Körperstromdichte

Um eine Aussage über die biologische Belastung in einem physikalischen Feld machen zu können, ist eine körperbezogen Messtechnik nötig.
Für eine körperbezogene Messtechnik gibt es nur eine Größe, mit der man eine Biobelastung realistisch beurteilen kann. Es ist der Strom, der im Körper durch ein elektrisches oder magnetisches Wechselfeld erzeugt wird. Da die induzierte Stromdichte im Körper von der Spannung, dem Widerstand und der Frequenz abhängt, ist die Berechnung oder Messung der Körperstromdichte die einzige Möglichkeit die vorhandene Biobelastung zu erfassen. Es ist besonders wichtig, darauf hinzuweisen, dass die Körperstromdichte die Basisgröße zur Festlegung der Grenzwerte ist. Die Strahlenschutz-Kommission (SSK), die Intern. Kommission zum Schutz vor nichtionisierender Strahlung (ICNIRP), die Berufsgenossenschaften und das Institut für Arbeitsschutz (IFA) weisen in ihren Publikationen deutlich darauf hin.

Messung der Körperstromdichte

Zur Ermittlung der Körperbelastung durch elektrische und magnetische Wechselfelder verwenden die Baubiologen 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 elektrobiologischen Untersuchung, ist allerdings das intrakorporale Feld, das letztendlich die intrakorporalen Ströme bewirkt.
Wie kommt man aber an die im Körper fließenden Ströme heran, ohne invasive Techniken zu benutzen? Eine Antwort auf diese Frage will dieser Beitrag geben.

Einfluss des elektrischen Feldes

Das elektrische Wechselfeld hat ein anderes Verhalten als das magnetische Wechselfeld. Während das magnetische Wechselfeld durch einen Körper in seiner Geometrie nicht verändert wird, verändert ein Körper im elektrischen Wechselfeld die Geometrie des Feldes! Beim Eintauchen eines menschlichen Körpers in das Feld, wird dieses auf zweierlei Weise gegenüber ursprünglichem Zustand verändert:

  • in der Form (Feldlinien-Verzerrung),
  • in der Feldstärke (Feldstärken-Erhöhung).

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
Das vorgeschlagene Messverfahren der Körperstromdichtemessung 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 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.
In einem 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 = dф/dt und R = рA/l mit U = RI ist die im Körper induzierte Stromdichte

S = 2πfAB/(pl) worin
f Frequenz in Hz,
B magn. Induktion in T,
A Fläche in m2,
l Umfang der Fläche A in m,
p spez. Widerstand in Ωm ist.

Unter Annahme durchschnittlicher Körpermaße mit A=0,14m2 und l=1,7m, p=10Ωm und für die Netzfrequenz f=50 Hz, ergibt sich der Grenzwert für die intrakorporale Stromdichte zu

S ≈ 2,5 B

Die unterschiedlich festgelegten Grenzwerte der magnetischen Induktion ergeben dann diese gerundeten Grenzwertzahlen:

DIN VDE Smax = 10mA/m2 (B= 5 mT)
RPA Smax = 2mA/m2 (B= l mT)
MPR Smax = 600nA/m2 (B= 25O nT)
AEB, bzw. Baubiol. Smax = 5OnA/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 freilich nicht auf einfache Weise ermittelt werden wie sich dieser Strom im Körper auf die einzelnen 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.

Vom Prof. Leonhard Zeisel wurde ein auf die Erfordernisse der Elektrobiologen angepasstes Messgerät zur Bestimmung elektrischen Stromdichte und magnetischen Flussdichte im Tieffrequenzbereich entwickelt. Nach einjähriger Erprobungszeit wurde 1994 mit der Kleinserienherstellung des SBM-1 begonnen und stehen jetzt dem AEB und dem Markt zur Verfügung.

Mehr zur Körperstromdichte-Messung im Download unter:
Körperstromdichte Messverfahren von Prof. Dipl. Ing. Leonhard Zeisel