AT501845B1 - Verfahren zur punkt-raster-diagnose von störstellen im raum auf der grundlage der magnetischen flussdichte oder verwandter physikalischer grössen - Google Patents

Description

2 AT 501 845 B1

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Punkt-Raster-Diagnose von Störstellen im Raum auf der Grundlage der magnetischen Flussdichte oder verwandter physikalischer Größen. Durch die Erfassung der Messgrößen in einem regelmäßigen Punktraster, kombiniert mit einer speziellen mathematischen Auswertung der Messdaten und der grafischen Darstellung 5 der Mess- und Auswerteergebnisse wird es ermöglicht, biologisch relevante Störzonen im Raum zu erkennen, ihre Lage festzustellen, sie für geo- und elektrobiologische Fragestellungen quantitativ zu charakterisieren und zu bewerten.

Das Vorhandensein von Störstellen im Raum mit biologischer Reizwirkung bis hin zu gesund-io heitsschädigender oder -fördernder Wirkung ist nicht nur altes Erfahrungswissen der Radiästhesie und Geomantie, sondern auch durch die neueste wissenschaftliche Forschung erwiesen. Die wissenschaftliche Untersuchung derartiger Stellen beschränkt sich großteils auf Messungen biologischer bzw. medizinischer Parameter am Menschen, an Versuchstieren, an Pflanzen oder an Mikroorganismen. Während also für die Erfassung der Wirkung von Störstellen ein ausrei-15 chendes Repertoire an wissenschaftlichen Methoden zur Verfügung steht, sind die objektiven Möglichkeiten zur gezielten Auffindung und quantitativen Charakterisierung solcher Stellen bisher äußerst beschränkt. Angesichts der Zunahme solcher Stellen durch den flächendeckenden Einsatz elektrischer und elektronischer Technologien, besonders des Mobil- und Datenfunks mit gepulsten hochfrequenten Wellen, besteht dringender Bedarf, den Stand der ein-20 schlägigen Messtechnik weiterzuentwickeln.

Der Begriff „Störstelle“ wird hier wertneutral im mathematisch-physikalischen Sinn verstanden. Die biologische Wirkung einer solchen Stelle auf eine bestimmte Person hängt erfahrungsgemäß stark von der individuellen Verfassung ab. Es soll daher mit dem Begriff „Störstelle“ keine 25 zwangsläufig beeinträchtigende biologische Wirkung unterstellt werden. Andererseits können sich nach dem hier beschriebenen Verfahren feststellbare Störstellen auch auf technische Systeme störend auswirken.

Den fortgeschrittensten Wissensstand über objektive Messmöglichkeiten zur Erfassung von 30 Störstellen oder -zonen im Gelände oder in Innenräumen hat die Geobiologie erarbeitet. Sie konzentriert sich allerdings auf geologisch und hydrologisch bedingte Störungen, wobei technisch bedingte Störungen weitgehend ausgeklammert bleiben. Das Methodenrepertoire der Geobiologie zur Detektion von Störungen umfasst insbesondere die Messung der magnetischen Flussdichte des Erdmagnetfeldes und die Messung der natürlichen Radioaktivität. Die 35 fortgeschrittenste Methodik der Auswertung und Beurteilung solcher Messergebnisse besteht darin, die Messwerte über einem zweidimensionalen Koordinatennetz dreidimensional darzustellen und Zonen erhöhter Gradienten auszuweisen. Die Präzision der örtlichen Zuordnung der Messwerte lässt bei diesen Messverfahren jedoch zu wünschen übrig. 40 Weiters können selbst bei präziser räumlicher Erfassung Gradienten nur einen Hinweis darauf geben, wo mit dem Auftreten von biologisch wirksamen Störungsquellen im Raum zu rechnen ist. Eine präzise und verlässliche Identifikation solcher Quellen mit physikalischen Methoden erfordert die Bildung der zweiten Ableitung der Messgröße nach den Raumkoordinaten. 45 In der Offenlegungsschrift DE 100 42 138 A 1 wird ein Verfahren zur automatischen Aufbereitung von Daten biomagnetischer Felder, insbesondere von magnetokardiographischen Daten beschrieben. Dieses Verfahren umfasst unter anderem die Untersuchung magnetischer Feldverteilungskarten einschließlich der zweiten Ableitung der magnetischen Feldinduktion in Normalenrichtung zur Messebene, wobei die ausgewählte Komponente der magnetischen Feldin-50 duktion in ebendiese Richtung fällt, sowie die Interpolation der Ableitungswerte in den Knoten eines vorzugsweise klein dimensionierten Gitters. Der medizinischen Aufgabenstellung entsprechend liefert dieses Verfahren eine Abschätzung der Quantität und Anordnung der magnetischen Extrema. 55 Nachteil dieser Vorgangsweise besteht darin, dass die Änderung der magnetischen Flussdichte 3 AT 501 845 B1 lediglich in Normalenrichtung zur Messebene erfasst wird. Während dies für die magnetokardi-ographische Erkennung lokaler bioelektrischer Quellen im Herzen ausreicht, ist es für die hier zu lösende Aufgabe nicht adäquat. Bei der Ermittlung von geologisch oder technisch bedingten Störzonen bildet in der Regel das geomagnetische Feld den Hintergrund, und die Messungen erfolgen aus praktischen Gründen, aber auch mit Rücksicht auf die Fragestellung in einer horizontalen Ebene. In der Normalenrichtung dazu, also in der Vertikalen, weist die geomagnetische Flussdichte, die den überwiegenden Anteil der Messgröße bildet, eine äußerst geringe Variabilität auf. Die Bildung des Gradienten und der zweiten Ableitung normal zur Messebene würde in den meisten Fällen nur sehr unsichere oder überhaupt nicht verwertbare Ergebnisse zulassen. Ein Gradient in dieser Richtung ließe zwar auf technische Einflüsse schließen, die letztlich biologisch relevante Wechselwirkung zwischen natürlichen und technischen Feldern würde aber nicht erfasst. Der in der zitierten Offenlegungsschrift dokumentierte Stand der Technik versagt daher vor der Aufgabe, bei Anwendung auf geologische, geobiologische, technische bzw. umwelttechnische Fragestellungen verlässliche Lösungen zu liefern. Für eine unter gegebenen geologischen, hydrologischen, meteorologischen und technischen Voraussetzungen praktikable Erfassung biologisch oder technisch wirksamer Störzonen stellt sich die Aufgabe, die in einer horizontalen Ebene gemessenen Werte der magnetischen Flussdichte oder einer verwandten Größe, insbesondere der magnetischen oder der elektrischen Feldstärke, derart auszuwerten, dass Störquellen aus der Variation der Messdaten verlässlich abgeleitet, lokalisiert und quantifiziert werden können.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Punkt-Raster-Diagnose von Störstellen im Raum auf der Grundlage der magnetischen Flussdichte oder verwandter physikalischer Größen, wie der magnetischen Feldstärke oder der elektrischen Feldstärke, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Messpunkt in einem horizontalen Punkt-Raster die Laplace'sche Ableitung der Messgröße nach zwei die Messebene aufspannenden Richtungen gebildet und zur Kennzeichnung der biologisch wirksamen Reizstärke herangezogen wird, wobei diese durch den Absolutbetrag der Laplace'schen Ableitung in Millitesla je Quadratmeter oder in Mikrotesla je Quadratmeter angegeben wird.

Durch Anwendung des Laplace'schen Differentialoperators auf die aus den Messwerten interpolierte Funktion und durch die Darstellung der Ergebnisse wird eine Abbildung des Feldes erzeugt, in der Störpunkte und -zonen wie in einem Röntgenbild sichtbar werden. Dabei scheinen solche Punkte als Störstellen auf, die formal die Eigenschaften von Quellen oder Senken des vermessenen Feldes aufweisen.

Das biologisch und technisch relevante Störpotential solcher Störstellen wird mit Hilfe der Laplace'schen Ableitung quantifiziert und somit die Grundlage für deren objektive Beurteilung gelegt.

Durch die Wahl der magnetischen Flussdichte in einer Vorzugsrichtung, der z-Richtung (bevorzugt der Vertikalen) als Grundlage der Auswertung und ihre formale Behandlung als Potential wird die Identifikation von Quellen und Senken möglich, die das dreidimensionale Magnetfeld als solches nicht aufweist.

Störungen, die durch Variationen der Flussdichte in der z-Richtung wegen geringer Gradienten im geomagnetischen Feld oder wegen Überlagerung durch dieses Feld nicht erkannt würden, werden dadurch erkennbar gemacht, dass die ersten und zweiten Ableitungen nach zwei horizontalen Raumrichtungen, der x- und y-Richtung, gebildet werden.

Die übliche Darstellung der magnetischen Flussdichte als vektorielle Größe umfasst zweierlei Angaben: 1. den magnetischen Kraftfluss, dessen Richtung durch die zugrundeliegende Stromrichtung bestimmt wird, und 2. die Dichte der entsprechenden Feldlinien auf einer senkrecht zur Flussrichtung gelegenen Fläche. Diese Dichte ist ihrem Wesen nach eine skalare Größe. Deshalb kann für eine gegebene Flussrichtung (oder für die Komponente des magnetischen Flus- 4 AT 501 845 B1 ses in einer bestimmten Raumrichtung) die zugehörige Dichte als skalares Potential betrachtet und mit den Mitteln der Potential- und Feldtheorie behandelt werden. Nach der Poisson'schen Differentialgleichung ist die örtliche Quellstärke des aus diesem Potential abgeleiteten Gradientenfeldes proportional dem Ergebnis der Anwendung des Laplace'schen Diflferentialoperators 5 auf ebendieses Potential. Dieses Ergebnis ist gleich der Divergenz des Gradientenfeldes. Die punktuelle Auswertung dieser Größe im untersuchten Ausschnitt des Raumes ergibt ein quantitatives Maß für die biologisch wirksame Störung am jeweiligen Punkt. Ein divergenzfreies Feld ist quellenfrei und hinsichtlich der biologischen Wirkung störungsfrei. io Die als Grundlage des Verfahrens dienende Messung einer geeigneten physikalischen Größe erfolgt in dem zu untersuchenden Ausschnitt des Raumes an geometrisch exakt bestimmten Orten. Für die meisten Zwecke wird sich die Wahl einer ebenen quadratischen Fläche (z.B. der Abmessung 1 m x 1 m) in jener Höhe eignen, in der Störpunkte gesucht werden sollen (z.B. auf der Bettfläche bei Schlafplatzuntersuchungen, in Brusthöhe oder in Kopfhöhe der Arbeitenden 15 bei Arbeitsplatzuntersuchungen usw.). Im allgemeinen wird ein Abstand von 10 cm zwischen den Rasterpunkten ausreichen, in besonderen Fällen kann er z.B. auf 5 cm verringert werden.

An den solcherart festgelegten Rasterpunkten wird nun nacheinander oder gleichzeitig die Messgröße, vorzugsweise die magnetische Flussdichte im statischen und extrem niederfre-20 quenten Bereich gemessen, indem eine oder mehrere Mess-Sonden, nach der gewünschten Raumrichtung orientiert, an diese Punkte geführt werden. Dies kann manuell oder maschinell gesteuert erfolgen, wobei je nach der Anzahl der verfügbaren Sonden die Rasterpunkte nacheinander einzeln angesteuert oder mehrere oder alle Rasterpunkte gleichzeitig mit Sonden beprobt werden. Um den direkten Einfluss technischer niederfrequenter Felder auszuschalten, 25 ist es zweckmäßig, den Frequenzbereich z.B. auf 0 bis 15 Hertz zu beschränken.

Ein dreidimensionaler Raumausschnitt kann auf diese Weise untersucht werden, indem die Messung auf mehrereren horizontalen Messflächen durchgeführt wird, die z.B. jeweils 10 oder 20 cm Abstand voneinander haben. In diesem Fall kann durch Anwendung des dreidimensiona-30 len Laplace-Operators eine erweiterte zweite Ableitung gebildet werden, welche die Variation der Messgröße in alle drei Raumrichtungen einbezieht. Die dreidimensionale Laplace-Ableitung unterscheidet sich von der zweidimensionalen nur im Fall von technisch bedingten, nicht aber von natürlichen Störungen. 35 Als Messeinheit dient bevorzugt ein Magnetometer (Teslameter), das die magnetische Flussdichte in Richtung der Sonde für den gewählten Frequenzbereich anzeigt oder als digitales oder analoges Mess-Signal für die weitere elektronische Verarbeitung liefert.

Die Raumrichtung für die Orientierung der Mess-Sonde(n) kann entweder so gewählt werden, 40 dass an jedem Rasterpunkt die maximale magnetische Flussdichte erfasst wird, oder dass die Sonde jeweils einer fest vorgegebenen Raumrichtung folgt. Auf diese Art können auch an jedem Rasterpunkt die Komponenten der magnetischen Flussdichte in mehreren Raumrichtungen bestimmt werden, sinnvoller Weise in drei zueinander senkrechten Raumrichtungen wie z.B. in der Lotrechten und in der Waagrechten einmal in Nord-Süd-Richtung und ein weiteres 45 Mal in Ost-West-Richtung. Daraus kann durch pythagoräische Addition der Gesamtbetrag der magnetischen Flussdichte errechnet werden.

Die weitere Verarbeitung der Messwerte wird durch eine elektronische Messwerterfassungseinheit (z.B. Datenlogger) wesentlich erleichtert, doch reicht auch eine manuelle 50 Datenerfassung mit Hilfe eines Tabellenkalkulationsprogramms aus. Bei Verwendung eines Datenloggers und flächendeckendem Einsatz von Mess-Sonden lässt sich auch der zeitliche Verlauf der Messgröße an den Rasterpunkten erfassen. Damit lassen sich die Messergebnisse nicht nur räumlich, sondern auch zeitlich auflösen. 55 Die in der 1. Stufe des Verfahrens erfassten Daten werden mit Hilfe eines Datenanalysepro- 5 AT 501 845 B1 gramms derart ausgewertet, dass a) die gemessenen Werte der magnetischen Flussdichte oder verwandten physikalischen Größe selbst in der Form anschaulich dargestellt werden, dass unter Verwendung eines geeigneten 5 Interpolationsverfahrens, vorzugsweise Kriging, Linien gleicher Flussdichte konstruiert und allenfalls die zwischen ihnen liegenden Flächen farbig angelegt werden, oder die Messwerte im Schrägriss über der Grundfläche derart aufgetragen und allenfalls eingefärbt werden, dass ein dreidimensionales, anschauliches Bild ihrer Verteilung entsteht, b) die Änderung der Messgröße zwischen zwei unterschiedlichen Zuständen des Messfeldes io analog zu a) dargestellt wird (z.B. mit und ohne elektromagnetische Störquelle, mit und ohne

Feldausgleichseinrichtung), wobei c) ihre ersten Ableitungen wie Gradienten, Richtungsableitungen usw. skalar (analog zu a) oder vektoriell (als Pfeilfeld) dargestellt werden, d) der zwei- oder dreidimensionale Laplace-Operator (d^dx2+8?Ιδ/ bzw. d2ldx2+d2ldy2+d2ldz2) auf 15 die durch Interpolation der Messwerte gebildete Funktion angewandt und das Ergebnis analog zu a) dargestellt wird.

In Fig. 1 ist der interpolierte Verlauf der Linien gleicher vertikaler magnetischer Flussdichte (statisch und ELF) in einem Feld von 80 cm x 80 cm ersichtlich, in dessen Mitte sich ein aktiv 20 betriebenes Mobiltelefon befindet. Die Linien sind im Wertebereich von 30 bis 50 Mikrotesla in Abständen von 1 Mikrotesla abgestuft. Die Koordinaten sind auf den Achsen in Meter angegeben.

Fig. 2 zeigt die Differenz zwischen dem in Fig. 1 dargestellten Feld und dem Hintergrundfeld, 25 das ohne Mobiltelefon aufgenommen wurde. Die Linien sind im Wertebereich von -2,5 bis +2,5 Mikrotesla in Abständen von 0,5 Mikrotesla abgestuft.

Fig. 3 bildet die Gradienten des in Fig. 1 dargestellten Potentials vektoriell ab, wobei die Länge der Pfeile proportional dem Betrag des Gradienten ist. 30

Fig. 4 stellt die Laplace'sche Ableitung des Feldes von Fig. 1 nach x und y dar. Die Linien sind im Wertebereich von -5000 bis 5000 Mikrotesla/m2 in Abständen von 1000 Mikrotesla/m2 abgestuft. Die angegebenen Werte kennzeichnen die biologische Reizstärke. Der Punkt mit der höchsten Reizstärke vom Betrag 4,3 Millitesla/m2 im Einflussbereich des Mobiltelefons befindet 35 sich in der Nähe der Antenne.

Das vorgegebene Feld kann 1. ein natürlich und/oder technisch geprägtes Hintergrundfeld, 40 2. ein technisch hergestelltes gleichmäßiges Hintergrundfeld oder 3. ein technisch hergestelltes ungleichmäßiges Hintergrundfeld sein.

Ein Feld vom Typ 1 ermöglicht die Untersuchung der störenden oder ausgleichenden Wirkung auf den natürlich und/oder technisch geprägten Hintergrund. Zunächst können Störungen im 45 Hintergrund selbst festgestellt werden.

Ein Feld vom Typ 2 ermöglicht es, Stör- und Entstörwirkungen unabhängig von einem in der Realität zu erwartenden ungleichmäßigen Hintergrund festzustellen. Ein solches gleichmäßiges Hintergrundfeld kann durch zwei an benachbarten Seiten des Messfeldes angeordnete Stab-50 magnete mit benachbarten ungleichnamigen Polen hergestellt werden, wobei ein homogener Feldgradient erzielt wird.

Ein Feld vom Typ 3 kann als Prüffeld eingesetzt werden, um störende oder ausgleichende Wirkungen durch die Ungleichmäßigkeiten des Hintergrundfeldes zu verstärken. Ein Hinter-55 grundfeld mit starker Ungleichmäßigkeit des Feldgradienten kann durch zwei an benachbarten

Claims (7)

1. 6 AT 501 845 B1 Seiten des Messfeldes angeordnete Stabmagnete mit benachbarten gleichnamigen Polen erzielt werden. 5 Patentansprüche: 1. Verfahren zur Punkt-Raster-Diagnose von Störstellen im Raum auf der Grundlage der magnetischen Flussdichte oder verwandter physikalischer Größen, wie der magnetischen Feldstärke oder der elektrischen Feldstärke, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem io Messpunkt in einem horizontalen Punkt-Raster die Laplace'sche Ableitung der Messgröße mindestens nach zwei die Messebene aufspannenden Richtungen gebildet und zur Kennzeichnung der biologisch wirksamen Reizstärke herangezogen wird, wobei diese durch den Absolutbetrag der Laplace'schen Ableitung in Millitesla je Quadratmeter oder in Mikrotesla je Quadratmeter angegeben wird. 15
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung in einem horizontalen Punkt-Raster auf mehreren übereinander liegenden Ebenen durchgeführt und in die Laplacesche Ableitung auch die zweite Ableitung der Messgröße in der Richtung senkrecht zu den Messebenen einbezogen wird. 20
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied zwischen der zweidimensionalen und der dreidimensionalen Laplaceschen Ableitung der vertikalen magnetischen Flussdichte zur Unterscheidung zwischen natürlich und technisch bedingten Störungen herangezogen wird, indem dieser Unterschied im natürlichen Magnetfeld ver- 25 schwindet.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine technischen Quelle wie z.B. ein Mobiltelefon oder ein anderes elektrisch oder elektronisch betriebenes Gerät oder ein magnetischer Gegenstand in das Messfeld, vorzugsweise in dessen 30 Mitte, bei dreidimensionaler Messung vorzugsweise auf einer Messebene mittlerer Höhe, gebracht und die dadurch hervorgerufene biologische Reizstärke bestimmt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Verbesserung der biologischen Verträglichkeit bestimmtes Objekt alleine oder in Verbin- 35 düng mit einer technischen Quelle wie z.B. einem Mobiltelefon oder einem anderen elekt risch oder elektronisch betriebenen Gerät oder einem magnetischen Gegenstand, in das Messfeld, vorzugsweise in dessen Mitte, bei dreidimensionaler Messung vorzugsweise auf einer Messebene mittlerer Höhe, gebracht und die dadurch hervorgerufene Änderung der biologischen Reizstärke bestimmt wird. 40
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Messung im Hintergrund ein gleichmäßiger Gradient des Magnetfeldes durch zwei an benachbarten Seiten des Messfeldes angeordnete Stabmagnete mit benachbarten ungleichnamigen Polen geschaffen wird, um die Empfindlichkeit der Erfassung schwacher stören- 45 der oder ausgleichender Wirkungen auf das Magnetfeld, d.h. einer Zunahme oder Abnah me der Reizstärke, zu erhöhen.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Messung ein ungleichmäßiger Hintergrund des Magnetfeldes durch zwei an benachbarten so Seiten des Messfeldes angeordnete Stabmagnete mit benachbarten gleichnamigen Polen geschaffen wird, um festzustellen, ob sich in diesem Fall die von technischen Quellen hervorgerufenen Reizstärken erhöhen oder zur Verbesserung der biologischen Verträglichkeit bestimmte Objekte in der Lage sind, eine solche Erhöhung der Reizstärke zu unterbinden oder die vorgegebene Reizstärke zu verringern. 55 7 AT 501 845 B1 Hiezu 4 Blatt Zeichnungen