Tecniche numeriche per lo studio di campi elettromagnetici in ambiente biomedico

The study of the effects of electromagnetic fields on the organism is becoming increasingly important and scientifically relevant. The growing interest also arises from the observation of positive clinical results obtained through electromagnetic stimulations. The topic is increasingly addressed on an experimental level through studies on cellular and molecular models aimed at explaining the biological effects underlying the bioelectromagnetic interactions. In recent years, the international scientific communities have devoted increasing attention to the analysis of the environmental and health impact related to the use of equipment that emit electromagnetic fields (EM). Bioelectromagnetic interaction is the discipline that deals with analyzing the effects and mechanisms through which the interaction between electromagnetic fields and living matter takes place. The response of the organism to electromagnetic solicitations is not, however, only negative, as we are led to conclude most of the time. The present work aims to be an application of two different numerical methods, one with finite elements and one with finite integrations, for the study of electric and magnetic fields in the biomedical field. In particular, the electromagnetic fields generated by various inductive stimulators, consisting of circular copper coils traversed by current, capable of favoring the reproduction of bone tissue, were examined. An intuitive representation of the distribution of the electromagnetic field within the anatomical target can represent, in fact, a tool to facilitate communication between the various actors involved in this area (doctors, biomedical engineers, biologists, etc.) in order to accelerate the research in this area of bioelectromagnetic interaction not yet fully known. It was decided to describe the classical numerical techniques adopted in the study of electromagnetic compatibility in general and in the field of electromagnetic stimulation to favor osteogenesis in particular. Among all these techniques, described in this thesis, the FEM (Finite Element Method) technique, used by the Comsol program and the FIM (Finite Integration Method) technique, used instead by the CST software, have been taken into consideration. The clinical problem on which we have focused, the current state of the art as regards today's electromagnetic stimulation techniques and the approach from which we started for the two different simulation techniques, are widely described within the thesis. In the last chapters of the thesis, however, the methods of analysis followed through the aforementioned calculation programs, of which a more accurate description has been given in the last chapter, are illustrated. The latter reports the results obtained, the conclusions and future developments aimed at optimizing these electromagnetic stimulation techniques for the regeneration of bone tissue. The comparison between the different geometries of electromagnetic stimulators has allowed us to conclude that a pair of circular coils with a radius of three centimeters, placed parallel to the fracture site and crossed by an overall sinusoidal current of the order of kA, is able to generate an optimal magnetic field intensity and an electric field intensity to favor the osteogenesis process. The present study attempts to fit into the panorama of current studies regarding reparative osteogenesis. Experimentally it has been found that electrical and magnetic stimuli are able to generate a "positive" response within the tissue, for different frequencies and different intensity of the fields. To date, however, there is no clear understanding of the mechanisms underlying the regeneration process of bone tissue. This thesis work aims to illustrate the distribution of the electric field and the magnetic field that is created inside the bone tissue, using different stimulator configurations. The aim is to study these trends to better localize the stimulator according to the damaged tissue and to illustrate to those who work in this sector the occurrence of a phenomenon that is still difficult to understand.

Lo studio degli effetti dei campi elettromagnetici sull'organismo sta assumendo sempre maggiore importanza e rilievo scientifico. Il crescente interesse nasce anche dall'osservazione dei risultati positivi in ambito clinico ottenuti attraverso stimolazioni di tipo elettromagnetico. L'argomento risulta sempre più affrontato sul piano sperimentale mediante studi su modelli cellulari e molecolari finalizzati alla spiegazione degli effetti biologici alla base delle interazioni bioelettromagnetiche. Negli ultimi anni le comunità scientifiche internazionali hanno dedicato una sempre maggiore attenzione all'analisi dell'impatto ambientale e sanitario relativo all'uso di apparecchiature che emettono campi elettromagnetici (EM). L'interazione bioelettromagnetica è la disciplina che si occupa di analizzare gli effetti ed i meccanismi attraverso i quali avviene l'interazione tra i campi elettromagnetici e la materia vivente. La risposta dell'organismo a sollecitazioni elettromagnetiche non è, però, solo negativa, come si è portati a concludere il più delle volte. Il presente lavoro vuole essere un'applicazione di due diversi metodi numerici, quello agli elementi finiti e quello alle integrazioni finite, per lo studio di campi elettrici e magnetici in ambito biomedico. In particolare si sono presi in esame i campi elettromagnetici generati da diversi stimolatori induttivi, costituiti da bobine circolari in rame percorse da corrente, in grado di favorire la riproduzione del tessuto osseo. Una rappresentazione intuitiva della distribuzione del campo elettromagnetico all'interno del target anatomico può rappresentare, infatti, uno strumento per facilitare la comunicazione tra i diversi attori coinvolti in quest'ambito (medici, ingegneri biomedici, biologi, ecc.) al fine di accelerare la ricerca in questo settore dell'interazione bioelettromagnetica non ancora del tutto noto. Si è scelto di descrivere le tecniche numeriche classiche adottate nello studio della compatibilità elettromagnetica in generale e nell'ambito della stimolazione elettromagnetica per favorire l'osteogenesi in particolare. Tra tutte queste tecniche, descritte nella presente tesi, sono state prese maggiormente in esame la tecnica FEM (Finite Element Method), utilizzata dal programma Comsol e la tecnica FIM (Finite Integration Method), impiegata invece dal software CST. Il problema clinico sul quale ci si è focalizzati, l'attuale stato dell'arte per quanto concerne le odierne tecniche elettromagnetiche di stimolazione e l'approccio dal quale si è partiti per le due differenti tecniche di simulazione, sono ampiamente descritti all'interno della tesi. Negli ultimi capitoli della tesi vengono illustrate, invece, le modalità di analisi seguite attraverso i già citati programmi di calcolo, dei quali si è data una più accurata descrizione nell'ultimo capito. In quest'ultimo si riportano i risultati ottenuti, le conclusioni e gli sviluppi futuri volti all'ottimizzazione di tali tecniche di stimolazione elettromagnetica per la rigenerazione di tessuto osseo. Il confronto tra le diverse geometrie di stimolatori elettromagnetici ha permesso di concludere che una coppia di bobine circolari di raggio pari a tre centimetri, poste parallelamente al sito di frattura e percorse da una corrente sinusoidale complessiva dell'ordine del kA, è in grado di generare un'intensità di campo magnetico ed una di campo elettrico ottimali per favorire il processo di osteogenesi. Il presente studio tenta d'inserirsi nel panorama degli studi attuali riguardo l'osteogenesi riparativa. Sperimentalmente si è visto che stimoli elettrici e magnetici sono in grado di generare una risposta "positiva" all'interno del tessuto, per diverse frequenze e diverse intensità dei campi. Ad oggi, però, non esiste una chiara comprensione dei meccanismi che sono alla base del processo di rigenerazione del tessuto osseo. Questo lavoro di tesi vuole illustrare la distribuzione del campo elettrico e del campo magnetico che si viene a creare all'interno del tessuto osseo, utilizzando differenti configurazioni di stimolatore. La finalità è quella di studiare questi andamenti per meglio localizzare lo stimolatore in funzione del tessuto danneggiato e per illustrare a chi opera in questo settore il manifestarsi di un fenomeno tuttora di difficile comprensione.