterno.<br />
Figura A1.2 Antenna a dipolo; le frecce indicano il flusso di energia<br />
elettromagnetica [7]<br />
106
A2 Richiami di biologia<br />
A2.1 Struttura cellulare degli organismi<br />
La componente fondamentale di tutti gli esseri viventi presenti sulla terra e la cellula (dal<br />
latino, piccola camera).<br />
Alcuni organismi, come ad esempio i batteri o i protozoi, possono consistere di una singola<br />
cellula ed essere definiti unicellulari. Gli altri organismi, come l'uomo (formato da circa 10 14<br />
cellule), sono invece pluricellulari. I principali organismi pluricellulari appartengono<br />
tipicamente ai regni animale, vegetale e dei funghi. Le cellule degli organismi unicellulari<br />
presentano caratteri morfologici solitamente uniformi. Con l'aumentare del numero di cellule<br />
di un organismo, invece, le cellule che lo compongono si differenziano in forma, grandezza,<br />
rapporti e funzioni specializzate, fino alla costituzione di tessuti ed organi.<br />
Ogni cellula può esser definita come un'entità chiusa ed autosufficiente: essa è infatti in grado<br />
di assumere nutrienti, di convertirli in energia, di svolgere funzioni specializzate e di<br />
riprodursi se necessario. Per fare ciò, ogni cellula contiene al suo interno tutte le informazioni<br />
necessarie.<br />
Tutte le cellule possono essere grossolanamente ricondotte a due generici tipi: le cellule<br />
procariotiche e quelle eucariotiche.<br />
Le cellule procariote (tipiche dei batteri) hanno una struttura relativamente semplice, e sono<br />
prive di un nucleo ben definito; le dimensioni sono comprese tra uno e dieci micron.<br />
Le cellule eucariote (protisti, funghi, piante, animali) hanno una struttura molto complessa,<br />
comprendente vari organelli interni, e un nucleo ben definito; le dimensioni sono comprese tra<br />
dieci e cento micron.<br />
Figura A2.1 Struttura generale di una cellula<br />
107
A2.2 DNA e Cromosomi<br />
Le informazioni sul funzionamento (e sulla riproduzione) di una cellula sono contenute nel<br />
DNA. Il DNA è un polimero organico costituito da monomeri chiamati nucleotidi. Tutti i<br />
nucleotidi sono costituiti da tre componenti fondamentali: un gruppo fosfato (PO 4 ), il<br />
deossiribosio (zucchero pentoso) e una base azotata che si lega al deossiribosio con legame N-<br />
glicosidico. Le basi azotate che possono essere utilizzate nella formazione dei nucleotidi da<br />
incorporare nella molecola di DNA sono di quattro tipi; esse prendono il nome di adenina,<br />
guanina, citosina e timina (spesso abbreviate A, G, C, T).<br />
La disposizione in sequenza di queste quattro basi costituisce l'informazione genetica,<br />
leggibile attraverso il codice genetico, che ne permette la traduzione in amminoacidi, e quindi<br />
in proteine che sono alla base dalla struttura e della funzionalità della cellula.<br />
L'informazione genetica è duplicata prima della divisione cellulare, attraverso un processo<br />
biologico complesso noto come replicazione del DNA, che evita la perdita di informazione<br />
durante le generazioni.<br />
Negli eucarioti, il DNA si complessa all'interno del nucleo in strutture chiamate cromosomi.<br />
All'interno dei cromosomi, le proteine della cromatina (come gli istoni) permettono di<br />
compattare e controllare la trascrizione dei geni, almeno nella maggior parte dei casi.<br />
Nei procarioti, che sono privi di un nucleo distinto, il DNA è organizzato in uno o più<br />
cromosomi circolari.<br />
La catena del DNA è larga tra i 22 ed i 26 Ångström (da 2,2 a 2,6 nanometri) ed ogni unità<br />
nucleotidica è lunga 3,3 Ångstrom (0,33 nanometri). Sebbene ogni unità occupi uno spazio<br />
decisamente ridotto, la lunghezza dei polimeri di DNA può essere sorprendentemente elevata,<br />
dal momento che ogni filamento può contenere diversi milioni di nucleotidi. Ad esempio, il<br />
più grande cromosoma umano (il cromosoma 1) contiene quasi 250 milioni di paia di basi.<br />
Negli organismi viventi, il DNA non è quasi mai presente sotto forma di singolo filamento,<br />
ma come una coppia di filamenti saldamente associati tra loro. Essi si intrecciano tra loro a<br />
formare una struttura definita doppia elica. Il deossiribosio di ciascun nucleotide si lega<br />
covalentemente al gruppo fosfato del nucleotide successivo, andando a formare lo scheletro<br />
laterale della doppia elica; le basi azotate sui due filamenti opposti si appaiano tra di loro con<br />
la formazione di legami idrogeno: l’adenina si appaia (solo) con la timina, formando due<br />
legami idrogeni, mentre la citosina si appaia con la guanina formando tre legami idrogeno.<br />
La doppia elica del DNA, negli eucarioti, viene poi compattata avvolgendosi su particolari<br />
proteine (istoni), costituendo la cromatina, componente essenziale di ogni cromosoma; il<br />
108
nucleo delle cellule eucariote comprende un certo numero di cromosomi, variabile a seconda<br />
della specie; i cromosomi risultano ben visibili all’osservazione al microscopio in alcune<br />
particolari fasi della vita cellulare.<br />
Figura A2.2 Struttura a pioli del DNA ; sono evidenziate le<br />
4 basi fondamentali: Guanina, Citosina, Adenina, Timina<br />
A2.3 Mitosi<br />
La mitosi è un processo di duplicazione, detta anche cariocinesi, che si verifica in tutti gli<br />
esseri pluricellulari e costituisce la parte finale del ciclo di riproduzione delle cellule<br />
eucariote. In queste cellule il materiale ereditario è concentrato nel nucleo, una importante<br />
struttura separata dal citoplasma da una membrana a doppio strato. Oltre a contenere<br />
l’informazione genetica e a trasmetterla alle cellule figlie mediante il processo di divisione<br />
cellulare, il nucleo svolge la funzione di controllo delle attività cellulari e dirige la sintesi<br />
delle proteine. La mitosi consiste nella formazione di due cellule figlie identiche alla cellula<br />
madre, dotate cioè dello stesso corredo cromosomico diploide. Ne deriva che la cellula prima<br />
di dividersi deve duplicare tutte le proprie strutture. La mitosi è un processo continuo della<br />
durata di circa 30 minuti, in cui si possono distinguere 4 fasi: profase, metafase, anafase e<br />
telofase (alcuni testi distinguono una quinta fase intermedia tra profase e metafase: la<br />
prometafase; il processo naturale è in realtà continuo, e la distinzione in più fasi ha un<br />
carattere essenzialmente descrittivo).<br />
109
Figura A2.3 Le varie fasi in cui può essere suddiviso il processo della mitosi<br />
A2.3.1 Profase<br />
Durante la profase, il primo stadio della separazione cellulare vera e propria, iniziano a<br />
formarsi le strutture cellulari preposte alla divisione, la cromatina contenuta nel nucleo si<br />
sgomitola e scompare il nucleolo. I cromosomi sono visibili anche al microscopio ottico sotto<br />
forma di doppi bastoncelli basofili: i cromatidi fratelli. Questi sono legati fra loro per tutta la<br />
loro lunghezza, in particolare in corrispondenza di una loro strozzatura, il centromero.<br />
Nelle cellule animali viene sintetizzato un secondo centrosoma, ed entrambi appaiono<br />
circondati da una coltre di microtubuli: è il fuso mitotico, formato da dimeri di sub-unità<br />
proteiche tubulina alfa e beta. Il ciclo si potrebbe interrompere in questo punto se alla coltura<br />
si aggiungesse la tossina falloidina, che impedisce la formazione dei filamenti di microtubuli;<br />
ciò si fa quando si vogliono visualizzare al microscopio i cromosomi per studiarne le<br />
caratteristiche. L'apparato del Golgi e il reticolo endoplasmatico in questa fase si<br />
scompongono in piccole vescicolette che si distribuiscono uniformemente in tutto il<br />
citoplasma; anche la membrana nucleare, grazie alla sua doppia struttura, si scompone<br />
similmente ai suddetti organelli.<br />
Figura A2.4 Cellula in profase vista al microscopio<br />
110
In figura A2.4 viene mostrata l’immagine al microscopio di una cellula in profase. In rosso<br />
sono evidenziati i cromosomi, mentre il resto della cellula appare appena ombreggiato.<br />
A2.3.2 Metafase<br />
Questa fase inizia attraverso una sub-fase, la prometafase, in cui avviene l'improvvisa<br />
dissoluzione della membrana nucleare, che si frammenta in tante vescicolette. Tale processo<br />
viene innescato dalla fosforilazione, attraverso delle chinasi, delle proteine delle lamine<br />
(filamenti intermedi) che costituiscono la lamina nucleare; in conseguenza della fosforilazione<br />
i filamenti si dissociano negli elementi costitutivi. I due centrosomi si portano ai poli opposti<br />
della cellula ed agiscono come centri di organizzazione microtubulare, catalizzando<br />
l'allungamento ed assicurando il corretto orientamento dei microtubuli che andranno a breve a<br />
legarsi al centromero di uno dei due cromatidi fratelli; quando tutti i microtubuli si sono<br />
legati, i cromatidi fratelli di ciascun cromosoma sono legati a microtubuli provenienti dai due<br />
poli opposti. In questa fase si possono verificare degli errori e due microtubuli si possono<br />
agganciare allo stesso cromatidio dando poi una cellula figlia privata di un cromosoma e non<br />
vitale. Le coppie di cromatidi vengono portate nella parte mediana della cellula, formando la<br />
piastra equatoriale, in cui un piano immaginario, passante per i centromeri, divide le coppie di<br />
DNA. È questo il momento più favorevole per lo studio dei cromosomi, che sono ora al<br />
massimo della loro spiralizzazione e affiancati ordinatamente lungo la piastra equatoriale<br />
posta al centro della cellula.<br />
Figura A2.5 Cellula in metafase vista al microscopio<br />
A2.3.3 Anafase<br />
Durante l'anafase, i cromatidi si separano fra loro simultaneamente e migrano verso i due poli<br />
opposti della cellula. Si riconoscono due momenti, detti anafase A e anafase B. Nella prima si<br />
assiste alla separazione dei due cromatidi fratelli ad opera di un enzima, detto separasi, con<br />
relativa migrazione degli stessi grazie a proteine motore (tipo dineine citoplasmatiche)<br />
presenti a livello del cinetocore. Nell'anafase B si assiste al reciproco scorrimento dei<br />
microtubuli polari del fuso mitotico con conseguente allontanamento dei due centrosomi<br />
111
verso direzioni opposte. Pertanto si ottiene il ripristino, per ogni polo, del numero originario<br />
di cromosomi.<br />
Figura A2.6 Cellula in anafase vista al microscopio<br />
A2.3.4 Telofase<br />
Nell'ultima fase della mitosi, i cromosomi si despiralizzano. Intorno ai due nuovi complessi<br />
cromosomici ricompaiono le membrane nucleari e gli organelli si ricompongono. La telofase<br />
si conclude con una sottofase: la citodieresi, in cui si separa il citoplasma in modo equivalente<br />
in entrambe le nuove cellule. La cellula si divide al centro formando due cellule figlie,<br />
esattamente identiche alla cellula madre ma più piccole. Questo avviene nelle cellule animali<br />
grazie ad un anello di actina creatosi al centro della cellula madre che, contraendosi, stringe la<br />
cellula al centro. A tal punto le proteine specializzate operano la fusione e la separazione della<br />
membrana in punti specifici e le due cellule si separano. Nelle cellule vegetali durante la<br />
citodieresi si deposita uno strato di pectina, il fragmoplasto, su cui si depositerè<br />
successivamente la cellulosa che costituirà la parete divisoria fra le cellule figlie.<br />
Figura A2.7 Immagine al microscopio di una<br />
cellula in telofase<br />
112
A3 Sintesi dei risultati di ricerche sugli effetti biologici delle RNI<br />
A3.1 Studio di danni al DNA indotti da RF usando il metodo elettroforesi a singola cella<br />
Saggio biologico<br />
SSB e DSB in<br />
fibroblasti diploidi<br />
umani ed in cellule<br />
granulose di ratto,<br />
campionate subito<br />
dopo l’esposizione<br />
SSB in cellule<br />
epiteliali umane,<br />
campionate a 0, 30, 60,<br />
120, e 240 min dopo<br />
l’esposizione<br />
SSB in fibroblesti<br />
umani da coltura ed in<br />
linfociti<br />
Condizioni di<br />
esposizione<br />
1800 MHz; CW o<br />
modulato;<br />
esposizione continua o<br />
intermittente (5 min<br />
acceso, 10 min spento),<br />
durata 4, 16 e 24 ore<br />
SAR 2 W/kg<br />
1.8 GHz (217 Hz AM);<br />
Esposizione 2 h<br />
SAR: 1, 2 e 3 W kg-1<br />
1950 MHz UMTS;<br />
esposizione 24 h e<br />
intermittente 16 h (5<br />
min acceso, 10 min<br />
spento; 10 min acceso,<br />
20 min spento)<br />
SAR < 2W kg-1<br />
Effetto Commento Riferimento<br />
Induzione di rotture al<br />
singolo ed al doppio<br />
filamento di DNA dopo<br />
16h di esposizione<br />
intermittente in<br />
entrambe le tipologie<br />
cellulari e a diverse<br />
modulazioni del<br />
telefono mobile<br />
Danni al DNA a 3W/kg<br />
osservati a 0 e 30<br />
minuti dall’esposizione<br />
Incremento del fattore<br />
coda della cometa in<br />
modo dipendente dalla<br />
dose e dal tempo<br />
L’esposizione per 2h<br />
a 2 e 3 W/kg hanno<br />
mostrato anche un<br />
incremento<br />
significativo<br />
nell’espressione della<br />
proteina hsp 70<br />
Diem et al<br />
2005 [46]<br />
Sun et al<br />
2006 [47]<br />
Schwarz et<br />
al 2008 [48]<br />
A3.2 Indagini citogenetiche sulla genotossicità delle RF<br />
Saggio biologico<br />
Aberrazione<br />
cromosomica e test<br />
dei micronuclei in<br />
cellule V79 di hamster<br />
cinese<br />
Test delle aberrazioni<br />
cromosomiche in<br />
linfociti umani<br />
Aberrazione<br />
cromosomica,<br />
scambio di cromatidi<br />
fratelli e test dei<br />
micronuclei in<br />
linfociti umani<br />
Test delle aberrazioni<br />
cromosomiche in<br />
linfociti umani<br />
Test dei micronuclei<br />
in linfociti umani<br />
Condizioni di<br />
esposizione<br />
7700 MHz CW;<br />
Densità di potenza 5 W<br />
m-2 per 15, 30 e 60 min<br />
7700 MHz CW ;<br />
densità di potenza 5, 100<br />
e 300 W m -2<br />
per 10, 30, 60 min<br />
2450 MHz PW;<br />
SAR: 75 W kg-1 per<br />
30 e 120 min<br />
954 MHz<br />
SAR: 1.5 W kg-1 per 2 h<br />
415 MHz; standard<br />
NMT;<br />
Esposizione per 10, 20,<br />
30 minuti con potenza di<br />
uscita di 15W<br />
Effetto Commento Riferimento<br />
Incremento nella<br />
frequenza di aberrazioni<br />
cromosomiche e di<br />
micronuclei<br />
Incremento<br />
proporzionale al tempo<br />
di aberrazioni<br />
cromosomiche (es. di<br />
centriche, acentriche,<br />
frammenti)<br />
Incremento della<br />
frequenza di aberrazioni<br />
cromoisomiche e di<br />
micronuclei, ma non di<br />
SCE o effetti sulla<br />
proliferazione cellulare<br />
Modesto incremento<br />
nella frequenza delle<br />
aberrazioni<br />
cromosomiche<br />
Incremento<br />
proporzioanle con il<br />
tempo della frequenza<br />
di micronuclei<br />
SAR non data<br />
Probabile effetto<br />
termico;<br />
SAR non data<br />
Probabile effetto<br />
termico<br />
Nessun incremento<br />
nelle SSB in accordo<br />
con il test della<br />
cometa alcalino<br />
(risultato non<br />
pubblicato)<br />
SAR non data<br />
Garaj-Vrhovac<br />
et al 1991 [49]<br />
Garaj-Vrhovac<br />
et al 1992 [50]<br />
Maes et al<br />
1993 [51]<br />
Maes et al 1995<br />
[52]<br />
Garaj-Vrhovac<br />
et al 1996 [53]<br />
113
Test delle aberrazioni<br />
cromosomiche e dei<br />
micronuclei in<br />
linfociti umani<br />
Test dei micronuclei e<br />
test della cometa<br />
alcalino in linfociti<br />
umani<br />
Test dei micronuclei<br />
in linfociti umani<br />
Test dei micronuclei<br />
in linfociti umani<br />
Test dei micronuclei<br />
in linfociti umani<br />
Rilevamento di<br />
aneuploidia in linfociti<br />
umani<br />
Test dei micronuclei<br />
in linfociti umani<br />
Aberrazione<br />
cromosomiche e<br />
micronuclei in<br />
linfociti umani<br />
Test dei micronuclei e<br />
test della cometa<br />
alcalino in fibroblasti<br />
umani ES1 diploidi e<br />
in cellule V79 di<br />
criceto cinese<br />
Test dei micronuclei e<br />
test della cometa<br />
alcalino in linfociti<br />
umani<br />
Studi di aneuploidia in<br />
linfociti umani<br />
2450 e 7700 MHz e<br />
densità di potenza di<br />
100, 200 e 300 W m-2;<br />
Esposizione per 15, 30<br />
o 60 min<br />
1900 MHz CW e PW;<br />
SAR: 0.1, 0.26, 0.92,<br />
2.4, 10 W kg-1;<br />
Esposizione per 2 h<br />
900 MHz CW, GSM;<br />
SAR: 0.2 e 1.6 W kg-1;<br />
Esposizione per 14<br />
sessioni di 6 minuti su<br />
due giorni o di un ora su<br />
un giorno per tre giorni<br />
1800 MHz, CW con una<br />
densità di potenza 5, 10<br />
e 200 W m-2 per 60,<br />
120 e 180 min.<br />
CW o GMSK<br />
1748 MHz;<br />
SAR: 5 W kg-1;<br />
Esposizione 15min.<br />
830 MHz CW;<br />
SAR :2, 2.9, 4.3,<br />
8.2 W kg-1;<br />
Esposizione per 72 h<br />
Segnale 900 MHz GSM<br />
SAR: 1, 5and 10 W kg-<br />
1, esposizione 24 h<br />
2.45 GHz, 8.2 GHz,<br />
21W, 60W; 50W/m2 o<br />
100 W/m2;<br />
SAR: 2.13 W kg-1o<br />
20.71 W kg-1<br />
esposizione 2h<br />
Segnale 1800 MHz, CW<br />
o modulato;<br />
continuo e intermittente<br />
(5 minuti acceso, 10<br />
minuti spento);<br />
esposizione per tempi da<br />
1 ora a 24 ore<br />
SAR 2W/kg<br />
Segn. UMTS 1950 MHz<br />
Esposiz. intermittente<br />
(6 minuti acceso, 2 ore<br />
spento) per 14 e 68 ore<br />
SAR 2,2 W/kg<br />
800 MHz, CW,<br />
SAR: 2,9 e 4,1<br />
W k7g per 72 h<br />
Incremento della<br />
frequenza di<br />
micronuclei ad una<br />
densità di potenza di<br />
30mW/cm 2 e dopo un<br />
tempo di esposizione di<br />
60 min (non a 10 min)<br />
Nessun aumento della<br />
frequenza di<br />
micronuclei o di danno<br />
al DNA in base al test<br />
della cometa<br />
Nessun incremento<br />
nella frequenza di<br />
micronuclei<br />
Le microonde hanno<br />
mostrato di poter<br />
indurre micronuclei con<br />
esposizioni a breve<br />
termine a campi con<br />
densità di potenza<br />
media<br />
La frequenza di MN<br />
non è stata alterata<br />
dall’esposizione CW;<br />
ma un effetto<br />
statisticam. significativo<br />
sui MN è stato trovato a<br />
seguito di esposizione<br />
ad un campo con<br />
modulazione di fase<br />
Incremento<br />
dell’aneuploidia del<br />
cromosoma 17 in modo<br />
proporzionale alla SAR<br />
Nessuna evidenza di<br />
effetto genotossico (test<br />
dei micronuclei) o di<br />
effetti citotossici<br />
Nessun effetto negativo<br />
sulla cinetica e sulla<br />
proliferazione cellulare<br />
o sulla quantità di danni<br />
cromosomici<br />
Nessun induzione di<br />
cellule micronucleate<br />
nei diversi esperimenti<br />
Nessun incremento<br />
nella frequenza di<br />
micronuclei<br />
Induzione di<br />
aneuploidia determinate<br />
dall’interfase di FISH<br />
usando un’analisi<br />
semiautomatica<br />
dell’immagine<br />
SAR non data<br />
SAR non data<br />
Nessun cambiamneto<br />
rilevato nella<br />
proliferazione<br />
cellulare dopo<br />
l’esposizione a campi<br />
sia CW che GMSK<br />
Questo studio è<br />
mirato a replicare le<br />
recenti scoperte<br />
(REFLEX 2004 e<br />
Diem et al 2005) – I<br />
risultati non sono in<br />
accordo<br />
Nessun effetto sul<br />
test della cometa<br />
alcalino<br />
I risultati sono stati<br />
attribuiti ad un effetto<br />
atermico delle RF<br />
Zotti-Martelli<br />
et al 2000 [54]<br />
McNamee et<br />
al 2003 [55]<br />
Zeni et al 2003<br />
[56]<br />
Zotti-Martelli<br />
et al 2005 [57]<br />
D’Ambrosio et<br />
al 2002 [58]<br />
Mashevich et<br />
al 2003 [59]<br />
Scarfi et al<br />
2006 [60]<br />
Vijayalaxmi<br />
2006 [61]<br />
Speit et al<br />
2007 [62]<br />
Zeni et al 2008<br />
[63]<br />
Mazor et al<br />
2008[64]<br />
114
A3.3 Studi sulla genotossicità delle RF su animali vivi<br />
Saggio<br />
biologico<br />
Micronuclei in cellule<br />
periferiche di sangue<br />
e di midollo osseo in<br />
topi incline al tumore<br />
Micronuclei in<br />
eritrociti<br />
policromatici (da<br />
sangue periferico e<br />
midollo osseo) di topi<br />
CF-1<br />
Micronuclei in cellule<br />
di sangue periferico e<br />
di midollo osseo in<br />
ratti<br />
Micronuclei in cellule<br />
di sangue periferico<br />
in ratti<br />
Micronuclei in cellule<br />
di midollo osseo di<br />
ratto<br />
Micronuclei in cellule<br />
periferiche di sangue<br />
e di midollo osseo in<br />
topi<br />
Micronuclei in cellule<br />
di midollo osseo di<br />
ratto<br />
Micronuclei in cellule<br />
di midollo osseo di<br />
ratto<br />
Micronuclei in<br />
eritrociti, in cellule di<br />
midollo osseo, in<br />
cheratinociti, e<br />
linfociti della milza di<br />
topi<br />
Danno al DNA (test<br />
della cometa alcalino)<br />
e micronuclei in<br />
Condizioni di<br />
esposizione<br />
2450 MHz; CW;<br />
SAR:1W kg-1;<br />
20 h al giorno, 7 giorni a<br />
settimana per 1,5 anni<br />
Gli animali sono stati<br />
esposti per 15 minuti ad<br />
una radiazione a banda<br />
ultralarga (UWB) a 37<br />
mW/kg<br />
2450 MHz; CW;<br />
SAR: 12 W kg-1;<br />
Esposizione 24 h<br />
2450 MHz, CW;<br />
SAR: 1 and 2 W kg-1;<br />
2 h al giorno ,<br />
7 giorni la settimana per<br />
30 giorni<br />
1600 MHz;<br />
Iridium signal;<br />
SRA: 0,16 e 1,6 W kg-<br />
1; 2 h per giorno,<br />
5 giorni la settimana per<br />
due anni<br />
42.2 GHz;<br />
SAR: 622 ±100 W kg-1;<br />
30 min al giorno per tre<br />
giorni<br />
Esposizione anche con<br />
cyclophosphamide<br />
2450 MHz; CW;<br />
SAR: 1.25 W kg-1;<br />
2 h al giorno,<br />
7 giorni la settimana e<br />
4, 16, 30 e 60 h<br />
910 MHz;<br />
SAR di picco : 0.42<br />
W/kg<br />
2 h/giorno per 30 giorni<br />
consecutivi<br />
GSM 900 MHz e<br />
DCS 1800 MHz;<br />
Ampiezza modulata;<br />
SAR: 0, 3.7, 11 e 33.2<br />
W kg-1 (1 settimana di<br />
studio)<br />
e 0, 2.8, 8.3 e 24.9<br />
W kg-1 (6 settimane di<br />
studio);<br />
2h al giorno di<br />
esposizione<br />
900 MHz; ampiezza<br />
modulata;<br />
SAR: 0.3 e 0.9 W kg-1;<br />
Effetto Commento Riferimento<br />
Nessun effetto<br />
osservato<br />
Nessun effetto<br />
osservato<br />
Nessun effetto<br />
osservato<br />
Incremento<br />
nell’incidenza di<br />
micronuclei negli<br />
animali esposti alle<br />
RF dopo otto<br />
trattamenti di<br />
irradiazione di due<br />
ore ciascuno<br />
Nessun segno di<br />
effetto genotossico<br />
Nessun segno di<br />
effetto genotossico<br />
delle RF e nessuna<br />
influenza della<br />
cyclophosphamide<br />
Aumento<br />
dell’incidenza di<br />
micronuclei nel<br />
giorno sperimantale<br />
15<br />
Aumento<br />
dell’incidenza di<br />
micronuclei<br />
Nessun danno<br />
osseervato in cellule<br />
cerebrali<br />
L’esposizione<br />
simultanea ad RF e<br />
ad MX non ha<br />
L’osservazione può<br />
essere stata alterata<br />
dalla presenza di<br />
granuli cellulari che<br />
non è stato possibile<br />
discriminare dai<br />
micronuclei<br />
Vijayalaxmi<br />
et al 1997b [65]<br />
Vijayalaxmi<br />
et al 1999 [66]<br />
Vijayalaxmi<br />
et al 2001a [67]<br />
Trosic et al<br />
2002 [68]<br />
Vijayalaxmi<br />
et al 2003 [69]<br />
Vijayalaxmi<br />
et al 2004 [70]<br />
Trosic et al<br />
2004b [71]<br />
Lai and<br />
Singh 2005 [72]<br />
Görlitz et al<br />
2005 [73]<br />
Verschaeve<br />
et al 2006 [74]<br />
115
cellule del sangue, del<br />
fegato e del cervello<br />
di ratto<br />
Formazione di<br />
micronuclei nel<br />
sangue di ratti esposti<br />
alla radiazione di un<br />
telefono cellulare<br />
durante<br />
l’embriogenesi<br />
Danno al DNA (test<br />
della cometa alcalino)<br />
in cellule cerebrali di<br />
ratto<br />
Frequenza di<br />
micronuclei in<br />
eritrociti di topi<br />
Frequenza di<br />
micronuclei in<br />
eritrociti di topi<br />
2 h al giorno<br />
5 giorni la settimana per<br />
2 anni<br />
Esposizione insieme ad<br />
MX nell’acqua da bere<br />
Esposizione all’antenna<br />
di un cellulare (834<br />
MHz, 26.8 - 40 V/m)<br />
Dal primo giorno di<br />
gravidanza 8.5 h al<br />
giorno SAR stimata a<br />
0.55-1.23 W/kg<br />
2.45 GHz e 16.5 GHz<br />
SAR: 1.0 e 2.01 W/kg<br />
Esposizione 2 h al<br />
giorno per 35 giorni<br />
902.5 MHz (NMT)<br />
SAR: 1.5 W/kg;<br />
902.5 MHz (GSM)<br />
SAR=0.35 W/kg<br />
per 78 settimane<br />
(1.5 h al giorno, 5 giorni<br />
la settimana).<br />
Topi transgenici K2 e<br />
non transgenici esposti<br />
52 settimane al segnale<br />
digitale dei telefoni<br />
cellulari, GSM e<br />
DAMPS<br />
SAR: 0,5 W/kg<br />
aumentato la risposta<br />
dei test<br />
Aumento<br />
significativo della<br />
frequenza di MN<br />
negli eritrociti dei<br />
neonati dei ratti<br />
gravidi esposti<br />
Aumento<br />
statisticamente<br />
significativo di<br />
rotture al singolo<br />
filamento di DNA<br />
seguenti<br />
all’esposizione RF<br />
Nessun effetto<br />
Nessun effetto<br />
Animali presi al<br />
necroscopio da uno<br />
studio<br />
cocarcinogenetico da<br />
Heikkinen et al<br />
2001<br />
Durante le prime<br />
settimane anche<br />
irrdiazione X a 4 Gy<br />
Animali presi al<br />
necroscopio da uno<br />
studio<br />
cocarcinogenetico da<br />
Heikkinen et al<br />
2003<br />
Esposizione 3 volte la<br />
settimana alla<br />
radiazione UV 1,2<br />
MED<br />
Ferreira et al<br />
2006 [75]<br />
Paulraj and<br />
Behari 2006 [76]<br />
Juutilainen<br />
et al 2007 [77]<br />
Juutilainen<br />
et al 2007 [77]<br />
SSB Single-strand binding protein (proteina legante il singolo filamento) è una proteina in grado di<br />
legare le regioni di DNA a singolo filamento, al fine di prevenirne il riappaiamento con un altro<br />
singolo filamento.<br />
DSB Double-strand binding protein (proteina legante il doppio filamento)<br />
MN Micronuclei<br />
SAR Specific Absorbition Rate (tasso di assorbimento specifico)<br />
CW Continuous wave (onda continua)<br />
PW Pulsed Wave (onda pulsata)<br />
GSM Global System for Mobile Communications<br />
UMTS Universal Mobile Telecommunications System<br />
116
A4 Limiti di esposizione alle RNI<br />
A4.1 ICNIRP<br />
La Commissione Internazionale per la Protezione dalle Radiazioni Non Ionizzanti (ICNIRP) è<br />
un’organizzazione scientifica indipendente, i cui scopi sono quelli di fornire orientamenti e<br />
consigli sui rischi alla salute derivanti dall’esposizione alle radiazioni non ionizzanti.<br />
L’ICNIRP è stato istituita per promuovere la protezione dalle radiazioni non ionizzanti a<br />
beneficio di persone e dell'ambiente. Essa sviluppa linee guida internazionali sui limiti di<br />
esposizione alle radiazioni non ionizzanti che sono indipendenti e basate su ricerche<br />
scientifiche; fornisce una guida sulla base della scienza e raccomandazioni sulla protezione<br />
dalle radiazioni non ionizzanti; stabilisce principi di protezione dalle radiazioni non ionizzanti<br />
per la formulazione di programmi di protezione internazionale e nazionale.<br />
L’ICNIRP ha recentemente pubblicato (nel 2009) una recensione sugli effetti biologici e<br />
sanitari derivanti dall’esposizione ai campi e.m. ad alta frequenza (100kHz-300GHz); questo<br />
documento affronta le prove scientifiche attualmente disponibili per l'esposizione alle alte<br />
frequenze campi elettromagnetici (CEM) e le conseguenze che ne derivano per la salute. La<br />
recensione è stata condotta da comitati ICNIRP permanenti in collaborazione con i suoi<br />
membri Consulting. Esso copre tutti aspetti scientifici rilevanti in questo settore che<br />
comprende dosimetria numerica, misurazioni, indagini biologiche di laboratorio in vitro e in<br />
vivo, così come i risultati epidemiologici.<br />
Precedentemente (1998) l’ICNIRP aveva pubblicato: “Linee guida per la limitazione<br />
dell’esposizione a campi elettrici e magnetici variabili nel tempo ed a campi elettromagnetici<br />
(fino a 300GHz)”. In questa pubblicazione l’ICNIRP riprende e riassume studi e indicazioni<br />
precedentemente pubblicati da enti internazionali (OMS, IRPA/ICIRC, UNEP), aggiornandoli<br />
in base ai più recenti studi scientifici; vengono descritti gli effetti diretti e indiretti dei campi<br />
elettromagnetici; vengono discussi i risultati di studi di laboratorio e di indagini epidemiologiche,<br />
i criteri fondamentali di protezione dalle esposizioni ed i livelli di riferimento adottati per una<br />
pratica valutazione del danno sanitario; viene distinto il caso delle esposizioni per motivi<br />
professionali e quelle del pubblico in generale.<br />
La Commissione riconosce che, nello stabilire dei limiti di esposizione, si debbono conciliare<br />
varie e diverse opinioni degli esperti. Si deve anche considerare la validità delle pubblicazioni<br />
scientifiche, e si devono compiere delle estrapolazioni dagli esperimenti su animali agli effetti<br />
sull’uomo. I limiti forniti nelle linee guida sono basati sui soli dati scientifici; le conoscenze<br />
117
attualmente disponibili indicano che questi limiti forniscono in ogni caso una protezione adeguata<br />
dall’esposizione ai campi elettromagnetici variabili nel tempo.<br />
Queste linee guida per la limitazione delle esposizioni sono state sviluppate dopo un’accurata<br />
revisione di tutta la letteratura scientifica pubblicata. I criteri adottati nel corso della revisione<br />
sono stati appositamente studiati per valutare la credibilità dei vari risultati riportati (Repacholi e<br />
Stolwijk 1991; Repacholi e Cardis 1997); solo gli effetti accertati sono stati utilizzati come base<br />
per le restrizioni proposte. Si è giudicato che l’induzione di tumori per effetto di esposizioni a<br />
lungo termine a campi elettromagnetici non sia stata accertata e pertanto queste linee guida si<br />
basano sugli effetti sanitari immediati delle esposizioni a breve termine, come stimolazione dei<br />
nervi periferici e dei muscoli, scosse e ustioni derivanti dal contatto con oggetti conduttori o<br />
innalzamenti della temperatura dei tessuti in conseguenza dell’assorbimento di energia durante<br />
l’esposizione a campi elettromagnetici. Per ciò che riguarda potenziali effetti a lungo termine,<br />
come un aumento del rischio di cancro, l’ICNIRP ha concluso che i dati disponibili costituiscono<br />
una base insufficiente per stabilire delle restrizioni all’esposizione, anche se la ricerca<br />
epidemiologica ha fornito dei dati che suggeriscono, ma in modo non convincente,<br />
un’associazione tra possibili effetti cancerogeni e l’esposizione a livelli di induzione magnetica a<br />
50/60 Hz che sono molto inferiori a quelli raccomandati in queste linee guida.<br />
I valori raccomandati si dividono in due categorie:<br />
Restrizioni di base: Le restrizioni sull’esposizione sono basate su effetti sanitari accertati e<br />
vengono chiamate restrizioni di base. Secondo la frequenza, le grandezze fisiche usate per<br />
specificare le restrizioni di base per l’esposizione a campi elettromagnetici sono la densità di<br />
potenza, il rateo di assorbimento specifico (o SAR, dall’inglese Specific Absorption Rate) e la<br />
densità di potenza. Per la protezione da effetti nocivi per la salute, non si devono superare queste<br />
restrizioni di base.<br />
Livelli di riferimento: I livelli di riferimento vengono forniti ai fini di un confronto pratico<br />
con i valori misurati di determinate grandezze fisiche: il rispetto di tutti i livelli di riferimento<br />
forniti da queste linee guida assicurano il rispetto delle restrizioni di base. Se i valori misurati<br />
sono superiori ai livelli di riferimento, non ne consegue necessariamente che siano superate le<br />
restrizioni di base, ma è necessaria un’analisi più dettagliata per verificare il rispetto di queste<br />
ultime.<br />
A4.1.1 Restrizioni di base<br />
Le basi scientifiche utilizzate per sviluppare le restrizioni di base sono diverse per i vari intervalli<br />
di frequenza:<br />
118
• tra 1 Hz e 10 MHz, vengono fornite restrizioni di base sulla densità di corrente, per<br />
prevenire effetti sulle funzioni del sistema nervoso;<br />
• tra 100 kHz e 10 GHz, vengono fornite restrizioni di base sul SAR, per prevenire sbalzi<br />
termici nel corpo intero e riscaldamenti eccessivi di tessuti a livello locale; nell’intervallo tra<br />
100 kHz e 10 MHz, vengono fornite restrizioni sia per la densità di corrente sia per il SAR;<br />
• tra 10 e 300 GHz, vengono fornite restrizioni di base sulla densità di potenza, per prevenire<br />
un riscaldamento eccessivo nei tessuti superficiali del corpo o in quelli adiacenti.<br />
Nell’intervallo di frequenza tra pochi hertz e 1 kHz, se la densità di corrente indotta supera<br />
100 mA/m 2 , vengono superate le soglie per variazioni dell’eccitabilità del sistema nervoso<br />
centrale e per altri effetti acuti, come un’inversione dei potenziali visivi evocati.<br />
Alla luce delle considerazioni di sicurezza sopra illustrate, è stato deciso che, per frequenze<br />
comprese tra 4 Hz e 1 kHz, l’esposizione per motivi professionali debba essere limitata a<br />
campi che inducano densità di correnti inferiori a 10 mA/m2, cioè che venga adottato un<br />
fattore di sicurezza pari a 10. Per il pubblico in generale si applica un ulteriore fattore pari a 5,<br />
che porta ad un limite di base di 2 mA/m 2 .<br />
Al di sotto di 4 Hz e al di sopra di 1 kHz, le restrizioni di base sulla corrente indotta<br />
aumentano progressivamente, in corrispondenza di un aumento della soglia per la<br />
stimolazione nervosa in questi intervalli di frequenza. Gli effetti biologici e sanitari che sono<br />
stati accertati nell’intervallo di frequenza tra 10 MHz e pochi GHz possono essere interpretati<br />
come risposte ad un aumento della temperatura corporea di oltre 1°C. In condizioni<br />
ambientali normali, un simile aumento di temperatura è provocato da un’esposizione ad un<br />
SAR al corpo intero di circa 4 W/kg per circa 30 minuti.<br />
Si è quindi scelto un SAR medio sul corpo intero di 0,4 W/kg, come limite in grado di fornire<br />
un’adeguata protezione per l’esposizione professionale. Per l’esposizione della popolazione si<br />
introduce un ulteriore fattore di sicurezza pari a 5, che fornisce un limite di 0,08 W/kg per il<br />
SAR medio sul corpo intero.<br />
L’abbassamento delle restrizioni di base nel caso di esposizione del pubblico generico tiene<br />
conto del fatto che l’età e lo stato di salute possono essere diversi rispetto ai lavoratori.<br />
Nel campo delle basse frequenze, vi sono al momento pochi dati che colleghino le correnti<br />
transitorie ad effetti sanitari. L’ICNIRP raccomanda quindi che le restrizioni sulla densità di<br />
corrente indotta da campi transitori o da impulsi di durata molto breve siano considerate come<br />
valori istantanei e non siano mediati nel tempo.<br />
Le restrizioni di base sulla densità di corrente, sul SAR mediato sul corpo intero e sul SAR<br />
localizzato, per frequenze comprese tra 1 Hz e 10 GHz, sono presentate nella Tabella A6.1,<br />
119
mentre le restrizioni sulla densità di potenza nell’intervallo di frequenza tra 10 GHz e 300 GHz<br />
sono presentati nella Tabella A6.2.<br />
Tabella A4.1. Restrizioni di base per campi elettrici e magnetici variabili nel tempo, con frequenze<br />
fino a 10 GHz<br />
Tabella A4.2 Restrizioni di base per la densità di potenza per frequenze comprese tra 10 e 300 GHz<br />
120
A4.1.2 Livelli di riferimento<br />
Quando è opportuno, i livelli di riferimento si ottengono dai limiti di base, alle specifiche<br />
frequenze, attraverso modelli matematici ed estrapolazioni dai risultati delle ricerche di<br />
laboratorio. I livelli di riferimento vengono forniti per le condizioni di massimo<br />
accoppiamento del campo con l’individuo esposto e garantiscono quindi la massima<br />
protezione.<br />
Le tabelle A4.3 e A4.4 riassumono i livelli di riferimento per l’esposizione professionale e per<br />
quella del pubblico generico, rispettivamente. I livelli di riferimento devono intendersi come<br />
valori mediati sull’intero corpo dell’individuo esposto, ma con l’importante avvertenza che<br />
non devono essere comunque superati i limiti di base per l’esposizione localizzata.<br />
Tabella A4.3 Livelli di riferimento per l’esposizione professionale a campi elettrici e magnetici<br />
(valori efficaci imperturbati)<br />
121
Tabella A4.4. Livelli di riferimento per l’esposizione del pubblico a campi elettrici e magnetici<br />
(valori efficaci imperturbati)<br />
A4.2 Normativa Italiana sui limiti di esposizione alle RNI<br />
In Italia i limiti di esposizione ai campi e.m. ad alta frequenza (100 kHz – 300 GHz) sono<br />
stati fissati nel Decreto del Presidente del Consiglio dei Ministri 8 luglio 2003.<br />
Le disposizioni del decreto fissano i limiti di esposizione e i valori di attenzione per la<br />
prevenzione degli effetti a breve termine e dei possibili effetti a lungo termine nella<br />
popolazione dovuti alla esposizione ai campi elettromagnetici generati da sorgenti fisse con<br />
frequenza compresa tra 100kHz e 300GHz. Il decreto fissa inoltre gli obiettivi di qualità, ai<br />
fini della progressiva minimizzazione della esposizione ai campi medesimi e l'individuazione<br />
delle tecniche di misurazione dei livelli di esposizione.<br />
I limiti di esposizione, i valori di attenzione e gli obiettivi di qualità del decreto non si<br />
applicano ai lavoratori esposti per ragioni professionali oppure per esposizioni a scopo<br />
diagnostico o terapeutico.<br />
122
Nel caso di esposizione a impianti che generano campi elettrici, magnetici ed elettromagnetici<br />
con frequenza compresa tra 100 kHz e 300 GHz, non devono essere superati i limiti di<br />
esposizione di cui alla tabella A4.5, intesi come valori efficaci.<br />
A titolo di misura di cautela per la protezione da possibili effetti a lungo termine<br />
eventualmente connessi con le esposizioni ai campi generati alle suddette frequenze<br />
all'interno di edifici adibiti a permanenze non inferiori a quattro ore giornaliere, e loro<br />
pertinenze esterne, che siano fruibili come ambienti abitativi quali balconi, terrazzi e cortili<br />
esclusi i lastrici solari, si assumono i valori di attenzione indicati nella tabella A4.6.<br />
Ai fini della progressiva minimizzazione della esposizione ai campi elettromagnetici, i valori<br />
di immissione dei campi oggetto del decreto, calcolati o misurati all'aperto nelle aree<br />
intensamente frequentate, non devono superare i valori indicati nella tabella A4.6. Detti valori<br />
devono essere mediati su un'area equivalente alla sezione verticale del corpo umano e su<br />
qualsiasi intervallo di sei minuti.<br />
Per aree intensamente frequentate si intendono anche superfici edificate ovvero attrezzate<br />
permanentemente per il soddisfacimento di bisogni sociali, sanitari e ricreativi.<br />
Tabella A4.5 Limiti di esposizione alle RNI (normativa italiana)<br />
Intensità del campo Intensità del campo Densità di potenza<br />
Frequenza<br />
elettrico E (V/m) magnetico H (A/m) (W/m 2 )<br />
100kHz < f < 3MHz 60 0,2 -<br />
3MHz < f < 3GHz 20 0,05 1<br />
3GHz < f < 300GHz 40 0,01 4<br />
Tabella A4.6 Valori di attenzione e obiettivi di qualità<br />
Intensità del campo Intensità del campo<br />
Frequenza<br />
elettrico E (V/m) magnetico H (A/m)<br />
100kHz < f < 300GHz 6 0,016<br />
Densità di potenza<br />
(W/m 2 )<br />
0,10<br />
(3MHz
Il fatto che riguardo agli effetti atermici nel mondo scientifico non vi è certezza, in Italia ha<br />
destato particolare attenzione ed ha avuto anche un riscontro legislativo diretto. Rispetto a<br />
molti altri paesi, infatti, lo Stato italiano ha stabilito per gli ambienti abitativi dei valori di<br />
cautela molto restrittivi. Se infatti un limite sanitario può essere stabilito soltanto in base a<br />
conoscenze accertate sugli effetti delle radiazioni per la salute umana, un valore di attenzione<br />
o obiettivo di qualità tiene conto anche degli effetti a lungo termine, possibili ma non ancora<br />
dimostrati, e si propone di garantire, nel dubbio, un livello di sicurezza ancora piú elevato.<br />
Ecco perché, nel territorio italiano, in corrispondenza di edifici adibiti a permanenza non<br />
inferiore a 4 ore, per le frequenze comprese fra 0,1 MHz e 300 GHz si è stabilito un unico<br />
limite di cautela per il campo elettrico pari a soli 6 V/m, adottando così un criterio<br />
decisamente più restrittivo rispetto a quello raccomandato dall’ICNIRP (per esempio 41 V/m<br />
per la frequenza di 900 MHz).<br />
La tabella A4.7 riporta un confronto a livello internazionale dei livelli di riferimento per la<br />
telefonia mobile per le frequenze di 900 MHz e 1800 MHz, per i quali alcuni stati, fra cui p.<br />
es. l’Italia, hanno introdotto dei valori di cautela più restrittivi di quelli raccomandati<br />
dall’ICNIRP.<br />
Tabella A4.7 Confronto internazionale per i livelli di riferimento<br />
del campo elettrico<br />
124
A5 Test statistici di significatività<br />
Nei test statistici di significatività (o test di ipotesi) si sottopone a test un’ipotesi su un<br />
parametro di una popolazione, con lo scopo di decidere, esaminando un campione tratto dalla<br />
popolazione, se l’affermazione riguardante il parametro è vera o falsa. Tale ipotesi viene detta<br />
ipotesi zero, o anche ipotesi nulla, ed indicata con H 0 . Quando si effettua il confronto fra due<br />
o più gruppi di dati (campioni), l’ipotesi zero prevede sempre che non esista alcuna differenza<br />
tra i gruppi riguardo al parametro considerato. Quindi se l’ipotesi nulla è valida, i campioni<br />
vengono dalla stessa popolazione e le eventuali differenze osservate nei campioni (il<br />
parametro considerato) vanno attribuite al solo caso.<br />
Vi è da sottolineare che con la verifica delle ipotesi, ed in generale con l’inferenza statistica,<br />
non si arriva alla dimostrazione di un’ipotesi; si ha solo un’indicazione del fatto che l’ipotesi<br />
sia o meno avvalorata dai dati disponibili; quando non si rifiuta un’ipotesi nulla non si dice<br />
che è vera, ma che può essere vera; in altre parole se non rifiutiamo l’ipotesi nulla, possiamo<br />
solo concludere che il campione non fornisce prove sufficienti a garantirne il rifiuto, ma ciò<br />
non implica alcuna dimostrazione. Riassumendo le possibili conclusione di un test di ipotesi<br />
sono:<br />
1. se l’ipotesi nulla H 0 è rifiutata, si conclude che l’ipotesi alternativa H 1 è probabilmente<br />
vera<br />
2. se l’ipotesi nulla H 0 non è rifiutata si conclude che i dati non forniscono una sufficiente<br />
evidenza per sostenere l’ipotesi alternativa.<br />
In generale quando si usa una statistica campionaria per prendere una decisione sul parametro<br />
di una o più popolazioni, si corre sempre il rischio di giungere ad una conclusione sbagliata.<br />
Questo dipende dal fatto che un’informazione parziale, ottenuta da un campione (più o meno<br />
limitato), è usata per trarre conclusione sull’intera popolazione.<br />
Nel test di ipotesi possiamo distinguere due tipi di errore.<br />
Se l’ipotesi H 0 è vera, ma viene erroneamente rifiutata, si commette un errore di tipo I; la<br />
probabilità di commettere tale errore è indicata con α.<br />
Se l’ipotesi H 0 è falsa, ma erroneamente non viene rifiutata, si commette un errore di tipo II;<br />
la probabilità di commettere questo tipo di errore è indicata con β.<br />
I risultati delle decisioni a cui si perviene con un test di ipotesi possono essere riassunti:<br />
H 0 è vera<br />
H 0 è falsa<br />
Rifiutiamo H 0 Errore di tipo I (probabilità α) Decisione corretta<br />
Accettiamo H 0 Decisione corretta Errore di tipo II (probabilità β)<br />
125
La probabilità α di commettere un errore di tipo I, ossia di rifiutare un’ipotesi vera, è detta<br />
livello di significatività. La probabilità alternativa (1-α) viene detta grado di fiducia.<br />
La probabilità β di commettere un errore di tipo II, ossia di accettare un’ipotesi falsa, viene<br />
chiamata anche rischio del consumatore.<br />
La decisione di respingere o accettare l’ipotesi nulla viene presa sulla base di valori statistici<br />
calcolati sul campione (statistica test). Dai dati del campione si ricava una variabile statistica,<br />
la cui distribuzione viene detta statistica test ed è, di solito, una distribuzione nota, come la<br />
distribuzione normale o la distribuzione t-student; si ricorre a queste distribuzioni per<br />
sottoporre a verifica l’ipotesi nulla.<br />
Utilizzando le proprietà della statistica, si può identificare un intervallo di valori poco<br />
probabili se l’ipotesi nulla è vera.<br />
La distribuzione di campionamento della statistica test viene così divisa in due regioni, una<br />
regione di rifiuto ed una di accettazione, delimitate da uno o più valori, detti valori critici.<br />
I test di ipotesi possono essere classificati in due gruppi: test ad una coda (o test unilaterale) e<br />
test a due code.<br />
I test ad una coda si hanno si hanno quando la regione di rifiuto è costituita da un unico<br />
intervallo, e si presentano quando l’ipotesi nulla si basa su una logica di maggiore o minore<br />
(es. l’ipotesi H 0 afferma che la media m 1 di una popolazione è maggiore della media m 2 di<br />
un’altra popolazione).<br />
Figura A5.1 Test ad una coda<br />
I test a due code si hanno quando la regione di rifiuto è costituita da due intervalli, e si<br />
presentano quando l’ipotesi nulla si basa su una logica di uguaglianza (es. l’ipotesi H 0 afferma<br />
che la media m 1 di una popolazione è uguale alla media m 2 di un’altra popolazione, vale a<br />
dire che due diversi campioni statistici appartengono alla stesa popolazione).<br />
126
Figura A5.2 Test a due code<br />
A5.1 Test di ipotesi sulla differenza tra due medie - Test t-student<br />
Quando il parametro da considerare è la media di due campioni, e vogliamo sapere se<br />
l’eventuale differenza fra le due medie è significativa, si utilizza il test di Student.<br />
Introdotto dal chimico inglese Gosset per testare campioni di birra per l’azienda dove<br />
lavorava (la Guiness di Dublino) 37 , tale test viene utilizzato anche oggi per l’analisi di<br />
campioni limitati, per i quali sono noti le medie e le varianze campionarie, ma non quelle<br />
delle popolazioni di origine. Considerando i valori campionari la distribuzione delle<br />
probabilità non è più fornita dalla distribuzione normale, ma da un’altra distribuzione, detta<br />
appunto di Student. La variabile casuale introdotta da Gosset (statistica test) viene definita:<br />
t =<br />
con grado di libertà n = n 1 + n 2 – 2<br />
( X − X )<br />
S<br />
1<br />
2<br />
2<br />
− d<br />
⎛ 1 1<br />
⎜ +<br />
⎝ n1<br />
n2<br />
⎞<br />
(A5.1)<br />
⎟<br />
⎠<br />
37 Gosset era un chimico inglese assunto dalla famosa birreria Guinness di Dublino per svolgere analisi<br />
<strong>statistiche</strong> su campioni di prodotti, mansione che oggi verrebbe chiamata controllo di qualità. Le<br />
diverse birre venivano testate da un numero limitato di assaggiatori, che esprimevano il loro giudizio<br />
attraverso un voto; una nuova tipologia di birra (fatta con una particolare selezione di malti) poteva<br />
essere messa a confronto con una già in produzione, ed ottenere una media dei voti superiore a quella<br />
vecchia; questo però poteva essere un effetto casuale, dovuto alla limitatezza del campione utilizzato;<br />
prima di convertire la produzione verso la nuova birra, era necessario quindi un test che potesse dare<br />
una valutazione (probabilistica) dell’errore che si potrebbe commettere nel considerare di uguale<br />
qualità le due birre.<br />
127
dove X 1 e X 2 sono le medie 38 dei due campioni, d è la differenza che si ipotizza esistente tra le<br />
due medie (solitamente d = 0), n 1 ed n 2 sono il numero dei campioni, ed S 2 è la stima<br />
congiunta delle varianze 39 s 1 ed s 2 ricavabile dalla seguente formula A9.2<br />
2<br />
( n − 1) s + ( n − 1)<br />
2<br />
2 1 1 2<br />
s2<br />
S =<br />
(A5.2)<br />
n + n − 2<br />
1<br />
La distribuzione di probabilità della variabile aleatoria t è mostrata in figura. Essa è a forma di<br />
campana e simmetrica, ma con una dispersione che diminuisce con il numero di gradi di<br />
libertà. Pertanto non vi è una sola curva t ma, a differenza di quanto avviene per la<br />
distribuzione normale, esiste una intera famiglia di distribuzioni t, una per ogni grado di<br />
libertà. Aumentando il numero di campioni n, la distribuzione di Student tende a una<br />
distribuzione normale (n = ∞).<br />
2<br />
Figura A5.3 Distribuzioni t-student<br />
Quando la distribuzione t di Student è applicata a test di verifica delle ipotesi, è necessario<br />
rispettare le seguenti ipotesi:<br />
• i campioni provengono da una popolazione avente una distribuzione Normale;<br />
• le osservazioni devono essere raccolte in modo indipendente<br />
38 Media<br />
X<br />
n<br />
∑<br />
i=<br />
= 1<br />
39 Varianza campionaria corretta<br />
n<br />
x<br />
i<br />
s<br />
2<br />
=<br />
n<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
( x − x )<br />
i<br />
( n −1)<br />
2<br />
128
A6 Risultati dettagliati dell’esperimento<br />
A6.1 Risultati del primo conteggio<br />
Tabella A6.1 Dati riassuntivi dell’osservazione del controllo positivo<br />
Controllo Positivo<br />
micronuclei<br />
mitosi<br />
Apice 1 11 61<br />
Apice 2 23 92<br />
Apice 3 21 88<br />
Apice 4 12 40<br />
Apice 5 8 82<br />
TOTALE 75 363<br />
Tabella A6.2 Dati riassuntivi dell’osservazione del vetrino A<br />
(esposizione a RNI per 24 h con fissaggio a 72h)<br />
Vetrino A (24h/72h)<br />
micronuclei<br />
mitosi<br />
Apice 1 0 65<br />
Apice 2 4 84<br />
Apice 3 3 117<br />
Apice 4 2 79<br />
Apice 5 0 141<br />
TOTALE 9 485<br />
129
Tabella A6.3 Dati riassuntivi dell’osservazione del vetrino B<br />
(esposizione a RNI per 72 h con fissaggio a 72h)<br />
Vetrino B (72h/72h)<br />
micronuclei<br />
mitosi<br />
Apice 1 2 129<br />
Apice 2 0 108<br />
Apice 3 6 100<br />
Apice 4 1 101<br />
Apice 5 1 125<br />
TOTALE 10 563<br />
Tabella A6.4 Dati riassuntivi dell’osservazione del vetrino C<br />
(controllo negativo)<br />
Controllo Negativo<br />
micronuclei<br />
mitosi<br />
Apice 1 0 110<br />
Apice 2 3 108<br />
Apice 3 0 90<br />
Apice 4 1 109<br />
Apice 5 2 136<br />
TOTALE 6 553<br />
Tabella A6.5 Dati complessivi del numero di micronuclei nei 4 trattamenti<br />
Vetrino A<br />
(24h/72h)<br />
Vetrino B<br />
(72h/72h)<br />
Vetrino C<br />
(Controllo<br />
Negativo)<br />
Controllo<br />
Positivo<br />
apice 1 0 2 0 11<br />
apice 2 4 0 3 23<br />
apice 3 3 6 0 21<br />
apice 4 2 1 1 12<br />
apice 5 0 1 2 8<br />
media 1,8 2,0 1,2 15,0<br />
Dev Stand 1,79 2,35 1,30 6,60<br />
Errore Stand 0,80 1,05 0,58 2,95<br />
130
A6.2 Risultati dopo il secondo conteggio<br />
Tabella A6.6 Dati riassuntivi (primo e secondo conteggio)<br />
dell’osservazione del vetrino B (esposizione a RNI per 72 h<br />
con fissaggio a 72h)<br />
Vetrino B (72h/72h)<br />
micronuclei<br />
mitosi<br />
apice 1 2 129<br />
apice 2 0 108<br />
apice 3 6 100<br />
apice 4 1 101<br />
apice 5 1 125<br />
apice 6 7 110<br />
apice 7 4 95<br />
apice 8 8 106<br />
apice 9 2 132<br />
apice 10 3 105<br />
apice 11 6 135<br />
apice 12 5 89<br />
apice 13 2 87<br />
apice 14 5 123<br />
apice 15 4 133<br />
Media 3,73 111,8<br />
Dev Stand 2,40 16,4<br />
Errore standard 0,62 4,2<br />
131
Tabella A.7 Dati riassuntivi (primo e secondo conteggio)<br />
dell’osservazione del vetrino C (Controllo Negativo)<br />
Vetrino C (Controllo Negativo)<br />
micronuclei<br />
mitosi<br />
apice 1 0 110<br />
apice 2 3 108<br />
apice 3 0 90<br />
apice 4 1 109<br />
apice 5 2 136<br />
apice 6 2 147<br />
apice 7 1 137<br />
apice 8 3 204<br />
apice 9 2 158<br />
apice 10 1 149<br />
apice 11 2 164<br />
apice 12 3 88<br />
apice 13 0 128<br />
apice 14 4 132<br />
apice 15 1 155<br />
Media 1,67 134,3<br />
Dev Stand 1,23 30,7<br />
Errore standard 0,32 7,9<br />
132
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Biol 83:213-220; 2007<br />
139
[78] Decreto del presidente del Consiglio dei Ministri 8 luglio 2003 Fissazione dei limiti di<br />
esposizione, dei valori di attenzione e degli obiettivi di qualità per la protezione della<br />
popolazione dalle esposizioni a campi elettrici, magnetici ed elettromagnetici generati a<br />
frequenze comprese tra 100 kHz e 300 GHz. (GU n. 199 del 28-8-2003)<br />
[79] Dimbylow P J and Mann S M (1994). SAR calculations in an anatomically realistic<br />
model of the head for mobile communication transceivers at 900 MHz and 1.8 GHz. Phys<br />
Med Biol, 39, 1537.<br />
Siti internet:<br />
http://www.icnirp.org/ ICNIRP International Commission on Non Ionizing Radiation<br />
Protection<br />
http://www.iegmp.org.uk/ IEGMP Indipendent Expert Group on Mobile Phones<br />
http://www.iarc.fr/ International Agency for Research on Cancer<br />
http://www.who.int/en/ World Health Organization (Organizzazione Mondiale della Sanità)<br />
http://www.cfambiente.com/ Centro di Fisica Ambientale<br />
http://www.ewg.org/cellphone-radiation Environmental Working Group<br />
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RINGRAZIAMENTI<br />
Ringrazio i miei relatori, il prof. G. Carboni e il prof. M. Rizzoni, la dott.ssa B. Gustavino, G.<br />
Paoluzzi, per il loro aiuto e la loro collaborazione in questo lavoro di tesi, comprendendo e<br />
venendomi incontro per la mia condizione di studente lavoratore e fuori sede.<br />
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