TERO HAAPALA SYDÄMENTAHDISTIMIEN JA RYTMIHÄIRIÖTAHDISTIMIEN TESTAUS SÄHKÖASEMALLA JA VOIMAJOHDON ALLA

TERO HAAPALA SYDÄMENTAHDISTIMIEN JA RYTMIHÄIRIÖTAHDISTIMIEN TESTAUS SÄHKÖASEMALLA JA VOIMAJOHDON ALLA Diplomityö Tarkastajat: professori Leena Korpinen ja professori Seppo Valkealahti Tarkastajat ja aihe hyväksytty Tieto- ja sähkötekniikan tiedekuntaneuvoston kokouksessa 5. lokakuuta 2011

ii TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Sähkötekniikan koulutusohjelma HAAPALA, TERO: Sydämentahdistimien ja rytmihäiriötahdistimien testaus sähköasemalla ja voimajohdon alla Diplomityö, 73 sivua, 15 liitesivua Huhtikuu 2012 Pääaine: Sähköenergia Tarkastajat: professori Leena Korpinen ja professori Seppo Valkealahti Avainsanat: Sydämentahdistin, rytmihäiriötahdistin, sähkökenttä, magneettikenttä Diplomityön tarkoituksena oli selvittää mittauksien avulla, että aiheuttavatko suuret magneettikentät häiriöitä sydämentahdistimien ja rytmihäiriötahdistimien normaalille toiminnalle. Mittaukset suoritettiin 400 kilovoltin sähköasemalla Alajärvellä. Lisäksi aiempien tutkimusten tueksi suoritettiin sähkökentässä tahdistinmittauksia 400 kilovoltin voimajohdon läheisyydessä Kangasalla sekä Tampereen teknillisen yliopiston suurjännitelaboratoriossa. Mittauksissa käytettiin ihmistä muistuttavaa fyysistä mallia, fantomia. Diplomityö rakentuu työn taustalla olevaa teoriaa käsittelevään osuuteen sekä mittauksien toteuttamiseen ja suorittamiseen käytännössä. Mittauksia suoritettiin vuoden 2011 aikana yhteensä kuutena mittauspäivänä. Alajärven sähköasemalla mitattiin sydämentahdistimien ja rytmihäiriötahdistimien mahdollista häiriintymistä magneettikentässä, jonka voimakkuus oli noin 700-1000 µt. Rytmihäiriötahdistimilla jatkettiin kesällä 2010 aloitettuja mittauksia Kangasalla kulkevien voimajohtojen läheisyydessä, missä sähkökentän voimakkuus oli yli 5 kv/m. Tampereen teknillisen yliopiston suurjännitelaboratoriossa tehtiin lisäksi kokeita sähkökentässä, jota voitiin itse kontrolloida jännitteen avulla. Mittauksissa tahdistin ja tahdistinjohdot asetettiin fantomin sisään ja se täytettiin suolaliuoksella. Tahdistimet ohjelmoitiin ennen mittauksia ja mittausten jälkeen joko paikanpäällä tai Tampereen yliopistollisen sairaalan sydänkeskuksessa. Mittauksien aikana mitattiin myös sähkö- ja magneettikenttien voimakkuuksia, fantomiin indusoituneita käsi- ja jalkavirtoja, ilman lämpötilaa ja ilman kosteutta sekä suolaliuoksen johtavuutta ja lämpötilaa. Mittauksissa oli käytössä yhdeksän rytmihäiriötahdistinta ja viisi sydämentahdistinta. Kolmen eri valmistajan sydämentahdistimilla tehtiin yhteensä seitsemän mittausta sähköasemalla. Kolmen eri valmistajan rytmihäiriötahdistimilla suoritettiin yhteensä viisi mittausta sähköasemalla sekä 14 mittausta voimajohdon läheisyydessä. Lisäksi Tampereen teknillisen yliopiston suurjännitelaboratoriossa tehtiin kahdella rytmihäiriötahdistimella 36 mittausta. Mittausten perusteella sydämentahdistimien ja rytmihäiriötahdistimien häiriintyminen suuressa magneettikentässä tai sähkökentässä on varsin harvinaista, mutta kuitenkin mahdollista. Kaikista tahdistimista vain yksi rytmihäiriötahdistin häiriintyi suurjännitelaboratoriossa tehdyissä mittauksissa. Diplomityön tulosten perusteella on suotavaa jatkaa tahdistimien häiriintymisen tutkimista suuressa magneettikentässä ja suurjännitelaboratoriossa.

iii ABSTRACT TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master of Science Degree Programme in Electrical Engineering HAAPALA, TERO: Measuring Cardiac Pacemakers and Implantable Cardioverter Defibrillators in a Substation and Under Power Lines Master of Science Thesis, 73 pages, 15 Appendix pages April 2012 Major: Electrical Energy Examiners: Professor Leena Korpinen and Professor Seppo Valkealahti Keywords: Pacemaker, Implantable Cardioverter Defibrillator, Electric Field, Magnetic Field This thesis work looks to study the effects of low frequency electromagnetic fields on cardiac pacemakers and implantable cardioverter defibrillators (ICD). The study of these effects was based on measurements taken in three locations: the Alajärvi electrical substation, under a 400 kilovolts power line near Kangasala and in the high voltage facility at the Tampere University of Technology. Each measurement was obtained using an anthropomorphic liquid phantom. The initial chapters of this thesis include background information and theory behind different pacemakers and low frequency electromagnetic fields. The measurements, results and conclusions drawn from the study data are dealt with in the later chapters of the thesis. The study measurements were taken during 2011 over six days. In the Alajärvi substation, measurements were conducted with both pacemakers and ICDs in a high magnetic field where the magnetic field strength was 700-1000 µt. Only ICDs were measured under the 400 kilovolts power lines where the electric field strength was measured as exceeding 5 kv/m. Measurements were also taken in a high voltage laboratory with a manually adjusted electric field. During the measurement process, the phantom was filled with a tissue equivalent saline solution in order to model a realistic human. The pacemaker or ICD and leads were placed inside the phantom prior to filling it with saline. Both pacemakers and ICDs were pre-programmed either in Tampere University Hospital or at the actual sites where measurements were conducted. The measurement results were determined at the same locations. During the process, the electric and magnetic fields, induced currents, air temperature and humidity were also measured, together with the saline solution's conductivity and temperature. Five measurements in the substation and 14 measurements near power lines were taken, using nine different ICDs. Five different cardiac pacemakers were subjected to seven measurements in the substation setting. Two ICDs were examined in the high voltage laboratory where 36 measurements were taken. Based on the measurements taken in three different locations and subject to high electric and magnetic fields; it is concluded that, interferences in the function of cardiac pacemakers and ICDs remain possible but still are rare. During the measurement process, only one ICD encountered interference whilst in the high voltage laboratory. As such, it might be reasonable to conduct further studies that examine the possible disturbances to devices when exposed to a high magnetic field and to conduct them in a high voltage laboratory setting.

iv ALKUSANAT Tämä diplomityö on Tampereen teknillisen yliopiston sähkötekniikan koulutusohjelman Sähköenergian pääaineeseen suoritettu opinnäytetyö. Diplomityö on tehty Tampereen teknillisen yliopiston Energia- ja prosessitekniikan laitoksen Ympäristöterveyden työryhmässä. Työn ohjaajina ja tarkastajina toimivat professori Leena Korpinen Energia- ja prosessitekniikan laitokselta sekä professori Seppo Valkealahti Sähköenergiatekniikan laitokselta. Haluan esittää kiitokset heille kaikesta työhön liittyvästä ohjauksesta ja neuvoista. Diplomityön rahoituksesta vastasivat Sähköturvallisuuden edistämiskeskus ry ja Fingrid Oyj, kiitokset kaikille näiden organisaatioiden edustajina hankkeessa mukana olleille henkilöille! Mittauksiin osallistumisesta ja avusta haluan kiittää Leena Korpisen ohella Ympäristöterveyden työryhmän jäseniä: Hiroo Taraota, Markus Wirtaa ja Jarold Gonzalez Sosaa. Kiitokset kuuluvat myös Tampereen yliopistollisen sairaalan sydänkeskuksen ylilääkäri Vesa Virtaselle tahdistimien hankkimisesta käyttöömme ja mahdollisuudesta käyttää sydänkeskuksen tiloja tahdistimien ohjelmointiin, WL-Medical Oy:n Seppo Maliselle tahdistimien ohjelmointilaitteen lainaamisesta sekä Työterveyslaitoksen teemajohtaja Rauno Pääkköselle mittareiden ja mittausvälineistön lainaamisesta käyttöömme. Tampereen teknillisen yliopiston suurjännitelaboratoriossa suoritettuihin mittauksiin liittyen kiitos kuuluu erityisesti Sähköenergiatekniikan laitoksen tutkimuspäällikkö Kari Lahdelle. Markus Annilaa haluan kiittää kaikista neuvoista ja vinkeistä työhön liittyvien mittausten suorittamista varten. Lisäksi haluan kiittää Energia- ja prosessitekniikan laitoksen henkilökuntaa lukuisten käytännön asioiden järjestämisestä ja hoitamisesta muun muassa mittauksiin liittyen sekä kaikkia muita henkilöitä matkan varrelta, jotka tekivät tämän diplomityön tekemisen mahdolliseksi. Suuri kiitos kuuluu myös perheelleni ja ystävilleni kaikesta tuesta ja kannustuksesta niin tämän diplomityön tekemisen kuin opintojeni suorittamisen aikana! Tampereella 16.03.2012 Tero Haapala

v SISÄLLYS 1 Johdanto... 1 2 Sähkö- ja magneettikentät... 2 2.1 Sähkömagneettisen säteilyn spektri... 2 2.2 Sähkökenttä... 3 2.2.1 Sähkökenttä kahden levyn välissä... 3 2.2.2 Sähköstaattinen induktio... 4 2.3 Magneettikenttä... 5 2.3.1 Lorentzin voima... 6 2.3.2 Sähkömagneettinen induktio... 6 2.4 Altistuminen sähkö- ja magneettikentille... 7 2.4.1 Pientaajuisten sähkö- ja magneettikenttien suositukset... 7 2.4.2 Elin- ja työympäristöissä esiintyvät sähkö- ja magneettikentät... 8 3 Sähköjärjestelmä... 10 3.1 Suomen sähköjärjestelmä... 10 3.2 Sähköaseman rakenne... 11 3.2.1 Kokoojakiskojärjestelmät... 11 3.2.2 Muuntajat... 11 3.2.3 Katkaisijat... 12 3.2.4 Erottimet... 12 3.2.5 Mittamuuntajat... 13 3.2.6 Kompensoimislaitteet... 14 3.2.7 Sähköjohdot... 14 3.3 Sähköaseman sähkö- ja magneettikentät... 15 4 Tahdistimet magneettikentässä... 17 4.1 Sydämen sähköinen toiminta... 17 4.2 Häiriöt sydämen sähköisessä toiminnassa... 18 4.3 Sydämen tahdistaminen... 19 4.3.1 Tahdistustavan valinta... 19 4.3.2 Sydämentahdistin ja elektrodit... 20 4.3.3 Rytmihäiriötahdistin... 22 4.3.4 Sydämen vajaatoimintatahdistimet... 23 4.3.5 Tahdistimien ohjelmointi... 23 4.3.6 Tahdistimien sähkömagneettinen yhteensopivuus... 24 4.3.7 Tahdistimien standardit... 25 4.4 Tahdistimen käyttö magneettikentässä... 26 4.4.1 Työterveyslaitoksen tutkimukset... 26 4.4.2 Ulkomaiset tutkimukset... 27 4.4.3 TTY:llä vuonna 2010 tehdyt tahdistinkokeet... 28 5 Mittausmenetelmät ja laitteisto... 32 5.1 Mittauspaikat ja altistustilanteet... 32

5.1.1 Alajärven sähköasema... 32 5.1.2 Kangasalan voimajohto... 33 5.2 Ihmistä mallintava fantomi... 34 5.3 Mittalaitteet... 35 5.3.1 Sähkö- ja magneettikenttämittarit... 35 5.3.2 Yleismittari ja sähkönjohtavuusmittari... 37 5.3.3 Lämpötilamittarit... 38 5.3.4 Signaaligeneraattori... 40 5.4 Mittausprotokolla... 40 5.5 Mittausten toteutus tahdistimien osalta... 44 5.5.1 Mittauksissa käytetyt rytmihäiriötahdistimet... 44 5.5.2 Mittauksissa käytetyt sydämentahdistimet... 46 5.5.3 Mittaukset suurjännitelaboratoriossa... 46 6 Mittaustulokset... 50 6.1 Mittaustulokset Alajärven sähköasemalta... 50 6.1.1 Ilman lämpötilan ja kosteuden mittaustulokset... 50 6.1.2 Sähkö- ja magneettikenttien mittaustulokset... 50 6.1.3 Fantomin mittaustulokset... 53 6.1.4 Sydämentahdistimien tallentamat tiedot... 54 6.1.5 Rytmihäiriötahdistimien tallentamat tiedot... 55 6.2 Mittaustulokset 400 kv voimajohdolla... 56 6.2.1 Ilman lämpötilan ja kosteuden mittaustulokset... 56 6.2.2 Sähkö- ja magneettikenttien mittaustulokset... 56 6.2.3 Fantomin mittaustulokset... 58 6.2.4 Rytmihäiriötahdistimien tallentamat tiedot... 59 6.3 Mittaustulokset suurjännitelaboratoriosta... 60 6.3.1 Ensimmäisen mittauspäivän mittaustulokset... 60 6.3.2 Toisen mittauspäivän mittaustulokset... 61 7 Pohdintaa... 63 7.1 Mittaukset sähköasemalla ja voimajohdon läheisyydessä... 63 7.2 Vertailu aikaisempiin tutkimuksiin... 64 7.3 Vuoden 2010 mittaustulokset... 65 7.4 Mittaukset suurjännitelaboratoriossa... 66 8 Yhteenveto... 68 Lähteet... 69 Liite 1: Mittauksissa käytetyt tahdistimet... 74 Liite 2: Mittauspöytäkirjat Alajärven sähköasemalta 6.7.2011... 75 Liite 3: Mittauspöytäkirjat Alajärven sähköasemalta 18.8.2011... 77 Liite 4: Mittauspöytäkirjat Kangasalan voimajohdon läheisyydestä 1.7.2011... 85 Liite 5: Mittauspöytäkirjat Kangasalan voimajohdon läheisyydestä 10.8.2011... 87 vi

vii LYHENTEET, MERKINNÄT JA TERMIEN MÄÄRITELMÄT B Magneettivuon tiheys Magneettivuon tiheysvektori c Valonnopeus tyhjiössä (noin 3 10 8 m/s) ε Väliaineen permittiivisyys Tyhjiön permittiivisyys f Taajuus F Voima Φ Magneettivuo h Planckin vakio (4,1357 10-15 ev s) E Sähkökentän voimakkuus H Magneettikentän voimakkuus J Sähkövirran tiheys λ Aallonpituus σ Sähkönjohtavuus q,q Varaus RH Suhteellinen kosteus (engl. Relative humidity) µ Väliaineen permeabiliteetti Tyhjiön permeabiliteetti µ r Suhteellinen permeabiliteetti AAI Arytmia Bradykardia CEN CENELEC CRT-P CRT-D Defibrillaatio DDD EKG EMC Endokardium Epikardium Fantomi ICD Sydämen eteistä tahdistava ja tunnistava tahdistintyyppi Epänormaali ja epäsäännöllinen sydämen rytmi Sydämen harvalyöntisyys Euroopan alueellinen standardisoimisjärjestö (engl. European Committee for Standardization) Eurooppalainen sähköalan standardoimisjärjestö (engl. European Committee for Electrotechnical Standardization) Sydämen vajaatoimintatahdistin Sydäntä synkronoiva rytmihäiriötahdistin Sydämen lihasvärinän poisto Sydämen eteisiä ja kammioita tahdistava sekä tunnistava tahdistintyyppi, joka tahdistaa kammioita eteisten mukaan Elektrokardiogrammi eli sydänsähkökäyrä Sähkömagneettinen yhteensopivuus (engl. Electromagnetic compatibility) Sydämen sisäkalvo Sydämen ulkokalvo Fyysinen malli esimerkiksi ihmisen mallintamiseen Rytmihäiriötahdistin (engl. Implantable cardioverter defibrillator)

viii ICNIRP IEC ISO Kammioasystole Permittiivisyys RMS SESKO SFS Sinussolmuke Takykardia TAYS TTY VVI Kansainvälinen ionisoimattoman säteilyn toimikunta (engl. International Comission of Non-Ionizing Radiation Protection) Kansainvälinen sähköalan standardointiorganisaatio (engl. International Electrotechnical Comission) Kansainvälinen standardoimisjärjestö (engl. International Organization for Standardization) Sydämen kammio ei supistu sen sähköisen toiminnan puutteen takia Väliaineen kyky varastoida ja kuluttaa sähkökentän energiaa Suureen tehollisarvo (engl. Root Mean Square) Suomen sähkö- ja elektroniikka-alan kansallinen standardoimisjärjestö Suomen Standardoimisliitto Sydämen tahdistinsolmuke, joka ylläpitää sydämen normaalin rytmin Sydämen tiheälyöntisyys Tampereen yliopistollinen keskussairaala Tampereen teknillinen yliopisto Sydämen kammioita tahdistava ja tunnistava tahdistintyyppi

1 1 JOHDANTO Pientaajuisten sähkö- ja magneettikenttien terveysvaikutuksiin on viime vuosina kiinnitetty yhä enemmän huomiota. Tämä diplomityö on osa Tampereen teknillisen yliopiston hanketta, jossa tutkitaan pientaajuisten sähkö- ja magneettikenttien aiheuttamia vaikutuksia sydämentahdistimille ja rytmihäiriötahdistimille. Diplomityön tavoitteena on selvittää mittausten avulla, että vaikuttaako suuri magneettikenttä häiritsevästi tahdistimien normaaliin toimintaan. Lisäksi työn tavoitteena on jatkaa aiempien tutkimusten tueksi 400 kilovoltin voimajohtojen läheisyydessä muodostuvien sähkö- ja magneettikenttien vaikutuksien tutkimista rytmihäiriötahdistimilla sekä tehdä tahdistinmittauksia suurjännitelaboratoriossa, jossa voidaan itse kontrolloida sähkökentän voimakkuutta jännitteen avulla. Vuoden 2011 kesän ja syksyn aikana suoritettiin mittauksia yhteensä kuutena mittauspäivänä. Mittauksissa sydämentahdistimien ja rytmihäiriötahdistimien häiriintymistä sähkö- ja magneettikentissä tutkittiin ihmistä muistuttavalla fyysisellä mallilla, fantomilla. Suolaliuoksella täytetty fantomi muistuttaa ihmistä esimerkiksi johtavuudeltaan, ja näin ollen soveltuukin varsin hyvin tahdistinmittauksiin elävän koehenkilön sijaan. Vuoden 2010 aikana tehtiin hankkeeseen liittyen kaksi diplomityötä. Toinen diplomityö käsitteli muun muassa fantomin käyttöön liittyviä asioita tahdistinmittauksissa ja toinen diplomityö käsitteli 400 kilovoltin voimajohdon läheisyydessä tapahtuneita mittauksia sydämentahdistimilla ja rytmihäiriötahdistimilla. Tämä diplomityö on suoraa jatkoa viime vuonna alkaneille mittauksille tahdistimilla, sillä mittaukset toistettiin kesän 2010 mittauksiin suunnitellulla ja toteutetulla mittausprotokollalla. Tavoitteena oli näin aikaansaada mahdollisimman hyvin toisiaan tukevat ja vertailukelpoiset mittaustulokset. Diplomityö jakautuu työn taustalla olevan teorian käsittelyyn sekä tahdistinmittausten suunnitteluun, järjestämiseen ja toteuttamiseen. Ensimmäinen luku on johdanto. Työn toinen luku käsittelee sähkö- ja magneettikenttiä. Kolmas luku liittyy Suomen sähköjärjestelmään ja sähköasemiin. Sydämentahdistimia ja rytmihäiriötahdistimia käsitellään neljännessä luvussa. Luvussa viisi käydään läpi mittausten suorittamiseen ja toteuttamiseen olennaisesti liittyviä asioita. Luvut kuusi ja seitsemän sisältävät mittaustulokset ja niiden analysoinnin. Työn viimeisessä luvussa tehdään tuloksiin perustuvat johtopäätökset.

2 2 SÄHKÖ- JA MAGNEETTIKENTÄT Tässä luvussa käsitellään lyhyesti sähkömagneettisen säteilyn spektri sekä sähkö- ja magneettikenttien fysikaalisia peruskäsitteitä. Lisäksi sähkö- ja magneettikenttiin liittyen käydään läpi ihmisen elin- ja työympäristön tyypillisimpiä altistumispaikkoja. 2.1 Sähkömagneettisen säteilyn spektri Säteily on valon nopeudella etenevää sähkömagneettista aaltoliikettä. Sähkömagneettinen säteily jaetaan tyypillisesti säteilyn energian perusteella ionisoivaan ja ionisoimattomaan säteilyyn. Säteilyn aallonpituus λ ja taajuus f ovat yhteydessä toisiinsa siten, että tulo λf on väliaineessa vakio. Tämä vakio on sähkömagneettisen aallon etenemisnopeus c, joka on valonnopeus. Tyhjiössä valonnopeus on noin 3 10 8 m/s. Ionisoivalla säteilyllä taajuus on hyvin suuri, jolloin sen energia riittää irrottamaan elektroneja atomeista. Tätä tapahtumaa kutsutaan ionisaatioksi. Vastaavasti ionisoimattomalla säteilyllä energia on sen verran pieni, että ionisaatiota ei tapahdu. [1] [2] Kuvassa 2.1 on esitetty koko sähkömagneettisen säteilyn spektri. Kuvasta esimerkiksi nähdään, että ionisoimattoman ja ionisoivan säteilyn raja kulkee ultraviolettisäteilyn ja röntgensäteilyn välissä. Kuva 2.1. Sähkömagneettisen säteilyn spektri taajuuden funktiona. [1] Sähkömagneettisen säteilyn välittäjähiukkasen eli fotonin energia on suoraan verrannollinen taajuuteen, ja se voidaan laskea yhtälöllä 2.1. (2.1)

3 missä E on fotonin energia, f taajuus ja h on Planckin vakio (4,1357 10-15 ev s). Sähkö- ja magneettikenttien yhteydessä vältetään usein puhumasta säteilystä, koska 50 Hz:n taajuudella aallonpituus λ on hyvin suuri ja fotonin energiaksi saadaan 2,068 10-15 ev, joka on jouleina 3,31 10-32 J. Energia on merkityksettömän pieni verrattuna esimerkiksi molekyylien sidosenergioihin tai niiden lämpöenergiaan. [3] Pientaajuiset sähkö- ja magneettikentät voidaan jakaa hyvin pienitaajuisiin (engl. Extremely Low Frequency, ELF) ja välitaajuisiin (engl. Intermediate Frequency, IF) kenttiin. Hyvin pienitaajuisissa kentissä taajuus on alle 300 Hz. Välitaajuisilla kentillä tarkoitetaan puolestaan 300 Hz 100 khz:n taajuuden omaavia kenttiä. [2] 2.2 Sähkökenttä Sähkövaraus synnyttää ympärilleen sähkökentän. Coulombin lain mukaan sähkökentän vaikutus ilmenee toiseen varattuun kappaleeseen kohdistuvana voimana. Varaukseen kohdistuva sähkökenttä E saadaan jakamalla varaukseen kohdistuva sähköinen voima F varauksen suuruudella Q. Sekä sähkökenttä E että voima F ovat vektorisuureita, joten molemmilla on suuruus ja suunta. Sähkökentän ja positiiviseen varaukseen kohdistuvan voiman suunta on sama. Samanmerkkisiin varauksiin kohdistuu toisiaan hylkivä voima, erimerkkisiin varauksiin puolestaan toisiaan vetävä voima. Lisäksi voima on sitä suurempi, mitä suuremmat varaukset ovat kyseessä. Toisaalta mitä kauempana varaukset ovat toisistaan, sitä heikompi voima vaikuttaa varausten välillä. [2] [4] Coulombin laki voidaan esittää yksinkertaisen mallin avulla. Kuvitellaan ilmassa olevan kaksi varausta Q 1 ja Q 2. Nämä varaukset kohdistavat toisiinsa voiman F, joka riippuu varausten suuruudesta ja näiden keskinäisestä etäisyydestä r. Yhtälömuodossa Coulombin laki on: (2.2) Yhtälössä 2.2 termi 1 / 4πε 0 on Coulombin vakio, jossa tyhjiön permittiivisyys ε 0 on 8,854 10-12 F/m. E 1 ja E 2 ovat varauksien Q 1 ja Q 2 sähkökenttien voimakkuuksia. Useamman varauksen kenttien tapauksessa voidaan varaukseen kohdistuvan voiman laskemisessa käyttää superpositioperiaatetta, jolloin summataan eri pistelähteistä peräsin olevat voimat yhteen. [2] 2.2.1 Sähkökenttä kahden levyn välissä Varsin yleinen ja yksinkertainen esitystapa havainnollistaa sähkökenttää ja kenttäviivoja on esitetty kuvassa 2.2. Kuvassa on kaksi toisiaan lähellä olevaa sähköisesti varattua

4 levyä. Levyjen välissä vallitsee homogeeninen sähkökenttä. Kentänvoimakkuus voidaan laskea jakamalla levyjen välinen jännite-ero niiden etäisyydellä toisistaan. [1] Kuva 2.2. Sähkökenttä kahden levyn välissä. [1] Kuvassa 2.2 levyjen välinen etäisyys h on 0,75 metriä ja levyjen välinen potentiaaliero on 1000 V. Sähkökenttä E näiden levyjen välissä on tällöin 1,33 kv/m. 2.2.2 Sähköstaattinen induktio Sähkökentät vääristyvät voimakkaasti silloin, kun lähelle lähdettä tuodaan sähköä johtavia kohteita. Vietäessä sähköä johtavaa kappaletta sähkökenttään siinä olevat varaukset järjestyvät uudelleen kappaleen pinnalle. Tätä ilmiötä kutsutaan sähköstaattiseksi induktioksi ja se perustuu Coulombin lain mukaiseen vuorovaikutukseen. Pintavaraukset aiheuttavat sekundäärisen sähkökentän, joka summautuu alkuperäiseen lähdekenttään kappaleen sisällä ja myös sen läheisyydessä. [2] Esimerkiksi ihmiskeho käyttäytyy alle 100 khz taajuuksilla ulkoisen sähkökentän kannalta johtavana kappaleena. Ihmiskehoon tulevat ja siitä lähtevät kenttäviivat kaareutuvat aina kohtisuoraan johtavaa pintaa vasten. Sähkökentän mittauksessa tämä on huomioitava siten, että mittaaja ei saa mennä liian lähelle mitattavaa kohdetta. Vaarana on tuloksen huomattava vääristyminen. Ajan suhteen muuttuva ulkoinen sähkökenttä aiheuttaa sen, että myös sisäinen sähkökenttä muuttuu. Tämä muutos on havaittavissa kappaleen sisällä olevan varausjakauman muutoksena ja kappaleen sisällä syntyykin sähkövirtoja. [2] Virrantiheys J syntyy materiaaliin sähkökentässä ja se on riippuvainen sekä sähkökentän E voimakkuudesta että väliaineen johtavuudesta σ siten, että (2.3)

5 Johtavuuden yksikkö on siemensiä metriä kohden (S/m). Ilmalle sähkönjohtavuus on luokkaa 10-14 S/m, mutta se on huomattavan pieni verrattuna esimerkiksi kudosten sähkönjohtavuuteen, joka on luokkaa 1-2 ms/cm. Biologiset kudokset ovatkin varsin hyvin sähköä johtavia kappaleita. [2] [4] 2.3 Magneettikenttä Sähköjohdoissa liikkuvat varatut hiukkaset luovat ympärilleen sähkökentän lisäksi myös magneettikentän. Magneettikentän vuoviivat ovat jatkuvia ja kiertävät aina takaisin lähtöpisteeseensä, kuten kuvassa 2.3 on esitetty. Magneettikentän voimakkuus H ja magneettivuon tiheys B ovat suureet, jotka kuvaavat magneettikenttää. Magneettikentän voimakkuuteen ei vaikuta väliaine, vaan ainoastaan lähteenä toimivat virrat. Virran ollessa suuri, myös kenttä on voimakkaampi. [2] Kuva 2.3. Suoran virtajohtimen ympärillä esiintyvä magneettikenttä. [1] Pitkässä suorassa johtimessa kulkevan sähkövirran aiheuttama magneettikentän voimakkuus eri etäisyyksillä johtimesta voidaan melko yksinkertaisesti laskea yhtälöllä 2.4. (2.4) missä H on magneettikentän voimakkuus, I on johtimessa kulkeva sähkövirta ja r on etäisyys johtimesta. [2] Magneettikentän voimakkuuden H ja magneettivuon tiheyden B välillä on yhteys: (2.5) missä µ on väliaineen permeabiliteetti, µ 0 on tyhjiön permeabiliteetti (4π 10-7 H/m) ja µ r on väliaineen suhteellinen permeabiliteetti. Magneettikentässä ihminen ei kuitenkaan

6 muuta alkuperäistä kenttää, joten suhteelliselle permeabiliteetille ei tällöin ole käyttöä. [2] 2.3.1 Lorentzin voima Magneettivuon tiheydellä ja voimalla, mikä kohdistuu magneettikentässä nopeudella v liikkuvaan varaukseen q, on yhteys. Kyseisen ristitulon seurauksena voiman F suunta on kohtisuoraan niin varauksen kulkusuuntaa kuin magneettikenttää B vastaan. Mikäli liikkuvaan varaukseen kohdistuu vielä sähkökenttäkin, on tällöin laskettava kokonaisvoima eli Lorentzin voima: (2.6) Varauksen kulkusuunnan ollessa yhdensuuntainen magneettikentän kanssa on magneettinen voima tällöin nolla. Oleellinen magneettikentän ominaisuus on se, että magneettikenttä ei tee työtä. Liikkuvan varauksen kanssa vuorovaikutuksesta syntyvä voima on aina kohtisuoraan varauksen liikesuuntaa vastaan. Täten magneettikenttä ei lisää varauksen liike-energiaa. Magneettinen voima ajaa helposti liikkuvat negatiiviset elektronit toiseen laitaan, johon syntyy negatiivinen varaus ja toiselle laidalle jää positiivinen varaus. Magneettikentässä pyörivässä silmukassa syntyy jännitteen ansiosta jatkuva vaihtovirta, kun puolestaan staattisessa homogeenisessa magneettikentässä suoraviivaisesti etenevään kappaleeseen syntyy virta vain varausten eriytyessä liikkeen alussa. [2] 2.3.2 Sähkömagneettinen induktio Sähkömagneettiseksi induktioksi kutsutaan ilmiötä, missä magneettikentän muuttuminen indusoi sähkövirtoja esimerkiksi johdesilmukkaan. Ilmiön osoitti todeksi Michael Faraday vuonna 1831, ja hänen mukaisesti nimetty ilmiö tunnetaan Faradayn lakina: (2.7) Kaavassa silmukan lävistävä magneettivuon Φ muutos indusoi jännitteen U silmukkaan ja tämän myötä sähkövaraukset lähtevät kiertämään silmukkaa. Kentän ollessa homogeeninen, on magneettivuo Φ = BA. Silmukan pinta-ala on A ja B on sitä vastaan kohtisuora magneettikenttä. Mitä nopeammin kenttä vaihtelee ajan suhteen, sitä suuremman jännitteen se synnyttää. On myös huomioitava, että sähkökenttä aiheuttaa johtavaan kappaleeseen sähkövirran. Magneettikenttä indusoi ensin sähkökentän ja sähkövirta on riippuvainen johtavuudesta. Ihmiskehoa voidaan verrata virtasilmukkaan. Tällöin ajan suhteen muuttuva magneettikenttä tunkeutuu materiaaliin ja aiheuttaa sähkökentän sekä pyörrevirran eli kiertävän sähkövirran. Sekä kenttä että virta kasvavat kehon pintaa kohden ja näitä ilmiöitä kutsutaan sähkömagneettiseksi induktioksi. [2]

7 2.4 Altistuminen sähkö- ja magneettikentille Pientaajuiset sähkö- ja magneettikentät indusoivat kehoon sähkövirtoja. Kuvan 2.4 vasemmalla puolella on pystysuoran sähkökentän kehoon indusoimia virtoja ja oikealla magneettikentän kehoon indusoimia pyörrevirtoja. Kuva 2.4. Sähkökentän ja magneettikentän kehoon indusoimia sähkövirtoja. Kuva Säteilyturvakeskuksen luvalla. [2] Ihmiskeho on sen verran hyvin johtava alle 100 khz:n taajuuksilla, että kehoon tulevat ja siitä lähtevät kenttäviivat kaareutuvat aina kohtisuoraan johtavaa pintaa vasten. Ulkoisen sähkökentän muuttuessa ajan funktiona myös kehon sisäinen sähkökenttä muuttuu. Tällöin kehon sisäinen varausjakauma muuttuu ja muutoksen myötä aiheutuu kehon sisälle sähkövirtoja. Kuvassa 2.4 sähkövirrat kulkevat kohteen päästä varpaisiin. Ajan suhteen muuttuvan magneettikentän lävistäessä ihmiskehon syntyy kehon sisälle kiertäviä sähkövirtoja eli pyörrevirtoja. Pyörrevirtojen voimakkuus on suoraan verrannollinen ulkoisen kentän muutosnopeuteen. [2] 2.4.1 Pientaajuisten sähkö- ja magneettikenttien suositukset International Comission on Non-Ionizing Radiation (ICNIRP) on laatinut ohjearvot sähkömagneettisen säteilyn altistukselle 50 Hz:n taajuudella koskien väestöä ja työntekijöitä. Väestön sähkökentälle altistumiselle suositus on 5 kv/m ja magneettikentälle 200 µt. Työntekijän altistukselle suositusarvot ovat puolestaan 10 kv/m ja 1000 µt. Ohjearvot päivittyivät ylöspäin vuonna 2010 magneettikentälle altistumisen osalta, sillä aiemmin väestön altistumisen suositus oli 100 µt ja työntekijän 500 µt. [5] Kuitenkin Suomessa vuonna 2002 annettu väestön altistumista koskeva asetus (294/2002) mahdol-

8 listaa esimerkiksi lyhytaikaiselle ja satunnaiselle altistukselle sähkökentän suositusarvon kolminkertaisena eli 15 kv/m [2]. ICNIRP on laatinut myös perusrajoitukset sisäisen sähkökentän osalta päänalueen keskushermostolle ja muulle keholle väestö- ja työntekijäaltistumista koskien. Väestöaltistumisen raja 50 Hz:n taajuudella päänalueen keskushermostolle on 0,02 V/m ja muulle keholle 0,4 V/m. Työtekijäaltistumiselle vastaavat ovat 0,1 V/m ja 0,8 V/m. [5] 2.4.2 Elin- ja työympäristöissä esiintyvät sähkö- ja magneettikentät Hyvin pienitaajuisia 50 Hz:n sähkö- ja magneettikenttiä syntyy ympäristöön sähköenergian tuotannon, jakelun ja kulutuksen yhteydessä. 400 kilovoltin voimajohdon läheisyydessä sähkökentät voivat olla suuruudeltaan noin 1-10 kv/m ja magneettikentät noin 3-10 µt. Sähkö- ja magneettikentät kuitenkin vaimenevat voimakkaasti etäisyyden kasvaessa kentän aiheuttajaan. Jo 60 metrin etäisyydellä voimajohdoista sähkökenttä on alle 0,1 kv/m ja magneettikenttä alle 1 µt. Asuinympäristön magneettikentät ovat yleensä voimakkuudeltaan alle 0,1 µt, kun voimajohtoja ei ole lähellä. Sähkölaitteiden käyttö voi kuitenkin hetkellisesti moninkertaistaa kenttiä. Voimajohtojen lähellä asuvat ihmiset voivat altistua vähän tavanomaista suuremmille magneettikentille. Suurjännitejohdon aiheuttama 0,2 µt kenttä voi ulottua enimmillään noin 150 metrin etäisyydelle 400 kilovoltin, 70 metrin etäisyydelle 220 kilovoltin ja 60 metrin etäisyydelle 110 kilovoltin johdosta. [2] Metalliteollisuudessa on voimakkaita magneettikenttien lähteitä, joiden synnyttämä magneettivuon tiheys voi ylittää työntekijälle annetun altistumisrajan. Erilaisten induktiokuumentimien ja valokaariuunien läheisyydessä työntekijä voi altistua yli 1000 µt:n kentälle. Taulukossa 2.1 on 50 MW:n valokaariuunin läheisyydestä mitattuja magneettivuon tiheyden arvoja. Hitsauslaitteiden läheisyydessä magneettivuontiheys voi olla yli 100 µt. Metallinkäsittelyyn ja -jalostukseen soveltuvien laitteiden ympäristössä magneettikentät yltävät aina 100 mt asti. [2] Sähköasemien magneettivuon tiheyksistä kerrotaan luvussa kolme.

9 Taulukko 2.1. Magneettivuon tiheyksiä 50 MW valokaariuunin läheisyydessä. [2] Mittauspaikka Etäisyys, m B, µt Valvomo 13 Syöttökaapeleiden vieressä 1 4000 2 1400 4 500 5 260 Kaatopulpetin lähellä 0,5 300 1,5 200 2 100 Muuntajahuone 100-500 Kotitalouksien 50 Hz magneettikenttien vuontiheydet jäävät yleensä alle 0,1 µt, mutta hetkellisesti sähkölaitteen välittömässä läheisyydessä kentät voivat olla 1-100 µt. [2] Taulukossa 2.2 on eri kodinkoneiden läheisyydestä mitattuina magneettivuon tiheyden arvoja. Taulukko 2.2. Magneettivuon tiheyksiä eri etäisyyksillä kodin sähkölaitteista. [2] Laite Magneettivuon tiheys annetulla etäisyydellä, µt 3 cm 30 cm 1 m Tehosekoitin 1 25-130 0,6-2 0-0,1 Kuivausrumpu 0,3-8 0,1-0,3 0 Pesukone 0,8-50 0,2-3 0-0,2 Kahvinkeitin 1,8-25 0,1-0,2 0 Astianpesukone 3,5-20 0,6-3 0,1-0,3 Pora 1 400-800 2-3,5 0,1-0,2 Sähköuuni 1-50 0,2-0,5 0 Sähkölevy 6-200 0,4-4 0-0,1 Parranajokone 1 15-1500 0,1-9 0-0,3 Tuuletin 2-30 0-4 0-0,4 Hiustenkuivaaja 1 6-2000 0-7 0-0,3 Silitysrauta 8-30 0,1-0,3 0 Mikroaaltouuni 75-200 4-8 0,3-0,6 Jääkaappi 0,5-1,7 0-0,3 0 Televisio 2,5-50 0-2 0-0,2 Imuri 1 200-800 2-20 0,1-2 Taulukossa 2.2 laitteen perässä oleva merkintä 1 tarkoittaa, että laitteen ohuen muovikuoren alla on pienikokoinen, mutta suhteellisen suuren virrankulutuksen omaava sähkömoottori. Tällöin laitteen pinnassa voi olla voimakkaita hajakenttiä. [2]

10 3 SÄHKÖJÄRJESTELMÄ Tässä luvussa käsitellään Suomen sähköjärjestelmän rakennetta ja tutustutaan sähköaseman eri komponentteihin sekä sähköaseman sähkö- ja magneettikenttiin. 3.1 Suomen sähköjärjestelmä Suomen sähköjärjestelmä koostuu voimalaitoksista, kantaverkosta, alueverkoista, jakeluverkoista sekä sähkön kuluttajista. Sähkö siirretään voimalaitokselta kuluttajalle ensin suurjännitteisten voimajohtojen (400, 220 ja 110 kv), sitten keskijännitteisten avojohtojen ja kaapelien (50, 20 ja 10 kv), ja lopuksi pienjännitejohtojen avulla. Suomen sähköjärjestelmä muodostaa osan yhteispohjoismaista sähköjärjestelmää yhdessä Ruotsin, Norjan ja Itä-Tanskan järjestelmien kanssa. Lisäksi Venäjältä ja Virosta on Suomeen tasasähköyhteys, jolloin eri periaattein toimivat järjestelmät voidaan yhdistää. Vastaavalla tavalla on yhteispohjoismainen järjestelmä kytketty Keski-Euroopan järjestelmään tasavirtayhteyksin. Suomen sähköjärjestelmän käytössä noudatetaan pohjoismaisten kantaverkko-operaattoreiden kesken yhteisesti sovittuja periaatteita. [6] Suomen kantaverkon järjestelmävastaavana toimii Fingrid Oyj. Yhtiön vastuulla ovat kantaverkon käytön suunnittelu ja valvonta sekä verkon ylläpito ja kehittäminen. Fingridin tehtäviä ovat muun muassa sähkön siirto kantaverkossa, sähkön tuotannon ja kulutuksen välisen tasapainon ylläpito, osapuolten välisten sähköntoimitusten selvittäminen valtakunnan tasolla sekä sähkömarkkinoiden toimintamahdollisuuksien edistäminen. Edellä mainitut tehtävät yhtiön on hoidettava siten, että kantaverkko on teknisesti käyttövarma ja kaupalliselta siirtokyvyltään riittävä. Lisäksi toiminnan on oltava tehokasta ja tasapuolista. Sähköjärjestelmän pitää myös joka hetki kestää mikä tahansa yksittäinen vika ilman vian vaikutusalueen laajenemista. [7] Valtaosa Suomessa kulutetusta sähköstä siirretään kantaverkon kautta. Fingridin hallitsemaan kantaverkkoon kuuluu 4100 km 400 kv voimajohtoja, 2350 km 220 kv voimajohtoja, 7500 km 110 kv voimajohtoja ja 106 sähköasemaa. Pitkien siirtoyhteyksien ja suurten tehojen takia on käytettävä korkeita jännitetasoja sähkönsiirrossa syntyvien häviöiden pienentämiseksi. Suomen kantaverkko on pääosin rakennettu ilmaeristeisenä, joten sähköasemat ovat ulosasennettuja ja voimajohdot avojohtoja. Suomen pitkien siirtoetäisyyksien takia kaapeleiden käyttö on kohtuuttoman kallista. Ne myös rajoittavat maankäyttöä alueella, johon kaapeli on laskettu. [6]

11 Alueverkot liittyvät kantaverkkoon ja siirtävät sähköä alueellisesti yleensä yhdellä tai useammalla 110 kv johdolla. Jakeluverkot liittyvät suoraan kantaverkkoon tai hyödyntävät kantaverkon palveluita alueverkon kautta. Jakeluverkot toimivat 0,4 110 kv jännitetasolla, mutta yleensä jakeluverkon jännite on 20 kv. [6] 3.2 Sähköaseman rakenne Sähköasema on sähköenergian siirto- ja jakeluverkon kohta, jossa voidaan muun muassa suorittaa kytkentöjä, muuntaa jännitettä, keskittää tai jakaa sähköenergian siirtoa eri johdoille. Sähköasemien tärkeimpiä laitteita ovat muuntajat, katkaisijat, erottimet ja mittamuuntajat. Näiden ohella on käytössä runsaasti suojaustarkoituksissa mittamuuntajien kautta suurjänniteverkkoon liittyviä releitä sekä myös keski- ja pienjänniteverkossa varokkeita. [8] [9] Sähköaseman rakenteeseen vaikuttaa sen käyttötarkoitus eli onko aseman tarkoituksena pelkästään siirtää tai jakaa sähköä, liittyykö asemaan voimalaitos, vai toimiiko se vain verkoston kytkentä- tai muuntoasemana. Myös sijainnilla on merkitystä, mutta yleensä sähköasemat sijoitetaan sinne, missä kulutuksen painopiste sijaitsee. [8] Seuraavissa alaluvuissa esitellään lyhyesti sähköaseman peruskomponentit. 3.2.1 Kokoojakiskojärjestelmät Kokoojakiskojen tehtävänä on mahdollistaa kytkinlaitoksessa erilaisten tehonsiirtotilanteiden vaatimat kytkentäratkaisut. Sähköasemalla voi olla useita pää- ja apukiskoja. Nimitystä pääkisko käytetään silloin, kun kokoojakiskoon liitytään katkaisijalla. Apukiskonimitystä käytetään, kun liittyminen tapahtuu vain erottimella. Kiskojärjestelmän valintaan liittyy useita erilaisia tekijöitä. Valintaa tehtäessä on otettava huomioon muun muassa kytkinlaitokseen heti ja myöhemmin liitettävät johdot ja muuntajat, mahdollisuus suorittaa laitoksessa normaaleja ja poikkeuksellisia kytkentöjä, huolto- ja korjaustöiden suorittamisen mahdollisuus, laitoksen luotettavuus ja käytettävyys sekä rakenteellinen toteutus, tilantarve ja kustannukset. [8] [9] Kokoojakiskojärjestelmien perustyyppejä ovat: kiskoton järjestelmä, yksikiskojärjestelmä, kisko-apukiskojärjestelmä, kaksoiskiskojärjestelmä, kaksoiskiskoapukiskojärjestelmä, 1½-katkaisijajärjestelmä, kaksikatkaisija- eli duplex-järjestelmä ja rengaskiskojärjestelmä. [8] 3.2.2 Muuntajat Muuntaja on pyörimätön sähkökone, joka vaihtosähköjärjestelmässä sähkömagneettisen induktion avulla muuntaa sekä myös säätää jännitteitä ja virtoja kahden tai useamman käämityksen välillä. Kolmivaihemuuntaja rakennetaan yleensä suoraan kolmivaiheyksiköksi, mutta se voidaan myös koota kolmesta yksivaiheyksiköstä. Muuntajan aktiiviset

12 osat, käämitykset ja rautasydän, suorittavat muuntajan varsinaisen tehtävän. Passiivisia osia ovat muun muassa tukirakenteet, eristimet, muuntajaöljy ja jäähdytyslaitteet. Kolmivaihemuuntajan tietyn jänniteportaan käämit voidaan kytkeä tähteen tai kolmioon, jakelujännitteillä on käytössä myös niin sanottu hakatähtikytkentä. Suomessa sähköasemilla käytössä olevat muuntajatyypit ovat pääasiassa muuntosuhteeltaan 400/110 kv, 110/20 kv ja 20/0,4 kv. [8] 3.2.3 Katkaisijat Voimansiirtoverkossa kallein ja tärkein kytkinlaite on katkaisija. Katkaisijat ovat kojeita, joiden avulla avataan tai suljetaan sähköaseman virtapiirejä. Ne voivat toimia käsin ohjattuina tai automaattisesti. Tyypillinen automaattinen katkaisijatoiminto on avautuminen liian suuren oikosulkuvirran tai maasulkuvirran vaikutuksesta. Käskyn avautua katkaisija saa virtapiiriin mittamuuntajien avulla kytketyltä releeltä. [8] [9] Katkaisijat pystyvät usein vaurioitumatta avaamaan ja sulkemaan oikosulkupiirin eli sellaisen piirin, missä virta on moninkertainen katkaisijan mitoitusvirtaan nähden. Katkaisijoiden pitääkin pystyä katkaisemaan suurimmat verkossa esiintyvät virrat. Tällaista ominaisuutta ei ole kytkimellä, joka pystyy katkaisemaan vain mitoitusvirtansa. Katkaisijalajit jaetaan katkaisukammiossa käytetyn väliaineen perusteella. Erilaisia katkaisijatyyppejä ovat: ilmakatkaisijat, öljykatkaisijat, vähäöljykatkaisijat, paineilmakatkaisijat, SF 6 -katkaisijat eli kaasukatkaisijat ja tyhjiökatkaisijat. Väliaineen tehtävänä on sammuttaa katkaisutapahtumassa syntyvä valokaari. [8] [9] 3.2.4 Erottimet Erottimien tehtävänä on muodostaa turvallinen avausväli virtapiirin ja muun laitoksen välille sekä tarvittaessa saada tietty laitoksen osa jännitteettömäksi turvallista huolto- ja korjaustyöskentelyä varten. Edellä mainittuja tehtäviä varten on erottimen avausvälin oltava erittäin luotettava. Erottimen avausvälin on oltava näkyvä tai se on varustettava mahdollisimman luotettavalla mekaanisella asennonosoituksella. Lisäksi erottimen avausvälin jännitelujuuden on oltava suurempi kuin muun sitä ympäröivän eristyksen, kuten vaiheen ja maan välisen eristyksen jännitelujuuden. [8] [9] Erottimien käyttötarkoitukseen ei kuulu kuormitetun virtapiirin avaaminen tai sulkeminen, eikä näin ollen erottimilta vaadita virran katkaisu- tai sulkemiskykyä. Erottimilla on kuitenkin käytännössä mahdollista esimerkiksi erottaa lyhyt kisko, johto tai katkaista muuntajan tyhjäkäyntivirta. Nopeasti ohjattuna erottimen sulkemiskyky on muutaman ampeerin luokkaa. Turvallisuusteknisistä syistä on vaadittu, että erotin voidaan lukita auki ja kiinni niin, että erottimen vaaraa aiheuttava käyttö on estetty. Erottimilta myös vaaditaan, että se kykenee kiinni-asennossa ilman ongelmia johtamaan kuormitus- ja oikosulkuvirrat. Kuormanerotin on eräänlainen katkaisijan ja erottimen välimuoto, joka

13 kykenee normaalien erottimen tehtävien lisäksi suoriutumaan suurten kuormitusvirtojen katkaisusta sekä pienehköjen oikosulkuvirtojen kytkemisestä. [8] [9] Erotin sijoitetaan katkaisijan ja syöttökiskon väliin, jos energian virtaussuunta on vain yhteen suuntaan. Mikäli energian syöttö on mahdollista molemmista suunnista, niin erottimia on sijoitettava ja käytettävä katkaisijan molemmilla puolin. [8] [9] 3.2.5 Mittamuuntajat Mittamuuntajat ovat erikoisrakenteisia muuntajia, jotka ovat tarkoitettu jännitteen tai virran mittaukseen. Mittamuuntajien pääasiallisia tehtäviä ovat erottaa mittauspiiri galvaanisesti suurjännitteisestä päävirtapiiristä, muuttaa mittausaluetta ja samalla mahdollistaa mitta- ja suojalaitteiden standardointi tiettyihin mittausarvoihin, suojata mittareita ylikuormitukselta sekä tehdä mahdolliseksi mittareiden ja releiden sijoitus mahdollisimman etäälle varsinaisesta mittauspaikasta. [8] Mittamuuntajien on pystyttävä toistamaan mittaamansa jännite tai virta normaalilla mittausalueellaan niin virheettömästi kuin mahdollista. Mittamuuntajissa kuitenkin esiintyy jonkin verran virta-, jännite- ja kulmavirheitä, koska mittamuuntajien tyhjäkäyntivirta ja käämitysten hajaimpedanssit vääristävät mittaustuloksia. Mittamuuntajien toiminta perustuu pääasiassa sähkömagneettiseen induktioon. Jännitteenmittauksissa käytetään myös kapasitiivisia jännitemuuntajia tai esimerkiksi virtamuuntajiin sijoitettuja kapasitiivisia ulosottoja. Nykyisin myös optoelektroniikkaan perustuvat mittamuuntajat alkavat olla taloudellisessa mielessä kilpailukykyisiä vaihtoehtoja perinteisille mittamuuntajille. [8] Virtamuuntajat voidaan jakaa kahteen luokkaan käyttötarkoitustensa perusteella: mittaustarkoituksiin valmistettuihin virtamuuntajiin ja suojaustarkoituksiin valmistettuihin virtamuuntajiin. Virtamuuntajille on ominaista, että samassa laitteessa voi olla monta erilaista sydäntä, sillä eri virtamuuntajasydämet eivät häiritse toisiaan. Tämän takia ei tarvita suojaus- ja mittaustarkoituksia varten erillisiä virtamuuntajia, koska ainoastaan erilaiset sydämet riittävät. [8] Jännitemuuntajat rakennetaan tavallisesti yksivaiheisiksi. Jännitemuuntajan tarkoituksena on muuntaa ensiöpiirinä toimivan mitattavan kohteen jännite toisiopiiriin kytketylle mittauspiirille sopivaan muotoon. Toimintaperiaatteeltaan jännitemuuntajat voivat olla joko induktiivisia tai kapasitiivisia. Induktiivista jännitemuuntajaa käytetään lähinnä käyttöjännitteillä 245 kv. Suuremmilla jännitteillä kapasitiivinen jännitemuuntaja on taloudellisempi vaihtoehto. [8]

14 3.2.6 Kompensoimislaitteet Kompensoimislaitteiden avulla kompensoidaan esimerkiksi johtolähtöjen, muuntajien, sähkökoneiden ja kuormitusten tuottamaa sekä kuluttamaa loistehoa. Tavoitteena on optimoida loistehon siirtäminen siirto- ja jakeluverkossa mahdollisimman pieneksi, jotta pätötehoa voidaan siirtää enemmän. [8] [9] Jakeluverkoissa käytetään tyypillisesti rinnakkaiskondensaattoriparistoja loistehon tuotannossa. Voimansiirtoverkossa tarvitaan loistehotasapainon ylläpitämiseen lisäksi reaktoreita eli rinnakkaiskuristimia, joilla muun muassa tämän diplomityön sähköasemalla suoritettujen mittauksien vaatimat suuret magneettikentät aikaansaatiin. [8] Reaktoreilla kompensoidaan pienen kuorman aikana johtojen kehittämä ylimääräinen loisteho. Suomen kantaverkossa kolmivaiheisten reaktoriryhmien teho on 63 MVAr ja reaktorit ovat valtaosin ilmasydämisiä, ilmajäähdytteisiä ja kiinteää eristettä käyttäviä laitteita. Ilmasydämiset reaktorit kootaan kolmesta yksivaiheisesta kelasta, jotka koostuvat samankorkuisista ja samankeskisistä sylinterinmuotoisista käämeistä. Reaktorit on kytketty 400/110/21 kv:n muuntajien tertiäärikäämeihin, joissa reaktorit pääasiassa kompensoivat 400 kv:n verkon johtojen kehittämää loistehoa kevyen kuorman aikana. [8] Reaktoreiden ansiosta pienen kuorman ajaksi ei tarvitse kytkeä johtoja irti verkosta. Yleensä kompensoimisreaktorit kytketään tähteen ja asennetaan samaan tasoon tasasivuisen kolmion kärkiin. Tällaisen ratkaisun tuoma etu on symmetrinen reaktoriimpedanssi, jolloin voidaan minimoida kolmivaihereaktorin luoman magneettikentän leviämisalue. Reaktorit luovat ympärilleen voimakkaan magneettikentän, joten indusoituvien silmukkavirtojen välttämiseksi maadoitukset tulee toteuttaa reaktorien lähellä säteittäiselektrodeilla ja lisäksi esimerkiksi suoja-aidat on rakennettava puusta. [8] 3.2.7 Sähköjohdot Sähköenergian siirrossa ja jakelussa käytössä olevat johdot ovat rakenteeltaan ilmajohtoja tai kaapeleita. Sähköaseman sisäinen sähkönsiirto tapahtuu tavallisesti kiskojen ja kiskoköysien kautta, mutta asemalta poispäin sähkönsiirto tapahtuu ilmajohtojen tai voimakaapelien avulla. Kaapeleiksi luetaan tavallisesti kaikki sellaiset johtoratkaisut, joissa jännitteellisten osien eristämiseen on käytetty muuta kuin ilmaa. Ilmajohdot ripustetaan pylväiden varaan. Kaapelit puolestaan sijoitetaan kaapelikanaviin siten, että sisätiloissa ne asennetaan hyllyihin tai vastaaviin, ulkotiloissa ne upotetaan maahan tai veteen. Avojohto on nimitys ilmajohdolle, jossa jokainen johdin on erikseen kiinnitetty eristimiin tai muihin kiinnikkeisiin. [8] [9] Voimakaapeli eli tavallisesti maakaapeli on johto, jossa tehdasvalmisteisen, kosteutta ja korroosiota estävän ja mekaanista vahingoittumista kestävän vaipan sisällä on yksi tai

15 useampi sähköenergian siirtoon tarkoitettu johdin. Suomessa vaihtosähkökaapeleita on käytössä lähinnä 110 kv:n jännitteelle saakka, muualla maailmassa on käytössä jopa 500 kv:n kaapeleita. [8] [9] 3.3 Sähköaseman sähkö- ja magneettikentät Sähköasemilla työskentelevät henkilöt voivat satunnaisia huolto- ja korjaustöitä suorittaessaan altistua 50 Hz:n sähkö- ja magneettikentille. Merkittävin altistuminen aiheutuu sähkökentästä. Sähköasemilla ilmavälit ovat lyhyemmät kuin johdoilla. Vaiheiden tuominen lähemmäs toisiaan pienentää sähkökentän voimakkuutta ja magneettivuon tiheyttä maanpinnan tasolla, mutta toisaalta vaiheen ja maan välisen etäisyyden alentaminen suurentaa näitä arvoja. Kun molempia ilmaväliarvoja pienennetään samanaikaisesti, niin kentänvoimakkuuden aleneminen jää hallitsevammaksi piirteeksi. Kytkinkentällä (400 kv) voi virtakiskojen alapuolella altistua kehon mittoihin nähden suhteellisen homogeeniselle sähkökentälle. Useimmilla asemilla voi sähkökenttä ylittää paikka paikoin ICNIRP:n työntekijälle antaman suositusarvon 10 kv/m. Suurin mitattu sähkökentän voimakkuus 400 kv:n sähköasemalla maan pinnan läheisyydessä on ollut vierekkäisten johtolähtöjen niin sanottujen samannimisten äärivaiheiden välissä. [2] [10] Vuosien 2005 ja 2006 aikana Tampereen teknillisellä yliopistolla tutkittiin sähkökentille altistumista työskenneltäessä 400 kv:n sähköasemilla. 1,7 metrin korkeudella maanpinnalta tehdyissä sähkökenttämittauksissa maksimikentänvoimakkuudeksi mitattiin tuolloin 15,3 kv/m. [11] Magneettikentät puolestaan ovat kytkinkentällä yleensä korkeintaan 20 µt, mikä on reilusti alle nykyisen ICNIRP:n suositusarvon. Merkittävimmät magneettikenttien aiheuttajat kytkinkentällä ovat johtimet, joissa kulkee suuri virta, sillä yhtälön 2.4 mukaisesti magneettikentät ovat suoraan verrannollisia virran suuruuteen. Kytkinkentällä suurivirtaisia johtimia ovat erityisesti pääkiskosto, kiskolähdöt ja kiskoköydet. [10] Tampereen teknillisellä yliopistolla suoritetussa hankkeessa vuonna 2004 mitattiin useilta erikokoisilta sähköasemilta muun muassa magneettivuontiheyksiä 400 kv:n kytkinkentältä ja reaktoriaidan ympäriltä. Kytkinkentällä suoritettujen mittausten tulosten perusteella silloin voimassa ollut työntekijäaltistuksen toiminta-arvo 500 µt ei ylittynyt, sillä korkein mitattu magneettivuontiheyden arvo oli 21,2 µt. Lisäksi yhdelläkään mitatulla sähköaseman kytkinkentällä mitattujen vuontiheyksien keskiarvo ei ylittänyt 10 µt:n arvoa. [12] Sähköasemalla suurimman magneettivuon tiheyden aiheuttavat ilmasydämiset reaktorit. Reaktorit muodostavat usein tasasivuisen kolmion, ja reaktorit ympäröidään lautaaidoilla, joten niiden välittömään läheisyyteen ei ihminen pääse epähuomiossa. Vuoden 2004 hankkeessa kuudella eri sähköasemalla sijainneiden reaktoreiden ympäriltä mitatut magneettivuon tiheydet vaihtelivat maksimiarvoiltaan välillä 320-640 µt ja keskiar-

16 voiltaan välillä 140-285 µt. Eli ainoastaan yhdellä mitatulla sähköasemalla mittaushetkellä voimassa ollut ICNIRP:n suositusarvo 500 µt ylittyi reaktorin suoja-aidan välittömässä läheisyydessä. [10] [12] Mitä kauemmaksi edetään sähkö- tai magneettikentän lähteestä, niin sitä enemmän kentänvoimakkuudet heikkenevät. Sähköaseman ulkopuolelta on mitattu esimerkiksi TTY:llä tehdyissä tutkimuksissa magneettivuon tiheydelle maksimiarvoksi noin 2 µt, kun mittauksia on suoritettu asemaa ympäröivästä suoja-aidasta kauemmaksi siirtyen. Sähkökentän voimakkuudelle sähköaseman ulkopuolella mittaustulokset puolestaan olivat alle 1 kv/m [13]. On hyvin todennäköistä, että sähköaseman suoja-aidan ulkopuolella liikkuviin ulkopuolisiin henkilöihin ei kohdistu merkittävää altistumista etenkään magneettikentistä. [2]

17 4 TAHDISTIMET MAGNEETTIKENTÄSSÄ Tässä luvussa käydään läpi lyhyesti sydän ja sydämen tahdistamisen periaatteet sekä tutustutaan tutkimuksiin, joissa magneettikenttien vaikutuksia tahdistimien toimintaan on tutkittu. Ihmisen sydän on 300-350 gramman painoinen, tavallisesti kantajansa nyrkin kokoinen, ontto lihas. Elämän aikana ihmisen sydän supistuu lähes kolme miljardia kertaa. Ensimmäisestä sykäyksestä viimeiseen sen ainut välitön tehtävä on veren kierrättäminen elimistössä. Yhdessä verisuonten, keuhkojen ja veren osasten kanssa sydämen toiminta tekee mahdolliseksi hapen, ravinteiden ja polttojätteiden kuljetuksen sekä humoraalisen eli ainevälitteisen viestinnän ja lämmönsäätelyn elimistössä. Sydän sijaitsee vasemmalla puolella kehoa, vaikka kolmasosa sydämestä onkin keskiviivan oikealla puolella. [14] [15] Ihmisen verenkierto on kaksinkertainen ja täydellinen, eli sydämessä on neljä lokeroa: kaksi eteistä ja kaksi kammiota. Eteiset ja kammiot ovat jaettuna oikeaan ja vasempaan puoliskoon. Kumpikin puolisko supistuu samaan aikaan, eteiset tosin hieman ennen kammioita. Sydämen eri osien on toimittava keskenään oikea-aikaisesti. Tämän varmistamiseksi sydämellä on oma autonominen säätelyjärjestelmänsä. Siinä tahdin määrää oikean eteisen yläosassa oleva sinussolmuke, jossa syntyvät ärsykkeet siirtyvät sähköisinä impulsseina pitkin eteisen seinämiä ja saavat ne supistumaan. Sydän tekee raskasta työtä, sillä sen hapenkulutus on lähes kymmenen prosenttia elimistön koko hapentarpeesta. Aikuisen ihmisen sydän lyö levossa yleensä 60 80 kertaa minuutissa. Tässä ajassa sydämen kautta kulkee noin viisi litraa verta eli koko ruumiin verimäärä. [14] 4.1 Sydämen sähköinen toiminta Sydänsähkökäyrä eli elektrokardiogrammi (EKG) tutkii sydämen biosähköisiä ilmiöitä. EKG:stä käytetään usein myös nimeä sydänfilmi, ja sen rekisteröinti on tarpeen aina kun sydäntä halutaan tutkia. Tavallisesti sydänsähkökäyrää rekisteröitäessä henkilöön kiinnitetään elektrodit kumpaankin ranteeseen ja nilkkaan sekä näiden lisäksi kuuteen kohtaan rintakehällä. EKG:n muotoutumiseen vaikuttavat potilaan ja mahdollisen sydänsairauden lisäksi monet fysikaaliset suureet, kuten lämpötila, elektrolyytit, hivenaineet ja monet lääkeaineet. Sydänfilmi rekisteröi sekä sydämen lyöntimäärän minuuttia kohden (sykkeen), että lihaksen supistumisen jokaista lyöntiä kohden. [16] Kuvassa 4.1 on terveen sydämen synnyttämä EKG-käyrä yksittäiseltä sydämenlyönniltä.

18 Kuva 4.1. EKG-käyrä. [16] Ensimmäinen EKG:ssä näkyvä heilahdus on eteisten supistumisesta syntyvä P-aalto. P- aalto on usein kaksiosainen, sillä alkuosa kuvaa aikaisemmin aktivoituvaa oikeaa eteistä ja jälkiosa vasenta eteistä. P-aallon kesto ilmoittaa ajan, joka kuluu eteisten aktivoitumiseen eli depolarisaatioon. EKG-käyrä palaa perusviivalle, kun molemmat eteiset ovat depolarisoituneet. Seuraava näkyvä heilahdus EKG-käyrällä on niin sanottu QRSkompleksi. Se syntyy puolestaan kammioiden depolarisaatiosta. Heilahduksen alkuosa on negatiivinen ja se merkitään isolla Q-kirjaimella. Tätä seuraava positiivinen heilahdus on R-aalto, jonka jälkeen seuraa negatiivinen S-aalto. Depolarisaatio leviää nopeasti sydänlihaksen läpi endokardiumista (sisäkalvo) epikardiumiin (ulkokalvo). Repolarisaatio eli kammioiden palautuminen sähköiseen lepotilaan etenee kuitenkin epikardiumista endokardiumiin hitaasti ja syntyy T-aalto. Joskus T-aallon jälkeen on vielä havaittavissa U-aalto, mutta sen syntymekanismia ei vielä täysin tunneta. [16] [17] 4.2 Häiriöt sydämen sähköisessä toiminnassa Sydän voi lyödä liian hitaasti tai liian nopeasti, säännöllisesti tai epäsäännöllisesti. Rytmihäiriöitä esiintyykin lähes jokaisella henkilöllä jossain vaiheessa elämän aikana. Niiden kirjo vaihtelee vaarattomista lisälyönneistä aina hengenvaarallisiin kammioperäisiin rytmihäiriöihin. Lisälyönnit ovat ennen normaalia sydämen lyöntiä tulevia ylimääräisiä lyöntejä ja ne voidaan jaotella eteis- ja kammioperäisiin. Lisälyönnit eivät ole harvinaisia terveelläkään sydämellä, sillä noin joka kymmenellä henkilöllä niitä esiintyy. Terveen sydämen lisälyönnit ovat vaarattomia, mutta voivat silti aiheuttaa hankalia oireita kuten rintakipua, huimausta ja väsymystä. Lisälyöntejä kuitenkin hoidetaan korkeintaan lievällä lääkityksellä, sillä useimmiten ne ovat vähäoireisia ja vaarattomia. [18]

19 Bradykardia tarkoittaa sydämen kroonisesti liian hidasta lyöntitiheyttä, jossa sydän lyö alle 50 kertaa minuutissa. Sydämentahdistin kehitettiinkin alun perin juuri bradykardian hoitoon. Sydämen tiheälyöntisyyttä kutsutaan yleisesti takykardiaksi, mutta tarkemmin määriteltäessä takyarytmiaksi. Sydämen tiheälyöntisyys merkitsee sitä, että sydämen syke on yleensä säännöllistä, mutta kuitenkin yli 200 lyöntiä minuutissa. [15] [18] Kun sydämen syke kohoaa yli 250 lyöntiin minuutissa, kutsutaan tilannetta kammiolepatukseksi. Tällöin kammiot supistuvat niin nopeasti, etteivät ne ehdi täytyä verellä. Tämän seurauksena sydän toimittaakin verenkiertoon hyvin niukasti verta, ja tajunnanmenetys on vaarana. Kammiovärinä on tilanne, jossa sydämen lyöntitiheys nousee yli 300 lyöntiin minuutissa ja se aiheuttaa akuutin ja äkillisen hengenvaaran. Kammiovärinässä sydänlihas kykenee vain värisemään ja se ei käytännössä enää pumppaa lainkaan verenkiertoon verta. Seuraukset voivat olla kohtalokkaita. [15] [18] 4.3 Sydämen tahdistaminen Ensimmäiset sydämen hidaslyöntisyyttä korjaavat tahdistimet otettiin käyttöön noin viisikymmentä vuotta sitten. Ajan myötä tahdistimet ovat kehittyneet todella monipuolisiksi normaalin syketaajuuden ja eteisten sekä kammioiden yhteistoiminnan takaaviksi laitteiksi. Rytmihäiriötahdistimet puolestaan tulivat käyttöön noin kaksi vuosikymmentä sitten. Rytmihäiriötahdistimet kykenevät pysäyttämään defibrilloivalla iskulla hengenvaaralliset kammioperäiset rytmihäiriöt. Tahdistimen käytön tarve ja käytettävä tahdistin valitaan aina yksilöllisesti potilaan tarpeiden mukaan sydänlääkärin eli kardiologin kattavien tutkimusten pohjalta. [18] Sydämentahdistimet ovat tarkoitettu bradykardian hoitoon, rytmihäiriötahdistimet bradykardian ohella myös takykardian hoitoon. Lisäksi sydämentahdistimien ja rytmihäiriötahdistimien ohella käytössä on sydämen vajaatoimintatahdistimia. Tämän työn puitteissa ja yleisestikin sydämentahdistimia, rytmihäiriötahdistimia ja sydämen vajaatoimintatahdistimia voidaan kutsua tahdistimiksi. 4.3.1 Tahdistustavan valinta Tahdistustavoille on käytössä koodijärjestelmä, joka muodostuu viidestä kirjaimesta. Koodin ensimmäinen kirjain merkitsee tahdistettavaa lokeroa, toinen kirjain tunnistettavaa lokeroa ja kolmas kirjain ilmoittaa onko toiminto estetty, laukaistu vai molempia. Kirjaimet neljä ja viisi ilmaisevat erityistoimintoja, esimerkiksi tahdistimen kykyä vaihtaa sykettä tai pysäyttää takykardiaa. [19] Taulukossa 4.1 on tahdistimien toimintaa kuvaavan koodiston kirjainselitykset.

20 Taulukko 4.1. Tahdistustapojen koodiston kirjainselitykset. [19] Kirjain 1 ja 2 Kirjain 3 Kirjain 4 tai 5 A = eteinen V = kammio D = eteinen ja kammio S = eteinen tai kammio O = ei kumpikaan I = estetty T = laukaistu D = estetty ja/tai laukaistu O = ei kumpikaan R = sykettä vaihtava T = takykardian pysäyttävä S = kardioverso ja/tai defibrillointi M = monitorointi Tahdistustapa valitaan yksilöllisesti muun muassa potilaan oireiden ja hidaslyöntisyyden syyn mukaan. Tavoitteena on estää asystole eli täydellinen sydänpysähdys ja palauttaa sykkeen normaali vaihtelu sekä eteisten ja kammioiden yhteistoiminta. Eteistahdistus (AAI) on ensisijainen vaihtoehto sinussolmukkeeseen rajoittuvissa sairauksissa. Mikäli eteiskammiosolmuke on vaurioitunut, on tällöin asennettava eteisten ja kammioiden yhteistoimintaa ylläpitävä fysiologinen tahdistin (DDD). Kammiotahdistuksen (VVI) tärkein tavoite on estää hidas eteisvärinä. Sitä käytetään myös, jos fysiologiseen tahdistukseen ei ole mahdollisuutta tai tarvetta. Fysiologinen tahdistin on ensisijainen vaihtoehto eteiskammiokatkoksen ja heijasteperäisen hidaslyöntisyyden hoidossa. Biventrikulaarista tahdistusta käytetään vaikean sydämen vajaatoiminnan hoidossa. Se helpottaa oireita ja vähentää myös sairaalahoidon tarvetta sekä kuolleisuutta tehostamalla kammioiden supistusta. [19] Sykettä vaihtavaa tahdistinta (R-toiminto) käytetään, jos sykkeen nousu rasituksen aikana on puutteellinen [20]. 4.3.2 Sydämentahdistin ja elektrodit Tahdistinjärjestelmään kuuluu ihon alle, usein vasemman solisluun alapuolelle, paikallispuudutuksessa asennettavan laitteen (generaattoriosa) lisäksi yksi tai useampi laskimoiden kautta sydämeen vietävä johdin eli elektrodi. Tahdistimet voidaan luokitella asennettavien elektrodien lukumäärän ja asennuspaikan mukaan yksi- tai kaksilokeroiseksi. Yhden lokeron tahdistimissa on yksi elektrodi, joka sijaitsee joko kammiossa tai eteisessä. Eteiskammiotahdistimissa on kaksi elektrodia, jotka sijoitetaan kammioon ja eteiseen. Sykettä vaihtavat tahdistimet (engl. Rate-Responsive Pacemaker) ovat joko yhden lokeron tahdistimia tai eteiskammiotahdistimia. Sykettä vaihtavissa tahdistimissa on erityinen liike- tai hengityssensori, joskus molemmat, jonka avulla laite säätää lyöntitaajuuden fyysisen aktiivisuuden mukaan. [19] Kuvassa 4.2 on Boston Scientificin valmistama sydämentahdistin malliltaan Altrua 20 S201 sekä tahdistinjohto.

21 Kuva 4.2. Sydämentahdistin ja tahdistinjohto. Endokardiaalinen elektrodi asennetaan eteisen tai kammion sisään laskimoteitse. Epikardiaalinen elektrodi asennetaan leikkauksessa eteisen tai kammion pintaan. Tahdistimen elektrodi voi olla unipolaarinen tai bipolaarinen. Elektrodin unipolaarinen tai bipolaarinen rakenne määrää, miten tahdistukseen ja sydämenlyönnin tunnistukseen tarvittava virtapiiri kulkee kehossa. Unipolaarisen johdon kärjessä on vain yksi virtanapa ja tahdistimen kotelo toimii toisena napana. Unipolaarisessa elektrodissa virta kulkee sydämessä olevan elektrodin kärjen ja tahdistinkotelon välillä muodostaen näin laajemman piirin. Tämän seurauksena unipolaarinen tahdistin on alttiimpi häiriöille, joita aiheuttavat muun muassa sähkömagneettiset kentät ja lihaspotentiaalit. Laitteen toiminnan arviointia helpottaa kuitenkin elektrokardiogrammissa selkeästi erottuva tahdistuspiikki. [19] Bipolaarisessa johdossa molemmat tahdistusnavat ovat johtimen kärjessä lähellä toisiaan, yleensä noin kahden senttimetrin päässä. Kudoksissa antennina toimiva virtapiiri on siten lyhyt. Tällöin tahdistinkotelon ympärille ei tule virtaa, joka saattaisi aiheuttaa lihasnykäyksiä. Johdon kyky tunnistaa sydämen lyöntejä lihaspotentiaalien ja ulkoisten häiriöiden aikana on parempi kuin unipolaarisen. Tosin tahdistuspiikki on varsin pieni ja voi olla hankalasti havaittavissa elektrokardiogrammissa. Unipolaarinen elektrodi ja bipolaarisen elektrodin kärki ovat katodeja eli miinusnapoja, koska katodi saa aikaan depolarisaation helpommin kuin anodi eli plusnapa. [19] Eri valmistajien tahdistinten ja elektrodien yhteensopivuus oli aikaisemmin ongelma. Nykyään on käytössä kansainvälisen standardin mukaisia elektrodeja ja liittimiä. Standardin tunnus on IS-1 ja kyseistä standardia noudattava unipolaarinen elektrodi sopii mekaanisesti bipolaarisen tahdistimen liittimeen ja päinvastoin. Unipolaarinen tahdistin

22 ja elektrodi voivat toimia vain unipolaarisesti, mutta monia bipolaarisia tahdistimia voidaan ohjelmoida toimimaan unipolaarisina. [19] Tahdistimen asennus on tavallisesti kivuton, noin tunnin toimenpide. Tavallisesti solisluun alapuolelle tehdään pieni ihoviilto paikallispuudutuksessa, jonka kautta elektrodi viedään sydämeen. Lääkäri varmistaa röntgenkuvauksen avulla, että tahdistinelektrodi asettuu oikeaan paikkaan sydämessä. Elektrodin toiminta tarkastetaan ennen liittämistä tahdistingeneraattoriin, joka puolestaan asetetaan tyypillisesti vasemman tai oikean solisluun alapuolelle ihon alle. Tahdistimen toiminta testataan aina lyhyessä nukutuksessa toimenpiteen jälkeen. Toimenpiteeseen liittyy vastaavanlaisia riskejä kuin muihinkin kirurgisiin toimenpiteisiin. Tyypillisiä komplikaatioita voivat olla hermojen vaurioituminen, nestekertymät, verenpurkaukset, tulehdukset ja ilmarinta. Tarkastus- ja kontrollikäynneillä kuitenkin tahdistinpotilaan tilaa seurataan tarkasti aina tahdistimen asennusleikkauksen jälkeen. [15] [21] 4.3.3 Rytmihäiriötahdistin Sydämentahdistimen tavoin rytmihäiriötahdistinjärjestelmään ICD (engl. implantable cardioverter defibrillator) kuuluu solisluun alapuolella ihon alle asennettavan generaattoriosan lisäksi sydämen sisälle laskimoiden kautta vietävä johdin eli elektrodi, joita voi olla yksi tai useampi. Rytmihäiriötahdistin seuraa sydämen rytmiä jatkuvasti. Mikäli henkilön syke hidastuu, toimii rytmihäiriötahdistin sydämentahdistimen tavoin. Kammioperäisen rytmihäiriön ilmaantuessa ICD voi palauttaa sydämen normaalin rytmin kolmella tavalla: antitakykardiatahdistuksella, kardioversolla tai defibrilloimalla. [22] Antitakykardiatahdistuksessa rytmihäiriötahdistin pysäyttää kammiotakykardian tahdistamalla sydäntä hetkellisesti rytmihäiriötä tiheämmällä taajuudella muutaman herätteen ajan. Antitakykardiatahdistus on kivuton potilaalle. Kardioversossa rytmihäiriötahdistin palauttaa sydämen normaaliin rytmiin tarkasti ajoitetulla iskulla, joka on energiamäärältään noin 5-10 J. Defibrillaatiota käytetään kammiovärinän hoidossa, jolloin isku annetaan synkronoimattomasti. Energiamäärältään defibrillaatio on luokkaa 28-42 J. Sekä kardioverso että defibrillaatio ovat kivuliaita potilaalle. Iskuihin rytmihäiriötahdistin saa energiansa paristosta, joka kestää käytössä noin 5-10 vuotta. Paristo on kiinteä osa koko järjestelmää ja pariston loppuessa on koko rytmihäiriötahdistin vaihdettava uuteen. [22] Kuvassa 4.3 on rytmihäiriötahdistin ja tahdistinjohto. Tahdistimen on valmistanut Boston Scientific ja malliltaan se on Cognis 100-D. Rytmihäiriötahdistimet ovat fyysiseltä kooltaan suurempia ja jopa kaksi kertaa painavampia kuin sydämentahdistimet. Rakenteeltaan rytmihäiriötahdistin ei kovin paljoa eroa sydämentahdistimesta, mutta suurienergisen defibrillaation aikaansaamiseksi vaaditaan suurempi ja enemmän tilaa vievä akku sekä kondensaattoreita, joiden purkautuessa defibrillaatio syntyy. [22]

23 Kuva 4.3. Rytmihäiriötahdistin ja tahdistinjohto. Rytmihäiriötahdistimien johtimet eroavat sydämentahdistimien johtimista, koska rytmihäiriötahdistimen johtimessa on IS-1 liittimen omaavan käämin lisäksi defibrillaatiota varten yksi tai kaksi käämiä DF-1 liittimillä. Uudemmat IS-4/DF-4 liittimellä varustetut rytmihäiriötahdistinjohdot, kuten kuvassa 4.3, ovat tulleet markkinoille vuonna 2009 ja ovatkin nyt kovasti yleistymään päin. Etuna on muun muassa vanhempiin IS-1 liittimiin nähden johtojen pituuden lyheneminen ja liitinosan koon pieneneminen. Myöskään väärinkytkemismahdollisuutta tahdistingeneraattorin portteihin ei ole, ja tahdistimien vaihtoleikkausaikojen on arvioitu hieman lyhenevän. [23] 4.3.4 Sydämen vajaatoimintatahdistimet Vaikeassa sydänsairaudessa vasemman kammion seinämien supistuminen on tyypillisesti eriaikaista, jolloin sydämen pumppaustoiminta heikentyy. Sydämen vajaatoimintatahdistimen (CRT-P) avulla korjataan tätä vasemman kammion epäsynkroniaa. CRT-P tahdistimen avulla saadaan palautettua vasemman kammion samanaikainen supistuminen tahdistamalla kammiota biventrikulaarisesti vastakkaisilta puolilta. Sydämen tahdistimen ja sydämen vajaatoimintatahdistimen erona on lähinnä vasempaan kammioon sijoitettu tahdistinjohto sekä ylimääräisen johdon paikka tahdistingeneraattorin liitinosassa. [18] [24] Sydäntä kontrolloivassa rytmihäiriötahdistimessa (CRT-D) yhdistyvät vajaatoimintatahdistimen ja rytmihäiriötahdistimen ominaisuudet. Yleensä CRT-D tahdistin asennettaan potilaalle, jolla on sydämen vajaatoiminnan lisäksi nopeita rytmihäiriöitä. Erona tavalliseen rytmihäiriötahdistimeen on vasempaan kammioon sijoitettava tahdistinjohto. [18] [24] 4.3.5 Tahdistimien ohjelmointi Nykypäivän tahdistimet ovat monipuolisesti ohjelmoitavissa. Ohjelmointilaite muistuttaa ulkonäöltään kannettavaa tietokonetta ollen kuitenkin raskaampi ja isompi kooltaan. Ulkoisella ohjelmointilaitteella voidaan muuttaa ja säätää tahdistinten toimintaa halu-

24 tunlaiseksi. Ohjelmointilaitteet ovat valmistajakohtaisia, mutta pääsääntöisesti niiden ominaisuudet ja säätömahdollisuudet ovat samanlaisia keskenään. Ohjelmointimahdollisuudesta on selkeä etu, sillä esimerkiksi eteiskammiotahdistimet eivät toimisi ilman potilaaseen sovitettuja säätöjä. Telemetriatahdistimet kertovat ohjelmointilaitteen kautta informaatiota ohjelmoidusta tilastaan sekä antavat myös muita tärkeitä tietoja tahdistimen toimintaan ja sydämen rytmiin liittyviin tilanteisiin. [18] [19] Tahdistimien ohjelmoinnin peruslähtökohtana on tahdistaa sydäntä fysiologisesti ja välttää aiheetonta kammiotahdistusta. Ohjelmointi suoritetaan aina yksilöllisten tarpeiden mukaisesti jokaiselle potilaalle. Tahdistimissa on lukuisia ohjelmoitavia parametreja, joista tärkeimpiä ovat tahdistustavan valinta (esimerkiksi VVI), alimman ja korkeimman sallitun sykkeen raja, eteisten ja kammioiden herkkyydet, polariteetin valinta ja tahdistuspulssin kestoaika sekä amplitudi. Erilaisten parametrien myötä on lähes rajattomat mahdollisuudet säätää ja optimoida tahdistimen toimintaa. Sydämentahdistimista poiketen rytmihäiriötahdistimille ohjelmoidaan tarkat terapiaohjelmat kliinisen rytmihäiriön mukaan antitakykardiatahdistukselle, kardioversolle ja defibrillaatiolle. [18] [25] Tahdistimilla on oma sisäinen suojajärjestelmänsä esimerkiksi ulkoisten häiriöiden varalle. Voimakkaan häiriön havaitessaan tahdistin saattaa siirtyä niin sanottuun turvatilaan, jolloin tahdistin toimii tietyllä vakiotaajuudella sydämen rytmistä riippumatta. Tahdistustapa tällöin voi olla VOO tai DOO. Häiriötilasta poistuminen vaatii yleensä tarkastuskäynnin lääkärille sekä ohjelmointilaitteen avulla suoritettavan normaalin tahdistustoiminnan palauttamisen. [26] 4.3.6 Tahdistimien sähkömagneettinen yhteensopivuus Tahdistimilta edellytetään muiden sähkölaitteiden tavoin turvallisuuden, luotettavuuden ja huollettavuuden lisäksi moitteetonta toimintaa muiden laitteiden kanssa tahdistimille tarkoitetussa toimintaympäristössä. Sähkömagneettinen yhteensopivuus EMC (engl. Electromagnetic compatibility) takaa samaan käyttöympäristöön tarkoitettujen laitteiden häiriöttömän toiminnan. Sähkölaite, kuten tahdistin, ei saa kohtuuttomasti lähettää ympäristöönsä häiriöitä. Vastavuoroisesti tahdistimen on myös siedettävä muualta tulevia häiriöitä. Lisäksi yksikään laitteen osa ei saa aiheuttaa merkittäviä häiriöitä kyseisen laitteen muille osille. [27] Erityisesti tahdistimia ja muita implantoitavia lääketieteellisiä laitteita suunniteltaessa on kiinnitettävä huomiota sähkömagneettiseen yhteensopivuuteen. Sähkömagneettisten häiriöiden lähteitä voivat olla esimerkiksi matkapuhelimet, kauppojen varashälyttimet ja voimajohdot. [28] [29] Tahdistimien synnyttämä radiotaajuinen säteily on varsin pientä, eikä näin ollen sähköja magneettikentät varsinaisesti ole ongelma. Laitteet on suunniteltu ja rakennettu pienitehoisiksi ja vähän sähköä kuluttaviksi. Lisäksi tahdistingeneraattorin kotelo suojaa hyvin ulkoa tulevia häiriöitä vastaan. Koska tahdistimet sijaitsevat kokonaan ihmiskehon sisällä, niin eri kehon kudokset vaimentavat myös hyvin tahdistimille tulevia sähkö-

25 magneettisia kenttiä. Tahdistimien asennuspaikka on silti varsin lähellä kehon pintaa, joten välittömässä läheisyydessä oleva häiriölähde, esimerkiksi rintataskussa oleva matkapuhelin, saattaa aiheuttaa häiriöitä tahdistimen toiminnalle. [28] [29] Käytännössä EMC:n kannalta tahdistinpotilaalle kriittisin ympäristö on sairaalan magneettikuvauslaitteisto. Pahimmassa tapauksessa tahdistin ja johdot voisivat ylikuumentua sähkömagneettisen induktion seurauksena. Nykypäivänä kuitenkin tahdistinpotilas voi käydä varsin huoletta magneettikuvauksessa, sillä tahdistinvalmistajien ja aihepiiriin liittyvien tutkimusten perusteella merkittävää vaaraa ei pitäisi olla. [28] 4.3.7 Tahdistimien standardit Standardilla tarkoitetaan toistuvaan tapaukseen tarkoitettua yhdenmukaista ratkaisua. Tarkka määritelmä on annettu standardissa EN 45020 seuraavalla tavalla: "Standardi on konsensukseen perustuva, tunnustetun elimen hyväksymä normatiivinen asiakirja, joka esittää yleistä ja toistuvaa käyttöä varten sääntöjä, ohjeita tai ominaispiirteitä toiminnoille tai niiden tuloksille optimaalisen järjestyksen saavuttamiseksi tietyssä tilanteessa." Standardit ovat yleisesti saatavilla olevia standardoinnista huolehtivan viranomaisen, järjestön tai muun tunnustetun elimen hyväksymiä asiakirjoja. Standardit valmistellaan avoimissa työryhmissä, joissa mukana on muun muassa teollisuuden, kaupan, viranomaisten ja kotitalouksien edustajia. [30] [31] Standardisoimisjärjestöjä on kansallisia, alueellisia ja maailmanlaajuisia. Kansainvälisesti merkittävät standardisoimisjärjestöt ovat International Organization for Standardization (ISO) ja sähkö- ja elektroniikka-alan standardoinnista vastaava International Electrotechnical Comission (IEC). Usein ISO:n ja IEC:n kansainväliset standardiehdotukset hyväksytään myös sekä eurooppalaisiksi että kansallisiksi standardeiksi. Euroopan alueellisia standardisoimisjärjestöjä ovat muun muassa European Committee for Standardization (CEN) sekä sähkö- ja elektroniikka-alalta CENELEC (engl. Committee for Electrotechnical Standardization). Suomessa sähköteknisestä standardoinnista vastaa SESKO ry, joka on Suomen Standardoimisliiton SFS ry:n jäsen ja toimialayhteisö. [31] Tahdistimia koskevat standardit ovat pääosin samoja kuin muualla lääketieteessä käytettävissä elektronisissa laitteista, ja näiden standardien lukumäärä on mittava. Tahdistimien yhteydessä on omat standardinsa muun muassa elektrodeille ja liittimille, teholähteelle, tahdistimien testaukselle ja mittauksien suorittamiselle, tahdistimissa käytettäville materiaaleille ja tahdistimien valmistukselle. Tähän diplomityöhön ja mittauksiin olennaisimmin liittyvät eurooppalaiset standardit ovat EN 45502-1, EN 45502-2-1 ja EN 45502-2-2. Ensin mainitussa käsitellään tahdistimille ja muille implantoitaville lääketieteellisille laitteille asetettuja yleisiä vaatimuksia liittyen laitteiden turvallisuuteen, merkintöihin ja pakkauksiin. Standardi EN 45502-2-1 käsittelee puolestaan sydämentahdistimia ja standardi EN 45502-2-2 rytmihäiriötahdistimia. [32]

26 Standardissa EN 50527-2-1 on esitetty sähkö- ja magneettikentän arvot, joilla tahdistin voi häiriintyä epäsuotuisissa olosuhteissa. Bipolaarisen tahdistimen sähkökentän voimakkuudelle on annettu arvo 13 kv/m ja magneettivuon tiheydelle 200 µt. Unipolaarisille tahdistimille sähkökentän voimakkuudelle on arvo 6,5 kv/m ja magneettivuon tiheydelle 100 µt, kun tahdistin on asennettu vasemmalle puolelle kehoa ja 167 µt tahdistimen ollessa asennettuna oikealle puolelle kehoa. [33] 4.4 Tahdistimen käyttö magneettikentässä Luvussa 2.4 esiteltiin ICNIRP:n suositukset väestön ja työntekijöiden sähkömagneettisen säteilyn altistukselle sähkö- ja magneettikentillä taajuudella 50 Hz. ACGIH (engl. The American Conference of Governmental Industrial Hygienists) on laatinut erikseen tahdistinpotilaille suositusarvot. Näiden suositusarvojen mukaan tahdistinpotilas saa altistua sähkökentälle, joka on voimakkuudeltaan 1 kv/m. Magneettikentälle suositusarvo on 100 µt. Käytännössä ACGIH:n suositusarvot ovat yleismaailmallisia ja ovat huomionarvoisia silloin, jos tahdistinvalmistajalla ei ole esittää tutkimustietoa tahdistimiensa häiriintymisestä korkeammilla sähkö- ja magneettikenttien voimakkuuksilla. ACGIH:n suositusten taustalla on tutkimustieto siitä, että osa tahdistimista voi häiriintyä jo 1 kv:n ja 100 µt:n suositusarvoja voimakkaammilla kentillä. [34] Magneettikenttien vaikutuksista tahdistimille käsitellään seuraavaksi muutamien suomalaisten ja ulkomaisten tutkimuksen pohjalta. Lisäksi käydään läpi Tampereen teknillisellä yliopistolla vuonna 2010 aloitettu tutkimus sydämentahdistimien ja rytmihäiriötahdistimien häiriintymisestä voimajohdon läheisyydessä. 4.4.1 Työterveyslaitoksen tutkimukset Pientaajuisten magneettikenttien vaikutuksia sydämentahdistimiin ja rytmihäiriötahdistimiin tutkittiin muutama vuosi sitten Suomessa Työterveyslaitoksen toimesta tutkimuksessa Pihlajaniemi et al. (2009). Tutkimuksissa oli käytössä kolmen eri valmistajan sydämentahdistimia ja rytmihäiriötahdistimia. Tahdistimet altistettiin magneettikentille, joiden taajuus vaihteli välillä 2 Hz - 1 khz. Magneettikenttien luomisessa käytettiin tietokoneen kautta ohjattua Helmholzin kelarakennetta. Lukuisten erilaisten kenttien aaltomuotojen (sini-, pulssi-, saha- ja kanttiaalto), voimakkuuksien ja taajuuksien (25-100 Hz) avulla oli tarkoitus löytää tahdistimille häiriintymiskynnykset. Lisäksi mittaukset suoritettiin niin, että tahdistimet olivat kolmessa eri asennossa magneettikenttään nähden. Tahdistinkokeissa tahdistimet asetettiin ensin suolaliuokseen, jotta vastaavuus oikeaan ihmiskehoon saataisiin aikaiseksi ja tämän jälkeen tahdistimet altistettiin magneettikentille. Tahdistimet oli ohjelmoitu mahdollisimman herkästi tunnistamaan häiriöitä ja kokeissa käytettiin niin sanottua pahimman tilanteen skenaariota eli tahdistinjohdoilla pyrittiin luomaan mahdollisimman suuri silmukka. [35]

27 Tutkimuksessa testattiin noin kolmekymmentä erilaista tahdistinta yli neljänkymmenen aaltomuodon ja taajuuden yhdistelmän avulla useassa eri magneettikentän voimakkuudessa. Tutkimuksen tulosten pohjalta tahdistimet häiriintyvät pääosin vasta ICNIRP:n suositusarvojen yläpuolella. [35] Tutkimuksessa Tiikkaja et al. (2012) oli käytössä kolmelta eri tahdistinvalmistajalta yhteensä 16 sydämentahdistinta. Samoin kuin vuoden 2009 tutkimuksessa, niin tässäkin tutkimuksessa tahdistimet altistettiin magneettikentille, joiden taajuus vaihteli välillä 2 Hz - 1 khz ja käytössä oli eri aaltomuotoja samaan tapaan Helmholzin kelarakenteen tuottamina. Tutkimuksessa häiriöitä esiintyi yhteensä kuudessa tahdistimessa. Häiriöitä ilmeni lähes välittömästi, kun tahdistin oli altistettu voimakkaalle magneettikentälle. Jokaisella aaltomuodolla vähintään kaksi tahdistinta rekisteröi häiriöitä. Useimmissa altistustilanteissa ei kuitenkaan häiriöitä esiintynyt magneettikentän voimakkuuksilla, jotka olivat alle ICNIRP:n suositusarvojen. Muutamissa tapauksissa, kun käytettiin signaalimuotona saha-aaltoa tai kanttiaaltoa, häiriöitä tahdistimien toiminnassa ilmeni jo alle ICNIRP:n suositusarvojen. Tutkimuksen mukaan häiriintyminen oli voimakkaasti riippuvaista käytetystä signaalin aaltomuodosta ja taajuudesta sekä magneettikentän voimakkuudesta. Lisäksi tahdistimien tunnistusherkkyydellä oli vaikutusta. [36] Tulosten mukaan unipolaariset tahdistimet ovat alttiimpia häiriöille kuin bipolaariset. Tutkimuksessa myös havaittiin, että tahdistimen ja tahdistinjohdon muodostaman silmukan lävitse kohtisuoraan vaikuttava magneettikenttä aiheuttaa häiriöitä enemmän kuin rinnakkaiset magneettikentät. Tutkimuksen tulosten perusteella on syytä jatkaa ja tehdä lisää tahdistinkokeita ulkoisissa magneettikentissä, etenkin ei-sinimuotoisilla signaaleilla. [36] 4.4.2 Ulkomaiset tutkimukset Ulkomaisessa tutkimuksessa Babouri et al. (2008) tutkittiin pientaajuisten magneettikenttien vaikutuksia sydämentahdistimiin yhdentoista erilaisen tahdistimen avulla. Kokeissa tutkittiin magneettikenttien induktiivista kytkeytymisestä tahdistimien johtimien ja kudosten muodostaman silmukan kautta. Kokeissa käytettiin taajuuksia 50/60 Hz ja 10/25 khz ja havaittiin niiden aiheuttavan yllättävän suuria virtoja ihmiskehoon. Tutkimuksessa tahdistimia testattiin sekä vapaassa tilassa että gelatiinipohjaisella mallilla, johon tahdistimet johtimineen saatiin asennettua kuin oikealle ihmiselle. Tutkimuksen tulosten mukaan muuttuva magneettivuo synnyttää juuri tahdistimien ja johtimien muodostamaan silmukkaan virtoja ja näin ollen magneettikentän vaikutukset olivat suurempia kyseisellä gelatiinipohjaisella mallilla kuin vapaan tilan tapauksessa. [37] Vuonna 2007 julkaistussa tutkimuksessa Della Chiara et al. tutkittiin kokeellisesti ja laskennallisesti sähkömagneettisten kenttien aiheuttamia häiriöitä tahdistimille voimajohtojen aiheuttaman magneettikentän taajuudella. Kokeita varten tehtiin Helmholzin kelarakenne tuottamaan ELF-taajuista magneettikenttää, ja lisäksi tahdistimille syötet-

28 tiin sähköistä signaalia simuloimaan sydämen toimintaa. Monipuolisten kokeiden myötä tutkimuksessa havaittiin, että unipolaarisesti ohjelmoidut tahdistimet häiriintyvät enimmäkseen ohimenevästi ja ei vaarallisesti, mutta harvinaisemmilla aaltomuodoilla ja olosuhteilla sydämentahdistimet saattavat häiriintyä jopa potilaalle vaarallisella tavalla. Kokeelliset tulokset pyrittiin vahvistamaan numeerisen 3D-mallin avulla, jolla voitiin simuloida koko testijärjestely hyvin yksityiskohtaisesti. [38] Tutkimuksessa Frank et al. (2003) tutkittiin nykyisen verkkotaajuuden (50-60 Hz) ja induktiotasojen (20-50 khz) synnyttävien magneettikenttien vaikutuksia sydämentahdistimille. Tutkimukseen osallistui 60 henkilöä, joille jokaiselle oli asennettu kaksilokeroinen sydämentahdistin 1990-luvun lopulla. Tahdistimia oli käytössä yhdeksältä eri valmistajalta ja tahdistimet olivat ohjelmoitu jokaisen potilaan yksiöllisen tarpeen mukaisesti, mutta tahdistinkokeiden aikana tahdistimia uudelleenohjelmoitiin hetkellisesti tutkimusta varten. Tahdistinkokeet suoritettiin kahdella tavalla. Toisessa kokeessa potilaat liikkuivat kahden kelan muodostaman rakenteen läpi ja toisessa kokeessa potilaat seisoivat kelojen vieressä paikallaan. [39] Sydämentahdistimet oli ohjelmoitu unipolaarisiksi. Lisäksi eteis- ja kammioherkkyydet olivat mahdollisimman tarkasti yksilökohtaisesti määritetty koehenkilöille. Kokeissa yksikään tahdistin ei häiriintynyt. Kokeita suoritettiin myös niin, että eteis- ja kammioherkkyydet oli hetkellisesti ohjelmoitu erittäin korkeiksi. Tällöin ohimenevä häiriötila esiintyi kuudessa tapauksessa, kolmessa tapauksessa vain eteinen rekisteröi häiriöitä ja yhdessä tapauksessa vain kammio. Kokeiden aikana yksi tahdistin oli siirtynyt siihen ohjelmoiduista parametreistaan poiketen tahdistamaan vakiotaajuudella. Uusintakokeissa tahdistin kuitenkin toimi ilman ongelmia. [39] Tutkimusten tulosten perusteella tahdistimet eivät merkittävästi häiriinnyt verkkotaajuuksien tai induktiotasojen synnyttävien magneettikenttien läheisyydessä. Eteisten ja kammioiden epätavalliset herkkyydet aiheuttavat lähinnä ohimeneviä häiriöitä, joten mikäli tahdistin on potilaalle ohjelmoitu yksilöllisesti mahdollisimman tarkasti, ei häiriöitä tutkimuksen mukaan esiinny. [39] 4.4.3 TTY:llä vuonna 2010 tehdyt tahdistinkokeet Vuonna 2010 tehtiin TTY:llä Ympäristöterveyden tutkimusryhmässä tahdistinkokeita sydämentahdistimien ja rytmihäiriötahdistimien häiriintymisestä voimajohdon läheisyydessä. Tahdistinkokeet ovat olleet pohja tälle diplomityölle, sillä käytössä oli sama mittausprotokolla, fantomi sekä useimmat käytetyt mittarit olivat samoja. Tässä alaluvussa käydään läpi vuoden 2010 mittauksiin tehty signaali, jota syötetään rytmihäiriötahdistimille sekä esitellään mittauksissa käytetyn järjestelmän lohkokaavio. Tämän työn mittaustuloksia käsittelevä luku kuusi on laadittu vuoden 2010 kokeita mukaillen.

29 Kuvassa 4.4 on ihmistä muistuttava fyysinen malli eli fantomi Kangasalan voimajohdon läheisyydessä, jossa mittauksia tehtiin vuosina 2010 ja 2011. Fantomista kerrotaan lisää luvussa viisi. Kuva 4.4. Fantomi Kangasalan voimajohtojen läheisyydessä. Kesän 2010 mittauksia varten tehtiin signaali, jota voitiin syöttää rytmihäiriötahdistimille simuloimaan sydämen toimintaa. Signaalin ominaisuudet ovat taulukossa 4.2. Signaaliin oli päädytty, sillä ei ollut saatavilla todellista sydämen sisältä mitattua EKGsignaalia. Rytmihäiriötahdistimet kuitenkin tunnistavat oheisen taulukon 4.2 mukaisen signaalin sydämen sähköiseksi toiminnaksi. [40] Taulukko 4.2. Rytmihäiriötahdistimille syötetyn signaalin ominaisuudet. [40] Signaalin koko Näytteenottotaajuus Resoluutio Signaalin kesto Kolmioaallon kesto Kolmioaallon nousuaika Kolmioaaltoja signaalissa Kolmioaallon amplitudi 512 näytettä 1 khz 16-bittiä 512 ms 15 ms 2 ms 1 kpl ± 10 mv Kolmioaallon amplitudi on ainoa arvo, jota itse säädetään mittausten yhteydessä. Muita toimenpiteitä ei tarvitse tehdä signaalille. Kolmioaallon amplitudin arvoon ±10 mv on päädytty, koska se on verrattavissa tahdistimien kammioista mittaamien R-aaltojen amplitudiin, joka tyypillisesti on noin 6-15 mv. Kuvassa 4.5 on piirretty signaalin sisältämä kolmioaalto, joka vastaa noin 116 sydämenlyöntiä minuutissa. [40]

30 Jännite (mv) 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Signaali rytmihäiriötahdistimille 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Aika [ms] Kuva 4.5. Rytmihäiriötahdistimille syötetty signaali. [40] Kuvan 4.5 signaali on standardin EN 45502-2-1 määritysten mukainen ja näin ollen tahdistinmittauksiin käytettävissä oleva. Standardin mukaisesti kolmioaallon tulee olla kestoltaan 15 ms ±1 ms ja signaalin nousuajan on oltava 2 ms ± 0,2 ms. Kolmioaallon amplitudi voi olla standardin mukaan positiivinen tai negatiivinen. [32] Rytmihäiriötahdistimilla suoritettavia mittauksia varten on järjestelmän periaatteellinen lohkokaavio esitetty kuvassa 4.6. Kuva 4.6. Signaalin syöttäminen rytmihäiriötahdistimille ja rytmihäiriötahdistimien ohjelmointi. [40] Lohkokaavion mukainen järjestelmä on tarpeen, sillä tahdistimien ohjelmointilaite vaatii jatkuvaa verkkovirtaa toimiakseen. Tähän tarkoitukseen maastossa käytetään aggregaattia, mutta esimerkiksi sähköasemalla voidaan käyttää verkkovirtaa. Mahdollisia syöksyjänniteitä varten on hyvä käyttää ylijännitesuojaa kannettavan tietokoneen ja tahdistimien ohjelmointilaitteen suojaamisessa syöksyjännitteiltä. Kannettavaan tietokoneeseen kytketään signaaligeneraattori Handyscope HS 3, jolla syötetään koaksiaalikaa-

31 pelia pitkin signaalia fantomissa olevalle rytmihäiriötahdistimelle. Koaksiaalikaapeli on Ceam Cavi Specialin valmistama, malliltaan RG 58 C/U NPI. [40] Vuonna 2010 Kangasalan voimajohdon läheisyydessä tehtiin mittauksia 20 sydämentahdistimella ja neljällä rytmihäiriötahdistimella. Mittausten aikana häiriöitä esiintyi yhden sydämentahdistimen sekä yhden rytmihäiriötahdistimen toiminnassa. [40] Tarkempi vertailu vuosien 2010 ja 2011 mittausten välillä tehdään tämän työn luvussa seitsemän.

32 5 MITTAUSMENETELMÄT JA LAITTEISTO Tässä luvussa käsitellään sydämentahdistimien ja rytmihäiriötahdistimien mittauspaikat ja altistustilanteet sähköaseman magneettikentille, käytössä ollut ihmistä muistuttava fyysinen malli eli fantomi sekä mittalaitteet, mittausmenetelmät ja mittauksien toteuttaminen. 5.1 Mittauspaikat ja altistustilanteet Mittauksia suoritettiin Alajärven sähköasemalla ja Kangasalan voimajohdon läheisyydessä. Lisäksi Tampereen teknillisen yliopiston suurjännitelaboratoriossa tehtiin tahdistinkokeita kahtena päivänä lokakuussa 2011, koska haluttiin tutkia lisää rytmihäiriötahdistimien mahdollista häiriintymistä sähkökentässä, jota pystytään itse kontrolloimaan jännitteen avulla. Seuraavissa alaluvuissa on esiteltynä Alajärven ja Kangasalan mittauspaikat. 5.1.1 Alajärven sähköasema Alajärven 400 kilovoltin sähköasemalla Etelä-Pohjanmaalla mittauksia suoritettiin kahtena päivänä heinä- ja elokuussa 2011. Ensimmäisellä mittauskerralla mittaukset suoritettiin ulkona reaktoreiden suoja-aidan ulkopuolella. Kuvassa 5.1 on hahmoteltu altistumistilanne, kun fantomi on ulkona suoja-aidan takana punaisen nuolen kohdalla. Kyseinen mittauspaikka valittiin suurimman magneettivuon tiheyden vuoksi, joka etsittiin ja mitattiin reaktoreiden ollessa kytkettynä verkkoon. Kuva 5.1. Fantomi reaktoreiden suoja-aidan ulkopuolella punaisen nuolen kohdalla.

33 Toisena sähköaseman mittauspäivänä sateisen sään takia mittaukset suoritettiin sisätiloissa, kuitenkin mahdollisimman lähellä reaktoreita. Paikka fantomille valittiin myös paikan päällä tehtyjen magneettivuon tiheyden mittausten perusteella reaktoreiden ollessa kytkettynä verkkoon. Kuvassa 5.2 on hahmoteltu altistustilanne, kun fantomi on sähköaseman sisällä punaisen nuolen kohdalla. Kuva 5.2. Fantomi sähköaseman sisällä punaisen nuolen kohdalla. Kuvissa 5.1 ja 5.2 sähköaseman pohjapiirros esitetään hyvin yksinkertaisesti, esimerkiksi sähköaseman rakennus oli reilusti laajempi. Myös sähköasemalla oleva toinen reaktori on jätetty pois kuvasta, eikä se ollut edes mittausten aikana kytkettynä verkkoon. Lisäksi kuvat 5.1 ja 5.2 ovat lähinnä suuntaa-antavia, eivätkä ole mittasuhteessa oikeaan tilanteeseen. 5.1.2 Kangasalan voimajohto Kangasalan voimajohdon läheisyydessä suoritettiin mittauksia kahtena päivänä heinä- ja elokuussa 2011. Mittauspaikan tarkka sijainti GPS-koordinaateilla ilmaistuna on N 61,50404 E 23,97861. Mittauspaikka sijaitsee pienen mäen päällä 400 kv:n voimajohdon reunimmaisen johtimen sivussa, koska suoraan voimajohdon alapuolella maasto on liian epätasaista mittauksien suorittamista varten. Mittauspaikan etäisyys maanpinnalta voimajohdon reunimmaiseen johtimeen on noin seitsemän metriä. [41] Kuvasta 5.3 on havaittavissa Kangasalan mittauspaikan oikealla puolella kulkevat voimajohdot. Fantomin oikealla puolella kulkee kaksi 400 kilovoltin voimajohtoa sekä yksi 110 kilovoltin voimajohto.