DATI SPERIMENTALI PER LA DEFINIZIONE DI DENSITÀ DI CORRENTE "INNOCUE " O "PERICOLOSE"

SOGLIE DI STIMOLAZIONE

Esistono in letteratura dati attendibili sui valori soglia per i quali si hanno shock elettrici alle frequenze tipiche della trasmissione di energia. Sono state studiate essenzialmente tre risposte fisiologiche alla stimolazione elettrica: percezione, contrazione muscolare, morte. I valori di soglia più bassi sono stati individuati proprio nel range 10-100 Hz , come si vedrà meglio in seguito.

Per quanto riguarda la soglia di percezione, essa dipende sia dalla parte del corpo interessato, sia dalla natura del contatto. Alcune persone infatti riescono a percepire, con la lingua, correnti di 5-10  A che corrispondono a densità di 10-100  A/cm²; se il contatto avviene invece con il dito i valori sono più alti: la soglia di percezione è stata fissata a 0,5  A (pubblicazione IEC 479, 1983). Per misurare la densità di corrente necessaria a stimolare i recettori sensoriali, si è fatto uso di elettrodi di misura diversa e disposti in vario modo sul corpo di alcuni soggetti, immediatamente vicino ai punti di stimolazione: i valori ottenuti in funzione della frequenza sono riportati in fig. 4, nella curva a1 quelli ottenuti con elettrodi posti sulla gola e sul ventre nella curva a2 quelli ottenuti con elettrodi posti sul torace (Geddes et al. 1969).

Una intensità di campo E sufficientemente elevata nell'intorno delle cellule del cuore può disturbare la normale attività cardiaca , causando l'insorgenza di extrasistole e, in casi più gravi, di fibrillazione atriale o ventricolare. Mentre le extrasistole sono contrazioni premature che possono avvenire anche per altri vari motivi durante un ciclo cardiaco, e sono considerate solo un lieve disturbo, la fibrillazione è la più frequente causa di morte negli incidenti elettrici. Infatti la contrazione delle fibre muscolari del cuore è prodotta da impulsi elettrici provenienti da un vero e proprio generatore posto all'interno del cuore stesso, se alle normali correnti elettriche "fisiologiche" se ne sovrappone un'altra di origine esterna enormemente più grande si va a disturbare l'equilibrio elettrico del cuore: più precisamente gli impulsi "fisiologici" sono comandi per il cuore, la sovrapposizione di una perturbazione esterna fa sì che il muscolo cardiaco inizi a contrarsi in modo caotico fino a non riuscire più a svolgere la propria funzione; in tale situazione si viene presto a determinare un blocco del muscolo cardiaco con relativo calo della pressione sanguigna e blocco circolatorio che porta ben presto alla morte del soggetto caduto in fibrillazione

Sebbene ci siano molti dati sui valori di corrente, sulla durata dell'esposizione e sui percorsi della corrente che si hanno negli incidenti elettrici, non ci sono molte informazioni sui valori di campo o di densità di corrente che inducono fibrillazione. Misurazioni fatte su un cuore di cane (Roy e al. 1977) hanno mostrato che il rischio de fibrillazione aumenta con la durata del flusso di corrente: con una corrente a 60 Hz per la durata di un periodo sono necessari valori di 100  A per indurre fibrillazione, mentre se si mantiene la stimolazione per 100 periodi, il valore di soglia scende a 0,7  A (Fig. 5).

 Il meccanismo della folgorazione, nel caso di contatto con la sorgente , è ben spiegato da questo grafico: a certi livelli di corrente, di per sé insufficienti ad indurre fibrillazione, si può avere contrazione e blocco muscolare; in questa situazione aumentando il numero di cicli che il soggetto percepisce aumenta la sensibilità del cuore e se non si interviene tempestivamente si può avere fibrillazione ventricolare anche con questi livelli di corrente.

Nella fig. 4 sono riportati i risultati di diversi autori:

- curva b1: Irnich, 1974, misurazioni su cuore di cane nel range 16-300 Hz; la densità di corrente è stata ricavata dai valori del campo usando una conducibilità di 0,25 S/m;

- curva b2: Roy, 1976;

- curva b3: Jacobsen, 1974, sperimentazioni su cuore di maiale: i valori di campo trovati, nel range 224-429 mV/cm (valore medio 327 mV/cm) sono stati riportati in densità di corrente usando una conducibilità di 0,25 S/m;

curva b4: Osypka, 1963, i valori di campo sufficienti ad una stimolazione cardiaca portano ad una densità di corrente di 200  A/cm²;

- curva b5: Watson, 1973, misurazioni su cuore umano effettuate con elettrodi da 1,8 cm mostrano una soglia di fibrillazione di 300  A/cm².

Alla frequenza di rete (50-60 Hz) i valori di soglia che inducono fibrillazione si stabiliscono nel range 100-1000  A/cm²; i valori che inducono extrasistole, da tre a cinque volte più bassi a seconda della frequenza, sono rappresentati dalla curva C.

Altra Bibliografia:

Molti autori hanno misurato la densità di corrente necessaria per la stimolazione extracellulare di neuroni isolati , usando microelettrodi posti a varie distanze dalle cellule stesse. Gli esperimenti sono stati fatti con impulsi rettangolari di corrente di breve durata (0,05-0,2 ms). La simulazione è regolata dalla distanza tra gli elettrodi di stimolazione ed il successivo nodo Ranvier; sfortunatamente queste distanze sono riportate solo in un lavoro (Robert & Smith, 1973) in cui è stato ottenuto un valore di densità di corrente di 0,28 mA/cm², rappresentato dalla curva c1 in fig. 4. Altri autori indicano solo la più piccola distanza fra microelettrodo e cellula per cui i valori di densità di corrente sono minori o uguali a quelli riportati nella curva c2, come mostrato in figura, dove le barre hanno un prolungamento verso il basso.

La curva d in fig. 4 dà i valori di corrente alternata necessari per la stimolazione del sistema nervo-muscolo, per avere cioè la contrazione muscolare; si nota una dipendenza lineare dalla frequenza nel range più elevato, che confermano una maggiore sensibilità dell'individuo alle basse frequenze.

In conclusione la curva A di fig. 4 può considerarsi come l'inviluppo di tutti i valori minimi di densità di corrente in grado di dare effetti di stimolo sui neuroni o sui muscoli, trovati sperimentalmente e verrà indicata in seguito come "CURVA LIMITE PER POSSIBILI RISCHI", nel senso che per valori di corrente superiori a tale curva si possono avere effetti che possono considerarsi pericolosi.

La curva C della stessa figura, che dà i valori di soglia che inducono extrasistole, invece, viene considerata come "CURVA LIMITE DANNOSA", nel senso che i valori superiori a quelli di questa curva possono portare a fibrillazione, visto che quando si verifica un' extrasistole, se permane la stimolazione aumentando il numero di cicli si può avere una degenerazione in fibrillazione ventricolare. La curva è valida per periodi di esposizione pari ad un ciclo cardiaco, quindi 1 s ca. ;

per esposizioni più brevi i valori aumentano secondo anche quanto detto a proposito della fig. 5.

Se si vuole definire come " evento dannoso" per la salute dell'individuo (evento che va in ogni caso evitato) l'insorgenza di fibrillazione, nella definizione di un possibile standard di sicurezza bisognerà considerare proprio questa curva C, eventualmente stabilendo un opportuno margine; tuttavia sono possibili altre scelte, più o meno stringenti come si vedrà meglio più avanti.

Sempre in fig. 4 è riportata una curva orizzontale che corrisponde ad un riscaldamento pari ad 1 W/Kg. In effetti, a frequenze più elevate, i valori di densità di corrente necessari per la stimolazione sono prossimi a quelli che si hanno negli effetti termici. Una densità di corrente di 1 mA/cm² ca. genera un SAR di 2 W/Kg nei tessuti (considerando una conducibilità di 0,2 S/m) che è quello che si può avere con un aumento di temperatura di 1 °C in un'ora. Con una corrente di 5 mA/cm² , che nella curva A è raggiunta a 100 kHz, lo stesso effetto si raggiunge in pochi minuti; ciò dimostra che a frequenze nel range 30-100 kHz è l'effetto di stimolazione più che l'effetto termico che può dare problemi.

EFFETTI BIOLOGICI CON DENSITÀ DI CORRENTE MINORI DELLA SOGLIA DI STIMOLO

Alcuni studi di elettrofisiologia hanno dimostrato che tra i neuroni ci può essere uno scambio di informazioni anche senza potenziale d'azione (andamento del potenziale di una cellula che di fatto ne registra lo stato di eccitamento) ; oggi c'è la convinzione che una piccola variazione di potenziale di 0,1 mV in un neurone possa influenzare l'attività dei neuroni vicini e sia quindi molto importante in molti processi; ci si deve aspettare perciò che densità di corrente sotto la soglia di stimolazione possano avere influenza in varie funzioni del cervello: per esempio è noto che tali correnti nella regione oculare possono generare degli effetti luminosi.

Nella parte posteriore della retina infatti sono presenti alcuni recettori detti fosfeni, che, investiti dai fotoni, trasformano tale energia luminosa in segnale elettrico (tramite canali presenti sulla membrana cellulare formati da catene proteiche e sensibili alla luce, che si aprono e chiudono consentendo il passaggio di cariche elettriche fra l'interno e l'esterno della cellula) che va al nervo ottico e da lì al cervello.

Adrian nel 1977 misurò l'intensità di corrente in grado di eccitare i fosfeni, con corrente alternata di diversa frequenza per mezzo di un elettrodo applicato sull'occhio: tali dati sono riportati nella curva h della fig. 6 (è possibile però che i valori di densità di corrente all'interno della retina siano più bassi di quelli proposti, perciò la curva h dovrebbe essere leggermente abbassata).

Questi effetti luminosi sono stati anche sperimentati su un gruppo di persone esposto ad un campo H sinusoidale a varie frequenze, da 17 a 50 Hz, dell'ordine dei mT. I valori ottenuti per il campo B possono essere trasformati in densità di corrente usando la relazione

h:	elettrofosfeni
i:	magnetofosfeni
j:	variazione del potenziale di reazione sul nervo ottico
B:	valore medio di corrente naturalmente presente nel cervello

considerando per il diametro del loop di corrente R= 15 cm e  = 0,2 S/m ottenendo il punto i2 e la curva i3 di fig. 6 che come si è già detto sono al di sotto della soglia di stimolazione. La curva i1 è stata ottenuta allo stesso modo da altri autori. Non è da escludere che scegliendo valori diversi per il prodotto R  si possano ottenere per le curve dei magnetofosfeni valori più elevati, che coincidano sostanzialmente con quelli della curva h relativa agli elettrofosfeni.

Il punto j a 50 Hz, abbastanza vicino alla sensibilità dei fosfeni, dà il valore di densità di corrente in grado di generare una variazione di potenziale sul nervo ottico: è stato ricavato sottoponendo il soggetto ad un impulso luminoso e mandando una certa densità di corrente; si misura, poi, il segnale che arriva al nervo ottico evidenziando le variazioni del potenziale d'azione generato otticamente. In fig. 6 si può notare che i fosfeni sono più sensibili ad una frequenza intorno ai 16-20 Hz.

CURVA DI DENSITÀ DI CORRENTE "SICURA"

Si può considerare "sicura" una densità di corrente che sia naturalmente presente nel corpo umano, quali quelle necessarie per il suo funzionamento :stiamo parlando delle correnti associate alla trasmissione di informazioni nel cervello e nel cuore; i valori misurati con elettrodi corticali per esempio si sono assestati intorno a 0,1  A/cm² (anche se possono variare fortemente fino a 10-100  A/cm² a seconda dell'anatomia delle cellule cerebrali). Nel range 1-100 Hz correnti indotte nel cervello da campi H esterni o imposte tramite elettrodi non hanno alcuna influenza sui neuroni se si mantengono al di sotto di tale valore, riportato nella fig. 6 come curva B.

Lo stesso si può dire per quanto riguarda l'influenza del campo E sui tessuti a livello cellulare e molecolare: le densità di corrente indotte da tale campo non dovrebbero dare problemi se si mantengono entro 0,1  A/cm²; per questo la curva B è indicata come "CURVA LIMITE DEL RANGE DI SICUREZZA".

Per avere una visione complessiva degli ordini di grandezza degli effetti biologici e dei range di frequenza in cui si verificano, i grafici sono riuniti in fig. 7.

Volendo definire una curva limite, è possibile scegliere un fattore 100 di margine dai valori della curva C, che sono quelli che inducono extrasistole, ottenendo così un valore di 1  A/cm²; alcune considerazioni però ci inducono a scegliere un margine di sicurezza più elevato: innanzitutto, come si vede dalla fig. 7 ci sono effetti biologici anche al di sotto di tale valore, inoltre densità di corrente di 1-3  A/cm² possono indurre piccole variazioni di potenziale dell'ordine di 0,1 mV che, come detto, sono considerate importanti in molti processi cerebrali. Bisogna tenere conto, infine, di altri fattori quali la mancanza di sufficienti riscontri a lungo termine, il fatto che la conversione da campo E a

densità di corrente è stata fatta con qualche approssimazione e che il percorso della corrente indotta all'interno del corpo non è noto con assoluta precisione.

In conclusione può essere suggerita come curva limite, nel calcolo dell'esposizione a campi esterni, la curva B, eventualmente estesa nel range di frequenze oltre i 100 Hz con lo stesso andamento lineare delle curve A e C. Con questa scelta si ritengono ammissibili solo correnti indotte dell'ordine di quelle presenti normalmente nel corpo umano; ulteriori studi potranno in seguito indicare se e dove tale restrizione potrà essere più lasca.