Occupational exposure to electromagnetic fields of workers with implants

Abstract

The EU Workers' Directive 2013/35/EU (EU 2013) on minimum health and safety requirements regarding the exposure of workers to electromagnetic fields was transposed into the national law of the Member States in 2016 in order to harmonize the level of protection of workers from adverse health effects caused by electromagnetic fields in the workplace within the European Union. After more than seven years of experience with practical exposure assessment based on this legal framework, several open questions and problems still exist, mainly caused by gaps and/or inconsistencies in important definitions. Some of these gaps and inconsistencies are highlighted in this work and three of them are analyzed in more detail, keeping the focus on exposure to low-frequency magnetic fields, as this is practically the situation that most frequently leads to field strengths close or even above the action levels defined in 2013/35/EU. As in many cases such magnetic field exposures occur in a highly localized manner in the area of the hands, particular attention was paid to the exposure of the hands. With regard to the first of the three topics analyzed in detail, i.e., the assessment of magnetic field exposure with a non-sinusoidal time course, in depth analyses of practically relevant waveforms clearly showed that one of the methods (“Simple Assessment on Physiological Basis”) described in the non-binding guide for practical implementation of 2013/35/EU may lead to a systematic underestimation of exposure by up to 20 dB or even more compared to the reference method specified in 2013/35/EU. It must therefore be recommended not to use this method in the form in which it is presently published in the non-binding guide. The computational analysis of the second issue, i.e., the exposure assessment using oversimplified body models (such as homogeneous circular disks, as suggested even in valid international standards), clearly indicated the inappropriateness of such models due to the missing heterogeneous anatomical structure of the real body, which leads to the tendency of underestimating the actual exposure when using such oversimplified body models. Consequently, the approach of estimating induced electric field strength inside the human body by using homogeneous disk models should be replaced by more appropriate methods in the future. The third topic addressed in detail in this work, i.e., the assessment of exposure of a worker’s hand bearing metallic implants used for osteosynthesis after the most common bone fractures of the hand (Herbert screw and volar radius plate), reveals the high degree of complexity of a reliable exposure assessment for workers bearing such implants and working close to or with devices creating strong and highly localized magnetic fields. The results show that the induced electric field strengths may be substantially increased by the implant. The extent of this increase, however, is highly dependent on the implant’s position inside the body, the field distribution and orientation with respect to the anatomical structure and the implant’s orientation and the implant’s geometry. Consequently, a simple and general guidance for a reliable exposure assessment for persons with (all kinds of) metallic implants seems to be impossible without the drawback of being overly conservative for most of the practically relevant exposure scenarios. However, extended systematic computational analyses for the most common and most relevant implant types in the context of workplace assessment may enable a reasonable guide for many situations.

Η διδακτορική διατριβή αφορά στην ασφάλεια των εργαζομένων, ιδιαίτερα όσων φέρουν παθητικά ιατρικά εμφυτεύματα, κατά την έκθεσή τους σε χαμηλόσυχνα μαγνητικά πεδία, τα οποία είναι τα πλέον συχνά χρησιμοποιούμενα ηλεκτρομαγνητικά πεδία στο βιομηχανικό/εργασιακό περιβάλλον. Στο πρώτο μέρος της εργασίας (πρώτο και δεύτερο κεφάλαιο) γίνεται μια ολοκληρωμένη κριτική ανάλυση των οδηγιών έκθεσης που έχουν εκδοθεί από την ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) και έχουν ενσωματωθεί στο Ευρωπαϊκό Δίκαιο με την Οδηγία 2013/35/ΕΕ (στην Ελλάδα με Π.Δ. 120/2016 - Φ.Ε.Κ. 203/Α΄ 26.10.2016). Ξεκινώντας από τα βιοφυσικά φαινόμενα, η εργασία καταλήγει στα όρια που έχουν τεθεί, αναλύοντας τις έννοιες των Οριακών Τιμών Έκθεσης (ELV) και των Επιπέδων Δράσης (AL). Στο δεύτερο κεφάλαιο σχολιάζεται λεπτομερώς η εφαρμογή της Οδηγίας σε πρακτικό επίπεδο, όπως περιγράφεται στον «Μη δεσμευτικό οδηγό ορθής πρακτικής για την εφαρμογή της Οδηγίας 2013/35/ΕΕ Ηλεκτρομαγνητικά πεδία», και αποτυπώνονται οι δυσκολίες χρήσης του οδηγού, τα προβλήματα που αντιμετωπίστηκαν από την έκδοσή του αλλά και οι μεθοδολογικές αστοχίες και τα κενά του, που αποτελούν και την αφετηρία της συγκεκριμένης διατριβής. Σκοπός της διατριβής είναι να αναδείξει τις δυσλειτουργίες και τα κενά που υπάρχουν στην Ευρωπαϊκή νομοθεσία για την επαγγελματική έκθεση σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία, καθώς και τις ανακρίβειες που εντοπίστηκαν κατά την εφαρμογή της, ώστε να προτείνει την κατάλληλη τροποποίησή της, όσο και των προτύπων που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο συμμόρφωσης με αυτήν. Τρία από τα κενά και τις ασυνέπειες της νομοθεσίας που επισημάνθηκαν στην παρούσα διατριβή αναλύθηκαν λεπτομερέστερα. Η διατριβή εστίασε στην έκθεση σε μαγνητικά πεδία χαμηλής συχνότητας, καθώς επειδή αυτή είναι η κατάσταση που οδηγεί συχνότερα σε εντάσεις πεδίου κοντά ή και πάνω από τα AL στην πράξη. Σε πολλές περιπτώσεις, τέτοιες εκθέσεις σε μαγνητικά πεδία συμβαίνουν με ιδιαίτερα εντοπισμένο τρόπο στην περιοχή των χεριών, π.χ. κατά τη διάρκεια συγκολλήσεων, εργασιών απομαγνήτισης ή κατά την εργασία με επαγωγικά συστήματα θέρμανσης. Για το λόγο αυτό, στην παρούσα εργασία δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση στην έκθεση των χεριών.Όσον αφορά το πρώτο ερευνητικό ζήτημα που αναπτύσσεται στη διατριβή, δηλαδή την εκτίμηση της έκθεσης σε μαγνητικό πεδίο με μη ημιτονοειδή χρονική μεταβολή, η ανάλυση με βάση μετρημένες υπαρκτές σχετικές κυματομορφές (τρίτο κεφάλαιο) έδειξε σαφώς ότι μια από τις μεθόδους που περιγράφονται στην ενότητα D.3.1.3 του μη-δεσμευτικού οδηγού (και αναφέρεται ως μέθοδος TDAM στη διατριβή) μπορεί να οδηγήσει σε συστηματική υποεκτίμηση της έκθεσης έως και κατά 20 dB ή και περισσότερο σε σύγκριση με τη μέθοδο WPM-TD, η οποία καθορίστηκε ως μέθοδος αναφοράς στην Οδηγία 2013/35/ΕΕ. Αφενός, ως λόγοι για το γεγονός αυτό εντοπίστηκαν ασυνέπειες ή διφορούμενοι ορισμοί στον ορισμό της TDAM, και αφετέρου, οι βιοφυσικές παραδοχές κατά την ανάπτυξη της TDAM δε συνάδουν με τους στόχους προστασίας, στους οποίους βασίζεται η Οδηγία 2013/35/ΕΕ. Σε περίπτωση που δημοσιευθεί στο μέλλον αναθεώρηση του μη-δεσμευτικού οδηγού, συνιστάται ιδιαίτερα να απαλειφθεί η TDAM από τον κατάλογο των εναλλακτικών μεθόδων αξιολόγησης για μη ημιτονοειδείς κυματομορφές. Η μελέτη του δεύτερου ερευνητικού ζητήματος που αναπτύσσεται λεπτομερέστερα στο τέταρτο κεφάλαιο της εργασίας, δηλαδή η εκτίμηση της έκθεσης με τη χρήση εξαιρετικά απλουστευμένων ομοιογενών μοντέλων σώματος, όπως προτείνεται σε ορισμένα διεθνή πρότυπα, ανέδειξε σαφώς το πρόβλημα της πιθανής υποεκτίμησης της πραγματικής έκθεσης, όταν χρησιμοποιούνται υπεραπλουστευμένα μοντέλα σώματος. Τέτοια μοντέλα σώματος, δηλαδή κυκλικοί δίσκοι διαφορετικών διαμέτρων (π.χ. διάμετρος 100 mm που αντιπροσωπεύει το χέρι) με ομοιογενή ηλεκτρική αγωγιμότητα 0,2 S/m, προτείνονται επί του παρόντος σε έγκυρα διεθνή πρότυπα, όπως το IEC 62822-3:2017, για την εκτίμηση της έκθεσης κατά την εργασία με συσκευές συγκόλλησης με αντίσταση ή κοντά σε αυτές. Ωστόσο, βάσει ρεαλιστικών σεναρίων έκθεσης για το χέρι/βραχίονα που παρουσιάζονται στο τέταρτο κεφάλαιο της διατριβής, αποδεικνύεται σαφώς ότι η χρήση τέτοιων υπεραπλουστευμένων μοντέλων μπορεί να υποεκτιμήσει σημαντικά την πραγματική έκθεση. Η έκταση της υποεκτίμησης σε σύγκριση με τα ανατομικά μοντέλα σώματος ποικίλλει ανάλογα με το χρησιμοποιούμενο ανατομικό μοντέλο σώματος και μπορεί να είναι δύο έως τρεις φορές μικρότερη. Παρόλο που τα αποτελέσματα που λαμβάνονται με διαφορετικά λεπτομερή ανατομικά μοντέλα σώματος παρουσιάζουν κάποια διακύμανση, η υποεκτίμηση με την προσέγγιση του ομοιογενούς κυκλικού μοντέλου δίσκου υπάρχει σε όλες τις περιπτώσεις. Κατά συνέπεια, η διαδικασία αξιολόγησης με βάση το μοντέλο δίσκου που προτείνεται στο πρότυπο IEC 62822-3:2017 πρέπει να θεωρείται αμφισβητήσιμη και, ως εκ τούτου, οι ελάχιστες αποστάσεις που αναφέρονται στο φύλλο οδηγιών ασφαλείας του εξοπλισμού συγκόλλησης και προκύπτουν με τη χρήση αυτής της προσέγγισης πρέπει να αντιμετωπίζονται με κάθε επιφύλαξη. Χρησιμοποιώντας τα συμπεράσματα των προηγούμενων κεφαλαίων, στο πέμπτο κεφάλαιο της διατριβής μελετάται η έκθεση σε μαγνητικά πεδία του χεριού/βραχίονα όπου έχουν εμφυτευτεί τα πιο κοινά παθητικά μεταλλικά εμφυτεύματα που χρησιμοποιούνται στη θεραπεία των καταγμάτων. Γίνεται φανερή η πολυπλοκότητα μιας αξιόπιστης εκτίμησης της έκθεσης για τους εργαζόμενους που φέρουν τέτοια εμφυτεύματα και εργάζονται κοντά ή με συσκευές που δημιουργούν ισχυρά και εξαιρετικά εντοπισμένα μαγνητικά πεδία. Από τα αποτελέσματα που προέκυψαν είναι προφανές ότι η επίδραση των μεταλλικών εμφυτευμάτων στην τοπική κατανομή των εντάσεων του επαγόμενου ηλεκτρικού πεδίου στο εσωτερικό του σώματος είναι ιδιαίτερα πολύπλοκη και ότι η μέση τιμή της έντασης του επαγόμενου ηλεκτρικού πεδίου μπορεί τοπικά να αυξηθεί σημαντικά από το εμφύτευμα. Ωστόσο, η αύξηση αυτή εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θέση του εμφυτεύματος μέσα στο σώμα, τον προσανατολισμό του διανύσματος του πεδίου σε σχέση με την ανατομική δομή και τον προσανατολισμό και τη γεωμετρία του εμφυτεύματος.