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Potrebbero esserci degli effetti dall'uso di infrarossi a bassa potenza per tracciare i movimenti oculari a lungo termine?

Potrebbero esserci degli effetti dall'uso di infrarossi a bassa potenza per tracciare i movimenti oculari a lungo termine?


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Fondamentalmente, esaminando i LED a infrarossi e una fotocamera con un filtro passa-banda a infrarossi per tracciare i movimenti degli occhi; le mie preoccupazioni sono se ci sarebbero potenziali effetti negativi a lungo termine dall'illuminazione costante dell'occhio con infrarossi a bassa potenza? TIA A


Avrei detto che l'IR è sicuro, ma alcuni studi hanno suggerito il contrario.

Questo è uno studio vago sugli occhi di coniglio:

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3116568/

https://academic.oup.com/annweh/article-abstract/35/1/1/170395

Quindi potrebbe esserci un limite di esposizione dosimetrica di qualche tipo a cui devi mirare. I LED sono molto controllabili. Sono stupito che parlino di cataratta con una lunghezza d'onda chimicamente morbida e non ionizzante come l'IR, perché riceviamo IR tutto il giorno dal sole. Se controlli i livelli in modo che siano inferiori a una giornata di sole, potresti scoprire che puoi utilizzare l'equivalente di 1 ora di esposizione al sole per eseguire molte ore di rilevamento degli occhi. le cifre sono oggetto di ricerca.


Le onde di calore sono probabilmente onde infrarosse. Abbiamo tutto questo intorno a noi (con grande intensità) tutto il tempo. Un Infrarosso di piccola intensità da un LED non dovrebbe causare alcun problema anche a lungo termine. I nostri occhi si sono evoluti per resistere a intensità molto maggiori (cioè intorno a una temperatura di 45°C). Allora non c'è bisogno di preoccuparsi.

Ma poiché l'acqua viene persa dalle ondate di calore, consentire al soggetto di sbattere le palpebre frequentemente.


Monitoraggio dei vulcani

80 km, si stanno separando, scivolando l'uno sull'altro o collidendo sopra l'interno caldo e viscoso della Terra. I vulcani tendono a formarsi dove le placche si scontrano o si allargano (Fig. 2) ma possono anche crescere nel mezzo di una placca, come i vulcani hawaiani (Fig. 3).
Degli oltre 1.500 vulcani mondiali che si ritiene siano stati attivi negli ultimi 10.000 anni, 169 si trovano negli Stati Uniti e nei suoi territori (Ewert et al., 2005) (vedi Fig. 4). A partire dalla primavera del 2007, due di questi vulcani, Kīlauea e Mount St. Helens, sono in eruzione, mentre molti altri, tra cui Mauna Loa, Fourpeaked, Korovin, Veniaminof e Anatahan, mostrano uno o più segni di irrequietezza, come terremoti anomali, deformazioni della superficie del vulcano, o variazioni di volume e composizione delle emissioni di gas vulcanico, che potrebbero prevedere l'inizio di un'altra eruzione.

Figura 1. Mappa del mondo che mostra le posizioni dei vulcani, molti dei quali circondano il Pacific Rim e lungo i confini di altre placche tettoniche. Immagine per gentile concessione del Global Volcanism Program della Smithsonian Institution (http://www.volcano.si.edu/world/find_regions.cfm.) Per una mappa più dettagliata di vulcani, terremoti, crateri da impatto e placche tettoniche, vedere Simkin et al. (2006). Immagine preparata da Paul Kimberly, Smithsonian Institution Global Volcanism Program.

Figura 2. Sezione trasversale schematica della tettonica a zolle di Simkin et al. (2006( che mostra diversi tipi di confini delle placche. Immagine preparata da Jose F Vigil e Robert I. Tilling. I vulcani, in virtù della loro geologia e tipografia, mostrano paesaggi suggestivi e ospitano diversi ecosistemi, molti dei quali sono delicati e unici. Le eruzioni vulcaniche possono cancellare paesaggi e minacciare vite, ecosistemi e proprietà. Ad esempio, l'eruzione del 1980 del Monte Sant'Elena, sebbene relativamente modesta sulla scala dei potenziali eventi vulcanici negli Stati Uniti, ha rilasciato energia equivalente a un'esplosione di 24 megatoni, devastando foreste e cancellando la fauna selvatica, tra cui quasi 7.000 animali selvatici di grossa taglia, oltre 600 km 2 , uccidendo 57 persone e infliggendo danni per oltre 1 miliardo di dollari all'economia, all'agricoltura, alle imprese e alle strutture locali. e le risorse ecologiche che associamo ai vulcani sono anche in grado di distruggere quelle risorse in pochi minuti.
La maggior parte dei vulcani è capace di eruzioni che rappresentano una minaccia significativa per paesaggi naturali, vite, ecosistemi e proprietà, ma fortunatamente le eruzioni sono tipicamente precedute da settimane o mesi di crescente irrequietezza, consentendo di prevedere le eruzioni se i vulcani sono adeguatamente strumentati e i dati vengono interpretati da squadre di esperti nei campi della geologia, sismologia, geodesia e geochimica dei vulcani.

Figura 3. Spaccato schematico lungo la catena delle isole Hawaii da Simkin et al. (2006) che mostra il pennacchio del mantello dedotto che ha sostenuto l'hotspot hawaiano sulla placca pacifica dominante.

Le età geologiche del vulcano più antico di ogni isola sono progressivamente più antiche a nord-ovest, coerentemente con il modello hotspot per l'origine della catena Hawaiian Ridge-Emperor Seamount. Preparato da Joel E. Robinson.

Negli Stati Uniti, il Robert T. Stafford Disaster Relief and Emergency Assistance Act impone che l'U.S. Geological Survey (USGS) emetta avvisi tempestivi di potenziali disastri geologici alla popolazione colpita e alle autorità civili. Attraverso il mandato di questo atto, l'USGS ha la responsabilità primaria di monitorare l'attività vulcanica negli Stati Uniti. L'USGS mantiene reti di monitoraggio costituite da un gran numero e un'ampia varietà di strumenti di monitoraggio al fine di raccogliere i dati necessari per prevedere il comportamento vulcanico ed emettere avvisi e informazioni per ridurre la perdita di vite umane, proprietà e impatto economico dei pericoli legati ai vulcani. Sebbene i dati ottenuti da queste reti di monitoraggio contribuiscano alla ricerca di base e all'avanzamento della comprensione scientifica dei vulcani, la giustificazione principale per l'utilizzo degli strumenti è la sicurezza pubblica e la riduzione dei disastri.
In questo capitolo discuteremo i principali segni vitali associati alle eruzioni vulcaniche, spiegheremo i metodi per monitorarle e forniremo un caso di studio. I segni vitali descritti includono l'attività sismica, la deformazione del suolo, l'emissione di gas, i pennacchi di gas, l'attività idrologica e l'instabilità dei pendii. I metodi di monitoraggio vanno da quelli consolidati alle ultime innovazioni che dovrebbero diventare di routine nei prossimi anni.

Figura 4. Mappa che mostra le posizioni dei vulcani negli Stati Uniti, classificate in base al livello di minaccia determinato dal sistema di allerta precoce del vulcano statunitense Geological Survey National. Stile e frequenza dell'eruzione

I singoli vulcani eruttano diverse combinazioni di colate laviche, flussi piroclastici e tefra (ceneri e frammenti più grossolani espulsi). In alcuni vulcani, frane, colate detritiche e inondazioni sono altrettanto pericolose, o più pericolose, delle stesse eruzioni vulcaniche. I flussi di detriti sono miscele di fango, rocce, massi e acqua che viaggiano a velocità da decine a 100 km/h. Le colate detritiche altamente mobili originatesi su un vulcano sono anche chiamate lahar. La valutazione dei probabili eventi eruttivi e pericolosi (stile dell'evento, dimensione e frequenza) nei singoli vulcani si ottiene costruendo mappe geologiche e conducendo valutazioni dei pericoli.
I fattori che influenzano gli stili di eruzione sono: le diverse temperature e composizioni chimiche dei magmi che alimentano un vulcano le velocità con cui il magma raggiunge la superficie e fattori locali, come la presenza di faglie o fratture che possono servire come facili percorsi per il magma per raggiungere il superficie, o che consentono ai gas vulcanici di fuoriuscire dal magma in modo non esplosivo. Questi fattori di controllo sono generalmente sconosciuti o non sufficientemente compresi in anticipo per aiutare a sviluppare valutazioni dettagliate dei pericoli o previsioni di eruzione. Invece, la mappatura geologica e le indagini associate vengono utilizzate per esaminare, documentare e quantificare l'attività passata di un vulcano. In queste indagini vengono identificate le caratteristiche chiave che contraddistinguono particolari depositi l'uno dall'altro e le relazioni sovrapposte tra i depositi rivelano le sequenze degli eventi. Tracciare i singoli depositi nel paesaggio consente ai geologi di determinare le dimensioni degli eventi passati e quindi stimare le regioni che potrebbero essere interessate da eventi simili in futuro. I geologi raccolgono campioni adatti alla datazione per età mediante varie tecniche di laboratorio. Insieme, le informazioni sui tipi di eventi (eruzioni, frane, colate detritiche), le loro magnitudini e le loro frequenze sono combinate per dare una storia per un vulcano. Di solito si incontrano caratteristiche impreviste durante la determinazione di questa storia vulcanica e studi dettagliati di queste caratteristiche migliorano la comprensione dei processi vulcanici generali, consentendo strategie di monitoraggio meglio progettate e previsioni più accurate del comportamento futuro.
Gli eventi vulcanici sono probabilistici, ovvero il tempo tra eruzioni, crolli di fianco, colate detritiche o inondazioni può essere più breve o più lungo della media e gli intervalli di tempo possono essere descritti da distribuzioni di probabilità (Nathenson, 2001). L'approccio più semplice consiste nel dividere il numero di eventi noti per il tempo totale impiegato per arrivare a un intervallo di ricorrenza medio, ma questo approccio presenta notevoli inconvenienti. È noto che alcuni vulcani subiscono un comportamento episodico, in cui più eventi si verificano a distanza ravvicinata nel tempo, e quindi nessun evento si verifica per un intervallo di tempo molto più lungo della media. L'aggregazione di eventi è probabilmente in una certa misura tipica di tutti i vulcani, e sta alla base dell'intuizione che è più pericoloso avvicinarsi a un vulcano che ha eruttato di recente, piuttosto che avvicinarsi a un vulcano che non ha eruttato da molto tempo. Inoltre, la probabilità di un evento è in qualche modo accoppiata con l'entità dell'evento, con eruzioni minori, colate detritiche, frane o inondazioni che si verificano più frequentemente di quelle più grandi. I dati globali mostrano che lunghi periodi di quiete precedono comunemente le eruzioni più esplosive e pericolose. Ad esempio, delle 16 più grandi eruzioni esplosive del XIX e XX secolo, 12 provenivano da vulcani senza eruzioni storiche precedentemente note (Simkin e Siebert, 1994). La mappatura geologica e le relative indagini sul campo, insieme alla datazione dell'età, forniscono le informazioni necessarie per le stime di probabilità che collegano lo stile, la magnitudo e la frequenza dell'evento.

Rischi vulcanici

I rischi dei pericoli di un vulcano si estendono comunemente ben oltre la cima di un vulcano. Ad esempio, i fondovalle fino a 80 km oltre la vetta del Monte Rainier sono a rischio di inondazione da colate di fango generate sui suoi fianchi all'interno del Parco Nazionale del Monte Rainier. Più di 150.000 persone vivono in queste aree a rischio di inondazione e le principali linee di vita dei trasporti le attraversano (Driedger e Scott, 2002). I flussi di lava dal vulcano attualmente irrequieto Mauna Loa nelle Hawaii possono raggiungere la costa altamente sviluppata di Kona in appena due ore. I potenziali danni che questi pericoli possono causare, in termini di perdita di vite umane e disagi per la società e l'economia da cui dipendono, sono considerazioni serie per le comunità in discesa.
Le nuvole di cenere nell'aria sono un serio pericolo per gli aerei. I motori degli aerei a reazione si sono guastati dopo aver volato attraverso nubi alla deriva di cenere anche sottilmente dispersa a mezzo continente di distanza dai vulcani che li hanno creati. Grandi nubi di particelle fini di cenere vulcanica sono trasportate dai venti per centinaia di migliaia di km oltre la loro sorgente vulcanica (Fig. 5). Le particelle di cenere vulcanica sono frammenti angolari e abrasivi di rocce, minerali e vetro vulcanico delle dimensioni di sabbia e limo e hanno la durezza di una lama di un coltellino tascabile (Kenedi et al., 2000 Neal et al., 1997). Queste particelle abradono le pale delle turbine e le superfici principali degli aerei, causano guasti all'elettronica e si fondono e si fondono nei motori, causando una catastrofica e completa perdita di potenza.
La cenere vulcanica è estremamente abrasiva. La respirazione prolungata della cenere provoca irritazione e infezione nasale, della gola e degli occhi sia nell'uomo che negli animali. Possono verificarsi mancanza di respiro, mal di gola e bronchite (da http://volcanoes.usgs.gov/ash/ citando Blong, 1984). Strati di cenere di pochi millimetri di spessore ritarderanno la crescita delle piante e, se ingeriti, possono ammalare o uccidere animali, in particolare bovini e altri ruminanti domestici e selvatici. Cadute di cenere più spesse possono soffocare persone, piante e animali. Le cadute di cenere possono anche rovinare i motori a combustione interna, causare il crollo dei tetti e il guasto delle reti di comunicazione e rompere le linee elettriche. Pietre abbastanza grandi da ferire gravemente o uccidere persone, piante e animali possono essere espulse fino a pochi chilometri da un vulcano esplosivo. I venti o anche i veicoli di passaggio possono sollevare la cenere nell'aria (Kenedi et al., 2000).

Figura 5. Immagine dei tipi di pericoli del vulcano. Da Myers e Brantley (1995). Periodi di disordini vulcanici, anche quelli che non portano a eruzioni, probabilmente attiveranno risposte di emergenza che possono portare alla chiusura di aree e all'evacuazione della comunità. I vulcani irrequieti sfidano i funzionari pubblici perché i disordini creano incertezza su quanto durerà l'irrequietezza, quando finirà, la sua gravità, chi ne sarà colpito e anche se si verificherà un'eruzione. Tutte queste incertezze causano un grande impatto psicologico ed economico nelle aree intorno a un vulcano. L'incertezza porta con sé un'intensa richiesta di informazioni accurate e autorevoli. Le autorità civili hanno bisogno di informazioni per garantire la sicurezza pubblica, gli imprenditori utilizzano le informazioni per prendere decisioni aziendali e i media cercano sempre tutte le informazioni che possono ottenere. Soddisfare tutte queste richieste di informazioni accurate e aggiornate non è facile.

Livelli di minaccia del vulcano e monitoraggio del vulcano

La minaccia vulcanica è una combinazione di fenomeni naturali distruttivi che un vulcano è in grado di produrre (pericolo di vulcano) e le persone, le proprietà e le infrastrutture a rischio da questi fenomeni (esposizione). Abbinare il livello di monitoraggio richiesto di un vulcano al suo livello di minaccia fornisce la massima sicurezza per la maggior parte delle persone e delle infrastrutture a rischio e distribuisce in modo più efficiente fondi e tempo degli scienziati. L'abbinamento del monitoraggio richiesto al livello di minaccia è diventato possibile nel 2005, quando l'USGS ha quantificato il rischio vulcanico, l'esposizione al rischio e i livelli di minaccia per tutti i 169 vulcani geologicamente attivi negli Stati Uniti e nei suoi territori (Ewert et al., 2005).
In base al punteggio di minaccia numerica, ogni vulcano è stato classificato in una delle cinque categorie di minaccia: molto alta, alta, moderata, bassa e molto bassa. Cinquantacinque dei vulcani della nazione sono definiti come minaccia molto alta o alta: questo è quasi un terzo di tutti i vulcani statunitensi potenzialmente attivi. Poiché molti vulcani non sono studiati o studiati in modo incompleto, i punteggi di minaccia probabilmente aumenteranno man mano che studi futuri scopriranno attività eruttiva o disordini passati precedentemente sconosciuti e con l'aumento della popolazione e delle infrastrutture a rischio.
Per fornire un avvertimento adeguato, i vulcani con livelli di minaccia alti o molto alti richiedono un monitoraggio dettagliato in tempo reale 24 ore su 24. I segnali dai loro strumenti di monitoraggio devono essere trasmessi in tempo reale a un osservatorio vulcanico regionale in modo che i vulcanologi possano diagnosticare rapidamente i significati dei cambiamenti più sottili. Come regola empirica, i vulcani in queste due categorie di minaccia richiederanno almeno 12-20 stazioni sismiche permanenti entro 20 km dalla bocca vulcanica principale, comprese diverse stazioni molto vicine alle indagini di deformazione di routine della bocca e la registrazione continua del Sistema di posizionamento globale permanente ( Le stazioni GPS) effettuano misurazioni in aria e a terra di gas vulcanici e strumenti lungo le valli fluviali, sensibili ai suoni unici dei flussi di fango che passano, che attivano allarmi per avvertire le persone a valle. I vulcani a minaccia moderata richiederanno un monitoraggio in tempo reale per rilevare deboli segnali pre-eruttivi non appena si verificano. La copertura tipica richiederà sei stazioni sismiche entro 20 km da un vulcano, comprese da tre a quattro alte sul suo fianco, almeno sei registrazioni continue, stazioni GPS permanenti nelle vicinanze, misurazioni del gas non frequenti appropriate per ciascun vulcano e rilevatori di flusso di fango lungo il fiume valli (Ewert et al., 2005).
Naturalmente, se i disordini dovessero iniziare o intensificarsi, o se i dati di monitoraggio suggerissero che un dato vulcano potrebbe essere in procinto di un'eruzione, il monitoraggio dovrebbe essere aumentato il più rapidamente possibile per ottenere dati attuali accurati. In risposta alla crescente preoccupazione, dovrebbe essere monitorata una più ampia varietà di fenomeni vulcanici. Dovrebbero essere installati nuovi tipi di strumenti, le reti esistenti di strumenti dovrebbero essere ampliate riconfigurando gli strumenti esistenti e aggiungendone di nuovi e le reti di trasmissione dati dovrebbero essere fortificate, tutto per consentire ai vulcanologi di interpretare i disordini vulcanici e prevedere le probabili conseguenze intorno all'orologio.
I vulcani a bassa e bassissima minaccia, d'altra parte, richiedono un livello di monitoraggio inferiore. Per questi vulcani, come per tutti i vulcani, è necessario stabilire dati sismici, di deformazione, di gas e idrologici di base, dopodiché i vulcani a bassa minaccia richiedono solo un monitoraggio sufficiente per rilevare attività anomale in tempo quasi reale. I vulcani a bassissima minaccia richiederebbero ancora meno monitoraggio.
Poiché le risorse erano insufficienti per strumentare e monitorare tutti i vulcani potenzialmente attivi a un livello adeguato fino a poco tempo fa, il monitoraggio dei vulcani da parte dell'USGS è stato effettuato in modo reattivo, ovvero non è stato messo in atto un monitoraggio adeguato fino a quando non è stata osservata una qualche forma di agitazione sulla superficie terrestre . Pertanto, i segnali precursori non sono stati rilevati e l'intervallo tra i primi segni di agitazione osservati e una crisi vulcanica è stato spesso breve.
Pertanto, le autorità civili, i cittadini, le imprese e gli scienziati sono stati costretti a giocare un pericoloso gioco di "recupero" con i vulcani. Le autorità hanno fatto gli straordinari per mettere in atto misure di protezione civile prima che i disordini aumentassero a livelli pericolosi, mentre i vulcanologi si affrettavano ad aumentare la strumentazione e installare reti di comunicazione aggiornate, spesso con grandi spese e pericolo per se stessi.
La determinazione quantitativa del livello di minaccia specifico per ciascun vulcano degli Stati Uniti consentirebbe all'USGS di ripartire le risorse in modo che i vulcani più minacciosi possano essere monitorati 24 ore su 24 ben prima che mostrino segni di agitazione. Questo approccio proattivo al monitoraggio, se fosse implementato, consentirebbe ai vulcanologi di inviare alle comunità a rischio informazioni affidabili fin dall'inizio dell'irrequietezza, dando loro il massimo tempo per attivare piani di risposta e mitigazione. Il monitoraggio proattivo da parte dell'USGS offre ai vulcanologi il tempo massimo per aumentare il monitoraggio se necessario. Anche se non tutti i vulcani irrequieti eruttano, è ancora necessario un monitoraggio proattivo per ridurre al minimo la reazione eccessiva, che costa denaro, o la reazione insufficiente, che può costare vite umane. Tuttavia, il principale ostacolo all'implementazione del monitoraggio proattivo negli Stati Uniti e in tutto il mondo è trovare le risorse per pagare le attrezzature e gli scienziati necessari.
Il monitoraggio proattivo offre molti vantaggi pratici rispetto al monitoraggio reattivo. Monitoraggio:
• Riduce al minimo il rischio di eruzioni a sorpresa.
• Aumenta il tempo per attuare le misure di protezione civile prima che i disordini aumentino e una crisi vulcanica peggiori.
• Consente l'installazione sicura di strumenti e reti di comunicazione in siti pianificati in modo ordinato. La maggior parte dei vulcani ad altissima e ad alta minaccia negli Stati Uniti sono imponenti vette ricoperte di neve e ghiacciai che sono inaccessibili se non durante una breve stagione estiva, mentre l'inizio dell'irrequietezza vulcanica può verificarsi in qualsiasi stagione. L'installazione estiva e la manutenzione delle apparecchiature massimizza la probabilità che i siti preferiti siano privi di neve, garantisce la massima sicurezza per i vulcanologi e il personale di supporto e offre tempo adeguato per testare gli strumenti e le reti di comunicazione.
• Aumenta la sicurezza per gli oltre 80.000 passeggeri delle compagnie aeree al giorno che percorrono le trafficate rotte aeree lungo gli archi vulcanici delle Cascade e delle Aleutine. Quando sarà completamente implementato, il monitoraggio proattivo di questi vulcani ad arco consentirà ai vulcanologi di informare la Federal Aviation Administration (FAA) entro cinque minuti dopo una grande eruzione esplosiva, consentendo agli aerei di cambiare rapidamente rotta per evitare nuvole di cenere.
• Migliora la precisione e la tempestività degli avvisi futuri. Negli ultimi 25 anni, la comprensione dei processi vulcanici di base è migliorata enormemente, in parte sulla base dei dati ottenuti dal monitoraggio dei vulcani a lungo termine. I dati di monitoraggio aiutano i vulcanologi a formulare e testare modelli di come funzionano i vulcani. Modelli migliori, a loro volta, migliorano il modo in cui i vulcani vengono monitorati, identificano i metodi di monitoraggio più efficaci e suggeriscono nuove tecniche di monitoraggio.
• Aggiunge credibilità scientifica alle designazioni dei gestori del territorio di aree sicure che possono rimanere aperte ai visitatori, in alcuni casi anche mentre un vulcano continua a eruttare. Dopo 18 anni di relativa quiescenza, il Monte Sant'Elena si è risvegliato alla fine del 2004 quando l'USGS ha rilevato sciami di piccoli terremoti, avvisando i vulcanologi della presenza di magma sotto il vulcano. Il servizio forestale degli Stati Uniti ha chiuso tutti gli accessi alla montagna. Nel corso dell'anno successivo, una serie di cupole di lava si è estrusa episodicamente all'interno del cratere del vulcano, accompagnata da esplosioni e frane (Schilling et al., 2006). Tuttavia, entro la metà del 2006, il monitoraggio dell'USGS ha indicato un rallentamento della crescita della cupola, un calo dei tassi di emissione di gas vulcanico e la fine delle esplosioni esplosive i cui effetti si estendono oltre il cratere. Sebbene l'attuale cupola abbia continuato a crescere al ritmo di circa un carico di un dumper al minuto, il che ha reso il cratere off limits per un po', i vulcanologi dell'USGS sono stati in grado di fornire una guida ai funzionari del servizio forestale degli Stati Uniti, consentendo loro di riaprire i sentieri per il vertice di metà 2006. Un sistema abilitato al Web per ottenere i permessi di arrampicata aiuta a garantire la sicurezza dei visitatori e consente una rapida notifica in caso di variazione dell'attività vulcanica (U.S. Forest Service, [2007-]).

I vulcani irrequieti ed in eruzione creano sfide di gestione

I vulcani irrequieti ed in eruzione creano problemi a breve e lungo termine per i gestori del territorio e le autorità civili. Decidere come proteggere al meglio la sicurezza umana mantenendo l'accesso e continuando la vita quotidiana, anche mentre l'irrequietezza continua, provoca le sfide più a breve termine. Decidere dove ricostruire le strutture danneggiate e distrutte e come gestire le risorse naturali distrutte e danneggiate crea sfide a lungo termine. Alcuni esempi reali di problemi e risposte ai disordini vulcanici illustrano le sfide che i gestori del territorio e le autorità civili devono affrontare. (Per ulteriori esempi e maggiori dettagli, vedere il resoconto giornaliero degli eventi e delle risposte che precedono l'eruzione catastrofica del vulcano Mount St. Helens il 18 maggio 1980 a Klimasauskas, 2001.)

Vulcani irrequieti ed in eruzione:
Attira spettatori che sono ingenuamente ignari dei pericoli dei vulcani, ma che sono comunque desiderosi di vedere da vicino l'attività. Il 1 aprile 1980, sei settimane prima che un irrequieto Mount St. Helens esplodesse catastroficamente, due contee vicino al vulcano chiesero assistenza alla Guardia Nazionale del loro stato. Le contee avevano mantenuto sei posti di blocco 24 ore su 24 per soli quattro giorni prima di rendersi conto che non erano in grado di impedire alle persone di entrare nelle zone di pericolo ufficialmente designate. Un portavoce della FAA ha stimato che lo stesso giorno fino a 100 aerei si trovavano nella zona di volo controllata intorno al vulcano. Molti aerei hanno mantenuto intenzionalmente il silenzio radio presumibilmente per sfuggire al rilevamento (Klimasauskas, 2001). Uno studio sugli escursionisti della natura selvaggia nel Parco Nazionale dei Vulcani delle Hawaii che hanno ignorato i principali segnali di avvertimento del National Park Service (NPS) e hanno tentato di raggiungere flussi di lava attivi ha scoperto che il 77% soffriva di disidratazione, più della metà è tornata con graffi e abrasioni e il 6% soffriva di ossa rotte. "Molti escursionisti erano turisti inesperti disposti a ignorare i segnali di avvertimento e ad entrare in aree ad alto rischio" (Heggie e Heggie, 2004). Diversi escursionisti sono persino morti (Johnson et al., 2000). Takahashi et al. (2003, foto 44, 45 e 55) mostrano lo spettacolare incontro di lava fusa con l'oceano che spinge i visitatori del parco a ignorare gli avvertimenti.
Richiedere la designazione di aree di accesso limitato e completa esclusione che a sua volta richiede l'affissione di cartelli, la diffusione delle restrizioni al pubblico e l'aumento del personale delle forze dell'ordine per garantire che il pubblico sia tenuto lontano dai pericoli. I confini delle aree chiuse devono essere regolati man mano che i disordini vulcanici aumentano e diminuiscono, a volte per ragioni diverse dalla sicurezza pubblica. L'8 aprile 1980, a Mount St. Helens, "i funzionari hanno spostato il posto di blocco sulla State Route 503 da Jack's Store al canale Swift a est di Cougar dopo che i commercianti locali hanno minacciato di citarli in giudizio per la perdita di affari" (Klimasauskas, 2001). Questa azione ha spostato il confine dell'area riservata più vicino al vulcano. Il 10 aprile 1980, il costo riportato per il mantenimento dei posti di blocco nelle vicinanze di Mount St. Helens era di $ 9.000 al giorno. Per risparmiare denaro, il servizio forestale degli Stati Uniti ha chiuso il suo centro stampa e ha messo a terra i suoi due aerei di osservazione. Il 15 aprile 1980, una contea ha chiuso alcuni dei suoi posti di blocco citando "spese, molestie pubbliche e lo schema stabile delle esplosioni al vulcano" (Klimasauskas, 2001). L'eruzione catastrofica del Monte Sant'Elena si è verificata 34 giorni dopo. Questi tipi di problemi possono essere mitigati. Ad esempio, la stretta collaborazione tra gli scienziati dell'USGS che monitorano i vulcani hawaiani e il personale del Parco Nazionale dei Vulcani delle Hawaii consente all'NPS di pubblicare informazioni regolarmente aggiornate sulle aree sicure e non sicure sul sito Web del parco (http://www.nps.gov/ havo/closed_areas.htm).
Colpisce piante, animali (anche insetti) e umani. In casi estremi, la cenere vulcanica aumenta la morbilità e la mortalità di piante e animali a breve termine. Lava, cenere e altri materiali eruttivi sono sterili quando vengono depositati per la prima volta. Solo dopo l'erosione diventano i terreni vulcanici ricchi e produttivi tipicamente associati ai vulcani. A breve termine, la cenere vulcanica ha un effetto deleterio su piante e animali. Ad esempio, i pini che crescono su ceneri vulcaniche di recente deposito crescono più lentamente e sono più bassi delle stesse specie che crescono su terreni vicini non colpiti (Ishii et al., 2003). La cenere può anche ostruire i corsi d'acqua e aumentare la loro acidità a livelli letali per i pesci e le piante acquatiche. Il 2 aprile 1980, “Gli operatori di un vivaio ittico a circa 5 miglia da Mount St. Helens hanno riportato una diminuzione del pH da 6,8 a 5,8 causata dalla lisciviazione del flusso di cenere vulcanica a monte. A un pH di 5,0 il pesce sarebbe morto, quindi i responsabili dell'incubatoio hanno deciso di rilasciare il salmone quando il pH è sceso a 5,5” (Klimasauskas, 2001). I ruminanti sono vulnerabili all'avvelenamento chimico quando pascolano in aree dove è caduta la cenere vulcanica e alla fame in aree coperte da estesi depositi di cenere (Blong, 1984). Anche gli insetti sono colpiti dalle cadute di cenere il numero di alcune specie si riduce notevolmente mentre altre, liberate dagli insetti predatori, diventano parassiti (Fuentes, 1975). Vedi anche Brosnan (2000) per l'effetto di un vulcano sulla vita vegetale.
Creare stress sulla gestione del territorio e sulle forze dell'ordine e sul loro personale per rispondere alle richieste pubbliche di informazioni. Le informazioni richieste non sono necessariamente rilevanti per la situazione di emergenza e i contatti di cittadini arrabbiati sono comuni. Il 31 marzo 1980, i giornali locali hanno riferito che le chiamate agli uffici del servizio forestale degli Stati Uniti sull'irrequieto Mount St. Helens includevano chiamate da "cittadini frustrati che non potevano accedere alle loro cabine all'interno di aree chiuse mentre ai membri della stampa era stato permesso di entrare..." a " ai giocatori che chiedono il numero delle esplosioni nelle 24 ore precedenti, a quelli che attribuiscono l'irrequietezza del vulcano alla profanazione di tombe indiane nella zona” (Klimasauskas, 2001).
Richiedere decisioni sotto pressione su quando trasferire o chiudere strutture e attività commerciali, spostare apparecchiature portatili di valore e trasferire le persone che lavorano e vivono in nuove aree riservate. I trasferimenti e le chiusure, o solo la loro possibilità incerta, possono comportare cambiamenti significativi nel modo in cui funzionano le aziende e le agenzie governative. Questi cambiamenti influiscono comunemente sull'attività economica locale, che genera pressioni per evitare perdite economiche ritardando le decisioni o annullando decisioni già prese.

Conclusioni

Una varietà di segnali precursori sono generati dai numerosi processi che si verificano quando la roccia fusa (magma) si fa strada attraverso miglia di crosta terrestre prima dell'eruzione in superficie. Molti di questi segnali sono estremamente sottili e complessi e, di conseguenza, richiedono costosi array di strumenti sensibili da rilevare e scienziati con anni di esperienza per essere interpretati. Le sezioni nel resto di questo capitolo delineano le diverse tecniche principali utilizzate dall'USGS per rilevare, quantificare e interpretare ciascun tipo di segnale. In un modo o nell'altro, ogni tecnica tiene traccia di tipi, magnitudo e posizioni di sollevamento e cedimento dei terremoti della superficie del terreno o delle variazioni di calore, acqua e gas emessi dai vulcani. Poiché le tecniche misurano diversi processi che si verificano durante la risalita del magma, un monitoraggio efficace richiede l'applicazione simultanea di molte tecniche per valutare gli sviluppi quasi in tempo reale di un vulcano.
Proprio come i medici monitorano i potenziali rischi futuri per la salute dei pazienti studiando la loro storia medica e interpretando i risultati dei test di laboratorio nel tempo, così anche i vulcanologi apprendono la possibilità e le dimensioni della futura attività vulcanica studiando l'attività storica di un vulcano e misurando e valutando i segnali che genera nel corso di molti anni. Sia i medici che i vulcanologi sanno che il monitoraggio di routine nel tempo è il modo migliore per rilevare in anticipo potenziali problemi futuri, quando sono più facilmente risolvibili. Mentre i pazienti possono recarsi nei laboratori per i test, i vulcanologi possono valutare lo stato dei vulcani sul campo solo posizionando strumenti di monitoraggio sopra e vicino ad essi. Idealmente, vengono messe in atto reti complete di strumenti di monitoraggio mentre i vulcani potenzialmente attivi sono ancora tranquilli. Mancando i primi segnali di irrequietezza, i vulcanologi rischiano di perdere i primi dati critici necessari per stabilire le tendenze "di base" e stimare con precisione le dimensioni di una possibile eruzione. Ad esempio, quando il Monte St. Helens si è risvegliato nel 2004, non è stato possibile installare strumenti di monitoraggio aggiuntivi abbastanza rapidamente da catturare i segnali iniziali del vulcano. Ciò ha impedito la determinazione sicura del volume di magma intruso sotto il vulcano (Ewert et al., 2005), che a sua volta ha aggiunto un errore significativo alle stime delle dimensioni delle potenziali eruzioni.
Per aggiornamenti sull'attività dei vulcani statunitensi negli ultimi sette giorni, vedere http://volcanoes.usgs.gov/vhpfeed.php.

STRESS/POSSIBILI CAMBIAMENTI

I metodi di monitoraggio del vulcano sono progettati per rilevare e misurare i segnali causati dal movimento del magma sotto un vulcano. Il magma in aumento in genere (1) innescherà sciami di terremoti e altri tipi di eventi sismici (2) causerà la deformazione (rigonfiamento o cedimento) della sommità o dei fianchi di un vulcano e (3) porterà al rilascio di gas vulcanici dal suolo e dalle bocche. Monitorando i cambiamenti nello stato di un vulcano, gli scienziati sono talvolta in grado di anticipare un'eruzione con giorni o settimane di anticipo e di rilevare a distanza il verificarsi di determinati eventi correlati come eruzioni esplosive e lahar (Guffanti et al., 2001). (Vedere la tabella 1 per un riepilogo dei segni vitali del vulcano e dei metodi di monitoraggio.)

DESCRIZIONI DEL MONITORAGGIO DEL SEGNO VITALE

Segno vitale 1. Attività sismica

introduzione
Il movimento del magma e dei fluidi associati all'interno dei vulcani si verifica spesso con attività sismica concomitante e misurabile (sismicità). Nei vulcani irrequieti, l'attività sismica in evoluzione comunemente, ma non sempre, precede le eruzioni. I disturbi sismici più comuni sono i terremoti in risposta ai cambiamenti di stress causati dal movimento del magma sotto un vulcano.
Quando il magma si intromette rapidamente nella roccia circostante, la roccia si rompe bruscamente, provocando un terremoto il cui segnale è simile a quello di un terremoto lungo una faglia tettonica (Fig. 6A). Questo tipo di terremoto è chiamato terremoto vulcano-tettonico (VT). Le firme dei terremoti VT sono caratterizzate da insorgenza di onde chiare e spesso impulsive o improvvise e contengono energia in un'ampia gamma di frequenze sismiche.
Un secondo tipo di terremoto associato alle aree vulcaniche è il risultato diretto del magma o di altri fluidi che scorrono attraverso i condotti nelle aree vulcaniche o idrotermali attive (Fig. 6B). Le variazioni di pressione nel magma che scorre o nei fluidi idrotermali forzano le fessure attraverso le quali questi fluidi si muovono a vibrare. Rispetto ai terremoti VT, questi terremoti appaiono con una frequenza di oscillazione dominante e più bassa e sono chiamati terremoti di lungo periodo (LP) (ad esempio, Lahr et al., 1994 Harlow et al., 1996).
Oltre ai terremoti vulcanici, si osserva spesso un'oscillazione del suolo continua o sostenuta nei vulcani irrequieti. Questo è indicato come tremore vulcanico ed è strettamente legato ai terremoti LP. Il tremore può essere pensato come una vibrazione sostenuta della fessura guidata dal magma in movimento (Fig. 6B e parti di 6C). Le esplosioni alla bocca di un vulcano o a basse profondità sotto la bocca creano il quarto tipo di terremoti vulcanici comuni. Naturalmente, questi sono chiamati terremoti da esplosione. La Figura 6D mostra una registrazione di un piccolo evento esplosivo sul Monte Pinatubo che è durato solo pochi minuti. Tuttavia, le sequenze di terremoti esplosivi possono andare avanti per ore come hanno fatto durante l'eruzione catastrofica del Monte Sant'Elena nel 1980. I terremoti esplosivi sono generalmente accompagnati da una forte espulsione di vapore, gas vulcanici, cenere e frammenti di lava in varie proporzioni.
Per ulteriori informazioni sui metodi di monitoraggio sismico, vedere Braile (questo volume).

Livello 3, Metodo 1: Monitoraggio sismico
Le eruzioni vulcaniche sono quasi sempre precedute da un aumento della sismicità e gli indicatori più affidabili dell'imminente eruzione sono terremoti e tremori superficiali (ad esempio, Chouet, 1996). In genere, i disordini vulcanici iniziano in profondità sotto un vulcano e progrediscono a profondità inferiori man mano che si avvicina il momento dell'eruzione. L'obiettivo del monitoraggio sismico dei vulcani è quello di registrare e monitorare i terremoti e le scosse che accompagnano i vulcani
disordini. Le reti sismografiche registrano i segnali irradiati da sorgenti sismiche vulcaniche, quindi gli specialisti analizzano e interpretano questi segnali e i loro schemi.
I sismologi usano i dati sismici di una rete di sismometri per localizzare l'ipocentro di un terremoto (il punto direttamente sotto la superficie terrestre dove inizia la rottura su una faglia) e il suo epicentro (il punto sulla superficie terrestre direttamente sopra l'ipocentro). La sismicità può essere rilevata a distanze maggiori e da fonti più profonde rispetto ad altri segni di disordini vulcanici. Pertanto, il monitoraggio sismico fornisce in genere i primi segnali di disordini vulcanici. I modelli in evoluzione di ipocentri ed epicentri aiutano gli scienziati a dedurre se il magma si muove verticalmente o lateralmente. La catalogazione degli eventi come VT o LP aiuta a distinguere tra faglia tettonica e origine di terremoti di magma in movimento.

Reti sismografiche
Le reti di monitoraggio dei vulcani efficaci si estendono dal centro vulcanico o dalla bocca attiva verso l'esterno fino a distanze di 20 km. Per determinare con precisione le profondità della sorgente particolarmente basse, diverse stazioni di monitoraggio sismico nella rete devono trovarsi entro pochi chilometri dalla bocca. Per localizzare con precisione epicentri e ipocentri, le stazioni dovrebbero essere distribuite uniformemente attorno a un vulcano a distanze variabili dalla bocca. La migliore pratica richiede 10-20 stazioni sismografiche intorno a ciascun vulcano potenzialmente pericoloso negli Stati Uniti.
Ogni stazione di monitoraggio in una rete è dotata di un sismometro, elettronica per amplificare e convertire i segnali per la trasmissione, componenti di telemetria e batterie e pannelli solari per alimentare la stazione. Il sismometro è sepolto 1-2 m sotto la superficie del terreno. I componenti elettronici e di potenza della stazione sono installati in piccoli alloggiamenti fuori terra. L'antenna di trasmissione e il pannello solare, se non installati sopra l'alloggiamento della stazione, sono installati su un palo corto. Le stazioni sono progettate per ridurre al minimo l'impatto dell'installazione e del funzionamento della stazione in aree remote o selvagge.

Figura 6. Esempi di firme di eventi sismici osservati a Mount Pinatubo nelle Filippine, come interpretati e riprodotti dalla Figura 3 di Harlow et al. (1996). (A) Terremoto di lungo periodo (LP) e terremoto vulcano-tettonico (VT). (B) Tremore costituito da terremoti LP ravvicinati. (D) Segnale di eruzione esplosiva. La sequenza temporale di ciascuna registrazione sismografica va da segni di graduazione equidistanti in alto a sinistra a in basso a destra lungo ogni intervallo di un minuto del segno di traccia.

Il sismometro registra i movimenti del suolo e converte i movimenti in segnali elettrici. I segnali convertiti vengono telemetrati in forma analogica o digitale a un vicino osservatorio vulcanico. In generale, le stazioni analogiche costano meno da acquistare e installare, consumano meno energia e trasmettono i loro segnali su distanze maggiori rispetto alle stazioni digitali. Le stazioni digitali forniscono dati di qualità superiore e quindi registrazioni più accurate dello scuotimento sismico. Una volta installati, sono più semplici da mantenere rispetto alle stazioni analogiche. Molte reti sismografiche utilizzano combinazioni di stazioni analogiche e digitali. Una stazione analogica costa da $ 7.000 a $ 10.000, mentre una stazione digitale costa da $ 15.000 a $ 20.000 (tutti gli importi qui indicati sono in US $). In futuro, è probabile che i vantaggi prestazionali delle stazioni digitali diventino più importanti delle differenze di costo. Pertanto, la proporzione di stazioni sismiche digitali nelle reti di monitoraggio dei vulcani aumenterà probabilmente.

Elaborazione dei dati sismici
I dati telemetrati dalle stazioni sul campo a un osservatorio vulcanico vengono raccolti su sistemi informatici personalizzati che rendono possibile l'analisi in tempo reale e quasi in tempo reale dei flussi di dati sismici e la pubblicazione quasi in tempo reale dei prodotti di analisi sismica. Importanti prodotti di analisi includono posizioni di epicentri e ipocentri, magnitudo dei terremoti e ampiezza sismica continua e visualizzazioni spettrali. L'analisi e la visualizzazione dei dati in tempo reale facilita notevolmente la previsione delle eruzioni a breve termine e l'evoluzione della valutazione dei pericoli.I membri dello staff dell'Osservatorio esaminano in modo interattivo i prodotti di analisi per verificare l'output e inserire informazioni aggiuntive che descrivono gli eventi in modo più completo. Un sistema informatico con queste capacità è costituito da un numero di computer workstation e costa diverse decine di migliaia di dollari. I computer memorizzano e archiviano anche i dati. Sono disponibili in commercio pacchetti software per l'acquisizione e l'analisi dei dati sismici. In alternativa, pacchetti software simili sono stati sviluppati, mantenuti e resi disponibili dall'U.S. Geological Survey.

Discussione
Mentre l'aumento della sismicità precede comunemente le eruzioni vulcaniche, il tempo dai primi terremoti a un'eruzione varia ampiamente. Un numero crescente di terremoti vulcano-tettonici può verificarsi mesi o addirittura anni prima di un'eruzione. Tuttavia, non tutti i vulcani sempre più irrequieti eruttano l'attività sismica può aumentare e diminuire senza un'eruzione per lunghi periodi di tempo.
I processi vulcanici sono complessi e variabili e quindi producono molteplici tipi, modelli e numeri di terremoti (ad es. Chouet, 2003). La mancanza dei primi segnali sismici cruciali di un vulcano impedisce agli scienziati di prevedere con precisione gli eventi. La protezione di persone e proprietà richiede l'installazione di reti di monitoraggio sismico su vulcani potenzialmente pericolosi per misurare la sismicità di base e monitorare aumenti suggestivi della sismicità, molto prima che inizino i disordini o si notino segni evidenti di disordini significativi sulla superficie terrestre.
Il monitoraggio sismico di base dei segnali sismici dei terremoti vicino a un vulcano e dall'altra parte del globo mentre viaggiano attraverso un vulcano consente agli scienziati di cogliere l'inizio dei disordini e di determinare le posizioni delle faglie e dei possibili accumuli di magma. Gli scienziati del vulcano usano questa conoscenza per migliorare la loro valutazione della probabilità di eruzione di un vulcano, del volume di magma eruttato e della posizione delle aree pericolose.

Segno vitale 2. Deformazione del suolo

introduzione
Quando il magma si muove sotto un vulcano, crea spazio per se stesso spostando la superficie terrestre. Quantificare le caratteristiche di questa deformazione nello spazio e nel tempo può fornire importanti informazioni sulla profondità, il cambiamento di volume e la geometria dei serbatoi di magma sotto terra. Ad esempio, quando il magma si accumula sotto un vulcano, forse come preludio a un'eruzione, la superficie sovrastante si gonfierà come un palloncino. Allo stesso modo, dopo che il magma è stato eruttato, o quando il magma drena a livelli più profondi o si sposta lateralmente sotto terra verso altre posizioni, la superficie si sgonfia in risposta a questa rimozione del volume. Una spiegazione più dettagliata è disponibile su http://hvo.wr.usgs.gov/howwork/subsidence/inflate_deflate.html. Gli spostamenti della superficie terrestre possono essere misurati con una varietà di metodi, comprese le tecnologie terrestri e spaziali. Ciascun metodo presenta vantaggi e svantaggi, pertanto il monitoraggio della deformazione non dovrebbe basarsi su un'unica tecnica, ma dovrebbe invece incorporare il maggior numero possibile di metodi. L'utilizzo simultaneo di diversi metodi offre le migliori possibilità di riconoscere gli spostamenti superficiali di un vulcano e fornire informazioni sulla probabilità e sui tempi di un'eruzione.

Figura 7. I benchmark sono cementati nel terreno e forniscono punti noti che possono essere rilevati anno dopo anno. (A) Tipico benchmark del disco in ottone,

10cm di diametro. La croce al centro del triangolo è il punto centrale del segno e viene utilizzata come punto di riferimento per gli studi di deformazione.

(B) Occasionalmente, solo pin meno evidenti

2 cm di diametro e con punzone centrale in alto, sono usati come parametri di riferimento. Questi sono più difficili da vedere e hanno meno probabilità di essere rubati.

Tecnologie all'avanguardia
Sebbene diversi metodi classici di monitoraggio della deformazione dei vulcani siano stati sostituiti da metodi più recenti a causa dei progressi tecnologici, questi metodi di monitoraggio più vecchi possono ancora essere utili su alcuni vulcani. Questi metodi classici includono la misurazione elettronica della distanza (EDM) e la triangolazione. Entrambi i metodi richiedono punti a terra posizionati con precisione come riferimenti per le misurazioni. Chiamati benchmark, questi punti sono comuni, specialmente sulle cime delle colline e delle cime montuose. I punti di riferimento sono solitamente dischi di ottone o alluminio (Fig. 7A) con segni di centraggio (spesso una croce o una fossetta), ma possono anche essere perni meno evidenti (Fig. 7B) o forme cesellate nella roccia. È importante che questi segni non vengano disturbati, perché vengono utilizzati per rilievi ripetuti nel tempo. Se i segni vengono distrutti o spostati, non possono essere rioccupati e le capacità di monitoraggio della deformazione del vulcano diminuiscono.

Livello 3, Metodo 1: Misurazione elettronica della distanza (EDM)
L'EDM misura la distanza tra due punti posizionando un laser su un punto di riferimento in un punto, puntandolo su una matrice di riflettori su un punto di riferimento in un secondo punto (forse fino a decine di chilometri), misurando il tempo di percorrenza di un impulso laser tra i due benchmark e quindi convertire il tempo in distanza. Le distanze misurate sono accurate entro pochi centimetri. L'EDM richiede almeno due persone, una al laser e una al sito del riflettore. Poiché le variazioni delle condizioni atmosferiche sono la principale fonte di errore nell'EDM, si consiglia di misurare la temperatura e la pressione atmosferica su entrambi i punti finali e lungo la traccia del laser via aereo. Le misurazioni ripetute tra una coppia di siti mostrano come la distanza cambia nel tempo. Il sito Web http://volcanoes.usgs.gov/activity/methods/deformation/index.php fornisce una spiegazione più dettagliata nella scheda EDM.
Le reti di misurazioni della lunghezza della linea EDM erano lo stato dell'arte per determinare la deformazione del vulcano negli anni '60-'80. Poiché l'EDM è ormai obsoleto, l'attrezzatura EDM è difficile da acquistare. Gli strumenti possono costare da $ 20.000 a $ 30.000, a seconda del modello. I riflettori sono oltre $ 100 ciascuno.

Livello 3, Metodo 2: Triangolazione
La triangolazione utilizza strumenti di rilevamento precisi per misurare gli angoli orizzontali di un triangolo i cui vertici sono punti di riferimento che possono essere distanti decine di chilometri l'uno dall'altro. Le variazioni degli angoli nel tempo vengono utilizzate per determinare la deformazione orizzontale della superficie terrestre. Le misurazioni dell'angolo verticale, ad esempio, dalla base di una collina o di una montagna alla sua sommità, possono anche essere prese per determinare i cambiamenti di elevazione nel tempo. La triangolazione richiede un notevole investimento di tempo per dati relativamente piccoli (sono necessarie misurazioni ripetute da ciascuno dei vertici del triangolo). Lo strumento utilizzato per raccogliere le misurazioni degli angoli è un teodolite, che può costare fino a $ 20.000.
Sebbene l'EDM e la triangolazione fossero un tempo importanti metodi di monitoraggio della deformazione, il Global Positioning System (GPS) li ha ampiamente sostituiti. Il GPS fornisce dati migliori rispetto alla maggior parte dei metodi di monitoraggio della deformazione classici, richiedendo meno tempo e personale (sebbene siano necessarie una formazione più specializzata e routine di calcolo avanzate). Tuttavia, tutte le reti di monitoraggio dei vulcani negli Stati Uniti sono state originariamente stabilite utilizzando l'EDM. Confrontando i rilievi EDM passati con misurazioni recenti utilizzando il GPS, è possibile determinare la lunghezza della linea o le variazioni angolari dal momento della misurazione precedente, il che può essere molto utile per determinare la deformazione a lungo termine di un dato vulcano. Questa pratica continua anche la serie temporale dei dati di deformazione, consentendo un più facile riconoscimento di segnali anomali. Ad esempio, nel 1981 è stata istituita una rete EDM a Lassen Peak nel Parco nazionale vulcanico di Lassen. I risultati dell'InSAR analizzati nel 2004 hanno suggerito che il vulcano si sta abbassando

1,5 cm all'anno. Per ottenere misurazioni a terra indipendenti, la rete EDM è stata rioccupata con il GPS nello stesso anno. I risultati hanno confermato la subsidenza e hanno suggerito che la deformazione si è verificata almeno dagli anni '80.
Sia le misurazioni EDM che quelle di triangolazione richiedono linee di vista libere tra la stazione strumentale e le posizioni target. Pertanto, i benchmark EDM e di triangolazione tendono a trovarsi in cima a colline o montagne, che sono spesso difficili e costosi da accedere. In questi casi, è consigliabile abbandonare questi siti e stabilire nuove stazioni GPS in luoghi più accessibili. Ciò ridurrà la necessità di accesso in elicottero, diminuendo sia la spesa che l'invadenza del monitoraggio della deformazione.

Livello 3, Metodo 3: Livellamento
Un'altra tecnica classica di rilevamento è il livellamento, un metodo che misura le elevazioni verticali dei benchmark. A differenza dell'EDM e della triangolazione, tuttavia, il livellamento è ancora usato regolarmente oggi. Rilievi di livellamento ripetuti lungo una serie di parametri di riferimento possono determinare i cambiamenti di elevazione nel tempo con una precisione inferiore al millimetro. Nessun altro metodo, con la possibile eccezione del GPS continuo, è così sensibile alla deformazione verticale.
Il livellamento viene effettuato utilizzando una coppia di aste graduate con precisione in invar (un metallo con un basso coefficiente di espansione termica), solitamente alte 2-3 m, e una "pistola" di livellamento (un mirino progettato per rilevare le letture dalle aste). La pistola è posizionata tra le due aste e bilanciata con precisione, e le graduazioni su ciascuna asta vengono lette guardando attraverso il mirino della pistola (Fig. 8). La differenza delle letture dell'asta determina la differenza di elevazione tra le due aste. Dopo che la lettura è stata completata e registrata, un'asta scavalca l'altra, la pistola viene riposizionata e la misurazione viene ripetuta. Continuando queste misurazioni lungo un transetto tra i benchmark, è possibile determinare le elevazioni relative di una rete di benchmark. Nel tempo, ripetute indagini di livellamento mostrano come cambiano le elevazioni di riferimento, forse a causa dell'attività magmatica sotto la superficie.

Figura 8. Squadra di livellamento al lavoro nel Parco Nazionale dei Vulcani delle Hawaii. Le indagini di livellamento richiedono da quattro a sei persone: una persona per azionare la pistola livellatrice, due persone per tenere le aste e da una a tre persone per supportare l'indagine trovando punti di riferimento, raccogliendo letture di temperatura, registrando misurazioni e dirigendo il traffico (la maggior parte delle linee di livellamento si trovano lungo le strade). Una squadra di livellamento esperta può in genere rilevare 5-7 km al giorno, a seconda della topografia e della precisione desiderata. L'attrezzatura di livellamento può richiedere la lettura e la registrazione da parte dell'operatore della pistola e di un assistente, o può essere registrata digitalmente. In quest'ultimo caso, le aste di livellamento hanno codici a barre su di esse anziché graduazioni numeriche. La pistola legge il codice a barre e determina la differenza di elevazione tra le posizioni delle aste, registrando la misurazione su una scheda di memoria.
Una pistola livellatrice costa circa $ 3.000. Le aste di livellamento sono circa $ 1.000 ciascuna per un modello digitale (codice a barre) o ottico (graduato). Le apparecchiature ausiliarie, tra cui sonde di temperatura, treppiedi e segnali stradali, potrebbero costare fino a $ 1.000. Poiché la scala dell'asta deve essere il più precisa possibile, si consiglia di ricalibrare ogni 2-4 anni (a seconda della precisione e della frequenza di utilizzo desiderate). La calibrazione delle aste può essere eseguita solo da un laboratorio universitario in Quebec e costa circa $ 1.000.
Il livellamento è ancora utilizzato in numerosi vulcani in tutto il mondo. Ad esempio, nel Parco Nazionale dei Vulcani delle Hawaii, i rilievi annuali di livellamento sono un metodo di monitoraggio importante e informativo perché la loro grande accuratezza ha mostrato cambiamenti nell'entità e nella direzione della deformazione verticale del vulcano Kīlauea. Dall'inizio dell'eruzione di Pu'u 'Ō'ō nel 1983 fino al 2003, la sommità del vulcano si è abbassata fino a 1,5 m. Tuttavia, il modello di spostamento è cambiato in sollevamento alla fine del 2003, forse indicando un aumento dell'offerta di magma al vulcano che potrebbe essere un precursore di futuri cambiamenti nell'attività eruttiva. In effetti, il sollevamento è continuato fino al 2007, quando sono scoppiate nuove bocche eruttive nella zona di spaccatura orientale, portando a un grande cambiamento nello stile eruttiva del vulcano Kīlauea. Anche i sondaggi di livellamento hanno aiutato
caratterizzano i disordini vulcanici nel Parco Nazionale di Yellowstone, dove sono stati osservati cambiamenti simili da sollevamento a subsidenza, ritenuti correlati alla circolazione sotterranea dei fluidi idrotermali, in brevi periodi di tempo (1–2 anni).
Le applicazioni più utili di livellamento sono su vulcani relativamente piatti che sono ben coperti da strade. A causa del grande impegno di tempo e personale richiesto dal metodo, il livellamento su topografia estrema o terreno accidentato, che richiede una quantità di tempo eccessiva, generalmente non giustifica il costo. Per questo motivo, il livellamento è uno strumento eccellente per il monitoraggio di vulcani come la caldera di Yellowstone, ma non ottimale per l'uso negli stratovulcani (vulcani ripidi e conici costruiti dall'eruzione di colate laviche viscose, tefra e flussi piroclastici) come il Monte Rainier.

Livello 3, Metodo 4: Tilt
L'inclinazione del suolo è stata utilizzata per monitorare la deformazione del vulcano per quasi 100 anni. Thomas A. Jaggar, fondatore dell'Hawaiian Volcano Observatory, utilizzò per la prima volta l'inclinazione per monitorare l'attività vulcanica a Kīlauea, nelle Hawaii, nel 1912. Da quel momento, la strumentazione e le tecniche per misurare l'inclinazione si sono evolute attraverso diverse iterazioni. Il metodo più conveniente e moderno utilizza i tiltmetri installati in pozzi poco profondi.
Un tiltmetro da pozzo è analogo alla livella di un falegname. Lo strumento è un cilindro, lungo 0,6-1 m (Fig. 9) e riempito con un fluido elettrolitico che contiene una bolla. Gli elettrodi rilevano il movimento della bolla mentre lo strumento si inclina. Posizionando il tiltmetro in un pozzo pieno di sabbia nel substrato roccioso,

2 m di profondità (che accoppia efficacemente lo strumento alla Terra), può essere misurata l'inclinazione della superficie del suolo. Utilizzando una rete di tiltmetri, è possibile identificare le fonti di inflazione o deflazione nei vulcani attivi. Maggiori informazioni ed esempi sono disponibili su http://volcanoes.usgs.gov/activity/methods/deformation/index.php nella scheda tilt.

Figura 9. Installazione del tiltmetro da pozzo nel Parco Nazionale dei Vulcani delle Hawaii. Lo strumento viene calato dal suo cavo in un foro rivestito. I pannelli solari, l'albero di telemetria e la scatola dell'elettronica sono stati installati a destra. I dati di inclinazione possono essere memorizzati sul sito dello strumento in un data logger e scaricati periodicamente, ma è molto più pratico telemetrare i dati, idealmente in tempo reale, a un osservatorio vulcanico. L'elaborazione e l'interpretazione dei dati di inclinazione è banale, poiché le tensioni emesse dallo strumento si traducono direttamente in grandezza e direzione dell'inclinazione del suolo tramite un semplice fattore di calibrazione. La semplicità dei dati e dell'elaborazione rende i tiltmetri attraenti come strumenti di monitoraggio, ma si noti che i tiltmetri non registrano gli spostamenti, ma solo l'inclinazione. Inoltre, gli strumenti sono abbastanza sensibili ai cambiamenti ambientali, comprese le fluttuazioni di temperatura tra il giorno e la notte, i cambiamenti di pressione atmosferica e le precipitazioni. Pertanto, i siti di misuratori di inclinazione dovrebbero essere dotati di pluviometri, termometri e barometri in modo che i dati di inclinazione grezzi possano essere interpretati rispetto ai fattori ambientali.
Un tiltmetro costa circa $ 8.000, ma sono necessarie molte attrezzature aggiuntive per far funzionare una stazione di tiltmetro telemetrata. Un data logger e radio (che possono telemetrare sia l'inclinazione che i dati ambientali) per il sito e una stazione di ricezione costano altri 6.000, e per realizzare il pozzo è necessario un trapano portatile (da centinaia a poche migliaia di dollari). Batterie e pannelli solari, al costo di 1.000 dollari, sono necessari per mantenere operativo lo strumento e i sensori ambientali (termometro, barometro e pluviometro) possono costare poche centinaia di dollari.
Il miglior esempio di tilt come metodo di monitoraggio del vulcano è fornito dall'Hawaiian Volcano Observatory. Nel Parco Nazionale dei Vulcani delle Hawaii, quasi 20 inclinometri da pozzo monitorano i vulcani Kīlauea e Mauna Loa. Ogni strumento effettua una lettura una volta al minuto, che viene immediatamente telemetrata all'Hawaiian Volcano Observatory. Queste misurazioni dell'inclinazione quasi in tempo reale forniscono abitualmente avvisi a breve termine di cambiamenti nell'attività vulcanica, come le nuove intrusioni magmatiche nel 1997 e nel 1999 e gli episodi episodici di deflazione/inflazione del 2008 alla vetta di Kīlauea che sono durati da ore a due giorni. Nessun'altra tecnica attualmente in uso è in grado di rilevare tale attività nel momento in cui si verifica.

Livello 3, Metodo 5: Sistema di posizionamento globale (GPS)
Alla fine degli anni '80, il Global Positioning System (GPS) è diventato un metodo praticabile per misurare la deformazione della superficie terrestre, sostituendo gradualmente l'EDM e la triangolazione. Il vantaggio principale del GPS rispetto a tutti gli altri metodi di monitoraggio della deformazione è la capacità di misurare simultaneamente gli spostamenti orizzontali e verticali con una precisione di pochi millimetri.
Il GPS viene utilizzato in una delle due modalità: continuo e rilevamento. Il GPS continuo utilizza un ricevitore GPS e un'antenna installati in modo permanente (Fig. 10A) in una posizione per tracciare il movimento di quella stazione nel tempo. Il vantaggio del GPS continuo è che i cambiamenti nella grandezza e nella direzione dello spostamento sono ben risolti. Tuttavia, la stazione non può essere spostata, quindi non è possibile identificare eventuali variazioni nei modelli di deformazione spaziale. In modalità rilevamento, un'antenna GPS su un treppiede (Fig. 10B) viene impostata su un punto di riferimento per un breve periodo di tempo (ad es. due giorni) mentre la posizione della stazione viene registrata continuamente. L'installazione del GPS viene quindi spostata in altri siti secondo necessità. L'occupazione ripetuta degli stessi benchmark fornisce informazioni su come si sono spostati i punti rilevati in una regione, ma la risoluzione temporale sarà scarsa.

Figura 10. Metodi di monitoraggio del Global Position System (GPS). (A) Questa installazione GPS continua nel Parco Nazionale dei Vulcani delle Hawaii consiste in un'antenna (disco bianco sul piedistallo a sinistra), pannelli solari, scatola elettronica (sotto i pannelli solari) e albero di telemetria.

(B) Un sito GPS di rilevamento, con un'antenna GPS e un treppiede impostati su un punto di riferimento. La casella in basso a destra contiene il ricevitore GPS e la batteria.

Entrambi i metodi di monitoraggio GPS richiedono una visione chiara del cielo. Ostruzioni come edifici e vegetazione oscurano i segnali satellitari e determinano una scarsa qualità di misurazione. Inoltre, le misurazioni GPS a breve termine tendono ad essere contaminate da multipath (segnali satellitari che non percorrono linee dirette tra il satellite e l'antenna ricevente). È importante raccogliere quanti più dati possibile per mediare tali effetti. I siti di indagine dovrebbero registrare i dati per almeno sei-otto ore al giorno. Questo non è un problema per le installazioni continue, che registrano i dati 24 ore al giorno.
Le posizioni GPS vengono calcolate utilizzando un software di elaborazione generalmente fornito gratuitamente da istituti di ricerca come la National Aeronautics and Space Administration (NASA) e il Massachusetts Institute of Technology. Il software è altamente specializzato e richiede una notevole esperienza e formazione per essere utilizzato correttamente. Un ricevitore GPS e un'antenna costano circa $ 4.000. I siti GPS continui richiedono batterie, pannelli solari e telemetria radio, al costo di circa $ 3.000 per sito. Per le apparecchiature che funzionano in modalità rilevamento, sono necessari solo treppiedi e batterie (circa $ 500), oltre al ricevitore e all'antenna.
Il GPS è lo strumento definitivo per misurare gli spostamenti tridimensionali, quindi non sorprende che il GPS sia attualmente il metodo dominante per il monitoraggio della deformazione dei vulcani.Nel Parco Nazionale dei Vulcani delle Hawaii, oltre 50 stazioni GPS continue sono integrate da oltre 100 siti che vengono occupati per alcuni giorni ciascuno durante campagne GPS annuali o guidate da eventi. Questa combinazione di metodi fornisce la migliore risoluzione temporale e spaziale possibile dei modelli di deformazione associati al vulcanismo attivo. Rilievi GPS di

40 siti, nelle vicinanze di Mauna Loa integrati da tre stazioni continue, hanno rilevato per la prima volta l'inflazione del vulcano Mauna Loa, Hawai'i, nel 2002. In risposta a questa attività, la rete GPS continua è stata ampliata da

Altri 20 siti nei successivi tre anni. Le nuove stazioni continue forniscono una migliore risoluzione degli spostamenti di superficie nel tempo, che si tradurrà in previsioni più affidabili dell'attività futura di Mauna Loa.

Livello 3, metodo 6: fotografia aerea/rilevazione e distanza della luce (LIDAR)
I rilievi di rilevamento e raggio di luce (LIDAR) e la fotografia aerea vengono utilizzati nei vulcani irrequieti per quantificare le aree che presentano un'ampia deformazione superficiale. Entrambe le tecniche sono utilizzate anche nell'eruzione dei vulcani per quantificare il volume di materiale estruso come colate laviche, cupole vulcaniche, ecc. Le indagini LIDAR e la fotografia aerea sono utilizzate per costruire modelli digitali di elevazione (DEM) della superficie del terreno. I vulcanologi utilizzano i DEM di sondaggi successivi per calcolare la variazione di volume tra i sondaggi. Ad esempio, durante l'eruzione del Monte Sant'Elena del 2004-2008, una serie temporale di DEM ha fornito l'unica misura affidabile del volume di lava e della sua velocità di estrusione. Il monitoraggio del volume e della velocità di estrusione aiuta i vulcanologi a prevedere quanto tempo potrebbe durare un'eruzione e il volume totale di lava che potrebbe essere prodotto.
La fotografia aerea è il metodo più elementare ed economico utilizzato per costruire DEM, questa è una tecnologia matura in uso da decenni. Una coppia di foto verticali leggermente sovrapposte è stata scattata da un aereo. Uno stereoscopio o un software informatico specializzato viene quindi utilizzato per creare una mappa topografica della superficie del suolo, da cui viene generato un DEM. Durante la corsa all'eruzione del Monte St. Helens del 18 maggio 1980, i DEM hanno confermato il rapido aumento del tasso di inflazione sul fianco nord del vulcano, portando al riconoscimento che il lato nord del vulcano era instabile prima che il crollo si verificasse il 18 maggio 1980.
LIDAR è simile al radar, ma utilizza frequenze di luce molto più elevate (di solito ultraviolette, visibili o infrarosse) per rilevare l'elevazione della superficie terrestre. La luce, emessa da un laser montato su un aeroplano, viene riflessa dalla superficie del suolo e il tempo di percorrenza viene misurato da un telescopio ottico montato sullo stesso aeroplano. Il tempo di percorrenza della luce viene convertito in distanza (analogo a EDM), da cui viene costruito un DEM accurato entro pochi centimetri. I rilievi LIDAR richiedono una posizione precisa dell'aeromobile, quindi una stazione GPS di riferimento a terra deve essere disponibile all'interno dell'area di rilevamento. Per elaborare i risultati LIDAR sono necessari software altamente specializzati e un'ampia formazione degli operatori, pertanto la maggior parte dei sondaggi LIDAR sono completati da società private.
In generale, il minor costo della fotografia aerea lo rende il metodo di scelta per il monitoraggio dei vulcani. Un volo per raccogliere fotografie aeree può costare da $ 1.000 a $ 5.000, mentre i voli LIDAR costano decine di migliaia di dollari. I dati LIDAR richiedono anche diverse settimane per l'elaborazione, mentre, a seconda del livello di precisione desiderato, la fotografia aerea può essere convertita in un DEM in pochi giorni. Tuttavia, la maggiore precisione di LIDAR lo rende ideale per localizzare sottili elementi in bassorilievo sulla superficie del terreno, come faglie con un offset superficiale minore. Nelle prime settimane successive all'inizio della rinnovata attività eruttiva sul Monte St. Helens alla fine del 2004, sono stati utilizzati sia il LIDAR che la fotografia aerea per costruire DEM, che hanno fornito dati importanti sulla crescita della cupola di lava nel cratere del vulcano. Tuttavia, il grande costo del LIDAR ha fatto sì che gli studi DEM venissero eseguiti interamente tramite fotografia aerea entro due mesi dall'inizio dell'eruzione.

Livello 3, Metodo 7: InSAR
L'uso del radar interferometrico ad apertura sintetica (InSAR) è descritto in dettaglio nella sezione Tecniche di monitoraggio dei vulcani emergenti di seguito. Sebbene InSAR sia in rapida evoluzione, i fattori limitanti includono la disponibilità del satellite, le distorsioni dovute agli effetti atmosferici e la necessità di intervalli relativamente lunghi tra le misurazioni in modo che la deformazione sia evidente al di sopra dei limiti di rilevamento. Tuttavia, InSAR è efficace per misurare la deformazione su larga scala ea lungo termine su vaste aree dove altri metodi sarebbero proibitivi, ed è una buona tecnica per la prospezione della deformazione dove non è stata precedentemente identificata e come precursore a lungo termine per potenziale attività vulcanica, come illustrato al vulcano South Sister (vedere la sezione Tecniche di monitoraggio dei vulcani emergenti). Con poche eccezioni, InSAR non è ancora uno strumento operativo per la maggior parte dei vulcani che stanno mostrando disordini significativi, minacciando di eruttare o effettivamente eruttando perché le immagini InSAR ripetute di un determinato vulcano possono essere catturate solo a intervalli approssimativamente mensili quando il satellite è sopra la testa, impedendo il monitoraggio dei cambiamenti a breve termine.
Il telerilevamento via satellite, descritto nella sezione sulle tecniche emergenti di questo capitolo, può essere utilizzato anche per monitorare la deformazione della superficie. I veicoli aerei senza pilota (UAV), descritti anche nella sezione sulle tecniche emergenti, sono appropriati in aree di difficile o pericoloso accesso per monitorare i cambiamenti nelle cupole laviche attive, i flussi di lava e le prese d'aria, come la crescita e il collasso di una nuova lava cupola.

Riepilogo
Combinazioni di metodi di monitoraggio consentono un monitoraggio completo dell'evoluzione spaziale e temporale della deformazione di un vulcano solo una combinazione di metodi può compensare i punti deboli di ogni singolo metodo. Chiaramente, vari metodi e strumenti utilizzati per monitorare la deformazione dei vulcani attivi hanno vantaggi e svantaggi. Per questo motivo, strategie di monitoraggio efficaci utilizzano un mix di metodi continui e di indagine. Ad esempio, nell'Hawai'i Volcanoes National Park, l'Hawaiian Volcano Observatory dell'US Geological Survey utilizza 20 tiltmetri da pozzo, più di 50 ricevitori GPS continui, più di 100 siti di rilevamento GPS e dati InSAR da diversi satelliti per monitorare la deformazione a Kīlauea e Vulcani Mauna Loa. La stessa combinazione di metodi viene utilizzata a Mount St. Helens, dove viene impiegata anche la fotografia aerea per creare DEM e tracciare il volume e la velocità della lava eruttata nel tempo.

Segno vitale 3. Emissione di gas a livello del suolo

introduzione
Il gas vulcanico viene rilasciato naturalmente sia da vulcani attivi che da molti vulcani inattivi. Il vapore acqueo è tipicamente il gas vulcanico più abbondante, seguito dall'anidride carbonica (CO2) e anidride solforosa (SO2). Altri gas vulcanici comuni sono l'idrogeno solforato (H2S), acido cloridrico (HCl), acido fluoridrico (HF), monossido di carbonio (CO) e idrogeno (H2), insieme a molti altri gas in tracce e isotopi, nonché metalli volatili. Le concentrazioni di questi gas possono variare considerevolmente da un vulcano all'altro. La maggior parte delle aree vulcaniche potenzialmente attive è caratterizzata da una o più fumarole a bassa temperatura e da un sistema idrotermale abbastanza sviluppato. I grandi sistemi vulcanici, come Yellowstone, hanno numerose bocche e fumarole che scaricano gas vulcanici nell'aria su un'ampia area geografica. Alcuni sistemi vulcanici attivi, come Kīlauea nelle Hawaii, hanno una varietà di sfiati di gas e fumarole che possono variare di temperatura fino a diverse centinaia di gradi.
I gas vulcanici possono essere dannosi per l'uomo, gli animali, le piante e le proprietà. Di solito, i pericoli, che possono variare da lievi a pericolosi per la vita, sono limitati alle aree immediatamente circostanti le bocche vulcaniche e le fumarole. Tuttavia, i gas più pesanti dell'aria come la CO2 possono accumularsi in depressioni topografiche sui fianchi dei vulcani e rappresentare un pericolo per la salute e la sicurezza umana. Gas acidi, come SO2, quando presente in abbondanza, può combinarsi con l'acqua nell'atmosfera per produrre piogge acide localizzate sottovento dalle bocche vulcaniche.
La roccia fusa, o magma, sotto i vulcani contiene abbondanti gas che sono la forza trainante delle eruzioni. I vulcani diventano irrequieti quando il magma inizia a spostarsi dalla profondità verso la superficie terrestre. Quando il magma si sposta in aree meno profonde sotto il vulcano, incontra condizioni di pressione più basse che consentono a più gas di fuoriuscire in fratture e crepe. Alcuni di questi gas vengono infine scaricati in superficie attraverso fumarole calde, sfiati attivi o superfici porose del terreno dove, se misurati, possono fornire preziose informazioni sui processi in corso sottostanti. Il magma in aumento riscalda anche la massa rocciosa sotto il vulcano e alla fine fa bollire l'acqua nei sistemi idrotermali poco profondi sotto il vulcano, rilasciando gas aggiuntivi. Il personale addetto alla gestione del territorio può contribuire in modo significativo all'identificazione dei primi segni di agitazione vulcanica rilevando e segnalando la comparsa di nuove fumarole, l'improvvisa comparsa di un odore di "uovo marcio", un aumento delle temperature delle fumarole o la comparsa di nuovo terreno caldo, inspiegabile la morte di animali, l'insorgenza di vegetazione anomala e la mortalità degli alberi.
Una varietà di metodi a terra per misurare i gas vulcanici include: campionamento diretto di gas da fumarole seguito da analisi di laboratorio, misurazione di uno o più gas in una fumarola con strumenti portatili, creazione di stazioni di monitoraggio dei gas a lungo termine presso le bocche vulcaniche e conduzione del suolo -indagini sull'efflusso di gas. Ciascun metodo è discusso di seguito. Tutti sono adatti per la valutazione a lungo termine delle condizioni vulcaniche. Una strategia che prevede misurazioni strumentali in loco abbinate ad analisi di laboratorio di campioni di gas fumarolici può essere particolarmente efficace per la sorveglianza geochimica dei vulcani.

Livello 3, metodo 1: campionamento diretto delle fumarole di gas e isotopi
Il campionamento diretto del gas è ideale per la sorveglianza a lungo termine dei sistemi vulcanici perché produce un'analisi chimica dettagliata di specifiche fumarole e bocche. I campioni di gas vulcanico vengono generalmente raccolti inserendo un tubo chimicamente inerte e durevole in una fumarola calda. Dopo aver lasciato riscaldare il tubo fino a quando la condensa nel tubo raggiunge l'equilibrio con i gas in uscita, al tubo di raccolta viene collegata una bottiglia per campioni sottovuoto appositamente progettata o una bottiglia per campioni a flusso continuo. Dopo che il campione è stato prelevato, viene inviato a un laboratorio di analisi per l'analisi mediante cromatografia ionica e gassosa e metodi chimici umidi tradizionali. Ulteriori informazioni sono disponibili all'indirizzo: http://volcanoes.usgs.gov/activity/methods/gas/sample.php. I kit per campioni di gas sul campo costano meno di $ 1.000, mentre gli strumenti analitici di laboratorio per eseguire questo tipo di analisi dei gas costano circa $ 30.000 ciascuno.
In genere, è possibile determinare l'intera suite dei principali gas vulcanici nel campione, inclusi acqua, CO2, COSÌ2, H2S, HCl, HF, CO e H2, altri gas come l'azoto (N2), ossigeno (O2), elio (He) e neon (Ne), se presenti, più altri gas in tracce. La temperatura delle fumarole gioca un ruolo importante nel determinare la qualità e l'utilità dei campioni diretti. Maggiore è la temperatura, meglio il campione rifletterà le condizioni del magma che fornisce il gas.
Il campionamento diretto del gas delle fumarole non è adatto per monitorare condizioni che cambiano rapidamente perché le analisi di laboratorio spesso richiedono giorni o settimane per essere completate. Tuttavia, analisi dettagliate della composizione del gas spesso forniscono informazioni critiche per valutare i rischi vulcanici e costruire modelli che forniscono informazioni sulle condizioni del magma alla profondità da cui si sono originati i gas.
Gli isotopi distinguono in modo univoco le fonti di gas vulcanico. Sebbene i recipienti per la raccolta dei campioni possano essere leggermente diversi, la procedura e il costo sono generalmente simili per la raccolta di campioni di gas dalle fumarole per l'analisi degli isotopi. Gli isotopi degli elementi leggeri, come idrogeno, carbonio, azoto e ossigeno, così come quelli dei gas nobili, come l'elio, possono fornire informazioni sull'origine del gas vulcanico e sul grado di diluizione da parte dei gas atmosferici. In particolare, rapporti più elevati degli isotopi dell'elio (3 He/4 He) implicano gas derivati ​​da sorgenti più profonde. Gli isotopi vengono analizzati con spettrometri di massa, sofisticati strumenti di laboratorio che possono costare fino a $ 300.000.

Livello 3, Metodo 2: misurazioni strumentali in loco
Uno strumento portatile, come un gascromatografo (uno strumento analitico che separa miscele di gas o liquidi in componenti misurabili) o uno spettrometro (uno strumento ottico progettato per misurare gas a specifiche lunghezze d'onda della luce) può misurare uno o più gas direttamente dal sfiato o fumarola. Un tubo campione è accoppiato direttamente alla fonte di gas e il gas è diretto nella porta del campione dello strumento, eliminando la necessità di raccogliere un campione e trasportarlo in un laboratorio. Gli strumenti portatili possono essere configurati per effettuare misurazioni nell'arco di diverse ore e hanno il vantaggio di produrre risultati immediatamente, ma spesso misurano solo alcuni dei gas vulcanici di interesse. Il costo dei cromatografi e degli spettrometri portatili da campo varia da $ 5.000 a $ 25.000.
Un'importante nuova tecnica per misurare i gas vulcanici è la spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier a percorso aperto (OP-FTS). Uno spettrometro a infrarossi a trasformata di Fourier (FTIR), un tipo speciale di spettrometro a infrarossi con un gruppo di specchi mobili e un telescopio ottico, è montato su un treppiede e puntato su un pennacchio di gas che emerge da una fumarola o da una bocca vulcanica. Una grande lampada può essere posizionata sul lato opposto del pennacchio di gas per fornire una fonte di energia a infrarossi per lo strumento. In altri casi, come fonte di luce possono essere utilizzate rocce calde o persino il sole. FTIR può analizzare rapidamente più gas contemporaneamente e ha il vantaggio, come gli strumenti sopra descritti, di produrre risultati immediati. Il costo di un sistema FTIR da campo è di circa $ 100.000.
Alcuni eventi di emissione di gas sono relativamente brevi e verrebbero persi da un campionamento occasionale di fumarole o dall'impiego a breve termine della strumentazione in loco. Pertanto, le stazioni di monitoraggio continuo del gas vengono spesso utilizzate per identificare eventi di degasaggio di breve durata e cambiamenti a lungo termine. Questi sono tipicamente costituiti da uno o più sensori di gas chimici o ottici che misurano le concentrazioni di gas in corrispondenza o in prossimità di una fumarola. Simile alle stazioni di monitoraggio sismico o GPS, le stazioni di monitoraggio del gas sono costituite da un alloggiamento della stazione e batterie per alimentare i sensori e le apparecchiature di raccolta dati e costano da $ 3.000 a $ 10.000 ciascuna. I loro dati sono generalmente trasmessi via radio o via satellite a una struttura fuori sede, oppure possono essere registrati in loco da un registratore di dati.
Durante i disordini vulcanici, quando il magma in aumento inizia a riscaldare il sottosuolo del vulcano, misurando SO2 è particolarmente importante, poiché quantità crescenti di SO2 i gas sono spesso diagnostici per l'accelerazione dei disordini. Pertanto, una volta identificati i disordini vulcanici, si dovrebbe sempre considerare la creazione di una serie di stazioni di monitoraggio Flyspec telemetrate per misurazioni continue del gas. Flyspec, a volte chiamato mini-DOAS (spettrometro ad assorbimento ottico differenziale) è un piccolo spettrometro ultravioletto che misura SO2 nell'aria. Quando viene utilizzato come parte di una stazione fissa di monitoraggio del gas, il Flyspec può essere configurato per scansionare la massa d'aria sottovento di una bocca vulcanica o di un campo di fumarole. Accoppiato con i dati del vento da una stazione meteorologica, il Flyspec può produrre una misura affidabile del SO2 tasso di emissione o flusso. I dati Flyspec possono essere telemetrati tramite collegamenti radio o satellitari. Le stazioni di monitoraggio Flyspec telemetrate costano tra $ 10.000 e $ 15.000 ciascuna, a seconda del tipo di telemetria e se sono necessari collegamenti ripetitori.

Livello 3, metodo 3: misurazioni dell'efflusso del suolo
Le indagini di misurazione dell'efflusso del suolo sono generalmente effettuate in aree in cui i gas vulcanici, tipicamente CO2, salgono dalla profondità attraverso faglie e fratture e si scaricano nello strato di suolo appena sotto la superficie del suolo. Dal momento che CO2 è più pesante dell'aria, può accumularsi in punti bassi o in spazi ristretti o defluire sotto forma di corrente di densità, presentando un pericolo significativo per tutti coloro che accedono a tali aree. Nel 1990, un ranger del servizio forestale degli Stati Uniti nella foresta nazionale di Inyo è entrato in una capanna coperta di neve in un'area del genere e ha sperimentato quasi l'asfissia. Indagini successive hanno rivelato concentrazioni potenzialmente letali di CO2 nelle vicinanze che richiedono la chiusura di un vicino campeggio. Incontri fatali con CO2 vulcanica includono gas che scorreva lungo un ripido pendio e attraverso una strada, uccidendo circa 150 persone che stavano fuggendo da un'eruzione a Dieng (Indonesia) nel 1979 e improvvisi rilasci di CO2-gas ricco da
I laghi Monoun e Nyos del Camerun che hanno ucciso circa 40 e 1.700 persone, rispettivamente, nel 1984 e nel 1986.
Le zone di scarico dei gas del suolo possono essere calde o fredde e sono spesso caratterizzate da vegetazione e mortalità degli alberi. Poiché i gas possono fuoriuscire dal terreno su un'ampia area, una piccola camera di accumulo del suolo accoppiata con uno spettrometro a infrarossi e un computer portatile viene generalmente utilizzata per raccogliere e misurare il gas in decine o centinaia di siti separati. Queste misurazioni vengono utilizzate per costruire una mappa della CO . del suolo2 anomalia per determinare un flusso totale di gas. Per maggiori dettagli, vedere http://volcanoes.usgs.gov/activity/methods/gas/soil.php. Il costo della strumentazione di efflusso del terreno sul campo varia da $ 5.000 a $ 20.000. Le indagini sul campo sono in genere condotte da un team di scienziati per diversi giorni e ripetute da una a più volte all'anno per diversi anni per valutare la dinamica dello scarico di gas in profondità.
Le misurazioni dell'efflusso del suolo sono utili anche per cercare faglie o altre zone in cui il gas vulcanico fuoriesce in superficie. A volte può essere appropriato installare stazioni di monitoraggio automatizzate dell'efflusso del suolo nelle zone di scarico dei gas del suolo per monitorare le variazioni a breve termine (orarie) nel degasaggio. Le stazioni di monitoraggio automatizzate costano circa $ 20.000 ciascuna.
Il telerilevamento via satellite, descritto nella sezione sulle tecniche emergenti di questo capitolo, può essere utilizzato anche per monitorare le emissioni termiche, le ceneri vulcaniche e le nubi di gas.

Segno vitale 4. Emissione di pennacchi di gas e nuvole di cenere

introduzione
Le emissioni di gas e ceneri sono monitorate da tre tecniche descritte in questa sezione e anche dal telerilevamento satellitare, come descritto nella sezione seguente (Tecniche di monitoraggio utilizzate per numerosi parametri vitali). I metodi 1 e 2 sono utilizzati per monitorare rispettivamente l'anidride solforosa e l'anidride carbonica nei pennacchi vulcanici. Entrambi i gas sono importanti indicatori dell'attività magmatica. Il metodo 3 descrive come monitorare e tracciare le nuvole di cenere vulcanica, generalmente in combinazione con il telerilevamento satellitare. Data l'importanza di impedire agli aerei di entrare nelle nuvole vulcaniche, è stato sviluppato un processo coordinato multiagenzia internazionale per tracciare le nuvole di cenere in tempo reale e comunicare informazioni chiave agli interessi dell'aviazione.
La velocità con cui un vulcano rilascia gas nell'atmosfera è correlata al volume di magma all'interno del suo sistema di serbatoi di magma. Misurando le variazioni del tasso di emissione, solitamente in tonnellate metriche al giorno (103 kg/giorno), di gas chiave come l'anidride solforosa (SO2) e anidride carbonica (CO2), è possibile dedurre i cambiamenti che potrebbero verificarsi nel serbatoio di magma di un vulcano e se il magma potrebbe muoversi verso la superficie. Sebbene a volte sia possibile misurare SO2 scarico da terra, è misurato in modo più preciso e sicuro da una piattaforma aerea. CO . accurata2 le misurazioni del tasso di emissione richiedono una piattaforma aerea. Vedere http://volcanoes.usgs.gov/About/What/Monitor/Gas/plumes.html per ulteriori informazioni e illustrazioni sui metodi descritti in questo segno vitale.
Un tipico pennacchio di gas, esalato da una piccola sorgente come una fumarola o scaricato con forza da una grande sorgente come una bocca vulcanica in eruzione, sale all'altezza in cui la sua densità raggiunge l'equilibrio con l'atmosfera. La parte superiore della nuvola può essere tranciata e portata via dal vento. Il tasso di emissione di gas può essere determinato misurando la quantità di un gas specifico nel pennacchio sottovento e la velocità del vento.
L'emissione di anidride solforosa dai vulcani inattivi normalmente varia da valori inferiori ai limiti di rilevamento degli strumenti a poche centinaia di tonnellate al giorno. Perché così2 può reagire con l'acqua ed essere perso come fase gassosa, a volte non è presente nei vulcani quiescenti fino all'inizio dei disordini. In entrambi i casi, è importante misurare SO2 e CO2 durante i periodi inattivi per stabilire linee di base per il confronto con misurazioni future in caso di disordini.

Livello 3, Metodo 1: Misurazioni con spettrometro di correlazione (COSPEC) e spettrometro mini-UV (Flyspec)
L'importanza di cercare SO2 nei pennacchi vulcanici non può essere sopravvalutato. Quando SO2 appare nel pennacchio durante i disordini vulcanici, è l'indicatore definitivo per una sorgente di magma superficiale, dimostrando un riscaldamento sufficiente dell'edificio vulcanico per stabilire passaggi asciutti dalla profondità alla superficie in cui SO2 non viene più rimosso da reazioni con acque sotterranee o un sistema idrotermale. SO . molto alto e sostenuto2 i tassi di emissione implicano che il magma si è intruso a un livello elevato sotto il vulcano e indicano la chiara possibilità di un'eruzione.
Il COSPEC (o spettrometro di correlazione) è stato utilizzato per più di tre decenni per misurare la SO2 tassi di emissione da vari vulcani in tutto il mondo. Originariamente progettato per misurare gli inquinanti industriali, il COSPEC misura la quantità di luce ultravioletta assorbita da SO2 molecole all'interno di un pennacchio vulcanico utilizzando la luce solare diffusa come fonte di luce. Lo strumento viene calibrato confrontando tutte le misurazioni con una o più SO . note2 standard montati nello strumento. Il COSPEC è uno strumento ottico con un telescopio rivolto verso l'alto, quindi è tipicamente montato su un aereo con il telescopio che sporge da una finestra. Tipicamente, 3-6 traverse sono volate sotto il pennacchio ad angolo retto rispetto alla sua direzione di marcia, per determinare la SO media2 concentrazione lungo una sezione trasversale verticale del pennacchio. La velocità del vento è determinata durante il volo dal GPS. Da queste misurazioni è possibile calcolare un tasso di emissione molto accurato. Un COSPEC costa circa $ 80.000 per lo strumento e poche centinaia di dollari per una piastra di montaggio su misura che è unica per ogni tipo di aereo.
Il Flyspec, a volte chiamato mini-DOAS (spettrometro ad assorbimento ottico differenziale), misura anche l'SO2 nella gamma della luce ultravioletta. Tuttavia, lo strumento Flyspec è notevolmente più piccolo e leggero del COSPEC e può essere utilizzato tramite la porta USB di un computer portatile standard. Può essere installato sia su un elicottero che su un aereo ad ala fissa e vola sotto il pennacchio utilizzando la stessa strategia di misurazione del COSPEC. A seconda della configurazione e del fatto che si tratti di un modello commerciale o meno, un Flyspec costerà da $5.000 a $ 12.000.
I costi di volo per una tipica misurazione del gas nell'aria sono generalmente da $ 1.000 a 3.000, ma i voli singoli su sistemi vulcanici con fonti di gas ampiamente distribuite, come Yellowstone, costeranno $ 5.000 o più. Gli intervalli tra i voli di misurazione del gas di base su un vulcano inattivo potrebbero essere da uno a tre anni. Nei vulcani in cui si verificano disordini, i voli potrebbero essere effettuati ogni uno o tre mesi e, quando i disordini sono intensi, potrebbero essere necessari con una frequenza da giornaliera a settimanale.

Livello 3, Metodo 2: LI-COR
L'anidride carbonica è una delle specie di gas più importanti per la previsione dell'attività eruttiva perché può fornire la prima indicazione geochimica dell'inizio dell'irrequietezza all'interno di un sistema vulcanico. A causa della sua bassa solubilità, CO2 viene rilasciato dal magma molto presto durante la sua risalita in superficie. Quindi una transizione di CO2 dalle quantità di base a livelli marcatamente più alti indica che il magma è probabilmente coinvolto e si sta muovendo dalla profondità. Un ulteriore aumento di CO2 a tassi di emissione ancora più elevati segnala che il magma si sta invadendo a un livello elevato sotto il vulcano. Non esiste un'alternativa affidabile agli aerei per misurare accuratamente la CO2 tassi di emissione. L'accesso degli aerei ai vulcani irrequieti è assolutamente essenziale per monitorare in modo adeguato e sicuro le emissioni di gas.
Il LI-COR è un piccolo spettrometro a infrarossi che è recentemente diventato lo standard per la determinazione della CO2 tassi di emissione nei pennacchi vulcanici. Il LI-COR campiona aria e gas vulcanici attraverso un tubo collegato alla porta di campionamento esterna di un elicottero o bimotore ad ala fissa può analizzare la CO2 nel flusso d'aria campione a una misurazione al secondo. A differenza del COSPEC e del Flyspec che vengono fatti volare sotto il pennacchio, il LI-COR deve essere fatto volare attraverso il pennacchio in traverse a diverse elevazioni perpendicolari alla direzione di deriva, fino ad analizzare un'intera sezione verticale del pennacchio. Da questi dati e da una velocità del vento determinata dal GPS, un tasso di emissione di CO2 può essere determinato.
Poiché il LI-COR verrà tipicamente pilotato con un COSPEC o Flyspec, i costi di volo dell'aeromobile e la frequenza delle misurazioni saranno gli stessi descritti sopra per COSPEC e Flyspec.

Livello 3, Metodo 3: Radar Doppler
Il radar Doppler monitora l'aspetto delle nubi vulcaniche e ne traccia i movimenti, contrariamente ai metodi descritti sopra, che monitorano diversi componenti chimici all'interno di una nube vulcanica. Pertanto, il radar Doppler viene utilizzato per aiutare a decidere quando le aree pericolose devono essere chiuse alle persone a terra o agli aerei.
Il rilevamento delle eruzioni è un compito facile quando un vulcano erutta con il bel tempo, durante le ore diurne e/o in piena vista degli osservatori, ma è difficile per le eruzioni notturne, in caso di maltempo e/o in aree remote. Per le eruzioni esplosive, come potrebbero verificarsi a Lassen Peak, Crater Lake, Mount Rainier e vulcani dell'Alaska, questi handicap possono essere superati con i sistemi radar Doppler progettati per monitorare il tempo. Il radar meteorologico rileva la cenere nell'aria nello stesso modo in cui rileva la pioggia o la neve, sebbene non sia in grado di distinguere tra la cenere e le nuvole meteorologiche.
I sistemi radar Doppler producono mappe che mostrano qualsiasi cosa, inclusa pioggia, neve e cenere vulcanica, che si muova e rifletta il raggio radar. Le immagini vengono prodotte a intervalli regolari e salvate come file del computer che possono essere visualizzate come una sequenza time-lapse quando altri dati di monitoraggio indicano una possibile attività vulcanica. Ad esempio, una sismicità insolita in un vulcano indica che è successo qualcosa, forse un'eruzione. Se la sequenza di immagini radar indica che una nuvola è apparsa improvvisamente sul vulcano contemporaneamente alla sismicità, allora la nuvola è stata quasi certamente prodotta da un'eruzione esplosiva. Così le eruzioni possono essere rilevate giorno e notte, sia con il bel tempo che con il brutto tempo.
Il costo di acquisizione dei dati radar varia da molto basso a estremamente alto. Il National Weather Service (NWS) fornisce dati radar Doppler per la maggior parte degli Stati Uniti gratuitamente su Internet. Tuttavia, la copertura è limitata o inesistente in alcune aree remote. I radar NWS producono immagini a intervalli di 4, 5, 6 o 10 minuti, a seconda delle condizioni meteorologiche. Trascorre circa un altro minuto prima che le immagini siano disponibili. I fornitori commerciali che elaborano e rivendono i dati radar NWS aumenteranno ulteriormente il tempo tra l'acquisizione e la consegna agli utenti finali. Se le immagini sono ottenute da radar NWS, i problemi di telecomunicazione possono costituire un impedimento, sia che le immagini siano ottenute da Internet, direttamente dai server di dati NWS, sia da un fornitore commerciale. Inoltre, gli utenti non hanno alcun controllo sul flusso di dati NWS e devono accontentarsi
cosa offrono i fornitori di dati. Di conseguenza, gli utenti devono lavorare con intervalli di immagine sostanzialmente più lunghi di quanto auspicabile, aumentando il tempo necessario per il rilevamento dell'eruzione.
Se un vulcano non è coperto dai radar NWS, dovrebbe essere acquisito e gestito un sistema radar autonomo. Una grande antenna parabolica è posizionata su un piedistallo con una visuale libera (almeno) della sommità del vulcano, in genere da poche decine a 50 km dal vulcano. L'antenna è tipicamente montata sopra un edificio o una torre in modo che gli oggetti vicini non blocchino il raggio radar. I cavi dell'antenna sono collegati a una "scatola nera" elettronica all'interno dell'edificio che controlla l'antenna e acquisisce i dati grezzi. Un personal computer elabora i dati grezzi e li visualizza su un monitor in vari formati grafici che operatori addestrati possono facilmente interpretare.
Le apparecchiature radar tendono ad essere costose. I sistemi meno costosi (e meno capaci) costano circa $ 50.000. I sistemi più capaci costano da cinque a dieci volte tanto. I sistemi radar privati ​​richiedono manutenzione e riparazione e richiedono personale per gestirli e mantenerli. Tuttavia, i sistemi radar possono funzionare con poca attenzione per lunghi periodi di tempo.
Il telerilevamento via satellite, descritto nella sezione sulle tecniche emergenti di questo capitolo, può essere utilizzato anche per monitorare la cenere vulcanica e le nubi di gas.

Segno vitale 5. Attività idrologica

introduzione
La maggior parte dei vulcani sono alte caratteristiche fisiografiche con una notevole quantità di neve accumulata e apprezzabili risorse idriche sotterranee. Le acque superficiali possono intercettare e assorbire sia il calore che i costituenti chimici rilasciati dal magma. Monitorando lo scarico dell'acqua, la sua composizione e la sua temperatura, i lavoratori possono rilevare i cambiamenti nel sistema vulcanico che accompagnano la rinnovata attività magmatica. Il monitoraggio può includere stazioni di misura su fiumi e torrenti, monitoraggio a fondo pozzo di pozzi di falda o semplici sonde di temperatura (termistori) posizionate in torrenti o laghi. A volte i cambiamenti osservati possono precedere i segnali geofisici che sono i segni dominanti di un vulcano in risveglio.

Livello 3, Metodo 1: Strumentazione per ruscelli e pozzi
Un flusso richiede un metodo per misurare la sua profondità e il volume del flusso. Tipicamente viene realizzata una piccola struttura in calcestruzzo collegata idraulicamente al torrente. Questa configurazione consente misurazioni riproducibili che non sono influenzate dalle tempeste. La trasmissione dei dati in tempo reale richiede un sistema di telemetria, generalmente un trasmettitore satellitare e una fonte di alimentazione (celle solari, batterie o linee elettriche se disponibili). La strumentazione aggiuntiva può includere una stazione meteorologica o una strumentazione per la qualità dell'acqua per misurare la pioggia, la conduttività o la torbidità.
Un misuratore di flusso misura lo stadio di un fiume o la sua profondità rispetto a un dato misurato. Anche lo scarico (il volume di acqua che si muove oltre un dato punto per unità di tempo) è comunemente monitorato. Misurando attentamente la sezione trasversale di un fiume e la velocità dell'acqua, è possibile calcolare una curva di valutazione che mette in relazione lo stadio con le unità di flusso, tipicamente in piedi cubi (ft 3 ) al secondo. Le curve di valutazione vengono rimisurate più volte all'anno da esperti di risorse idriche. È possibile posizionare sensori aggiuntivi vicino alla stazione di misurazione per misurare la temperatura dell'aria e dell'acqua, la chimica dell'acqua o le precipitazioni e questi parametri possono essere confrontati con lo scarico attraverso la stazione di misurazione. Strumenti come termistori, sensori di pressione e sensori chimici possono essere posizionati nei pozzi, fornendo informazioni sulle condizioni in una falda acquifera o in un sistema di acque sotterranee. I dati possono essere raccolti su un data logger che viene regolarmente scaricato o telemetrato agli scienziati tramite sistemi radio o satellitari. Le informazioni provenienti da pozzi o fiumi possono essere visualizzate come serie temporali relative ad altri parametri di monitoraggio come sismicità, deformazione o osservazioni satellitari per vedere se i cambiamenti nel flusso o nella chimica dell'acqua sono correlati ai cambiamenti in altri fenomeni misurati.
Le informazioni provenienti dai misuratori di flusso vengono utilizzate regolarmente anche per gli allarmi in caso di inondazioni, la gestione della fauna selvatica (soprattutto la pesca) e per la gestione delle risorse idriche.
In genere, il monitoraggio idrologico viene effettuato con un misuratore di flusso, che può costare da $ 30.000 a 40.000 per la costruzione, oltre a spese operative annuali di circa $ 15.000. Il prezzo include la trasmissione completa dei dati in tempo reale (di solito via satellite) e test periodici per fornire curve di valutazione per ogni misuratore, che possono cambiare nel tempo. I sistemi di monitoraggio a fondo pozzo per i pozzi costano meno da mantenere perché non richiedono curve di rating aggiornate. I costi iniziali sono di circa $ 5.000 per la strumentazione per misurare la temperatura e la profondità dell'acqua su un pozzo esistente. La perforazione di diversi nuovi pozzi costa da centinaia di migliaia a milioni di dollari e viene eseguita solo raramente sui vulcani solo per scopi di monitoraggio. Semplici termometri con data logger dedicati possono essere collocati nel terreno o nei flussi per poche centinaia di dollari. Sono solo raramente telemetrici e raccolgono invece dati continuamente per un numero di settimane o mesi prima del recupero dei dati.
I dati sull'acqua vengono rivisti regolarmente insieme ad altri dati di monitoraggio. I dati vengono raccolti ogni 15 minuti su misuratori di flusso tipici. Altri parametri possono essere raccolti più frequentemente. I sistemi di allarme possono essere costruiti in modo che concentrazioni chimiche anomale, portate o variazioni di pressione siano immediatamente inoltrate al personale di monitoraggio.
I misuratori di corrente possono diventare inaffidabili dopo grandi tempeste perché le tempeste possono modificare la forma del canale del fiume e rendere la curva di valutazione imprecisa. Una nuova curva di valutazione deve essere determinata dalle squadre sul campo. Tempeste, neve e altre condizioni ambientali possono occasionalmente interferire con la trasmissione dei dati, in modo che la registrazione del monitoraggio possa essere periodicamente interrotta. I sensori di fondo pozzo possono essere degradati dall'alta temperatura e
condizioni di alta pressione e potrebbero guastarsi e necessitare di sostituzione periodica. I termistori per il monitoraggio del suolo e delle acque superficiali possono essere soggetti ad atti vandalici da parte di esseri umani o animali e possono degradarsi nel tempo a causa di condizioni difficili.
Grandi cambiamenti di temperatura, chimica o flusso apparentemente non correlati ai parametri climatici possono essere dovuti a cambiamenti nel sistema vulcanico. Vengono quindi intrapresi ulteriori studi e valutazioni.
I misuratori di flusso sono comuni in tutto il mondo sviluppato, ma meno nel resto del mondo. Tuttavia, non tutti i misuratori di flusso sono utili per monitorare i vulcani a meno che non siano posizionati con quell'obiettivo in mente. Una stazione di misurazione utilizzata espressamente per il monitoraggio dei vulcani si trova presso il Norris Geyser Basin nel Parco Nazionale di Yellowstone (http://waterdata.usgs.gov/mt/nwis/uv?site_no=06036940). I dati in tempo reale dal pozzo d'acqua Chance, monitorati dal Long Valley Observatory, si trovano all'indirizzo http://lvo.wr.usgs.gov/cw3_main.htm.

Segno vitale 6. Instabilità del pendio

introduzione
I vulcani sono soggetti a vari tipi di instabilità dei versanti, alcuni legati a processi eruttivi, altri al terreno scosceso e ai pendii instabili che caratterizzano molti edifici vulcanici. Questa sezione affronta le colate detritiche, che sono miscele a flusso rapido di frammenti di roccia, fango e acqua che hanno origine su pendii ripidi. Conosciuti come lahar quando hanno origine sui vulcani, sono tra i rischi vulcanici più distruttivi e persistenti. I lahar minacciano vite e proprietà non solo sui vulcani ma molto a valle nelle valli che drenano i vulcani, dove arrivano all'improvviso e inondano interi fondovalle. I flussi di detriti possono distruggere la vegetazione e le strutture sul loro percorso, inclusi ponti ed edifici. I loro depositi possono coprire strade, aree ricreative e ferrovie e riempire o deviare i canali dei corsi d'acqua, riducendo così la loro capacità di trasporto delle inondazioni e la navigabilità.
I lahar possono verificarsi come lahar primari o secondari. I lahar primari iniziano durante le eruzioni vulcaniche, come risultato di materiali eruttivi caldi che sciolgono neve e ghiaccio o violano laghi o altre acque sequestrate. I lahar secondari possono svilupparsi in qualsiasi momento dopo le eruzioni, come risultato di forti piogge o inondazioni glaciali che mobilitano cenere, terreni erodibili o ghiacciai. Sono state registrate inondazioni da quattro ghiacciai nel Parco Nazionale del Monte Rainier durante periodi di tempo insolitamente caldo o piovoso in estate o all'inizio dell'autunno, e hanno inondato strade a valle e aree ricreative (Walder e Driedger, 1994a). A differenza di altri rischi vulcanici che non sono necessariamente vincolati dalla topografia, come le cadute di cenere e i flussi piroclastici, i flussi di detriti sono solitamente contenuti nei fondovalle e seguono percorsi prevedibili lungo i canali dei torrenti, rendendo così pratica la mitigazione del rischio attraverso la delineazione di possibili zone di inondazione e reali -monitoraggio temporale dei canali di colata detritica.
Per un vulcano è possibile determinare la suscettibilità e i potenziali fattori scatenanti delle colate detritiche e monitorarne la potenziale attività scatenante. La presenza di un lago vulcanico, quantità significative di neve o ghiaccio, o roccia strutturalmente non sana, come materiale che è stato fisicamente e chimicamente alterato da gas e fluidi vulcanici, può essere valutata attraverso il lavoro sul campo geologico e la mappatura. Gli studi sul campo possono anche rivelare depositi di colate detritiche da eruzioni precedenti, fornendo una prospettiva sui potenziali rischi locali e regionali. I depositi di flusso di detriti a volte possono estendersi per decine di miglia da un vulcano.
Per ulteriori informazioni sull'instabilità dei pendii, vedere il capitolo sul monitoraggio dei movimenti dei pendii.

Metodi selezionati per il monitoraggio del movimento dei pendii
Gli elementi o i segni vitali del monitoraggio del movimento del pendio rilevanti per il monitoraggio dei vulcani includono (1) la determinazione dei tipi di frane, (2) il monitoraggio degli inneschi e delle cause delle frane, (3) la delineazione del pericolo di lahar e (4) il monitoraggio del lahar in tempo reale. I primi due parametri vitali sono trattati nel capitolo sulle piste. Di seguito sono descritti due metodi per monitorare i pericoli ei movimenti del lahar.

Livello 3, Metodo 1: Delineazione del rischio Lahar
LAHARZ è un metodo rapido, obiettivo e riproducibile che utilizza un sistema di informazione geografica (GIS) con modelli digitali di elevazione (DEM) per delineare le zone di inondazione di lahar (Iverson et al., 1998). L'US Geological Survey ha sviluppato il metodo per i vulcani in cui i dati, il tempo, i finanziamenti o il personale sono inadeguati per applicare i tradizionali metodi di mappatura geologica. Sia LAHARZ che i metodi di mappatura tradizionali si basano sugli stessi principi: (1) l'inondazione di lahar passati fornisce una base per prevedere l'inondazione di lahar futuri (2) i pericoli del lahar distale sono limitati alle valli che si dirigono sui fianchi del vulcano (3) il volume del lahar in gran parte controlla l'estensione dell'inondazione a valle (4) i lahar voluminosi si verificano meno spesso dei lahar piccoli e (5) nessuno può prevedere la dimensione del lahar successivo per discendere un dato drenaggio.
Il programma LAHARZ GIS è un metodo automatizzato che combina analisi statistiche dei dati sull'inondazione di lahar da nove vulcani per sviluppare equazioni quantitative che prevedono l'area della sezione trasversale della valle e l'area planimetrica che sarebbe inondata da lahar con vari volumi. Il metodo GIS delinea simultaneamente le aree di inondazione per una varietà di volumi di lahar, descrivendo così le gradazioni del rischio di inondazione. Il rischio di inondazione è maggiore nei fondovalle vicino a un vulcano e diminuisce con l'aumentare dell'altitudine sopra i fondovalle e delle distanze dal vulcano. La rappresentazione automatizzata delle gradazioni di rischio è uno dei principali vantaggi di questa metodologia GIS. Il metodo richiede un DEM di sufficiente accuratezza e risoluzione combinato con una conoscenza pratica dei programmi GIS. Il programma LAHARZ è disponibile presso l'U.S. Geological Survey Cascades Volcano Observatory.

Livello 3, Metodo 2: Monitoraggio in tempo reale dei lahar
Il rilevamento in tempo reale dei lahar vicino alle loro fonti può fornire avvisi tempestivi alle persone nelle zone di inondazione delimitate, se esistono sistemi di comunicazione e piani di evacuazione adeguati. Il monitoraggio continuo e automatizzato del flusso di detriti può anche fornire informazioni utili per identificare condizioni meteorologiche specifiche che aumentano la probabilità di lahar provocati dalle precipitazioni o inondazioni da esplosione glaciale provocate dall'acqua di disgelo. Gli scienziati dell'U.S. Geological Survey hanno sviluppato un sistema economico, durevole, portatile e di rapida installazione per rilevare e monitorare continuamente l'arrivo e il passaggio di colate detritiche e inondazioni nelle valli che drenano i vulcani (LaHusen, 1996). Questo sistema automatizzato, l'Acoustic Flow Monitor (AFM), rileva e analizza le vibrazioni del terreno con un'unità compatta a energia solare installata vicino a canali specifici in cui possono viaggiare i lahar. Utilizza un sensore robusto e un microprocessore in loco per analizzare continuamente i segnali di vibrazione e rilevare flussi di detriti e inondazioni in base a frequenza, composizione, ampiezza e durata del segnale di vibrazione. Un sistema radio bidirezionale comunica tra ciascuna unità di rilevamento e una stazione base attraverso una rete radio. È in atto un sistema AFM per rilevare lahar su larga scala che potrebbero verificarsi a Mount Rainier, vedere http://ic.ucsc.edu/

syschwar/eart3/exercises/Rainier_warning_sys.html.
Ogni stazione AFM misura l'ampiezza del segnale di vibrazione del suolo ogni secondo e invia dati via radio alla stazione base a intervalli regolari, in genere 15 minuti. Se lo strumento rileva vibrazioni che superano un certo valore di soglia (regolabile per ogni singolo sito) per più di 40 secondi, l'AFM trasmette messaggi di allerta immediati. Continua a inviare dati di avviso a intervalli di 1 minuto finché il segnale rimane al di sopra del livello di soglia. Quando il segnale scende al di sotto del livello di soglia, l'AFM riprende il normale funzionamento, trasmettendo a intervalli meno frequenti. Il sistema AFM presenta vantaggi distinti rispetto ad altri sistemi di rilevamento: (1) il sensore e il microprocessore sono impostati per analizzare in modo specifico le vibrazioni di picco tipicamente prodotte da colate detritiche e inondazioni e schermano altri rumori o tremori che potrebbero influenzare i normali sismografi (2) flussi sono monitorati mentre si avvicinano e si allontanano dai singoli siti monitorati e (3) l'apparecchiatura è pronta per rilevare immediatamente i flussi successivi senza alcuna manutenzione aggiuntiva.
Tipicamente due o tre stazioni AFM sono posizionate in ogni drenaggio selezionato in modo che la velocità del lahar possa essere determinata dai tempi di arrivo tra le stazioni, questo fornisce un sistema robusto e ridondante. Potrebbero essere necessari uno o più ripetitori radio in cima alla collina per trasmettere i segnali a valle a una stazione base dove possono essere avviate le azioni appropriate. Il costo per l'installazione di un sistema di monitoraggio AFM di base è di circa $ 50.000 per drenaggio coperto.

TECNICHE DI MONITORAGGIO UTILIZZATE PER NUMEROSI SEGNI VITALI

Metodo 1. Telerilevamento via satellite

Descrizione
Il telerilevamento satellitare è utile per monitorare e misurare una varietà di fenomeni vulcanici, tra cui emissioni termiche, ceneri vulcaniche e nubi di gas e deformazioni superficiali. In genere, i satelliti che utilizzano sensori a infrarossi vengono utilizzati per rilevare e tracciare l'attività vulcanica, mentre i sensori ultravioletti e radar vengono utilizzati per misurare i gas e le superfici del suolo. Molti processi vulcanici emettono calore. I processi che emettono calore come parte di un'eruzione sono chiamati fonti attive. Gli esempi includono flussi piroclastici, flussi di lava, cupole di lava e fontane di lava. I processi che emettono calore per lunghi periodi di tempo ma che normalmente non indicano un'eruzione imminente sono definiti sorgenti passive. Gli esempi includono sorgenti termali, geyser, fumarole, fratture e laghi di crateri.
Per i fenomeni vulcanici meno esplosivi, come colate di lava e fontane di lava, il telerilevamento satellitare può aiutare nell'interpretazione dei dati sismici, soprattutto per i vulcani remoti o di difficile accesso. Il telerilevamento può determinare se un tipo di segnale sismico tipicamente osservato durante un'eruzione (tremore vulcanico) è correlato a un processo relativamente lento come il magma che sale in un condotto o un'eruzione esplosiva più pericolosa. In altri casi (es. Kīlauea, Monte Etna), il telerilevamento è stato utilizzato per rilevare cambiamenti nel carattere del flusso lavico, dal tipo alimentato da un sistema di tubi sotterranei a un flusso superficiale (Harris et al., 1997a), così come tassi di effusione lavica (Harris et al., 2000). Sebbene questo cambiamento nel carattere del flusso possa non essere evidente nei dati sismici, può segnalare una transizione nel tipo e nella posizione del pericolo di flusso di lava.
Il telerilevamento termico dei processi attivi ha in alcuni casi identificato con successo i precursori di attività vulcaniche pericolose e ha aiutato nella previsione a breve termine (giorni o settimane) di attività vulcaniche esplosive pericolose (Schneider et al., 2000 Dehn et al., 2002 Dean et al. al., 2004). Ad esempio, quando il magma si intromette in una cupola di lava, i suoi fianchi possono diventare troppo incurvati, portando al collasso. Questo genera blocchi caldi e flussi di cenere (flussi piroclastici) che possono essere rilevati nelle immagini satellitari. Un grande crollo della cupola può innescare un'eruzione esplosiva di volume maggiore poiché il magma sottostante ricco di gas viene rapidamente depressurizzato, portando a colonne di eruzione e nuvole di cenere che viaggiano per migliaia di chilometri.
Le eruzioni vulcaniche esplosive possono iniettare grandi volumi di cenere vulcanica e gas nell'atmosfera, dove vengono dispersi dai venti. La cenere vulcanica è una miscela non consolidata di frammenti di roccia, cristalli e vetro di dimensioni da sabbia a polvere, che rappresentano un grave pericolo per aerei e macchinari. Dal 1973 al 2003, sono stati documentati quasi 100 incontri di aerei con ceneri vulcaniche trasportate dall'aria, molti dei quali hanno quasi provocato la perdita dell'aereo. I costi tipici per incontro vanno da diverse decine di migliaia di dollari fino a $ 80.000.000 (Marianne Guffanti, U.S. Geological Survey, 2005, personal commun.). Le nuvole di cenere alla deriva (quelle che si sono staccate dalla bocca) non sono rilevabili dal radar di bordo di un aereo e sono difficili da vedere in condizioni di scarsa illuminazione e di notte. Il rilevamento satellitare e il tracciamento delle nuvole di cenere alla deriva, la modellazione della previsione della dispersione delle nuvole e la comunicazione tempestiva delle analisi vengono utilizzati per mitigare il rischio di cenere vulcanica. Oltre al pericolo aereo, la caduta di cenere può verificarsi a causa di una nube eruttiva. Questo può variare da un leggero spolvero a spessi depositi di cenere, anche a grandi distanze dal vulcano (Houghton et al., 2000). Anche il tracciamento satellitare e la modellazione dei pennacchi di cenere aiutano a prevedere la caduta di cenere. Le previsioni e la modellazione dei modelli tipici di caduta di cenere possono aiutare i manager a mitigare gli effetti del carico di cenere sulla salute umana e animale, sui macchinari e sulle strutture.
I gas vulcanici vengono emessi anche durante un'eruzione esplosiva, con acqua, anidride carbonica e anidride solforosa che sono i più abbondanti. Sebbene questi gas non rappresentino un pericolo acuto per gli aerei, in grandi quantità possono rappresentare un pericolo cronico per la salute, le infrastrutture e l'ambiente. Una volta che l'anidride solforosa viene emessa nell'atmosfera, si combina con l'acqua per produrre un aerosol di acido solforico (solfato). In grandi quantità, queste goccioline acide possono influenzare il clima globale riflettendo la radiazione solare in arrivo. Le goccioline di acido solforico sono molto piccole, quindi possono rimanere nell'aria per mesi o anni. Strutture o velivoli in aree che contengono aerosol di solfato potrebbero subire danni cronici, come screpolature delle finestre acriliche, corrosione dei supporti e delle guarnizioni in gomma e accumulo di depositi all'interno dei gestori dell'aria o dei motori. Questi effetti sono difficili da documentare perché possono manifestarsi lentamente per un periodo di anni. Il telerilevamento satellitare offre la capacità di rilevare e quantificare le quantità di anidride solforosa rilasciata durante un'eruzione, nonché l'aerosol di solfato risultante. Ciò include il degasaggio non esplosivo dell'anidride solforosa, che è stato monitorato con successo per anni a Kīlauea. Sebbene le misurazioni del gas da terra siano le più utili per il monitoraggio di routine, l'analisi satellitare fornisce una panoramica sinottica dell'estensione del pennacchio di gas e aiuta a visualizzare e misurare la nube di nebbia vulcanica ("vog") prodotta dalla bocca, o da l'ingresso della lava da Kīlauea nell'oceano (vedi Sutton et al., 1997).
Il monitoraggio termico di routine delle sorgenti passive utilizzando la tecnologia satellitare ha, in alcuni casi, identificato precursori di eruzione durante disordini vulcanici, quando un aumento misurabile delle emissioni termiche ha fornito prove di intrusione di magma e il successivo rilascio di gas caldi (Sparks, 2003). Tuttavia, in pratica, le sorgenti passive sono difficili da monitorare via satellite perché le loro temperature sono basse e le loro caratteristiche sono generalmente troppo piccole per essere risolte dai sensori termici disponibili, che hanno tipicamente una risoluzione spaziale di 60 m.

Metodi di monitoraggio
Il telerilevamento satellitare può monitorare frequentemente l'attività vulcanica ea costi da bassi a moderati Harris et al., 1997b). Gran parte dei dati satellitari sono disponibili online quasi in tempo reale, quindi in molti casi le spese non includono le stazioni di ricezione per i dati di downlink. Il telerilevamento satellitare e il monitoraggio sismico possono essere combinati in modo simbiotico per determinare il tipo e il potenziale pericolo di una cenere eruttata. Le immagini satellitari forniscono anche informazioni su fenomeni che non possono essere osservati in nessun altro modo, come anomalie termiche, emissioni di gas di grandi volumi e pericolose nubi di cenere vulcanica. Una varietà di dati satellitari complementari (Tabella 2) sono disponibili per fare queste osservazioni. Questi dati possono essere generalmente classificati come (1) frequenti, quasi in tempo reale, a bassa risoluzione spaziale, come i sensori AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer), Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) e Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES) o (2) immagini poco frequenti, non in tempo reale, ad alta risoluzione spaziale, come i sensori satellitari di telerilevamento terrestre (Landsat) e i sensori Advanced Spaceborne Thermal Emission Reflection Radiometer (ASTER). L'uso combinato di entrambi i tipi di dati satellitari fornisce un metodo affidabile per rilevare l'attività vulcanica e mappare le morfologie vulcaniche e i depositi di eruzione.
Alcuni sensori satellitari misurano la luce a lunghezze d'onda non visibili all'occhio umano. Le più utili per monitorare i vulcani sono le lunghezze d'onda infrarosse, appena più lunghe di quelle che gli umani possono vedere. La maggior parte delle lunghezze d'onda infrarosse vengono assorbite dall'atmosfera terrestre, ad eccezione di alcune "finestre atmosferiche" in cui l'assorbimento dei raggi infrarossi è minimo.
Una finestra atmosferica utile è l'infrarosso a onde corte (SWIR) con lunghezze d'onda comprese tra 3 e 5 micron. SWIR viene utilizzato per monitorare le caratteristiche termiche ad alta temperatura come flussi di lava o piroclastici. Più un oggetto è caldo, più energia emetterà e a lunghezze d'onda più corte. Ad esempio, un oggetto con una temperatura di 25 °C, come la superficie terrestre, ha un'emissione di picco a una lunghezza d'onda di

10 micron. Tuttavia, una caratteristica vulcanica con una temperatura di 800 ° C ha un picco di emissione a

3 micron. Molte caratteristiche vulcaniche sono di dimensioni sub-pixel, il che significa che coprono un'area inferiore a 1 km per lato per AVHRR o MODIS. La temperatura registrata dal satellite è una complessa miscela di
temperature di un componente caldo e freddo e le rispettive aree. Se sono disponibili più canali di dati a diverse lunghezze d'onda, è possibile sfruttare queste relazioni per stimare sia la temperatura che l'area di un componente vulcanico caldo (Rothery et al., 1988).
Un'altra finestra atmosferica utile è l'infrarosso termico (TIR) ​​con lunghezze d'onda comprese tra 8 e 14 micron. I dati a queste lunghezze d'onda vengono utilizzati per rilevare la cenere vulcanica e le nubi di anidride solforosa. Il metodo più comune per discriminare le nuvole di cenere vulcanica dalle nuvole meteorologiche è il metodo della "finestra divisa". Qui viene confrontata la differenza di temperatura di luminosità (BTD) tra 2 canali satellitari a lunghezze d'onda di 11 e 12 micron. Le nuvole vulcaniche semitrasparenti hanno generalmente BTD negative mentre le nuvole meteorologiche hanno generalmente BTD positive (Prata, 1989). Sebbene molti fattori influenzino la grandezza del segnale BTD, incluso (ma non limitato a) l'opacità della nuvola, la quantità, la dimensione e la distribuzione di cenere e acqua nella nuvola e il contrasto di temperatura tra la nuvola e la superficie di fondo, la quantità di cenere vulcanica può essere stimata da dati satellitari utilizzando un modello di trasferimento radiativo complesso (Wen e Rose, 1994). Un metodo simile viene utilizzato per rilevare e misurare le nubi di anidride solforosa da degassamento passivo (usando ASTER) o da eruzioni esplosive (usando MODIS) utilizzando lunghezze d'onda a 7,3 o 8,6 micron, dove c'è assorbimento dovuto al biossido di zolfo (Watson et al. ., 2004).
L'analisi e il monitoraggio dei dati satellitari in tempo reale richiedono un accesso rapido e affidabile a grandi quantità di dati satellitari. I set di dati utili includono i sensori AVHRR e GOES sui satelliti meteorologici gestiti da NOAA e MODIS sui satelliti di ricerca gestiti dalla NASA. La ricezione diretta dei segnali satellitari è il metodo di acquisizione dati più affidabile, ma anche più costoso. Una stazione di ricezione satellitare costa tra $ 50.000 e $ 150.000. Per ogni flusso di dati sono necessari un'antenna ricevente separata e l'hardware del computer associato, il che aumenta i costi da $ 25.000 a $ 50.000 per piatto. I costi di installazione variano a seconda delle esigenze infrastrutturali e delle risorse di un particolare sito e possono variare da $ 5.000 a $ 15.000. Un gestore di stazione dedicato gestisce i sistemi e archivia i dati. Gli stipendi degli scienziati del telerilevamento e degli analisti di dati sono ulteriori costi.
I dati satellitari possono anche essere acquisiti online da agenzie governative e università a un costo compreso tra $ 10.000 e $ 20.000 all'anno. Sono inoltre necessari circa $ 10.000 per software per computer specializzato, oltre ai costi delle stazioni di lavoro del computer e dei dispositivi di archiviazione di grandi dimensioni per archiviare i dati ricevuti a una velocità di molti gigabyte al giorno. È necessaria anche una rete di computer robusta e affidabile in grado di gestire questo volume di dati.
I dati non in tempo reale da satelliti come Landsat e ASTER sono ancora alternative a basso costo. I dati di Landsat e ASTER possono rivelare caratteristiche più piccole (15–90 m) rispetto ai satelliti che forniscono dati quasi in tempo reale (1 km). Pertanto, i dati Landsat e ASTER vengono utilizzati principalmente per migliorare l'interpretazione dei dati in tempo reale sopra descritti. Questo approccio presenta vantaggi rispetto ai dati quasi in tempo reale, come un costo inferiore (da $ 50 a $ 300 per copertura della scena

34.000 km2), una risoluzione spaziale più elevata e la capacità di rilevare regioni più piccole con temperatura superficiale elevata e misurare le emissioni non eruttive di gas di anidride solforosa. Inoltre, tutta l'elaborazione dei dati viene eseguita con computer desktop che utilizzano software specializzato, ma relativamente poco costoso (da $ 500 a $ 2.000).
Gli svantaggi sono la disponibilità limitata dei dati e la copertura nuvolosa. Attualmente, i dati Landsat e ASTER sono disponibili solo ogni 8-16 giorni. La copertura nuvolosa, tuttavia, è il principale svantaggio. Nelle aree coperte da nubi, la cenere vulcanica e le nubi di gas prodotte da eruzioni esplosive possono essere osservate solo quando si alzano al di sopra delle nuvole meteorologiche. Qualsiasi attività termica in superficie è parzialmente o completamente oscurata dalla presenza di nubi.
In sintesi, per creare un efficace sistema di monitoraggio dei vulcani quasi in tempo reale via satellite, l'obiettivo principale è ripetere le osservazioni con una risoluzione temporale adeguata per abbinare il processo vulcanico osservato. I precursori a lungo termine (ad es. deformazione, riscaldamento graduale) ci consentono di utilizzare i set di dati a risoluzione più elevata. I flussi di lava e le esplosioni in cui si verificano cambiamenti sulla scala dei minuti richiedono la risoluzione spaziale grossolana dei satelliti in orbita polare o geostazionari che forniscono immagini ogni ora.

TECNICHE DI MONITORAGGIO DEI VULCANI EMERGENTI

introduzione

Le tecniche di monitoraggio dei vulcani si stanno rapidamente evolvendo come conseguenza dell'innovazione tecnologica e della nostra crescente comprensione dei processi che causano le eruzioni. Questa sezione descrive tre esempi di nuovi metodi di monitoraggio remoto utilizzati per monitorare i vulcani attivi. Il primo utilizza veicoli aerei senza equipaggio (UAV) per accedere alle aree pericolose, il secondo utilizza misurazioni ripetute della distanza tra un satellite e il suolo (InSAR) e il terzo rileva onde sonore a bassa frequenza (infrasuoni) per rilevare le esplosioni.
Anche tutti i metodi di monitoraggio più tradizionali stanno cambiando. Ad esempio, la rapida espansione delle comunicazioni satellitari a ingombro ridotto e della tecnologia Internet sta guidando una rivoluzione nel modo in cui vengono monitorati i vulcani. Attualmente, vengono monitorati sismici, gas, deformazioni e persino immagini visive in vulcani remoti, alcuni situati a migliaia di chilometri dalle stazioni base, utilizzando comunicazioni satellitari e Internet. Inoltre, nuovi accelerometri a stato solido a basso costo, GPS e sistemi radio wireless locali consentono un rapido dispiegamento in elicottero di piccoli sensori con comunicazione di dati in tempo reale, anche all'interno dei crateri dei vulcani attivi.
Anche il monitoraggio dei gas vulcanici sta cambiando rapidamente e sono ora disponibili nuovi strumenti, come gli spettrometri a infrarossi a trasformata di Fourier (FTIR), in grado di misurare a distanza specie di gas, come il cloro, che in precedenza era possibile rilevare solo utilizzando un campionamento diretto più pericoloso dalle aree di sfiato questi strumenti forniscono una migliore comprensione del contenuto di gas e della potenziale esplosività dei vulcani.

Figura 11. Veicolo aereo senza pilota montato sulla catapulta di lancio pneumatico nel parcheggio dell'Osservatorio Johnson Ridge a Mount St. Helens, dove è stato lanciato e recuperato. Livello 3, Metodo 1: Veicoli aerei senza equipaggio (UAV)
Lo sviluppo di UAV autonomi ha permesso agli scienziati di esplorare anomalie inesplorate in luoghi difficili da raggiungere o pericolosi da raggiungere. Il monitoraggio del vulcano promette di beneficiare degli UAV di sviluppo. Alla fine di settembre 2004, il Monte St. Helens ha iniziato la sua prima eruzione sostenuta dal 1986 e per la prima volta gli UAV sono stati inviati nel cratere di un vulcano in eruzione (McGarry, 2005 Patterson et al., 2005).Questo esperimento ha dimostrato che un velivolo senza pilota piccolo (2,45 m di apertura alare) e relativamente economico può essere navigato con precisione a meno di un chilometro sopra una bocca vulcanica attiva e tenuto in stazione per lunghi periodi utilizzando rotte preprogrammate e volo stabilizzato dal computer. Gli UAV hanno fornito dati di immagini ottiche e infrarosse in tempo reale a una stazione base mobile a 10 km dal cratere (Figg. 11 e 12). Questi dati sono stati utilizzati per monitorare i cambiamenti visibili e termici nella cupola e nella bocca di lava attivi, come la crescita e il collasso della nuova cupola di lava e l'estensione e la crescita delle aree calde. Gli UAV offrono anche potenziali vantaggi per l'uso in aree sensibili e pericolose. I livelli di rumore sono in genere inferiori a quelli degli aerei con equipaggio ad altitudini superiori a mille piedi, i piccoli UAV utilizzati a Mount St. Helens in genere non possono essere ascoltati in sottofondo e nel rumore del vento. Poiché non è necessario alcun pilota e viene utilizzato poco carburante (ci sono molte opzioni di carburante: alcol, benzina o combustibili pesanti), i minori rischi, costi e impatti ambientali offrono vantaggi significativi rispetto ad altri metodi di monitoraggio.
Gli UAV con carico utile e capacità aeronautiche variabili stanno ora diventando disponibili o sono in fase di sviluppo per uso civile e governativo. Questi includono configurazioni sia ad ala fissa che ad ala rotante e una gamma di tipi e dimensioni di centrali elettriche, carichi utili e capacità di autonomia/durata di volo. A causa del basso costo, dell'attuale disponibilità e della capacità di lancio da località piccole e remote, i più piccoli tipi di UAV ad ala fissa e ad ala rotante offrono un notevole potenziale per il monitoraggio discreto del vulcano. La classe di UAV ad ala fissa portatile da 2,45 m utilizzata a Mount St. Helens costava circa $ 25.000 per aereo con un
pilota automatico, telemetria radio di bordo e computer di monitoraggio del volo/trasmissione dati. Questi velivoli sono in grado di trasportare un carico utile fino a 4 kg, ma i modelli più grandi possono ospitare carichi fino a 10 kg. Il volume massimo di carico utile del modello più piccolo è

10 cm di diametro × 20 cm di sezione trasversale, mentre i modelli più grandi hanno una dimensione di carico utile di

45×28×12 cm. Come in qualsiasi aereo, ci sono compromessi tra velocità, carico utile e durata. Tuttavia, sono possibili durate di 10-20 ore a 30-60 nodi di giorno o di notte e distanze fino a 1000 km con percorsi preprogrammati e tracciamento GPS autonomo, sebbene la trasmissione dei dati in tempo reale sia in genere limitata a 30 km di linea di -distanza di mira senza ripetitori radio. Poiché questi velivoli sono senza equipaggio, in determinate condizioni ad alto rischio/alto beneficio sono considerati sacrificabili. Una stazione base mobile completa con telemetria radio, controllore di volo, acquisizione/elaborazione dati e catapulta di lancio portatile (30 kg) costa circa $ 85.000. I servizi di supporto al volo come quelli sopra descritti sono disponibili in commercio.
L'uso degli UAV per il monitoraggio dei vulcani è attualmente limitato dalla disponibilità di piccoli sensori leggeri. A Mount St. Helens sono state testate solo telecamere a infrarossi ottiche e non calibrate, sebbene diversi nuovi sensori in miniatura siano in fase di sviluppo o modifica per l'uso degli UAV. Ad esempio, le ultime generazioni di spettrometri leggeri ad anidride solforosa (SO2) sono facilmente adattabili all'uso degli UAV e forniranno un metodo alternativo per il monitoraggio dei gas vulcanici. Un'altra applicazione standard è l'uso della fotografia digitale ad alta risoluzione e dell'imaging stereo per documentare, monitorare e misurare i cambiamenti, come le caratteristiche delle aree di sfiato pericolose, l'estensione dei flussi di lava e altri prodotti eruttivi. Una delle promesse offerte dal monitoraggio del vulcano basato su UAV è nel fornire osservazioni durante le cattive condizioni meteorologiche, tuttavia, questa è anche una delle maggiori sfide. Attualmente, il tracciamento GPS disponibile e il volo autonomo consentono il funzionamento degli aerei UAV con tempo nuvoloso, sebbene il funzionamento in condizioni di ghiaccio possa essere problematico. Una sfida tecnica maggiore consiste nello sviluppo di sensori in grado di vedere attraverso le nuvole. I ricercatori stanno attualmente testando un sistema radar leggero basato su UAV, che offre la promessa per le osservazioni in condizioni meteorologiche avverse.
Ad oggi, la maggior parte dello sviluppo e dei test degli UAV ha avuto luogo nello spazio aereo militare, dove il volo civile è proibito o strettamente monitorato. Una delle principali preoccupazioni per l'operazione UAV nello spazio aereo civile è fornire la separazione tra l'UAV e gli aerei commerciali e privati ​​che operano nella stessa area. Le operazioni UAV a Mount St. Helens sono state consentite in base a un certificato di autorizzazione concesso dalla FAA all'operatore UAV per il volo nella zona di limitazione temporanea del volo che circonda il vulcano.

Figura 12. Fermi immagine tratte dal video catturato da un veicolo aereo senza equipaggio della nuova cupola di lava

300 metri di lunghezza. L'immagine a sinistra mostra un'immagine migliorata, che accentua la topografia, dando così ai vulcanologi un senso della ripidità della cupola lavica. (La pendenza determina la probabilità di un collasso, che potrebbe generare pericolosi flussi piroclastici.) L'immagine a destra è un'immagine infrarossa in scala di grigi invertita, in cui le sfumature più profonde di grigio e nero rappresentano materiale più caldo.

Questa immagine mostra l'area a forma di U calda (nera) dove viene estrusa nuova lava (indicata da V). Mostra anche che i recenti depositi di cenere (A), così prominenti nel centro-sinistra dell'immagine a sinistra, sono relativamente freddi.

3 cm all'anno, probabilmente perché il magma si stava accumulando sotto la superficie. Di conseguenza, il Servizio Geologico degli Stati Uniti ha iniziato i rilevamenti GPS e di livellamento annuali a South Sister e ha installato strumenti GPS e sismici continui. Ora qualsiasi segno di un'imminente eruzione dovrebbe essere riconosciuto con largo anticipo. InSAR, tuttavia, presenta alcuni inconvenienti significativi. Nel suo attuale stato di sviluppo, InSAR non è uno strumento operativo per monitorare la maggior parte dei vulcani che mostrano disordini significativi, minacciano di eruttare o addirittura eruttano. Le attuali limitazioni nella disponibilità del satellite e nelle priorità di task creano lunghi intervalli tra le acquisizioni di immagini ripetute, che vincolano l'attuale ruolo di InSAR al supporto della caratterizzazione a lungo termine della deformazione, simile alle misurazioni in modalità di rilevamento come il livellamento o il rilevamento GPS. Un'immagine InSAR può essere acquisita solo quando un satellite è in alto, in genere in media un paio di volte al mese.
Anche gli effetti atmosferici, tra cui tempeste o celle con alte concentrazioni di vapore acqueo, possono introdurre errori nelle misurazioni InSAR. Tali condizioni non portano a incoerenza, ma introducono nei dati segnali distorti che possono essere erroneamente interpretati come deformazione. Pertanto, è importante confermare i risultati di ogni singolo interferogramma con altri dati, comprese le misurazioni della deformazione terrestre o altri interferogrammi temporalmente indipendenti.
InSAR visualizza solo gli spostamenti della superficie che si verificano nella stessa direzione della linea di vista del radar, che di solito è inclinata di 15°-45° rispetto alla verticale. Pertanto, un interferogramma contiene una combinazione di componenti di deformazione orizzontale e verticale. La conversione delle misurazioni InSAR in spostamenti orizzontali e verticali separati, simili a quelli forniti dal GPS, richiede almeno due interferogrammi che coprono lo stesso periodo di tempo e riprendono il suolo da punti diversi nello spazio. Tali condizioni sono difficili da soddisfare, quindi è meglio utilizzare InSAR in combinazione con altri metodi che monitorano in modo univoco orizzontale, verticale o entrambi i componenti della deformazione superficiale.
Sebbene InSAR possa essere più economico di altri metodi di monitoraggio per vulcani remoti, l'acquisizione e l'analisi dei dati possono essere ancora piuttosto costose. L'elaborazione dei dati richiede un software specializzato che può includere software gratuito, che viene fornito senza supporto tecnico e quindi richiede un esperto già addestrato al suo utilizzo, o software tecnicamente supportato, che può costare fino a $ 30.000 e richiede ancora un operatore con una buona esperienza lavorativa con dati radar. Le scene radar generalmente costano circa $ 100 per fotogramma di 100 km 2 , a seconda di come vengono acquisite. A partire dal 2008, solo le agenzie spaziali canadesi, europee e giapponesi gestiscono satelliti con funzionalità InSAR, quindi tutti i dati devono essere acquistati da tali organizzazioni.
Le variazioni nelle caratteristiche della superficie tra i passaggi dei satelliti causate da ghiaccio, neve e vegetazione causano l'interruzione del segnale radar in alcune aree, impedendo il ripristino di una misurazione di deformazione. Questa "incoerenza" è un problema significativo sui vulcani coperti di ghiaccio e neve o con vegetazione, come il Monte Rainier, quindi InSAR non è attualmente uno strumento di monitoraggio affidabile in tali siti. Le future missioni satellitari e le nuove tecniche di elaborazione del segnale potrebbero ridurre questo problema nel prossimo decennio.

Livello 3, Metodo 3: Monitoraggio delle esplosioni vulcaniche con gli Infrasuoni
Molti fenomeni naturali e attività umane creano onde sonore nell'atmosfera a frequenze sub-udibili, generalmente comprese tra 1 e 25 Hz. Definiti infrasuoni, sono generati da fonti come vento, onde oceaniche, industria pesante, frane, aerei, meteore ed esplosioni. Le onde infrasoniche possono percorrere lunghe distanze attraverso l'atmosfera e, poiché l'atmosfera ha una struttura relativamente semplice rispetto alla Terra eterogenea, le onde infrasoniche sono molto meno distorte dal loro viaggio attraverso l'atmosfera rispetto alle onde sismiche dal loro viaggio attraverso la Terra. Pertanto, i segnali infrasonici creati da una sorgente vulcanica come un'esplosione possono essere molto più semplici, e quindi più facili da interpretare, se ricevuti da un sensore infrasonico (come un microfono o un microbarografo) rispetto alle onde sismiche generate dalla stessa esplosione quando ricevute a un sismografo. Le esplosioni in particolare producono segnali infrasonici molto caratteristici e i sensori infrasonici installati attorno ai vulcani attivi si sono dimostrati utili nel distinguere tra esplosioni e altre sorgenti sismiche come frane, valanghe e raffiche di vento (Johnson et al., 2003).
Le esplosioni sono spesso registrate anche sulle stazioni sismiche. Ad esempio, due esplosioni avvenute a Mount St. Helens nel 2005 sono state rilevate per prime da stazioni sismiche. Tuttavia, i sismografi possono essere così sommersi dalle onde sismiche dei terremoti locali che qualsiasi scuotimento del terreno prodotto dalle esplosioni può essere completamente oscurato. Durante le prime due settimane dell'eruzione del 2004-2005 del Monte Sant'Elena, l'attività sismica è stata così intensa che le esplosioni potevano essere rilevate solo visivamente. Pertanto, un altro vantaggio chiave del monitoraggio infrasonico sui vulcani è che le esplosioni continueranno a essere visualizzate sui sensori infrasonici quando l'intensa attività sismica ha reso le stazioni sismiche del tutto inutili per il rilevamento delle esplosioni.

Cosa si può imparare
La domanda più importante a cui il monitoraggio infrasonico può rispondere in un vulcano è: "Sono attualmente in corso esplosioni?" Pertanto, i dati dei sensori infrasonici devono essere trasmessi agli osservatori in tempo reale. Avere due o più sensori infrasonici nello stesso sito migliora notevolmente la capacità di valutare se un dato segnale è infrasonico (che viaggia alla velocità del suono) o subsonico (come le raffiche di vento, che viaggiano a una frazione della velocità del suono).
Le domande secondarie includono: "Dove si trova la fonte dell'esplosione?" e possibilmente, "Qual è la dimensione dell'esplosione?" (Sebbene, in alcuni casi, non sia stata trovata alcuna correlazione diretta tra la dimensione di un segnale infrasonico di un'esplosione e la dimensione di un'esplosione [Johnson et al., 2005].) Per rispondere a queste domande secondarie, due o più serie di sono necessari array, ciascuno costituito da almeno quattro sensori infrasonici.

Monitoraggio infrasonico—Meccanica
I sensori a infrarossi rilevano minime variazioni di pressione nell'atmosfera su una scala temporale che va da millisecondi a minuti o più e a frequenze sub-udibili, generalmente inferiori a 25 Hz. Le stazioni infrasoniche possono essere costituite da singoli sensori (comunemente ubicati con un sismometro vedi Fig. 13) o array di sensori che, attraverso tecniche di analisi di array, possono fornire informazioni sulla posizione della sorgente. I segnali provenienti da queste stazioni vengono in genere telemetrati a un osservatorio vulcanico dove vengono registrati, digitalizzati, archiviati e analizzati. Per il monitoraggio dei vulcani, sono generalmente sufficienti da tre a quattro siti infrasonici per monitorare adeguatamente tutti i settori di un vulcano, ma il numero effettivo varierà a seconda delle dimensioni e delle caratteristiche del singolo vulcano. I sensori a infrarossi possono essere posizionati a distanze di 20 km o superiori da un vulcano, quindi è possibile installare tali apparecchiature vicino a un vulcano irrequieto senza esporre il personale sul campo a condizioni pericolose.
I singoli microfoni costano tra $ 1.000 e $ 10.000, a seconda della quantità di riduzione del rumore e della sensibilità desiderate. Attrezzature aggiuntive, come radio o antenne paraboliche per la trasmissione di dati, batterie e pannelli solari per alimentare il sito, costano tra i 4.000 e i 10.000 dollari in più. I costi totali di installazione vanno da $ 5.000 per un singolo microfono telemetrico a più di $ 50.000 per un array di quattro microfoni con pannelli solari, batterie, infrastrutture e telemetria satellitare associati.

Figura 13. Tipica stazione con microfono singolo a Mount St. Helens nel 2004. Questo sito è

2 km a nord-nord-est della bocca, ma non ha registrato alcun segnale infrasonico correlato all'esplosione dalle due esplosioni avvenute dopo la sua installazione. Il microfono si trova all'interno della scatola metallica.

Il tubo flessibile che si estende dalla scatola aiuta a ridurre (ma non eliminare) il rumore del vento. Foto di Seth Moran (US Geological Survey).

Per un sito telemetrato a bassa potenza con un singolo microfono a bassa sensibilità, un'installazione tipica include: una radio analogica, un involucro dell'apparecchiatura (tipicamente un

scatola di metallo di 0,3 m × 0,3 m × 1 m) con una singola batteria al piombo da 100 A–ora e una scatola dell'elettronica, un palo dell'antenna, un'antenna, un pannello solare, un microfono (confezionato in un tubo in PVC) e

7-10 m di tubo flessibile (per ridurre il rumore del vento). Per un sito con una serie di quattro microfoni di alta qualità, un'installazione tipica include un modem radio o satellitare per trasmettere dati, un involucro dell'apparecchiatura un po' più grande del sito con un singolo microfono, con fino a dieci batterie da 100 A-ora, e un'infrastruttura sufficiente per montare diversi pannelli solari e un'antenna radio.
Un osservatorio a cui vengono inviati i dati telemetrici ha bisogno di un proprio ricevitore e di un'attrezzatura per elaborare e memorizzare i segnali. I costi dell'attrezzatura sono all'incirca gli stessi di un sito di sensori a infrarossi, meno il costo del sensore. Se il sito del sensore infrasonico e l'osservatorio non sono line-of-site, saranno necessarie ulteriori stazioni ripetitrici.
L'obiettivo principale è il rilevamento di esplosioni in tempo reale. Analisti esperti possono esaminare i segnali in arrivo oi computer possono inviare messaggi di allarme automatici al personale di guardia quando viene rilevata un'esplosione. Tuttavia, i segnali infrasonici provenienti da singoli microfoni possono essere confusi con il rumore del vento o altre fonti non vulcaniche. Il rumore del vento (se non satura i singoli sensori) può essere facilmente distinto dai veri segnali infrasonici osservando la differenza nei tempi di arrivo di un dato segnale a due o più sensori infrasonici in un array. Poiché le raffiche di vento si muovono alla velocità dell'aria, le differenze di tempo saranno molto maggiori per le raffiche di vento rispetto ai segnali infrasonici (che si muovono alla velocità del suono). I dati provenienti da array di quattro o più sensori in un array possono essere elaborati quasi in tempo reale per identificare fasi coerenti che attraversano l'array da un dato azimut non rilevabile a occhio nudo. Per localizzare le esplosioni, sono necessari almeno due siti di array. Poiché i vulcani sono generalmente ambienti ventosi, più siti infrasonici in diversi punti intorno al vulcano aumentano le possibilità che un sito registri un'esplosione senza rumore del vento.
Il monitoraggio infrasonico non è necessario nei vulcani inattivi. Tuttavia, dovrebbe essere mantenuta una cache di sensori e apparecchiature per le stazioni infrasoniche per facilitare il rapido dispiegamento quando un vulcano si risveglia. Le installazioni tipiche sul campo richiedono da una a tre persone, mentre la manutenzione periodica delle stazioni sul campo richiede una o due persone. Il monitoraggio viene eseguito al meglio in un osservatorio in cui i dati dei sensori infrasonici possono essere visualizzati contemporaneamente ai dati dei sismografi, delle telecamere remote, degli strumenti GPS e di altre apparecchiature di monitoraggio. Le posizioni migliori per la maggior parte dei siti di monitoraggio infrasonico sono fuori strada, quindi è necessario l'accesso in elicottero almeno ogni pochi anni per sostituire le batterie pesanti. Per i siti ad alta quota sono spesso necessarie visite di manutenzione più frequenti.
Gli infrasuoni hanno alcuni inconvenienti. Il rumore del vento può oscurare completamente i segnali infrasonici delle esplosioni, quindi la selezione del sito è fondamentale per mitigare il rumore del vento. Per ragioni non ancora spiegate, non tutte le esplosioni producono infrasuoni (Johnson et al., 2005). Infine, poiché gli infrasuoni sono prodotti dalle esplosioni, sono utili solo come rilevatori di esplosioni. Il metodo non può quindi aiutare a prevedere future esplosioni o altri eventi vulcanici.

PROGETTAZIONE DI STUDIO

L'US Geological Survey ha la responsabilità primaria del monitoraggio dei vulcani negli Stati Uniti, come previsto dallo Stafford Act. Questo mandato e la vasta esperienza nel monitoraggio dei vulcani rendono l'USGS l'agenzia principale per lo sviluppo di progetti di studio. Un monitoraggio efficace dei vulcani richiede competenze e strumentazioni scientifiche specializzate e una raccolta e analisi di dati tempestivi in ​​modo appropriato. Il livello di minaccia di un vulcano determina il grado di monitoraggio necessario per proteggere vite, proprietà e infrastrutture dall'attività vulcanica.
I gestori del territorio e le autorità civili responsabili della sicurezza pubblica dovrebbero collaborare con l'USGS per mirare al monitoraggio dei vulcani, fornire l'accesso necessario ai vulcani e ai loro dintorni e facilitare il posizionamento delle apparecchiature di monitoraggio. Il monitoraggio, combinato con studi sui pericoli di un vulcano e sulla storia eruttiva, può ridurre il rischio avvertendo dell'attività imminente e della sua potenziale natura e portata. I gestori del territorio dovrebbero pianificare risposte adeguate alla futura attività vulcanica, in modo da poter intraprendere azioni tempestive per proteggere la vita e le proprietà quando l'attività è imminente.

Mount Rainier, Washington

Gli studi geologici a Mount Rainier, Washington, illustrano molti metodi di monitoraggio dei vulcani. Il vulcano è costituito quasi interamente da colate laviche di andesite e dacite, con depositi di colata piroclastica sussidiaria, tefra molto sparse e un solo duomo lavico noto (Sisson et al., 2001). Le sue colate laviche si estendono fino a 20 km dalla vetta e hanno volumi individuali fino a 9 km3. La maggior parte delle sue colate laviche sono molto più piccole, si estendono per 5-10 km dalla sommità, con volumi individuali da pochi centesimi a pochi decimi di km 3 . Sebbene questi flussi di lava fossero troppo piccoli per raggiungere aree ora densamente popolate, si trovano all'interno di una regione di vasti ghiacciai. Simili future eruzioni di lave mobili porteranno allo scioglimento dei ghiacciai, con conseguenti inondazioni a valle e colate detritiche in grado di raggiungere aree densamente popolate.
Quando i flussi piroclastici caldi eruttarono dal vulcano, questi flussi attraversavano comunemente i ghiacciai, dove perlustravano, trascinavano e scioglievano il ghiaccio, trasformando i flussi piroclastici direttamente in lahar mobili.Questo processo è veloce e può essere dato poco avviso per le colate detritiche create da flussi piroclastici improvvisamente eruttati, sebbene le valutazioni dei pericoli possano indicare probabili aree di inondazione. I pericoli potenzialmente associati a questo tipo di eruzione
sono illustrati dall'eruzione del 1985 del Nevado del Ruíz (Colombia), in cui un'eruzione relativamente piccola sciolse ghiaccio e neve nell'area sommitale, generando lahar che scorrevano per decine di chilometri lungo le valli laterali, uccidendo più di 22.000 persone, il quarto singolo più grande della storia - numero di morti per eruzione. Inoltre, porzioni del monte Rainier superiore sono state trasformate in rocce relativamente deboli e ricche di argilla attraverso l'azione delle acque calde acide circolanti (un processo noto come alterazione idrotermale) (Fiske, et al., 1963 Crowley e Zimbelman, 1997 Finn et al. al., 2001). In passato, vaste aree di rocce alterate sono crollate, producendo lahar voluminosi e altamente mobili. Uno di questi crolli 5600 anni fa rimosse la sommità, il nucleo e il pendio nord-est del vulcano, creando l'Osceola Mudflow che ora è alla base di gran parte delle pianure meridionali del Puget Sound a sud di Seattle e ad est di Tacoma (Crandell e Waldron, 1956 Vallance e Scott, 1997) . Un altro crollo di roccia alterata 500 anni fa, chiamato Electron Mudflow, seppellì improvvisamente l'area ora occupata dalla città di Orting, Washington, (popolazione 4.000) con fango, massi e legname abbattuto da diversi metri a diverse decine di metri di spessore ( Crandell, 1971 Scott et al., 1995). Nessun edificio convenzionale può resistere a un tale lahar. Negli ultimi 10.000 anni, il Monte Rainier ha prodotto almeno 60 lahar di varie dimensioni, inclusi i suddetti grandi eventi con depositi che si estendono nella pianura del Puget Sound. Attualmente,

150.000 persone vivono in aree che sono state spazzate dai lahar del Monte Rainier o da inondazioni associate indotte da sedimenti laharici (Sisson et al., 2001).
La valutazione dei pericoli del Monte Rainier è una priorità a causa del potenziale di grandi perdite di vite umane e proprietà dovute a future eruzioni e colate detritiche. La mappatura geologica e le misurazioni dell'età mostrano che il vulcano moderno ha iniziato a crescere

500.000 anni fa in cima ai resti profondamente erosi di uno precedente (Sisson et al., 2001). La costruzione del vulcano è avvenuta durante quattro o forse cinque fasi alternate di crescita rapida e modesta. Fasi di crescita rapida ben definite si sono estese da 500.000 a 420.000 anni fa e da 280.000 a 180.000 anni fa. Questi episodi di rapida crescita hanno visto l'assemblaggio di un alto edificio e l'eruzione di quasi tutte le colate laviche di grande volume che hanno viaggiato lontano. Le fasi di crescita rapida sono state anche episodi di alterazione idrotermale diffusa. Durante le fasi di crescita modesta, l'alto edificio è stato ampiamente eroso e potrebbe essere stato ridotto in elevazione. La produzione vulcanica è stata per lo più modesta da 180.000 anni fa, ma il tasso di eruzione è aumentato notevolmente 40.000 anni fa, costruendo gran parte dell'attuale monte Rainier superiore. Questo aumento del tasso di eruzione potrebbe segnare l'inizio di una quinta fase di rapida crescita, oppure potrebbe essere una fluttuazione all'interno dell'intervallo tipico delle fasi di crescita modeste.
I depositi di tefra dell'Olocene del Monte Rainier conservano ulteriori prove prontamente quantificate di eruzioni episodiche. Undici eruzioni negli ultimi 10.000 anni hanno proiettato cenere, pomice, scorie e rocce più dense nell'aria abbastanza in alto da depositare distinti strati di tefra che possono essere riconosciuti in un'ampia area (Mullineaux, 1974). Oltre a questi, ci sono altri 15-25 strati di cenere sottili ea grana fine limitati vicino al vulcano. Queste ceneri a grana fine sono il prodotto di eruzioni debolmente esplosive, come piccole esplosioni durante il rilascio di colate laviche o ceneri a grana fine che si sollevano da piccoli flussi piroclastici. Il numero esatto di queste ceneri sottili è difficile da determinare perché sono simili tra loro nell'aspetto e perché si erodono facilmente, quindi mancano vari strati in una località o nell'altra. Le eruzioni che hanno creato queste ceneri a grana fine sono state raggruppate nel tempo. Ad esempio, ci sono cinque sottogruppi riconoscibili di ceneri sottili depositate durante il periodo

2700-2200 anni B.P., seguita da vicino da una considerevole eruzione di pomice 2200 anni B.P. (J. Vallance e T. Sisson, risultati non pubblicati). Ogni sottogruppo è costituito da uno a forse fino a cinque strati di cenere simili nella composizione chimica. Ciascun sottogruppo rappresenta probabilmente i depositi di una fase eruttiva costituita da più eventi esplosivi. Lahar multipli, un flusso piroclastico noto e due gruppi di flussi di lava sono correlati ai depositi di cenere a grana fine. Durante questo periodo di 500 anni, si sono verificate fasi eruttive significative ogni 100 anni, in media, e ogni fase consisteva in più eventi esplosivi. Questo periodo altamente attivo è stato preceduto da un arco di quasi 2000 anni senza depositi eruttivi noti. Prima di questa apparente campata dormiente, il vulcano si trovava in un altro periodo di frequenti eruzioni che iniziarono poco prima del crollo dell'edificio principale 5600 anni fa che creò l'Osceola Mudflo ow. Quel periodo eruttivo non è stato studiato in dettaglio, ma includeva l'eruzione di pomice e cenere in concomitanza con l'evento di crollo dell'edificio Osceola, nonché a

4700 e 4500 anni fa (Mullineaux, 1974). Un altro periodo di eruzioni frequenti è stato tra circa 7600-6600 anni fa, preceduto da un periodo di dormienza, o solo da piccole eruzioni di durata prossima a 2000 anni (Sisson et al., 2001).
I periodi eruttivi 5600-4500 e 2700-2200 anni fa furono dominati da effusioni di lava che riempirono quasi completamente il cratere lasciato dal crollo dell'Osceola. Le eruzioni successive hanno avuto luogo 1600 e 1100 anni fa, anche se l'ultima era molto piccola. L'eruzione di 1600 anni fa è dedotta principalmente da depositi di lahar, e l'eruzione di 1100 anni fa era probabilmente di un flusso piroclastico che si trasformò in un lahar (Hoblitt et al., 1998), sebbene non sia conservato alcun deposito di flusso piroclastico primario. Il grande crollo del fianco 500 anni fa che ha prodotto l'Electron Mudflow non ha eruzioni associate note.
Sulla base della documentazione storica, nel ventesimo secolo sul Monte Rainier si sono verificate almeno tre dozzine di inondazioni da esplosione glaciale. Le inondazioni da esplosione glaciale non sono correlate all'attività vulcanica sul Monte Rainier. Le inondazioni da esplosione glaciale derivano dall'improvviso rilascio di acqua dai ghiacciai e si formano principalmente durante la stagione calda o le forti piogge alla fine dell'estate o all'inizio dell'autunno, quando il manto nevoso è stato ridotto dallo scioglimento estivo (Walder e Driedger, 1994b). In assenza di copertura nevosa, l'acqua di disgelo o le precipitazioni si spostano rapidamente sopra e attraverso i ghiacciai. L'acqua esplode o si solleva dal capolinea glaciale, trascinando sedimenti sciolti dalle pareti e dagli argini del canale e quindi può trasformarsi in un lahar mentre l'ondata si sposta a valle. Queste inondazioni rappresentano un serio pericolo per le strutture lungo le valli dei torrenti vicino al vulcano. Ponti, strade e strutture per i visitatori sono stati distrutti o danneggiati il

10 occasioni dal 1926.
Il tempo necessario per eseguire la mappatura geologica per comprendere il comportamento eruttivo passato di un vulcano o di un sistema vulcanico dipende dai dettagli necessari per comprendere il sistema e dalle dimensioni e dai problemi logistici di una particolare area. In un'area relativamente pianeggiante con molte strade che la attraversano, la mappatura di 150 km 2 potrebbe essere eseguita in poche settimane. Il tempo impiegato dall'ufficio per compilare la mappa in un sistema informativo geografico (GIS), preparare le rocce per l'analisi chimica ed eseguire la datazione dell'età richiederebbe altre settimane. Questi tempi di lavoro effettivi sono distribuiti su un paio di anni, perché il processo di mappatura geologica è iterativo tra lavoro sul campo, ufficio e laboratorio e la mappatura viene spesso eseguita su molti quadrangoli che compongono l'area di interesse. Il tempo nominale per la mappatura geologica può essere esteso di molte volte all'aumentare della complessità della geologia o quando l'accesso diventa difficile a causa di un minor numero di strade, terreno ripido o vincoli di natura selvaggia. Il monte Rainier, ad esempio, richiede competenze tecniche alpinistiche per lavorare in sicurezza. In alcune aree, l'uso dell'elicottero può mitigare i problemi di accesso, ma ciò non è sempre possibile in tutte le aree protette. La mappatura geologica richiede la raccolta di campioni di roccia per l'analisi chimica e lo studio petrografico. Durante le eruzioni, la mappatura dei flussi di lava e dell'estrusione della cupola può essere effettuata mediante fotografie aeree e/o immagini LIDAR con i risultati inseriti in un GIS, ma i risultati possono richiedere alcune settimane. Brevi flussi di lava attivi possono essere mappati camminando al contatto con un'unità GPS e le coordinate inserite in un GIS. I flussi di lava attivi più lunghi possono essere mappati con un'unità GPS in un elicottero, ed entrambi i metodi si sono dimostrati molto efficaci per l'eruzione in corso nel Parco Nazionale dei Vulcani delle Hawaii.

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1. Introduzione

La stimolazione a bassa frequenza, tra cui elettricità, suono, campo magnetico, luce e laser, è ampiamente utilizzata in diverse aree della medicina [1]. L'attività EEG può essere influenzata da diverse modalità di stimolazione, non solo elettrostimolazione [2], suono e luce (visiva) [3], ma anche stimolazione magnetica [4]. La luce stroboscopica rossa può causare un rapido e potente accumulo di ritmi alfa nella corteccia occipitale [5]. La stimolazione con fotostimolazione a frequenza variabile creata da diodi a emissione di luce rossa (LED) ha causato l'elevata influenza dei ritmi alfa dei soggetti dalla diversa frequenza di stimolazione [6]. Per quanto riguarda il laser, c'erano solo pochi rapporti sulle modifiche dell'EEG alla stimolazione laser. Lischer et al. hanno scoperto che la velocità del flusso sanguigno cerebrale e le ampiezze delle oscillazioni cerebrali a 40 Hz del cervello possono essere migliorate stimolando gli occhi con la luce rossa o gli agopunti con il laser e l'agopuntura con ago [7]. Tuttavia, non sono state segnalate modifiche EEG alla stimolazione somatica con laser a basso livello (LLL).

LLL è stato applicato alla medicina clinica per molto tempo. La biostimolazione LLL è stata proposta per la prima volta nel 1969 da uno scienziato ungherese, il professor Mester, e poi la terapia LLL è diventata popolare in tutto il mondo dopo il 1970 [8]. C'erano molte applicazioni cliniche con la terapia LLL, ad esempio per migliorare la cura postoperatoria negli interventi sui nervi periferici [9] e per aumentare la resistenza alla trazione della ferita [10]. LLL è stato anche usato per alleviare una varietà di dolori cronici [11�].

L'uso combinato dell'EEG e dell'immagine di risonanza magnetica funzionale (fMRI) è stato proposto come uno strumento efficace per studiare le dinamiche cerebrali con alta risoluzione sia temporale che spaziale [14]. Nell'analisi spaziale della risonanza magnetica cerebrale, l'attività cerebrale influenzata dalla stimolazione del punto terapeutico Yongquan (KI1) sul dorso del piede dei soggetti è stata convalidata nel nostro precedente studio [15]. Lo scopo del presente studio era di indagare le attività EEG influenzate dalla stimolazione dello stimolatore laser array nel vicino infrarosso (LAS) operato a 10 Hz in analisi temporale (EEG). Il LAS è stato applicato per stimolare il palmo e quindi è stata analizzata la variazione delle attività EEG prima, durante e dopo l'irradiazione laser.


Sfondo

Terapia a infrarossi a basso livello

La terapia a infrarossi a basso livello, o terapia a energia infrarossa monocromatica (MIRE), è un tipo di laser a bassa energia che utilizza la luce nello spettro infrarosso. La terapia MIRE prevede l'uso di dispositivi che forniscono energia luminosa non visibile a lunghezza d'onda singola dall'estremità rossa dello spettro luminoso tramite cuscinetti flessibili applicati sulla pelle. Ogni pad contiene 60 diodi a emissione di infrarossi. Si pensa che la terapia MIRE stimoli il rilascio di ossido nitrico dall'emoglobina del sangue, che dilata i vasi sanguigni, riducendo così il gonfiore e aumentando la circolazione. MIRE è stato proposto per il trattamento di condizioni quali neuropatia periferica, gestione del dolore e guarigione delle ferite. Un esempio di un dispositivo MIRE include, ma non può essere limitato a, il sistema di terapia Anodyne.

L'Anodyne Therapy System è un tipo di terapia a infrarossi a basso livello, sviluppata da Integrated Systems Physiology Inc. (Aurora, CO), che è stata promossa per aumentare la guarigione delle ferite, per invertire i sintomi della neuropatia periferica nelle persone con diabete e per trattamento del linfedema. Il produttore afferma che l'Anodyne Therapy System aumenta la circolazione e riduce il dolore aumentando il rilascio di ossido nitrico.

Diverse meta-analisi hanno esaminato le prove a sostegno dell'uso di laser a basso livello (freddo), inclusi laser a infrarossi a basso livello, per il trattamento di ferite croniche che non guariscono. Queste meta-analisi sono unanimi nel concludere che non vi sono prove sufficienti per supportare il laser a basso livello nel trattamento delle ulcere venose croniche o di altre ferite croniche che non guariscono.

Non ci sono prove che la terapia della luce infrarossa sia più efficace di altre modalità di calore nel sollievo sintomatico del dolore muscoloscheletrico.Glasgow (2001) ha riportato i risultati di uno studio clinico controllato randomizzato di terapia a infrarossi a basso livello in 24 soggetti con indolenzimento muscolare indotto sperimentalmente e non ha riscontrato differenze significative tra il trattamento e i gruppi placebo.

Non ci sono studi pubblicati sull'efficacia della terapia a infrarossi di basso livello per il trattamento della neuropatia periferica diabetica. Le serie di casi presentate dal produttore del sistema Anodyne sul suo sito Web non sono state pubblicate in una rivista medica sottoposta a revisione paritaria.

Infine, non ci sono prove nella letteratura medica pubblicata peer-reviewed sull'efficacia della terapia a infrarossi per il trattamento del linfedema. Il Canadian Coordinating Office of Health Technology Assessment (2002) ha scoperto che "[l]e sono poche prove di studi clinici controllati di alta qualità per queste terapie".

In uno studio randomizzato, controllato con placebo, Leonard et al (2004) hanno esaminato se i trattamenti con l'Anodyne Therapy System (ATS) potessero ridurre il dolore e/o migliorare la sensazione diminuita a causa della neuropatia diabetica periferica (DPN). I test hanno coinvolto l'uso del monofilamento di Semmes Weinstein (SWM) 5.07 e 6.65 e di uno strumento di screening della neuropatia del Michigan modificato (MNSI). Sono stati studiati 27 pazienti, di cui 9 insensibili all'SWM 6.65 e 18 sensibili a questo filamento ma insensibili all'SWM 5.07. Ciascun arto inferiore è stato trattato per 2 settimane con sham o ATS attivo, quindi entrambi hanno ricevuto trattamenti attivi per altre 2 settimane. Il gruppo di 18 pazienti che potevano percepire l'SWM 6,65 ma erano insensibili all'SWM 5,07 al basale ha ottenuto una diminuzione significativa del numero di siti insensibili dopo 6 e 12 trattamenti attivi (p < 0,02 e 0,001). I trattamenti fittizi non hanno migliorato la sensibilità all'SWM, ma i successivi trattamenti attivi lo hanno fatto (p < 0.002). Le misure MNSI dei sintomi neuropatici sono diminuite significativamente (da 4,7 a 3,1 p < 0,001). Il dolore riportato sulla scala analogica visiva a 10 punti (VAS) è diminuito progressivamente da 4,2 all'ingresso a 3,2 dopo 6 trattamenti e a 2,3 dopo 12 trattamenti (entrambi p < 0,03). All'ingresso, il 90% dei soggetti ha riportato una sostanziale compromissione dell'equilibrio dopo il trattamento, che è scesa al 17%. Tuttavia, nel gruppo di 9 pazienti con maggiore compromissione sensoriale misurata dall'insensibilità all'SWM di 6,65 al basale, i miglioramenti nella sensazione, i sintomi neuropatici e la riduzione del dolore non erano significativi. Gli autori hanno concluso che i trattamenti ATS hanno migliorato la sensazione nei piedi dei soggetti con DPN, migliorato l'equilibrio e ridotto il dolore.

Ci sono alcuni inconvenienti in questo studio. Includono le piccole dimensioni dello studio e il fatto che ha coinvolto un singolo gruppo di ricercatori, sostenendo la necessità di replicare questo studio. Non ci sono inoltre informazioni sul fatto che i miglioramenti siano durati. Inoltre, sebbene i risultati siano incoraggianti, test sensoriali quantitativi più discreti sarebbero utili per determinare l'esatto grado di miglioramento sensoriale sperimentato dopo la somministrazione di trattamenti ATS.

Bhardwaj et al (2005) hanno affermato che una comprensione in evoluzione delle interazioni laser-tessuto che coinvolgono le porfirine prodotte dal Propionibacterium acnes e lo sviluppo di laser a infrarossi non ablativi per colpire le ghiandole sebacee, ha portato allo sviluppo di un numero crescente di laser, luce e dispositivi a radiofrequenza per l'acne. Usati come monoterapia o in combinazione, questi dispositivi si stanno dimostrando promettenti come metodo per eliminare l'acne in modo conveniente e non invasivo, sebbene rimanga una chiara necessità di dati a lungo termine e studi randomizzati in cieco.

Chow e Barnsley (2005) hanno esaminato l'efficacia della terapia laser a basso livello (LLLT) nel trattamento del dolore al collo attraverso la revisione sistematica della letteratura. Una ricerca di database bibliografici computerizzati che coprono medicina, fisioterapia, salute alleata, medicina complementare e scienze biologiche è stata intrapresa dalla data di inizio fino a febbraio 2004 per studi randomizzati controllati (RCT) di LLLT per il dolore al collo. È stato applicato un elenco completo di termini di ricerca e sono stati sviluppati criteri di inclusione espliciti a priori. Sono stati identificati un totale di 20 studi, 5 dei quali hanno soddisfatto i criteri di inclusione. Effetti positivi significativi sono stati riportati in 4 di 5 studi in cui sono state utilizzate lunghezze d'onda infrarosse (lambda = 780, 810 a 830, 904, 1.064 nm). L'eterogeneità nelle misure di esito, nella segnalazione dei risultati, nelle dosi e nei parametri laser ha precluso una meta-analisi formale. Le dimensioni degli effetti possono essere calcolate solo per 2 degli studi. Gli autori hanno concluso che questa revisione fornisce prove limitate da 1 RCT per l'uso del laser a infrarossi per il trattamento del dolore al collo acuto (n = 71) e del dolore al collo cronico da 4 RCT (n = 202). Hanno notato che sono necessari studi più ampi per confermare i risultati positivi e determinare i parametri laser, i siti e le modalità di applicazione più efficaci.

  1. gruppo A -- [le prime 3 ore trascorse 3 volte a settimana per 3 settimane in una stanza riscaldata con stufa in maiolica ("Periodo della stufa") e dopo 2 settimane senza trattamento questo gruppo è stato osservato per altre 3 settimane ("periodo di controllo")] e
  2. gruppo B (assegnato prima al periodo di controllo e al periodo della stufa successivo al periodo senza trattamento).

Le valutazioni includevano il VAS per il dolore generale, il dolore alle mani e la funzione globale della mano, la forza di presa, il Moberg Picking-up Test (MPUT), l'Australian/Canadian Osteoarthritis Hand Index (AUSCAN) e il Medical Outcomes Study (MOS) Indagine breve sullo stato di salute di 36 voci (SF-36). Un totale di 14 pazienti (31%) ha migliorato la VAS per il dolore generale alla fine del periodo della stufa in maiolica rispetto a 10 pazienti (22%) durante il periodo di controllo (p = 0,314, test chi2). Il dominio del dolore AUSCAN ha mostrato un miglioramento significativo dopo il periodo della stufa in maiolica (p = 0,034). Altri parametri del dolore analizzati (VAS per dolore alle mani e dolore corporeo SF-36) hanno mostrato un miglioramento moderato ma non significativo (p = 0,682 e p = 0,237, rispettivamente) rispetto al periodo di controllo. Gli autori hanno concluso che questo studio non ha dimostrato effetti positivi dell'esposizione alla stufa in maiolica, sebbene il miglioramento numerico in tutte le misure del dolore suggerisca alcuni possibili effetti positivi su questo sintomo di OA della mano.

Lampl e colleghi (2007) hanno valutato la sicurezza e l'efficacia del sistema laser NeuroThera per migliorare i risultati a 90 giorni nei pazienti con ictus ischemico trattati entro 24 ore dall'insorgenza dell'ictus. L'approccio terapeutico del sistema laser NeuroThera prevede l'uso della tecnologia laser a infrarossi e ha mostrato effetti benefici in modelli animali di ictus ischemico. Un totale di 120 pazienti con ictus ischemico è stato randomizzato in un rapporto 2:1 (n = 79 pazienti nel gruppo di trattamento attivo e n = 41 nel gruppo di controllo con placebo). Sono stati inclusi solo i pazienti con gravità dell'ictus al basale misurata dai punteggi della National Institutes of Health Stroke Scale (NIHSS) da 7 a 22. Sono stati esclusi i pazienti che hanno ricevuto l'attivatore tissutale del plasminogeno. Le misure di esito erano i punteggi dei pazienti sulla NIHSS, sulla scala Rankin modificata (mRS), sull'indice di Barthel e sulla Glasgow Outcome Scale a 90 giorni dopo il trattamento. L'outcome primario era il successo del trattamento, documentato dal NIHSS. Questo è stato definito come un recupero completo al giorno 90 (NIHSS da 0 a 1) o una diminuzione del punteggio NIHSS di almeno 9 punti (giorno 90 rispetto al basale) ed è stato testato come misura binaria (bNIH). Le misure di outcome secondarie includevano mRS, Barthel Index e Glasgow Outcome Scale. Le analisi statistiche primarie sono state eseguite con il test dei ranghi di Cochran-Mantel-Haenszel, stratificato per punteggio NIHSS al basale o per tempo al trattamento per bNIH e mRS. Sono state condotte analisi di regressione logistica per confermare i risultati. Il tempo medio al trattamento è stato maggiore di 16 ore (tempo mediano al trattamento 18 ore per l'attivo e 17 ore per il controllo). Il tempo per il trattamento variava da 2 a 24 ore. Più pazienti (70%) nel gruppo di trattamento attivo hanno avuto esiti positivi rispetto ai controlli (51%), come misurato prospetticamente sul bNIH (p = 0,035 stratificato per gravità e tempo al trattamento p = 0,048 stratificato solo per gravità). Allo stesso modo, più pazienti (59%) hanno avuto esiti positivi rispetto ai controlli (44%) misurati a 90 giorni come punteggio mRS binario da 0 a 2 (p = 0,034 stratificato per gravità e tempo al trattamento p = 0,043 stratificato solo per gravità ). Inoltre, un numero maggiore di pazienti nel gruppo di trattamento attivo ha avuto esiti positivi rispetto ai controlli, come misurato dalla variazione del punteggio medio NIHSS dal basale a 90 giorni (p = 0,021 stratificato per tempo al trattamento) e dal punteggio mRS completo ("spostamento di Rankin") (p = 0,020 stratificato per gravità e tempo al trattamento p = 0,026 stratificato solo per gravità). L'odds ratio di prevalenza per bNIH era 1,40 (intervallo di confidenza 95% [CI]: 1,01-1,93) e per mRS binario era 1,38 (IC 95%: 1,03-1,83), controllando per la gravità al basale. Risultati simili sono stati ottenuti per il Barthel Index e la Glasgow Outcome Scale. I tassi di mortalità e gli eventi avversi gravi (SAE) non differivano in modo significativo (8,9 % e 25,3 % per l'attivo 9,8 % e 36,6 % per il controllo, rispettivamente, per mortalità e SAE). Gli autori hanno concluso che lo studio NEST-1 ha indicato che la terapia laser a infrarossi ha mostrato sicurezza ed efficacia iniziali per il trattamento dell'ictus ischemico nell'uomo quando iniziata entro 24 ore dall'insorgenza dell'ictus. Hanno affermato che è giustificato uno studio di conferma più ampio per dimostrare la sicurezza e l'efficacia.

Un memorandum di decisione dei Centers for Medicare and Medicaid Services (2006) ha concluso che "vi sono prove sufficienti per concludere che l'uso di dispositivi a infrarossi non è ragionevole e necessario per il trattamento dei beneficiari di Medicare per la neuropatia sensoriale periferica diabetica e non diabetica, ferite e ulcere e condizioni correlate simili, inclusi sintomi come il dolore derivante da queste condizioni”.

Sessanta pazienti (120 arti) hanno completato lo studio. Le unità Anodyne sono state utilizzate a casa ogni giorno per 40 minuti per 90 giorni. Velocità di conduzione nervosa, VPT, monofilamenti di Semmes-Weinstein (SWM) (monofilamenti da 4, 10, 26 e 60 g), il Michigan Neuropathy Screening Instrument (MNSI), una scala del dolore analogica visiva di 10 cm e un strumento QOL specifico per neuropatia sono stati misurati. È stato impiegato un disegno ANOVA multiplo a misure ripetute annidate. Due siti (alluce e quinto metatarso) sono stati testati su entrambi i piedi sinistro e destro di ciascun paziente, quindi due piedi sono stati annidati all'interno di ciascun paziente e due siti sono stati annidati all'interno di ciascun piede. Per analizzare i punteggi SWM ordinali, è stata utilizzata un'analisi fattoriale non parametrica per i dati longitudinali. Non ci sono state differenze significative nelle misure per QOL, MNSI, VPT, SWM o velocità di conduzione nervosa nei gruppi di trattamento attivo o fittizio (p > 0,05). Gli autori hanno concluso che la terapia con Anodyne MIRE non era più efficace della terapia simulata nel trattamento della neuropatia sensoriale nei soggetti con diabete.

In uno studio clinico controllato, in doppio cieco, randomizzato, Franzen-Korzendorfer et al (2008) hanno esaminato l'effetto dell'energia infrarossa monocromatica sulle misurazioni transcutanee dell'ossigeno e sulla sensazione protettiva nei pazienti con diabete e perdita di sensibilità protettiva. Un totale di 18 adulti (12 uomini, 6 donne età media di 65 +/- 13 anni, intervallo da 39 a 86 anni) con diabete e perdita di sensibilità protettiva sono stati reclutati utilizzando metodi di campionamento di convenienza. Tutti i pazienti servivano da controllo. I test pre e post trattamento hanno valutato la sensazione, il dolore e le misurazioni dell'ossigeno transcutaneo su 2 siti/piede. I soggetti sono stati sottoposti a una serie di trattamenti energetici a infrarossi monocromatici della durata di 30 minuti (1 trattamento attivo per i piedi, 1 finta per i piedi). L'energia infrarossa monocromatica è stata erogata al livello di energia preimpostato dal produttore di 1,5 J/cm(2)/min a una lunghezza d'onda di 890 nm. Le unità fittizie non hanno erogato energia. I punteggi sono stati analizzati utilizzando t-test appaiati e il coefficiente di correlazione di Pearson. Non sono state osservate differenze significative tra i trattamenti attivi e quelli fittizi per i valori di ossigeno transcutaneo, il dolore o la sensazione. Sia i piedi trattati con energia a infrarossi monocromatici attivi che quelli fittizi avevano una sensazione significativamente migliorata rispetto ai punteggi di base pre-test (p & lt 0,05). Non è stata trovata alcuna relazione statistica tra ossigeno transcutaneo e sensazione. Gli autori hanno concluso che questi risultati non hanno dimostrato alcun effetto del trattamento energetico a infrarossi monocromatico sulle misurazioni dell'ossigeno transcutaneo, sul dolore o sulla sensazione negli adulti con diabete e perdita di sensibilità protettiva.

Ko e Berbrayer (2002) hanno determinato l'efficacia dei guanti impregnati di ceramica nel trattamento della sindrome di Raynaud. Un totale di 93 pazienti ha soddisfatto i criteri "Pal" per la sindrome di Raynaud. È stato adottato un periodo di trattamento di 3 mesi con l'uso di guanti impregnati di ceramica. Gli endpoint primari includevano le valutazioni VAS del dolore e le disabilità del diario del braccio, della spalla, della mano (DASH) questionario Jamar sulla forza di presa e il test della tavola Purdue sulla destrezza della mano. Gli endpoint secondari erano le misurazioni della temperatura cutanea a infrarossi. Valutazione della scala Likert a 7 punti del trattamento. In 60 partecipanti con dati completi, sono stati notati miglioramenti nella valutazione VAS (p = 0,001), punteggio DASH (p = 0,001), forza di presa Jamar (p = 0,002), temperatura della punta delle dita della pelle a infrarossi (p = 0,003), destrezza della mano Purdue test (p = 0,0001) e la scala Likert (p = 0,001) con guanti di ceramica sopra i guanti di cotone placebo. Gli autori hanno concluso che i guanti "thermoflow" impregnati di ceramica hanno un effetto clinicamente importante nella sindrome di Raynaud. I risultati di questo studio devono essere convalidati da studi ben progettati con un numero maggiore di pazienti e follow-up più lunghi.

  1. i meccanismi d'azione e le implicazioni della penetrazione non sono stati affrontati a fondo,
  2. l'ampia gamma di intensità di trattamento, lunghezze d'onda e dispositivi che sono stati valutati rende difficili i confronti e
  3. un paradigma di consenso per il trattamento non è ancora emerso.

Inoltre, la mancanza di risultati positivi coerenti negli RCT, forse a causa di regimi di trattamento non ottimali, ha contribuito allo scetticismo. Questi ricercatori hanno fornito un riassunto equilibrato dei risultati descritti nella letteratura riguardo alle modalità di trattamento e all'efficacia di R/NIR-IT per lesioni e malattie nel SNC. Hanno affrontato le importanti questioni relative alla specifica dei parametri di trattamento, alla penetrazione dell'irradiazione R/NIR nei tessuti e nei meccanismi del SNC e hanno fornito i dettagli necessari per dimostrare il potenziale di R/NIR-IT per il trattamento della degenerazione retinica, dei danni ai tratti della sostanza bianca del SNC, ictus e morbo di Parkinson.

Vujosevic et al (2013) hanno riesaminato i più importanti effetti metabolici e dati di sicurezza clinica del laser a diodi micropulsati sotto soglia (D-MPL) nell'edema maculare diabetico (DME). Il trattamento MPL non danneggia la retina e viene assorbito selettivamente dall'epitelio pigmentato retinico (RPE). Il laser a diodi Micropulse stimola la secrezione di diverse citochine protettive da parte dell'RPE. Non sono state notate macchie laser visibili sulla retina su alcuna modalità di immagine del fondo in diversi studi e non ci sono stati cambiamenti dell'integrità della retina esterna. La sensibilità media della retina centrale (RS) è aumentata nel gruppo D-MPL rispetto al gruppo di fotocoagulazione standard dell'Early Treatment Diabetic Retinopathy Study (ETDRS). Gli autori hanno concluso che l'MPL è una nuova e promettente opzione di trattamento nel DME, con lunghezze d'onda sia infrarosse che gialle che utilizzano il ciclo di lavoro meno aggressivo (5%) e parametri di potenza fissi.

La linea guida del Work Loss Data Institute su "Low back -- lumbar & thoracic (acute & Chronic)" (2013) ha osservato che la terapia a infrarossi è uno degli interventi/procedure che sono stati considerati, ma non raccomandati.

Le linee guida basate sull'evidenza per il trattamento chiropratico degli adulti con dolore al collo (Bryans et al, 2014) hanno affermato che "Sulla base di risultati incoerenti di 3 studi a basso rischio di bias, non ci sono prove sufficienti a sostegno di una raccomandazione per l'uso del laser infrarosso (830 nm) nel trattamento del dolore cronico al collo”.

Choi et al (2016) hanno notato che il mantenimento di un accesso vascolare ben funzionante e il minimo dolore da puntura sono obiettivi importanti per ottenere un'adeguata dialisi e migliorare la qualità della vita nei pazienti in emodialisi (HD). La terapia a infrarossi lontani può migliorare la funzione endoteliale e aumentare il flusso sanguigno di accesso (Qa) e la pervietà nei pazienti con MH. Questi ricercatori hanno valutato gli effetti della terapia FIR su Qa e pervietà e dolore da puntura nei pazienti con MH. Questo studio clinico prospettico ha arruolato 25 pazienti ambulatoriali che hanno mantenuto la MH con fistola artero-venosa. Gli altri 25 pazienti sono stati abbinati come controllo con età, sesso e diabete La terapia FIR è stata somministrata per 40 minuti durante la HD 3 volte a settimana e continuata per 12 mesi. Il Qa è stato misurato con il metodo della diluizione ad ultrasuoni, mentre il dolore è stato misurato con una scala di valutazione numerica al basale, quindi una volta al mese. Un paziente è stato trasferito in un'altra struttura e 7 pazienti hanno interrotto la terapia FIR a causa dell'aumento della temperatura corporea e del disagio. La terapia a infrarossi lontani ha migliorato il punteggio del dolore da puntura da 4 a 2 dopo 1 anno La terapia FIR ha aumentato il Qa di 3 mesi e ha mantenuto questo cambiamento fino a 1 anno, mentre i pazienti di controllo hanno mostrato una diminuzione del Qa. La pervietà non assistita di 1 anno con la terapia FIR non era significativamente diversa dal controllo. Gli autori hanno concluso che la terapia FIR ha migliorato il dolore da puntura. Inoltre, hanno affermato che sebbene la terapia FIR abbia migliorato il Qa, la pervietà non assistita non era diversa rispetto al controllo. Hanno affermato che è necessario uno studio più ampio e multicentrico per valutare l'effetto della terapia FIR.

Coagulazione a infrarossi per il trattamento delle emorroidi

La coagulazione a infrarossi è una delle numerose terapie ambulatoriali non chirurgiche nel trattamento delle emorroidi. Linares et al (2001) hanno esaminato l'efficacia della legatura elastica (RBL) e della fotocoagulazione a infrarossi (IRC) nel trattamento delle emorroidi interne in 358 pazienti con un totale di 817 emorroidi. C'è stato un periodo di follow-up di 36 mesi. Duecentonovantacinque pazienti su 358 sono stati trattati con RBL (82,4%), questo trattamento è efficace nel 98% dei pazienti dopo 180 giorni e molto buono dopo 36 mesi. Ci sono state 6/295 recidive a 36 mesi (2%). Tutte le complicanze minori e maggiori sono state osservate entro i primi 15 giorni di trattamento: tenesmo rettale in 96/295 pazienti (32,5 %), lieve dolore anale in 115/295 (38,9 %), emorragia autolimitante e lieve dopo il distacco del bande in 30/295 (10 %) e febbricola in un paziente. Sessantatre su 358 pazienti sono stati trattati con IRC (17,6%). In questo gruppo, sono state osservate recidive in 6/63 pazienti (9,5%) a 36 mesi, tutti con emorroidi di grado III che hanno richiesto un trattamento aggiuntivo con RBL. Tutte le complicanze (inerenti alla tecnica) sono state osservate entro i primi giorni: lieve dolore anale in 40/63 pazienti (63,4%) e lieve sanguinamento in 1/63 (1,6%). Il trattamento con RBL o IRC dipendeva dal numero di emorroidi e dal grado emorroidario. Non sono state riscontrate differenze significative per quanto riguarda l'efficacia tra RBL e IRC per il trattamento delle emorroidi di grado I-II, mentre RBL era più efficace per le emorroidi di grado III e IV (p < 0,05).Gli autori hanno concluso che RBL e IRC dovrebbero essere considerati un buon trattamento per tutti i gradi di emorroidi, grazie alla sua efficacia, al suo rapporto costi-benefici e alla sua piccola morbilità a breve e lungo termine.

In uno studio randomizzato, Gupta (2003) ha confrontato la coagulazione a infrarossi e la legatura con elastico nel trattamento di pazienti con emorroidi in fase iniziale. Un centinaio di pazienti con emorroidi sanguinanti di secondo grado sono stati randomizzati prospetticamente alla legatura elastica (n = 54) o alla coagulazione a infrarossi (n = 46). I parametri misurati includevano disagio e dolore post-operatorio, tempo per tornare al lavoro, sollievo nell'incidenza di sanguinamento e tasso di recidiva. Il dolore post-operatorio durante la prima settimana è stato più intenso nel gruppo legato alla fascia (da 2 a 5 contro 0 a 3 su un VAS). Il dolore post-defecazione era più intenso con la legatura elastica, così come il tenesmo rettale (p = 0,0059). I pazienti nel gruppo di coagulazione a infrarossi hanno ripreso i loro compiti prima (2 rispetto a 4 giorni, p = 0,03), ma hanno anche avuto un tasso di recidiva o fallimento più elevato (p = 0,03). Gli autori hanno concluso che la legatura con banda, sebbene più efficace nel controllare i sintomi e nell'eliminare le emorroidi, è associata a più dolore e disagio per il paziente. Poiché la coagulazione a infrarossi può essere convenientemente ripetuta in caso di recidiva, potrebbe essere considerata una procedura ambulatoriale alternativa adatta per il trattamento delle emorroidi in fase iniziale.

La revisione tecnica dell'American Gastroenterological Association sulla diagnosi e il trattamento delle emorroidi (Madoff e Fleshman, 2004) ha affermato che le emorroidi di 1° e 2° grado (cioè le emorroidi di I e II grado) possono essere trattate con terapie non chirurgiche come la fotocoagulazione a infrarossi . La chirurgia è generalmente riservata a soggetti che presentano emorroidi estese di 3° o 4° grado, emorroidi acutamente incarcerate e trombizzate, emorroidi con componente esterna estesa e sintomatica, o individui che hanno subito una terapia meno aggressiva con scarsi risultati.

Onicomicosi

Nenoff et al (2014) hanno notato che dal 2010 la Food and Drug Administration (FDA) ha approvato i sistemi laser come in grado di produrre un "aumento temporaneo delle unghie chiare" nei pazienti con onicomicosi. L'eradicazione fungina è probabilmente mediata dal calore nei sistemi laser a infrarossi la cui efficacia è stata confermata termograficamente, istologicamente e in microscopia elettronica. Un altro approccio per decontaminare l'organo ungueale consiste nel distruggere funghi e spore mediante applicazioni a impulsi q-switch. Recentemente sono state testate specifiche combinazioni di lunghezze d'onda per la loro capacità di interrompere il potenziale transmembrana mitocondriale a temperature fisiologiche generando ATP e ROS. Sebbene siano state riportate percentuali di clearance clinicamente estremamente elevate, comprese tra circa l'87,5% e il 95,8%, le indagini in vitro non sono riuscite a confermare la clearance. La varietà dei sistemi e dei parametri consigliati impedisce una valutazione sistematica. Raccomandazioni per protocolli di trattamento sicuri e pratici, elementi di consenso informato e combinazione con opzioni di trattamento convenzionali sono tutte aree di lavoro attivo. Gli autori hanno concluso che attualmente mancano dati sull'efficacia a lungo termine della terapia laser dei protocolli di trattamento certificati per l'onicomicosi.

Una revisione UpToDate su "Onicomicosi" (Goldstein, 2015) afferma che "Laser/terapia della luce - Sebbene al neodimio: granato di ittrio e alluminio (Nd: YAG) e i laser a diodi siano emersi come opzioni di trattamento per l'onicomicosi, i dati sull'efficacia di questi interventi sono limitati ei meccanismi d'azione ei regimi ottimali per questi trattamenti rimangono poco chiari. Fino a quando non saranno disponibili dati più solidi a sostegno dell'efficacia della terapia laser per l'onicomicosi, non possiamo raccomandare l'uso routinario di questa modalità. Il supporto per l'efficacia di tali dispositivi laser è principalmente limitato a studi non controllati che documentano il miglioramento clinico in proporzioni variabili di pazienti. Un piccolo studio randomizzato ha riscontrato un miglioramento nell'onicomicosi in seguito all'uso di un laser a diodi nel vicino infrarosso a doppia lunghezza d'onda. Al contrario, uno studio randomizzato in cui 27 pazienti con onicomicosi che coinvolgevano 125 unghie sono stati assegnati in modo casuale a due trattamenti con un laser Nd:YAG da 1.064 nm (17 pazienti) o nessun trattamento (10 pazienti) non ha riscontrato una differenza statistica nella proporzione di pazienti con clearance micologica di tutte le unghie colpite dopo tre mesi. Inoltre, una tendenza non significativa verso una maggiore clearance prossimale del chiodo nel gruppo di trattamento attivo rilevata al punto temporale di 3 mesi si è dissipata di 12 mesi. Da notare che non è stato possibile valutare le risposte in 5 dei 17 pazienti nel gruppo di trattamento laser a causa del mancato ritorno per il follow-up. Ulteriori studi con studi randomizzati che confrontano i dispositivi laser con il placebo e altri trattamenti di onicomicosi, nonché studi di follow-up a lungo termine saranno utili per chiarire l'efficacia, i meccanismi, i regimi ottimali e le indicazioni per la terapia laser”.

Ulcere da decupito

Il National Pressure Ulcer Advisory Panel, l'European Pressure Ulcer Advisory Panel e le linee guida di pratica clinica della Pan Pacific Pressure Injury Alliance su "Trattamento delle ulcere da pressione" (2014) hanno affermato che "A causa dell'attuale insufficienza di prove per supportare o confutare l'uso della terapia a infrarossi in il trattamento delle ulcere da pressione, la terapia a infrarossi non è raccomandata per l'uso di routine in questo momento”.

Altre indicazioni

Shui e colleghi (2015) hanno notato che la terapia fisica (fisioterapia), una terapia di medicina complementare e alternativa, è stata ampiamente applicata nella diagnosi e nel trattamento di varie malattie e difetti. Prove crescenti suggeriscono che i raggi infrarossi lontani (FIR) convenienti e non invasivi, un tipo vitale di fisioterapia, migliorano la salute dei pazienti con malattie cardiovascolari, diabete mellito e malattie renali croniche. Tuttavia, i meccanismi molecolari con cui le funzioni FIR rimangono sfuggenti. Questi ricercatori hanno rivisto e riassunto i risultati di precedenti indagini e hanno elaborato i meccanismi molecolari della terapia FIR in vari tipi di malattie. Gli autori hanno concluso che la terapia FIR può essere strettamente correlata all'aumentata espressione dell'ossido nitrico sintasi endoteliale e alla produzione di ossido nitrico e può modulare i profili di alcuni miRNA circolanti, quindi può essere un complemento benefico ai trattamenti per alcune malattie croniche che produce nessun effetto negativo.

Disturbi della coscienza

Werner et al (2016) hanno affermato che al fine di promuovere la vigilanza e la consapevolezza nei pazienti con gravi disturbi della coscienza (DOC), la stimolazione laser nel vicino infrarosso frontale (N-LT) o la terapia con onde d'urto focalizzate transcraniche (F-SWT) potrebbe essere un'opzione . Lo studio ha confrontato entrambe le tecniche in pazienti affetti da DOC cronici gravi. Un totale di 16 pazienti DOC sono stati assegnati a 2 gruppi (A e B). Una linea di base di 3 settimane ha seguito un N-LT frontale (0,1 mJ/mm2, 10 minuti per sessione), 5 volte a settimana per 4 settimane (gruppo A) o un F-SWT (0,1 mJ/mm2 , 4.000 stimoli per sessione) 3 volte a settimana per 4 settimane (gruppo B). La variabile primaria era la Coma Recovery Scale rivista (r-CRS, 0-23), valutata alla cieca. Entrambi i gruppi sono migliorati nell'r-CRS nel tempo, ma non hanno rivelato differenze tra i gruppi. Un paziente del gruppo B ha avuto un attacco focale nella terza settimana di terapia 1 paziente con mutismo acinetico è migliorato di più e 3 pazienti con ipossia globale non sono migliorati affatto. Gli autori hanno concluso che entrambe le opzioni potrebbero essere un'opzione per aumentare la vigilanza e la consapevolezza dei pazienti affetti da DOC cronici. Un mutismo acinetico sembrava essere un'ipossia cerebrale positiva e grave, un predittore negativo di crisi epilettiche sono un potenziale effetto collaterale indesiderato. L'autore ha affermato che sono necessari ulteriori studi clinici.

Disturbo affettivo stagionale

In una revisione Cochrane, Nussbaumer et al (2015) hanno valutato la sicurezza e l'efficacia della terapia della luce (rispetto a nessun trattamento, altri tipi di terapia della luce, antidepressivi di seconda generazione, melatonina, agomelatina, terapie psicologiche, interventi sullo stile di vita e generatori di ioni negativi ) nella prevenzione del disturbo affettivo stagionale (SAD) e nel miglioramento degli esiti centrati sul paziente tra gli adulti con una storia di SAD. Una ricerca del Registro specializzato del Cochrane Depression, Anxiety and Neuorosi Review Group (CCDANCTR) ha incluso tutti gli anni fino all'11 agosto 2015. Il CCDANCTR conteneva rapporti di RCT rilevanti derivati ​​da Embase (dal 1974 ad oggi), Medline (dal 1950 ad oggi) , PsycINFO (1967 ad oggi) e il Cochrane Central Register of Controlled Trails (CENTRAL). Inoltre, questi ricercatori hanno cercato nel Cumulative Index to Nursing and Allied Health Literature (CINAHL), nel Web of Knowledge, nella Cochrane Library e nell'Allied and Complementary Medicine Database (AMED) (fino al 26 maggio 2014). Questi ricercatori hanno anche condotto una ricerca nella letteratura grigia e ricercato manualmente gli elenchi di riferimento di tutti gli studi inclusi e gli articoli di revisione pertinenti. Per efficacia, gli autori hanno incluso RCT su adulti con una storia di SAD di tipo invernale che erano privi di sintomi all'inizio dello studio. Per gli eventi avversi, gli autori intendevano anche includere studi non randomizzati. Intendevano includere studi che confrontassero qualsiasi tipo di terapia della luce (p. es., luce bianca brillante, somministrata da visiere o scatole luminose, luce infrarossa, stimolazione dell'alba) rispetto a nessun trattamento/placebo, antidepressivi di seconda generazione (SGA), terapie psicologiche, melatonina , agomelatina, cambiamenti dello stile di vita, generatori di ioni negativi o un'altra delle suddette terapie della luce. Gli autori hanno anche pianificato di includere studi che hanno esaminato la terapia della luce in combinazione con qualsiasi intervento di confronto e lo hanno confrontato con lo stesso intervento di confronto della monoterapia. Due revisori hanno selezionato abstract e pubblicazioni full-text rispetto ai criteri di inclusione. Due revisori hanno estratto indipendentemente i dati e valutato il rischio di bias degli studi inclusi. Questi investigatori hanno identificato 2.986 citazioni dopo la deduplicazione dei risultati della ricerca. Sono stati esclusi 2.895 record durante la revisione del titolo e dell'abstract. Hanno valutato 91 documenti full-text per l'inclusione nella revisione, ma solo 1 studio che fornisce dati da 46 persone ha soddisfatto i criteri di ammissibilità. L'RCT incluso presentava limiti metodologici. Questi ricercatori lo hanno valutato come ad alto rischio di bias di prestazione e rilevamento a causa della mancanza di accecamento e ad alto rischio di bias di attrito perché gli autori dello studio non hanno riportato i motivi degli abbandoni e non hanno integrato i dati degli abbandoni nell'analisi . L'RCT incluso ha confrontato l'uso preventivo di luce bianca brillante (2.500 lux tramite visiere), luce infrarossa (0,18 lux tramite visiere) e nessun trattamento della luce. Nel complesso, entrambe le forme di fototerapia preventiva hanno ridotto numericamente l'incidenza di SAD rispetto a nessuna terapia della luce. In tutto, il 43 % (6/14) dei partecipanti al gruppo luce intensa ha sviluppato SAD, così come il 33 % (5/15) nel gruppo luce infrarossa e il 67 % (6/9) nel gruppo senza trattamento. La terapia della luce intensa ha ridotto il rischio di incidenza di SAD del 36%, tuttavia, l'IC al 95% era molto ampio e includeva sia le possibili dimensioni dell'effetto a favore della terapia della luce intensa che quelle a favore dell'assenza di terapia della luce (rapporto di rischio (RR) 0,64, 95 % IC: da 0,30 a 1,38). La luce infrarossa ha ridotto il rischio di SAD del 50% rispetto all'assenza di terapia della luce, ma anche in questo caso l'IC era troppo ampio per consentire stime precise dell'entità dell'effetto (RR 0,50, IC 95% da 0,21 a 1,17). Il confronto di entrambe le forme di terapia della luce preventiva rispetto all'altra ha prodotto tassi simili di incidenza di episodi depressivi in ​​entrambi i gruppi (RR 1,29, 95% CI: 0,50-3,28). La qualità delle prove per tutti i risultati era molto bassa. I motivi per il declassamento della qualità delle prove includevano l'alto rischio di bias dello studio incluso, l'imprecisione e altre limitazioni, come l'autovalutazione dei risultati, la mancanza di controllo della conformità per tutta la durata dello studio e la segnalazione insufficiente delle caratteristiche dei partecipanti. I ricercatori non hanno fornito informazioni sugli eventi avversi. Questi ricercatori non sono riusciti a trovare studi che confrontassero la terapia della luce con altri interventi di interesse come SGA, terapie psicologiche, melatonina o agomelatina. Gli autori hanno concluso che le prove sulla terapia della luce come trattamento preventivo per i pazienti con una storia di SAD sono limitate. I limiti metodologici e la piccola dimensione del campione dell'unico studio disponibile hanno precluso le conclusioni dell'autore della revisione sugli effetti della terapia della luce per il SAD.

Nussbaumer-Streit e colleghi (2019) hanno notato che il SAD è un modello stagionale di episodi depressivi maggiori ricorrenti che si verifica più comunemente durante l'autunno o l'inverno e si risolve in primavera. La prevalenza di SAD varia dall'1,5% al ​​9%, a seconda della latitudine. Il prevedibile aspetto stagionale del SAD offre un'opportunità promettente per la prevenzione. Questa recensione - 1 di 4 recensioni sull'efficacia e la sicurezza degli interventi per prevenire il SAD - si è concentrata sulla terapia della luce come intervento preventivo. La terapia della luce è una terapia non farmacologica che espone le persone alla luce artificiale con modalità di erogazione e forma della luce variabili. Questi ricercatori hanno esaminato la sicurezza e l'efficacia della terapia della luce (rispetto a nessun trattamento, altri tipi di terapia della luce, antidepressivi di seconda generazione, melatonina, agomelatina, terapie psicologiche, interventi sullo stile di vita e generatori di ioni negativi) nella prevenzione della SAD e nel miglioramento del paziente risultati centrati tra gli adulti con una storia di SAD. Hanno cercato Ovid Medline (1950-), Embase (1974-), PsycINFO (1967-) e il Cochrane Central Register of Controlled Trials (CENTRAL) fino al 19 giugno 2018. Una precedente ricerca di questi database è stata condotta tramite il Cochrane Common Mental Disorders Controlled Trial Register (CCMD-CTR) (tutti gli anni fino all'11 agosto 2015). Inoltre, questi ricercatori hanno cercato nel Cumulative Index to Nursing and Allied Health Literature, nel Web of Science, nella Cochrane Library, nell'Allied and Complementary Medicine Database e nei registri degli studi internazionali (fino al 19 giugno 2018). Hanno anche condotto una ricerca nella letteratura grigia e ricercato manualmente gli elenchi di riferimento degli studi inclusi e degli articoli di revisione pertinenti. Per l'efficacia, questi ricercatori hanno incluso RCT su adulti con una storia di SAD di tipo invernale che erano privi di sintomi all'inizio dello studio. Per gli EA, questi ricercatori intendevano anche includere studi non randomizzati. Questi ricercatori intendevano includere studi che confrontassero qualsiasi tipo di terapia della luce (ad es. luce bianca brillante, somministrata da visiere o scatole luminose, luce IR, stimolazione dell'alba) rispetto a nessun trattamento/placebo, antidepressivi di seconda generazione, terapie psicologiche, melatonina , agomelatina, cambiamenti dello stile di vita, generatori di ioni negativi o un'altra delle suddette terapie della luce. Hanno anche pianificato di includere studi che hanno esaminato la terapia della luce in combinazione con qualsiasi intervento di confronto. Due revisori hanno esaminato abstract e pubblicazioni full-text, dati estratti in modo indipendente e valutato il rischio di bias degli studi inclusi. Hanno identificato 3.745 citazioni dopo la deduplicazione dei risultati di ricerca, esclusi 3.619 record durante la revisione del titolo e dell'abstract. Questi ricercatori hanno valutato 126 documenti full-text per l'inclusione nella revisione, ma solo 1 studio che fornisce dati da 46 persone ha soddisfatto i criteri di ammissibilità. L'RCT incluso presentava limiti metodologici. Questi ricercatori lo hanno valutato come ad alto rischio di bias di performance e rilevamento a causa della mancanza di accecamento e ad alto rischio di bias di logoramento perché gli autori dello studio non hanno riportato i motivi degli abbandoni e non hanno integrato i dati degli abbandoni nell'analisi . L'RCT incluso ha confrontato l'uso preventivo di luce bianca brillante (2.500 lux tramite visiere), luce IR (0,18 lux tramite visiere) e nessun trattamento della luce. Nel complesso, la luce bianca e la terapia della luce IR hanno ridotto numericamente l'incidenza di SAD rispetto all'assenza di terapia della luce. In tutto, il 43 % (6/14) dei soggetti nel gruppo luce intensa ha sviluppato SAD, così come il 33 % (5/15) nel gruppo luce IR e il 67 % (6/9) nel gruppo non trattato. La terapia della luce intensa ha ridotto il rischio di incidenza di SAD del 36%, tuttavia, l'IC al 95% era molto ampio e includeva sia le possibili dimensioni dell'effetto a favore della terapia della luce intensa che quelle a favore dell'assenza di terapia della luce (RR 0,64, IC 95%: 0,30 a 1,38 23 soggetti, prove di qualità molto bassa). La luce infrarossa ha ridotto il rischio di SAD del 50% rispetto all'assenza di terapia della luce, ma anche l'IC era troppo ampio per consentire stime precise dell'entità dell'effetto (RR 0,50, IC 95%: da 0,21 a 1,17 24 soggetti, prove di qualità molto bassa) . Il confronto di entrambe le forme di terapia della luce preventiva rispetto all'altra ha prodotto tassi simili di incidenza di episodi depressivi in ​​entrambi i gruppi (RR 1,29, 95% CI: 0,50-3,28 29 soggetti, prove di qualità molto bassa). I motivi per il declassamento della qualità delle prove includevano l'alto rischio di bias dello studio incluso, l'imprecisione e altre limitazioni, come l'autovalutazione dei risultati, la mancanza di controllo della conformità per tutta la durata dello studio e la segnalazione insufficiente delle caratteristiche del soggetto. Gli investigatori non hanno fornito informazioni sugli eventi avversi. Non hanno trovato studi che confrontassero la terapia della luce con altri interventi di interesse come antidepressivi di seconda generazione, terapie psicologiche, melatonina o agomelatina. Gli autori hanno concluso che le prove sulla terapia della luce come trattamento preventivo per gli individui con una storia di SAD erano limitate. I limiti metodologici e la piccola dimensione del campione dell'unico studio disponibile hanno precluso le conclusioni dell'autore della revisione sugli effetti della terapia della luce per il SAD. Questi ricercatori hanno affermato che, dato che le prove comparative per la terapia della luce rispetto ad altre opzioni preventive erano limitate, la decisione a favore o contro l'inizio del trattamento preventivo della SAD e il trattamento selezionato dovrebbero essere fortemente basati sulle preferenze del paziente.

Cancro

Tsai e Hamblin (2017) hanno notato che la radiazione IR è una radiazione elettromagnetica con lunghezze d'onda comprese tra 760 e 100.000 nm mentre la terapia LLLT o fotobiomodulazione (PBM) generalmente utilizza la luce a lunghezze d'onda rosse e vicine all'IR (da 100 a 600 nm) per modulare l'attività biologica. Molti fattori, condizioni e parametri influenzano gli effetti terapeutici dell'IR, tra cui fluenza, irradianza, tempi e ripetizioni del trattamento, pulsazioni e lunghezza d'onda. Prove crescenti hanno suggerito che l'IR può svolgere effetti di fotostimolazione e PBM, a vantaggio in particolare della stimolazione neurale, della guarigione delle ferite e del trattamento del cancro. Le cellule nervose rispondono particolarmente bene all'IR, che è stato proposto per una serie di applicazioni di neurostimolazione e neuromodulazione, e in questa recensione sono stati discussi i recenti progressi nella stimolazione e rigenerazione neurali.

Hou e collaboratori (2017) hanno affermato che la teranostica basata sulle nanoparticelle si è sviluppata rapidamente nell'ultimo decennio ed è stata ampiamente utilizzata nella diagnosi e nel trattamento del cancro del fegato, del cancro al seno e di altri tumori. Tuttavia, per i tumori della pelle, ci sono studi limitati. Questi ricercatori hanno sintetizzato con successo una nanoparticella teranostica grattando IR820 sulla superficie dell'ossido di ferro magnetico rivestito di chitosano, IR820-CS-Fe3O4, mostrando un'eccellente capacità di risonanza magnetica (MRI) ed effetti citotossici contro il melanoma sotto irradiazione con un vicino infrarosso ( NIR) laser (808 nm) in vitro.Inoltre, sono state osservate una buona stabilità fino a 8 giorni e una citotossicità trascurabile, queste caratteristiche sono importanti per le applicazioni biomediche delle nanoparticelle. Gli autori hanno concluso di aver fornito una nuova e potenziale piattaforma teranostica per il trattamento e l'individuazione del melanoma.

Zhang e colleghi (2017) hanno notato che sebbene il cancro al seno triplo negativo (TNBC) sia una piccola percentuale di tutti i tumori al seno, ad oggi, il TNBC è uno dei tipi di cancro al seno più impegnativi per la ricerca di base e clinica perché i pazienti TNBC mostrano un alto rischio di recidiva, sopravvivenza globale (OS) più breve e opzioni terapeutiche limitate dopo il completamento della chemioterapia convenzionale rispetto ai pazienti con altri sottotipi di BC. Il recettore del fattore di crescita epidermico (EGFR) è un obiettivo promettente per il trattamento del TNBC. Sebbene la terapia fototermica NIR (NIR-PTT) che utilizza nanobarre d'oro coniugate con anticorpi anti-EGFR (anti-EGFR-GN), abbia suscitato un notevole interesse per il trattamento TNBC non invasivo e mirato attraverso l'attivazione della via apoptotica, non è chiaro se il NIR-PTT combinato con anti-EGFR-GNs modula l'induzione dell'autofagia contribuendo alla morte cellulare. Questi ricercatori hanno esaminato la morte cellulare autofagica in cellule TNBC coltivate e tumori xenotrapianti di topo durante NIR-PTT combinato con anti-EGFR-GNs. Hanno scoperto che la citotossicità indotta dal NIR-PTT combinato con anti-EGFR-GNs è stata salvata dal trattamento con l'inibitore dell'autofagia, 3-metiladenina (3-MA). Il NIR-PTT combinato con anti-EGFR-GNs ha indotto notevoli livelli di attività autofagica come evidenziato da un gran numero di vescicole autofagiche e da un aumento significativo delle proteine ​​​​specifiche dell'autofagia catena leggera della proteina associata ai microtubuli 3 (LC3), p62, beclin-1 e gene5 correlato all'autofagia (Atg5), che accompagna l'inibizione della via di segnalazione AKT-mTOR responsabile dell'induzione dell'autofagia. Inoltre, nei tumori dello xenotrapianto di topo, il NIR-PTT combinato con anti-EGFR-GNs ha anche aumentato i livelli di LC3 e beclin-1. Gli autori hanno concluso che questi risultati, per la prima volta, hanno dimostrato che il NIR-PTT combinato con anti-EGFR-GNs induce notevolmente l'autofagia che porta alla morte delle cellule tumorali mirate all'EGFR.

Xu e colleghi (2017) hanno affermato che mentre l'immunoterapia è diventata un paradigma molto promettente per il trattamento del cancro (ad esempio il cancro del colon-retto) negli ultimi anni, è stato a lungo riconosciuto che la terapia fotodinamica (PDT) ha la capacità di innescare risposte immunitarie antitumorali . Tuttavia, la PDT convenzionale innescata dalla luce visibile ha una profondità di penetrazione limitata e le sue risposte immunitarie generate potrebbero non essere abbastanza robuste per eliminare i tumori. Le nanoparticelle di conversione (UCNP) vengono caricate contemporaneamente con cloro e6 (Ce6), un fotosensibilizzatore e imiquimod (R837), un agonista del recettore 7 simile a Toll. Le nanoparticelle multi-tasking UCNP-Ce6-R837 ottenute sotto irradiazione NIR con una maggiore profondità di penetrazione tissutale consentirebbero un'efficace distruzione fotodinamica dei tumori per generare un pool di antigeni associati al tumore, che in presenza di quelle nanoparticelle contenenti R837 come adiuvante sono in grado di promuovere forti risposte immunitarie antitumorali. Più significativamente, la PDT con UCNP-Ce6-R837 in combinazione con il blocco del checkpoint della proteina 4 associata ai linfociti T citotossici (CTLA-4) non solo ha mostrato un'eccellente efficacia nell'eliminare i tumori esposti al laser NIR, ma ha anche determinato un forte effetto anti- immunità tumorali per inibire la crescita di tumori distanti lasciati dopo il trattamento con PDT. Inoltre, una tale strategia di immunoterapia del cancro ha una funzione di memoria immunitaria a lungo termine per proteggere i topi trattati dalla riattivazione delle cellule tumorali. Gli autori hanno concluso che questi risultati hanno presentato una strategia PDT basata su UCNP immunostimolante in combinazione con il blocco del checkpoint CTLA-4 per distruggere efficacemente i tumori primari sotto l'esposizione alla luce, inibire i tumori distanti che difficilmente possono essere raggiunti dalla luce e prevenire la ricomparsa del tumore attraverso il effetto memoria immunitaria.

Emicranie

  1. nel gruppo di controllo (gruppo A, 22 casi in totale), la nimodipina è stata utilizzata nel trattamento dell'emicrania cronica per 2 mesi
  2. nel gruppo di terapia con luce polarizzata infrarossa (gruppo B, 22 casi in totale), la luce polarizzata infrarossa è stata adottata nel trattamento dell'emicrania cronica da 50 a 60 giorni
  3. nel gruppo di trattamento con tossina botulinica (gruppo C, 24 casi in totale), la tossina botulinica di tipo A guidata da ultrasuoni e iponoma è stata iniettata nei muscoli frontali, temporali e occipitali nel trattamento dell'emicrania cronica e
  4. nel gruppo di trattamento congiunto (gruppo D, 23 casi in totale), l'iniezione di tossina botulinica di tipo A guidata da ultrasuoni e iponoma nel gruppo C e la luce polarizzata infrarossa nel gruppo B sono state entrambe utilizzate qui nel trattamento dell'emicrania cronica.

La terapia con luce polarizzata a infrarossi è durata dai 50 ai 60 giorni e il tempo di studio è durato 6 mesi. L'indagine includerebbe le condizioni dei pazienti con emicrania cronica 3 mesi prima del trattamento e a 1, 3 e 6 mesi dopo il trattamento. Ai pazienti è stato chiesto di compilare il MIDAS (questionario di valutazione della disabilità emicranica) e sono stati classificati sulla scala di valutazione della qualità della vita (QOL), in modo che i ricercatori fossero in grado di confrontare la frequenza degli attacchi, la durata degli attacchi, la gravità degli attacchi, l'uso di antidolorifici e il loro recupero dall'emicrania cronica, quindi osservare le loro reazioni avverse. Un totale di 11 casi si è ritirato durante il trattamento, 3 casi nel gruppo A, 2 casi nel gruppo B, 4 casi nel gruppo C e 2 casi nel gruppo D. A 1, 3 e 6 mesi dopo il trattamento, i punteggi MIDAS nel gruppo A, B, C e D erano significativamente inferiori rispetto a prima del trattamento. Quindi, le differenze erano statisticamente significative (p < 0,01). I punteggi nella scala di valutazione della qualità della vita erano significativamente più alti dei punteggi pre-trattamento, quindi la differenza era statisticamente significativa (p < 0,01). I punteggi MIDAS e i punteggi della scala di valutazione della qualità della vita nel gruppo D sono stati confrontati con quelli dei gruppi A, B e C rispettivamente e le differenze erano statisticamente significative (p < 0,05) 2 pazienti sono stati registrati con vertigini e le vertigini sono scomparse dopo 2 settimane senza alcun trattamento. Le rughe della fronte e le zampe di gallina di 21 pazienti si sono ridotte o sono scomparse in vari gradi dopo l'iniezione. Gli autori hanno concluso che la combinazione di iniezione di tossina botulinica di tipo A guidata da ultrasuoni e iponomi e luce polarizzata infrarossa nel trattamento dell'emicrania cronica ha dimostrato un effetto clinico significativo. Inoltre, hanno affermato che nell'applicazione clinica sono necessari ulteriori studi su campioni di grandi dimensioni e multicentrici. Questo era un piccolo studio (n = 23 nel gruppo di trattamento congiunto con 2 abbandoni) e i suoi risultati sono stati confusi dall'uso combinato di Botox e terapia a infrarossi.

Inoltre, le recensioni di UpToDate su "Chronic emicraine" (Garza e Schwedt, 2018), "Acute treatment of emicrania negli adulti" (Bajwa e Smith, 2018a) e "Preventive treatment of emicranie in adult" (Bajwa e Smith, 2018b) fanno per non parlare dell'infrarosso come opzione terapeutica.

Neuropatia periferica non diabetica

Miriutova et al (2002) hanno riportato i risultati di 73 pazienti con mieloradiculopatia ischemica da compressione che hanno ricevuto un trattamento comprendente radiazioni laser infrarosse sui campi paravertebrali, punti motori dei nervi interessati e punti biologicamente attivi Y63, Y67, YB34, YB42, YB43, E34, E42 (da 1,0 a 5,0 mW/cm2 5- e 5.000-Hz), elettrostimolazione dei punti nervosi motori e da essi innervati muscoli da impulsi doppi quadrati con un gap fisso 5 ms. Gli autori hanno concluso che la terapia laser a infrarossi a impulsi allevia la sindrome del dolore, stimolando i processi di riparazione nelle strutture nervose colpite. Un'ulteriore stimolazione elettrica modificata ha attivato una crescita rigenerativa delle fibre nervose, reinnervazione dei muscoli degli arti. Questo era uno studio non controllato.

Foto et al (2007) hanno confrontato l'accuratezza, l'affidabilità e le caratteristiche essenziali di 9 termometri a infrarossi portatili disponibili in commercio utilizzati per gestire il piede neuropatico. I termometri sono stati confrontati utilizzando 2 sorgenti di controllo della temperatura che simulavano le condizioni fisiologiche riscontrate in una clinica per la cura dei piedi. Con ciascuna sorgente di controllo impostata in modo indipendente, gli intervalli di differenza di temperatura di 0 gradi, 2 gradi, 4 gradi e 6 gradi C sono stati campionati in modo casuale e analizzati per ciascun termometro da 2 tester. L'ordine dei test è stato assegnato casualmente per tester e strumenti. C'erano differenze nella variazione di temperatura media tra i termometri (p < 0.001) e tra i tester (p = 0.0247). Differenze nella variazione di temperatura media tra gli strumenti (inferiori a 0,5 gradi C), sebbene piccole, potrebbero influenzare l'interpretazione della temperatura cutanea se i confronti della temperatura fossero effettuati utilizzando 2 strumenti diversi. La differenza nella variazione di temperatura tra i tester (0,06 gradi C) non era abbastanza grande da influenzare le decisioni nella pratica clinica. Sono stati confrontati il ​​tempo di risposta dello strumento, il rapporto distanza-punto, il diametro del sensore, la risoluzione del display, l'emissività e il costo. Gli autori hanno concluso che i termometri a infrarossi per uso generale a basso costo utilizzati in questo studio hanno mostrato una buona accuratezza, affidabilità e prestazioni ed erano appropriati per l'uso in una clinica per la cura dei piedi. Questo studio non ha fornito dati a supporto dell'efficacia di questi dispositivi nel trattamento della neuropatia periferica.

Schencking et al (2008) hanno riportato il caso di una paziente di 67 anni che soffriva di una radicolopatia persistente e acutamente esacerbata (L5/S1 a destra) dovuta a metastasi di cancro al seno (pT1bL0N1R1G2M1/osseo ER 95 %, PR 95 % , Her2-new-score 3+) nella colonna lombare. I trattamenti tradizionali non erano riusciti a produrre effetti terapeutici sufficienti. Questi ricercatori hanno eseguito 6 sessioni di ipertermia su tutto il corpo a infrarossi-A filtrata con acqua utilizzando un sistema commerciale (Iratherm 1000 Von Ardenne Institute for Applied Medical Research, Dresda, Germania). La lunghezza d'onda era da 600 a 1.300 nm, la temperatura corporea mirata era di 38,5 gradi C. L'intensità del dolore è stata valutata mediante scala analogica visiva (VAS). L'intensità del dolore (VAS) è diminuita da 9 (iniziale) a 3 punti dopo le prime 3 sessioni di trattamento. Il paziente era completamente privo di dolore dopo 6 sessioni. Non sono stati osservati effetti collaterali. Al follow-up dopo 3 e 24 settimane il paziente era ancora indolore. Gli autori hanno concluso che l'ipertermia dell'intero corpo a infrarossi-A potrebbe essere una procedura terapeutica efficace con rari effetti collaterali per il dolore neuropatico indotto dal tumore. Tuttavia, il suo uso dovrebbe essere ulteriormente studiato in studi clinici controllati.

Atassia spinocerebellare

Liu e colleghi (2019) hanno notato che l'atassia spinocerebellare di tipo 3 (SCA3) è una malattia neurodegenerativa poliglutammina derivante dal ripiegamento errato e dall'accumulo di una proteina patogena, che causa disfunzione cerebellare, e questa malattia attualmente non ha trattamenti efficaci. È stato scoperto che la radiazione infrarossa lontana (FIR) protegge la vitalità delle cellule SCA3 prevenendo l'aggregazione della proteina atassina-3 mutante e promuovendo l'autofagia. Tuttavia, questo possibile trattamento manca ancora di prove in vivo. Questi ricercatori hanno esaminato l'effetto della terapia FIR su SCA3 in vivo utilizzando un modello murino per 28 settimane. I topi di controllo portavano un allele ATXN3 di tipo selvatico sano che aveva un tratto poli-glutammico con 15 ripetizioni CAG (15Q), mentre i topi transgenici SCA3 possedevano un allele con un tratto poli-glutammico patologico con ripetizioni 84 CAG (84Q) espanse. I risultati hanno mostrato che i topi 84Q SCA3 mostravano una ridotta coordinazione motoria, capacità di equilibrio e prestazioni dell'andatura, insieme alla perdita associata di cellule di Purkinje nel cervelletto, rispetto ai normali controlli 15Q, tuttavia, il trattamento FIR era sufficiente per prevenire tali difetti. FIR ha migliorato significativamente le prestazioni in termini di area di contatto massima, lunghezza del passo e supporto di base nelle zampe anteriori, posteriori o entrambi. Inoltre, il trattamento con FIR ha sostenuto la sopravvivenza delle cellule di Purkinje nel cervelletto e ha promosso l'autofagia, come si evince dall'induzione di marcatori autofagici, LC3II e Beclin-1, in concomitanza con la riduzione dell'accumulo di p62 e atassina-3 nelle cellule cerebellari di Purkinje, che potrebbe contribuire in parte al meccanismo di salvataggio. Gli autori hanno concluso che questi risultati hanno rivelato che la FIR ha conferito effetti terapeutici in un modello animale transgenico SCA3 e quindi ha un potenziale considerevole per l'uso clinico futuro.

Trauma cranico

Yao e colleghi (2018) hanno affermato che il trauma cranico (TBI) è diventato un grave problema sanitario e socioeconomico che colpisce i giovani e il personale militare. Numerosi pazienti con trauma cranico hanno sperimentato la sequela di una lesione cerebrale chiamata deterioramento cognitivo, che ha ridotto le funzioni di attenzione, memoria di lavoro, motivazione ed esecuzione. Negli ultimi anni, la terapia laser nel vicino infrarosso transcranico (tNiRLT) come possibile terapia è stata gradualmente applicata nel trattamento del deterioramento cognitivo post-TBI. Nella presente recensione, i meccanismi biologici del tNiRLT transcranico per il trauma cranico sono sintetizzati principalmente sulla base dell'impatto fotonico sul trauma cranico lieve cronico. Vari eventi molecolari eccitanti possono verificarsi durante la procedura, come la stimolazione della produzione di ATP, il flusso sanguigno cerebrale regionale (CBF), l'agopunto, la neurogenesi e la sinaptogenesi, esistevano anche la riduzione dell'antinfiammatorio. Sono stati descritti alcuni esperimenti sugli animali e studi clinici di tNiRLT per TBI. Diversi laboratori hanno dimostrato che tNiRLT è efficace non solo migliorando le funzioni neurologiche, ma anche aumentando la memoria e la capacità di apprendimento nel modello di TBI dei roditori. In un caso clinico di 2 pazienti e in una serie di 11 casi, le funzioni cognitive sono state migliorate. L'efficacia sugli effetti cognitivi ed emotivi è stata osservata anche in uno studio clinico controllato in doppio cieco. Gli autori hanno concluso che sono in corso diversi studi randomizzati, paralleli, in doppio cieco, controllati da sham, con l'obiettivo di valutare l'efficacia del tLED sulle funzioni cognitive e sullo stato neuropsichiatrico nei partecipanti con trauma cranico. Pertanto, tNiRLT è un metodo promettente applicato al deterioramento cognitivo in seguito a trauma cranico.

In uno studio su una serie di casi, Hipskind e colleghi (2019) hanno esaminato l'esito dell'applicazione della terapia della luce rossa/vicino infrarosso utilizzando diodi a emissione di luce (LED) pulsati con 3 diverse frequenze trans-craniali per trattare il trauma cranico nei veterani militari. Un totale di 12 soggetti sintomatici con diagnosi di trauma cranico cronico di oltre 18 mesi dopo il trauma hanno ricevuto terapia PBM transcranica pulsata (tPBMT) utilizzando 2 cuscinetti per terapia in neoprene contenenti 220 infrarossi e 180 LED rossi, generando una potenza di 3,3 W e un densità di potenza media di 6,4 mW/cm2 per 20 minuti, tre volte alla settimana per 6 settimane. Le misure di esito includevano punteggi dei test neuropsicologici standardizzati e misure qualitative e quantitative di tomografia computerizzata a emissione di singolo fotone (SPECT) del flusso sanguigno cerebrale regionale (rCBF). Il tPBMT pulsato ha migliorato significativamente i punteggi neuropsicologici in 6 su 15 sottoscale (40,0 % p < 0,05 a 2 code). L'analisi SPECT ha mostrato un aumento di rCBF in 8 dei 12 soggetti dello studio (66,7%). L'analisi quantitativa SPECT ha rivelato un aumento significativo di rCBF in questo sottogruppo di soggetti di studio e una differenza significativa tra i conteggi di raggi gamma pre-trattamento e post-trattamento/cc [t = 3,77, df = 7, p = 0,007, 95% CI: 95.543,21 a 21,931.82]. Gli autori hanno notato che questo è stato il primo studio a riportare un'analisi SPECT quantitativa di rCBF nelle regioni di interesse dopo tPBMT pulsato con LED in TBI. Hanno concluso che il tPBMT pulsato che utilizza i LED ha mostrato risultati promettenti nel miglioramento della funzione cognitiva e dell'rCBF diversi anni dopo il trauma cranico, inoltre, sono necessari studi più ampi e controllati.

Gli autori hanno concluso che i limiti di questo studio includevano l'uso di un piccolo campione volontario (n = 12) senza gruppi di controllo o trattamento fittizio per il confronto. Si trattava di un disegno di serie di casi in cui tutti i soggetti ricevevano lo stesso trattamento e non veniva eseguito l'accecamento dei soggetti e dei medici che somministravano il trattamento. La distorsione inconscia dello sperimentatore e gli effetti placebo devono essere controllati in studi futuri. Forme alternative di valutazioni neuropsicologiche non sono state utilizzate a causa di budget, personale e vincoli di tempo, introducendo potenziali effetti sulla pratica. Una terza limitazione era la possibilità che la regressione alla media potesse spiegare parzialmente i risultati delle analisi SPECT quantitative a causa del cut-off dei criteri di selezione di z minore o uguale a 1.00. Teoricamente, la rimozione dei criteri di selezione allevierebbe questo problema, tuttavia, è uno degli identificatori di best practice per il rCBF ridotto associato a TBI. Un'altra possibile limitazione era la riproducibilità della SPECT, anche se la ricerca ha mostrato che la riproducibilità della SPECT è compresa tra ± 1,3 % e 5 %.

Rigenerazione ossea

Tani e colleghi (2018) hanno notato che il PBM è stato utilizzato per scopi rigenerativi dell'osso in diversi campi della medicina e dell'odontoiatria, ma i risultati contraddittori richiedono uno sguardo scettico sui suoi potenziali benefici. In uno studio in vitro, questi ricercatori hanno confrontato le potenzialità del PBM con laser a diodi rossi (635 ± 5 nm) o nel vicino infrarosso (NIR, 808 ± 10 nm) e diodi emettitori di luce viola-blu (405 ± 5 nm) operanti in un'onda continua con una densità di energia di 0,4 J/cm², sulla vitalità, proliferazione, adesione e differenziazione osteogenica degli osteoblasti umani e delle cellule stromali mesenchimali (hMSC). I trattamenti PBM non hanno alterato la vitalità (saggi PI/Syto16 e MTS). L'immunofluorescenza confocale e le analisi RT-PCR hanno indicato che il PBM rosso su entrambi i tipi di cellule ha aumentato i cluster ricchi di vinculina, l'espressione dei marcatori osteogenici (Runx-2, fosfatasi alcalina, osteopontina) e la deposizione di strutture noduli simili all'osso mineralizzata e sulle hMSC ha indotto la formazione di fibre da stress e up-regolato l'espressione del marker di proliferazione Ki67. È interessante notare che le risposte degli osteoblasti alla luce rossa sono state mediate dall'attivazione della segnalazione di Akt, che sembrava modulare positivamente i livelli delle specie reattive dell'ossigeno. Le cellule irradiate con luce viola-blu si sono comportate essenzialmente come quelle non trattate e quelle irradiate con NIR hanno mostrato modifiche dell'assemblaggio del citoscheletro, dell'espressione di Runx-2 e del pattern di mineralizzazione. Gli autori hanno concluso che, sebbene entro i limiti di una sperimentazione in vitro, questo studio potrebbe suggerire la PBM con laser a 635 nm come potenziale opzione efficace per promuovere/migliorare la rigenerazione ossea.

Disturbo temporomandibolare

Il disturbo temporomandibolare (TMD) di Sousa e colleghi (2019) è considerato la causa principale del dolore orofacciale di origine non dentale e un problema di salute pubblica. La sintomatologia è costituita da dolore muscolare e/o articolare, restrizione del range di movimento mandibolare (ROM) e cambiamenti nel pattern di movimento mandibolare. A causa della sua complessità, esistono già trattamenti che utilizzano varie forme di terapia. La fotobiomodulazione che utilizza sorgenti luminose, come laser a basso livello o diodi emettitori di luce (LED), con diverse lunghezze d'onda, in forma singola o combinata, consente di esplorare una risorsa terapeutica in più. L'obiettivo di questo studio è valutare gli effetti della PBM con l'uso simultaneo di LED rossi e infrarossi, sul dolore, sull'ampiezza dei movimenti mandibolari e sull'attività elettrica dei muscoli masticatori in individui con DTM.Viene proposto uno studio clinico randomizzato, controllato, in doppio cieco, che coinvolgerà 33 individui (n = 11 per gruppo) di entrambi i sessi, di età compresa tra 18 e 45 anni in 3 gruppi: gruppo LED gruppo placebo e gruppo di controllo, sottoposto a 6 gruppi non -sessioni consecutive di PBM per un totale di 2 settimane di trattamento. I criteri diagnostici di ricerca per i disturbi temporomandibolari-RDC/TMD saranno utilizzati per valutare e determinare il dolore TMD dei soggetti sarà valutato utilizzando la VAS, il ROM mandibolare sarà determinato con l'ausilio di un calibro digitale e l'attività elettrica della masticazione i muscoli saranno verificati mediante elettromiografia (EMG). Per il PBM verrà utilizzata una piastra mista di 18 LED rossi-660 nm e 18 LED infrarossi-850 nm con potenza di 3,5 mW per LED, 4,45 mW/cm, esposizione radiante di 5,35 J/cm. L'area irradiata sarà di 14,13 cm, e l'energia di 75,6 J, nella regione dell'ATM e nei muscoli masseteri e temporali bilaterali. I soggetti di tutti i gruppi saranno rivalutati dopo il primo intervento terapeutico e alla fine del trattamento. Gli autori si aspettano che l'uso del PBM con LED, infrarossi e rossi, riduca il dolore, migliori la funzione dell'articolazione temporomandibolare nei pazienti con TMD e quindi migliori le condizioni generali del paziente.

Coagulazione a infrarossi per il trattamento della displasia anale

Goldstone e collaboratori (2011) hanno affermato di aver precedentemente riferito di coagulazione a infrarossi (IRC) di lesioni squamose intraepiteliali anali di alto grado (HSIL) in uomini positivi al virus dell'immunodeficienza umana (HIV) e HIV-negativi che hanno rapporti sessuali con gli uomini (MSM) con un follow-up mediano di 1,5 anni. In uno studio di coorte retrospettivo, questi ricercatori hanno determinato i tassi di recidiva di HSIL dopo un follow-up a lungo termine per IRC e se i pazienti sono progrediti verso il cancro invasivo. Questo studio è stato condotto in un ambiente di pratica ambulatoriale. I pazienti valutati erano MSM sottoposti ad almeno 1 ablazione di HSIL anali IRC tra il 1999 e il 2005 con un follow-up aggiuntivo di almeno 1 anno. Gli esiti primari misurati erano la recidiva di HSIL e la progressione verso il carcinoma anale a cellule squamose (SCC). Sono stati inclusi un totale di 96 MSM (44 HIV-positivi) con un follow-up mediano di 48 e 69 mesi in MSM HIV-negativi e HIV-positivi il 35% dei soggetti HIV-positivi e il 31% dei soggetti HIV-negativi dall'originale coorte sono stati persi al follow-up. Negli MSM HIV-negativi, 32 (62%) hanno avuto una recidiva in una media di 14 mesi. I tassi di recidiva dopo il 2° e il 3° trattamento sono stati del 48% e del 57%. In MSM HIV-positivi, 40 (91%) hanno avuto una recidiva in una media di 17 mesi. I tassi di recidiva dopo il 2°, 3° e 4° IRC sono stati del 63%, 85% e 47%. Dopo la prima ablazione, gli MSM HIV-positivi avevano una probabilità 1,9 volte maggiore di recidiva rispetto agli MSM HIV-negativi (p = 0,009). Un anno dopo la prima ablazione, il 61 % degli MSM HIV-positivi presentava HSIL ricorrenti rispetto al 38 % degli MSM HIV-negativi. Un anno dopo la seconda ablazione, il 49% degli MSM HIV-positivi presentava HSIL ricorrenti rispetto al 28% degli MSM HIV-negativi. Negli MSM HIV-negativi e HIV-positivi, la probabilità di curare una lesione individuale dopo la prima ablazione era dell'80% e del 67%. La maggior parte delle recidive era dovuta allo sviluppo di lesioni metacrone verificatesi nell'82 % e nel 52 % dei soggetti HIV positivi e HIV negativi dopo il primo trattamento IRC. Il numero medio di lesioni ricorrenti per MSM sia HIV-positivi che HIV-negativi non è mai stato maggiore di 2. Nessun MSM ha sviluppato SCC e non ci sono stati SAE. All'ultima visita, l'82% degli MSM positivi all'HIV e il 90% degli MSM negativi all'HIV erano privi di HSIL. Gli autori hanno concluso che l'ablazione IRC era un trattamento efficace per gli HSIL e che nessun paziente è progredito verso il cancro. Questi ricercatori hanno affermato che i principali svantaggi di questo studio erano il suo disegno retrospettivo e che si trattava di uno studio osservazionale con una significativa perdita al follow-up (35% dei soggetti HIV-positivi e 31% dei soggetti HIV-negativi della coorte originale).

Alam e colleghi (2016) hanno notato che esiste ambiguità riguardo alla gestione ottimale della neoplasia intraepiteliale anale (AIN) III. In una revisione sistematica, questi ricercatori hanno confrontato le linee guida della società internazionale/nazionale attualmente disponibili in letteratura sulla gestione, il trattamento e la sorveglianza dell'AIN III. Inoltre, hanno esaminato la qualità degli studi utilizzati per compilare le linee guida e chiarito la terminologia utilizzata nella valutazione istologica. Questi ricercatori hanno effettuato una ricerca elettronica su PubMed ed Embase utilizzando i termini di ricerca "neoplasia intraepiteliale anale", "AIN", "cancro anale", "linee guida", "sorveglianza" e "gestione". Sono state incluse revisioni della letteratura e linee guida o linee guida pratiche in riviste peer-reviewed dal 1 gennaio 2000 al 31 dicembre 2014 che valutano il trattamento, la sorveglianza o la gestione dei pazienti con AIN correlati al virus del papilloma umano (HPV). Le linee guida identificate dalla ricerca sono state valutate per la qualità delle prove dietro di esse utilizzando i livelli di evidenza 2011 dell'Oxford Center for Evidence-based Medicine. La ricerca nel database ha identificato 5.159 articoli e 2 ulteriori linee guida sono state tratte dalle linee guida ufficiali dell'ente. Dopo l'applicazione dei criteri di inclusione, sono stati rivisti 28 documenti full-text 25 di questi sono stati esclusi, lasciando 3 linee guida per l'inclusione nella revisione sistematica: quelle pubblicate dall'Associazione di Coloproctologia di Gran Bretagna e Irlanda, dall'American Society of Colon and Rectal Surgeons e la Società Italiana di Chirurgia Colorettale. Non sono state identificate linee guida sulla gestione dell'AIN III da associazioni e società di virus del papilloma umano. Tutte e 3 le linee guida hanno concordato che un alto indice di sospetto clinico era essenziale per la diagnosi di AIN con una storia specifica della malattia, esame fisico, esame rettale digitale (DRE) e citologia anale. C'era uno scambio di terminologia da AIN di alto grado (HGAIN) (che incorporava AIN II/III) e AIN III nella letteratura che portava a confusione nell'uso della terapia. Il trattamento variava dall'immunomodulazione e PDT alla distruzione mirata di aree di HGAIN/AIN II/III mediante IRC, elettrocauterizzazione, crioterapia o escissione chirurgica, ma con scarso consenso tra le linee guida. Le raccomandazioni sulle strategie di sorveglianza erano similmente discordanti, variando dall'esame obiettivo semestrale all'anoscopia ± biopsia annuale. Oltre il 50 % delle raccomandazioni si basava su prove di livello III o IV e molte sono state compilate utilizzando studi che avevano più di 10 anni. Gli autori hanno concluso che, nonostante la concordanza sulla diagnosi, c'era una variazione significativa nelle linee guida rispetto alle raccomandazioni sul trattamento e sulla sorveglianza dei pazienti con HGAIN/AIN II/III. Tutti e tre i set di linee guida erano basati su prove obsolete di basso livello provenienti dagli anni '80 e '90.

Goldstone e colleghi (2019) hanno notato che l'ablazione degli HSIL anali può ridurre l'incidenza del cancro invasivo, tuttavia, esistono pochi dati sull'efficacia del trattamento e sulla regressione naturale senza trattamento. In uno studio randomizzato, multicentrico, in aperto, questi ricercatori hanno esaminato gli effetti dell'IRC sugli HSIL anali (indice HSIL) in adulti con infezione da HIV di età superiore o uguale a 27 anni con da 1 a 3 HSIL anali testati da biopsia senza storia precedente di HSIL. I soggetti sono stati randomizzati 1:1 all'ablazione HSIL con IRC (trattamento) o nessun trattamento (monitoraggio attivo [AM]). I soggetti sono stati seguiti ogni 3 mesi con anoscopia ad alta risoluzione. I soggetti in trattamento sono stati sottoposti a biopsie anali di sospetti HSIL nuovi o ricorrenti. I soggetti AM sono stati sottoposti a biopsie solo al mese 12. L'end-point primario era la completa clearance dell'indice HSIL al mese 12. Questi ricercatori hanno randomizzato 120 soggetti. La clearance completa dell'indice HSIL si è verificata più frequentemente nel gruppo di trattamento rispetto all'AM (62% contro 30% di differenza di rischio, 32% 95% CI: 13% - 48% p < 0,001). La clearance completa o parziale (clearance maggiore o uguale a 1 indice HSIL) si è verificata più comunemente nel gruppo di trattamento (82% contro 47% di differenza di rischio, 35% 95% CI: 16% - 50% p < 0,001). Avere una singola lesione indice, rispetto all'avere da 2 a 3 lesioni, era significativamente associato alla clearance completa (rischio relativo, 1,96 95% CI: 1,22-3,10). Gli eventi avversi più comuni correlati al trattamento sono stati dolore anale e sanguinamento lievi o moderati. Nessun SAE è stato ritenuto correlato al trattamento o alla partecipazione allo studio. Gli autori hanno concluso che l'ablazione IRC degli HSIL anali ha determinato una maggiore eliminazione degli HSIL rispetto alla sola osservazione.

Gli autori hanno affermato che questo studio presentava diversi inconvenienti. Come accennato in precedenza, più soggetti con 2 o 3 lesioni indice sono stati randomizzati ad AM, il che potrebbe influenzare i risultati. Era possibile che la differenza assoluta negli HSIL fosse sovrastimata, dato che al basale il gruppo AM aveva più HSIL del gruppo di trattamento, ma nel modello multivariabile il RR della clearance HSIL era ancora significativo. Questi ricercatori hanno arruolato soggetti con piccole lesioni, che potrebbero sovrastimare la risposta, perché le piccole lesioni possono avere maggiori probabilità di risolversi con il trattamento o regredire senza trattamento rispetto a lesioni grandi. Questi ricercatori erano tutti abbastanza esperti nel trattamento degli HSIL e i soggetti erano per lo più uomini bianchi, affetti da HIV con malattia limitata, che ricevevano una terapia anti-retrovirale con soppressione virale soddisfacente e ricostituzione immunitaria, rendendo i risultati meno generalizzabili ad altri fornitori e popolazioni. La forza complessiva di questo studio si basava sul fatto che si trattava del primo studio prospettico, multi-sito e randomizzato in grado di determinare se l'ablazione dell'HSIL fosse o meno superiore alla sola AM nell'eliminare gli HSIL negli individui con infezione da HIV.

Corral e colleghi (2019) hanno affermato che la neoplasia intraepiteliale anale (AIN) (o neoplasia intraepiteliale squamosa di basso/alto grado (L/HSIL)) è il precursore del cancro anale invasivo precoce. Sono state riportate diverse opzioni terapeutiche per l'ablazione locale di lesioni localizzate. In una revisione sistematica, questi ricercatori hanno analizzato la sicurezza e l'efficacia dell'IRC per il trattamento della displasia anale. Hanno effettuato una ricerca della letteratura nel 2019 utilizzando PubMed e Cochrane per identificare tutti gli studi idonei pubblicati che riportano dati sul trattamento della displasia anale con IRC. La percentuale di SCC dell'ano che si è sviluppata nel follow-up ei risultati sulle complicanze maggiori dopo il trattamento sono stati gli esiti primari. Sono stati identificati un totale di 24 articoli di cui 6 sono stati selezionati con un totale di 360 pazienti inclusi, con un'età media di 41,8 anni 3 studi erano prospettici e 3 retrospettivi, solo 1 era uno studio randomizzato. Tutti gli articoli includevano uomini, 4 articoli includevano donne sieropositive e solo 1 articolo includeva uomini non infetti da HIV. Nessun paziente ha sviluppato complicanze maggiori dopo la terapia con IRC. Il dolore è stato il sintomo più comune riscontrato dopo la procedura nelle diverse serie e il sanguinamento lieve che non ha richiesto trasfusione è stata la complicanza più comune che si è verificata nel 4-78 % dei pazienti. Il follow-up mediano è stato compreso tra 4,7 e 69 mesi. Nessun paziente ha sviluppato SCC dopo IRC. L'HSIL ricorrente variava dal 10 al 38% 2 studi hanno riportato risultati dal follow-up di pazienti non trattati che mostrano che tra il 72 e il 93 % di loro presentava HSIL persistente all'ultimo follow-up e il 4,8% ha sviluppato SCC. Gli autori hanno concluso che l'IRC era un metodo sicuro ed efficace per l'ablazione della displasia anale di alto grado che potrebbe aiutare a prevenire il cancro anale. Si raccomanda una sorveglianza continua a causa del rischio di recidiva.

Inoltre, una revisione UpToDate su "Lesioni intraepiteliali squamose anali: diagnosi, screening, prevenzione e trattamento" (Palefsky e Cranston, 2020) afferma che "Coagulazione a infrarossi, hyfrecation, coagulazione con plasma di argon e ablazione con radiofrequenza - Per lesioni troppo grande per TCA, è possibile utilizzare la coagulazione a infrarossi (IRC) ambulatoriale. Questo dispositivo è approvato dalla Food and Drug Administration (FDA) statunitense per il trattamento delle emorroidi e delle verruche anali. Il trattamento consiste nell'applicazione diretta di un impulso di irradiazione di 1,5 secondi nella gamma dell'infrarosso all'epitelio anale displasico, che provoca la distruzione del tessuto ad una profondità di circa 1,5 mm. Il tessuto coagulato può quindi essere sbrigliato utilizzando una pinza per biopsia di Tischler. Le possibili complicanze correlate alla procedura includono sanguinamento e infezione immediati e ritardati. IRC non è ancora approvato dalla FDA per il trattamento del SIL anale. Numerosi studi hanno dimostrato la sicurezza e l'efficacia dell'IRC sia in individui con infezione da HIV che in individui non infetti da HIV. Ad esempio, in uno studio randomizzato in aperto su 120 adulti infetti da HIV con HSIL anale, la clearance dell'HSIL a indice completo era più frequente nel gruppo di trattamento rispetto al gruppo di monitoraggio (62 contro 30%, differenza di rischio 32%, 95% CI 13-48 %). Come altro esempio, in uno studio retrospettivo su 96 uomini, il trattamento con IRC è stato seguito da recidiva in una media di 14 mesi nel 62% di coloro che non erano infetti da HIV e nel 91% di coloro che erano infetti da HIV. Sebbene nella maggior parte dei casi fossero necessari più ritrattamenti, nessuno degli uomini è progredito verso il carcinoma a cellule squamose. Non ci furono seri eventi sfavorevoli".


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Nel 1800, gli studi sul movimento degli occhi sono stati effettuati utilizzando osservazioni dirette. Ad esempio, Louis Émile Javal osservò nel 1879 che la lettura non comporta un movimento fluido degli occhi lungo il testo, come precedentemente ipotizzato, ma una serie di brevi fermate (chiamate fissazioni) e veloci saccadi. [1] Questa osservazione ha sollevato importanti interrogativi sulla lettura, interrogativi che furono approfonditi nel corso del Novecento: Su quali parole si fermano gli occhi? Per quanto? Quando regrediscono a parole già viste?

Edmund Huey [2] costruì uno dei primi eye tracker, usando una sorta di lente a contatto con un foro per la pupilla. L'obiettivo era collegato a un puntatore in alluminio che si muoveva in risposta al movimento dell'occhio. Huey ha studiato e quantificato le regressioni (solo una piccola percentuale di saccadi sono regressioni) e ha mostrato che alcune parole in una frase non sono fissate.

I primi eye-tracker non intrusivi furono costruiti da Guy Thomas Buswell a Chicago, utilizzando fasci di luce che venivano riflessi sull'occhio e poi registrandoli su pellicola. Buswell ha condotto studi sistematici sulla lettura [3] e sulla visualizzazione di immagini. [4]

Negli anni '50, Alfred L. Yarbus [5] condusse importanti ricerche sull'eye tracking e il suo libro del 1967 è spesso citato. Ha mostrato che il compito assegnato a un soggetto ha un'influenza molto grande sul movimento degli occhi del soggetto. Ha anche scritto sulla relazione tra fissazioni e interesse:

"Tutti i documenti mostrano in modo conclusivo che il carattere del movimento oculare è completamente indipendente o solo leggermente dipendente dal materiale dell'immagine e da come è stata realizzata, a condizione che sia piatto o quasi piatto". [6] Il modello ciclico nell'esame delle immagini "dipende non solo da ciò che viene mostrato nell'immagine, ma anche dal problema che deve affrontare l'osservatore e dalle informazioni che spera di ottenere dall'immagine". [7]

Negli anni '70, la ricerca sul tracciamento oculare si è espansa rapidamente, in particolare la ricerca sulla lettura. Una buona panoramica della ricerca in questo periodo è fornita da Rayner. [13]

Nel 1980, Just e Carpenter [14] formularono l'influente Ipotesi occhio-mente forte, che "non c'è ritardo apprezzabile tra ciò che è fissato e ciò che viene elaborato". Se questa ipotesi è corretta, allora quando un soggetto guarda una parola o un oggetto, ci pensa anche (processo cognitivamente) e per il tempo esatto della fissazione registrata. L'ipotesi è spesso data per scontata dai ricercatori che utilizzano l'eye-tracking. Tuttavia, le tecniche dello sguardo contingente offrono un'opzione interessante per districare le attenzioni palesi e nascoste, per differenziare ciò che è fissato e ciò che viene elaborato.

Durante gli anni '80, l'ipotesi occhio-mente è stata spesso messa in discussione alla luce dell'attenzione nascosta, [15] [16] l'attenzione a qualcosa che non si sta guardando, cosa che le persone spesso fanno. Se l'attenzione nascosta è comune durante le registrazioni del tracciamento oculare, il percorso di scansione e gli schemi di fissazione risultanti spesso non mostrano dove è stata la nostra attenzione, ma solo dove l'occhio ha guardato, non riuscendo a indicare l'elaborazione cognitiva.

Gli anni '80 hanno visto anche la nascita dell'utilizzo dell'eye-tracking per rispondere a domande relative all'interazione uomo-computer. In particolare, i ricercatori hanno studiato il modo in cui gli utenti cercano i comandi nei menu del computer. [17] Inoltre, i computer hanno permesso ai ricercatori di utilizzare i risultati del tracciamento oculare in tempo reale, principalmente per aiutare gli utenti disabili. [17]

Più di recente, c'è stata una crescita nell'uso del tracciamento oculare per studiare come gli utenti interagiscono con diverse interfacce di computer. Le domande specifiche poste dai ricercatori riguardano la facilità con cui le diverse interfacce sono per gli utenti. [17] I risultati della ricerca sull'eye tracking possono portare a cambiamenti nel design dell'interfaccia. Un'altra recente area di ricerca si concentra sullo sviluppo del Web. Ciò può includere il modo in cui gli utenti reagiscono ai menu a discesa o dove concentrano la loro attenzione su un sito Web in modo che lo sviluppatore sappia dove posizionare un annuncio. [18]

Secondo Hoffman, [19] l'attuale consenso è che l'attenzione visiva è sempre leggermente (da 100 a 250 ms) davanti all'occhio. Ma non appena l'attenzione si sposta su una nuova posizione, gli occhi vorranno seguirla. [20]

Non possiamo ancora dedurre processi cognitivi specifici direttamente da una fissazione su un particolare oggetto in una scena. [21] Ad esempio, una fissazione su un volto in un'immagine può indicare riconoscimento, simpatia, antipatia, perplessità ecc. Pertanto, il tracciamento oculare è spesso abbinato ad altre metodologie, come i protocolli verbali introspettivi.

Grazie al progresso dei dispositivi elettronici portatili, i tracker oculari portatili montati sulla testa attualmente possono raggiungere prestazioni eccellenti e vengono sempre più utilizzati nella ricerca e nelle applicazioni di mercato rivolte agli ambienti della vita quotidiana. [22] Questi stessi progressi hanno portato ad aumenti nello studio dei piccoli movimenti oculari che si verificano durante la fissazione, sia in laboratorio che in contesti applicati. [23]

Nel 21° secolo, l'uso dell'intelligenza artificiale (AI) e delle reti neurali artificiali è diventato un modo praticabile per completare le attività e l'analisi del tracciamento oculare. In particolare, la rete neurale convoluzionale si presta al tracciamento oculare, poiché è progettata per compiti incentrati sull'immagine. Con l'intelligenza artificiale, le attività e gli studi di tracciamento oculare possono fornire informazioni aggiuntive che potrebbero non essere state rilevate da osservatori umani. La pratica del deep learning consente anche a una determinata rete neurale di migliorare in un determinato compito quando vengono forniti dati di esempio sufficienti. Tuttavia, ciò richiede una fornitura relativamente ampia di dati di addestramento. [24]

I potenziali casi d'uso dell'IA nel tracciamento oculare coprono un'ampia gamma di argomenti, dalle applicazioni mediche [25] alla sicurezza del conducente [24] alla teoria dei giochi. [26] Sebbene la struttura della CNN possa adattarsi relativamente bene al compito di tracciamento oculare, i ricercatori hanno la possibilità di costruire una rete neurale personalizzata adattata allo specifico compito da svolgere. In questi casi, queste creazioni interne possono superare i modelli preesistenti per una rete neurale. [27] In questo senso, resta da vedere se esiste un modo per determinare la struttura di rete ideale per un determinato compito.

Gli eye-tracker misurano le rotazioni dell'occhio in diversi modi, ma principalmente rientrano in una delle tre categorie seguenti: (i) misurazione del movimento di un oggetto (normalmente, una speciale lente a contatto) attaccato all'occhio (ii) ottica tracciamento senza contatto diretto con l'occhio e (iii) misurazione dei potenziali elettrici mediante elettrodi posti intorno agli occhi.

Tracciamento dell'occhio Modifica

Il primo tipo utilizza un attacco per l'occhio, come una speciale lente a contatto con uno specchio incorporato o un sensore di campo magnetico, e il movimento dell'attacco viene misurato partendo dal presupposto che non scivoli in modo significativo durante la rotazione dell'occhio. Le misurazioni con lenti a contatto aderenti hanno fornito registrazioni estremamente sensibili del movimento oculare e le bobine di ricerca magnetiche sono il metodo di scelta per i ricercatori che studiano la dinamica e la fisiologia sottostante del movimento oculare. Questo metodo consente la misurazione del movimento oculare in direzione orizzontale, verticale e di torsione. [28]

Tracciamento ottico Modifica

La seconda ampia categoria utilizza un metodo ottico senza contatto per misurare il movimento degli occhi. La luce, tipicamente infrarossa, viene riflessa dall'occhio e rilevata da una videocamera o da un altro sensore ottico appositamente progettato. Le informazioni vengono quindi analizzate per estrarre la rotazione dell'occhio dai cambiamenti nei riflessi. Gli eye tracker basati su video in genere utilizzano il riflesso corneale (la prima immagine di Purkinje) e il centro della pupilla come caratteristiche da monitorare nel tempo. Un tipo più sensibile di eye-tracker, il doppio eye tracker di Purkinje, [29] utilizza i riflessi dalla parte anteriore della cornea (prima immagine di Purkinje) e dal retro dell'obiettivo (quarta immagine di Purkinje) come caratteristiche da monitorare. Un metodo di tracciamento ancora più sensibile è quello di visualizzare le caratteristiche dall'interno dell'occhio, come i vasi sanguigni della retina, e seguire queste caratteristiche mentre l'occhio ruota. I metodi ottici, in particolare quelli basati sulla registrazione video, sono ampiamente utilizzati per il monitoraggio dello sguardo e sono preferiti per essere non invasivi e poco costosi.

Misura del potenziale elettrico Modifica

La terza categoria utilizza potenziali elettrici misurati con elettrodi posti intorno agli occhi. Gli occhi sono l'origine di un campo di potenziale elettrico costante che può essere rilevato anche nell'oscurità totale e se gli occhi sono chiusi. Può essere modellato per essere generato da un dipolo con il suo polo positivo sulla cornea e il suo polo negativo sulla retina. Il segnale elettrico che può essere derivato utilizzando due coppie di elettrodi a contatto posti sulla pelle intorno a un occhio è chiamato Elettrooculogramma (EOG). Se gli occhi si spostano dalla posizione centrale verso la periferia, la retina si avvicina ad un elettrodo mentre la cornea si avvicina a quello opposto. Questo cambiamento nell'orientamento del dipolo e di conseguenza il campo di potenziale elettrico provoca un cambiamento nel segnale EOG misurato. Inversamente, analizzando questi cambiamenti nel movimento degli occhi è possibile monitorare. A causa della discretizzazione data dalla disposizione comune degli elettrodi, è possibile identificare due componenti di movimento separate, una orizzontale e una verticale. Un terzo componente EOG è il canale EOG radiale, [30] che è la media dei canali EOG riferiti ad alcuni elettrodi posteriori del cuoio capelluto. Questo canale EOG radiale è sensibile ai potenziali spike saccadici derivanti dai muscoli extraoculari all'inizio delle saccadi e consente il rilevamento affidabile anche di saccadi in miniatura. [31]

A causa di potenziali derive e relazioni variabili tra le ampiezze del segnale EOG e le dimensioni della saccade, è difficile utilizzare l'EOG per misurare il movimento lento degli occhi e rilevare la direzione dello sguardo. L'EOG è, tuttavia, una tecnica molto robusta per misurare il movimento oculare saccadico associato agli spostamenti dello sguardo e al rilevamento dei battiti di ciglia. Contrariamente agli eye-tracker basati su video, l'EOG consente la registrazione dei movimenti oculari anche ad occhi chiusi e può quindi essere utilizzato nella ricerca del sonno. È un approccio molto leggero che, a differenza degli attuali eye-tracker basati su video, richiede solo una potenza di calcolo molto bassa in diverse condizioni di illuminazione e può essere implementato come un sistema indossabile integrato e autonomo. [32] [33] È quindi il metodo di scelta per misurare il movimento degli occhi in situazioni di vita quotidiana mobile e fasi REM durante il sonno. Il principale svantaggio di EOG è la sua precisione relativamente scarsa nella direzione dello sguardo rispetto a un tracker video. Cioè, è difficile determinare con una buona precisione esattamente dove sta guardando un soggetto, sebbene sia possibile determinare il tempo dei movimenti oculari.

I design attuali più utilizzati sono gli eye-tracker basati su video. Una fotocamera mette a fuoco uno o entrambi gli occhi e registra il movimento degli occhi mentre lo spettatore guarda un qualche tipo di stimolo. La maggior parte degli eye-tracker moderni utilizza il centro della pupilla e la luce infrarossa/vicina all'infrarosso non collimata per creare riflessi corneali (CR). Il vettore tra il centro della pupilla ei riflessi corneali può essere utilizzato per calcolare il punto di vista sulla superficie o la direzione dello sguardo. Di solito è necessaria una semplice procedura di calibrazione dell'individuo prima di utilizzare l'eye tracker. [34]

Vengono utilizzati due tipi generali di tecniche di tracciamento oculare a infrarossi/vicino infrarosso (noto anche come luce attiva): pupilla luminosa e pupilla scura. La loro differenza si basa sulla posizione della sorgente luminosa rispetto all'ottica. Se l'illuminazione è coassiale con il percorso ottico, l'occhio funge da retroriflettore poiché la luce si riflette sulla retina creando un effetto pupilla brillante simile all'occhio rosso. Se la sorgente di illuminazione è sfalsata rispetto al percorso ottico, la pupilla appare scura perché la retroriflessione della retina è diretta lontano dalla telecamera. [35]

Il tracciamento della pupilla luminosa crea un maggiore contrasto iride/pupilla, consentendo un tracciamento oculare più robusto con tutta la pigmentazione dell'iride e riduce notevolmente le interferenze causate dalle ciglia e da altre caratteristiche oscuranti. [36] Consente inoltre il tracciamento in condizioni di illuminazione che vanno dal buio totale a molto luminoso.

Un altro metodo, meno utilizzato, è noto come luce passiva. Utilizza la luce visibile per illuminare, qualcosa che può causare alcune distrazioni agli utenti. [35] Un'altra sfida con questo metodo è che il contrasto della pupilla è inferiore rispetto ai metodi a luce attiva, quindi il centro dell'iride viene invece utilizzato per calcolare il vettore. [37] Questo calcolo deve rilevare il confine dell'iride e della sclera bianca (inseguimento del limbus). Presenta un'altra sfida per i movimenti oculari verticali a causa dell'ostruzione delle palpebre. [38]

Infrarosso/vicino infrarosso: pupilla luminosa.

Infrarosso/vicino infrarosso: pupilla scura e riflesso corneale.

Luce visibile: centro dell'iride (rosso), riflesso corneale (verde) e vettore di uscita (blu).

Le configurazioni del tracciamento oculare variano notevolmente: alcune sono montate sulla testa, alcune richiedono che la testa sia stabile (ad esempio, con una mentoniera) e alcune funzionano in remoto e tracciano automaticamente la testa durante il movimento. La maggior parte utilizza una frequenza di campionamento di almeno 30 Hz. Sebbene 50/60 Hz sia più comune, oggi molti eye tracker basati su video funzionano a 240, 350 o addirittura 1000/1250 Hz, velocità necessarie per catturare i movimenti oculari fissativi o misurare correttamente la dinamica della saccade.

I movimenti oculari sono generalmente suddivisi in fissazioni e saccadi: quando lo sguardo dell'occhio si ferma in una certa posizione e quando si sposta in un'altra posizione, rispettivamente. La serie risultante di fissazioni e saccadi è chiamata percorso di scansione. L'inseguimento regolare descrive l'occhio che segue un oggetto in movimento. I movimenti oculari di fissazione includono microsaccadi: piccole saccadi involontarie che si verificano durante il tentativo di fissazione. La maggior parte delle informazioni dell'occhio viene resa disponibile durante una fissazione o un inseguimento graduale, ma non durante una saccade. [39]

Gli scanpath sono utili per analizzare l'intento cognitivo, l'interesse e la rilevanza. Anche altri fattori biologici (alcuni semplici come il sesso) possono influenzare il percorso di scansione. Il tracciamento oculare nell'interazione uomo-computer (HCI) in genere indaga il percorso di scansione per scopi di usabilità o come metodo di input nei display contingenti dello sguardo, noti anche come interfacce basate sullo sguardo. [40]

L'interpretazione dei dati che vengono registrati dai vari tipi di eye-tracker utilizza una varietà di software che li anima o li rappresenta visivamente, in modo che il comportamento visivo di uno o più utenti possa essere riassunto graficamente. Il video è generalmente codificato manualmente per identificare gli AOI (Area di interesse) o di recente utilizzando l'intelligenza artificiale. La presentazione grafica è raramente la base dei risultati della ricerca, poiché sono limitati in termini di ciò che può essere analizzato - la ricerca basata sull'eye-tracking, ad esempio, di solito richiede misure quantitative degli eventi del movimento oculare e dei loro parametri, Le seguenti visualizzazioni sono le più comunemente usato:

Rappresentazioni animate di un punto sull'interfaccia Questo metodo viene utilizzato quando il comportamento visivo viene esaminato individualmente indicando dove l'utente ha focalizzato lo sguardo in ogni momento, integrato con un piccolo percorso che indica i precedenti movimenti della saccade, come si vede nell'immagine.

Rappresentazioni statiche del percorso saccadico Questo è abbastanza simile a quello descritto sopra, con la differenza che questo è un metodo statico. Per interpretare questo è necessario un livello di competenza superiore rispetto a quelli animati.

Mappe di calore Una rappresentazione statica alternativa, utilizzata principalmente per l'analisi agglomerata dei pattern di esplorazione visiva in un gruppo di utenti. In queste rappresentazioni, le zone "calde" o le zone con maggiore densità designano dove gli utenti focalizzano il loro sguardo (non la loro attenzione) con una frequenza maggiore. Le mappe di calore sono la tecnica di visualizzazione più nota per gli studi di eyetracking. [41]

Mappe delle zone cieche o mappe di messa a fuoco Questo metodo è una versione semplificata delle mappe di calore in cui le zone visivamente meno frequentate dagli utenti vengono visualizzate in modo chiaro, consentendo così una più facile comprensione delle informazioni più rilevanti, vale a dire, siamo informati su quali zone non sono state viste da gli utenti.

Mappe di salienza Simile alle mappe di calore, una mappa di salienza illustra le aree di messa a fuoco visualizzando in modo brillante gli oggetti che attirano l'attenzione su una tela inizialmente nera. Maggiore è la messa a fuoco di un particolare oggetto, più luminoso apparirà. [42]

Gli eye-tracker misurano necessariamente la rotazione dell'occhio rispetto a qualche sistema di riferimento. Questo di solito è legato al sistema di misura. Pertanto, se il sistema di misurazione è montato sulla testa, come con EOG o un sistema basato su video montato su un casco, vengono misurati gli angoli dell'occhio nella testa. Per dedurre la linea di vista in coordinate mondiali, la testa deve essere mantenuta in una posizione costante o anche i suoi movimenti devono essere tracciati. In questi casi, la direzione della testa viene aggiunta alla direzione dello sguardo nella testa per determinare la direzione dello sguardo.

Se il sistema di misurazione è montato su un tavolo, come con le bobine di ricerca sclerali o i sistemi di telecamere montati su tavolo ("remoti"), gli angoli di sguardo vengono misurati direttamente in coordinate mondiali. In genere, in queste situazioni sono vietati i movimenti della testa. Ad esempio, la posizione della testa viene fissata utilizzando una barra per il morso o un supporto per la fronte. Quindi un quadro di riferimento centrato sulla testa è identico a un quadro di riferimento centrato sul mondo. O colloquialmente, la posizione dell'occhio nella testa determina direttamente la direzione dello sguardo.

Alcuni risultati sono disponibili sui movimenti dell'occhio umano in condizioni naturali in cui sono consentiti anche i movimenti della testa. [43] La posizione relativa dell'occhio e della testa, anche con una direzione costante dello sguardo, influenza l'attività neuronale nelle aree visive superiori. [44]

Molte ricerche sono state dedicate allo studio dei meccanismi e delle dinamiche della rotazione dell'occhio, ma l'obiettivo dell'eye-tracking è molto spesso quello di stimare la direzione dello sguardo. Gli utenti potrebbero essere interessati a quali caratteristiche di un'immagine attirano l'attenzione, ad esempio. È importante rendersi conto che l'eye-tracker non fornisce una direzione assoluta dello sguardo, ma può misurare solo i cambiamenti nella direzione dello sguardo. Per sapere con precisione cosa sta guardando un soggetto, è necessaria una procedura di calibrazione in cui il soggetto guardi un punto o una serie di punti, mentre l'eye tracker registra il valore che corrisponde a ciascuna posizione dello sguardo. (Anche quelle tecniche che tracciano le caratteristiche della retina non possono fornire la direzione esatta dello sguardo perché non esiste una caratteristica anatomica specifica che segni il punto esatto in cui l'asse visivo incontra la retina, se davvero esiste un punto così unico e stabile.) Un accurato e una calibrazione affidabile è essenziale per ottenere dati sui movimenti oculari validi e ripetibili, e questa può essere una sfida significativa per i soggetti non verbali o per coloro che hanno uno sguardo instabile.

Ogni metodo di eye-tracking presenta vantaggi e svantaggi e la scelta di un sistema di eye-tracking dipende da considerazioni di costo e applicazione. Esistono metodi offline e procedure online come AttentionTracking. Esiste un compromesso tra costo e sensibilità, con i sistemi più sensibili che costano molte decine di migliaia di dollari e richiedono una notevole esperienza per funzionare correttamente. I progressi nella tecnologia informatica e video hanno portato allo sviluppo di sistemi relativamente a basso costo utili per molte applicazioni e abbastanza facili da usare. [45] L'interpretazione dei risultati richiede ancora un certo livello di competenza, tuttavia, perché un sistema disallineato o mal calibrato può produrre dati estremamente errati.

Tracciamento oculare durante la guida di un'auto in una situazione difficile Modifica

Il movimento degli occhi di due gruppi di conducenti è stato filmato con una speciale telecamera frontale da un team del Politecnico federale di Svizzera: i conducenti principianti ed esperti hanno registrato il movimento degli occhi mentre si avvicinavano a una curva di una strada stretta. La serie di immagini è stata condensata dai fotogrammi originali del film [47] per mostrare 2 fissazioni oculari per immagine per una migliore comprensione.

Ciascuna di queste immagini fisse corrisponde a circa 0,5 secondi in tempo reale.

La serie di immagini mostra un esempio di fissazione degli occhi dal n. 9 al n. 14 di un tipico principiante e di un guidatore esperto.

Il confronto delle immagini in alto mostra che il guidatore esperto controlla la curva e ha persino la fissazione n. 9 rimasta per guardare da parte mentre il guidatore alle prime armi deve controllare la strada e stimare la sua distanza dall'auto parcheggiata.

Nelle immagini centrali, l'autista esperto è ora completamente concentrato sulla posizione in cui si può vedere un'auto in arrivo. Il conducente alle prime armi concentra la sua visuale sull'auto parcheggiata.

Nell'immagine in basso il principiante è impegnato a stimare la distanza tra il muro sinistro e l'auto parcheggiata, mentre il guidatore esperto può usare la sua visione periferica per questo e concentrare ancora la sua vista sul punto pericoloso della curva: se un'auto appare lì, deve cedere, io. e. fermatevi a destra invece di passare l'auto parcheggiata. [48]

Studi più recenti hanno anche utilizzato il tracciamento oculare montato sulla testa per misurare i movimenti oculari durante le condizioni di guida reali. [49] [23]

Tracciamento oculare di persone giovani e anziane mentre camminano Modifica

Mentre camminano, i soggetti anziani dipendono maggiormente dalla visione foveale rispetto ai soggetti più giovani. La loro velocità di deambulazione è ridotta da un campo visivo limitato, probabilmente causato da una visione periferica deteriorata.

I soggetti più giovani fanno uso della loro visione centrale e periferica mentre camminano. La loro visione periferica consente un controllo più rapido sul processo di deambulazione. [50]

Un'ampia varietà di discipline utilizza tecniche di eye-tracking, tra cui la psicologia delle scienze cognitive (in particolare la psicolinguistica il paradigma del mondo visivo), l'interazione uomo-computer (HCI), i fattori umani e l'ergonomia, la ricerca di mercato e la ricerca medica (diagnosi neurologica). [51] Applicazioni specifiche includono il rilevamento del movimento oculare nella lettura del linguaggio, la lettura della musica, il riconoscimento dell'attività umana, la percezione della pubblicità, la pratica di sport, il rilevamento della distrazione e la stima del carico cognitivo di conducenti e piloti e come mezzo per far funzionare i computer da persone con grave compromissione motoria. [23]

Applicazioni commerciali Modifica

Negli ultimi anni, la maggiore sofisticatezza e accessibilità delle tecnologie di eye-tracking hanno generato un grande interesse nel settore commerciale. Le applicazioni includono l'usabilità del Web, la pubblicità, la sponsorizzazione, la progettazione di pacchetti e l'ingegneria automobilistica. In generale, gli studi di eye-tracking commerciali funzionano presentando uno stimolo target a un campione di consumatori mentre un eye tracker viene utilizzato per registrare l'attività dell'occhio. Esempi di stimoli target possono includere siti web, programmi televisivi, eventi sportivi, film e spot pubblicitari, riviste e giornali, pacchetti, espositori, sistemi di consumo (bancomat, casse, chioschi) e software. I dati risultanti possono essere analizzati statisticamente e resi graficamente per fornire prove di modelli visivi specifici. Esaminando fissazioni, saccadi, dilatazione della pupilla, ammiccamenti e una varietà di altri comportamenti, i ricercatori possono determinare molto sull'efficacia di un determinato mezzo o prodotto. Mentre alcune aziende completano questo tipo di ricerca internamente, ci sono molte aziende private che offrono servizi e analisi di eye-tracking.

Un campo di ricerca commerciale sull'eye-tracking è l'usabilità del web. Mentre le tecniche di usabilità tradizionali sono spesso piuttosto potenti nel fornire informazioni sui modelli di clic e scorrimento, l'eye-tracking offre la possibilità di analizzare l'interazione dell'utente tra i clic e quanto tempo un utente trascorre tra i clic, fornendo così informazioni preziose su quali funzioni sono più accattivanti, le cui caratteristiche creano confusione e che vengono ignorate del tutto. In particolare, l'eye-tracking può essere utilizzato per valutare l'efficienza della ricerca, il marchio, la pubblicità online, l'usabilità della navigazione, il design generale e molti altri componenti del sito. Le analisi possono mirare a un prototipo oa un sito concorrente oltre al sito del cliente principale.

L'eye-tracking è comunemente usato in una varietà di diversi mezzi pubblicitari. Pubblicità, annunci stampa, annunci online e programmi sponsorizzati sono tutti favorevoli all'analisi con l'attuale tecnologia di tracciamento oculare. Un esempio è l'analisi dei movimenti oculari sugli annunci sulle Pagine Gialle. Uno studio si è concentrato su quali particolari caratteristiche hanno indotto le persone a notare un annuncio, se hanno visualizzato gli annunci in un ordine particolare e in che modo variavano i tempi di visualizzazione. Lo studio ha rivelato che le dimensioni dell'annuncio, la grafica, il colore e il testo influenzano l'attenzione sugli annunci pubblicitari. Sapere ciò consente ai ricercatori di valutare in modo molto dettagliato la frequenza con cui un campione di consumatori si fissa sul logo, sul prodotto o sull'annuncio target. Di conseguenza, un inserzionista può quantificare il successo di una determinata campagna in termini di effettiva attenzione visiva. [52] Un altro esempio di ciò è uno studio che ha scoperto che in una pagina dei risultati di un motore di ricerca, i frammenti di paternità hanno ricevuto più attenzione rispetto agli annunci a pagamento o persino al primo risultato organico. [53]

Ancora un altro esempio di ricerca commerciale di eye-tracking viene dal campo del reclutamento. Uno studio ha analizzato il modo in cui i reclutatori selezionano i profili Linkedin e ha presentato i risultati come mappe di calore. [54]

Applicazioni di sicurezza Modifica

Gli scienziati nel 2017 hanno costruito una rete neurale integrata profonda (DINN) da una rete neurale profonda e una rete neurale convoluzionale.[24] L'obiettivo era utilizzare il deep learning per esaminare le immagini dei conducenti e determinare il loro livello di sonnolenza "classificando gli stati oculari". Con un numero sufficiente di immagini, il DINN proposto potrebbe idealmente determinare quando i conducenti lampeggiano, quanto spesso lampeggiano e per quanto tempo. Da lì, potrebbe giudicare quanto sembra stanco un determinato guidatore, conducendo efficacemente un esercizio di eye-tracking. Il DINN è stato addestrato sui dati di oltre 2.400 soggetti e ha diagnosticato correttamente i loro stati nel 96%-99,5% delle volte. La maggior parte degli altri modelli di intelligenza artificiale ha funzionato a tassi superiori al 90%. [24] Questa tecnologia potrebbe idealmente fornire un'altra strada per il rilevamento della sonnolenza del conducente.

Applicazioni della teoria dei giochi Modifica

In uno studio del 2019, è stata costruita una rete neurale convoluzionale (CNN) con la capacità di identificare i singoli pezzi degli scacchi allo stesso modo in cui altre CNN possono identificare le caratteristiche del viso. [26] Sono stati quindi forniti dati di input di tracciamento oculare da trenta giocatori di scacchi di vari livelli di abilità. Con questi dati, la CNN ha utilizzato la stima dello sguardo per determinare le parti della scacchiera a cui un giocatore stava prestando molta attenzione. Ha quindi generato una mappa di salienza per illustrare quelle parti del tabellone. Alla fine, la CNN unirebbe la sua conoscenza del tabellone e dei pezzi con la sua mappa di salienza per prevedere la prossima mossa dei giocatori. Indipendentemente dal set di dati di allenamento su cui è stato addestrato il sistema di rete neurale, ha previsto la mossa successiva in modo più accurato rispetto a se avesse selezionato qualsiasi mossa possibile a caso e le mappe di salienza disegnate per ogni dato giocatore e situazione erano simili per oltre il 54%. [26]

Tecnologia assistiva Modifica

Le persone con gravi disabilità motorie possono utilizzare il tracciamento oculare per interagire con i computer [55] poiché è più veloce delle tecniche di scansione a interruttore singolo e intuitivo da usare. [56] [57] La ​​disabilità motoria causata dalla paralisi cerebrale [58] o dalla sclerosi laterale amiotrofica spesso colpisce il linguaggio e gli utenti con grave disabilità motoria e del linguaggio (SSMI) utilizzano un tipo di software noto come aiuto per la comunicazione aumentativa e alternativa (CAA), [59] che visualizza icone, parole e lettere sullo schermo [60] e utilizza un software di sintesi vocale per generare un output vocale. [61] In tempi recenti, i ricercatori hanno anche esplorato il tracciamento oculare per controllare i bracci robotici [62] e le sedie a rotelle elettriche. [63] Il tracciamento oculare è anche utile nell'analisi dei modelli di ricerca visiva, [64] rilevando la presenza di nistagmo e rilevando i primi segni di difficoltà di apprendimento analizzando il movimento dello sguardo degli occhi durante la lettura. [65]

Applicazioni aeronautiche Modifica

Il tracciamento oculare è già stato studiato per la sicurezza del volo confrontando i percorsi di scansione e la durata della fissazione per valutare i progressi dei tirocinanti pilota, [66] per stimare le abilità dei piloti, [67] per analizzare l'attenzione congiunta dell'equipaggio e la consapevolezza situazionale condivisa. [68] È stata anche esplorata la tecnologia di tracciamento oculare per interagire con i sistemi di visualizzazione montati sul casco [69] e i display multifunzionali [70] negli aerei militari. Sono stati condotti studi per studiare l'utilità dell'eye tracker per il bloccaggio del target Head-up e l'acquisizione del target Head-up nei sistemi di visualizzazione montati su casco (HMDS). [71] Il feedback dei piloti ha suggerito che, anche se la tecnologia è promettente, i suoi componenti hardware e software devono ancora essere maturati. [ citazione necessaria ] La ricerca sull'interazione con i display multifunzionali nell'ambiente del simulatore ha mostrato che il tracciamento oculare può migliorare significativamente i tempi di risposta e il carico cognitivo percepito rispetto ai sistemi esistenti. Inoltre, la ricerca ha anche studiato l'utilizzo di misurazioni della fissazione e delle risposte pupillari per stimare il carico cognitivo del pilota. La stima del carico cognitivo può aiutare a progettare cabine di pilotaggio adattive di prossima generazione con una maggiore sicurezza di volo. [72] L'eye tracking è utile anche per rilevare l'affaticamento del pilota. [73] [23]

Applicazioni automobilistiche Modifica

In tempi recenti, la tecnologia del tracciamento oculare viene studiata nel settore automobilistico in modo sia passivo che attivo. La National Highway Traffic Safety Administration ha misurato la durata dello sguardo per svolgere attività secondarie durante la guida e l'ha utilizzata per promuovere la sicurezza scoraggiando l'introduzione di dispositivi eccessivamente distraenti nei veicoli [74] Oltre al rilevamento della distrazione, il tracciamento oculare viene utilizzato anche per interagire con IVIS. [75] Sebbene la ricerca iniziale [76] abbia studiato l'efficacia del sistema di tracciamento oculare per l'interazione con l'HDD (Head Down Display), è stato comunque richiesto ai conducenti di distogliere lo sguardo dalla strada durante l'esecuzione di un'attività secondaria. Recenti studi hanno studiato l'interazione controllata dallo sguardo dell'occhio con HUD (Head Up Display) che elimina la distrazione degli occhi fuori strada. [77] Il tracciamento oculare viene utilizzato anche per monitorare il carico cognitivo dei conducenti per rilevare potenziali distrazioni. Sebbene i ricercatori [78] abbiano esplorato diversi metodi per stimare il carico cognitivo dei conducenti da diversi parametri fisiologici, l'uso dei parametri oculari ha esplorato un nuovo modo di utilizzare gli eye tracker esistenti per monitorare il carico cognitivo dei conducenti oltre all'interazione con IVIS. [79] [80]

Applicazioni di intrattenimento Modifica

Il videogioco 2021 Before Your Eyes registra e legge il battito delle palpebre del giocatore e lo usa come modo principale per interagire con il gioco. [81] [82]


Riconoscimento dei gesti dello sguardo a distanza a basso costo in tempo reale

Sequenze predefinite di movimenti oculari, o "gesti dello sguardo", possono essere eseguite consapevolmente dagli esseri umani e monitorate in modo non invasivo utilizzando l'oculografia video remota. I gesti dello sguardo hanno un grande potenziale nell'interazione uomo-computer, HCI, fintanto che possono essere facilmente assimilati dai potenziali utenti, monitorati utilizzando apparecchiature di tracciamento dello sguardo a basso costo e algoritmi di apprendimento automatico sono in grado di distinguere la struttura spazio-temporale dei gesti intenzionali dello sguardo da tipica attività dello sguardo eseguita durante l'HCI standard. In questo lavoro, viene effettuata una valutazione delle prestazioni di un algoritmo di riconoscimento di pattern bayesiano bioispirato noto come Hierarchical Temporal Memory (HTM) sul riconoscimento in tempo reale dei gesti dello sguardo attraverso uno studio sull'utente. Per migliorare le prestazioni dell'HTM tradizionale durante il riconoscimento in tempo reale, viene proposta un'estensione dell'algoritmo per adattare l'HTM alla struttura temporale dei gesti dello sguardo. L'estensione è costituita da un nodo superiore aggiuntivo nella topologia HTM che archivia e confronta le sequenze di dati di input mediante l'allineamento della sequenza utilizzando la programmazione dinamica. La codificazione spazio-temporale di un gesto in una sequenza ha lo scopo di gestire l'evoluzione temporale delle istanze dei gesti dello sguardo. L'HTM esteso consente una discriminazione affidabile dei gesti dello sguardo intenzionali dall'interazione dello sguardo uomo-macchina altrimenti standard raggiungendo una precisione di riconoscimento fino al 98% per un set di dati di 10 categorie di gesti dello sguardo, velocità di completamento accettabili e un basso tasso di falsi positivi durante lo sguardo standard –interazione con il computer. Questi risultati positivi, nonostante l'hardware a basso costo impiegato, supportano l'idea di utilizzare i gesti dello sguardo come un nuovo paradigma HCI per i campi dell'accessibilità e dell'interazione con smartphone, tablet, schermi proiettati e computer desktop tradizionali.

Astratto grafico

Mette in risalto

► Questo lavoro presenta un'estensione del paradigma HTM tradizionale al fine di migliorare le prestazioni di HTM nel riconoscimento in tempo reale dei gesti saccadici dello sguardo. ► L'HTM esteso adatta gli algoritmi HTM ai problemi in cui la struttura spazio-temporale delle istanze si sviluppa nel tempo. ► Il nostro sistema di riconoscimento dei gesti dello sguardo è in grado di riconoscere in modo robusto i gesti dello sguardo in tempo reale. ► Lo scopo di tale sistema è quello di fornire un canale di comunicazione tra uomo e computer, mirando specificamente sia agli utenti con disabilità sia ad ambienti in cui i canali di input tradizionali non sono adatti o potrebbero essere aumentati. ► L'approccio HTM esteso proposto non è specificamente progettato per trattare specificamente i gesti dello sguardo, poiché è altamente indipendente dall'hardware e dalla preelaborazione dei dati di input.


Valutazioni

Una valutazione dettagliata da parte di un terapista occupazionale o di un logopedista con conoscenza della tecnologia assistiva e dei sistemi di controllo dello sguardo è necessaria per vedere se la tecnologia di controllo dello sguardo può essere l'opzione giusta per un individuo. In tal caso, il terapeuta raccomanderà una prova della tecnologia di controllo dello sguardo per capire se raggiungerà i loro obiettivi. Questi obiettivi potrebbero includere l'utilizzo della tecnologia di controllo dello sguardo per la comunicazione e il completamento delle attività quotidiane a casa, a scuola, nella comunità o al lavoro. Il terapista raccomanderà quindi sistemi e software adatti alla persona e poi la aiuterà a padroneggiare il dispositivo. Il terapista si assicurerà anche che la persona sia posizionata in modo ottimale e comodamente seduta, e istruirà la sua famiglia, gli assistenti, gli insegnanti e altri su come utilizzare il sistema di controllo dello sguardo.

Le seguenti valutazioni possono essere utilizzate dal team per valutare l'uso della tecnologia di controllo dello sguardo:

    (IPPA) – misura se i dispositivi risolvono i problemi che una persona sta vivendo (GAS) – misura la misura in cui vengono raggiunti gli obiettivi di un individuo

In che modo le onde radio influenzano il corpo umano?

Le onde radio hanno lunghezze d'onda più lunghe delle onde infrarosse. Le onde radio sono una sorta di radiazione elettromagnetica. Nello spettro elettromagnetico, le onde radio si trovano tra le frequenze da 300 GHz fino a 3 kHz. Inoltre, le rispettive lunghezze d'onda vanno da 1 millimetro a 100 chilometri.

Generalmente, le onde radio artificiali sono generate dagli esperti e vengono utilizzate per comunicazioni radio fisse e mobili, trasmissioni, radar e altri sistemi di navigazione, ecc. Di seguito sono riportati vari effetti delle radiazioni elettromagnetiche sul corpo umano. Le onde radio generate dalla radio contengono le frequenze più basse nello spettro elettromagnetico e sono molto più sicure.

Principali effetti sui problemi di salute generale:

Generalmente, i sintomi di bassi livelli di esposizione ai campi elettromagnetici sono attribuiti dal pubblico stesso presso le proprie abitazioni. I sintomi osservati includono mal di testa, ansia, suicidio e depressione, nausea, affaticamento e perdita della libido.

Ionizzante

Generalmente, i raggi X e i raggi Gamma hanno la tendenza a causare gravi danni al tuo corpo. L'eccessiva esposizione a questi raggi può danneggiare il DNA e le cellule. Questi raggi possono anche causare malattie, ustioni o cancro.

Non ionizzante

Le onde radio non ionizzanti non hanno abbastanza protoni per rompere le cellule o danneggiare il DNA. Questi includono le onde radio che vengono emesse dal telefono cellulare e non emettono radiazioni ad alta energia e sono probabilmente in larga misura sicure.

Esito della gravidanza

Alta L'esposizione ai campi elettromagnetici a diversi livelli ambientali non aumenta il rischio di esiti avversi quali aborti spontanei, malformazioni, basso peso alla nascita e malattie congenite. Condizioni come la prematurità e il basso peso alla nascita nei figli dei lavoratori non sono scientificamente provate che siano causate dall'esposizione al campo.

Cataratta

Le persone che sono esposte ad alti livelli di radiofrequenza e radiazioni a microonde generalmente soffrono di irritazione oculare generale e cataratta. Ma non ci sono prove che questi effetti si verifichino a livelli sperimentati dal pubblico in generale.

Cancro e campi elettromagnetici

Gli effetti dei campi elettromagnetici e le sue prove di qualsiasi effetto rimangono molto controversi. Non è stato riscontrato alcun grande aumento del rischio per alcun cancro nei bambini o negli adulti. C'è un piccolo aumento del rischio di leucemia infantile con l'esposizione a campi magnetici a bassa frequenza in casa.

Inoltre, non è scientificamente provato che questi risultati indichino una relazione causa-effetto tra esposizione ai campi e malattie. A temperature molto elevate le onde RF possono riscaldare i tessuti del corpo. È improbabile che le onde RF emesse dai telefoni cellulari causino il cancro poiché si tratta di onde non ionizzanti e hanno una tendenza molto bassa a danneggiare il DNA.

Depressione e ipersensibilità elettromagnetica

Ci sono alcune prove molto minori a sostegno dell'idea dell'ipersensibilità elettromagnetica. Mostra che gli individui non mostrano reazioni coerenti in condizioni adeguatamente controllate di esposizione al campo elettromagnetico. Non esiste alcun meccanismo biologico per spiegare l'ipersensibilità.

Effetto sul sistema nervoso

È un argomento di discussione attiva da molto tempo che le onde radio influenzano i preparati nervosi isolati, il sistema nervoso centrale, la chimica e l'istologia del cervello e la barriera emato-encefalica. Recentemente, gli esperti hanno condotto uno studio su preparati cardiaci isolati che hanno fornito prove di bradicardia a seguito dell'esposizione a radiazioni RF a densità di potenza non termica.

Problemi visivi causati dalle onde radio

Per più di 30 anni, si osserva lo sviluppo della cataratta a causa dell'elevata esposizione dell'occhio alle onde radio. Inoltre, i campi a microonde CW hanno soglie simili per la produzione di cataratta.

Sistema endocrino

In genere, dopo la cessazione dell'esposizione a radiofrequenza, l'alterazione delle concentrazioni ormonali è reversibile. I sistemi che sono importanti nel mantenimento dell'omeostasi alterano le complesse interazioni dei sistemi ipotalamico, ipofisario, surrenale e tiroideo.

Sistema immune

L'effetto delle onde radio è riportato nei sistemi di test Vitro e Vivo. Inoltre, sono state notate anche la trasformazione dei linfoblasti e cambiamenti nella risposta ai mitogeni. Generalmente, i campi ELF sinusoidali non hanno effetti significativi sulla competenza immunitaria dopo l'esposizione in vivo di alcuni animali da laboratorio.

Sistemi ematologici e cardiovascolari

Molti scienziati hanno compiuto molti sforzi per valutare gli effetti dei livelli termogenici e non termogenici delle radiazioni RF sulla chimica del sangue e sulla conta delle cellule del sangue. Nessuna caratteristica del sangue misurata nello studio è risultata modificata in risposta all'esposizione cronica a radiofrequenza.

Carcinogenesi animale

Solo alcuni studi hanno dimostrato alcune prove di un possibile potenziale cancerogeno e altri non hanno mostrato alcun effetto. Inoltre, tutti gli studi sono stati dimostrati con campi elettromagnetici più grandi dei relativi campi GWEN. L'interpretazione di alcuni rapporti è complicata dallo stress indotto termicamente.

Le onde elettromagnetiche delle alte frequenze possono influenzare il tuo corpo in modo molto negativo rispetto alle onde con frequenze più basse. Le onde non ionizzanti generalmente non hanno successo nel danneggiare il DNA e le cellule del corpo e sono molto più sicure delle onde ionizzanti.


Tipo 1: Temperatura

(i) Termocoppia – Sono costituiti da due fili (ciascuno di diversa lega omogenea o metallo) che formano una giunzione di misura unendosi a un'estremità. Questa giunzione di misura è aperta agli elementi da misurare. L'altra estremità del filo è terminata con un dispositivo di misurazione in cui è formata una giunzione di riferimento. La corrente scorre attraverso il circuito poiché le temperature delle due giunzioni sono diverse. La milli-tensione risultante viene misurata per determinare la temperatura alla giunzione. Lo schema della termocoppia è mostrato di seguito.

Ci sono molti modi per inserire le bacche di goji nella tua dieta:

  • Mangiateli crudi.
  • Usali in cucina.
  • Bevi succo di frutta goji.
  • Prendi un integratore di goji.
  • Usali in una tisana.

Fonti

Database completo di medicine naturali: "Lycium (Goji): Monografia".

Natural Standard: "Monografia professionale: Goji (Lycium spp.)"

Optometria e scienze della visione: "Effetti delle bacche di Goji sulle caratteristiche maculari e sui livelli di antiossidanti plasmatici."

Il World Journal of Men's Health: "La somministrazione di estratti di Goji (Lycium chinense Mill.) Migliora la funzione erettile nel modello di ratto anziano".

FoodData Central: "Bacche di Goji".

Medicina ossidativa e longevità cellulare: "Le bacche di Goji come potenziale medicinale antiossidante naturale: una panoramica dei loro meccanismi molecolari d'azione".


Guarda il video: gelombang elektromagnetik. Inframerah. fisika kelas XII mipa kelompok 3 (Giugno 2022).