Metallische Implantate und arbeitsbedingte Magnetfeld-Exposition

Mit der Verordnung elektromagnetische Felder (VEMF) wurden bereits bestehende Verpflichtungen aus dem ASchG konkretisiert. Arbeitnehmerinnen und Arbeitnehmer sollen dadurch vor allem vor unmittelbar auftretenden Gefährdungen aufgrund von elektromagnetischen Feldern (EMF) geschützt werden – der betroffene Frequenzbereich erstreckt sich von statischen Feldern (0 Hz) bis 300 GHz. Spezifische Expositionsgrenzwerte, welche innerhalb des menschlichen Gewebes nicht überschritten werden dürfen, wurden festgelegt.

Um die praktische Anwendbarkeit zu gewährleisten, werden in der VEMF für das extern einwirkende Feld sogenannte Auslösewerte festgelegt. Deren Unterschreitung garantiert auch die Einhaltung der Expositionsgrenzwerte – zumindest für all jene beruflich exponierte Personen, die keine zusätzliche bzw. besondere Gefährdung gegenüber EMF aufweisen. Selbstverständlich regelt die VEMF auch die Pflicht zur Evaluierung, Kennzeichnung und Unterweisung und nennt mögliche Maßnahmen. Literatur wie der Leitfaden der EU-Kommission [3] und die Merkblätter M 470 und M.plus 666 der AUVA [6] geben dazu weitere Auskunft.

Was bewirken elektromagnetische Felder im Gewebe?

Überschreitet die Intensität von EMF gewisse Schwellen, können im Wesentlichen folgende Auswirkungen auftreten:

• Starke Kräfte: Gerade bei magnetischen Gleichfeldern, wie jenen von Permanentmagneten oder Elektromagneten, können im Nahbereich starke Kräfte auftreten und zu Verletzungsgefahr führen.
• Reiz- bzw. Stimulationswirkung: Zeitveränderliche, (elektro-)magnetische Felder können durch das Induktionsprinzip Ladungsverschiebungen in Zellen bewirken, die die Nervenleitung stimulieren. Je nach Intensität und betroffenem Gewebe reichen die Auswirkungen von ungewollten Wahrnehmungen bis hin zu Schmerzen.
• Thermische Wirkung: Obengenannte Ladungsverschiebungen und elektrische Ströme können bei höheren Frequenzen durch Verlustprozesse im Gewebe zu dessen Erwärmung führen. Dieser Effekt wird z. B. beim Induktionsherd zur Erwärmung eines metallischen Topfes und beim Mikrowellenherd zur direkten Garung des Essens ausgenutzt.

Gerade magnetische Wechselfelder im Nieder- und Mittelfrequenzbereich sind dabei besonders häufig. Reiz- bzw. Stimulationswirkung steht durch deren Induktionswirkung dabei im Vordergrund. Dies kann deutlich verstärkt auftreten, wenn sich Metalle, z. B. als medizinisches Implantat, im Feld befinden. Bei höheren Frequenzen kann auch eine Erwärmung des Implantats nicht generell ausgeschlossen werden.

Nur wenig Literatur beschäftigt sich bislang mit dem Problem der metallischen Implantate an EMF-exponierten Arbeitsplätzen. Dabei wäre gemäß § 7 Abs. 1 und 2 der VEMF bei der Evaluierung von EMF auf die besondere Gefährdung von Personen mit metallischen Implantaten wie z. B. Knie-Prothesen, Schrauben, Nägeln etc. speziell zu achten. Aber Achtung: Die Auslösewerte der VEMF sind lediglich für Personen ohne besondere Gefährdung durch solche Implantate ohne Einschränkung anwendbar! Die VEMF legt nämlich dabei keine expliziten Höchstwerte für EMF-Exposition bei metallischen Implantaten fest, sodass man allgemein auf Sekundärliteratur wie einen einzelnen Forschungsbericht aus Deutschland angewiesen ist [8] oder eine aufwendige individuelle Beurteilung unter Einbindung der Medizin notwendig wird. Der Schutz, der durch die aktuellen Grenzwerte gewährleistet wird, muss für durch Implantate besonders gefährdete Personen hinterfragt und gegebenenfalls verstärkt werden.

Eine weitere Klasse von Implantaten sind überdies die sogenannten aktiven, medizinischen Implantate, zu denen vor allem Herzschrittmacher zählen. Betroffene sind durch eine mögliche Störung des Geräts bei EMF-Exposition besonders gefährdet. Eine spezielle Beurteilung und Maßnahmen sind hier zwingend erforderlich! Dieser Beitrag beschränkt sich allerdings auf metallische Implantate mit (passiver) mechanischer Funktion. Für die Beurteilung von Herzschrittmachern etc. wird auf Normen, den AUVA-Report R50 ([5],[7]) sowie Zusammenarbeit mit der Arbeitsmedizin verwiesen.

Metallische Implantate – heute keine Seltenheit mehr!

Mit dem Lebensalter der Beschäftigten steigt auch die Wahrscheinlichkeit, zeitweise oder dauerhaft auf ein metallisches Implantat angewiesen zu sein. So wird jedes Jahr bei etwa 90 von 100.000 Einwohnern eine Erstimplantation einer Endoprothese an der Hüfte durchgeführt, wovon ca. 30 Prozent unter 64 und 10 Prozent unter 54 Jahre alt sind (Jahresbericht des deutsches Endoprothesen-Register, 2015). Für Österreich kann damit von etwa 2.200 Personen pro Jahr ausgegangen werden, die im potenziell erwerbsfähigen Alter eine Hüftprothese erhalten. Dazu kommen noch künstliche Kniegelenke in etwas geringerer Fallzahl sowie eine nicht erfasste Anzahl von langandauernd eingesetzten, unfallchirurgischen Fixierungen wie Platten, Schrauben und Stiften. Viele der betroffenen Personen sind mit diesen Implantaten noch jahrelang an ihrem Arbeitsplatz tätig! Gleichzeitig wächst die Zahl der Technologien, die magnetische Wechselfelder einsetzen. Elektroschweißen, drahtlose Sensorik wie bei der elektronischen Warensicherung in Kaufhäusern, induktive Erwärmung oder neue Technologien wie drahtloses Laden führen zu Situationen, in denen durch zwangsläufig entstehende Streufelder auch Menschen exponiert werden.

Das Projekt zu metallischen Implantaten im Magnetfeld

Um Österreichs Betriebe besser bei ihrer Evaluierungspflicht unterstützen zu können, entwickelte und finanzierte die AUVA das Forschungs-Projekt „Bestimmung der im Gewebe induzierten elektrischen Feldstärken und Gewebeerwärmung in der Nähe von metallischen Implantaten bei Magnetfeldexposition am Arbeitsplatz“, kurz „Metallische Implantate und arbeitsbedingte Magnetfeld-Exposition“. Lücken in der Literatur sollten geschlossen werden und Reduktionsfaktoren für die Grenzwerte der VEMF bei Exponierten mit metallischen Implantaten erarbeitet werden. Die Durchführung lag bei einem Team der Seibersdorf Labor GmbH unter der Führung des international anerkannten Experten DI Gernot Schmid. Man ging in mehreren Stufen an das Problem heran: Nach Recherche relevanter Literatur wurden unter Einbindung von Informationen aus Unfallchirurgie relevante metallische Implantate ausgewählt. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf die Häufigkeit in der Gruppe der erwerbsfähigen Personen gelegt. Aktive Implantate wie z. B. Herzschrittmacher waren nicht Teil des Projekts.

Dreidimensionale Computermodelle dieser Implantate wurden erstellt und in weiterer Folge die induzierte Wirkung im Gewebe bei Einwirkung von gleichförmigen, magnetischen Feldern im Bereich von 16 ⅔ Hz bis 10 MHz numerisch berechnet. Neu war dabei vor allem die Berücksichtigung der Reiz- bzw. Stimulationswirkung sowie Abschätzung der möglichen thermischen Auswirkungen auf das Gewebe bei einer erhöhten Erwärmung des Implantats durch das einwirkende Feld. Eine relative Erwärmung des umliegenden Gewebes von +2°C wurde als nicht mehr zu tolerierender Wert festgelegt

Zusätzlich zu den detailgetreuen Modellen real verwendeter Implantate wurden auch vereinfachte Strukturen wie Schleifen und Stifte untersucht, um allgemeine Aussagen im Sinne einer Worst-Case-Betrachtung zu ermöglichen. Ein weiterer Teil des Projekts war es, die Erwärmung im Implantat selbst und weiters den Einfluss des Körpers auf die Temperatur durch die Simulation von Wärmetransport – z. B. durch Blutfluss – zu betrachten. Damit konnte die Bedeutung der abgeschätzten Gewebe-Erwärmung untersucht werden. Besonders wichtig war es schließlich, eine Validierung der Berechnungen durch Erwärmungsexperimente durchzuführen (siehe Kasten).

Untersuchte metallische Implantate

Die Auswahl der untersuchten, metallischen Implantate erfolgte einerseits aufgrund der Häufigkeit, mit der diese bei arbeitsfähigen Personen eingesetzt werden, andererseits aufgrund von Arbeitssituationen mit bekannt hoher Exposition gegenüber EMF. Letztlich entschied man sich, eine Radius-Platte (Stabilisierung nahe des Handgelenks), diverse Schrauben, eine Drahtschleife („Cerclage“ zur Stabilisierung bei Unterarmknochen), eine Hüft-Endoprothese (HTEP), eine dynamische Hüftschraube, einen sogenannten Stent (zylinderförmiges Gitter zum Offenhalten von Gefäßen, hier an der Halsschlagader) und einen Aneurysmen-Clip (zum Abklemmen eines Aneurysma im Gehirn) näher zu untersuchen (siehe Abbildung 1).

Berechnungen ergänzen Experimente ….

In der Tat konnte bereits durch die Analyse von einfachen Kombinationen von Schrauben, Knochen und Muskel-Gewebe gezeigt werden, dass magnetische Felder durch Induktion deutlich besser ins Gewebe einkoppeln. Eine Überschreitung der Expositionsgrenzwerte der VEMF kann daher durch Einhaltung der dort festgelegten Auslösewerte nicht mehr garantiert werden.

Das Gleiche konnte erwartungsgemäß auch bei real vorkommenden Implantaten gefunden werden. Große Objekte mit engem Kontakt zu den schwach leitfähigen Knochen – wie das Hüft-Implantat – stellen die ungünstigsten Situationen dar. Auf Objekte an der Hand (wie das Radius-Implantat) ist allerdings ebenfalls besonderes Augenmerk zu richten, da an den Händen in der Praxis eine höhere Exposition auftreten kann. Sie sind bei Arbeitssituationen schließlich an „vorderster Front“. Gerade bei höheren Frequenzen wurde auch die erhöhte Erwärmungswirkung berücksichtigt. Erwärmung von einigen Grad Celsius bei manuellem Arbeiten an Induktions-Erwärmungsanlagen im Bereich von 100 kHz konnten festgestellt werden. Es zeigte sich aber, dass im Bereich bis zu 10 MHz die erhöhte Reiz- und Stimulationswirkung letztlich noch kritischer zu beurteilen war und Auslösewerte für Personen mit metallischen Implantaten dafür mittels eines darauf angepassten Reduktionsfaktors von 8 verringert werden müssen. Unterschreitet die Exposition die vorgeschlagenen Werte, dann ist auch keine unzulässige Erwärmung zu erwarten, da Reduktionsfaktoren aufgrund Erwärmungswirkung zwischen 2,4 (100 kHz) und 6,1 (10 MHz) liegen.

Abbildung 2 zeigt eine beispielhafte Arbeitssituation, bei der eine Person mit HTEP eine Punktschweißzange bedient und dabei frontal vor dem C-förmigen Schweißstromkreis („Fenster“ der Zange, Strom 33,8 kA effektiv bei 50 Hz) steht. Die beiden Falschfarbenbilder zeigen die an der Hüfte induzierte elektrische Feldstärke an – einmal mit und einmal ohne Hüft-Implantat. Die Erhöhung der Einwirkung, speziell an der Grenzfläche Knochen zu Implantat, welches sich fast schwarz vom Gewebe abhebt, ist deutlich zu sehen. Die gelben Bereiche weisen auf eine Überschreitung der Expositionsgrenzwerte für Reizwirkung hin, die ohne das Implantat gerade noch nicht auftreten würde.

Vor allem aber sind Hände, welche gemäß VEMF bei einigen kHz mit bis zu 300 µT exponiert werden dürfen, zu berücksichtigen. Manuelle Tätigkeiten direkt an einer Induktionserwärmung-Anlage können sowohl zur Überschreitung der Expositionsgrenzwerte für Reizwirkung als auch zur Erwärmung des Implantats führen, wie die für Abbildung 3 berechnete Situation einer Person mit Radius-Implantat zeigte.

Fazit und Ausblick

In Summe liefern Berechnungen und Experimente sowie bisherige praktische Erfahrung ein stimmiges Bild. In Bereichen erhöhter EMF-Exposition – das sind im Prinzip jene Bereiche, in denen die Werte für die Allgemeinbevölkerung nach der Ratsempfehlung [4] überschritten sind – ist die Berücksichtigung von metallischen Implantaten unerlässlich. Auslösewerte der VEMF sind nicht direkt anwendbar. Allerdings konnte gezeigt werden, dass bei Anwendung eines einfachen Reduktionsfaktors von 8 die Gefährdung ausreichend gering ist. Zusammen mit Erkenntnissen aus der Literatur (z. B. [8],[9]) und Beschränkung von magnetischen Kräften konnten neue Richtwerte für den gesamten Bereich von  0 Hz bis 300 GHz definiert werden, die im Projektbericht bzw. AUVA-Report R78 [10] zu finden sind.

Zulässige Werte des magnetischen Feldes liegen damit bei einem typischen induktiv betriebenen Schrumpfgerät mit Immission bei 20 kHz anstatt bei 300 und 100 µT (Arme und Körper) bei nur mehr 37,5 und 12,5 µT. Dadurch sind deutlich höhere Sicherheitsabstände erforderlich und Bedienung durch einen Knopf direkt am Induktor, so wie das teilweise vorgesehen ist, wäre unzulässig. Ohnehin ist es empfehlenswert, solche Geräte, falls möglich, per Fernauslösung zu bedienen. Auch bei Elektroschweißen konnte gezeigt werden, dass für Träger metallischer Implantate unzulässige Situationen auftreten können. Kleine metallische Implantate wie z. B. eine Zahnfüllung sind generell wenig problematisch. Auch ist in der Praxis der Kopfbereich oft deutlich weniger stark exponiert als die Hände, da das Magnetfeld mit dem Abstand von der Quelle sehr schnell abnimmt. Besonders pro­blematisch sind allerdings alle jene Arbeitsplätze zu beurteilen, bei denen man sehr nahe an der Quelle tätig und daher bereits hoch exponiert ist. Übrigens gilt: Auch am Körper getragene metallische Gegenstände wie Schmuck oder Ringe müssen berücksichtigt werden! So sollen Ringe bei Tätigkeit an einer Induktionserwärmungs-Anlage (auch z. B. HF-Löten, Schrumpfgeräte etc.) nicht getragen werden.

Letztlich ist aber vor allem wichtig, eine Evaluierung von EMF durchzuführen, um Bereiche erhöhter Exposition zu identifizieren. Dann können auch Betroffene über das erhöhte Risiko bei metallischen Implantaten informiert werden. Eine Kennzeichnung wie jene aus Abbildung 4 kann als Teil der Maßnahmen erforderlich sein und trägt jedenfalls dazu bei, dass sich Betroffene des Risikos bewusst werden und gegebenenfalls ihre besondere Gefährdung dem Arbeitgeber zur Kenntnis bringen. Selbstverständlich ist bei Immission durch EMF wie sonst auch immer ein Bündel von Maßnahmen angezeigt: Diese reichen von Minimierung der Exposition durch Abschirmung oder Prozessänderung bis zu organisatorischen Maßnahmen wie eben Sicherheitsabstände, Nutzungsverbote, Kennzeichnung und Unterweisung.

Der vollständige Projektbericht ist in Kürze unter www.auva.at/emf verfügbar.

Literaturverzeichnis und Quellenangabe

• [1] Verordnung über den Schutz der Arbeitnehmer/-innen vor der Einwirkung durch elektromagnetische Felder (Verordnung elektromagnetische Felder – VEMF), BGBl. II Nr. 179/2016, i.d.g.F.
• [2] Richtlinie 2013/35/EU über „Mindestvorschriften zum Schutz von Sicherheit und Gesundheit der Arbeitnehmer vor der Gefährdung durch physikalische Einwirkungen (elektromagnetische Felder)“, Amtsblatt der EU Nr. 179 vom 29.06.2013, Seite 1–21.
• [3] Nicht verbindlicher Leitfaden mit bewährten Verfahren im Hinblick auf die Durchführung der Richtlinie 2013/35/EU – Elektromagnetische Felder, Band 1: ISBN 978-92-79-45885-9 und Band 2: ISBN 978-92-79-45947-4, Luxemburg: Amt für Veröffentlichungen der Europäischen Union, 2015 („EMF-Leitfaden“).
• [4] Empfehlung des Rates zur Begrenzung der Exposition der Bevölkerung gegenüber elektromagnetischen Feldern – 1999/519/EG, Amtsblatt der EU Nr. 199 vom 30.07.1999, Seite 59–70.
• [5] OVE EN 50527-1 „Verfahren zur Beurteilung der Exposition von Arbeitnehmern mit aktiven implantierbaren medizinischen Geräten (AIMD) gegenüber elektromagnetischen Feldern, Teil 1: Allgemeine Festlegungen“ (Ausgabe: 2018-01-01) sowie Referenzen innerhalb der Normen-Familie EN 50527.
• [6] Merkblatt M-470 und M.plus 666 der AUVA, abrufbar unter http://www.auva.at/emf.
• [7] Fachinformation des OEK „Personen mit aktiven Implantaten in elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Feldern“, entspricht AUVA-Report R50. 
• [8] Bundesministerium für Arbeit und Soziales (Berlin, Bonn), Forschungsbericht 451, ISSN 0174-4992, Januar 2015.
• [9] R. McIntosh et al., Bioelectromagnetics 35:284-295 (2014).
• [10] Projektbericht und AUVA-Report R78.

Der Autor dankt den Projektauftragnehmern DI Gernot Schmid und René Hirtl, MSc (beide: Seibersdorf Labor GmbH) für die ausgezeichnete wissenschaftliche Arbeit, die Grundlage für diesen Artikel war. Das Projektteam bedankt sich bei OA Dr. Irene Tambornino (AUVA-Traumazentrum Wien, Standort Lorenz Böhler) für ihre Unterstützung und Expertise bei der Auswahl unfallchirurgischer Implantate, ebenso wie beim dort tätigen Team der Radiologie. Besonderer Dank geht auch an die Firma IEW GmbH für die Unterstützung der Validierungsexperimente.

MEHR INFO: Die Schweinshaxe als Testfall …

Das direkte Experiment liefert wertvolle Erfahrung und dient dazu, die Berechnungsergebnisse abzusichern und Annahmen zu überprüfen. Selbst mit den besten Simulationsprogrammen ist solch eine Validierung unerlässlich.

An Induktionserwärmungs-Anlagen wurden im Frequenzbereich von 7,7 bis 100 kHz einige Szenarien getestet. Als biologisches Gewebe dienten frische Schweinshaxen. Sie wurden mit metallischen Implantaten, so wie sie ganz ähnlich auch bei Menschen vorkommen könnten, ausgestattet. Drahtschleifen und Schrauben wurden ebenso getestet wie ein „real“ am Knochen implantiertes Radius-Implantat, welches häufig beim Menschen zur Stabilisierung von Frakturen am Handgelenk eingesetzt wird. Oberhalb von einigen zehn kHz, vor allem aber bei 100 kHz, konnte zum Teil eine deutliche Erwärmung von Implantat und umliegendem Gewebe beobachtet werden. Bei 300 µT, was dem höchstzulässigen Auslösewert für Gliedmaßen gemäß VEMF entspricht, wurden bereits nach einer Minute ein Anstieg von einigen Grad Celsius festgestellt. Auch bei einer oberflächlich um den Knochen gezogenen Drahtschleife war die Erwärmung im unzulässigen Bereich – die Erwärmung konnte sogar mittels Wärmebild-Kamera an der darüberliegenden Haut beobachtet werden.

Gute Übereinstimmung mit der Simulation konnte erreicht werden. Es zeigte sich außerdem, dass in mäßig durchblutetem Gewebe der Einfluss auf die sich einstellende Temperatur gering war, sodass die Versuche mit den Schweinshaxen auch für lebendes Gewebe aussagekräftig waren.

Zusammenfassung

Das AUVA-Projekt „Bestimmung der im Gewebe induzierten elektrischen Feldstärken und Gewebeerwärmung in der Nähe von metallischen Implantaten bei Magnetfeld-Exposition am Arbeitsplatz“ oder kurz „Metallische Implantate und arbeitsbedingte Magnetfeld-Exposition“ schließt eine Lücke bei der Evaluierung von elektromagnetischen Feldern. Die Exposition von Personen, die aufgrund solcher Implantate eigens betrachtet werden muss, kann nun mit Hilfe der vorliegenden Schlussfolgerungen und Reduktionsfaktoren einfacher bewertet werden. Die zur Validierung durchgeführten Erwärmungsexperimente zeigen die praktische Relevanz der Ergebnisse.