Elektropathologie

Als Stromunfall, Elektrounfall oder auch Elektrischer Schlag wird eine Verletzung durch die Einwirkung von elektrischem Strom auf den Menschen oder auf Tiere bezeichnet.

Das Ausmaß der Schädigung wird dabei durch mehrere Faktoren bestimmt. Es treten Nervenschädigungen, chemische Veränderungen, thermische Schäden und Folgeschäden (zum Beispiel Knochenbrüche) auf.

Neben der Höhe der elektrischen Spannung, der Stromdichte und der Stromstärke spielt dabei eine Rolle, ob es sich um Wechselstrom oder Gleichstrom handelt und wie lange und über welchen Weg die Person (bzw. das Tier) vom elektrischen Strom durchflossen wird. Weiterhin ist die Hautbeschaffenheit an der Kontaktfläche von entscheidendem Einfluss, da beispielsweise eine schwielige und trockene Haut dem Stromfluss einen wesentlich höheren Widerstand als eine dünne und feuchte Haut entgegensetzt.

Warnungsymbol vor gefährlicher elektrischer Spannung

Einflussfaktoren

Stromart und -stärke

An der Skelettmuskulatur werden durch niederfrequenten Wechselstrom schon ab einer Stärke von 10 mA Kontraktionen ausgelöst, die aufgrund der stärkeren Ausbildung der Beugemuskeln (Flexoren) gegenüber den Streckmuskeln zu einem „Festhalten“ an der Stromquelle und damit zu einer längeren Einwirkzeit führen können. Ab 30-50 mA kann im Bereich des Brustkorbs eine Kontraktur, das heißt Anspannung der Atemmuskulatur und des Zwerchfells auftreten und damit ein Atemstillstand für die Dauer des Stromflusses. Dieser kann auch erfolgen, wenn der Stromfluss das Atemzentrum im Hirnstamm in Mitleidenschaft zieht.^[1]

Niederfrequenter Wechselstrom kann schon bei einer Stromstärke von 50 mA zum Tode durch Kammerflimmern führen, da bei der in Deutschland und anderen europäischen Staaten üblichen Frequenz von 50 Hz Wechselstrom 100 mal pro Sekunde die Möglichkeit vorfindet, auf die empfindliche Phase des Herzmuskels einzuwirken. Die Verdopplung ergibt sich durch den Umstand, dass sowohl die positive als auch negative Halbwelle des Wechselstromes biologisch wirkt.

Bei Unfällen mit Gleichstrom können demgegenüber noch Stromstärken von 300 mA überlebt werden.^[2]

Der konkrete Wert des den Körper durchfließenden elektrischen Stromes ergibt sich aus dem elektrischen Widerstand, den der menschliche bzw. tierische Körper bildet. Dieser ist nicht konstant und von verschiedenen Parametern abhängig. In der Praxis handelt es sich bei den Gefahrenquellen meist um Spannungsquellen. Der elektrische Strom ergibt sich dann aus dem Spannungswert und dem Körperwiderstand. Dennoch wird meist die Höhe der elektrischen Spannung als Kriterium für die Klassifizierung der Gefährlichkeit benutzt, da der Körperwiderstand sich in bestimmten bekannten Bereichen bewegt.

Es gibt aber auch markante Ausnahmen: Ein Defibrillator wird eingesetzt um Leben zu erhalten, dabei beträgt die Spannung bis zu 750 Volt und liegt zwischen 1 und 20 Millisekunden an. Die Stromstärke erreicht bei einem angenommenen durchschnittlichen Körperwiderstand von 50 Ohm bis zu etwa 15 Ampere.

Gleichspannung verursacht im Körper bei langer Einwirkzeit aufgrund von Elektrolyse chemische Veränderungen.

Hochfrequenz ab etwa 100 kHz führt nur noch zu geringer, solche ab etwa 300 kHz führt zu keiner Nervenreizung mehr, da die in jenen herrschende Ionenleitung den schnellen Polaritätswechseln nicht zu folgen vermag. Die von der Spannung abhängigen thermischen Schädigungen können dennoch auftreten und sind bei HF-Chirurgie erwünscht, um Blutungen zu stoppen.

Spannung

In Deutschland darf die maximale Berührungsspannung laut VDE 50 V Wechselspannung oder 120 V Gleichspannung nicht übersteigen. Bei Niederspannung führt Wechselstrom zu ausgeprägteren Schäden als Gleichstrom, bei Hochspannung ist dies umgekehrt. Die Grenze zwischen Hoch- und Niederspannung ist in Deutschland bei 1.000 Volt Wechselspannung oder 1500 V Gleichspannung angesetzt, für den klinischen Alltag wird aus praktischen Gründen jedoch oft ein Grenzwert von 500 Volt herangezogen (womit Elektrounfälle zum Beispiel im U-Bahn-Bereich zu Hochspannungsunfällen werden, da diese sich klinisch von den Unfallfolgen durch Haushaltsstrom unterscheiden.)

Dabei wird allerdings vorausgesetzt, dass die Stromeinwirkung einige 100 ms lang dauert. Bei erheblich kürzen Einwirkungsdauern um 1 ms können auch Spannungsspitzen von 10000 V, wie sie in Elektrozaun-Geräten oder in Zündspulen durch Induktion erzeugt werden, problemlos überstanden werden.

Ein Unfall durch Langzeiteinwirkung von Hochspannung bewirkt demgegenüber hauptsächlich eine thermische Schädigung des Gewebes und äußert sich damit vor allem als Verbrennungskrankheit. Dies ist deswegen der Fall, weil die dabei wirkenden Stromstärken ein Vielfaches derer bei Niederspannungsunfällen betragen und zugleich sehr heiße Lichtbögen auftreten, die unter Umständen den menschlichen Körper überbrücken können. Beispielsweise fließt bei Berührung (Annäherung) an eine Hochspannungsleitung mit 30 kV und einem angenommenen Körperwiderstand von 5 kOhm kurzzeitig ein Strom von etwa 6 A durch den Körper und es tritt eine thermische Leistung von rund 180 kW auf. Durch diese hohe Leistung kommt es zu einer fast schlagartigen Verdampfung von wasserhaltigem Gewebe im Bereich des Stromeintritt- bzw. Stromaustrittpunktes mit der Folge entsprechend massiver Verbrennungen.

Die Einwirkzeiten liegen bei Hochspannungsunfällen im Bereich einiger 10 Millisekunden und damit um mehrere Zehnerpotenzen unter den Einwirkzeiten bei Niederspannungsunfällen, die bis in den Sekundenbereich reichen können. Die kurzen Einwirkzeiten bei Hochspannungsunfällen ergeben sich aus der Tatsache, dass meist kein direkter Leiterkontakt besteht und somit die Gefahr entfällt, sich am elektrischen Leiter krampfhaft festzuhalten. Bei hochspannungsführenden Leitern erfolgt bereits vor der Berührung ein elektrischer Überschlag durch die Luft.

Bei manchen Unfällen mit Hochspannung kommt es ablaufbedingt zu einer Trennung des über den Körper führenden Stromkreises, beispielsweise wenn die betreffende Person durch den elektrischen Schlag niederstürzt. Bei Hochspannungen der Energieversorgungsnetze ab etwa 100 kV ist der Stromfluss bei Annäherung durch die Ausbildung eines Lichtbogens entlang dem Körper so hoch, dass der Kurzschlussschutz (Überstromschutz) anspricht und die Leitung abschaltet. Bei kurzen Einwirkzeiten besteht bei Hochspannungsunfällen für Unfallopfer eine gewisse Wahrscheinlichkeit, zu überleben. Selbst Blitzeinschläge in den Körper wurden vereinzelt überlebt - allerdings mit schwersten Verbrennungen (Blitzkanal).

Widerstand

Für den Körper-Gesamtwiderstand sind der elektrische Widerstand an der Stromeintrittstelle (Haut), der Körperwiderstand (der Widerstand, den die einzelnen Körpergewebe für sich und in ihrer Gesamtheit dem Stromfluss entgegensetzen) und der Übergangswiderstand an der Austrittsstelle entscheidend. Letzterer wird oft maßgeblich durch die Beschaffenheit der Standfläche (Bodenverhältnisse) und das Schuhwerk bestimmt.

Als Richtwert kann man für den Körperwiderstand einen Bereich von 500 Ohm bis 3 kOhm annehmen. Das gilt für einen Erwachsenen mit trockener Haut und einem Stromweg zum Beispiel von der rechten Hand zum linken oder rechten Fuß. Bei feuchter (verschwitzter) Haut, bei grossflächiger Berührung, bei dünner Haut (beispielsweise bei Säuglingen) und bei kürzeren Wegen ist dieser Wert deutlich geringer. Im Defibrillator, der eingesetzt wird, um Leben zu erhalten, beträgt die Spannung bis 750 Volt und liegt zwischen 1 und 20 Millisekunden an. Der Übergangswiderstand von den Elektroden zum Körper wird absichtlich besonders klein gemacht. Die Stromstärke erreicht dann bei einem angenommenen durchschnittlichen Körperwiderstand von 50 Ohm bis zu etwa 15 Ampere.

Einwirkdauer

Stromschläge führen zu Schäden, die von ihrer Dauer abhängen. So führen elektrostatische Entladungen (Spannungen bis über 15 Kilovolt) trotz ihrer hohen Stromstärke von einigen Ampere in der Regel nur zu Schreckreaktionen oder Folgeunfällen, da deren Entladungsdauer nur unterhalb einer Mikrosekunde liegt. Beim Weidezaungerät (Impulse von einigen Kilovolt) nutzt man dies aus, um Tiere fernzuhalten, ohne ihnen Schaden zuzufügen. In beiden Fällen kommt es bereits zu Muskelkontraktionen, die jedoch noch nicht zu dramatischen unkoordinierten Bewegungen führen. Schreckreaktionen können dabei jedoch zu Folgeunfällen führen.

Übersteigt die Einwirkdauer etwa 100 ms, sinkt die Grenzstromstärke zum Herzkammerflimmern (Todesgefahr), die von 20 ms bis dahin knapp 500 mA beträgt, stark ab, bis sie ab etwa 1 s Einwirkdauer etwa 40 mA beträgt^[3]. Dementsprechend lösen die zur Vermeidung von Stromschlägen eingesetzten Fehlerstromschutzschalter bei einem Fehlerstrom von 30 mA innerhalb von 100 ms aus. Bei größeren Fehlerströmen ist die Auslösezeit geringer und beträgt minimal etwa 20 ms - ein Wert, der auch beim Berühren eines Netzspannung führenden Leiters durch eine mit der Erde verbundene Person noch Schutz bietet.

Anmerkung

Fehlerstromschutzschalter bieten nur Schutz bei Ableitströmen gegen Erde, nicht jedoch bei beidpoligem Berühren einer Spannungsquelle!

Häufigkeit

In Deutschland sterben jährlich etwa 200 Personen an den Folgen von Elektrounfällen, wobei 20 % durch Hoch- und 80 % durch Niederspannung verursacht werden. Etwa 30 % der Hoch- und 3 % der Niederspannungsunfälle führen zum Tod.^[1]

Das Institut zur Erforschung elektrischer Unfälle der Berufsgenossenschaft der Feinmechanik und Elektrotechnik (BGFE) in Köln sammelt seit Jahrzehnten statistische Daten zu Elektrounfällen in Deutschland, die aufgrund der großen Datenmengen auch Aussagen über die Todeshäufigkeit zulassen. In der folgenden Tabelle sind Unfalldaten über einen unspezifizierten Zeitbereich von mehreren Jahrzehnten zusammengefasst. Die Daten umfassen nur Stromunfälle im Niederspannungsbereich von 130 V bis 400 V mit 50 Hz Wechselspannung, bei denen von einer minimalen Durchströmungsdauer von 300 ms ausgegangen werden kann.

Stromweg	Unfälle gesamt	davon tödlich	Rel. Verteilung insgesamt (in Prozent)	Rel. Verteilung tödlich (in Prozent)	Letalität (in Prozent)
Hand-Hand	2891	82	77,3	48,5	2,84
Hand-Fuß	349	19	9,2	11,2	5,44
Hand-Füße, Hände-Fuß	294	18	7,7	10,7	6,12
Hände-Füße	106	20	2,8	11,8	18,67
Verkürzte Stromwege Oberkörper (wie Hand-Brust, oder Brust-Rücken)	108	30	3,0	17,8	27,78
Insgesamt	3748	169	100	100	4,51

Aus Tierversuchen mit Schweinen wurden von einer Forschergruppe um J. Jacobson Wahrscheinlichkeiten des Eintretens von Herzkammerflimmern ermittelt^[4] . Ziel war die Ermittlung von Vergleichsfaktoren, um die gemessen Daten auf den Menschen übertragen zu können. Folgende Versuchsbedingungen bestanden:

• Wechselstrom mit 50 Hz
• Einwirkdauer 75 % der Herzpuls-Periodendauer
• Längsdurchströmung (rechtes Ohr zur linken Kniefalte)
• Körpermasse der Schweine 15 kg bis 25 kg

	Flimmerwahrscheinlichkeit
	1 Prozent	5 Prozent	50 Prozent	95 Prozent
Strom-Effektivwert (in A)	0,63	0,79	1,50	2,80

Zur Übertragung dieser Stromwerte auf die Verhältnisse beim Menschen (rechter Arm zum linken Fuß) wurde ein Korrekturfaktor von 2,8 ermittelt. Das heißt, die Effektivwerte für den Strom in der Tabelle müssen mit 2,8 multipliziert werden. Konservativ (mit einem Sicherheitsfaktor) wird dieser Korrekturfaktor nur mit 1,5 angenommen.

Gefahrenquellen

Gefahrenquelle defektes Netzkabel

Verbreitete Ursachen für einen elektrischen Schlag sind:

• Defekte elektrische Geräte bzw. elektrische Leitungen und menschliche Fehler im Umgang damit (zum Beispiel Unachtsamkeit oder Fahrlässigkeit)
• Beschädigungen von Überland- und Freileitungen durch Unwetter und Sturm
• Berührung von Überland- und Freileitungen durch Sportflieger oder mit Spielzeugdrachen
• Blitzschlag
• Unfachmännischer Eingriff in die bestehende Elektroinstallation
• Brände in Hochspannungsanlagen (auch elektrischen Bahnen), die von Laien mit ungeeigneten Löschmitteln bekämpft werden
• Unfälle an elektrisch betriebenen Anlagen oder Geräten
• Falsche Absprachen über das Freischalten von Anlagen und Leitungen
• Kontakt mit einer Elektroschockpistole (Taser)

Spezielle Organschäden

Verbrennungen durch Stromunfall

Die Folgen des Elektrounfalls sind abhängig von der Empfindlichkeit der einzelnen Gewebe.

Elektrischer Strom geht bevorzugt den Weg des geringsten Widerstandes. Somit spielen die unterschiedlichen Widerstände der einzelnen Gewebe im menschlichen Körper eine entscheidende Rolle. Den niedrigsten Widerstand weist das Nervengewebe auf. In aufsteigender Reihenfolge folgen Arterien, Muskeln, Haut, Sehnen, Fettgewebe und Knochen.^[1] Dementsprechend ist bei Gleichstrom und niederfrequenten Strömen die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung des Nervengewebes am größten, gefolgt von den Arterien, Muskeln usw.

Die Symptome sind:

• Brandverletzungen an den Ein- und Austrittstellen des Stroms
• Lähmung der Muskulatur der Extremitäten und des Herzens durch den Stromfluss
• Gasbildung im Blut durch die Elektrolyse des Blutes
• Knochenbrüche durch ein schlagartiges Verkrampfen der Muskeln
• Verletzungen durch Folgeunfälle (beispielsweise bei einem durch einen elektrischen Schlag herbeigeführten Sturz)

Maßnahmen

Generell ist das Schema der Rettungskette der Ersten Hilfe auch hier zu beachten und bei Hilfeleistungen unbedingt auf Eigenschutz zu achten. Hierbei ist unter anderem wichtig:

• Zur Rettung des Verletzten zuerst Spannungsfreiheit der Anlage sicherstellen. Anlagen und Geräte müssen mit dem Not-Aus-Taster oder der Sicherung von der Stromversorgung getrennt werden. Das bloße Abschalten des Gerätes oder der Leitung stellt die Spannungsfreiheit nicht sicher.
• Freiliegende, stromführende Kabel mit Hilfe nichtleitender Gegenstände (Besenstiel aus Holz) vom Verletzten wegziehen.
• Bei Hochspannung großen Sicherheitsabstand einhalten, da ansonsten die Gefahr einer Lichtbogenbildung besteht.
• Außenstehende warnen, damit keine stromführenden Teile berührt werden (Absperrungen einrichten).

Bei bewusstlosen Patienten ist nach dem Abschalten der Stromversorgung die Sicherstellung von Atmung und Herz-Kreislauffunktion vorrangig. Gegebenenfalls ist die sofortige Herz-Lungen-Wiederbelebung einzuleiten. Geschultes Rettungspersonal führt bei Kammerflimmern eine Defibrillation durch. Falls verfügbar, kommt ein öffentlich zugänglicher Laiendefibrillator zur Anwendung.

Bei ansprechbaren Patienten sind Brandverletzungen zu kühlen und mit einer keimarmen, nicht flusenden Wundauflage abzudecken. Der Patient sollte auch bei völligem Wohlbefinden bis zum Ausschluss einer Herzschädigung nicht unbeaufsichtigt bleiben. Erforderlich ist hierzu immer ein 12-Kanal-Elektrokardiogramm. Daher erfolgt in der Regel durch den alarmierten Rettungsdienst ein Transport in die Notaufnahme eines Krankenhauses. Falls Veränderungen im Elektrokardiogramm nachweisbar sind, ein Hochspannungsunfall vorlag oder besondere Risikofaktoren bestehen, wird dort eine mehrstündige Beobachtung mit EKG-Monitoring durchgeführt.

Die weiteren Maßnahmen richten sich nach der Schwere der Verbrennungen. Durch die Wärmewirkung des elektrischen Stromes kommt es zum Flüssigkeitsverlust im Körper. Ebenso kann es durch die Verkohlung des betroffenen Gewebes (Nekrose) zur Entstehung von Giftstoffen führen. Die Gefahr einer Sepsis mit Todesfolge droht durch bakterielle Infektion der geschädigten Organe. Um eine Schädigung der Nieren zu mindern, ist es notwendig, den Flüssigkeitsverlust durch intravenöse Volumengabe, zum Beispiel Natriumchlorid-Infusionslösung, auszugleichen.

Quellen

1. ↑ ^{a b c} Akutversorgung von Elektrounfällen
2. ↑ Arbeitsgemeinschaft für Notfallmedizin, Jour-fixe 1/05: Moderation: Univ.-Prof. Dr. Norbert Watzinger
3. ↑ http://www.prcd-s.de/Schulung.pdf Diagramm Flimmergrenze linke Hand/Füße, siehe Seite 30
4. ↑ J. Jacobson, S. Buntenkötter: Beitrag zur Übertragbarkeit der Gefährdung durch elektrische Ströme vom Modelltier Schwein auf den Menschen: Deutsche Tierärztliche Wochenschrift, 81. Jg. (1974), H.9, S. 214–220

Literatur

• Gottfried Biegelmeier: Wirkungen des elektrischen Stroms auf Menschen und Nutztiere. Lehrbuch der Elektropathologie. VDE-Verlag, Berlin 1986, ISBN 3-80071452-3

• DIN IEC/TS 60479-1 (VDE 0140-479-1):2007-05 Wirkungen des elektrischen Stromes auf Menschen und Nutztiere -Teil 1: Allgemeine Aspekte (IEC/TS 60479-1: 2005 + Corrigendum Oktober 2006). VDE-Verlag, Berlin

• DIN EN 61140 (VDE 0140-1):2007-03 Schutz gegen elektrischen Schlag - Gemeinsame Anforderungen für Anlagen und Betriebsmittel (IEC 61140: 2001 + A1: 2004, modifiziert); Deutsche Fassung EN 61140: 2002 + A1: 2006. VDE-Verlag, Berlin

• DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2007-06 Errichten von Niederspannungsanlagen -Teil 4-41: Schutzmaßnahmen -Schutz gegen elektrischen Schlag (IEC 60364-4-41:2005, modifiziert); Deutsche Übernahme HD 60364-4-41: 2007. VDE-Verlag, Berlin

• Werner Hörmann, Heinz Nienhaus, Bernd Schröder: Schnelleinstieg in die neue DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2007-06 - Schutz gegen elektrischen Schlag. VDE-Schriftenreihe Band 140, VDE-Verlag, Berlin, ISBN 978-3-8007-3002-5

Siehe auch

• Schutzklasse (Elektrotechnik)
• PRCD-S
• Fehlerstromschutzschalter

Weblinks

• Arbeitsgemeinschaft für Notfallmedizin
• Notfallmedizin Elektrounfall
• Jens Jühling: Elektrounfälle in Deutschland, Berufsgenossenschaft Feinmechanik und Elektrotechnik, Köln, Vortrag 2005 auf der Fachtagung „Mensch – Strom – Felder“ am 10./11. November 2005 der Forschungsstelle für Elektropathologie (FfE)

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