Stromdichten in Rezeptoren-Bereichen bei Sinneswahrnehmungen in niederfrequenten elektromagnetischen Feldern

Lindenblatt, Gunnar; Silny, Jiri

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-7839

Stromdichten in Rezeptoren-Bereichen bei Sinneswahrnehmungen in niederfrequenten elektromagnetischen Feldern

Lindenblatt, Gunnar (Author)

2004

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Gunnar Lindenblatt

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

Umfang163 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Silny, Jiri (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-02-03

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-7839
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/59447/files/Lindenblatt_Mark.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik (600000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elektromagnetisches Feld (Genormte SW) ; Niederfrequenz (Genormte SW) ; Elektrische Stromdichte (Genormte SW) ; Rezeptor (Genormte SW) ; Finite-Elemente-Methode (Genormte SW) ; Physik (frei) ; inadäquate Reizung (frei) ; Elektrophysiologie (frei) ; Elektromagnetismus (frei) ; Sicherheitsrichtlinien (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Niederfrequente elektromagnetische Felder, wie sie von den Anlagen der elektrischen Energieversorgung ausgehen, können bei ausreichender Stärke im menschlichen Organismus sog. inadäquate Reize erregen, welche die adäquaten Reize hervorgerufen durch Signale der Umwelt wie Schall, Druck, Licht vortäuschen oder verdecken können. Noch stärkere Felder verursachen unangenehme oder schmerzhafte Wahrnehmungen und können über die Reizung von Nerven und Muskeln sogar zu lebensbedrohlichen Situationen führen. Die Wahrnehmung schwacher niederfrequenter Felder kann daher ein Warnsignal sein. Weiter kann das plötzliche Auftreten einer solchen (an sich harmlosen) Wahrnehmung zu einem Sekundärunfall infolge einer Schreckreaktion führen und ist daher zu vermeiden. Die Erregungsschwellen inadäquater Reize werden deshalb bei der Festlegung von Sicherheitsrichtlinien berücksichtigt. Die Fragen nach dem Wirkungsmechanismus und -ort blieben dabei unbeantwortet; die phänomenologischen Beschreibungen orientierten sich an externen Größen wie Feldstärke oder eingeprägter Stromstärke. Die Erregungsschwelle wird hier als Stromdichteschwelle an dem Entstehungsort der inadäquaten Reizung bestimmt und nicht wie bisher als externe Größe, die zwangsläufig von weiteren Parametern abhängt, insbesondere auch von der individuellen Anatomie. Die Stromdichteschwelle ist der direkten Messung nicht zugänglich, sondern muß durch die Kombination von Messungen an Probanden und darauf abgestimmte numerische Feldberechnungen bestimmt werden. Kinästhetischer Kanal (Hautsinn) und visueller Kanal (Gesichtssinn) gelten bisher als am empfindlichsten in bezug auf eine Erregbarkeit durch niederfrequente elektromagnetische Felder. Abschätzungen, die auch Grundlage neuerer Diskussionen um eine Grenzwertfestlegung bilden, kommen auf äußerst geringe Werte von nur 2 mA / m². In Probandenuntersuchungen werden die Wirkungsmechanismen und -orte der inadäquaten Reizungen sowie die (externen) Schwellen ermittelt. In Kombination mit numerischen FEM-Berechnungen werden die Stromdichteschwellen berechnet. Hierzu werden für den Hautsinn anatomisch-adäquate, elektrische Volumenleitermodelle des Zeigefingers geschaffen und ein worst-case-Szenario entwickelt. Auch der Durchfeuchtungsgrad der Haut wird dabei berücksichtigt. Auge, Augenperipherie und Kopf werden zur Berechnung der Stromdichteverteilung im Falle des visuellen Kanals nachgebildet; dabei werden Strukturen bis hinab in den Submillimeterbereich berücksichtigt. Die berechneten Stromdichteschwellen liegen bis zu zwei Zehnerpotenzen über den bisher angenommenen Werten: die Empfindlichkeit des kinästhetischen und des visuellen Sinneskanals in bezug auf niederfrequente elektromagnetische Felder wurde überschätzt. Wie die numerischen Berechnungen und die experimentellen Überprüfungen zeigen, beeinflussen Feldcharakteristika und individuelle Anatomie des Körpers die resultierende Stromdichteverteilung im Körper. Jedoch reagieren Rezeptoren nur auf die Stromdichte in ihrer unmittelbaren Umgebung, weshalb die Stromdichteschwellen im Bereich des erregten Rezeptornetzwerks hiervon unabhängig angegeben werden können.

Low-frequency electromagnetic fields, as they are emitted by facilities of electrical energy supply, can cause so-called non-adequate stimuli in the human organism, if they reach sufficient strength. These non-adequate stimuli can feign or mask adequate stimuli, which are caused by signals from the environment like sound, pressure, or light. Stronger electromagnetic fields can even provoke unpleasant or painful perceptions and can lead to life-threatening situations by irritating nerves and muscles. For this reason, the perception of weak low-frequency fields can be a warning signal. Besides, the sudden occurrence of such a low (actually harmless) perception can further lead to a so-called secondary accident due to a shock reaction and therefore has to be avoided. Therefore, the excitation thresholds of non-adequate stimuli are considered when safety regulations have to be established. However, the questions about mechanisms and places of action of the non-adequate stimulations still remained unanswered; the phenomenological descriptions were always based on external measures such as field strengths or amperages. In this work, the threshold is determined as the current density threshold at the point of origin of the non-adequate irritation. So, the threshold is no longer depending on external parameters like field configuration or individual anatomy. The current density threshold is not accessible by direct measurement, but must be investigated by combining measurements with volunteers and numerical calculations of the intracorporeal field distribution. The kinaesthetical channel (the sense of skin) and the visual channel (the sense of sight) are up to now referred to be the most sensitive sense channels regarding an excitability by low-frequency electromagnetic fields. Earlier estimations, which also form the basis of current discussions about a determination of base limits, resulted in very low values of about 2 mA/m². In this work, the mechanism and origin of non-adequate stimuli as well as the external threshold values are determined through examinations with volunteers. In combination with finite element calculations, the current density thresholds are evaluated. For this purpose, anatomically correct, electrical volume conductor models of the index finger have been developed for the kinaesthetical channel, and a worst case estimation is given, which also considers the grade of skin moisture. In the case of the visual channel, the eye, the periphery of the eye ball, and the head are replicated in a model, which represents structures down to sub-millimetre range. The new, calculated current density thresholds are up to two orders of magnitude higher than the estimated values known before: the sensitivity of the kinaesthetical and the visual channel regarding low-frequency electromagnetic fields were overestimated. As numerical calculations and experimental verifications show, field characteristics and individual anatomy of the body strongly influence the resulting current density distribution inside the body. Since receptors react only on the current density in their close vicinity, the current density thresholds in the area of the irritated receptors can be given independent from these factors.

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