Medizinische Messinstrumente und ihre physikalischen Grundlagen schülergerecht erklärt

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1 WISSENSCHAFTLICHE PRÜFUNGSARBEIT Gemäß 12 der Landesverordnung über die Erste Staatsprüfung für das Lehramt an Gymnasien vom 07. Mai 1982, in der derzeit gültigen Fassung Fach: Physik Thema: Medizinische Messinstrumente und ihre physikalischen Grundlagen schülergerecht erklärt vorgelegt von Kevin Eckhardt Erstgutachter: PD Dr. Frank Fiedler Zweitgutachter: Prof. Dr. Heinz-Georg Sander Abgabedatum:

2 EINLEITUNG MOTIVATION PHYSIOLOGISCHE UND PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN DAS HERZ Die Herzerregungsleitung Das Elektrokardiogramm DER BLUTDRUCK DER PERIPHERE PULS DIE PHYSIOLOGIE DER LUNGE Der ph-wert und das Puffersystem im Blut PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN DER FOTOELEKTRISCHEN PULSMESSUNG DIE TECHNISCHE UMSETZUNG DER MESSINSTRUMENTE PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN DES STETHOSKOPS BAU EINES GERÄTES ZUR AUFZEICHNUNG EINES EKGS BAU EINES BLUTDRUCKMESSGERÄTES Pneumatisches Blutdruckmessgerät nach Riva-Rocci Hydrostatisches Blutdruckmessgerät BAU EINES NICHTINVASIVEN PHOTOELEKTRISCHEN PULSMESSGERÄTES BAU EINES EIN- UND AUSATMUNGSDRUCKMESSGERÄTES DIDAKTISCHE ASPEKTE UND DIE KONKRETE UMSETZUNG PHYSIKALISCHE GRÖßEN UND IHRE UMRECHNUNGEN UNTERRICHTSPROJEKT: ATMUNGSDRUCK-MESSGERÄT DIDAKTISCHE AUSBLICKE KOMBINATION VERSCHIEDENER EXPERIMENTIERAPPARATUREN EINSTEIGEREXPERIMENTE MIT MEDIZINTECHNISCHEN PRODUKTEN Einführungsexperiment: Siedendes Wasser bei Raumtemperatur Einführungsexperiment: Messungen zur Verifizierung des Hagen- Poiseulle schen Gesetzes DISKUSSION

3 LITERATURVERZEICHNIS INTERNETQUELLEN ANHANG A FÜR DIE UNTERRICHTSSTUDIE VERWENDETE INFORMATIONS- UND ARBEITSBLÄTTER 79 ANHANG B DATENBLATT DES PULSOXYMETRIE-SENSORS MS DANKSAGUNG EIDESSTATTLICHE ERKLÄRUNG

4 Einleitung Physik und Medizin scheinen auf den ersten Blick nicht viel miteinander zu tun zu haben. Jedoch finden in allen Bereichen der Medizin und Medizintechnik physikalische Gesetzmäßigkeiten Anwendung. In der Regel sind Geräte, die in der Humanmedizin genutzt werden, zu teuer und zu fragil, um mit ihnen in Schulen Unterricht zu gestalten, auch wenn man damit wichtige Gesetze der Physik in zeigen und verifizieren kann. Da gerade im Bildungswesen generell zu wenig finanzielle Mittel zur Verfügung stehen, die Preise für Ausbildungsmaterial aber stetig steigen, ist der preiswerte Eigenbau eine erschwingliche Alternative. Hauptbestandteile dieser Examensarbeit sind Anleitungen zum Selberbauen medizinischer Messinstrumente, die, didaktisch sinnvoll reduziert, die Physik und Zusammenhänge im menschlichen Körper erklären sollen. Zudem besteht der Anspruch, Geräte herzustellen, die nicht nur von Schülern benutzt, sondern zum Beispiel im Rahmen einer Projektarbeit mit Materialen aus dem Discounter und dem Baumarkt selbst erstellt werden können. Da alle Schülerinnen und Schüler schon bei einem Arzt oder im Krankenhaus waren, oder zumindest einmal eine Arztserie im Fernsehen verfolgt haben, ist das Einbringen dieses Kontextes in den Unterricht eine gute Möglichkeit, Theorie und Praxis in Verbindung zu bringen. Auf Grund meiner vorherigen beruflichen Tätigkeit als examinierter Krankenpfleger ist mir die Verbindung von Physik und Medizin ein persönliches Anliegen. Dabei stellte ich immer wieder fest, dass auch ausgebildetes Personal im Gesundheitswesen meist nicht über die physikalischen Hintergründe ihrer Messund Therapiegeräte informiert ist. Gerade für Schüler, die sich für eine medizinische Ausbildung interessieren, ist es sinnvoll bereits im Vorfeld die physikalischen Prinzipien, die in diesen Geräten Anwendung finden, zu verstehen. Dies gibt nicht nur ihnen Sicherheit sondern auch ihren zukünftigen Patienten. 3

5 1. Motivation Der Physikunterricht stellt in unserer Gesellschaft ein fundamentales Grundwissen dar. Im alltäglichen Leben spielen physikalische Gesetzmäßigkeiten eine entscheidende Rolle. Der Alltagsbezug kann Schüler motivieren. Dem Lehrer bieten sich auf vielen Ebenen Möglichkeiten, Schüler zum Lernen motivieren. Durch interessante Experimente kann der Lehrer den Lernenden zum Nachdenken anregen. Dabei ist das Interesse an Neuem, welches der Lernende hat, eine bekannte Tatsache. Experimente sollen den Lernenden vor unbekannte Probleme stellen. Ein Konflikt zwischen dem bereits Erlernten und der Beobachtung im Experiment kann erzeugt werden. [vgl. Melenk et al. (1998), S.10 ff]. Dabei ist es sinnvoll, Problemstellungen aus der Umwelt der Schüler zu verwenden, Experimente, die sich aus Schülerfragen ergeben, aufzugreifen und nach Möglichkeit Lehrplaninhalte in die Fragestellung einzubinden. Praktisches Arbeiten mit Experimentierapparaturen ist genauso wichtig wie das Sinnstiften von Gesetzmäßigkeiten für die erwähnten Alltagproblematiken. Gerade wenn Experimente selbst erfunden und geplant werden, und diese Planung verwirklicht werden kann, werden Schülerinnen und Schüler physikalische Zusammenhänge langfristig abrufbar erlernt haben. Dabei ist es sinnvoll, beim Bau selbstgebastelter Apparaturen auf die wesentliche Fragestellung zu achten. Beeinträchtigungen (zum Beispiel durch Reibung) müssen erörtert und abgeschätzt werden. Gerade das Abschätzen müssen Schüler erlernen, um die Physik auf die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten zu reduzieren. Probleme beim Einschätzen von Versuchsergebnissen können durch verschiedene Aufgabenstellungen aus Natur und Umwelt geübt werden. Diese sogenannten Fermi-Probleme sollen dem Lernenden eine grobe Vorstellung über Zusammenhänge und Größenordnungen in der Physik und Natur geben. Durch diese Überlegungen können auch komplexe Systeme sinnvoll beurteilt werden. Viele Systeme werden idealisiert betrachtet. Das ist auch für die Nutzung physikalischer Gesetze und Axiome wichtig. [vgl. Müller, Schwarze (12/2001), s.1] Dabei muss die Erörterung von Fermi-Problemen nicht auf physikalische Inhalte begrenzt werden, eher das Gegenteil ist der Fall. Gerade die fächerübergreifenden Kontexte geben der Physik im Alltag Berechtigung. Die 4

6 Schülerin bzw. der Schüler erkennt gerade dann die Wichtigkeit der physikalischen Prinzipien an. [vgl. Müller, Schwarze (12/2001), S.7]. Die in der Medizintechnik verwendete Physik und deren medizinische Verwendung soll didaktisch reduziert für Schüler der Sekundarstufe 1 und 2 erläutert werden. Um eine Themeneingrenzung festzulegen, werden Apparaturen gebaut, die in komplexer Form auf intensivmedizinischen Überwachungsstationen verwendet werden. Das sogenannte Monitoring-System überwacht hier die Vitalfunktionen der Patienten. Diese sind Herz- und Pulsfrequenz, Blutdruck, Sauerstoffgehalt des Blutes. Optional kann die Atmung und die Körpertemperatur kontrolliert werden. Der Erwerb einer solchen Profi- Apparatur für die Schule ist jedoch wenig gewinnbringend, weil die Messungen von einem Computersystem vorgenommen werden, und entspricht nicht im finanziellen Rahmen für einen Physik- oder Biologieunterricht. Aber gerade für den fächerübergreifenden Unterricht bietet sich der Eigenbau und der Verwendung zur Messung an. Der Lehrplan des Faches Biologie enthält beispielweise Inhalte, die sich mit dem menschlichen Körper und seiner Physiologie befassen. Ferner sollen auch Messverfahren, zum Beispiel die Blutdruckmessung besprochen bzw. durchgeführt werden. Die Kernmotivation dieser Staatsexamensarbeit ist eine Zusammenstellung verschiedener Experimentiervorrichtungen für den fächerübergreifenden Unterricht. Die Verbindung besteht dabei nicht nur zwischen der Physik und der Biologie. Auch chemische Aspekte können eingebracht werden. Gerade die Verbindung von Fächern bietet Potenzial zur kognitiven Verknüpfung von Lerninhalten, da diese so im Gedächtnis des Lernenden eher präsent aufrufbar verbleiben. 5

7 2. Physiologische und physikalische Grundlagen Dieses Kapitel führt medizinische Fachbegriffe ein. Die Anatomie und Physiologie kann auch in physikalischer Weise beschrieben werden. Im Folgenden werden die physiologischen Zusammenhänge mit den ihnen zu Grunde liegenden physikalischen Prinzipien zusammengeführt. Der Bau von Messinstrumenten basiert auf diesen physiologischen Eigenschaften des menschlichen Körpers. Ferner müssen pathologische Vorgänge von Medizinern erkannt werden. Dazu ist die Festlegung von Grenzen zu pathologischen Körperfunktionen für die Diagnostik und Therapie enorm wichtig. Für die Anwendung in der Schule können sie in jedem Fall diskutiert werden, stellen aber nicht das Kernthema dar. 2.1 Das Herz Das menschliche Herz ist eine hydraulische Pumpe, die Blut durch zwei Kreisläufe pumpt, den Körperkreislauf und den Lungenkreislauf. In der Medizin wird es als Hohlorgan im Mediastinum (Pleurahöhle) bezeichnet, welches von den Lungen, der Wirbelsäule und dem Brustbein begrenzt wird. Es ist etwa eineinhalbmal so groß wie die Faust seines Eigners. Es wiegt bei einem durchschnittlichen Erwachsenen zwischen 300 und 350 g. Abbildung zeigt eine schematische Darstellung des menschlichen Herzens. Das Füllvolumen des Herzens beträgt bei einem durchschnittlichen Menschen in Ruhe etwa 140 ml. Davon sind ca. 70 ml das sogenannte Rest- oder Residualvolumen. Die Herzwände liegen also nie unmittelbar aneinander. Das Herz liegt leicht schräg geneigt in der linken Brusthälfte. Die Herzspitze ist in der Perikardhöhle (Herzbeutel) frei beweglich. Das Herz wird durch das Septum (Herzscheidewand) in ein linkes und ein rechtes Herz unterteilt. Das rechte Herz speist Blut in den Lungenkreislauf ein, welcher vom Körperkreislauf getrennt ist. Der Körperkreislauf wird vom linken Herzen versorgt. Alle lebenden Zellen im Körper sind über Kapillaren an den Blutkreislauf direkt oder indirekt angeschlossen. Diese Kapillaren sammeln sich zu Venen. Die Venen leiten das Blut, welches jetzt weniger Nährstoffe, weniger Sauerstoff und mehr Kohlenstoffdioxid enthält, zurück zum rechten Herzen. So wird die Herzhälfte von Medizinern benannt, die an die großen Hohlvenen (Vena cava inferior und Vena 6

8 cave superior) angeschlossen sind. Das Blut gelangt von dort wieder in den Lungenkreislauf und zirkuliert erneut. [vgl. Faller (2004), S. 255 ff]. Auf das Kreislaufsystem wird in den folgenden Kapiteln näher eingegangen. Abbildung 2.1.1: Schematischer Aufbau des Herzens Maschine.pdf 7

9 Das Herz schlägt in Ruhe ca. 70mal pro Minute. Das Minutenvolumen in Ruhe kann somit leicht bestimmt werden: V Ruhe 1min Schlagvolumen Schlagfrequenz 70ml ml min min 5 l min (2.1.1) Diese Angaben beziehen sich auf einen durchschnittlichen Menschen mit einem Körpergewicht von 70 kg. Bei körperlicher Arbeit, Sport etc. kann das Herzminutenvolumen auf das Fünffache ansteigen. Die Füllmenge verdoppelt sich auf 140 ml/schlag, während die Herzfrequenz auf bis zu 180 Schlägen/Minute ansteigen kann. Aus vorheriger Rechnung ergibt sich also: V Max 1min Schlagvolumen Schlagfrequenz 140ml ml min min 25 l min (2.1.2) Dabei dehnt sich die Herzkammer passiv, weil durch den erhöhten Blutstrom mehr Blut in kürzerer Zeit durch die Klappen gelangt. Das Herz wird dadurch stärker gedehnt und das Schlagvolumen nimmt zu. Das Herz ist im Wesentlichen der einzige Antrieb des Bluttransportes. Im Blut werden Nährstoffe, Sauerstoff, Metabolismusprodukte sowie Wärme transportiert. Blut gelangt vom rechten Herzen in den Lungenkreislauf. Dort wird es mit Sauerstoff gesättigt, während Kohlenstoffdioxid in die Lungen abgegeben wird. Dieser Vorgang wird als äußere Atmung bezeichnet. Der Gasaustausch erfolgt ausschließlich durch Diffusion. Anschließend gelangt das Blut zurück zum linken Herzen und von dort über Arterien in den Körper. Das Herz selbst ist ein Hohlmuskel, welcher kontrahiert und relaxiert. Die Herzklappen haben die Funktion von Ventilen, die das Blut nur in eine Richtung strömen lassen. Es werden Segelklappen von Taschenklappen unterschieden. Die Segelklappen trennen die Herzvorhöfe von den Kammern. Die Taschenklappen entlassen das Blut in die Kreisläufe sobald der Kammerdruck den Kreislaufdruck überschreitet. 8

10 Der Herzschlag gliedert sich in vier Phasen. Die ersten beiden Phasen werden zur Systole, die Phasen drei und vier zur Diastole zusammengefasst. 1. Anspannungsphase: Die Kammermuskulatur (Ventrikelmyokard) beginnt sich zusammenzuziehen. Die Segelklappen sind geschlossen. Durch diese isovolumetrische Kontraktion erhöht sich der Druck des Blutes in der Kammer bis sich die Taschenklappen öffnen. Der Ventrikeldruck im linken Herzen erreicht den Blutdruck in der Aorta (Hauptschlagader) von ca. 80 mmhg. Im rechten Ventrikel müssen nur ca. 20 mmhg erreicht werden, was mit dem deutlich niedrigeren Druck in der A. pulmonalis (Lungenarterie) zu erklären ist. 2. Austreibungsphase: Mit Öffnen der Taschenklappen strömt Blut in die Kreisläufe. Das Kammermyokard kontrahiert nun maximal. Das Schlagvolumen wird aus den Kammern gepresst. Die Taschenklappen schließen sich wieder, da der Kammerdruck unter den Arteriendruck absinkt. 3. Erschlaffungs- oder Entspannungsphase: Die Kammermuskulatur erschlafft. In der Kammer befindet sich jetzt das Restvolumen. Der Ventrikeldruck unterschreitet den Vorhofdruck. 4. Füllungsphase: Die Segelklappen öffnen sich, und Blut strömt aus den Vorhöfen in die Herzkammern. Die Vorhöfe sind unmittelbar mit den Venen verbunden. Die Vorhöfe leeren sich also nicht, sondern werden mit Blut aus den Venen gefüllt. Unterstützt wird die Kammerfüllung durch die Kontraktion der Vorhofmuskulatur. Nach der Füllungsphase beginnt der Zyklus erneut [vgl. Faller (2004), S. 237 ff]. 9

11 2.1.1 Die Herzerregungsleitung Herzmuskelzellen sind in Ruhe polarisiert. Die Polarisierung, die zwischen dem intrazellulären und extrazellulären Raum besteht, ergibt sich aus dem Konzentrationsgefälle von Kalium- und Natriumionen. Die Bezeichnung Polarisierung stammt aus der Biologie. Streng physikalisch betrachtet, handelt es hier um eine Ladungstrennung. Im Weiteren soll allerdings der in der Biologie und Medizin gebräuchliche Begriff der Polarisierung verwendet werden. Die relevanten Ionenkonzentrationen sind in Tabelle aufgelistet. Tabelle 2.1.1: Intra- und extrazelluläre Ionenkonzentration 2 Ion Konzentration innerhalb Konzentration außerhalb der der Zelle in mmol/l Zelle in mmol/l Natriumion (Na + ) ca Kaliumion (K + ) ca Chloridion (Cl - ) ca Durch den Konzentrationsunterschied kommt es zu einer elektrischen Potentialdifferenz, welche als Ruhe- oder Membranpotential bezeichnet wird. Es beträgt ca. -80 bis -90 mv. Das negative Vorzeichen ergibt sich aus dem elektrochemischen Prozess. Bei Erregung kommt es zu einer Depolarisation und anschließender Repolarisation. Diese wird durch die Wanderung von Natriumionen bewirkt, die sich über sogenannte Natriumkanäle durch die Zellwand bewegen können. Die Ionenwanderung ist konzentrationsabhängig. Der Konzentrationsausgleich bewirkt die Depolarisation. Für die Wiederherstellung des Ausgangszustandes wird chemische Energie benötigt. Die Ionen werden aktiv zurückgepumpt. Dieser Prozess wird als Repolarisation bezeichnet. Nach der Repolarisationsphase kann erneut ein Reiz weitergeleitet werden. Dies gilt für Nervenzellen ebenso wie für die Herzmuskelzellen. Das Potential ändert sich bis auf +20 bis +30 mv im depolarisierten Zustand. Die Potentialänderung beträgt also ca. 120 mv. Diese Potentialänderung der 2 (S. 3) 10

12 Herzmuskelzellen ähnelt dem Aktionspotential in Nervenzellen, jedoch ist die Signaldauer etwa 150mal so lang wie in einer Nervenzelle (siehe Tabelle 2.1.2). Die Signalverlängerung wird durch einen Kalziumionen-Einstrom bewirkt. Tabelle 2.1.2: Signaldauer verschiedener Zelltypen im Vergleich 3 Zelltyp Nervenzelle Skelettmuskelzelle Herzmuskelzelle Signaldauer ca. 2ms ca ms ca. 300 ms Durch den elektrischen Reiz spannen sich die Muskelzellen an. Die Potentialänderung ist für die Herzmuskelzellen das Signal zur Kontraktion. Der Sinusknoten ist der primäre Taktgeber. Dieser lässt sich nur elektrisch orten und kann nicht wie zum Beispiel Lymphknoten getastet werden. Abbildung veranschaulicht das Reizleitungssystem. Abbildung 2.1.2: Erregungsleitungssystem 4 3 Gehart, R. (2009), Anatomie und Physiologie verstehen: Lehr- und Arbeitsbuch, Urban & Fischer Verlag, S Faller, A. (2004), Der Körper des Menschen: Einführung in Bau und Funktion, Thieme Verlag Stuttgart 11

13 Der Sinusknoten bestimmt die Signalfrequenz von ca. 70 Schlägen pro Minute und besteht aus speziellen Muskelzellen, die unabhängig vom Gehirn einen Reiz über den AV-Knoten (Atrio-Ventrikular-Knoten), die Tawara-Schenkel und Purkinje- Fasern an die motorische Endplatte des Herzmuskels leiten. Die Herzreizleitung erfolgt durch eine autonome Signalausbreitung, die in erster Linie durch den Sinusknoten gesteuert wird. Die im Sinusknoten entstandene Erregung breitet sich über die Vorhöfe aus und erreicht den AV-Knoten, der die Erregung mit Verzögerung an das Kammermyokard weiterleitet. Auf Grund dieser Verzögerung kontrahiert die Kammermuskulatur erst bei ausreichender Kammerfüllung [vgl. Faller (2004), S. 235 ff]. Die Pumpfunktion des Herzens kann bei Bedarf (körperliche Anstrengung) in ihrer Frequenz, Erregbarkeit, Kraft der Herzmuskelkontraktion sowie Geschwindigkeit der Erregungsleitung vom Zentralen Nervensystem (ZNS) beeinflusst werden. So ist ein Herzminutenvolumen von 25 l/min möglich, siehe Gleichung (2.1.2) Das Elektrokardiogramm Die Potentialdifferenz von ca. 120 mv zwischen einem erregten und nicht erregten Bereich des Herzens erzeugt ein elektrisches Feld, welches sich bis zur Körperoberfläche ausbreitet und dort abgeleitet werden kann. Die gemessenen Spannungen an der Körperoberfläche betragen bis zu 1 mv. Durch den Elektrokardiographen können diese über Elektroden abgenommen und verstärkt werden, um dann von einem Schreiber oder auf einem Bildschirm dargestellt zu werden. Diese bildliche Darstellung bezeichnet man als Elektrokardiogramm (EKG). Die einfachste Form der Darstellung bekommt man durch eine sogenannte bipolare Ableitung. Die Elektroden werden nur an zwei Stellen auf die Hautoberfläche befestigt. In Abbildung sind die Positionen der Ableitungselektroden für eine bipolare Ableitung mit den beiden Messpunkten am Sternum (Brustbein) und Apex (lat. Spitze, Flankenbereich der Lungenspitze) dargestellt. 12

14 Abbildung 2.1.3: Bipolare Ableitung 5 Genauere Elektrokardiogramme lassen sich in mehreren Spuren mit mehreren Ableitungen schreiben, man spricht dann von einer unipolaren Ableitung. Dabei wird eine Elektrode mit dem Erdpotential verbunden und stellt damit die Grundlinie für die Potentialdifferenzen der übrigen Elektroden dar. Damit stellt das EKG ein diagnostisches Instrument dar, da es Veränderungen der Potentialdifferenz im Bereich der Herzmuskulatur im zeitlichen Verlauf abbildet. Es gibt Auskunft über Bildung, Ausbreitung und Rückbildung der elektrischen Erregung über Vorhof und Kammermyokard [Faller (2004), S. 243]. Je nach Position der Elektroden, stellt sich das abgeleitete Signal unterschiedlich dar. Eventuelle Schädigungen können sich durch Veränderung des Erregungsrhythmus zeigen. Moderne Geräte sind sogar in der Lage, die diagnostische Auswertung direkt im Anschluss an die Messung automatisch vorzunehmen. Die aufgezeichneten Zacken und Wellen sind vereinbarungsgemäß mit den fortlaufenden Buchstaben P, Q, R, S, T und U benannt worden. Abbildung zeigt einen gesunden Sinusrhythmus. 5 Microsoft ClipArt aus Word (Version 2007) 13

15 Abbildung 2.1.4: Sinusrhythmus 6 Die Formen der P- und T-Wellen, PQ- und ST-Strecken und des QRS-Komplexes werden vom Mediziner beurteilt. Sie können Auskunft über die Herzerregung, den Lagetyp des Herzens, den Rhythmus (Herzschlagfolge) der Herzaktionen und die Herzfrequenz (Herzaktionen pro Minute) geben. Normal ist ein Puls (Schlagfrequenz) von Schlägen pro Minute, optimal von /min. Hierbei stellt die normale Herzerregung einen sich ständig wiederholenden Rhythmus dar (siehe Abbildung und Abbildung 2.1.5). Die P-Wellen sollten beim gesunden Herzen regelmäßig sein, die P-P-Abstände haben dann in etwa das gleiche Intervall. Auf jede P-Welle sollte ein Q-R-S

16 Komplex folgen. Die P-Welle ist der Indikator für die Vorhoferregung, der Q-R-S- Komplex gibt die Potentialverschiebung während der Kammerkontraktion an. Die folgende T-Welle zeigt die Erregungsrückbildung. Abbildung 2.1.5: P-Wellen im regelmäßigen Intervall = regelmäßiger Sinusrhythmus 7 Viele Herzkrankheiten zeigen sich durch signifikante Veränderung im EKG. Der akute Herzinfarkt zeigt im EKG eine S-T-Hebung. Die Erregungsausbreitung ist noch normal während der Herzmuskel durch die Unterversorgung von Herzmuskelgewebe bereits geschädigt ist. Die Kammererregung bildet sich nur verzögert zurück, da die Reizleitung erschwert oder gar unterbrochen ist. Das Infarktgeschehen lässt sich durch das Auftreten der Anomalie in der jeweiligen Ableitung lokalisieren. Neben akuten Herzinfarkten lassen sich weitere Krankheiten des Herzens durch das Ruhe-EKG nachweisen. [vgl. Internetquelle (4)] Die Abbildung zeigt deutlich den Unterschied zwischen einem normalen EKG und dem nach einem akuten Herzinfarkt. 7 (Montage) 15

17 Abbildung 2.1.6: Vergleich normales EKG (oben), EKG nach frischem Herzinfarkt (unten) 8 Die Abbildung zeigt nur eine von vielen möglichen Veränderungen, die im EKG sichtbar gemacht werden können. Der Mediziner spricht auch von pathologischen EKG-Veränderungen. Das erste Elektrokardiogramm wurde im Jahr 1882 aufgenommen. Die Apparatur war recht aufwendig. Die Abbildung zeigt einen der ersten EKG-Schreiber. Die Ableitungen wurden damals mit Salzlösung realisiert, in die der Patient seine Extremitäten tauchte. 8 (Montage) 16

18 Abbildung 2.1.7: Frühe Form der EKG-Ableitung nach Einthoven durch Eintauchen der Extremitäten in Wannen mit Salzlösung Der Blutdruck Das Herz ist, wie bereits in Kapitel 2.1 beschrieben, die Pumpe in den beiden Blutkreisläufen. Die Arterien, also die Gefäße, die vom Herz wegführen, nehmen das Blut auf und leiten es weiter zu den Körperzellen bzw. Lungen. Durch die Kontraktion der Herzkammern und den so erzeugten Druck wird das Blut in den Kreisläufen vorangetrieben. In der Erschlaffungsphase sinkt der Druck in den Gefäßen ab, jedoch nur auf einen Minimalwert, der größer als Null ist. Durch die Elastizität der Arterien, insbesondere der Aorta, kann das stabile laminare Strömungsverhalten des Blutes begründet werden. In der Technik wird die Funktion als Windkessel bezeichnet. Ein Windkessel ist ein Druckbehälter, der zur

19 Speicherung und zum Druckausgleich dient. In Anlehnung daran spricht der Mediziner auch von der Windkesselfunktion der großen arteriellen Gefäße bzw. der Aorta. Durch turbulente Strömungen können sich statische Blutgerinsel an der Gefäßwand bilden, die in der Medizin als Thrombus bezeichnet werden. Lösen sich diese ab werden sie als Embolus bezeichnet und können Verstopfungen der Arterien zur Folge haben. Da es sich bei der Blutgerinnung um ein umfangreiches Themengebiet handelt und für diese Arbeit keine weitere Relevanz hat, soll an dieser Stelle auf eine weitere Erläuterung verzichtet werden. Der Blutdruck, der im Körperkreislauf herrscht kann invasiv und nicht-invasiv gemessen werden. Bei der invasiven Methode wird eine Arterie (meist am Unterarm) punktiert und der Blutdruck direkt zum Umgebungsdruck gemessen. Da hierbei eine Arterie punktiert wird, ist diese Methode mit gewissen Risiken verbunden, zum Beispiel einer erhöhten Infektionsgefahr. Bei der nicht-invasiven Methode wird dem Patienten eine so genannte Blutdruckmanschette angelegt, die in der Regel mit Luft gefüllt wird. Zudem wird ein Stethoskop benötigt. Der italienischen Arzt Scipione Riva-Rocci hat die erste pneumatische Armmanschette für eine Blutdruckmessung mit einer Quecksilbersäule erfunden. Das von ihm 1896 auf einem Medizinerkongress vorgestellte Verfahren zur Blutdruckbestimmung entwickelte sich schnell zum Standardverfahren in der ärztlichen Diagnostik. Es wurde ein aufblasbarer Gummischlauch verwendet. Zu dieser Zeit musste zur Messung der Puls getastet werden, um den Blutdruck zu bestimmen. Mit dem Einsatz eines Stethoskops wie es Nikolai Sergejewitsch Korotkow (1905) beschrieb, konnte das Verfahren verbessert werden. Die dabei im Stethoskop zu hörenden Geräusche sind nach ihm benannt. Da die Exposition mit Quecksilber schwere gesundheitliche Folgen nach sich ziehen kann, wurde das Quecksilber-Manometer in den Jahren nach Korotkow durch ein Zeiger-Manometer ersetzt. Bei richtiger Anwendung ist diese Art der Messung nahezu risikofrei. Abbildung zeigt schematisch die Funktion der Manschette und des Stethoskops. 18

20 Abbildung 2.2.1: Blutdruckmessung nach Riva-Rocci 10 Die Blutdruckmanschette wird um den Oberarm oberhalb des Ellenbogengelenkes angelegt. Beide Enden werden fest miteinander verbunden. Die Verbindung kann durch einen Klettverschluss aufrechterhalten werden, welcher sich in der Regel bereits an der Manschette befindet. Auch andere Verschlusssysteme sind möglich. An der Blutdruckmanschette ist ein Manometer befestigt, das mit einem Regel- oder Ablassventil verbunden ist. Durch eine Handpumpe kann der nötige Druck erzeugt werden. Das Stethoskop wird unterhalb der Manschette auf der Hautoberfläche, unter der sich die Armarterie (Arteria brachialis) befindet, 10 Faller, A. (2004), Der Körper des Menschen: Einführung in Bau und Funktion, Thieme Verlag Stuttgart, S

21 positioniert. Dann wird der Druck in der Manschette über den systolischen Blutdruck erhöht, also über den Maximaldruck, den das Herz in der Austreibungsphase erzeugt. Es fließt kein Blut durch die Arterie in den peripheren Bereich des Armes. Dies lässt sich durch das Ausbleiben des Radialispulses (Puls an der Daumenarterie (Arteria radiales) des Handgelenkes) belegen. Durch das Stethoskop ist nichts zu hören. Beim langsamen Senken des Manschettendruckes ist ein Klopfen in den Oliven (Enden des Hörrohrs, die in die Ohren eingeführt werden) des Stethoskops zu hören. Das so genannte Korotkow-Geräusch entsteht, wenn Blut turbulent strömt. Dies ist immer dann der Fall, wenn Blut mit systolischem Druck und hoher Geschwindigkeit durch die Arterie gepresst wird. Eine Abschätzung über das Strömungsverhalten kann mit der Reynoldszahl durchgeführt werden. Überschreitet die Strömungsgeschwindigkeit einen kritischen Wert, so verändert sich die Strömung des Fluid, im Kreislauf des Blutes. Es gilt folgende Gleichung: R v r Blut Gefäß Blut e (2.2.1) Blut [vgl. Otten (1998), Kurzrepetitorium, S. 16] Die Flüssigkeitsdichte ρ Blut von Blut sei vergleichbar mit Wasser 1 kg/m 3 und die dynamische Viskosität sei η Blut Strömungsgeschwindigkeit des Blutes = 1 kg/m s. Der Gefäßradius r Gefäß und die v Blut können unter der Annahme des Überschreitens der Reynoldszahl R e = 1160 abgeschätzt werden. Der Reibungswiderstand des strömenden Fluids an der Gefäßwand wächst sprunghaft beim Übergang zur Turbulenz. Durch den Wechsel von laminarer und turbulenter Strömung und dem dementsprechenden Bernoullidruck-Werte können Schwingungen und Wellen in Medien ausgelöst werden. [vgl. Otten (1998), Kurzrepetitorium, S. 16 f.] Diese sind bei der Blutdruckmessung als sogenannte Korotkoff-Geräusche zu vernehmen. Die aufgepumpte Manschette verhindert eine permanent laminare Strömung, da der diastolische Druck das Blut nicht an ihr vorbeitransportieren kann. Das Blut fließt nach Unterschreitung des systolischen Drucks in Wellen an der Verengung vorbei. Die Korotkoff-Geräusche sind hörbar. Sobald der 20

22 Manschettendruck niedriger als der diastolische Blutdruck ist, verschwindet das Geräusch, weil dann das Blut laminar strömt. Der diastolische Blutdruck ist der Druck, der während der Diastole im arteriellen Gefäßsystem herrscht. [Faller (2004), S. 248] Bis in die Gegenwart wird der arterielle Blutdruck in der Einheit mmhg (Millimeter Quecksilber-Säule) angegeben. Die SI-Einheit für den Druck ist das Pa (Pascal). (Die SI-Einheit wird im Kapitel 4.1 erläutert.) Ein mmhg entspricht etwa 133 Pa. Die Normwerte für den Blutdruck eines gesunden Erwachsenen sind in folgender Tabelle zusammengefasst. Tabelle 2.2.1: Einteilung der Blutdruck-Wert nach WHO (Weltgesundheitsorganisation) 11 systolisch (mmhg) diastolisch (mmhg) optimal < 120 < 80 normal < 130 < 90 hochnormal Blutdruckwerte, die die in der Tabelle überschreiten werden als Bluthochdruck (Hypertonie) bezeichnet. Diese sind gesundheitsgefährdend und bedürfen ärztlicher Behandlung. In dieser Arbeit wird jedoch nicht näher auf pathologische Veränderungen des Blutdrucks eingegangen. In erster Näherung ist die Blutdruckmessung nur präzise für herznahe Arterien. Die Arterien sind keine starren Rohre sondern eher mit elastischen Schläuchen zu vergleichen. Der Druck hängt von der Gefäßlänge und der Querschnittsfläche ab. Ebenfalls muss der hydrostatische Druck berücksichtigt werden, der auf das Blut in den Arterien wirkt. Die Dichte von Blut beträgt im Durchschnitt 1,06 g/cm 3 bei 37 C und Normaldruck [Haas (2002)] und entspricht in erster Näherung der Dichte von Wasser (0,99 g/cm 3 [vgl. Internetquelle (4)]). Wird der Blutdruck also bei einer stehenden Person am Oberschenkel gemessen, muss der vertikale Abstand zum Herz berücksichtigt werden. Der Oberarm befindet sich auf Herzniveau. Hier ist keine Korrektur nötig. Es ist also sinnvoll, den Blutdruck am Oberarm zu bestimmen

23 Folgende beispielhafte Berechnungen sollen diesen Sachverhalt verdeutlichen: Der hydrostatische Druck einer Flüssigkeitssäule ist definiert durch p( h) g h (2.2.3) ρ ist dabei die Dichte der Flüssigkeit, g ist die Erdbeschleunigung (für die Rechnung auf -9,81 m/s 2 gesetzt) und h die Höhe der Flüssigkeitssäule. Da ρ und g für diesen Fall als konstant angenommen werden, ist der Druck nur von h abhängig. Ein Mensch habe eine Durchschnittsgröße von 1,80 m. Der Druck in dieser Höhe soll für die Rechnung als Nullpunkt definiert werden. Das Herz soll sich in einer Höhe von h Herz = 1,4 m über den Fußsohlen befinden. Die Messung soll am Oberarm, der sich in Herzniveau befindet, und am Oberschenkel in einer Höhe von 0,6 m durchgeführt werden. Der hydrostatische Druck einer Flüssigkeitssäule (Blut) mit diesen Höhen beträgt dann: 1. für den Blutdruck auf Herz- und Oberarmniveau: p h ) p( h kg m Herz ) 1, ,81 ( 0,4 m) 4, kpa (2.2.3) m s ( Oberarm für die Arterien im oberen Kopfbereich: p( h kg Kopf ) 1, ,81m 3 2 (0m ) 0 kpa (2.2.4) m s 3. für die Arterien der Oberschenkel: p( h kg Kopf ) 1, m 3 9,81 2 ( 1,2 m ) 12, 48 kpa (2.2.5) m s 4. für die Arterien in den Füßen: p( h kg Füße ) 1, m 3 9,81 2 ( 1,8 m) 18, 72 kpa (2.2.6) m s Wird der Blutdruck in den Oberschenkeln gemessen, so muss unter den genannten Bedingungen eine Differenz von 8,32 kpa vom Messwert abgezogen 22

24 werden, um den Blutdruck auf Herzniveau zu ermitteln. Der Mediziner benutzt die Einheit torr oder mmhg, welche definitionsgemäß die gleiche Größe besitzen. Der Betrag 8,32 kpa entspricht 62,41 mmhg (siehe dazu Umrechnung, Kapitel 4.1). Um das Gehirn vollständig und permanent mit Blut zu versorgen, muss also mindestens ein Druck von 4,16 kpa oder 31,20 mmhg erreicht werden. Die Differenz von ca. 30 mmhg zu ca. 93 mmhg (mittlerer arterieller Blutdruck) dient in erster Linie dem Ausgleich des Strömungswiderstandes des Blutes, der mit der Verzweigung des Gefäßsystems zunimmt. Die peripheren Gefäße besitzen eine kleinere Querschnittsfläche als die Hauptgefäße. Trotzdem müssen sie den Volumenstrom der Hauptarterien aufnehmen. Der Gesamtgefäßquerschnitt nimmt zu, die Strömungsgeschwindigkeit hingegen ab. Die Gesamt-querschnittsfläche der Kapillaren ist zum Beispiel mit 3200 cm 2 800mal größer als die der Aorta mit 4 cm 2. [Faller (2004), S. 273] Der Volumenstrom bleibt in erster Approximation konstant. Die periodischen Druckschwankungen die durch das Herz auftreten, variieren um den sogenannte mittleren arteriellen Blutdruck. Er wird annäherungsweise wie folgt berechnet: psys pdia p pdia (2.2.7) 3 [vgl. Internetquelle (13)] Der mittlere arterielle Blutdruck ist Maß für die permanente Blutversorgung der Organe. Er kann für Strömungsberechnungen benutzt werden. Für den einfachen Fall, dass Strömung senkrecht auf die Querschnittsfläche A trifft, gilt dann: I VOL dv ds A A v (2.2.8) dt dt Es gilt außerdem die Kontinuitätsgleichung für strömende Flüssigkeiten. Sie folgt aus der Konstanz der Masseströmung. Folgende Herleitung entspricht Haas (2002), S. 122: (2.2.9) 1 A1 v1 2 A2 v 2 23

25 Für ein homogenes nicht inkompressibles Fluid ( 1 2 ) gilt dann: A 1 v1 A2 v 2 (2.2.10) Die Gleichung besagt, dass der Flüssigkeitsstrom in seiner Geschwindigkeit zunimmt, wenn die Querschnittsfläche abnimmt. Da nicht nur die Masse, sondern auch die Energie eines Flüssigkeitsstromes eine Erhaltungsgröße ist, kann folgender Ansatz nach Haas (2002), S. 124 gemacht werden: 2 2 v v ( p p V 1 Ekin E pot m ) (2.2.11) 2 Nach Umstellen ergibt sich: p1 V m v1 p2 V m v 2 (2.2.12) 2 2 Es gilt im Allgemeinen also: p V 1 2 m v 2 const (2.2.13) Da die Masse m auch durch m V (2.2.14) ausgedrückt werden kann, kann Gleichung (2.2.13) durch das Volumen V dividiert werden. Der Druck p ist der statische Druck. Die neue Konstante entspricht dann dem Gesamtdruck des Systems: p 1 2 v pges const (2.2.15) 2 24

26 Tatsächlich nimmt die Strömungsgeschwindigkeit des Blutes von ca. 0,5 m/s in der Aorta auf 3 0,5 10 m / s in den Kapillaren ab. Nach Durchlaufen der Kapillaren steigt die Strömungsgeschwindigkeit in den Venen auf 0,1 m/s an. [Faller (2004), S. 273 f.] Das Hagen-Poiseuille sche Gesetz kann für die Abschätzung unter Annahme, dass die Gefäße eine kreisförmige Querschnittsfläche besitzen, in vereinfachter Form herangezogen werden: I V t 4 R p 8 L [vgl. Demtröder (2008), S. 243] (2.2.16) I ist hier die Volumenstromstärke, R ist der Radius der durchströmten Kreisfläche, η die dynamische Viskosität der Flüssigkeit und L die Länge des durchströmten Zylinderabschnittes. Die Formel wird nach der Druckdifferenz Δp aufgelöst: 8 L p I R 4 (2.2.17) Das heißt also im umgekehrten Fall, dass die Druckdifferenz vor allem vom Radius in der vierten Potenz abhängig ist. Sind die Blutgefäße durch Gefäßverkalkung verengt, steigt der systolische Druck im Gefäßsystem an, da die Herzauswurfleistung in erster Linie dadurch nicht beeinflusst wird, die sogenannte Windkesselfunktion der Hauptarterien (vorrangig die Aorta) aber beeinträchtigt ist. Wenn Ablagerungen den Radius der Gefäße auf die Hälfte schrumpfen lässt, der Volumenstrom aber konstant bleiben soll, muss es zu einem Druckanstieg um den Faktor 2 4 = 16 kommen. [vgl. Wegener (1982), S. 192] 2.3 Der periphere Puls Das Gefäßsystem durchzieht den gesamten menschlichen Körper. Da sich die vom Herzen ausgehenden Pumpimpulse über den ganzen Körper ausbreiten, ist dieser Puls auch in größeren peripheren Gefäßen tastbar. Hier sind zum Beispiel die Arteria dorsalis pedia (Fußrückenarterie), die sich auf der Oberseite des Fußes 25

27 dicht unter der Haut befindet, und die Arteria radiales (Speichenarterie), die sich distal an der Daumenseite des Unterarmes befindet, zu nennen. Sie sind Fortführungen von Hauptarterien (im Arm die Armarterie (Arteria brachialis), in den unteren Extremitäten die vordere Schienbeinarterie (Arteria tibialis anterior)). Daher ist die Pulsation sehr deutlich zu spüren, manchmal sogar zu sehen. Sie liegen nur wenige Millimeter unter der Haut und können so durch leichten Druck mit zwei Fingern gegen den darunterliegenden Knochen gedrückt werden. Da die Haut an den Finger sehr sensibel ist, können kleine Druck- und Volumenänderungen in den Gefäßen gespürt werden. Wie bereits im vorherigen Kapitel beschrieben, wird das Blut in Pulswellen ins Gefäßsystem gepresst. Bisher wurde für die Beschreibung der Blutströmung von starren runden Röhren ausgegangen. Der tastbare periphere Puls kann damit nicht erklärt werden. Die Gefäße sind nicht starr. Die Arterien sind von einer Muskelschicht umgeben, die sie elastisch macht. Es handelt sich um zirkulär angeordnete glatte Muskelzellen. Abbildung 2.3.1: Schematischer Aufbau einer Arterie Faller, A. (2004), Der Körper des Menschen: Einführung in Bau und Funktion, Thieme Verlag Stuttgart, S

28 Diese Schicht heißt Tunica Media (auch kurz Media genannt). Sie wird nach innen mittels Membranen von der Tunica interna und nach außen von der Tunica externa begrenzt [vgl. Internetquelle (8)]. Der Gefäßaufbau ist schematisch in Abbildung dargestellt. Der Gefäßquerschnitt variiert mit dem Gefäßdruck. Diese minimale Veränderung ist mit den Fingern tastbar. Der Strömungswiderstand nimmt mit wachsender Länge und Verkleinerung des Radius des Gefäßes zu (siehe Hagen- Poiseuille sches Gesetz, Gleichung (2.2.16)). Die Querschittsvergrößerung kann theoretisch bestimmt werden. Die Gefäßabschitte werden als Zylinder endlicher Länge betrachtet. 2.4 Die Physiologie der Lunge Die Lunge sichert den Austausch der Atmungsgase Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid für den Organismus. Das Atmungssystem wird in luftleitende und am Gasaustausch beteiligte Bereiche unterteilt. Das luftleitende System wird auch als Totraum bezeichnet, da sein Volumen nicht am Gasaustausch beteiligt ist. Er erstreckt sich von Mund und Nase bis in die Bronchioli. Die Bronchioli sind die letzten Verzweigungen des Bronchialbaumes und haben einen Durchmesser von weniger als 1mm. Der Totraum transportiert die Luft, erwärmt, befeuchtet und reinigt sie. Pro Minute wiederholt sich der Ein- und Ausatmungsvorgang ca. 15 Mal. Von ca. 7,5 l Luft ventilieren ca. 30 % im Totraum. Die restlichen 70 % zirkulieren in den Alveolarräumen. Hier findet die eigentliche äußere Atmung statt. [Faller (2004), S. 370 ff.] Die Abbildung zeigt den schematischen Aufbau des Atmungssystems und den Aufbau der Lungenbläschen (Alveolen). Das Atemzugvolumen (Volumen, welches bei einem Atemzug bewegt wird) beträgt bei einem Durchschnittserwachsenen in Ruhe etwa 0,5 l. Das maximale Gesamtvolumen des Atmungssystems beträgt etwa 5 l. Auch bei maximaler Ausatmung bleiben 1 2 Liter Luft als sogenanntes Residualvolumen zurück. Die Differenz von 3 4 l wird als Vitalkapazität bezeichnet. Sie wird zur Atmung unter körperlicher Anstrengung benötigt, da die Muskeln dann wesentlich mehr Sauerstoff für den erhöhten Stoffwechsel benötigen. [Faller (2004), S. 389 ff.] 27

29 Abbildung 2.4.1: Die menschlichen Atemwege 13 Die Einatmung ist ein aktiver Prozess. Durch Kontraktion der Zwerchsfellmuskulatur (Diaphragma) wird das Volumen des Brustkorbs (Thorax) vergrößert. Da die Atemwege direkt an die Atmosphärenluft angeschlossen sind, strömt Luft in die Lungen. Durch Relaxation des Diaphragmas wird die Luft wieder 13 filetimestamp=

30 herausgedrückt. Dieser Vorgang ist normalerweise passiv, kann aber durch die Atemhilfsmuskulatur aktiv unterstützt werden. [Faller (2004), S. 404 ff.] Ein- und Ausatmungsdruck kann mit einem Druckmesser bestimmt werden. In den Kapiteln 3.5 und 4.2 wird auf den Bau eines solchen Gerätes näher eingegangen. Der menschliche Organismus ist an den atmosphärischen Luftdruck und seine Zusammensetzung angepasst. Der Druck der Erdatmosphäre beträgt am Boden im Mittel 1 bar. Der Luftdruck sinkt mit steigender Höhe nach der barometrischen Höhenformel: p( h) p 0 e - 0 g h p0 [vgl. Demtröder (2008), S. 202] (2.4.1) Dabei sind p 0 der Luftdruck auf Erdoberflächenniveau, g die Erdbeschleunigung, ρ 0 die Dichte der Luft und h die Höhe. Werden die Zahlenwerte für Luft eingesetzt, also ρ 0 = 1,24 kg/m 3 und p 0 = 1013 hpa, so kann die Gleichung (2.4.1) spezifiziert werden: p( h) h 8330m p0 e (2.4.2) [vgl. Demtröder (2008), S. 202] Der Luftdruck auf Erdoberflächenniveau halbiert sich also bei einer Höhe von: h 8330m ln m (2.4.3) 1 2 Luft ist ein Gemisch verschiedener Gase. Der Gesamtdruck kann nach dem Dalton schen Gesetz als p p1 p2 p3... p i (2.4.5) i berechnet werden [vgl. Haas (2002), S. 107]. Dabei sind p i die einzelnen Partialdrücke. Jedes Gas i hat nach dem Boyle-Mariotte schen Gesetz seinen eigenen Partialdruck p i. Die Partialdrücke lassen sich berechnen: 29

31 V1 V2 p1 p, p2 p usw. (2.4.6) V V [vgl. Haas (2002), S. 107]. Die Atmosphäre hat in Bodennähe folgende Zusammensetzung (die Angaben beziehen sich auf trockene Luft): Tabelle 2.4.1: Luftzusammensetzung in Bodennähe und zugehörige Partialdrücke unter Normalbedingungen 14 Gas Anteil des Gase in der Partialdruck des Atmosphäre (in %) Gases (in bar) Stickstoff 78 0,78 Sauerstoff 21 0,21 Kohlenstoffdioxid 0,03 0,0003 Wasserstoff, Edelgase u.a. 0,97 0,0097 Gesamtluft Der jeweilige Volumenanteil der Gase in der Alveolar- und Ausatemluft sind von Luftzusammensetzung der atmosphärischen Einatmungsluft zu unterscheiden. Tabelle zeigt die Zusammensetzungen. Tabelle 2.4.2: Zusammensetzung der Atmungsluft 15 Gas Volumenanteil (in %) Einatmungsluft (trocken) O 2 20,9 CO 2 0,03 Ausatmungsluft O 2 16,0 CO 2 4,0 Alveolarluft O 2 14,0 CO 2 5,6 Die jeweiligen Partialdrücke ändern sich mit der Zusammensetzung nach dem Boyle-Mariotte schen Gesetz. Sonstige Gase werden nicht weitergehend betrachtet, da sie am Gasaustausch nicht teilnehmen. 14 www2.hu-berlin.de/spowi/studium/tauchen/phys-t.pdf 15 Faller, A. (2004), Der Körper des Menschen: Einführung in Bau und Funktion, Thieme Verlag Stuttgart 30

32 Besondere Beachtung sollte die Zusammensetzung der Alveolarluft finden. Der Kohlenstoffdioxid-Anteil ist hier am höchsten während der Sauerstoffanteil am niedrigsten ist. Die Ausatmungsluft ist ein Gemisch aus Alveolarluft und Einatmungsluft. Die Diffusion der Gase hängt nicht nur vom jeweiligen Partialdruck im Alveolarraum ab, sondern auch von der Konzentration bzw. Partialdruck der Gase in den Kapillaren, die von den Alveolen etwa 1µm entfernt sind. Diese Grenze, also der Übergang von Alveole zum Kapillar wird Blut-Luft-Schranke genannt. [Faller (2004), S. 394 ff.] Der ph-wert des Blutes wird vom Partialdruck bzw. der Konzentration der gebundenen Blutgase beeinflusst. Eine chemische Pufferung sorgt für ein stabiles Gleichgewicht im Körper. Diese muss zum einen stabil genug sein, um den Organismus ständig mit Sauerstoff zu versorgen und Kohlenstoffdioxid auszuschleusen, zum anderen muss sie flexibel bei Belastungen reagieren können, um Unregelmäßigkeiten auszugleichen. Um die Änderung und Pufferung des Blut-pH-Wertes zu verstehen, müssen zuerst einige Begrifflichkeiten geklärt werden. Kapitel befasst sich kurz mit der Definition des ph-wertes und den Grundzügen des Puffersystems Der ph-wert und das Puffersystem im Blut Die folgende Darstellung basiert auf Riedel (2004), S. 319f. Der ph-wert ist definiert als die chemische Aktivität der Wasserstoffionen H + : ph log10 a H (2.4.7) Da die Messung der chemischen Aktivität von Wasserstoffionen in der Praxis schwierig ist, kann für verdünnte wässrige Lösungen in erster Näherung mit der Konzentration der Hydroniumionen H 3 O + gerechnet werden: ph c( H 3O ) log 10 (2.4.8) mol l Der ph-wert ergibt sich aus dem Autoprotolyse-Gleichgewicht des Wassers: 31

33 2H 2 O OH H O 3 (2.4.9) Die Gleichgewichtslage kann durch eine Konstante K c ausgedrückt werden: K c c( H3O ) c( OH ) (2.4.10) 2 c ( H O) 2 Es wird nach den Konzentrationen der Ionen umgeformt. Die neue Konstante Kw wird auch als Ionenprodukt des Wassers bezeichnet. Bei der Normaltemperatur 14 2 von 25 C und Normaldruck von 1 bar beträgt sie K 1 10 mol W 2. l c( OH ) Kc c ( H2O) Kw 1 2 (2.4.11) c( H3O ) 10 mol l Zusätzlich zum ph-wert gibt es auch den poh-wert. Er ist über die Aktivität der Hydroxidionen definiert und kann ebenfalls in verdünnten wässrigen Lösungen über die Konzentration genähert werden: poh c( OH ) log 10 (2.4.12) mol l Durch Einsetzen der Definitionen für ph- und poh-wert (Gleichungen (2.4.8) und (2.4.12)) in Gleichung (2.4.11) und Logarithmieren von K W ergibt sich: ph poh 14 (2.4.13) Da die Konzentration von Hydronium- und Hydroxidionen gleich groß sein muss, hat Wasser einen neutrale Punkt bei ph = 7. Saure wässrige Lösungen haben definitionsgemäß ph-werte kleiner als 7, basische größer als 7. Blut wird als wässrige Lösung betrachtet, da Wasser der Hauptbestandteil ist. Der normale ph-wert des Blutes liegt im Bereich 7,2 bis 7,4. Er unterliegt geringfügigen Schwankungen. Der mit dem Leben vereinbare Bereich ist damit 32

34 beschränkt. Die folgende Reaktionsgleichung zeigt den Gleichgewichtszustand für das Atmungsgas Kohlenstoffdioxid: CO2 2H2O H2CO3 H2O [vgl. Friedrich (2007), S. 108] HCO H O 3 3 (2.4.14) Das Gleichgewicht wird durch das komplexe Puffersystem aus gelösten Ionen, Kohlenstoffdioxid und Proteinen eingestellt. Der ph-wert des Blutes beeinflusst die Bindefähigkeit von Sauerstoff O 2 an das Hämoglobin. Das Hämoglobin befindet sich in den roten Blutkörperchen (Erythrozyten). Die Sauerstoffkonzentration beeinflusst den Blut-pH-Wert nicht, solange es in gebundener Form vorliegt. Der ph-wert steigt durch Verlagerung der Gleichgewichtslage (in Gleichung (2.4.14)) nach links in Richtung der Edukte. Dadurch kann mehr Sauerstoff vom Hämoglobin gebunden werden. Der Sauerstoff wird an die Körperzellen abgegeben, wenn der ph-wert sinkt. Das aus den Zellen diffundierende Kohlenstoffdioxid ist für die Erhöhung der Kohlensäurekonzentration und damit für die Erhöhung der Hydroniumionen- Konzentration verantwortlich. Damit steht der ph-wert des Blutes im direkten Zusammenhang mit der Atmung bzw. Sauerstoffversorgung des Organismus. 2.5 Physikalische Grundlagen der fotoelektrischen Pulsmessung Die fotoelektrische Pulsmessung macht sich die Absorption oder Transmission von Licht in optischen Medien zu Nutze. Das optische Medium ist das Gewebe, im Normalfall das des Fingers, der Fingerkuppe. Die Lichtdurchlässigkeit variiert mit dem Rhythmus des Pulses. Da sich die Schichtdicke während des Pulsschlags verändert, muss das Licht mehr oder weniger absorbierendes Material durchdringen. Die Darstellung zeigt den schematischen Aufbau einer solchen Messapparatur. 33

35 Abbildung 2.5.1: Schematische Darstellung der Pulsoxymetrie 16 Sinnvoll ist in diesem Zusammenhang die Betrachtung der Absorption von Licht verschiedener Wellenlängen. Dabei ist vorrangig das Hämoglobin zu betrachten, da der rote Blutfarbstoff wesentlich zur Absorption beiträgt. Es gibt das normale Hämoglobin (auch Desoxyhämoglobin) und das Oxyhämoglobin, welches als Hämoglobin mit Sauerstoffbeladung behandelt werden kann. Die Absorptionsspektren in Abhängigkeit zur Wellenlänge λ geben Informationen über den optimalen Wellenbereich. Abbildung zeigt das Absorptionsspektrum von Hämoglobin und Oxyhämoglobin. Im Wellenlängenbereich von ca nm hat die Extinktionskurve seine niedrigsten Werte. Hier ist die Absorption am größten. Extinktion bedeutet Auslöschung, im fotometrischen Sinn hingegen auch Abschwächung. Für die Pulsmessung muss also Licht einer Wellenlänge in diesem Bereich gewählt werden, um signifikante Änderungen sichtbar zu machen. Das setzt jedoch eine weitere Bedingung voraus. Die Extinktion soll sich bei gleicher Farbstoffkonzentration nur mit der Schichtdicke des Mediums (Fingerarterie) ändern. Dazu muss die Extinktion in Abhängigkeit von der Konzentration einen linearen Zusammenhang haben. 16 Schöller, B., (1994), Pulsoxyimetrie-Fibel, MCC GmbH Karlsruhe (Herausgeber), S. 8 34

36 Abbildung 2.5.2: Absorptionspektren von Hämoglobin und Oxyhämoglobin 17 Die Absorption im Medium ist aber nicht linear. Die Intensität des Lichts nimmt mit der Schichtdicke exponentiell ab. Die Abbildung zeigt die graphische Auftragung der Extinktionskonstante k gegen die Konzentration c. Die Steigung der Geraden im sogenannten Beer schen Bereich ist konstant K. Die von der Konzentration abhängige Extinktionskonstante ist linear zur Konzentration. 17 Harten, U. (2011), Physik für Medziner, Springer Medizin Verlag Heidelberg, S

37 Abbildung 2.5.3: Abhängigkeit der Extintionskonstante von der Hämoglobin-Konzentration 18 Die Extinktion kann dementsprechend in diesem Bereich in Abhängigkeit von der Konzentration, der Schichtdicke und der Wellenlänge des Lichts beschrieben werden. Der Intensitätsabfall beim Durchqueren des Mediums ist exponentiell und wird durch die folgende Gleichung erörtert. I( c, d) I 0 e * c d (2.5.1) [vgl. Schöller, B. (1994), S. 10] I ist dabei die Intensität des Lichts in Abhängigkeit von der Konzentration c und der Schichtdicke d, I 0 ist die Intensität des nicht abgeschwächten Lichts. ε* ist der Extinktionskoffizient. Durch Umformen und Logarhythmieren ergibt sich dann: I * ln c d I (2.5.2) 0 18 Harten, U. (2011), Physik für Medziner, Springer Medizin Verlag Heidelberg, S

38 Durch Transformation in den in der Photometrie üblichen dekadischen Logarhythmus wird aus Gleichung (2.5.2): I log c d I 10 (2.5.3) 0 Aus ε* wird somit der Koeffizient ε ( log 10 ( e ) * 0,434 * ). Gleichung (2.5.3) entspricht dem Lambert-Beer schen Gesetz, welches die Extinktion in Abhängigkeit von der Wellenlänge, Konzentration und Schichtdicke beschreibt: I E (, c, d) log 10 c d I (2.5.4) 0 Für eine Wellenlänge λ bei konstanter Konzentration c hängt damit die Extinktion nur von der Schichtdicke d ab. Das Absorptionsmaximum für Oxyhämoglobin ist bei ca. 660 nm während es für Desoxyhämoglobin bei ca. 900 bis 950 nm liegt. Die in der Medizintechnik verwandten Leuchtdioden haben eine Wellenlänge 660 bzw. 905 nm (siehe dazu auch Datenblatt des Pulsoxymetrie-Sensors MS16445 im Anhang). Leuchtdioden sind sehr gut geeignet, da sie ein monochromatisches Licht mit geringer elektrischer Energie erzeugen können. Die elektrische Leistung solcher LEDs liegt im Bereich von wenigen Milliwatt (mw). Geräte, die Licht der Wellenlängen 660 und ca. 900 nm benutzen, können nicht nur den Puls sondern auch den Sauerstoffgehalts des Blutes messen. Sie vergleichen die einzelnen Absorptionen für die beiden verschiedenen Wellenlängen. Ein Computer berechnet daraus die sogenannte partielle Sauerstoff-Sättigung in Prozent nach der Gleichung: S P c HbO2 HbO c Hb O2 (2.5.5) c [vgl. Schöller, B. (1994), S. 11] 2 37

39 Das P deutet dabei auf das pulsoxymetrische Verfahren hin, mit welchem die Hämoglobinkonzentrationen bestimmt wurden. Die Konzentrationen c HbO 2 und c Hb sind die jeweiligen Oxyhämoglobin- und Hämoglobinkonzentrationen. Die Sauerstoff-Sättigung wird in Prozent angegeben und kann maximal 100 % betragen. Die Werte eines gesunden Menschen sollten zwischen 96 und 100 % liegen. Eine Sauerstoffkonzentration von unter 90 % im Blut über einen länger als ein paar Minuten dauernden Zeitraum kann bereits hypoxische Hirnschädigungen, also Schäden durch Sauerstoffmangel, zur Folge haben. Der Messwert für die partielle Sauerstoffkonzentration allein ist aber nicht aussagekräftig. Mit einer Blutgasanalyse sollte eine Hypoxie bestätigt werden, bevor medizinische Maßnahmen ergriffen werden. [vgl. Hachenberg (2010), S. 157 f.] 38

40 3. Die technische Umsetzung der Messinstrumente Die in diesem Kapitel beschriebenen Messinstrumente sollen exemplarisch für eine Vielzahl an Messapparaturen stehen, die in der Medizintechnik Anwendung finden. Wie im Kapitel 1 bereits erwähnt wurde, sollen die Bauanleitungen zu Messinstrumenten vorgestellt werden, die in wesentlich komplexer Form auf intensivmedizinischen Überwachungsstationen verwendet werden. Die hier vorgestellten Experimente sind an dieses meist computergestütztes System angelehnt. Gerade das macht den Eigenbau solcher Geräte mit einfachen Mitteln interessant. Eines der wichtigsten Messinstrumente ist das Stethoskop. Es wird im folgenden Kapitel kurz in Aufbau und Funktion vorgestellt. 3.1 Physikalische Grundlagen des Stethoskops Abbildung 3.1.1: (links) Stethoskop im Jahr , (rechts) modernes Stethoskop Das Stethoskop, auch Hörrohr genannt, ist physikalisch gesehen eine Röhre mit einem Schalltrichter und zwei Ohrstücken. In den Anfängen der Medizin war es ein gerades Rohr mit einem großen Trichter, der auf den zu untersuchenden Teil des jpg 39

41 Patienten aufgesetzt wurde und einem kleineren Trichter, den sich der Mediziner an die Ohrmuschel hielt (siehe Abbildung links). Moderne Stethoskope haben einen ähnlichen Aufbau, aber die verwendeten Materialen optimieren die Auskultation (das Abhören). Beispielsweise wurde in den Trichter auf der Patientenseite eine Membran eingesetzt. Ein Stethoskop wie es in der Gegenwart Verwendung findet, ist in Abbildung rechts zu sehen. Die Funktionsweise erschließt sich aus dem Aufbau. Ein Stethoskop ist ein mechanischer Geräuschverstärker. Ein Geräusch ist eine Schallwelle und damit eine longitudinale Dichteschwankung der Luft, welche sich mit der Zeit durch den Raum fortpflanzt. Eine Schallwelle in Luft verhält sich anders als eine Druckwelle im Wasser. Die Kompressibilität der Luft spielt eine entscheidende Rolle. Dadurch bleibt der Druck im System nicht konstant. Eine Schallwelle kann also nicht wie im Experiment mit kommunizierenden Wasserröhren [vgl. Otten (1998), S.181] oder wie die hydraulische Presse [vgl. Otten (1998), S.179] als isobar betrachtet werden. Im Fall des Stethoskops ist der Schallausbreitungsraum ein Zylinder mit einem trichterförmigen Eingang. Hier befindet sich die Membran, die die Schallenergie an die Luft im Trichter und dem angeschlossenen Schlauch zur den Ohrstücken (Oliven) leitet. Die Fläche des menschlichen Trommelfells ist in etwa mit dem Innendurchmesser des Schlauches und den Oliven vergleichbar. Die Schallstärke oder Intensität der Schallwelle soll durch das Stethoskop verstärkt werden. Sie hängt von der mittleren Schallenergie W pro Auftreffzeit t und der Auftrefffläche A ab. Die Intensität einer Schallwelle ist definiert: I W (3.1.1) t A Damit ergibt sich für die Leistung P: P I A (3.1.2) Die Abbildung zeigt eine sehr vereinfachte Darstellung eines Stethoskops. 40

42 Abbildung 3.1.2: Schematische Darstellung eines Stethoskops Die Größe d m bezeichnet den Membrandurchmesser, d t den Durchmesser des Trommelfelles. Beide Membranen werden für die Herleitung als kreisförmig angenommen. Unter der Annahme, dass die Schallenergie beim Durchlaufen des Stethoskops nicht abnimmt und die Auftreffzeiten auf die Membran und das Trommelfell gleich lang sind, kann die Schallleistung als konstant angenommen werden (P = const.). Es erschließt sich folgender Sachverhalt: P I A I A const. (3.1.3) m m t t Die Verstärkung der Schallintensität kann durch Umstellen von Gleichung (3.1.3) ausgedrückt werden: I A m t Im (3.1.4) At Sollen die Fläche über die Durchmesser ausgedrückt werden, hat die Gleichung (3.1.4) die Form: 41

43 I d 2 m 2 4 d m t Im 2 dt d 2 t 4 I m (3.1.5) Um die Verstärkung der Lautstärke eines bestimmten Geräusches, zum Beispiel des Korotkow-Geräusches, zu bestimmen, muss allerdings der Schallstärkepegel berechnet werden. Er ist wie folgt definiert: I L 10 log 10 (3.1.6) I0 [vgl. Haas (2002), S. 460] Bei I 0 handelt es sich um eine Kontante, die der gerade noch vom menschlichen Gehör wahrnehmbare Schallintensität bei einer Frequenz von etwa 2 khz entspricht. Sie wird auch als Hörschwelle bezeichnet und beträgt I W m [vgl. Pelte (2005), S. 159]. Sie wird im Allgemeinen als Referenz benutzt. Die Einheit von L ist das Dezibel, kurz db. Zur Veranschaulichung wird ein kurzes Rechenbeispiel benutzt: Die Membran habe einen Durchmesser von 40 mm. Der Durchmesser des Trommelfells wird für die Rechnung auf 4 mm geschätzt. Er kann mit dem Innendurchmesser der Oliven approximiert werden. Die Verstärkung der Schallintensität kann nach Gleichung (3.1.5) bestimmt werden: 2 d ( 40mm) 2 It Im Im (10) Im 100 I 2 d 4mm 2 m 2 t m (3.1.7) Die Schallintensität wird also um den Faktor 100 verstärkt. Daraus ergibt sich die Verstärkung des Lautstärkepegels: 42

44 It 100 Im Lt 10 log10 10 log10 10 log10(100) 20db I m I (3.1.8) m Die Lautstäke des Geräusches wird über das Stethoskop um 20 db verstärkt. Als Referenzintensität wird hier die Schallintensität verwendet, die durch die Stethoskopmembran erzeugt wird. Für diese Arbeit wurde kein Stethoskop konstruiert. Natürlich kann in der Schule ein Stethoskop mit einfachen Materialien gebaut werden. Die im Einzelhandel erhältlichen Modelle sind bereits bei geringem Kostenaufwand qualitativ ausreichend. Daher wurde für einzelne Experimente ein handelsübliches Stethoskop verwendet. 3.2 Bau eines Gerätes zur Aufzeichnung eines EKGs Das EKG-Aufzeichnungsgerät, von Medizinern meist nur EKG, genannt, ist ein Gerät, welches die Herzaktivität im zeitlichen Verlauf graphisch darstellt. Es ist in der Regel sehr teuer. Die folgende Anleitung zeigt, wie ein EKG-Gerät mit geringen finanziellen Mitteln gebaut werden kann, die in der Schule meist vorhanden sind. Damit bietet sich dieser Aufbau als sehr kostengünstig an. Die didaktische Reduktion des Aufbaus auf die wesentlichen Bestandteile einer EKG- Apparatur ermöglicht dem Lernenden einen guten Einblick in eines der wichtigsten Messinstrumente aus dem Bereich der Medizin. Daher wird eine bipolare Ableitung verwendet. Zur graphischen Darstellung kann ein X-Y-Schreiber oder ein Oszilloskop verwendet werden. In diesem Beispiel wird ein Oszilloskop mit einer digitalen Anzeige verwendet, da die Anzeige eines analogen Oszilloskops nur kurz nachleuchtet. Kleine Justierungen können damit schneller vorgenommen werden als mit einem X-Y-Schreiber. Die Spannungsableitung erfolgt über Elektroden wie sie in der Medizintechnik verwendet werden. Es können auch Zellstoffstücke verwendet werden, die zuvor in eine Salzlösung getaucht wurden. Die Leitungswiderstände werden jedoch durch professionelle EKG-Elektroden minimiert. Für eine bipolare Darstellung sind zwei Ableitungspunkte ausreichend. 43

45 Da die Potentialdifferenzen sehr klein sind (siehe Kapitel 2.1.2), muss ein Gerät zur Spannungsverstärkung zwischen die Elektroden und das Oszilloskop installiert werden. Das lässt sich mit einem OP-Verstärker oder wie hier mit einem Mikrovoltverstärker realisieren. Die Geräte werden wie in Abbildung miteinander verbunden. Um die Kabel mit den Elektroden zu verbinden, sind Krokodilklemmen geeignet. Abbildung 3.2.1: Geräteaufbau zur Darstellung eines EKGs Die Testperson sollte sich möglichst ruhig sitzen oder liegen, da Bewegungen der Brustmuskulatur die Messung beeinträchtigen. Die Darstellung auf der Anzeige erlaubt nun die Messung der wichtigsten Parameter: Herzfrequenz und Potenzialdifferenz zwischen den beiden Messpunkten. Außerdem kann eine Aussage über Aussehen und Form des Elektrokardiogramms gemacht werden (siehe Abbildung 3.2.2). Gegebenenfalls 44

46 muss am Oszilloskop eine Feinjustierung durchgeführt werden. Die Zeitbasis sollte nicht kleiner als 1 DIV/s eingestellt sein. Gut auswertbar sind 4 DIV/s. Abbildung 3.2.2: EKG-Verlauf auf dem Oszilloskop Der Verstärkungsfaktor für die Spannungsverstärkung durch den Mikrovoltverstärker beträgt Das für diesen Aufbau benutzte Digital- Oszilloskop hat einen zusätzlichen, internen Verstärker, der bei der Berechnung berücksichtigt werden muss. Die Verstärkung für das Experiment hatte den Faktor 10. Die gemessene maximale Potentialdifferenz (Q-R-S-Komplex) zwischen beiden Elektroden beträgt: V U 1 2 2,4 DIV , 48mV 10 DIV (3.2.1) Die Herzfrequenz kann aus dem Abstand der P-Welle oder der Q-R-S-Komplexe bestimmt werden: 45

47 f 1 60s ms min 600min min (3.2.2) 2,4 DIV 250 DIV Die Fehler der Messung sollen für dieses Beispiel unberücksichtigt bleiben. Das EKG von mehreren Testpersonen erlaubt Vergleiche. Zudem kann durch sportliche Aktivität die Herzfrequenz erhöht werden. Dies ist im Unterricht gut darstellbar. Die zum Bau verwendeten Elemente sind in der folgenden Liste noch einmal zusammengefasst: - 1 Oszilloskop (digitale Anzeige günstig) oder X-Y-Schreiber - 1 Mikrovoltverstärker oder OP-Verstärker - 2 Elektrode pro Testperson - 2 Krokodilklemmen - 2 Kabel für Verbindung: Elektroden Mikrovoltverstärker - 2 Kabel (ggf. BNC-Kabel) für die Verbindung: Mikrovoltverstärker Oszilloskop 3.3 Bau eines Blutdruckmessgerätes Das Blutdruckmessgerät stellt das wohl am häufigsten benutzte Messinstrument in der Medizin dar. Auf den ersten Blick ist seine Funktionsweise nicht einfach zu durchschauen. Daher muss vorab ein kleiner Exkurs zur Anatomie des Menschen und zum Messverfahren erfolgen. In Kapitel 2.2 wurde bereits das Messverfahren und die zugrunde liegende Anatomie und Physiologie erläutert. Grundsätzlich gibt es mehrere Möglichkeiten zur Realisierung einer Messapparatur. Die folgende Anleitung beschränkt sich auf zwei Varianten, die jedoch beide auf dem Prinzip des hydrostatischen Druckes beruhen. Beide Geräte sind mit Materialen aus dem Baumarkt und einem Fahrradhandel zu konstruieren. Sie bieten damit Alternativen zu einem Profimessgerät, wie es zu Beispiel im Krankenhaus verwendet wird. 46

48 Der Aufbau der Apparatur kann von Schülern durchgeführt werden. Die Messung erfolgt ausschließlich über eine Wassersäule. Der Blutdruck kann somit in den in der Schule üblichen SI-Einheiten ermittelt werden. Die Apparatur ist übersichtlich und für Schüler leicht verständlich. Die Messung kann für alle sichtbar bzw. hörbar durchgeführt werden, was gerade für ein Vorführexperiment von großer Wichtigkeit ist. Weitere Vorteile und die didaktische Verwendung können dem Kapitel 4 entnommen werden Pneumatisches Blutdruckmessgerät nach Riva-Rocci Bereits Riva-Rocci verwendete einen Gummischlauch als Armmanschette für sein Blutdruckmessgerät. Ein Fahrradschlauch ist dafür gut geeignet. Er muss vor seinem Einsatz lediglich etwas modifiziert werden. Um ihn für jede Oberarmgröße zu verwenden, muss er variabel verschließbar sein. Dafür wird der Schlauch zunächst auf den Boden oder Tisch in seinem maximalen Radius ausgebreitet. Die dem Ventilansatz gegenüberliegende Seite des Schlauches wird durchtrennt. Anschließend werden die offenen Enden mit Kleber aus einem Fahrradreparaturset verschlossen. Dabei ist auf das Aufrauen der Klebeflächen zu achten. Nach dem Trocknen können die Enden mit Klettband beklebt werden. Abbildung zeigt die Manschette. Abbildung 3.3.1: Fahrradschlauch-Armmanschette So kann die Fahrradschlaucharmmanschette auch im Notfall schnell gelöst werden. Das Fahrradventil, sofern noch vorhanden, wird entfernt und für die weitere Verwendung verwahrt. Auf den Ventilaufsatz wird ein etwa 1 1,5 Meter langer PVC-Schlauch montiert. 47

49 Der von Riva-Rocci benutzte Pumpball wird durch eine Fahrrad-Luftpumpe ersetzt. Am offenen Ende wird ebenfalls ein PVC-Schlauch befestigt. Das zuvor genannte Fahrradventil muss so in den Schlauch integriert werden, dass beim Betätigen der Pumpe möglichst keine (oder nur sehr wenig) Luft in die Luftpumpe zurückströmen kann. Abbildung zeigt die Luftpumpe mit integriertem Ventil und dem Verbindungsschlauch. Abbildung 3.3.2: Fahrradpumpe mit Schlauch und integriertem Ventil Als Messmedium wird Wasser verwendet, das in einem am oberen Ende offenen Schlauch von etwa 3 Meter Länge aufsteigt. Als Wasserreservoir dient eine 1,5 Liter PET-Flasche. Die Größe der Flasche kann von 1,5 Liter Volumen abweichen, sollte jedoch nicht zu klein gewählt werden. Auch bei vollständig gefülltem Steigschlauch sollte der Wasserspiegel in der Reservoirflasche nur um wenige Zentimeter absinken. Der Steigschlauch darf nicht dünn gewählt werden, da der Einfluss von Kapillarkräften im Schlauch so gering wie möglich gehalten werden sollten. Eine Markierung bei geeignetem Füllstand kann eine Neujustierung bei 48

50 Folgemessungen ersparen. In den Deckel der Flasche werden zwei Öffnungen gebohrt, deren Durchmesser einen Millimeter kleiner als der des äußeren PVC- Schlauchs sein sollte. Durch eine Öffnung wird der Steigschlauch geführt. Dieser sollte am Boden der Flasche enden. Ein zweiter Schlauch, welcher einige Zentimeter unterhalb des Deckels endet, wird aus der Flasche zu einem Y-Stück geführt. Da die Schläuche geringfügig dicker sind als die gebohrten Löcher, kann keine Luft zwischen Schlauch und Deckelbohrung entweichen. Der maximale Überdruck in der Flasche wird bei der Messung 0,3 bar nicht übersteigen. Bis zu diesem Wert sind die Verbindungen ausreichend dicht. Durch das Y-Stück werden nun die Fahrradschlauch-Armmanschette, die Luftpumpe und die Reservoirflasche mit einander verbunden, siehe Abbildung Abbildung 3.3.3: Fahrradschlauch-Armmanschette und Fahrradluftpumpe über PVC- Schlauch und Y-Stück verbunden 49

51 Optional kann zur Druckminderung ein Dreiwegehahn einbaut werden. Dieser erleichtert das Ablassen der Luft aus dem System. Es ist allerdings sehr schwierig, das komplette System vollständig abzudichten, daher kann im Normalfall auf einen Dreiwegehahn verzichtet werden. Die Luft darf lediglich nicht zu schnell aus dem System entweichen. Abbildung 3.3.4: (links) Schiene mit Verschraubung, (rechts) Skala mit Wasser- Reservoirflasche 50

52 Als Anzeigeskala kann ein 3 Meter langes Brett oder ähnliches verwendet werden. Soll ein Druck bis maximal 200 mmhg gemessen werden können, muss von einer Steighöhe von etwa 2,7 Meter ausgegangen werden. Bei einer Höhe von 3 Metern für das Schlauchende bleibt also nur wenig Reserve. Für eventuelle Transporte kann die Messskala wie in diesem Fall geteilt werden (vergleiche Abbildung ). Um beide Teile wieder passgenau zusammenzubringen, empfiehlt es sich, Schiene und Verschraubungen zu benutzen. Der Steigschlauch kann mittels Kabelhalter auf dem Brett fixiert werden. Der Skalenbeginn ist auf Höhe des Wasserspiegels der Reservoirflasche, welche am besten auf Bodenniveau stehen sollte. Abbildung zeigt die vollständige Apparatur. Abbildung 3.3.5: Reservoirflasche, Luftpumpe und Manschette miteinander verbunden Das Wasser kann je nach Belieben angefärbt werden, um bei der Messung einen besseren Kontrast mit dem Hintergrund zu erreichen. Hierbei sollte beachtet werden, dass es durch das Anfärben nicht zu einer signifikanten Veränderung der 51

53 Dichte kommt. Natürlich können auch andere Flüssigkeiten verwendet werden, deren Dichte von 1 g/cm 3 verschieden ist. Die Messergebnisse müssen dann an die Dichte angepasst werden. Werden Flüssigkeiten mit der zwei- bzw. dreifachen Dichte verwendet, lässt sich die Anzeigeskala um den Faktor 2 bzw. 3 reduzieren. Zu diesem Zweck hat Riva-Rocci seiner Zeit auch Quecksilber verwendet, welches etwa die 13,5-fache Dichte von Wasser besitzt. Seine Apparatur hatte so lediglich eine Gesamthöhe von ca. 30 cm. Ist die Apparatur komplett montiert und Wasser in die Reservoirflasche bis zur Markierung eingefüllt, kann die Messung beginnen. Die Testperson sollte sich in Ruhe (sitzend oder liegend) befinden. Die Armmanschette wird um den Oberarm angelegt (siehe dazu Kapitel 2.2). Die Membran des Stethoskops wird direkt distal (körperferner, also unterhalb) der Manschette positioniert. Es kann mit den Fingern oder Klebeband fixiert werden. Abbildung 3.3.6: Stethoskop mit Stabmikrofon und Lautsprecher 52

54 Die Oliven werden in die Ohrmuschel eingeführt und das System unter Druck gesetzt. Soll der Messvorgang einer größeren Zuschauermenge auch hörbar präsentiert werden, kann das Stethoskop an ein Stabmikrofon mit Lautsprechern angeschlossen werden. Um die Schallverstärkung durch das Stethoskop maximal zu nutzen, müssen die Oliven entfernt werden. Ein Ende wird dann auf das Mikrofon gesteckt, das andere blind verschlossen, vergleiche Abbildung Abbildung 3.3.7: Markierungen (links) systolischer, (rechts) diastolisch 53

55 Für die Messung wird die Fahrradluftpumpe betätigt. Dabei ist das Aufsteigen des Wassers aus der Reservoirflasche im Steigschlauch zu beobachten. Die Steighöhe sollte 2,5 Meter überschreiten. Das Pumpen kann eingestellt werden. Da die Luftpumpe in der Regel nicht absolut dicht ist, wird Luft aus dem System entweichen. Das macht sich durch langsames Absinken des Wasserstands im Steigschlauch bemerkbar. Geeignet ist ein Absinken von etwa 1 3 cm pro Sekunde, da so der Messfehler klein und die Unannehmlichkeiten für die Testperson akzeptabel bleibt. Während des Absinkens ist auf die Korotkow-Geräusche, die via Stethoskop hörbar gemacht werden können, zu achten. Eine Markierung wird zu Beginn der Korotkow-Geräusche auf der Skala angebracht, eine zweite, wenn die Geräusche verschwinden (vergleiche Abbildung 3.2.7). Die Höhe der Markierungen auf der Skala bezüglich des Füllstandes des Wassers in der Reservoirflasche wird gemessen, da der Druck im System nur von Höhe der Wassersäule abhängig ist (siehe auch Gleichung (2.2.1)). Aus den Höhen lassen sich der systolische und diastolische Druck nach Gleichung (2.2.1) direkt in Zentimeter Wassersäule bzw. Pascal bestimmen. Der Messfehler für die Höhenmessungen lässt sich abschätzen. Er hängt von der Absinkgeschwindigkeit und der Querschnittfläche des Steigschlauches ab. Hinzu kommen Markierungs- und Ablesefehler. Folgefehler werden mit dem Gauß schen Fehlerfortpflanzungsverfahren berechnet. Die Fehler für die Dichte von Wasser und die Erdbeschleunigung bleiben für die Berechnung unberücksichtigt. Beispielrechnung: Die erste Markierung wurde bei einer Höhe von 168 cm, die zweite bei 115 cm über Füllstand der Reservoirflasche angebracht. Die Füllstandsvariation in der Flasche kann vernachlässigt werden. Als Messfehler wird bedingt durch Sinkgeschwindigkeit der Wassersäule und Ablesegenauigkeiten ein Wert von 1cm berücksichtigt. Der Wert für den Blutdruck kann damit direkt ermittelt werden. Er beträgt (168±1) / (115±1) cmh 2 O (auch Zentimeter Wassersäule genannt). 54

56 Der Druck kann natürlich auch in der SI-Einheit Pascal angegeben werden (1cmH 2 O entspricht 98,1 Pa): (16,5±0,1) / (11,3±0,1) kpa. Der Druckwert kann auch, wie in der Medizintechnik üblich, in Millimeter Quecksilber angegeben werden: (124±1) / (85±1) mmhg. (Umrechnung und Grundlagen zur Umrechnung befinden sich im Kapitel 4.1.) In der Medizin wird auf eine Angabe des Messfehlers meist verzichtet, da die Messergebnisse in der Regel auf 5 mmhg genau gerundet werden. Es wird also nur der systolische / diastolische Wert angegeben, zum Beispiel 125 / 85 mmhg. Da der Blutdruck ständig kleinen Schwankungen unterliegt, ist die Rundung der Messwerte sinnvoll. Der Strich zwischen dem systolischen und diastolischen Druckwert ist kein Bruchstrich. Er symbolisiert die Trennung zwischen beiden Werten. Der systolische Wert wird immer zuerst genannt. Ausgesprochen wird das dann: 125 zu 85. Die Einheit wird oft in der Fachsprache weggelassen, da Druckwerte in der Regel immer in mmhg angegeben werden. Muss eine Messung mit derselben Testperson wiederholt werden, sollte der Manschettendruck bis ungefähr null reduziert werden, da das Herz den Pumpdruck bei Unterversorgung der Extremitäten erhöhen kann. Die Messung wird damit unter Umständen verfälscht. Die zum Bau verwendeten Elemente sind wie im vorherigen Kapitel in einer kurzen Liste noch einmal zusammengefasst: - 1 Fahrradschlauch - 1 Fahrradluftpumpe - 3 PVC-Schläuche ca. 1-1,5 m (geeigneter Durchmesser 7-12 mm) - 1 PVC-Schlauch (farblos, klar) ca. 3 m (geeigneter Durchmesser 7-12 mm) - 10 Kabel- oder Schlauchhalter für einen Schlauchdurchmesser 7-12 mm - 1 T-Stück um die PVC-Schläuche zu verbinden - Messskala (z.b. Holzbrett) ca. 3 m mit Standfuß - Maßband oder Gliedermaßstab - eine 1,5 Liter PET-Flasche (Glasflasche auch möglich) 55

57 - 1,2-1,3 Liter Wasser - 1 Fahrradventil - 1 Fahrradschlauch-Reparaturset - Klettverschluss-Band - Klebeband - 1 Stethoskop - optional 1 Dreiwegehahn und Farbstoff (zum Anfärben des Wassers) Hydrostatisches Blutdruckmessgerät Die Apparatur für das rein hydrostatische Blutdruckmessgerät ist in ihrem Aufbau einfacher gestaltet als die pneumatische Version. Sie stellt allerding höhere Ansprüche an die Dichtigkeit des Systems. Als Armmanschette fungiert wieder ein Fahrradschlauch, welcher wie bei der pneumatischen Messapparatur vorbereitet wird. Auf ein Ventil kann verzichtet werden. Die Manschette wird mit einem PVC-Schlauch an eine Reservoirflasche angeschlossen (siehe Abbildungen (links) und 3.3.9). Der Flaschenboden wird entfernt oder eine Öffnung gebohrt. Der Deckel sollte eine Bohrung für den PVC-Schlauch besitzen. Auch hier wird die Bohrung einen Millimeter kleiner gewählt als der Schlauch-Außendurchmesser. Die Dichtigkeit der Verbindung kann durch Klebeband unterstützt werden. Es wird ebenfalls eine drei Meter hohe Messskala mit Standfuß verwendet. Die Messung wird wie folgt durchgeführt: Das gesamte System, also die Flasche verbunden mit der Fahrradschlauch- Armmanschette, wird mit Wasser gefüllt. Dabei ist auf ein blasenfreies Befüllen zu achten, da Luft, wie jedes Gas, kompressibel ist. Die Kompressibilität von Wasser ist vergleichsweise vernachlässigbar gering (siehe Kapitel 2.3). Der Wasserstand in der Reservoirflasche muss dann nur wenige Zentimeter betragen. Die Armmanschette wird der Testperson angelegt. Diese sollte sich in sitzender oder liegender Position befinden. Distal der Manschette wird wie bei der pneumatischen Messung das Stethoskop angelegt. Auch hier kann mit Mikrofon und Lautsprecher gearbeitet werden. 56

58 Abbildung 3.3.8: (links) Fahrradschlauch-Armmanschette, (rechts) Brett für Skala Der Blutdruck wird nun mittels der Bewegung der Flasche entlang der Skala gemessen. Als Referenzpunkt ist die Höhe der Armmanschette zu wählen. Die Höhe der Wassersäule entspricht der Wasseroberfläche in der Reservoirflasche. Die Nullmarke und die Höhenmarken, bei denen die Korotkow-Geräusche mittels Stethoskop zu hören sind, werden markiert. Der größere Wert für die Höhe entspricht auch hier wieder dem systolischen, die niedrige Höhendifferenz dem diastolischen Blutdruckwert. 57

59 Abbildung 3.3.9: (links) systolische Markierung, (rechts) systolische und diastolische Markierung Die Messung sollte auch hier zügig durchgeführt werden. Aus der Höhendifferenz lässt sich wie in Kapitel mit Gleichung (2.2.1) der Druck bestimmen. Fehler können wie in Kapitel abgeschätzt werden. Auch bei dieser Methode sollten einige Minuten zwischen zwei Messungen liegen, da die Messergebnisse sonst negativ beeinflusst werden. Undichtigkeiten des Systems machen sich in Form von Flüssigkeitsverlust bemerkbar. Undichte Stellen lassen sich mit Fahrradschlauch-Reparaturmaterial oder Klebeband abdichten. Die zum Bau verwendeten Elemente in folgender Liste noch einmal zusammengefasst: - 1 Fahrradschlauch - 1 PVC-Schlauch (farblos, klar) ca. 3 m (geeigneter Durchmesser 7-12 mm) - Messskala (z.b. Holzbrett) ca. 3 m mit Standfuß - Maßband oder Gliedermaßstab 58

60 - eine 0,5-1,5 Liter PET-Flasche (Glasflasche auch möglich) Liter Wasser - 1 Fahrradschlauch-Reparaturset - Klettverschluss-Band - Klebeband - 1 Stethoskop 3.4 Bau eines nichtinvasiven photoelektrischen Pulsmessgerätes Ein Pulsmessgerät gehört in der gegenwärtigen Medizintechnik fast schon zur Grundausstattung. Es findet Einsatz bei Operationen, ist unerlässlich zur Pulskontrolle im Rettungsbereich und natürlich auf Stationen mit intensivmedizinischer Betreuung. Vor Erfindung eines Messgerätes zur Pulsmessung wurde der Puls durch Tasten der in Kapitel 2.3 genannten Arterien gemessen. Eine Visualisierung in Abhängigkeit der Zeit war so nicht möglich, da die Messung vom subjektiven Tastempfinden und dem Zählen der Pulsschläge abhing. Über die Regelmäßigkeit und Gleichförmigkeit des Pulses konnte nur gemutmaßt werden. Moderne Messapparaturen machen sich die Lichtabsorption oder Lichttransmission durch Gewebe, meist Finger oder Zeh, zu Nutze. Im Folgenden wird ein didaktisch reduzierter Aufbau beschrieben, der nur die wesentlichen Elemente zur Pulsbestimmung enthält. Die Apparatur besteht aus zwei Stromkreisen. Der Primärkreis besteht aus einer Gleichspannungsquelle und einer lichtemittierende Diode (LED). Da die LED bei Überspannung leicht beschädigt werden kann, sollten Spannung und Strom bei Inbetriebnahme der LED stets gemessen und angepasst werden. Die LED sollte ein monochromatisches Licht der Wellenlänge um 630 nm erzeugen, da dieses Licht für das menschliche Auge sichtbar ist. LED-Typen mit Wellenlängen über 800 nm können auch benutzt werden. Mit bloßem Auge kann die Funktionsfähigkeit allerdings nicht überprüft werden. Abbildung zeigt das Schaltbild für das Messinstrument: 59

61 Abbildung 3.4.1: Schaltbild eines photoelektrischen Pulsmessgerätes Der Sekundärstromkreis beinhaltet eine Fotodiode und ein Oszilloskop. Hier bietet sich wieder ein Digitaloszilloskop an, da der zeitliche Verlauf der Spannung wie beim EKG-Messgerät gut sichtbar gemacht werden kann. Sollte die durch die Fotozelle gegebene Spannung zu klein sein, kann sie auch hier mit einem Mikrovoltverstärker verstärkt werden. Alternativ kann auch ein Stromkreis mit einem Fotowiderstand (LDR) aufgebaut werden. Dieser benötigt dann eine weitere Spannungsquelle und einen Messwiderstand, über dem dann die Spannung auf das Oszilloskop übertragen werden kann. Hierbei wird kein Messverstärker benötigt. Die LED und die Fotodiode (oder LDR) werden in einem Holzblock so gegenüber eingebracht, dass bei eingelegtem Finger weder Licht von außen noch von der LED direkt auf die Fotodiode fällt. Der Holzblock fungiert nun als Sensorgehäuse. Abbildung zeigt den Aufbau. 60

62 Abbildung 3.4.2: Holzblock als Sensor (oben), Messung des Zeigefingerpulses (unten) 61

63 Eine Abschirmung des optischen Messfühlers vor Restlicht kann mittels eines schwarzen Tuches oder ähnlichem durchgeführt werden. Die LED wird auf ein möglichst konstant helles Leuchten eingestellt. Abbildung 3.4.3: Anzeige auf dem Oszilloskop Gegebenenfalls ist eine Feineinstellung ähnlich dem Versuch in Kapitel 3.2. notwendig. Die Anzeige sollte die in Abbildung dargestellte Kurve anzeigen. Aus der sogenannten Pulskurve kann nur die Pulsfrequenz abgelesen werden. Das langsame nicht lineare Absinken der Kurve kann mit der Windkesselfunktion der großen Arterien, vorrangig der Aorta erklärt werden. Das Blut wird verzögert in das Gefäßsystem abgegeben. Die Apparatur kann aus folgenden Materialien zusammengebaut werden: - Oszilloskop - Mikrovoltverstärker - Spannungsquelle mit Strombegrenzung 62

64 - LED, welches Licht der Wellenlänge ca. 630 nm emittiert - Fotodiode - Kabel - Amperemeter 3.5 Bau eines Ein- und Ausatmungsdruckmessgerätes Ein Druckmessgerät zur Ein- bzw. Ausatmungsdruckmessung ist als medizinisches Diagnoseinstrument allein nicht aussagekräftig, um eine Beeinträchtigung der Lungenfunktion zu überprüfen. Für den Gebrauch in der Schule kann es aber einen Einblick in den durch den menschlichen Körper erzeugbaren Atemwegsdruck geben. Im Rahmen dieser Staatsexamensarbeit wurden vier Schülern einer 11. Klasse Materialien zum Bau einer solchen Apparatur gegeben. Der Arbeitsauftrag lautete: Überlegen Sie sich eine einfache Apparatur, um den Ausatemdruck eines Menschen bestimmen zu können! (Sinnvoll wäre ein Skizze mit kurzer Beschreibung) Folgende Materialien wurden zur Verfügung gestellt: - 1 Holzbrett: 200 cm x 40 cm x 1 cm - 2 Holzleisten (je 30 X 30 X 80 mm) - 1 farbloser PVC-Schlauch: 2 m lang, Innendurchmesser: 9 mm - 10 Kabelhalter mit Nägeln passend auf den Außendurchmesser des PVC- Schlauches - Flasche mit 1 Liter Leitungswasser - 1 Wäscheklammer - Werkzeug: Hammer, Zange, Säge, Nägel - 1 Bleistift 63

65 Ein kurzer Bericht über das Schülerprojekt ist im Kapitel 4.3 Bau eines Atmungsdruck-Messgeräts zu finden. Er steht exemplarisch für die Möglichkeit, die bereits in den Kapiteln 3.2 bis 3.4 beschriebenen Messapparaturen im Rahmen einer Projektarbeit oder ähnlichem zu konstruieren. Bemerkung: Im Anhang A befinden sich Arbeitsblätter, die für Unterrichtseinheiten genutzt werden können. Für die Staatsexamensarbeit wurden sie im Rahmen der Unterrichtsstudie genutzt. Sie bieten eine komprimierte Zusammenfassung der physiologischen Gegebenheiten im menschlichen Körper und wurden den Schülern bei Beginn der praktischen Arbeit zugänglich gemacht. 64

66 4. Didaktische Aspekte und die konkrete Umsetzung Die physiologischen Grundlagen der Anatomie des Menschen und die Messinstrumente werden in diesem Kapitel gegenüber gestellt. Die didaktischen Aspekte sollen erörtert werden. Da in der Medizin und Medizintechnik andere Einheiten als die in der Schule verwendeten SI-Einheiten benutzt werden, sollen im Folgenden die physikalischen Größen und Umrechnungen erläutert werden. 4.1 Physikalische Größen und ihre Umrechnungen Die Naturwissenschaften arbeiten mit einem einheitlichen System von Größen und ihren zugehörigen Einheiten. Es gibt Basisgrößen, die in Grundeinheiten angegeben werden. Für die Längen- oder Streckengröße, auch Weg genannt, wird beispielsweise die Basiseinheit Meter (m) genutzt. Auch Zeit, Temperatur, Masse, elektrische Stromstärke, Stoffmenge und Lichtstärke sind Basisgrößen. Diese wurden in der Bundesrepublik Deutschland im Système international d Unités (SI) gesetzlich festgelegt. Aus den Basisgrößen können die sogenannten abgeleiteten Größen hergeleitet werden. [vgl. Haas (2002), S. 2] Dies wird im Folgenden am Beispiel des Drucks ausführlich dargestellt. Der Druck ergibt sich zum Beispiel aus der Kraft pro Fläche. Die Kraft kann durch Masse multipliziert mit der Beschleunigung ausgedrückt werden. Die Beschleunigung ist die zweifache zeitliche Ableitung des Weges oder der Strecke. Die Fläche kann auf die Multiplikation zweier Längendimensionen reduziert werden, sichtbar an der Basiseinheit der Fläche: m 2 = Meter zum Quadrat oder kurz Quadratmeter. Die abgeleiteten Größen können mit den SI-Einheiten ihrer Basisgrößen versehen werden. Oft werden sie jedoch durch kürzere Einheiten ausgestatten, zum Beispiel das Pascal. 1Pa N 1 m 1 2 kg m s 2 Auch für diese Größen gelten Vorschriften, die sich meist aus der Art der Herleitung ergeben. 65

67 In der Medizin werden teilweise zusammengesetzte Größen mit anderen Einheiten verwendet als in den Naturwissenschaften. Dies ist laut einer EWG-Richtlinie auch erlaubt. Bezogen auf den Druck und die Einheit mmhg ist dies jedoch ausschließlich für die Messung des Blutdrucks und anderer Körperflüssigkeiten gestattet. Die Einheit mmhg (Millimeter Quecksilbersäule) oder auch torr (Torriccelli) war bis zur Einführung der Einheit Pascal auch für die Messung des Luftdruckes geläufig. Evangelista Torricelli hat 1643 das erste Quecksilberbarometer gebaut und damit den Luftdruck in mmhg gemessen. Er konstruierte ebenfalls folgende Apparatur. Ein einseitig geöffnetes Rohr wurde in eine mit Quecksilber gefüllte Wanne eingelegt. Nach Aufstellen des Rohres (vergleiche Abbildung 4.1.1), stellte sich der Füllstand des Quecksilbers abhängig vom Umgebungsdruck und unabhängig von der Rohrlänge auf dieselbe Höhe ein. Abbildung 4.1.1: Schematische Darstellung eines Quecksilber-Barometers Harten, U. (2011), Physik für Medziner, Springer Medizin Verlag Heidelberg, S.79 66

68 Der darüber entstandene scheinbar leere Raum wird auch als Torricelli-Vakuum bezeichnet und ist mit Quecksilberdampf gefüllt. Der Druck im sogenannten Torricelli-Vakuum entspricht dem Dampfdruck von Quecksilber bei der Temperatur des Quecksilbers. Unter vergleichbaren Bedingungen hat eine Wassersäule eine Höhe von ca. 9,81 m. Daraus lässt sich eine Umrechnung von mmhg zu cmh 2 O oder der SI-Einheit Pascal bilden. 1torr 1mmHg 1,36cmH2O 133Pa (4.1.1) Für die Berechnungen werden die Dichten von Wasser H 1,0 kg m 2O, die Dichte von Quecksilber und eine Erdbeschleunigung von H 13,6 kg m 2O 2 g 9,806m s vorausgesetzt [vgl. Otten (1998), S. 23, S. 182 f.]. Über die Gleichung für den hydrostatische Druck unter einer Flüssigkeitssäule der Höhe h, p( h) g h (4.1.2) lassen sich die Höhen der Flüssigkeitssäulen direkt bestimmen. Er ist zudem abhängig von der Flüssigkeitsdichte und der Erdbeschleunigung g. 4.2 Unterrichtsprojekt: Atmungsdruck-Messgerät Wie bereits im Kapitel 3.5 erwähnt, wurde der folgende Aufbau von Schülern eines Gymnasiums realisiert. Der Auftrag war der Bau eines Gerätes zur Messung des Ein- und Ausatmungsdruckes. Bereits in der vorherigen Physikunterrichtsstunde wurden die Lernenden auf den Bau vorbereitet. Der Begriff des Druckes und die Umrechnungen ähnlich Kapitel 4.1 wurden wiederholt. Das Thema Druck wurde bei diesen Schülern in der Klassenstufe 9 eingeführt. Zum Zeitpunkt des Versuchs ca. 2 Jahre später konnten sie nach kurzer Wiederholung ihr Wissen anwenden. Die Schüler hatten vor dem Bau bereits eine eigene Skizze der Versuchsapparatur nach dem Arbeitsauftrag erstellt. Danach wurde der Aufbau realisiert. Die 67

69 verwendeten Materialien sind ebenfalls im Kapitel 3.5 aufgeführt. Zuerst wurde die Messskala gebaut. Durch Fixierung des U-förmig gearbeiteten PVC-Schlauches auf dem Holzbrett mit Kabelhaltern war die Apparatur in groben Zügen fertiggestellt. Die Schüler befüllten den Schlauch mit Leitungswasser und brachten die Nullmarkierung auf Höhe des Wasserpegels an. Wie sie zuvor gelernt haben, hängt der Druck unter einer Flüssigkeitssäule nur von der Höhe der Säule ab. Um das Messinstrument kompakter zu machen, wurde die Skala raffiniert gestaucht. Nun konnte der Druck bei der Ein- und Ausatmung direkt an der Skala emittelt werden. Durch Halbieren der Skalen auf beiden Seiten kann der jeweilige Druckwert direkt abgelesen werden und muss nicht aus der Höhendifferenz bestimmt werden. Die Abbildung links zeigt den Bau der Apparatur, rechts ist das fertiggestellte Messinstrument zu sehen. Abbildung 4.2.1: (links) Schüler bauen ein Atmungsdruck-Messgerät, (rechts) fertige Messapparatur 68

70 Das gebaute Messinstrument sollte im Folgenden den Mitschülern vorgestellt werden. Die Konstrukteure konnten die Apparatur präsentieren und ihren Mitschülern auch den Grund für die Halbierung der Skalenabschnitte erklären. Abbildung zeigt die Präsentation des Projektes in der Klasse. Abbildung 4.2.2: Präsentation des Messinstrumentes vor dem Rest der Klasse Diese fünfminütige Präsentation war nicht nur für die Projektteilnehmer, sondern auch für die anderen Schülerinnen und Schüler eine wertvolle Erfahrung. Dies zeigt den praktischen Nutzen eines eigenen Aufbaus und seiner Planung und ist damit wegweisend für die Einbindung von Projektarbeiten im Unterricht. Auch das Präsentieren kann so geübt werden. Der praktische Nutzen für den späteren Berufsalltag der Schüler liegt auf der Hand. An diesem kurzen Projekt ist deutlich die Bereitschaft der Schüler an praktischen Arbeiten zu erkennen. Diese können den Unterrichtsalltag erheblich auflockern. Der Transfer von der Theorie zur Praxis stellt häufig ein unterschätztes Problem dar. Die Lernenden werden durch die Projektarbeit befähigt, Sachverhalte zu präsentieren und theoretische Grundlagen besser zu verinnerlichen. 69

71 Projekte im größeren Maßstab können in Arbeitsgemeinschaften außerhalb der Unterrichtszeit durchgeführt werden. Da dadurch geringerer Zeitdruck entsteht, können optimalere Lösungen für Probleme gefunden werden. 70

72 5. Didaktische Ausblicke 5.1 Kombination verschiedener Experimentierapparaturen Die Unterrichtsstunde im Fach Physik sollte optimal genutzt werden, um physikalische Problemstellungen und Lösungen diskutieren zu können. Daher ist die flexible Kombination von Experimenten empfehlenswert. Ein Beispiel, basierend auf den hier vorgestellten Experimenten, soll im Folgenden dargelegt werden. Um die Korotkow-Geräusche für alle im Raum Anwesenden hörbar zu machen, kann sich eines Mikrofons und Lautsprechersystems bedient werden. Für den unwahrscheinlichen Fall, dass das Stethoskop gerade in den Biologie-Unterricht ausgeliehen wurde oder gar defekt ist, stellt sich zur Visualisierung des Blutdrucks mit dem Pulsmessgerät aus Kapitel 3.3 kein Problem mehr dar. Bei der Blutdruckmessung wird ja der systolische arterielle Druck zu Beginn überschritten. Ist die Manschette um den Arm gelegt, fließt also kein Blut mehr in die distalen Extremitäten. Der Fingerpuls, der ja mit dem Pulsmessgerät gemessen werden kann, ist also nicht feststellbar. Verringert sich nun der Druck in der Manschette, kann nach und nach mehr Blut pulsierend in den Unterarm strömend. Dabei hängt die Pulsamplitude vom angelegten Druck ab. Bei Erreichen des diastolischen Druckwertes ist die Pulsamplitude maximal. Durch die genaue Beobachtung der Amplitude kann nun auf den systolischen und diastolischen Blutdruck geschlossen werden. Zur besseren Darstellung kann die Anzeige des Oszilloskops in den entscheidenden Bereichen vergrößert werden. Auch die Thermodynamik spielt eine entscheidende Rolle in der medizinischen Diagnostik. Zur Messung der Körpertemperatur können hier Sonden verwendet werden, die zum Beispiel auf der Haut fixiert oder mittels Katheter in den Körper eingeführt werden. Über ein entsprechendes Anzeigegerät kann die aktuelle Körpertemperatur sehr genau und zu jedem beliebigen Zeitpunkt abgelesen werden. Diese Technologie basiert auf dem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand eines Leiters. Es werden hier PTC- oder NTC-Thermowiderstände verwendet. PTC und NTC bedeutet in diesem Zusammenhang: positive 71

73 temperature coefficient (positiver Temperaturkoeffizient) oder negative temperature coefficient (negativer Temperaturkoeffizient). Der Bau einer Messapparatur kann leicht realisiert werden. Daher wurde dieser Aufbau für diese Arbeit nicht verwendet. Sinnvoll sind solche Aufbauten im Unterricht aber auf jeden Fall. Oft sind die einfachen, also didaktisch sinnvoll reduzierten Experimente sehr aussagekräftig. Denn gerade solche Versuche inspirieren den Lernenden, schaffen Kreativität und Lust, den erlernten Unterrichtsstoff anzuwenden. Mögliche Fehler werden durch simple Apparaturen minimiert, das Wesentliche wird hervorgehoben. 5.2 Einsteigerexperimente mit medizintechnischen Produkten Als Einstieg in die Thematik der Medizin und Medizintechnik sind folgende Experimente beispielsweise verwendbar. Sie zeigen zum einen die Komplexität eines Themas mit den fächerübergreifenden Aspekten zum anderen die Möglichkeit einfacher Aufbauten von Experimenten, welche wiederum eine Vielzahl von Fragen in dem Lernenden aufwerfen können Einführungsexperiment: Siedendes Wasser bei Raumtemperatur Auf Grund des simplen Aufbaus ist dieses Experiment für eine Projektarbeit ungeeignet. Benötigt wird eine medizinische Einwegspritze mit maximal möglichen Füllvolumen von 20 ml. Die Spritze ist mit ca. 10 ml Wasser gefüllt. Es kann Leitungswasser verwendet werden. Die Temperatur sollte etwa Raumtemperatur betragen. Der Kolben der Spritze ist zu Beginn auf diese 10-ml-Marke eingestellt. In der Spritze sollte sich keine Luft befinden. Die Spritze wird geschlossen und der Kolben langsam zurückgezogen, so dass das Volumen in der Spritze auf das doppelte (20 ml) anwächst. Dieses Volumen sollte für einige Sekunden gehalten werden. Es ist ein gewisser Energieaufwand dafür nötig. Die Abbildung zeigt die Einmalspritze im Normalzustand und im Zustand mit herausgezogenem Kolben. Die Füllung hat sich nicht geändert. 72

74 Es kann folgende Beobachtungen gemacht werden: - Die Flüssigkeit in der Spritze bildet Blasen, die aufsteigen. - Über der Flüssigkeit bildet sich ein Raum, der nicht mit Wasser gefüllt ist. - Durch Berühren kann der Schüler keine wesentliche Erwärmung der Spritze feststellen. Abbildung 5.2.1: (links) halb mit Wasser gefüllte Einwegspritze, (rechts) halb mit Wasser gefüllte Einwegspritze, Kolben gegen den Luftdruck auf 20 ml gezogen Die Problemstellung der Schüler könnte nun lauten: Das Wasser benötigt scheinbar keine thermische Energie für den Phasenübergang. Zudem scheint das Wasser in der Spritze zu sieden. Wie kann das sein? In der Gegenüberstellung der Beobachtung und dem Wissen der Schüler entsteht so ein kognitiver Konflikt. Über die Zustand und die Zusammensetzung des scheinbar leeren Raumes über der Wasseroberfläche kann der Schüler nur 73

75 spekulieren. Die Vermutung, der Raum sei evakuiert, könnte geäußert werden, wenn der Schüler den Begriff Vakuum zuordnen kann. Zusammen mit dem Lehrer können die Schüler eine Theorie für die Beobachtungen diskutieren. Folgende Fakten müssen dem Schüler für eine plausible Erklärung bewusst gemacht werden: 1. Die Spritze hat vor, während und nach dem Versuch die gleiche Masse. Es geht also keine Masse verloren. Das kann durch Wiegen bewiesen werden. 2. Im Raum über der Wasseroberfläche kann kein absolutes Vakuum sein. Es steigen Blasen auf. Aus der Flüssigkeit hat sich ein Gas gebildet. Das Aufsteigen der Gasbläschen im Wasser endet einige Momente nach der Volumenvergrößerung. Dadurch bildet sich eine Wasserdampfatmosphäre im scheinbar leeren Raum. 3. Der Gasdruck in diesem Raum ist wesentlich niedriger als der Umgebungsdruck. Der Kolben wird merklich zurück in die Spritze gedrückt. 4. Das System kehrt zu seinen Ausgangsbedingungen zurück, wenn der Kolben losgelassen wird. Dabei kann der Wasserdampf kondensieren. Das Kondensieren kann durch die Volumenverkleinerung erklärt werden. Dazu kann folgende Überlegung angestellt werden: 1 mol flüssiges Wasser hat eine Masse von 18 g und unter Normalbedingungen ein Volumen von ca. 18 ml. 1 mol Wasserdampf hat eine Masse von 18 g, aber ein Volumen von 22,4 l unter Normalbedingungen. Das Volumen entspricht dem 1244-fachen des flüssigen Wassers. Es müssen also im Experiment nur sehr kleine Mengen Wasser verdampfen, um den scheinbar leeren Raum zu füllen. 5. Die Verdampfungswärme wird aus dem flüssigen Wasser entnommen. Der Spritzeninhalt hat daher einen geringen Temperaturunterschied zur Umgebung, die Wärme an das Wasser abgeben kann. Bei diesen kleinen Mengen ist der Temperaturunterschied in der Regel schwer zu messen. Das Beispiel zeigt, welche Beobachtungen und Schlüsse aus diesem kleinen Experiment gezogen werden können. 74

76 5.2.2 Einführungsexperiment: Messungen zur Verifizierung des Hagen- Poiseuille schen Gesetzes Experimente zur Untersuchung des Hagen-Poiseuille schen Gesetzes können mit Infusionssystemen durchgeführt werden. Es werden Infusionsflaschen in einer bestimmten Höhe h zum Tisch aufgehängt. Das Infusionssystem, welches in der Medizin für die Zuleitung einer Infusionslösung in das Gefäßsystem eines Patienten verwendet wird, wird für das Experiment in die Infusionsflasche oder in einen ähnlichen Behälter mit durchstechbaren Stopfen eingeführt. Das andere Ende des Systems wird mit einer Infusionskanüle verbunden. Diese wird mit Klebeband auf den Tisch an die Kante geklebt. Die Flüssigkeit sollte waagerecht aus der Kanüle strömen. Wenn mehrere Systeme, Behälter und verschiedene Kanülen zur Verfügung stehen, kann der Versuch gleichzeitig mit den leicht unterschiedlichen Apparaturen durchgeführt werden. Die Ablaufgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Kanülengröße (Innendurchmesser der Infusionsnadel) und der Höhe h kann bestimmt werden. Die Strahlweite kann bestimmt werden. Außerdem kann der Charakter des waagerechten Wurfes visualisiert werden, sowie bei einem Anstellwinkel ungleich Null zur Tischfläche auch der schräge Wurf. Dabei ist zu beachten, dass der Antrieb für die Strömung der hydrostatische Druck ist. Er kann wie zuvor mit Gleichung (2.2.3) bestimmt werden. Die Lernenden können mit diesem Experiment erfahren, dass für die Verifizierung von Gesetzen viele Messungen nötig sind. Die Veränderung von Variablen führt unter Umständen zu anderen Ergebnissen. Da die Messungen nicht fehlerfrei durchgeführt werden können, hat der Lernende die Möglichkeit, über die systematischen und statistischen Fehler nachzudenken und diese sinnvoll abzuschätzen. Da der Aufbau ähnlich simpel wie der in Kapitel ist und das Infusionssystem kein medizinisches Messinstrument darstellt, wurde auf einer weitergehenden Erörterung oder ausführlichen Anleitung verzichtet. Es soll allerdings für eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten medizinischer Apparate stehen. Ferner soll die Kreativität für die Realisierung eines eigenen Versuchsaufbau gefördert werden. 75

77 6. Diskussion Ziel dieser Arbeit war das Ausfertigen von Anleitungen zu kostengünstigen Experimenten, die im Rahmen des Physik- und fächerübergreifenden Unterrichts verwendet werden können, da zu diesem Themenbereich für den Schulalltag wenig Unterrichtsmaterial zur Verfügung ist. Vorrangig sind die Anleitungen mit dem medizinischen Hintergrundwissen für den Lehrenden gemacht. Sie sind für einen fächerübergreifenden Unterricht konzipiert worden. Unter Auslassung von Oszilloskop und Mikrovoltverstärker können die Apparaturen mit etwas handwerklichem Geschick zusammen für unter 100 Euro angeschafft und erstellt werden. Auch mit kleinerem Etat kann sich die Physiksammlung einer Schule diese Experimente leisten. Sogar der Aufbau selbst kann von Schülern in einer Projektarbeit durchgeführt werden. Das Interesse an Physik und an medizinischen Messinstrumenten muss dazu nicht unbedingt vorausgesetzt werden, sondern kann gerade mit diesen Experimenten entdeckt werden. Weil die physikalischen Formeln, Gleichungen und Hintergründe recht gut mit Schulwissen verstanden werden können, ist die Arbeit auch für den Lernenden geeignet. Hiermit sind nicht nur Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe 1 und 2, sondern auch Medizinstudentinnen und -studenten in den Anfängen des Studiums gemeint. Es wird nicht erwartet, dass alle Apparaturen gebaut werden müssen, um die zugrundeliegende Physik nachzuvollziehen. Das Verständnis der Physik wird durch das selbstständige Experimentieren gefördert. Da die medizintechnischen Geräte aber immer komplexer und die Messung meist nur noch von Computern durchgeführt und ausgewertet werden, ist es wichtig, die auf den physikalischen Zusammenhängen basierende Funktionsweise der Geräte zu verstehen. Dies gilt ganz besonders dann, wenn der Berufswunsch des Lernenden oder Studierenden auf die Medizin fällt bzw. gefallen ist. Aber auch für den Nicht- Mediziner, der einfach Interesse an medizinischen Messinstrumenten und der zu Grunde liegenden Physik hat, können die in dieser Arbeit vorgestellten Anleitungen und Hintergrundinformationen anregend sein. 76

78 Literaturverzeichnis (1) Bergmann, L.,Schaefer, C (1998), Lehrbuch der Experimentalphysik (Band1): Mechanik, Relativität, Wärme, De Gruyter Verlag Berlin (2) Demtröder, W. (2008), Experimentalphysik 1: Mechanik und Wärme, Springer-Verlag Berlin Heidelberg (3) Faller, A. (2004), Der Körper des Menschen: Einführung in Bau und Funktion, Thieme Verlag Stuttgart (4) Friedrich, O. (2007), GK1 Das Erste Kompakt: Physiologie, Springer Medizin Verlag Heidelberg (5) Gehart, R. (2009), Anatomie und Physiologie verstehen: Lehr- und Arbeitsbuch, Urban & Fischer Verlag München (6) Haas, U. (2002), Physik für Pharmazeuten und Mediziner, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbh Stuttgart (7) Hachenberg, T. (2010), Anästhesie und Intensivtherapie in der Thoraxchirurgie, Thieme Verlag (8) Melenk, H., Runge, U., Dräger, P. (1998), Verblüffende physikalische Experimente, Aulis-Verlag Deubner (9) Otten, E. (1998), Repetitorium Experimentalphysik, Springer-Verlag Berlin Heidelberg (10) Pelte, D. (2005), Physik für Biologen, Springer-Verlag Berlin Heidelberg (11) Riedel, E. (2004), Anorganische Chemie, De Gruyter Verlag Berlin (12) Schöller, B., (1994), Pulsoxyimetrie-Fibel, MCC GmbH Karlsruhe (Herausgeber) (13) Stöcker, H. (2007), Taschenbuch mathematischer Formeln und moderner Verfahren, Harri Deutsch Verlag Frankfurt am Main (14) Wegener, H. (1982), Physik für Hochschulanfänger Teil 1, B. G. Teubner Stuttgart 77

79 Internetquellen (1) ( ) (2) ( ) (3) ( ) (4) /ruheekg/index.php ( ) (5) Willem_Einthoven_ECG.jpg ( ) (6) ( ) (7) ( ) (8) ( ) (9) ( ) (10) phy_med_druck/atmung_lehrerinfo.pdf ( ) (11) www2.hu-berlin.de/spowi/studium/tauchen/phys-t.pdf ( ) (12) ( ) (13) ( ) (14) abdownloads_pi1[action]=getviewcatalog&tx_abdownloads_pi1[category_uid]= 105&tx_abdownloads_pi1[cid]=5786&cHash=ee8ea f da00 ( ) (15) abdownloads_pi1[action]=getviewcatalog&tx_abdownloads_pi1[category_uid]= 85&tx_abdownloads_pi1[cid]=5786&cHash=753a1b56f2c749e2ed9eb7bcc19b ed02 ( ) (16) abdownloads_pi1[action]=getviewcatalog&tx_abdownloads_pi1[category_uid]= 86&tx_abdownloads_pi1[cid]=5786&cHash=9bf50d80aed02a1e07fc d759 ( ) 78

80 Anhang A Für die Unterrichtsstudie verwendete Informations- und Arbeitsblätter 79

81 Das menschliche Herz-Kreislaufsystem Das Herz und seine Tätigkeit Das menschliche Herz ist gut faustgroßen und hat die Form eines abgerundeten Kegels, dessen Spitze nach unten und etwas nach links vorne weist. Das Herz sitzt beim Menschen in der Regel leicht nach links versetzt hinter dem Brustbein. Das gesunde Herz wiegt im Durchschnitt zwischen 300 und 350 g. Es schlägt etwa Mal pro Minute. Bei jeder Kontraktion werden ca. 70 ml Blut in den Köperkreislauf gepumpt. Das Herz arbeitet in zwei Phasen, der Kontraktionsphase (Auswurfphase, Systole) und der Erschlaffungsphase (Füllungs- oder Ruhephase, Diastole). Es erzeugt somit Druck nur während der Kontraktionsphase. Die Differenz zwischen dem Spitzendruck der Systole und dem Minimaldruck am Ende der Diastole ist die Pulsamplitude. Das Blut wird in die großen Gefäße ausgeworfen. Diese sind keine starren Röhren, sondern elastische Schläuche. Dank ihrer Elastizität dehnen sie sich aus und mildern den Druckanstieg, sonst würde der Druck während der Auswurfphase sehr hoch ansteigen. Während der Diastole, wenn das Herz sich entspannt und erneut mit Blut füllt, fällt der Druck dementsprechend auch nicht auf null. Dank der Elastizität der Gefäße sinkt der Druck nur langsam auf den Minimalwert, den diastolischen Wert des Herzzyklus, ab. Diese druckausgleichende Funktion der elastischen Gefäße wird Windkesselfunktion genannt, in Analogie zu technischen Systemen, wo eine Kolbenpumpe mit einem Windkessel kombiniert wird, mit dem genau gleichen Zweck des Druckausgleichs. Systole Diastole 80

82 DAS EKG Das EKG (Elektrokardiogramm) stellt in der Medizin ein wichtiges Instrument zur Untersuchung der Herzfunktion dar. Der niederländische Arzt W. Einthoven konnte im Jahre 1903 als Erster elektrische Impulse, die von einem Hundeherz ausgingen, nachweisen. Der erfahrene Arzt kann mit Hilfe des EKGs u.a. folgende Punkte beurteilen: Herzfrequenz und Herzrhythmus Lage des Herzens Eventuelle Störungen im Erregungsleitsystem Vorliegen eines Herzinfarktes Erkrankungen der Herzkranzgefäße Die EKG-Kurve Das Herz wird wie jeder Muskel durch einen elektrischen Impuls angeregt. Die Spannungen, bzw. Potenzialdifferenzen ändern sich mit der Muskeltätigkeit und können mit von außen angelegten Ableitungen gemessen werden. (Wie viele Elektroden zur Ableitung der Signale angelegt werden, hängt davon ab, ob nur eine grobe Überprüfung der Herzfunktion beabsichtigt ist oder ob eine differenzierte Diagnose gestellt werden soll.) Die sich dabei ergebenden Signale sind in der absoluten Höhe etwas unterschiedlich, die Signalstruktur ist jedoch immer die gleiche und hat etwa das folgende Aussehen: Im Bild ist grau angedeutet, welcher Teil des Herzens gerade erregt wird. Die Kurve zeigt die dafür typische Signalform beim gesunden Herzen. Die P-Welle ist die im positiven Spannungsbereich liegende halbrunde Welle, die bei der Erregung der Vorhöfe auftritt. Die Q-Zacke ist eine kleine negative Zacke, die den Beginn der Kammererregung kennzeichnet. Die R-Zacke ist schmal und hoch. Sie tritt bei der Kammererregung auf. Die S-Zacke ähnelt der Q-Zacke und gehört ebenfalls noch zur Kammererregung. Die T-Welle ist relativ groß und breit. Sie entspricht der Erregungsrückbildung (Repolarisation). Aus den zeitlichen Abständen einzelner Peaks und deren relativer Höhe und Steilheit kann der Arzt erkennen, ob das Herz gesund ist, oder ob eine Krankheit vorliegt. 81

83 Der Blutdruck Bei der indirekten arteriellen Druckmessung wird der arterielle Druck mit Hilfe eines Blutdruckmessgerätes an einer Extremität, meist am Arm, gemessen. Wichtig ist, dass die Manschette auf Herzhöhe ist, dies ist insbesondere bei Handgelenksgeräten zu beachten. Die manuelle Messung kann auskultatorisch durchgeführt werden. Die Werte der einzelnen Methoden weichen dabei leicht voneinander ab. Bei der auskultatorischen Messung wird eine Druckmanschette geeigneter Breite am Oberarm über den erwarteten arteriellen Druck aufgeblasen. Beim langsamen Ablassen kann man das Auftreten und danach wieder das Verschwinden eines Korotkow-Geräusches mit Hilfe eines Stethoskops über der Arterie des Armes hören (auskultieren). Der Druck, der bei Auftretensbeginn des gehörten Geräusches auf der Skala des Messgerätes abgelesen werden kann, entspricht dem oberen, systolischen arteriellen Druckwert, d. h. der systolische Druck ist in diesem Moment größer als der Druck der Manschette. Der Druck wird mit geeigneter Geschwindigkeit weiter abgelassen. Unterschreitet der Manschettendruck den minimalen arteriellen Druckwert, verschwindet das Geräusch. Dieser Wert wird als diastolischer Druck bezeichnet und als s. g. unterer Wert notiert. Die auskultatorische Messung ist das Standardverfahren der nichtinvasiven Messverfahren. Geschichte der Blutdruckmessung Riva-Roccis bedeutendste Leistung ist die Erstbeschreibung einer pneumatischen Armmanschette für ein Quecksilber-Blutdruckmessgerät (1896), die die Weichteile und Arterien des Oberarmes gleichmäßig komprimierte, und damit eine einfache indirekte Messung des systolischen Blutdrucks erlaubte. Das Kernstück der Messung ist eine Oberarmmanschette, die eine gleichmäßige zirkuläre Kompression ermöglichte. Gleichzeitig kann der Arzt mit tastenden Fingern bequem die Pulsationen der Arterie am Handgelenk fühlen. Riva-Rocci erkannte die Mitte des Oberarmes als geeignetste Stelle für die Komprimierung und vereinfachte die Apparatur, indem er statt eines starren Zylinders einen Gummischlauch (ein Stück Fahrrad-Gummischlauch) verwendete, der um den Arm geschlungen aufgeblasen wird. Die Ausdehnung des aufgeblasenen Schlauchs wird durch eine zirkuläre Lederbahn begrenzt. Neben dem Quecksilbermanometer wird ein Gummiball zum Aufpumpen der Manschette benötigt, darüber hinaus muss der Patient für eine korrekte Messung den Oberarm entkleiden. Der mit Manschette am Oberarm, Quecksilbersäule und Tasten des Pulses nach Riva-Rocci gemessene Blutdruck wird mit RR (Riva-Rocci) abgekürzt. Riva-Roccis Verfahren wurde um 1905 durch den russischen Arzt Nikolai Sergejewitsch Korotkow wesentlich ergänzt: Er beschrieb den Einsatz des Stethoskops, mit dem die nach ihm benannten Korotkow-Geräusche bei Dekompression der Manschette abgehört werden. 82

84 Die Atmung Die Atmung erfolgt bei uns Menschen, wie bei allen Säugetieren über die Lungen. Dabei füllen sich die beiden Lungenflügel, die bis auf einen schmalen Spalt in der paarigen Pleurahöhle im Brustraum ausgedehnt sind. Dieser vergrößert sich durch Aufrichten der Rippen (Brustatmung) und Herabziehen des muskulösen Zwerchfells (Bauchatmung). Da der mit Flüssigkeit gefüllte Pleuraspalt sein Volumen nicht ändert, muss die Lunge dieser Ausdehnung folgen und sich über die Atemwege mit Luft füllen. Dabei dehnen sich die Lungenbläschen gegen die Oberflächenspannung aus. Eine seifenähnliche Flüssigkeit (Surfactant) setzt diese Oberflächenspannung herab, um einerseits die Atemmuskulatur zu entlasten und andererseits den Kollaps gerade der kleineren Bläschen zu vermeiden. Zu einer gleichmäßigen Belüftung verschiedener Teile der Lunge trägt auch die Regelung der Bronchiolen- Durchmesser bei. Bei der Ausatmung entspannt sich die Atemmuskulatur und die Lunge zieht sich zusammen. Dabei bleibt der Druck im Pleuraspalt meist leicht negativ. Die exspiratorische Atemhilfsmuskulatur unterstützt nur die forcierter Ausatmung bei körperlicher Anstrengung, beim Sprechen, Singen, Husten oder bei Atemnot. Aufgaben vor den Experimenten: 83