Capitolo 6 CAPITOLO 6

INTERFERENZE ELETTROMAGNETICHE TRA TELEFONO CELLULARE E PACE-MAKER

6.1 Struttura di un pace-maker e suoi principi di funzionamento

Il pace-maker è un generatore di impulsi elettrici che serve a stimolare le contrazioni del muscolo cardiaco.

I primi pace-makers sono stati realizzati circa 50 anni fa: essi emettevano gli impulsi a frequenza costante e, inoltre, non potevano essere impiantati, a causa delle loro grosse dimensioni.

Successivamente, con l'avvento della microelettronica, sono stati realizzati dispositivi molto più sofisticati e di ridotte dimensioni.

I pace-makers possono essere monocamerali, in grado, cioè, di stimolare in una sola camera cardiaca, sia essa l'atrio o il ventricolo, oppure bicamerali, per stimolare in entrambe le camere cardiache. Nel primo caso il pace-maker è dotato di un solo elettrocatetere, nel secondo ne ha due.

Per impiantare un pace-maker si effettua un taglio sottocutaneo nella sacca clavicolare, attraverso cui vengono anche inseriti gli elettrocateteri, che raggiungono le camere cardiache di destinazione attraverso la vena succlavia oppure attraverso la vena brachiocefalica.

I moderni pace-makers, oltre alla originaria funzione di stimolazione cardiaca, sono in grado di efettuare anche il cosiddetto sensing, cioè sono capaci di "sentire" l'esterno; questa funzionalità permette l'intervento del pace-maker solamente quando l'attività spontanea del cuore sia insufficiente. I dispositivi che lavorano in base a ciò che succede loro intorno vengono anche chiamati pace-makers a domanda.

Gli elettrodi del pace-maker possono essere unipolari o bipolari: nel caso unipolare il catodo si trova nel cuore e l'anodo in un'altra parte del corpo; in genere l'anodo è proprio la cassa del pace-maker, realizzata in titanio (materiale biocompatibile). Il circuito elettrico si chiude attraverso il tessuto cardiaco e quello frapposto tra anodo e catodo. Nel caso bipolare, invece, anodo e catodo si trovano sull'estremità dell'elettrocatetere, distanziati di 2 - 3 cm, e sono posizionati internamente al cuore; il circuito elettrico, dunque, è localizzato completamente nella camera cardiaca da supportare.

figura 6.1 - (a) pace-maker unipolare
                  (b) pace-maker bipolare

La configurazione bipolare è stata introdotta per aumentare il grado di immunità del pace-maker a segnali bioelettrici diversi da quello cardiaco. Lo sviluppo della funzione di sensing richiede, infatti, che il dispositivo sia estremamente sensibile, con il conseguente rischio di equivoci nell'interpretazione dei segnali sugli elettrodi; questa errata valutazione provoca, ovviamente, un malfunzionamento dell'apparecchiatura.

Il pace-maker bipolare, a causa della vicinanza tra anodo e catodo, preleva il segnale là dove è stato emesso, riducendo, così, sensibilmente le possibilità di corruzione con segnali extracardiaci .

6.2 Localizzazione delle aree di possibile interferenza elettromagnetica

Le zone del pace-maker maggiormente vulnerabili ai segnali elettromagnetici sono, come si vede dalle figura 6.2:

• i connettori, delle torrette su cui vengono fissati gli elettrocateteri, in quanto essi si trovano nella testa del dispositivo, realizzata in materiale plastico e, quindi, non schermata dai campi elettromagnetici (a differenza della cassa in titanio dell'apparecchio);

• gli elettrodi, in quanto possono fungere da antenna, eventualmente accoppiandosi con un campo esterno;

• la spira che si genera tra cassa, elettrodo e tessuto cardiaco, perché, in base alla legge di Faraday per campi elettromagnetici variabili, su di essa può nascere una tensione direttamente proporzionale all'area racchiusa dalla spira.

figura 6.2 - meccanismi di interferenza elettromagnetica

La trasparenza ai campi elettromagnetici della testa del dispositivo può creare dei danneggiamenti anche sul relé reed del pace-maker. Il relé reed è un'ampolla di vetro in cui si trovano due lamelle metalliche che, in presenza di campi magnetostatici opportunamente orientati, si chiudono e fanno funzionare il dispositivo a frequenza fissa, cioè in modalità asincrona, disabilitando la "domanda" esterna, isolandolo completamente dal mondo esterno.

La presenza del relé reed consente la programmazione, dall'esterno, di alcuni parametri di funzionamento del sistema: ci sono più di 1 milione di configurazioni, realizzabili programmando opportunamente tutti i parametri di un moderno pace-maker!

La programmazione avviene posizionando l'apparato programmatore in prossimità della zona di impianto del pace-maker; c'è una corrispondenza biunivoca tra programmatore e sistema da programmare, gestita da una chiave di riconoscimento. Alcune tra le grandezze programmbili sono l'ampiezza degli impulsi emessi (da 3 a 5 V), la loro durata, la loro frequenza, ecc.

figura 6.3 - schema a blocchi di un moderno pace-maker

In figura 6.3 viene mostrato lo schema a blocchi di un pace-maker: andiamo ad analizzarne la via di entrata del segnale (percezione). Il primo blocco è quello di protezione dalle interferenze elettromagnetiche (EMI) e dagli schocks elettrici: si tratta di un diodo zener che tosa e limita le tensioni in ingresso a valori di 6 - 7 V, onde evitare la rottura dell'apparecchiatura nel caso fosse necessario sottoporre il paziente portatore di pace-maker a terapia defibrillatoria.

La protezione anti-EMI, non sempre presente, è localizzata sotto i connettori e consiste in condensatori di blocco, che funzionano da filtri passa-basso per il segnale interferente, ed hanno frequenza di taglio fino a 30 MHz.

Successivamente al blocco di protezione si trova uno stadio amplificatore, uno di filtro ed un blocco di controllo nei quali operano degli appositi algoritmi dedicati, in grado di riconoscere e trattare opportunamente eventuali segnali interferenti.

6.3 Il segnale elettrocardiografico

Facciamo ora una breve premessa sul segnale elettrocardiografico; il tipico segnale elettrocardiografico, estratto dal comune elettrocardiogramma, viene mostrato in figura 6.4.

figura 6.4 - il segnale ECG

In esso si individua un'onda P, conseguente alla depolarizzazione atriale, un complesso QRS, dovuto alla depolarizzazione ventricolare, che, a causa della sua intensità, maschera la contemporanea ripolarizzazione atriale, ed un'onda T, dovuta alla ripolarizzazione ventricolare.

Quando un pace-maker è abilitato a funzionare a domanda, deve essere capace di riconoscere, possibilmente senza errori, l'onda P e l'onda R.

Da quanto detto si deduce che il filtro in ingresso del sistema deve essere un filtro passa-banda, in grado di far passare solamente il segnale cardiaco: tale filtro deve essere dimensionato in base al contenuto frequenziale delle onde P ed R; il filtro relativo all'atrio è, dunque, centrato intorno a 150 Hz, quello relativo al ventricolo intorno a 50 Hz, come emerge dalla figura 6.5.

figura 6.5 - curva di risposta del circuito di ingresso di un pace-maker

Onde programmare la sensibilità del pace-maker è necessario regolarne la capacità di "sentire" i segnali provenienti dall'esterno; ciò si traduce nell'opportuno spostamento verso l'alto, o verso il basso, della curva di risposta della figura 6.5. Esiste una convenzione internazionale che indica, in modo schematico, le varie modalità di funzionamento di un pace-maker, il codice ICHD, riportato nella figura 6.6.IC
HD, riportato nella figura 6.6.
figura 6.6 - il codice ICHD

Ad esempio, un pace-maker in funzionamento VDD stimola nel ventricolo, sente nel ventricolo e nell'atrio e la stimolazione viene sincronizzata dai segnali atriali ed è inibita da quelli ventricolari. In questo caso, cioè, non si ha una stimolazione in atrio e la stimolazione ventricolare viene sincronizzata con il segnale sentito nell'atrio.

6.4 Comportamento del pace-maker in presenza di segnali interferenti

In presenza di un segnale interferente si hanno diversi tipi di reazione del pace-maker, a seconda della frequenza del segnale interferente stesso. Per frequenze minori di 2.5 Hz si può avere l'inibizione completa o la sincronizzazione del ventricolo con l'interferenza atriale; per frequenze comprese tra 2.5 e 10 Hz si può verificare inibizione, sincronizzazione o asincrono; quest'ultima modalità di funzionamento serve ad evitare eventuali errori di valutazione, quando si riconosce la presenza di segnali interferenti.

6.5 Gli esperimenti svolti presso il Laboratorio di Ingegneria Biomedica dell'Istituto Superiore di Sanità, a Roma

Gli esperimenti sono stati condotti allo scopo di valutare eventuali effetti, dovuti all'utilizzo di telefoni cellulari, GSM e TACS, sul corretto funzionamento di un pace-maker.

Per prima cosa è stato caratterizzato il segnale GSM, così come quello TACS, in quanto è proprio questo il segnale interferente; come si vede in figura 6.7, esso presenta tre fasi distinte A, B e C. La fase A è quella di HANDOVER (accensione), in cui il cellulare viene fisicamente acceso, la seconda, B, è quella di RINGING (squillo del telefono e comunicazione), l'ultima, C, è quella di SPEGNIMENTO.

Figura 6.7 - il segnale GSM

Lo standard GSM opera a 900 MHz ed il segnale viene modulato in frequenza con impulsi a 217 Hz; il segnale TACS è un segnale a 900 MHz, con inviluppo continuo, cioè non modulato in frequenza.

Tornando all'esame della figura 6.7, si vede che nella fase A il cellulare emette un burst, chiamato access burst, di ampiezza 321 m s, leggermente inferiore alla durata fondamentale dei bursts, 546 m s. Dal segnale di handover è possibile evidenziare una componente in frequenza a 2.2 Hz.

Considerando l'esploso dei pacchetti di burst emessi dopo l'access burst, si ottiene la struttura fondamentale del segnale GSM.

Fisicamente, quando si accende il telefono, questo sbilita la sua funzione di sensing verso l'esterno ed è pronto a ricevere i segnali emessi dalle varie stazioni base che coprono le diverse celle, di forma esagonale, in cui viene suddiviso l'intero territorio. Quando il segnale viene ricevuto, significa che ci si trova in una zona "coperta" ed allora il telefono emette il suo segnale di handover, per comunicare alle stazioni base la sua posizione , in modo che, in caso di chiamata, possa essere instaurata la procedura di instradamento.

Nei bursts di handover sono contenute anche le informazioni relative al canale di lavoro e relative alla regolazione automatica di potenza; quest'ultima è la capacità del cellulare di regolare la potenza emessa, in relazione alla sua distanza dalla più vicina stazione base, raggiungendo così un'ottimizzazione del consumo energetico del telefono, limitando il consumo della sua batteria.

La potenza dei telefoni GSM può variare tra qualche decina di mW ed un valore massimo di 2 W e la procedura di regolazione della potenza in trasmissione viene ripetuta ogni 100 ms.

Nella fase B si ha di nuovo una iniziale fase di handover, di seguito alla quale il cellulare emette una serie di pacchetti da 25 bursts ciascuno, finché non viene interrotta la comunicazione. In questa fase si può individuare una componente in frequenza a 8.3 Hz. Negli modelli più recenti, si ha un'ulteriore funzione, la DTX (Discontinous Transmission), evidenziata in figura 6.8.

figura 6.8 - la presenza della funzione DTX

La modalità DTX entra in azione nella fase di listening quando, durante la comunicazione, si sta in ascolto dell'interlocutore, quindi non c'è alcuna informazione da trasmettere.

Nella figura 6.9 si trova la temporizzazione (inviluppo) del segnale emesso in trasmissione da un telefono cellulare TACS. La zona interessante è quella precedente al ringing, in cui vengono attuate delle procedure molto simili a quelle adottate, poi, con il GSM.

figura 6.9 - inviluppo di un segnale TACS

La potenza massima emessa da un telefono TACS è pari a 0.6 W. Come tutti i segnali a burst, la fase iniziale del TACS può risultare davvero pericolosa per un pace-maker, ma, a differenza del segnale GSM che risulta temporizzato rigorosamente, essa è completamente imprevedibile.

Le prime prove sono state condotte in vitro, per vedere se le interferenze occorrenti potessero essere distruttive per il pace-maker. E' stato, dunque, necessario realizzare la simulazione di un impianto reale mostrata nella figura 6.10: si è utilizzata, allo scopo, una scatola di plexiglass riempita di una soluzione salina con NaCl allo 0.9%. Il pace-maker è stato posizionato su di un ripiano mobile, che consente di variare la sua profondità di immersione per simulare le varie profondità di implantazione, nel corpo del paziente, del sistema.

Il segnale emesso dal telefono cellulare è stato prelevato tramite un'antenna a l/2 ed è stato portato in ingresso ad un oscilloscopio a 1 GHz di banda reale, in grado di visualizzare tutta la temporizzazione del segnale.

figura 6.10 - banco di misure in vitro

Lo stimolo elettrico emesso dal pace-maker è stato prelevato da due placchette in acciaio inossidabile e, come il segnale telefonico, inviato verso il secondo ingresso dell'oscilloscopio, per ottenere una visione in doppia traccia dei segnali prelevati.

Infine, il test signal generator, presente nella figura 6.10, è un generatore di segnali in grado di riprodurre il segnale cardiaco.

Tutte le prove sono state effettuate al variare della posizione del cellulare, rispetto al fantoccio del paziente, lungo una griglia di riferimento tracciata sul piano orizzontale della vasca (figura 6.10 (B)), onde permettere la ripetibilità dell'esperienza.

Sono stati provati 27 modelli diversi di pace-makers commerciali con telefono GSM e 32 con telefono TACS, ottenendo i risultati riportati in figura 6.11.
 
GSM  
  3/27 casi di INIBIZIONE
  4/27 casi di ASINCRONIZZAZIONE
15/27 casi di interferenza elettromagnetica (EMI) 4/27 casi di SINCRONIZZAZIONE
  4/27 casi di COMBINAZIONI DI AS/SYN/IN
distanza massima 13 cm  
le interferenze elettromagnetiche (EMI)   
persistevano finché c'era segnale telefonico  
TACS  
  10/32 casi di INIBIZIONE
  3/32 casi di UNDERSENSING
15/32 casi di interferenza elettromagnetica (EMI) 1/32 casi di OVERSENSING
  1/32 casi di COMBINAZIONE (OVER/UNDER)
distanza massima 13 cm  
l'undersensing e l'oversensing persistevano  
finché c'era il segnale telefonico  
figura 6.11 - risultati sperimentali in vitro

 

E' stata riscontrata la presenza di effetti di interferenza sui pace-makers per distanze telefono-fantoccio fino a 13 cm.

Qui di seguito sono riportate delle figure, ricavate in doppia traccia via software; in esse le zone scure sono quelle relative ai pacchetti da 25 bursts senza la funzione DTX.

Nella figura 6.12 viene mostrato come un dispositivo VVI, durante l'handover del telefono, si inibisca completamente; infatti i bursts emessi dal telefono vengono scambiati per attività cardiaca corretta. In alcuni casi questa inibizione può durare fino a 15 - 20 secondi.

figura 6.12 - inibizione indotta da EMI

Nella figura 6.13 viene mostrata una reazione del pace-maker, di tipo asincrono. In questo caso è stato usato il segnale che simula l'attività cardiaca, come segnale di inibizione. Quando compare la fase a 25 bursts del telefono, il sistema registra la presenza dell'interferenza e, quindi, si porta a stimolare a frequenza fissa, indipendentemente dal segnale di test. Questa potrebbe ingenerare una situazione di potenziale pericolo, se la stimolazione fissa entra in collisione con la naturale attività cardiaca.

figura 6.13 - modalità asincrona indotta da EMI

In figura 6.14 viene mostrato un pace-maker bicamerale che ad un certo punto "perde" l'atrio, mentre il ventricolo si sincronizza con il segnale interferente, stimolando il cuore a frequenze maggiori di quella fisiologica.

figura 6.14 - sincronizzazione indotta da EMI

Vediamo, ora, perché un segnale ad alta frequenza interferisce con il funzionamento del pace-maker; si pensa che, poiché esso viene progettato per lavorare con segnali lentamente variabili nel tempo, quando si "vede arrivare addosso" un segnale a 900 MHz, frequenza notevolmente maggiore di quella di normale funzionamento, gli stadi di ingresso si portano a lavorare nella loro zona non lineare. Tali stadi, dunque, si comportano da demodulatori, tentando di inseguire il segnale a 900 MHz; siccome, però, non ci riescono il tutto funziona come un semplice rivelatore di cresta, rivelando, dunque l'inviluppo del segnale GSM e, quindi, le sue componenti in bassa frequenza (2.2 Hz, 8.3 Hz e 217 Hz).

Come visto in precedenza, in presenza di segnali interefenti ad alta frequenza, il pace-maker presenta un comportamento ben determinato come l'asincrono, la sincronizzazione e l'inibizione.

Per i segnali emessi da telefoni TACS si verificano fenomeni di inibizione estremamente meno pericolosi degli analoghi innescati dai GSM, perché sono localizzati solamente in corrispondenza dei bursts iniziali, come si vede dalla figura 6.15.

figura 6.15 - inibizione indotta da EMI con telefoni TACS

Un caso del tutto nuovo è stato osservato per il TACS. Si tratta dei fenomeni di undersensing ed oversensing, visualizzati nella figura 6.16.

Per evidenziare il primo fenomeno si è mandato un segnale di test per inibire il pace-maker; si è allora notato che, quando è applicato il segnale TACS ,il pace-maker inizia a stimolare perché non sente più il segnale di test (che simula il normale ritmo cardiaco) coperto dal segnale telefonico e non perché ha riconosciuto il segnale TACS come interferente(nel qual caso funzionerebbe in modalità asincrona).Per il secondo caso si è inviato un segnale di test che non fosse in grado di inibire il pace-maker e si è osservato che esso, riconoscendo il segnale telefonico come interferente, lo ha "sentito" e si è inibito.

figura 6.16 - risultati in vitro sugli effetti EMI indotti da TACS

Anche nel caso in cui si ha una chiamata senza aggancio, nella quale il telefono chiamato non squilla perché non è stato "rintracciato" correttamente dalla stazione base, esso emette un segnale in grado di provocare effetti di inibizione o di sincronizzazione, come si vede in figura 6.17.

figura 6.17 - chiamata senza aggancio: effetti EMI indotti da TACS

Dopo aver accertato l'assenza di danni permanenti al pace-maker ci si è rivolti a prove in vivo per verificare la validità del modello e l'esistenza di un effettivo rischio per i pazienti. Sono state effettuate prove su 101 pazienti volontari non pace-maker dipendenti, tali da poter sopportare senza danni eventuali inibizioni degli stimolatori cardiaci, con 43 diversi modelli di pace-makers, interferiti da telefoni GSM, e su 15 pazienti con 15 tipi di pace-maker interferiti da telefoni TACS. I risultati sono riportati in figura 6.18.

In conclusione, la necessità maggiore è sollevare la questione in ambito scientifico e informare correttamente gli utenti.

E' stata, peraltro, proposta una soluzione della questione: agire sulla protezione contro le interferenze elettromagnetiche sul pace-maker utilizzando opportuni condensatori che "taglino" alle frequenze di funzionamento proprie dei telefoni cellulari.
 
GSM  
  10/101 casi di INIBIZIONE
  4/101 casi di ASINCRONIZZAZIONE 
26/101 casi di interferenza elettromagnetica (EMI) 9/101 casi di SINCRONIZZAZIONE
  3/101 casi di COMBINAZIONE AS/SYN/IN
distanza massima 10 cm  
le interferenze elettromagnetiche (EMI)   
persistevano finché c'era il segnale telefonico  
TACS (preliminari)  
  3/15 casi di INIBIZIONE
4/15 casi di interferenza elettromagnetica (EMI)  
  1/15 casi di COMBINAZIONE IN/UNDER
distanza massima 6 cm  
l'undersensing persisteva finché c'era il 

segnale telefonico

  

figura 6.18 - risultati sperimentali in vivo

 
 
 

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