Elektrobiologie

Messtechnik in der Elektrobiologie

Erklärung zum Standard der Elektrobiologischen Messtechnik (SEM-2016)

Die Baubiologie publiziert seit Jahren den Standard der Baubiologischen Messtechnik (SBM). Der SBM ist in weiten Bereichen der Umwelttechnik eingeführt und anerkannt. Warum publiziert der Arbeitskreis Elektro-Biologie e.V. (AEB) für den EMF-Bereich einen eigenen Standard? Der AEB vertritt die Auffassung, dass die Messwerte der einzelnen Feldbereiche ein Maß für die biologische Belastung darstellen müssen, damit Ärzte, Heilpraktiker und andere Therapeuten eine reale Einschätzung der physikalischen Umweltbelastung möglich ist. Aus diesem Grund unterscheidet sich der Standard der Elektrobiologischen Messtechnik (SEM) wie Sie sehen werden vom Standard der Baubiologischen Messtechnik (SBM).

Die Elektrobiologie verwendet teilweise andere Messverfahren, als die Baubiologie. Die Ursache liegt in einer körperbezogenen Messtechnik. Während die Baubiologie die Felder an oder in einem Objekt misst, um Feldveränderungen erfassen zu können, misst die Elektrobiologie Feldbelastung am (im) Mensch um dem Arzt oder Therapeuten ein Maß für die biologische Belastung durch physikalische Felder geben zu können.
Die Baubiologie behauptet, dass auch ihre Messverfahren ein Maß für die Körperbelastung sind. Der AEB wird im Menüpunkt Baubiologie aufzeigen, dass dies bei einigen Messverfahren nicht oder nur unvollständig der Fall ist. Zwei Messverfahren in der Baubiologie halten einer wissenschaftlichen Prüfung nicht stand. Der AEB ist bestrebt in der Elektrobiologie eine einheitliche, wissenschaftlich anerkannte Messtechnik einzuführen, um eine Standardisierung der Messverfahren zu erreichen.
Der AEB und seine Mitglieder setzen deshalb nur Messverfahren ein, die auch technisch und wissenschaftlich anerkannt sind. Die zur gegenwärtigen in der Elektrobiologie gebräuchlichen Messverfahren werden beschrieben und ihre Aussagekraft bewertet.
Es wird zwischen Ortung und Messung unterschieden. Ortung ist ein „Messverfahren“ um ein Feld zu detektiert (anzuzeigen) und evtl. in seiner Intensität grob einschätzt. Die Ortung ist ein probates Mittel um eine Feldbelastung überhaupt festzustellen. Wenn physikalische Felder mittels Ortung festgestellt wurden und betroffene Personen Befindlichkeitsstörungen oder Erkrankungen aufweisen, muss anschließend eine Messung erfolgen!

Folgende Ortungs- und Messverfahren werden zur Zeit angewandt:

MAGNETISCHES GLEICHFELD – Magnetostatisches Feld:

Ortung: Mit dem gegen Nord ausgerichteten Kompass wird die Ablenkung der Kompassnadel in der Liegefläche des Bettes erfasst. Die Abweichung entsteht durch kleinzellige, lokale Magnetfelder. Statt eines Kompasses werden oft auch einfache, elektronische Apparaturen zur Ortung verwandt. Beide Verfahren sind zulässig.
Fehlermöglichkeit: die Grad Zahl der Abweichung aus der Nordrichtung der Kompassnadel wird oft als Flussdichte bewertet. Diese Aussage ist physikalisch falsch, weil eine Magnetfeldlinie ist eine Isopotentiallinie (Ort gleicher Feldstärke) ist. Die Kompassnadel sich aber immer tangential an diese Magnetfeldlinie anliegt und sich je nach Ort eine andere Richtung annimmt, obwohl sich die Feldstärke nicht verändert hat!
Bei elektronischen Ortungsgeräten wir oft ein Geräuschpegel erzeugt, welcher der vorherrschenden Feldstärke entsprechen soll. Weder die Lautstärke des Pfeiftones noch das Blinken vieler Leuchtdioden ist ein Maß für die vorhandene Feldstärke.
Messung: es wird die Abweichung vom lokalen Erdmagnetfeld mit einem Magnetometer im Bereich der Bettliegefläche erfasst. Das Maß der Abweichung vom natürlichen Erdmagnetfeld wird in der Maßeinheit Nanotesla (nT) oder Mikrotesla (µT) angegeben.
Fehlermöglichkeit: adjustierte Geräte. Es wird gemessen, während die Sonde bewegt wird. Durch Bewegung der Messsonde wird im Erdmagnetfeld durch Induktion ein zusätzlicher Strom erzeugt, der den Messwert verfälscht!

ELEKTRISCHES GLEICHFELD – Elektrostatisches Feld:

Ortung: mittels einfacher elektronischer Geräte kann ein elektrostatisches Feld ab einem Schwellenwert erfasst werden. Das Verfahren ist zulässig.
Fehlermöglichkeit: gerätebedingte, geringe Genauigkeit.
Messung: es wird die Feldstärke der elektrostatischen Aufladung im Raum mit einem elektronischen Messgerät (z.B. „Feldmühle”) gemessen und ferner die Entladungszeitkonstante des gemessenen Feldes bestimmt. Die Feldstärke wird in Volt pro Meter (V/m) angegeben.
Fehlermöglichkeit: Bedienungsfehler des Messgerätes.

ELEKTRISCHES WECHSELFELD:

Ortung:
1.) mittels elektronischer Ortungsgeräte in V/m. Das Verfahren ist zulässig.
2.) Messung der Körper-Ankoppelspannung. Das Verfahren ist nicht zulässig, weil physikalisch falsch!

Fehlermöglichkeit:
zu 1) es bestehen große Fehlermöglichkeiten, das nicht justierte Geräte. Diese elektronischen Ortungsgeräte der unteren Preisklasse können nur als „Schätzeisen” bezeichnet werden.
Zu 2) Die Körperspannungsmessung die vor ca. 20 Jahren von Erich W. Fischer unter dem Begriff „kapazitive Körperankoppelung” eingeführt wurde und überwiegend in der Baubiologie angewandt wird, gilt nur für eine genau definierte Messanordnung und Frequenz. Näheres in Messtechnik Baubiologie.
Die kapazitive Ankoppelung darf nicht als allgemein gültige Messmethode zur Bestimmung der Körperbelastung im niederfrequenten elektrischen Wechselfeld herangezogen werden.

Messung:
Die physikalisch und biologisch korrekte Messtechnik wurde von Prof. L. Zeisel 1992 (FH München) mit der Körperstromdichtemessung eingeführt. Der Elektrobiologie wurde damit ein Messverfahren in die Hand gegeben, mit dem man die tatsächliche Körperbelastung im niederfrequenten elektrischen Wechselfeld messen kann.
Das Verfahren beruht auf der Tatsache, dass an der Grenze Körper/Umgebung die extra- und intrakorporalen Stromdichten gleich sind. Mittels Messung der extrakorporalen Stromdichte an der Körperoberfläche, erhält man ohne Umweg einer Umrechnung die unter der Oberfläche wirkende Stromdichte. Dieses Messverfahren misst den im Körper fließenden Verschiebungsstrom in Form seiner Dichte und zwar jeweils in der Sonde am der entsprechenden Körperstelle.
Eine Körperbelastung wird nicht durch Anliegen einer Spannung verursacht, sondern durch einen Stromfluss im menschlichen Körper.
Das Maß der Ströme wird in Nanoampere pro Quadratmeter (nA/m2), oder Mikroampere pro Quadratmeter (µA/m2) ausgegeben.
Fehlermöglichkeiten: bei falscher Positionierung der Messsonde können Messfehler auftreten.

Prof. Zeisel schreibt zur Messung der Körperstromdichte:

Ein Messverfahren zur Bestimmung der Körperbelastung durch das elektrische Wechselfeld bei tiefen Frequenzen

von Prof. Dipl. Ing. Leonhard Zeisel
Zur Ermittlung der Körperbelastung durch elektrische und magnetische Wechselfelder bedienen sich die Baubiologen, bzw. die Elektrobiologen der Messgeräte, mit denen die magnetische Induktion in Tesla, die elektrische Feldstärke in Volt/m, bzw. die sogenannte kapazitive Ankopplung in Volt gemessen wird. Wichtig ist hier die Feststellung, dass dabei das extrakorporale Feld gemessen wird. Die Körperbelastung, also der Gegenstand der baubiologischen Untersuchung, ist allerdings durch das intrakorporale Feld, letztendlich durch die vom Feld verursachten intrakorporalen Ströme gegeben.
Wie kommt man aber an die im Körper fließenden Ströme heran, ohne invasive Techniken zu benutzen? Eine Teilantwort auf diese Frage will dieser Beitrag geben.

Einfluss des Magnetfeldes

Die Materialeigenschaften des menschlichen Körpers beeinflussen das Magnetfeld nicht, deshalb herrscht an einer bestimmten Körperstelle gleiches Feld wie es an gleicher Stelle bei Abwesenheit des Körpers gemessen wird. Aus der gemessenen Induktion kann der intrakorporale Wirbelstrom rechnerisch gut ermittelt werden.

Einfluss des elektrischen Feldes

Anders bei elektrischem Feld. Beim Eintauchen des menschlichen Körpers in das Feld wird dieses auf zweierlei Weise gegenüber ursprünglichem Zustand verändert:

  • in der Form (Feldlinienverzerrung),
  • in der Feldstärke (Feldstärkenerhöhung).

Die extra- und intrakorporalen Feldstärken sind unterschiedlich groß und verhalten sich zueinander wie die spezifischen Widerstände der Feldmedien außerhalb und innerhalb des Körpers.
Mit vertretbarem Aufwand ist nur die äußere Feldstärke messbar. Die daraus resultierende innere Strombelastung kann daher nur sehr ungenau bestimmt werden.
In der Baubiologie ist es üblich als Maß für die Belastung durch das elektrische Wechselfeld die sog. kapazitiv angekoppelte Spannung anzugeben. Hierbei wird die Spannung zwischen der Erde (Schutzleiter des Stromnetzes) und dem im Feld befindlichen menschlichen Körper gemessen. Es wird also die Äquipotentiale und nicht die Feldstärke erfasst. Nicht die Belastung des Menschen, sondern die des Raumes zwischen ihm und der Erde – Bett, Luft, Fußboden etc. – wird ermittelt.
Ein leicht zu verstehendes Beispiel soll dieses verdeutlichen:
Parallel zur Erdoberfläche, in einer Entfernung von 10 m befindet sich eine hinreichend große metallische Platte, welche an eine Spannung von 100 V gegenüber der Erde angeschlossen wird. Da es sich in diesem Falle um ein homogenes Feld handelt, herrscht an jeder Stelle des Feldes eine elektrische Feldstärke von 10 V/m. Taucht man einen Körper in dieses Feld, fließt im Körperinneren ein Strom, dessen Stärke dem äußeren Feld proportional ist. Weil die Feldstärke im homogenen Feld über den Raum konstant ist, ist in diesem Falle auch der intrakorporale Strom ortsunabhängig. Die Körperbelastung ist deshalb im Feld an jeder Stelle gleich groß, egal ob der Mensch nah an der Erde, oder an der oberen Platte liegt.
Im Gegensatz dazu zeigt die Messung nach der “Kapazitiven Ankopplung” ortsabhängige Belastung an. Weil mit dieser Methode – ideales Voltmeter vorausgesetzt – die Äquipotentiale gemessen wird, ist im Falle a) mit Ua = 10 V eine kleinere Belastung als im Falle b) mit Ub = 90 V vorgetäuscht worden.
Darüber hinaus berücksichtigt die kapazitive Ankopplung die Ortsabhängigkeit der Feldstärke im inhomogenen Feld nicht. Es kann daher auch nicht ermittelt werden, ob der Kopf, der Rumpf oder die Beine der größten Belastung ausgesetzt sind.
Mag auch in der Standardkonfiguration der Messmethode (Mensch im Bett liegend) eine Korrelation zwischen gemessener Spannung und Körperbelastung zu finden sein, als allgemein gültige Messmethode zur Bestimmung der Körperbelastung durch das elektrische Feld kann die “Kapazitive Ankopplung” nicht herangezogen werden.
Das in diesem Beitrag vorgeschlagene Messverfahren stellt eine derart modifizierte Feldstärkemessung dar, bei der es keinerlei Umrechnung der extrakorporalen Feldstärke in intrakorporale Stromdichte bedarf. Das Verfahren beruht auf der Tatsache, dass an der Grenze Körper/Umgebung die extra- und intrakorporalen Stromdichten gleich sind. Mittels Messung der extrakorporalen Stromdichte an der Körperoberfläche, erhält man ohne Umweg einer Umrechnung die unter der Oberfläche wirkende intrakorporale Stromdichte.

Prinzip des Messverfahrens zur Bestimmung der intrakorporalen Stromdichte

Befindet sich ein menschlicher Körper (MK) im elektrischen Wechselfeld, fließt im Körper ein der Feldstärke proportionaler Verschiebungsstrom, dessen Stromdichte S = I/A über die Flächengröße A und Verschiebungsstrom I innerhalb dieser Fläche ermittelt werden kann. Um die Stromstärke innerhalb der Teilfläche A messen zu können, muss vom Körper MK dieses Flächenstück abgetrennt, d.h. isoliert und zwischen ihm und dem restlichen Körperteil ein geeignetes Amperemeter eingefügt werden. In so einer Anordnung ist der Verschiebungsstrom des Körpers, bzw. des abgetrennten Flächenteils gleich dem Leitungsstrom des Amperemeters IA. Aus gemessener Stromstärke und bekannter Flächengröße ergibt sich die gesuchte, am Messort im Körper wirkende Stromdichte, oder bildlich, die Anzahl der Feldlinien pro Flächeneinheit.
Die Problematik der Messung reduziert sich auf die Realisierbarkeit des vom Körper isolierten Flächenteils. Verwirklicht wird dies mit einer leitenden Platte gleichen spezifischen Widerstandes wie es die Bindegewebsschichten an der Oberfläche des menschlichen Körpers haben. So eine Platte (Messsonde) wird dicht, jedoch isoliert an die Körperstelle platziert an welcher die Stromdichte gemessen werden soll.
Im inhomogenen Feld ist an jedem Ort des Körpers andere Stromdichte zu finden. Es ist Sache der Medizin diejenigen Körperteile, bzw. Orte zu benennen, welche die größte Empfindlichkeit gegenüber Feldströmen aufweisen. Die Messung kann dann auf diese Stellen beschränkt werden.
Aus bisherigen Erfahrungen weiß man, dass sich die größte Belastung ergibt bei Orientierung des elektrischen Feldes in der Körper-Längsachse und des magnetischen Feldes quer zu Längsachse in seitlicher “Arm zu Arm” Richtung. Beide so gerichteten Feldarten haben zur Folge einen in Körper-Längsachse fließenden Strom. Es wird deshalb sinnvoll sein die Stromdichte vor allem an der Schädeldecke und den Fußsohlen zu messen. Die in der Regel vorhandene Inhomogenität des Feldes wird an diesen Messstellen unterschiedliche Werte mit sich bringen. Die Erfahrung mit der Messmethode muss zeigen wie das hinsichtlich der Grenzwerte zu bewerten ist.

Grenzwerte der Stromdichte

Wie hoch ist nun der Stromdichte-Grenzwert anzusetzen? Die Grenzwerte des elektrischen Wechselfeldes sind stets in Einheiten der elektrischen Feldstärke (V/m) und für ein unverzerrtes Feld angegeben. Also ohne Anwesenheit des menschlichen Körpers, dessen Belastung ermittelt werden soll. Von einem so definierten Grenzwert der Feldstärke den für die Stromdichte abzuleiten führt zu großen Unsicherheiten.
Viel günstiger ist es, den gesuchten Stromdichte-Grenzwert von dem der magnetischen Induktion abzuleiten.
Aus dem Induktionsgesetz U = dF/dt und R = rA/l mit U = RI ist die im Körper induzierte Stromdichte
S = 2pfAB/(rl)
worin f die Frequenz in Hz, B magn. Induktion in T, A die Fläche in m2, l der Umfang der Fläche A in m und p spez. Widerstand in Wm ist unter Annahme durchschnittlicher Körpermaße mit A=0,14 m2 und 1=1,7 m , p=10 Wm und für die Netzfrequenz f=50 Hz, ergibt sich der die intrakorporale Stromdichte zu
S = 2,5 B

Die unterschiedlich festgelegten Normwerte der magnetischen Induktion ergeben dann diese gerundeten Grenzwert für die Stromdichte:

DIN-VDE Smax = 10mA/m2 (B= 5 mT)
IRPA Smax = 2mA/m2 (B= 1 mT)
MPR Smax = 600nA/m2 (B= 250 nT)
AEB, bzw. Baubiologie Smax = 50nA/m2 (B= 20 nT)

Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren wird der in den Körper fließende Wechselstrom in Form seiner Dichte gemessen und zwar an der, durch die Ortslage und Flächengröße der Messsonde gegebener Körperstelle. Es kann aber nicht ermittelt werden, wie sich der intrakorporale Strom im Körper auf die Organe verteilt.
Wie bei jeder Feldstärkemessung ist auch hier der Umstand zu beachten, dass die messende Person das Feld verzerrt. Ein hinreichend großer Abstand zum Probanden und dem Messgerät ist einzuhalten.
Die graphische Darstellungen zu Beschreibung des Messverfahrens finden Sie unter Download in der Datei: Zeisel-Stromdichte-Messtechnik.
Von Prof. Zeisel wurde ein auf die Erfordernisse der Elektrobiologen angepasstes Messgerät zur Bestimmung der elektrischen Stromdichte und der magnetischen Flussdichte im Tieffrequenzbereich entwickelt. Dieses Messgerät steht der Elektrobiologie seit 1994 zur Verfügung.

MAGNETISCHE WECHSELFELD

Ortung: mit einfachen, elektronischen Geräten können Ortungen durchgeführt werden. Die preisgünstigen Geräte weisen jedoch meist erheblich unterschiedliche Messergebnisse aus. Dieses Verfahren ist zulässig. Es können auch Luftspulen eingesetzt werden, jedoch sind diese nur für den 50 Hz-Bereich geeignet.
Fehlermöglichkeit: bei Verwendung von Luftspulen treten bei Frequenzen oberhalb und unterhalb 50 Hz erhebliche Messfehler auf. Allgemein: die Richtungsabhängigkeit der Feldlinien wird nicht erkannt und führt so zu Fehlmessungen. Bei elektronischen Geräten ist weder die Lautstärke des Pfeiftones noch das Blinken vieler Leuchtdioden ist ein Maß für die vorhandene Feldstärke.
Messung: es wird die magnetische Induktion im Raum und besonders im Bereich der Bettliegefläche gemessen. Mit einem Wechselfeldmagnetometer werden sowohl die drei Raumachsen als auch der Betrag des Feldes gemessen. Das Maß wird in Nano- oder Mikrotesla (nT, µT) oder in einer entsprechen größeren Einheit angegeben.
Fehlermöglichkeit: ungenaue (meist preiswerte) Geräte und Bedienungsfehler.

ELEKTROMAGNETISCHE FELD – Elektromagnetische Wellen (Strahlung)

Zur Anzeige vorhandener elektromagnetischer Felder werden zwei unterschiedliche Verfahren eingesetzt. Entsprechend der Erfassungsart werden sie als Breitband- oder Selektivmessung bezeichnet.
Breitbandverfahren sind über einen weiten Frequenzbereich (z.B. von 500 kHz bis – 1GHz) empfindlich. Geräte mit richtungsunabhängigen (isotropen) Sensoren zeigen im Allgemeinen die Summe aus allen am Messort vorhandenen HF-Signalen an. Breitbandgeräte sind aber aufgrund ihrer Funktionsweise relativ unempfindlich und können Feldstärken erst ab etwa 0,1V/m anzeigen. Sind HF-Felder über diesem Schwellwert vorhanden, liefern diese Geräte einen schnellen Überblick über die örtliche Belastungssituation.

Ortung: Zur Ortung hochfrequenter elektromagnetischer Felder können auch einfache Breitband-HF-Geräte verwendet werden. In der Regel sind diese Geräte im Gegensatz zu den richtungsunabhängigen nur in einer Raumachse empfindlich. Außerdem zeigen sie im Frequenzbereich unterschiedliche Empfindlichkeiten, so dass keine richtige Summierung der HF-Signalamplituden möglich ist. Damit ist auch keine Kalibrierung möglich.
In der Baubiologie werden meist Antennen (z.B. Hertz´scher Dipol) verwandt. Oft empfangen diese Antennen nicht nur den Frequenzbereich oberhalb 30 kHz sondern sprechen auch im niederfrequenten Bereich um 50 Hz an. Dies führt zu verheerenden Fehlmessungen. Die zurzeit in der Bau- und Elektrobiologie eingesetzten elektronischen Geräte können allenfalls zur Ortung verwendet werden, es ist aber nicht zulässig daraus einen Schluss auf die vorhandene Biobelastung zu machen.
Fehlermöglichkeit: meist gerätebedingt und Bedienungsfehler durch mangelnde Sachkunde.
Messung: Für die Messung hochfrequenter elektromagnetischer Felder sind Spektrumanalysatoren zu verwenden. Ferner Breitbandantennen mit einem hohen Antennen-Gewinnfaktor Die Anwendung dieser Antennen und Messgeräte erfordert viel Erfahrung, und die Preise für eine solche Ausrüstung z.Z. noch auf einem Niveau, das die hobbymäßige Anwendung ausschließt.
Selektive Messungen: Dieses Verfahren setzt einen Messempfänger, dessen Empfangsfrequenz über den interessierenden Frequenzbereich kontinuierlich veränderbar ist, und Antennen für diesen Frequenzbereich voraus. Mit diesen Geräten sind selbst geringe Feldstärken bis in den Bereich µV/m feststellbar. Zur Registrierung der Feldstärkewerte wird die Empfangsfrequenz schrittweise geändert und die bei den einzelnen Frequenzen gemessenen Amplituden digital oder analog registriert. Man erhält so ein Bild der bei den einzelnen Frequenzen vorhandenen Feldstärkewerte. Die Summe der insgesamt örtlich wirksamen HF-Feldstärke kann mit dieser Methode aber nicht festgestellt werden.
Fehlermöglichkeit: überwiegend Bedienungsfehler durch mangelnde Sach- und Fachkundekunde.

Kosten-Nutzen-Betrachtung

Ortung: Die Kosten für ein gutes Breitband-Messgerät lassen eine Beschaffung für reine Ortungszwecke als wenig sinnvoll erscheinen.
Messung: Die Messung von HF-Feldern nach dem selektiven Frequenz-Messverfahren setzt eine teure Ausrüstung mit kalibrierten Messempfängern und kalibrierten Antennen voraus. Z. Z. sind die Kosten für die Ausrüstung so hoch, dass eine rentable Nutzung im Bereich der Elektrobiologie noch nicht vorstellbar ist.

Fazit: Beide Verfahren zur Messung von HF-Feldern erfordern eine Messausrüstung mit hohen Investitionen. Da die selektiven Messungen eingehende Kenntnisse und Erfahrungen in HF-Messtechnik erfordern, sollte das Messen von HF-Feldern Spezialisten aus dem EMV- und EMVU-Bereich vorbehalten bleiben.