4 Kreislauf. 4.1 Physikalische Grundlagen Stoffwechsel des Herzens Stromstärke des Blutes und Gefäßwiderstand.

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1 48 4 Kreislauf Unter dem Begriff der Koronarinsuffizienz versteht man eine relativ oder absolut unzureichende Koronardurchblutung. Bei der Koronarinsuffizienz besteht ein Missverhältnis zwischen Blutangebot und Blutbedarf bzw. zwischen Sauerstofftransport und Sauerstoffbedarf. Ursache einer solchen Störung ist meist eine krankhafte Verengung der Koronargefäße. Die Verengung kann durch arteriosklerotische Gefäßablagerungen oder aber auch durch Gefäßspasmen zustande kommen. Die typische Symptomatik einer ausgeprägten Stenose eines oder mehrerer Koronaräste ist meist der thorakale Schmerz unter Belastung, da das Verhältnis zwischen Sauerstoffbedarf und -angebot hinter der Stenose des Gefäßes gestört ist (Angina pectoris, s. o.). In Ruhe ist der Patient dagegen meist beschwerdefrei, da die Koronardurchblutung für eine Aufrechterhaltung des Energiestoffwechsels ausreicht Stoffwechsel des Herzens Der myokardiale O 2 -Verbrauch in Ruhe beträgt etwa 1 11 ml O 2 /min pro 1 g Gewebe. Schon in Ruhe entnimmt das Herz dem strömenden Blut ca. 7 % des Sauerstoffs. Nach Entnahme des Sauerstoffs liegt der O 2 -Partialdruck im Sinus coronarius deutlich unter 4 mmhg. Die O 2 -Ausschöpfung ist also bereits in Ruhe deutlich höher als im übrigen Organismus. Ein gesteigerter Bedarf kann daher nicht durch eine gesteigerte O 2 -Extraktion gedeckt werden, sondern erfordert eine Steigerung der Durchblutung. Der Energieverbrauch wird etwa zu gleichen Teilen über die Oxidation von freien Fettsäuren, Laktat und Glucose gedeckt. Allerdings kann sich das Herz mit seiner Substratauswahl an das Angebot anpassen. Fällt bei schwerer körperlicher Arbeit viel Laktat an, erfolgt auch die Energiegewinnung bevorzugt aus Laktat. Besteht O 2 -Mangel kann auch das Herz verstärkt zur anaeroben Glykolyse übergehen, bei der Laktat entsteht, sodass die Laktatkonzentration im koronarvenösen Blut über die im arteriellen Blut ansteigen kann. In Ruhe fließen etwa 5% des Herzzeitvolumens durch die Koronargefäße. Charakteristisch für den Blutfluss in der linken A. coronaria ist eine starke Abnahme in der Systole, u. U. sogar auf negative Werte, und eine deutliche Zunahme zu Beginn der Diastole. In Ruhe entnimmt das Myokard mehr als 5 % des O 2 aus dem Koronarblut. Nach Entnahme des Sauerstoffs liegt der O 2 -Partialdruck im Sinus coronarius deutlich unter 4 mmhg. Geschafft Sie haben nun die Hälfte des ersten Physiologie-Skripts geschafft. Es geht in mit einem nicht weniger komplizierten Thema weiter, der Physiologie de Kreislaufsystems. Auch hier ist ein Verständnis für die Materie von großem Vorteil beim Lernen. Vielleicht hilft es Ihnen auch, eine kurze Pause einzulegen und vor dem Weiterarbeiten Ihre eigenes Kreislaufsystem noch einmal auf Touren zu bringen. Das macht den Kopf frei! Diamar Interactive 4 Kreislauf 4.1 Physikalische Grundlagen Für die Strömung des Blutes durch das Gefäßsystem gelten die allgemeinen physikalischen Strömungsgesetze. Blut weist allerdings im Vergleich zu einer idealen Newton schen Flüssigkeit einige Besonderheiten auf. Blut ist keine homogene Flüssigkeit, sondern aus Wasser, Elektrolyten, korpuskulären Bestandteilen und Proteinen zusammengesetzt. Diese Flüssigkeit strömt nicht durch starre Röhren, sondern durch mehr oder weniger elastische Gefäße und verursacht dabei eine wechselnde, streckenweise turbulente Strömung. Aus diesem Grund stellen die physikalischen Gesetze eine Näherung dar, die aber klinisch ausreichend ist Stromstärke des Blutes und Gefäßwiderstand Die Blutströmung ist von vielen verschiedenen Faktoren abhängig. Es gibt mehrere physikalische Formeln, die unterschiedliche Aspekte dieser Zusammenhänge beschreiben. Die Stromstärke hängt zum einen von der Druckdifferenz ΔP zwischen Anfangs- und Endpunkt und dem Strömungswiderstand R und zum anderen vom Gefäßquerschnitt D und der Strömungsgeschwindigkeit des Blutes ab. Ohm sche Gesetz. Analog zum Ohm schen Gesetz gilt: ΔP Q = R Q = Stromstärke [l/min] ΔP = Druckdifferenz zwischen Anfangs- und Endpunkt [mmhg]

2 4.1 Physikalische Grundlagen 49 R = Strömungswiderstand [mmhg min/l] Zum Vergleich: In der Physik heißt diese Formel I = ΔU, mit I = el. Stromstärke, und U = el. R Spannung. Die Bedeutung dieser Formel lässt sich am Beispiel des sog. Bayliss-Effekts (s. S. 62) erkennen. Soll die Stromstärke in einem Gebiet (z. B. Niere) auch bei steigendem Druck konstant gehalten werden, dann muss sich die glatte Gefäßmuskulatur kontrahieren und so den Widerstand im gleichen Verhältnis erhöhen. Kontinuitätsgesetz. Es gilt: Q = D v = const. Q = Stromstärke D = Gefäßquerschnitt ν = mittlere Strömungsgeschwindigkeit Das 2. Kirchhoff sche Gesetz besagt, dass sich der Kehrwert des Gesamtwiderstandes in parallel geschalteten Gefäßen aus der Summe der Kehrwerte der Einzelwiderstände ergibt: = R R R R gesamt 1 2 n Daraus folgt, dass der Gesamtwiderstand in einem System aus mehreren parallel geschalteten Gefäßen immer kleiner ist als der Widerstand in jedem einzelnen Gefäß und dass er umso kleiner wird, je mehr Gefäße parallel geschaltet sind. Der Gesamtwiderstand im großen Blutkreislauf beträgt bei körperlicher Ruhe ca. 2 mmhg min/l. Bei der Lungenembolie ist eine Lungenarterie oder ein Lungenarterienast und damit eines von vielen parallel geschalteten Gefäßen verschlossen und trägt nicht mehr zur Reduktion des Gesamtwiderstandes bei. Der Gesamtwiderstand in den Lungenarterien erhöht sich (2. Kirchhoff sches Gesetz). Diese Beziehung ist in Zusammenhang mit dem sog. Kontinuitätsgesetz von Bedeutung. Demnach ist in einem System verbundener Röhren die Stromstärke in jedem Abschnitt des Röhrensystems konstant (Abb. 4.1). Aus der Formel folgt, dass eine Zunahme des Gesamtgefäßquerschnitts mit einer Verlangsamung der Strömungsgeschwindigkeit einhergeht. Bedeutung hat dies insbesondere im Bereich der Kapillaren: Durch den hohen Gesamtquerschnitt ist die Blutströmung dort besonders langsam eine Voraussetzung für einen optimalen Stoffaustausch. Kirchhoff sche Gesetze. Für den Widerstand R gelten die Kirchhoff schen Gesetze. Das 1. Kirchhoff sche Gesetz besagt, dass sich die Einzelwiderstände von hintereinander (in Reihe) geschalteten Gefäßen addieren: R gesamt = R 1 + R R n Der Gesamtwiderstand steigt also mit der Zahl der hintereinander geschalteten Gefäßabschnitte bzw. der Länge des Gefäßes. Hagen-Poiseuille-Gesetz. Da Blut keine homogene Flüssigkeit ist, sondern Erythrozyten, hochmolekulare Proteine usw. enthält, ist die Viskosität höher als die von Wasser. Im Hagen- Poiseuille-Gesetz wird diese besondere Strömungseigenschaft des Blutes berücksichtigt. Das Gesetz lautet: π r Q = 4 ΔP 8η l Q = Stromstärke r = Gefäßradius η = Viskosität l = Gefäßlänge ΔP = Druckdifferenz Setzt man diese Formel in das Ohm sche Gesetz ein, so erhält man: π r4 ΔP Q = ΔP = 8η l R 8η l R = π r 4 a b c Die Aussage des nach dem Widerstand umformulierten Hagen- Poiseuille-Gesetzes lautet: Der Strömungswiderstand ist proportional zur Viskosität und zur Länge des Gefäßabschnittes und umgekehrt proportional zur vierten Potenz des Gefäßradius, also: 1 R r 4 Strömungsgeschwindigkeit [cm/s] kleine Arterien Arteriolen Kapillaren Gefäßtyp Venolen kleine Venen Abb. 4.1 Kontinuitätsbedingung. Durch die Verzweigung der Leitarterien in viele Kapillaren steigt der Gesamtquerschnitt an. Dadurch wird die Strömungsgeschwindigkeit stark verlangsamt, die Stromstärke ist jedoch in jedem Abschnitt des Gefäßsystems gleich. Hohlvene Dies bedeutet, dass sich bei einer gegebenen Druckdifferenz auch eine geringe Änderung des Gefäßradius sehr stark auf den Gefäßwiderstand und damit auf die Durchblutung auswirkt. Daher kann die Durchblutung eines Organs über eine Kontraktion oder Erschlaffung der zuführenden arteriellen Widerstandsgefäße sehr effektiv gesteuert werden. Gefäßverengung bei Arteriosklerose: Bei einer Arteriosklerose ist das Gefäßlumen meist verengt. Je nach Grad der Verengung wird die Durchblutung sehr stark eingeschränkt. Eine Verringerung des Gefäßradius auf 1 % des ursprünglichen Wertes führt zu einer Einschränkung der Stromstärke auf,1 4 =,1 =,1 % des Ausgangswertes. Sind die Koronargefäße von der Verengung betroffen, so versucht das Herz bereits in Ruhe auf die Koronarreserve (s. S. 47) zurückzugreifen, d. h. durch Senkung des Gefäßtonus die Durchblutung zu steigern. Die Kompensationsmöglichkeiten bei erhöhtem

3 5 4 Kreislauf Bedarf sind dadurch natürlich stark eingeschränkt und bei Belastung kommt es dann zu einer Myokardischämie, die sich durch retrosternale Schmerzen (Angina pectoris) bemerkbar macht. Eine Erweiterung der Stenose durch Ballondilatation, bei der die 9%ige Stenose auf eine 6%ige Stenose aufgedehnt wird (Zunahme des Gefäßradius um Faktor 4, nämlich von,1 auf,4), erhöht dagegen die Stromstärke um das 256-Fache, sodass die Koronarreserve wieder ausreicht Blutströmung Laminare und turbulente Strömung Im Gefäßsystem ist die Strömung unter physiologischen Bedingungen weitgehend laminar. Lediglich in den proximalen Abschnitten der großen Gefäße (z. B. Aortenbogen zu Beginn der Austreibungsperiode), bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten und geringer Viskosität kommt es zu Turbulenzen. Laminare Strömung. Unter laminarer Blutströmung versteht man ein geordnetes Strömen der Blutbestandteile in konzentrischen Schichten. Diese Art der Strömung kommt durch die Reibung zwischen Gefäßwand und Blutanteilen einerseits und verschiedenen konzentrischen Blutschichten andererseits zustande. Die äußerste Schicht strömt am langsamsten, während sich die inneren Schichten jeweils teleskopartig gegen die außen angrenzenden Schichten verschieben. Das Geschwindigkeitsmaximum wird im Axialstrom, also im Zentrum des Gefäßes, erreicht. Turbulente Strömung. Bei einer turbulenten Strömung verwirbeln die Blutbestandteile, die Flüssigkeit bewegt sich nicht nur parallel, sondern auch quer zur Längsachse des Gefäßes. Dadurch nimmt der Reibungswiderstand stark zu und es kommt zu zusätzlichen Energieverlusten. Um den Übergang von einer laminaren zur turbulenten Strömung abschätzen zu können, bedient man sich der (dimensionslosen) Reynolds-Zahl. Eine turbulente Strömung entsteht umso leichter, je höher Strömungsgeschwindigkeit, Gefäßradius und Dichte sind, und umso schwerer, je höher die Viskosität ist. Überschreitet die Reynolds-Zahl den kritischen Wert von 2 22, dann geht die laminare in eine turbulente Strömung über. Im Rahmen einer Anämie kann die Blutviskosität so weit absinken, dass der kritische Wert der Reynold-Zahl überschritten wird und es zur Bildung von Turbulenzen kommt. Dies geschieht v. a. an den Herzklappen (und ist dann ggf. als Systolikum auskultierbar) und dort, wo die Strömungsgeschwindigkeit (z. B. aufgrund einer Gefäßverengung) erhöht ist. Die Turbulenzen lassen sich dann als Strömungsgeräusche auskultieren. Viskosität Die Viskosität (Zähigkeit) ist ein Maß für die innere Reibung einer Flüssigkeit. Die Einheit für die absolute Viskosität ist Pa s. Meist wird sie jedoch im Verhältnis zu der Viskosität von Wasser als relative Viskosität angegeben: Wasser = 1, Plasma = 1,9 2,3, Vollblut = 3 5. Die Viskosität von Newton schen Flüssigkeiten ist eine konstante Materialeigenschaft und nur von der Temperatur abhängig. Die Viskosität des Blutes ist dagegen kein konstanter Wert, sondern variiert je nach Hämatokrit, Plasmaproteingehalt, Temperatur und Strömungsbedingungen. Da sich Vollblut in Bezug auf die Viskosität je nach Gefäßgröße und Fließgeschwindigkeit in verschiedenen Abschnitten des Gefäßsystems ganz unterschiedlich verhalten kann, spricht man auch von der scheinbaren (apparenten) Viskosität. Im Bereich der kleinen Gefäße spielen für die scheinbare Viskosität und damit für die Blutströmung zwei gegensätzliche Mechanismen eine Rolle: Fåhraeus-Lindqvist-Effekt. In sehr kleinen Gefäßen mit Gefäßdurchmessern von ca. 7 1 μm ist die scheinbare Viskosität des Blutes nur geringfügig höher als die von Plasma. Die geringe scheinbare Viskosität beruht darauf, dass sich die Erythrozyten zunehmend wie Münzen in einer Geldrolle in der Mitte des Blutstroms anordnen ( Axialmigration ), während am Rand eine zellarme Gleitschicht aus Plasma für gute Fließeigenschaften sorgt. Zudem können sich die Erythrozyten aufgrund ihrer hohen Flexibilität bei zunehmender Schubspannung gut an die Strömungsbedingungen anpassen. Sie verhalten sich dann ähnlich wie Flüssigkeitströpfchen in einer Emulsion und verringern so weiter die hydrodynamischen Störeffekte. Erst wenn die kleinen Arteriolen sich in die Kapillaren aufzweigen, deren Durchmesser mit ca. 4 μm unter dem der Erythrozyten (7 μm) liegt, steigt die scheinbare Viskosität wieder an. Die Kapillaren sind so eng, dass die Erythrozyten an die Grenze ihrer maximalen Verformbarkeit kommen, um sich hindurchzwängen zu können. Reversible Aggregation. Auf der anderen Seite kann es bei sehr langsamer Strömung, insbesondere in kleineren Gefäßen, zu einer reversiblen Aggregation der Erythrozyten kommen. Begünstigt wird diese Zusammenlagerung durch hochmolekulare Plasmaproteine wie Fibrinogen, α 2 -Makroglobulin usw. Die größeren Korpuskeln passen nicht mehr so gut durch die kleinen Gefäße, die Viskosität steigt steil an und die Strömungsgeschwindigkeit verringert sich. Dieser Effekt spielt pathophysiologisch beim Schock eine große Rolle. Physiologisch bedeutend ist die Schubspannung in der Nähe des Endothels, die Wandschubspannung. Sie verformt durch Reibung zwischen Blut und Gefäßwand das Endothel und stellt einen Stimulus für die Freisetzung vasoaktiver Substanzen wie NO dar. Die Wandschubspannung ist direkt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit und zur Viskosität und umgekehrt proportional zum Innenradius des Gefäßes. Bei hohen Schubspannungen, die bei schneller Strömung auftreten, ist die Viskosität des Blutes deutlich niedriger ist als bei geringer Strömung. Eine turbulente Strömung entsteht umso leichter, je höher die Strömungsgeschwindigkeit ist. Die Schubspannung am Endothel steigt mit der Strömungsgeschwindigkeit des Blutes Gefäßwandmechanik Der Dehnungszustand eines Gefäßes wird durch den transmuralen Druck und die elastischen Eigenschaften des Gefäßes bestimmt und beeinflusst das hindurchfließende Strömungsvolumen. Transmuraler Druck und tangentiale Wandspannung Der transmurale Druck P tm stellt die Differenz zwischen intraund extravasalem Druck dar: Abhängig ist der transmurale Druck v. a. vom intravasalen Druck, weil der extravasale Druck (Druck im Gewebe) meist

4 4.2 Kreislaufsystem 51 relativ konstant ist (und zudem so niedrig, dass man ihn meist vernachlässigen kann). Eine Ausnahme davon stellen die Lunge oder der linke Ventrikel dar, wo die Gewebedrücke stark schwanken. Der transmurale Druck dehnt die Gefäßwand und erzeugt dabei eine tangentiale Wandspannung, dem die Gefäßwand standhalten muss. Neben dem transmuralen Druck hängt die Wandspannung auch vom Innenradius r des Gefäßes und der Dicke der Gefäßwand h ab. Sie nimmt mit steigendem Druck, steigendem Innendurchmesser und abnehmender Wanddicke zu. Dies erklärt auch, warum Arterien und Venen einen unterschiedlichen Wandaufbau aufweisen. Arterien stehen aufgrund ihres hohen Innendrucks unter starker Dehnungsbelastung. Damit die Wandspannung trotzdem nicht zu hoch wird, müssen sie den erhöhten Druck durch eine dicke Gefäßwand und einen relativ kleinen Innendurchmesser kompensieren. Dem in den Venen herrschenden, relativ niedrigen Blutdruck können dagegen auch Gefäße mit geringerer Wanddicke und größerem Innenradius standhalten. Die tangentiale Wandspannung ist in den Kapillaren am geringsten. er demnach erheblich geringer als im arteriellen System. Bei Kindern ist die Wanddehnbarkeit besonders hoch, der Aortendurchmesser allerdings so klein, dass die Compliance trotzdem geringer und somit E größer ist als beim jungen Erwachsenen. Volumenelastizitätsmodul κ. Das Volumenelastizitätsmodul κ erhält man, wenn man die Volumenänderung ΔV in Bezug zu einem Gesamtvolumen V setzt (relative Volumenänderung). Es ist demnach das Produkt aus E und V: κ = E' V = ΔPtm V ΔV Das Volumenelastizitätsmodul gibt die spezifische Volumenelastizität an und ist ein Maß für die Dehnbarkeit der Gefäßwand. Je weniger dehnbar sie ist, umso höher ist κ und umso schneller wird eine Druckwelle in einem Gefäß weitergeleitet. Das Volumenelastizitätsmodul ist also eine Determinante zur Bestimmung der Pulswellengeschwindigkeit (s. S. 53). 4.2 Kreislaufsystem Compliance Je nach ihren elastischen Eigenschaften reagieren Gefäße unterschiedlich auf wechselnde Druckbelastungen. Ein Maß für die Dehnbarkeit eines Gefäßes ist die Compliance ( Volumendehnbarkeit ), die die druckabhängige Volumenzunahme in einem Gefäß beschreibt: V C = P C = Compliance [ml/mmhg] ΔV = Volumenänderung ΔP = Druckänderung Die Compliance des venösen Systems ist bis zu 2-fach höher als die des arteriellen Systems. Deshalb geht auch eine relativ große Volumenzunahme nur mit einer geringen Druckesteigerung einher. Das venöse System eignet sich daher besonders gut zur Speicherung größerer Blutvolumina, man spricht deshalb auch von Kapazitätsgefäßen. Folgendes Beispiel verdeutlicht die Eigenschaft der Kapazitätsgefäße: Von ca. 8 ml Schlagvolumen werden ca. 4 ml kurzfristig in der gespeichert (Windkesselfunktion, s. u.). Dazu muss der Druck etwa um 4 mmhg (von diastolisch 8 mmhg auf systolisch 12 mmhg) erhöht werden. Die Compliance der beträgt demnach C = 4 ml/4 mmhg = 1 ml/ mmhg. Pro mmhg Druckzuwachs steigt das Volumen also um 1 ml. Im venösen System dagegen, in dem die Compliance etwa 2-fach höher ist, würde eine Druckerhöhung von 1 mmhg erst durch die Zugabe von 2 ml erreicht. Diese großen Unterschiede in der Compliance führen dazu, dass sich infundierte Volumina sehr unterschiedlich im Kreislauf verteilen. Von 1 l Kochsalzlösung wandern etwa 5 ml in das arterielle System und 995 ml in die Kapazitätsgefäße. Volumenelastizitätskoeffizient E. Zur Beschreibung des druck- und volumenabhängigen Dehnungsverhaltens kann man auch den Volumenelastizitätskoeffizienten E verwenden. Es handelt sich hierbei um den Kehrwert der Compliance. ΔP tm 1 E' = = C ΔV Der Volumenelastizitätskoeffizient E ist umso kleiner, je höher die Nachgiebigkeit des Systems ist. Im venösen System ist Der Gesamtkreislauf besteht aus 2 hintereinander ( in Reihe ) geschalteten Kreisläufen mit 2 Pumpen. Sauerstoffreiches Blut wird aus dem linken Herzen in den Körperkreislauf ( großer Kreislauf ) gepumpt und gelangt über die und die großen Arterien bis in die Kapillaren, in denen der Stoffaustausch mit den Organen stattfindet. Aus den Kapillaren fließt das Blut über die Venolen und Venen in das rechte Herz und tritt dort in den Lungenkreislauf ( kleiner Kreislauf ) ein, um erneut Sauerstoff aufzunehmen und CO 2 abzugeben. Funktionell kann man das Kreislaufsystem in ein Hoch- und ein Niederdrucksystem unterteilen Funktionelle Anatomie des Gefäßsystems Die Gefäße in den verschiedenen Kreislaufabschnitten haben unterschiedliche Aufgaben. Sie unterscheiden sich deshalb in ihrem Aufbau und weisen charakteristische funktionelle Besonderheiten auf. Man unterscheidet Windkesselgefäße, Widerstandsgefäße, Sphinkter-Gefäße, Shunt-Gefäße, Kapillaren und Kapazitätsgefäße. Windkesselgefäß. Als Windkesselgefäß bezeichnet man die großen Arterien ( und ihre großen Äste). Sie weisen einen hohen Anteil an elastischen Fasern auf. Die Windkesselfunktion dieser Gefäße wandelt die pulsierende Strömung, die aus dem Herzen kommt, in den peripher gelegenen Arterien zunehmend in eine kontinuierliche Strömung um: In der Systole fließt nur etwa die Hälfte des ausgeworfenen Blutes direkt in die Arterien, die andere Hälfte wird zunächst in der gespeichert. Durch die elastischen Rückstellkräfte der wird danndas Blut auch während der Diastole in die Arterien gedrückt. Auf diese Weise werden Druck- und Strömungsspitzen wirkungsvoll geglättet (Abb. 4.2). Im Alter nimmt die Windkesselfunktion ab. Dadurch steigt das vom linken Ventrikel mit jedem Schlag zu beschleunigende Blutvolumen und damit die Beschleunigungsarbeit. Widerstandsgefäße. Zu den Widerstandsgefäßen gehören die kleinen Arterien und Arteriolen, die den Blutdruck vor dem Eintritt in das Kapillarsystem reduzieren. Der Anteil dieses Geaus: Endspurt die Skripten fürs Physikum Physiologie 1 (ISBN ) 211 Georg Thieme Verlag KG

5 52 4 Kreislauf 1 Blutdruck Anteil am Widerstand 25 li. Vorhof li. Ventrikel 2,6 große Arterien Arterienäste Arteriolen,4,3,6,1 Kapillaren,2 Venolen,6 Venenäste große Venen,15,7 1,6 Vv. cavae 3,2 intravasaler Druck (mmhg) Anteil am Gesamtwiderstand (%) Innendurchmesser des einzelnen Gefäßes (cm) 5, Gesamtquerschnittsfläche (cm 2 ) und große Arterien kleine Arterien und Arteriolen Kapillaren postkapilläre Venolen und kleine Venen große Venen und Vv. cavae Druckverlauf (mmhg) Abb. 4.2 Gefäßabschnitte und einige ihrer Eigenschaften. fäßabschnitts am Gesamtwiderstand (TPR = total peripheral resistance) beträgt etwa 5 % (Abb. 4.3). Dieser starke Einfluss auf den TPR beruht auf der starken Abnahme der Einzelradien der Gefäße, durch die der Gesamtwiderstand insgesamt stärker beeinflusst wird (R 1/r 4 [Hagen-Poiseuille-Gesetz]) als durch die Zunahme des Gesamtquerschnitts (R r 2 ). Bei Konstriktion der Widerstandsgefäße sinkt der Druck in den nachgeschalteten Kapillaren. Sphinkter-Gefäße. Diese haben einen ringförmigen Verschlussmechanismus aus glatter Muskulatur, mit dem sie den Blutfluss im nachgeschalteten Gebiet regulieren können. Im Bereich der präkapillären Arteriolen steuern sie die Blutverteilung auf die kapilläre Austauschfläche. Shunt-Gefäße. Shunt-Gefäße sind Kurzschlussverbindungen zwischen arteriellem und venösem Gefäßbett. Das Kapillarbett wird umgangen und das betroffene Organ partiell und funktionell von der normalen Kreislauffunktion abgekoppelt. Shunt- Gefäße sind nur unter bestimmten Bedingungen geöffnet, z. B. zur Umgehung des Lungenkreislaufs während der Fetalperiode (Ductus arteriosus Botalli; s. S. 69) oder in der Haut zur Verringerung des Wärmeverlusts in kalter Umgebung (s. S. 66). Kapillaren. In den Kapillaren findet der Gas- und Stoffaustausch zwischen Blut und Gewebe statt. Aufgrund ihres ausgesprochen hohen Gesamtquerschnitts ist die Strömungsgeschwindigkeit in den Kapillaren besonders niedrig, die Gesamtoberfläche, an der die Austauschvorgänge stattfinden, dagegen extrem groß. Kapillaren selbst besitzen keine Muskulatur. Ihre Weite wird passiv über die Änderung des Perfusionsdrucks bestimmt, der über die prä- und postkapillären Widerstands- und Abb. 4.3 Blutdruck in unterschiedlichen Abschnitten des Gefäßsystems und Anteil der Abschnitte am TPR. Sphinktergefäße reguliert werden kann. Der Anteil dieses Gefäßabschnitts am TPR beträgt etwa 25 % (Abb. 4.3). Kapazitätsgefäße. Die Kapazitätsgefäße des Niederdrucksystems dienen aufgrund ihrer hohen Compliance als Blutreservoir. In ihnen befinden sich etwa 8 % des gesamten Blutvolumens, von dem bei Bedarf ein Teil durch Tonuserhöhung der glatten Gefäßmuskulatur mobilisiert werden kann. In diesem Gefäßabschnitt nimmt der mittlere Blutdruck wesentlich weniger stark ab als im Abschnitt der Widerstandsgefäße (Abb. 4.3). Bei Konstriktion der Widerstandsgefäße sinkt der Druck in den nachgeschalteten Kapillaren. In den Kapillaren ist die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Blutes am geringsten. Der Anteil des Kapillarsystems am TPR beträgt etwa 25 %. Im Abschnitt der Kapazitätsgefäße nimmt der mittlere Blutdruck wesentlich weniger stark ab als im Abschnitt der Widerstandsgefäße Hochdrucksystem Zum Hochdrucksystem gehören die arteriellen Gefäße des Körperkreislaufs ( und Arterien bis zu den Arteriolen) sowie der linke Ventrikel in der Systole. Der mittlere Blutdruck liegt mit ca. 1 mmhg etwa 1-mal höher als im Niederdrucksystem, dafür enthält das Hochdrucksystem aber auch nur etwa 15 % des gesamten Blutvolumens. Spricht man allgemein vom Blutdruck, so ist der im Hochdrucksystem herrschende arterielle Blutdruck gemeint. Druckpuls und Strompuls Die rhythmische Pumpleistung des Herzens erzeugt in den nachgeschalteten Gefäßen eine Welle der Druckänderung, die Pulswelle, und eine Welle der Volumenverschiebung, die Stromwelle, die sich in Richtung der Kapillaren fortpflanzen. Dabei bewegt sich die Pulswelle wesentlich schneller voran als die Stromwelle.

6 4.2 Kreislaufsystem 53 An Gefäßverzweigungen oder an Stellen, an denen sich Gefäßeigenschaften (Querschnitt, Wanddicke, Elastizität) ändern, wird die Pulswelle reflektiert. Bei der Überlagerung von Wellen entgegengesetzter Laufrichtung (peripherwärts laufende und reflektierte Welle) addieren sich die Drücke während sich die Stromstärken subtrahieren, daher nimmt die Amplitude der Pulswelle peripherwärts zu, die der Stromwelle dagegen ab. Die rhythmischen Schwankungen des Blutdrucks werden durch den Druckpuls, der zeitliche Verlauf der Blutströmung durch den Strompuls charakterisiert. Druckpuls. Den Druckpuls erhält man, indem man an einer bestimmten Stelle im arteriellen Gefäßabschnitt die während eines Herzzyklus über diesen Abschnitt laufende Pulswelle misst. Der Druckpuls entsteht, wenn der Aortendruck in der Auswurfphase rasch von diastolischen auf systolische Werte ansteigt. Der Druckanstieg beträgt normalerweise etwa 4 mmhg (von 8 mmhg auf 12 mmhg). Die Differenz zwischen dem systolischen Maximal- und dem diastolischen Minimalwert des Blutdrucks bezeichnet man als Blutdruckamplitude, die über die Zeit gemittelten, durchschnittlichen Blutdruckwerte ergeben den arteriellen Mitteldruck. Da Systole und Diastole unterschiedlich lange dauern, ergibt sich der Mitteldruck genau genommen nicht einfach als arithmetisches Mittel aus systolischem und diastolischem Druck, sondern aus der Integration der Druckpulskurve über die Zeit. Wie Abb. 4.4 zeigt, nehmen systolisches Maximum und Blutdruckamplitude von der ascendens nach distal zu und sind in der A. tibialis sehr hoch. Grund hierfür ist die abnehmende Compliance der Gefäße. Das diastolische Minimum wie auch der Mitteldruck nehmen Richtung Peripherie leicht ab. Form und Amplitude des Druckpulses unterscheiden sich je nach Gefäßabschnitt (Abb. 4.4). Herznah und daher typisch für die zeigt sich eine scharfe Inzisur im zentralen Druckpuls, die durch einen kurzen Rückstrom des Blutes in Richtung der sich schließenden Aortenklappe am Ende der Systole verursacht wird. Sie wird aber durch die elastische Dämpfung schnell abgeschwächt und ist in den peripheren Gefäßen nicht mehr nachweisbar. Herzfern tritt durch die Reflexionen der Druckwelle in Richtung Herz rasch eine Überhöhung der ursprünglichen Druckkurve auf. Auch die rücklaufende Druckwelle wird erneut reflektiert nun wieder in Richtung Peripherie und bildet dort einen zweiten, schwächer ausgeprägten Gipfel, den man als dikrote Welle bezeichnet. Dieser zweite Gipfel ist v. a. in den distalen Beinarterien wie der A. tibialis posterior ausgeprägt. Die Pulswellengeschwindigkeit c (Ausbreitungsgeschwindigkeit der Druckwelle) ist wesentlich höher als die Strömungsgeschwindigkeit des Blutes und hängt neben dem Blutdruck u. a. von der Elastizität der Gefäßwände und dem Radius ab. Die Pulswellengeschwindigkeit lässt sich aus dem Volumenelastizitätsmodul κ (s. S. 51) des Gefäßes und der spezifischen Dichte des Blutes ρ bestimmen: c = κ ρ c = Pulswellengeschwindigkeit κ = Volumenelastizitätsmodul ρ = spezifische Dichte des Blutes Druck (mmhg) a Strömungsgeschwindigkeit (cm / s) b Je starrer das Gefäß ist und je kleiner der Radius ist, desto höher ist die Pulswellengeschwindigkeit. Aus diesem Grund steigt sie von ca. 5 m/s in der (viele elastische Fasern und großer Durchmesser) auf 8 12 m/s in der Peripherie (kleinere Lumina, muskelstarke, relativ starre Gefäßwände) an. Bei Arteriosklerose ist die Pulswellengeschwindigkeit aufgrund der starren Gefäßwände ebenfalls erhöht (Abb. 4.4). Die Pulswellengeschwindigkeit c lässt sich auch aus der Pulslaufstrecke i und der Pulslaufzeit Δt errechnen: i c = Δt Inzisur ascendens ascendens Mitteldruck abdominalis abdominalis systolische Maxima diastolische Minima A. femoralis A. femoralis dikrote Welle A. tibialis anterior A. tibialis anterior Abb. 4.4 Änderungen des Druckpulses (a) und Strompulses (b) im arteriellen System beim liegenden Menschen. Die Pulslaufstrecke ergibt sich aus dem Abstand zwischen 2 Abnahmestellen für die Druckpulskurve, die Pulslaufzeit ergibt sich aus der zeitlichen Verzögerung der Fußpunkte von 2 Druckpulskurven. Rechenbeispiel In Abb. 4.5 sehen Sie 2 gleichzeitig registrierte Druckpulskurven. Die beiden Abnahmestelle für die obere und untere Kurve liegen 7 cm auseinander, die Pulswellengeschwindigkeit zwischen den beiden Abnahmestellen wird als konstant angenommen. Die horizontale Ablenkgeschwindigkeit der Registrierung beträgt 1 cm/s. Wie groß ist die ungefähre Pulswellengeschwindigkeit?

7 54 4 Kreislauf Druck Lerntipp In der Prüfung wird Ihnen möglicherweise ein Diagramm präsentiert, das Strompuls und Druckpuls zeigt, und Sie müssen den Kreislaufabschnitt erkennen, aus dem die Messungen stammen. Schauen Sie sich daher Abb. 4.4, insbesondere den Verlauf bei der ascendens, genau an. Druck 5 1 cm Abb. 4.5 Druckpulskurven zum Rechenbeispiel. Lösungsweg: Ermitteln Sie zunächst die Pulslaufzeit: Die beiden Pulswellen sind um 1 cm gegeneinander verschoben. Bei einer Registrierung mit 1cm/s, entspricht das einer zeitlichen Verzögerung von,1 s. Die Pulslaufzeit Δt ist also,1 s. Dann wenden Sie die Formel zur Berechnung der Pulswellengeschwindigkeit an: c = i Δt,7m c= = 7m/s,1s Lösung: Da die Pulswelle in,1 s 7 cm zurückgelegt hat, ist die Pulswellengeschwindigkeit also 7 m/s. Lerntipp Die Pulswellengeschwindigkeit ist eine Geschwindigkeit und in der Physik werden Geschwindigkeiten nach der Formel v = s/t berechnet. Nicht anderes verbirgt sich hinter der Formel c = i/ Δt. Vielleicht hilft diese Verbindung zur Physik, dass Sie sich die Formel besser merken können. Strompuls. Der Strompuls entsteht durch den rhythmischen Auswurf von Blut aus dem Herzen in die, bei dem die Stromstärke kurzfristig bis auf ca. 6 ml/s steigt. In der Austreibungsphase, die vom Beginn des Druckanstiegs bis zur Inzisur reicht, ist die Strömungsgeschwindigkeit in der ascendens sehr hoch und geht nach Schluss der Aortenklappen auf null zurück. Dabei wird die kritische Reynolds-Zahl von 2 22 meist deutlich überschritten, sodass es hier zu Turbulenzen in der Blutströmung kommt. Zeitweise ist die Fließgeschwindigkeit sogar negativ und das Blut strömt zurück. In Richtung Peripherie nehmen die Strömungsgeschwindigkeit und damit auch der Strompuls immer weiter ab (Abb. 4.4). Arterieller Blutdruck Der arterielle Blutdruck schwankt bei Gesunden zwischen systolischen Werten < 14 mmhg und diastolischen Werten < 9 mmhg. Die Höhe des Blutdrucks hängt vom Herzzeitvolumen und dem totalen peripheren Widerstand (TPR) ab und wird durch kurz-, mittel- und langfristige Regulationsmechanismen gesteuert (s. S. 59). Durch Veränderung des Gefäßwiderstandes in den zuführenden Arterien kann außerdem die Durchblutung einzelner Organe jeweils dem aktuellen Bedarf angepasst werden. In der schwankt der Blutdruck normalerweise etwa zwischen 8 und 12 mmhg, der Mitteldruck beträgt etwa 1 mmhg. Durch die Reflexion der Druckpulswelle in den peripheren Gefäßen nimmt der systolische Blutdruck in den herzfernen Gefäßen zu. Gleichzeitig sinkt jedoch der diastolische Blutdruck ab, sodass die Blutdruckamplitude zwar größer wird, der arterielle Mitteldruck aber insgesamt abnimmt (Abb. 4.4a). Erst in den Widerstandsgefäßen (terminale Arteriolen) fällt der Blutdruck stark ab und die Unterschiede zwischen diastolischem und systolischem Druck verringern sich, bis sie schließlich in den Kapillaren kaum noch nachweisbar sind. Rhythmische Blutdruckschwankungen: Die bei der kontinuierlichen Messung des Blutdrucks messbaren Druckpulse bezeichnet man als Blutdruckschwankungen I. Ordnung. Darüber hinaus gibt es atemabhängige Blutdruckschwankungen. Bei normaler Atemfrequenz zeigt sich bei Inspiration ein leichter Abfall, bei Exspiration ein leichter Anstieg des Blutdrucks. Diese Schwankungen bezeichnet man als Blutdruckschwankungen II. Ordnung. Die Blutdruckschwankungen III. Ordnung haben eine Periodendauer von ca. 1 s und stehen wahrscheinlich im Zusammenhang mit Schwankungen des Tonus der peripheren Gefäße. Der Blutdruck unterliegt außerdem einer endogenen zirkadianen Rhythmik mit Minimalwerten gegen 3. Uhr morgens. Das systolische Maximum nimmt von der ascendens nach distal zu und ist in der A. tibialis sehr hoch. Die Pulswellengeschwindigkeit lässt Rückschlüsse auf das Volumenelastizitätsmodul zu. Die Pulswellengeschwindigkeit in der eines Erwachsenen hat eine Geschwindigkeit von etwa 5 m/s. Die Pulswellengeschwindigkeit c lässt sich auch aus der Pulslaufstrecke i und der Pulslaufzeit Δt bestimmen: c = i Δt Der für die ascendens typische Druckpuls zeigt eine deutlich ausgeprägte Inzisur. Der typische Strompuls zeigt, dass die Strömungsgeschwindigkeit vom Beginn des Druckanstiegs bis zur Inzisur sehr hoch und nach Klappenschluss gleich null ist

8 4.2 Kreislaufsystem Niederdrucksystem Zum Niederdrucksystem gehören die Kapillaren, das gesamte venöse Gefäßsystem, das rechte Herz, die Lungenstrombahn und der linke Vorhof sowie der linke Ventrikel während der Diastole. Der mittlere Blutdruck ist mit Werten zwischen und 25 mmhg wesentlich geringer als im Hochdrucksystem. Im Niederdrucksystem findet zum einen der Stoffaustausch statt, zum anderen befinden sich hier ca. 85 % des gesamten Blutvolumens und so dient es in gewissem Umfang als Blutspeicher. Die Gefäße des Niederdrucksystems sind wesentlich dehnbarer als die des Hochdrucksystems und können daher relativ viel Blut aufnehmen, ohne dass der Druck deutlich zunimmt. Blutdruck im Niederdrucksystem Der Blutdruck im venösen System liegt im Bereich der postkapillären Venolen im Liegen zwischen 15 und 25 mmhg und fällt bis zum rechten Vorhof auf 3 5 mmhg ab. Die Höhe der Werte wird wesentlich durch den Füllungszustand des venösen Systems bestimmt. In Abb. 4.6 ist der effektive Gefäßdruck in stehender Position dargestellt. Dabei gilt: 1 cm Blutsäule entsprechen etwa 1 cm Wassersäule entsprechen 75 mmhg. Aufgrund der Schwerkraft herrscht im Stehen ein effektiver venöser Gefäßdruck, der in den Fußgefäßen etwa 9 mmhg, in den Unterschenkelvenen etwa 7 mmhg und im intrakraniellen Sinus etwa 1 mmhg beträgt. Der effektive arterielle Blutdruck beträgt in der Fußwurzel etwa 19 mmhg, im intrakraniellen Sinus 7 mmhg und in der erhobenen Hand ca. 3 bis 5 mmhg. Bei einem Wechsel vom Liegen in den Stand ist der relative Anstieg des Gefäßdruckes im arteriellen und venösen System unterschiedlich groß. Besonders deutlich ist die Zunahme des Gefäßdruckes im Vergleich zum Ausgangsdruck in den Venen, die weit unterhalb der Indifferenzebene liegen (z. B. der Vena saphena parva). Da die Schwerkraft in gleicher Weise auf die Drücke im arteriellen und im venösen System einwirkt, bleibt die arteriovenöse Druckdifferenz, die ja die treibende Kraft für den Blutfluss darstellt, unbeeinflusst. Lerntipp Blutdruck in der Orthostase. Der im Nieder- und Hochdrucksystem herrschende Druck ist zusätzlich abhängig von der Messebene und der Körperhaltung. Im Liegen ist aufgrund der geringen vertikalen Differenzen im Gefäßsystem der durch die Schwerkraft verursachte hydrostatische Druck vernachlässigbar klein. Im Stehen setzt sich der effektive Gefäßdruck dagegen aus dem durch das Herz erzeugten hydrodynamischen Druck und dem hydrostatischen Druck zusammen. In Höhe der hydrostatischen Indifferenzebene des Körpers, die sich etwa 1 cm unterhalb des Zwerchfells befindet, ändert sich der Druck im Venensystem bei Veränderung der Körperposition nicht. Oberhalb der Ebene ist der effektive Gefäßdruck geringer als der hydrodynamische Druck, da der hydrostatische Druck dem hydrodynamischen Druck entgegenwirkt, unterhalb dieser Ebene addieren sich hydrostatischer und hydrodynamischer Druck. Druck [mmhg] Venen Arterien 3 5 Gelegentlich müssen Sie im Zusammenhang mit dem Blutkreislauf auch Ihre Anatomiekenntnisse bemühen, um eine Frage beantworten zu können. Anhand der Lage der Gefäße zur Indifferenzebene können Sie z. B. abschätzen, ob sich der Blutdruck bei einer Veränderung der Körperposition vom Liegen zum Stehen stark ändern wird. Bei einem ruhig stehenden Menschen beträgt der Gefäßdruck in den Unterschenkelvenen etwa 7 mmhg. Bei einem aufrecht stehenden Menschen mit senkrecht nach oben ausgestrecktem Arm beträgt der arterielle Blutdruck an der Handwurzel zwischen 3 und 5 mmhg. Beim Wechsel vom Liegen in den Stand steigt der Gefäßdruck in den Venen, die weit unterhalb der Indifferenzebene liegen (z. B. der V. saphena parva) im Verhältnis zum Ausgangsdruck besonders stark an und nimmt entsprechend beim Wechsel vom Stand zum Liegen stark ab hydrostatische Indifferenzebene Zentralvenöser Druck Von den 5 6 l Blut befinden sich mehr als 5 % im Niederdrucksystem. Der kurz vor oder im rechten Vorhof gemessene zentralvenöse Druck (auch zentraler Venendruck, ZVD) baut sich erst bei höheren Volumina auf und bleibt auch dann mit nur 3 5 mmhg gering. Er ist abhängig von der Blutfüllung des Kreislaufsystems und der Förderleistung des Herzens und zeigt pulssynchrone und atmungsabhängige Schwankungen. Die pulssynchronen Schwankungen nennt man auch Venenpuls. Sie stehen in festem zeitlichem Zusammenhang zur Herzaktion. Die Ermittlung des ZVD ist eine häufig angewandte diagnostische Methode im Bereich der Intensivüberwachung. Mithilfe des ZVD lassen sich Aussagen insbesondere bez. der Rechtsherzfunktion und des intravasalen Flüssigkeitsvolumens treffen. Lerntipp Wird der ZDV gegen das Blutvolumen aufgetragen, steigt die Kurve des ZDV mit zunehmendem Volumen nur leicht an. Abb. 4.6 Arterieller und venöser Blutdruck im Stehen.