Elektrokardiographie (EKG) (Artikelnr.: P )

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1 Lehrer-/Dozentenblatt Elektrokardiographie (EKG) (Artikelnr.: P ) Curriculare Themenzuordnung Fachgebiet: Biologie Bildungsstufe: Klasse 7-10 Lehrplanthema: Der Mensch Unterthema: Physiologie: Atmung, Herz und Blutkreislauf Experiment: Elektrokardiographie (EKG) Schwierigkeitsgrad Vorbereitungszeit Durchführungszeit empfohlene Gruppengröße Mittel 10 Minuten 10 Minuten 2 Schüler/Studenten Zusätzlich wird benötigt: Versuchsvarianten: ipad oder Android-Tablet PC + measurelab ( ) Schlagwörter: Elektrokardiogramm nach Einthoven II, Herzfrequenz, Ruhe-EKG, Belastungs-EKG, Wellen und Intervalle Einführung Lehrerinformationen Information Mit einem Elektrokardiogramm wird der Verlauf der elektrischen Erregungen der unterschiedlichen Phasen während der Herzaktivität sichtbar gemacht. Die Phasen unterscheiden sich in Hinblick auf ihre zeitliche Dauer und die Höhe der Aktionspotentiale (vgl. Abb. 5). Die Ableitungen der Aktionspotentiale zur Erstellung des Elektrokardiogramms werden an Regionen der Hautoberfläche vorgenommen, die nicht unmittelbar oberhalb von Muskeln liegen. Hierfür eignet sich daher besonders die Körperregionen am Knöchel und an den Handgelenken. So wird sichergestellt, dass im Ruhezustand bei der Messung nur die elektrischen Aktivitäten des Herzmuskels ermittelt werden. Mit der Legende zu Abb. 5 werden die EKG- Abschnitte zum Kontraktionsablauf in Beziehung gesetzt. Gut sichtbar sind in der Regel die Vorhoferregung durch den Sinusknoten (P-Welle), die Erregungsweiterleitung über die Herzkammern (QRS-Komplex) und die Erregungsrückbildung der Kammern (TWelle). Ein Herzschrittmacher übernimmt in den meisten Fällen die natürliche Funktion des Sinusknotens als elektrischem Impulsgeber für die nachfolgende Erregungsausbreitung. Abb. 6 zeigt das EKG einer Person mit einem Herzschrittmachertyp, der unterhalb des Schlüsselbeins unter die Haut implantiert ist (Abb. 9). Dieser Herzschrittmachertyp registriert die Aktionspotentiale des Herzmuskels und schaltet sich bei Bedarf z.b. bei zu schwacher Stimulation zu und übernimmt die Funktion des Sinusknotens im rechten Vorhof. In der Abbildung ist deutlich zu sehen, dass die P-Welle, deutlich überhöht ist. Dies ist durch die Stimulation des rechten Vorhofs durch den Herzschrittmachers zu erklären, der die Funktion des Sinusknotens übernommen hat.

2 Lehrer-/Dozentenblatt Lage und Größe des Herzschrittmachers Herzschrittmacher verschiedener Generationen, links von 2000, rechts von 1984, die jeweils 7 Jahre im Körper getragen wurden Mittlerweile gibt es eine Vielzahl von Typen von Herzschrittmachern, die z.b. nur dann einen elektrischen Impuls geben, wenn die natürliche Erregung ausbleibt, oder die Herzfrequenz zu hoch oder zu niedrig ist. Andere Herzschrittmacher sind dazu in der Lage, nur eine einzige Herzkammer zur Kontraktion anzuregen und hierbei auch die Schlagfolge an die Körperaktivität anzupassen. Warnhinweis Bei Verwendung Stecker ziehen! Aus Sicherheitsgründen darf die Sensor-Unit Electrophysiology nur verwendet werden, wenn das damit verbundene Cobra4 Messaufnahmegerät nicht mit der Netzspannung verbunden ist! Ein in der Schule aufgenommenes EKG sollte nicht überinterpretiert werden, wenn Abweichungen zu den beispielhaften EKG in den Abbildungen bestehen. Kreislaufstörungen oder Schädigungen des Herzmuskels können nur von einem Arzt mit Sicherheit festgestellt werden. Die Cobra4 Sensor-Unit Electrophysiology ist für diagnostische Zwecke nicht zugelassen, sondern wurde ausschließlich für die Didaktik konzipiert. Hinweis zur Durchführung Stellen sie sicher, dass die Schülerinnen und Schüler während der Messung in Ruhelage darauf achten, dass die Versuchsperson sich nicht bewegt. Auch kleinere Bewegungen, wie z.b. das Heben einer Hand, führen zu Überlagerungen der Herzmuskelaktivitäten bei der Messung. Was misst das EKG?

3 Lehrer-/Dozentenblatt Schematische Darstellung der Erregungsweiterleitung im Verlauf einer Herzkontraktion (aus Wikipedia, Stichwort EKG ) Modell des Herzens

4 Elektrokardiographie (EKG) (Artikelnr.: P ) Einführung Hintergrund In den Lehrplänen nehmen Themenfelder, die sich mit dem menschlichen Körper beschäftigen, einen breiten Raum ein. Dabei geht es um die Vermittlung von Kenntnissen von Bau und Funktionsweise wichtiger Organsysteme, Verständnis des eigenen Körpers und Gesunderhaltung, Körper und Fitness, Herz- Kreislaufsystem, Steuerung der Herztätigkeit, Herz-Kreislauf- Erkrankungen und Maßnahmen der Vorbeugung, Experimente zur Funktion des Auges und Reizübertragung. Weitere Themen in diesem Zusammenhang sind Anwendung moderner medizintechnischer Verfahren oder Sportthemen wie Trainingseffekte und Untersuchungen zur Kurz- und Langzeitbelastung. Zur experimentellen Bearbeitung dieser Themenfelder eignet sich in besonderem Maß das Cobra4 Elektrophysiologie-Set, denn sein modernes didaktische Konzept macht die Schüler neugierig aufs Experimentieren und motiviert sie, eigenen Impulsen folgend die grenzenlosen Experimentiermöglichkeiten von Cobra4 zu erforschen. Nicht zuletzt erfolgen die Messungen zeitgemäß mit Hilfe eines Tablets/PCs und per Funk, so dass sie leicht in die verschiedensten Lernsituationen eingebunden werden können, vom Klassenzimmer bis zum Sportplatz. Mit dem Cobra4 Elektrophysiologie-Set können nicht-invasive Messungen der Herz-, Muskel- und Augenaktivität vorgenommen werden. Dieses Set enthält ausführliche Versuchsbeschreibungen für Schülerversuche mit ergänzenden Texten für Lehrer. Kernstück des Cobra4 Elektrophysiologie-Sets ist die Sensor-Unit Elektrophysiologie Vorlage für die Symbolik auf der Vorderseite der Sensor-Unit ist die bekannte Zeichnung von Leonardo da Vinci aus dem Jahr 1492, die den idealisierten Körperbau des Menschen darstellt. Der Name des Bildes vitruvianischer Mensch ist von Vitruvius abgeleitet, ein Zeitgenosse des römischen Kaisers Augustus und Autor eines Lehrbuchs der Architektur. Vitruvius vertrat die These, dass der aufrecht stehende Mensch sich sowohl in die geometrische Form des Quadrates wie in die des Kreises einfügt. Auf da Vincis Motiv des idealen Menschen stößt man überraschend häufig, unter anderem auf der italienischen Euro-Münze als Sinnbild der italienischen Kultur. Hauptsächlich wird es jedoch weltweit im medizinischen Zusammenhang angeeignet, in

5 Deutschland u.a. von den Krankenkassen auf der Krankenversichertenkarte. Wir untersuchen unseren Herzschlag Das Herz ist ein muskuläres Hohlorgan, das aus verschiedenen Teilmuskeln besteht. Diese Teilmuskeln ziehen sich nacheinander zusammen und entspannen sich wieder, wodurch das Blut wie bei einer Pumpe durch das Herz geleitet wird. Die Muskelaktivitäten können in Summe an der Hautoberfläche elektrisch gemessen werden, und zwar mit Hilfe eines sogenannten Elektrokardiogramms (EKG). Dabei wiederholt sich das selbe Muster von Herzschlag zu Herzschlag. Ein Herzschlag entsteht durch die regelmäßige Abfolge von elektrischen Erregungen (Aktionspotentialen). Mit einem Elektrokardiogramm kannst du die verschiedenen, aufeinander folgenden Teilaktivitäten des Herzmuskels erkennen (ableiten). Darum wird das EKG auch als Herzspannungskurve bezeichnet. Ein Arzt kann mit einem für die Diagnose zugelassenen EKG-Gerät verschiedene Herzkrankheiten an dessen spezifischem EKG-Muster erkennen. Abb. 1: Versuchsaufbau

6 Material Versuch mit ipad oder Tablet Position Material Bestellnr. Menge 1 Cobra4 Wireless/USB-Link Cobra4 Sensor-Unit Electrophysiology: ECG, EMG, EOG Drei farbcodierte Einzelmessleitungen Mit Einwegelektroden: 4 Einwegelektroden (100/Pkg.) Krokodilklemmen für Einwegelektroden (3/Pkg.) Oder mit Dauerelektroden: 6 EKG-Elektrode, 3 Stück Elektroden-Gel, 60 g, Tube Zusätzlich wird benötigt: Android-Tablet oder ipad 1 PHYWE measure App Android ipad Versuch mit PC Aufgaben Position Material Bestellnr. Menge 1 Cobra4 Wireless/USB-Link Cobra4 Sensor-Unit Electrophysiology: ECG, EMG, EOG Drei farbcodierte Einzelmessleitungen Software measurelab Mit Einwegelektroden: 5 Einwegelektroden (100/Pkg.) Krokodilklemmen für Einwegelektroden (3/Pkg.) Oder mit Dauerelektroden: 7 EKG-Elektrode, 3 Stück Elektroden-Gel, 60 g, Tube Zusätzlich wird benötigt: PC 1 1. Erstelle ein Elektrokardiogramm von deinem Herzschlag im Ruhezustand und bestimme die verschiedenen Phasen der Herzaktivität. 2. Einige Menschen benötigen einen Herzschrittmacher. Vergleiche das EKG einer normalen Herzkontraktion mit dem EKG einer Herzkontraktion, die durch einen Herzschrittmacher angeregt wurde.

7 Aufbau und Durchführung Aufbau Vorbereitende Maßnahmen Präparieren und Anbringen der Einwegelektroden Die Herz-, Muskel- und Augenaktivität wird an der Hautoberfläche gemessen. Für jedes Organ messen Sie an verschiedenen Hautpositionen. Für den Einstieg eignen sich die Einwegelektroden am besten, denn Sie können sie einfach ohne weiteres Zubehör auf die in den Versuchbeschreibungen genannten Hautpositionen kleben und liefern annehmbare Ergebnisse. Zur Messung stecken Sie die Krokodilklemmen einfach an die Enden der farbcodierte Einzelmessleitungen und klemmen Sie an die Laschen der Einwegelektroden: Abb.2: Einwegelektroden Präparieren und Anbringen der Dauerelektroden Alternativ können auch Dauerelektroden benutzt werden. Die Dauerelektroden erfordern mehr zeitlichen und materiellen Aufwand, haben neben den geringeren Folgekosten aber folgende Vorteile: EMG-Dauerelektroden: geringere Auflagefläche auf der Haut, dadurch präziseres Messen, EKG-Dauerelektroden: größere Auflagefläche auf der Haut, dadurch stärkere Signale. Zur Herstellung des Kontakts ein Papiertaschentuch o.ä. auf die Größe der EKG-Elektrode zuschneiden, mit 1%iger Kaliumchloridlösung benetzen und beim Befestigen mit der Elektrode mit dem Gummiband an Arm bzw. Bein zwischen Elektrode und Haut legen. Nach dem Anbringen der Elektroden die farbcodierten Einzelmessleitungen auf die entsprechenden Elektroden stecken: Abb.3: Dauerelektroden Aufbau Am Versuchsaufbau sind mindestens zwei Personen beteiligt. Eine Versuchsperson, der die Elektroden angelegt werden, und eine Person, die das Tablet bedient.

8 Befestige je eine EKG-Einwegelektrode mit der Klebeseite an der Innenseite des rechten und des linken Handgelenks sowie am linken Knöchel. Die Versuchsperson sollte sich nun in möglichst entspannter Position hinsetzen. Schließe jetzt die farbcodierten Einzelmessleitungen mit den Krokodilklemmen an die Elektroden an: die rote Krokodilklemme an die Elektrode des rechten Handgelenks, die gelbe Klemme an die Elektrode des linken Handgelenks und die grüne Klemme an die Elektrode am linken Knöchel. Jetzt kannst du die Elektrodensammelkabel an die Cobra4 Sensor-Unit Elektrophysiologie anschließen. Den roten Stecker dabei in die mit (+) markierte Buchse einstecken, den gelben Stecker in die (-) Buchse und den grünen Stecker in die mit (Ref) gekennzeichnete Buchse einstecken. Abb. 4: Versuchsaufbau Durchführung Bei Verwendung Stecker ziehen! Aus Sicherheitsgründen darf die Sensor-Unit Electrophysiology nur verwendet werden, wenn das damit verbundene Cobra4 Messaufnahmegerät nicht mit der Netzspannung verbunden ist! Stecke die Sensor-Unit Electrophysiology auf den Wireless/USB-Link und schalte ihn ein. Verbinde das Tablet nun über W-LAN mit dem Wireless/USB-Link. Öffne die PHYWE measure App und wähle den Sensor "Electrophysiology" aus. Wähle den Sensormodus "EKG" aus. Wähle die Abtastrate deiner Wahl. Je höher diese ist, desto genauer wird die Messung. Zusätzlich gibt es noch die Möglichkeit, Werte mit einem Faktor zu multiplizieren um ein deutlicheres Bild zu erhalten. Dazu bei "Verstärkung" einfach einen Faktor auswählen. Starte die Messung, wenn sich die Spannung eingependelt hat. Wichtig ist, dass die Versuchsperson sich während der Messung vollkommen ruhig verhält, da ansonsten andere Muskelaktivitäten mit aufgezeichnet werden. Schon nach wenigen Sekunden hast du schon genug Daten und kannst die Messung beenden und den Graphen anschließend mit den Tools Zoom und Einpassen passend darstellen lassen.

9 Ergebnis und Auswertung So sieht ein typisches Messergebnis aus, nachdem Du mit dem Zoomwerkzeug eine einzelne Herzaktion herausvergrößert hast (zurück zur vollständigen Messung mit dem Werkzeug Messung einpassen ). Gehe in das Protokoll und beantworte die Fragen zur Auswertung. Abb. 5: EKG einer Herzkontraktion eines jungen Erwachsenen Legende: Was zeigt das Elektrokardiogramm? P-Welle = Vom Sinusknoten im rechten Vorhof ausgehende Erregungsausbreitung über beide Vorhöfe PQ-Strecke = Verzögerung der Erregungsweiterleitung am Atrioventrikularknoten (AV-Knoten) QRS-Komplex = Erregungsausbreitung über beide Herzkammern T-Welle = Erregungsrückbildung an den Herzkammern Abb. 6: Zum Vergleich: Elektrokardiogramm einer Person mit Herzschrittmacher

10 Aufbau und Durchführung Aufbau Vorbereitende Maßnahmen Präparieren und Anbringen der Einwegelektroden Die Herz-, Muskel- und Augenaktivität wird an der Hautoberfläche gemessen. Für jedes Organ messen Sie an verschiedenen Hautpositionen. Für den Einstieg eignen sich die Einwegelektroden am besten, denn Sie können sie einfach ohne weiteres Zubehör auf die in den Versuchbeschreibungen genannten Hautpositionen kleben und liefern annehmbare Ergebnisse. Zur Messung stecken Sie die Krokodilklemmen einfach an die Enden der farbcodierte Einzelmessleitungen und klemmen Sie an die Laschen der Einwegelektroden: Abb.2: Einwegelektroden Präparieren und Anbringen der Dauerelektroden Alternativ können auch Dauerelektroden benutzt werden. Die Dauerelektroden erfordern mehr zeitlichen und materiellen Aufwand, haben neben den geringeren Folgekosten aber folgende Vorteile: EMG-Dauerelektroden: geringere Auflagefläche auf der Haut, dadurch präziseres Messen, EKG-Dauerelektroden: größere Auflagefläche auf der Haut, dadurch stärkere Signale. Zur Herstellung des Kontakts ein Papiertaschentuch o.ä. auf die Größe der EKG-Elektrode zuschneiden, mit 1%iger Kaliumchloridlösung benetzen und beim Befestigen mit der Elektrode mit dem Gummiband an Arm bzw. Bein zwischen Elektrode und Haut legen. Nach dem Anbringen der Elektroden die farbcodierten Einzelmessleitungen auf die entsprechenden Elektroden stecken: Abb.3: Dauerelektroden Aufbau Am Versuchsaufbau sind mindestens zwei Personen beteiligt. Eine Versuchsperson, der die Elektroden angelegt werden, und eine Person, die den Computer bedient.

11 Befestige je eine EKG-Einwegelektrode mit der Klebeseite an der Innenseite des rechten und des linken Handgelenks sowie am linken Knöchel. Die Versuchsperson sollte sich nun in möglichst entspannter Position hinsetzen. Schließe jetzt die farbcodierten Einzelmessleitungen mit den Krokodilklemmen an die Elektroden an: die rote Krokodilklemme an die Elektrode des rechten Handgelenks, die gelbe Klemme an die Elektrode des linken Handgelenks und die grüne Klemme an die Elektrode am linken Knöchel. Jetzt kannst du die Elektrodensammelkabel an die Cobra4 Sensor-Unit Elektrophysiologie anschließen. Den roten Stecker dabei in die mit (+) markierte Buchse einstecken, den gelben Stecker in die (-) Buchse und den grünen Stecker in die mit (Ref) gekennzeichnete Buchse einstecken. Abb. 4: Versuchsaufbau Durchführung Bei Verwendung Stecker ziehen! Aus Sicherheitsgründen darf die Sensor-Unit Electrophysiology nur verwendet werden, wenn das damit verbundene Cobra4 Messaufnahmegerät nicht mit der Netzspannung verbunden ist! Stecke die Sensor-Unit Electrophysiology auf den Wireless/USB-Link und schalte ihn ein. Verbinde den PC nun über W-LAN mit dem Wireless/USB-Link. Öffne die PHYWE measurelab und wähle den Sensor "Electrophysiology" aus. Wähle den Sensormodus "EKG" aus. Wähle die Abtastrate deiner Wahl. Je höher diese ist, desto genauer wird die Messung. Zusätzlich gibt es noch die Möglichkeit, Werte mit einem Faktor zu multiplizieren um ein deutlicheres Bild zu erhalten. Dazu bei "Verstärkung" einfach einen Faktor auswählen. Starte die Messung, wenn sich die Spannung eingependelt hat. Wichtig ist, dass die Versuchsperson sich während der Messung vollkommen ruhig verhält, da ansonsten andere Muskelaktivitäten mit aufgezeichnet werden. Schon nach wenigen Sekunden hast du schon genug Daten und kannst die Messung beenden und den Graphen anschließend mit den Tools Zoom und Einpassen passend darstellen lassen.

12 Ergebnis und Auswertung So sieht ein typisches Messergebnis aus, nachdem Du mit dem Zoomwerkzeug eine einzelne Herzaktion herausvergrößert hast (zurück zur vollständigen Messung mit dem Werkzeug Messung einpassen ). Gehe in das Protokoll und beantworte die Fragen zur Auswertung. Abb. 5: EKG einer Herzkontraktion eines jungen Erwachsenen Legende: Was zeigt das Elektrokardiogramm? P-Welle = Vom Sinusknoten im rechten Vorhof ausgehende Erregungsausbreitung über beide Vorhöfe PQ-Strecke = Verzögerung der Erregungsweiterleitung am Atrioventrikularknoten (AV-Knoten) QRS-Komplex = Erregungsausbreitung über beide Herzkammern T-Welle = Erregungsrückbildung an den Herzkammern Abb. 6: Zum Vergleich: Elektrokardiogramm einer Person mit Herzschrittmache

13 Protokoll: Elektrokardiographie (EKG) Auswertung - Frage 1 (10 Punkte) In Abbildung 5 werden die unterschiedlichen Phasen der elektrischen Erregungen während eines Herzschlags schematisch dargestellt. Betrachte das EKG deines Herzschlags. Zeichne unter Zuhilfenahme der Legende und des Biologiebuchs oder einer Recherche im Internet (z.b. Wikipedia, Stichwort EKG, welche Phasen im Verlauf der Herzkontraktion du erkennen kannst (Zeichnung und Beschriftung):

14 Auswertung - Frage 2 (10 Punkte) Abbildung 6 zeigt das Elektrokardiogramm einer Person mit Herzschrittmacher. Vergleiche das EKG der Person mit einem normalen EKG und stelle Vermutungen über die Funktionsweise dieses speziellen Typs des Herzschrittmachers an.