EMF Spectrum Schwerpunkt Niederfrequente Felder. F o r s c h ung. Elektronische kardiale Implantate und deren Störung in EMF

Transkript

1 8 EMF Spectrum Schwerpunkt Niederfrequente Felder F o r s c h ung Stephan Joosten, Dominik Stunder Patientenstudie zur Störung von kardialen Implantaten in elektromagnetischen 50Hz-Feldern Seit langem ist bekannt, dass die Funktion elektronischer Implantate durch äußere elektromagnetische Felder (EMF) gestört werden kann. Insbesondere für Arbeitnehmer, die beruflich starken Feldern ausgesetzt sind, stellt sich daher die Frage nach dem Risiko für eine gesundheitliche Gefährdung. Am Forschungszentrum für Elektro-Magnetische Umweltverträglichkeit (femu) der RWTH Aachen wurden daher Untersuchungen entwickelt, die Störschwellen von kardialen Implantaten in elektrischen und magnetischen 50 Hz-Feldern zuverlässig ermitteln können. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass auch unter ungünstigen Bedingungen mehr als 50% der 130 bisher getesteten Implantate nicht beeinflusst werden konnten. anlagen in Kaufhäusern oder Induktionskochfelder in Küchen. Generell geht der Trend immer mehr zu kabellosen Geräten, so dass fortlaufend neue Anwendungsgebiete entstehen wie die induktive Aufladung von Akkus bei Handys, Laptops oder sogar Elektroautos. Darüber hinaus entstehen elektromagnetische Felder auch bei der elektrischen Energieübertragung mit Hochspannungsfreileitungen oder durch Oberleitungen der Bahn. Jedoch ist uns das Vorhandensein von EMF im Alltag oft nicht bewusst, da sie weder sichtbar, riechbar noch spürbar sind. Doch auch wenn der Mensch die Existenz nicht bemerkt, so erzeugt jedes Feld elektrische Spannungen in unserem Körper. Elektromagnetische Felder sind aus unserem alltäglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Anwendungen verschiedenster Art nutzen diese technischen Felder. Prominentestes Beispiel ist der Einsatz von EMF durch mobile Kommunikationsgeräte. Sowohl bei Handynetzen als auch bei WLAN werden EMF zur Übertragung verwendet. Weitere Beispiele sind Sicherungs- Elektronische kardiale Implantate und deren Störung in EMF Der Einsatz elektronischer Implantate ist heutzutage eine anerkannte medizinische Therapieform. Kardiale Implantate wie der Herzschrittmacher (HSM) oder der implantierbare Kardioverter-

2 Ausgabe 2/2012 Juli Defibrillator (ICD) stellen dabei mit weit über 90% den größten Anteil aller eingesetzten elektronischen Implantate. Der Einsatz von HSM hat sich in den letzten Jahrzehnten als eine der Standardtherapien bradykarder Herzerkrankungen etabliert: Im Jahr 2010 gab es mehr als HSM-Erstimplantationen. Ebenso findet der Einsatz von ICD immer weitere Anwendungsfelder, so dass bereits im Jahr 2010 die Zahl der Erstimplantationen deutlich über lag [1]. Insgesamt leben somit allein in Deutschland ca HSM- und ICD-Patienten, was etwa 1% der Bevölkerung entspricht. Besonders bei den ICD-Patienten ist dabei der Trend auszumachen, dass immer jüngere Patienten bereits ein Implantat erhalten. Der Grund für diese Entwicklung ist vor allem der prophylaktische Einsatz der Geräte bei erblicher Vorbelastung. Bereits in den 1960er Jahren wurde bei den ersten Herzschrittmacher-Implantationen festgestellt, dass EMF deren korrekte Funktion beeinträchtigen können. Die durch EMF induzierten und influenzierten Spannungen im Körper überlagern dabei das körpereigene elektrische Herzsignal (iekg), so dass das Signal, welches das Implantat zur Analyse heranzieht, ein Signalgemisch aus dem eigentlichen Nutz- und einem Störsignal ist. Bei der Auswertung dieses gestörten iekg sind dann Fehlinterpretationen möglich. Folglich besteht die Gefahr, dass notwendige Therapien durch das Implantat nicht erfolgen oder Therapien ohne Vorliegen einer medizinischen Notwendigkeit abgegeben werden. Diese Situation, dass eine solche Beeinflussung erfolgen kann, stellt ein latentes Risiko dar, da auch in der Wissenschaft keine ausreichenden Erkenntnisse existieren, unter welchen Bedingungen aus medizinischer Sicht ein tatsächliches Risiko für den Implantatträger besteht. Ein besonderes Problem besteht bei Arbeitnehmern, die beruflich starken EMF ausgesetzt sind. Aufgrund des unklaren Risikos für eine Störung und der aktuellen Rechtslage bedeutet die Implantation eines HSM oder ICD für diese Gruppe oftmals eine Veränderung des Arbeitsbereiches bis hin zu einer Umschulung und damit den Verlust des alten Arbeitsplatzes. Dies erfolgt dabei ohne das Wissen, ob für den Arbeitnehmer tatsächlich eine gesundheitliche Gefährdung durch die EMF am Arbeitsplatz besteht. Patientenuntersuchung An diesem Punkt setzt das Forschungsprojekt Provokationsstudien mit Implantatträgern am Forschungszentrum für Elektro- Magnetische Umweltverträglichkeit (femu) der RWTH Aachen ein. Hierbei werden im Rahmen einer experimentellen Untersuchung die niedrigsten individuellen Störschwellen elektronischer kardialer Implantate in elektrischen und magnetischen 50 Hz- Feldern ermittelt. Neben der individuellen Risikobewertung für jeden Patienten zeichnen sich mittlerweile allgemeine Aussagen zur Gefährdung von Patienten mit Implantaten durch EMF im Alltag oder Beruf ab. Methodik: Felderzeugung Zur Erzeugung der Magnetfelder mit einer Frequenz von 50 Hz dienen zwei Kupfer-Spulen, die in einer Helmholtz-Spulenanordnung angebracht sind. Diese spezielle Anordnung, die in Abb. 1 zu sehen ist, generiert im Bereich zwischen den Spulen ein homogenes Magnetfeld, in dem der Implantatträger Platz nimmt. Der Oberkörper des Patienten ist dabei senkrecht zum Feld ausgerichtet, so dass eine größtmögliche Induktionsfläche im Bereich des Herzens entsteht. Die erzeugten magnetischen Flussdichten reichen bis an den Grenzwert der BGV B11 (Unfallverhütungsvorschrift der Berufsgenossenschaften) von 2,5 mt heran [2]. Abb. 1: Situation bei einer Patientenuntersuchung: Der Patient nimmt zwischen den Spulen zur Magnetfelderzeugung Platz, während der Kardiologe (rechts) die Implantatfunktion überwacht. Mit Hilfe des computergestützten Testsystems (links) wird das Oberflächen-EKG angezeigt und die Exposition gesteuert. Eine Erzeugung homogener elektrischer Felder ist im Labor aus technischen Gründen nicht möglich, weshalb diese Felder über die Einspeisung eines Stroms in den Körper der Implantatträger simuliert werden. Über Klebeelektroden im Nackenbereich und an den Füßen des Patienten wird der influenzierte Körperstrom in vertikalen elektrischen Feldern nachgebildet. Die Stromstärke ergibt sich dabei aus der Relation zwischen äußerer elektrischer Feldstärke und dem influenzierten Strom.

3 10 EMF Spectrum Schwerpunkt Niederfrequente Felder Dieser Zusammenhang wurde in mehreren wissenschaftlichen Abhandlungen definiert [3]. In unseren Untersuchungen am femu kann so ein elektrisches 50 Hz-Feld mit einer Feldstärke von 30 kv/m (Grenzwert für 50 Hz-Felder der BGV B11 [2]) nachgebildet werden. Während der Untersuchung sind zwei Ingenieure und zwei Ärzte anwesend, von denen einer Kardiologe mit entsprechender Implantaterfahrung ist. Die Studie wurde durch die Ethikkommission der Medizinischen Fakultät der RWTH Aachen genehmigt. Abb. 2: Schematischer Aufbau des Testsystems: Sowohl die Erzeugung der Magnetfelder mit den Kupferspulen als auch die Simulation der elektrischen Felder über die Körperstromeinspeisung ist computergesteuert. Die magnetischen oder elektrischen 50 Hz-Felder können einzeln oder kombiniert generiert werden. Bei kombinierter Exposition ist die Felderzeugung so abgestimmt, dass sich die jeweiligen Anteile des elektrischen und magnetischen Feldes addieren und somit die größtmögliche Störspannung im Körper des Patienten entsteht. Eine schematische Übersicht der Felderzeugung findet sich in Abb. 2. Methodik: Sicherheit des Patienten Während der gesamten Untersuchung werden der Herzschlag des Patienten sowie die Implantatfunktion überwacht. Das Oberflächen-EKG wird durch ein computergestütztes Messsystem kontinuierlich aufgezeichnet, die Implantatfunktion wird über das Programmier- und Auslesegerät des Aggregats kontrolliert. Durch das kontinuierliche Monitoring kann die Auswirkung der Störung zu jeder Zeit nachvollzogen und eine Risikobewertung durchgeführt werden. Weiterhin wird zur Sicherheit des Patienten auf eine länger andauernde Störung verzichtet. Die Expositionszeit beträgt 1-2 s, die Felder werden auf die R-Zacke des Patienten-EKG getriggert eingeschaltet. In Studien mit explantierten Implantaten, sogenannten Benchmark-Tests, konnte nachgewiesen werden, dass eine solche getriggerte kurzzeitige Expositionssequenz eine vergleichbare Störung verursacht wie eine andauernde Feldexposition. Der Schluss von der kurzzeitigen Exposition auf reale Feldsituationen ist somit zulässig. Die Sicherheit der Patienten ist während der gesamten Studie gewährleistet. Vor und nach der Untersuchung erfolgt eine Funktionskontrolle des Implantats, die der halbjährlichen (bei ICD) bzw. jährlichen (bei HSM) Routineuntersuchung entspricht. Ablauf der Untersuchungen Nach der Kontrolle der Implantatfunktion wird zunächst die höchste programmierbare Wahrnehmungsempfindlichkeit eingestellt. Begonnen wird der Test mit elektrischen Feldern: Die elektrische Feldstärke wird so lange schrittweise gesteigert, bis eine Beeinflussung sichtbar oder der Grenzwert von 30 kv/m erreicht ist. Bei dem Test mit Magnetfeldern wird die magnetische Flussdichte bis zur Beeinflussung des Implantats oder zum Erreichen des Grenzwertes bei 2,5 mt erhöht. Ein dritter Durchgang ermittelt die Störschwelle in kombinierten elektrischen und magnetischen Feldern innerhalb der Grenzwerte. Damit ist die Ermittlung der Störschwellen bei höchster Empfindlichkeit abgeschlossen. Im Anschluss wird die Wahrnehmungsempfindlichkeit auf die Werte zurückgesetzt, mit denen das Implantat zu Beginn der Untersuchung programmiert war. Der Testdurchlauf mit diesen Einstellungen ist notwendig, um die Störschwellen bei den alltäglichen Bedingungen festzustellen. Sollte der Durchgang bei höchster Empfindlichkeit bereits ohne Störung geblieben sein, kann der Test bei Alltagseinstellungen entfallen. Für jeden Patienten ergeben sich in dieser Untersuchung die individuellen Störschwellen für zwei Implantat-Programmierungen: Neben der Schwelle für den Alltag deckt die bei der höchsten Empfindlichkeitseinstellung ermittelte Schwelle den Fall ab, dass im Laufe der Zeit die Wahrnehmungsempfindlichkeit des Implantats aus medizinischen Gründen erhöht werden muss. Für diesen Fall ist dann keine erneute Untersuchung notwendig. Die detaillierte Auswertung erfolgt im Anschluss an den Untersuchungstermin. Hier werden weitere Informationen über das implantierte System (Sondentyp, Elektrodenabstand etc.) und die Röntgenaufnahmen des Thorax (genaue Lage der Sonde) zur Auswertung hinzugezogen. Auf dieser Basis werden die Aufnahmen kontrolliert und jede Expositionssequenz analysiert. Das Resultat wird in einem Gutachten zusammengefasst und sowohl dem Implantatträger als auch dem betreuenden Hausarzt und ggf. dem Betriebsarzt zugesandt. Ergebnisse Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass starke elektromagnetische Felder Implantate stören können. Störungen können dabei sowohl im Vorhof/Atrium (s. Abb. 3) als auch in der

4 Ausgabe 2/2012 Juli Kammer/Ventrikel (s. Abb. 4) auftreten. Die beiden Abbildungen zeigen Beispiele für solche Störungen. In diesen Fällen ist eine zuverlässige Funktion nicht mehr sichergestellt, wobei nicht jede Beeinflussung gleich eine medizinische Konsequenz nach sich zieht. Dennoch sind vor allem bei länger andauernden Störungen medizinisch relevante Fehlreaktionen wie z. B. die Abgabe eines inadäquaten Schocks (nur bei ICDs) oder eine schnelle Stimulation der Kammer möglich. Insgesamt kann jedoch nach mehr als 130 Untersuchungen festgehalten werden, dass sich kardiale Implantate als störfest erweisen. So konnten mehr als die Hälfte der getesteten Implantate in 50 Hz-Feldern im Bereich der BGV B11 (2,5 mt und 30 kv/m [2]) bei höchster Wahrnehmungsempfindlichkeit nicht gestört werden. Bei alltäglichen Einstellungen (normale Empfindlichkeit) stieg erwartungsgemäß die Zahl der unbeeinflussten Systeme weiter auf über 60%. Anlagen und Verbraucher Frequenz [hz] Elektrische Feldstärke e [kv/m] Magnetische Flussdichte b [µt] 110 kv Hochspannungsfreileitung , kv Hochspannungsfreileitung , kv Hochspannungsfreileitung , Kleine Verbraucher (Kaffeemaschinen, Lampen etc.) 50 0,5* 2* Netzleitungen in Gebäuden 50 0,4* 1* Abb. 3: Die Störung durch äußere Felder ist in diesem Beispiel im Vorhof/Atrium-Kanal (oberes Signal) deutlich zu erkennen. Das Implantat nimmt neben der Herzaktion (AS, blaue Pfeile) zusätzlich fehlerhaft eine Vorhofaktion während der Störung wahr (AS, rote Pfeile). Dies führt zu einer inadäquaten Stimulation der Kammer/Ventrikel (VP, rote Pfeile, unteres Signal). Bügeleisen 50 0,01 10 Mixer 50 0,2* 20* Elektrische Bettdecke 50 4* 40* Elektroheizung 50 0,1 70 Fernseher, Computer 50 0,1-0,9 50 Bahnoberleitung im Zug 16 2 / 3 0,1 50 Abb. 4: Das Signal der Kammer (oberes Signal) ist durch die Feldexposition sichtbar gestört. Das Implantat erkennt neben dem Herzschlag (blauer Pfeil) fälschlicherweise weitere Herzaktionen der Kammer (rote Pfeile). Die schnelle Abfolge der Wahrnehmungen (VS, VF) deutet das Implantat als Kammerflimmern (VF). Bei einer andauernden Störung besteht in einer solchen Situation für ICD-Patienten die Gefahr einer inadäquaten Schockabgabe. Bahnoberleitung am Bahnsteig * Werte gemessen in unmittelbarer Nähe 16 2 / Tabelle 1: Typische Werte von elektrischen Feldstärken und magnetischen Flussdichten in niederfrequenten Feldern bei alltäglichen Anlagen und Verbrauchern.

5 12 EMF Spectrum Schwerpunkt Niederfrequente Felder Bezogen auf die Grenzwerte für die Allgemeinbevölkerung war im Bereich der im Alltag zugelassen Felder (100µT, 5 kv/m [5]) bei keiner Untersuchung eine Störung festzustellen. Im Bereich der normalen beruflichen Umgebungen (Expositionsbereich 2 der BGV B11) trat nur bei einem HSM bei höchster Empfindlichkeit eine Beeinflussung auf, bei normaler Programmierung war diese nicht reproduzierbar. In beruflichen Umgebungen mit starken Feldern (Expositionsbereich 1 oder Bereich erhöhter Exposition der BGV B11), wie sie in Umspannanlagen oder Kraftwerken vorkommen, kann allerdings eine Störung der Implantatfunktion auftreten. Für Betroffene gibt diese am femu durchgeführte Untersuchung Aufschluss über ein mögliches Risiko. Sie ist als Laboruntersuchung gemäß der BGI 5111 anerkannt und kann daher als Grundlage für eine Entscheidung über die Weiterbeschäftigung des Arbeitnehmers in den Bereichen starker Felder herangezogen werden. Die Teilnahme an der Studie ist kostenfrei. [7] Joosten, S.; Pammler, K.; Silny, J.: The Infuence of Anatomical and Physiological Parameters on the Interference Voltage at the Input of Unipolar Cardiac Pacemakers in Low Frequency Electric Fields. Physics in Medicine and Biology (2009), Vol. 54(3), S [8] Scholten, A.; Joosten, S.; Silny, J.: Uniplar Cardiac Pacemakers in Electromagnetic Fields of High Voltage Overhead Lines. Journal of Medical Engineering & Technology (2005), Vol. 29(4), S [9] Scholten, A.; Silny, J.: The Interference Threshold of Cardiac Pacemakers in Electric 50 Hz fields. Journal of Medical Engineering & Technology (2001), Vol. 25(1), S [10] Scholten, A.; Silny, J.: The Interference Threshold of Unipolar Cardiac Pacemakers in ELF Magnetic Fields. Journal of Medical Engineering & Technology (2001), S Dieser Artikel wurde erstveröffentlicht in Ausgabe 1/2012 der Zeitschrift Strahlenschutzpraxis des Fachverbandes für Strahlenschutz e.v. Autoren Literatur [1] Qualitätsreport 2010, AQUA - Institut für angewandte Qualitätsförderung und Forschung im Gesundheitswesen GmbH, 2011 [2] BGV B11 Elektromagnetische Felder: Unfallverhütungsvorschrift. Jedermann Verlag, Heidelberg, 2002 [3] Deno, D. W.: Currents Induced in the Human Body by High Voltage Transmission Line Field - Measurement and Calculationo of Distribution and Dose. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems (1977), PAS-96 (5), S [4] El-Fikri, M.; Goltz, S.; Eggert, S.: Störspannungsschwelle für gegenwärtig implantierte Herzschrittmacher und Defibrillatoren. Schriftenreihe der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (2005), Fb 1059, Wirtschaftsverlag NW, Bremerhaven [5] Feldhaus, G.: Bundes-Immisionsschutzgesetzt in der Fassung vom 26. September Aufl., Praxis Umweltrech, Müller, Heidelberg, 2002 [6] Fröhlig, G.; Accinelli, S.: Herzschrittmacher- und Defibrillatortherapie: Indikation Programmierung Nachsorge. Referenz- Reihe Kardiologie, Thieme, Stuttgart, 2005 Stephan Joosten, Studium an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) in Aachen, 1999 Diplom-Ingenieur der Elektrotechnik, seit 2003 wissenschaftlicher Mitarbeiter beim Forschungszentrum für Elektro-Magnetische Umweltverträglichkeit (femu) am Uniklinikum der RWTH Aachen tätig auf dem Gebiet der Störung von elektronischen Implantaten durch elektromagnetische Felder Dominik Stunder, Studium an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) in Aachen, 2010 Diplom-Ingenieur der Elektrotechnik und Informationstechnik, seit 2010 wissenschaftlicher Mitarbeiter beim Forschungszentrum für Elektro-Magnetische Umweltverträglichkeit (femu) am Uniklinikum der RWTH Aachen tätig auf dem Gebiet der Störung von elektronischen Implantaten durch elektromagnetische Felder. Kontakt: Forschungszentrum für Elektro-Magnetische Umweltverträglichkeit (femu) Institut für Arbeitsmedizin und Sozialmedizin Universitätsklinikum der RWTH Aachen Pauwelsstraße Aachen joosten@femu.rwth-aachen.de stunder@femu.rwth-aachen.de