full body scanners technology report

FULL BODY SCANNERS TECHNOLOGY
REPORT
A causa del recente attentato terroristico su un volo Northwest Airlines diretto a
Detroit, dove un IED (Improvised Esplosive Device) è passato attraverso i normali
controlli di sicurezza (presumibilmente Metal detector magnetometrici) nascosto
sotto l’abbigliamento di un passeggero, i full-body scanners (FBS) all’interno
degli aeroporti sono stati presi in considerazione dagli Enti dell’Aviazione Civile e
dai Ministeri dell’ Interno di varie Nazioni, come mezzo teso a prevenire futuri,
possibili eventi simili.
Esistono due principali categorie di Scanners oggi sul mercato che potrebbero
essere utilizzati, i cosiddetti “stand off” cioè a distanza, i quali possono essere
puntati direttamente su di una folla di persone, ed i sistemi “walk in” in grado
invece di controllare passando attraverso una apposita struttura, una persona alla
volta.
Bisogna evidenziare che questi ultimi sono già in uso presso Industrie produttrici
di componenti elettroniche ad alta tecnologia e in luoghi ad elevato grado di
sicurezza come centrali nucleari, ambasciate e installazioni militari.
COME FUNZIONANO
I Full Body Scanners cosiddetti walk-in, ovvero il sistema che presumibilmente
verrà
implementato
su
vasta
scala
all’interno
dei
Sistemi
di
Sicurezza
Aeroportuali, si basano a loro volta su due differenti tecnologie, la prima detta
Backscatter Scanners sfrutta deboli fasci di Raggi X, (ex. Rapiscan Systems) la
seconda risponde al nome di Millimeter Wave Scanners, ed usa una tecnologia
differente basata sull’uso della riflessione sulla pelle, di onde radio ad elevata
frequenza.
Entrambe le tecnologie hanno lo scopo di evidenziare oggetti e materiali come
esplosivi, gel o plastiche, nascosti al di sotto dell’abbigliamento, e non
rintracciabili con i normali “metal detectors” magnetometrici attualmente in uso.
Esistono poi due sottocategorie
tra I Millimetre Wave Scanners ovvero i
cosiddetti sistemi passivi, in grado di rilevare le onde radio millimetriche emesse
dall’ambiente e riflesse dal corpo (sistema prodotto attualmente dalla QINETIQ) ;
e i sistemi attivi che usano fasci di onde radio millimetriche emesse da un’
antenna e riflesse dal corpo umano (sistemi prodotti dalla Smiths Detection e dalla
L3 Communications).
Vediamo adesso in dettaglio quali sono i principi fisici utilizzati nelle due differenti
tecnologie.
Backscatter scanners
Sono FBS che utilizzano Raggi X (radiazioni ionizzanti) a bassa intensità che
vengono riflessi dalla pelle a dall’abbigliamento. Un fascio di radiazioni molto stretto
e a bassa potenza è irradiato sulla superficie corporea, la riflessione delle radiazioni
detta backscatter (da cui il nome del sistema) è quindi ricevuto, digitalizzato e
salvato su computer. A questo punto i dati vengono elaborati con apposito software
per il trattamento delle immagini, onde creare una immagine della persona
scannerizzata e di eventuali oggetti nascosti. Ogni scannerizzazione produce
approssimativamente una dose di radiazioni pari a 3 (tre) milli ReM (secondo la
dichiarazione di uno dei produttori l’equivalente di 5 minuti di permanenza all’aperto
esponendosi alla radiazione ambientale di fondo). La persona scannerizzata in
questo modo è esposta ad una modesta quantità di radiazioni durante il processo e
stando ad un Documento rilasciato dal U.S.National Council on Radiation Protection
and Measurement, una scannerizzazione dura approssimativamente 8 (otto) secondi
e prevede un’esposizione alle radiazioni ionizzanti pari ad una dose effettiva di 0,003
millisievert MsV.
Millimeter Wave Scanners
Le onde Millimetriche, occupano lo spettro compreso tra le onde radio e gli
infrarossi. Sono radiazioni non ionizzanti con frequenza compresa tra 100 KHz e 300
GHz; fino a 300 MHz le radiazioni sono definite microonde, oltre tale limite
radiofrequenze.
Questa banda di frequenze ha la particolare proprietà di passare attraverso leggeri
materiali come i tessuti di abbigliamento.
E’ proprio questa la caratteristica che trova applicazione nei FBS, consentendo di
identificare come già detto, oggetti nascosti al di sotto dei vestiti.
I sistemi basati sulle Millimetre-wave, sono notevolmente evoluti negli ultimi anni e
le attuali tecnologie consentono di creare immagini video live particolarmente efficaci
per lo scopo. Lo stato dell’arte consta apparati in grado di scannerizzare una persona
in circa 2 secondi con una potenza di emissione radio, 10000 (diecimila) volte
inferiore a quella di un telefono cellulare (dichiarazione del costruttore).
EFFETTI FISIOLOGICI SUL CORPO UMANO
RADIAZIONI
NON
IONIZZANTI
(millimetre
wave
scanners)
Interazione delle onde radio e delle microonde con il tessuto biologico
Il termine di radiazioni non ionizzanti (NIR, Non Ionizing Radiations) si riferisce a
quelle forme di radiazione elettromagnetica, onde radio, microonde, infrarosso,
visibile ed ultravioletto, che interagendo con gli atomi della materia non ne
producono la ionizzazione. Tali radiazioni comprese nella banda tra 100 kHz e 300
GHz, possiedono un'energia minore di 10 eV, che rappresenta in effetti la minima
energia necessaria per la ionizzazione di un atomo. In questo breve saggio ci
riferiremo essenzialmente alle onde radio ed alle microonde, le cui frequenze e le
relative lunghezze d'onda sono date nella seguente Tabella 1.
Per comprendere i danni prodotti sull'organismo umano da una radiazione non
ionizzante e' necessario ricordare che ad ogni radiazione e' associata una ben
determinata energia. Tenendo conto che una radiazione elettromagnetica e' formata
da un campo magnetico e da un campo elettrico oscillanti, fra loro perpendicolari e a
loro volta perpendicolari alla direzione di propagazione dell'onda, l'energia
trasportata dall'onda e' espressa da una grandezza fisica chiamata vettore di
Poynting e rappresenta l'energia che attraversa, nell'unita' di tempo, una superfice
normale alla direzione di propagazione dell'onda incidente. L'unita' di misura e' il
.
W/m2
Quando una radiazione elettromagnetica urta un ostacolo, una parte dell'onda
incidente viene riflessa ed una parte trasmessa all'interno del materiale. In questo
ultimo caso, nel materiale sono presenti campi magnetici ed elettrici, oscillanti con
una frequenza tipica della radiazione stessa, che interagiscono con gli atomi e le
molecole della materia attraversata cedendo una parte della loro energia.
I meccanismi con cui l'energia viene ceduta dipendono dalla frequenza dell'onda
incidente e dalle caratteristiche dei materiali attraversati. Anche gli effetti di tale
cessione d'energia sono diversi a seconda del materiale attraversato, in particolare
se
il
materiale
e'
un
isolante
o
un
conduttore.
In generale, all'aumentare della frequenza dell'onda incidente aumenta la cessione
di energia e l'onda viene assorbita sempre piu' in superficie. Per fare un esempio,
un'onda di 100 MHz puo' penetrare il tessuto umano molle sino ad una profondita' di
poco piu' di 10 cm, mentre per una frequenza di 10000 MHz il potere di penetrazione
e' poco piu' di un centimetro. La seguente tabella 2 fornisce i valori della profondita'
di penetrazione, in cm, il alcuni tessuti biologici, in funzione della frequenza in MHz.
Nel caso di un materiale conduttore la situazione e' totalmente diversa poiche' gli
elettroni di conduzione sono liberi di muoversi e quindi nel corpo stesso si generano
delle correnti indotte quando e' posto in un campo elettromagnetico. L'effetto di
queste correnti e' la produzione di calore per effetto Joule.
L'interazione dei campi elettromagnetici con il mezzo biologico e' molto complessa
per i
seguenti motivi:
Inomogeneita' dei tessuti biologici
Variabilita' temporale delle caratteristiche elettriche dei tessuti a causa
del loro riscaldamento
•
Presenza dei vestiti e del sudore che modificano la propagazione dei
campi
•
Presenza dei vasi sanguigni che provvedono ad eliminare il calore
prodotto.
•
•
Per frequenze inferiori a 15 MHz, corrispondenti a una lunghezza d'onda di 20 m, e
pertanto superiore alle dimensioni del corpo umano, l'energia elettromagnetica si
trasforma in calore per effetto Joule prodotto dalle correnti indotte nei tessuti. E'
quindi chiaro che piu' la frequenza dell'onda incidente e' bassa e quindi piu' elevata
e' la profondita' di penetrazione, maggiormente vengono interessati organi
profondi del corpo umano.
L'occhio e' un organo molto sensibile alla radiazione elettromagnetica per il calore
prodotto durante l'assorbimento. Infatti, essendo l'occhio scarsamente irrorato
dalle vene, il calore assorbito stenta a dissiparsi con conseguente aumento della
temperatura locale; cio' puo' provocare cataratte o distacco della retina.
All'aumentare della frequenza gli effetti sono piu' che altro superficiali, come gia'
detto in precedenza.
Va’ infine ricordata la capacità delle radiofrequenze e delle microonde di interferire
sul funzionamento dei pacemaker cardiaci.
Mentre la Americana FDA (Food and Drugs Administration) non ha ancora una
stabilito una categoria comprendente i Sistemi di Sicurezza basati sull’uso di Onde
Radio ad Altissima frequenza, come quelle usate nei millimetre wave scanners,
essa prevede invece raccomandazioni di sicurezza per l’uso dei telefoni cellulari.
Sulla base delle dichiarazioni della U.S. Transportation Security Agency (TSA), le
radiazioni emesse dai FBS usati negli aeroporti sono meno di quelle emesse
normalmente da un telefono cellulare in uso.
Alti livelli di radiazioni radio ad altissima frequenza comunque, possono essere
estremamente nocive per il corpo umano. Alti livelli assorbiti si possono tradurre in
un innalzamento della temperatura dei tessuti, in quello che è chiamato Effetto
termico (che è poi quello che fa funzionare un normale forno a microonde).
Mentre il quantitativo di energia emessa in un FBS non sarebbe sufficiente ad
arrecare effetti pericolosi sul corpo umano, è da notare invece che un
malfunzionamento del sistema stesso potrebbe teoricamente causare una
esposizione tale da provocare il cosiddetto effetto termico.
RADIAZIONI IONIZZANTI (Backscatter Scanners)
Un rapido cenno alla differenziazione delle Radiazioni e alle loro unità di misura.
Dose Assorbita – E’ la quantità fondamentale per descrivere gli effetti delle
radiazioni in organi e tassuti umani. La dose assorbita è la quantità di energia
depositata in un piccolo volume di tessuto, dal raggio di radiazioni passante
attraverso il materiale, diviso la massa del materiale stessa. La dose assorbita è
quindi misurata in termini di energia depositata per unità di massa di materiale. L’
Unità di Misura nel S.I. equivale a joule/Kg, dove un (1) joule/Kg equivale alla
speciale unità di Gray (Gy), nel vecchio sistema di misura delle radiazioni, 1 Gy =
100 rad, 1 mGy=0,1 rad.
Dose Equivalente – Un’altra grandezza di rilievo e’ la dose equivalente o efficace
(detta anche RBE da Relative Biological Effectiveness).
Questa rappresenta la dose misurata non in termini di pure grandezze fisiche (
energia e massa) ma in termini di efficacia biologica.
La dose efficace o Equivalente (De) e’ legata alla dose Dose assorbita, da un fattore
detto fattore di qualita’ Q, dipendente dal tipo di radiazione ( fotoni, elettroni,
protoni, neutroni, alfa, etc...) e dall’energia della particella incidente, De = Q x D.
L’unita’di misura della dose equivalente e’ il Sievert (Sv) = Q x Gray. (Gy)
E’ancora usato, come unita’ di misura, il rem : 100 rem = 1 Sv.
Gli effetti biologici di una dose assorbita ad una determinate intensità quindi,
dipendono dal tipo di radiazioni che depositano l’energia, (es. se raggi X, raggi
gamma, particelle Alfa, neutroni etc.) e ovviamente dalla quantità di radiazioni
assorbite. La differenza negli effetti è dovuta alla maniera in cui le differenti
radiazioni interagiscono con il tessuto organico.
Tabella I. – Comparazione della dose di radiazioni
Diagnostic Procedure
Chest x ray (PA film)
Typical
Effective
Dose
(mSv)1
Number of Chest
X rays (PA film) for
Equivalent Effective
Dose2
Time Period for
Equivalent Effective
Dose from Natural
Background Radiation3
0.02
1
2.4 days
Skull x ray
0.1
5
12 days
Lumbar spine
1.5
75
182 days
I.V. urogram
3
150
1.0 year
Upper G.I. exam
6
300
2.0 years
Barium enema
8
400
2.7 years
CT head
2
100
243 days
CT abdomen
8
400
2.7 years
1.Average effective dose in millisieverts (mSv) as compiled by Fred A. Mettler, Jr., et al.,
"Effective Doses in Radiology and Diagnostic Nuclear Medicine: A Catalog," Radiology Vol.
248, No. 1, pp. 254-263, July 2008.
2. Based on the assumption of an average "effective dose" from chest x ray (PA film) of 0.02
mSv.
3. Based on the assumption of an average "effective dose" from natural background radiation
of 3 mSv per year in the United States
Il rischio da radiazioni ionizzanti
Effetti delle radiazioni sulle cellule. Il danno cellulare puo' essere causato da un gran
numero di agenti diversi, sia fisici, che chimici e biologici. Esso risulta comunque
indipendente dall'agente che l'ha provocato, sia esso una sostanza chimica o una
radiazione ionizzante. Su scala molecolare, la radiazione che attraversa le cellule
viventi ionizza ed eccita gli atomi e le molecole della struttura cellulare, alterando le
azioni di forza delle strutture molecolari organiche, in genere molto complesse, dando
luogo a frammenti dotati di carica elettrica (ioni e radicali), che sono chimicamente
instabili. A loro volta, i radicali e gli ioni possono interagire con la cellula stessa dando
luogo a nuove alterazioni. Le alterazioni peggiori si verificano in genere nel nucleo, ma
anche il danno al citoplasma puo' talvolta condurre a notevoli alterazioni della cellula.
L'effetto totale e' comunque funzione della quantita' di radiazione ricevuta, la dose, e
puo' manifestarsi in varie gradazioni di danno, fino alla morte della cellula stessa. I
danni meno gravi possono essere riparati per azione della cellula stessa, per
sostituzione delle cellule danneggiate attraverso mitosi delle cellule sane contigue. Se
invece il danno ad un organo e' grave ed esteso, esso non sara' in grado di
reintegrarsi.
Milioni di cellule dei tessuti del corpo umano muoiono ogni giorno ed ogni giorno
vengono sostituite da altre cellule. Un piccolo numero di cellule morte in eccesso per
qualche causa specifica, come a causa di una radiazione ionizzante, puo' non dare
effetti osservabili. La perdita di un numero irrilevante di cellule diviene pero'
importante allorche' il numero totale di cellule di un particolare tipo e' piccolo e non vi
e' possibilita' di rimpiazzo, come e' ad esempio il caso delle cellule germinali femminili
nell'ovaio o delle cellule dell'embrione nei suoi stadi iniziali.
In talune circostanze i cambiamenti che possono intervenire nelle cellule colpite da
una radiazione ionizzante possono portare a piu' pesanti conseguenze che la morte di
tali cellule. Le cellule che sono state colpite in modo non mortale possono dare origine
ad altre cellule che presenteranno gli stessi cambiamenti. In tal modo si trasmettono
le alterazioni da cellula madre a cellule figlie in un certo organismo, oppure, se le
cellule sono germinali, alle cellule dei discendenti dell'individuo colpito dalle radiazioni.
Si puo’ allora intuire come le radiazioni ionizzanti possano essere pericolose per le
cellule di esseri viventi. Ricapitolando quindi, se l’energia ceduta da una particella
mentre attraversa una cellula rompe il legame molecolare di una delle catene del
DNA, la cellula puo’ morire oppure autonomamente ripararsi.
In questa operazione puo’ anche accadere che il codice genetico venga reinterpretato
in modo sbagliato innescando un processo pericoloso. Per concludere infine, secondo i
dati riportati in uno studio effettuato dalla U.S. NCRP, una dose effettiva di 0.1 µSv
per scannerizzazione, potrebbe consentire fino a 2500 passaggi annui all’interno di un
FBS per ogni individuo.Questo senza eccedere quelle che sono le dosi ammesse per
pubblico individuo cioè 0,25 mSv di dose effettiva. Il che, considerando 250 giorni
lavorativi medi per anno, corrisponderebbe a 10 (dieci) scansioni al giorno, una
quantità difficilmente raggiungibile.
Fonti:
Workshop on Transit Security, American National Standards Institute
(ANSI)
Dipartimento
di
Fisica
Universita' degli Studi di Roma "La Sapienza", Roma
International Commission on Non Ionizing Radiation Protection (ICNIRP)
U.S. Food and Drug Administration (FDA)
U.S. Department for Homeland Security
U.S National Council on Radiation Protection and Measurement (NCRP)
National Institute of Information and Communications Technology, EMC
Group,