Messtechnik in der Elektrobiologie

In der Elektrobiologie bedient man sich unterschiedlicher messtechnischer Verfahren, um die Belastung eines Menschen unter Feldeinfluss zu erfassen. Dabei werden leider auch Messtechniken angewandt, die für den Messenden einfach auszuführen sind, die vorhandene Belastung aber falsch erfassen. Einige Messverfahren in der Elektrobiologie halten einer wissenschaftlichen Prüfung nicht Stand. Der AEB e.V. ist bestrebt in der Elektrobiologie eine einheitliche, wissenschaftlich anerkannte Messtechnik einzuführen, um eine Standardisierung der Messverfahren zu erreichen.

Der AEB e.V. und seine Mitglieder setzen nur Messverfahren ein, die auch technisch und wissenschaftlich anerkannt sind.
Die zur Zeit in der Elektrobiologie gebräuchlichen Messverfahren werden beschrieben und ihre Aussagekraft bewertet.
Folgende Messverfahren werden zur Zeit angewandt:

MAGNETISCHE GLEICHFELD:
Ortung: mittels gegen Nord ausgerichtetem Kompaß wird die Auslenkung der Kompaßnadel in der Liegefläche des Bettes erfasst. Die Abweichung entsteht durch kleinzellige, lokale Magnetfelder. Statt eines Kompasses werden oft auch elektronische Apparaturen zur Ortung verwandt. Dieses Verfahren ist zulässig.
Fehlermöglichkeit: die Gradzahl der Abweichung aus der Nordrichtung der Kompaßnadel wird oft als Feldstärke bewertet. Diese Aussage ist falsch. Das gleiche gilt für elektronisches Ortungsgerät. 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: unjustierte Geräte.

ELEKTRISCHE GLEICHFELD:
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) oder Kilovolt pro Meter angegeben.
Fehlermöglichkeit: Bedienungsfehler des Messgerätes.

ELEKTRISCHE WECHSELFELD:
Ortung: mittels elektronischer Ortungsgeräte und mittels Körperspannungsmessung. Beide Verfahren sind zulässig.
Fehlermöglichkeit: es bestehen große Fehlermöglichkeiten. Die elektronischen Ortungsgeräte der unteren Preisklasse können nur als „Schätzeisen" bezeichnet werden. 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, gibt nur für eine genau definierte Messanordnung richtige Messwerte aus. Um die Problematik aufzeigen zu können muss etwas weiter ausgeholt werden.

Herr Erich W. Fischer hat vor ca. 15 Jahren ein Verfahren begründet, mit dem sich der oder die Verursacher für elektrische Wechselfelder in Räumen schnell und einfach auffinden lassen. Das Verfahren der sogenannten kapazitiven Körperankoppelung bedient sich dabei einer Spannungsmessung gegen Erde am liegenden Probanden. Die im elektrischen Wechselfeld am Körper anliegende Spannung kann nur bei nicht geerdetem Körper gemessen werden. Ist der zu messende Körper aber teilweise geerdet, so tritt ein Spannungsabfall auf, der im Extremfall - bei Erdpotential - gegen Null geht. Aufgrund dieser Gegebenheit können schwerwiegende Messfehler entstehen. Technisch verbirgt sich dahinter das Problem eines komplexen Spannungsteilers, dessen Effektivität im Einzelfall nicht ohne weiteres überschaubar ist.

Das Verfahren der kapazitiven Ankoppelung darf daher nicht zur Bestimmung der biologischen Körperbelastung im elektrischen Wechselfeld herangezogen werden, was aber laufend geschieht! Auch wenn von baubiologischer Seite die Spannungsmesswerte der kapazitiven Ankoppelung immer wieder mit Aussagen zur biologischen Belastung verknüpft werden, sind diese aus physikalischer und biologisch-medizinischer Sicht falsch. Wenn in Einzelfällen eine scheinbare Übereinstimmung von kapazitiver Ankoppelung und Körperstromdichtemessung festzustellen ist, so ergeben sich bei vielen Messkonfigurationen erhebliche Messunterschiede.

Facit: Die kapazitive Ankoppelung darf nicht als allgemein gültige Meßmethode zur Bestimmung der Körperbelastung im niederfrequenten elektrischen Wechselfeld herangezogen werden.

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 Wechselstrom in Form seiner Dichte und zwar jeweils an der Sonde befindlichen Körperstelle.
Eine Körperbelastung wird nicht durch Anliegen einer Spannung verursacht, sondern durch einen Stromfluss im menschlichen Körper.
Messung:
Es wird durch eine spezielle Körperstromdichtemessung nach Prof. Zeisel erfaßt. Mit einem extrakorporalen Messverfahren, werden die intrakorporalen – durch das Feld induzierten - Ströme gemessen. Das Maß der Ströme wird in Nanoampere pro Quadratmeter (nA/m²), Mikroampere pro Quadratmeter (µA/m²) oder in einer entsprechend größeren Einheit angegeben. Um die Messung der Körperstromdichte verständlich darzustellen, lassen wir Prof. Zeisel selbst zu Wort kommen.

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

von: Prof. 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 U_a = 10 V eine kleinere Belastung als im Falle b) mit U_b = 90 V vorgetäuscht worden.

Darüber hinaus berücksichtigt die kapazitve 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 I_A. 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 plaziert 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 istu nter 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= l mT)
MPR	Smax = 600nA/m2 (B= 250 nT)
AEB, bzw. Baubiologie	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 Verfasser wurde ein auf die Erfordernisse der Elektrobiologen angepasstes Messgerät zur Bestimmung elektrischen Stromdichte und magnetischen Flußdichte im Tieffrequenzbereich entwickelt. Dieses Messgerät steht der Elektrobiologie seit 1994 zur Verfügung.
Fehlermöglichkeiten: bei mangelnder Messkenntnis können große Fehler auftreten.

MAGNETISCHE WECHSELFELD:
Ortung: mit elektronischen Geräten können Ortungen durchgeführt werden. Die preisgünstigen Geräte weisen jedoch meist erheblich unterschiedliche Messergebnisse aus. Dieses Verfahren ist zulässig.
Ferner werden auch selbstgewickelte Luftspulen eingesetzt. Diese Luftspulen sind meist 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.

Hochfrequentes elektromagnetisches Feld:

Zur Anzeige vorhandener elektromagnetischer Felder werden zwei unterschiedliche Verfahren eingesetzt. Entsprechend der Erfassungsart werden sie als Breitband- oder Schmalbandverfahren bezeichnet.

Breitbandverfahren: Geräte für diese Art der HF-Feldanzeige sind über einen weiten Frequenzbereich (z.B. von 500kHz 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-Indikatoren 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 zur Zeit 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 nur Breitbandsonden mit isotropen Sensoren geeignet. Die Anwendung dieser Sonden und ihre Positionierung im Feld zur richtigen Messung der HF-Feldstärke erfordert viel Erfahrung, und die Preise für solche Sonden liegen z.Z. noch in der Regel auf einem Niveau, das sie für den gelegentlichen Gebrauch ausschließt.

Schmalbandverfahren: 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.

Kosten-Nutzen-Relation
Ortung: Die Kosten für eine Schmalbandmeßanlage lassen eine Beschaffung für reine Ortungszwecke als wenig sinnvoll erscheinen.

Messung: Die Messung von HF-Feldern nach dem Schmalband-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.

Facit: Beide Verfahren zur Messung von HF-Feldern erfordern eine Messausrüstung mit hohen Investitionen. Da auch die Messungen selbst tiefgehende Kenntnisse und Erfahrungen mit der Materie erfordern, muss das Messen von HF-Feldern Spezialisten vorwiegend aus dem EMV- und EMVU-Bereich vorbehalten bleiben.