Messsysteme zur Untersuchung einer möglichen Beeinflussung des Menschen durch elektromagnetische Felder

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Charakterisierung von Mess-systemen zur Bestimmung einer möglichen Beeinflussung des menschlichen Körpers durch elektromagnetische Felder. Exemplarisch werden anhand von drei Beispielen Messsysteme vorgestellt, mit deren Hilfe diese mögliche Beeinflussung untersucht werden kann. Dabei werden neben thermischen Wirkungen elektromagnetischer Wellen, also der Erwärmung des Gewebes auf Grund absorbierter Feldenergie, auch nicht-thermische Wirkungen, d.h. direkte Wirkungen elektromagnetischer Felder auf den menschlichen Organismus, und Wirkungen auf medizinische Hilfsgeräte (z.B. implantierte Herzschrittmacher) untersucht. Nach einer Einführung in Kapitel 1 wird im Kapitel 2 eine grundsätzliche Beschreibung elektromagnetischer Felder und Wellen entwickelt, aus der die für diese Arbeit relevanten Eigenschaften elektromagnetischer Felder abgeleitet werden. Es werden die Zusammenhänge zwischen Nah- und Fernfeldern dargestellt sowie die Beschreibungen dieser Felder für messtechnische Zwecke. Mit dieser für Messungen geeigneten Beschreibung elektromagnetischer Felder und Wellen im Hochfrequenzbereich (in dieser Arbeit werden nur Frequenzen oberhalb von 1 MHz betrachtet) werden in Kapitel 3 nationale und internationale Vorschriften und Normen zusammengefasst, die für die weitere Betrachtung von Wirkungen elektromagnetischer Wellen auf den Menschen von Bedeutung sind. Ebenso wird die Methode der Ersatzfeldstärken erläutert und im Zusammenhang mit normativen Vorgaben diskutiert. Ausgehend von der grundsätzlichen Beschreibung elektromagnetische Felder und Wellen und den Forderungen, die sich aus den entsprechenden Normen und Vorschriften ergeben, werden in den sich anschliessenden Kapiteln Messsysteme und Messungen vorgestellt, mit denen eine mögliche Beeinflussung des Menschen durch elektromagnetische Felder bestimmt werden sollen. Gemäß der Unterteilung möglicher Wirkungen in thermische und nicht-thermische sowie Wirkungen auf Medizingeräte, die wiederum direkt den Menschen beeinflussen, wird in den Kapiteln 4 und 5 ein Messsystem entwickelt, mit dessen Hilfe einfach und genau elektrische und magnetische Feldstärken gemessen werden können. Mit diesem Messsystem können genaue Informationen über die Art und v.a. die Stärke der möglicherweise gefährdenden elektromagnetischen Felder gewonnen werden und damit die thermische Wirkungen auf den Menschen ermittelt und gegebenenfalls vermieden werden. Besonderes Augenmerk wird neben der technischen Realisierung eines normgemäßen Messvorgangs auch auf eine mögliche Beeinflussung des Messvorgangs und des Messergebnisses durch den Anwender und das zu messende Signal selbst gelegt. Als Beispiel eines Messsystems zur Bestimmung des Einflusses elektromagnetischer Felder auf Medizingeräte wird in Kapitel 6 ein im Menschen implantierter Herzschrittmacher untersucht. Dabei steht der Vorgang der Störeinkopplung eines äußeren Feldes in den im Menschen implantierten Herzschrittmacher im Vordergrund. Die tatsächliche Störbeeinflussung der Herzschrittmacher-Steuerung und die daraus resultierende mögliche Beeinflussung oder gar die Gefährdung des Herzschrittmacherpatienten muss jedoch auch von medizinischer Seite bewertet werden und wird in dieser Arbeit nicht untersucht. Abschliessend wird in Kapitel 7 ein Messsystem bzw. ein Messaufbau vorgestellt, mit dem versucht wird, nicht-thermische Wirkungen von höchstfrequenten Signalen (77 GHz) auf den Menschen und speziell das vegetative Nervensystem zu untersuchen. Neben den eingesetzten Messsystemen werden auch die Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen präsentiert und diskutiert.

This thesis deals with the development and the characterisation of measurement systems of electromagnetic fields for the detection of possible influences on the human body. Usually, possible effects are distinguished as thermal or non-thermal. The first describes absorption of electromagnetic power by human body tissue and its heating. This effect is well known and clearly described by suitable measurement procedures. In the case of non-thermal effects, until now no reproducible effects have been described (or found). But nevertheless, especially in public discussions, worries about possible effects like cancer, insomnia, leukaemia or other diseases exist. Additionally to this, the influence of electromagnetic fields on medical aids like cardiac pacemakers is investigated. This is strictly spoken a problem of electromagnetic compatibility between instruments and machines, which directly impacts human health (a negatively influenced pacemaker may be of immediate risk to the patient). In this work, measurement systems and set-ups are presented to detect and - if possible - to quantify possible effects on the human organism. Based on fundamentals of electromagnetic field theory, a suitable description of these fields is derived. For evaluation of these fields, current safety limits of both national and international institutions and their requirements for measurements are presented. In case of thermal effects, absorption of electromagnetic fields and heating of human tissue are well known and described by safety regulations. Therefore this work was focused on the development of a precise and nevertheless easy to use measurement device, which enables an untrained user to check the safety status in terms of corresponding national or international safety limits. By using resistively loaded dipoles and loop antennas, a measurement device (complying with the above requirements - precise and easy measurements - ) was developed. Unlike conventional broadband field probes with a flat frequency response, this device utilizes specially loaded dipoles with a specific frequency response which enables a safety limit check without an explicit frequency measurement. By utilizing the distinguished frequency response of the field sensor, it is possible to calculate the difference to the safety limit for a broad frequency range and even for a mix of several signals of different frequencies. To further improve the results of these measurements, possible measurement influences caused by the environment or by improper set-up of the device were taken into account. Considering these influences, an assessment of the achieved results is possible. Currently in Germany the discussion about re-evaluating safety limits concerning the interference of cardiac pacemakers by radio signals of a frequency range between 50 MHz and 500 MHz is going on. For this purpose a suitable coupling model based both on measurements and numerical computations was developed. In this work, the measurement set-up and the results of the corresponding measurements are presented. In order to compare the measurements with numerical calculations, some results of the computations are presented. Since it is not possible to measure the interference signal at the input of an implanted pacemaker in a patient (without risking the patient's health), a human body model, a so-called phantom was utilized for these measurements to simulate the electromagnetic properties of the human body. The phantom consists of an epoxy resin filled shell containing a specifically designed solution consisting of water, sucrose and sodium chloride. Inside the phantom a specially developed model of a pacemaker with a sensitive input amplifier and voltage measurement unit was implanted. With this set-up it is possible to measure the interference of a pacemaker at the input location in an environment comparable to the human body. The results of measurements using radiation sources in close proximity to the phantom as well as far-field sources producing an incident plane wave are presented. The present safety limits consider only thermal effects, but the public more and more does not preclude possibilities of non-thermal effects on the human body such as headache, insomnia or - much worse - cancer. In the current public opinion it is feared that even very low field strengths might cause these non-thermal effects. Due to very low field strengths, a statistical evaluation of a sufficiently large number of subjects needs to be chosen to detect small and rare effects. This section regarding non-thermal effects on the human body is based on a provocation study. The goal was to determine if signals in the microwave frequency range (a frequency of 77 GHz was regarded) can cause effects on the vegetative nervous system of the human body. For this purpose 50 people were exposed to an intensity of 0.3 mW/cm². By recording and a subsequent statistical analysis of essential properties of the vegetative nervous system (e.g. pulse, blood pressure, skin conductivity), it was possible to detect any effects, if they exist at all. The development and calibration of the measurement set-up as well as the basic idea of the statistical analysis are presented. Finally, the results of the exposure experiment are shown. The experiment showed that no effect, which means no measurable change of the observed properties within very small ranges, could be detected. For example, this means that a small pulse rate change of ±0.6 beats/min could be detected as statistically significant. In summary the data show that in this case (at a frequency of 77 GHz and an intensity of 0.3 mW/cm²) an effect on the vegetative nervous system can be neglected.