Wirkung von starken impulsförmigen Strömen und Magnetfeldern auf den menschlichen Kopf

Machts, René GND

Eine impulsförmige Blitzentladung erreicht Ströme von 200 kA und mehr. Ein direkter Blitzeinschlag in den menschlichen Kopf kann mechanische und thermische sowie neurologische Schädigungen verursachen. Die Wirkung eines indirekten Blitzschlages und des resultierenden impulsförmigen Magnetfeldes auf den menschlichen Körper ist weitestgehend unbekannt. Weiterhin wird angenommen, dass die Wahrscheinlichkeit einen Blitzschlag zu überleben bei 70 % - 90 % liegt. Jedoch sind die Ursachen der biologischen und physikalischen Wirkmechanismen nicht umfassend geklärt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es eine Methodik zu entwickeln, um die Stromverteilung während eines nachgebildeten direkten Blitzeinschlages sowie die elektrische Feldstärkeverteilung während eines indirekten Blitzeinschlages in physikalischen Kopfphantomen zu ermitteln. Die Kopfphantome bildeten die geometrischen und dielektrischen Eigenschaften der Kopfhaut, des Neurocraniums sowie des intrakraniellen Volumens (Hirn) des menschlichen Kopfes nach. Diese Kopfphantome wurden für die Analyse der Stromverteilung mit Spannungen und Strömen beaufschlagt, die bei Blitzentladungen zu erwarten sind. Die Integration eines Elektrodenarrays in das Hirn ermöglichte die Erfassung der Potentialverteilung sowie die Berechnung der elektrischen Feldstärke im Kopfphantom während eines indirekt applizierten Impulses. Simulationen erlaubten die Bildung weiterer Interpretationen. Die Experimente und Simulationen, die einen direkten Blitzeinschlag nachbildeten, zeigten, dass die Kopfhaut primär der Stromwirkung (70-92 %) exponiert war, gefolgt vom Hirn (3-28 %) und Neurocranium (1-9 %). Mit ausgebildetem Überschlagkanal floss der größte Anteil (82-99 %) des Stromes in diesem ab und die Kompartimente des Kopfphantomes waren geringer exponiert. In den Experimenten, die einen indirekten Blitzeinschlag nachbildeten, wurde eine Feldstärke von bis zu 10V/m im Hirn ermittelt. Vier Schutzmechanismen erklären, wieso eine Person einen direkten Blitzschlag überleben kann. (1) Der Überschlagkanal wurde als der wichtigste Schutzmechanismus identifiziert und erstmalig verifiziert. Als weitere Schutzmechanismen wurden (2) die isolierende Wirkung des Neurocraniums und (3) die Ableitfähigkeit der cerebrospinalen Flüssigkeit ermittelt. (4) Die Hirnregionen, die mit Vitalfunktionen assoziiert werden, sind im Falle des Überschlags durch Stromamplituden exponiert, die mit medizinischen Anwendungen vergleichbar sind. Die mögliche Schädigung durch einen indirekten Blitzschlag wurde identifiziert.

A pulsed-shape lightning discharge can result in currents more than 200 kA. Direct lightning strikes can cause mechanical and thermal Aas well as neurological damage. The effect of an indirect lightning strike and the resulting pulsed magnetic field on the human body is unknown and its impact as a damaging factor remains unclear. It is assumed that the probability of surviving a lightning strike is about 70% to 90 %. However, the origin of the biological and physical mechanisms is not fully understood. This thesis seeks to develop a methodology to determine the spatial and temporal distribution of current during a simulated direct lightning strike and the distribution of electric field during a simulated indirect lightning strike in physical head phantoms. The physical head phantoms reproduce the geometric and dielectric properties of the scalp, the neurocranium and the intracranial volume (brain) of a human head. To measure the current distribution, the head phantoms were directly exposed to voltages and currents simulating the components of a lightning discharge. The integration of an electrode array into the brain allowed the determination of the potential distribution, as well as the calculation of the electric field strength in the head phantom during an indirectly applied aperiodic pulse. Simulations were used to provide interpretation of the results. The experiments and simulations, which mimicked a direct lightning strike, showed that the scalp was predominantly exposed to the current (70–92 %), followed by the brain (3–28 %) and neurocranium (1–9 %). In case of flashover the largest fraction (82–99 %) of current flowed in this discharge channel and the compartments of the head phantom were less exposed. In the experiments, which replicated an indirect lightning strike, an induced electric field of up to 10V/m was determined in the brain volume. Four protective mechanisms explain why a person can survive a direct lightning strike. (1) The flashover was identified as the most important protective mechanism and verified for the first time. As further protective mechanisms, (2) the isolating effect of the neurocranium and (3) the channeling effect of cerebrospinal fluid were determined. (4) The brain regions associated with vital functions are exposed in the case of flashover by current amplitudes comprable to medical applications. The possible damage caused by an indirect lightning strike was identified.

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