Właściwości elektryczne ciała człowieka
Pierwsze badania rezystancji ciała człowieka przeprowadził w roku 1870 J. Runge , który wykazał, że rezystancja naskórka jest większa od tkanki podskórnej. W 1882 r. F. Jolly stwierdził, że wartość rezystancji ciała kobiety jest o 30% większa niż ciała mężczyzny i wpływają na nią zmiany patologiczne w organizmie. W tym samym czasie Friedrich Kohlrausch (1840-1910) w Niemczech, mierząc rezystancję ciała między lewą a prawą ręką, określił jej wartość w zakresie od 1,6 do 3 kH. W 1884 r. William Henry Stone (1834-1896) zauważył, że podczas choroby rezystancja ciała człowieka mierzona między ręką a nogą maleje od 900 Ω do 100 Ω. W badaniach stosował elektrody z taśm ołowiowych, które nawijał na zwilżone roztworem soli ciało człowieka. W 1891 r. Silva i Pescarolo wykazali, że rezystancja człowieka zależy od powierzchni dotyku, siły docisku oraz temperatury otoczenia.
Zależność zmian rezystancji ciała od napięcia rażeniowego w zakresie do 100 V określił w 1897 r. L. Weber z Politechniki w Zurychu. W badaniach stosował elektrody wykonane z drutu o średnicy 6 mm. W 1890 r. Jean de Tarchanoff (1857-1927) stwierdził, że przepływający przez ciało człowieka prąd elektryczny powoduje zmiany we krwi. W 1919 r. Martin Gildemeister (1876-1943) wykazał, że wartość rezystancji ciała jest zależna od napięcia rażeniowego i częstotliwości. W roku 1923 Willem Einthoven (1860-1927) stwierdził, że impedancja ciała człowieka ma charakter pojemnościowy. Zmiany wartości impedancji ciała od częstotliwości i napięcia rażeniowego określił w 1928 r. O. Muller.
W Austrii z początkiem XX w. badania właściwości elektrycznych ciała człowieka przeprowadził lekarz Stefan Jellinek (1871-1968). Dokumentował urazy elektryczne ciała człowieka dla Instytutu Medycyny Sądowej w Wiedniu. Zgromadzone przez Jellinka eksponaty można obecnie zobaczyć w Muzeum Elektropatologii w Wiedniu (ul. Gomperzgesse 1), a stosowane przyrządy – w wiedeńskim muzeum medycyny Josephinum.
W Niemczech Henryk Freiberger opublikował w 1934 r. swoje badania i aktualny stan wiedzy z elektropatologii w książce „Der elektrische Widerstand des menschlichen Körpers gegen technischen Gleich- und Wechselstrom”. Monografia stanowiła przez wiele lat podstawową literaturę z zasad działania prądu elektrycznego na człowieka. Freiberger przeprowadził pomiary rezystancji ciała ludzi żywych napięciem do 30 V oraz zwłok ludzkich napięciem do 5 kV. Opracował dokładną zależność zmian impedancji ciała człowieka od napięcia rażeniowego w zakresie do 500 V. Stwierdził, że wewnętrzne organy ciała człowieka mają charakter rezystancyjny, a skóra człowieka – charakter impedancyjny. Określił wartość pojemności skóry 20 nF/cm2. Opracował też aktualny do dziś schemat zastępczy impedancji ciała człowieka (rys. poniżej).
Schemat zastępczy impedancji ciała człowieka wg Freibergera:
Rs – rezystancja skóry, Ri – rezystancja wewnętrzna ciała, C – pojemność skóry
W 1952 r., C. Sóderbaum wykonując pomiary impedancji pomiędzy lewą i prawą reką określił pojemność elektryczną ciała człowieka od 6 do 10 nF/cm2. W 1959 r. Charles Dalziel (1904-1986) na podstawie swoich badań na Uniwersytecie Kalifornijskim zaproponował do celów ochrony przeciwporażeniowej przyjęcie modelowej wartości impedancji ciała jako 1000 Ω.
W latach 60. ubiegłego wieku Gottfried Biegelmeier (1924-2007) z Wiednia wykonał bardzo dokładne pomiary impedancji ciała człowieka. W swoich badaniach używał elektrod cylindrycznych o średnicy 80 i długości 100 mm. Prowadził badania głównie na drodze pomiarowej ręka lewa – ręka prawa, nawilżając skórę 3-procentowym roztworem wodnym soli kuchennej. Określił wartość rezystancji wewnętrznej ciała R = 781±114 Ω, a wartość całkowitej impedancji ciała Z = 3500±1400 Ω. Zbadał zależność wartości impedancji ciała od powierzchni dotyku do elektrody. Stwierdził, że przy napięciu wyższym od 250 V powierzchnia dotyku nie odgrywa większej roli. Badania wykonywał na zwłokach ludzkich, a zmierzone wartości korygował dla ciała żywego. Wyniki badań analizował metodami statystycznymi, wykorzystując rozkład normalny oraz logarytmo-normalny. Wartość elektrycznej pojemności ciała określił w zakresie od 0,006 do 0,05 mF/cm2.
Wyniki i osiągnięcia Biegelmeiera stanowiły podstawę dla Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej IEC, która w 1974 r. opracowała raport nr 479-1 „Działanie prądu elektrycznego na ludzi”, podając w nim zależności impedancji ciała człowieka na drodze ręka – ręka. W opracowaniu podano wartości impedancji ciała w formie kwantyli prawdopodobieństwa 5,50 i 95%. W 1976 r. przeprowadzono w Austrii pomiary impedancji ciała żywych ludzi na grupie 100 osób, przy napięciu rażeniowym 25 V prądu przemiennego 50 Hz, a w stosunku do G. Biegelmeiera – napięciem wyższym do 200 V. Badania przeprowadzono przy zastosowaniu elektrod o powierzchniach styczności od 1 do 10 000 mm2. Wyniki tych badań doprowadziły w 1984 r. do wydania drugiego raportu IEC. Dalsze badania Biegelmeiera przyczyniły się do kolejnej nowelizacji raportu IEC wydanego w 2002 r. oraz w 2005 r. (IEC – Raport IEC/TS 60479-1 ed 4.0 Effects of current on human beings and livestock – Part 1: General aspects).
Związek pomiędzy wartością impedancji ciała człowieka a czynnikami, które ją kształtują rozpatruje się w kategoriach probabilistycznych. Wpływ klimatu oraz czynników ergonomicznych w środowisku pracy na wartość impedancji ciała człowieka określił w latach 90. ub.w. Stefan Gierlotka. Badania zmian impedancji ciała od ergonomicznego czynnika narażającego i napięcia rażeniowego przeprowadził w kopalnianych wyrobiskach, stosując opracowaną metodę impedancji standardowej ciała człowieka.
W Polsce w 1968 r. na Politechnice Wrocławskiej Zdzisław Teresiak (1925-2009) określił wartości impedancji ciała człowieka na potrzeby techniki ochrony przeciwporażeniowej. W latach 60. ubiegłego wieku Henryk Markiewicz również z Politechniki Wrocławskiej opracował zależność wartości prądu rażeniowego od czasu rażenia. Model impedancji ciała człowieka w kategoriach probabilistycznych opracował Włodzimierz Komiluk z Politechniki Białostockiej.
Działanie prądu na człowieka
W 1888 r. Amerykanin Harold Brown (1869-1932) na publicznych pokazach uśmiercania psów prądem przemiennym udowodnił, iż prąd przemienny jest bardziej niebezpieczny od prądu stałego. Stwierdził, że śmiertelne już jest napięcie 110 V o częstotliwości 60 Hz. Na zbudowanym w 1889 r. przez Thomasa Edisona krześle elektrycznym w USA, próbowano poprzez obserwacje wykonywanych wyroków uzyskać informacje o działaniu prądu elektrycznego na człowieka. Napięcie elektryczne stosowane w egzekucjach wynosiło ok. 2000 V w czasie rażenia do kilkudziesięciu sekund. Cykl mógł być powtarzany. Obserwacje tych makabrycznych praktyk egzekucyjnych nie wniosły wiele do elektropatologii.
Badania działania prądu rażeniowego na człowieka prowadził w Austrii Stefan Jellinek, który twierdził, że przyczyną śmierci spowodowanej przez prąd elektryczny jest zaprzestanie oddychania. W 1925 r. S. Jellinek wydał pierwszy podręcznik dla inżynierów i lekarzy o porażeniach prądem elektrycznym człowieka. Potwierdził, że prąd stały jest mniej szkodliwy od przemiennego, a wartość śmiertelną napięcia przemiennego określił na 110 V. Jellinek był prekursorem badań porażeń przy urządzeniach elektrycznych i wykonał pierwsze analizy o charakterze naukowym.
Strona tytułowa pierwszego podręcznika o wypadkach elektrycznych
i ochronie przeciwporażeniowej z 1925 r.
Opublikowane przez Stefana Jellinka wnioski zakwestionował w USA Conrad Alvensleben (1874-1945), który za przyczynę zgonu powodowanego porażeniem prądem elektrycznym uważał zaburzenie koordynacji ruchu mięśnia sercowego. W latach 20. Alvensleben uporządkował stan wiedzy o działaniu prądu na człowieka i opracował pierwsze zasady ratowania porażonych i ich reanimacji. W 1936 r. na Uniwersytecie Kolumbijskim zespół w składzie: L. Ferris, B. King, P. Spence i H. Williams – przeprowadził badania na owcach stwierdzając, że przyczyną śmierci w wyniku porażenia prądem jest zjawisko migotania komór serca. W czasie fibryla- cji włókna mięśni serca przestają kurczyć się miarowo i wykonują nieregularne drgania. Powoduje to zatrzymanie krążenia, a w konsekwencji zanik czynności biologicznych w organizmie. W 1939 r. Carl Wiggers (1883-1963) wykazał, że zjawisko migotania komór serca może wystąpić tylko wówczas, gdy pobudzający impuls prądu rażeniowego wystąpi w pewnej określonej fazie pracy serca. Przeprowadzone badania na różnych zwierzętach wykazały, że wartość progowa powodująca fibrylację komór serca zależy nie od napięcia rażenia, lecz od wartości natężenia prądu i czasu rażenia. L. Ferris opracował graficzną zależność między wartością natężenia prądu i czasem rażenia niezbędnym do wywołania fibrylacji określonym w liczbie pracy cykli serca. Z przeprowadzonych badań na zwierzętach wyznaczył zależność prądu wywołującego migotanie komór serca od ciężaru ciała i ciężaru serca. Wyniki Ferrisa w 1959 r. zakwestionował William Kouwenhoven (1886-1975) na Uniwersytecie Hopkinsa w USA, uważając, że różny czas pracy serca owiec (0,45 s), psów (0,3 s), nie może stanowić podstawy do wnioskowania o warunkach fibrylacji serca człowieka (0,75 s).
W 1963 r. Osypka w Brunszwiku doszedł do wniosku, że graniczny prąd rażeniowy ssaków w przybliżeniu zwiększa się odwrotnie proporcjonalnie do czasu przepływu prądu. Określił jako wartość niebezpieczną iloczyn prądu rdzeniowego i czasu działania I·t =100 mAs. Osypka badał wpływ drogi przepływu prądu rażeniowego w ciele człowieka na skutki patologiczne. Wykorzystując wyniki tych badan i dalszych własnych badań na zwłokach U. Sam wprowadził aktualny dziś współczynnik prądu serca F. Współczynnik ten określa procent całkowitego prądu rażenia, który bezpośrednio przepływa przez serce – zależnie od drogi rażenia.
Z końcem lat 50. E. Wagner w Erlangen badał wpływ gęstości prądu rażeniowego na zmiany patologiczne w skórze porażonych. Stwierdził, że gęstość prądu do 10 mA/mm2 nie powoduje jeszcze żadnych zmian w skórze, natomiast powyżej 32 mA/mm2 następuje przebicie naskórka i powstają znamiona prądowe. Przekroczenie wartości 70 mA/mm2 powoduje zwęglenie skóry. W latach 50. grupa niemieckich badaczy we Frankfurcie nad Menem pod przewodnictwem S. Koeppena bardzo szczegółowo przebadała porażonych od strony medycznej. Opisano wtedy zjawiska elektryczne występujące w sercu podczas rażenia prowadzące do jego fibrylacji. W 1963 r. A. Kiselev określił w kategoriach probalistycznych natężenia prądu wywołującego fibrylację serca u psów. W 1969 r. Gottfried Biegelmeier (1924-2007) z Wiednia wykonał bardzo dokładne pomiary i określił zależności czasowo-prądowe podczas rażenia prądem wpływające na wystąpienie określonych skutków patologicznych u człowieka. Wartość graniczną prądu rażenia niebezpieczną dla życia człowieka ustalił na 30 mA. W 1975 r. S. Buntenkötter, J. Jacobsen oraz J. Reinhard wykonując badania na świniach określili wpływ drogi prądu i fazy serca na zjawisko migotania komór serca. Wpływ prądu rażenia na fibrylację serca przebadał dokładnie H. Antoni na uniwersytecie w Freiburgu, korzystając z serca świni, które wagowo odpowiada ciężarowi serca człowieka i pracuje w podobnym rytmie. W 1980 r. G. Biegelmeier i W.R. Lee po analizie statystycznej wszystkich dostępnych danych wykazali, że charakterystyka progowych wartości fibrylacji w funkcji czasu rażenia ma kształt rozciągniętej litery Z.
Podsumowaniem wykonanych badań oddziaływania prądu na człowieka było opracowanie raportu przez Międzynarodowy Komitet Elektrotechniki IEC w 1984 r. W raporcie tym przedstawiono charakterystykę czasowo-prądową oraz strefy skutków występujących w organizmie powodowane prądem rażeniowym. W strefie pierwszej nie występują żadne reakcje fizjologiczne. W strefie drugiej oprócz skurczu mięśni nie występują szkodliwe reakcje organizmu. W strefie trzeciej występuje nasilenie zjawisk występujących w strefie drugiej oraz trudności w oddychaniu i nieregularna praca serca. W strefie czwartej istnieje zagrożenie wystąpienia fibrylacji komór sercowych.
Strefy czasowo-prądowe dla prądu przemiennego 50 Hz wg raportu IEC/TS 60479-1 ed 4.0 z 2005 r.
W 2002 r. na podstawie uaktualniających badań Gottfrieda Biegelmeiera i Dietera Kiebacka wydano specjalne opracowania IEC ESF Vienna – Electrical Safety stanowiące nowelizację dotychczasowych ustaleń. Dalsze badania przyczyniły się do kolejnej nowelizacji raportu IEC wydanego w 2005 r. (IEC – Raport IEC/TS 60479-1 ed 4.0 Effects of current on human beings and liyestock – Part 1: General aspects). Jest to aktualna nowelizacja.
LITERATURA:
[1] Antoni H., Biegelmeier G., Kieback D.: Conventional threshold values oftolerable risiks for the appearance of ventricular fibrillation caused by electric shacks with altemating current 50/60 Hz and direct current repectively. ESF- TechnicalPubli- cation Series 2002 No 3E
[2] Biegelmeier G. et al.: Uber Messungen des elektrischen Widerstandes der Kórper lebender Mensschen in Zuzammenhang mit Normungsfragen bei den SchutzmaB- nahmen gegen elektrische Unfalle in Niederspannungsanlagen. Elektrotechnik und Maschinenbau 1979 nr 2
[3] Biegelmeier G., Mikisch J.: Uber den Einflufi der Haut auf die Kórperimpedanz des Menschen. Elektrotechnik md Maschinenbau 1980 Heft 9
[4] Biegelmeier G.: Neue Erkenntnisse der Elektropathologie. Elektrotechnik und In- formationstechnik 1989 Heft 1
[5] Biegielmeier G. et al.: Neues Wissen uber die Wirkungen des elektrischen Stroms auf Menschen und Nutztiere. VEO Journal 1995 nr 11
[6] Freiberger H.: Der elektrische Widerstand des menschlichen Kórpers gegen tech- nischen Gleich – und Wechselstrom. Berlin: Verlag Juliusz Springer 1934
[7] Gierlotka S.: Zmiany impedancji ciała człowieka pod wpływem napięcia i klimatu środowiska górniczego. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Seria Górnictwo z. 225 1995
[8] Gierlotka S.: Elektropatologia porażeń prądem elektrycznym. Wyd. Śląsk, Katowice 2006
[9] Manojłow W.E.: Osnowy elektrobezpasnosti. Energoatomizdat Leningrad 1991
[10] Teresiak Z.: Podstawowe kryteria skuteczności ochrony przeciwporażeniowej – wczoraj, dziś, jutro. XIV Konferencja naukowo-techniczna „Bezpieczeństwo elektryczne”, Wrocław 2003
[11] IEC – Raport 479 – Part 1 – Draft February 2002: Effects of current on human beings and live stock. ESV – Yienna 2002
[12] IEC – Raport IEC/TS 60479-1 ed4.0 Effects of current on human beings and live- stock – Part 1: General aspects 2005
