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Progetto e realizzazione del circuito di pilotaggio di un generatore di impulsi ultracorti ad alta tensione di tipo Blumlein per studi biologici

Informazioni tesi

  Autore: Carlo Negri
  Tipo: Laurea liv.II (specialistica)
  Anno: 2009-10
  Università: Seconda Università degli Studi di Napoli
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria elettronica
  Relatore: Luigi Zeni
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 175

Nell‘ ultimo decennio è sempre maggiore l’ interesse di diversi gruppi di ricerca dislocati in vari paesi del mondo verso un nuovo ramo, la bioelectrics. Quest’ ultimo unisce in un solo team di ricerca ingegneri e biologi, impegnati nello studio degli effetti benefici che si possono ottenere esponendo delle cellule malate a campi elettrici pulsati di brevissima durata (dai micro ai nanosecondi), i cosiddetti impulsi ultracorti.
Infatti, a livello microscopico, un impulso ultracorto con ampiezza dell’ ordine dei kilovolt, riesce a fare cose che gli impulsi di pari ampiezza, ma di durata maggiore, non riescono a fare: superare la struttura esterna della cellula (lasciandola inalterata) per poi sprigionare i suoi effetti nella struttura interna della cellula stessa.

I processi indotti dall’esposizione delle cellule a campi elettrici con le caratteristiche citate possono essere reversibili o meno, a seconda delle condizioni della membrana cellulare al termine del trattamento; infatti, è scientificamente provato che, se la membrana cellulare non subisce danni, il processo innescato è perfettamente reversibile.

In base a quanto detto fino a questo momento, si intuisce subito che il punto cruciale della questione consiste proprio nel riuscire a generare un opportuno treno di impulsi, con caratteristiche ben precise, da applicare al campione in esame, indipendentemente dal fatto che si tratti di cellule vive, cibo, o altro.
In letteratura sono presenti molti esempi di circuiti dediti a tale scopo, ognuno con le proprie caratteristiche peculiari, i propri pregi, ed i propri difetti.

Obiettivo quindi, di questo lavoro, è stato quello di realizzare un nuovo circuito di pilotaggio per un Pulse Generator, basato su “Modified Blumlein Pulse Forming Network”, che fosse in grado di garantire la generazione di impulsi ad alta tensione e di durata variabile, superando le difficoltà legate alla stabilità del sistema ed alla sua immunità ai disturbi da esso generati alle alte tensioni, che potrebbero limitarne le prestazioni o addirittura impedirne il funzionamento.
In primo luogo, quindi, verranno fornite le informazioni necessarie alla comprensione e all’ analisi teorica delle problematiche relative al generatore di tipo Blumlein classico, alla sua versione modificata e ai relativi miglioramenti da essa introdotti.
Il passo successivo prevede una descrizione dettagliata della progettazione e della realizzazione pratica del primo prototipo del sistema basato sulla “Modified Blumlein” (dal quale è cominciato il lavoro di tesi) e del relativo circuito di pilotaggio governato da un generatore di impulsi, l’ USBPulse100, controllato tramite pc. Verranno poi esaminate le prestazioni ed i limiti di funzionamento evidenziati, per poi passare alla fase di ottimizzazione del sistema già realizzato, nel tentativo di evitare modifiche strutturali al circuito di pilotaggio originario, e verificando quindi i risultati ottenuti sperimentalmente.
In seguito verrà mostrata la fase di progettazione e realizzazione del nuovo circuito di pilotaggio del sistema, realizzato mediante l’utilizzo di appositi software di simulazione, progettazione e realizzazione di circuiti elettronici stampati, che ha finalmente superato i limiti del circuito di pilotaggio precedentemente utilizzato, e ha reso possibile la generazione di impulsi ultracorti di ampiezza massima di poco inferiore al kilovolt.
Il nuovo circuito di pilotaggio realizzato, basato su un link ottico per isolare anche a livello fisico la parte di controllo da quella ad alta tensione, è stato poi integrato perfettamente nell’ architettura del sistema già presente, evitandone ulteriori modifiche sia circuitali che meccaniche.
Infine, verranno mostrati i risultati ottenuti utilizzando il nuovo circuito di pilotaggio e verranno analizzate brevemente le inevitabili problematiche relative alla compatibilità elettromagnetica che ne conseguono, dati gli alti livelli di tensione richiesti dal sistema in esame, e i disturbi da esso generati.

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Negri Carlo - Matricola 838000145 Seconda Università degli Studi di Napoli Anno Accademico 2009 - 2010 1 Introduzione alla problematica della generazione di impulsi ultracorti e alle relative applicazioni 1HOOµXOWLPRGHFHQQLRqVHPSUHPDJJLRUHO¶LQWHUHVVHGLGLYHUVLJUXSSLGLULFHUFDGLVORFDWL in vari paesi del mondo verso un nuovo ramo, la bioelectrics. QXHVW¶XOWLPRunisce in un solo team di ricerca ingegneri e biologi, impegnati nello studio degli effetti benefici che si possono ottenere esponendo delle cellule malate a campi elettrici pulsati di brevissima durata (dai micro ai nanosecondi), i cosiddetti impulsi ultracorti. ,QIDWWLDOLYHOORPLFURVFRSLFRXQLPSXOVRXOWUDFRUWRFRQDPSLH]]DGHOO¶RUGLQHGHLNLORYROW riesce a fare cose che gli impulsi di pari ampiezza, ma di durata maggiore, non riescono a fare: superare la struttura esterna della cellula (lasciandola inalterata) per poi sprigionare i suoi effetti nella struttura interna della cellula stessa [1]. La nascita di questo nuovo ramo di ricerca è strettamente legata ai numerosi studi compiuti sulle proprietà dielettriche dei tessuti biologici, che consentono la diffusione delle onde elettromagnetiche negli esseri viventi e danno luogo ad innumerevoli effetti sulle cellule, suddivisi generalmente in effetti termici e specifici. , SULPL GLSHQGRQR GDOO¶DXPHQWR GL WHPSHUDWXUD GRYXWR DOO¶DVVorbimento dei campi nel tessuto ed alla conseguente dissipazione della loro energia sotto forma di calore; quelli specifici, invece, non dipendono daOO¶DXPHQWR di temperatura e si possono osservare a livelli di intensità di campo inferiori alla soglia oltre la quale si rilevano effetti termici significativi. I meccanismi alla base di questi effetti non termici dipendono dalla specifica interazione tra il campo elettromagnetico ed alcune strutture cellulari. A livello cellulare, la letteratura scientifica riporta effetti di campi pulsati sulle cellule del sistema nervoso ed immunitario, così come su alcune linee di cellule (cellule tumorali, comunemente impiegate nei laboratori). Gli effetti di tali impulsi di potenza sul tessuto vivente sono profondi e vari e trovano sempre maggiori campi di applicazione (si pensi, ad esempio, agli studi condotti in mHULWRDOO¶HOHWWURFKHPLRWHUDSLDHalla geneterapia). I processLLQGRWWLGDOO¶HVSRVL]LRQHGHOOHFHOOXOHD campi elettrici con le caratteristiche citate possono essere reversibili o meno, a seconda delle condizioni della membrana cellulare al termine del trattamento; infatti, è scientificamente provato che, se la membrana cellulare non subisce danni, il processo innescato è perfettamente reversibile.

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