efeitos terapêuticos e aplicações médicas da energia

UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR
UNIDADE CIENTÍFICA E PEDAGÓGICA
DE CIÊNCIAS DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA
ELECTROMECÂNICA
EFEITOS TERAPÊUTICOS
E APLICAÇÕES MÉDICAS
DA ENERGIA ELECTROMAGNÉTICA
CARLOS MANUEL PEREIRA CABRITA
LICENCIATURA EM CIÊNCIAS BIOMÉDICAS
2008
Dedicado à memória de James Clerk Maxwell (Edimburgo, 13
de Junho de 1831 – Cambridge, 5 de Novembro de 1879) e a
Nikola Tesla (Similjan, Sérvia, 10 de Julho de 1856 – New
York, 7 de Janeiro de 1943). Ao primeiro, porque representa
um dos expoentes máximos da capacidade intelectual da
humanidade e, ao deduzir as suas equações, fez confluir entre
si os fenómenos eléctricos e magnéticos, dando origem ao
electromagnetismo, que, por sua vez, permitiu o nascimento
no seio da ciência da indústria determinante da nossa civilização – exactamente a indústria electrotécnica. Ao segundo,
porque, ao inventar o motor trifásico de indução e o transformador, e ao prever as comunicações sem fios, é muito justamente considerado o fundador da indústria electrotécnica.
i
PREFÁCIO
Assim como o carvão representou a base energética da Primeira Revolução
Industrial, a Electricidade é o combustível invisível da vida moderna. O aumento descomunal da utilização da electricidade prova, indubitavelmente, que a
energia eléctrica tem um papel essencial na nossa sociedade, ao ponto de ser
impensável imaginar-se o quotidiano actual sem se ter acesso a essa fonte
energética. Sem dúvida que as tecnologias associadas ao electromagnetismo
têm vindo a tornar a nossa vida bastante mais fácil, podendo afirmar-se que,
por exemplo, a vida familiar e pessoal seria impossível sem a existência de
electrodomésticos e dos equipamentos multimédia de lazer. Por outro lado, o
desenvolvimento das telecomunicações e dos sistemas informáticos tem vindo
a permitir a comunicação fácil e directa entre pessoas individuais, grupos e
colectividades, sejam elas citadinas ou rurais.
Todavia, a par de todas estas vantagens e benefícios altamente significativos,
a electricidade apresenta os seus próprios riscos, muitos deles de extrema
gravidade, como sucede com as electrocussões por contacto directo ou
indirecto com condutores ou cabos eléctricos. Adicionalmente, a utilização da
energia eléctrica resulta na geração de campos eléctricos e de campos
electromagnéticos, ou seja, de campos electromagnéticos, que, ao cabo e ao
resto, representam forças naturais invisíveis e encontram-se presentes sempre
que exista electricidade.
Contudo, os campos electromagnéticos são parte integrante e essencial da
nossa vida, devido à sua presença em numerosas aplicações, o que obriga a
uma exposição permanente que poderá conduzir ao aparecimento de efeitos
biológicos nocivos e adversos.
Poder-se-á afirmar que, desde o nascimento da indústria electrotécnica, nos
finais do Século XIX, os seres vivos encontram-se rodeados de campos
electromagnéticos criados pela própria humanidade, devido ao rápido
desenvolvimento das centrais e redes de transporte de energia eléctrica, da
rádio e da televisão, do radar, das comunicações celulares, dos electrodomésticos, dos equipamentos multimédia, e dos computadores, entre toda
uma panóplia de sistemas que seria exaustivo descrever.
ii
A influência dos campos electromagnéticos em sistemas biológicos nasceu
praticamente com Hipócrates, e tem vindo a ser estudada através da história,
com muito mais realce, como não poderia deixar de ser, nos tempos modernos,
devido aos efeitos nocivos eventualmente causados pelas antenas de comunicações e pelas linhas de alta tensão de transporte de energia eléctrica. Estes
estudos continuarão a ser realizados e, por serem bastante complexos,
obrigarão à constituição de equipas multi e inter-disciplinares, onde participarão
médicos, biomédicos, engenheiros, biólogos, técnicos de saúde pública,
técnicos de ambiente, e gestores de avaliação de situações de risco.
Apesar dos potenciais riscos para a saúde, derivados da exposição a campos
electromagnéticos, estes mesmos campos electromagnéticos são aproveitados
não só para fins terapêuticos – estimulação magnética transcraniana; regeneração de fracturas ósseas por meio de campos eléctricos e de campos
magnéticos; eliminação de tumores cancerígenos através de hipertermia, de
eléctrodos de rádio-frequência, e de radioterapia –, mas também como meio de
diagnóstico através da imagiologia – radiologia, tomografia computorizada,
angiografia, urologia, mamografia, e ressonância magnética.
A unidade curricular a que se destina este segundo livro de apoio, representa
exactamente um bom exemplo da miscigenação entre medicina, biomedicina e
engenharia electrotécnica, e apresenta os seguintes objectivos, a seguir discriminados:
•
Descrição e compreensão dos fenómenos inerentes ao espaço
electromagnético, através das quatro equações de Maxwell, que
englobam em si todas as leis relacionadas com a electrostática, a
corrente eléctrica, o campo magnético variável, e a indução electromagnética.
•
Descrição sucinta das fontes geradoras de campos eléctricos, de
campos magnéticos, e de radiação de rádio-frequência.
•
Descrição e compreensão dos mecanismos de acção dos campos
electromagnéticos sobre os sistemas biológicos.
•
Descrição e compreensão das bases para a modelização matemática
relacionada com a absorção da energia dos campos electromagnéticos
por parte dos sistemas biológicos.
iii
•
Descrição e compreensão dos efeitos biológicos dos campos electromagnéticos de reduzidíssima frequência e das rádio-frequências.
•
Descrição e análise dos efeitos terapêuticos dos campos electromagnéticos.
•
Descrição das medidas a adoptar, como prevenção das acções nocivas
dos campos electromagnéticos.
•
Enumeração da regulamentação de segurança e de protecção, internacional assim como de diversos países, contra a exposição a radiações.
Por outro lado, com a aprovação na unidade curricular em questão, os alunos
adquirirão as seguintes competências profissionais, técnicas e científicas:
•
Capacidade para descrever os fenómenos inerentes ao campo electromagnético, através da recorrência às equações de Maxwell.
•
Capacidade para definir as vias a seguir conducentes à modelização
matemática relacionada com a absorção da energia da rádio-frequência
e dos campos electromagnéticos de muito baixa frequência por parte
dos sistemas biológicos.
•
Capacidade para enumerar e discernir os tipos de equipamentos,
industriais, domésticos, e utilizados em electromedicina, emissores de
radiação electromagnética.
•
Capacidade para descrever e enumerar os mecanismos e os efeitos da
radiação electromagnética nos sistemas biofísicos.
•
Conhecimento das publicações internacionais – livros e revistas científicas e técnicas –, que expõem e divulgam os mais recentes resultados
de investigação sobre este tema.
•
Conhecimento das regras e linhas de acção internacionais, de protecção contra os efeitos nocivos da exposição às radiações electromagnéticas.
•
Capacidade para formar e integrar equipas multidisciplinares com
médicos e engenheiros electrotécnicos, com a finalidade de procurarem
soluções técnicas com vista à protecção contra a exposição a
radiações.
iv
•
Capacidade para promover e desenvolver estudos, individualmente e
em equipa, que procurem relacionar determinados tipos de doenças e
anomalias com a exposição a radiações.
•
Capacidade para elaborar relatórios técnicos, que descrevam e
explicitem os modos de assinalar os equipamentos potencialmente
perigosos, assim como as medidas preventivas a adoptar.
•
Capacidade para integrar equipas de projecto de unidades hospitalares,
onde existam equipamentos de electromedicina, com a finalidade de
melhor localizar esses equipamentos.
•
Capacidade para participar em equipas de projecto e manutenção de
equipamento electromédico.
No que respeita à estrutura organizativa deste livro, ele contém cinco capítulos, onde se abordam, de uma forma aprofundada, os seguintes assuntos:
Capítulo 1.
Electromagnetismo
Define-se campo eléctrico e apresentam-se alguns aspectos relacionados com
a electrostática. Define-se igualmente campo magnético e, da mesma forma,
apresentam-se alguns aspectos do estudo da magnetostática. Como base da
origem dos campos electromagnéticos, expõe-se ainda o fenómeno da indução
electromagnética, descoberto e comprovado praticamente em simultâneo pelo
americano Joseph Henry e pelo inglês Michael Faraday, no Século XIX. Por
outro lado, na medida em que reúnem em si todos os fenómenos do campo
eléctrico e do campo magnético, estudam-se as quatro equações de Maxwell
na forma integral, que é a de mais simples compreensão e, na sua sequência,
cita-se a energia electromagnética, definindo-se e apresentando-se o vector de
Poynting. Continuando com a teoria do electromagnetismo, estabelece-se a
relação entre os campos electromagnéticos e a radiação, apresentando-se o
espectro das frequências, expondo-se ao mesmo tempo os conceitos de
radiação não-ionizante e de radiação ionizante. A terminar, descrevem-se as
interacções entre os campos electromagnéticos e os materiais biológicos mais
importantes – as células e os tecidos humanos.
v
Capítulo 2.
Penetração do Campo Eléctrico e do Campo Magnético
nos Tecidos Biológicos
No que respeita à exposição a campos electromagnéticos de frequências
reduzidíssimas, sobretudo em corrente contínua e em corrente alternada à
frequência comercial de 50 Hz, devido ao facto da energia dos fotões ser
extremamente reduzida, é possível separar entre si o campo eléctrico e o
campo magnético. Como tal, e atendendo ainda a que os efeitos biofísicos
destes dois campos são diferenciados, com base no electromagnetismo
apresenta-se neste capítulo um estudo analítico relativo ao campo eléctrico
estacionário (invariante no tempo), ao campo eléctrico quase estacionário
(alternado sinusoidal, a frequências muito próximas de 50 Hz), ao campo
magnético estacionário, e ao campo magnético quase estacionário, com a
finalidade de se quantificar os respectivos rácios entre os campos incidentes
(campos externos) e os campos absorvidos (campos internos), demonstrandose que, de um modo geral, que os campos absorvidos representam apenas
uma fracção ínfima dos campos incidentes. Ainda com o objectivo de desfazer
alguns mitos populares e jornalísticos sem quaisquer fundamentos científicos,
apresentam-se, em termos comparativos, os níveis de exposição a campos
eléctricos e magnéticos relativos a linhas de alta tensão, a instalações
eléctricas de distribuição em baixa tensão, e a electrodomésticos. Por outro
lado, e devido às recentes polémicas e contestações que se têm vindo a
acentuar relativamente à exposição a campos eléctricos e magnéticos emitidos
por linhas de alta tensão, apresentam-se igualmente diversos resultados
respeitantes aos níveis de exposição a esses campos, em função da distância
a linhas de alta e muito alta tensão.
Capítulo 3.
Bioelectromagnetismo
Os efeitos nocivos da exposição a campos electromagnéticos encontram-se
directamente relacionados com os mecanismos de interacção entre esses
campos e os tecidos biológicos. Como tal, estudam-se as propriedades
eléctricas dos materiais biológicos, descrevendo-se os modelos microscópico e
macroscópico. Estuda-se ainda em detalhe os mecanismos de propagação,
vi
através das Equações de Maxwell, e de absorção das ondas electromagnéticas
de rádio-frequência nos tecidos biológicos – condução térmica, radiação,
convecção, e transpiração, apresentando-se como exemplificação as características eléctricas de diversos materiais biológicos, como sejam os músculos, a
gordura, a água, o sangue, e os tumores cancerígenos.
Capítulo 4.
Dosimetria dos Campos Electromagnéticos Incidentes
Na prática, torna-se essencial saber determinar os níveis de exposição a
radiações de rádio-frequência, não só do ponto de vista teórico mas também
sob a óptica experimental. Assim sendo, apresentam-se as metodologias de
cálculo teórico da densidade de potência em locais muito próximos da fonte
emissora assim como em locais afastados, e da intensidade dos campos
electromagnéticos. Descrevem-se igualmente, de forma pormenorizada, as
técnicas de medição habituais e normalizadas – tempo médio de exposição,
valores médios espaciais, locais com frequências múltiplas –, complementando-se as exposições teóricas através de exemplos práticos. Por outro
lado, atendendo a que a exposição a antenas de transmissões celulares tem
vindo a ser alvo de polémicas, tal como as linhas de alta tensão, descreve-se
em pormenor todo um conjunto de procedimentos de segurança a adoptar no
que respeita à instalação dessas antenas.
Capítulo 5.
Dosimetria dos Campos Electromagnéticos Internos
Na sequência dos estudos teórico-práticos desenvolvidos no Capítulo 2,
apresenta-se neste capítulo a taxa de absorção específica SAR, assim como a
descrição pormenorizada de todos os parâmetros associados, como sejam a
polarização, a frequência, a dimensão e a forma dos objectos sujeitos a
radiação, e as propriedades eléctricas dos tecidos biológicos. Descrevem-se
igualmente as técnicas teóricas e experimentais de dosimetria dos campos
internos, assim como, em termos particulares, da dosimetria associada aos
telefones celulares, apresentando-se alguns resultados obtidos experimentalmente. Para finalizar, descrevem-se os procedimentos respeitantes à
vigilância das emissões em estações de transmissões celulares.
vii
Capítulo 6.
Efeitos Terapêuticos da Energia Electromagnética
Diversos estudos experimentais de biologia confirmam que os campos electromagnéticos de frequência extremamente reduzida, podem ter um profundo
efeito numa gama variada de sistemas biológicos, incluindo fracturas ósseas e
osteoporose. Por outro lado, a característica que aqueles campos electromagnéticos apresentam de induzirem efeitos biofísicos, parece residir no
conteúdo da informação da própria forma de onda, daí que se possa talvez
justificar em parte a sensibilidade dos sistemas biofísicos a esses campos,
motivada pela interacção com os mecanismos de controlo presentes nas
células. Todavia, esses mecanismos de interacção entre os campos electromagnéticos e os sistemas biológicos, ainda estão por explicar, continuando o
debate acerca dos perigos potenciais do valor terapêutico dos campos
electromagnéticos de reduzida intensidade, até que esses mecanismos sejam
clarificados. Apesar disso, a energia electromagnética é utilizada, de um modo
cada vez mais intensivo, com fins terapêuticos, no tratamento de fracturas, da
osteoporose, e da esclerose múltipla, como se descreve neste capítulo. Por
outro lado, descrevem-se igualmente os efeitos terapêuticos relacionados com
o aquecimento derivado da energia das radiações de rádio-frequência, no
tratamento e ablação de determinados tipos de tumores e carcinomas,
expondo-se ainda as modernas técnicas de radioterapia, baseadas na
utilização de protões de hidrogénio e de iões de carbono.
Capítulo 7.
Aplicações Médicas da Energia Electromagnética
A imagiologia é uma das especialidades clínicas que mais depende da ciência
física e da tecnologia em engenharia, e encontra-se directamente relacionada
com o aproveitamento dos campos electromagnéticos como meio de diagnóstico fiável e seguro. Assim sendo, neste capítulo apresentam-se alguns
conceitos relacionados com a radiação e a sua medição e protecção, sob a
óptica clínica, e descrevem-se as bases físicas das diferentes técnicas, como
sejam a radiologia convencional, a fluoroscopia, a radiografia digital, a
angiografia, a tomografia computorizada, a ressonância magnética, a medicina
nuclear, e a mamografia, apresentando-se diversos equipamentos.
viii
Bibliografia
Este livro complementa um outro, por nós realizado e indicado na bibliografia,
e, devido à elevada quantidade e variedade de temas abordados e expostos,
parecem-nos ser suficientes para que os alunos compreendam toda a
problemática relacionada com os efeitos biofísicos dos campos electromagnéticos, assim como das suas aplicações médicas e terapêuticas. Quanto
aos restantes livros citados, contêm uma enorme variedade de assuntos
interessantíssimos, apresentados na maioria das situações com uma
profundidade científica notável, e poderão pontualmente contribuir para a
formação especializada dos alunos, daí que se aconselhe que, no seu
processo de auto-aprendizagem complementar, sejam consultados, na medida
em que poderão esclarecer dúvidas e, ao mesmo tempo, indicar linhas
orientadores de investigação futura.
ix
ÍNDICE
CAPÍTULO 1.
ELECTROMAGNETISMO
1
1.1. GRANDEZAS E UNIDADES
1
1.1.1. Grandezas Escalares e Vectoriais
1
1.1.2. Sistema de Unidades
2
1.2. CAMPO ELECTROMAGNÉTICO
3
1.2.1. Grandezas do Campo
3
1.2.2. Campo Eléctrico
5
1.2.3. Campo Magnético
12
1.3. INDUÇÃO ELECTROMAGNÉTICA
16
1.4. EQUAÇÕES DE MAXWELL
18
1.5. ENERGIA ELECTROMAGNÉTICA
23
1.6. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS E RADIAÇÕES
24
1.7. ESPECTRO DAS FREQUÊNCIAS ELECTROMAGNÉTICAS
27
1.7.1. Radiação Não Ionizante
28
a) Campos Electromagnéticos de Frequência
Extremamente Reduzida
28
b) Radiação de Rádio-Frequência
29
c) Radiação Óptica Não Coerente
29
1.7.2. Radiação Ionizante
31
a) Raios X
32
b) Raios Gama
32
1.8. MATERIAIS BIOLÓGICOS
33
1.8.1. Células
33
1.8.2. Tecidos
35
1.9. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS E RISCOS PARA A SAÚDE
36
CAPÍTULO 2.
PENETRAÇÃO DO CAMPO ELÉCTRICO E DO CAMPO
MAGNÉTICO NOS TECIDOS BIOLÓGICOS
43
2.1. CAMPO ELÉCTRICO ESTACIONÁRIO
43
2.2. CAMPO ELÉCTRICO QUASE ESTACIONÁRIO
47
x
2.3. CAMPO MAGNÉTICO ESTACIONÁRIO
50
2.4. CAMPO MAGNÉTICO QUASE ESTACIONÁRIO
52
2.5. CAMPOS ELÉCTRICOS E MAGNÉTICOS EM LINHAS
DE TRANSPORTE DE ENERGIA
55
CAPÍTULO 3.
BIOELECTROMAGNETISMO
61
3.1. INTRODUÇÃO
61
3.2. PROPRIEDADES ELECTROMAGNÉTICAS
DOS MATERIAIS BIOLÓGICOS
61
3.2.1. Modelo Microscópico
62
3.2.2. Modelo Macroscópico
63
3.3. PROPAGAÇÃO ATRAVÉS DE MATERIAIS BIOLÓGICOS
68
3.4. ABSORÇÃO EM MATERIAIS BIOLÓGICOS
72
CAPÍTULO 4.
DOSIMETRIA DOS CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS
INCIDENTES
75
4.1. INTRODUÇÃO
75
4.2. CÁLCULOS TEÓRICOS
76
4.2.1. Densidade de Potência
76
a) Região próxima da fonte
77
b) Região afastada da fonte
78
4.2.2. Intensidade do Campo
4.3. TÉCNICAS DE MEDIÇÃO
79
80
4.3.1. Tempo Médio de Exposição
81
4.3.2. Valores Médios Espaciais
83
4.3.3. Locais com Frequências Múltiplas
84
4.4. PROCEDIMENTOS DE SEGURANÇA
85
CAPÍTULO 5.
DOSIMETRIA DOS CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS
INTERNOS
88
5.1. INTRODUÇÃO
88
5.2. TAXA DE ABSORÇÃO ESPECÍFICA SAR
89
xi
5.2.1. Tipos de SAR e Parâmetros Associados
89
a) Polarização
89
b) Frequência
90
c) Dimensão e Forma dos Objectos
91
d) Propriedades Eléctricas dos Tecidos
93
5.2.2. Estimativa da SAR
93
5.3. DOSIMETRIA TEÓRICA
95
5.4. DOSIMETRIA EXPERIMENTAL
96
5.5. DOSIMETRIA EM TELEFONES CELULARES
96
5.5.1. Potência Transmitida
96
5.5.2. Investigações sobre a SAR
97
5.5.3. Sensação de Calor
98
5.5.4. Procedimentos de Precaução
98
5.6. VIGILÂNCIA DE ESTAÇÕES CELULARES DE BASE
100
CAPÍTULO 6.
EFEITOS TERAPÊUTICOS DA ENERGIA
ELECTROMAGNÉTICA
106
6.1. INTRODUÇÃO
106
6.2. ESTIMULAÇÃO MAGNÉTICA TRANSCRANIANA TMS
109
6.3. MAGNETO-ENCEFALOGRAFIA MEG
110
6.4. TRATAMENTO DE FRACTURAS ÓSSEAS
111
6.5. TRATAMENTO DA OSTEOPOROSE
115
6.6. TRATAMENTO DA ESCLEROSE MÚLTIPLA
117
6.7. TRATAMENTO DE DISTÚRBIOS DO SISTEMA
NEUROLÓGICO
119
6.8. HIPERTERMIA
121
6.8.1. Hipertermia Local
125
6.8.2. Hipertermia Regional
128
6.8.3. Hipertermia de Corpo Inteiro
129
6.8.4. Hipertermia Extracelular
130
6.8.5. Equipamentos de Aquecimento
131
a) Técnicas
131
b) Dispositivos Externos de Rádio-Frequência
131
c) Dispositivos Externos de Radiação Electromagnética
132
xii
d) Dispositivos Interesticiais e Intracavidades
133
e) Dispositivos baseados em Nanotecnologia
134
6.8.6. Hipertermia e outras Terapêuticas
134
a) Hipertermia e Radiação
135
b) Hipertermia e Quimioterapia
135
c) Hipertermia e Radioquimioterapia
136
d) Hipertermia e Terapia Genética
136
6.8.7. Estado Actual e Tendências Futuras
137
6.9. ABLAÇÃO POR RÁDIO-FREQUÊNCIA
139
6.9.1. Aplicações Clínicas
139
6.9.2. Considerações Técnicas
141
6.9.3. Vantagens Clínicas
143
6.9.4. Limitações e Complicações
143
6.10. ABLAÇÃO POR MICROONDAS
145
6.10.1. Aplicações Clínicas
145
6.10.2. Considerações Técnicas
147
6.10.3. Vantagens Clínicas
148
6.10.4. Limitações e Complicações
149
6.11. RADIOTERAPIA
151
6.12. TERAPIA DE PARTÍCULAS
153
6.13. EFEITOS SECUNDÁRIOS
157
6.13.1. Fisiologia dos Tecidos
157
6.13.2. Resposta Celular
159
6.13.3. Efeitos Imunológicos
159
6.13.4. Resposta Cardiovascular
160
6.13.5. Resposta do Sistema Nervoso
160
6.13.6. Efeitos Cancerígenos
161
CAPÍTULO 7.
APLICAÇÕES MÉDICAS DA ENERGIA
ELECTROMAGNÉTICA
162
7.1. INTRODUÇÃO
162
7.2. BASES FÍSICAS
163
7.2.1. Radiação
a) Medição da Radiação
163
163
xiii
b) Protecção contra as Radiações
7.2.2. Radiologia
165
167
a) Tubo de Raios X e Radiologia Convencional
167
b) Fluoroscopia
168
c) Radiografia Digital
169
7.2.3. Tomografia Computorizada
171
7.2.4. Ressonância Magnética
173
7.2.5. Medicina Nuclear
176
7.3. ANGIOGRAFIA DIAGNÓSTICA
178
7.4. MAMOGRAFIA
180
7.5. TOMOGRAFIA COMPUTORIZADA
183
7.6. RESSONÂNCIA MAGNÉTICA
187
7.7. OBSERVAÇÕES FINAIS. ECOGRAFIA
189
7.8. TECNOLOGIA TERAHERTZ
193
BIBLIOGRAFIA
196
ANEXO. REGULAMENTOS DE SEGURANÇA
201
A.1. FREQUÊNCIAS EXTREMAMENTE REDUZIDAS
201
A.1.1. Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE
205
A.1.2. National Radiological Protection Board NRPB
205
A.1.3. International Commission on Nonionizing Radiation
Protection ICNIRP
206
A.1.4. Normas Suecas
207
A.1.5. Normas Alemãs
209
A.1.6. American Conference of Governmental Industrial
Hygienists ACGIH
209
A.1.7. Restrições
211
A.2. RADIAÇÃO DE RÁDIO-FREQUÊNCIA
213
A.2.1. Norma ANSI/IEEE C95.1
214
A.2.2. Norma ANSI/IEEE C95.1 – 1966
215
A.2.3. Norma ANSI/IEEE C95.1 – 1974
215
A.2.4. Norma ANSI/IEEE C95.1 – 1982
215
A.2.5. Norma ANSI/IEEE C95.1 – 1992
216
A.2.6. Norma ANSI/IEEE C95.1 – 2005
218
A.2.7. Relatório NCRP nº 86 – 1986
218
A.2.8. Relatório NCRP nº 86 – 1993
219
xiv
A.2.9. Normas ACGIH
220
A.2.10. Normas da FCC
221
A.2.11. Normas Canadianas
222
A.2.12. Normas Japonesas
224
A.2.13. Normas Chinesas
224
A.2.14. Normas Australianas e Neo-Zelandezas
224
A.2.15. Normas Russas e da Europa de Leste
225
A.2.16. Normas da IRPA
227
A.2.17. Normas da ICNIRP
227
A.2.18. Norma CENELEC EN 50392 : 2004
228
A.2.19. Regulamentação na União Europeia
228
A.2.20. Factores de Segurança
231
A.2.21. Taxa de Absorção Específica
231
xv
CAPÍTULO 1.
ELECTROMAGNETISMO
1.1. GRANDEZAS E UNIDADES
Ao longo deste livro de apoio, utilizam-se frequentemente as expressões
Campo Electromagnético e Radiação, que convém explicitar em termos dos
seus significados físicos. Assim sendo, o Espaço Electromagnético, definido
pela primeira vez pelo cientista escocês James Clerk Maxwell, representa todo
o espaço físico onde, por sua vez, em todos os seus pontos se manifestam
fenómenos eléctricos e magnéticos, quantificados essencialmente através dos
vectores intensidade do campo eléctrico e intensidade do campo magnético,
sendo o Campo Electromagnético a interacção entre esses dois vectores.
Como exemplo pode-se citar o caso de um simples motor eléctrico que equipa
um electrodoméstico em que, no interior dos seus condutores, existe um
campo eléctrico e, no seu circuito magnético nos troços no ferro e no ar,
manifesta-se a existência de um campo magnético.
Por outro lado, sob determinadas circunstâncias que serão descritas ao longo
do texto, os campos electromagnéticos produzem ondas, que radiam a partir
das suas fontes, daí a existência do vocábulo Radiação Electromagnética ou
simplesmente Radiação. Como exemplo evidente, tem-se a radiação provocada pelas antenas de comunicações móveis e de rádio e televisão.
Como se verá um pouco mais à frente, a interacção entre os campos eléctrico
e magnético é descrita através das denominadas Equações de Maxwell, que
permitem estudar e analisar todos os fenómenos, estáticos e variáveis no
tempo, que se manifestam no espaço electromagnético.
1.1.1. Grandezas Escalares e Vectoriais
Como é sabido da matemática e da física, uma grandeza que tem apenas
magnitude e sinal algébrico, é designada por grandeza escalar ou simplesmente por escalar, como sucede por exemplo com o tempo t, a massa m, a
potência P, e a energia W. Por outro lado, as grandezas que, além de
possuírem magnitude, são ainda caracterizadas por apresentarem uma
direcção e um sentido, são designadas por grandezas vectoriais ou simples-
1
r
r
mente por vectores. É o caso, por exemplo, da velocidade V , da força F , e do
r
vector densidade de fluxo eléctrico D . Como é habitual e do conhecimento
geral, os vectores serão sempre representados em itálico encimados por um
pequeno segmento com uma seta na sua extremidade direita, enquanto que o
seu módulo, ou magnitude, será sempre representada pelo mesmo símbolo,
r
mas sem o segmento superior – por exemplo, B representa o vector densidade
de fluxo magnético, enquanto que B é o seu módulo. Saliente-se que, no
estudo do campo electromagnético, utilizam-se diversas grandezas escalares e
vectoriais, como se verá de seguida.
1.1.2. Sistema de Unidades
Na prática, a medição de qualquer grandeza física deverá sempre ser expressa
através de um número seguido por uma unidade, unidade essa que é uma
normalização através da qual uma dimensão pode ser expressa numericamente. Os sistemas de unidades são usualmente definidos através de siglas,
que têm como significado as iniciais das unidades das suas grandezas fundamentais, tendo coexistido até há relativamente poucos anos, três sistemas de
unidades:
•
Sistema CGS:
grandezas fundamentais – comprimento, massa, tempo
unidades – centímetro, grama-massa, segundo
•
Sistema prático ou gravitatório MKpS:
grandezas fundamentais – comprimento, peso, tempo
unidades – metro, kilograma-peso, segundo
•
Sistema MKS:
grandezas fundamentais – comprimento, massa, tempo
unidades – metro, kilograma-massa, segundo
Note-se que o sistema MKS, introduzido por Giorgi em 1901, representa
exactamente o Sistema Internacional de Unidades SI, adoptado universalmente
com as siglas MKSA, devido à introdução da sigla A que representa a unidade
Ampére da grandeza fundamental intensidade da corrente eléctrica. Este
2
sistema recomenda ainda que os múltiplos e os submúltiplos de todas as
unidades sejam escritos em passos (steps) de 103 e de 10-3.
1.2. CAMPO ELECTROMAGNÉTICO
1.2.1. Grandezas do Campo
Como o seu próprio nome indica, o campo electromagnético é um espaço físico
onde coexistem, em interacção, campos eléctricos e campos magnéticos,
podendo ser criados artificialmente, por exemplo, em sistemas de produção,
transporte e utilização de energia eléctrica, através dos geradores, dos transformadores, das linhas aéreas ou dos cabos subterrâneos de transporte, das
instalações eléctricas de baixa tensão domésticas e industriais, e por todos os
receptores que utilizam essa energia, tendo esses campos origem na
existência e no movimento de cargas eléctricas. Convém igualmente salientar
que os campos electromagnéticos criados artificialmente encontram-se sempre
presentes onde quer que existam equipamentos eléctricos, sejam electrodomésticos, motores eléctricos, antenas, ou equipamentos médicos. No nosso
meio ambiente, existem igualmente campos electromagnéticos, de origem
natural, como o próprio campo magnético terrestre, as tempestades com
trovoadas, e as conhecidas auroras boreais, provocadas pela interacção entre
o vento solar e o campo magnético do planeta.
Apesar do campo electromagnético existir, não é possível ver nem sentir de
forma directa a existência de campos eléctricos e de campos magnéticos,
sendo no entanto possível medi-los e avaliá-los. Por exemplo, um simples
condutor de uma instalação eléctrica doméstica em baixa tensão, sujeito a uma
diferença de potencial que origine um movimento de cargas eléctricas no seu
interior, será sede não só de um campo eléctrico devido ao movimento das
cargas mas também de um campo magnético concêntrico – ou seja, este
condutor, assim como todo o espaço envolvente, representam um espaço
electromagnético.
A energia electromagnética, artificialmente gerada por equipamentos e que se
propaga através de ondas, interage não só com outros equipamentos
geradores de ondas similares, podendo provocar anomalias – daí a importância
crescente dos estudos sobre incompatibilidades electromagnéticas (veja-se a
influência dos telefones celulares sobre os pacemakers cardíacos) –, mas
3
também sobre os sistemas biológicos, daí que seja essencial a compreensão
de alguns conceitos físicos, que se apresentam seguidamente, para que se
possa analisar e entender os mecanismos de interacção entre os campos
electromagnéticos e os materiais biológicos.
Apesar das investigações iniciais dessa interacção se terem centrado essencialmente nos efeitos resultantes das exposições a campos de elevada
intensidade, os estudos actuais debruçam-se cada vez mais sobre todas as
possibilidades, incluindo a influência de campos electromagnéticos muito
reduzidos. Apesar de, no espaço electromagnético, coexistirem campos
eléctricos e campos magnéticos, muito provavelmente os efeitos biofísicos
provocados por estes dois tipos de campos serão bastante diferenciados.
Quanto às grandezas que caracterizam o campo electromagnético, elas são as
seguintes, tanto vectoriais como escalares:
•
r
Vector densidade de fluxo eléctrico ou vector deslocamento eléctrico D ,
de módulo densidade de fluxo eléctrico ou deslocamento eléctrico D.
r
•
Vector densidade de corrente J , de módulo densidade de corrente J.
•
Vector densidade de fluxo magnético B , de módulo densidade de fluxo
r
B.
•
r
Vector intensidade do campo eléctrico E , de módulo intensidade do
campo eléctrico E.
•
r
Vector intensidade do campo magnético H , de módulo intensidade do
campo magnético H.
•
Constante dieléctrica, ou permitividade, do meio (material) dieléctrico ε.
O seu valor no vazio é ε0 = 8,854 x 10-12 farads/metro (F/m).
•
Condutividade eléctrica do meio (material) condutor σ.
•
Permeabilidade magnética do meio (material) magnético
μ. O seu valor
no vazio é μ0 = 4 π x 10-7 henries/metro (H/m).
Outra constante importante utilizada em electromagnetismo, é a velocidade de
propagação das ondas electromagnéticas no vazio (velocidade da luz no
vazio), c = 3 x 108 metros/segundo (m/s). Na disciplina científica electromagnetismo, é canónico efectuar-se o estudo da electrostática (cargas eléctricas e
4
campo eléctrico invariantes no tempo), da corrente eléctrica estacionária
(corrente contínua, em que as grandezas intervenientes são invariantes no
tempo), da magnetostática (campo magnético gerado por corrente contínua,
sendo as grandezas intervenientes igualmente invariantes no tempo), e dos
campos eléctricos e magnéticos variáveis no tempo. Como se verá um pouco
mais à frente, estes estudos têm todos eles como base as 4 Equações de
Maxwell, que serão apresentadas de uma forma generalizada, mas que, para
cada estudo concreto, são particularizadas. Um outro aspecto importante, para
que se fique com a noção clara de que existem similaridades entre a
electrostática, a corrente eléctrica estacionária e a magnetostática, consiste
exactamente na apresentação dessas similaridades não só entre grandezas
vectoriais mas também entre grandezas escalares, como se mostra no quadro
1.1.
Estudo
Grandezas vectoriais
Grandezas escalares
Electrostática
E
D
ε
Corrente Estacionária
E
J
σ
Magnetostática
H
B
µ
Quadro 1.1 – Grandezas características do campo electromagnético
e similaridades entre elas.
1.2.2. Campo Eléctrico
Como é sabido, o átomo é electricamente neutro, sendo constituído por um
núcleo com protões, isto é, cargas eléctricas positivas, e por electrões, ou seja
cargas eléctricas negativas, que, em número igual aos protões, giram em
órbitas em torno do núcleo. Estas cargas eléctricas encontram-se presentes no
vácuo, no ar e no interior de condutores – quando os electrões se movimentam
no interior dos condutores e cabos eléctricos, tem-se a conhecida corrente
eléctrica; porém essas cargas podem-se movimentar no espaço de um local
para outro, criando assim a denominada electricidade estática, cujos efeitos
são por nós conhecidos, como por exemplo quando os nossos cabelos se
dispõem de uma forma erecta perante um objecto electrizado ou quando se
“apanha” um pequeno choque eléctrico ao tocar-se na estrutura metálica de um
5
automóvel. Outro exemplo típico, natural, consiste nas trovoadas, em que as
nuvens, ao movimentarem-se na atmosfera, ficam carregadas fortemente com
cargas eléctricas, devido ao atrito com o ar.
Sempre que existam cargas eléctricas em movimento no interior de um condutor, ou quando há cargas eléctricas de sinal contrário, separadas entre si,
existirá um vector intensidade do campo eléctrico E, que permite definir e
avaliar a diferença de potencial, ou tensão eléctrica, U, devida a essa
separação de cargas. Esta tensão, entre dois pontos do espaço ou entre dois
pontos de um condutor, pontos esses que se encontram, genericamente, aos
potencias eléctricos absolutos V1 e V2, é definida matematicamente como
r
sendo a circulação do vector intensidade do campo eléctrico E entre esses
dois pontos, ou seja:
U =V1 −V2 =
r
r
∫s E • ds
sendo ds o vector de definição do caminho de circulação do vector campo
eléctrico. Se estes dois vectores forem colineares, isto é, se tiverem a mesma
direcção e o mesmo sentido, como sucede entre as armaduras paralelas de um
condensador plano ou no interior de um condutor eléctrico, ao resolver-se o
integral obtém-se:
U = V1 − V2 = E s
sendo s, em metros (m), a distância entre os pontos 1 e 2. Esta tensão
eléctrica,
expressa
em
joules/coulomb
(J/C),
equivalente
em
termos
dimensionais ao volt (V), representa o trabalho necessário para mover uma
unidade de carga eléctrica entre aqueles dois pontos 1 e 2. Como se constata,
através da última expressão, quanto mais elevada for a tensão eléctrica ou
quanto mais próximas estiverem as cargas entre si, mais intenso será o campo
eléctrico, cuja intensidade tem como unidade o newton/coulomb (N/C),
dimensionalmente equivalente ao volt/metro (V/m).
Basicamente, os campos eléctricos podem ser representados de uma forma
gráfica, como se mostra na figura 1.1, considerando apenas uma única carga
(a), em que as linhas de força do vector campo eléctrico são radiais, ou então
considerando duas armaduras planas, paralelas, carregadas com cargas
eléctricas de sinais contrários (b).
6
Figura 1.1 – Linhas de força do vector intensidade do campo eléctrico:
(a) – devidas a uma única carga eléctrica
(b) – devidas a duas armaduras paralelas (condensador).
Por sua vez, na figura 1.2 mostra-se o campo eléctrico na zona envolvente do
coração humano, destacando-se as linhas de força do vector intensidade do
campo eléctrico assim como as linhas equipotenciais, isto é, as linhas cujos
pontos se encontram todas elas ao mesmo potencial. Note-se que se têm duas
cargas eléctricas iguais, mas de sinal contrário, constituindo o que se designa
por dipolo eléctrico.
Figura 1.2 – Linhas de força do campo eléctrico e linhas equipotenciais
no coração humano.
Por outro lado, observa-se ainda que as linhas equipotenciais são perpendiculares às linhas de força do vector intensidade do campo eléctrico e, além
disso, quanto mais próximas essas linhas equipotenciais se encontram das
respectivas cargas mais elevado é o valor do potencial eléctrico.
7
Este facto deve-se à seguinte expressão:
r
E = − ∇V
em que ∇ é um operador vectorial diferencial, conhecido da análise matemática, representando ∇V o gradiente do potencial eléctrico V. Por conseguinte, esta expressão diz-nos, por um lado, que as linhas equipotenciais são
perpendiculares às linhas de força do vector intensidade do campo eléctrico, e,
por outro, que o vector intensidade do campo eléctrico tem o sentido dos
potenciais eléctricos decrescentes. Nas figuras 1.3 e 1.4 são visíveis estas
constatações.
Figura 1.3 – Linhas de força do vector intensidade do campo eléctrico e linhas
equipotenciais, entre duas cargas iguais (140 pC), mas de sinais contrários.
8
Figura 1.4 – Linhas de força do vector intensidade do campo eléctrico e linhas
equipotenciais, entre duas cargas iguais (140 pC), e com o mesmo sinal.
Relativamente à figura 1.3, conclui-se que cargas eléctricas com sinais contrarios repelem-se, enquanto que, como se pode ver na figura 1.4, cargas com o
mesmo sinal atraem-se. Se, em lugar de cargas eléctricas, se tivessem por
exemplo condutores eléctricos rectilíneos percorridos por correntes eléctricas
invariantes no tempo, com a mesma intensidade, circulando com sentidos contrários ou com o mesmo sentido, os mapas apresentados seriam rigorosamente
iguais, com a única diferença de que, em lugar da carga eléctrica Q, expressa
em coulombs (C), se teria a intensidade de corrente eléctrica I, cuja unidade é
o ampere (A), dimensionalmente idêntica ao coulomb por segundo (C/s).
Saliente-se que este fenómeno, de atracção ou de repulsão entre condutores
percorridos por correntes eléctricas, foi pela primeira vez descoberto e
explicado pelo físico e matemático francês André-Marie Ampére, em 1820.
9
Do exposto anteriormente, constata-se assim que, quanto mais próximo nos
encontrarmos de linhas áreas de transporte de energia eléctrica, de alta e
muito alta tensão, por exemplo 110 - 220 - 750 kV, mais intensos são os
campos eléctricos, daí os eventuais riscos inerentes da exposição a esses
campos eléctricos.
Na figura 1.5 mostram-se as linhas de força do vector intensidade do campo
eléctrico electrostático, bem como as respectivas linhas equipotenciais, no
espaço abaixo de uma nuvem de trovoada, carregada de cargas eléctricas.
Nesta mesma figura desenhou-se uma figura humana assim como uma trincheira no solo, constatando-se, por um lado, que o campo eléctrico no fundo da
trincheira é inferior a 2000 V/m, enquanto que, na cabeça do humano, é
sensivelmente igual a 100000 V/m. Por conseguinte, durante a trovoada, o
risco de electrocussão do humano, ao manter-se em pé, é elevadíssimo, ao
passo que, se se deitar no chão da trincheira, é praticamente nulo (veja-se o
conselho que se encontra escrito na filactera). Este desenho comprova cientificamente os sábios conselhos populares, a adoptar em campo aberto durante
as trovoadas, adquiridos empiricamente mas contudo correctos, de que nunca
se deve ficar em pé ou abrigarmo-nos debaixo de árvores, durante aquele tipo
de intempéries.
Figura 1.5 – Mapa das linhas de força do campo eléctrico electrostático (verticais),
e das equipotenciais (horizontais, na perpendicular), debaixo de uma núvem de
trovoada.
10
Por sua vez, na figura 1.6 mostram-se os campos eléctricos e as equipotenciais
electrostáticas da atmosfera, numa situação de céu pouco nublado e com
condições propícias ao aparecimento de trovoadas, sendo de salientar que o
solo e a electrosfera constituem um enorme condensador de armaduras paralelas. As nuvens mais carregadas (cumulo-nimbus), propícias ao desencadear
de trovoadas, comportam-se como um potente gerador de cargas eléctricas,
que vão carregando aquele condensador, deslocando-se as cargas eléctricas
positivas para a electrosfera e as cargas negativas para a parte inferior dessas
nuvens, concluindo-se que o campo eléctrico é bastante intenso. Em contrapartida, quando as condições climatéricas são amenas (céu limpo, nuvens
fracto-cumulus), os campos eléctricos são bastante reduzidos, e dirigem-se
exclusivamente para o solo.
Figura 1.6 – Campo eléctrico e equipotencias na atmosfera, em condições
de céu pouco nublado e de aparecimento de trovoadas.
Em electrostática, se se tiver um meio dieléctrico com uma constante dieléctrica, ou permitividade, ε, em F/m, onde existam cargas eléctricas estáticas,
a relação entre a intensidade do campo eléctrico E (V/m) e a densidade de
fluxo eléctrico, ou deslocamento eléctrico, D (C/m2), é dada pela seguinte
expressão vectorial:
r
r
D =ε E
11
Note-se que D representa uma medida do campo eléctrico em termos da carga
eléctrica equivalente por unidade de superfície. Por outro lado, na prática, os
materiais dieléctricos são os materiais isolantes utilizados em electrotecnia.
Nas situações em que os vectores densidade de fluxo eléctrico e intensidade
do campo eléctrico são colineares, pode-se escrever:
D =ε E
Quanto à constante dieléctrica, é ainda usual definir-se a constante eléctrica
relativa
εr, adimensional, tomando como referência a constante dieléctrica do
vazio, ou seja:
εr =
ε
ε0
Para a maioria dos materiais biológicos, os valores desta constante relativa
situa-se entre 1 (como para o vácuo) e cerca de 80.
Conforme se salientou anteriormente, o movimento de cargas eléctricas no
interior de um condutor, origina o aparecimento de uma corrente eléctrica.
Assim sendo, a relação entre a intensidade do campo eléctrico e a densidade
de corrente no interior do meio condutor, é expressa através da seguinte
expressão:
r
r
J =σ E
sendo a condutividade eléctrica do meio (material) condutor
σ expressa em
amperes/volt/metro (A/V/m), dimensionalmente equivalente a 1/ohm/metro
(1/Ω/m). Havendo colinearidade entre os dois vectores, pode-se ainda
escrever:
J =σ E
1.2.3. Campo Magnético
No sub-capítulo anterior, o campo eléctrico foi estudado por meio de uma força
de carácter eléctrico entre cargas, que actua sobre uma linha estabelecida
entre essas cargas. Com o movimento de cargas eléctricas, outro tipo de força
é exercida ao longo dessa linha entre cargas.
12
Esta força é representada através do vector intensidade do campo magnético
r
H , o qual é devido às cargas eléctricas em movimento no espaço ou no interior
de condutores. Este vector, cujo módulo é H, expresso em amperes/metro
(A/m), é perpendicular à direcção da corrente eléctrica, e descreve círculos
concêntricos em torno do eixo longitudinal do condutor, como se esquematiza
na figura 1.7. Por conseguinte, sempre que existam condutores percorridos por
correntes eléctricas, estacionárias ou variáveis no tempo, existirão igualmente
campos magnéticos no espaço envolvente, também estacionários ou variáveis
no tempo. Ou seja, quem estiver próximo de linhas aéreas ou subterrâneas de
transporte de energia, ou mesmo em instalações domésticas ou industriais,
estará exposto a campos magnéticos e, consequentemente, aos seus
possíveis efeitos adversos.
Figura 1.7 – Linhas de força circulares do vector intensidade do campo magnético,
originadas pela corrente eléctrica que circula no interior do condutor.
Por conseguinte, existem campos magnéticos significativos gerados por centrais eléctricas, linhas de transporte de energia, subestações eléctricas, transformadores, catenárias de linhas ferroviárias eléctricas, painéis e anúncios
eléctricos, motores, e electrodomésticos, campos esses que facilmente penetram noutros materiais, incluindo os tecidos humanos. Em geral, os campos
electromagnéticos são bastante intensos junto às fontes que lhes dão origem, e
diminuem bastante à medida que nos afastamos dessas fontes. Por outro lado,
as pessoas não sentem directamente a presença dos campos electromagnéticos, todavia, quando a sua intensidade é elevada, podem causar uma
sensação visual tremeluzente, temporária, denominada magnetophosphenes,
que desaparece assim que a fonte do campo magnético é removida.
13
Quando um campo magnético, caracterizado pelo vector intensidade do campo
magnético, penetra através de uma superfície seccional de um meio (material)
magnético, de permeabilidade
μ, como se esquematiza na figura 1.8, o vector
densidade de fluxo magnético através dessa superfície é dado pela seguinte
expressão:
r
r
B=μH
em que a densidade de fluxo é expressa em webers/metro quadrado (Wb/m2),
unidade esta que é equivalente ao tesla (T), em homenagem ao físico e engenheiro Nikola Tesla. Existindo colinearidade entre os dois vectores, pode-se
ainda escrever:
B=μH
Tal como em relação à constante dieléctrica, é usual definir-se a permeabilidade magnética relativa, tomando como base a permeabilidade magnética
absoluta do vazio, ou seja:
μr =
μ
μ0
Do ponto de vista do seu comportamento face aos campos magnéticos, os
materiais são classificados em 3 categorias distintas:
•
Materiais diamagnéticos: A sua permeabilidade relativa é ligeiramente
inferior à unidade, como é o caso do bismuto (0,99983), da prata
(0,99998), e do cobre (0,999991).
•
Materiais paramagnéticos: A sua permeabilidade relativa é ligeiramente
superior à unidade, como é o caso do ar (1,0000004), do alumínio
(1,00002), e do palladium (1,0008).
•
Materiais ferromagnéticos: A sua permeabilidade relativa é bastante
elevada, como é o caso do níquel (600), do ferro (5000), e do
supermalloy (1000000).
Na prática, os materiais são classificados em não-ferromagnéticos (diamagné-
ticos e paramagnéticos), uma vez que a sua permeabilidade relativa se pode
considerar igual à unidade, isto é, μr = 1, e em ferromagnéticos, com μr >> 1.
14
O fluxo magnético φ, expresso em webers (Wb), através de uma superfície de
área S, expressa em metros quadrados (m2), conforme se representa na figura
1.8, é definido como sendo a totalidade da densidade de fluxo magnético
através dessa superfície S. Supondo que as linhas de força do vector
densidade de fluxo magnético são perpendiculares à superfície, tem-se:
φ =BS = μ H S
B
área S
Figura 1.8 – Linhas de força do vector densidade de fluxo magnético B
através de uma superfície de área S.
Como exemplificação, esquematiza-se na figura 1.9 o espectro das linhas de
força do campo magnético gerado por um magneto permanente rectilíneo.
Figura 1.9 – Distribuição de linhas de força do campo magnético,
de um magneto permanente.
15
1.3. INDUÇÃO ELECTROMAGNÉTICA
A magnetostática, como se compreende, representa o estudo do campo magnético com origem na corrente eléctrica estacionária, isto é, na corrente
contínua. Como tal, todas as grandezas intervenientes, eléctricas e magnéticas, são invariantes no tempo. A magnetostática abrange igualmente o estudo
dos materiais magnéticos permanentes, que possuem um campo magnético
também ele invariante no tempo, não havendo a presença de correntes
eléctricas estacionárias.
Todavia, quando um condutor ou um enrolamento eléctrico se encontram sob a
acção de um campo magnético estacionário no tempo, esse condutor ou esse
enrolamento permanecerão inertes, isto é, não será gerada qualquer força
electromotriz e, consequentemente, corrente eléctrica estacionária. Contudo,
em 1831, em Londres, o físico inglês Michael Faraday descobriu que os
campos magnéticos variáveis no tempo geram correntes eléctricas em circuitos
fechados, também variáveis no tempo, desde que esses circuitos se
encontrassem sujeitos à acção desses campos magnéticos. Este mesmo
fenómeno, conhecido por indução electromagnética, foi igualmente constatado,
quase em simultâneo mas de uma forma independente, pelo físico americano
Joseph Henry, em Albany, no Estado de New York. Na prática, esse fenómeno
é conhecido universalmente por Lei de Indução de Faraday, lei esta que é
considerada como das mais importantes da história da humanidade, na medida
em que representa a base teórica e científica para a construção, por exemplo,
de geradores, motores, transformadores, e fornos de indução.
Faraday, na sua investigação, concluiu que a intensidade da corrente induzida
no circuito fechado é proporcional não ao fluxo que abraça, mas sim à taxa de
variação negativa desse mesmo fluxo em ordem ao tempo. Para melhor compreensão, considere-se uma espira de condutor eléctrico, de forma rectangular,
com um comprimento total s e com uma área total S, conforme se esquematiza
na figura 1.10, sujeita à acção de um campo magnético variável no tempo,
caracterizado pelo fluxo
φ, perpendicular à superfície. Atendendo a que o
campo magnético é variável no tempo, gera-se um vector intensidade do
campo eléctrico no interior do condutor da espira, de módulo E também
16
variável no tempo, sendo assim a força electromotriz induzida na espira, f.e.m.,
variável no tempo, dada pela expressão:
E ind =
∫s
r
r
E • ds = E s
φ
S
s
Eind
Figura 1.10 – Esquematização da Lei de Indução de Faraday.
Por outro lado, o valor instantâneo desta f.e.m. é também dado pela seguinte
expressão, que traduz, na sua forma original, a Lei de Indução de Faraday:
E ind = −
dφ
dt
Como o valor instantâneo do fluxo magnético φ, através da totalidade da superfície S da espira, é dado por:
φ =BS
ter-se-á, finalmente:
E ind = −
d
(BS )
dt
Analisando esta expressão geral da lei de indução, conclui-se o seguinte:
•
Se B for invariante no tempo, e se a espira for mecanicamente indeformável (S constante), a f.e.m. induzida é nula.
17
•
Se B for variável no tempo e se a espira não se deformar, existe f.e.m.
induzida, que tem a designação de f.e.m. estática ou de transformação,
e é característica dos transformadores eléctricos.
E ind = − S
•
dB
dt
Se B for invariante no tempo, mas se a superfície da espira for variável
ou se rodar em torno do seu eixo de simetria longitudinal, existe f.e.m.
induzida, que se designa por f.e.m. dinâmica ou de rotação, e representa
a base da existência de geradores e motores eléctricos de corrente
contínua e de corrente alternada.
E ind = − B
•
dS
dt
Se B for variável no tempo e, em simultâneo, se a superfície da espira
for variável ou se rodar em torno do seu eixo de simetria longitudinal,
existe f.e.m. induzida, com as duas parcelas anteriores – estática e
dinâmica. É característica dos motores de corrente contínua a trabalharem em corrente alternada, como é o caso dos pequenos motores que
equipam diversos electrodomésticos.
E ind = − S
dB
dS
−B
dt
dt
1.4. EQUAÇÕES DE MAXWELL
Como se estudou anteriormente, um campo eléctrico produz sempre um campo
magnético e, inversamente, um campo magnético variável no tempo produz
sempre um campo eléctrico.
Esta interacção entre os campos eléctricos e os campos magnéticos dá origem
a uma região do espaço físico designada por campo electromagnético, em que
todos os seus fenómenos são traduzidos matematicamente pelas 4 Equações
de Maxwell que, na forma diferencial, apresentam o seguinte aspecto,
considerando os campos variáveis no tempo:
18
r
r
∂B
∇×E = −
∂t
r
r r ∂D
∇×H = J +
∂t
r
∇ •B = 0
r
∇ •D = ρ
Nestas equações, e como já se salientou anteriormente, ∇ é um operador
vectorial, representando ∇ • um produto interno ou escalar (divergência), e ∇ x
um produto externo ou vectorial (rotacional). Por outro lado,
ρ representa a
densidade de cargas eléctricas estáticas em volume, expressa em coulombs
por metro cúbico (C/m3).
A primeira destas equações relaciona o rotacional do campo eléctrico num
ponto do espaço com a variação da densidade de fluxo nesse mesmo ponto do
espaço. Fisicamente, esta equação mais não é que a forma diferencial da lei de
indução de Faraday. A segunda equação relaciona o rotacional do vector
intensidade do campo magnético num ponto do espaço, com a densidade de
corrente nesse mesmo ponto, compreendendo o segundo membro duas parcelas, representando a primeira o vector densidade de corrente de condução
num meio condutor, e a segunda, a densidade de corrente de deslocamento
num meio dieléctrico (lei de Ampére). As correntes de deslocamento surgem
em qualquer dieléctrico desde que exista uma variação com o tempo do campo
eléctrico.
Note-se que as cargas eléctricas que se movimentam livremente no interior de
um material sob a acção de um campo eléctrico designam-se por cargas livres,
e que, sob a acção desse campo, deslocam-se livremente nos condutores,
dando origem às correntes eléctricas de condução. Por outro lado, as cargas
ligadas são cargas eléctricas que fazem parte da estrutura de alguns materiais
e que são mantidas em determinadas posições por acção das forças de coesão
moleculares, sendo o número de cargas ligadas positivas igual ao número de
cargas ligadas negativas. Os materiais assim caracterizados são designados
19
por dieléctricos, ou materiais isolantes. Deste modo, quando um material isolante fica sujeito à acção de um campo eléctrico, as cargas ligadas positivas
deslocar-se-ão no sentido dos potenciais decrescentes, enquanto que as
cargas ligadas negativas se deslocarão no sentido contrário, isto é, dos
potenciais crescentes, gerando assim as correntes de deslocamento eléctrico.
Por conseguinte, devido à acção do campo eléctrico as cargas ficarão
distribuídas à superfície do material, como sucede nos condensadores.
Quanto à terceira equação, ela exprime a continuidade do fluxo magnético, isto
é, diz-nos que as linhas de força do campo magnético fecham-se sobre si próprias (lei de Gauss para o campo magnético).
Finalmente, a quarta equação relaciona a divergência do vector densidade de
fluxo eléctrico com a densidade volumétrica de cargas estáticas (lei de Gauss
para o campo eléctrico).
Adicionalmente, existem ainda mais 3 expressões, já expostas e analisadas
anteriormente, e que representam as denominadas equações de constituição
dos meios (materiais), respectivamente isolantes, condutores e magnéticos:
r
r
D =ε E
r
r
J =σ E
r
r
B=μH
sendo de salientar que a segunda das equações representa a Lei de Ohm na
forma diferencial. Se se particularizarem as Equações de Maxwell para a
electrostática, para a corrente eléctrica estacionária, e para a magnetostática,
obtêm-se, respectivamente, as seguintes equações:
•
Electrostática – como não existem correntes de condução e campos magnéticos, tem-se:
r
∇×E = 0
r
∇ •D = ρ
r
r
D =ε E
20
•
Corrente Eléctrica Estacionária – como não existem correntes eléctricas
de deslocamento nem campos magnéticos, tem-se:
r
∇×E = 0
r
r
J =σ E
•
Magnetostática – como não existem correntes de deslocamento nem
campos eléctricos, e a densidade de fluxo é invariante no tempo, tem-se:
r r
∇×H = J
r
∇ •B = 0
r
r
B=μH
No estudo da corrente eléctrica estacionária, isto é, da corrente contínua, existe
uma outra equação vectorial afim,
r
∇•J =0
que explicita que as linhas de força do vector densidade de corrente são
contínuas, fechando-se sobre si próprias. Ou seja, num circuito eléctrico não se
verificam perdas na intensidade de corrente – por exemplo, se um determinado
receptor necessitar de uma intensidade de corrente de 10 A para poder
funcionar, quando se aplica aos terminais desse receptor a respectiva tensão
eléctrica, a corrente que circulará nos condutores de ligação terá sempre a
mesma intensidade, quer seja medida no condutor a montante ou no condutor
a jusante desse receptor.
Nas suas investigações, Maxwell concluiu que a luz mais não era que uma
onda de propagação, composta de electricidade e magnetismo, predizendo
assim a existência de ondas electromagnéticas a propagarem-se à velocidade
da luz. O próprio Albert Einstein baseou-se nos trabalhos de Maxwell,
prematuramente desaparecido, e que poderia ter desenvolvido a teoria da
relatividade. Sem dúvida que o seu trabalho foi, a todos os títulos, notável e
merecedor do Prémio Nobel, se tal já existisse no seu tempo.
21
Como informação complementar, que consideramos importante, na figura 1.11
mostra-se o campo magnético terrestre, simétrico, enquanto que, na figura
1.12, se pode observar a deformação causada pela radiação solar (vento
solar).
Figura 1.11 – Campo magnético terrestre, simétrico.
Figura 1.12 – Deformação do campo magnético terrestre,
devido à acção da radiação solar.
22
1.5. ENERGIA ELECTROMAGNÉTICA
É sabido, da teoria dos circuitos eléctricos, que a potência P, expressa em
watts (W), é igual ao produto da tensão eléctrica U, em volts (V), pela intensidade da corrente eléctrica I, em ampéres (A). Como a potência representa a
taxa de variação da energia em jogo na unidade de tempo, a sua unidade (W)
corresponde ao joule por segundo (J/s). Na prática, é também usual
considerar-se a densidade de potência, isto é, a densidade de fluxo de potência, expressa em watts por metro quadrado (W/m2), e que representa a distri-
buição de potência por uma determinada área.
O fenómeno da energia electromagnética poder ser transmitida através do
espaço sem se recorrer a meios materiais condutores, é uma das ferramentas
de progresso mais importantes das modernas sociedades. Por conseguinte, há
que contabilizar a potência tendo em atenção esse fenómeno, o que é feito
r
através do vector de Poynting P , definido através do produto externo ou
vectorial dos vectores intensidade do campo eléctrico e intensidade do campo
magnético, associados a uma onda de energia electromagnética:
r r r
P = E ×H
A sua unidade é o (V/m) x (A/m) = (W/m2), sendo a sua direcção a da onda electromagnética. Este vector, perpendicular ao plano definido pelos vectores
campo eléctrico e campo magnético, representa a densidade de potência
vectorial instantânea associada aos campos electromagnéticos num determinado ponto, sendo função do tempo na medida em que o campo eléctrico e o
campo magnético são igualmente variáveis no tempo. Por outro lado, a integração do vector de Poynting ao longo de uma superfície fechada conduz à
potência total que flui através dessa superfície (teorema de Poynting).
Atendendo a que a energia electromagnética está associada directamente aos
r
r
vectores E e H , existe um efeito sobre as partículas atómicas carregadas
electricamente, sobretudo os electrões, devido às suas massas serem reduzidíssimas. Adicionalmente, todas as partículas carregadas, que estejam em
movimento, possuem um campo eléctrico e um campo magnético a elas
associados. Por conseguinte, existe uma interacção entre os campos electromagnéticos exteriores e os campos electromagnéticos associados a essas par-
23
ticulas em movimento, resultando não só na alteração do campo eléctrico e do
campo magnético das partículas, mas também no aumento da sua energia
cinética.
A absorção de energia por um meio (material) é definida como sendo a taxa
específica de absorção, conhecida universalmente por specific absorption rate
SAR, e que é igual ao quociente entre a taxa de energia transferida e a massa
do material, sendo a sua unidade o watt por kilograma (W/kg). Para um campo
electromagnético forçado, de forma sinusoidal, a SAR é dada pela seguinte
expressão, para cada ponto do material:
SAR = ( σ + ω ε )
sendo
E2
υ
ω a frequência angular eléctrica do campo (rad/s), e υ a densidade de
massa do material, em kg/m3. A SAR total de um corpo é obtida por média
aritmética dos valores das SAR calculados para todos os pontos do corpo.
Atendendo a que o vector de Poynting resulta do produto vectorial entre os
vectores campo eléctrico e campo magnético, constata-se que, para que esse
vector não seja nulo, ou seja, para que a potência transmitida através do
campo electromagnético exista, as direcções dos campos eléctrico e magnético
não podem ser paralelas, sendo essa potência máxima quando os campos
forem perpendiculares. Na prática, a potência transmitida é igualmente nula
quando um dos campos não existe, como sucede na vizinhança de cargas
eléctricas estáticas, devido à não existência de campo magnético.
1.6. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS E RADIAÇÕES
r
r
Para campos electromagnéticos variáveis no tempo, os vectores E e H são
dependentes entre si, podendo contudo ser independentes em determinadas
situações. Na prática, para frequências de 20 - 30 kHz e superiores, os campos
eléctricos e magnéticos não podem ser entendidos separadamente, ou seja,
deverão ser estudados como um todo, que é a onda electromagnética. Estas
ondas, previstas por Maxwell, através das suas equações, e tendo sido pela
primeira vez investigadas pelo físico alemão Heinrich Hertz, podem propagar-se livremente no espaço e com perdas através dos materiais biológicos.
24
As ondas electromagnéticas de baixa frequência (tempo de período e comprimento de onda elevados) são usualmente referidas como sendo campos
electromagnéticos, enquanto que as ondas electromagnéticas de muito alta
frequência (tempo de período e comprimento de onda muito reduzidos) são
designadas por radiação electromagnética ou simplesmente por radiação.
Como se salientou anteriormente, as ondas electromagnéticas contêm um
campo eléctrico E e um campo magnético H, perpendiculares à direcção de
propagação das ondas, como se esquematiza na figura 1.13, propagação essa
que, no vácuo e aproximadamente no ar, se faz à velocidade da luz, isto é, a
c = 300 000 000 m/s, sendo a velocidade de propagação mais reduzida noutros
materiais como por exemplo os tecidos biológicos. Quanto mais reduzido é o
comprimento de onda, mais elevada é a quantidade de energia que é transferida para objectos similares em dimensão ao comprimento de onda.
Figura 1.13 – Onda electromagnética, com os seus campos eléctrico
e magnético, a deslocar-se ao longo do eixo z.
Todas estas ondas são caracterizadas pelo tempo de período T, em segundos,
pela frequência f, em hertzs, e pelo comprimento de onda λ, em metros, sendo
usual exprimir a frequência apenas em hertzs para as ondas de muito reduzida
frequência, como por exemplo na produção, distribuição e utilização de energia
eléctrica, enquanto que, para as ondas de radiação electromagnética, ou seja,
de muito alta frequência, se utilizam os múltiplos kilohertz (1 kHz = 103 Hz),
25
Megahertz (1 MHz = 106 Hz), e Gigahertz (1 GHz = 109 Hz). Por exemplo, as
ondas de rádio AM (modulação de amplitude, Amplitude Modulation) têm uma
frequência de 1 MHz e um comprimento de onda de cerca de 300 metros,
enquanto que as microondas utilizam uma frequência de 2,45 GHz, à qual
corresponde um comprimento de onda de 12 cm. Note-se que a frequência da
onda é, como se torna evidente, bastante superior à frequência da modulação
da sua amplitude.
A frequência e o tempo de período encontram-se relacionados através da
seguinte expressão:
T=
1
f
enquanto que o comprimento de onda no vazio (e, aproximadamente, no ar),
está relacionado com a frequência por meio da seguinte expressão:
λ=
c
f
As ondas electromagnéticas consistem em minúsculos corpúsculos de energia,
que são os fotões, sendo a energia de cada fotão proporcional à frequência da
onda, de acordo com a seguinte expressão:
Energia (e V) = h f
representando o primeiro membro essa energia, em electrões volts (eV), e h a
constante de Planck, com o valor de 4,135667 x 10-15 eVs. Recorde-se que o
electrão volt é a variação de energia potencial a que fica sujeito um electrão
quando se movimenta de um ponto ao potencial V para outro ponto ao
potencial V+1 volt. Por outro lado, a quantidade de energia de um fotão por
vezes torna-o como que uma onda, enquanto que noutras, mais como uma
partícula – é um fenómeno que, na física, tem a designação de dualidade onda-
partícula da luz. Como exemplo desta dualidade, os fotões de baixa energia
das ondas de rádio-frequência comportam-se mais como se fossem ondas,
enquanto que os fotões de alta energia dos raios X se assemelham mais a
partículas.
26
1.7. ESPECTRO DAS FREQUÊNCIAS ELECTROMAGNÉTICAS
A evolução do espectro das frequências electromagnéticas nasceu com as
descobertas de Maxwell, Hertz e Marconi, espectro esse que, actualmente, tem
a configuração classificativa que se expõe na figura 1.14.
Figura 1.14 – Espectro das frequências electromagnéticas.
27
Este espectro, que exemplifica para cada gama alguns equipamentos e sistemas típicos, estende-se das extremamente reduzidas frequências (extremely
low-frequency ELF) e muito reduzidas frequências (very-low frequency VLF), à
radiação de rádio-frequência (radio frequency radiation RFR), à radiação infravermelha (infrared radiation IR), à luz visível, à radiação ultravioleta (ultraviolet
UV), aos raios X, e aos raios gama de frequências que excedem 1024 Hz. Por
outro lado, este espectro está ainda dividido em duas zonas – radiação não
ionizante, e radiação ionizante, encontrando-se a separação sensivelmente na
zona da radiação ultravioleta.
1.7.1. Radiação Não Ionizante
Esta radiação é caracterizada pelo facto de não possuir energia suficiente para
causar a ionização em sistemas vivos. As fontes naturais – sol, radiação das
estrelas, outras fontes cósmicas –, são muito poucas e extremamente fracas.
Em contrapartida, com a explosão do desenvolvimento da engenharia electrotécnica, a densidade de energia electromagnética criada pelo homem é
incomensuravelmente mais elevada que a energia electromagnética proveniente daquelas fontes naturais. Em geral, o sector não-ionizante do espectro
das frequências electromagnéticas encontra-se dividido em três gamas
principais: a) campos electromagnéticos de frequência extremamente reduzida,
b) radiação de rádio-frequência, c) radiação óptica não coerente.
a) Campos Electromagnéticos de Frequência Extremamente Reduzida
Estes campos englobam todos aqueles cujas frequências não ultrapassam 3
kHz. Para esta gama de frequências, os comprimentos de onda no ar são
bastante elevados – 6000 km a 50 Hz e 5000 km a 50 Hz – e, além disso, os
campos eléctricos e magnéticos são independentes uns dos outros, sendo
igualmente medidos separadamente.
Estes campos são normalmente gerados por equipamentos de produção, transporte e distribuição de energia eléctrica, por equipamentos de comunicações
estratégicas globais com submarinos imersos na água condutora, por toda a
variedade de electrodomésticos e de equipamentos de escritório, por comboios
eléctricos, por equipamento informático, e por motores eléctricos. Saliente-se
que esta gama de frequências não é propícia para ser utilizada em
28
telecomunicações, devido à severa limitação de largura de banda e às dificuldades de se gerar energia através de antenas de dimensões razoáveis.
b) Radiação de Rádio-Frequência
Esta radiação, que é constituída por ondas electromagnéticas que se propagam no ar e no vácuo, e cujas frequências se situam entre 3 kHz e 300 GHz,
são utilizadas em radar, comunicações por satélite, em rádio e televisão, em
navegação aérea e marítima, em comunicações móveis sem fios, e em
comunicações móveis celulares.
A banda de frequências compreendida entre 30 kHz e 500 kHz, é designada
por banda de baixa frequência (low-frequency LF), sendo utilizada essencialmente nas comunicações aéreas e marítimas. A banda de médias frequências
(medium frequency MF), com comprimentos de onda inferiores a 200 metros, é
normalmente utilizada por rádio-amadores, sendo a banda de altas frequências
(high-frequency HF), entre 3 MHz e 30 MHz, aplicada nas comunicações
internacionais tradicionais, por satélite.
As bandas VHF e UHF, situadas entre 30 MHz e 3GHz, são especialmente
utilizadas nas comunicações móveis sem fios, nas comunicações móveis
celulares, e nas comunicações por satélite, encontrando-se as frequências das
comunicações móveis celulares situadas nas gamas 800-900 MHz e 1700-2200 MHz.
A frequência de 2,45 GHz é reservada para aplicações industriais, médicas e
científicas, e para fornos microondas. Por outro lado, as frequências acima de
3 GHz são divididas em duas categorias – super altas frequências (3 GHz a 30
GHz) e extra altas frequências (30 GHz a 300 GHz) –, sendo utilizadas em
radar, comunicações por rádio, e em serviços baseados em satélites.
c) Radiação Óptica Não Coerente
Conforme se pode constatar do espectro da figura 1.14, a fronteira entre este
tipo de radiação e a radiação de rádio-frequência situa-se na zona dos comprimentos de onda de aproximadamente 1 mm. A radiação óptica é outra componente do espectro de frequências electromagnéticas em relação à qual os
olhos humanos são bastante sensíveis, e compreende a radiação ultravioleta
(UV) e a radiação infravermelha (IV).
29
Os raios ultravioletas (comprimentos de onda entre 5 nm e 380-400 nm), como
é sabido, encontram-se presentes na luz solar, sendo igualmente gerados por
diversas fontes artificiais, como por exemplo as lâmpadas e os monitores de TV
e de computadores e, como é do domínio público, podem originar reacções
fotoquímicas que conduzem a queimaduras graves e mesmo a cancros de pele
(melanomas), quando a exposição é prolongada como sucede com os
banhistas nas praias, com os trabalhadores rurais e com os trabalhadores da
construção civil. Contudo, em doses de exposição muito reduzidas, têm efeitos
benéficos na medida em que são responsáveis pela produção de vitamina D3,
essencial à vida humana para se evitar o raquitismo. Por outro lado, estes
raios, na sua maior parte, são retidos pela camada de ozono, que constitui uma
protecção natural essencial contra os raios ultravioletas, daí a grande
preocupação com a sua redução, vulgo “buracos de ozono” em linguagem
popular.
A região da radiação ultravioleta compreende, por sua vez, três sub-regiões
classificadas em função dos valores dos comprimentos de onda e dos
respectivos efeitos biológicos:
•
Ultravioletas A (UVA), com comprimentos de onda entre 400 nm e 315
nm, que originam fenómenos de fluorescência em diversas substâncias.
•
Ultravioletas B (UVB), com comprimentos de onda entre 315 nm e 280
nm, que são os mais perigosos que atingem a terra através dos raios
solares.
•
Ultravioletas C (UVC), com comprimentos de onda inferiores a 280 nm, e
que ocorrem na radiação emitida por arcos eléctricos de soldadura, não
existindo contudo na luz solar que atinge a terra na medida em que são
absorvidos pelo ar.
Quanto à luz visível, recebida pelos olhos, que a transformam em impulsos
interpretados pelo cérebro, abrange uma gama muito estreita de frequências,
estando o seu comprimento de onda compreendido entre 400 nm e 740 nm.
Por exemplo, o arco-íris, que tanta beleza nos transmite, representa uma parte
da luz visível.
Finalmente, a radiação infravermelha (IV), com comprimentos de onda situados
entre 750 nm e 1 nm, inclui a radiação térmica, como sucede com o carvão em
30
combustão, que não emite luz mas sim IVs, os quais são sentidos como calor.
Saliente-se que muitas das fontes emissoras de ultravioletas ou de luz visível,
emitem também, provavelmente, infravermelhos. Estas fontes podem ser
classificadas em naturais, como é o caso do sol, e em artificiais, caso das
lâmpadas de descarga, as chamas, as lareiras, e os aquecedores eléctricos. A
radiação infravermelha, tal como a ultravioleta, é subdividida em três bandas de
acordo com os seus efeitos biológicos:
•
Infravermelhos A (IVA), com comprimentos de onda entre 0,78 μm e 1,4
μm.
•
Infravermelhos B (IVB), com comprimentos de onda entre 1,4 μm e 3
μm.
•
Infravermelhos C (IVC), com comprimentos de onda entre 3 μm e 1000
μm.
1.7.2. Radiação Ionizante
Esta radiação comporta uma energia suficiente para conseguir remover electrões das suas órbitas atómicas, transformando os átomos em iões, daí a sua
designação. Como exemplo de fonte de radiação ionizante, têm-se os núcleos
de átomos instáveis que, para se tornarem mais estáveis, esses núcleos
emitem partículas sub-atómicas e fotões de alta energia. Incluídos neste tipo de
radiação, têm-se os raios X, os raios gama, e os raios cósmicos. Esta radiação
de alta frequência, superior a 1015 Hz, é caracterizada por apresentar comprimentos de onda reduzidos e elevada energia, e pode causar alterações no
equilíbrio químico das células, com consequências graves para os materiais
genéticos.
A radiação ionizante contém taxas elevadas de energia nos seus quanta de
energia individuais – por exemplo, 12 eV ou mais –, tendo assim a capacidade
de expelir electrões das órbitas atómicas, daí que seja extremamente perigosa
para os seres vivos – cria radicais livres, aumentando assim os riscos de anomalias cromossómicas que poderão conduzir ao aparecimento de cancros.
Note-se que, quando um átomo possui um número de electrões (cargas
eléctricas negativas) nas suas órbitas, igual ao número de protões (cargas
eléctricas positivas) do seu núcleo, a sua carga eléctrica total é nula, sendo
31
assim electricamente neutro. Todavia, quando adquire electrões a sua carga
eléctrica total será negativa, tendo-se assim iões negativos e, no caso de
perder electrões, ter-se-ão iões positivos, na medida em que a sua carga
eléctrica total será positiva. Além disso, enquanto que os átomos, por serem
electricamente neutros, não são nocivos, os iões, devido ao seu desequilíbrio
eléctrico, são muito mais activos quimicamente que os átomos, daí que a
radiação dita atómica – raios alfa, beta e gama –, é extremamente perigosa,
podendo causar gravíssimos problemas de saúde a médio e longo prazo, em
várias gerações, e causar a morte ao fim de muito pouco tempo. Veja-se as
consequências das explosões atómicas em Hiroshima e Nagasaki, assim como
do grave acidente na central atómica de Chernobyl.
a) Raios X
Estes raios, também designados por raios Roentgen, em homenagem ao seu
descobridor, têm um comprimento de onda situado entre 10-9 m e 10-11 m,
possuem energia elevada, e têm um largo poder de penetração, sendo
produzidos quando os electrões situados num tubo de vácuo reagem com os
átomos de metais pesados, usualmente o tungsténio. Os raios X possuem a
capacidade de penetrarem nos tecidos vivos, assim como em diversos metais,
daí as suas aplicações em electromedicina (radiografias), e em engenharia na
inspecção de fendas superficiais em veios e em cordões de soldadura. Como
fontes naturais, tem-se o sol assim como as restantes estrelas.
b) Raios Gama
Possuem os comprimentos de onda mais reduzidos do espectro das frequências electromagnéticas, situados entre 10-10 m e 10-14 m e, simultaneamente, são os que têm mais energia, sendo gerados por átomos rádioactivos e em explosões nucleares, apresentando um poder de penetração
bastante superior ao dos raios X. Todos os elementos radioactivos criados pelo
homem, como por exemplo o césio 137 e o plutónio 239, são fontes artificiais
de raios gama. Estes raios conseguem atravessar totalmente o corpo humano
ou serem absorvidos pelos tecidos, causando por conseguinte a morte de
células em todo o corpo. Contudo, o facto de possuírem a capacidade de
matarem células vivas, é aproveitado pela medicina oncológica para, em doses
32
muito reduzidas, eliminarem as células cancerosas – quimioterapia e radioterapia.
1.8. MATERIAIS BIOLÓGICOS
Para que se possa não só analisar os mecanismos de interacção entre os
campos electromagnéticos e o corpo humano, mas também compreender
todos os efeitos indesejáveis desses campos, efeitos esses que, esporadicamente, também se designam por “poluição eléctrica ou electromagnética”,
é fundamental conhecerem-se as características, ainda que de forma sucinta,
das células e dos tecidos que compõem o nosso corpo.
1.8.1. Células
Todos os seres humanos são formados por um conjunto de biliões de células
vivas, que se agrupam entre si originando os nossos diversos órgãos, com a
finalidade de desempenharem as funções vitais da vida humana. Como se
sabe, existem células de diversas formas e tamanhos – por exemplo, as células
musculares podem ter alguns milímetros de comprimento, enquanto que as
células nervosas podem ter um comprimento superior a um metro –, tendo
comummente apenas alguns mícrons de diâmetro.
As células são constituídas, de uma forma geral, por uma fina membrana, que
envolve toda a célula, pelo citoplasma, que é como que uma matéria gelatinosa
encerrada na célula, e pelo núcleo. Contudo, nem todas as células possuem
um núcleo. Por exemplo, algumas células musculares possuem vários,
enquanto que as células que constituem os glóbulos vermelhos do sangue não
possuem nenhum. No interior do citoplasma existem diversos tipos de
pequenas estruturas designadas por organelos (organelles), com uma
dimensão que varia de algumas fracções do mícron até um mícron,
consequentemente com uma dimensão similar aos comprimentos de onda de
determinadas
ondas
electromagnéticas,
e
que
são
responsáveis
por
determinadas funções metabólicas.
As células biológicas, além de serem estruturas muito complexas, possuem
ainda cargas eléctricas de elevada energia, que podem alterar a sua orientação
e o seu movimento, quando sujeitas à acção de campos eléctricos exteriores,
como se ilustra na figura 1.15, onde se constata que, devido ao campo eléctrico
33
E, as cargas eléctricas positivas alteram a sua distribuição, concentrando-se
fortemente na zona da célula mais próxima da acção desse campo. Por
conseguinte, as interacções entre os campos electromagnéticos e os sistemas
biológicos são analisadas através das células, mais concretamente através das
interacções com a membrana celular, com o citoplasma, e com o núcleo.
Figura 1.15 – Estrutura eléctrica da célula humana, e influência da acção
de um campo eléctrico exterior
(a) – distribuição de cargas eléctricas, em situação normal
(b) – redistribuição de cargas eléctricas, devido ao campo eléctrico E
O núcleo das células contém a maioria da informação hereditária contida nos
genes e nos cromossomas, sendo os genes, como é sabido, constituídos pelo
ácido desoxiribonucleico ADN (deoxyribonucleic acid DNA), que apresenta a
forma de uma hélice. Quando uma célula se reproduz, utiliza toda a informação
armazenada no material genético do núcleo, sendo este material codificado
como uma longa sequência de diferentes moléculas orgânicas existentes no
ADN que, por sua vez, controla muitas das actividades celulares através da
sintetização de proteína, que, por sua vez, recorrendo às moléculas de ácido
ribonucleico ARN (ribonucleic acid RNA), sintetizadas pelo ADN, transfere
informação através do citoplasma das células, em três fases:
•
Transcrição: Formação do “mensageiro” ARN a partir do ADN.
•
Translação: Síntese da proteína, através do “mensageiro” ARN.
•
Replicação: Duplicação do ADN.
34
As células crescem, alteram-se e reproduzem-se através de um processo
contínuo, denominado mitose (mitosis), que começa no núcleo através da
duplicação e igual distribuição de cromossomas, e apresenta quatro fases:
•
Profase (prophase): Os cromossomas aparecem fora do ADN, desaparecendo a membrana à volta do núcleo.
•
Metafase (metaphase): Os cromossomas alinham-se ao longo do
plano equatorial.
•
Anafase (anaphase): Os cromossomas separam-se.
•
Telofase (telophase): As células dão origem a duas novas células.
As células sem núcleo não se conseguem dividir, enquanto que outras dão
origem aos embriões. Uma vez que a mitose compreende diversos processos
que podem ser afectados pela exposição a campos electromagnéticos, é dada
uma grande importância no que respeita aos cuidados a ter pelas grávidas,
relativamente a essa exposição. O estudo dos efeitos dos campos electromagnéticos sobre as diversas actividades dos cromossomas durante as quatro
fases da mitose, deverá representar uma área muito importante de investigação, na medida em que, conhecendo-se os mecanismos de interacção,
será possível combater os efeitos nocivos daqueles campos sobre o organismo
humano.
1.8.2. Tecidos
Os tecidos humanos são materiais biológicos que resultam do agrupamento de
células entre si, ou da sua combinação com outros materiais, havendo quatro
tipos básicos:
•
Tecidos epiteliais (epithelial tissues): Consistem em células com membranas simples ou múltiplas, e desempenham as funções de protecção e
de regulação das secreções e absorções de materiais.
•
Tecidos conectivos (connective tissues): Consistem em células de
materiais não vivos, tais como fibras e substâncias gelatinosas, e
suportam e ligam os tecidos celulares ao esqueleto. Compreendem
muitas das substâncias que asseguram a importante tarefa de
35
transportar materiais entre células. Como exemplos têm-se os ossos e
as cartilagens.
•
Tecidos musculares (muscular tissues): Consistem em células com 1 nm
a 40 nm de comprimento e até 40 μm de diâmetro.
•
Tecidos nervosos (nervous tissues): São utilizados para as actividades
sensoriais, de controlo e de governo do corpo humano, consistindo em
células nervosas com longas projecções, análogas a linhas de
transmissão, que enviam toda a informação não só ao sistema nervoso
central, oriunda dos receptores dispostos ao longo do corpo humano,
mas também do sistema nervoso central aos músculos, órgãos, e
glândulas.
1.9. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS E RISCOS PARA A SAÚDE
Será que a exposição a campos electromagnéticos acarreta riscos mais ou
menos graves para a saúde? Apesar das evidências cada vez em maior
número e cada vez mais baseadas em investigações científicas credíveis,
parece não existir uma resposta concisa e concreta a essa pergunta, talvez por
representar uma questão que tem levantado alguma controvérsia, técnica e
científica, e mesmo pública. Os campos electromagnéticos são o exemplo
flagrante de um produto criado e desenvolvido pela tecnologia, e que é utilizado
diariamente por ser essencial e imprescindível à vida quotidiana actual, apesar
dos eventuais riscos que possam acarretar. A discussão pública deve-se não
só ao aumento de conhecimentos por parte do público em geral e da sua
consciencialização para os problemas ambientais, mas também ao papel que
os meios de comunicação social têm vindo a assumir, tendendo essa
discussão para a seguinte questão crucial, que consiste em avaliar se os riscos
que se correm compensam todos os benefícios colhidos.
Sem dúvida que a utilização da energia eléctrica significa haver campos
electromagnéticos criados pelo homem, desde as residências particulares, os
locais de trabalho quer sejam escritórios ou fábricas, os meios de transporte
quer sejam rodoviários ou ferroviários, e o próprio meio ambiente devido às
telecomunicações e a antenas de outros sistemas, tendo os níveis de radiação
vindo a ser considerados como normais. Todavia, a controvérsia que tem vindo
a ser gerada assenta no pressuposto de que esses níveis são perigosos,
36
podendo causar um sem número de doenças e anomalias, mais ou menos
graves, incluindo o cancro.
Durante bastante tempo, em épocas já ultrapassadas, as grandes preocupações da opinião pública diziam respeito aos riscos inerentes aos operadores
de radar e à utilização de fornos microondas em ambientes residenciais e,
presentemente, as grandes preocupações e discussões situam-se nas telecomunicações, mais concretamente, nas comunicações celulares. Presentemente, aceita-se que os modernos fornos microondas são inofensivos,
enquanto que, em relação aos radares, foram identificados alguns efeitos
térmicos tendo sido adoptadas medidas de precaução.
À medida que a tecnologia das comunicações celulares se tem vindo a
desenvolver, popularizando a utilização de telemóveis, a ideia dos efeitos
nocivos sobre a saúde está a constituir um foco de investigação, na medida em
que não existem muitos estudos científicos sobre a incidência na saúde pública
deste novo equipamento, e a informação existente é relativamente escassa.
Para muitos investigadores, os resultados obtidos confirmam as observações
realizadas durante anos acerca dos efeitos das radiações de baixa energia
sobre os sistemas vivos – acreditam que a exposição a pequenas quantidades
de energia de radiação tem o mesmo efeito que uma dose massiva de
químicos.
O problema permanente nesta controvérsia sobre os riscos da exposição a
campos electromagnéticos, consiste no conhecimento limitado acerca do facto
que campos muito específicos interagindo com o corpo humano possam ter
efeitos nocivos sobre a saúde. Estes efeitos variam de pessoa para pessoa,
havendo umas bastante mais afectadas que outras, devido às suas diferenças
naturais físicas e bioquímicas. Esta controvérsia tem sido polarizada
essencialmente por dois grandes grupos – o primeiro é constituído por todos
aqueles que protestam, muitas vezes sem quaisquer bases científicas, porque
acreditam que os efeitos dos campos e da radiação electromagnética é nociva
para a saúde, enquanto que o segundo engloba os industriais e os investigadores de novos equipamentos, que não acreditam na existência daqueles
efeitos nocivos. À parte destes dois grupos, encontram-se os investigadores
científicos que, de boa fé, têm vindo a desenvolver trabalho honesto e sério
com a finalidade de se comprovar ou não a nocividade para a saúde humana
37
da exposição a campos electromagnéticos. Presentemente, os resultados
obtidos não só através da modelização de determinados efeitos biofísicos mas
também de resultados epidemiológicos, permitem concluir que, de facto, há
riscos, uns maiores que outros, assim como consequências gravosas para os
seres vivos.
A concluir este capítulo e como curiosidade bastante significativa, apresentam-se de seguida os resultados obtidos pelo Engº José Manuel Santos,
publicados na Revista Electricidade 157/158, de Novembro/Dezembro de 1980,
com o sugestivo título alguns dados sobre campos electromagnéticos e suas
implicações biológicas, respeitando esse estudo a técnicos envolvidos
directamente em linhas aéreas e equipamentos de transporte de energia
eléctrica em alta e muito alta tensão.
Devido à procura, sempre crescente, de energia eléctrica, o transporte de
grandes potências tem vindo a ser realizado com níveis de tensão cada vez
mais elevados (Alta Tensão e Muito Alta Tensão), da ordem de 700 kV, 1500
kV e 2000 kV, por questões do ponto de vista económico no sentido de se
minimizarem as perdas no transporte. Por outro lado, desde a década de 1970,
do século passado, que os estudos sobre os efeitos biofísicos dos campos
electromagnéticos relacionados com o aparecimento dessas linhas de
transporte, foram intensificados nos Estados Unidos e na então ainda União
Soviética, tendo sido identificados três efeitos qualitativos:
•
Efeitos neurofisiológicos produzidos pelas correntes eléctricas, como
consequência da variação no tempo (sinusoidal com uma frequência de
50 Hz) da indução electromagnética.
•
Influência directa nos processos biológicos do organismo humano, tais
como a acção nos processos das hormonas e dos enzimas, e a acção
no desenvolvimento ósseo.
•
Efeitos fisiológicos e psicológicos produzidos por pequenas descargas
que se verificam quando as pessoas, sujeitas a determinado potencial
eléctrico, tocam objectos a potenciais diferentes.
Parece não haver dúvidas quanto aos efeitos nocivos dos campos electromagnéticos sobre as funções cerebrais. Nos anos 70, o Brain Research
Institute of the University of Califórnia Los Angeles, procedeu a ensaios
38
utilizando campos eléctricos compreendidos entre 7 V/m e 100 V/m, tendo
obtido os seguintes resultados:
•
Para um campo de 7 V/m, à frequência de 7 Hz, o tempo de resposta
variou de 0,4 s para animais previamente condicionados à resposta em
intervalos de tempo de 5 s.
•
Para um campo de 7 V/m, à frequência de 10 Hz, curiosamente não se
detectaram variações no tempo de resposta.
•
Para campos de 100 V/m obtiveram-se tempos de resposta variáveis,
permanecendo os efeitos por intervalos de tempo significativos.
Ainda nos anos 70, concluiu-se laboratorialmente através de ensaios realizados
nos Estados Unidos e na União Soviética, que as capacidades cognitivas são
afectadas após uma exposição contínua de 24 horas a um campo magnético
de 10-4 T à frequência de 50 Hz, tendo-se verificado ainda que, em testes de
rapidez de resposta, as pessoas apresentaram um desempenho muito fraco.
Entre 1966 e 1970 foram realizados estudos bastante importantes e completos,
na União Soviética, com a finalidade de investigar e quantificar os efeitos dos
campos electromagnéticos das linhas de muito alta tensão, no que respeita à
fisiologia e comportamento humano. Nessa linha, foram examinados 45 trabalhadores de uma subestação de 500 kV, devido a queixas e reclamações
frequentes, motivadas pelos seguintes sintomas:
•
Dor de cabeça permanente.
•
Apatia.
•
Sonolência.
•
Disrupção nos sistemas digestivo e cardiovascular.
Além disso, um terço desses trabalhadores, com idades compreendidas entre
30 e 40 anos, queixaram-se de fraqueza sexual verificada 8 meses após o
início do seu trabalho naquela subestação. Os exames médicos resultaram no
seguinte diagnóstico:
•
Patologia neurológica em 28 trabalhadores.
•
Descontrolo funcional do sistema nervoso central em 26 trabalhadores.
•
Deficiências na tensão arterial em 11 trabalhadores.
39
•
A intensidade máxima dos campos eléctricos na subestação era de 27
kV/m.
As conclusões gerais deste diagnóstico foram as seguintes:
1. Dados estatísticos
•
Número total de trabalhadores da subestação: 45 (41 homens e 4
mulheres).
•
Distribuição de idades:
menos de 30 anos – 10
entre 30 e 40 anos – 29
mais de 40 anos – 6
•
Experiência profissional na subestação:
menos de 1 ano – 9
entre 1 e 3 anos – 25
mais de 5 anos – 11
•
Tempos de exposição aos campos electromagnéticos:
pessoal da manutenção – mais de 5 horas por dia
pessoal de serviço – menos de 2 horas por dia
2. Potenciais eléctricos, campos e correntes medidos na subestação
•
Próximo do equipamento em serviço, ligado à linha de transporte de
energia:
Valor máximo
Valor médio
•
Tensão
(kV)
26
14 - 18
Campo eléctrico
(kV/m)
14,5
7,8 - 10
Corrente
(µA)
230
115 - 125
Próximo do equipamento fora de serviço, desligado para intervenções de
manutenção:
Valor máximo
Valor médio
Tensão
(kV)
4
2
Campo eléctrico
(kV/m)
2,2
1,1
Corrente
(µA)
35
15
40
3. Sintomas clínicos
•
Dores de cabeça, sonolência e sensação de fadiga: 41 trabalhadores.
•
Descontrolo na actividade dos sistemas digestivo e cardiovascular: 4
trabalhadores.
•
Fraqueza sexual: 1/3 dos homens com idades compreendidas entre 30 e
40 anos.
4. Resultados dos exames médicos
•
Distúrbios neuro-patológicos: 28 trabalhadores.
•
Descontrolo funcional do sistema nervoso central: 6 trabalhadores.
•
Doenças cardiovasculares:
arteriosclerose – 3 trabalhadores
bradicardia – 12 trabalhadores
taquicardia – 5 trabalhadores
hipotensão – 7 trabalhadores
hipertensão – 4 trabalhadores
5. Resultados dos electrocardiogramas
•
Sinus-bradicardia: 14 trabalhadores.
•
Actividade anormal do sistema circulatório e ventricular: 10 trabalhadores.
•
Variações difusas do miocárdio: 5 trabalhadores.
Como consequência destes resultados, sem dúvida altamente significativos
apesar de terem já cerca de 40 anos, a União Soviética elaborou os seus
regulamentos de segurança e protecção nessa matéria, sendo de destacar os
seguintes artigos:
•
Ninguém poderá estar exposto a campos eléctricos de intensidade
superior a 25 kV/m, sem que existam barras de protecção para isolamento ou atenuação desses mesmos campos para um limite máximo de
5 kV/m.
41
•
Para um campo eléctrico de intensidade 25 kV/m, o tempo máximo
consecutivo de exposição é de 5 minutos.
•
Para um campo eléctrico de 10 kV/m, a permissão de permanência
máxima consecutiva é de 180 minutos.
•
Para campos com intensidades inferiores a 5 kV/m, não existe limite
máximo de tempo de exposição.
Para terminar, saliente-se ainda que se demonstrou, igualmente nos anos 70,
que a taxa de absorção específica das radiações electromagnéticas de alta
frequência depende fortemente da orientação do campo eléctrico em relação à
maior dimensão do corpo humano, como se mostra na figura 1.16, para um
campo eléctrico vertical e uma densidade de potência incidente igual a 10
mW/m2.
Figura 1.16 – Distribuição da taxa de absorção específica SAR (W/kg), de radiação
de alta frequência, para uma densidade de potência de 10 mW/m2.
42
CAPÍTULO 2.
PENETRAÇÃO DO CAMPO ELÉCTRICO E DO CAMPO
MAGNÉTICO NOS TECIDOS BIOLÓGICOS
2.1. CAMPO ELÉCTRICO ESTACIONÁRIO
Considerem-se 2 meios homogéneos e isotrópicos, 1 e 2, caracterizados
respectivamente pelas suas permitividades (ou constantes dieléctricas) ε1 e ε2,
e pelas suas condutividades eléctricas σ1 e σ2, separados por uma fronteira
plana, como se mostra na figura 2.1. O meio 1 poderá ser considerado como
sendo o ar, o meio 2 como um tecido biológico humano, e a fronteira de separação como a pele que reveste o tecido biológico. Por outro lado, como se
mostra ainda na figura 2.1, as linhas de força do vector intensidade do campo
eléctrico E1, do vector deslocamento eléctrico (ou densidade de fluxo eléctrico)
D1, assim como do vector densidade de corrente eléctrica J1, no meio 1 (ar), ao
incidirem na fronteira de separação (pele) segundo um ângulo de inclinação α1,
sofrem um fenómeno de refracção ao penetrarem no tecido biológico, sendo
assim desviados no interior do meio 2 segundo um ângulo de inclinação α2.
r
E1
r
D1
meio 1 (ar)
ε1 σ 1
ε2 σ 2
r
J1
fronteira (pele)
r
Et 2
r
J2
α1
r
E n1
r
D2
r
E2
α2
r
Et 1
meio 2
(tecido biológico)
r
E n2
Figura 2.1 – Refracção dos vectores intensidade do campo eléctrico E,
deslocamento eléctrico (ou densidade de fluxo eléctrico) D, e densidade
de corrente eléctrica J, ao penetrarem nos tecidos biológicos, considerando
o ar e os tecidos como meios homogéneos e isotrópicos.
43
É sabido, do estudo da electrostática, que se tem uma continuidade das componentes tangenciais do vector intensidade do campo eléctrico, ou seja:
Et 1 = Et 2
Por outro lado, se a densidade superficial de cargas eléctricas na fronteira de
separação for ρS, tem-se, através do teorema de Gauss:
Dn1 − Dn 2 = ρS
Atendendo ainda a que os dois meios são isotrópicos, pode-se escrever:
Dn1 = ε1 En1
Dn 2 = ε 2 En 2
vindo assim, por substituição:
ε1 En1 − ε 2 En 2 = ρS
Adicionalmente, para correntes eléctricas estacionárias, isto é, invariantes no
tempo (corrente contínua), tem-se:
J n1 = J n 2
e, atendendo a que os dois meios são isotrópicos, isto é:
J n1 = σ 1 En1
J n 2 = σ 2 En 2
virá ainda:
σ 1 En1 = σ 2 En 2
Por conseguinte, tem-se assim, para grandezas estacionárias:
Et 1 = Et 2
ε1 En1 − ε 2 En 2 = ρS
σ 1 En1 − σ 2 En 2 = 0
44
Atendendo ainda à figura 2.1, podem-se escrever as seguintes relações
trigonométricas:
Et 1
tg α1 =
tg α 2 =
En1
Et 2
En 2
vindo assim:
tg α1 Et 1 En 2
E
σ
=
= n2 = 1
tg α 2 Et 2 En1
En1
σ2
ou seja, por simplificação:
tg α1 =
σ1
tg α 2
σ2
Na prática, como se podem considerar os seguintes valores:
•
material 1 (ar) : σ1 = 10-13 S/m
•
material 2 (tecido biológico): σ2 = 10-1 S/m
virá, em termos numéricos comparativos:
tg α1 = 10 −12 tg α 2
Se o campo eléctrico exterior incidir perpendicularmente à pele, tem-se
α1 ≅ 0o (≅ 0,5º), ou seja:
tg (0,5o ) = 10 −12 tg α 2
tg α 2 = 1010
α 2 ≅ 90o
constatando-se assim que o vector intensidade do campo eléctrico E2 é
praticamente paralelo à pele, o que é o mesmo que dizer-se que o campo
eléctrico exterior sofre uma refracção sensivelmente igual a 90º ao penetrar
nos tecidos biológicos.
45
Fazendo agora:
En1 ≈ E1 = Eexterno
En 2 ≈ Einterno
(campo incidente)
(campo absorvido)
virá:
σ 1 Eexterno ≈ σ 2 Einterno
Einterno
Eexterno
=
σ 1 10 −13
≈
= 10 −12
σ 2 10 −1
concluindo-se deste modo que a intensidade do campo eléctrico interno, no
tecido biológico, é insignificante.
Na figura 2.2, extraída de um artigo científico publicado na revista
Bioelectromagnetics nº 1, pp. 117-129, em 1980, ilustra-se esquematicamente
os valores das densidades de corrente geradas nos tecidos biológicos
humanos, do porco e do rato, quando sujeitos a um campo eléctrico vertical,
estacionário, respectivamente com as intensidades de 180 kV/m, 67 kV/m e 37
kV/m. Note-se que essas densidades de corrente são devidas às correntes
eléctricas que circulam nos tecidos, com origem nos campos eléctricos
internos. Como se constata, os seus valores são insignificantes, notando-se
que são mais elevados nas zonas de menor secção, como sucede no pescoço,
nas pernas, e sobretudo nas articulações.
Figura 2.2 – Densidades de corrente nos tecidos biológicos do homem, do porco,
e do rato, quando sujeitos a campos eléctricos verticais estacionários.
46
Por outro lado, se se atender à configuração física humana (vertical, alongada
e estreita), e do rato (baixa e comprida), facilmente se conclui que este último
se encontra sujeito a uma maior dose de linhas de força do campo eléctrico,
isto é, para a mesma intensidade do campo eléctrico externo, o campo eléctrico
interno no corpo do homem será bastante inferior, ou, como corolário, para se
ter a mesma intensidade do campo eléctrico interior no homem e no rato, a
intensidade do campo eléctrico exterior a que o rato deverá estar sujeito é
bastante menor que a do corpo humano.
No estudo teórico que se desenvolveu anteriormente, considerou-se que os
tecidos biológicos são homogéneos e isotrópicos, todavia, na prática, tal não
sucede, como se demonstra através da figura 1.2, apesar dos valores
indicados terem sido estimados apenas teoricamente.
2.2. CAMPO ELÉCTRICO QUASE ESTACIONÁRIO
Esta designação física e electrotécnica, de quase estacionário, diz respeito a
grandezas variáveis no tempo, de uma forma alternada sinusoidal, com uma
frequência extremamente reduzida, como sucede por exemplo com a tensão
eléctrica e com a intensidade da corrente eléctrica, nas redes de distribuição de
energia em baixa tensão a 50 Hz.
Para melhor compreensão da notação simbólica utilizada, considere-se então
uma tensão eléctrica e uma intensidade de corrente eléctrica, cujos valores
instantâneos u e i são alternados sinusoidais. Por conseguinte, pode-se
escrever, respectivamente:
u=
i=
2 U sin ω t
2 I sin ( ω t − ϕ )
sendo U e I os respectivos valores eficazes, ω = 2 π f a frequência angular eléctrica, f a frequência, t o tempo, e ϕ o ângulo de desfasamento entre a sinusóide da corrente e a sinusóide da tensão.
Em termos de notação simbólica, estas duas grandezas podem ser representadas através de variáveis complexas, designadas por fasores, tendo-se assim,
respectivamente, para o fasor da tensão (ou tensão eficaz complexa), e para o
fasor da corrente (ou corrente eficaz complexa):
47
U =U e j0
I = I e− jϕ
sendo j = − 1 .
Regressando então ao estudo dos campos eléctricos, e tendo ainda em
atenção a figura 2.1, pode-se escrever, em termos de fasores:
ε1 En1 − ε 2 En 2 = ρS
σ 1 En1 − σ 2 En 2 = − j ω ρS
Combinando estas duas equações, obtém-se:
σ 2 + j ω ε2
E
σ 1 + j ω ε1 n 2
En1 =
Como se tem, para os mesmos materiais, isto é, para o meio 1 (ar) e para o
meio 2 (tecido biológico), respectivamente:
•
σ1 = 10-13 S/m
•
σ2 = 10-1 S/m
•
ε1 = 10-11 F/m
•
ε2 = 10-5 F/m
virá, para a frequência f = 50 Hz:
ω = 2 π × 50 = 314 rad/s
En1 =
10 −1 + j × 314 × 10 −5
10 −13 + j × 314 × 10
E ≈
−11 n 2
10 −1 + j × 3 × 10 −3
10 −13 + j × 3 × 10 −9
En 2
Atendendo ainda a que se tem:
σ 2 >> ω ε 2
σ 1 << ω ε1
pode-se escrever:
En1 ≈
σ2
σ
En 2 = − j 2 En 2
ω ε1
j ω ε1
48
Por conseguinte, ao substituírem-se valores ter-se-á:
En1 ≈ − j
10 −1
314 × 10
−11
En 2 = − j × 3 × 107 En 2
ou seja:
Einterno
En 2
=
≈ 3 × 10 −8
En1 Eexterno
concluindo-se igualmente que a intensidade do campo eléctrico absorvido é
insignificante.
No ábaco da figura 2.3 (U.S. Office of Technology Assessment. Biological
Effects of Power Frequency Electric and Magnetic Fields. U.S. Government
Printing Office, Washington, DC, Background Paper OTA-BP-E-53, 1989),
mostram-se os níveis de exposição ao valor eficaz da intensidade do campo
eléctrico, em função da distância, para linhas de transporte de alta tensão a
500 kV, para linhas e instalações eléctricas de distribuição em baixa tensão, e
para equipamentos eléctricos de uso geral, como por exemplo electrodomésticos. Note-se, como curiosidade, que, para distâncias inferiores a cerca
de 0,5 m, o nível de exposição aos electrodomésticos é bastante superior ao
que se verifica com as instalações eléctricas de baixa tensão.
Figura 2.3 – Valor eficaz da intensidade do campo eléctrico em função
da distância, para linhas de alta tensão, instalações de distribuição
em baixa tensão, e electrodomésticos.
49
2.3. CAMPO MAGNÉTICO ESTACIONÁRIO
Tal como sucedeu relativamente à incidência do campo eléctrico, considerem-se 2 meios homogéneos e isotrópicos, 1 e 2, caracterizados respectivamente
pelas suas permeabilidades magnéticas μ1 e μ2, como se mostra na figura 2.4.
O meio 1 poderá ser considerado como sendo o ar, o meio 2 como um tecido
biológico humano, e a fronteira de separação como a pele que reveste o tecido
biológico. Por outro lado, como se mostra ainda na figura 2.4, considere-se
ainda genericamente que as linhas de força do vector intensidade do campo
magnético H1, assim como do vector densidade de fluxo magnético B1, no meio
1 (ar), ao incidirem na fronteira de separação (pele) segundo um ângulo de
inclinação α1, sofrem um fenómeno de refracção ao penetrarem no tecido
biológico, sendo assim desviados no interior do meio 2 segundo um ângulo de
inclinação α2.
r
H1
r
B1
meio 1 (ar)
μ1
μ2
α1
r
Hn1
r
Ht 1
fronteira (pele)
r
Ht 2
r
B2
r α2
H2
meio 2
(tecido biológico)
r
Hn 2
Figura 2.4 – Refracção dos vectores intensidade do campo magnético H
e densidade de fluxo magnético B, ao penetrarem nos tecidos biológicos,
considerando o ar e os tecidos como meios homogéneos e isotrópicos.
Considerando a não existência de correntes eléctricas na fronteira entre os dois
meios, as componentes tangenciais do vector intensidade do campo magnético
são contínuas, podendo-se assim escrever:
Ht 1 = Ht 2
50
Por outro lado, atendendo ao teorema de Gauss, a componente normal do
vector densidade de fluxo magnético é contínua através da fronteira entre dois
meios, ou seja:
Bn1 = Bn 2
mas como se tem ainda:
Bn1 = μ1 Hn1
Bn 2 = μ2 Hn 2
então, por substituição, virá:
μ1 Hn1 = μ2 Hn 2
Da figura 2.4, por sua vez, obtêm-se as seguintes relações:
tg α1 =
tg α 2 =
Ht 1
Hn1
Ht 2
Hn 2
donde, por combinação:
μ
tg α1 Ht 1 Hn 2
H
=
= n2 = 1
tg α 2 Ht 2 Hn1
Hn1
μ2
tg α1 =
μ1
tg α 2
μ2
Na prática, como a maioria dos tecidos biológicos tem uma permeabilidade
magnética igual à do vazio, tem-se μ1 ≅ μ2 ≅ μ0, isto é:
tg α1 ≈ tg α 2
α1 ≈ α 2
Por conseguinte, conclui-se que:
•
não há refracção das linhas de força do campo magnético ao incidirem
nos tecidos biológicos.
51
•
considerando Bn1 = Bexterno e Bn2 = Binterno, como se tem Bn1 = Bn2, então
Binterno = Bexterno, ou seja, não existe atenuação à penetração das linhas
de força do campo magnético nos tecidos biológicos.
•
não existe indução de correntes eléctricas nos tecidos, na medida em
que a intensidade dos campos magnéticos é invariante no tempo.
2.4. CAMPO MAGNÉTICO QUASE ESTACIONÁRIO
Contrariamente aos campos magnéticos estacionários, quando a sua intensidade varia no tempo, ao penetrarem nos tecidos biológicos, irão gerar
correntes eléctricas, igualmente variáveis no tempo, induzidas com base na lei
de Faraday, como se demonstra seguidamente. Considere-se então a figura
2.5, onde se representa uma linha de força do vector densidade de fluxo
magnético B, e um circuito eléctrico fechado, de forma circular com raio r e
perímetro L. Adicionalmente, S representa a área da superfície circular limitada
pelo circuito eléctrico e que é atravessada pelo campo magnético, E o vector
intensidade do campo eléctrico induzido no circuito, e σ a condutividade
eléctrica do material condutor de que é feito o circuito.
r
B
σ
r
dL
L
S
dS
dS
r
r
E
Figura 2.5 – Esquematização da lei de indução de Faraday – interacção
entre um campo magnético variável no tempo e um circuito eléctrico fechado.
De acordo com a lei de indução de Faraday, tem-se:
r
r
∫ E • dL = − ∫
L
S
∂B
dS
∂t
52
Considerando que o valor instantâneo da densidade de fluxo (módulo do vector
densidade de fluxo) é alternado sinusoidal, isto é:
2 B ef sin ω t
B=
obtém-se, para a integração da equação de Faraday:
∫ E dL = − ∫
L
2 B ef ω cos ω t d S
S
E L = − 2 ω B ef cos ω t S
E × 2 π r = 2 ω B ef sin (ω t −
E=
π
2
)×π r 2
2
π
ω r B ef sin (ω t − )
2
2
Por conseguinte, o valor eficaz da intensidade do campo eléctrico induzido é
dado através da seguinte expressão:
E ef =
ω r B ef
2
Por outro lado, como o valor eficaz da densidade de corrente que circulará no
circuito fechado é:
J ef = σ E ef
virá finalmente, por substituição:
J ef =
σ ω r B ef
2
Considerando um tecido biológico, tem-se σ = 10-1 S/m. Assim sendo, para um
circuito com r = 10-1 m, virá, para a frequência de 50 Hz (ω = 314 rad/s):
E ef = 15,7 B ef
J ef = 1,57 B ef
Por exemplo, para se obter uma densidade de corrente de 10-3 A/m2, seria
necessário uma densidade de fluxo com o valor:
53
B ef
10 −3
=
=
= 0,64 × 10 −3 T = 0,64 mT
1,57 1,57
J ef
a qual induziria um campo eléctrico com a seguinte intensidade:
E ef = 15,7 B ef = 15,7 × 0,64 × 10 −3 = 10 × 10 −3 V/m = 10 mV/m
Considerando que se teria Einterno = Eef = 10 mV/m, se se tiver em conta que se
está em presença de um campo interno de 50 Hz, para se conseguir ter esta
intensidade, seria necessário que o valor eficaz do campo externo tivesse o
seguinte valor:
E externo =
E interno
3 ×10
-8
=
10 ×10 −3
3 ×10
−8
≈ 300 ×10 3 V/m = 300 kV/m
Figura 2.6 – Valor eficaz da densidade de fluxo magnético em função
da distância, para linhas de alta tensão, instalações de distribuição
em baixa tensão, e electrodomésticos.
No ábaco da figura 2.6 (U.S. Office of Technology Assessment. Biological
Effects of Power Frequency Electric and Magnetic Fields. U.S. Government
Printing Office, Washington, DC, Background Paper OTA-BP-E-53, 1989),
mostram-se os níveis de exposição ao valor eficaz da densidade de fluxo
magnético, em função da distância, para linhas de transporte de alta tensão a
500 kV, para linhas e instalações eléctricas de distribuição em baixa tensão, e
para equipamentos eléctricos de uso geral, como por exemplo electro-
54
domésticos. Note-se, como curiosidade, que, para distâncias inferiores a cerca
de 1 m, o nível de exposição aos electrodomésticos é bastante superior ao que
se verifica com as linhas de transporte de energia e com as instalações
eléctricas de baixa tensão. Todavia, tal como sucede com a exposição a
campos eléctricos (figura 2.3), o nível dessa exposição diminui muito rapidamente com a distância.
Relativamente aos electrodomésticos, é de salientar que os relógios digitais, na
maioria das situações devido ao seu deficiente projecto eléctrico e electrónico,
podem originar níveis de exposição da ordem de 100 μT, na sua proximidade,
e, se se atender a que esses relógios se encontram sobre as mesas de
cabeceira dos quartos de dormir, durante a noite a cabeça fica exposta
permanentemente a níveis elevados de campo magnético, níveis esses
superiores ao nível médio verificado normalmente nas habitações.
Outra situação curiosa, ocorre com as incubadoras, onde os níveis de
exposição a campos magnéticos se situam entre 0,23 μT e 4,4 μT, com uma
média aritmética de 1,0 μT. Ora, muitos destes valores são consideravelmente
superiores aos existentes em áreas residenciais situadas nas proximidades de
linhas aéreas de transporte de energia.
2.5. CAMPOS ELÉCTRICOS E MAGNÉTICOS EM LINHAS
DE TRANSPORTE DE ENERGIA
Como se tem vindo a assistir publicamente, a problemática dos potenciais
efeitos nocivos causados pela exposição a campos eléctricos e magnéticos
emitidos por linhas aéreas de transporte de energia em alta e muito alta tensão,
encontra-se na ordem do dia, apesar de, por um lado, se citarem de facto
estudos epidemiológicos concretos, que indiciam a existência causa-efeito
relativamente a determinadas anomalias na saúde, e por outro, se especular
sem quaisquer argumentos técnicos e científicos, à boa maneira do “diz que
disse”, muito característico da nossa população.
O caso das radiações emitidas por equipamentos informáticos e por telefones
celulares é, na maioria das situações, mais gravoso, todavia ninguém quer ou
pensa deixar de utilizar esses equipamentos, na medida em que colhem
directamente, no dia a dia, os seus benefícios – veja-se a situação para-
55
digmática das antenas celulares, ou seja, ninguém as quer ver instaladas por
perto, contudo todos querem comunicar por telemóvel com o melhor sinal
possível, berrando raios e coriscos quando tal não acontece. Por outro lado, as
figuras 2.3 e 2.6 são bastante elucidativas no que respeita aos electrodomésticos, contudo, alguém pensa em deixar de os utilizar? Quanto às linhas
aéreas, uma vez que apenas transitam ao longo dos espaços urbanos e rurais,
do ponto de vista psicológico representam o bode expiatório na medida em que
não conferem in situ um benefício directo às populações que se manifestam
contra a sua instalação.
Para uma melhor elucidação, mostra-se na figura 2.7 os valores medidos da
densidade de fluxo magnético em função da distância, para uma linha de
transporte de energia eléctrica de alta tensão em corrente contínua, constituída
por dois cabos submarinos afastados entre si de 20 metros, no norte da
Europa. Saliente-se que o interesse da utilização do transporte de energia
eléctrica em corrente contínua de alta e muito alta tensão, tem vindo a
aumentar de forma significativa, devido não só ao desenvolvimento dos
conversores electrónicos de potência, mas também por serem necessários
apenas dois condutores em lugar de três, como sucede no transporte trifásico.
Este sistema, designado por HVDC (High Voltage Direct Current), com tensões
de ± 1100 kV é utilizado já na Europa, Ásia e América do Norte, sendo de
realçar que o transporte de energia é realizado através de cabos submarinos
entre a Suécia, Finlândia, Dinamarca, Alemanha e Polónia.
Como se constata da figura 2.7, a densidade de fluxo é mais elevada a 2 m
acima dos cabos, sendo o máximo atingido, como é natural, junto aos dois
cabos. Por outro lado, a 10 m acima, as densidades de fluxo são bastante
inferiores às do campo magnético terrestre.
Por sua vez, na figura 2.8 mostram-se os valores da intensidade do campo
eléctrico em função da distância, para linhas de transporte trifásicas de 400 kV,
220 kV, e 130 kV, indicando-se esquematicamente a configuração dos postes
assim como os valores das distâncias entre condutores e entre condutores e o
solo. Como se pode observar, o valor máximo da intensidade do campo
eléctrico situa-se junto aos condutores e, como não poderia deixar de ser,
quanto mais alto é o nível da tensão nominal, mais elevadas são as
intensidades do campo eléctrico, para a mesma distância dos condutores.
56
Um aspecto curioso a constatar, consiste no facto da intensidade do campo
eléctrico não variar directamente com o nível da tensão, exemplificando-se
numericamente para os valores máximos daquela intensidade: 400 kV / 220 kV
= 1,82 (5,4 kV/m / 3,8 kV/m = 1,42); 400 kV / 130 kV = 3,08 (5,4 kV/m / 1,8
kV/m = 3); 220 kV / 130 kV = 1,69 (3,8 kV/m / 1,8 kV/m = 2,11).
Figura 2.7 – Densidades de fluxo em função da distância, para uma linha HVDC
constituída por dois cabos submarinos, e para uma corrente de 1333 A.
Figura 2.8 – Intensidade do campo eléctrico em função da distância, para linhas
aéreas trifásicas de transporte de energia a 400 kV, 220 kV, e 130 kV.
Na figura 2.9 mostram-se os valores da densidade de fluxo em função da
distância, para quatro linhas trifásicas de transporte, constatando-se, para a
57
linha de tensão mais elevada, que a 200 m de distância a densidade de fluxo
tem o valor de 0,1 μT, bastante inferior, curiosamente, ao que se verifica em
incubadoras.
Figura 2.9 – Densidade de fluxo magnético em função da distância, para linhas aéreas
trifásicas de transporte de energia a 400 kV, 220 kV, 130 kV, e 20 kV, para
intensidades de corrente respectivamente de 1200 A, 500 A, 350 A, e 300 A.
Finalmente, na figura 2.10 mostra-se, para uma linha trifásica de 220 kV, como
se consegue reduzir drasticamente a densidade de fluxo magnético em função
da distância, utilizando-se diferentes configurações de postes, ou seja, de
instalação e disposição dos condutores.
A configuração (A), que é aquela que conduz a densidades de fluxo mais
elevadas, em contrapartida é a mais simples do ponto de vista técnico e,
simultaneamente, a mais económica, o mesmo sucedendo um pouco com a
configuração (B), que apresenta custos todavia mais elevados devido à maior
altura dos postes. Quanto à configuração (C), que é significativamente a melhor
em termos da emissão de campos magnéticos representa, contudo, a solução
tecnicamente mais complicada e, ao mesmo tempo, a mais cara, na medida em
que duas das fases são repartidas por dois condutores, obrigando ainda à
utilização de um maior número de isoladores por poste (11 contra 3).
58
Ao comparar-se entre si as configurações (A) e (C), sem dúvida que as diferenças são notáveis. Por exemplo, no centro das linhas tem-se respectivamente 8,5 μT e 1,0 μT, ou seja um rácio de 8,5, e, a uma distância de 20 m,
tem-se 2,7 μT contra 0,2 μT, isto é, um rácio de 13,5.
Figura 2.10 – Exemplos de redução da densidade de fluxo magnético em função da
distância, para uma linha aérea trifásica de transporte de energia, utilizando
diferentes configurações de instalação.
Um outro aspecto importante no que respeita à exposição a campos magnéticos, diz respeito ao transporte ferroviário de passageiros, sendo de destacar
que, no interior das carruagens, assim como das locomotivas e automotoras,
coexistem várias gamas de frequências, associadas aos motores de tracção,
59
aos conversores electrónicos de potência, aos sistemas electrónicos de
regulação e comando dos conversores, aos sistemas electrónicos de regulação
da iluminação e da climatização, e ainda aos sistemas de comunicações. No
ábaco tridimensional da figura 2.11 relacionam-se, para cada tipo de material
circulante eléctrico em corrente monofásica, os valores da densidade de fluxo
com as gamas de frequência respectivas. Nesta figura tem-se NEC - U.S.
Amtrak Northeast Corridor, TR-07 - German Transrapid Maglev System, TGV Train a Grande Vitesse, e NJT - New Jersey Transit.
Figura 2.11 – Densidades de fluxo em função das diversas gamas de
frequência, em material ferroviário de corrente monofásica
(1 mG = 0,1 μT).
Constata-se que o material circulante americano NEC é o que apresenta as
emissões mais significativas, nas gamas de frequência das correntes de
tracção e das correntes de sinalização. Por outro lado, as emissões geradas
pelo comboio de alta velocidade francês TGV, ao circular nas linhas electrificadas em corrente monofásica a 50 Hz são relativamente moderadas, e
acontecem igualmente naquelas gamas de frequência. Curiosamente, no
material circulante não eléctrico, existe uma emissão residual na gama de
frequência 50-60 Hz, devido aos motores eléctricos de tracção, assim como na
gama das correntes de sinalização.
60
CAPÍTULO 3.
BIOELECTROMAGNETISMO
3.1. INTRODUÇÃO
O bioelectromagnetismo é uma vastíssima área interdisciplinar que engloba
física, engenharia, medicina, e biomedicina, com a finalidade de investigar,
entender, e explicar os fenómenos de interacção entre os campos electromagnéticos e os sistemas biológicos, existindo actualmente um grande número de
trabalhos científicos publicados, que contribuem de forma positiva para a
compreensão desses fenómenos de interacção.
Esta área tem vindo a assumir um interesse crescente, devido à rápida
expansão do desenvolvimento de equipamentos eléctricos e electrónicos,
sobretudo de grande consumo, equipamentos esses geradores de campos
electromagnéticos que poderão potencialmente colocar em risco a saúde
pública.
O objectivo deste sub-capítulo consiste em apresentar em detalhe os conceitos
básicos, os princípios e as características dos campos eléctricos e magnéticos,
assim como da forma como interagem com os materiais biológicos.
3.2. PROPRIEDADES ELECTROMAGNÉTICAS
DOS MATERIAIS BIOLÓGICOS
O conhecimento básico das propriedades únicas dos materiais biológicos e da
sua variabilidade entre os sistemas vivos, poderá providenciar uma base de
conhecimentos para a exploração dos mecanismos de interacção. Contudo,
esse conhecimento é reduzidíssimo quando comparado com o que se sabe
acerca das características dos materiais não vivos, como o cobre ou o
alumínio. É sabido que a estrutura atómica e molecular dos materiais, e o seu
compor-tamento, são os responsáveis pelas características macroscópicas
desses materiais, que, em termos de electromagnetismo, são usualmente a
permitividade ou constante dieléctrica ε, a condutividade eléctrica σ, e a
permeabilidade magnética μ, permitindo avaliar, respectivamente, as suas
propriedades isolantes, condutoras e magnéticas.
61
Contrariamente aos materiais inertes, isto é, não vivos, em que se consideram
apenas as suas características macroscópicas, no que respeita aos materiais
biológicos, devido à sua elevada complexidade, estudam-se os seus modelos
microscópico e macroscópico, como se apresenta seguidamente.
3.2.1. Modelo Microscópico
É do conhecimento da física das partículas que, de acordo com o modelo
atómico de Niels Bohr, os átomos são constituídos por electrões (cargas
negativas), que se movimentam em órbitas em volta do núcleo, que é constituído por protões (cargas positivas) e neutrões (sem carga eléctrica), sendo a
carga eléctrica global igual a zero, ou seja, os átomos são electricamente
neutros, uma vez que o número de electrões é igual ao número de protões.
Como se frisou anteriormente, são os átomos que contribuem para a
diferenciação das propriedades eléctricas e magnéticas dos materiais. Ainda de
acordo com o modelo de Bohr, a força de atracção entre cargas eléctricas de
sinais contrários é compensada pela força centrífuga associada ao movimento
dos electrões, que mantêm assim órbitas estáveis.
Atendendo a que toda a matéria é constituída por cargas eléctricas positivas e
negativas, a acção de campos eléctricos e magnéticos exteriores exercem
sempre algum tipo de influência sobre a estrutura atómica da matéria, seja
sobre os átomos electricamente neutros, seja sobre os electrões livres, sendo
esta interacção existente em materiais inertes e em materiais biológicos.
A um nível microscópico, todos os tecidos são constituídos por células e por
fluidos extracelulares, sendo as células compostas por duas partes distintas – a
interior, com o núcleo e o citoplasma, e a exterior, com a membrana. Por
conseguinte, devido à membrana, a célula poderá ser entendida como um
isolador eléctrico, daí que praticamente todas as correntes induzidas nos
tecidos por campos eléctricos de baixa frequência circulem nos espaços
exteriores às células, no fluído extracelular, que possui uma elevada
condutividade. Atendendo ainda a que o citoplasma possui também uma
elevada condutividade, a célula poderá ser entendida como um circuito RC, em
que o citoplasma condutor, de resistência R, se encontra ligado em série com a
membrana, de capacidade C.
62
3.2.2. Modelo Macroscópico
Neste modelo, considera-se a totalidade do material biológico, como um todo,
exposto à acção de campos electromagnéticos, requerendo esta aproximação
o completo conhecimento das características eléctricas e magnéticas de todos
os materiais biológicos, para que se possam utilizar as equações de Maxwell.
Na prática, existem duas grandezas básicas que contribuem para a caracterização eléctrica dos materiais:
•
A energia eléctrica dissipada, que é o resultado do movimento (ou
transporte) das cargas eléctricas no interior do material, ou seja, da
condução de corrente eléctrica. Esta dissipação, também designada por
perdas de energia por efeito de Joule, representa a consequência da
conversão de energia eléctrica em energia térmica, como consequência
das colisões que se sucedem durante o movimento das cargas eléctricas.
•
A energia eléctrica armazenada, que é o resultado do que acontece
com as cargas que se encontram a armazenar energia quando ficam
sujeitas a uma força exterior que as faz mover de uma posição de
equilíbrio para outra posição de equilíbrio oposta. Este fenómeno é
designado por polarização dieléctrica, e ocorre, por exemplo, no material
dieléctrico de um condensador – quando se aplica uma diferença de
potencial entre as duas armaduras metálicas paralelas, gera-se um
campo eléctrico que se dirige, vectorialmente, da armadura que se
encontra a um potencial positivo para a armadura com potencial
negativo. Esta força exterior vai actuar na estrutura do dieléctrico,
deslocando-se as cargas positivas para a armadura negativa, e as
negativas, para a armadura positiva.
Quanto aos materiais biológicos, vistos sob um ângulo macroscópico, as suas
propriedades eléctricas podem ser sumariadas através dos seguintes dois
parâmetros:
•
Condutividade eléctrica σ, que caracteriza o movimento das cargas eléctricas livres (corrente eléctrica de condução), nos materiais condutores
quando sujeitos à acção de um campo eléctrico.
63
•
Permitividade ε, que caracteriza o movimento das poucas cargas eléctricas livres (corrente de deslocamento), no interior dos materiais
isolantes quando sujeitos à acção de um campo eléctrico.
Adicionalmente, em ligação com os mecanismos de interacção, as ondas de
radiação de rádio-frequência RFR deslocam-se no interior dos seguintes três
tipos de materiais biológicos:
•
Suspensões de células e de moléculas de proteínas.
•
Suspensões similares num estado condensado, tais como os músculos
e os tecidos de órgãos como o fígado, os rins e o coração. Estes tecidos
possuem um teor elevado de água, cerca de 70 %, e um conteúdo
macromolecular de cerca de 25 % em peso.
•
Tecidos com um teor reduzido de água, como os tecidos adiposos (gordura), e os ossos.
As propriedades eléctricas dos materiais biológicos e a frequência de operação
determinam os mecanismos de interacção com a radiação electromagnética,
sendo esses materiais considerados como dieléctricos possuindo uma estrutura heterogénea. Por conseguinte, tem-se assim:
ε ,, =
σ
ω ε0
sendo ω = 2π f a frequência angular eléctrica (radianos por segundo). Considerando um regime alternado sinusoidal, isto é, que os campos electromagnéticos são alternados sinusoidais, a permitividade será representada por
um complexo, da forma:
ε * = ε 0 ( ε , − j ε ,, )
em que ( ε , − j ε ,, ) representa a permitividade relativa complexa, ε , a sua parte
real, também designada por constante dieléctrica relativa, e ε ,, a sua parte
imaginária. Fisicamente, ε , é uma medida da quantidade de polarização relativa que ocorre para um dado campo eléctrico, enquanto que ε ,, é uma medida
simultânea do atrito associado com a mudança de polarização, e da deslocação das cargas eléctricas.
64
Como se esquematiza na figura 3.1, os valores da constante dieléctrica e da
condutividade variam significativamente com a frequência, no caso concreto da
figura no que respeita aos músculos e aos tecidos adiposos. Na prática,
constata-se que a permitividade dos tecidos biológicos depende do tipo de
tecido (isto é, pele, músculos, gordura), do conteúdo de água, da temperatura,
e da frequência dos campos electromagnéticos.
Figura 3.1 – Variação das propriedades eléctricas dos músculos
e do tecido adiposo (gordura) com a frequência.
Por outro lado, a permitividade e a frequência podem igualmente determinar
qual o grau de penetração da radiação electromagnética no corpo humano,
fenómeno este que é quantificado através da grandeza profundidade de
penetração Dp.
Para materiais com propriedades homogéneas, e com uma incidência
perpendicular à sua superfície de radiação RFR, a profundidade de penetração
é definida como sendo a distância para a qual a densidade de potência
absorvida tem um valor igual a 13,534 % do seu valor na superfície de
incidência. Todavia, a amplitude dos campos eléctrico e magnético, para essa
distância, diminui para 36,788 % do seu valor naquela superfície de incidência.
Em termos de quantificação, a profundidade de penetração da energia electromagnética, isto é, da energia dos fotões, é dada pela seguinte expressão:
65
Dp =
1
α
sendo α a constante de atenuação do material, expressa em nepers por metro.
Em materiais biológicos, os valores da profundidade de penetração variam de
uma pequena fracção de milímetro para frequências elevadas de radiação
RFR, a alguns centímetros para tecidos com um elevado conteúdo de água, a
frequências de alguns megahertzs, e a valores mais elevados para tecidos com
um baixo teor de água. Os quadros 3.1 a 3.5 apresentam em detalhe as
propriedades dos músculos, dos tecidos adiposos (gordura), dos tumores, da
água, e do sangue, em função da frequência de radiação RFR. Note-se que λ0
representa o comprimento de onda da radiação no ar (praticamente igual ao
seu valor no vazio). Em linhas gerais, os fotões de menor energia (frequências
reduzidas) são os que mais penetram nos tecidos biológicos. Ou seja, para a
mesma frequência, a profundidade de penetração é máxima na água, logo
seguida pelo tecido adiposo, sendo mínima, por ordem decrescente, no
sangue, nos tumores, e nos músculos. Adicionalmente, constata-se que a
atenuação é significativa, na medida em que os comprimentos de onda nos
tecidos são substancialmente mais baixos que no vácuo (ou seja, no ar).
Uma outra técnica para se determinarem as propriedades dieléctricas dos
tecidos biológicos consiste em utilizar um modelo paramétrico, na gama de 10
Hz a 100 GHz, proposto em alguns trabalhos científicos já publicados.
f (MHz)
λ0 (cm)
ε,
ε ,,
σ (S/m)
λ (cm)
Dp (cm)
13
27
100
200
300
433
750
915
1500
2000
2450
3000
2307,69
1111,11
300,00
150,00
100,00
69,28
40,00
32,79
20,00
15,00
12,24
10,00
160,0
113,0
72,0
57,0
54,0
53,0
52,0
51,0
49,0
48,1
47,0
46,0
864,0
339,0
159,0
90,0
72,2
42,5
36,9
31,5
21,2
18,3
16,2
13,6
0,62
0,51
0,88
1,00
1,20
1,22
1,54
1,60
1,77
2,03
2,20
2,27
101,26
72,45
27,02
16,59
11,78
8,91
5,26
4,40
2,80
2,13
1,76
1,46
19,65
16,22
6,76
4,86
3,80
4,09
2,66
2,50
2,18
1,87
1,70
1,63
Quadro 3.1 – Propriedades eléctricas dos músculos.
66
f (MHz)
λ0 (cm)
ε,
ε ,,
σ (S/m)
λ (cm)
Dp (cm)
13
27
100
200
300
433
750
915
1500
2000
2450
3000
2307,69
1111,11
300,00
150,00
100,00
69,28
40,00
32,79
20,00
15,00
12,24
10,00
25,00
20,00
7,50
6,00
5,70
5,60
5,60
5,60
5,55
5,55
5,50
5,40
8,4
3,4
3,4
2,3
1,9
1,6
1,3
1,1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,01
0,01
0,02
0,03
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,09
0,10
0,10
455,33
247,57
106,96
60,18
41,28
28,99
16,79
13,79
8,46
6,35
5,21
4,30
449,40
473,40
79,88
52,47
39,29
33,40
23,66
22,87
16,95
14,29
13,27
12,52
Quadro 3.2 – Propriedades eléctricas do tecido adiposo (gordura).
f (MHz)
λ0 (cm)
ε,
ε ,,
σ (S/m)
λ (cm)
Dp (cm)
13
27
100
200
300
433
750
915
1500
2000
2450
3000
2307,69
1111,11
300,00
150,00
100,00
69,28
40,00
32,79
20,00
15,00
12,24
10,00
205,0
180,0
101,0
78,0
74,0
63,0
61,0
60,0
59,0
57,0
56,0
55,0
1273,85
606,67
196,38
109,80
78,60
64,02
47,04
39,93
26,04
22,77
20,72
17,88
0,92
0,91
1,09
1,22
1,31
1,54
1,96
2,03
2,17
2,53
2,82
2,98
84,40
55,12
23,65
14,55
10,48
7,93
4,81
4,03
2,55
1,95
1,61
1,33
15,99
11,92
6,25
4,55
3,92
3,05
2,28
2,15
1,95
1,64
1,45
1,36
Quadro 3.3 – Propriedades eléctricas dos tumores.
f (MHz)
λ0 (cm)
ε,
ε ,,
σ (S/m)
λ (cm)
Dp (cm)
13
27
100
200
300
433
750
915
1500
2000
2450
3000
2307,69
1111,11
300,00
150,00
100,00
69,28
40,00
32,79
20,00
15,00
12,24
10,00
78,3
78,3
78,3
78,3
78,3
78,3
78,3
78,3
77,9
77,9
76,6
75,8
0,32
0,34
0,40
0,90
1,19
1,55
2,84
3,80
5,70
7,20
8,80
11,00
0,00
0,00
0,00
0,01
0,02
0,04
0,12
0,19
0,47
0,80
1,20
1,83
260,79
125,57
33,90
16,95
11,30
7,83
4,52
3,71
2,26
1,70
1,40
1,15
20596,53
9333,50
2142,04
476,02
240,01
127,67
40,23
24,62
10,00
5,94
3,94
2,56
Quadro 3.4 – Propriedades eléctricas da água.
67
f (MHz)
λ0 (cm)
ε,
ε ,,
σ (S/m)
λ (cm)
Dp (cm)
13
100
300
433
915
2450
2307,69
300,00
100,00
69,28
32,79
12,24
200,0
73,0
63,0
62,0
60,0
58,0
1523,08
216,00
72,00
52,13
27,54
15,65
1,10
1,20
1,20
1,25
1,40
2,13
78,32
24,45
11,23
8,19
4,13
1,59
14,41
5,50
3,99
3,63
3,05
1,94
Quadro 3.5 – Propriedades eléctricas do sangue.
Relativamente ao corpo humano, a energia de RF é absorvida de uma forma
mais eficiente a frequências próximas da frequência natural de ressonância do
corpo, ou seja, como a essas frequências a absorção é praticamente máxima,
será também máximo a quantidade de calor gerado.
Para frequências muito baixas, inferiores a 1 MHz, os materiais biológicos
absorvem muito pouca energia, podendo essa absorção ser significativa a
frequências de ressonância próximas de 70 MHz a 80 MHz, no caso do
homem, se o corpo se encontrar isolado da terra. Caso se encontre ao
potencial da terra, essa frequência é de 35 MHz a 40 MHz. Para a situação de
uma mulher, isolada da terra, este valor sobe para 80 MHz. Para crianças com
cerca de 5 anos de idade, a sua frequência de ressonância é normalmente
mais elevada que as dos adultos, sendo a taxa de absorção específica SAR de
cerca de 0,3 W/kg para uma taxa de absorção de radiação da ordem de 1
mW/cm2. Por conseguinte, a dimensão do corpo determina qual a frequência
que origina a maior taxa de absorção de radiação electromagnética.
3.3. PROPAGAÇÃO ATRAVÉS DE MATERIAIS BIOLÓGICOS
A propagação de ondas electromagnéticas em materiais biológicos pode ser
estudada física e matematicamente através das Equações de Maxwell,
definindo correctamente quais as fronteiras apropriadas. Assim sendo, e atendendo a que estas equações são bastante difíceis de resolver, para se simplificar um pouco assume-se que um meio biológico é infinitamente extenso, livre
de cargas, isotrópico, e homogéneo. Note-se que um meio é isotrópico se ε é
uma constante escalar, ou seja, se ambos os vectores deslocamento eléctrico
r
r
D e campo eléctrico E são colineares. Por outro lado, é homogéneo quando ε,
μ, e σ são constantes (ver figura 3.2).
68
Figura 3.2 – Corpo biológico sujeito a radiação electromagnética.
Para este meio, têm-se assim as equações de Maxwell:
r
r
∂B
∇×E = −
∂t
r
r r ∂D
∇×H = J +
∂t
r
∇ •B = 0
r
∇ •D =0
Com a finalidade de se resolverem estas equações em ordem aos vectores
campo eléctrico e campo magnético, pode-se escrever:
r
r
∂
∇ ×( ∇ ×E ) = − μ
( ∇×H ) =
∂t
∂
=−μ
∂t
r
⎛ r
⎞
E
∂
⎜ σ E +ε
⎟=
⎜
⎟
t
∂
⎝
⎠
r
r
∂E
∂2 E
−ε μ
=−μσ
∂t
∂t2
Continuando a utilizar o cálculo vectorial, como se tem:
r
r
r
∇ ×( ∇ ×E ) = ∇ ( ∇ • E ) − ∇2 E
ao utilizar-se a equação anterior, virá:
69
2
⎛ 2
⎜ ∇ −μσ ∂ −με ∂
⎜
∂t
∂t2
⎝
⎞ r
⎟E = 0
⎟
⎠
Do mesmo modo, eliminando o vector intensidade do campo eléctrico entre as
Equações de Maxwell, e seguindo uma metodologia idêntica, obtém-se:
2
⎛ 2
⎜ ∇ −μσ ∂ −με ∂
⎜
∂t
∂t2
⎝
⎞ r
⎟H = 0
⎟
⎠
Por conseguinte, ambos os vectores intensidade do campo eléctrico e
intensidade do campo magnético obedecem à seguinte equação, denominada
equação da onda:
2
⎛ 2
⎜ ∇ −μσ ∂ −με ∂
⎜
∂t
∂t2
⎝
r
⎞⎛ E ⎞ ⎛ 0 ⎞
⎟⎜ r ⎟ = ⎜ ⎟
⎟ ⎜ H ⎟ ⎜⎝ 0 ⎟⎠
⎠⎝ ⎠
Assumindo que a intensidade do campo eléctrico e a intensidade do campo
magnético são grandezas alternadas sinusoidais, tem-se, respectivamente:
∂
= jω
∂t
∂2
∂t
2
=− ω2
Quanto à equação da onda, pode-se escrever ainda:
r
r
∇2 E + γ 2 E = 0
sendo:
γ 2 =ω 2μ ε − j ω μ σ =
⎛
σ
= ω 2 μ ε 0 ⎜⎜ ε , − j
ωε
⎝
=
ω2
c
2
⎞
⎟⎟ =
⎠
( ε , − j ε ,, )
70
em que c representa a velocidade da luz no vácuo, e γ a constante de propagação da onda, dada por:
γ =α + j β
sendo α a constante de atenuação, e β a constante de fase, expressa em
radianos por metro. Estas constantes características das ondas são
determinadas através das seguintes expressões:
2c
α=
ω
⎛ ε
1+ ⎜ ,
⎜ ε
⎝
,,
⎞
⎟
⎟
⎠
2
⎞
⎟
+ 1⎟
⎟
⎠
1/ 2
2c
β=
ω
No caso particular de se ter
⎛
,⎜
ε ⎜
⎜
⎝
⎛
,⎜
ε ⎜
⎜
⎝
⎛ ε ,,
1+ ⎜ ,
⎜ ε
⎝
2
⎞
⎞
⎟
⎟ − 1⎟
⎟
⎟
⎠
⎠
1/ 2
ε ,,
≤ 1, virá, respectivamente:
ε,
α=
ω μ ε ⎛⎜ ε ,, ⎞⎟
2 ⎜⎝ ε , ⎟⎠
⎡
β = ω μ ε ⎢ 1+ 0,125
⎢
⎣
2
⎛ ε ,, ⎞ ⎤
⎟ ⎥
⎜
⎜ ε, ⎟ ⎥
⎠ ⎦
⎝
Por sua vez, o comprimento de onda no interior do meio é determinado através
da seguinte expressão:
λ=
2π
β
No caso da onda de radiação ser uma onda plana e uniforme, polarizada linearmente, e incidindo no meio segundo a direcção do eixo coordenado z, os
vectores intensidade do campo eléctrico e intensidade do campo magnético,
que têm as suas direcções respectivamente segundo o eixo x e segundo o eixo
71
y, e cujos valores instantâneos Ei e Hi são alternados sinusoidais, apresentam,
respectivamente, as seguintes expressões:
r
r
E = E i e −α z e j (ω t − β z ) a x
r
r
H = H i e −α z e j (ω t − β z ) a y
tendo-se Ei = η Hi, em que η representa a impedância do material biológico,
dada pela seguinte expressão:
η=
⎡
2
⎤
⎛ ε ,, ⎞
⎛ ε ,, ⎞
μ ⎢
1 − 0,378 ⎜ , ⎟ + j 0,5 ⎜ , ⎟⎥
⎜ ε ⎟⎥
⎜ ε ⎟
ε ⎢
⎠
⎠
⎝
⎝
⎣
⎦
Quanto ao valor instantâneo do vector de Poynting, virá:
Pi = E i × H i
3.4. ABSORÇÃO EM MATERIAIS BIOLÓGICOS
Os tecidos biológicos, sob a acção de radiação RFR, comportam-se como
soluções de electrólitos que contêm moléculas polares, interagindo essa
radiação com esses tecidos através de condução iónica – oscilação das cargas
livres –, e da rotação das moléculas polares de água e da relaxação das
proteínas. A energia de RF absorvida é transformada em energia cinética
adquirida pelas moléculas, que se traduz na prática por um aquecimento dos
tecidos sujeitos a radiação, processando-se a transferência do calor gerado no
corpo humano para o meio envolvente através dos seguintes mecanismos:
•
Condução térmica. É um processo no qual a transferência de calor se
faz por difusão molecular, apresentando os tecidos uma baixa condutividade térmica.
•
Radiação térmica. Corresponde ao calor perdido pela superfície do
corpo humano, devido à radiação.
•
Convecção. É um processo no qual o calor é transferido pela acção
conjunta do movimento das moléculas e da sua difusão.
72
•
Transpiração. Representa o calor perdido através do suor gerado na
superfície do corpo, sendo a taxa de dissipação dependente da tensão
arterial, da velocidade do vento, da temperatura exterior, e da humidade
do ar. Este mecanismo é controlado através do sistema nervoso central,
que recebe sinais dos diversos locais termosensíveis existentes no
interior do organismo.
Como se pode observar na figura 3.3, para uma determinada profundidade de
penetração da radiação RFR, quanto menor for a frequência maior se torna a
potência absorvida. Por outro lado, nota-se ainda que, para uma mesma
potência absorvida, a profundidade de penetração é tanto maior quanto mais
reduzida for a frequência. Interessa ainda realçar que, para frequências iguais
ou superiores a 30 GHz, não mostradas no ábaco, a profundidade de
penetração fica confinada apenas às camadas exteriores da pele.
Figura 3.3 – Potência de absorção nos músculos em função da profundidade
de penetração para diversas frequências.
Nos estudos relativos aos riscos para a saúde humana inerentes à exposição a
campos electromagnéticos, e conforme se salientou já anteriormente, o nível
de radiação deverá ser essencialmente avaliado através da SAR – specific
absorption rate (taxa de absorção específica), expressa em W/kg. Por outro
73
lado, para campos alternados sinusoidais, o valor médio da potência absorvida
por unidade de volume é calculado pela expressão:
Pa = σ E 2
sendo σ a condutividade eléctrica, e E o valor eficaz do campo eléctrico em
cada ponto do material biológico.
74
CAPÍTULO 4.
DOSIMETRIA DOS CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS
INCIDENTES
4.1. INTRODUÇÃO
A dosimetria consiste em duas partes – a primeira envolve a avaliação dos
campos incidentes (também designados por campos externos), os quais são
gerados por determinadas fontes, podendo ser medidos, sem a presença do
objecto, ou calculados através da informação da fonte, enquanto que a
segunda representa a avaliação dos campos internos (igualmente designados
por campos internos), isto é, dos campos no interior dos objectos, os quais
podem igualmente ser medidos ou calculados.
As contribuições da engenharia na área dos efeitos biofísicos dos campos
electromagnéticos, tem vindo a tornar possível a avaliação da intensidade
desses campos assim como da densidade de potência devida à exposição a
uma fonte de campos electromagnéticos, e comparar os valores experimentais
obtidos com os limites recomendados pelas normas de segurança.
Contudo, importa salientar que nem sempre é possível avaliar os níveis de
radiação RFR (radiação de rádio-frequência) nos locais abrangidos pela
radiação, devido ao facto de que os campos de RF são absorvidos, reflectidos,
ou refractados pelos objectos, de um modo aleatório.
Os cálculos teóricos são adequados para algumas situações, enquanto que as
medições por vezes provam ser menos dispendiosas e, ao mesmo tempo, mais
conclusivas, essencialmente em locais sujeitos a radiações provenientes de
diversas fontes.
Por estas razões, as medições no terreno das radiações de RF são realizadas
para se assegurar a conformidade com as recomendações normalizadas, com
o objectivo de se prevenirem situações de sobre-exposições que possam a
curto, a médio e a longo prazo causar problemas de saúde.
As medições tornam-se igualmente necessárias não só quando os valores
calculados teoricamente se encontram muito próximos do limiar da sobreexposição, mas também quando os campos são distorcidos devido à reflexão
em vários objectos.
75
4.2. CÁLCULOS TEÓRICOS
Estes cálculos são usualmente realizados em vários pontos sujeitos a radiação
RF, podendo assim a força do campo ser estimada antes das respectivas
medições. Saliente-se que, para que se possam efectuar os cálculos teóricos,
torna-se necessário conhecer as características da antena radiante.
Na prática, é possível determinar a densidade de potência provável na
proximidade da antena, recorrendo-se a simples equações já conhecidas.
Muitas das situações onde essa densidade de potência deverá ser elevada
localizam-se nas zonas próximas da antena, variando a densidade de potência
inversamente com a distância a que se encontram da antena. Por outro lado,
nas regiões já afastadas da antena, onde o feixe se propaga de uma forma
normalizada, a densidade de potência diminui inversamente com o quadrado
da distância à antena. Comparando a zona próxima da antena (near-field
region) com as zonas mais afastadas (far-field region), sucede que a densidade
de potência nas zonas afastadas diminui muito mais rapidamente que nas
zonas próximas. Na figura 4.1 mostram-se, esquematicamente, as zonas
próxima e afastada da fonte emissora de radiação, sendo de salientar que a
linha de fronteira entre estas duas regiões se designa por crossover point.
Figura 4.1 – Regiões próximas e afastadas de uma fonte de radiação.
4.2.1. Densidade de Potência
O cálculo da densidade de potência poderá representar o melhor exercício para
a predição da radiação de RF, cálculo este que é efectuado através da
seguinte expressão:
76
Densidade de potência =
Potência radiada
Área de impacto
a) Região próxima da fonte
A densidade de potência numa zona próxima de uma antena vertical (figura
4.2), é determinada utilizando um contorno cilíndrico – radiação circular. Ou
seja, considera-se que a potência radiante emanada a partir da antena se
processa de uma forma equitativa através de uma superfície cilíndrica cujo eixo
de simetria coincide com a antena.
Figura 4.2 – Região próxima de uma antena vertical.
A área do cilindro colocado em torno da antena é assumida como estando
uniformemente carregada pela potência radiada a partir da antena, não
havendo igualmente radiação de potência de RF através da base e do topo
desse cilindro. Note-se que a densidade de potência concentrada no cilindro
corresponde, teoricamente, à densidade média de potência num corpo humano
situado muito próximo da antena e com uma altura igual à do cilindro. A
expressão seguinte, designada como modelo cilíndrico, permite determinar a
densidade de potência Pd sobre a superfície do cilindro, em W/m2:
Pd =
Pt
2π d l
sendo Pt a potência da antena, em W, d a distância, em metros, da superfície
do cilindro ao centro da antena, e l, em metros, a altura do cilindro, que é igual
à altura da antena. Como facilmente se constata, a densidade de potência
corresponde à potência da antena por unidade de superfície da área periférica
do cilindro.
77
b) Região afastada da fonte
Nas regiões afastadas da antena, a distribuição da radiação não se altera com
a distância, sendo a densidade máxima de potência radiada uma função do
ganho da antena. Para uma fonte de radiação, suposta concentrada num
ponto, e considerada como sendo um meio isotrópico, a densidade de potência
representa a distribuição da potência emitida por esse ponto, Pt (W), sobre uma
superfície esférica com um raio d (m) igual à distância à antena, sendo assim
aquela densidade de potência calculada pela seguinte expressão:
Pd =
Pt
4π d 2
Para uma antena direccional, esta potência é definida como sendo:
Pd =
Pt Gt
4π d 2
em que Gt representa o ganho da antena. Para melhor compreensão, mostra-se na figura 4.3 a relação entre a potência transmitida e a potência recebida
num sistema de comunicações sem fios.
Figura 4.3 – Potência transmitida e recebida num sistema
de comunicações sem fios.
Na prática, utiliza-se o termo EIRP – equivalent isotropic radiated power
(potência isotrópica equivalente radiada), para designar o produto:
EIRP = Pt Gt
sendo esse termo um parâmetro que permite definir as capacidades da antena
para transmitir radiação de RF.
78
Por outro lado, por vezes a potência é expressa em termos da ERP – effective
radiated power (potência efectiva radiada), em lugar da EIRP, sendo a ERP
referida a uma antena dipolar de meia onda em lugar de um radiador isotrópico.
Por conseguinte, pode-se escrever, sendo o factor 1,64 o ganho da antena
dipolar relativamente ao radiador isotrópico:
Pd =
Pt Gt
4π d
2
=
EIRP
4π d
2
=
1,64 ERP
4π d 2
Quando se pretende avaliar o campo próximo de uma superfície, tal como o
solo ou o telhado de uma habitação, deverá assumir-se que existe reflexão das
ondas, resultando numa quadruplicação da densidade de potência equivalente,
tendo-se então:
Pd =
4 Pt Gt
4π d
2
=
Pt Gt
πd
2
=
EIRP
π d2
No caso de antenas de radiodifusão e de televisão, em FM, tendo em atenção
a reflexão no solo, assume-se que a densidade de potência é majorada por um
factor igual a 2,56, vindo assim, para este tipo de antenas:
Pd = 2,56
EIRP
4π d
2
= 1,05
ERP
π d2
Considerando agora uma antena receptora com um ganho Gr, a potência
recebida Pr é determinada através da seguinte expressão:
⎛ λ
Pr = Pt Gt Gr ⎜⎜
⎝ 4π r
⎞
⎟⎟
⎠
2
sendo λ (m) o comprimento de onda, e r (m) a distância à antena.
4.2.2. Intensidade do Campo
A intensidade do campo eléctrico numa antena receptora encontra-se
relacionada com a potência recebida Pr, considerando-se o facto de que a
potência recebida corresponde ao produto da área efectiva de abertura da
antena pela densidade de potência. Em termos de quantificação, a intensidade
do campo eléctrico E (V/m), é calculado pela seguinte expressão:
79
E=
Pr η 0
Ae
sendo Ae (m2) a área efectiva de abertura da antena, e η0 a impedância
intrínseca do vácuo, com o valor de 377 Ω. Na prática, nas zonas afastadas da
fonte tem-se:
η0=
E
H
sendo H a intensidade do campo magnético, em A/m. Adicionalmente, o valor
eficaz da intensidade do campo eléctrico a uma distância d de uma fonte com
uma potência isotrópica equivalente radiada EIRP segundo o eixo principal do
feixe, é calculado através da seguinte expressão:
( 30 EIRP )0,5
E=
d
4.3. TÉCNICAS DE MEDIÇÃO
Antes de se proceder às medições dos parâmetros e grandezas associados às
radiações de RF em determinados locais ocupacionais, públicos, ou residenciais, é essencial classificar esses locais para que se tome conhecimento
prévio dos limites de exposição recomendados pelas normas respectivas. Na
figura 4.4 ilustra-se, em termos de diagrama de blocos, quais os componentes
básicos de um sistema de medição de radiações de RF.
Figura 4.4 – Sistema de medição de radiações de RF.
Veja-se seguidamente alguns procedimentos relativos à análise e tratamento
de dados obtidos através das respectivas medições:
80
4.3.1. Tempo Médio de Exposição
Os valores eficazes médios de um conjunto de medições, relativamente à
intensidade do campo eléctrico e à intensidade do campo magnético, são
determinados respectivamente pelas seguintes expressões:
1/2
n
⎡
⎤
1
2
E=⎢
∑ Ei Δt i ⎥
⎣ tempo médio de exposição i = 1
⎦
n
⎡
⎤
1
2
H =⎢
∑ H i Δt i ⎥
⎣ tempo médio de exposição i = 1
⎦
1/2
Nestas expressões, n representa o número de intervalos de tempo Δti em
relação aos quais se mediram os respectivos valores eficazes da intensidade
do campo eléctrico Ei e da intensidade do campo magnético Hi.
Adicionalmente, os valores médios da densidade de potência e da taxa
específica de absorção SAR são determinados respectivamente através das
seguintes expressões:
P=
SAR =
n
1
∑ Pi Δt i
tempo médio de exposição i = 1
n
1
∑ SAR i Δt i
tempo médio de exposição i = 1
sendo Pi e SARi os valores respectivamente da densidade de potência e da
taxa de absorção específica associados a cada um dos n intervalos de tempo
de medição Δti.
Note-se ainda que se tem, nas quatro expressões anteriores:
n
tempo médio de exposição = ∑ Δt i
i =1
Para melhor compreensão, considerem-se os seguintes dois exemplos numéricos práticos:
81
Exemplo 1
Para uma frequência de radiação de 3 GHz, os trabalhadores de uma determinada empresa de telecomunicações são autorizados a sofrer uma exposição
média equivalente a 10 mW/cm2, durante um período máximo de 6 minutos. Na
prática, para que tal seja respeitado, devem-se verificar, por exemplo, as
seguintes 3 situações possíveis:
•
sofrerem uma radiação de 20 mW/cm2 durante 3 minutos consecutivos
ou alternados, e nenhuma radiação durante os outros 3 minutos restantes, ou seja:
P = (20 mW/cm2 x 3 min) + (0 mW/cm2 x 3 min) = 60 mW/cm2 / 6 min =
= 10 mW/cm2
•
sofrerem uma radiação de 15 mW/cm2 durante 4 minutos consecutivos
ou alternados, e nenhuma radiação durante os outros 2 minutos restantes, ou seja:
P = (15 mW/cm2 x 4 min) + (0 mW/cm2 x 2 min) = 60 mW/cm2 / 6 min =
= 10 mW/cm2
•
sofrerem uma radiação de 15 mW/cm2 durante 3 minutos consecutivos
ou alternados, e 5 mW/cm2 durante os outros 3 minutos restantes, ou
seja:
P = (15 mW/cm2 x 3 min) + (5 mW/cm2 x 3 min) = (45+15 mW/cm2) / 6 min =
= 10 mW/cm2
Exemplo 2
Para uma frequência de radiação de 100 MHz, o público em geral não deverá
sofrer uma exposição média equivalente a 2 mW/cm2, durante um período
máximo de 30 minutos. Na prática, para que tal seja respeitado, devem-se
verificar, por exemplo, as seguintes 3 situações possíveis:
•
sofrer uma radiação de 4 mW/cm2 durante 15 minutos consecutivos ou
alternados, e nenhuma radiação durante os outros 15 minutos restantes,
ou seja:
82
P = (4 mW/cm2 x 15 min) + (0 mW/cm2 x 15 min) = 60 mW/cm2 / 30 min =
= 2 mW/cm2
•
sofrer uma radiação de 3 mW/cm2 durante 20 minutos consecutivos ou
alternados, e nenhuma radiação durante os outros 10 minutos restantes, ou seja:
P = (3 mW/cm2 x 20 min) + (0 mW/cm2 x 10 min) = 60 mW/cm2 / 30 min =
= 2 mW/cm2
•
sofrer uma radiação de 3 mW/cm2 durante 15 minutos consecutivos ou
alternados, e 1 mW/cm2 durante os outros 15 minutos restantes, ou seja:
P = (3 mW/cm2 x 15 min) + (1 mW/cm2 x 15 min) =
= (45+15 mW/cm2) / 30 min =
= 2 mW/cm2
4.3.2. Valores Médios Espaciais
Esta técnica é normalmente utilizada para a determinação dos valores das
intensidades do campo eléctrico E e do campo magnético H, assim como da
densidade de potência P, para a globalidade do corpo humano, a partir das
medições efectuadas em diversos pontos do corpo, recorrendo-se respectivamente às seguintes expressões:
⎡1 n
⎤
E = ⎢ ∑ E i2 ⎥
⎣ n i =1 ⎦
1/2
⎡1 n
⎤
H = ⎢ ∑ H i2 ⎥
⎣ n i =1 ⎦
P=
1/2
1 n
∑ P
n i =1 i
sendo n o número de locais onde as medições Ei, Hi e Pi foram efectuadas.
83
4.3.3. Locais com Frequências Múltiplas
Nas situações em que a radiação é originada por fontes de diversas frequências, em primeiro lugar deverá ser verificada a seguinte inequação:
fn
∑ Rf ≤ 1
f1
sendo f1 a menor banda de frequência, fn a maior banda de frequência, e Rf o
valor relativo respeitante ao limite de exposição, valor este que é determinado
respectivamente através das seguintes expressões, a primeira para a
intensidade dos campos eléctrico e magnético, e a segunda para a densidade
de potência:
⎛
valor medido da intensidad e do campo à frequência f
Rf = ⎜⎜
⎝ intensidad e do campo correspondente ao limite de exposição, para f
Rf =
⎞
⎟⎟
⎠
2
valor medido da densidade de potência à frequência f
densidade de potência correspondente ao limite de exposição, para f
Como facilmente se pode constatar, através da primeira expressão, se o valor
deste parâmetro for superior à unidade, os valores medidos estarão acima dos
limites máximos de exposição recomendados pelas normas de segurança. Por
conseguinte, o valor relativo global, que se obtém pela soma dos valores
relativos para cada frequência, representa um indicador do limite de exposição.
Exemplo
Num determinado local de trabalho, mediram-se os seguintes valores
associados à radiação RFR para diferentes frequências:
•
Intensidade do campo magnético de 0,2 A/m a 13 MHz.
•
Intensidade do campo eléctrico de 20 V/m a 250 MHz.
•
Densidade de potência de 1 mW/cm2 a 2,45 GHz.
Por outro lado, os regulamentos de segurança aconselham os seguintes limites
de exposição, para aqueles parâmetros, dentro das gamas de frequência
apontadas:
84
•
Intensidade do campo magnético: 1,25 A/m, na banda 3 – 30 MHz.
•
Intensidade do campo eléctrico: 27,5 V/m, na banda 100 – 300 MHz.
•
Densidade de potência: 1,63 mW/cm2, na banda 300 – 3000 MHz.
Por conseguinte, recorrendo-se às expressões anteriores obtêm-se os
seguintes valores relativos, respectivamente para a intensidade do campo
magnético, intensidade do campo eléctrico, e densidade de potência:
⎛ 0,2
R1 = ⎜⎜
⎝ 1,25
2
⎞
⎟⎟ = 0,02656
⎠
2
⎛ 20 ⎞
⎟⎟ = 0,528
R 2 = ⎜⎜
⎝ 27,5 ⎠
R3 =
1
= 0,613
1,63
Quanto ao valor global, tem-se:
R = R1 + R2 + R3 = 1,168 (> 1)
Por conseguinte, o local encontra-se sujeito a um nível de radiação global que
é superior aos limites de exposição recomendados. Note-se um facto
extremamente importante que sucede com este exemplo – os níveis de
exposição medidos são todos eles inferiores, separadamente, isto é, para cada
uma das gamas de frequência, aos limites recomendados pelas normas de
segurança, todavia, em termos globais, o local apresenta riscos acrescidos por
se ter R > 1.
4.4. PROCEDIMENTOS DE SEGURANÇA
Para que se possa garantir a máxima segurança possível no que respeita à
exposição a radiações RFR, isto é, para que os limites máximos recomendados
pelas normas de segurança não sejam ultrapassados no local, em zonas de
trabalho, públicas e residenciais, e ainda para que os técnicos de telecomunicações, em particular, não sofram riscos desnecessários, devem-se cumprir
as seguintes directivas:
85
•
As antenas devem ser colocadas a uma altura pelo menos de 2 metros
acima da cabeça, para se reduzir as densidades de potência nas zonas
próximas dos telhados. Em telhados onde existam diversas antenas,
instalá-las a alturas inferiores a 2 metros contribui para a redução das
densidades de potência nas zonas muito próximas das antenas.
•
As antenas deverão ser montadas em braços com 1 a 2 metros de
comprimento, em vez de serem instaladas directamente nas respectivas
torres, para se evitar um elevado nível de exposição nos técnicos que se
encontrem a trabalhar nas torres, por qualquer motivo.
•
Reduzir a potência da antena, para limitar a exposição cumulativa de
radiações de RF.
•
Deve-se elaborar um regulamento de segurança e normas de conduta
para os trabalhadores que tenham que se deslocar às antenas para
trabalhos de manutenção. A potência deverá ser reduzida, e dever-se-á
dar uma atenção especial aos casos em que o trabalhador tenha de
atravessar zonas de campos electromagnéticos de elevada radiação.
•
A combinação da radiação emitida por diversas antenas pode gerar
níveis de exposição que excedam os limites recomendados, daí que seja
aconselhável recolocando as antenas noutros locais.
•
Aumentar a distância entre as antenas, para se reduzir a densidade de
potência global do local.
•
Deverão ser tomadas precauções de segurança em relação aos técnicos
de manutenção, devendo ser mantida uma distância mínima de 1 metro,
no sentido de se evitarem exposições perigosas.
•
Os técnicos de telecomunicações que exerçam a sua actividade
primordialmente junto de antenas, deverão fazer-se acompanhar de
monitores pessoais que, nos casos em que a radiação ultrapassa os
limites recomendados, emitam imediatamente um sinal sonoro de
alarme bem audível.
•
Nos casos em que, após a verificação de todos os requisitos de segurança, continuarem a existir riscos acrescidos devidos a exposições
acima dos limites, os técnicos de telecomunicações deverão utilizar um
equipamento pessoal de protecção, como é o caso de fatos especiais,
86
para reduzir o nível de radiação RF, redução essa que poderá ir até 10
dB.
•
Todos os trabalhadores deverão ser sujeitos a acções de formação
periódicas, no sentido de estarem permanentemente actualizados no
que respeita à regulamentação e às normas de segurança relativas à
exposição a radiações de RF. Este aspecto é bastante importante,
competindo igualmente não só aos fabricantes de equipamentos de
telecomunicações, especialmente de telefones celulares, mas também
aos operadores e às entidades reguladoras, informar convenientemente
o grande público sobre todos estes aspectos da radiação electromagnética, contribuindo para a desmistificação de ideias pré-concebidas.
87
CAPÍTULO 5.
DOSIMETRIA DOS CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS
INTERNOS
5.1. INTRODUÇÃO
Este tipo de dosimetria foi originalmente desenvolvido para as radiações ionizantes, sendo baseado na relação entre a dose (energia absorvida por unidade
de massa) e o efeito biológico. Atendendo a que a energia absorvida se
encontra directamente relacionada com os campos electromagnéticos internos,
isto é, no interior do objecto – não confundir com os campos electromagnéticos
incidentes na superfície do objecto, e que foram analisados no capítulo anterior
–, a dosimetria é interpretada, nesta situação, como uma maneira de
determinar os campos electromagnéticos no interior do corpo biológico.
Saliente-se que os campos internos, muito mais que os campos incidentes e as
correntes induzidas, são os responsáveis pelas interacções com os sistemas
vivos, independentemente dessas interacções desenvolverem fenómenos
térmicos ou não-térmicos. Os campos incidentes e os campos internos diferem,
em função da dimensão e da forma do objecto, das propriedades eléctricas, da
orientação dos campos internos em relação aos campos incidentes, e da
frequência. Por outro lado, se um efeito biológico está relacionado directamente
com os campos internos, poder-se-á estabelecer uma relação de causa-efeito
em termos apenas desses campos, e não dos campos incidentes.
A dosimetria considera as medições ou a determinação por cálculo dos campos
internos, da densidade das correntes induzidas, da absorção específica SA, da
taxa de absorção específica SAR, em objectos como por exemplo modelos,
animais, humanos, ou mesmo partes do corpo humano, expostos a radiações
RFR, não esquecendo que é bastante difícil caracterizar inteiramente a propagação dos campos electromagnéticos no corpo humano, devido à complexidade e ao carácter não homogéneo dos tecidos biológicos.
A dosimetria interna pode ser dividida em duas categorias:
•
Dosimetria macroscópica, em que os campos electromagnéticos são
determinados como uma média em relação a algum volume do espaço,
como em células matemáticas, que são de dimensões reduzidas. Por
88
exemplo, é assumido que o campo eléctrico numa determinada célula
de 1 mm tem o mesmo valor em qualquer ponto dentro de um volume
de 1 mm3 da célula, o mesmo sucedendo com o campo magnético.
•
Dosimetria microscópica, em que os campos são determinados a um
nível celular microscópico, ou seja, as células matemáticas em relação
às quais se determinam os campos, têm uma dimensão microscópica.
5.2. TAXA DE ABSORÇÃO ESPECÍFICA SAR
Como se definiu já anteriormente, a SAR é quantificada em mW/cm2, e
representa a absorção da energia dos campos e da radiação electromagnética
quando incidem sobre um corpo biológico, por parte desse mesmo corpo.
5.2.1. Tipos de SAR e Parâmetros Associados
Genericamente, existem dois tipos de SAR. O primeiro, designado por SAR
média no corpo inteiro, é definida como sendo a energia total transferida para o
corpo, por unidade de tempo, dividida pela sua massa total. Quanto ao
segundo tipo, tem-se a SAR para partes específicas do corpo humano, que
requerem, em determinadas circunstâncias, uma atenção especial, como
sucede com a cabeça, com o tronco, e com os membros superiores e inferiores
– esta SAR localizada é usualmente aplicada para se avaliar a exposição
emitida por pequenos equipamentos electrónicos e de telecomunicações, como
é o caso dos telemóveis em contacto com a cabeça.
Os valores da taxa de absorção específica referentes a materiais biológicos,
dependem de diversos parâmetros associados à exposição – propriedades dos
campos incidentes, tais como a frequência, a modulação, a amplitude, e a
direcção dos seus componentes; distribuição espacial das propriedades dieléctricas e térmicas do sistema, incluindo as do local e a sua localização dentro
do objecto; configuração do material e sua orientação relativamente aos
campos incidentes.
a) Polarização
A polarização de uma onda electromagnética representa a direcção das linhas
de força do vector intensidade do campo eléctrico. Saliente-se que no corpo
humano completo, a SAR média varia em função da orientação do campo
89
eléctrico incidente em relação ao corpo. Por outro lado, no que respeita a
objectos com uma simetria circular, podem-se considerar três tipos de
polarização: E, H e K, como se ilustra na figura 5.1:
•
A polarização E corresponde a ter-se o vector intensidade do campo
eléctrico paralelo ao eixo principal do corpo.
•
A polarização H corresponde a ter-se o vector intensidade do campo
magnético paralelo ao eixo principal do corpo.
•
A polarização K corresponde a ter-se o vector representativo do sentido
de propagação da onda (vector perpendicular aos vectores E e H),
paralelo ao eixo principal do corpo.
Figura 5.1 – Polarização E (a), polarização H (b), e polarização K (c).
b) Frequência
Para todos os três tipos de polarização, a SAR varia aproximadamente com o
quadrado da frequência, para baixas frequências, salientando-se que, para a
polarização E, o seu valor máximo ocorre na banda de 70 MHz a 80 MHz.
Na figura 5.2 mostra-se a variação da taxa de absorção específica em função
da frequência, relativa a um homem médio exposto no vácuo a uma onda
plana, com uma densidade de potência de 1 mW/cm2, para os três tipos de
pola-rização. Para um corpo humano masculino em contacto com radiação RF
dirigida ao solo, a frequência de ressonância é de 30 MHz a 40 MHz,
frequência essa para a qual a potência absorvida é poucas vezes superior
àquela que corresponde ao produto da área da secção recta do corpo pela
90
densidade de potência incidente. Com uma polarização E, para frequências
superiores à de ressonância, a SAR associada à totalidade do corpo humano
varia aproximadamente com 1/f e, para valores inferiores, é proporcional a f 2.
Figura 5.2 – Taxa de absorção específica SAR em função da frequência, relativa
ao modelo de um homem médio exposto no vácuo a uma onda plana, com uma
densidade de potência de 1 mW/cm2, para os três tipos de polarização.
c) Dimensão e Forma dos Objectos
Como se pode constatar através da figura 5.3, a SAR depende não só da
dimensão mas também da forma dos objectos, no caso concreto da figura, o
corpo humano, o macaco, e o rato, todos sujeitos a uma exposição a radiação
RF com uma densidade de potência de 1 mW/cm2, e com uma polarização do
tipo E. Como se pode observar, para uma mesma taxa de absorção específica,
isto é, para o mesmo efeito biológico, a frequência necessária para que ele se
verifique nos macacos e nos ratos, é significativamente superior à do corpo
humano. Constata-se igualmente que o valor máximo da SAR é o mais baixo
no homem e o mais elevado no rato, acontecendo no homem a uma frequência
mais baixa que nos outros dois seres vivos. Como curiosidade, nota-se que as
curvas relativas ao homem e ao macaco são muito próximas uma da outra, o
que se justifica pelo elevado número de características fisiológicas seme-
91
lhantes, enquanto que a curva do rato é bastante diferente. Esta figura mostra
assim que, provavelmente, os mecanismos de interacção nestes três seres
vivos são substancialmente diferentes, sendo de salientar que a SAR no corpo
humano é normalmente afectada pela existência de outros corpos e objectos,
na medida em que uma elevada intensidade de radiação se distribui não só
pelo corpo humano em questão, mas também pelos outros corpos e objectos
situados na sua vizinhança. A presença de uma superfície plana reflectora,
utilizada como chão, provoca a redução da frequência de ressonância do corpo
podendo conduzir a valores elevados da SAR na totalidade do corpo, para
frequências de ressonância reduzidas.
Por exemplo, se o corpo humano for colocado sobre um plano perfeitamente
condutor, a sua frequência de ressonância nessas condições será sensivelmente igual a metade da sua frequência de ressonância no vazio. Como
sucede na prática com o solo que se pisa, que não é um condutor eléctrico
perfeito, a frequência de ressonância do corpo é mais baixa que aquela que se
verifica no vazio, contudo não igual a metade.
Figura 5.3 – Taxa de absorção específica SAR em função da frequência,
relativa ao modelo esferoidal de um homem, de um macaco, e de um rato
expostos a uma onda plana, com uma densidade de potência
de 1 mW/cm2, para a polarização E.
92
Note-se ainda que a frequência de ressonância é alterada pela introdução de
materiais isolantes entre o corpo e o solo, como por exemplo a utilização de
calçado de borracha ou de tapetes de protecção, utilizados por trabalhadores
de empresas de electricidade e de telecomunicações.
d) Propriedades Eléctricas dos Tecidos
Como já se referiu anteriormente, os cálculos teóricos assim como as medições
no terreno da taxa de absorção específica SAR, dependem largamente das
propriedades eléctricas do corpo, no que respeita ao seu comportamento
quanto à radiação electromagnética, sendo essas propriedades para os tecidos
humanos especificadas em termos de permitividade e de condutividade
eléctrica. Por sua vez, estes parâmetros dependem da frequência, temperatura
e distribuição dos tecidos no interior do corpo humano, assim como do instante
que se considere. Além disso, as propriedades eléctricas dependem igualmente dos níveis da actividade física e metabólica, da anatomia, da saúde, e
da idade.
5.2.2. Estimativa da SAR
Como se salientou já por diversas vezes, a SAR relativa ao corpo humano não
é mensurável de uma forma fácil, na prática, contudo pode ser determinada
empiricamente ou teoricamente, a despeito das limitações das metodologias
utilizadas. Basicamente, a SAR representa a medida da taxa à qual a energia é
absorvida pelo corpo, podendo assim ser definida como a derivada em ordem
ao tempo da absorção específica (SA), que corresponde ao incremento da
energia dW absorvida por uma massa incremental dm inserida no interior de
um volume elementar dV, cujo material tem uma densidade ρ, ou seja:
SA =
dW
dW
=
dm
ρ dV
sendo esta grandeza expressa em joules por kilograma (J/kg). Por conseguinte,
a taxa de absorção específica SAR, em W/kg ou em mW/g, é dada pela
seguinte derivada:
SAR =
d SA d dW
=
dt
dt ρ dV
93
Esta taxa de absorção pode igualmente ser definida como a potência absorvida
por unidade de massa de um sistema biológico, e ser representada em termos
da intensidade do campo eléctrico E, expresso em V/m, da condutividade
eléctrica σ, expressa em S/m, e da densidade do tecido, expressa em kg/m3,
através da seguinte expressão:
SAR =
σ E2
ρ
A integração da SAR sobre um volume de tecido que contenha uma determinada massa, corresponde assim à potência absorvida por esse mesmo
volume de tecido, sendo esta grandeza, para um dado tecido biológico,
expressa em mW/g médios para 1 g ou 10 g, dependendo do que se encontra
estipulado na norma de segurança adoptada.
Adicionalmente, a taxa inicial de aumento de temperatura no corpo, desprezando as perdas de calor, é directamente proporcional à SAR, ou seja:
dT SAR
=
dt
C
em que T (oC) representa a temperatura, t (s) o tempo, e C (J/kg/oC) a capacidade calorífica do corpo.
Note-se que esta capacidade calorífica é definida como sendo a energia em
joules que é necessária para elevar de 1 oC a tem-peratura de 1 kilograma de
massa do corpo.
Como é sabido, alguns efeitos biológicos, sobretudo os que têm implicações
significativas na saúde humana, podem ser relacionados com a indução de
calor, daí que o conhecimento do aquecimento originado pelas radiações RFR
seja mais importante como indicador analítico que a SAR, podendo o
aquecimento ΔT (oC) de tecidos biológicos sujeitos a radiação ser determinado
através da seguinte expressão:
ΔT =
SA
h x 4180
sendo h = 0,85 a capacidade calorífica relativa.
94
5.3. DOSIMETRIA TEÓRICA
Os campos eléctricos e magnéticos internos induzidos no corpo humano como
consequência da exposição a radiação RFR podem ser, em determinadas
circunstâncias simplificativas, determinados por meio das equações de
Maxwell. Todavia, devido às grandes dificuldades matemáticas inerentes à
resolução dessas equações, devido ao facto dos tecidos biológicos serem
materiais anisotrópicos e não homogéneos, torna-se necessário recorrer-se a
várias técnicas analíticas e numéricas.
Quanto às técnicas analíticas, usualmente recorre-se a um dos seguintes
modelos:
•
Modelo planar multicamadas, em que o corpo humano é entendido como
um meio estratificado constituído por lâminas dieléctricas isotrópicas e
homogéneas, com uma geometria plana.
•
Modelos esférico, cilíndrico, e elipsoidal, em que o corpo humano ou
partes dele, são entendidos como uma esfera, um cilindro, ou um
elipsóide de um meio dieléctrico isotrópico e homogéneo.
•
Modelo de blocos, em que o corpo humano ou parte dele é modelizado
como sendo a agregação de um conjunto de células independentes em
material dieléctrico.
A escolha do modelo mais aconselhável depende da frequência de operação,
dos objectivos do estudo, da parte do corpo a ser investigado, e da simplicidade pretendida na formulação analítica. Por exemplo, no que respeita à
dosimetria associada aos telefones celulares, a frequência de operação é muito
reduzida face às dimensões do corpo humano, especialmente se se considerar
a coluna vertebral, os ombros, as costas, o peito ou as coxas, daí que se deva
escolher o modelo planar.
Quanto aos métodos numéricos, utilizados com bastante assiduidade devido às
dificuldades inerentes aos métodos analíticos, permitem efectuar a modelização precisa de todo o corpo humano ou de partes dele, com a finalidade não
só de determinar os parâmetros e grandezas associados às radiações, mas
também de simular diferentes situações de exposição em ordem a analisar-se
as variações desses parâmetros e grandezas. Os mais utilizados baseiam-se
no método dos elementos finitos bi e tridimensionais.
95
5.4. DOSIMETRIA EXPERIMENTAL
Apesar das técnicas de análise teórica actualmente aplicadas, conferirem um
grau de confiança bastante elevado aos valores dosimétricos obtidos, é aconselhável sempre que possível a realização de medições no terreno, não só
para corroborar os resultados teóricos, mas também e sobretudo nas situações
em que não se dispõe desses resultados teóricos.
Se, por um lado, a determinação analítica dos valores da SAR é bastante
complexa, a sua medição é igualmente problemática. Basta pensar-se que,
para se traçar um mapa de valores de SAR no corpo inteiro ou em partes dele,
seria necessário submeter o corpo a radiações RFR de diversas frequências e
de diferentes níveis de exposição, assim como instalar sensores no interior do
corpo, isto é, nos tecidos, ossos, órgãos, e sangue, o que seria impraticável.
Na prática, utilizam-se modelos, denominados phantom models, que são
materiais sintéticos equivalentes aos tecidos humanos e que permitem assim
simular os materiais biológicos, sendo as medições das intensidades dos
campos eléctricos e magnéticos internos realizadas através de sensores,
mostrando-se na figura 5.4 um ensaio dos efeitos da radiação emitida por
telefones celulares sobre os tecidos da cabeça, utilizando um phantom.
Figura 5.4 – Esquematização de um sistema de medição da SAR.
5.5. DOSIMETRIA EM TELEFONES CELULARES
5.5.1. Potência Transmitida
A exposição a radiação de RF emitida por telefones celulares é significativa,
devido à presença da antena de emissão/recepção do próprio telefone muito
96
próxima da cabeça do utilizador, sendo comum a questão que se tem vindo a
levantar com grande insistência, e que consiste na dúvida se essa exposição
origina ou não riscos mais ou menos graves para a saúde humana. A resposta
a esta dúvida encontra-se directamente relacionada com a potência transmitida
pelos telefones celulares, que depende do próprio sistema celular assim como
do construtor.
Como resultado das medições efectuadas em telefones europeus oriundos de
16 construtores diferentes, concluiu-se que a mais baixa SAR média para 10 g
de tecido foi de 0,28 W/kg, enquanto que a mais elevada foi 1,33 W/kg, tendo
estes valores sido normalizados para uma antena com uma potência de
entrada de 0,25 W.
Um outro estudo experimental realizado com um phantom, permitiu concluir
que a SAR na cabeça dos utilizadores de telefones celulares com kit de mãos
livres, é 60 % a 96 % inferior aos valores medidos nas cabeças dos utilizadores
convencionais, o que se explica pelo afastamento dos telefones em relação à
cabeça.
5.5.2. Investigações sobre a SAR
Seguidamente divulgam-se os resultados de alguns estudos teóricos e experimentais, que utilizaram respectivamente modelos computacionais e phantoms,
para a determinação de valores indicativos para a taxa de absorção específica:
•
0,09 W/kg a 0,29 W/kg de SAR em 1 g de tecido; 0,04 W/kg a 0,17
W/kg em 1 g de tecido cerebral; 0,5 mW/kg a 1,1 mW/kg em todo o
corpo. Ensaio realizado com dez telefones celulares de diferentes construtores.
•
1,9 W/kg em 10 g de material sintético líquido equivalente ao tecido
cerebral humano, num modelo phantom cilíndrico da cabeça, exposto a
um telefone celular de 0,6 W operando a 900 MHz; SARs de 3,5 W/kg e
2,5 W/kg no interior da cabeça, respectivamente a 5 mm e a 10 mm de
profundidade.
•
SAR de 1,4 W/kg (valor bastante elevado) em telefones antigos com
antenas amovíveis e com a antena recolhida; com a antena estendida,
aquele nível reduziu-se significativamente.
97
5.5.3. Sensação de calor
Quando se utiliza um telefone celular poderá ocorrer uma sensação de calor
localizada na orelha e nos tecidos adjacentes da cabeça, devido à radiação
emitida pelo telefone, ao aquecimento da bateria, e à concentração de radiação
nos tecidos.
Num estudo realizado com um modelo de cabeça humana, e utilizando a
máxima potência de transmissão de 600 mW, foram determinadas SARs no
olho do lado do telefone numa gama entre 0,007 W/kg e 0,21 W/kg, e no
cérebro, em pontos muito próximos da zona de contacto do telefone,
encontraram-se valores entre 0,12 W/kg e 0,83 W/kg. Quanto ao aquecimento,
a temperatura do olho sofreu um aumento máximo de 0,022 oC para uma SAR
de 0,21 W/kg, enquanto que a temperatura do cérebro aumentou de 0,034 oC
para uma SAR de 0,83 W/kg.
Num ensaio realizado com voluntários, obtiveram-se temperaturas nas suas
orelhas em contacto com telefones celulares activos, entre 37 oC e 41 oC para
telefones analógicos, e entre 36 oC e 39 oC para telefones digitais.
5.5.4. Procedimentos de Precaução
O organismo norte-americano Food and Drug Administration (FDA) recomenda
aos construtores de telefones celulares os seguintes procedimentos, em vigor
desde Outubro de 1999:
•
Desenvolver investigação sobre os possíveis efeitos biológicos da
exposição a radiações RFR emitidas por telefones celulares.
•
Os telefones celulares devem ser projectados de forma a que a única
radiação que emitam seja apenas a estritamente necessária para o seu
funcionamento.
•
Estabelecer um clima de cooperação entre construtores com o objectivo
de informar o mais possível o público, sobre o que se conhece relativamente aos efeitos da radiação emitida por telefones celulares.
O organismo britânico The Independent Expert Group on Mobile Phones
(IEGMP), elaborou as seguintes recomendações, dirigidas essencialmente aos
operadores de telecomunicações e às empresas de comercialização de
produtos celulares:
98
•
Deverão notificar as autoridades locais acerca das futuras instalações de
antenas e de estações de comunicações móveis.
•
Deverão evitar a instalação desses equipamentos na proximidade de
escolas.
•
Deverão disponibilizar toda a informação possível aos consumidores,
para que estes possam saber, por exemplo, quais os níveis de radiação
a que se encontram sujeitos ao utilizarem celulares.
•
Deverão desencorajar a utilização de celulares por parte de crianças.
Como conclusão, deverão observar-se os seguintes procedimentos, em relação
à utilização de telefones celulares:
•
Evitar longos períodos de conversação. A redução do uso de celulares
representa mesmo a melhor opção.
•
Eliminar o seu uso por parte de crianças, para se evitarem possíveis
efeitos adversos no desenvolvimento do sistema nervoso, ainda em
crescimento.
•
Evitar o seu uso em locais onde o sinal é fraco. Por exemplo, a utilização
em espaços fechados, ao envolver sinais fracos a partir da estação de
base, potenciará a exposição de forma significativa na medida em que a
intensidade do sinal que será necessária originará uma forte ligação à
antena mais próxima.
•
Manter a sua antena o mais afastada possível da cabeça.
•
Manter o telefone afastado do corpo quando se encontra inactivo.
Transportá-lo num bolso da camisa ou das calças, ou numa carteira
suspensa do cinto, não é uma atitude correcta, a não ser que se
encontre totalmente desligado. Quando transportado no bolso da
camisa, a sua radiação poderá eventualmente causar alterações no
ritmo cardíaco normal, e, ao ser transportado no bolso das calças ou no
cinto, a medula óssea dos ossos da bacia assim como os testículos e o
aparelho reprodutor feminino estarão sujeitos desnecessariamente a
radiação RFR.
Apesar de não existir ainda um suporte científico que permita afirmar peremptoriamente que a radiação emitida por telefones celulares origina efeitos
99
adversos na saúde humana, a melhor atitude a adoptar consiste exactamente
em, por um lado, as autoridades sanitárias obrigarem os construtores e
operadores a cumprirem determinadas recomendações e informar a opinião
pública e, por outro, respeitar essas recomendações à letra.
5.6. VIGILÂNCIA DE ESTAÇÕES CELULARES DE BASE
O rápido desenvolvimento da indústria de comunicações móveis celulares, tem
vindo a resultar na instalação de um número cada vez mais elevado de antenas
de emissão e recepção (base transceiver stations BTSs), as quais são
instaladas em torres, telhados, ou mesmo nas paredes de edifícios. Estas
antenas representam o núcleo de células de um sistema celular, daí a sua
designação. Usualmente, a sua potência de transmissão situa-se entre 20 W e
50 W, sendo dependente do tipo de BTS.
Na prática, as células de maior dimensão podem ser “partidas” em células de
menor dimensão, as quais poderão também ser “partidas” em células ainda de
menor dimensão, conseguindo-se assim diminuir a potência de célula para
célula. Esta divisão permite classificar as células em três tipos: macrocélulas,
microcélulas, e picocélulas.
As macrocélulas representam a estrutura principal da rede de estações, tendo
as suas BTSs potências de saída de algumas dezenas de watt, comunicando
com telefones até cerca de 30 km. As microcélulas são utilizadas para melhorar
a rede principal, especialmente quando a rede se encontra congestionada,
sendo instaladas em diferentes locais, como por exemplo aeroportos, estações
de caminhos de ferro, e grandes superfícies comerciais. Quanto às BTSs para
as picocélulas, têm uma potência de saída reduzida (alguns watts), ainda mais
baixa que a das microcélulas, e são quase sempre instaladas no interior de
edifícios.
Como se sabe, a densidade de potência emitida a partir das antenas diminui
com o inverso do quadrado da distância à antena e, por conseguinte, a
exposição ao nível do solo na vizinhança das torres das antenas é
relativamente baixa quando comparada com a exposição muito próximo da
antena.
A instalação de antenas BTS causa frequentemente uma apreensão significativa por parte do público, sobretudo por residentes em áreas muito
100
próximas, devido aos receios inerentes aos potenciais riscos que a radiação
poderá causar na sua saúde. Além disso, conforme se esquematiza na figura
5.5, o público poderá ficar submetido a radiações emitidas por diversas fontes,
em determinadas circunstâncias, podendo a exposição resultante ultrapassar
largamente os limites máximos de segurança recomendados.
Figura 5.5 – Exposição a radiações de RF emitidas por diversas
antenas emissoras/receptoras BTS.
Por outro lado, devido à atenuação inerente aos edifícios, os níveis da densidade de potência no seu interior são, normalmente, 10 a 20 vezes inferiores
aos níveis verificados no exterior, para distâncias similares às antenas.
Todavia, em locais específicos como por exemplo os telhados dos edifícios, e
dependendo da distância às antenas, os níveis de exposição são usualmente
superiores aos níveis máximos de segurança recomendados.
Por conseguinte, o acesso a esses locais deverá ser restringido, assim como
também deverão ser medidos e controlados, os níveis da densidade de
potência nas divisões dos prédios localizadas imediatamente no piso abaixo
dos telhados, sendo ainda de salientar que o nível de radiação nessas divisões
depende fortemente dos materiais utilizados na construção.
Adicionalmente, e como se esquematiza na figura 5.6, o nível da densidade de
potência na parte traseira das antenas é centenas de vezes inferior ao que se
verifica nos locais situados à sua frente. Quer este facto significar que as
divisões do prédio que se encontram localizadas na parte de trás das antenas
têm níveis de exposição extremamente reduzidos, muitíssimo inferiores aos
limites aconselháveis.
101
Figura 5.6 – Condições de radiação RFR nas imediações de uma
antena emissora/receptora BTS.
Com o objectivo de se cumprir com a regulamentação em vigor acerca dos
limites máximos de segurança recomendados no que respeita à exposição a
radiações de RF, os operadores de telecomunicações deverão avaliar se os
seus equipamentos, de facto, estão ou não dentro desses limites, aceites como
sendo de segurança.
Figura 5.7 – Componentes de uma antena emissora/receptora BTS.
Considere-se então a figura 5.7, onde se esquematizam os vários componentes de uma base transceiver station BTS. No capítulo 4, relativo ao estudo
da dosimetria dos campos electromagnéticos incidentes, apresentou-se a
seguinte expressão:
Pd =
Pt Gt
4π d 2
102
em que Pd representa a densidade de potência sobre uma determinada superfície, em W/m2, Pt a potência da antena, em W, d a distância da superfície ao
centro de radiação da antena, em metros, e Gt o rácio de ganho da antena.
Como se tem:
Gt = 10 G / 10
sendo G o ganho da antena em dB, virá ainda, por substituição:
Pd =
Pt 10 G / 10
4π d 2
Por conseguinte, como se têm N transmissores virá para a densidade total:
Pd = N
Pt 10 G / 10
4π d 2
Por outro lado, considerando as perdas óhmicas totais do sistema, em dB:
P = perdas no feeder + perdas no combiner + perdas nos cables
a expressão anterior poderá ser reescrita na seguinte forma:
Pd = N
Pt 10 ( G − P ) / 10
4π d 2
Por conseguinte, se Pd representar o nível máximo da densidade de potência
no ar, recomendado pelas normas de segurança, a distância mínima de segurança à antena será assim:
d min =
N Pt 10 ( G − P ) / 10
4π Pd
Exercício
Determinar a distância mínima de segurança de uma antena BTS, de acordo
com a regulamentação em vigor, para um técnico de uma empresa de telecomunicações, de acordo com as seguintes especificações:
•
frequência de operação: 900 MHz
103
•
densidade de potência máxima de exposição, para locais ocupacionais,
e para a frequência de 900 MHz, de acordo com a regulamentação em
vigor: Pd = 30 W/m2
•
potência máxima transmitida pela antena: Pt = 50 W
•
ganho da antena: G = 16 dB
•
perdas totais do sistema: P = 4 dB
•
número de transmissores: N = 4
Por substituição de valores, obtém-se:
d min =
4 × 50 ×10 ( 16 − 4 ) / 10
= 2,9 metros ( ≈ 3 metros)
4π × 30
De um modo geral, atendendo aos estudos realizados, as medições efectuadas
em locais próximos de BTSs têm mostrado que os níveis de exposição em
locais públicos se encontram muito abaixo dos limites máximos de segurança
recomendados pelas normas em vigor. Todavia, pode suceder que os técnicos
de empresas de telecomunicações fiquem temporariamente sujeitos a níveis de
radiação superiores a esses limites máximos, sobretudo quando se encontram
a trabalhar em telhados ou muito próximo de antenas.
Como exemplo ilustrativo, alguns trabalhos de campo, no que respeita à
medição dos níveis de radiação emitida por antenas de sistemas celulares,
obtiveram os seguintes resultados:
•
Em relação a uma antena com uma altura de 45 metros, a densidade de
potência encontrada ao nível do solo, junto à base da antena, foi de
0,00002 mW/cm2 para cada canal de rádio, correspondendo a 0,002
mW/cm2 para os 96 canais, tendo os valores máximos sido medidos
entre 18 m a 25 m da base da antena. A 90 m de distância, os níveis
encontrados foram inferiores a 0,0001 mW/cm2.
•
O estudo anterior, de origem americana, foi corroborado por estudos
realizados na Finlândia, onde, a 50 metros de antenas BTS, mediram-se
níveis inferiores a 0,010 mW/cm2, incluindo em pontos situados
directamente no feixe hertziano. Todavia, medições realizadas directamente em feixes emitidos por antenas direccionais GSM com 12 canais,
104
conduziram a valores inferiores a 1 mW/cm2 a uma distância de 10 m, e
inferiores a 0,010 mW/cm2, para 30 m. Por conseguinte, os níveis de
exposição em telhados poderão ser superiores aos limites máximos
recomendados pelas normas de segurança.
•
Num estudo realizado em Vancouver, no Canadá, relativamente a
antenas BTS de sistemas de comunicação rádio pessoais, obtiveram-se,
para a densidade de potência, os valores de 0,00016 mW/cm2 (antenas
situadas ao longo das ruas), 0,0026 mW/cm2 (antena situada no
telhado), e menos que 0,00001 mW/cm2 (longe das antenas), valores
esses bastante abaixo dos limites de segurança recomendados, o que
permitiu concluir da ausência de riscos dos utentes das cinco escolas
envolvidas neste estudo.
•
No Reino Unido, as medições realizadas em 118 locais situados nas
imediações de 17 BTSs, obtiveram valores de 0,00083 mW/cm2 a 60 m
de uma antena localizada no telhado de uma escola, tendo os valores
medidos nas salas interiores sido mais reduzidos que os encontrados no
exterior.
105
CAPÍTULO 6.
EFEITOS TERAPÊUTICOS
DA ENERGIA ELECTROMAGNÉTICA
6.1. INTRODUÇÃO
Como se escreveu no prefácio, o pai do bioelectromagnetismo é Hipócrates,
que tentou, pela primeira vez, curar cancros mamários através da exposição à
radiação electromagnética do sol. 2000 anos mais tarde, já no século XVIII,
Luigi Galvani tentou tratar tumores, aneurismas e hemorragias através da
aplicação de energia eléctrica aos tecidos humanos, e, em 1840, Recamier e
Pravaz mostraram um método de destruição de células cancerígenas no útero,
por meio da utilização de electricidade, prática essa que rapidamente se tornou
uma aplicação usual, tendo Fabre-Paloprat e Petrequin efectuado estudos
importantes sobre esta matéria. Pichard, em 1946, alertou para o seu uso
exagerado.
Devido aos estudos de Helmholtz, Kelvin e Hertz, passou a utilizar-se a
corrente alternada sinusoidal e, em 1869, Joubert mediu o grau relativo das
contracções musculares em ligação a correntes de alta frequência em
batráquios, enquanto que, em 1891, o francês d’Arsonval (1851-1940)
ultrapassou o estádio da utilização das correntes eléctricas contínuas nos
tecidos, ao proceder a experiências de auto-indução utilizando bobinas de
excitação cilíndricas que envolviam o corpo dos seus pacientes. Em mais de
2500 experiências, constituídas por sessões de 20 minutos em que a corrente
de excitação tinha uma intensidade de 450 mA, d’Arsonval demonstrou ser
possível conseguir melhorias em doentes com reumatismo e artrites. Outros
cientistas contemporâneos de d’Arsonval, como foi o caso de Nikola Tesla
(1856-1943) e de Thomson (1853-1937) contribuíram para o desenvolvimento
dos efeitos terapêuticos das ondas electromagnéticas de rádio-frequência. A
partir de 1926, as técnicas cirúrgicas passaram a incluir esses efeitos
terapêuticos em operações sensíveis ao cérebro, ao fígado, e à próstata, para
tratar hemorragias e para controlar a multiplicação precária de células.
Conforme se discriminou, de uma forma detalhada, em capítulos anteriores, o
espectro de frequências tem início na frequência zero, isto é, nos fenómenos
106
associados à corrente contínua (grandezas estacionárias, ou seja, invariantes
no tempo), e termina na banda da radiação electromagnética dos raios gama,
da ordem de 1021 Hz (1012 GHz).
Na sociedade actual, existem bastantes fontes emissoras de campos electromagnéticos, encontrando-se a espécie humana, em geral, exposta não só à
influência dos campos naturais, como é o caso do campo magnético terrestre,
mas também à influência dos campos electromagnéticos e da radiação criados
pelo próprio homem, como resultado da sua evolução tecnológica e científica,
na procura do seu bem estar social.
Todavia, a proliferação de campos electromagnéticos com as mais variadas
frequências – dos 50 Hz associados aos sistemas electroprodutores e de
transporte e utilização de energia eléctrica, até às centenas de GHz dos
sistemas de comunicações sem fios –, originou, na opinião pública, sobretudo
na última década, uma tomada de consciência acerca da existência ou não de
potenciais riscos para a saúde derivados da exposição a esses campos electromagnéticos, essencialmente emitidos por linhas aéreas de transporte de
energia eléctrica em alta e muito alta tensão, e por antenas e telefones
celulares.
Por outro lado, apesar do grande volume de trabalhos de investigação teóricos
e experimentais que têm vindo a ser realizados, no que respeita à explicação
dos mecanismos de interacção entre os campos electromagnéticos e os
sistemas biológicos, não existe ainda uma justificação científica universalmente
aceite para esses mecanismos de interacção, devido às causas já expostas em
capítulos anteriores. Adicionalmente, os desenvolvimentos mais recentes no
domínio da engenharia médica tais como a imagiologia de ressonância
magnética e a estimulação magnética transcraniana, têm igualmente levantado
questões da mesma índole, ou seja, se os campos magnéticos de elevada
densidade, da ordem de 1 tesla, exercem ou não alguma influência na saúde.
Em contrapartida, os campos magnéticos de fraca densidade – entre 1 mT e
200 mT –, têm vindo a ser utilizados com fins terapêuticos, num número
crescente de aplicações, como por exemplo na redução da dor, na reparação
de tecidos, no tratamento do cancro e da artrite reumatóide, como se verá mais
adiante.
107
Como resultado dos estudos efectuados sobre os efeitos biológicos dos
campos electromagnéticos, tem vindo a acontecer um desenvolvimento notável
nas aplicações médicas desses campos, incentivado pelo aperfeiçoamento da
tecnologia dos magnetos supercondutores de elevada intensidade de campo.
Essas aplicações médicas incluem por exemplo a estimulação magnética
transcraniana (Transcranial Magnetic Stimulation TMS), que estimula o córtex
cerebral humano com uma resolução espacial da ordem do milímetro, através
de uma bobina de excitação colocada sobre o crânio, o sistema de interferência
supercondutora quântica (Superconducting Quantum Interference Device
SQUID), que permite obter imagens tridimensionais das funções cerebrais
através da imagiologia de ressonância magnética (Magnetic Ressonance
Imaging MRI), a imagiologia de ressonância magnética funcional (functional
Magnetic Ressonance Imaging fMRI), e a magneto-encefalografia (MagnetoEncephaloGraphy MEG). As técnicas de TMS associadas às técnicas de
imagiologia representam um elevado potencial de aplicações nas ciências do
cérebro e da neuropsiquiatria clínica. Saliente-se, para melhor compreensão
relativamente à TMS, que, quando se faz circular uma corrente de elevada
intensidade na bobina de excitação durante 0,1 ms a 0,2 ms, é induzido um
campo magnético de 1 T.
Os recentes desenvolvimentos das tecnologias não invasivas de medição das
funções cerebrais, tais como a MEG e a fMRI, têm vindo a contribuir para o
rápido progresso da investigação em ciências cerebrais, tornando possível as
discussões e análises dessas funções, em termos das actividades psicomotoras e associadas ao raciocínio – alegria, prazer, felicidade, êxtase, raiva,
fúria, ódio, cólera, tristeza, melancolia, ansiedade. Outras investigações recentes demonstraram que a acção de campos magnéticos originam alterações
magnéticas na coagulação sanguínea, assim como na orientação dos biopolímetros, o que introduz novos aspectos nas aplicações biomagnéticas na
regulação dos sistemas vivos e dos materiais biológicos.
Relativamente a outros órgãos fundamentais do corpo humano, como é o caso
dos pulmões e do coração, são também utilizadas, respectivamente, técnicas
de magneto-pneumografia (MagnetoPneumoGraphy MPG), e de magneto-cardiografia (MagnetoCardioGraphy MCG).
108
6.2. ESTIMULAÇÃO MAGNÉTICA TRANSCRANIANA TMS
Esta técnica, não invasiva, consiste em aplicar, localmente no crânio, uma
estimulação magnética dirigida ao cérebro, através de um campo magnético
pulsante com uma densidade muito elevada, da ordem de 1 T, induzido durante
150 µs por uma corrente de grande intensidade ao circular na bobina de
excitação colocada na cabeça do paciente. Esse campo induz assim correntes
de Foucault no cérebro, correntes essas que excitam o sistema nervoso, tendo
contribuído, nas primeiras aplicações datadas de finais da década de 1980,
para a criação de mapas funcionais da área do córtex associada à actividade
motora relacionada com as mãos e com os pés.
Os desenvolvimentos recentes dos aparelhos TMS estereotácteis de estimulação cerebral navegada (Navigated Brain Stimulation NBS), permitem obter,
de uma forma não invasiva, o mapeamento da representação espacial e
temporal de qualquer actividade cerebral que reaja a estímulos magnéticos,
como as actividades sensoriais, motoras, cognitivas, e a linguagem.
Apesar da TMS poder causar alguns problemas, como por exemplo os distúrbios funcionais do cérebro, com as consequentes lesões, existem grandes
expectativas no sentido dessa técnica contribuir para uma nova era nas
ciências do cérebro, sendo os efeitos terapêuticos das curas e correcções de
doenças e distúrbios neurológicos possivelmente a sua grande área de
aplicação médica.
Existe uma evidência muito acentuada de que a expressão de determinados
genes assim como algumas funções cerebrais, sofrem uma alteração como
resposta à TMS repetitiva, podendo contribuir de uma forma benéfica para o
tratamento de desordens afectivas assim como da doença de Parkinson. Além
disso, poderá contribuir igualmente para restaurar danos cerebrais, ao interagir
com a expressão genética.
Saliente-se que a TMS não causa qualquer tipo de dor, e não requer uma
invasão física do corpo, podendo vir a ser adoptada como meio de diagnóstico
e terapêutico. Na investigação das funções cerebrais, a aplicação da
estimulação magnética para o bloqueio temporário ou para a modificação do
processo de informação facultativa, assim como do processo cognitivo de
diversos sistemas sensoriais, poderá ser utilizada para identificar a localização
e a ligação das cadeias das funções cerebrais. Ou seja, se a estimulação
109
magnética pode efectivamente bloquear e modificar vários sistemas sensoriais,
será com toda a certeza vantajosa para o tratamento da dor. A investigação
sobre a compensação e a reconstrução magnética das funções neuronais em
redor de neurónios com danos, poderá conduzir ao desenvolvimento de várias
aplicações de estimulação baseada em campos magnéticos, incluindo o
tratamento da depressão, a prevenção da demência, e o tratamento magnético
por impulsos, mais seguro e mais efectivo, que substituirá a terapia electroconvulsiva de corrente (Current Electroconvulsive Therapy ECT).
6.3. MAGNETO-ENCEFALOGRAFIA MEG
Esta técnica consiste na medição dos campos magnéticos de muito baixa densidade, da ordem de 10-13 T, gerados pelas correntes neuronais, campos esses
detectados através da SQUID. A MEG consegue detectar as funções cerebrais
com uma resolução temporal da ordem do milissegundo, e com uma resolução
espacial não invasiva da ordem do milímetro, sendo assim fundamental para a
investigação das funções cerebrais como a memória e a cognição.
Através dos resultados obtidos associados com a memória de curta duração, a
cognição, e a rotação mental, conseguiu-se já, em 1991, construir dois modelos
no sentido de explicar cientificamente o funcionamento do cérebro – o modelo
dipolar de corrente, e o modelo de distribuição das fontes eléctricas intracerebrais –, assim como estimar a localização de várias funções do cérebro
durante o processo de informação. A fonte eléctrica de uma reacção visual
evocada, com aproximadamente 150 ms de latência, localizada no córtex visual
primário, foi descrita relativamente bem através do modelo dipolar de corrente,
enquanto que o modelo de distribuição das fontes eléctricas intracerebrais é
mais usual na estimação da fonte eléctrica incidente para uma rotação mental
com uma latência de aproximadamente 180 ms ou um pouco superior.
A imagiologia baseada na MEG permitiu ainda a realização de estudos interessantes relacionados com a linguagem e com o entendimento de melodias
musicais, realizados no final da década de 1990 e em 2005. Os estudos
relacionados com a linguagem tiveram como objectivo a examinação das
características temporais e topográficas das actividades neuronais associadas
à compreensão da língua japonesa e da língua coreana, enquanto que as
experiências com música tiveram como finalidade analisar não só o modo
110
como a actividade cerebral se reflectia na audição de notas musicais sucessivas, mas também como essa actividade variava em função do treino e
experiência musical dos ouvintes.
A MEG, dentro de muito pouco tempo, será possivelmente uma técnica essencial na investigação das funções cerebrais, como complemento de uma outra
técnica igualmente não invasiva, e que já é utilizada há dezenas de anos – a
electroencefalografia EEG –, que apresenta uma resolução temporal da ordem
do milissegundo e permite a localização das funções cerebrais e de eventuais
anomalias, através da captação dos sinais eléctricos emitidos pelo cérebro. As
aplicações médicas futuras incluem a detecção de ataques epilépticos, a
medição de ondas electromagnéticas muito fracas associadas à existência de
tumores e de doenças vasculares cerebrais, assim como a medição da actividade eléctrica cerebral induzida por campos electromagnéticos de extremamente reduzida frequência emitidos por fontes exteriores.
6.4. TRATAMENTO DE FRACTURAS ÓSSEAS
Entre 1900 e 1960, enquanto que o interesse na electroterapia se encontrava
em recessão, em contrapartida desenvolveram-se gradualmente os modernos
princípios da fisiologia neuromuscular, incluindo claramente uma função
essencial para a estimulação eléctrica. Como resultado, os maiores avanços
deram-se nas últimas três décadas desse período, tendo-se expandido a
electro-terapêutica à potencial correcção de tecidos e órgãos com membranas
excitadas electricamente, como por exemplo os nervos e os músculos, tendose hoje em dia o coração, o diafragma, a espinal medula, e os músculos
paralizados, a serem estimulados electro-terapeuticamente.
Por outro lado, a descoberta das propriedades electromecânicas dos tecidos
ósseos permitiu concluir que a adaptação mecânica dos ossos poderá ser
interpretada em termos dos seus potenciais electromecânicos, teoria esta
proposta por um cientista japonês, já no longínquo ano de 1957, e à qual
propôs a designação de propriedade piezoeléctrica dos ossos. Como
consequência, foi estabelecido que esse efeito piezoeléctrico surge apenas
quando se aplica uma força tangencial (ou de cisalhamento) às fibras ósseas
de colagénio, tornando-as escorregadias entre elas.
111
Em termos gerais, as propriedades eléctricas das substâncias biológicas
podem ser divididas em dois grupos:
•
Propriedades activas, que descrevem a capacidade das substâncias
biológicas para gerar campos e potenciais eléctricos – cérebro, sistema nervoso, coração, nervos, e músculos.
•
Propriedades passivas, que caracterizam as reacções das substâncias biológicas quando são estimuladas exteriormente através da
aplicação de campos eléctricos e magnéticos – ossos, pele, e tendões.
Na realidade, os ossos são materiais compósitos e heterogéneos, com estruturas diferentes entre si e mesmo dentro de cada osso próprio, tendo como
consequência que o seu módulo de elasticidade (ou módulo de Young), é
variável de ponto para ponto, variando este parâmetro com a orientação devido
ainda à anisotropia do osso. Do ponto de vista eléctrico, provou-se que num
osso que se encontre num estado cantiléver, isto é, com uma fractura perpendicular ao seu eixo, gera-se um potencial negativo no lado do osso que se
encontra em compressão, e um potencial positivo no lado oposto, que se
encontra em tracção. Na sequência desta constatação, existem resultados
experimentais que provam que, ao induzirem-se correntes eléctricas da ordem
do microampére, poder-se-á acelerar a formação de novo material ósseo,
próximo do eléctrodo negativo, tendo ainda sido observado que a acumulação
de cargas eléctricas negativas no lado côncavo de um osso defeituoso, por
exemplo curvado ou torto, origina a sua regeneração, devido à remoção de
material ósseo proveniente do lado convexo, onde se verifica a acumulação de
cargas eléctricas positivas. Ou seja, este processo regenerativo corresponde,
em termos similares, ao fenómeno electrolítico, sobejamente conhecido. É
exactamente este fenómeno que permite, através da estimulação eléctrica,
contribuir potencialmente para o tratamento de problemas ósseos – fracturas,
defeitos, e atrasos no desenvolvimento –, osteonecrose, pseudoartrose, e
osteoporose.
Outros trabalhos de investigação mostram que o material biológico que compõe
os ossos é um material ferroeléctrico, isto é, magnetoeléctrico, com uma
estrutura constituída por dipolos que são susceptíveis de se reorientarem como
resultado de um estímulo eléctrico aplicado exteriormente. Como conse112
quência, a força mecânica gerada no osso origina uma rotação dos dipolos,
provocando por sua vez um deslocamento de cargas eléctricas, deslocamento
esse que é tanto maior quanto mais elevado for o estímulo exterior. Deste
modo, existirá uma concentração de cargas eléctricas de sinais contrários em
ambos os lados do osso.
De uma forma geral, existem três tipos de terapêuticas clínicas associadas à
estimulação eléctrica, com o objectivo de assistir e acelerar o tratamento de
fracturas ósseas:
•
Através de eléctrodos. A implantação destes eléctrodos, sendo uma
técnica invasiva, requer uma intervenção cirúrgica que abre a porta
para potenciais infecções. Adicionalmente, ocorre todo um conjunto de
fenómenos eléctricos na superfície dos eléctrodos, como a electrólise e
a indução de forças electromotrizes parasitas, cuja intensidade
depende da tensão utilizada, do material do eléctrodo, e das suas
características superficiais. No ânodo, geram-se situações de corrosão
electroquímica, mesmo com intensidades de corrente muito reduzidas,
existindo outros inconvenientes como sejam a impossibilidade de não
se conhecerem previamente todos os trajectos por onde circulará a
corrente de estimulação, e a utilização de cátodos com uma superfície
significativa, ou de vários cátodos, quando as dimensões anatómicas
são grandes.
•
Através de campos eléctricos com ligação capacitiva, Capacitively
Coupled Coupled Electric Fields (CCEF). Esta técnica não invasiva
consiste em aplicar externamente sobre a pele, no local da fractura,
dois eléctrodos planos, aos quais se aplica uma diferença de potencial
reduzida, de alta frequência, que dará origem a um campo eléctrico
entre as placas, semelhante ao de um condensador, e que irá estimular
electricamente os tecidos ósseos na zona da fractura, acelerando a sua
regeneração.
•
Através de campos electromagnéticos pulsantes, Pulsed ElectroMagnetic Fields (PEMF). Esta técnica, de indução ou ligação
magnética, igualmente não invasiva, por conseguinte não indutora de
potenciais infecções pós-cirúrgicas, consiste em aplicar bobinas de
113
excitação sobre a pele do paciente, de forma a envolver a zona da
fractura. Quando essas bobinas são excitadas através de uma corrente
eléctrica, aplicada sob a forma de impulsos, gera-se um campo
electromagnético de indução, o qual, por sua vez, dará origem a uma
corrente eléctrica de reduzida intensidade que irá estimular os tecidos
ósseos na zona da fractura.
Figura 6.1 – Dispositivo de campos electromagnéticos pulsantes (PEMF).
Saliente-se que, para ambas as técnicas não invasivas (CCEF e PEMF), o
objectivo é gerar uma corrente eléctrica de baixa intensidade que estimule
electricamente as células ósseas com o objectivo de promover a regeneração
de fracturas. Todavia, a diferença reside no modo de obtenção – na CCEF tem-se uma corrente de carácter capacitivo, gerada por duas placas (armaduras)
situadas na pele entre a fractura, enquanto que na PEMF se tem uma corrente
de carácter indutivo, gerada por duas bobinas de excitação situadas fisiologicamente como as armaduras do sistema capacitivo. Nos Estados Unidos, a
taxa de sucesso da CCEF situa-se entre 70 % e 77 %, enquanto que a da
PEMF se encontra num intervalo de 72 % a 87 %.
A utilização de técnicas não invasivas na cura de fracturas ósseas, representa
um procedimento bastante mais limpo, no sentido de não carecer de cirurgias e
das suas potenciais infecções pós-operatórias, mas também mais económico
114
em termos de saúde pública, na medida em que é uma terapêutica muito
simples, para um tipo de ocorrência cada vez mais frequente. Evidentemente
que, no que respeita a fracturas expostas, é inevitável a cirurgia correctiva,
sendo a estimulação eléctrica extremamente útil na cura de fracturas não
expostas, e na recuperação de pós-operatórios que sofreram aquele tipo de
fracturas ou que, em resultado das operações, o processo de união óssea não
esteja a decorrer como seria esperado. Para se avaliar a dimensão social deste
problema, no que respeita à saúde pública, ocorrem cerca de 5,6 milhões de
fracturas só nos Estados Unidos, das quais entre 5 % a 10 % não são curadas
convenientemente.
6.5. TRATAMENTO DA OSTEOPOROSE
Os ossos são constituídos por dois componentes, isto é, os componentes
corticais e trabeculares, os quais, no seu conjunto, conferem aos ossos a sua
dureza e robustez. Em termos de caracterização, o osso cortical é um tecido
denso e compacto, enquanto que o osso trabecular é poroso e esponjoso, e
tem uma estrutura rendilhada similar a uma colmeia, sendo metabolicamente
mais activo que o osso cortical, daí ser mais sensível aos factores associados
ao aumento ou à diminuição da massa óssea.
Por definição, a osteoporose é uma doença metabólica da estrutura óssea,
irreversível, sendo caracterizada pela redução da massa dos ossos e pela sua
alteração estrutural, aumentando de forma significativa a sua fragilidade. Em
termos microscópicos, o tecido trabecular fragiliza-se, aumentando o seu
rendilhado devido à fragilização do tecido e à sua perfuração. No que respeita
ao tecido cortical, aumenta igualmente a sua fragilidade sobretudo em idosos.
Na prática, a robustez mecânica dos ossos afectados pela osteoporose reduz-se drasticamente, tornando-se muito mais frágeis e susceptíveis de sofrerem
fracturas, quando comparados com os ossos considerados normais.
A etiologia da osteoporose é heterogénea e multifactorial, devendo ser dividida
em duas áreas – desmineralização óssea e fracturas:
•
O esqueleto humano existe num estado dinâmico de balanço entre a
formação óssea e a reabsorção óssea. Por conseguinte, a osteoporose
pode ser devida a uma diminuição da formação óssea ou a um aumento
115
da reabsorção, ou seja, por outras palavras, a osteoporose é devida à
perda daquele balanço, com a consequente desmineralização e a perda
de massa óssea, conduzindo frequentemente a fracturas.
•
O valor máximo da massa óssea, usualmente definido, em termos
clínicos, como sendo a mais elevada densidade óssea que um indivíduo
atinge como resultado do normal desenvolvimento do seu esqueleto,
desempenha um papel fundamental, crítico, na determinação das
fracturas dos ossos. Adicionalmente, existem outros factores como
sejam as características das quedas sofridas pelos pacientes, as micro-fracturas recorrentes, a geometria dos ossos, o seu teor de medula, e a
relação entre as quantidades de tecidos corticais e trabeculares, que são
igualmente muito determinantes para a ocorrência de fracturas.
A osteoporose representa actualmente talvez a enfermidade de maior
dimensão, em termos de saúde pública, sobretudo nos países mais desenvolvidos, devido essencialmente ao aumento da esperança média de vida. Por
exemplo, nos Estados Unidos esta doença afecta cerca de 25 milhões de
pessoas e é a responsável directa por cerca de 1,5 milhões de fracturas por
ano, que incluem 700 mil fracturas da coluna, 250 mil fracturas da bacia, 250
mil fracturas do antebraço, e 300 mil fracturas em outros locais dos membros
superiores e inferiores.
Em termos económicos, os custos directos e indirectos são elevados, com
tendência para aumentar. Ainda relativamente aos Estados Unidos, esses
custos são estimados em 10 biliões de dólares por ano. Extrapolando os
valores actuais para os próximos dez anos, calcula-se que, no grupo etário de
indivíduos do sexo feminino com uma idade igual ou superior a 45 anos, o
número de fracturas seja de 5,2 milhões, as perdas de produção sejam iguais a
2 milhões de “pessoas x ano”, e os custos médicos directos ascendam a 45
biliões de dólares. Atendendo a esses valores, é pertinente que a gestão do
problema da osteoporose e das fracturas consequentes, compreenda toda uma
acção concertada que inclui o diagnóstico, a prevenção e o tratamento, no
sentido da sua detecção precoce. Em termos gerais, a prevenção desta doença
inicia-se com a educação do público, assim como dos médicos responsáveis
pelos cuidados primários de saúde, na medida em que a redução da massa
116
óssea é um fenómeno lento e gradual, daí que a osteoporose seja considerada
uma doença silenciosa. O risco de desenvolvimento desta doença pode ser
reduzido seja pelo aumento máximo possível da massa óssea até à idade
crítica, que se situa entre os 30 e os 40 anos, seja pela diminuição da taxa de
redução de tecido ósseo. A adopção destas medidas passa inevitavelmente
pela prática de um modo de vida saudável – alimentação rica em cálcio,
proteínas, e vitamina D, actividade desportiva regular, não fumar, evitar o
consumo de bebidas alcoólicas, e evitar o consumo de cafeína.
Em termos clínicos, a grandeza que melhor reflecte os riscos de fractura é a
densidade mineral óssea ou densitometria óssea (bone mineral density BMD),
sendo medida pelos seguintes métodos:
•
Absorsiometria de raios X de dupla energia (dual-energy x-ray absorptiometry DXA), que é uma das técnicas mais utilizadas, por ser
precisa, sensível, e rápida, expondo os pacientes a doses de radiação
muito reduzidas.
•
Tomografia periférica computorizada, densitometria de raios X de
simples e de dupla energia, absorsiometria radiográfica, e ultrasons.
Saliente-se que cada uma destas técnicas apresenta o diagnóstico mais
completo e optimizado em função do local e da zona onde se pretende medir a
BMD – a DXA é a mais aconselhável para medir a BMD na coluna, no fémur, e
na totalidade do corpo; a tomografia periférica computorizada para o rádio; a
densitometria de raios X de simples energia para a coluna; a densitometria de
raios X de dupla energia para o rádio; e os ultrassons para o calcanhar, a
rótula, e a tíbia.
Tal como sucede há cerca de 25 anos com a regeneração de fracturas e
defeitos ósseos, conseguida através da estimulação magnética (PEMF), a
utilização desta técnica representa um potencial modo de tratamento não
invasivo e não farmacológico da osteoporose, tendo sido já levadas a cabo
diversas experiências com algum sucesso.
6.6. TRATAMENTO DA ESCLEROSE MÚLTIPLA
Estima-se que entre 10 % a 20 % dos pacientes de esclerose múltipla apresentam um percurso crónico progressivo, caracterizado por uma degradação
117
progressiva, irreversível, que tem o seu início tendencialmente numa idade
avançada, e que apresenta tipicamente em primeiro lugar distúrbios motores
envolvendo a capacidade de mobilidade e a fraqueza dos membros inferiores,
assim como uma incidência elevada de deficiências cognitivas. Quando a
doença se manifesta em idades inferiores a 35 anos, os primeiros sintomas, de
natureza sensorial, podem ser precocemente detectados através de um
prognóstico correctamente elaborado. Em contrapartida, quando os sinais são
já de origem motora, incluindo fraqueza, espasmos, e sintomas cerebelares,
não houve prognóstico ou então esses sinais foram mal interpretados. Ou seja,
quando os sintomas cerebelares ou piramidais surgem dentro de 5 anos após o
início da doença, tudo indicia que existiu deficiência no prognóstico, sendo de
salientar que esses sintomas são mais graves no homem que na mulher.
Presentemente, não existe nenhuma modalidade de tratamento farmacológico
que tenha demonstrado efeitos benéficos a longo prazo relativamente aos
sintomas da esclerose múltipla, não existindo igualmente modalidades terapêuticas específicas que retardem e invertam a esclerose múltipla progressiva.
Na prática, muitos dos sintomas podem ser geridos e atenuados recorrendo-se
a fármacos – os espasmos e convulsões são atenuados com baclofen ou com
diazepam, a fadiga crónica consegue responder ao tratamento com
amantadina, a dor pode ser tratada com amitriptilina ou com carbamazepina, e
a incontinência urinária pode ser controlada através de uma cateterização
intermitente e/ou da administração de medicamentos anticolinérgicos.
Em contrapartida, tem vindo a demonstrar-se clinicamente que a aplicação
transcortical de campos electromagnéticos da ordem do picotesla (10-12 T),
representa a modalidade mais segura e altamente eficiente para o tratamento
sintomático da esclerose múltipla, e é presentemente a única terapia que tem
de facto provado que conduz a melhorias e ao retrocesso do decurso clínico
em doentes diagnosticados com esclerose múltipla progressiva.
Por outro lado, o controlo da euforia, da depressão e da instabilidade
emocional, torna-se mais problemático, na medida em que a maioria dos
pacientes não reage eficazmente a uma medicação antidepressiva. A utilização
de placebos é ineficaz, na medida em que se provou que a aplicação falsa de
campos magnéticos em pacientes, em ocasiões separadas, não produziu
quaisquer efeitos clínicos. Somente a aplicação de campos magnéticos é que
118
originou mudanças fisiológicas rápidas, como a redução da tensão arterial e da
pulsação, relaxamento, sonolência, e arrefecimento das extremidades. Além
disso, é improvável que as melhorias nos sintomas se devam apenas a um
retrocesso espontâneo.
De um modo subjectivo, em relação a um paciente, foi constatado que o
tratamento magnético produziu melhorias relativas entre 50 % a 60 %,
resultado esse que foi suportado por pesquisas neurológicas objectivas.
Adicionalmente, alguns dos sintomas sentidos pelo paciente, como vertigens
intermitentes, fadiga, dores de cabeça, disfunções da vesícula, depressão, e
disfunções sexuais, foram melhorados com a aplicação desse tratamento,
tendo sido igualmente reportadas melhorias na sintomatologia cerebelar.
Todavia, não deixa de ser intrigante do ponto de vista científico, como é que a
aplicação a esse paciente de um campo magnético de 7,5 pT, externo, e de
curta duração, foi capaz de ter originado uma melhoria tão significativa nos
sintomas da sua esclerose múltipla progressiva, tanto mais que não reagiu a
um placebo magnético, como se salientou atrás. A resposta a esta estimulação
magnética cerebral externa atesta a sensibilidade do cérebro humano a
campos magnéticos da ordem do pT e, potencialmente, como conclusão, a
campos magnéticos ambientais.
Como conclusão, poder-se-á afirmar que este método de tratamento, não
invasivo, se se provar a sua eficácia num conjunto significativo de pacientes,
poderá constituir uma modalidade clínica eficaz no controlo e recessão da
esclerose múltipla progressiva.
6.7. TRATAMENTO DE DISTÚRBIOS DO SISTEMA NEUROLÓGICO
Durante mais de 40 anos, era prática corrente utilizar-se a terapia de electrochoques no tratamento de doenças e anomalias do foro psiquiátrico, sendo os
seus principais inconvenientes não só a necessidade de se aplicar anestésicos,
mas também a deterioração das faculdades cognitivas dos pacientes. A
despeito da eficiência deste método clínico, a terapia que se veio a impor
consistiu na administração gradual de medicamentos, com efeito nos
receptores neuronais, terapia essa que é exclusiva actualmente.
Contrariamente aos electrochoques, a estimulação magnética transcraniana
(TMS) induz um estímulo eléctrico altamente localizado numa determinada
119
região do cérebro, e com uma diferença de potencial muitíssimo mais reduzida,
tendo-se constatado recentemente que esta terapêutica poderá ser utilizada no
tratamento da depressão. Nesta técnica de TMS, faz-se circular uma corrente
de elevada intensidade, por impulsos, através de uma bobina de excitação
instalada tangencialmente ao couro cabeludo e centrada na parte superior da
cabeça.
Essa corrente eléctrica, variável no tempo, induz, por sua vez, um campo
magnético de intensidade relativamente elevada, também variável no tempo, e
com uma direcção perpendicular ao plano da bobina, ou seja, perpendicular à
cabeça do paciente. Como esse campo magnético é variável no tempo, através
da lei de indução de Faraday será gerado um campo eléctrico nos tecidos
cerebrais, que se traduzirá pelo aparecimento de uma corrente eléctrica que
circulará nesses tecidos. Saliente-se que, como as linhas de força do campo
magnético atravessam totalmente o crânio, o dimensionamento da estimulação é facilmente executado, na medida em que essas linhas contribuem praticamente todas elas para a indução das correntes de estimulação cerebrais.
Além disso, esta terapêutica não implica qualquer dor ou outra sintomatologia
para os pacientes.
A terapêutica TMS foi originalmente desenvolvida como um meio de
diagnóstico para a investigação de distúrbios neurológicos, particularmente o
funcionamento fisiológico das funções motoras. Contudo, esta metodologia
também permite a examinação não invasiva das funções superiores do
cérebro, isto é, a atenção, a memória, e a fala. Em trabalhos de investigação
publicados a partir de 1996, foi reportado que os pacientes com doença de
Parkinson e com enxaquecas podem beneficiar da terapêutica TMS,
terapêutica esta que, aplicada repetitivamente, pode conduzir a melhorias em
doentes com depressão, com psicoses obsessivas e compulsivas, e com stress
pós-traumático.
A patofisiologia dos distúrbios psiquiátricos deve ser conceptualizada em
termos de uma disfunção dos circuitos neuronais e dos neurónios a um nível
celular e molecular, sendo a TMS aconselhável para a investigação desses
mecanismos biológicos.
As correntes induzidas nos tecidos cerebrais têm os seus circuitos
perpendiculares à direcção do campo eléctrico induzido, ou seja, paralelos ao
120
plano da bobina de estimulação, e, sendo essa bobina instalada tangencialmente ao escalpe, esses circuitos são paralelos à superfície cortical do
cérebro, resultando numa activação dos elementos neuronais orientados
horizontalmente, isto é, paralelos àquela superfície cortical. Esta activação
suporta a hipótese de que, pelo menos com estimulações de baixa intensidade,
são activadas as células pitamidais, contudo estas estimulações dependerão
certamente da intensidade das próprias estimulações, da orientação da bobina,
da condutividade dos tecidos, e da orientação das fibras nervosas.
6.8. HIPERTERMIA
A hipertermia do cancro (hyperthermia treatment HT) é um tratamento no qual
a temperatura local de um tecido ou da totalidade do corpo, é elevada até um
determinado nível terapêutico, com o objectivo de erradicar tumores
cancerígenos. Esta terapêutica tem vindo a ser aplicada em combinação com a
quimioterapia, na medida em que o aquecimento aumenta a permeabilidade
das membranas celulares, potenciando assim o efeito de alguns medicamentos. Atendendo a que a gama de temperaturas se deve situar entre 42 oC e
45 oC – a temperaturas inferiores o efeito da HT é mínimo, enquanto que, para
valores superiores, as células normais podem danificar-se –, o principal
problema da HT consiste na geração e no controlo da temperatura nos
tumores, sendo a cera quente, o ar aquecido, a água quente, e a radiação
infravermelha os métodos usualmente utilizados para o aquecimento da
totalidade do corpo, enquanto que, para o aquecimento de áreas localizadas,
utilizam-se os ultrassons, o sangue aquecido, os campos electromagnéticos de
rádio-frequência, e as microondas.
Na hipertermia de RF, a temperatura final dos tumores depende essencialmente da energia calorífica depositada, que depende de forma complexa da
frequência do campo magnético, ou seja, da frequência das correntes
induzidas, da intensidade dessas correntes, da polarização dos campos
aplicados, da geometria e das dimensões do equipamento médico utilizado no
aquecimento, da dimensão dos tumores, da sua profundidade, da sua
geometria, e das suas propriedades dieléctricas.
A energia electromagnética utilizada na HT é usualmente classificada como
rádio-frequência RF, na gama entre 3 kHz e 300 GHz, ou como energia de
121
microondas, na banda entre 300 MHz e 300 GHz. Em diatermia, a frequência
RF mais usual situa-se entre 13,56 MHz e 27,12 MHz, enquanto que, na
terapêutica HT, se utilizam microondas de 433 MHz na Europa, e 433, 915, e
2450 MHz nos Estados Unidos. As frequências acima de 2450 MHz não são
utilizadas, devido ao seu reduzido poder de penetração nos tecidos. Saliente-se que, para aquecimentos de profundidade reduzida (entre 2 cm e 5 cm), e
bem localizados, normalmente utiliza-se a frequência intermédia de 915 MHz,
e, para o tratamento de tumores localizados a profundidades superiores a 5
cm, torna-se necessário utilizar campos electromagnéticos com maior capacidade de penetração, daí que a frequência aplicada seja mais reduzida,
estando compreendida entre 5 MHz e 30 MHz.
Na prática clínica, para se produzir calor bem focalizado em profundidade, nos
tumores, utiliza-se uma matriz de antenas RF dispostas ao longo de um
cilindro, como se mostra na figura 6.2, para o tratamento de tumores no tronco
e nos membros inferiores. A variação da radiação RF em fase e em amplitude
controla a incidência do calor assim como a sua intensidade e a sua
profundidade de penetração.
Como se pode observar na figura, além do cilindro com as antenas, que
constitui o equipamento HT propriamente dito, a paciente encontra-se
monitorizada permanentemente através de um sistema de imagiologia de
ressonância magnética, de modo a que se possam observar as variações de
temperatura e as alterações químicas dos tecidos sujeitos a tratamento.
Figura 6.2 – Equipamento de hipertermia para tratamento do cancro.
A terapêutica HT é uma técnica bastante complexa, e deverá ser manipulada
apenas por pessoal médico e auxiliar bastante experiente, na medida em que a
122
escolha do equipamento mais adequado depende da localização e da vascularidade do tumor e dos tecidos adjacentes, assim como condições físicas em
que o paciente se encontra.
No sentido de se aprofundar um pouco mais o significado da terapia térmica,
saliente-se que este tipo de terapia é comummente classificado em três
categorias diferenciadas, consoante não só os níveis de temperatura utilizados
no tratamento, mas também o tempo de duração desse tratamento:
•
Diatermia. Consiste no aquecimento dos tecidos até uma temperatura
de 41 oC, sendo uma fisioterapia normalmente utilizada no tratamento de
perturbações reumáticas.
•
Hipertermia. A temperatura localizada em determinadas partes do
corpo, ou na totalidade do corpo, é elevada a um nível bastante acima
do normal, isto é, entre 41 oC e 45 oC, com a finalidade do tratamento de
alguns tipos de cancro, por vezes em associação com outros métodos
terapêuticos, como é o caso da radioterapia e da quimioterapia para se
acelerar e melhorar os resultados obtidos.
•
Ablação Térmica. A temperatura de utilização é superior a 45 oC, com a
finalidade de se destruírem as células situadas em secções localizadas
de tumores cancerígenos. Esta técnica terapêutica, como se verá em
detalhe no sub-capítulo 6.9, encontra-se vocacionada para o tratamento
de cancros, em urologia para o tratamento de hiperplasias benignas da
próstata, e em cardiologia para a estimulação cardíaca.
Adicionalmente, os efeitos do calor dependem da temperatura atingida pelos
tecidos, temperatura essa que, por sua vez, é função da energia térmica total
aplicada, da taxa de remoção do calor, e da sensibilidade térmica específica
dos tecidos. Os mecanismos associados às lesões e à destruição térmica
directa assim como à termo-sensibilidade envolvem interacções complexas no
interior do tecido tumoral, ao nível celular e sub-celular, sendo de salientar que
a membrana celular representa o componente mais vulnerável às lesões e à
destruição através do calor. Por outro lado, estudos realizados in vitro e in vivo
demonstraram que a temperatura de destruição das células tumorais é inferior
à da destruição das células normais, isto é, sãs, mostrando-se no quadro 6.1
os efeitos da temperatura nos tecidos biológicos.
123
Gama (oC)
Duração
Efeitos físicos
Efeitos biológicos
< – 50
> 10 min
congelação
destruição celular
completa
0 – 25
> 10 min
permeabilidade
decrescente
diminuição da perfusão
sanguínea, diminuição do
metabolismo celular,
morte por hipotermia
30 – 39
sem limite
sem alterações
sem alterações
40 – 46
30 – 60 min
alterações nas
propriedades ópticas dos
tecidos
aumento da perfusão
sanguínea, indução de
termo-tolerância, morte
por hipertermia
47 – 50
>10 min
necrose, coagulação
desnaturação proteica
> 50
2 min
necrose, coagulação
morte das células
60 – 140
segundos
coagulação, ablação
desnaturação proteica,
ruptura das membranas,
contracção das células
100 – 300
segundos
vaporização
contracção das células,
formação de bolhas de
vapor extracelulares
> 300
fracção de
segundo
carbonização, geração de
fumos
carbonização
Quadro 6.1 – Efeitos da temperatura nos tecidos biológicos.
A termoterapia é normalmente implementada como uma técnica minimamente
invasiva, em alternativa às técnicas cirúrgicas tradicionais, no tratamento de
doenças benignas e do cancro, assim como no tratamento de lesões desportivas e na regeneração e modificação de tecidos biológicos. Na prática, os
termos técnicos ablação térmica, coagulação térmica, hipertermia, e termoterapia, são empregues para descrever a utilização de calor, ou seja, de
energia calorífica, para modificar ou destruir tecidos biológicos, de uma forma
directa.
Como complemento, apresenta-se no quadro 6.2 a gama das terapias
térmicas, salientando-se os níveis de temperatura, a duração do tratamento, os
mecanismos biológicos, e os resultados obtidos. Saliente-se que a ablação
térmica e a hipertermia com temperaturas moderadas devem ser entendidas,
na prática, não como terapias alternativas uma da outra, mas sim como sendo
formas complementares de terapias térmicas, isto é, nenhuma destas terapêuticas tem como finalidade principal substituir a outra.
124
Termoterapias
Crioterapia
Diatermia
(hipertermia
de baixa
temperatura)
Hipertermia
de
temperatura
moderada
Ablação
térmica
(hipertermia
de alta
temperatura)
Temperatura
< – 50 oC
40 – 41 oC
42 – 45 oC
> 50 oC
Duração
> 10 min
6 – 72 horas
15 – 60 min
4 – 6 min
Mecanismo
transição entre
congelação e
descongelação,
disrupção das
membranas
celulares
aumento da
corrente
sanguínea nos
tecidos,
aumento do
metabolismo
aumento da
corrente
sanguínea nos
tumores,
aumento do
nível de
oxigenação
das células,
aumento da
sensibilidade
das células à
radioterapia
desnaturização
proteica,
coagulação,
ablação,
vaporização
Resultados
destruição
física imediata
das células
reparação
acelerada dos
tecidos
morte das
células
morte imediata
das células
Quadro 6.2 – Esquematização das termoterapias.
6.8.1. Hipertermia Local
O sucesso da hipertermia como uma modalidade de tratamento reside na
localização exacta da energia calorífica no interior do tumor cancerígeno, sem
causar danos térmicos nos tecidos biológicos envolventes, considerados sãos.
Na hipertermia local, o objectivo consiste em aumentar principalmente a
temperatura dos tumores, mantendo a temperatura dos tecidos sãos envolventes, utilizando modalidades externas ou interesticiais. O calor é assim
aplicado numa área reduzida, representando este tipo de hipertermia uma
terapêutica eficiente no tratamento do cancro, e que obedece a um simples
princípio básico: Se se conseguir um aumento de temperatura até 42 oC no
interior de um tumor cancerígeno, durante 1 hora, as células do tumor serão
destruídas, atendendo ainda a que os tumores malignos, por apresentarem
uma circulação sanguínea deficiente, conferem-lhes uma maior sensibilidade
às variações de temperatura.
A hipertermia local é conseguida através de aplicadores de rádio-frequência, de
microondas, ou de ultrassons, de diferentes tipos – guias de onda, espirais, de
125
lâminas de corrente –, colocados na superfície dos tumores superficiais, por
meio de um bolbo de contacto, sendo a profundidade de penetração
dependente da frequência e das dimensões do aplicador, situando-se
normalmente entre 3 cm e 4 cm. De um modo geral, os sistemas de hipertermia
local são constituídos por um gerador de ondas electromagnéticas, por um
sistema computorizado de controlo e regulação da temperatura, pelo aplicador,
pelo bolbo de contacto, e por uma sonda de temperatura, como se
esquematiza na figura 6.3.
Gerador de energia
electromagnética
Computador
Aplicador
Bolbo
Pele
Tumor
Sonda
(termistor)
Figura 6.3 – Sistema de hipertermia local.
O aquecimento de áreas reduzidas, usualmente até 50 cm2, com a finalidade
de tratar tumores que se encontram localizados na pele ou imediatamente
abaixo dela, até uma profundidade de 4 cm, é, actualmente, fácil de se
conseguir, utilizando uma hipertermia local externa ou então em combinação
com a radioterapia. Esta técnica de hipertermia local externa é utilizada para o
tratamento de pacientes com tumores ou metástases superficiais cutâneos ou
126
subcutâneos, como é o caso de melanomas superficiais recorrentes, de
cancros superficiais nas paredes do tórax, e das metástases nodais da coluna
cervical, associadas a cancros na cabeça e no pescoço. Habitualmente, o calor
é aplicado através de ondas de energia electromagnética de alta frequência,
geradas numa fonte exterior ao corpo humano.
A hipertermia local endocavitária é utilizada como meio terapêutico para o
tratamento de tumores localizados em cavidades ou em zonas próximas, no
corpo humano, como é o caso dos tumores gastrointestinais (recto, esófago),
dos tumores ginecológicos (vagina, útero), dos tumores genitourinários
(próstata, bexiga), e dos tumores pulmonares (traqueia, brônquios). O
aquecimento, que é bastante localizado, é conseguido através de eléctrodos
que são directamente introduzidos nas cavidades em questão.
Uma outra técnica de hipertermia local, a hipertermia local interesticial, é
utilizada para o tratamento de tumores que se encontram a uma certa
profundidade no corpo humano, como sucede, por exemplo, com os tumores
cerebrais. O equipamento usado inclui diversos tipos, consoante a técnica em
que se baseiam – utilização de energia de rádio-frequência, a 0,5 MHz;
utilização de microondas, entre 300 MHz e 2450 MHz, instalando pequenas
antenas nos tumores através de orifícios minúsculos; utilização de implantes
ferromagnéticos que aquecem por meio de correntes induzidas; utilização de
tubos de água aquecida; utilização de raios laser. Esta técnica permite que os
tumores sejam aquecidos até temperaturas mais elevadas que aquelas que se
conseguem com técnicas de aquecimento exterior, havendo ainda a vantagem
suplementar de se conseguir controlar melhor a distribuição de calor. Todavia,
é uma terapêutica invasiva, com as dificuldades inerentes à aplicação de
tratamentos repetitivos. Sob anestesia, as antenas, de espessura finíssima, são
introduzidas no corpo, com a finalidade de depositarem a energia electromagnética suficiente para o aquecimento pretendido. Para o tratamento de
regiões de dimensão superior à profundidade de penetração da energia
electromagnética correspondente à frequência utilizada, a taxa de absorção
específica SAR requerida normalmente não é conseguida através de uma
única antena, sendo empregues matrizes de antenas. Saliente-se ainda que a
colocação das antenas é controlada em tempo real através de equipamentos
de imagiologia, para que não se verifiquem desvios em relação ao local.
127
6.8.2. Hipertermia Regional
Esta terapêutica é especialmente indicada para pacientes com tumores já em
fase de desenvolvimento avançado, e situados em zonas relativamente
profundas, como sucede por exemplo com os carcinomas da pélvis e do
abdómen. Comparativamente com a hipertermia local, a aplicação desta
técnica de hipertermia regional é bastante mais complexa, devido à larga
variação no respeita às propriedades físicas e fisiológicas dos tecidos
abrangidos, sucedendo que a aplicação da energia electromagnética se
processa não só, essencialmente, às áreas tumorais, mas também, como
consequência, aos tecidos sãos envolventes. Perante esta situação, o controlo
do calor aplicado aos tumores é possível apenas quando a dissipação de calor
através da corrente sanguínea nos tecidos sãos, é superior à dissipação nos
tecidos tumorais. Esta terapêutica é aplicada usualmente em combinação com
a radioterapia, no tratamento de tumores da pélvis, e de carcinomas do recto,
da coluna cervical, da vesícula, e da próstata.
Como se salientou, a maior dificuldade associada a esta terapêutica reside no
aquecimento dos tumores, aquecimento esse que se deve processar exclusivamente nos tumores e não nos tecidos vizinhos, sãos. Como tal, têm vindo a
ser desenvolvidos equipamentos médicos de aquecimento, que permitem
realizar a deposição da energia electromagnética exclusivamente nos tumores,
com a particularidade desse aquecimento ser feito exteriormente, sem técnicas
invasivas, denominando-se essa terapêutica por hipertermia regional de
profundidade. Este tipo de hipertermia regional é conseguido através de
aplicadores externos constituídos por quatro pares de antenas dipolares,
dispostas em anéis que se colocam à volta dos pacientes, sendo este
equipamento designado comercialmente por Sigma-60. Outro tipo de
equipamento comercial, da última geração e designado por Sigma-Eye, é
constituído por três anéis contendo cada um deles quatro pares de antenas
dipolares planas.
Uma outra terapêutica consiste na denominada hipertermia regional de
perfusão, em que se extrai sangue dos pacientes afectados por carcinomas,
sangue esse que é aquecido exteriormente, efectuando-se depois a respectiva
transfusão para os órgãos afectados. É uma técnica que poderá ser utilizada
no tratamento de cancros nos membros superiores e inferiores, assim como de
128
melanomas e de cancros noutros órgãos, como por exemplo no fígado e nos
pulmões. Em contraste com as terapêuticas de aquecimento externo, este tipo
de hipertermia apresenta riscos consideráveis tais como o aparecimento de
neuropatias e de amputações dos membros. Contudo, como contrapartida, a
hipertermia regional de perfusão, feita de forma isolada em membros assim
como de forma interperitoneal, a diferentes temperaturas, conduz a taxas de
resposta bastante mais eficientes que as verificadas com tratamentos
convencionais à base de quimioterapia. Num futuro muito próximo, como
resultado das investigações que têm vindo a ser realizadas, será igualmente
possível utilizar esta terapêutica no tratamento de cancros nos ovários, em
conjunção com a quimioterapia, e na cavidade peritoneal (abdómen, intestinos,
estômago, e fígado), através de hipertermia regional de perfusão contínua,
em que a temperatura nessa cavidade será mantida entre 41 oC e 42 oC.
6.8.3. Hipertermia de Corpo Inteiro
As primeiras tentativas de aplicação desta terapêutica remontam a 1890,
terapêutica essa que, funcionando a temperaturas limites de 42 oC, representa
uma condição patofisiológica distinta e complexa, e que apresenta um impacto
tremendo no metabolismo dos tecidos biológicos, na corrente sanguínea, no
funcionamento dos órgãos, e na regeneração de tecidos. Por exemplo, o
metabolismo basal de um ser humano com um peso médio de 70 kg é de 85 W
a uma temperatura de 37 oC, duplicando a 42 oC, ou seja, se se considerar um
isolamento térmico perfeito (dissipação de calor nula – acumulação no corpo
humano de toda a energia calorífica por ele produzida), em 180 minutos, isto é,
em 3 horas, a temperatura subiria de 37,5 oC até 42 oC.
Na prática, este tipo de hipertermia, associada à radioterapia e à quimioterapia,
é utilizada não só no tratamento de cancros malignos, já na fase de possuírem
metástases, mas também no tratamento de tumores nos ossos, e da própria
SIDA. Esta hipertermia deve ser aplicada apenas a pacientes cujo estado geral
de saúde apresente boas condições e, quando combinada com a administração de outros medicamentos, deve-se, em primeiro lugar, verificar a segurança dessa administração. Normalmente, devem-se administrar sedativos ou
mesmo anestesia geral aos pacientes, controlando-se permanentemente os
seus sinais vitais, a temperatura corporal, e as funções cardíacas.
129
Tecnicamente, existem três métodos para se conseguir atingir as temperaturas
pretendidas – por condução térmica, sendo o aquecimento processado exteriormente; por indução extracorporal, em que se retira sangue do paciente,
que é aquecido até 42 oC, efectuando-se imediatamente a seguir, enquanto se
encontra a essa temperatura, a sua transfusão para o paciente; por indução
de energia electromagnética. A tolerância, por exemplo, do fígado e do tecido
cerebral, limita a temperatura máxima ao intervalo 41,8 – 42,0 oC, podendo,
contudo, essa temperatura ser mantida por várias horas. Adicionalmente, o
aquecimento poderá ser acompanhado através de fontes de calor tais como a
imersão em líquidos aquecidos, o ar quente, os cobertores aquecidos, ou as
câmaras de aquecimento, do tipo das incubadoras.
6.8.4. Hipertermia Extracelular
Como se descreveu anteriormente em pormenor, a hipertermia convencional
consiste em aquecer os tecidos malignos até uma determinada temperatura,
aquecimento esse que se encontra circunscrito apenas à região tumoral, com a
finalidade de se destruir as respectivas células malignas, sendo a temperatura
de tratamento o principal parâmetro técnico e fisiológico a controlar. Contudo,
têm surgido algumas discussões científicas relacionadas com este processo,
na medida em que não se conhecem ainda em pormenor quais os mecanismos
biofísicos de interacção entre os tecidos biológicos e o armazenamento e a
condução de calor.
Na sequência dessas dúvidas, surgiu a hipertermia extracelular, também designada por electro-hipertermia ou por oncotermia, que consiste em aquecer
os tecidos envolventes das células, através de campos eléctricos induzidos,
sendo a absorção da energia calorífica processada através do líquido extracelular. Este tipo de hipertermia é baseada assim na transferência de energia,
com ligação capacitiva, a uma determinada frequência, e que é primeiramente
absorvida pela matriz extracelular, devido à impossibilidade de penetrar na
membrana celular. Assim sendo, e contrariamente à temperatura na hipertermia convencional, a energia térmica absorvida, isto é, a dose térmica,
representa o parâmetro principal a ser controlado, na medida em que essa
energia origina a mudança em muitos dos processos energéticos nos tecidos e
na sua fisiologia.
130
6.8.5. Equipamentos de Aquecimento
Como se depreendeu anteriormente, os sistemas clínicos de hipertermia
operam com o objectivo de elevar a temperatura de determinados tecidos,
localizados, utilizando radiação de ultrassons (ondas de frequência na gama
entre 2 MHz e 20 MHz), ou radiação electromagnética. A maioria dos equipamentos são de utilização externa, devendo ser eficientes, fiáveis, seguros, e
que assegurem de uma forma correcta e precisa a quantidade de energia
transferida e, consequentemente, a temperatura atingida pelos tecidos em tratamento.
a) Técnicas
Devido essencialmente aos grandes desenvolvimentos que se têm verificado
no domínio da engenharia electrotécnica e informática, com reflexos significativos no que respeita aos equipamentos médicos de terapia e de diagnóstico, tornou-se possível construir aplicadores de hipertermia que funcionam à
base de ultrassons, de radiação electromagnética de rádio-frequência, e de
radiação electromagnética de microondas. Para que esses aplicadores sejam
integralmente não invasivos, evitando-se a introdução de termistores directamente nos tecidos tumorais em tratamento, a hipertermia é aplicada em
associação com a imagiologia de ressonância magnética, com a finalidade de
se monitorizar permanentemente as temperaturas atingidas.
b) Dispositivos Externos de Rádio-Frequência
As investigações iniciais sobre a utilização de ondas electromagnéticas de
rádio-frequência tiveram lugar em 1891, graças aos trabalhos de d’Arsonval,
que demonstrou que essas ondas atravessam os tecidos biológicos, originando
um aumento de temperatura mas sem provocarem qualquer excitação neuromuscular. Estas observações conduziram, a meio da década de 1900, à
utilização médica da electrocauterização e da diatermia.
Modernamente, para se elevar a temperatura de tumores profundos e com uma
dimensão considerável, utilizam-se dispositivos que geram campos electromagnéticos de rádio-frequência, na gama de 10 MHz a 120 MHz, e com
comprimentos de onda que são mais longos que a dimensão do corpo humano.
O objectivo consiste assim em gerar um campo eléctrico alternado sinusoidal
131
no interior do tecido biológico em tratamento e, atendendo à diferença significativa de resistência eléctrica entre o eléctrodo metálico mergulhado no tecido
e o próprio tecido, o campo eléctrico induzido origina a agitação dos iões
existentes no tecido tumoral, iões esses que imediatamente se distribuirão em
torno do eléctrodo. Esta agitação iónica gera calor, devido aos choques e aos
atritos existentes entre os iões energizados, conseguindo-se assim o aumento
de temperatura desejado, sendo essa temperatura permanentemente controlada através da regulação da dose de radiação electromagnética emetida pelo
sistema de hipertermia.
Um outro equipamento em franca expansão, utilizado no tratamento dos carcinomas da próstata e da mama, utiliza a radiação electromagnética de microondas, nas frequências de 434 MHz, 915 MHz, e 2450 MHz, emitidas por meio
de antenas, sendo a temperatura controlada através de sensores sem contacto
directo com os tecidos, o que transforma esta terapêutica numa técnica não
invasiva.
c) Dispositivos Externos de Radiação Electromagnética
Estes dispositivos baseiam-se nos efeitos capacitivos e indutivos para gerarem
a energia térmica suficiente para aquecerem os tecidos em tratamento até às
temperaturas pré-definidas. Os dispositivos capacitivos são constituídos por
um gerador de rádio-frequência, um medidor de potência, um conjunto de
aplicadores com eléctrodos, um sistema de controlo de temperatura, um
conjunto de cabos eléctricos de ligação, e um dispositivo para colocar mecanicamente todo o sistema no paciente. A energia electromagnética é transmitida do gerador ao paciente, através de cabos coaxiais ligados a dois eléctrodos que são colocados em lados opostos do corpo do paciente, permitindo a
variação da posição destes eléctrodos transmitir a energia através de
diferentes ângulos e em diferentes locais. Estes equipamentos operam a frequências de 13,56 MHz e de 27,12 MHz, funcionando os dois eléctrodos como
as armaduras de um condensador, sendo os tecidos a tratar o respectivo
material dieléctrico. O campo eléctrico criado nos tecidos tumorais dá origem,
por sua vez, a uma corrente eléctrica de deslocamento que irá agitar os iões do
tumor, gerando assim energia calorífica derivada dos choques entre eles e do
atrito inerente à sua movimentação.
132
Quanto aos dispositivos indutivos, são essencialmente constituídos por um
gerador de rádio-frequência, um medidor de potência, um ou mais aplicadores
com bobinas de indução, um sistema de controlo de temperatura, um conjunto
de cabos eléctricos de ligação, e um dispositivo para colocar mecanicamente
todo o sistema no paciente. Deste modo, como o campo magnético gerado
pelo dispositivo é alternado sinusoidal, isto é, variável no tempo, serão
induzidas correntes eléctricas, igualmente variáveis no tempo, nos tecidos em
tratamento, provocando o seu aquecimento por efeito de Joule. Estes equipamentos operam a frequências de 13,56 MHz, 27,12 MHz, e de 40 MHz, sendo
especialmente aconselháveis para a terapia de tumores profundos, acima de 5
cm, devido à elevada capacidade de penetração destas ondas electromagnéticas de indução.
d) Dispositivos Interesticiais e Intracavidades
Em 1976 foi sugerido que a aplicação de correntes eléctricas de rádio-frequência entre dois eléctrodos de aço inoxidável poderia ser utilizada para
gerar temperaturas elevadas em tumores profundos, situados a 3 ou mais
centímetros da pele, sendo este basicamente o princípio que preside à concepção e construção destes dispositivos de hipertermia. Por conseguinte, estes
dispositivos, invasivos, consistem num gerador eléctrico e num conjunto de
antenas ou de eléctrodos que são implantados directamente, de forma
interesticial, nos tumores a tratar, que se encontram acessíveis, sendo aplicada
uma tensão alternada sinusoidal entre pares de eléctrodos com a finalidade de
criar correntes eléctricas que provoquem o aquecimento dos tecidos por efeito
de Joule. Esta técnica apresenta a vantagem de maximizar a temperatura do
tumor, ao mesmo tempo que minimiza os riscos de danos nos tecidos sãos
envolventes. Quanto aos dispositivos intracavidades, o seu princípio é
rigorosamente o mesmo, com a diferença de que os eléctrodos são colocados
em cavidades fisiológicas, para se ter acesso a tumores mais profundos, isto é,
não acessíveis. Quando comparados com os sistemas interesticiais, os
dispositivos intracavidades representam a versão interior dos dispositivos
superficiais, mas aplicados nas cavidades apropriadas do corpo humano,
minimizando a quantidade de tecido são situado entre o aplicador e o tumor,
assim como os potenciais danos causados pelo seu eventual aquecimento.
133
e) Dispositivos baseados em Nanotecnologia
Conforme ficou patente ao descreverem-se as diversas terapêuticas e os vários
equipamentos associados à hipertermia, o maior problema relacionado com o
tratamento por hipertermia diz respeito à dificuldade inerente a conseguir-se
uma distribuição homogénea da energia calorífica em todo o tecido
carcinogénico a ser tratado. Esta especificidade limita por vezes a utilização
deste tipo de terapêutica, na medida em que, por um lado, essa não homogeneidade na distribuição do calor poderá conduzir a um tratamento pouco
eficaz e, por outro, poderá verificar-se um sobreaquecimento dos tecidos
normais que rodeiam o tumor, podendo eventualmente danificá-los.
A terapia do cancro baseada em nanotecnologia, também designada por
hipertermia de fluído magnético ou por terapia nanocancerígena,
representa uma forma de hipertermia interesticial, com a vantagem de se poder
seleccionar a quantidade de calor depositada no tumor, de forma a conseguir-se não só uma distribuição homogénea desse calor, mas também a protecção
dos tecidos sãos envolventes. É uma das primeiras aplicações da nanotecnologia em medicina, e baseia-se no aquecimento por indução de nanopartículas de óxido de ferro, depositadas no interior dos tumores, sob a acção
de um campo magnético variável no tempo. Os materiais utilizados deverão
apresentar um baixo nível de toxicidade, assim como um momento magnético
de saturação bastante elevado no sentido de se minimizar as doses requeridas
para se alcançar as temperaturas pretendidas, sendo normalmente empregue a
magnetite (Fe3O4), uma vez que apresenta um elevado ponto de Curie, um
elevado ponto de saturação, e, em testes clínicos, provou ter uma toxicidade
muito reduzida. Esta terapêutica tem vindo a ser aplicada no tratamento de
tumores cerebrais, de melanomas, do cancro nos rins, e do cancro na língua.
6.8.6. Hipertermia e outras Terapêuticas
A hipertermia tem vindo a ser utilizada, como se constata, no tratamento de
tumores resistentes de diversos tipos, todavia com resultados ainda não totalmente satisfatórios. Em muitas situações, consegue-se erradicar totalmente os
tumores, contudo poderá suceder que voltem a desenvolver-se posteriormente
ao tratamento. Além disso, muitos tumores encontram-se em zonas por vezes
inacessíveis, tornando-se ineficaz a utilização dos diversos tipos de
134
hipertermia, e, adicionalmente, a distribuição do calor apresenta-se como
sendo bastante não homogénea. Como tal, o maior contributo em termos de
eficiência que se consegue obter através da utilização da hipertermia, consiste
em associá-la a outras terapêuticas, mais convencionais, como é o caso da
radioterapia, da quimioterapia, e da radioquimioterapia.
a) Hipertermia e Radiação
Os efeitos sinergéticos que se conseguem obter através desta combinação,
mostram que se obtêm resultados mais completos e duradouros que os que
são obtidos com a utilização isolada da radioterapia, em tumores superficiais.
Este fenómeno justifica-se pelo facto da hipertermia causar um aumento da
corrente sanguínea, o que, por sua vez, resulta num aumento da oxigenação
dos tecidos, conduzindo a um incremento temporário da rádio-sensibilidade dos
tecidos em tratamento, facilitando e potenciando assim a aplicação da radioterapia.
Biologicamente, a hipertermia apresenta dois diferentes tipos de interacção
com a radiação. O primeiro, conduz a um efeito, como se descreveu, de rádio-sensibilização. Contudo, se bem que este seja o efeito mais proeminente da
associação entre a hipertermia e a radioterapia, sucede que o aumento da
rádio-sensibilidade se verifica não só nos tumores mas também nos tecidos
normais envolventes, o que poderá não ser muito eficiente no tratamento a não
ser que a temperatura no tumor seja bastante mais elevada que nos tecidos
envolventes. Quanto ao segundo tipo de interacção, a hipertermia exibe um
efeito citotóxico directo, podendo assim um tratamento térmico moderado,
aplicado de forma isolada, destruir selectivamente células tumorais.
Em termos gerais, a aplicação conjunta de hipertermia e de radioterapia tem
vindo a provar, clinicamente, as suas vantagens no tratamento oncológico,
constatando-se ser mais eficiente que a utilização isolada da radioterapia no
tratamento de determinados tipos de tumores.
b) Hipertermia e Quimioterapia
A prática clínica demonstra que se torna impossível utilizar a quimioterapia no
tratamento de tumores sólidos e profundos, sem se incorrer no aparecimento
de efeitos tóxicos secundários que afectam outros órgãos do corpo humano,
135
devido à injecção dos agentes químicos na corrente sanguínea, agentes esses
que atingem os tumores devido à deterioração dos vasos situados na vizinhança dos tumores. Por outro lado, diversos estudos clínicos têm demonstrado que um aumento da temperatura das células, induzida através da
absorção de energia electromagnética de rádio-frequência, aumenta consideravelmente a eficiência da quimioterapia no tratamento de tumores malignos,
na medida em que não se torna necessário aumentar a dosagem dos agentes
químicos a injectar na corrente sanguínea.
c) Hipertermia e Radioquimioterapia
A radioquimioterapia é uma terapêutica que combina entre si a aplicação simultânea de radioterapia e de quimioterapia, sendo utilizada em pacientes com
cancro do recto, tendo-se constatado que a eficácia desta terapia é reforçada
pela aplicação simultânea de hipertermia com a finalidade de aquecer os
tumores e potenciar assim a eficiência tanto da radioterapia como da
quimioterapia.
d) Hipertermia e Terapia Genética
Pode-se definir a terapia genética como sendo um tratamento no qual se
introduz material genético numa célula, com a finalidade de se aumentar ou
modificar as suas funções. Isto resulta na fabricação de proteínas, as quais são
directamente terapêuticas ou então interagem com outras substâncias no
sentido de exercerem um efeito terapêutico. Por outro lado, para se conseguir
tratar um cancro com uma eficiência elevada, o material genético deverá
exercer o seu efeito exclusivamente sobre o tumor, ou em células associadas,
e nunca sobre as células normais, e muito menos eliminar a resposta imunitária
do organismo, fundamental para o sucesso da terapia. Na prática, conseguem-se atingir estes objectivos combinando a terapia genética com a hipertermia de
corpo inteiro, contribuindo esta hipertermia para a dilatação dos vasos
sanguíneos do tumor, no sentido de fazer com que um maior número de
liposomas o atinjam para que forneçam o seu conteúdo em ADN às suas
células cancerígenas. Esta sequência biofísica aumenta a quantidade de
proteína criada pela incorporação de ADN, reforçando o sistema imunitário, que
enviará células especializadas para os tumores com a missão de os destruir.
136
6.8.7. Estado Actual e Tendências Futuras
A hipertermia representa uma terapêutica oncológica emergente e em franco
desenvolvimento, sendo, sem dúvida, uma modalidade eficiente no tratamento
do cancro, como o provam os resultados clínicos obtidos até agora, resultantes
da sua aplicação isolada, ou em combinação com outras terapêuticas oncológicas – radioterapia, quimioterapia, radioquimioterapia, e terapia genética.
O seu desenvolvimento futuro passa pela investigação biomédica no sentido de
se justificarem plenamente os mecanismos de interacção entre a absorção de
energia calorífica por parte dos tecidos cancerígenos e a sua destruição. De
facto, apesar de se ter demonstrado em testes in vitro que a hipertermia das
células conduz à sua destruição, não se conseguiu ainda encontrar uma
explicação científica para os mecanismos biofísicos que relacionam a
hipertermia com os danos e a destruição dessas células.
Adicionalmente, a expansão e a consolidação da hipertermia como uma terapêutica clínica primária, passa igualmente pelo desenvolvimento das tecnologias de termometria e de aquecimento com base na energia derivada da
radiação electromagnética de rádio-frequência. Evoluções recentes, no domínio
da instrumentação, permitem já que a transmissão e a absorção da energia
electromagnética se realize de uma forma bastante precisa, segura e fiável,
sendo utilizadas técnicas de ultrassons, de rádio-frequência, e de microondas,
mostrando-se no quadro 6.3 as características principais destas três tecnologias – vantagens, desvantagens, e domínios de aplicação.
É de recordar que a eficiência da hipertermia encontra-se directamente
relacionada com a temperatura atingida pelos tecidos cancerígenos durante o
respectivo tratamento, assim como com a duração do próprio tratamento e com
as características biofísicas das células e dos tecidos, daí que se deva investir
fortemente no desenvolvimento de sistemas de controlo de temperatura, de
forma a assegurar-se que os níveis pretendidos de calor possam ser atingidos,
mantidos e devidamente localizados, de forma rigorosa, no interior dos
tumores. Por outro lado, a utilização de meios informáticos poderosos permitem
actualmente a elaboração de ferramentas de cálculo numérico, baseadas em
elementos finitos, que proporcionam uma análise completa e rigorosa, a duas e
três dimensões, da distribuição da temperatura não só nos tumores mas
também nos tecidos normais envolventes.
137
Como conclusão, pode-se afirmar que a hipertermia não é ainda uma
terapêutica totalmente desenvolvida, existindo ainda alguns problemas a
resolver. Contudo, não existem dúvidas de que se irá afirmar como um
tratamento de referência em termos de oncologia.
Técnicas
Vantagens
Desvantagens
Aplicações
Ultrassons
Boa focalização nos
tecidos.
Inexistência de
queimaduras nos
tecidos adiposos.
Aquecimento
possível entre 5 e 10
cm de profundidade,
com um simples
transdutor, e até 20
cm com múltiplos
transdutores.
Temperatura fácil de
medir e de controlar.
Áreas aquecidas de
reduzida dimensão.
Ausência de
penetração nas
interfaces entre os
tecidos e o ar.
Tratamento de
tumores superficiais,
e de tumores
regionais profundos
(lesões superficiais,
cancros no cérebro e
no pescoço, e lesões
nas extremidades).
Rádio-frequência
Instrumentação
simples.
Blindagem não
necessária.
Área de tratamento
elevada.
Eléctrodos não
limitados em
dimensão.
Dificuldade de
controlo dos campos
eléctricos.
Somente nas áreas
onde o tecido
adiposo é fino se
podem utilizar
sistemas capacitivos.
Hipertermia regional,
com aplicadores
externos.
Tratamento de
grandes tumores
superficiais no
pescoço, nos
membros superiores
e inferiores, no
cérebro, no tórax, e
no abdómen.
Microondas
Tecnologia bastante
avançada.
Possível aquecer
grandes volumes.
Existência de
antenas para
colocação em
cavidades do corpo.
Existência de
diferentes tipos de
aplicadores.
Inexistência de
queimaduras em
tecidos adiposos.
Calor não localizado
em profundidade.
Penetração limitada a
frequências
elevadas.
Medição da
temperatura
complexa.
Possíveis efeitos na
saúde dos
operadores.
Necessária
blindagem magnética
nas salas de
tratamento, excepto
para a frequência
médica reservada
(915 MHz).
Tratamento de
tumores superficiais
na mama, nos
membros superiores
e inferiores, na
próstata, e no
cérebro.
Quadro 6.3 – Comparação entre as técnicas de hipertermia.
138
6.9. ABLAÇÃO POR RÁDIO-FREQUÊNCIA
6.9.1. Aplicações Clínicas
A ablação de rádio-frequência (rádio frequency ablation RFA) é uma técnica de
electrocauterização que permite a destruição de tecidos por meio de correntes
eléctricas, sendo usual a sua utilização em cirurgia, onde se recorre a correntes
de alta frequência para se cauterizar pequenos vasos sanguíneos com o
objectivo de se estancarem hemorragias. Desde os anos 80 do século passado
que a RFA tem vindo a ser adoptada como um método eficaz para a geração
de coagulação necrótica induzida termicamente em tumores, seja através de
aproximação sub-cutânea com imagem guiada, ou através da introdução
cirúrgica de eléctrodos nos próprios tecidos. Com esta terapêutica, os tumores
necróticos perdem volume e desaparecem ao longo do tempo.
Contrariamente à hipertermia, onde a temperatura dos tumores é elevada a
valores inferiores a 45 oC, na RFA utilizam-se campos eléctricos de RF, entre
375 kHz e 500 kHz, com a finalidade de se produzirem correntes iónicas nos
tecidos e, consequentemente, perdas por efeito de Joule, que elevem as
temperaturas desses tecidos a, pelo menos, 50 oC. Para temperaturas entre
50 oC e 52 oC, a necrose das células é atingida entre 4 a 6 minutos, enquanto
que, para temperaturas superiores a 60 oC, é atingida em poucos segundos.
Todavia, as temperaturas superiores a 100 oC devem ser evitadas, para se
prevenir o sobreaquecimento dos tecidos, a sua vaporização, e a sua carbonização, fenómenos estes que aumentam a impedância dos tecidos, resultando
numa ablação reduzida.
Na prática, a energia de RF deverá ser introduzida através da colocação dos
eléctrodos no centro do tumor e, para a sua destruição adequada, todo o
volume da lesão cancerígena deverá ser submetido a temperaturas citotóxicas
de 50
o
C a 100
o
C durante 4 a 6 minutos. Com eléctrodos unipolares,
conseguem-se coagular tecidos com diâmetros de apenas 1,6 cm, enquanto
que, com eléctrodos multipolares, a eficácia relativa à distribuição do calor é
bastante mais elevada, conseguindo-se coagulações até 7 cm de diâmetro, na
medida em que se consegue induzir correntes num volume muito maior de
tecido.
139
Adicionalmente, as variações de temperatura são monitorizadas através de
termopares embebidos nos tecidos, ou então através das variações de
potência da fonte, que se encontram directamente relacionadas com as
variações de impedância e de corrente nos tecidos.
Apesar dos grandes benefícios inerentes a esta terapêutica, é ainda bastante
problemático atingir lesões de grande dimensão, devido à baixa condutividade
dos tumores e aos efeitos térmicos dos vasos sanguíneos próximos. Por
conseguinte, no sentido de se alargar a área de influência dos eléctrodos de
ablação, têm-se vindo a utilizar métodos complementares com o objectivo de
se modificar as características biológicas dos tecidos, que incluem:
•
Injecção de compostos salinos ou outros, para se aumentar a
condutividade eléctrica dos tecidos e, consequentemente, a sua
condutividade térmica.
•
Injecção de compostos salinos, apenas durante a aplicação do tratamento com os eléctrodos de ablação.
•
Redução da circulação e do caudal sanguíneos, através de oclusão.
•
Controlo e modulação da circulação sanguínea através da administração de medicamentos adequados.
Demonstrou-se igualmente, em termos práticos, que a aplicação da terapêutica
RFA associada à quimioterapia ou à quimioembolização, torna-se mais eficaz
do que aplicada individualmente.
Quanto às aplicações clínicas da RFA, descrevem-se os resultados obtidos,
nos Estados Unidos, mais relevantes:
•
Cancro do fígado. Em 15 anos de utilização, os resultados obtidos com
3000 pacientes tratados mostram uma eficácia elevada da RFA per-cutânea em tumores de pequena dimensão (< 3 cm), uma ablação
completa em 70 a 75 % de tumores entre 3 cm e 5 cm, e 25 % em
tumores de maior dimensão.
•
Cancro do rim. A RFA é uma técnica bastante eficiente na ablação de
tumores inferiores a 3 cm, e, os resultados obtidos com pacientes
tratados com esta terapêutica, sugerem uma taxa de sucesso entre
70 % a 90 %.
140
•
Ossos. A RFA tem sido utilizada, por mais de dez anos, no tratamento
do osteoma osteóide, que é uma lesão benigna ligeiramente dolorosa. O
eléctrodo é instalado no osso, no local da lesão, sendo activado durante
4 a 6 minutos, para uma temperatura de 90 oC. A taxa de sucesso das
ablações simples é de 91 % a 94 %, com um acompanhamento de longo
prazo, podendo fazer-se a ablação das recorrências mais tarde, através
de um segundo procedimento. Os resultados obtidos com um grupo de
38 pacientes, para um período de 12 a 66 meses, mostraram um
sucesso clínico primário e secundário respectivamente de 78,9 % (30/38
pacientes), e de 97 % (35/36 pacientes).
•
Cancro da mama. A utilização da RFA como terapêutica complementar
do tratamento deste tipo de cancro é ainda muito incipiente. Contudo,
reportou-se, por histologia, a coagulação necrótica em 96 % de pacientes, a seguir a uma intervenção cirúrgica.
6.9.2. Considerações Técnicas
Como se salientou anteriormente, a ablação por rádio-frequência representa
uma terapêutica que utiliza uma corrente eléctrica alternada sinusoidal de
elevada frequência, situada na gama 375 – 500 kHz, com o objectivo de induzir
um aquecimento electromagnético nos tecidos até atingirem o seu ponto de
coagulação térmica, com vista a destruí-los, sendo de destacar o facto desta
terapia de ablação ser a mais comum nos Estados Unidos.
Em termos tecnológicos, os geradores de energia de rádio-frequência têm a
sua potência nominal limitada a 200 W, estando em fase de investigação e
desenvolvimento a construção de geradores para 150 W. A capacidade dos
aplicadores de rádio-frequência em provocarem a ablação de tecidos, depende
da condução da energia electromagnética assim como da convecção do calor
pelo sangue, devendo a temperatura ser superior a 60 oC, durante um intervalo
de tempo situado entre 3 a 5 minutos.
Esta técnica é mais vantajosa que
outras que utilizam a energia
electromagnética para o aquecimento dos tecidos, como por exemplo a
hipertermia
convencional,
onde
os
tratamentos
são
realizados
com
temperaturas na gama de 40 – 44 oC, durante 30 min a 60 min, ou a terapia
térmica com microondas, na gama 45 – 55 oC.
141
A primeira geração de eléctrodos monopolares foi introduzida em 1990, tendo
sido utilizados na ablação de lesões hepáticas até 10 cm de diâmetro.
Actualmente, utilizam-se eléctrodos percutâneos, sendo a sua introdução
controlada em tempo real através de equipamentos imagiológicos, como a
tomografia computorizada, a ressonância magnética, ou a ultrassonografia,
para que a sua colocação nos tecidos a destruir seja a pretendida previamente.
Tendo em atenção que se pretende realizar a termoablação não só de tumores
de pequena dimensão mas também de grande dimensão, torna-se necessário
utilizar, para estes últimos, eléctrodos múltiplos. Saliente-se que, por exemplo,
para o tratamento de um tumor com 3 cm de diâmetro é necessário criar uma
zona de ablação com 5 cm de diâmetro. Na prática, a ablação é realizada com
o emprego simultâneo de vários eléctrodos, como se mostra na figura 6.4.
Ablação de
RF
Eléctrodos
Figura 6.4 – Sistema de ablação de RF com eléctrodos simultâneos.
O equipamento de ablação pode igualmente possuir vários eléctrodos, mas
com uma activação um por um, através de um equipamento de comutação
múltipla, como se esquematiza na figura 6.5. Este sistema permite tratar
simultaneamente vários tumores, reduzindo substancialmente o tempo de
utilização do aparelho.
Ablação de
RF
Eléctrodos
Figura 6.5 – Sistema de ablação de RF com vários eléctrodos,
com uma activação um por um, através de um comutador.
Tal como sucede com a hipertermia, recorrendo-se a ferramentas informáticas
baseadas no método dos elementos finitos, é possível definir e analisar a
142
distribuição da energia electromagnética assim como das temperaturas em
toda a zona da ablação, permitindo optimizar todo o tratamento.
.
6.9.3. Vantagens Clínicas
A ablação de RF, que é uma técnica médica minimamente invasiva, representa
actualmente a terapêutica de termoablação mais aceite na esmagadora maioria
dos países, provavelmente devido não só à sua competência para provocar a
destruição de tumores de uma forma fiável, isto é, com uma deposição de
energia electromagnética bem focada no local pretendido e com um controlo de
temperatura notável, mas também porque apresenta uma excelente relação
entre o diâmetro dos eléctrodos e a dimensão do tecido a destruir. Saliente-se
ainda que esta técnica médica é especialmente indicada para pacientes que
não podem ser submetidos a intervenções cirúrgicas convencionais, assim
como para pacientes afectados por tumores cancerígenos que não reagem às
terapias oncológicas tradicionais.
A ablação de RF é uma terapêutica que tem vindo a mostrar, com sucesso, as
suas enormes potencialidades no tratamento de diversos tumores, localizados
em órgãos fundamentais do corpo humano, como é o caso do fígado, dos
pulmões, dos rins, da mama, do cérebro, e da próstata. Adicionalmente, a
utilização de ablação de RF tem vindo a aumentar na correcção de taquicardias
e arritmias cardíacas, assim como na eliminação e controlo da apneia do sono.
Para a primeira das práticas clínicas, têm vindo a ser desenvolvidos eléctrodos
de diversas configurações e tipos – pontas de prova manuais, cateteres, pontas
de prova com extremidade irrigada –, enquanto que, no que se refere à
segunda prática, o objectivo consiste em actuar no palato, no sentido de reduzir
o seu tecido de forma a conferir aos pacientes uma maior estabilidade na sua
respiração.
6.9.4. Limitações e Complicações
As limitações da terapêutica de ablação de RF encontram-se directamente relacionadas com o mecanismo físico da sua forma de operação. Em particular, a
corrente eléctrica que é gerada no sistema e que circula no seu eléctrodo,
sendo injectada nos tecidos, é omnidireccional, fazendo com que a energia
electromagnética depositada nesses tecidos varie inversamente com a potên143
cia 4 da distância radial ao eléctrodo ( P ≈ 1 / r
4
). Ou seja, a deposição é má-
xima junto ao eléctrodo, diminuindo acentuadamente nos tecidos que se
encontram mais afastados. Por conseguinte, uma das mais significativas
limitações reside na extensão da necrose induzida. Ou seja, a dimensão dos
tumores potencialmente tratáveis é limitada, devido ao facto do volume
activamente aquecido ser, por sua vez, limitado a poucos milímetros do
elemento activo, isto é, do eléctrodo. Na prática, poder-se-á dizer que os
tecidos que se encontram na vizinhança do eléctrodo são aquecidos de uma
forma praticamente directa, enquanto que os mais afastados são aquecidos
tenuamente, através de condução térmica, bastante atenuada. Consequentemente, o diâmetro da zona de ablação não deve exceder 4 cm, a não
ser que o eléctrodo seja introduzido mais que uma vez, em zonas diferentes do
tecido tumoral, até que se verifique a sua necrose completa.
Por outro lado, na medida em que a ablação de RF é uma terapêutica de
elevada complexidade, os centros clínicos onde esta prática é utilizada deverão
dispor de todos os meios clínicos necessários, assim como de operadores
altamente especializados, que conheçam em profundidade não só as bases
físicas do processo mas também todos os mecanismos de aplicação.
Tal como sucede com outras terapêuticas de ablação, a ablação de RF
comporta alguns riscos, contudo apresenta uma taxa de complicações extremamente reduzida, situada entre 0 e 12 %. As principais complicações resumem-se às seguintes situações:
•
Taxas de repetição local elevadas, particularmente no tratamento de
tecidos afectados com um diâmetro médio superior a 3 cm.
•
Dificuldades acrescidas na ablação de tumores situados na vizinhança
de vasos sanguíneos, devido à diminuição drástica do calor na corrente
sanguínea local.
•
Dificuldade de obtenção de imagens de eventuais lesões originadas pela
própria terapêutica.
•
Confirmação do aparecimento (com taxas extremamente reduzidas), de
células tumorais nas zonas sujeitas à ablação de RF, como é o caso de
abcessos hepáticos, hemorragias peritoniais, úlceras gástricas, aneurismas nas artérias hepáticas, e embolias pulmonares.
144
6.10. ABLAÇÃO POR MICROONDAS
Esta terapêutica representa o mais recente desenvolvimento em oncologia, na
ablação de tumores cancerígenos. Enquanto que as frequências utilizadas na
terapia de ablação de RF se situam na banda compreendida entre 375 kHz e
500 kHz, na ablação por microondas, como o seu próprio nome indica, a
energia electromagnética é emitida para os tecidos a tratar através de microondas por meio de guias de onda ou de antenas, nas frequências de 915 MHz
ou de 2,45 GHz. Como o seu comprimento de onda é significativamente mais
reduzido que o das ondas de RF, é possível dirigir e focalizar a energia no
interior dos tecidos, por radiação directa a partir de um pequeno aplicador.
6.10.1. Aplicações Clínicas
Estas aplicações incluem o tratamento de diversos tipos de carcinomas, como
é o caso dos cancros no fígado, no pulmão, na próstata, e nos rins, sendo de
salientar que as microondas são também actualmente utilizadas na correcção
de doenças cardíacas e do aparelho circulatório, assim como de disfunções
uterinas.
No que respeita à sua aplicação em cardiologia, uma das terapêuticas utilizada
é designada por Microwave Balloon Angioplasty MBA (Angioplastia com
Balão de Microondas ABM), e representa uma técnica cirúrgica de reparação
dos vasos sanguíneos, cujas paredes contenham placas de colesterol
depositado, consistindo na instalação de um cateter sob a forma de balão no
interior dos vasos com deficiências, como se esquematiza na figura 6.6,
podendo o balão ser construído com diâmetros situados entre 0,5 mm e 50 mm
e com um comprimento qualquer. A sua introdução no organismo até à artéria
onde irá ficar instalado processa-se através de uma pequena incisão a realizar
no pescoço ou na perna, sendo depois transportado pela corrente sanguínea
do paciente. Este cateter sob a forma de balão é cheio com um líquido que
apresenta boas características de compressibilidade. Por conseguinte, o líquido
bombeado para o interior do balão irá provocar a dilatação deste até um
diâmetro várias vezes superior ao seu diâmetro normal, fazendo com que as
placas de colesterol depositadas nas paredes interiores da artéria sejam
bastante comprimidas contra essas paredes, para que a circulação sanguínea
se possa processar sem estrangulamentos, sendo de seguida esvaziado o
145
balão. Na prática, este movimento de enchimento/dilatação e esvaziamento/contracção do balão, é assegurado através de uma antena de microondas
instalada no interior do cateter, antena essa do tipo dipolar e helicoidal, que
tem como função aquecer o fluído intra-cateteriano, para originar a sua
dilatação. Saliente-se que a grande vantagem desta técnica consiste em evitar-se a cirurgia convencional de reparação vascular, para se retirar as placas de
colesterol ou para se realizar um bypass.
Paredes da
artéria
Balão (cateter)
Sangue
Cabo coaxial
Antena de
microondas
Líquido
compressível
Figura 6.6 – Esquematização do sistema Microwave Balloon Angioplasty.
Outra aplicação das microondas em cardiologia consiste na correcção de
taquicardias e de arritmias, através de ablação cardíaca, sendo a taxa de
sucesso da ordem de 75 % a 95 %, consoante a anomalia a corrigir. Os
cateteres a utilizar são introduzidos através das veias ou de artérias, até à zona
do coração onde se verifica a existência das anomalias do ritmo cardíaco que
se pretende corrigir. Saliente-se, no entanto, que esta técnica de ablação é
aplicada em conjunção com estudos electrofisiológicos de diagnóstico, invasivos, com a finalidade de se identificar a origem da formação dos impulsos
eléctricos anormais.
A utilização de ablação de RF na correcção deste tipo de anomalias do ritmo
cardíaco, operando a frequências entre 100 kHz e 10 MHz, e utilizando um
cateter eléctrico com cerca de 2,6 mm de diâmetro, tem vindo a apresentar um
sucesso notável, contudo, a utilização de microondas é mais vantajosa, na
medida em que a energia electromagnética associada a estas ondas permite a
146
ablação de tecidos situados a grande profundidade, devido a permitir o aquecimento de áreas consideráveis, recorrendo-se a antenas monopolares e
helicoidais, mostrando-se na figura 6.7 a constituição de um cateter utilizado na
ablação por microondas para a correcção de arritmias cardíacas.
Balão
Cateter
Isolamento
Antena de
microondas
Figura 6.7 – Cateter de termoablação por microondas.
6.10.2. Considerações Técnicas
Como é sabido, a energia electromagnética associada às microondas origina
efeitos biofísicos destrutivos, conforme se salientou no primeiro dos nossos
livros dedicados a este tema. Contudo, esta característica é aproveitada
exactamente para a termoablação de tumores cancerígenos, assim como para
a correcção de algumas anomalias do foro cardíaco e do aparelho reprodutor
feminino, como se salientou já anteriormente. Tecnicamente, é possível utilizar
as miroondas para a destruição de tecidos situados a grande profundidade, e
com diâmetros médios até 2,5 cm, com a grande vantagem face à ablação de
RF, de que os tempos de duração dos tratamentos se situam entre 1 min a 5
min.
Além disso, devido à elevada capacidade de penetração das microondas, é
possível destruir os tumores cancerígenos de uma forma mais eficaz e uniforme, mesmo na vizinhança de vasos sanguíneos. Por outro lado, enquanto
que na ablação por RF a energia electromagnética depositada nos tecidos
diminui em função da potência quádrupla da distância radial ao respectivo
eléctrodo ( P ≈ 1 / r
4
), na ablação por microondas essa deposição diminui
apenas com o quadrado dessa distância ( P ≈ 1 / r
2
). Por conseguinte, para a
147
mesma distância do eléctrodo e para a mesma potência de aquecimento, a
energia depositada e, consequentemente, a temperatura dos tecidos é mais
elevada na ablação por microondas, o que torna o tratamento mais eficaz.
Presentemente, os sistemas de ablação por RF estão tecnicamente mais
desenvolvidos que os de ablação por microondas, devido à sua eficiência, à
sua segurança em aplicações percutâneas e cirúrgicas, e à facilidade da sua
utilização. Contudo, além dos inconvenientes já apontados da ablação por RF
face à ablação por microondas, sucede que uma das dificuldades da RF reside
no facto de ser necessário injectar uma corrente eléctrica nos tecidos, ao passo
que as microondas geram calor exclusivamente através de radiação pura.
Quanto às antenas utilizadas nos cateteres, são monopolares ou dipolares, e
com forma helicoidal, tendo os cateteres a constituição que se apresentou
anteriormente.
6.10.3. Vantagens Clínicas
Conforme se salientou anteriormente, enquanto que as frequências utilizadas
na terapia de ablação de RF se situam na banda compreendida entre 375 kHz
e 500 kHz, na ablação por microondas, como o seu próprio nome indica, a
energia electromagnética é emitida para os tecidos a tratar através de microondas por meio de guias de onda ou de antenas, nas frequências de 915 MHz
ou de 2,45 GHz. Como o seu comprimento de onda é significativamente mais
reduzido que o das ondas de RF, é possível dirigir e focalizar a energia no
interior dos tecidos, por radiação directa a partir de um pequeno aplicador.
Quanto às suas aplicações, elas incluem o tratamento de diversos tipos de
carcinomas, como é o caso dos cancros no fígado, no pulmão, na próstata, e
nos rins, sendo de salientar que as microondas são também actualmente
utilizadas na correcção de doenças cardíacas e do aparelho circulatório, assim
como de disfunções uterinas.
A utilização de ablação de RF na correcção de anomalias do ritmo cardíaco,
tem vindo a apresentar um sucesso notável, contudo, a utilização de microondas é mais vantajosa, na medida em que a energia electromagnética
associada a estas ondas permite a ablação de tecidos situados a grande
profundidade, devido a permitir o aquecimento de áreas consideráveis,
recorrendo-se a antenas monopolares e helicoidais, evitando-se assim as
148
tradicionais correcções cirúrgicas, isto é, a desobstrução de vasos e artérias, e
a realização de bypass’s.
Tecnicamente, é possível utilizar as miroondas para a destruição de tecidos
situados a grande profundidade, e com diâmetros médios até 2,5 cm, com a
grande vantagem face à ablação de RF, de que os tempos de duração dos
tratamentos se situam entre 1 min a 5 min.
Em linhas gerais, as principais vantagens clínicas da termoablação por microondas, comparativamente com as outras terapias de termoablação, são as
seguintes:
•
Conseguem-se atingir temperaturas bastante elevadas no interior dos
tumores cancerígenos.
•
A deposição da energia electromagnética no interior dos tecidos é
conseguida directamente através da radiação, e não por meio de
eléctrodos percorridos por corrente eléctrica.
•
Consegue-se a ablação de tumores profundos, assim como de tumores
de grande dimensão.
•
Consegue-se a ablação eficiente de tumores localizados na vizinhança
de vasos sanguíneos.
•
Os tempos de tratamento são bastante mais reduzidos.
6.10.4. Limitações e Complicações
Como se descreveu anteriormente, a ablação por microondas oferece os
mesmos benefícios da ablação por RF, apresentando contudo um conjunto de
vantagens notáveis, que se traduzem num elevado desempenho, especialmente próximo de vasos sanguíneos. Na prática, existem ainda alguns
problemas técnicos a resolver, para que esta terapêutica se possa impor sem
restrições em oncologia, no tratamento de carcinomas, assim como em
cardiologia:
•
Existência de perdas significativas no cabo coaxial de ligação da antena.
•
O calor desenvolvido no cabo coaxial durante o fornecimento da energia
electromagnética poderá provocar danos consideráveis nos materiais
dieléctricos e no próprio material do cateter.
149
•
Ausência de uma antena unidireccional que possa irradiar a energia
electromagnética para o interior dos tecidos em tratamento, e não para a
corrente sanguínea ou para os depósitos de sangue, no caso da ablação
cardíaca. Esta condição é essencial para prevenir a própria operação do
cateter, acima da gama das propriedades dieléctricas do sangue e do
tecido cardíaco.
•
Complexidade de dimensionamento das antenas, dimensionamento
esse que limita a forma de microonda a ser gerada, dificulta a eficiência
na transferência de energia, e conduz a uma reflexão de potência e a
uma dissipação de energia no cabo de transmissão e na antena, no
interior do cateter.
No que respeita a complicações clínicas secundárias, as respectivas taxas são
mais elevadas que as verificadas com outras termoterapias, sendo de assinalar
a recorrência dos tumores após 6 meses do términus do tratamento, o aparecimento de febre, de hematomas subcutâneos, de abcessos, e de falhas
hepáticas. É de salientar que um estudo realizado no Japão e publicado em
2002, considerou 72 pacientes possuidores de 94 tumores, no seu conjunto, a
serem tratados com RF e com microondas, tendo-se obtido um tratamento
terapêutico completo de 46 tumores (96 %) em 48 tratados com ablação de RF,
e de 41 (89 %) em 46, tratados com ablação por microondas.
A termoablação é uma terapêutica relativamente recente, que depende de
forma significativa dos desenvolvimentos que se irão verificar quer em medicina
e biomedicina, assim como no domínio da engenharia e da bioengenharia,
sendo actualmente as seguintes as linhas orientadoras em que se baseia a
investigação em curso:
•
Modelização a duas e três dimensões das características eléctricas e
térmicas dos tecidos biológicos, através da utilização de programas
informáticos baseados em elementos finitos.
•
Modelização do comportamento térmico do sangue e dos vasos sanguíneos.
•
Determinação da frequência e da energia electromagnética, que são os
parâmetros associados à destruição térmica dos tecidos, para
150
diferentes tipos de tecidos – por exemplo hepáticos, mamários, dos
rins, da próstata, e cardíacos.
•
Desenvolvimento tecnológico dos eléctrodos e dos geradores.
•
Compreensão dos mecanismos de interacção entre a energia electromagnética e os tecidos biológicos, no sentido de se conseguir uma
necrose tecidular eficiente.
Finalmente, para melhor compreensão, descrevem-se no quadro 6.4 os mecanismos, as vantagens e as desvantagens das terapêuticas de ablação por RF e
por microondas.
Técnicas
Mecanismos
Vantagens
Desvantagens
Rádio-frequência
Aquecimento dos
tecidos através de
corrente eléctrica
fornecida por
eléctrodos.
Dimensionamento e
construção simples e
eficazes.
Existente
praticamente em todo
o mundo, sendo uma
prática generalizada.
Capacidade para o
tratamento de uma
grande diversidade
de tumores.
Extensão limitada de
necrose induzida.
As zonas de ablação
não devem exceder 4
cm de diâmetro, a
não ser que se repita
o tratamento com o
reposicionamento do
eléctrodo.
Necrose incompleta
na ablação próxima
de vasos
sanguíneos.
Microondas
Aquecimento dos
tecidos através da
propagação de
microondas.
Conseguem-se
temperaturas
elevadas.
Utilizado
essencialmente em
países da Ásia
(Japão e Coreia do
Sul).
A zona de tecido que
se consegue aquecer
é bastante maior.
Taxa mais elevada
de complicações
clínicas surgidas
a posteriori do
tratamento.
Quadro 6.4 – Comparação entre as terapêuticas de ablação por RF e por microondas.
6.11. RADIOTERAPIA
Como se salientou em capítulos anteriores, as ondas electromagnéticas, que
se podem também designar por radiação electromagnética, são classificadas
em dois grandes grupos, consoante a gama de frequências e a energia
associada a cada fotão:
151
•
Radiação não-ionizante, que compreende as ondas de frequência
reduzidíssima, a radiação de rádio-frequência, a radiação infravermelha,
a luz visível, e parte da radiação ultravioleta, estando a frequência
compreendida entre 0 Hz (corrente contínua) e 3x1017 Hz (3x108 GHz), e
a correspondente energia dos fotões entre 0 eV e 1200 eV. Como esta
energia é reduzida, os fotões não têm capacidade para extrair electrões
das órbitas atómicas dos materiais onde penetram, mantendo-se assim
os átomos electricamente neutros.
•
Radiação ionizante, que compreende parte da radiação ultravioleta, os
raios X e os raios gama, estando a frequência compreendida
sensivelmente entre 3x1017 Hz (3x108 GHz) e 3x1022 Hz (3x1013 GHz), e
a correspondente energia dos fotões entre 1200 eV e 12,4x107 eV.
Como estas energias são extremamente elevadas, os fotões têm
capacidade para extrair electrões dos átomos dos materiais onde
penetram, transformando assim esses átomos em iões.
Note-se que a separação entre radiação não-ionizante e radiação ionizante é
comummente aceite encontrar-se na linha divisória situada na região
ultravioleta, linha essa para a qual se tem um comprimento de onda no vácuo
λ = 1 nm = 10-9 m, daí que se tenha, na fronteira, respectivamente os seguintes
valores de frequência e da energia dos fotões da radiação:
f = c / λ = 3x108 (m/s) / 10-9 (m) = 3x1017 Hz
eV = h f = 4,135667x10-15 (eVs) x 3x1017 (Hz) ≅ 1200 eV
Como é sabido, os raios X possuem um elevado poder de penetração, sendo
utilizados em imagiologia médica, em equipamentos de angiografia diagnóstica
e de intervenção vascular e cerebral, de fluoroscopia, de mamografia, de
tomografia, de urologia, e de radiografia. Por outro lado, os raios gama são
gerados por átomos radioactivos, e podem destruir as células vivas dos tecidos
onde penetram. Contudo, esta sua característica é aproveitada em oncologia
para o tratamento do cancro, destruindo, através de doses muito reduzidas, as
células cancerígenas, sendo esta terapêutica designada por radioterapia,
mostrando-se na figura 6.8 um equipamento médico de aplicação dessa
terapia.
152
Figura 6.8 – Equipamento oncológico de radioterapia.
6.12. TERAPIA DE PARTÍCULAS
Como é sabido, e apesar de se verificarem algumas excepções, a probabilidade de se contrair cancro aumenta com a idade, sendo uma das preocupações actuais das autoridades sanitárias, sobretudo em países desenvolvidos, devido exactamente não só ao aumento considerável da esperança
média de vida mas também pelos hábitos de vida que, numa franja significativa
da população, não são os mais adequados para se assegurar uma existência
isenta de problemas de saúde. Na prática, o tratamento de tumores
cancerígenos tem vindo a ser realizado através de dois processos:
•
Quimioterapia, que consiste na utilização adequada de radionúclidos,
administrados aos pacientes, com a finalidade de destruir as células
cancerígenas, destruição essa conseguida pela retenção prolongada
dos radiofármacos nos tecidos alvo. Este requisito é normalmente
previsto e analisado através de um estudo prévio de diagnóstico, que
deve ser realizado antes da administração deste tipo de actividade terapêutica. Além das aplicações terapêuticas em casos benignos – por
exemplo, hipertiroidismo e artrite reumatóide –, este tipo de tratamento é
também utilizado nas situações malignas, sendo a mais importante o
carcinoma da tiróide, onde se tem vindo a aplicar, há mais de 50 anos, o
radioisótopo iodo-131. Outras aplicações desta técnica incluem o
tratamento de doenças mieloproliferativas, com o fósforo-32, de tumores
derivados da crista neural, e o tratamento paliativo de metástases
153
ósseas – carcinomas da próstata e da mama –, utilizando-se o
estrôncio-89, o rénio-186 ou o samário-153.
•
Radioterapia, em que os tecidos cancerígenos são bombardeados
através de feixes concentrados de fotões de elevada energia, como
sucede com a radiação gama, com uma energia fotónica da ordem de
18 MeV.
Nos últimos dez anos, graças aos esforços de investigação que têm vindo a ser
desenvolvidos pela multinacional Siemens, em parceria com hospitais, centros
de investigação, e universidades alemãs e americanas, a radioterapia sofreu
avanços notáveis, tendo sido desenvolvidos equipamentos de radioterapia que
utilizam protões de hidrogénio, com uma energia de 135 MeV. Adicionalmente,
os radiologistas que desenvolvem investigação neste tipo de terapêutica
constataram que a utilização de iões pesados de carbono, com uma energia de
250 MeV, como o provam estudos realizados no Japão, conduziram a
resultados significativos no que respeita ao tratamento de tumores oculares, da
próstata, do pescoço, e da cabeça, daí que a utilização deste tipo de partículas
seja já aceite com bastante confiança.
A grande vantagem desta nova terapêutica, designada por terapia de
partículas, quando comparada com a radiologia oncológica convencional com
bombardeamento de fotões, reside essencialmente no facto de se dosear com
uma elevada precisão a quantidade de radiação necessária a concentrar no
tecido tumoral, poupando os tecidos sãos envolventes, como se mostra na
figura 6.9.
Conforme se pode constatar, na radiologia clássica a dose máxima é atingida
nos tecidos sãos, muito próximos da superfície da pele, ou seja, a uma
profundidade reduzida, enquanto que, com protões de hidrogénio e iões de
carbono, essa dose máxima é sempre atingida no interior do tecido tumoral,
sendo bastante mais reduzida nos tecidos sãos adjacentes. Por outro lado,
atendendo ainda a que as energias são significativamente mais elevadas na
terapia de partículas, o feixe de radiação é bastante mais eficiente.
A situação expressa no ábaco exposto na figura 6.9, é conseguida na prática,
no equipamento projectado e desenvolvido pela Siemens, equipamento esse
que se mostra na figura 6.10, através da utilização de tecnologia extremamente
154
avançada, nos domínios não só da física das partículas mas também da
engenharia electrotécnica, electrónica, mecânica e electromecânica. Saliente-se que esse equipamento contém um acelerador linear de partículas, assim
como um sistema de posicionamento altamente sofisticado, que permite
localizar e circunscrever a área tumoral com uma precisão inferior a um milímetro, e ainda um outro sistema de scanning, designado por pencil beam
scanning (caneta de rastreio do feixe), que permite visualizar toda a operação
tridimensionalmente (figura 6.11).
Figura 6.9 – Dose relativa de radiação em função da
profundidade de penetração, e do tipo de partícula.
Do ponto de vista clínico, a terapia de partículas apresenta as seguintes
vantagens:
•
Tratamento de tumores resistentes à radiologia convencional.
•
Tratamento de tumores profundos, sem sujeitar os tecidos sãos envolventes a doses significativas de radiação.
•
Tratamento de tumores situados muito próximo de órgãos vitais.
•
Probabilidade reduzidíssima de desenvolvimento de cancros secundários nos tecidos envolventes dos tumores, devido à concentração de
radiação quase exclusivamente no tecido tumoral.
155
•
Tratamento de tumores pediátricos, pelos mesmos motivos.
Figura 6.10 – Equipamento Siemens de terapia de partículas.
Figura 6.11 – Esquematização do princípio de funcionamento do equipamento
Siemens de terapia de partículas.
156
6.13. EFEITOS SECUNDÁRIOS
Como se pode facilmente constatar através da grande variedade de assuntos
tratados anteriormente, a energia electromagnética apresenta a propriedade de
induzir calor nos tecidos biológicos, devido à sua absorção por esses mesmos
tecidos, sendo essa característica aproveitada com fins terapêuticos para a
destruição
de
tumores
cancerígenos
utilizando
não
só
técnicas
de
termoablação, mas também técnicas baseadas no bombardeamento de fotões
e de protões. Enquanto que a termoablação (hipertermia, ablação por RF,
ablação por microondas) utiliza ondas electromagnéticas não-ionizantes, a
radioterapia e a terapia de partículas utilizam ondas electromagnéticas, vulgo
radiações, ionizantes.
Relativamente aos efeitos secundários causados pela radiação ionizante, são
bem conhecidos, e incluem a destruição e a proliferação de células,
conduzindo rapidamente ao desenvolvimento de carcinomas. Ou seja, essa
radiação é, por um lado, utilizada precisamente para a destruição de células
cancerígenas, contudo, poderão, por sua vez, originar a destruição e a
reprodução de células normais, envolventes dos tumores, contribuindo para a
indução de novos tumores.
Quanto aos efeitos secundários originados pela termoterapia, apresentam
características diferentes, devido ao carácter não-ionizante das ondas,
características essas que se descrevem seguidamente, de uma forma sucinta.
6.13.1. Fisiologia dos Tecidos
De um modo geral, o calor, isto é, a energia calorífica, que se traduz por um
aumento de temperatura, origina numerosas alterações na fisiologia dos
tecidos biológicos, tais como o aumento da perfusão sanguínea, da permeabilidade vascular, e da actividade metabólica, sendo, do ponto de vista
fisiológico, a corrente sanguínea o parâmetro mais importante neste contexto,
na medida em que é, através do sangue, que a maior parte da energia
calorífica acumulada nos tecidos se dissipa. Ou seja, pode-se afirmar que a
irrigação sanguínea dos tecidos exerce uma acção fundamental no que
respeita ao aquecimento desses tecidos, e, quanto mais reduzido for o caudal
de sangue mais fácil se torna proceder a esse aquecimento, na medida em que
a energia calorífica se manterá durante mais tempo na massa tecidular.
157
Na prática, alguns tumores sólidos podem apresentar, no que respeita ao
caudal sanguíneo, valores bastante mais elevados que os que se verificam nos
tecidos sãos. Todavia, quando se comparam entre si os níveis de irrigação nos
tumores e nos tecidos sãos, sucede que essa irrigação nos tecidos tumorais é
geralmente primitiva e caótica, resultando na existência de áreas privadas de
nutrientes, com um reduzido teor de oxigenação, e altamente acidificadas,
sendo as células existentes nesta situação mais sensíveis aos efeitos
citotóxicos do calor. De um modo geral, a toxicidade associada às terapêuticas
baseadas no calor é baixa, representando as eventuais queimaduras típicas os
efeitos tóxicos mais sensíveis, mas com uma reduzida incidência, podendo
essas queimaduras serem evitadas através da adopção das técnicas de
aplicação mais aconselháveis.
Os riscos primários das termoterapias são devidos não só ao aumento da
temperatura geral do corpo, mas também ao aumento da temperatura de
determinados órgãos específicos, uma vez que a regulação térmica do
organismo humano é crítica, devido ao facto de diversas estruturas celulares
assim como de vários mecanismos metabólicos poderem ser bastante
afectados por mudanças de temperatura. De um modo geral, os humanos que
gozem de boa saúde conseguem tolerar temperaturas até 40 oC, contudo,
entre 42 oC e 43 oC começa a dar-se a morte das células.
Apesar dos mecanismos de interacção entre a subida de temperatura e o
comportamento dos tecidos biológicos não se encontrarem ainda devidamente
esclarecidos, sabe-se, no entanto, que, quando a temperatura aumenta,
aumenta igualmente o movimento molecular no interior das células, dos
tecidos, e dos órgãos. Por sua vez, esse aumento do movimento molecular
origina um aumento na taxa das reacções químicas fisiológicas. Como
consequência, se essas reacções químicas se processam de tal forma que o
metabolismo se torne instável, este poderá sofrer alterações. Quando a
exposição ao calor é curta, as alterações metabólicas são transitórias e
moderadas, não originando danos fisiológicos graves e irreversíveis.
Atendendo a que a exposição a ondas electromagnéticas, como sucede nas
práticas clínicas de termoterapia, podem originar hipertermias, torna-se
necessário delinear se alguns dos potenciais efeitos biofísicos observados são
158
específicos dessa exposição directa, ou se resultam da hipertermia induzida
indirectamente por aquela exposição.
6.13.2. Resposta Celular
Quando a temperatura das células aumenta, verifica-se a existência de alteações na sua actividade, nas membranas, na síntese de macromoléculas, no
ciclo celular, na reparação do ADN, assim como um aumento da sua
proliferação. Na região hipertérmica acima da sua temperatura máxima de
proliferação, existem três respostas celulares significativas para as termoerapias: citotoxicidade, radiosensibilização, e termotolerância, sendo estas
mudanças devidas às alterações na estrutura molecular das células, induzidas
por aumentos de temperatura, e envolvem a inibição do ADN, do ARN, e da
síntese de proteínas.
Diversos estudos científicos têm concluído sobre a existência de efeitos
adversos da hipertermia nos testículos de adultos em algumas espécies,
incluindo ratos e humanos. Esses efeitos compreendem a redução de peso e
de volume dos testículos, acompanhada por períodos temporários de infertilidade parcial ou total. Adicionalmente, a qualidade do esperma também se
altera, verificando-se uma redução na sua mobilidade e, consequentemente, na
fertilização. Outros estudos mostram a existência de reacções imunológicas
dependentes da temperatura, em leucócitos humanos.
6.13.3. Efeitos Imunológicos
Relativamente ao tratamento clínico oncológico do cancro, deve-se ter em
atenção que o sistema imunológico poderá sofrer alterações induzidas pela
hipertermia a que fica sujeito. De acordo com um trabalho científico publicado
em 2006, é enfatizado que a resposta ao stress térmico, no que respeita às
potenciais alterações do sistema imunológico, não deverá representar uma
questão a ser analisada uma única vez, de forma pontual, mas sim durante um
determinado período de tempo, que se iniciará com a exposição a uma fonte de
calor, e que se deverá estender por vários dias de recuperação. Adicionalmente, a resposta das células tumorais e a sua susceptibilidade aos efeitos
imunológicos é fortemente dependente do modelo do sistema, da amplitude, da
duração do stress térmico, e do tempo de recuperação após a exposição.
159
6.13.4. Resposta Cardiovascular
Os distúrbios cardiovasculares induzidos pelo calor são bastante comuns e
vulgares, sobretudo em pessoas não habituadas a temperaturas elevadas e em
idosos, onde os riscos de enfartes do miocárdio e de acidentes vasculares
cerebrais são significativamente elevados. Outro grupo de risco, além das
crianças, é constituído por pacientes que padecem de doenças e distúrbios
cardíacos graves, ou que se encontrem a consumir determinados tipos de
medicamentos.
Como é sabido, quando a temperatura do corpo aumenta, o equilíbrio térmico
natural é assegurado através do sistema circulatório, aumentando o caudal de
sangue, assim como através da transpiração. Contudo, estas respostas fisiológicas aumentam o trabalho do coração e originam perdas de sal e de água,
podendo prejudicar a eficiência biológica do corpo humano, sobrecarregando o
coração, e causando uma hemoconcentração que poderá conduzir a acidentes
vasculares cerebrais.
A exposição a ondas electromagnéticas em níveis considerados como seguros,
isto é, recomendados pelas normas de segurança em vigor, não é perigosa, na
medida em que o calor induzido é equivalente a cerca de 10 % do que é
gerado através do metabolismo basal, o mesmo não se podendo concluir
quando os níveis de exposição são elevados, ou quando a exposição é
demasiadamente prolongada.
6.13.5. Resposta do Sistema Nervoso
O sistema nervoso é particularmente sensível ao calor, havendo a possibilidade
de se verificarem danos e alterações na morfologia nervosa, no que respeita à
condução dos estímulos e às funções das fibras nervosas. Muitos dos estudos
clínicos realizados, relativamente aos efeitos da hipertermia sobre os nervos,
têm-se focalizado na resposta aos choques térmicos, que se caracteriza pela
indução transitória de proteínas de choque térmico (heat-shock proteins HSPs),
as quais desempenham um papel de mecanismo de reparação e de protecção.
Os dados obtidos permitem concluir que a dose térmica máxima sem causar
complicações evidentes, após hipertermia localizada em regiões do sistema
nervoso central, situa-se entre 40 – 60 minutos a 42 – 42,5 oC, ou então 10 –
– 30 minutos a 43 oC.
160
6.13.6. Efeitos Cancerígenos
Descreveram-se já, anteriormente, os efeitos indesejáveis originados pela termoterapia, sendo de destacar o aparecimento, se bem que com taxas
reduzidíssimas, de abcessos hepáticos, hemorragias peritoniais, úlceras gástricas, aneurismas nas artérias hepáticas, embolias pulmonares, hematomas
subcutâneos, e abcessos.
No nosso primeiro livro apresentaram-se os resultados obtidos, assim como as
respectivas conclusões, de um número relativamente elevado de estudos
clínicos e epidemiológicos, com relevância causa-efeito no que respeita aos
mecanismos de interacção entre a exposição a campos electromagnéticos e os
potenciais riscos de desenvolvimento de determinados tipos de cancro.
Todavia, pela sua natureza, os resultados são controversos, apesar de terem
sido reportadas situações em que efectivamente se constatou o aparecimento
de anomalias e doenças graves, como sucedeu no final de 2007 com um
estudo epidemiológico que concluiu que os utilizadores de telefones celulares,
por períodos médios iguais ou superiores a 22 horas mensais, correm elevados
riscos de contra´rem cancro nas glândulas salivares.
A carcinogénese, como é sabido, compreende uma sequência de quatro
passos: iniciação, promoção, conversão maligna de células, e progressão
tumoral. Se bem que a hipertermia, por si só, não seja carcinogénica, pode,
contudo, promover o desenvolvimento de tumores quando a sua origem reside
na absorção de energia electromagnética.
A controvérsia sobre se a radiação electromagnética poderá ou não iniciar o
desenvolvimento de cancros, continua cada vez mais acesa, atraindo sobre si
uma elevada atenção, não só por parte do público em geral mas também na
literatura médica científica. Alguns relatórios, contraditórios, sugerem que o
tratamento por hipertermia pode não só funcionar como um meio bloqueador
ao desenvolvimento de cancros, mas também como um promotor, dependendo
do regime de tratamento.
161
CAPÍTULO 7.
APLICAÇÕES MÉDICAS
DA ENERGIA ELECTROMAGNÉTICA
7.1. INTRODUÇÃO
Sem dúvida que a imagiologia representa a especialidade médica que mais
depende da tecnologia, tendo sofrido uma rápida evolução nos últimos anos,
devido essencialmente aos grandes desenvolvimentos verificados não só na
engenharia electrotécnica e na informática, mas também na medicina e na
biomedicina. O seu papel é fundamental no diagnóstico e no tratamento de
diversas doenças e anomalias de saúde, sendo ainda de salientar que todos os
equipamentos actualmente existentes são fruto do trabalho de cooperação
inter-disciplinar de engenheiros electrotécnicos, engenheiros electrónicos,
engenheiros informáticos, engenheiros mecânicos, médicos, biomédicos,
bioengenheiros, físicos, designers, e ergonomistas.
Por outro lado, a física da imagiologia representa o processo global de criação,
geração e visualização de imagens de diagnóstico clínico, e abrange todas as
modalidades da imagiologia médica, ou seja, a Radiografia, a Fluoroscopia, a
Mamografia, a Angiografia, a Tomografia Computorizada (TC), a Ressonância
Magnética (RM), a Medicina Nuclear, e a Ecografia. O estudo deste ramo da
física é fundamental para se adquirir um conjunto de conhecimentos técnicos e
operacionais, que se discriminam seguidamente:
•
Definição dos parâmetros de qualidade de imagem, que incluem o ruído,
a resolução espacial, e o contraste.
•
Influência das técnicas de imagiologia sobre a qualidade da imagem.
•
Selecção e avaliação dos equipamentos existentes no mercado, no que
respeita à sua capacidade para realizar os exames médicos previamente
especificados, à dose de radiação, e aos riscos associados à exposição
à radiação por parte dos pacientes e do pessoal médico hospitalar que
irá operar esses equipamentos.
•
Modos de especificação dos problemas e das avarias surgidas com as
imagens e com o normal desempenho dos equipamentos, e sua
162
comunicação aos físicos, biomédicos, e técnicos de manutenção e
instalação, com vista à reposição dos padrões normais.
7.2. BASES FÍSICAS
7.2.1. Radiação
Na maior parte dos equipamentos de imagiologia, as suas técnicas baseiam-se
nos campos electromagnéticos de elevada frequência, isto é, na radiação
electromagnética, já suficientemente estudada ao longo dos capítulos anteriores. Como é sabido, esta radiação é constituída por partículas que se
deslocam à velocidade da luz no vazio e, aproximadamente, no ar, sendo
designadas por fotões, e abrange as ondas de rádio e televisão, as
microondas, os infravermelhos, a luz visível, os ultravioletas, os raios X, e os
raios gama. Saliente-se que o funcionamento da radiologia convencional, da
angiografia, da Tomografia Computorizada, e da Ressonância Magnética, é
baseado na radiação electromagnética, como se discriminará ao longo deste
capítulo.
a) Medição da Radiação
Em termos médicos de radiologia e imagiologia, a par das grandezas já
definidas e explicitadas em capítulos anteriores, é usual utilizarem-se as
seguintes definições e grandezas, mais específicas:
•
Exposição – é um termo utilizado para exprimir a intensidade da
radiação de um feixe de raios X, e mede a capacidade dessa radiação
para ionizar o ar, sendo fisicamente definida como a carga eléctrica total
libertada por unidade de massa do ar, quando todos os electrões
libertados pelas interacções com os fotões são totalmente parados pelo
ar. A sua unidade tem sido habitualmente o roentgen (R), todavia, no
Sistema Internacional SI passou a ser o coulomb por kilograma (C/kg),
tendo-se, em termos de conversão, 1 R = 2,58 x 10-4 C/kg.
•
KERMA (Kinetic Energy Released in the Medium) – representa, como o
seu próprio nome indica, a energia cinética libertada no meio, sendo
definido como a energia cinética transferida dos neutrões e fotões
(partículas electricamente neutras) para os protões e electrões
163
(partículas electricamente carregadas, respectivamente com carga
positiva e com carga negativa), quando a radiação interage com a
matéria. A sua unidade SI é o joule por kilograma (J/kg).
•
Dose absorvida D – quantifica a quantidade de energia de radiação E
absorvida por unidade de massa M do meio absorvente, tendo-se assim:
E=DxM
A sua unidade no antigo sistema CGS é o rad (radiation absorbed dose),
e é igual a 100 ergs de energia depositada por grama, enquanto que no
sistema SI, é o gray (Gy), que é igual a 1 joule de energia depositada por
kilograma, tendo-se, por conseguinte, 1 Gy = 100 rad ou 1 rad = 10
mGy.
•
Factor-f – representa o factor de conversão entre a exposição e a dose
absorvida, sendo determinado pela relação entre a dose absorvida D e a
exposição X, ou seja, representa o factor de conversão de roentgen para
rad, sendo assim:
D=fX
Saliente-se que, para energias de raios X utilizadas em diagnóstico, o
factor-f é sensivelmente igual à unidade, e para os ossos está situado
entre 4 e 1.
•
Transferência Linear de Energia (Linear Energy Transfer LET) – é
definida como sendo a energia absorvida pelo meio por unidade de
distância atravessada, e é expressa em keV/mm. Evidentemente que,
quanto mais elevado for o valor da LET, maior será a dose de radiação
e, por conseguinte, mais elevados serão os riscos de exposição no que
respeita aos possíveis danos biológicos.
•
Dose equivalente H – é utilizada para quantificar os danos e os efeitos
biológicos resultantes da deposição da radiação ionizante nos tecidos,
sendo aplicada essencialmente na protecção contra a exposição às
radiações. É definida como sendo o produto entre a dose absorvida D e
o factor de qualidade (quality factor QF) da radiação, ou seja:
H = D x QF
164
No antigo sistema de unidades CGS, bastante utilizado em Física, a
unidade de H é o rem (radiation equivalent man), e, no actual sistema SI,
a unidade é o sievert (Sv), tendo-se 1 Sv = 100 rem, e 1 rem = 10 mSv.
Note-se que o factor de qualidade QF depende dos valores da LET –
para fontes de baixa radiação, isto é, com um valor de LET reduzido
(electrões, partículas beta, raios X, e raios gama), tem-se QF = 1; contrariamente, para fontes de elevada radiação, ou seja, com um LET
elevado (protões, neutrões, partículas alfa), o QF pode atingir o valor 20.
Na imagiologia de diagnóstico assim como na medicina nuclear, a
radiação que compreende os raios X, os raios gama, e as partículas
beta, tem valores baixos de LET e um factor de qualidade igual à
unidade, tendo todas essas radiações aproximadamente os mesmos
valores de exposição, de dose absorvida, e de dose equivalente, em
unidades CGS (1 R ≅ 1 rad ≅ 1 rem). Saliente-se que, apesar de se ter
para estes tipos de radiação as igualdades aproximadas R ≅ D ≅ H, as
unidades são diferentes, sendo também fisicamente diferentes os
significados de cada uma dessas grandezas. Na prática, estas
grandezas são conhecidas como sendo os R’s da radiologia, ou seja, a
exposição (R) refere-se à capacidade da radiação em ionizar o ar, a
dose absorvida (rad) refere-se à energia absorvida, e a dose
equivalente (rem) representa a medida dos efeitos biológicos que
poderão resultar da energia absorvida.
b) Protecção contra as Radiações
A protecção contra as radiações é normalmente concebida e implementada
com o objectivo de se evitar a ocorrência de efeitos determinísticos, isto é,
previamente conhecidos, e de se minimizar os riscos da radiação estocástica,
ou seja, da radiação cujos níveis de risco são conhecidos estatisticamente –
diminuindo a dose de radiação. Em radiologia, os procedimentos principais a
adoptar para se controlar a exposição às radiações incluem as seguintes
metodologias:
•
Redução do tempo de exposição. Para se assegurar que os utilizadores
se encontram sujeitos a doses de radiação aquém dos limites consi-
165
derados como os máximos admissíveis em termos de segurança, assim
como para se monitorizar as práticas de segurança, utilizam-se aparelhos de monitorização pessoais, normalmente por períodos de um
mês.
Por outro lado, os sistemas de dosimetria pessoal mais comuns são os
de dosimetria por filme e os de dosimetria por TLD (Thermoluminescent
Dosimetry), sendo a primeira a mais utilizada.
O aparelho é constituído por uma caixa de dimensões reduzidas que
contém um pedaço de filme situado entre dois filtros e, após a exposição
a radiações, o filme é processado sendo medida a densidade para se
estimar a dose baseada na energia média dos fotões, sendo a dose
mínima detectável de sensivelmente 0,2 mSv = 20 mrem.
No outro aparelho alternativo, de TLD, é utilizado um cristal especial em
que os electrões da rede cristalina, normalmente de fluoreto de lítio, são
excitados quando se encontram expostos às radiações, emitindo luz,
sendo essa quantidade de luz utilizada para estimar a dose de radiação,
cujo nível mínimo detectável se situa, como no aparelho anterior, em
0,2 mSv = 20 mrem.
•
Aumento da distância da fonte da radiação, isto é, do afastamento da
fonte, procedimento este que é normalmente seguido pelo pessoal
médico hospitalar especialistas em radiologia, e que operam com os
diversos equipamentos.
•
Utilização de blindagem e de colimadores. A blindagem dos técnicos de
radiologia é obtida por meio da utilização de uma barreira protectora em
chumbo, na medida em que, devido à sua elevada densidade e ao seu
elevado número atómico, apresenta uma grande capacidade de
absorção de radiação ionizante. Adicionalmente, a utilização de aventais
em chumbo reduz os níveis de exposição às radiações de um factor
sensivelmente igual a 10. Quanto às salas de radiologia, a sua
blindagem é conseguida através da colocação de barreiras, com uma
disposição adequada às características da sala. Saliente-se que estas
barreiras são usualmente instaladas pelos próprios construtores dos
equipamentos médicos, na medida em que, na sua oferta comercial, a
instalação é realizada tipo “chave na mão”.
166
7.2.2. Radiologia
a) Tubo de Raios X e Radiologia Convencional
A imagiologia através de raios X processa-se com base na absorção da
radiação ionizante constituída por raios X, por parte dos tecidos do corpo
humano, dando origem a imagens formadas por sombras. Essa radiação é
gerada quando os electrões de alta energia são travados pela matéria, sendo,
na prática, produzida num tubo com a configuração exposta na figura 7.1. O
tubo de raios X é constituído por uma ampola de vidro evacuada, isto é, onde
se fez o vácuo, e onde se encontra um ânodo (eléctrodo positivo) e um cátodo
(eléctrodo negativo).
No cátodo geram-se electrões através de um filamento de tungsténio com uma
resistência eléctrica elevada, e que é aquecido a uma temperatura superior a
2200 oC, por meio de uma corrente eléctrica com uma intensidade de 4 A.
Esses electrões são acelerados em direcção ao ânodo devido à aplicação de
uma alta tensão eléctrica, de 30 kV a 150 kV, entre o ânodo e o cátodo,
chocando os electrões num alvo em tungsténio situado no ânodo, sendo assim
travados e originando então os raios X. Por sua vez, estes raios saem da
ampola através de uma janela em vidro transparente a esses raios, sendo
finalmente colimados por meio de placas de chumbo, com o objectivo de limitar
e dirigir o feixe.
Figura 7.1 – Esquematização de um tubo de raios X,
com todos os seus componentes físicos.
167
Para se aumentar o número de fotões de raios X gerados, é necessário
aumentar o número de electrões libertados do cátodo, o que se consegue, por
sua vez, através do aumento da intensidade da corrente eléctrica que circula
no filamento de tungsténio do cátodo. Adicionalmente, para se aumentar a
energia dos fotões deve-se aumentar a tensão eléctrica entre o ânodo e o
cátodo. Saliente-se que, quer a regulação da intensidade do feixe (corrente no
cátodo), quer a regulação da energia da radiação (tensão ânodo-cátodo), são
procedimentos definidos pela técnica de execução, em função de cada caso
concreto de diagnóstico.
Para se obter as imagens, os raios X atravessam completamente a zona do
corpo a ser observada, sendo a radiação absorvida em quantidades diferenciadas consoante os tipos de tecido corporal. Contudo, a obtenção da imagem
não é directa, isto é, em tempo real, na medida em que tem que ser captada
através da impressão de uma película fotográfica sensível aos raios X, e que
terá que ser revelada posteriormente para poder então ser visualizada.
b) Fluoroscopia
A fluoroscopia é uma técnica moderna de radiologia, que permite obter
imagens pelos mesmos princípios dos raios X, todavia, essas imagens não são
captadas em películas mas sim convertidas em luz visível através de um
intensificador de imagem, sendo mostradas num ecrã ou num monitor de raios
catódicos, em tempo real, isto é, instantaneamente enquanto decorre o exame.
Na figura 7.2 mostra-se fotograficamente um equipamento de fluoroscopia,
utilizado para exames gastro-intestinais, genito-urinários, e para radiografias de
rotina.
Um outro campo onde se utiliza a fluoroscopia é a cirurgia, na medida em que
se torna imprescindível visualizar em tempo real o decorrer das intervenções,
mostrando-se na figura 7.3 um equipamento de imagiologia, que permite não
só fazer o acompanhamento cirúrgico, mas também armazenar e visualizar as
imagens obtidas nos exames pré-operatórios. Por sua vez, na figura 7.4
mostra-se uma imagem fluoroscópica de uma intervenção cirúrgica ortopédica,
em que a reconstituição de uma fractura óssea se processou através da
introdução de uma prótese interna constituída por dois parafusos metálicos de
reforço.
168
Figura 7.2 – Equipamento Siemens de fluoroscopia, para exames
gastro-intestinais, genito-urinários, e para radiografias de rotina.
Figura 7.3 – Equipamento Siemens de fluoroscopia, para
acompanhamento imagiológico cirúrgico.
c) Radiografia Digital
Este tipo de radiografia funciona com os mesmos princípios da fluoroscopia,
contudo as imagens finais, além de poderem ser visualizadas num ecrã são
também digitalizadas, podendo assim ser armazenadas na memória de um
computador, com a finalidade de poderem ser trabalhas, posteriormente à sua
obtenção através do exame radiológico. Este tipo de radiografia digital não
apresenta as limitações típicas dos pixels, associadas à Tomografia Compu169
torizada e à Ressonância Magnética, na medida em que as imagens não são
determinadas por computador mas sim obtidas directamente, apresentando
assim uma melhor resolução.
A única potencial limitação, facilmente resolúvel, diz respeito à memória de
armazenamento, que tem que ser bastante elevada.
Nas figuras 7.5 e 7.6 mostram-se dois equipamentos de radiografia digital, o
primeiro para aplicações gerais, e o segundo, para exames urológicos.
Figura 7.4 – Imagem fluoroscópica de uma intervenção cirúrgica
ortopédica, com a utilização de prótese intra-tecido ósseo.
Figura 7.5 – Equipamento Siemens para radiografia digital.
170
Figura 7.6 – Equipamento Siemens para radiografia digital urológica.
Quanto à angiografia digital de subtracção, o seu princípio de funcionamento é
similar ao da radiografia digital, contudo utiliza um contraste de elevada
absorção, que é injectado através de um cateter nos vasos sanguíneos que se
pretende que sejam analisados e estudados. Saliente-se que a angiografia
nasceu em 28 de Junho de 1927, quando o Prof. Egas Moniz realizou a
primeira arteriografia cerebral, após ter puncionado a carótida de um indivíduo
do sexo masculino, e, no ano seguinte, o Prof. Reynaldo dos Santos realizou a
primeira aortografia abdominal, através da punção directa da aorta, tendo
igualmente realizado as primeiras arteriografias periféricas. Nas figuras 7.7 e
7.8 mostram-se dois equipamentos de angiografia diagnóstica e de intervenção, respectivamente para aplicações vasculares e cerebrais.
7.2.3. Tomografia Computorizada
Esta técnica de imagiologia funciona exactamente com base no mesmo princípio dos raios X tradicionais, sendo no entanto as imagens tratadas,
processadas e reconstruídas através de um computador, que permite converter
a informação obtida da radiação transmitida ao paciente em imagens seccionais. Nesta tecnologia, um feixe fino de raios X é rodado em torno do eixo
de simetria da secção do paciente que se encontra a ser examinado, por
171
exemplo a cabeça, sendo a imagem reconstruída matematicamente a partir da
intensidade do feixe de radiação emitido, em função do ângulo de captação.
Evidentemente que essa reconstrução tem como suporte a utilização de
algoritmos informáticos bastante complexos, integrados nos respectivos
equipamentos.
Figura 7.7 – Equipamento Siemens de angiografia diagnóstica
e de intervenção vascular.
Figura 7.8 – Equipamento Siemens de angiografia diagnóstica
e de intervenção cerebral.
172
Inicialmente, com o advento desta técnica, conseguiam-se obter apenas
imagens axiais, ou então com ligeiros ângulos a partir da posição axial, daí a
designação antiga de Tomografia Axial Computorizada TAC. Presentemente,
com a utilização da TC Espiral, que varre um volume maior de partes do corpo
humano, é já possível obterem-se imagens noutros planos, daí que a
designação actual desta técnica seja apenas de Tomografia Computorizada
TC, mostrando-se na figura 7.9 um destes equipamentos.
Figura 7.9 – Equipamento Siemens de tomografia computorizada.
7.2.4. Ressonância Magnética
Como é sabido, o corpo humano, sendo matéria, é constituído por átomos, dos
quais uma grande proporção é de hidrogénio, átomos estes que são constituídos, por sua vez, apenas por um protão e por um electrão giratório. Ou seja,
como se tem uma única carga positiva e uma única carga negativa, se se
atender ainda a que os núcleos atómicos rodam sobre si próprios, então esses
núcleos comportam-se como pequenos magnetos permanentes. Quando esses
pequenos magnetos permanentes são colocados sob a acção de um campo
magnético, alinham-se com esse campo e rodam em torno do seu eixo, isto é,
em torno das linhas de força do vector intensidade do campo magnético,
movimento este semelhante ao movimento de rotação de um pião, e que é
designado por precessão, dependendo a rapidez do movimento directamente
da intensidade do campo magnético.
173
Por outro lado, quando o campo magnético a que se submetem os núcleos de
hidrogénio apresenta uma frequência exactamente igual à frequência da sua
precessão, frequência essa que se encontra na banda das ondas de rádio, os
núcleos conseguem absorver a energia do campo, ou seja, dá-se um fenómeno
de ressonância, invertendo os núcleos o seu sentido de rotação, passando a
ficar alinhados em sentido contrário ao do campo magnético. Quando o campo
magnético de RF é desligado, os núcleos deixam de absorver energia do
campo magnético, passando então a ser eles próprios a emitir radiação,
radiação esta que é captada por uma antena que a transforma num sinal de
corrente eléctrica, que irá assim permitir a construção da imagem pretendida.
Saliente-se que cada tecido do corpo humano, devido à sua composição
química diferente e ao seu estado físico, reemite a radiação absorvida a uma
taxa diferente, denominada tempo de relaxação do tecido. A codificação
espacial necessária à obtenção das imagens resulta da utilização de
gradientes, isto é, de variações, da intensidade do campo magnético o que faz
com
que
cada
núcleo
tenha
uma
frequência
de
precessão
única,
correspondente a uma determinada localização no tecido sob observação.
Como a reemissão da energia absorvida pelos núcleos de hidrogénio se
processa de uma forma exponencial e depende da temperatura dos tecidos e
da intensidade do campo magnético, e, além disso, como cada tecido
apresenta uma estrutura molecular e morfológica próprias, o tempo de
reemissão varia de tecido para tecido, o que permite obter imagens com um
contraste entre os vários tecidos observados.
Os avanços recentes no que respeita à velocidade de aquisição de sinais, com
a técnica de Imagem Eco Planar (Eco Planar Imaging EPI), permitem obter
imagens cardíacas em tempo real. Além da imagiologia pura, a RM permite a
obtenção de espectros químicos localizados, devido à variação da frequência
de precessão dos núcleos de hidrogénio inseridos em moléculas diferentes.
Atendendo a que, na RM, se têm núcleos submetidos a campos magnéticos, e
ainda a que esses núcleos absorvem radiação em ressonância, esta técnica de
imagiologia foi inicialmente designada com Ressonância Magnética Nuclear,
passando modernamente a ser nomeada apenas como Ressonância
Magnética, devido às conotações negativas do vocábulo nuclear.
174
É ainda de salientar que a RM se tem vindo a transformar na tecnologia de
eleição em imagiologia, devido não só às complexas técnicas que utiliza, mas
também pelo facto de permitir obter informações biológicas tanto anatómicas
como funcionais, nos domínios da angiografia,
difusão,
perfusão, e
funcionamento cerebral, sendo de momento a única técnica que permite a
caracterização química dos tecidos.
Na figura 7.10 apresenta-se um equipamento de ressonância magnética de
1,5 T. Note-se que, na prática, para que se consiga excitar os núcleos dos
átomos de hidrogénio, os campos magnéticos a utilizar nos equipamentos de
RM apresentam densidades de fluxo bastante elevadas, cujos valores normalizados são 1,5 T e 3 T. Para que se tenha uma ideia desta ordem de grandeza,
as densidades de fluxo nos circuitos magnéticos de grandes máquinas eléctricas situam-se entre 0,90 T e 0,95 T.
Figura 7.10 – Equipamento Siemens de ressonância magnética de 1,5 T.
Saliente-se que, apesar da TC e da RM resultarem da interferência da energia
com a matéria, as suas géneses são completamente diferentes, daí que seja
natural que as expressões iconográficas não apresentem quaisquer semelhanças e, consequentemente, também as semiologias, que incluem como é
óbvio a interpretação, sejam também bastante diferentes. Por um lado, a TC
resulta da interferência entre a radiação ionizante X e a nuvem electrónica dos
átomos, enquanto que na RM essa interferência processa-se entre uma
175
radiação não-ionizante de rádio-frequência e os protões dos núcleos atómicos
do hidrogénio.
7.2.5. Medicina Nuclear
Esta medicina é caracterizada pela utilização de metodologias complementares
de diagnóstico, minimamente invasivas, e que, para a sua execução, requerem
apenas uma simples administração intravenosa de um radiofármaco. Adicionalmente, as doses de radiação absorvidas pelos pacientes são, de um modo
geral, similares ou inferiores às das técnicas radiológicas convencionais, com
raios X. A medicina nuclear, daí a sua designação, utiliza substâncias radioactivas com fins diagnósticos ou, com menor frequência, com objectivos
terapêuticos. No caso da terapêutica, possibilita o tratamento por meio da
interacção que se estabelece entre o paciente e as radiações recebidas,
enquanto que, no caso das aplicações diagnósticas, as substâncias
radioactivas fornecem informações relativas ao comportamento biológico
através da detecção externa das radiações emitidas.
De um modo geral, as técnicas radiológicas dependem das alterações da
estrutura e da morfologia dos tecidos biológicos, para se detectar a existência
de anomalias e de doenças, enquanto que as imagens geradas pela técnica de
medicina nuclear, imagens essas designadas por cintigrafias, devem ser
interpretadas como imagens funcionais, que poderão desempenhar uma acção
importante na detecção precoce das doenças, na medida em que as
disfunções precedem as alterações morfológicas.
Os métodos radioisotópicos são baseados na utilização de traçadores
radioactivos cujo comportamento bioquímico e fisiológico é idêntico ao da
substância estável, e, sendo administrados em quantidades muito reduzidas,
não provocam mudanças nos processos fisiológicos, permitindo assim o estudo
das funções sem haver alteração dessas mesmas funções. A câmara gama,
que se mostra na figura 7.11, é o equipamento mais utilizado em medicina
nuclear, permitindo a obtenção de imagens planares e tomográficas. Esta
câmara é essencialmente constituída por um sistema de detecção de raios
gama – por exemplo, um cristal de iodeto de sódio activado com tálio –,
convenientemente
colimado,
assim
como
por
outros
dispositivos
de
176
processamento dos impulsos eléctricos obtidos como consequência da
interacção das radiações gama com o cristal detector.
Figura 7.11 – Câmara gama de medicina nuclear Siemens,
com dois detectores e tecnologia SPECT – TC.
Além das funcionalidades tomográficas, as câmaras gama possibilitam igualmente o tratamento informático dos dados obtidos, permitindo a detecção, o
registo, a análise, e a quantificação das alterações que se verificam na
distribuição e troca de constituintes dos tecidos biológicos, em órgãos ou outras
regiões do corpo, em observação no exame nuclear. A exploração da
quantificação das alterações tem vindo a contribuir, de modo significativo, para
a valorização das aplicações clínicas deste tipo de medicina, como por
exemplo a ventriculografia de radionúclidos, a cintigrafia renal, e a
quantificação em Tomografia por Emissão Fotónica Simples (Single Photonic
Emission Computerized Tomography SPECT), e em Tomografia por Emissão
de Positrões (Positrons Emission Tomography PET). Na figura 7.12 mostra-se
um outro equipamento de medicina nuclear, com tecnologia PET – TC.
As imagens cintigráficas obtidas são não só funcionais, mas também
quantificativas, o que se traduz na obtenção de mais-valias no que respeita às
informações adicionais relacionadas com os processos fisiológicos. A obtenção
de imagens de um modo dinâmico possibilita a visualização dos movimentos
do traçador radioactivo, independentemente desses movimentos serem de
natureza passiva (circulação sanguínea, difusão), ou de natureza activa
(secreções, excreções).
177
A localização e a dinâmica das substâncias radioactivas administradas nos
tecidos biológicos encontram-se relacionadas com determinadas actividades e
funções biológicas, daí que se consigam obter imagens com informações
funcionais e anatómicas, em simultâneo.
A medicina nuclear tem-se vindo a desenvolver essencialmente devido aos
grandes progressos verificados nos sistemas de aquisição e processamento de
dados, englobando sinais e imagens.
Figura 7.12 – Equipamento de medicina nuclear Siemens,
com tecnologia PET – TC.
A tendência actual aponta para a adopção de equipamentos não só como
aquele que se mostra na figura 7.11, em que, através de um simples registo se
fundem imagens funcionais, obtidas por meio de uma câmara gama, com
imagens morfológicas, conseguidas através da Tomografia por Emissão
Fotónica Simples SPECT (sistema SPECT – TC), mas também da Tomografia
por Emissão de Positrões PET, utilizada em equipamentos como o que se
mostra na figura 7.12 (sistema PET – TC).
7.3. ANGIOGRAFIA DIAGNÓSTICA
Esta técnica nasceu em 1927, com o Prof. Egas Moniz, mais tarde Prémio
Nobel da Medicina, ao realizar a primeira arteriografia cerebral e, no ano
seguinte, foi a vez do Prof. Reynaldo dos santos efectuar a primeira aortografia
178
abdominal. Todavia, foi só em 1953 que Seldinger desenvolveu um novo
método de angiografia por via percutânea transfemoral, o que representou um
passo muito significativo para o progresso e expansão deste meio de
diagnóstico.
Em termos evolutivos, a angiografia diagnóstica inicial continha unicamente
informações analógicas, ou seja, informações das imagens de uma forma
contínua, com a apresentação das várias áreas de enegrecimento, ao passo
que, na angiografia de subtracção digital as imagens analógicas são digitalizadas, isto é, tornadas descontínuas.
Neste processo de conversão, a imagem é, em primeiro lugar, gerada no
equipamento de televisão por meio de um intensificador de imagem, sendo
esta imagem analógica de vídeo digitalizada de seguida através de um
conversor analógico-digital, com a finalidade de ser memorizada e tratada por
computador.
Uma das primeiras imagens digitais obtidas, por conseguinte ainda antes da
injecção do líquido de contraste no paciente, irá servir de máscara, ou seja
como base de referência para as imagens seguintes a obter no exame. Essa
máscara é então subtraída das imagens subsequentes obtidas no exame,
portanto após a injecção do líquido de contraste, daí que se irá visualizar
apenas o percurso do vaso sanguíneo por onde circula o contraste.
É exactamente devido a esta subtracção que este meio de diagnóstico se
designa por angiografia de subtracção digital. Adicionalmente, a administração
intra-arterial do contraste iodado permite, através da sua concentração, que se
atinja um bom aproveitamento da intensificação electrónica do contraste na
geração das imagens, como se mostra na figura 7.13.
Comparativamente com a angiografia analógica de diagnóstico clássica, a
angiografia intra-arterial de subtracção digital apresenta o seguinte conjunto de
vantagens:
•
Utilização de uma menor quantidade de líquido de contraste.
•
Menor concentração do líquido de contraste.
•
Possibilidade de se utilizarem cateteres de pequeno calibre.
•
Custos de utilização mais reduzidos (número de películas, meios de
contraste, arquivos).
179
•
Tempos de exame mais reduzidos, o que possibilita a realização de um
maior número de exames por unidade de tempo, rentabilizando mais
rapidamente o investimento com a aquisição do equipamento.
Figura 7.13 – Angiografia de subtracção digital da carótida.
Enquanto que a angiografia convencional era utilizada apenas na avaliação e
análise das estruturas vasculares e no diagnóstico de tumores no rim, fígado e
pâncreas, a moderna angiografia digital é aplicada no diagnóstico de:
•
Lesões isquémicas.
•
Lesões traumáticas.
•
Hemorragias.
•
Tumores.
•
Anomalias vasculares congénitas.
•
Transplantes.
•
Aneurismas.
•
Lesões venosas.
7.4. MAMOGRAFIA
O cancro da mama representa actualmente a doença maligna que mais afecta
a mulher e, apesar da sua incidência ter vindo a aumentar, a taxa de mortalidade, que se manteve estável até 1995, encontra-se em decrescimento,
180
possivelmente devido à maior utilização do rastreio mamográfico, fruto das
campanhas de saúde pública que têm vindo a ser realizadas. De acordo com
estudos epidemiológicos realizados, as mulheres com idade compreendida
entre 40 e 49 anos deverão efectuar o rastreio anualmente, enquanto que,
acima dos 50 anos, esse rastreio deverá ser realizado bienalmente.
Em termos anatómicos, a base da mama adulta situa-se entre a 2ª e a 6ª
costelas, na linha clavicular média, e encontra-se quase totalmente sobre o
músculo grande peitoral, estendendo-se o tecido mamário desde o bordo
lateral do externo até à linha axilar anterior e à axila. Por outro lado, a
espessura da pele situa-se entre 0,5 mm e 2 mm, encontrando-se, imediatamente por baixo dela, a fáscia superficial que divide a mama em duas regiões
– região superficial e região profunda. Adicionalmente, a glândula é fixa à
fáscia e aos músculos peitorais por meio dos ligamentos de Cooper, que são
cordões fibrosos que se estendem da derme profunda ao tecido mamário
subjacente. Macroscopicamente, a mama é formada por 15 a 20 segmentos ou
lobos, incluindo cada lobo os lóbulos e os ductos excretores que drenam,
através do ducto lactífero, no mamilo.
Em termos de composição geral, os seios apresentam-se em quatro padrões:
•
Mama adiposa, que é essencialmente hipertransparente.
•
Mama com densidades fibroglandulares dispersas, e que apresentam
uma densidade intermédia.
•
Mama com tecido mamário denso e heterogéneo.
•
Mama com tecido mamário muito denso. Este padrão, assim como o
anterior, é caracterizado pela hipotransparência, que faz diminuir a
sensibilidade da mamografia no que respeita a detecção de pequenas
lesões, o que justifica a realização de estudos clínicos complementares,
através da recorrência à ultrassonografia (ecografia).
Saliente-se que o padrão mamário varia não só com a idade mas também com
o estado hormonal da mulher, apresentando as mulheres em idade jovem uma
densidade elevada, enquanto que, na idade pós-menopausa e na ausência de
terapêutica hormonal, a mama tem características adiposas.
A utilização da radiologia no diagnóstico mamário teve o seu início em 1913,
quando o médico cirurgião alemão Albert Salomon realizou a primeira mamo181
grafia. A partir dessa data, e devido à complexidade técnica deste tipo de
exame clínico, a sua imagiologia específica tem vindo a sofrer uma evolução
tecnológica notável, existindo actualmente equipamentos bastante complexos
que permitem efectuar todo o tipo de exames, com uma minúcia e um grau de
precisão elevadíssimos.
A mamografia continua a ser, ainda hoje, o meio de diagnóstico gold standard,
como afirma a Doutora Isabel Ramos, Professora Catedrática da Faculdade de
Medicina da Faculdade do Porto, no estudo das patologias mamárias. Contudo,
apesar da elevadíssima sofisticação dos equipamentos existentes, a qualidade
do exame depende ainda bastante da utilização mais adequada desses
equipamentos, assim como da experiência de quem realiza o exame.
Na figura 7.14 mostra-se um equipamento moderno de mamografia, digital, que
permite a visualização de imagens em tempo real, o diagnóstico de eventuais
anomalias, a realização de biopsias, e o processamento e tratamento posterior
das imagens obtidas. É caracterizado ainda pela sua elevada resolução não só
espacial mas também do contraste das imagens, e possui um tubo de raios X
construído com o ânodo em tungsténio e molibdénio, que assegura uma dose
de radiação cerca de 50 % inferior à dos equipamentos de raios X convencionais.
Figura 7.14 – Equipamento Siemens de mamografia digital.
Além disso, como se esquematiza na figura 7.15, a intensidade do feixe de
raios X adapta-se automaticamente ao padrão mamário, aumentando assim o
rigor dos exames, tornando-os menos dependentes das intervenções dos
182
radiologistas. Após um exame mamográfico, em primeiro lugar deve-se avaliar
a qualidade desse exame e, em seguida, efectuar os seguintes procedimentos
clínicos:
•
Determinar a composição geral da mama.
•
Analisar a existência ou não de lesões.
•
Confirmar se a(s) lesão(ões) é(são) reais.
•
Localizar essas lesões, se de facto existirem.
Figura 7.15 – Regulação automática da intensidade do feixe
de raios X em função do padrão mamário.
7.5. TOMOGRAFIA COMPUTORIZADA
A tomografia computorizada (TC), resulta da evolução tecnológica natural da
imagiologia radiológica convencional baseada nos raios X que, devido à sua
elevada energia, tem a capacidade de atravessar corpos e objectos. A TC foi
inicialmente descrita em 1973 por Godfrey Hounsfield, investigador dos laboratórios Thorn-EMI, num artigo científico publicado na revista inglesa British
Journal of Radiology, e consiste na reconstrução, através de métodos computacionais, dos dados obtidos por varrimentos sucessivos de uma mesma região
do corpo humano, com radiação X, com uma alteração sucessiva das posições
relativas entre o feixe da radiação e o objecto em exame. Por conseguinte, as
imagens assim obtidas representam, cada uma delas, um corte localizado, ou
seja, uma fatia axial, com uma espessura compreendida entre 1 mm e 10 mm,
daí a designação inicial desta técnica – Tomografia Axial Computorizada
183
(TAC). Para melhor compreensão, apresenta-se na figura 7.16 uma imagem no
plano axial do tórax.
Figura 7.16 – Corte de TC no plano axial do tórax.
Em termos de blocos funcionais, os equipamentos de TC são normalmente
constituídos pelos seguintes módulos:
•
Gerador de alta tensão, para a alimentação ânodo-cátodo do tubo
gerador de raios X.
•
Conjunto mesa/gantry, estando o tubo de raios X, os sistemas de
detecção da radiação, e os conversores analógico-digitais inseridos no
gantry.
•
Computador, que assegura a gestão de todo o sistema assim como o
processamento digital dos dados recolhidos.
•
Consola de operação e de visualização das imagens.
•
Sistema de armazenamento das imagens.
Os equipamentos actuais encontram-se equipados com 600 a 800 detectores
dispostos lado a lado, e emitem feixes de radiação em leque, o que evita a
existência de movimento de translação e torna mais rápida a aquisição de
dados. Além disso, para cobrirem toda a área do corpo humano sujeita a
exame tomográfico, dispõem de um sistema de rotação síncrono “tubo de raios
X – detectores”, ou de outro sistema alternativo, em que os detectores estão
fixos, girando apenas o tubo. Já nos anos 90 do século passado, foram
disponibilizados equipamentos com mais um grau de liberdade, em que, asso184
ciado ao movimento rotativo síncrono “tubo – detectores”, se tem igualmente o
movimento longitudinal incremental da mesa onde se encontra o paciente, o
que permite a aquisição de dados de uma forma contínua – aquisição helicoidal
–, como se esquematiza na figura 7.17.
Figura 7.17 – Aquisição de dados helicoidal.
Atendendo a que esta aquisição é realizada em modo contínuo ao longo de
uma espiral, os dados obtidos deixam de ter uma distribuição plana, ou seja,
bidimensional, mas sim volumétrica, isto é, tridimensional. Esta técnica permite
assim que, além da reconstrução clássica em cortes bidimensionais fatia a
fatia, sejam ainda possíveis outras reconstruções, como a SSD (Surface
Shaded Display), a MIP (Maximum Intensity Projection), e a mIP (minimum
Intensity Projection), conseguindo-se assim a representação de superfícies
sombreadas em volume e profundidade (SSD), assim como a representação de
estruturas com um valor de voxel acima (MIP) ou abaixo (mIP) de um
determinado limiar previamente seleccionado pelo radiologista.
Para melhor entendimento, veja-se seguidamente quais os conceitos de pixel e
de voxel. Para isso, considere-se a figura 7.18, em que se tem uma matriz de
imagem (corte), com uma dada espessura e constituída por um determinado
número de elementos rectangulares.
Esta imagem genérica corresponde, grosso modo, à imagem reconstruída
computacionalmente num equipamento de TC, sendo assim formada por um
conjunto bidimensional de elementos – os elementos rectangulares –, que são
designados por pixels (aglutinação de picture element), tendo cada um deles
185
um valor codificado para a sua representação numa escala a preto e branco. O
pixel representa a base rectangular de um elemento de volume paralelepipedal,
designado por voxel, correspondendo a altura desse paralelepípedo à
espessura da imagem.
Figura 7.18 – Matriz de imagem (corte) obtida na TC.
A Tomografia omputorizada posiciona-se, em conjunto com a Ressonância
Magnética, na moderna imagiologia, permitindo a disponibilização das imagens
obtidas nos exames e o seu armazenamento digital, para que, posteriormente,
possam ser processadas e enviadas electronicamente, sem perda de
qualidade. Uma área de diagnóstico onde a TC se destaca são os estudos das
estruturas vasculares, clinicamente designados por angio-TC, na medida em
que representam uma associação da angiografia com a tomografia, sendo de
salientar que a angio-TC é actualmente a técnica de diagnóstico do
tromboembolismo pulmonar.
Apesar de, actualmente, o peso da RM como técnica diagnóstica em termos
morfológicos suplante a TC, sem dúvida que a TC resolve bastantes problemas
clínicos que exigem uma resposta imediata e pouco onerosa, em relação à
imagiologia.
Além disso, existem situações clínicas exequíveis apenas por recorrência à TC,
como sucede com as lesões ósseas e as calcificações, praticamente não
identificáveis na RM. Por conseguinte, pode-se afirmar que a TC e a RM são
técnicas de imagiologia complementares.
186
7.6. RESSONÂNCIA MAGNÉTICA
A par da Tomografia Computorizada, a Ressonância Magnética é a técnica de
imagiologia que tem experimentado um dos maiores desenvolvimentos nos
últimos anos, sendo a não utilização de radiação electromagnética ionizante
assim como a sua excelente resolução espacial e de contraste, as suas
principais vantagens.
Como é do conhecimento geral, o corpo humano contém, na sua composição,
uma percentagem muito significativa de água, ou seja, os átomos de hidrogénio
são os que existem em maior número no corpo. Estes átomos são, por sua vez,
constituídos apenas por um electrão, que tem carga eléctrica negativa, e por
um núcleo onde existe também apenas um protão, que possui carga eléctrica
positiva. Adicionalmente, o núcleo roda sobre si próprio, isto é, possui um spin,
criando assim um pequeno campo magnético o que faz com que o protão seja
semelhante a um pequeno magneto. Quando se submete o paciente à acção
de um campo magnético, gerado através de uma onda de rádio-frequência, os
protões giram em torno do seu eixo, movimento de rotação esse que se
designa por precessão e cuja frequência depende da intensidade do campo
magnético aplicado. Ao mesmo tempo, os protões irão alinhar-se com o campo,
em paralelo ou em antiparalelo, existindo mais protões na primeira situação, na
medida em que se trata de um nível menos energético, conduzindo à formação
de um campo magnético do próprio paciente, e que apresenta uma direcção
longitudinal em relação à direcção do campo exterior.
Quando a onda magnética de RF tem a mesma frequência da precessão
protónica, dá-se um fenómeno de ressonância, e os protões absorvem energia,
saindo assim do nível de menor energia (paralelo), para o nível de energia mais
elevada (antiparalelo), diminuindo desse modo a magnetização longitudinal. Ou
seja, surge uma nova magnetização, transversal à direcção do campo magnético aplicado externamente.
No passo seguinte, quando se desliga a radiação de RF externa, dá-se um
aumento da magnetização longitudinal, uma vez que os protões vão perdendo
a energia acumulada, regressando ao nível de menor energia. Esta relaxação
longitudinal, que traduz o retorno progressivo dos núcleos ao seu estado
natural à medida que vão libertando a energia acumulada, é descrita através de
uma constante temporal T1 – tempo de relaxação –, que é tanto menor quanto
187
mais eficiente for essa libertação energética e vice-versa, sendo de salientar o
facto dos tecidos adiposos, isto é, a gordura, apresentar o menor tempo de
relaxação.
A variação da magnetização transversal, que depende do grau de mobilidade
entre moléculas, é descrita pelo tempo de relaxação T2, que é tanto maior
quanto mais elevada for a mobilidade e vice-versa. No caso da água, como a
mobilidade das suas moléculas é elevada, o tempo T2 é relativamente longo.
No que respeita aos tecidos biológicos, os que são ricos em colagénio, fibras, e
proteínas, apresentam um T1 baixo/intermédio, e um T2 baixo, enquanto que
os tecidos ricos em água, como por exemplo o edema, as inflamações, as
necroses, os quistos, as hemorragias, os tumores, têm um T1 baixo e um T2
elevado.
Por conseguinte, patologias diferentes poderão apresentar sinais similares,
como por exemplo um edema e um tumor, e, por outro lado, o mesmo processo
patológico pode apresentar características de sinal diferentes, se houver
alguma alteração nos tecidos. Por exemplo, se houver uma alteração da
composição e estrutura de um tecido, como sucede com o aparecimento de
tumores num tecido são, o sinal também se altera, permitindo assim a detecção
da anomalia tecidular.
A combinação da RM com a angiografia, isto é, com a administração de
contraste, nomeadamente de quelatos de gadolínio, permite aumentar a
capacidade de detecção e de caracterização das lesões, sendo estes
contrastes de administração bastante segura e sem contra-indicações,
mostrando-se na figura 7.19 uma angio – RM da aorta abdominal.
Apesar das grandes potencialidades e dos progressos notáveis da RM, a sua
utilização está contra-indicada na presença de material ferromagnético e em
pacientes que tenham pacemakers implantados, mesmo estando inactivos.
Note-se que, em pacemakers activos, o campo magnético aplicado pelo equipamento de RM provoca interferências electromagnéticas nos circuitos electrónicos do pacemaker, podendo conduzir não só ao aparecimento de
frequências de funcionamento diferentes, mas também à sua imobilização, com
consequências muito graves. Por outro lado, devido ainda às linhas de força do
campo magnético de RM, tanto a estrutura metálica do pacemaker, activo ou
inactivo, assim como as próteses metálicas ferromagnéticas, serão sede de
188
forças electromotrizes geradas com base na lei de indução de Faraday, que,
por sua vez, darão origem a correntes de Foucault, que são correntes de curto-circuito de elevada intensidade, provocando aquecimentos muito perigosos
nos tecidos biológicos circundantes.
Figura 7.19 – Angio – RM, de uma prótese da aorta abdominal, com
aquisição volumétrica ponderada em T1, e com contraste de gadolínio.
A RM utiliza-se na imagiologia do sistema nervoso central, do tórax, do
abdómen, da pélvis, do sistema músculo-esquelético, e em angiologia, sendo
previsível que, além da realização de exames morfológicos, seja possível a
realização de estudos funcionais.
7.7. OBSERVAÇÕES FINAIS. ECOGRAFIA
Para melhor compreensão dos assuntos expostos nos Capítulos 6 e 7, relativamente às aplicações terapêuticas e às aplicações médicas dos campos
electromagnéticos, apresenta-se no quadro 7.1 um resumo de todas as
técnicas que se apresentaram, assim como as respectivas bases físicas. Nos
textos anteriores, não se expôs o princípio físico de uma outra aplicação
médica de imagiologia, que é a ecografia, na medida em que o seu
funcionamento se baseia apenas nas ondas sonoras, mais concretamente nos
ultrassons.
189
Técnicas
Bases físicas
Aplicações terapêuticas
Estimulação Magnética Transcraniana
Campo magnético
Estimulação Eléctrica Óssea, por Eléctrodos
(invasiva)
Campo eléctrico
Estimulação Eléctrica Óssea Capacitiva
Campo eléctrico
Estimulação Eléctrica Óssea Magnética
Campo magnético
Tratamento por Hipertermia
Rádio-frequência
Ablação de Rádio Frequência, por Eléctrodos
(invasiva)
Rádio-frequência
Radioterapia Oncológica
Fotões/radiação gama
Terapia de Partículas
Protões de hidrogénio,
iões de carbono
Aplicações médicas em imagiologia
Radiografia
Raios X
Fluoroscopia
Raios X
Imagiologia Cirúrgica
Raios X
Angiografia
Raios X
Tomografia Computorizada
Raios X
Ressonância Magnética
Rádio-frerquência
Medicina Nuclear SPECT-TC e PET-TC / Câmara
Gama
Raios X, raios gama
Mamografia
Raios X
Urologia
Raios X
Quadro 7.1 – Aplicações terapêuticas e aplicações médicas em imagiologia,
dos campos electromagnéticos.
Contudo, para se terminar este capítulo, apresenta-se uma descrição desta
aplicação, dada a sua elevada importância na medicina actual.
A ecografia, também designada por imagiologia de ultrassons, é uma técnica
de diagnóstico por imagem baseada no fenómeno da interacção entre ultrassons e tecidos biológicos, ou seja, baseada na reflexão de ultrassons que se
propagam no corpo. Os ultrassons utilizados em ecografia têm uma frequência
superior a 20 kHz, ou seja, superior ao limite de frequência audível pelo ouvido
humano, sendo gerados através do fenómeno piezoeléctrico, isto é, de conversão de impulsos eléctricos em impulsos mecânicos e vice-versa. A
190
velocidade do feixe ultrassónico depende do material atravessado (quadro 7.2),
e os ecos gerados a partir das diferentes interfaces entre os tecidos,
encontradas no trajecto desse feixe, retornam ao equipamento num intervalo
de tempo que é proporcional à sua penetração na área em estudo.
Tecidos
Velocidades (m/s)
Ar
340
Gordura
1450
Água
1540
Rim
1560
Sangue
1570
Músculo
1585
Cristalino
1620
Osso
3200
Metais
> 4000
Quadro 7.2 – Velocidade dos ultrassons em diversos tecidos.
A imagem ecográfica é assim constituída pelos efeitos acústicos derivados da
interacção entre a onda sonora e o tecido biológico. Na ecografia diagnóstica, a
frequência de emissão acústica apresenta os seguintes valores típicos:
•
2 MHz – estudos cardíacos, transcranianos, e abdominais profundos.
•
3,5 MHz – exames abdominais e pélvicos.
•
5 MHz – exames abdominais e endocavitários.
•
10 MHz – avaliação de estruturas superficiais, que incluem os vasos
sanguíneos, e os tecidos moles, e exames endoscópicos.
•
Até 20 MHz e frequências superiores – estudos da pele, olhos e vasos
sanguíneos.
Os ultrassons, ao propagarem-se no interior do corpo humano, são reflectidos
em cada interface entre dois tecidos, sendo uma parte da onda que é
transmitida e outra que é reflectida.
No quadro 7.3 mostra-se as percentagens da energia reflectida de uma onda
acústica ultrassonora, que incide perpen-dicularmente à interface entre
diversos tecidos biológicos e, para finalizar, apresenta-se na figura 7.20 um
191
equipamento de ecografia, e na figura 7.21 uma ecografia tridimensional do
rosto de um bebé no ventre materno.
Interface
Músculo
Fígado
Sangue
Osso
Músculo
-----
0,02
0,1
41
Fígado
0,02
-----
0,02
42
Sangue
0,1
0,02
-----
43
Gordura
1,1
0,8
0,6
49
Quadro 7.3 – Percentagem da energia reflectida de uma onda de ultrassons.
Figura 7.20 – Equipamento Siemens de ecografia.
Figura 7.21 – Imagem ecográfica de um bebé em gestação.
192
7.8. TECNOLOGIA TERAHERTZ
A radiação Terahertz, isto é, com uma frequência da ordem de grandeza do
THz (1 THz = 1012 Hz), situa-se entre a radiação de microondas e a luz infravermelha, conforme se mostra no espectro de frequências da figura 7.22,
ocupando a banda compreendida entre 0,3 THz e 20 THz. Esta região é, por
vezes, designada por espaço THz (THz – gap), e representa uma das últimas
bandas daquele espectro a ser explorada e investigada.
Figura 7.22 – Distribuição das aplicações terapêuticas da energia
electromagnética no espectro das frequências.
193
Esta radiação é não-ionizante, e tem vindo a ser objecto de investigação no
sentido da sua aplicação médica em imagiologia, na medida em que os níveis
da energia fotónica são reduzidos (1 – 12 meV), não se verificando desse
modo a possibilidade da existência de danos nas células, que se limitarão
apenas, quando muito, aos efeitos térmicos generalizados – é, por
conseguinte, uma radiação não carcinogénica. Por exemplo, a energia dos
fotões dos raios X situa-se na gama do keV, ou seja, sensi-velmente um milhão
de vezes mais elevada
A imagiologia clínica baseada na tecnologia terahertz apresenta algumas
vantagens relativamente a outras técnicas de imagiologia, uma vez que
providencia a obtenção de informação temporal e espectroscópica, que permite
desenvolver imagens tomográficas tridimensionais, enquanto que as microondas e os raios X produzem apenas imagens com densidades diferentes. As
respostas dos materiais biológicos – rotação, vibração e translação (moléculas,
radicais, e iões) – quando sujeitos à radiação THz, permitem obter informações
imagiológicas que se encontram ausentes nas imagens geradas por raios X e
por ressonância magnética, atendendo a que aquela radiação consegue
penetrar facilmente no interior da maioria dos materiais dieléctricos, os quais
são opacos à luz visível e com pouco contraste aos raios X.
Adicionalmente, a radiação THz apresenta um elevado grau de penetração.
Contrariamente aos raios X, é uma radiação não-ionizante; contrariamente aos
ultrassons, as imagens são obtidas sem contacto com os tecidos, e,
comparativamente com a radiação infravermelha, a sua profundidade de
penetração é mais elevada. Além disso, a deposição de energia nos tecidos
biológicos é bastante menor que as das outras técnicas citadas.
Uma das grandes esperanças no que respeita à generalização do uso desta
moderna técnica de imagiologia, consiste na detecção precoce de doenças e
de anomalias. As suas primeiras utilizações, por volta de 2003, foram a
detecção de cáries dentárias e a examinação da pele para se avaliar a
amplitude e a profundidade de queimaduras. Mais recentemente, tem sido
aplicada na detecção e análise da extensão de carcinomas na subderme. Além
da sua vocação para a detecção rigorosa de tumores na pele, como as ondas
THz podem penetrar em plásticos e em tecidos (panos e trapos), pode ainda
194
ser utilizada para detectar objectos escondidos, bem como gases tóxicos e
explosivos.
Entre os desafios actuais que se colocam para tornar a imagiologia THz mais
prática e acessível como aplicação médica da energia electromagnética, situa-se o desenvolvimento e aperfeiçoamento de guias de onda que permitam
dirigir a radiação, de uma forma precisa, em direcção ao alvo pré-seleccionado.
Quanto às suas desvantagens, são as seguintes:
•
Como a água e outros líquidos apresentam uma elevada taxa de
absorção à radiação THz, esta situação limita a sensibilidade e a
imagiologia de tecidos ricos em água, e inibe praticamente a
transmissão em modo de imagem através de tecidos densos e
espessos.
•
A instalação de um equipamento THz carece de um espaço considerável, sobretudo devido ao gerador laser ultrarápido.
•
O elevado custo do gerador laser, situado entre 70 mil e 140 mil euros,
poderá impedir a generalização desta técnica.
195
BIBLIOGRAFIA
1. Livros
[1] – John D. Kraus, “Electromagnetics”. McGraw-Hill International Editions,
Electrical Engineering Series, fourth edition, New York, USA, 1991.
[2] – Riadh W. Y. Habash, “Electromagnetic Fields and Radiation. Human
Bioeffects and Safety”. Marcel Dekker, Inc., New York, USA, 2002.
[3] – João Martins Pisco (coordenador), “Imagiologia Básica. Texto e Atlas”.
Lidel – edições técnicas, Lisboa, Setembro de 2003.
[4] – Peter Stavroulakis (editor), “Biological Effects of Electromagnetic
Fields”. Springer-Verlag, Berlin, Germany, 2003.
[5] – Frank S. Barnes, Ben Greenebaum (editores), “Biological and Medical
Aspects of Electromagnetic Fields”. CRC Press, Taylor & Francis
Group, Boca Raton, Florida, USA, 2007.
[6] – Frank S. Barnes, Ben Greenebaum (editores), “Bioengineering and
Biophysical Aspects of Electromagnetic Fields”. CRC Press, Taylor &
Francis Group, Boca Raton, Florida, USA, 2007.
[7] – Riadh W. Y. Habash, “Bioeffects and Therapeutic Applications of the
Electromagnetic Energy”. CRC Press, Taylor & Francis Group, Boca
Raton, Florida, USA, 2008.
[8] – Carlos M. P. Cabrita, “Efeitos Biológicos dos Campos Electromagnéticos e da Radiação”. Edição do autor, Universidade da Beira
Interior, Covilhã, 2008.
Como se pode constatar, esta bibliografia encontra-se ordenada por ordem
crescente do ano de publicação e, para o mesmo ano, por ordem alfabética do
primeiro nome dos autores. A estrutura deste nosso livro de apoio, no que
respeita aos conteúdos e às imagens e esquemas inerentes a todos os seus
capítulos baseia-se essencialmente na ref. [8], complementando-a. A referência
[1], que constitui desde sempre uma obra clássica do electromagnetismo, é
bastante importante no que concerne ao estudo dos campos electromagnéticos, incluindo o campo magnético terrestre e a distribuição electromagnética na atmosfera, tendo contribuído para a escrita dos capítulos 1 e 2.
As referências [2] e [7], que consideramos serem duas excelentes obras de
referência no domínio dos efeitos biofísicos e das aplicações terapêuticas dos
196
campos electromagnéticos, contribuíram acentuadamente para a elaboração
dos capítulos 1, 3, 4, 5, e 6.
Quanto às referências [4], [5] e [6], contêm diversos trabalhos de investigação
extremamente importantes, tendo contribuído para a elaboração dos capítulos
2 e 6, no que concerne respectivamente aos campos eléctricos e magnéticos
externos e internos nos tecidos biológicos, e às aplicações médicas e terapêuticas da energia electromagnética. Por sua vez, a ref. [3], que é uma
excelente obra de referência no domínio da imagiologia médica, foi essencial
para a elaboração do capítulo 7, tendo nós utilizado diversas figuras existentes
no seu conteúdo. Finalmente, importa referir que os livros [2], [4], [5], [6] e [7]
apresentam um conjunto notável, e em grande quantidade, de referências
bibliográficas que incluem livros, artigos científicos, e relatórios médicos.
2. Internet
[1] – Siemens Medical Worldwide, http://www.medical.siemens.com
[2] – General Electric, http://www.ge.com/index.htm
A multinacional alemã Siemens, do sector eléctrico e electrónico, é actualmente
o maior construtor mundial de equipamentos de electromedicina, sendo de
grande importância consultar esta sua página na Internet, na medida em que
representa uma fonte de conhecimentos extremamente completa e elucidativa
sobre as aplicações médicas em imagiologia e terapêutica. A informação
recolhida foi essencial para a elaboração de parte do capítulo 6 assim como do
capítulo 7, não só em termos de texto escrito mas também das imagens
ilustrativas. Adicionalmente, a empresa multinacional norte-americana General
Electric, considerada a segunda maior empresa a nível mundial, é também um
importante construtor de equipamentos de electromedicina. Apesar da sua
gama não ser tão completa como a da multinacional alemã, torna-se igualmente imprescindível a consulta à sua página na Internet.
Com base em Habash [2] e [7], apresenta-se seguidamente uma listagem de
revistas científicas especializadas na investigação dos efeitos biofísicos dos
campos electromagnéticos, assim como uma relação de diversos organismos
estrangeiros, relacionados com este tema.
197
3. Revistas Científicas
Advances in Electromagnetic Fields in Living Systems
American Journal of Epidemiology
American Journal of Public Health
Annals of Biomedical Engineering
Bioelectromagnetics
Biomedical Radioelectronics
Biophysical Journal
British Medical Journal
Cancer Causes and Control
Compliance Engineering
Computers in Biology and Medicine
Electromagnetic Fórum
Epidemiology
EPRI Journal
Health Physics
IEEE Proceedings in Medicine and Biology Magazine
IEEE Transactions on Antenna and Propagation
IEEE Transactions on Biomedical Engineering
IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques
International Journal of Radiation Biology
Journal of Biological Chemistry
Journal of Comparative Physiology
Journal of Microwave Power
Journal of the American Medical Association
198
Journal of Theoretical Biology
Nature
New England Journal of Medicine
Physical Review
Physics Today
Proceedings of the National Academy of Sciences
Public Health
Radiation Research
Science
The Cancer Journal
Transmission and Distribution World
Wirelesseurope
4. Organismos Estrangeiros
Organismos
Califórnia EMF Program
Coghill Research Laboratories
Ltd
Electric Words
EM Bioprotection
EM Facts Consultancy
EMF Effects
Países
USA
UK
Endereços na internet
www.dnai.com/~emf/
www.congresslab.demon.
co.uk/
Australia www.electric-words.com/
USA
www.emxgroup.com/
Austrália www.tassie.net.au/emfacts/
USA
www.thwww.com/mrwizard/
wizardEMF.HTM
EMF Guru
USA
www.emfguru.com/
EMF/RFR Bioeffects and
Public Policy
USA
www.wave-guide.org/
F.A.C.T.S.
USA
www.flipag.net/nopoles/
199
FEB
Suécia
www.feb.se/
Frequently Asked Questions
on Cell Phone Antennas and
Human Health
USA
www.mcw.edu/gcrc/cop/cell-phonehealth-FAQ/toc.html
Frequently Asked Questions
on Power Lines and Cancer
USA
www.mcw.edu/gcrc/cop/powerlinescancer-FAQ/toc.html
Frequently Asked Questions
on Static Electromagnetic
Fields and Cancer
USA
www.mcw.edu/gcrc/cop/staticfields-cancer-FAQ/toc.html
International EMF Project
Suíça
www.who.ch/emf/
Less EMF
USA
www.lessemf.com/emf-news.html
Microwave News
USA
www.microwavenews.com/
NEFTA
USA
kato.theramp.net/nefta/
NRPB
UK
OSHA
USA
www.nrpb.org.uk/
www.osha-slc.gov/SLTC/
radiofrequencyradiation/
Powerwatch
UK
www.powerwatch.org.uk/
Radiation and Health Physics
USA
www.umich.edu/~radinfo/
RF Safe
USA
www.rfsafe.com/
RF Safety Program
USA
www.fcc.gov/oet/rfsafety/
SARData
USA
www.sardata.com/
SARTest
UK
www.sartest.com/
200
ANEXO. REGULAMENTOS DE SEGURANÇA
A.1. FREQUÊNCIAS EXTREMAMENTE REDUZIDAS
De acordo com o espectro de frequências, existem dois tipos de campos
electromagnéticos, classificados em função da gama de frequências. O
primeiro tipo compreende as frequências extremamente reduzidas, situadas
entre 0 (corrente contínua) e 3 kHz, e é designado usualmente na literatura
técnica de expressão anglófona por ELF field, isto é, Extremely Low Frequency
field. Quanto ao segundo tipo, compreende as frequências reduzidas, situadas
entre 3 kHz e 30 kHz, e é comummente denominapo de VLF field, ou seja, Very
Low Frequency field.
Neste nível de frequências, o campo eléctrico e o campo magnético podem-se
manifestar em simultâneo ou então separadamente, como se ilustra nos
seguintes exemplos, tendo em atenção que o vector intensidade do campo
eléctrico se encontra associado à tensão eléctrica, enquanto que o vector
intensidade do campo magnético está directamente relacionado com a intensidade da corrente eléctrica e com os materiais magnéticos:
•
No caso de uma catenária em tracção eléctrica ferroviária, se se
encontrar sob uma tensão de 25 kV, mas em vazio, isto é, sem corrente
eléctrica a circular, nas suas imediações existirá unicamente campo
eléctrico.
•
Na presença de uma máquina eléctrica a funcionar em vazio, isto é,
praticamente sem corrente eléctrica, tem-se apenas, na sua vizinhança,
um campo magnético, devido à influência do fluxo magnético gerado no
seu circuito ferromagnético.
•
Nas imediações de um magneto permanente, uma vez que não existe
corrente eléctrica, tem-se igualmente apenas a influência de um campo
magnético.
•
Na vizinhança de linhas áreas de alta tensão, por exemplo a 400 kV, em
que os seus cabos se encontram em carga, isto é, percorridos por
correntes eléctricas, por exemplo 1500 A, existe a influência simultânea
de um campo eléctrico e de um campo magnético. O mesmo sucede
com os condutores em instalações eléctricas de baixa tensão.
201
Por conseguinte, o ser humano encontra-se quase permanentemente exposto
à influência de campos electromagnéticos, devidos não só aos próprios electrodomésticos existentes nas zonas residenciais mas também às linhas de
transporte de energia em alta e muito alta tensão. Nesta última situação,
sucede que, por um lado, os campos eléctricos apresentam uma intensidade
reduzida, mas, por outro, devido às elevadas intensidades de corrente, os
campos magnéticos são já significativos. Adicionalmente, se bem que os
campos eléctrico e magnético se possam manifestar em simultâneo, os
potenciais efeitos nefastos para os tecidos biológicos encontram-se bastante
mais relacionados com a exposição aos campos magnéticos que aos campos
eléctricos, daí que, na prática, a atenção esteja muito mais concentrada para a
influência associada aos campos magnéticos. Esta situação deve-se a que a
blindagem aos campos magnéticos seja difícil de obter, e à sua facilidade em
penetrarem facilmente nos tecidos biológicos e no interior de edifícios e
habitações, contrariamente aos campos eléctricos, que apresentam uma
elevada dificuldade de penetração na pele humana.
Uma norma de segurança é um documento normalmente elaborado por um
grupo de reconhecidos especialistas na área, oriundos não só do tecido
industrial mas também do sector académico, com investigação desenvolvida e
reconhecida na área de elaboração dessa norma. Esse documento deverá
explicitar, relativamente ao assunto a que diz respeito, determinados níveis,
designados por níveis de segurança, que têm como objectivo assinalar que, por
exemplo, acima desses níveis existe risco para a saúde humana. É o caso da
exposição a campos electromagnéticos, em que as normas, os regulamentos, e
as linhas orientadores de segurança indicam os níveis máximos de exposição,
acima dos quais poderão ocorrer riscos para a saúde. Como tal, a elaboração
deste tipo de documentação pressupõe os seguintes passos:
•
Identificação dos perigos.
•
Leitura e análise sistemática e exaustiva de toda a documentação científica existente.
•
Selecção do nível de exposição mais adequado, abaixo do qual o meio
envolvente se poderá considerar seguro, isto é, isento dos perigos identificados.
202
No caso da exposição a campos electromagnéticos, note-se que o nível
máximo de exposição representa não uma linha exacta de separação entre
perigo e segurança, mas sim um possível risco para a saúde humana, que é
tanto mais elevado quanto maior for o afastamento por excesso em relação
àquele nível. Saliente-se que as incertezas e indefinições inerentes à actividade das agências de normalização para conseguirem, de uma forma o mais
consensual e segura possível, definir os níveis máximos de exposição mais
aconselháveis em locais ocupacionais (locais de trabalho) e em locais
residenciais, têm sido devidas à ausência de mecanismos de interacção,
reconhecidos cientificamente, entre saúde humana e campos electromagnéticos. Por conseguinte, atendendo a que não existe uma linha exacta de
separação entre risco e segurança, é usual na prática associar os níveis
máximos de exposição recomendados, a um factor de segurança, também
designado por factor de incerteza.
Os primeiros regulamentos foram elaborados na União Soviética, em 1975,
contudo a norma que conseguiu reunir um consenso mais alargado foi
composta pelo Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE), em 1991,
norma essa aprovada em 1992 pelo American National Standards Institute
(ANSI), com a referência ANSI C95.1-1992. Esta norma de segurança
recomenda que a exposição média para cada período de seis minutos e para
cada secção do corpo humano não deverá exceder 0,614 kV/m para campos
eléctricos e 163 A/m (205 μT) para campos magnéticos. O objectivo destes
níveis consiste em manter as intensidades das correntes induzidas no corpo
humano bastante inferiores ao valor mais baixo correspondente à corrente de
excitação das células electricamente excitáveis.
Além desta norma, outras instituições de outros países têm vindo a trabalhar,
há já bastante tempo, no sentido de estabelecerem a sua própria regulamentação de segurança. É o caso da Austrália, através do Australian Radiation
Laboratory (ARL) e do National Health and Medical Research Council (NH &
MRC), do Canadá, da Commonwealth of Massachusetts, da República Federal
Alemã (FRG), da North Atlantic Treaty Organization (NATO), da United States
Air Force (USAF), e da União Soviética (USSR). No quadro A.1, para todos
estes regulamentos, mostram-se os níveis de segurança relativos à exposição
a campos magnéticos em áreas ocupacionais (locais de trabalho) e em áreas
203
públicas, indicando-se, dentro de parêntesis, as datas de publicação e entrada
em vigor dos regulamentos de segurança discriminados.
Instituição / País
Níveis de exposição (μT)
Locais
Locais
ocupacionais
públicos
ANSI/IEEE (1992/1991)
205
205
Austrália: NH & MRC (1989)
500
100
Canadá (1989)
5,01
2,26
Com. of Massachusetts (1986)
1,99
-----
FRG (1986)
314
314
NATO (1979)
3,27
-----
USAF (1987)
1,99
1,99
USSR (1985)
1760
-----
Quadro A.1 – Normas de segurança e limites de exposição para campos magnéticos,
adoptados por diferentes organismos e países.
Como se constata, ao observar-se o quadro, os valores diferem significativamente de país para país – por exemplo, 1760 µT na União Soviética
contra apenas 1,99 µT no Massachusetts, nos Estados Unidos –, devendo-se
essas disparidades exactamente à situação de não existir ainda uma justificação científica universalmente comprovada e aceite no que respeita aos
mecanismos de interacção entre os campos electromagnéticos e os sistemas
biofísicos. Contudo, a maioria da regulamentação existente foi elaborada com
base no que é actualmente reconhecido como válido cientificamente, no que
respeita a esses mecanismos de interacção.
Além dos organismos referidos anteriormente, outros mais têm vindo a encarar
a elaboração de regulamentação nesta área, como é o caso da American
Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH), do National
Radiological Protection Board (NRPB) no Reino Unido, da International
Commission on Nonionizing Radiation Protection (ICNIRP), do Swedish
Radiation Protection Institute, da Health Canada, e da Australian Radiation
Protection and Nuclear Safety Agency (ARPANSA), mostrando-se no quadro
A.2 diversos valores de níveis máximos recomendados para o campo magnético, em locais públicos e ocupacionais.
204
Ano: Norma
Limites de exposição
1992/1991: ANSI/ IEEE
205 μT
----------
1993: NRPB
1600 μT a 50 Hz
1330 μT a 60 Hz
----------
1998: ICNIRP
83,3 μT
em locais públicos
420 μT
em locais ocupacionais
1999: Suécia
em terminais de
computador
ELF (5 Hz – 2 kHz):
----------
≤ 0,2 μT
VLF (2 kHz – 400 kHz):
≤ 0,025 μT
1999: Safety Code 6 (USA)
2,75 μT
em locais públicos
6,15 μT
em locais ocupacionais
2002: ARPANSA
3 kHz – 100 kHz: 6,1 μT
em locais públicos
3 kHz – 100 kHz: 31,4 μT
em locais ocupacionais
Quadro A.2 – Normas de segurança e limites de exposição para campos magnéticos,
adoptados por diferentes organismos.
A.1.1. Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE
Como se referiu anteriormente, o Institute of Electrical and Electronic Engineers
(IEEE), estabeleceu uma norma em 1991, norma essa aprovada em 1992 pelo
American National Standards Institute (ANSI), com a referência ANSI C95.1-1992. Esta norma de segurança recomenda que a exposição média para cada
período de seis minutos e para cada secção do corpo humano não deverá
exceder 0,614 kV/m para campos eléctricos e 163 A/m (205 μT) para campos
magnéticos. O objectivo destes níveis consiste em manter as intensidades das
correntes induzidas no corpo humano bastante inferiores ao valor mais baixo
correspondente à corrente de excitação das células electricamente excitáveis.
A.1.2. National Radiological Protection Board NRPB
Este organismo britânico estabeleceu recomendações acerca dos níveis
máximos do campo eléctrico e do campo magnético, para as frequências de 50
Hz e de 60 Hz, sem distinção entre locais ocupacionais e locais públicos em
geral, como se mostra no quadro A.3. Os níveis aconselhados foram
estabelecidos com base nas correntes induzidas no corpo humano, de
205
elevadas intensidades, não sendo relevantes para as preocupações da opinião
pública relativamente ao desenvolvimento de doenças cancerígenas e outras
anomalias de saúde. As limitações impostas resumem-se a uma densidade de
corrente de 10 mA/m2 induzida na cabeça e no tronco.
Gama de frequências
Campo eléctrico
(kV/m)
Campo magnético
(µT)
50 Hz
12
1600
60 Hz
10
1330
Quadro A.3 – Limites de exposição para campos eléctricos e campos magnéticos,
recomendados pela regulamentação do NRPB.
A.1.3. International Commission on Nonionizing Radiation
Protection ICNIRP
Em 1989, o International Radiation Protection Association (IRPA) aprovou,
interinamente, as linhas de conduta relativas à exposição a campos electromagnéticos de reduzidíssima frequência, preparadas pela sua International
Commission on Nonionizing Radiation Protection (ICNIRP), estando os limites
recomendados expostos no quadro A.4, para a frequência de 50 Hz.
Exposição
Campo eléctrico
(kV/m)
Campo magnético
(µT)
Locais ocupacionais
Dia inteiro
10
0,5
Período curto (2 horas/dia)
30
5
Membros (braços/pernas)
-----
25
Locais públicos
Dia inteiro
5
0,1
Poucas horas diárias
10
1
Quadro A.4 – Limites de exposição para campos eléctricos e campos magnéticos,
a 50 Hz, recomendados pelos organismos internacionais IRPA/ICNIRP.
Saliente-se que estas recomendações resultaram de um trabalho de
cooperação com a World Health Organization (WHO), assim como com o
United Nations Environment Program (UNEP), sendo o seu objectivo a
prevenção das correntes eléctricas induzidas nas células, assim como a
206
estimulação nervosa, que é sabido ocorrerem com níveis de campos eléctricos
e magnéticos tipicamente superiores aos que se verificam em áreas
residenciais e ocupacionais.
É de notar que os limites apresentados foram estipulados unicamente para se
evitarem riscos imediatos, não tendo sido considerados os riscos inerentes a
exposições prolongadas, mesmo de nível reduzido, daí que, em Abril de 1998,
o ICNIRP reviu as suas normas, passando a recomendar, para locais públicos
em geral, um limite de 100 μT para 50 Hz, e 84 μT para 60 Hz, enquanto que,
para os locais ocupacionais, os limites passaram a ser de 500 μT a 50 Hz e
420 μT a 60 Hz. Por sua vez, as normas australianas adoptaram as linhas de
conduta do ICNIRP, sendo de 0,5 μT o limite para locais ocupacionais, para
uma exposição de 8 horas, e acima de 5 μT para 2 horas de exposição. Para
outros locais, o limite recomendado é de 0,1 μT.
A.1.4. Normas Suecas
A Suécia tem sido um dos líderes no estudo e desenvolvimento de regulamentação respeitante à ergonomia visual e às emissões de campos electromagnéticos em relação aos monitores de computadores (VDTs). A Direcção
Nacional para a Saúde e Segurança Ocupacional e o Instituto Sueco de
Protecção contra Radiações, MPR – Mät-och Provningsrådet –, foram encarregues da tarefa de investigar a necessidade da existência de regulamentação e
das consequências da introdução de ensaios obrigatórios de VDTs, tendo sido
introduzidos em 1987, de forma não obrigatória, procedimentos de ensaios. O
método imposto, designado por MPR-I, especificava um máximo de 0,05 µT
para campos magnéticos de muito baixa frequência, na gama entre 1 kHz e
400 kHz, a 50 cm de afastamento directo dos ecrãs.
Todavia, como esse método foi considerado como sendo embaraçoso e difícil
de avaliar, em Julho de 1991 foi criado um novo método, designado por
MPR-II, que especifica níveis máximos inferiores a 0,25 µT para as emissões
provenientes de campos magnéticos de reduzidíssima frequência na banda de
5 Hz a 2 kHz (banda 1), e máximos inferiores a 0,025 µT para as emissões de
campos magnéticos de muito baixa frequência na banda de 2 kHz a 400 kHz
(banda 2).
207
Este método engloba igualmente normativas relativas à ergonomia visual
(focagem, distorção de caracteres, tremura do ecrã), emissão de raios X,
potencial electrostático, descargas electrostáticas, e campos eléctricos sinusoidais.
Adicionalmente, a Confederação Sueca de Trabalhadores TCO, que representa
mais de um milhão de empregados, considera que deveriam ser adoptados
limites mais restritivos, da ordem de 0,2 µT para as emissões de campos
magnéticos extremamente reduzidos, a 30 cm da parte da frente dos ecrãs e a
50 cm das restantes estrutura dos monitores, sendo a justificação baseada no
facto de que níveis superiores a esse valor poderiam estar associados ao
aumento do risco de cancro, assim como de que os utilizadores de computadores normalmente têm a sua cabeça, mãos e tórax a menos de 50 cm de
distância. Note-se que as normas TCO mais recentes incluem também linhas
de conduta relativas a consumos de energia, iluminância, tremura do ecrã, e
utilização do teclado. Em termos resumidos, no quadro A.5 expõem-se os
limites recomendados pelo MPR-II assim como pelo TCO, não só no que
respeita a campos eléctricos mas também a campos magnéticos.
Gama de frequências
MPR-II
TCO
Campos eléctricos
Campos estacionários
± 500 V
± 500 V
ELF (5 Hz – 2 kHz)
≤ 25 V/m
≤ 10 V/m
VLF (2 kHz – 400 kHz)
≤ 2,5 V/m
≤ 1 V/m
Superiores a 400 kHz
-----
-----
Campos magnéticos
ELF (5 Hz – 2 kHz)
≤ 0,25 µT
≤ 0,2 µT
VLF (2 kHz – 400 kHz)
≤ 0,025 µT
≤ 0,025 µT
Superiores a 400 kHz
-----
-----
ELF – campos eléctricos e campos magnéticos de reduzidíssima frequência
VLF – campos eléctricos e magnéticos de muito baixa frequência
Quadro A.5 – Normas de segurança e limites de exposição para campos eléctricos
e campos magnéticos, utilizados na Suécia.
É de salientar que alguns especialistas questionam a validade do limite de
0,025 µT para as emissões de campos magnéticos de muito baixa frequência,
justificando a sua posição no facto de que estes campos contêm muito mais
208
energia que as emissões de campos magnéticos de reduzidíssima frequência.
Esses especialistas mostram que, se os níveis de indução são utilizados para
medir a quantidade de energia da radiação, então o nível de 0,25 µT para
campos de reduzidíssima frequência corresponde a um nível de 0,001 µT para
campos de muito baixa frequência.
A.1.5. Normas Alemãs
De acordo com a Lei Federal de Controlo da Poluição, os limites para os
campos eléctricos e magnéticos para sistemas de transporte de energia
eléctrica de tensão igual ou superior a 1000 V, são respectivamente 5 kV/m e
100 μT, para a frequência de 50 Hz, e 10 kV/m e 300 μT para a frequência de
16 2/3 Hz, utilizada nas linhas ferroviárias electrificadas. Em determinadas
circunstâncias, especificadas nas normas, os limites para as densidades de
fluxo podem ser excedidos em 100 % em períodos de curta duração, o mesmo
sucedendo no que respeita aos limites dos campos eléctricos dentro de áreas
reduzidas.
A.1.6. American Conference of Governmental Industrial Hygienists ACGIH
Nos Estados Unidos não existem ainda normas governamentais sobre a
exposição a campos eléctricos e magnéticos, contudo, alguns estados têm as
suas próprias linhas de conduta relativamente aos níveis de exposição a
campos eléctricos nos terrenos circundantes de linhas aéreas de transporte de
energia, a 60 Hz, em relação aos quais os proprietários dessas linhas aéreas
têm garantia de direitos de construção não só de linhas mas também de
centrais e de subestações (terrenos concessionados, designados como rightsof-way ROW na literatura técnica americana).
Por outro lado, somente os estados de New York e da Florida fixaram os níveis
máximos para exposição a campos magnéticos entre 15 μT e 25 μT, nos
limites daqueles terrenos concessionados (edge of ROW), mostrando-se os
níveis adoptados nos quadros A.6 e A.7. Estas recomendações tiveram como
objectivo assegurar que as futuras linhas de transporte de energia não excederiam esses limites.
Quanto aos restantes estados têm sido relutantes em estabelecer limites
devido às incertezas inerentes a esses próprios limites.
209
Campo eléctrico (kV/m)
Estados
ROW
Florida
8 (1)
10 (2)
Minnesota
8
Montana
7
2
-----
(3)
New Jersey
-----
New York
11,8
11 (4)
7 (3)
Oregon
Edge of ROW
1
3
1,6
9
-----
(1) – para linhas aéreas em duplo circuito (69 – 230 kV)
(2) – para linhas aéreas com um único circuito (500 kV)
(3) – limite máximo para passagens aéreas superiores sobre as linhas
(4) – para linhas de 500 kV, em determinados ROW
Quadro A.6 – Limites de exposição para campos eléctricos, utilizados em alguns
estados dos Estados Unidos.
Estados
Campo magnético (edge of ROW) (µT)
Florida
15 (1)
20 (2)
25 (3)
New York
20 (4)
(1) – para linhas aéreas em duplo circuito (69 – 230 kV)
(2) – para linhas aéreas com um único circuito (500 kV)
(3) – para linhas de 500 kV, em determinados ROW
(4) – para linhas de tensão superior a 230 kV
Quadro A.7 – Limites de exposição para campos magnéticos, utilizados
nos estados da Florida e de New York.
Um organismo independente norte-americano, a American Conference of
Governmental Industrial Hygienists (ACGIH), recomenda um limite de 614 V/m
para exposição a campos eléctricos nos locais ocupacionais, para uma gama
de frequências situada entre 30 kHz e 3000 kHz, e 205 μT para campos
magné-ticos entre 30 kHz e 100 kHz. Como complemento, expõe-se no quadro
A.8 os limites recomendados por esse organismo, para campos eléctricos e
magnéticos a 60 Hz, em locais ocupacionais, sendo de destacar a preocupação com a saúde de trabalhadores com pacemakers cardíacos.
210
Frequência de 60 Hz
Campo eléctrico
(kV/m)
Campo magnético
(µT)
Limites máximos
25
1
Trabalhadores com
pacemakers
≤1
0,1
Quadro A.8 – Limites de exposição para campos eléctricos e campos magnéticos,
nos locais ocupacionais, recomendados pelo organismo americano ACGIH.
A.1.7. Restrições
A maioria dos limites expostos nas normas, recomendações, e linhas de orientação atrás apresentados são baseados nos mecanismos de interacção, já
estudados e reconhecidos cientificamente, entre os campos electromagnéticos
ELF e VLF e os tecidos biológicos, tendo os efeitos observados correspondido
à excitação de nervos e músculos, induzida por campos electromagnéticos.
Até à data, a restrição básica associada aos limites de exposição recomendados como seguros tem sido especificada em termos dos valores respeitantes
às densidades de corrente induzidas como sendo a grandeza principal de
aferição da interacção entre os campos electromagnéticos e o corpo humano,
muito mais que os valores da intensidade dos campos eléctricos internos.
Este critério tem como fundamento o facto de se conseguir avaliar muito mais
facil-mente as densidades de corrente que as intensidades dos campos
eléctricos.
Todavia, alguns investigadores sugerem que devem ser os valores das intensidades dos campos eléctricos internos a utilizar como factor restritivo em futuras
regulamentações a elaborar.
Note-se que os campos eléctricos internos, sejam estacionários ou variáveis no
tempo, originam a circulação de correntes nos tecidos, enquanto que, com a
exposição a campos magnéticos têm-se duas situações distintas: se os
campos forem estacionários, não haverá correntes induzidas, contudo se os
campos forem variáveis no tempo, então existirão essas correntes. Adicionalmente, quer os campos eléctricos quer os campos magnéticos, sejam eles
estacionários ou variáveis no tempo, interagem directamente com os sistemas
eléctricos biológicos, como sucede com o cérebro, o coração, o sistema
nervoso, e os músculos.
211
Um aspecto interessante e actual, que tem vindo a atrair a atenção do público e
dos meios de comunicação social, diz respeito à exposição a linhas aéreas de
transporte de energia eléctrica, com a especulação habitual criada e
alimentada por quem desconhece inteiramente toda a problemática científica
da interacção entre campos eléctricos e magnéticos e os tecidos biológicos.
Como tal, no sentido de desmistificar todas as situações criadas, sem colocar
em causa os potenciais riscos inerentes à exposição a campos electromagnéticos, apresentam-se seguidamente alguns factos concretos:
•
A intensidade dos campos eléctricos internos é extremamente mais
reduzida, na ordem de 3 x 10-8 como se demonstrou no capítulo 2, em
relação à intensidade dos campos eléctricos gerados directamente pelas
linhas, daí que a sua influência, a curtas distâncias das linhas, se possa
considerar praticamente nula.
•
Na vizinhança muito próxima das linhas, a densidade de fluxo pode
atingir 10 μT para linhas de 380 kV e 30 μT para linhas de 765 kV, e 40
μT junto a subestações e centrais eléctricas. Em termos comparativos, é
possível encontrar valores da ordem de 130000 μT em locais ocupacionais, e 60 μT nos assentos de carruagens em comboios eléctricos.
•
É possível encontrar densidades de fluxo de 24 μT em ROW de linhas
aéreas, e valores bastante mais elevados, superiores a 100 μT, nos
corredores situados no solo imediatamente acima de cabos enterrados.
•
Todavia, como a propagação das ondas electromagnéticas é bastante
mais atenuada através do solo, a 30 m de linhas aéreas de alta tensão
podem-se encontrar valores de 4 μT, e de 1 μT ou menos de cabos
subterrâneos.
•
Apesar dos cabos representarem-se um risco potencial muito inferior ao
das linhas aéreas, em zonas um pouco afastadas, não representa uma
boa solução alternativa. Ou seja, atendendo à diferença de custos – 2:1
a 11 kV e 20:1 ou mais para 400 kV – é preferível escolher convenientemente o traçado das linhas aéreas.
212
A.2. RADIAÇÃO DE RÁDIO-FREQUÊNCIA
O conceito de segurança, assim como de norma de segurança, no que respeita
aos riscos à exposição de radiações electromagnéticas, requer uma análise
bastante aprofundada, devido ao facto, por um lado, de não se conhecerem
ainda em pormenor quais os mecanismos de interacção entre essas radiações
e os tecidos humanos e, por outro, por serem contraditórios, em muitas
situações, os resultados obtidos a partir de estudos humanos e epidemiológicos.
Presentemente, existem já bastantes normas de segurança e linhas de conduta
quanto aos limites máximos de exposição a radiações de RF (rádio-frequência),
em ambientes industriais, todavia, a elaboração de regulamentação de
segurança para todos os tipos de exposição, e para todo o espectro de
frequências de RFR (radiação de rádio-frequência), não seria prático nem será
provável que alguma vez seja estabelecida. Além disso, existem ainda muitas
questões relacionadas com os parâmetros principais das radiações de RF, tais
como a intensidade do campo, a duração de exposição, os efeitos da pulsação
das ondas, a geometria das zonas expostas, e as técnicas de modulação, que
requerem respostas concretas para que se possam definir quais os níveis de
radiação acima dos quais poderão ocorrer riscos graves para a saúde. Por
conseguinte, não é possível afirmar conclusivamente que a segurança à
exposição a radiações esteja assegurada através da regulamentação e das
normas existentes. Devido a esta situação, todos os organismos de
normalização têm em conta uma margem relativamente larga de segurança, no
sentido de, ao definirem os limites máximos de exposição, seja considerada
aquela incerteza quantitativa.
Os Estados Unidos, Canadá, União Europeia, Rússia, e a Ásia-Pacífico, assim
como algumas organizações internacionais, já elaboraram regulamentação e
normas de segurança em relação aos efeitos das radiações RF, em número
relativamente elevado, por contemplarem vários factores, como se verá seguidamente, tais como a frequência, a duração da exposição, a massa do corpo, e
a periodicidade da exposição. Por exemplo, nos Estados Unidos são vários os
organismos governamentais e não governamentais, que têm vindo a elaborar
ou a participar na elaboração de regulamentação, tais como a American
National Standard Institute (ANSI), o Institute of Electrical and Electronic
213
Engineers (IEEE), o National Council on Radiation Protection and Measurement
(NCRP), a Occupational Safety and Health Administration (OSHA), o National
Institute of Occupational Safety and Health (NIOSH), a American Conference of
Governmental Industrial Hygienists (ACGIH), a Food and Drug Administration
(FDA), a Environmental Protection Agency (EPA), a Federal Communications
Commission (FCC), o Department of Defense (DOD), e a National
Telecommunications and Information Administration (NTIA). Saliente-se, por
outro lado, que estas normas são constantemente revistas e actualizadas, em
função do aparecimento de novos dados, tornados públicos, que resultam de
estudos científicos e epidemiológicos.
As aplicações de rádio-frequência ocorrem numa vasta gama de frequências.
Por exemplo, a transmissão de radiodifusão em AM faz-se na banda 5 – 16
kHz, em FM na banda 76 – 109 kHz, enquanto que as bandas de 58 – 132 kHz
e 8,8 – 10,2 MHz são utilizadas em sistemas de identificação de rádio-frequência, de vigilância, e em outros dispositivos de segurança. Por outro lado, as
comunicações celulares e pessoais utilizam frequências entre 800 MHz e 2
GHz, as comunicações sem fios funcionam até 5 GHz, e as microondas a 2,45
GHz. Adicionalmente, as interacções entre as radiações de rádio-frequência e
os sistemas biológicos manifestam-se nos níveis molecular, sub-celular,
celular,
nos
órgãos,
assim
como
na
totalidade
do
corpo
humano.
Biologicamente, os efeitos da RFR são classificados em três níveis: 1) efeitos
de nível elevado (efeitos térmicos), 2) efeitos de nível intermédio (efeitos atérmicos), e 3) efeitos de nível reduzido (efeitos não térmicos).
Ainda em relação à regulamentação que se apresenta, são utilizadas usualmente diversas grandezas para se explicitar os respectivos limites máximos de
exposição: densidade de fluxo magnético para campos estáticos e VLF,
densidade de corrente para frequências até 10 MHz, taxa de absorção
específica SAR para frequências até 10 GHz, e densidade de potência para
frequências entre 10 GHz e 300 GHz.
A.2.1. Norma ANSI/IEEE C95.1
Estas normas de segurança têm sido as mais utilizadas nos Estados Unidos,
tendo o seu historial remontado a 1940, quando das preocupações sentidas
relativamente aos militares norte-americanos que operavam frequentemente
214
com equipamentos de radar, durante a segunda guerra mundial. Na década de
1950, e de acordo com dados empíricos, os cientistas atribuíram um factor de
segurança com o valor 10, baseado numa exposição de 0,1 W/cm2, e tendo em
conta um peso médio masculino de 70 kg e uma área de exposição de 3000
cm2, tendo este último valor sido corrigido, mais tarde, para 20000 cm2, assim
como o valor da taxa de exposição, para 10mW/cm2, valor esse que
representou a base para a recomendação C95.1, de 1966.
Saliente-se que, em 1954, a General Electric recomendava para a densidade
de potência de exposição o valor de 1 mW/cm2, enquanto que, em 1958, essa
mesma empresa subiu esse nível para 10 mW/cm2.
A.2.2. Norma ANSI/IEEE C95.1 – 1966
Esta norma fixou para a densidade de potência o limite de 10 mW/cm2, para a
protecção e segurança da saúde pública, sendo a gama de frequência de 10
MHz a 100 GHz. Quanto ao tempo médio de exposição contemplado, é de 6
minutos.
A.2.3. Norma ANSI/IEEE C95.1 – 1974
Esta recomendação resultou da actualização da C95.1 – 1966, com alterações
mínimas, tendo o tempo médio de exposição para radiação contínua sido removido, e considerado apenas um tempo médio de exposição para campos modulados, fixado nos mesmos 6 minutos. Os limites para o campo eléctrico e para
o campo magnético, na gama de frequência entre 10 MHz e 300 MHz são,
respectivamente, de 200 V/m e 0,5 A/m, sendo a densidade de potência correspondente igual a 250 W/m2. Para frequências inferiores a 10 MHz, o limite de
exposição recomendado é de 10 mW/cm2.
A.2.4. Norma ANSI/IEEE C95.1 – 1982
Esta norma baseou-se integralmente nos efeitos térmicos das radiações, para
uma gama de frequências entre 10 MHz e 100 GHz, sendo os níveis de
exposição recomendados de 10 mW/cm2, para uma duração superior a 6
minutos, e de 100 mW/cm2, para uma duração de 6 minutos.
O limite de 10 mW/cm2 foi reduzido, em 1981, para 1 mW/cm2, na gama de
frequências entre 30 MHz e 300 MHz, sendo ainda recomendado que a taxa de
215
absorção específica não ultrapasse 8 W/kg, e a taxa de potência média
depositada, para todo o corpo, não seja superior a 0,42 W/kg. Estes valores
baseiam-se nas densidades de potência expostas no quadro A.9, na gama
entre 3 MHz e 100 GHz. Por outro lado, no que respeita à densidade de
potência incidente, os níveis permissíveis são 1 mW/cm2 a 150 MHz, 1,5
mW/cm2 a 450 MHz, e 2,75 – 2,83 mW/cm2 para frequências entre 824 MHz e
850 MHz (banda utilizada em sistemas de telecomunicações celulares).
Frequência
(MHz)
Campo eléctrico
(V2/m2)
Campo magnético
(A2/m2)
Densidade de
potência
(mW/cm2)
0,3 – 3,0
400000
2,5
100
3,0 – 30
4000 x (900/f 2)
0,025 x (900/f 2)
900/f 2
30 – 300
4000
0,025
1,0
300 – 1500
4000 x (f/300)
0,025 x (f/300)
f/300
1500 - 100000
20000
0,125
5,0
f – frequência, em MHz
Quadro A.9 – Níveis de segurança recomendados pela norma
ANSI/IEEE C95.1 – 1982.
A.2.5. Norma ANSI/IEEE C95.1 – 1992
De acordo com esta norma, os limites máximos permissíveis de exposição são
dependentes da frequência e do tipo de local, como se mostra no quadro A.10.
Como se pode constatar, os níveis mais baixos de exposição a campos eléctricos ocorrem a frequências entre 30 MHz e 300 MHz, e de exposição a
campos magnéticos, entre 100 MHz e 300 MHz. Por outro lado, em locais
ocupacionais, o campo eléctrico máximo ocorre entre 30 MHz e 300 MHz, com
uma densidade de potência de 1 mW/cm2, enquanto que, para locais públicos,
e para essa mesma gama de frequências, o seu valor é bastante mais reduzido
(27,5 V/m contra 61,4 V/m), sendo a densidade de potência igualmente mais
baixa (0,2 mW/cm2 contra 1,0 mW/cm2). Adicionalmente, no quadro A.11
mostram-se os níveis máximos recomendados para correntes induzidas por
radiação de RF, nos pés de pessoas imersas em campos RF, ou em pessoas
directamente em contacto com objectos carre-gados electricamente, como por
exemplo veículos ou grades metálicas, para uma gama de frequências entre 3
216
kHz e 100 MHz, e para locais ocupacionais e locais públicos, sendo de
salientar que a corrente máxima de contacto é igual à corrente máxima
induzida em cada pé, para ambos os locais, o que, aliás, é pertinente.
Frequência
(MHz)
Campo
eléctrico
(V/m)
Campo
magnético
(A/m)
Densidade de
potência
(mW/cm2)
Tempo médio
de exposição
(min)
Locais ocupacionais
0,003 – 0,1
614
163
100
0,1 – 3,0
614
16,3/f
100
6
6
2
3,0 – 30
1824/f
16,3/f
900/f
6
30 – 100
61,4
16,3/f
1,0
6
100 – 300
61,4
0,163
1,0
6
300 – 3000
-----
-----
f/300
6
3000 – 15000
-----
-----
10
6
15000 - 300000
-----
-----
10
616000/f 1,2
Locais públicos
0,003 – 0,1
614
163
100
6
0,1 – 1,34
614
16,3/f
100
6
1,34 – 3,0
823,8/f
16,3/f
180/f 2
f 2/3
3,0 – 30
823,8/f
16,3/f
180/f 2
30
30 – 100
27,5
158,3/f 1,668
0,2
30
100 – 300
27,5
0,0729
0,2
30
300 – 3000
-----
-----
f/1500
30
3000 – 15000
-----
-----
f/1500
90000/f 2
15000 - 300000
-----
-----
10
616000/f 1,2
f – frequência, em MHz
Quadro A.10 – Níveis de segurança recomendados pela norma
ANSI/IEEE C95.1 – 1992.
Esta regulamentação de segurança também especifica uma intensidade do
campo eléctrico com o valor de 100 kV/m como sendo o limite máximo de
exposição permitido (LME), em locais ocupacionais, para radiação RFR por
impulsos, na gama de frequências situada entre 0,1 GHz e 300 GHz. Para um
impulso de duração inferior a 100 ms, nessa gama de frequências, o valor de
pico da LME é definido através da seguinte expressão:
217
(LME )pico
= LME ×
tempo médio de exposição (s)
5 × duração do impulso (s)
Para séries de mais de 5 impulsos, ou para uma duração dos impulsos superior
a 100 ms, a expressão anterior tomará a forma:
∑ (LME )pico × duração do impulso (s) = LME ×
Frequência
(MHz)
Corrente máxima
em ambos os pés
(mA)
tempo médio de exposição (s)
5
Corrente máxima
em cada pé
(mA)
Corrente máxima
de contacto
(mA)
Locais ocupacionais
0,003 – 0,1
2000f
1000f
1000f
0,1 - 100
200
100
100
Locais públicos
0,003 – 0,1
900f
450f
450f
0,1 - 100
90
45
45
f – frequência, em MHz
Quadro A.11 – Níveis de segurança recomendados pela norma
ANSI/IEEE C95.1 – 1992, para correntes RF induzidas
e de contacto, no corpo humano.
A.2.6. Norma ANSI/IEEE C95.1 – 2005
Esta norma, que é a mais utilizada nos Estados Unidos da América, tem vindo
a sofrer alterações sucessivas, sendo a última versão datada de 2005. Nesta
última revisão, bastante completa, recomenda-se um limite máximo de 0,08
W/kg para a taxa de absorção específica média para a totalidade do corpo
humano, em locais públicos, e 2 W/kg a 4 W/kg para algumas partes do corpo,
como sejam os membros superiores e inferiores. Em termos de densidade de
potência, os limites recomendados são 2 W/m2 na banda 30 – 400 MHz, 2 a 10
W/m2 na banda 400 – 2000 MHz, e 10 W/m2 acima de 2000 MHz.
A.2.7. Relatório NCRP nº 86 – 1986
Este relatório, designado por Biological Effects and Exposure Criteria for Radio
Frequency Electromagnetic Fields, foi elaborado pelo National Council on
218
Radiation Protection and Measurements, que é um organismo suportado pelo
Congresso dos Estados Unidos, criado com a finalidade de desenvolver
documentação e recomendações de segurança, relativamente aos efeitos das
radiações ionizantes e não-ionizantes. Apresenta os resultados de uma
avaliação extensiva da literatura disponível sobre os efeitos biológicos dos
campos RF, apresentando-se no quadro A.12 os respectivos limites
recomendados, baseados num valor máximo de SAR de 8 W/kg para
exposição ocupacional, e um quinto desse valor, ou seja, 1,6 W/kg, para o
público em geral. Este factor numérico, 1/5, é obtido considerando-se 168
horas por semana de exposição para o público em geral, e 40 horas por
semana de exposição em locais ocupacionais.
Frequência
(MHz)
Campo
eléctrico
(V/m)
Campo
magnético
(A/m)
Densidade de
potência
(mW/cm2)
Corrente de
contacto
(min)
Locais ocupacionais
0,3 – 1,34
614
163
100
200
1,34 – 3,0
614
1,63
100
200
3,0 – 30
1824/f
4,89/f
900/f 2
200
100 – 300
61,4
0,163
1,0
-----
300 – 1500
3,54 f
f/300
-----
1500 - 100000
194
5,0
-----
f / 106
0,515
Locais públicos
0,3 – 1,34
614
1,63
100
200
1,34 – 3,0
823,8/f
2,19/f
180/f 2
200
3,0 – 30
823,8/f
2,19/f
180/f 2
200
100 – 300
27,5
0,0729
0,2
-----
300 – 1500
2,59 f
f/1500
-----
1500 - 100000
106
1,0
-----
f / 238
0,23
f – frequência, em MHz
Quadro A.12 – Níveis de segurança recomendados pelo relatório NCRP nº 86.
A.2.8. Relatório NCRP nº 86 – 1993
Este relatório, designado por A Practical Guide to the Determination of Human
Exposure to Radiofrequency Fields, foi desenvolvido como um guia para as
219
pessoas que são responsáveis pela determinação das exposições a radiação
RF, com menos conhecimentos sobre os seus princípios e práticas.
Comparando os limites de densidade de potência impostos pelas recomendações ANSI e NCRP, uma das poucas diferenças reside no facto dos limites
NCRP serem mais restritivos a altas frequências, por exemplo acima de 1,5
GHz. Por conseguinte, nas unidades industriais são seguidos os limites ANSI,
enquanto que o público favorece mais as recomendações NCRP.
A.2.9. Normas ACGIH
Estas
normas,
elaboradas
pelo
organismo
norte-americano
American
Conference of Governmental Industrial Hygienists, recomendam, para locais
ocupacionais, que a SAR não seja superior a 0,4 W/kg, para um período de
exposição de 6 minutos, e para uma gama de frequências entre 10 kHz e 300
GHz, mostrando-se no quadro A.13 os níveis de exposição recomendados.
Frequência
Campo eléctrico
(V2/m2)
Campo magnético
(A2/m2)
Densidade de
potência
(mW/cm2)
10 kHz – 3 MHz
377000
2,65
100
3 – 30 MHz
3770 x (900/f 2)
900 / (37,7f 2)
900/f 2
30 – 100 MHz
3770
0,027
1,0
100 MHz – 1 GHz
3770 x (f/300)
(f/37,7) x 100
f/100
1 – 300 GHz
37700
0,265
10
f – frequência, em MHz
Quadro A.13 – Níveis de segurança recomendados pela associação ACGIH.
Atendendo a que estes limites são destinados a locais ocupacionais, baseiam-se assim na assumpção de que não existem crianças ou jovens nesses locais,
permitindo uma densidade de potência incidente de 10 mW/cm2 para frequências superiores a 1 GHz, mantendo a mesma SAR de 0,4 W/kg para todo o
corpo. Por outro lado, os 100 mW/cm2 recomendados na gama de 10 kHz a 3
MHz, é um nível que se poderá considerar seguro na base de que se refere
igualmente à totalidade do corpo humano, apesar de poder resultar de choques
eléctricos ou de queimaduras eléctricas de RF.
220
A.2.10. Normas da FCC
Este organismo norte-americano, Federal Communications Commission, foi
criado em 1934 como uma agência reguladora, com a finalidade de controlar e
regular as comunicações rádio e por fios, tendo vindo a ser a responsável pelo
licenciamento dos sistemas de comunicações nos Estados Unidos, daí estar
igualmente envolvida de uma forma directa na segurança associada à
utilização das tecnologias de comunicações.
No quadro A.14 mostram-se os limites gerais recomendados, e no quadro A.15
os limites recomendados para a taxa específica de absorção SAR na totalidade
do corpo humano ou em parte, para uma gama de frequências entre 100 kHz e
6 GHz.
Frequência
(MHz)
Campo
eléctrico
(V/m)
Campo
magnético
(A/m)
Densidade de
potência
(mW/cm2)
Tempo médio
de exposição
(min)
Locais ocupacionais
0,3 – 30
614
1,63/f
100
6
3 – 30
1824/f
4,89/f
900/f 2
6
30 – 300
61,4
0,163
1,0
6
300 – 1500
-----
-----
f/300
6
1500 - 100000
-----
-----
5,0
6
Locais públicos
0,3 – 1,34
614
1,63
100
30
1,34 – 30
1824/f
2,19/f
180/f 2
30
30 – 300
27,5
0,073
0,2
30
300 – 1500
-----
-----
f/1500
30
1500 - 100000
-----
-----
1,0
30
f – frequência, em MHz
Quadro A.14 – Níveis de segurança recomendados pelo organismo FCC.
Locais ocupacionais
Locais públicos
< 0,4 W/kg para todo o corpo
< 0,08 W/kg para todo o corpo
≤ 8 W/kg para partes do corpo
≤ 1,6 W/kg para partes do corpo
Quadro A.15 – Níveis de segurança recomendados pelo organismo FCC, para
exposição localizada do corpo humano, na gama de 100 kHz a 6 GHz.
221
A alteração mais significativa desta norma em relação às anteriores, consiste
no facto da SAR admissível para telefones celulares ser de 1,6 W/kg.
Previamente, os telefones celulares poderiam exceder o limite máximo de
exposição permitido (LME), se a sua potência radiante fosse inferior a
1,4 x 450/f, sendo f a frequência de operação em MHz. Para a maioria dos
telefones celulares comercializados, essa potência radiante corresponde aproximadamente a um valor de 0,6 W.
Relativamente aos limites recomendados expostos no quadro A.15 e, tal como
em relação ao Relatório nº 86 – 1986 do National Council on Radiation
Protection and Measurements, ao compararem-se os valores aconselháveis
para locais públicos com os valores homólogos aconselháveis em locais
ocupacionais, constata-se que a razão entre eles é igual a 1/5, devido ao facto
de se considerar que a exposição para o público em geral é de 7 dias por
semana x 24 horas por dia = 168 horas por semana, e para os locais de
trabalho, de 5 dias por semana x 8 horas de trabalho por dia = 40 horas por
semana, tendo-se assim a seguinte relação:
SAR (locais públicos) = (40 / 168) x SAR (locais ocupacionais)
A.2.11. Normas Canadianas
O Ministério da Saúde Canadiano tem vindo a desenvolver diversas recomendações e normas de segurança com o objectivo de proteger os seus cidadãos
contra os efeitos das radiações RFR, na gama de frequências entre 3 kHz e
300 GHz, tendo, em 1979, publicado o primeiro Safety Code 6, alterado sucessivamente em 1991, 1994 e 1999, mostrando-se no quadro A.16 os respectivos
limites recomendados, limites esses definidos com base numa análise
exaustiva realizada a todos os trabalhos de investigação realizados nos últimos
30 anos, relativos aos efeitos biofísicos dos campos electromagnéticos.
Adicionalmente, apresenta-se no quadro A.17 os limites da SAR relativos a
locais ocupacionais e a locais públicos, verificando-se a existência do factor 1/5
entre valores homólogos, devido aos factos apontados anteriormente, e no
quadro A.18 apresentam-se os limites recomendados para as correntes
induzidas e para as correntes de contacto, assim como os tempos médios de
222
exposição, também para locais ocupacionais e para locais públicos. Saliente-se
que os valores expostos nestes quadros referem-se ao Safety Code 6.
Frequência
(MHz)
Campo
eléctrico
(V/m)
Campo
magnético
(A/m)
Densidade de
potência
(mW/cm2)
Tempo médio
de exposição
(min)
Locais ocupacionais
0,003 – 1
600
4,9
-----
6
1 – 10
600/f
4,9/f
-----
6
10 – 30
60
4,9/f
-----
6
30 – 300
60
0,163
10
6
300 – 1500
3,54 f 0,5
0,0094 f 0,5
f/30
6
1500 – 15000
137
0,364
50
6
15000 - 150000
137
0,364
50
616000/f 1,2
150000 - 300000
0,354 f 0,5
9,4 x 10-4 f 0,5
3,33 x 10-4 f 0,5
616000/f 1,2
Locais públicos
0,003 – 1
280
2,19
-----
6
1 – 10
280/f
2,19/f
-----
6
10 – 30
28
2,19/f
-----
6
30 – 300
28
0,037
2
6
300 – 1500
1,585 f 0,5
0,0042 f 0,5
f/150
6
1500 – 15000
61,4
0,163
10
6
15000 - 150000
61,4
0,163
10
616000/f 1,2
150000 - 300000
0,1584 f 0,5
4,21 x 10-4 f 0,5
6,67 x 10-5 f
616000/f 1,2
f – frequência, em MHz
Quadro A.16 – Níveis de segurança recomendados pela norma Safety Code 6.
Locais ocupacionais
Locais públicos
0,4 W/kg para todo o corpo
0,08 W/kg para todo o corpo
8 W/kg para a cabeça, pescoço, tronco
1,6 W/kg para a cabeça, pescoço, tronco
20 W/kg para os membros
4 W/kg para os membros
Quadro A.17 – Níveis de segurança recomendados pela norma Safety Code 6,
para exposição localizada do corpo humano.
Os níveis de exposição relativos aos locais públicos, definidos neste código
normativo, são baseados em estudos inerentes aos efeitos térmicos, estudos
223
esses que demonstram uma tolerância às densidades de potência de
exposição, para diversas rádio-frequências, antes da temperatura do corpo
aumentar de 1 oC dentro de uma exposição de 30 minutos.
Frequência
(MHz)
Correntes induzidas (mA)
ambos os pés
cada pé
Correntes de
contacto (mA)
Tempo médio
de exposição
Locais ocupacionais
0,003 – 0,1
2000 f
1000 f
1000 f
1 seg
0,1 - 110
200
100
210
6 min
Locais públicos
0,003 – 0,1
900 f
450 f
450 f
1 seg
0,1 - 110
90
45
45
6 min
f – frequência, em MHz
Quadro A.18 – Níveis de segurança recomendados pela norma Safety Code 6,
para correntes RF induzidas e de contacto, no corpo humano.
A.2.12. Normas Japonesas
As suas normas baseiam-se em parâmetros biológicos tais como a SAR e as
correntes induzidas no corpo humano, sendo os limites para a SAR de 0,4
W/kg para 6 minutos de exposição relativa a todo o corpo, e de 8 W/kg
relativamente ao valor máximo local da SAR dentro de 1 g de tecido, excepto
extremidades e pele, onde a SAR limite é de 25 W/kg para 1 g de tecido.
A.2.13. Normas Chinesas
Não existe muita informação relativa a trabalhos científicos publicados em
conferências ou em revistas internacionais, acerca das radiações de RF e seus
efeitos biofísicos, neste país. Contudo, pelo pouco que é divulgado, os limites
máximos aconselháveis para locais públicos são extremamente mais restritivos
que os recomendados nos Estados Unidos, tendo-se 5,0 V/m ou 6,6 µW/cm2, a
900 MHz.
A.2.14. Normas Australianas e Neo-Zelandezas
Na Austrália, a sua regulamentação recomendava, para as frequências na
gama das comunicações celulares, e em locais públicos, um limite de 0,2
224
mW/cm2, valor este 2 a 6 vezes mais reduzido que os valores aconselháveis
pelas normas americanas ANSI, ICNIRP e NCRP. Essa legislação foi revista,
sendo os actuais limites de 0,45 mW/cm2 para 900 MHz e 0,90 mW/cm2 para
1800 MHz.
Quanto à Nova Zelândia, em 1990 adoptou o limite máximo de exposição de
0,2 mW/cm2, sendo no entanto esse limite de 0,05 mW/cm2 nas cidades de
Auckland e de Christchurch.
A.2.15. Normas Russas e da Europa de Leste
No quadro A.19 mostram-se os limites para o campo eléctrico e para o campo
magnético, relativos a locais ocupacionais e a locais públicos, que se encontravam em vigor na União Soviética, antes da sua transformação política numa
confederação de repúblicas independentes, notando-se a não existência de
limites para o campo magnético em locais públicos.
Para locais ocupacionais, e para a gama de frequências entre 300 MHz e 300
GHz, o limite máximo para a densidade de potência era de 1 mW/cm2,
enquanto que, para locais públicos, era 100 vezes inferior, ou seja, 0,01
mW/cm2.
Por sua vez, no quadro A.20 mostram-se os limites recomendados para locais
ocupacionais e para locais públicos, estabelecidos a partir de 1996 na Rússia,
continuando a não existir limites para o campo magnético em locais públicos.
Quanto aos limites admissíveis para o campo eléctrico relativo a frequências de
TV, tem-se:
48,4 MHz
5 V/m
88,4 MHz
4 V/m
192 MHz
3 V/m
300 MHz
2,5 V/m
Para equipamentos de radar, na gama entre 150 MHz e 300 MHz, os limites
são de 10 µW/cm2 nas zonas muito próximas, e de 100 µW/cm2 em zonas mais
afastadas. Saliente-se que a ex-União Soviética foi dos primeiros países a
detectar e a desenvolver investigação relativamente aos efeitos nocivos
derivados da exposição a campos electromagnéticos, em todo o espectro de
frequências de radiação não-ionizante. Como se pode observar no capítulo 1
225
deste livro, desde muito cedo que os efeitos da exposição a linhas de muito alta
tensão concentraram a atenção das autoridades, no sentido de minimizarem os
potencias riscos, elaborando regulamentação adequada.
Frequência
(MHz)
Campo eléctrico
(V/m)
Campo magnético
(A/m)
Locais ocupacionais
0,06 – 1,5
50
5
1,5 – 3
50
-----
3 – 30
20
-----
30 – 50
5
-----
300 - 300000
0,125
-----
Locais públicos
0,03 – 0,3
25
-----
0,3 – 3
15
-----
3 – 30
10
-----
30 - 300
3
-----
Quadro A.19 – Níveis de segurança recomendados pelas normas da URSS.
Locais ocupacionais
Frequência
(MHz)
Campo eléctrico
(V2/m2)
Campo magnético
(A2/m2)
0,03 – 3
20000
200
3 – 30
7000
-----
30 – 50
800
0,72
50 - 300
800
-----
300 MHz – 300 GHz
200 μW/cm2
Locais públicos
Frequência
Campo eléctrico
(V/m)
Campo magnético
(A/m)
30 kHz – 300 kHz
25
-----
300 kHz – 3 MHz
15
-----
3 MHz – 30 MHz
10
-----
30 MHz – 300 MHz
3
-----
300 MHz – 300 GHz
10 μW/cm2
Quadro A.20 – Níveis de segurança recomendados pelas normas da Rússia.
226
A.2.16. Normas da IRPA
Este organismo internacional, International Radiation Protection Association,
iniciou as suas actividades em 1964, sendo o seu propósito principal
providenciar um meio de comunicação entre todos os países que se encontram
a elaborar regulamentação e normas de segurança, para que possam trabalhar
mais facilmente a partir de uma base científica já estabelecida.
Em 1981 sugeriu que as densidades de potências não fossem superiores a 10
mW/cm2 em locais ocupacionais, ao longo de um dia completo de trabalho,
recomendando valores mais reduzidos para os níveis de exposição em locais
públicos. Em 1984, as suas recomendações foram revistas, sendo aconselhável, para esses locais e para frequências superiores a 10 MHz, não
ultrapassar 0,4 W/kg para uma exposição de corpo inteiro durante 6 minutos.
Quanto aos locais públicos, recomenda um limite 5 vezes inferior, isto é, de
0,08 W/kg, igualmente para uma exposição de corpo inteiro com uma duração
máxima de 6 minutos.
A.2.17. Normas da ICNIRP
Este organismo internacional, criado em 1992, tem como missão coordenar os
conhecimentos sobre a protecção à exposição aos vários tipos de radiações
não-ionizantes, com a finalidade de desenvolver recomendações e normas de
segurança que sejam reconhecidas e aceites internacionalmente.
Em Abril de 1998 publicou as suas recomendações acerca dos limites a
respeitar no que toca à exposição a radiações de RF numa gama de
frequências até 300 GHz, limites esses baseados num conjunto relativamente
alargado de estudos e relatórios científicos.
As suas recomendações incluem um factor de redução de 5, no máximo valor
da taxa de absorção específica SAR em locais públicos, comparativamente aos
valores máximos a observar em locais ocupacionais, como sucede com outros
regulamentos explicitados anteriormente. A razão desse factor de redução
prende-se com o facto da forte possibilidade de existirem pessoas bastante
sensíveis aos efeitos da radiação RFR, apesar de não haver provas científicas
conclusivas.
Para frequências até 1 kHz, em locais ocupacionais, a restrição relativa a
campos eléctricos e magnéticos corresponde a uma densidade de corrente de
227
10 mA/m2, densidade esta que depende da frequência para valores superiores
a 1 kHz.
Para locais ocupacionais, e para frequências entre 100 kHz e 10 GHz, o limite
recomendado é de 0,4 W/kg para uma exposição de corpo inteiro, sendo, para
locais públicos, 5 vezes inferior, ou seja, de 0,08 W/kg.
A.2.18. Norma CENELEC EN 50392 : 2004
Em Janeiro de 2004 o European Committee for Electrotechnical Standardization (CENELEC) publicou esta norma, no sentido de demonstrar a
observância dos equipamentos eléctricos e electrónicos com as restrições
básicas relacionadas com a exposição humana a campos electromagnéticos
entre 0 Hz e 300 GHz. Esta norma considera os níveis de exposição do público
em geral a campos eléctricos e magnéticos, assim como a correntes de
contacto e a correntes induzidas. De um modo geral, aborda: 1) os critérios de
observância, os métodos de avaliação, e os relatórios a elaborar, 2) a avaliação
da observância dos limites aconselhados, 3) a definição das características dos
equipamentos que devem ser tidas em atenção, 4) as fontes de frequências
múltiplas, 5) as informações de segurança para o público, que deverão constar
nos respectivos equipamentos.
A.2.19. Regulamentação na União Europeia
Em 8 de Junho de 1999, o European Union Health Council, com o suporte do
governo do Reino Unido, estabeleceu recomendações com o objectivo de
limitar as exposições a campos electromagnéticos, especialmente à radiação
emitida por telefones celulares, propondo essas recomendações, para locais
públicos, uma SAR de 0,2 W por 10 g de tecido da cabeça e 0,08 W/kg para
todo o corpo.
Veja-se seguidamente as recomendações estabelecidas por alguns dos países
da União Europeia:
•
Bélgica. As suas normas aconselham, para a intensidade do campo
eléctrico, limites de 21 V/m para 900 MHz e de 29 V/m para 1800 MHz.
•
Itália. Neste país, as normas impõem, para as frequências dos telefones
celulares, uma densidade de potência de 0,10 mW/cm2 e, para as
228
situações onde a exposição exceda 4 horas por dia, esse limite deve ser
reduzido para 0,010 mW/cm2. Por outro lado, as administrações
regionais dispõem de poder para reduzir ainda mais aqueles limites,
havendo regiões onde os limites são 4 vezes inferiores (0,0025 mW/m2).
Por exemplo, o limite para as torres de transmissões celulares e de
radiodifusão, é de 6 V/m ou 10 μW/cm2; para outras exposições de RF e
de microondas é 100 μW/cm2 para frequências entre 3 MHz e 3 GHz e,
para a gama entre 3 GHz e 300 GHz, é 400 μW/cm2.
•
Suécia. O nível permitido para a densidade de potência, a 900 MHz, e
para locais públicos, é de 4,5 W/m2 ou de 41 V/m para o campo electrico, sendo os limites admissíveis para os locais ocupacionais cinco
vezes superiores, como sucede nas normas americanas e canadianas.
•
Suíça. Para os transmissores de comunicações sem fios, o limite
admissível é de 4 V/m (0,0042 mW/cm2) a 900 MHz, e de 6 V/m (0,0095
mW/cm2) a 1800 MHz. Para transmissores de radiodifusão e de TV, o
limite de exposição está entre 3 V/m e 8,5 V/m (0,0024 mW/cm2 e 0,019
mW/cm2).
•
Reino Unido. Os limites referentes à exposição a radiação RFR são de
112 V/m e 0,57 mW/cm2 para 900 MHz, e de 194 V/m e 1 mW/cm2 para
1800 MHz, sendo os tempos médios de exposição de 15 minutos para
todo o corpo, e de 6 minutos para uma exposição parcial.
Em 29 de Abril de 2004, o Council of the European Parliament publicou a
Directiva Comunitária 2004/40/EC, que se baseia nas restrições básicas do
ICNIRP, e diz respeito fundamentalmente aos riscos potenciais, de curto prazo,
a que se encontram sujeitos os trabalhadores, não considerando os efeitos de
longa duração. Esta directiva diferencia os limites máximos de exposição dos
valores das grandezas que são induzidas pelos efeitos da exposição. No
quadro A.21 mostram-se os limites máximos aconselháveis, enquanto que no
quadro A.22 encontram-se expostos os valores das grandezas induzidas. Esta
diferenciação resulta do facto dos valores destas últimas grandezas serem
mais facilmente calculáveis. Por conseguinte, se estes valores, expostos no
quadro A.22, não forem excedidos, pode-se assumir que os limites do quadro
A.21 também não foram excedidos.
229
Frequências
Densidade
de corrente
na cabeça e
no tronco
(mA/m2)
SAR média
em todo o
corpo
(W/kg)
SAR
localizada
na cabeça e
no tronco
(W/kg)
SAR
localizada
nos
membros
(W/kg)
Densidade
de potência
(W/m2)
≤ 1 Hz
40
------
------
------
------
1 – 4 Hz
40 / f
------
------
------
------
4 – 1000 Hz
10
------
------
------
------
1000 Hz –
100 kHz
f / 100
------
------
------
------
100 kHz –
10 MHz
f / 100
0,4
10
20
------
10 MHz –
10 GHz
------
0,4
10
20
------
10 GHz –
300 GHz
------
------
------
------
50
Quadro A.21 – Níveis de segurança recomendados pela Directiva
Europeia 2004/40/EC.
Frequências
Intensidade
do campo
eléctrico
(V/m2)
Intensidade
do campo
magnético
(A/m2)
Densidade
de potência
para uma
onda plana
equivalente
(W/m2)
Corrente de
contacto
(mA)
Corrente
induzida nos
membros
(mA)
0,1 – 1 MHz
610
1,6 / f
------
40
------
1 – 10 MHz
610 / f
1,6 / f
------
40
------
10 – 110
MHz
61
0,16
10
40
100
110 – 400
MHz
61
0,16
10
------
------
400 – 2000
MHz
3 f 1/2
0,008 f 1/2
f / 40
------
------
2 – 300
GHz
137
0,36
50
------
------
Quadro A.22 – Níveis de segurança das grandezas induzidas recomendados pela
Directiva Europeia 2004/40/EC.
230
A.2.20. Factores de Segurança
Em termos científicos históricos, fixou-se inicialmente um factor de segurança
igual a 10, baseado numa exposição de 0,1 W/cm2, valor este obtido tendo em
atenção um indivíduo do sexo feminino com uma massa de 70 kg e com uma
área superficial total de 3000 cm2. Posteriormente, concluiu-se não só que esta
área superficial é bastante mais elevada, próxima de 20000 cm2, mas também
que o efeito da radiação, correspondente àquele valor inicial, era 20 vezes mais
elevado que o suportável pelo corpo humano, daí que o valor normalizado
tivesse sido reduzido para 10 mW/cm2, ou seja, 10 vezes inferior. Saliente-se
que este limite representou a base para a recomendação C95.1, de 1966.
De um modo geral, as regulamentações e normas em vigor incluem logo à
partida, na sua elaboração, um factor de segurança que conduz aos limites
máximos apresentados, de uma forma em que esses limites correspondem a
níveis de exposição bastante mais reduzidos que aqueles que efectivamente se
verificam na realidade, em locais onde poderão ocorrer efeitos perigosos para a
saúde humana. Como se compreende, os factores de segurança utilizados na
elaboração da regulamentação reflectem as incertezas existentes no que
concerne não só ao desconhecimento científico dos mecanismos de interacção
entre a radiação electromagnética e os tecidos biológicos, mas também, como
consequência, ao desconhecimento dos níveis exactos de radiação acima dos
quais se manifestam efeitos potencialmente perigosos.
Além disso, estes factores de segurança, cujos valores se podem situar entre
10 e 1000, são igualmente introduzidos no sentido de se ter em linha de conta
a diferença de sensibilidade do organismo humano aos efeitos das radiações,
ou seja, são atribuídos também com o objectivo de proteger as pessoas mais
sensíveis aos campos electromagnéticos. Na prática, a maioria dos regulamentos e normas de segurança publicados adoptam, para o estabelecimento
dos limites máximos de segurança em locais públicos, um factor de segurança
com o valor 50.
A.2.21. Taxa de Absorção Específica
Como se salientou no capítulo 5, a SAR relativa ao corpo humano não
consegue ser medida directamente. Na prática, contudo, pode ser determinada
empirica ou teoricamente, a despeito das limitações das metodologias
231
utilizadas. Como se explicitou, este parâmetro representa a medida da taxa à
qual a energia é absorvida pelo corpo, podendo assim ser definida como a
derivada em ordem ao tempo da absorção específica (SA), que corresponde ao
incremento da energia dW absorvida por uma massa incremental dm inserida
no interior de um volume elementar dV, cujo material tem uma densidade ρ, ou
seja:
SA =
dW
dW
=
dm
ρ dV
sendo esta grandeza expressa em joules por kilograma (J/kg). Por conseguinte,
a taxa de absorção específica SAR, em W/kg ou em mW/g, é dada pela
seguinte derivada:
SAR =
d SA d dW
=
dt
dt ρ dV
Esta taxa de absorção pode igualmente ser definida como a potência absorvida
por unidade de massa de um sistema biológico, e ser representada em termos
da intensidade do campo eléctrico E, expresso em V/m, da condutividade
eléctrica σ, expressa em S/m, e da densidade do tecido, expressa em kg/m3,
através da seguinte expressão:
σ E2
SAR =
ρ
A integração da SAR sobre um volume de tecido que contenha uma determinada massa, corresponde assim à potência absorvida por esse mesmo
volume de tecido, sendo esta grandeza, para um dado tecido biológico,
expressa em mW/g médios para 1 g ou 10 g, dependendo do que se encontra
estipulado na norma de segurança adoptada.
Adicionalmente, a taxa inicial de aumento de temperatura no corpo, desprezando as perdas de calor, é directamente proporcional à SAR, ou seja:
dT SAR
=
dt
C
em que T (oC) representa a temperatura, t (s) o tempo, e C (J/kg/oC) a capacidade calorífica do corpo.
232
Note-se que esta capacidade calorífica é definida como sendo a energia em
joules que é necessária para elevar de 1 oC a temperatura de 1 kilograma de
massa do corpo.
Por conseguinte, como se tem, respectivamente:
SAR =
σ E2
ρ
SAR = C
dT
dt
conclui-se assim que existem duas alternativas para o cálculo da SAR, ou seja,
através da medição do valor da intensidade do campo eléctrico, ou da medição
do valor da temperatura dos tecidos biológicos, cálculo esse que tem em
consideração as propriedades electromagnéticas dos tecidos biológicos, como
é o caso das suas constantes dieléctricas e das suas condutividades eléctricas,
sendo de salientar que a fiabilidade dos valores obtidos, maioritariamente in
vivo, depende das técnicas de medição utilizadas.
Na prática, para melhor se caracterizar os potenciais efeitos térmicos da
radiação electromagnética, definem-se e avaliam-se dois tipos de SAR: 1) o
valor médio no corpo inteiro, e 2) o valor de pico local, quando a potência
absorvida se encontra confinada a uma determinada região do corpo, como
sucede com a cabeça quando se utiliza um telefone celular. O valor máximo da
SAR no corpo inteiro ocorre para a frequência de ressonância, normalmente
situada entre 60 MHz e 80 MHz, e que depende da dimensão do corpo e da
sua orientação face aos campos eléctricos e magnéticos incidentes, ou seja, da
sua orientação relativamente às ondas electromagnéticas incidentes.
Ambos as variantes de SAR – corpo inteiro e partes localizadas –, são
calculadas em termos de valores médios, para um determinado intervalo de
tempo e para uma massa de tecido biológico, de forma cúbica, com 1 g ou com
10 g, sendo a SAR de 1 g a representação mais precisa da energia de RF
localizada assim como a melhor medida da sua distribuição. Adicionalmente, a
SAR localizada é baseada nas estimativas obtidas a partir da SAR média de
corpo inteiro, considerando um factor de segurança de 20.
Nos quadros A.23 a A.25 mostram-se, em termos comparativos, os níveis
máximos recomendados da SAR, relativos a diversas normas.
233
Normas
Gama de
frequências
SAR para o corpo inteiro
Locais públicos
Locais ocupacionais
W/kg
Tempo de
exposição
(min)
W/kg
Tempo de
exposição
(min)
ARPANSA
100 kHz –
6 GHz
0,08
6
0,4
6
MCTJ (1)
100 kHz –
6 GHz
0,04
6
0,4
6
Safety Code
6
100 kHz –
10 GHz
0,08
6
0,4
6
ICNIRP
100 kHz –
6 GHz
0,08
6
0,4
6
FCC
100 kHz –
6 GHz
0,08
30
0,4
6
NRPB
100 kHz –
6 GHz
0,4
15
0,4
15
ANSI/IEEE
100 kHz –
6 GHz
0,08
30
0,4
6
(1) – Ministério dos Correios e Telecomunicações do Japão.
Quadro A.23 – Valores da SAR para o corpo inteiro, para diversas normas de
segurança.
Relativamente aos valores da SAR para o corpo inteiro, constata-se o seguinte:
•
Para locais públicos, o valor predominante é 0,08 W/kg, exceptuando as
normas japonesas MCTJ (0,04 W/kg), que são as mais seguras, e as
inglesas NRPB que, com 0,4 W/kg, são as mais permissivas.
•
Para locais ocupacionais, o limite máximo admissível é o mesmo, isto é,
0,4 W/kg.
•
Para locais públicos, o tempo médio de exposição é de 6 minutos,
exceptuando as normas americanas FCC e ANSI/IEEE, com 30 minutos,
e as inglesas NRPB, com 15 minutos.
•
Para locais ocupacionais, todas as normas impõem 6 minutos de
exposição, excepto as inglesas NRPB, com 15 minutos.
•
As normas inglesas NRPB, além de recomendarem o nível de SAR mais
elevado, não diferenciam locais públicos de locais ocupacionais.
•
Por exemplo, comparando as normas mais rigorosas com a norma
inglesa, tem-se, em termos comparativos, respectivamente:
234
(0,04 W/kg) x (6 minutos) = 0,24 W/kg x min (público)
(0,4 W/kg) x (15 minutos) = 6,00 W/kg x min (público e ocupacional)
(0,4 W/kg) x (6 minutos) = 2,40 W/kg x min (ocupacional)
•
O limite aceite para a SAR relativa ao corpo inteiro é 0,08 W/kg para
locais públicos, e 0,4 W/kg para locais ocupacionais, valores esses
baseados numa SAR de 4 W/kg, considerada como sendo o nível acima
do qual se detectaram efeitos nocivos. Note-se que o factor de segurança adoptado é igual a 50 para o público, e de 10 para os locais
ocupacionais. Note-se que, como foi salientado anteriormente, a razão
entre os limites da SAR para locais públicos e locais ocupacionais, é
igual a 1/5.
Normas
Gama
de
frequên
cias
SAR localizada na cabeça
Locais públicos
Locais ocupacionais
W/kg
Tempo
de exposição
(min)
Massa
média
(g)
W/kg
Tempo
de exposição
(min)
Massa
média
(g)
ARPANSA
100 kHz
–
6 GHz
2
6
10
10
6
10
MCTJ (1)
100 kHz
–
6 GHz
2
6
10
8
6
10
Safety
Code
6
100 kHz
–
10 GHz
1,6
6
1
8
6
1
ICNIRP
100 kHz
–
6 GHz
2
6
10
10
6
10
FCC
100 kHz
–
6 GHz
1,6
------
1
8
6
1
NRPB
100 kHz
–
6 GHz
10
6
10
10
6
10
ANSI/
IEEE
100 kHz
–
6 GHz
1,6
30
1
8
6
1
(1) – Ministério dos Correios e Telecomunicações do Japão.
Quadro A.24 – Valores da SAR localizada na cabeça, para diversas normas de
segurança.
235
Normas
Gama
de
frequên
cias
SAR localizada nos membros
Locais públicos
Locais ocupacionais
W/kg
Tempo
de exposição
(min)
Massa
média
(g)
W/kg
Tempo
de exposição
(min)
Massa
média
(g)
ARPANSA
100 kHz
–
6 GHz
4
6
10
20
6
10
MCTJ (1)
100 kHz
–
6 GHz
------
------
------
------
------
------
Safety
Code
6
100 kHz
–
10 GHz
4
6
10
20
6
10
ICNIRP
100 kHz
–
6 GHz
4
6
10
20
6
10
FCC
100 kHz
–
6 GHz
4
------
10
20
6
10
NRPB
100 kHz
–
6 GHz
20
6
100
20
6
100
ANSI/
IEEE
100 kHz
–
6 GHz
4
30
10
20
6
10
(1) – Ministério dos Correios e Telecomunicações do Japão.
Quadro A.25 – Valores da SAR localizada nos membros, para diversas normas de
segurança.
Relativamente aos quadros A.24 e A.25, constata-se o seguinte:
•
Para a SAR localizada na cabeça, o limite mínimo de 1,6 W/kg sobre 1 g
de tecido é aceite nos Estados Unidos, enquanto que o limite de 2 W/kg
para 10 g de tecido, desenvolvido pelo ICNIRP é comum na Europa,
Austrália, Japão e noutros países. Todavia, dizer-se qual destes dois
limites é o mais seguro tem gerado alguma controvérsia.
•
Para a SAR localizada nos membros, os limites recomendados são
iguais para todas as normas, exceptuando para a NRPB, que não
diferencia locais públicos de locais ocupacionais.
236