Messung des Herzzeitvolumens

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1 HZ GK Zur Vorbereitung: Messung des Herzzeitvolumens Elektromechanische Kopplung 3.2. Mechanik des Herzens Grundlagen der Muskelkontraktion Herzklappen Herzzyklus Füllung des Herzens Frank-Starling-Mechanismus Funktionsabhängige Anpassung Physik-Praktikum: Versuch 21 Strömungsmechanik / Blutkreislauf Schmidt/Lang/Thews (29. Aufl), Kapitel 26, 27 Klinke/Pape/Silbernagl (5. Aufl.), Kapitel 7, 8.1, 8.2 Deetjen/Speckmann/Hescheler (4. Aufl.), Kapitel 8 Golenhofen (3. Aufl.), Kapitel 8, 9 Vorlesungsmaterialien, Herz (s. LernIS, Theoretische Medizin, Physiologie) Vorbereitung online: Medizinisches Lerninformationssystem (LernIS) In die Wissensdatenbank Theoretische Medizin einloggen Bitte dazu die erste Seite dieses Skriptes durchlesen, hier steht ausführlich wie es klappt!!! Als Username und Passwort die eigene Matrikelnummer verwenden, Umgebung betreten. Wenn man im Lernsystem ist, auf Vordefinierte Modulsequenzen (Kurse) klicken Stichwort: PhysioP eingeben folgende Kurse bearbeiten: * Herzzyklus * Regulation der Pumpleistung * Calcium-Homöostase Links: Herzanimation: Druckkurven, EKG und Herztöne (Englisch) Herztöne und Herzgeräusche (sehr detailliert) Herzmechanik Ventilebenmechanismus HZ 1

2 Vorbereitung auf den Praktikumstag: Zur optimalen Vorbereitung sollten Sie die von uns genannten Buchkapitel, Kurse im Lernsystemen und Links ansehen und durcharbeiten. Anbei noch eine ausführliche Liste von Zahlen und von Stichwörtern, deren Definition und Bedeutung man kennen sollte. Bitte beantworten Sie auch die 20 Fragen. Diese Hausaufgaben sollen Sie mit den Aufgaben im Testat vertraut machen. Wichtige Zahlen: Drücke im Herzen Dauer von Systole und Diastole Anteil am HZV unter Ruhebedingungen Schlagvolumen; in Ruhe, untrainiert Enddiastolisches Volumen; in Ruhe, untrainiert Endsystolisches Volumen; in Ruhe, untrainiert Ejektionsfraktion; in Ruhe, untrainiert Herzzeitvolumen (HZV) Hypertonie!!! Ort maximaler Druck in der Systole [mmhg] Druck am Ende der Diastole [mmhg] Rechter Vorhof 5 3 Rechter Ventrikel 22 4 A. pulmonalis Linker Vorhof 8 4 Linker Ventrikel Aorta Herzfrequenz Dauer der Systole [s] Dauer der Diastole [s] [1/min] 70 0,3 (1/3) 0,6 (2/3) 140 0,26 0,17 Gehirn => 15% Koronargefäße => 5% Nieren => 20% Leber => 7% Darm usw. => 23% Muskeln => 20% Haut => 10% ca. 70 ml ca. 120 ml ca. 70 ml ca. 60 % - dies entspricht dem Anteil des Schlagvolumens am enddiastolischen Volumen Aktivität Status HZV [l] = Schlagvolumen x Herzfrequenz [1/min] [ml] Ruhe untrainiert 4,9 = 70 x 70 Ruhe trainiert 5,6 = 140 x 40 max. Muskelarbeit untrainiert 19 = 100 x 190 max. Muskelarbeit trainiert 32 = 170 x 190 Nach WHO systol. Blutdruck > 140 mmhg und/oder diastol. Blutdruck > 90 mmhg HZ 2

3 Stichworte: Herzzyklus - einzelne Phasen; Systole und Diastole; Druckverläufe im Herzen, Aorta und Pulmonalarterie; Inzisur; Druckkurven der Ventrikel und Vorhöfe; Mechanismen der Ventrikelfüllung; Herztöne und Herzgeräusche; optimale Auskultationsstellen für Herztöne und Herzgeräusche ; Herzleistung; Herzarbeit; Arbeitsdiagramm des Herzens; Herzfrequenz; Herzzeitvolumen; Möglichkeiten, das HZV zu bestimmen und zu berechnen; Laplace-Gesetz; Frank-Starling-Mechanismus; Preload; Afterload; Hypertonie; Herzinsuffizienz. Hausaufgaben: 1. Wie heißen die vier Aktionsphasen des Herzzyklus? 2. Wann schließen und öffnen sich die verschiedenen Herzklappen? 3. In dieser Abbildung sehen Sie den Druckverlauf im linken Herzen. Dargestellt sind die Druckverhältnisse im linken Ventrikel. Zeichnen Sie in die Abbildung den Druckverlauf des linken Vorhofs und der Aorta ein. 4. Diese Abbildung zeigt im Ablauf des Herzzyklus eine Druckkurve. Worum handelt es sich hier? HZ 3

4 5. Wie lautet das Gesetz von Laplace? Welche Bedeutung hat es für das Herz? 6. Wie lang ist die Dauer der Systole und Diastole, wenn die Herzfrequenz 75/Minute beträgt? 7. Beschreiben Sie die Bestimmung des Herzminutenvolumens im Praktikum. 8. Welche Bildgebenden Verfahren kennen Sie? Kann man sie zur Bestimmung des HZV nutzen? 9. Erläutern Sie die Bestimmung des Herzminutenvolumens nach dem Fickschen Prinzip. 10. Um welchen Faktor nimmt die Durchblutung bei folgenden Tätigkeiten in den genannten Organen zu? Organ / Organgebiet Herz (Koronarien) Skelettmuskulatur Splanchnikusgebiet Haut Maximale Zunahme der Durchblutung (Faktor) Tätigkeit Muskelarbeit Muskelarbeit Verdauung Hitze (Kälte) 11. Was ist der Ventilebenenmechanismus und was bewirkt er? 12. Wie entstehen der erste und zweite Herzton? 13. Worin unterscheiden sich Herztöne von Herzgeräuschen? 14. Zeichnen Sie die günstigsten Auskultationsstellen für Klappentöne ein und benennen Sie exakt den Ort! HZ 4

5 15. Durch Ausdauertraining lässt sich die Leistungsfähigkeit des Herzens erheblich steigern. Beschreiben Sie die charakteristischen Umstellungen bei einem Ausdauersportler im Vergleich zu einem Nichtsportler. Nichtsportler Ausdauersportler Herzfrequenz, in Ruhe [1/min] Herzfrequenz, maximal [1/min] Schlagvolumen, Ruhe [ml] Schlagvolumen, maximal [ml] HZV in Ruhe [l/min] HZV, maximal [l/min] Herzgewicht [g] 16. Beschreiben Sie in groben Zügen den Frank-Starling-Mechanismus für den Fall einer Volumenbelastung. 17. Was versteht man unter Vorlast ( preload ) und Nachlast ( afterload )? 18. Was ist der Unterschied zwischen Herzarbeit und Herzleistung? 19. Wann spricht man von einer Hypertonie? 20. Was verstehen Sie unter einer Herzinsuffizienz? Welche Ursachen kennen Sie für diese Krankheit? Zusammenfassung: HZV Das Herzzeitvolumen (HZV) ist das Blutvolumen, das pro Zeiteinheit vom Herz ausgeworfen wird. Es entspricht dem Produkt aus Schlagvolumen (SV) und Herzfrequenz (HF): HZV = SV HF. Bei einem Schlagvolumen von 70 ml und einer Herzfrequenz von 70 min -1 ergibt sich ein HZV von ca. 5 l/min. Das HZV ist somit eine Volumenstromstärke. Das HZV kann bestimmt werden durch: a) die Messung von Schlagvolumen (mittels bildgebender Verfahren) und Herzfrequenz, b) die Messung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit des Blutes in der Aorta (z.b. durch bildgebende Verfahren) und des Aortenquerschnitts, c) durch Indikatordilutionsverfahren, und d) durch das klassische Verfahren zur Bestimmung des HZV: die Anwendung des Fickschen Prinzips. HZ 5

6 In der klinischen Routine werden die bildgebenden Verfahren vor allem zu einer qualitativen Abschätzung des HZV eingesetzt. Eine quantitative Bestimmung des HZV ermöglicht das Indikatordilutionsverfahren. Hier wird ein definiertes Volumen eines Indikators (z.b. eiskalte Kochsalzlösung oder Farbstoff) als Bolus in den rechten Vorhof injiziert, und die Temperatur bzw. die Konzentration stromabwärts in der Pulmonalarterie aufgezeichnet. Der Signalabfall ist proportional zur Indikatormenge. Sein Zeitverlauf, und somit das Integral (Fläche unter der Kurve) des Signalabfalls ist abhängig von der Volumenstromstärke, d. h. vom HZV. Je geringer das HZV, desto länger verweilt der Indikator im Bereich des Mess-Volumens, und desto größer ist das Integral. Das Integral ist somit umgekehrt proportional zur Volumenstromstärke, d. h. zum HZV. Dem klassischen Verfahren zur HZV-Bestimmung, dem Fickschen Prinzip, liegt die Überlegung zu Grunde, dass die in einem Organ aufgenommene oder an dieses abgegebene Stoffmenge der Differenz zwischen zugeleiteter und abgeführter Menge dieses Stoffes entspricht. Somit entspricht die Sauerstoff-Aufnahme durch die Lunge (VO 2 /t, die spirometrisch bestimmt werden kann) der Differenz des aus der Lunge ausströmenden O 2 (arterieller O 2 -Gehalt HZV) und des in die Lunge einströmenden O 2 (gemischt-venöser O 2 -Gehalt HZV). Messung des gemischt-venösen und des arteriellen O 2 -Gehalts sowie der O 2 -Aufnahme ermöglicht somit eine Berechnung des HZV. Fallbeispiel Herr S., ein dreiundfünfzigjähriger Patient, wird kaltschweißig und mit pektanginösen Beschwerden, die in den linken Arm ausstrahlen, in ein städtisches Klinikum eingeliefert. Anamnestisch gibt er an, dass die Schmerzen schon den ganzen Morgen lang angedauert haben und er erst den Notarzt verständigt hat, als er die Schmerzen nicht mehr aushalten konnte. Verdachtsdiagnose Die Verdachtsdiagnose lautet Herzinfarkt. Diese Vermutung wird anhand eines EKGs bestätigt, das die Frühphase eines massiven Vorderwandinfarktes (deutliche Hebungen in V1-V5) zeigt. Darüber hinaus sieht man in den Laborwerten einen Anstieg z.b. von cytosolischen Enzymen und Myofilamentproteinen, die vor allem bei Zelltod in größerem Umfang freigesetzt werden. Der Patient wird in die Intensivstation des Krankenhauses verlegt. Sowohl das Röntgenbild als auch die Auskultation der Lunge geben Hinweise auf eine pulmonale Stauung. Maligne Herzrhythmusstörungen liegen nicht vor; es zeigt sich jedoch eine stark ausgeprägte Tachykardie. Als Therapie der Wahl wird bei Herrn S. neben einer Antikoagulation entweder eine Lysetherapie oder eine selektive Ballon-Dilatation mit Stent-Implantation durchgeführt. Da zum Interventionszeitpunkt das erste Schmerzereignis 5½ h zurückliegt, kann keine Aussage über den Erfolg der Therapie getroffen werden, denn das Myokard kann nach einem thrombembolischen Verschluss maximal 6 h überleben. Auf der Intensivstation wird Herr S. täglich echokardiographisch untersucht. Hierbei stellt sich eine Bewegungseinschränkung der Vorderwand heraus. Daneben finden sich im linken Ventrikel sowohl ein erhöhtes enddiastolisches Volumen als auch eine erniedrigte Ejektionsfraktion. Zur weiteren hämodynamischen Abklärung wird ein Rechtsherzkatheter gelegt. Mit diesem werden beim Patienten in der A. pulmonalis der pulmonale Kapillardruck und der pulmonale enddiastolische Druck gemessen. Gleichzeitig wird mit der Thermodilutionsmethode das Herzzeitvolumen bestimmt. Hierbei bestätigen sich die bereits gestellten klinischen Befunde, denn die beiden Drücke sind aufgrund der Stauung vor dem linken Herzen erhöht. Das Herzzeitvolumen ist erniedrigt. So ergibt sich bei Herrn S. das Bild einer schweren Herzinsuffizienz, die trotz der Maximaltherapie nicht in den Griff zu bekommen ist, so dass Herr S. am zehnten Tag seiner Klinikeinweisung am kardiogenen Schock verstirbt. HZ 6

7 Einführung in den Praktikumstag Herzzyklus Das Herz sorgt als Umwälzpumpe für den Antrieb der Blutzirkulation. Es wird aus zwei muskulären Hohlorganen gebildet der linken und der rechten Herzhälfte die im Kreislauf funktionell hintereinander geschaltet sind. Der Teil der Strombahn, in dem das Blut auf dem Weg von der rechten zur linken Herzhälfte durch die Lunge fließt, wird als kleiner oder Lungenkreislauf bezeichnet und dem großen oder Körperkreislauf gegenübergestellt. Streng genommen existiert jedoch nur ein Kreislauf, in dem das Blut nacheinander die Körper- und die Lungenstrombahn durchfließt und in den die Herzhälften als Antriebsmotoren eingeschaltet sind. Dies bedingt, dass die Auswurfleistung des linken und rechten Herzens nahezu gleich sind geringe Unterschiede würden mit der Zeit zu erheblichen Störungen in den einzelnen Kreislaufabschnitten führen. Die Pumpwirkung des Herzens beruht auf dem rhythmischen Wechsel von Kontraktion (Systole) und Erschlaffung (Diastole) der Kammern (Ventrikel). In der Systole wird der größere Teil des am Ende der Diastole in den Ventrikeln befindlichen Blutes als sogenanntes Schlagvolumen in die großen Gefäße ausgeworfen. In der anschließenden Diastole füllen sich die Ventrikel erneut durch Zustrom von Blut aus den Vorhöfen (Atrien). Ein Rückstrom des Blutes wird durch die Ventilwirkung der Herzklappen verhindert. Im Ablauf des Herzzyklus wird die Systole in Anspannungs- und Austreibungsphase unterteilt, und die Diastole in Erschlaffungs- und Füllungsphase. Diese lassen sich durch charakteristische Druckbzw. Volumenänderungen voneinander abgrenzen: Anspannungsphase Die Anspannung der Ventrikelmuskulatur bewirkt zunächst den Schluss der Atrioventrikularklappen, sobald der Druck innerhalb des Ventrikels den Vorhofdruck überschreitet. Da Blut als Flüssigkeit inkompressibel ist, kommt es anschließend zu einem steilen Druckanstieg (isovolumetrische Kontraktion = Kontraktion bei konstantem Volumen). Bis zum Ende der Anspannungsphase sind die Arterienklappen noch geschlossen. Austreibungsphase Erst wenn der Druck im Ventrikel den Aortendruck bzw. den Druck in der A. pulmonalis übersteigt, beginnt mit dem Öffnen der Arterienklappen die Austreibungsphase. Unter Ruhebedingungen wirft z.b. der linke Ventrikel dabei von seinem enddiastolischen Volumen von ca. 120 ml etwa 70 ml als Schlagvolumen aus. Etwa 50 ml Blut verbleiben somit als Restvolumen (endsystolisches Volumen) in der Herzkammer. Den Anteil des Schlagvolumens am enddiastolischen Volumen bezeichnet man als Auswurf- oder Ejektionsfraktion. Sie beträgt im beschriebenen Fall 0,58 (= 58 %). Während der Austreibungsphase steigt der Ventrikeldruck zunächst noch an, bevor er gegen Ende der Systole abfällt. Erschlaffungs- oder Entspannungsphase Sinkt der Druck im Ventrikel unter den Arteriendruck, schließen sich die Arterienklappen. Dies stellt den Beginn der Diastole dar. Die Entspannungsphase kennzeichnet den Zeitraum zwischen dem Schluss der Arterien- und der Wiederöffnung der AV-Klappen. Durch isovolumetrische Erschlaffung des Myokards fällt der intraventrikuläre Druck hierbei auf nahezu 0 mm Hg ab. Beim Unterschreiten des Vorhofdrucks öffnen sich die AV-Klappen, und es beginnt die HZ 7

8 Füllungsphase, in deren erstem Drittel das Ventrikelvolumen bereits wieder um 80 % des Schlagvolumens zunimmt (im oben beschriebenen Fall also um 56 ml). Der Ventrikeldruck steigt in dieser Phase dagegen nur wenig an. Die aufgeführten Phasen, die in ihrer Gesamtheit als Herzzyklus bezeichnet werden, finden sich analog im rechten und im linken Herzen. Der wesentliche Unterschied ist der geringere systolische Spitzendruck im rechten Ventrikel auf Grund eines geringeren Strömungswiderstandes im Lungenkreislauf. Herztöne Ein Ausdruck der mechanischen Herzaktion sind die Herztöne. Der 1. Herzton entsteht als dumpfes Geräusch während der Anspannungsphase (Anspannungston). Er kommt dadurch zustande, dass sich die Kammermuskulatur beim Schluss der AV-Klappen ruckartig zusammenzieht und in Schwingungen gerät, die sich auf den Brustkorb übertragen. Der 2. Herzton ist heller und fällt mit dem Schluss der Aorten- und Pulmonalklappe zusammen (Klappenschlusston). Der dritte Herzton (S3) ist im allgemeinen nur bei Kindern und Jugendlichen wegen deren günstigeren Schallleitungsbedingungen hörbar - er ist nicht zwingend vorhanden. Er entsteht durch den Ruck der Kammerwand beim Einströmen des Blutes in der frühen Füllungsphase. Am Ende der P-Welle und vor Beginn der Q- Zacke des EKG wird gelegentlich noch eine Schwingung registriert, die durch die Vorhofsystole in der Füllungsphase entsteht. Dieser vierte Herzton (S4) ist bei der gewöhnlichen Auskultation nicht wahrnehmbar. Physiologisch tritt er bei Kindern und Jugendlichen auf, bei Erwachsenen ist er ein Hinweis auf pathologische Prozesse. Abb 1.: EKG und Phonokardiogramm. (aus Schmidt, Thews, Lang: "Physiologie des Menschen", Springer 2000) Die Auskultationsorte des ersten und zweiten Herztons Die besten Auskultationsorte für den 1. Herzton liegen direkt über den Ventrikeln, nämlich etwa im 5. Interkostalraum links medioklavikulär (linkes Herz, Mitralklappe) bzw. am rechten Sternalrand (rechtes Herz, Trikuspidalklappe). Den zweiten Herzton auskultiert man am günstigsten nicht direkt über dem Herzen, sondern in Richtung des Blutstromes verschoben, d. h. für die Aortenklappe im 2. Interkostalraum am rechten Sternalrand und für die Pulmonalklappe im 2. Interkostalraum am linken Sternalrand. HZ 8

9 Herzgeräusche Herzgeräusche werden durch Turbulenzen (Strudelbildungen) des Blutstroms hervorgerufen, welche meist an defekten Herzklappen auftreten. Dabei werden Stenose (Klappenverengungen) und Insuffizienzen (fehlender Klappenschluß) unterschieden. Ihre Beschreibung erfolgt nach verschiedenen Kriterien wie z.b. Frequenz, Klangfarbe und Punctum maximum (= Ort der besten Hörbarkeit). Nach der Lokalisation in der Herzphase unterscheidet man systolische und diastolische Herzgeräusche. Bei einer Aortenklappenstenose handelt es sich um eine angeborene oder erworbene (rheumatisches Fieber) Einengung des aortalen Ausflusstraktes. Die Stenose verursacht ein systolisch auftretendes, rauhes Herzgeräusch, dass im Anschluss an den ersten Herzton zu hören ist und sein Punctum maximum im zweiten Interkostalraum rechts parasternal hat. Die holosystolisch wahrnehmbare Mitralklappeninsuffizienz erzeugt ein bandförmiges Geräusch mit Punctum maximum über der Herzspitze. Es entsteht, wenn die Mitralklappe nicht mehr dicht schließt und während der Anspannungs- und der Austreibungsphase Blut aus dem linken Ventrikel in den Vorhof zurückströmt (Ventrikeldruck zu dieser Zeit über dem Vorhofdruck!). Eine Aortenklappeninsuffizienz ist dagegen vor allem in der Diastole auskultierbar: Das Punctum maximum dieses hochfrequenten, hauchenden Geräuschs liegt im dritten Interkostalraum parasternal. Bei höhergradigen Aortenklappeninsuffizienzen findet sich auch eine systolische Komponente mit Punctum maximum im zweiten Interkostalraum parasternal. Die Mitralklappenstenose ist durch einen sogenannten Mitralöffnungston und ein rumpelndes, tieffrequentes Geräusch während der Füllungsphase mit Punctum maximum über der Herzspitze gekennzeichnet, an das sich ein frühsystolisches Crescendo anschließt. Abb. 2: Schallphänomene im Verlauf des Herzzyklus. (Verändert nach: Klinke, Silbernagl: "Lehrbuch der Physiologie" HZ 9

10 Bestimmung des HZV Das Herzzeitvolumen ist definiert als Produkt aus Schlagvolumen und Herzfrequenz. Es wird normalerweise in Litern pro Minute angegeben und beträgt in Ruhe ca. 5 l/min. Bei schwerer Muskelarbeit kann das HZV auf über 25 l/min ansteigen. Für die Bestimmung des HZV existieren verschiedene Möglichkeiten, als klassische Methode gilt die Anwendung des Fickschen Prinzips, die früher als Goldstandard diente. Heute benutzt man in erster Linie bildgebende Verfahren oder die Indikatordilution. a) Messung des Schlagvolumens Durch nichtinvasive bildgebende Verfahren wie die Magnetresonanztomographie (MRT) oder die Echokardiographie lassen sich das enddiastolische und das endsystolische Volumen im Ventrikel bestimmen. Aus der Differenz der Messwerte ergibt sich das Schlagvolumen. Ist das Schlagvolumen bekannt, errechnet sich das HZV durch Multiplikation mit der Herzfrequenz. Die Herzfrequenz kann auskultatorisch oder palpatorisch bestimmt werden oder auch durch das Ausmessen eines EKG. b) Messung der Strömungsgeschwindigkeit Die Doppler-Ultrasonographie ermöglicht es, die Flussgeschwindigkeit in der Aorta zu bestimmen. Gekoppelt mit einer Ultraschall- oder echokardiographischen Messung des Aortendurchmessers kann man damit die Volumenstromstärke also das HZV als mittlere Geschwindigkeit mal Querschnittsfläche errechnen. Beträgt die Flussgeschwindigkeit beispielsweise 27 cm/s und der Aortendurchmesser 2 cm (=> Aortenquerschnittsfläche = 3,14 cm 2 ), ergibt sich daraus ein HZV von ca. 85 ml/s oder 5,1 l/min. c) Indikatordilution, insbes. Thermodilution Diese Methode basiert auf der Verdünnung (= Dilution) eines Indikators im menschlichen Blut, dessen Konzentration über die Zeit hinweg gemessen wird. Die Konzentration (C) ist definiert als Indikatormenge (m) geteilt durch das Blutvolumen (V), in dem sich der Indikator verteilt hat. Daraus ergibt sich durch Umformen: (1) V = m C Wird nun ein Indikator in den Volumenstrom injiziert, und an einem Punkt stromabwärts die Indikatorkonzentration gemessen, so kann eine transiente Konzentrationsänderung als Kurve aufgezeichnet werden, während der Indikator den Messfühler passiert. Der Zeitverlauf der Signaländerung und somit die Fläche unter der Kurve ist abhängig von der Volumenstromstärke: Je schneller das Blut strömt, umso kürzer bleibt der Indikator im Messbereich, und umso kleiner ist die Fläche unter der Mess- Kurve, also das Integral. Dieses ist umgekehrt proportional zur Volumenstromstärke. Unter Einbeziehung von Formel (1) lässt sich die Volumenstromstärke und damit das HZV wie folgt berechnen: (2) HZV = V t = m C Indikator Indikator t Dabei entspricht das Integral der Indikatorkonzentration über die Zeit der Fläche unter der Kurve. Bei der Thermodilution dient die Temperatur einer eiskalten physiologischen Kochsalz- oder 5 %igen Glucose-Lösung als Indikator. In der Klinik wird dieser Kälteindikator appliziert, indem ein definier- HZ 10

11 tes Volumen mit einem Katheter rasch in den rechten Herzvorhof injiziert wird. (Da die Förderleistungen des rechten und linken Herzens nahezu gleich sind (s. o.), lässt sich durch die Thermodilution auch auf die Förderleistung des linken Ventrikels schließen.) In der mehr distal gelegenen Pulmonalarterie registriert ein Thermistor (= Messfühler) des Katheters das Vorbeiströmen des Indikatorbolus als ein Absinken der Bluttemperatur. Dabei wandelt der Thermistor die thermischen in elektrische Signale um, die von einem Computer als Temperatur-Zeit-Diagramm aufgezeichnet werden (Abb. 3). a) b) Abb. 3: a) Lage des Thermodilutionskatheters im Herzen b) Temperatur-/Zeit-Diagramm (Achtung: Temperaturabfall nach oben aufgetragen!): Nach der Injektion registriert der Thermistor einen Temperaturabfall solange der Kältebolus den Messfühler passiert. Bei der Thermodilution entspricht die Menge der zugeführten Kälte dem Produkt aus dem Injektionsvolumen und der Temperaturdifferenz zwischen Injektionslösung (z. B. 0 C) und Blutstrom (z. B. 37 C) (Volumen Indikator Temperaturdifferenz T 0 ). Die Konzentration des Indikators im Verteilungsvolumen entspricht dann der dort erzielten Temperaturdifferenz T. Im Temperatur-Zeit-Diagramm lässt sich im Zeitraum, den der Kältebolus braucht, um den Thermistor zu passieren, ein transienter Abfall im Kurvenverlauf erkennen = (transiente Konzentrationsänderung). Aus der Fläche unter der Temperatur-Zeit-Kurve, also dem Integral von T t, und der zugegebenen Indikatormenge lässt sich analog zu Formel (2) das HZV wie folgt berechnen: (3) HZV = V Indikator T t T0 [ ml C] [ C s] Da das HZV normalerweise in Litern pro Minute angegeben wird, muss der anhand von Formel (3) ermittelte Wert anschließend auf die gängigen Maßeinheiten umgerechnet werden. Neben der Temperatur sind auch Farbstoffe oder radioaktive Substanzen als Dilutionsindikatoren geeignet, wenn sie den Plasmaraum während der Messung nicht verlassen und ihre Konzentration einfach zu bestimmen ist (z. B. photometrisch). HZ 11

12 e) Ficksches Prinzip Adolf Fick postulierte 1870, dass die Menge Sauerstoff, die der Blutkreislauf pro Zeit aus der Lunge aufnimmt, der Differenz von pulmonalem O 2 - Ausstrom und O 2 -Einstrom entspricht. Da der pulmonale Blutfluss der Auswurfleistung des rechten Ventrikels entspricht (und damit auch der des linken Ventrikels), bietet sich hier ein Weg an, das HZV zu bestimmen. Dies ist in nebenstehender Abbildung illustriert. Die O 2 -Menge, die pro Minute vom venösen Blut in die Lungen einfließt, ist Blutfluss (Q) mal venöse O 2 -Konzentration (C v ): (4) O2 Zufluss Q CV = Ebenso verhält es sich mit der O 2 -Menge, die pro Minute aus den Lungen mit dem Blut herausfließt; sie ist gleich Blutfluss mal arterielle Sauerstoffkonzentration (5) O2 Abfluss Q CA = Die Sauerstoffmenge, die vom Blut während der Passage durch die Lungen aufgenommen wird, berechnet sich dementsprechend aus O 2 -Zufluss O 2 - Abfluss. Im Gleichgewichtszustand muss diese O 2 - Aufnahme gleich der O 2 -Abgabe aus dem Alveolargas in den Lungen sein. Daher gilt: (6) V O2 = Q Ca Q Cv oder als arteriovenöse Konzentrationsdifferenz 2 = a v (7) V O Q ( C C ) Einnahme J (20 /min) (5 /Mann) (1 /Mann) Abb. 4: Anwendung des Fickschen Prinzips zur Messung des pulmonalen Blutflusses (a): PA, Pulmonalarterie; PV, Pulmonalvenen. Das Ficksche Prinzip ist recht allgemein und ließe sich z.b. auch anwenden, um den Strom von Menschen beim Eintritt in ein Fußballstadion zu messen (b): Der Materialfluss (Geld) bewegt sich hier in die entgegengesetzte Richtung wie der Sauerstoff in der Lunge. Wenn 20 Euro pro Minute eingenommen werden und jede Person um 4 Euro ärmer herauskommt, ist der Menschenstrom fünf Personen/min. Analoge physiologische Situationen sind u.a. die Passage von CO 2 aus dem Blut ins Alveolargas und von Glucose aus dem Blut in den Muskel. Das ist die Ficksche Gleichung: Sie besagt, dass die O 2 -Aufnahme aus dem Alveolargas pro Minute (ml/min) gleich dem pulmonalen Blutfluss (l/min) mal der arteriovenösen Differenz des O 2 -Gehalts (ml/l) ist. Da der pulmonale Blutfluss der Auswurf des rechten Ventrikels ist, kann Gleichung (4) umgeformt werden zu: (8) Q = -1 [ ml min ] [ -1 - Gehalt) ml l ] VO l 2 O2 - Aufnahme = HZV Ca - C v min = (art. O2 - Gehalt) - (ven. O2 Der O 2 -Verbrauch (d. h. die O 2 -Aufnahme aus der Atemluft) lässt sich dabei mit einem Spirometer ermitteln. Zur Bestimmung des arteriellen O 2 -Gehalts wird Blut aus der Brachial-, Radial- oder Femoralarterie entnommen. Der gemischt-venöse O 2 -Gehalt wird aus pulmonalarteriellem Blut bestimmt, das mittels eines Herzkatheters entnommen wird. HZ 12

13 Die Ficksche Methode war lange Zeit der Maßstab, an dem andere Methoden gemessen wurden. Sie hat jedoch ihre Grenzen. Sie ist langsam und kann kurzfristige Änderungen im Schlagvolumen nicht erfassen. Die Methode ist nur aussagekräftig für den Gleichgewichtszustand, d.h. die frühe Änderung des HZV bei Arbeit kann damit nicht gemessen werden. Die Methode ist invasiv und kann bei schwerer Arbeit nicht eingesetzt werden, da der Herzkatheter in einem heftig schlagenden Herzen Arrhythmien verursacht. Beispielrechnung Ein Mensch nimmt in Ruhe ungefähr 250 ml O 2 pro Minute aus dem Alveolargas auf. Das arterielle Blut enthält 195 ml O 2 pro Liter, während das venöse Mischblut in der Pulmonalarterie 145 ml O 2 pro Liter enthält. Aus jedem Liter Blut werden also 50 ml O 2 entnommen d. h. (C a C v ) = 50 ml/l. Daraus errechnet sich nach Gleichung (5) ein HZV von 250/50 l/min = 5 l/min. Bei Kenntnis der Herzfrequenz lässt sich daraus das Schlagvolumen des Herzens berechnen: (9) HZV = Schlagvolumen x Herzfrequenz bzw. SV = HZV / HF d. h. dass bei einer normalen Herzfrequenz von 70 Schlägen pro Minute das Schlagvolumen 71.5 ml beträgt. Das Ficksche Prinzip im Allgemeinen Das Ficksche Prinzip ist allgemeingültig und lässt sich auf jedes durchblutete Organ anwenden, in dem in einem Fließgleichgewicht Stoffe oder Wärme ausgetauscht werden. Allgemein gesprochen ist der Fluss von Material oder Wärme zwischen der Flüssigkeit und dem durchbluteten Organ gleich dem Flüssigkeitsstrom multipliziert mit der Konzentrationsänderung zwischen Zufluss und Abfluss: (10) J V ( ) = C aus C ein Wie aus Abbildung 1 ersichtlich, trifft das Ficksche Prinzip sogar für den Zufluss von Geld am Eingang eines Fußballstadions zu. In der Physiologie wird das Ficksche Prinzip z. B. dazu eingesetzt, um mit Messungen des Blutstroms und der arteriovenösen Konzentrationsdifferenz die Menge eines Stoffes zum Beispiel Glucose oder Fettsäuren zu bestimmen, die ein Organ in einer definierten Zeit aufnimmt. HZ 13

14 Aufgabe 1: Bestimmung des Herzzeitvolumens mittels Thermodilution Prinzip Thermistor Mischkammer Quetschhahn Vorratsflasche Injektionsort Im Praktikum wird der menschliche Kreislauf durch ein vereinfachtes Modell repräsentiert (Abb. 5): Eine Pumpe fördert Leitungswasser über einen kurzen Schlauch in eine Mischkammer (= rechte Herzkammer). Die Injektion des Kältebolus in das Schlauchstück erfolgt über den Injektionshahn. Nach der Mischkammer fließt das Wasser frei in die Vorratsflasche und passiert auf dem Weg dorthin den Thermistor des Thermodilutionskatheters. Die Vorrratsflasche wiederum ist frei mit der Pumpe verbunden, deren Leistung sich indirekt über den Quetschahn regulieren lässt: An ihm sind im Versuch verschiedene Flussgeschwindigkeiten und damit quasi verschiedene Fördervolumina der Pumpe einzustellen. Pumpe Abb. 5: Schema des im Praktikum verwendeten Kreislaufmodells HZ 14

15 Versuchsdurchführung 1. Die Ausgangstemperatur des Wassers im Kreislaufsystem wird per Alkoholthermometer ermittelt und im Ergebnisteil in der Tab.1 protokolliert. Die Temperatur des Eiswassers beträgt 0 C. 2. Jetzt ist mit Hilfe des Quetschhahnes ein Fördervolumen von ungefähr 1,4 l/min einzustellen. Das exakte Fördervolumen muss mit Uhr und Messzylinder genau bestimmt werden. Dazu Kreislaufsystem öffnen und per Schlauch für 30 sec Wasser in den Messzylinder leiten (Anschließend Wasser in den Kreislauf zurückgeben!). Fördervolumen auf 1 Minute hochrechnen, der Wert soll höchstens 1,5 Liter pro Minute betragen. Den gemessenen Wert des Fördervolumens bitte auch in die Tab.1 des Ergebnisteils eintragen. 3. Nun wird das HZV durch Thermodilution bestimmt: Am Computer auf das Symbol Start klikken. Die Wassertemperatur wird als rote Kurve über die Zeit hinweg aufgezeichnet, die Messung wird durch Anklicken von Files und Save as unter dem Namen HZV_DD_MM_JJ (z.b. HZV_09_11_06) auf der Festplatte: (E) Studierende Ordner: HZV-Praktikum Unterordner: HZV_Praktikum_2006 gespeichert (später während des Versuchs jede Messung immer wieder zwischenspeichern!) 4. Start der ersten Messung durch Zugabe von 20 ml Eiswasser (0 C) mit einer Spritze über den Injektionshahn. Dieses Vorhaben ist zunächst im Commentfeld des Computers stichpunktartig zu vermerken (z.b. als: 20 ml 0 C H 2 O). Zeitgleich zur Injektion wird durch Betätigen der Enter- Taste ein Marker innerhalb der Temperaturkurve gesetzt. Die Temperatur sinkt zunächst deutlich ab, wenn der Bolus den Messfühler passiert, um sich dann auf ein neues Gleichgewicht einzupendeln. Dieses liegt durch die Eiswasserzugabe (= Temperatursenkung im Kreislaufsystem) unter dem Ausgangswert. 5. Um das HZV nach Formel (3) berechnen zu können, muss die Fläche unter der Temperatur/Zeit- Kurve durch Integration bestimmt werden. Diese Berechnung führt der Computer aus, wenn der Bereich der Messkurve vom Beginn des Temperaturabfalls bis zum Erreichen des neuen Gleichgewichtszustandes mit der linken Maustaste markiert wird. (Die Markierung sollte nach oben und unten über den Kurvenverlauf hinausgehen; ein Positionskreuz, das auf der Kurve erscheint, erleichtert das Treffen von Anfangs- und Endpunkt der Markierung.) In dem Mini-Window innerhalb des Bildschirms erscheint der Wert für das entsprechende Integral (z.b. 23,54 C), der für die anschließende Berechnung des HZVs im Ergebnisteil zu protokollieren ist. 6. Nachdem sich das neue Gleichgewicht eingestellt hat, kann die zweite Messung gestartet werden. Zunächst wieder die Ausgangstemperatur des Wassers im Kreislaufsystem messen und notieren, dann bei gleicher Förderleistung wieder 20 ml Eiswasser injizieren und wie unter Punkt (4) und (5) beschrieben weiter verfahren. 7. Anschließend Computeraufzeichnung durch den Stop-Button anhalten und Fördervolumen durch Zudrehen des Quetschhahnes auf ca. 1,2 l/min bzw. anschließend 0,6 l/min verringern (mit Stoppuhr und Messzylinder überprüfen und protokollieren.) Tipp am Rande: Fördervolumina unter 0,5 Litern pro Minute führen zu einem sehr langsamen Versuchsablauf und sollten vermieden werden. Computeraufzeichnung wieder starten und auch für die verringerten Fördervolumina jeweils zweimal den Temperaturverlauf ermitteln. Zuletzt Computeraufzeichnungen durch Stop-Button beenden und abspeichern. HZ 15

16 Ergebnisse und Auswertung: Bestimmung des HZV Tab. 1: Fläche unter der Temperatur/Zeit-Kurve bei verschiedenen Fördervolumina Fördervolumen [l/min] Ausgangs- Temperatur [ C] 1. Messung 2. Messung Fläche unter der Temperatur/Zeit- Kurve ( T t)[ Cs] Ausgangs- Temperatur [ C] Fläche unter der Temperatur/Zeit- Kurve( T t) )[ Cs] Das HZV wird nach Formel: HZV = V Indikator T t T0 [ ml C] [ C s] ermittelt. V Indikator = 20 ml T 0 = (Ausgangstemperatur [ C] Temperatur des Eiswassers, dies entspricht 0 C) Tab. 2: Vergleich der durch Thermodilution ermittelten HZV-Werte Fördervolumen [l/min] HZV per Thermodilution 1. Messung HZV per Thermodilution 2. Messung [ml/sec] [l/min] [ml/sec] [l/min] HZ 16

17 Aufgabe 2: Herztöne abhören und Herzfrequenz ermitteln Versuchsdurchführung und -ergebnis: Hören Sie sich gegenseitig ab. Versuchen Sie dabei jeweils den ersten und den zweiten Herzton auskultatorisch zu erkennen. Überlegen Sie, wo die besten Auskultationsorte für beide Herztöne liegen, und überprüfen sie dies mit dem Stethoskop. Die Bestimmung der Herzfrequenz als Schläge pro Minute kann entweder über die Herztöne (auskultatorisch) oder über den Puls (palpatorisch) erfolgen. Beide Methoden sollen bei einer Versuchsperson angewandt werden. Herzfrequenz auskulatorisch: min -1 (Schläge pro Minute) Herzfrequenz palpatorisch: min -1 (Schläge pro Minute) Aufgabe 3: Herztöne und Herzgeräusche ermitteln Herzgeräusche werden durch Turbulenzen (Strudelbildungen) des Blutstroms hervorgerufen, welche meist an defekten Herzklappen auftreten. Dabei werden Stenose (Klappenverengungen) und Insuffizienzen (fehlender Klappenschluß) unterschieden. Wir haben für Sie 5 Töne in einer Power-Point-Präsentation vorbereitet. Versuchen Sie, auch mit Hilfe Ihres Skriptes, zuzuordnen, bei welchem Ton es sich um eine : Aortenklappenstenose, Mitralklappeninsuffizienz, Aortenklappeninsuffizienz, Mitralklappenstenose oder auch um einen normalen Herzton handelt. Versuchsdurchführung: Starten des Notebooks; Zugang: HK-Praktikum, Passwort: physio Gehen Sie auf den Icon: Herztöne und Herzgeräusche In der Power-Point-Präsentation sehen Sie 5 Töne, die Sie durch draufklicken anhören können: HZ 17

18 Setzen Sie die Kopfhörer auf Tragen Sie in die unten stehende Tabelle ein, um was für Töne oder Geräusche es sich handelt: Ton Ton 1 Ton 2 Ton 3 Ton 4 Ton 5 Vermuteter Herzton bzw. Herzgeräusch HZ 18

19 Klinisches Kernwissen: Herzinsuffizienz (Ulrich Decking, 2005) Definition Herzinsuffizienz ist ein komplexes klinisches Syndrom, das sich in Folge struktureller oder funktioneller Störungen des Herzens entwickelt. Hier sind entweder die Füllung des Ventrikels oder seine Fähigkeit, Blut auszuwerfen, beeinträchtigt. Die Hauptsymptome der Herzinsuffizienz sind Dyspnoe (Atemnot), und Abgeschlagenheit, die die körperliche Leistungsfähigkeit beeinträchtigen können, sowie Flüssigkeitsretention, die ein Lungenödem oder periphere Ödeme zur Folge haben kann. Die Symptome der einzelnen Patienten können aber unterschiedlich sein. Während manche Patienten unter einer eingeschränkten Leistungsfähigkeit leiden, aber keine Ödeme aufweisen, klagen andere über Ödeme, aber vielleicht nicht über Luftnot und Abgeschlagenheit. Häufigkeit Die Herzinsuffizienz ist eine häufige Erkrankung, insbesondere im höheren Lebensalter. In Europa leider etwa 10 Millionen Menschen unter Herzinsuffizienz, zwischen dem 65. und 75. Lebensjahr sind 2 5 % der Bevölkerung betroffen und bei den über 80-jährigen 10%. Männer sind häufiger betroffen als gleichaltrige Frauen (1.5 : 1). Ursachen / Pathophysiologie Die Ursachen lassen sich im wesentlichen in drei Gruppen zusammenfassen: - Primär myokardiale Erkrankungen: hierzu zählen der Herzinfarkt, die Myokarditis, Brady- und Tachykardie und Herzrhythmusstörungen - Erkrankungen der Herzklappen und des Kreislaufsystems: z.b. Aortenklappenstenose oder Mitralklappeninsuffizienz, arterielle Hypertonie oder die hypertone Krise - Störungen des Perikards und seiner Funktion: z.b. diastolische Behinderung der Ventrikelfüllung bei einer Herzbeuteltamponade nach akutem Myokardinfarkt. Die häufigste Ursache einer Herzinsuffizienz in westlichen Ländern ist die koronare Herzerkrankung (54-70%), die bei 35-52% dieser Patienten von einer arteriellen Hypertonie begleitet ist. Tatsächlich aber können fast alle Erkrankungen des Herzens in eine Herzinsuffizienz münden. Abhängig davon, ob der linke oder der rechte Ventrikel primär betroffen ist, spricht man von Linksbzw. Rechtsherzinsuffizienz. Im Weiteren unterscheidet man auch eine diastolische von einer systolischen Herzinsuffizienz. Bei einer diastolischen Herzinsuffizienz ist vor allem die ventrikuläre Füllung eingeschränkt, z.b. auf Grund einer erhöhten Ventrikelsteifigkeit. Es ist somit ein erhöhter enddiastolischer Druck auch für ein normales endsystolisches Volumen erforderlich, was in den zuführenden Gefäßen einen Druckanstieg und in den vorgeschalteten Austauschgefäßen (Kapillaren) eine erhöhte Filtration zur Folge hat. Infolgedessen hat das sogenannte Rückwärtsversagen eine Flüssigkeitsretention zur Folge, die den Körperkreislauf (z.b. Beinödem) und häufiger den Lungenkreislauf (Lungenödem) betreffen kann und hier auch zur Dyspnoe führt. Bei der häufigeren systolischen Herzinsuffizienz ist die eigentliche Pumpfunktion beeinträchtigt. Entweder kann ein normales Schlagvolumen nur durch ein erhöhtes enddiastolisches Volumen aufrecht erhalten werden (Frank-Starling-Mechanismus), oder ist trotz dieses Kompensationsmechanismus bereits eingeschränkt. Dann könnte das HZV durch Aktivierung des Sympathikus mit Herzfrequenzsteigerung und des Renin-Angiotensin-Aldosteron-Systems aufrecht erhalten werden. Aber schon hier wäre die körperliche Belastbarkeit eingeschränkt. Die Patienten ermüden schon nach kurzen Wegstrecken, können zum Beispiel nicht mehr als zwei Treppen steigen, und berichten über Kurzatmigkeit. Kann das HZV schon in Ruhe nicht mehr aufrecht erhalten werden, liegt bereits hier eine Atemnot vor. Diagnostik Das Lungenödem kann man einerseits nachweisen durch ein Röntgenbild (vermehrte Zeichnung der Lungengefäße) und andererseits auskultatorisch durch feuchte Rasselgeräusche über der Lungenbasis. Die Patienten schlafen dann meist mit aufrechtem Oberkörper. Diese Haltung vermindert den venösen Zufluss zum rechten Herzen und den kapillären Druck in den oberen Lungenpartien und trägt so zu einer Reduktion des Lungenödems in diesem Bereich bei. Darüber hinaus stellt sich bei den Patienten ein stetiger und trockener Husten ein, der Asthma cardiale genannt wird. Schlagvolumen, endsystolisches und enddiastolisches Volumen und die Ejektionsfraktion (normal 60% bei Herzinsuffizienz unter 45% können mit der Echokardiographie bestimmt werden. Diese Größen und das Herzgewicht können sehr zuverlässig auch mit der Magnetresonanz-Bildgebung bestimmt werden, die sich zunehmend zum Goldstandard entwickelt, aber sehr aufwändig ist. HZ 19

20 Die wichtigste invasive Methode ist der Rechtsherzkatheter. Mit diesem werden das HZV und die Blutdrücke im rechten Herzen sowie in der A. pulmonalis (enddiastolischer Druck und kapillarer Verschlussdruck) bestimmt. Während der Rechtsherzkatheter bei intensivpflichtigen Patienten zum Teil permanent liegt, um jederzeit das HZV bestimmen zu können, kommt der Linksherzkatheter z.b. bei der präoperativen Abklärung zum Einsatz. Dieser kommt auf der arteriellen Seite des Gefäßbettes zu liegen. Hiermit kann man im linken Ventrikel den enddiastolischen Druck, die Druckanstiegsgeschwindigkeit und den maximalen systolischen Druck bestimmen, und unter Einsatz von Kontrastmitteln das Schlagvolumen, systolische Auswurfgeschwindigkeit, Auswurffraktion, Schlagarbeit und Koronarstatus, bestimmen. Therapie Das Ziel der konservativen Therapie besteht darin, die Sterblichkeit zu senken, die Einweisungen ins Krankenhaus zu vermindern, die weitere Verschlechterung der Herzinsuffizienz zu hemmen und die Beschwerden des Patienten zu bessern. Daher sollten je nach Ursache die arterielle Hypertonie behandelt, ein Diabetes mellitus gut eingestellt, eine Koronare Herzerkrankung therapiert oder Klappenerkrankungen chirurgisch angegangen werden (Kausale Therapie). Die Gabe von ACE-Hemmern ist in jedem Stadium der Herzinsuffizienz angebracht, und bei Symptomen der betroffenen Patienten auch die Gabe von ß-Blockern. Diuretika, z.b. Schleifendiuretika kommen bei Hypertonie oder Flüssigkeitsretention zum Einsatz. Nur in akuten Notfällen werden Katecholamine zur Verbesserung zur Pumpleistung gegeben diese erhöhen zugleich den Energiebedarf des Herzens und begünstigen die Progression der Erkrankung. (Ulrich Decking, 2005) s.auch: Leitlinien Chronische Herzinsuffizienz : ACC/AHA Guideline Update for the Diagnosis and Management of Chronic Heart Failure in the Adult: HZ 20