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Gefährdung von Menschen durch elektrische Impulse

Guo, Xiaofei

In Deutschland dürfen Reizstoffsprühgeräte (RSG) nur mit Zulassung hergestellt und verkauft werden, wenn sie als Selbstverteidigungsmittel gegen Menschen gedacht sind. Nach der Änderung des Waffenrechts im Jahr 2003 hat die Fraunhofer-Gesellschaft die Zuständigkeit der Prüfung der Reizstoffsprühgeräte abgegeben. Es gab seitdem keine Richtlinien für die Messeinrichtungen. Aktuell ist die Physikalisch-Technische Bundesanstalt für die Zulassung zuständig. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde eine Anforderung für Reizstoffsprühgeräte erstellt. Sie ermöglicht neue Zulassungen von RSG durch die PTB. Das Prüfverfahren wurde getestet.
Der zweite Teil der Arbeit fokussiert sich auf die Untersuchung der Gefahr des Herzkammerflimmerns von Elektroimpulsgeräten (EIG) und deren neue Bewertungsverfahren. EIG gehören zu den bekanntesten Personenschutzgeräten und dürfen in Deutschland verkauft werden. Sie übertragen wie ein TASER© Impulse in den Körper der Zielperson. Die Wirkung von Elektroimpulsgeräten soll die direkte oder indirekte Erregung einer großen Masse von Zellen im Körper durch den Strom hervorrufen. Zu den erregbaren Zellen zählen die Nervenzellen und die Muskelzellen. Die Gefährdung eines EIG wird auch von seinem Strom verursacht. Ein anatomisches menschliches CAD-Körpermodell wurde nach der Anforderung dieser Arbeit angepasst. Das Modell wurde in einer Finite-Elemente-Methode-Modellierung (FEM) eingesetzt. Mit der Modellierung kann die Stromverteilung im Körper berechnet werden, welche als Mittel der Bewertung der Gefährlichkeit eines möglichen vom EIG verursachten Herzkammerflimmerns verwendet wird.
Um das computerbasierte Modell zu erstellen, werden die elektrischen Eigenschaften des menschlichen Körpers benötigt. Die Leitfähigkeit von Muskelgewebe wurde im Rahmen dieser Arbeit im Hochspannungsbereich gemessen. Die Feldstärkeabhängigkeit der Leitfähigkeit wurde nachgewiesen. Deren gemessene Kennlinie wurde zum Aufbau des Gleichungssystems in das FEM-Modell eingesetzt. Drei physikalische Modelle wurden in dieser Arbeit verglichen, nämlich ein elektrisches quasistatisches Modell, ein frequenzabhängiges Modell und ein Modell mit einer feldstärkeabhängigen Leitfähigkeit.
Die Kenngrößen Ausgangsspannung, Elektrodenabstand und Elektrodendurch-messer eines EIG führten über das FEM-Modell zu einer Aussage der Stromdichte auf der Herzoberfläche. Das Modell mit einer feldstärkeabhängigen Leitfähigkeit wurde zusammen mit einem Nervenzellenmodell als das Berechnungstool in dem neuen Bewertungsverfahren verwendet. Das neue Verfahren kann auch die Wirksamkeit von EIG evaluieren. Um die zukünftige komplizierte Berechnung mit dem FEM-Modell zu vermeiden, wurde eine Lookup-Tabelle erstellt.

In Germany, irritant gas spraying devices (RSG) may only be manufactured and sold with approval if they are intended as a self-defense device against humans. Following the amendment of the law in 2003, the Fraunhofer-Gesellschaft has given up responsibility for testing irritant gas spraying devices. Since then, there have been no guidelines for the measuring devices. Currently, the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) is responsible for the approval. In the first part of this work, a requirement for irritant gas spraying devices has been established. It enables new approvals of RSG by the PTB. The test method was established.
The second part of the thesis focuses on the investigation of the risk of ventricular fibrillation of electric shock devices (EIG) and their new evaluation procedures. EIG are among the most well-known personal defense equipment and can be sold in Germany. They transmit impulses into the body of the target person like a TASER©. The effect of EIG is intended to cause the direct or indirect stimulation of a large mass of cells especially nerve cells and muscle cells in the body through the current. The threat of an EIG is caused by its current. An anatomical CAD human model was adapted to the requirement of this work. The model was used in a finite element method modeling (FEM). This modeling can be applied to calculate the distribution of current in the body, which is used as a means of assessing the danger of any potential ventricular fibrillation caused by the EIG.
To create the computer-based model, the electrical properties of the human body are required. The conductivity of muscle tissue was measured in the context of this work in the high voltage range. The field strength dependence of the conductivity was detected. The measured characteristic curve was used to build the equation system in the FEM model. Three physical models were compared in this work: an electrical quasi-static model, a frequency-dependent model and a model with a field-strength-dependent conductivity.
The output voltage, the electrode spacing and the electrode diameter of an EIG led to a statement of the current density on the heart surface using the FEM model. The model with a field-strength-dependent conductivity was used together with a neuron model as the calculation tool in the new test method. The new method can also evaluate the effectiveness of EIG. To avoid a complicated calculation with the FEM model in the future, a lookup table has been created.

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Guo, X., 2020. Gefährdung von Menschen durch elektrische Impulse. Mensch und Buch, Berlin. https://doi.org/10.24355/dbbs.084-202009170953-0
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