Irraggiamento

Irraggiamento

Il corpo umano è un sistema dinamico autoregolato, la cui stabilità (omeostasi) è assicurata dal funzionamento simultaneo di vari sistemi fisiologici: la neuroregolazione, la circolazione del sangue, il metabolismo ecc. Il funzionamento continuo di tutti questi apparati si riflette in tempo reale sia in un complesso schema di campi fisici e radiazioni provenienti dal corpo umano (infrarossi, microonde, radiazioni ottiche, acustiche, campi elettrici e magnetici), sia nei cambiamenti nei parametri dei campi della radiazione di fondo e dell'atmosfera che circondano l'uomo. Misurazioni precise e rilevamenti dinamici di questi campi e radiazioni, nonché dei cambiamenti nel fondo, aprono la strada a nuovi metodi di diagnostica medica precoce, una componente fondamentale della medicina preventiva.

Campi fisici e radiazioni

Per effetto dell'attività vitale, intorno agli esseri umani, agli animali e agli altri organismi viventi si ha una distribuzione complessa di campi fisici, statici e radiativi, che riflettono in tempo reale il lavoro dei sistemi fisiologici di omeostasi. Attraverso precise misurazioni di questi campi, che risultano modulati dai processi fisiologici, e mediante l'analisi della loro distribuzione spaziale e temporale, è possibile elaborare nuovi metodi non invasivi di diagnostica medica. È importante mettere in evidenza come questo approccio faccia uso esclusivamente di metodi passivi per la misurazione dei campi e delle radiazioni emessi dal corpo vivente, a cui fa seguito l'elaborazione al computer, così da risultare completamente non invasivo e da meritare la denominazione di tomografia funzionale passiva (PFT, Passive functional tomography). Molto simili a queste sono le misurazioni dei cambiamenti dei campi e delle radiazioni del fondo naturale e dell'atmosfera che generalmente circondano l'organismo vivente. Anche questo tipo di misurazioni è non invasivo e anch'esso può apportare importanti informazioni sul funzionamento dell'organismo. Vi sono sei tipi di campi e radiazioni che soddisfano le condizioni appena menzionate: 1) la radiazione termica infrarossa, che caratterizza la temperatura della pelle ed è determinata principalmente dal flusso del sangue capillare; 2) la radiazione termica, che convoglia informazioni sui campi termici e le loro variazioni all'interno del corpo vivente; 3) la chemiluminescenza nel vicino infrarosso e alle frequenze ottiche, che consente di raccogliere dati sulla saturazione dell'ossigeno da parte dei tessuti, sulla situazione dell'antiossidante ecc.; 4) la radiazione acustica, corrispondente ai differenti tipi di rumore all'interno del corpo umano: il battito del cuore, i movimenti dei polmoni, il mormorio del flusso sanguigno, le peristalsi dell'intestino e dello stomaco ecc.; inoltre, vi è una radiazione acustotermica nella regione delle lunghezze d'onda ultracustiche che caratterizza la distribuzione della temperatura nell'organismo; 5) il campo elettrico, che riflette l'attività bioelettrica del cervello, del cuore, dei muscoli e di altri organi interni; i campi elettrici intorno agli esseri umani sono inoltre connessi con la triboelettricità degli strati epidermici altamente resistivi e in tal modo caratterizzano i movimenti fisiologici del tronco; 6) il campo magnetico, che riflette più direttamente del campo elettrico l'attività bioelettrica degli organi interni, poiché non è schermato dai tessuti conduttori dell'organismo. Ognuno dei campi e delle radiazioni citati, i quali contengono l'informazione di carattere fisiologico nella distribuzione spaziotemporale dei segnali, vale a dire nella loro immagine dinamica, possiede un'utilità a fini diagnostici, un'ampiezza specifica e per ciascuno vi è un modo in cui può essere misurato.

Metodiche di misurazione delle radiazioni

a) Radiazione infrarossa

Ben nota è la radiazione termica che è presente nell'infrarosso a lunghezze d'onda di 1-15 μm. Essa proviene da una profondità, nella pelle umana, di circa 100 μm e caratterizza il funzionamento della rete di capillari in cui fluisce il sangue per garantire la termoregolazione. La radiazione infrarossa emessa è pari a circa 10 mW per ogni cm2 di superficie dell'epidermide, corrispondente a circa 100 W per l'intera superficie del corpo. Essa può essere facilmente misurata attraverso rivelatori opportuni, del tipo a semiconduttori InSb (indio-antimonio) e CdHgTe (cadmio-mercurio-tellurio). Sulla base di questi rilevatori è stato possibile sviluppare un sistema di termomappatura dinamica all'infrarosso completamente computerizzato, con una velocità di 12 quadri di 512∃512 pixel al secondo, una risoluzione spaziale inferiore a 100 μm e una sensibilità termica di 0,03 K per i processi non periodici e di 0,005 K per quelli periodici. La fig. 1, per es., mostra i cambiamenti di temperatura del volto nel corso del processo di respirazione. I primi 8 quadri rappresentano i termogrammi durante un ciclo di respirazione normale. La gamma di colori dal violetto al rosso corrisponde a 3 °K. Per apprezzare meglio la dinamica della respirazione, è utile considerare le derivate di queste immagini nel tempo; le immagini corrispondenti sono mostrate nelle due file più in basso: il colore verde sta a significare che la derivata nel tempo della temperatura è uguale a zero (la temperatura non sta cambiando). Si può osservare anche un raffreddamento periodico (spasmi dei microcapillari nelle narici) al momento dell'emissione del fiato. Nella fig. 2 sono mostrati i cambiamenti di temperatura nel tempo per due punti, la narice (1) e la guancia (2). La gamma di variazione è di circa 3 °K. Queste variazioni di temperatura sono in controfase. Le regioni contraddistinte da simili cambiamenti di temperatura sono messe in relazione tra loro con l'uso di colori prestabiliti. L'immagine funzionale consente di comprimere i dati dell'intera sequenza di questa dinamica termica. La variazione di temperatura della narice supera i 3 °K e caratterizza la differenza di temperatura tra l'aria inspirata e quella espirata dai polmoni. La variazione di temperatura sulle guance riflette la redistribuzione del flusso sanguigno nella rete dei capillari e, inoltre, caratterizza lo stato funzionale dei vasi sanguigni. Questa immagine (o mappa) funzionale, risultato di un test 'naturale', cioè dell'analisi della respirazione normale, si rivela pertanto ricca di informazioni e i suoi cambiamenti riflettono i primi stadi di insorgenza di molte gravi patologie. Ugualmente utili per raccogliere dati sono anche i test artificiali, che studiano variabili introdotte sperimentalmente. La fig. 3 mostra come una mappa funzionale ricavata da un test di arresto della respirazione riveli un'asimmetria nella circolazione del sangue. Vari test condotti sulla base di questo metodo consentono di individuare molte malattie, quali il morbo di Raynaud, la sclerosi multipla, l'endoarterite obliterante, il diabete ecc. b) Microonde. Un altro canale di radiazioni umane in grado di fornire informazioni è costituito dalle microonde con lunghezza d'onda nella gamma fra i metri e i millimetri. Nonostante l'intensità delle microonde termiche provenienti dall'interno dell'organismo sia abbastanza bassa, e pari a circa 10-11 W/cm2 nella banda di frequenza di 1GHz, essa risulta facilmente misurabile con le tecniche moderne, mediante radiometri. La radiotermografia consente misurazioni dinamiche della distribuzione della temperatura all'interno del corpo umano a profondità da 3 a 5 cm con un'accuratezza di 0,1 °K e tempo di risoluzione di 1 secondo. La fig. 4 rappresenta la mappa radiotermica del cervello di una persona che sta fumando. Si vede come la temperatura della parte occipitale della corteccia diminuisca di circa mezzo grado per lo spasmo dei vasi sanguigni in quella regione. Nella fig. 5 viene mostrata la mappa radiotermica funzionale della parte vicina alla costola di un seno femminile con cancro dopo un test di glucosio: la crescita della temperatura riscontrata nella parte tumorale risulta di circa 3,5 °K. Dal momento che il tumore è localizzato abbastanza profondamente all'interno della mammella, la tecnica basata sugli infrarossi, descritta precedentemente, non mostra dopo questo test alcun aumento di temperatura dello strato della pelle del seno. La radiotermografia, fornendo un'immagine tridimensionale della distribuzione della temperatura all'interno del corpo, offre la possibilità di studiare le diverse fasi di lavoro e di riposo del cervello e dell'apparato digerente, nonché di monitorare l'azione di diverse procedure mediche (medicamenti, pillole, agopuntura, chirurgia, fisioterapia) sugli organi interni. Il metodo di radiotermografia a microonde è caratterizzato da una sensibilità molto buona (〈0,1 °K), ma da una risoluzione spaziale non altrettanto buona, in genere pari a circa un decimo della lunghezza d'onda o delle dimensioni dell'antenna ricevente. c) Radiazione termica acustica. Per incrementare la risoluzione spaziale si usa, al posto delle microonde termiche, la radiazione termica acustica (fononi) generata dagli organi umani. I fononi termoacustici utilizzati in questo metodo (acustotermografia) sono onde termoacustiche della stessa banda di frequenza (〈10 MHz) impiegata nella tomografia ultrasonica. Le corrispondenti lunghezze d'onda sono dell'ordine di qualche millimetro, e ciò fornisce una buona risoluzione spaziale. Così, sebbene l'accuratezza con cui vengono misurate le temperature (circa 0,3 °K) e la costante temporale (circa 30 s) siano peggiori rispetto alla radiotermografia, la risoluzione spaziale del termometro acustico è migliore di 3 mm. Usando simultaneamente sia il radiotermometro sia il termometro acustico la determinazione delle temperature tridimensionali nelle dinamiche intracorporee risulta facilitata. d) Radiazione visibile. Nella regione della lunghezza d'onda del visibile è presente una radiazione ottica emessa dalla superficie del corpo umano, chiamata talvolta romanticamente 'aura'. L'intensità di quest'aura è maggiore di quanto previsto dalla formula di Planck per la radiazione ottica da sorgenti termiche. Nel caso di questa, la potenza della radiazione emessa in ogni singola zona dello spettro di frequenza ha un andamento ben definito in funzione della frequenza, e se, pertanto, si trova una discordanza della radiazione da tale andamento, si deve ipotizzare la presenza di una sorgente di emissione non termica. È stato provato che la radiazione dell'aura non è altro che una chemiluminescenza dovuta alla perossidazione dei lipidi alla superficie della pelle e caratterizzante la saturazione dei tessuti con ossigeno, il livello di antiossidanti. L'intensità di tale radiazione raggiunge diverse migliaia di fotoni al secondo per cm2 di superficie di pelle; naturalmente, quest'aura non può essere vista a occhio nudo, ma può essere facilmente misurata attraverso la tecnica che viene comunemente adottata quando si voglia contare il numero dei singoli fotoni emessi.

Metodiche di misurazione dei campi elettrici e magnetici

I campi elettrici e magnetici che riflettono l'attività bioelettrica del cuore, del cervello e dei muscoli possono essere proficuamente sfruttati per raccogliere dati sullo stato di salute dell'organismo. A parte le sorgenti bioelettriche che creano deboli campi elettrici intorno al corpo (dovute, per es., ai potenziali e alle correnti intercellulari), la principale fonte di campo elettrico esterno è la carica accumulata per triboelettricità, o strofinio, sulla superficie di uno strato corneo di epidermide altamente resistivo. Questo campo elettrico 'balistico' risulta abbastanza grande, dell'ordine di 1 V/m alla distanza di 0,5 m dal corpo. Esso riflette tanto la conduttività dello strato corneo dell'epidermide (e il suo rilassamento, che è connesso con le dinamiche della sudorazione impercettibile, uno dei principali meccanismi di termoregolazione del corpo umano), quanto il movimento della superficie della pelle determinato dal funzionamento meccanico degli organi interni, ossia: il battito del cuore, la respirazione, la peristalsi gastrica, il microtremore dei muscoli. Un altro canale in grado di fornire molteplici informazioni nella rilevazione a distanza del corpo umano è costituito dal suo campo biomagnetico. Dal momento che i tessuti sono trasparenti ai campi magnetici di bassa frequenza, quando si misura il campo magnetico esterno al corpo si ottengono informazioni dirette sull'attività bioelettrica interna. L'impianto per le misurazioni biomagnetiche impiega sensori SQUID (Superconducting quantum interference device, dispositivo quantistico superconduttore a interferenza) di due tipi, sia a bassa temperatura critica (niobio) sia ad alta temperatura critica (ceramiche di YBaCu, ittrio-bario-rame), nella configurazione che è sensibile alla derivata spaziale del campo. La sensibilità dell'impianto biomagnetico a bassa temperatura critica è di 10 fT/°Hz nell'ampiezza di banda 0,1-100 Hz. A titolo di paragone si può considerare che il rumore biomagnetico del cervello umano, quando il soggetto non è concentrato in nessuna definita attività di pensiero, si situa intorno ai 30 fT/°Hz. Con questa sensibilità è possibile misurare cambiamenti del campo biomagnetico di 1 pT (grandezza tipica del campo biomagnetico del cervello) con un accettabile rapporto segnale-rumore. Misurazioni di questo tipo consentono di realizzare una mappatura magnetica del cuore capace di rilevare molte patologie cardiache in uno stadio precoce. L'ampiezza del campo magnetico del cuore è circa 100 volte più grande di quella del cervello (nel picco R è di circa 100 pT). L'impianto, totalmente computerizzato, consente di avere 400 mappe magnetiche (distribuzioni del campo magnetico sopra il torace) costituenti un'unica sequenza per ogni battito del cuore. Dalla forma di queste mappe magnetiche è possibile estrapolare una valutazione delle varie patologie cardiache, incluse le extrasistole, i prodromi dell'infarto e l'ischemia. A titolo di esempio, nella fig. 6 i quadri della prima colonna rappresentano la distribuzione del campo magnetico in un soggetto sano, mentre quelli della seconda si riferiscono a un paziente con pregresso infarto.

Sviluppi recenti

Per quanto riguarda i campi naturali e le radiazioni prodotte dai processi fisiologici dell'organismo umano, sono qui illustrati soltanto gli ultimi sviluppi della mammografia ottica. Il metodo fu proposto per la prima volta alla fine degli anni Venti del 20° secolo con il nome di diafanografia. È basato sul principio dello sfarfallio attraverso il seno della radiazione ottica nelle bande del rosso e dell'infrarosso vicino (0,6-1,3 μm) e sulla susseguente analisi della distribuzione della radiazione trasmessa. Naturalmente, tale metodo è del tutto non invasivo e può essere usato sia a fini diagnostici per uno screening ad ampio raggio della popolazione, sia per il monitoraggio delle diverse terapie. Principali difetti della diafanografia sono la bassa risoluzione spaziale e la scarsa qualità dei dati prodotti, connesse con la forte diffusione e il forte assorbimento della radiazione ottica nel tessuto delle ghiandole mammarie. D'altro canto, la diafanografia, proprio in virtù delle sue proprietà fisiche, consente di ottenere informazioni sulle caratteristiche dei tessuti biologici che non possono essere raccolte con altri mezzi. In particolare, l'assorbimento e la diffusione della radiazione infrarossa e rossa caratterizzano in buona misura non solo la struttura morfologica, ma anche i meccanismi dell'approvvigionamento di sangue ai tessuti, il loro grado di ossigenazione e saturazione sanguigna. Grazie a queste caratteristiche è possibile sviluppare dei metodi in grado di fornire informazioni in diretta sui cambiamenti nella microcircolazione e nella saturazione sanguigna delle ghiandole mammarie in risposta a varie prove. Uno di questi metodi fu sviluppato per l'emissione infrarossa con regolazione automatica di sensibilità (RAS) alla fine degli anni Ottanta. Esso è basato sullo studio dei cambiamenti temporali della distribuzione spaziale dell'intensità della radiazione ottica dopo il suo passaggio attraverso le ghiandole mammarie, sia allo stato di riposo (misura della trasparenza iniziale) sia durante e dopo test funzionali (per es., arresto della respirazione, iperventilazione, uso di farmaci, carico fisico). La sequenza dei quadri ottici ottenuti in questo modo contiene dati sui cambiamenti nella microcircolazione, saturazione sanguigna e ossigenazione dei vasi della ghiandola mammaria; consente inoltre di distinguere le zone dove la desaturazione sanguigna dei tessuti ha un comportamento funzionale anomalo, nonché di stimare l'ampiezza relativa della reazione di aree differenti al sondaggio funzionale. Sulla base di questo metodo di mappatura funzionale dinamica è stata creata una nuova metodica per la diagnosi e l'esame delle ghiandole mammarie: la mammografia funzionale ottica (OFM, Optical functional mammography; fig. 7), qualitativamente diversa dalla normale diafanografia; come fonte luminosa impiega una matrice di diodi emettitori di luce, come ricevitore una videocamera CCD con alta sensibilità nelle bande di lunghezza d'onda del rosso e del vicino infrarosso. L'immagine (o mappa) funzionale si ottiene per misurazione delle sequenze dei quadri ottici, con un trattamento al computer simile a quello usato nella tomografia funzionale all'infrarosso.

Bibliografia

Acoustic thermography of human body: passive sensing of human body by measurements of its thermal acoustic field, Proceedings fourth course of the International School on Physical Acoustics, ed. A. Alippi, Erice, 3-10 ottobre 1991, Singapore, World Scientific, 1992, pp. 77-95; Dynamical infrared thermography in humans, "IEEE Engineering in Medicine and Biology", 1995, 14, 6, pp. 766-71; e.e. godik, y.v. gulyaev, Functional imaging of the human body, "IEEE Engineering in Medicine and Biology", 1991, 10, 4, pp. 21-29; y.v. gulyaev, e.e. godik, The physical fields of biological objects, "USSR Academy of Sciences magazine", 1983, 8, pp. 118-25; Optical functional mapping method for early diagnostics of the mammal gland pathologies, Proceedings of the international conference Radioelectronics in medical diagnostics, Moscow, 17-19 Oct. 1995, pp. 178-80.