K R E I S L A U F. funktionelle Anatomie des Kreislaufs. Gefäßmechanik und Hämodynamik

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1 K R E I S L A U F Autoren: Anna Benz, Mirjam Wagner, PD Dr. Elmar Krause In diesem Praktikumsteil werden Struktur, Funktion und Regulation der Blutgefäße kennen gelernt. Außerdem soll die Integration der verschiedenen Regulationsphänomene auf der Ebene des Gesamtorganismus gelehrt werden. Neben Kenntnissen in der zellulären Physiologie sind vor allem die im vorangehende Praktikumsteil "Herz" beschriebenen Mechanismen unverzichtbare Vorraussetzungen für diesen Praktikumsteil. Das vorliegende Skript kann ein Lehrbuch nicht ersetzen. Es kann aber helfen, die theoretischen Schwerpunkte des Praktikums zu erkennen. Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das Skript sich nicht am Gegenstandskatalog ihres Studienganges orientiert sondern ausschließlich an den theoretischen Anforderungen des Praktikums. Gliederung: Einleitung funktionelle Anatomie des Kreislaufs Gefäßmechanik und Hämodynamik Blutdruck Einstellung der Gefäßweite Regulationsmechanismen des Gesamtkreislaufs a. lokale und zentrale Regulation b. Durchblutungsregulation c. Blutdruckregulation Anleitungen zur Praktikumsaufgabe KREISLAUF

2 KREISLAUF 2 1. Einleitung Der Blutkreislauf stellt ein rasch regulierbares Transportsystem und Flüssigkeitsreservoir unseres Körpers dar. Es erfüllt Transportfunktion für: Gase Nährstoffe Abfallstoffe Hormone Zellen Immunglobuline Wärme In diesem Praktikumsteil geht es nicht um die Beschreibung dieser Einzelfunktionen (siehe dafür die spezialisierten Aufgabenteile). Hier soll gelernt werden, wie die "Wege", die für die vielfältigen Transportleistungen verwendet werden aufgebaut sind und wie sie reguliert werden. 2. Funktionelle Anatomie des Kreislaufs Der schematische Aufbau des Blutkreislaufs kann auf verschiedene Weisen beschrieben werden. Anatomisch wird der große vom kleinen Kreislauf unterschieden. Der kleine Kreislauf ist identisch mit dem Lungenkreislauf und dient dem Austausch der Atemgase. Der große Kreislauf entspricht dem Körperkreislauf und besteht aus mehreren parallel angeordneten Teilkreisläufen. Das Blut wird vom linken Ventrikel in die Arterien des Körperkreislaufs gepumpt. Hinter den Kapillarbetten wird das Blut in Venen gesammelt und zum rechten Atrium zurücktransportiert. Vom rechten Ventrikel fließt das Blut über die Lungenstrombahn zum linken Atrium zurück Def.: Venen führen zum Herzen hin Arterien führen vom Herzen weg aber! arteriell = sauerstoffreich venös = sauerstoffarm Im Blutkreislaufsystem befinden sich etwa 4-5 l Blut (ca. 7 % des Körpergewichts). Das Herz-Zeit-Volumen (HZV) beträgt unter Ruhebedingungen ca. 5 l/min. Das Schlagvolumen des Herzens beträgt etwa 80 ml.

3 Teilkreisläufe: KREISLAUF 3 Neben der Einteilung nach rein anatomisch-morphologischen Kriterien wird der Gesamtkreislauf in der Physiologie oft auch nach funktionellen Gesichtspunkten untergliedert. Man spricht dann vom: Hochdrucksystem (linker Ventrikel während der Diastole und arterieller Abschnitt des Körperkreislaufs) Niederdrucksystem (venöser Abschnitt des Körperkreislaufs, Lungenkreislauf, rechtes Herz, linker Vorhof und linker Ventrikel in der Diastole) Austauschsystem (Kapillaren) folgende Tabelle gibt Auskunft über die mittleren Drücke in verschiedenen Abschnitten der funktionellen Teilsysteme (TIP: schön auswendig lernen): Mittlerer Druck * % Anteil Blutvolumen HOCHDRUCKSYSTEM (HDS) Aorta 100 mmhg Arterien mmhg 15% Arteriolen mmhg AUSTAUSCHSYSTEM = Kapillargebiet Kapillaren mmhg 5% NIEDERDRUCKSYSTEM (NDS) Kleine Venen mmhg Mittlere Venen 10 mmhg Große Venen 10 5 mmhg Vv. Cavae Zentraler Venen Druck 80% Rechter Vorhof Kleiner Kreislauf (ZVD) = 2 4 mmhg 13 mmhg

4 KREISLAUF 4 MERKE! Der Blutdruck ist eine für verschiedenen Abschnitte des Blutgefäßsystems charakteristische Größe und keineswegs überall gleich. Generell gilt die Tendenz, dass Blutdruck im Niederdrucksystem niedriger ist als im Hochdrucksystem deshalb die Namen. 3. Gefäßmechanik und Hämodynamik a.) Gefäßaufbau: Der im vorhergehenden Kapitel beschriebene Druckunterschied zwischen Hoch- und Niederdrucksystem ist im Wesentlichen auf Unterschiede im Aufbau der Gefäße zurückzuführen. Arterien, die einzigen Bauelemente des Hochdrucksystems, unterscheiden sich strukturell von Venen, aus denen der größte Teil des Niederdrucksystems aufgebaut ist. aus: Sobotta - Lehrbuch Histologie, Urban & Fischer Arterien besitzen im Gegensatz zu Venen zwei zusätzliche Eigenschaften, die ihre Funktion bestimmen. Sie sind "elastisch" aufgrund ihrer Membrana elastica und sie können aktive Änderungen des Gefäßradius mithilfe der glatten Muskulatur ihrer Media durchführen. Beide Eigenschaften führen zu einer relativ steifen Gefäßwand, die Drücken gut standhalten kann. Eine Vene besitzt Elastizität und Kontraktilität in wesentlich geringerem Umfang und kann deshalb keine großen Drücke aufbauen.

5 KREISLAUF 5 MERKE! Für die quantitative Beschreibung der Steifheit von Gefäßwänden hat man den Begriff der "Volumenelastizität" ( P/ V) eingeführt. b.) Hämodynamik: Unter dem Begriff "Hämodynamik" werden die physikalischen Eigenschaften des Blutflusses im Kreislaufsystem zusammengefasst. Die physikalische Beschreibung des Blutflusses wird dabei vom Ohmschen Gesetz (Physik-Lehrbuch) abgeleitet. Die Ableitung mündet in das "Hagen-Poiseuillesche Gesetz" (HP-Gesetz) der Physiologie-Lehrbücher. Das HP-Gesetz verknüpft die Kenngrößen "Herz-Zeit-Volumen" (HZV), "totaler-peripherer- Widerstand" (TPR) und "Blutdruck" ( P) miteinander. Dabei wird von folgendem vereinfachten Schema des Kreislaufs ausgegangen: Das Herz stellt über den Aufbau eines Druckgradienten ( P) zwischen Herzeingang und Herzausgang Energie bereit. Diese Energie wird genutzt, um durch alle anschließenden Gefäße hindurch, ein bestimmtes HZV zu transportieren. Im Gesetz können die hämodynamischen Eigenschaften der Gefäße in einer einzigen Größe, dem TPR beschrieben werden:

6 KREISLAUF 6 HZV = P / TPR HZV: Herz-Zeit-Volumen (l/min) P: Blutdruck (mmhg oder Pascal) TPR: totaler-peripherer-widerstand Zum besseren Verständnis der Hämodynamik wird der TPR physikalisch oft genauer beschrieben: l 8 TPR r 4 : Viskosität des Blutes l: Länge des durchströmten Gefäßes r: Radius des durchströmten Gefäßes Die genaue Beschreibung des TPR kann verschiedene physiologische und pathophysiologische Mechanismen im Kreislaufsystem verdeutlichen. Der Einfluss des Gefäßradius (4. Potenz!) ist auf den TPR am stärksten. Es ist deshalb konsequent und evolutionsbiologisch nachzuvollziehen, dass physiologische Regelprozesse des Kreislaufsystems immer mit Änderungen der Gefäßweite einhergehen. Die Viskosität des Blutes wird zwar regeltechnisch nicht zur Kreislaufregulation eingesetzt. Sie kann aber pathophysiologisch starken Schwankungen ausgesetzt sein und beeinflusst dann die Hämodynamik. Prozesse, die die Viskosität erhöhen (und damit den Blutfluss behindern) sind z.b. Flüssigkeitsverluste durch Transpiration oder Durchfälle, Hyperproteinämien und Leukämien. Die Viskosität kann erniedrigt sein bei Anämien. Zusammenfassung zum Hagen-Poiseuilleschen Gesetz: 1. Das Hagen-Poiseuillesche Gesetz erlaubt die Berechnung eines Druckabfalls entlang eines Röhrensystems zwischen zwei beliebigen Punkten. 2. Das Gesetz gilt ohne Einschränkungen nur für ideale (newtonsche) Flüssigkeiten. 3. Bei Blut (einer nicht-idealen Flüssigkeit), variiert die Viskosität in physiologischen Bereichen mit dem Hämatokrit, der Fließgeschwindigkeit des Blutes und dem Gefäßdurchmesser. Dies kann pathophysiologische Zustände herbeiführen. 4. Der Wert des HP-Gesetzes liegt darin, dass die Wirkung von Änderungen von Kreislaufparametern (Herzschlagkraft, Herzfrequenz, Gefäßwiderstand, Änderungen der Blutzusammensetzung) auf die Hämodynamik des Blutflusses abgeschätzt werden kann. c.) Filtration-Resorptions-Gleichgewicht Unter dem Begriff "Filtrations-Resorptions-Gleichgewicht" versteht man einen Prozess, der im Bereich des Austauschsystems und hier besonders im Bereich der Kapillaren auftritt. Kapillaren sind die kleinsten Gefäße des Kreislaufs und bestehen nur aus einer Zellschicht, dem Endothel. Die Kapillaren besitzen, je nach dem in welchem Teilkreislauf sie zu finden sind, eine mehr oder weniger große Durchlässigkeit für Wasser und darin gelöste Teilchen (= Blutplasma).

7 KREISLAUF 7 TIPP! Nachschlagen in Lehrbüchern der Histologie und Anatomie. Diese Eigenschaft führt dazu, dass, solange der effektive Filtrationsdruck in den Kapillaren positiv ist, Flüssigkeit ans Interstitium abgegeben wird (Filtration). Wenn der effektive Filtrationsdruck negativ wird, wird Flüssigkeit vom Gefäßsystem aufgenommen (Resorption). Filtration und Resorption befinden sich normalerweise im Gleichgewicht. Oft jedoch kann dieses Gleichgewicht zu einer vergrößerten Filtration verschoben sein, was zu pathophysiologischen Zuständen (Ödeme) führen kann. Um das Filtrations-Resorptions-Gleichgewicht verstehen zu können, ist es zunächst wichtig, die Druckverhältnisse an den Kapillaren zu durchschauen, um ein Gefühl für den "effektiven Filtrationsdruck" zu bekommen. Druckkomponenten die eine Rolle spielen sind: 1. der Kapillarinnendruck (P K ). Dieser Druck ist gleichbedeutend dem Blutdruck in der Kapillare. 2. der interstitielle Druck (P I ). Dieser Druck ist der Druck im Gewebe 3. die osmotischen Drücke I und K, die über die Kapillarwand hinweg wirken. Da die Kapillarwand nur für große Teilchen (so genannte Kolloide) durchlässig ist spricht man bei diesem osmotischen Druck im speziellen vom kolloidosmotischen Druck. Verrechnet man die Drucktypen miteinander nach folgender Formel, erhält man den effektiven Filtrationsdruck (P eff ) P eff =(P K -P I )-( K - i ) P I I P K Pathophysiologische Zustände, bei denen das Filtrations-Resorptions-Gleichgewicht beeinträchtigt ist, treten dann auf, wenn einer der Druckwerte Veränderungen unterlegen ist. Häufige Änderungen sind:

8 KREISLAUF 8 1. Erhöhung des Kapillardruckes durch Blutdruckerhöhung (Ödem) 2. Erhöhung des Kapillardruckes durch Herzinsuffizienz (Ödem) 3. Erniedrigung des Kapillardruckes durch Blutverlust (innere Infusion) 4. Erniedrigung des kolloidosmotischen Druckes in der Kapillare durch Hunger (Ödem) 5. Erniedrigung des kolloidosmotischen Druckes durch Erhöhung der Endothel- Permeabilität (z.b. bei Entzündungen oder Verletzung) Ödem Verschiebungen des Filtrations-Resorptions-Gleichgewichts kann der Organismus innerhalb gewisser Grenzen ausgleichen. Überschüssig filtriertes Wasser wird über das Lymphgefäßsystem dem Blutkreislauf zurückgeführt. Die Kapazität des Lymphgefäßsystems ist aber relativ schnell erschöpft. Folgen sind die Ausbildung pathologischer Ödeme. Folgende Abbildung gibt eine Übersicht über die wesentlichen Änderungen im Kreislaufsystem, die zu Verschiebungen des Filtrations-Resorptions-Gleichgewichts führen.

9 KREISLAUF 9 Zusammenfassung zum Filtrations-Resorptions-Gleichgewicht: 1. Im Verlauf einer Kapillare kommt es zur Blutdruckabnahme von etwa 30 mm Hg bis hinunter zu etwa 15 mm Hg. 2. Dieser hydrostatische Druck führt zur Filtration von Blutplasma durch die Wand einer Kapillare ins Interstitium. 3. Dem hydrostatischen Druck ist der kolloidosmotische Druck entgegengerichtet. Seine Größe liegt bei etwa 25 mmhg. 4. Deshalb wird ab etwa der Mitte einer Kapillare der effektive Filtrationsdruck negativ und Flüssigkeit wird resorbiert. 5. Durch die Filtrations/Resorptions-Umkehr ist die Nettofiltration nahezu Null mit einer leichten Tendenz zur Filtration (etwa 2 l/tag). 6. Überschüssig filtriertes Plasma wird vom Lymphsystem gesammelt und ins Blutkreislaufsystem zurückgeführt. 7. Das Filtrations-Resorptions-Gleichgewicht ist oft in Richtung einer erhöhten Filtration verändern, was zur Ausbildung von Ödemen führen kann. 4. Blutdruck als diagnostische Größe Im vorhergehenden Kapitel wurde der Begriff "Blutdruck" mit dem Hagen-Poiseuilleschen Gesetz (HP-Gesetz) eingeführt. Der Blutdruck im HP-Gesetz hat aber mit dem Blutdruck, der in einer Arztpraxis bestimmt wird, nur indirekt zu tun. Während der Blutdruck nach HP nämlich immer eine Druckdifferenz zwischen zwei Punkten innerhalb eines geschlossenen Systems meint, ist der in der medizinischen Praxis bestimmte Blutdruck ein absoluter Druck an einem Punkt des Gefäßsystems bezogen auf den Umgebungsdruck. Je nachdem, wo im Gefäßsystem der Blutdruck bestimmt wird, sind die Wert unterschiedlich und werden auch unterschiedlich bezeichnet: 1. systolischer Blutdruck: ist der höchste Druckwert im Hochdrucksystem; normalerweise herznah bestimmt (Aorta, große Arterien).Wert bei Ruhe 120 mmhg 2. diastolischer Blutdruck: ist der niedrigste Druckwert im Hochdrucksystem; normalerweise herznah bestimmt (Aorta, große Arterien).Wert bei Ruhe 80 mmhg 3. mittlerer Blutdruck: der integrierte Mittelwert während eines Herzzyklus; normalerweise herznah bestimmt (Aorta, große Arterien). Der mittlere Blutdruck kann aus dem systolischen und diastolischen Blutdruck mit einer Nährungsformel abgeschätzt werden. Siehe dazu die anhängende Aufgabenbeschreibung. Wert bei Ruhe 100 mmhg 4. zentralvenöser Blutdruck: Blutdruck in den Hohlvenen bzw. dem rechten Herzvorhof. Hat große regulatorische Bedeutung für den arteriellen Blutdruck (siehe Frank- Starling-Mechanismus). Wert bei Ruhe 2-4 mmhg Im Praktikum werden intensive Übungen zur Bestimmung des Blutdrucks durchgeführt. An entsprechender Stelle der Aufgabenbeschreibung sind weitere Details zum Blutdruck zu finden.

10 KREISLAUF Einstellung der Gefäßweite In den bisherigen Kapiteln des Skripts ist der Kreislauf im Wesentlichen als statisches Gebilde beschrieben worden. Tatsächlich aber laufen an diesem System, wie an anderen Systemen des Körpers auch, ständige Regelprozesse ab, die die Anpassung an aktuelle Körperzustände (Körperlage, Aktivitätszustand, Umgebungsanpassungen) ermöglichen. Um diese Anpassungen verstehen zu können, soll hier zunächst die Dynamik der einzelnen Elemente des Kreislaufsystems betrachtet werden. In späteren Kapiteln wird das Wirken der einzelnen Elemente auf Systemebene integriert. Dabei ist die Kenntnis anderer funktioneller Systeme (Herz; ZNS, hier besonders das vegetative Nervensystem; Niere; Hormonsystem) unverzichtbar. Alle Regelprozesse auf Ebene des Kreislaufsystems münden letztlich in eine Änderung der Gefäßweite, insbesondere der so genannten arteriellen Widerstandsgefäße. Hat man verstanden, welche Möglichkeiten der Regulation von Vasokonstriktion oder Vasodilatation der Gefäße es gibt, hat man optimale Voraussetzungen geschaffen, die komplexen, integrativen Regelkreise des Gesamtkreislaufs zu verstehen. Strukturelle Grundlage der Gefäßweitenänderung ist die glatte Muskulatur in der Media. Da, die Kapillaren ausgenommen, alle Gefäßtypen eine Media und damit glatte Muskulatur haben, sind auch alle Gefäßtypen zu Änderungen ihrer Weite in der Lage. Funktionell hat die Gefäßweitenänderung der Arteriolen jedoch die größte Bedeutung. Fragen, die in den nächsten Abschnitten beantwortet werden sollen sind: 1. Wie können Gefäße Signale, die zur Weitenänderung führen, perzipieren? 2. Welche Signale werden erkannt und wo kommen diese Signale her? Signale, die von Gefäßen erkannt werden, sind entweder rein physikalisch (z.b. Dehnung, Druck, Temperatur) oder stofflich (Hormone, Neurotransmitter, Stoffwechselendprodukte, parakrine Substanzen usw.). MERKE! Als Ort der Perzeption innerhalb des Gefäßes kommen zwei Lokalitäten in Frage. Manche Stimuli werden direkt an Rezeptoren der glatten Gefäßmuskelzellen perzipiert. Der größere Teil von Stimuli aber wohl an den Endothelzellen der Gefäße, die dann ihrerseits Substanzen freisetzen, die an die glatten Muskelzellen diffundieren und dort Gefäßweitenänderungen hervorrufen. Die wichtigsten Signaltransduktionsprozesse an den glatten Muskelzellen sind: a. Perzeption von Adrenalin (Hormon) und Noradrenalin (Neurotransmitter des Sympathikus) b. Perzeption von NO, Endothelin, Prostacyclin und EDHF als "endotheliale Mediatoren". Die primären Signale werden in diesem Fall vom Endothel erkannt. Wichtige Signale, die so umgesetzt werden sind z.b. Histamin, Bradikinin, ADP, Serotonin, VIP usw.

11 KREISLAUF 11 Signaltransduktionsprozesse an glatten Muskelzellen (links) und Zusammenspiel von Endothel und glatten Muskelzellen (rechts). ET, Endothelin; PGI2, Prostacyclin; AA, Arachidonsäure; NOS, NO-Synthase; EDHF, endothelium-derived-hyperpolarization-factor (Abbildung aus Wikipedia) 6. Regulationsmechanismen des Gesamtkreislaufs a.) Lokale und zentrale Regulation Oft wird, bezogen auf die Regelmechanismen, im Kreislaufsystem nach der Herkunft der Signale unterschieden. Grundsätzlich kann in eine "zentrale" und davon unterschiedene "lokale" Regulation eingeteilt werden. "Zentral" meint, dass die Signale von übergeordneten Steuerzentren (ZNS, Hormonsystem) gebildet werden und entweder nerval oder hormonell zu den Gefäßen gesendet werden. Auf diesem Wege werden einerseits kurzfristige Reflexe gesteuert, wie z.b. der Presso-Rezeptoren Reflex oder Fluchtreflex (nervale Steuerung). Andererseits kann so mittel- und langfristig der Blutdruck gesteuert werden (hormonelle Steuerung der Wasserausscheidung über verschiedene Hormonsysteme). Die "lokalen" Regelprozesse betreffen hingegen nur bestimmte Teilkreisläufe, oft sogar nur Teilabschnitte dieser Kreisläufe. "Lokal" meint, dass Substanzen oder physikalische Stimuli, die lokal (am Ort des Gefäßes) entstehen auch nur lokal erkannt und in Reaktionen umgesetzt werden. Während durch die zentralen Mechanismen in erster Linie der Blutdruck reguliert wird, wird durch die lokalen Mechanismen in erster Linie die Durchblutung gesteuert. b.) Durchblutungsregulation Unter dem Begriff "Durchblutungsregulation" versteht man die sinnvolle, am Bedarf orientierte (Um)-verteilung des Herzzeitvolumens innerhalb und zwischen Teilkreisläufen. Die offensichtlichste und am besten nachvollziehbare Durchblutungsregulation findet statt, wenn z.b. der Aktivitätszustand des Körpers von Ruhe nach maximaler Aktivität geändert wird.

12 KREISLAUF 12 Unter diesen Bedingungen steigt zunächst das Herz-Zeit-Volumen stark an (siehe Kapitel Herz), was durch den generell ansteigenden Versorgungsbedarf erklärt werden kann. Dieses HZV wird nun innerhalb der Teilkreisläufe nach einem neuen Muster verteilt. Den prozentualen Hauptanteil bekommt nun die Skelettmuskulatur. Hirn, Niere und innere Organe erhalten einen prozentual kleineren Anteil als vorher. Ein anderer Fall körperlicher Belastung liegt vor, wenn sich der Körper in außergewöhnlicher Hitze (Sauna) befindet. Dann wird bevorzugt die Haut durchblutet. Solche Umverteilungen des HZV werden durch wenige Mechanismen bewirk, die anschließend erläutert werden. Abbildung: Durchblutungsregulation aus Golenhofen, Physiologie 1997, Urban und Schwarzenberg

13 KREISLAUF 13 Mechanismen der Durchblutungsregulation Myogene Regulation (syn. Myogene Autoregulation oder Bayliss Effekt) Eine Gegenreaktion der Gefäße nach Erhöhung des Gefäßinnendrucks. Über dehnungsabhängige Rezeptoren wird eine Vasokonstriktion ausgelöst, bis der alte Dehnungszustand wieder erreicht ist. Besonders ausgeprägt in den Teilkreisläufen von Niere, Gehirn und inneren Organen. Metabolische Vasodilatation Eine durch Metabolite des katabolen Stoffwechsels ausgelöste Vasodilatation. Führt zur Weitung der Gefäße bei Sauerstoff- und Nährstoffmangel. Es wird nicht ein einzelner Faktor perzipiert, sondern eine große Anzahl von chemischen Signalen (O 2, CO 2, ADP, Kreatinin, ph, usw.). Besonders ausgeprägt im Teilkreislauf der Muskulatur. Unter pathophysiologischen Bedingungen (z.b. Stenosen) mit entsprechend großem Anfall von Metaboliten können alle Gefäßabschnitte eine Dilatation durchführen. Im Falle eines pathophysiologischen Zustandes spricht man von "reaktiver Hyperämie".

14 KREISLAUF 14 Zusammenfassung zur Durchblutungsregulation: 1. Durchblutungsregulation ist die sinnvolle Verteilung des Herz-Zeit-Volumens auf die Teilkreisläufe und innerhalb von Teilkreisläufen. Durchblutungsregulation ist also per Definition "lokal" begrenzt. 2. Sie wird erreicht, indem der Eingangswiderstand in einen Teilkreislauf hinein oder innerhalb eines Teilkreislaufs durch Vasokonstriktion und Vasodilatation verändert wird. 3. Lokal vasodilatorisch wirken in erster Linie Metabolite des katabolen Stoffwechsels (= metabolische Dilatation). 4. Konstriktion wird meist durch Dehnung der Gefäße bei genereller Druckerhöhung ausgelöst (Autoregulation). c.) Blutdruckregulation Komplexer als die Durchblutungsregulation ist die Blutdruckregulation. Sie ist notwendig, da über den Blutdruck die notwendige Energie in den Kreislauf eingebracht wird, um Blutfluss zu generieren (Hagen-Poiseuillesches-Gesetz!!). Ohne Regulation würde z.b. folgendes Szenario ablaufen: Eine Erniedrigung des Peripheren Widerstandes durch Vasodilatation bei körperlicher Anstrengung würde gleichzeitig zum Blutdruckabfall führen. Das wäre 1.) der angestrebten Erhöhung des HZV gegenläufig und würde 2.) dazu führen, dass die Körperabschnitte, die oberhalb der Indifferenzebene liegen unzureichend mit Blut versorgt werden. Folge wäre das Eintreten eines (lebensbedrohenden) Kreislaufschocks. Dies zu verhindern gibt es eine Reihe von Mechanismen, die zunächst nach dem zeitlichen Rahmen, in dem sie wirksam sind, unterschieden werden. Es bietet sich an, zwischen kurzfristiger (Sekunden bis Minuten) mittelfristiger (Minuten bis Stunden) langfristiger (Stunden bis Jahre) Blutdruckregulation zu unterscheiden Kurzfristige Regulation: In erster Linie zentralnervös ablaufender Reflex (Pressorezeptorenreflex), der dazu dient, orthostatische Belastungen (Belastungen durch Lageänderung im Erdschwerefeld) auszugleichen. Im Aortenbogen und den Karotiden gibt es Rezeptoren, die Blutdruck registrieren. Eine Änderung wird an das Kreislaufzentrum des Gehirns gemeldet und führt zur Neueinstellung von Sympathikus und Parasympathikus. Bei Druckerniedrigung wird der Sympathikustonus erhöht, der des Parasympathikus erniedrigt. Erfolgsorgane sind das Herz (siehe dort) und die Gefäße, die eine Vasokonstriktion machen würden. mittelfristige und langfristige Regulation Die Grenzen zwischen mittel- und langfristiger Blutdruckregulation sind fließend. Generell sind daran verschiedene hormonelle Systeme beteiligt. Während die kurzfristige Blutdruckregulation direkte Parameter des Herz-Kreislauf-Systems veränderte (Herzkraft, Gefäßradius) wirken mittel- und langfristige Regulation indirekt über das Blutvolumen. Der Zusammenhang ist, dass über das Blutvolumen die Vordehnung des Herzens und damit der Arbeitspunkt des Frank-Starling-Mechanismus festgelegt wird.

15 Schema des Pressorezeptorenreflexes: KREISLAUF 15 Aus Golenhofen, Physiologie 1997, Urban und Schwarzenberg Mittel und langfristige Regulationsmechanismen bestimmen den langjährigen Mitteldruck eines Menschen. Die kurzfristigen Mechanismen regeln um diesen Mitteldruck herum. Primärer Bluthochdruck ist als zumeist verursacht durch Fehlregulationen oder Überlastung der mittel- bis langfristigen Blutdruckregulation. Alle Mechanismen, die der Blutvolumenregulation dienen, sind also auch in die Blutdruckregulation involviert. Das wichtigste Erfolgsorgan dieser Mechanismen ist die Niere, weil sie Stellglied des Flüssigkeitshaushalts ist. Wichtigste hormonelle Systeme: ADH (Anti-Diuretisches-Hormon)-System RAA (Renin-Angiotensin-Aldosteron)-System ANP (Atrialer-Natriuretischer-Faktor)-System aus Golenhofen, Physiologie 1997, Urban und Schwarzenberg

16 KREISLAUF 16 Zusammenfassung zur Blutdruckregulation: 1. Im Gesamtkreislauf wird der Blutdruck als Regelgröße über drei Mechanismen eingestellt. a. langfristig - über die Regulation des Blutvolumens (hormonell, ANP, ADH) b. mittelfristig i.e.l. über das Renin-Angiotensin-Aldosteron-System c. kurzfristig - über den sogenannten Pressorezeptorenreflex (nerval) 2. Nach dem HP-Gesetz kann der Blutdruck über die Änderung des HZV und/oder die Änderung des TPR reguliert werden 3. Langfristig (Stunden bis Jahre) wird der Druck in erster Linie über eine Änderung des HZV über den Weg der Blutvolumenregulation (ADH, ANP) eingestellt (Stichwort: Frank-Starling-Mechanismus). 4. Mittelfristig (Minuten bis Stunden) wird der Druck über die Zunahme des TPR (RAAS, Angiotensin II) und eine Blutvolumenregulation (Aldosteron) eingestellt. 5. Kurzfristig (Sekunden bis Minuten; Stichwort: Pressorezeptorenreflex) wird Blutdruck zentralnervös sowohl über Änderungen des HZV (z.b. Änderungen der Inotropie) als auch des TPR (Gefäßtonus-Änderungen durch Noradrenalin) eingestellt. 6. Der Pressorezeptorenreflex reguliert den Blutdruck innerhalb einiger Sekunden er eliminiert hydrostatische Druckschwankungen. Der Mitteldruck um den herum der Pressorezeptorenreflex wirksam ist, entspricht dem langfristigen Mitteldruck. 7. Beide Regelkreise besitzen Druckrezeptoren in den Gefäßen (bzw. dem Herzen). Im Falle des Renin-Angiotensin-Systems sitzt der (unbekannte) Rezeptor in der Niere. Ende des theoretischen Teils hoffentlich hilft es!!

17 KREISLAUF 17 Praktikum-Anleitung MECHANISCHE HERZAKTION, KREISLAUF, BLUTDRUCK A.) Bereiten Sie sich mit Hilfe eines aktuellen Lehrbuches auf den Stoff vor: Pumpfunktion des Herzmuskels: - Phasen der Herzaktion - Druckverläufe in den Herzkammern - Druck-Volumen-Diagramm (Frank-Starling-Mechanismus) Hämodynamische Grundlagen: - Ohmsches Gesetz - Hagen-Poiseuillesches Gesetz - Strömungsformen - Eingeschränkte Gültigkeit des Hagen-Poiseuilleschen Gesetzes Funktionelle Organisation des Gefäßsystems: - Zuordnung der arteriellen und venösen Gefäße im großen und kleinen Kreislauf zum Hoch- und Niederdrucksystem - Bau der Arterien, Arteriolen, Kapillaren, Venen, präkapillaren Sphinkteren und Anastomosen - Eigenschaften der Gefäßwände und Variabilität der Gefäßweite, - Druckverlauf im arteriellen und venösen System - Hoch- und Niederdrucksystem - Pulsentstehung und Fortleitung der Pulswelle - venöser Rückstrom (Venenklappen, Muskelpumpe, Thoraxpumpe, Venenpuls). - Aufgliederung des Gesamtkreislaufs in Teilkreisläufe Mikrozirkulation: - Strömungsgeschwindigkeit - Stoffaustausch - Filtrations-/Resorptions-Gleichgewicht Kreislaufregulation: - Durchblutungsregulation - lokale Durchblutungsregulation, Autoregulation - nervale und humorale Durchblutungsregulation - Blutdruckregulation - Blutdruckrezeptoren - nervale Regulation - humorale Regulation - renale Regulation - Regulation bei körperlicher Belastung, z.b. Lagewechsel (orthostatische Belastung)

18 KREISLAUF 18 Pathologie des Kreislaufsystems: - Stenosen und Insuffizienzen - Arteriosklerose, Angina Pectoris und Herzinfarkt - Alters-Bluthochdruck - Ödembildung Messung von Druck, Strömung und Volumen im Gefäßsystem: - Prinzip der indirekten (auskultatorischen) Blutdruckmessung nach Riva-Rocci (Messgenauigkeit, Fehlerquellen, Korotkovsches Geräusch) Ergometerversuch: - physikalische Größen: Kraft, Energie, Arbeit und Leistung - Energiebereitstellungsmechanismen im Muskel Doppler- und Sonographieversuche - Bereiten Sie sich auf die Dopplerversuche vor, indem Sie die entsprechende Praktikumsaufgaben aus dem Biophysikpraktikum nacharbeiten, oder in einem Physiklehrbuch nachschlagen. B.) Beantworten Sie folgende Fragen: 1.) Wie und nach welchen Gesichtspunkten wird das Blutkreislaufsystem eingeteilt? 2.) Welche Drücke kann man in den verschiedenen Abschnitten des Gefäßsystems erwarten? 3.) Welche Mechanismen sind an der Durchblutungsregulation beteiligt? 4.) Was ist der mittlere Blutdruck, und wie kann man ihn ermitteln? 5.) Welche funktionelle Bedeutung hat der "Windkessel" der elastischen Gefäße? 6.) An welchen Stellen im Blutkreislauf und mit welchen Rezeptoren wird der Blutdruck gemessen? 7.) Welche Systeme zur Blutdruckregulation stehen zur Verfügung? Welches sind die Mechanismen? C.) Zeichnen Sie: 1.) eine normale Druckpulskurve des linken Ventrikels, der Aorta und des linken Vorhofs. 2.) das Druck-Volumen-Diagramm des Herzens. Bedenken Sie besonders den Einfluss des enddiastolischen Ventrikelvolumens auf die Herzarbeit (Frank-Starling-Mechanismus).

19 KREISLAUF 19 PRAKTIKUMSTEIL Blutdruck, Herzzeitvolumen und Puls Der Druck in den großen Arterien schwankt durch die Ejektion des Schlagvolumens zwischen einem Spitzenwert (= systolischer Druck) von etwa 120 mmhg (16 kpa) und einem Minimalwert (= diastolischer Druck) von etwa 80 mmhg (etwa 10 kpa). Die konventionelle Schreibweise erfolgt als Bruch: systolischer Druck / diastolischer Druck also z.b. oder nach geltender SI-Einheit 120 mmhg / 80 mmhg. 16 kpa / 10,6 kpa Die Differenz zwischen systolischem und diastolischem Druck heißt Blutdruckamplitude oder Pulsdruck und beträgt normalerweise etwa 40 mmhg (ungefähr 5 kpa). Wichtiger für die Fortbewegung des Blutes ist der mittlere Druck, der während der gesamten Zeit im Hochdrucksystem herrscht. Da die Systole, d.h. der hohe Druck im Gesamtzyklus, nur eine kurze Zeitspanne einnimmt, ist der Mitteldruck nicht gleich dem arithmetischen Mittel zwischen systolischem und diastolischem Druck, sondern etwas niedriger. Einen Näherungswert für den mittleren Druck erhält man gemäß: mittlerer Blutdruck = diastolischer Druck + 1/3 der Blutdruckamplitude. Eine genaue Bestimmung erfordert die Integration der Blutdruckkurvenfläche. Bitte vergessen Sie nicht, dass die diagnostische Größe "Blutdruck" von der hier die Rede ist, definiert ist als Druck in den großen Arterien des Hochdrucksystems. Auch in anderen Gefäßen herrscht natürlich ein Druck, der ist jedoch in absoluten Werten immer deutlich niedriger als der hier gemeinte "Blutdruck". Station 1. Blutdruckmessung In dieser Praktikumsaufgabe sollen Sie im ersten Abschnitt bei mehreren Versuchspersonen den Blutdruck messen. Der arterielle Blutdruck wird gewöhnlich an einem oberflächlich gelegenen Gefäß des Armes, der A. brachialis, nach der auskultatorischen Methode gemessen. Diese Methode nach Riva-Rocci besteht darin, dass man eine wenig dehnbare Leinenmanschette, die an ihrer Innenseite eine Gummimanschette hat, um den Oberarm legt. Mit einem Gummiball kann man die Gummimanschette aufblasen. Da sich die Leinenmanschette nicht nach außen ausdehnen kann, komprimiert sie das Oberarmgewebe. Wenn der Manschettendruck höher ist als die systolische Druckspitze in der A. brachialis, wird das Gefäß völlig zusammengedrückt. Man kann dann z.b. an der A. radialis keinen Puls mehr fühlen.

20 KREISLAUF 20 Bei der auskultatorischen Methode nach Riva-Rocci setzt man ein Stethoskop auf den Oberarm etwas unterhalb des unteren Manschettenrandes und kann in dieser Situation kein Geräusch hören. Jetzt vermindert man durch Öffnen eines Ventils langsam den Manschettendruck bis zu dem Punkt, an dem man zum ersten Mal ein pochendes Geräusch (Korotkovsches Geräusch) synchron mit der Herzaktion hören kann. Dieses Geräusch zeigt an, dass während der Systole der Gefäßdruck etwas höher ist als der Manschettendruck, so dass eine kleine Blutmenge die komprimierte Arterie passieren kann. Das erstmalige Auftreten eines Geräusches ist also ein Indikator für den systolischen Blutdruck. Die Korotkovschen Geräusche entstehen wahrscheinlich durch das Auftreten von turbulenten Strömungen in der A. brachialis, wohingegen die normale Blutströmung laminar und damit geräuschlos ist. Wird die Arterie, z.b. durch den Manschettendruck verengt oder verschlossen und nur intermittierend geöffnet, so muss an der verengten Arterienstelle die Strömungsgeschwindigkeit des Blutes stark ansteigen. Wenn dabei ein kritischer Wert überschritten wird, so tritt Turbulenz auf. Bei einem Manschettendruck gerade unterhalb des systolischen Drucks erfolgt nur auf der Höhe der Systole eine kurze Strömung im Gefäß, wodurch eine intermittierende Turbulenz und das pochende Geräusch erzeugt werden. Wenn wir den Druck in der Manschette weiter absinken lassen, so wird das Gefäß immer länger offen bleiben und nur in der letzten Phase der Diastole verschlossen werden. Die Geräusche haben Staccatocharakter. Wenn schließlich der Manschettendruck niedriger geworden ist als der diastolische Druck, bleibt das Gefäß während der gesamten Druckschwankung offen. Durch die aber noch vorhandene Verengung der Arterie kommt es zu einer kontinuierlichen turbulenten Strömung, die ein gedämpftes Geräusch verursacht. Der diastolische Druck wird also durch den Druckwert beim Wechsel vom Staccatogeräusch zum gedämpften Geräusch angezeigt. Bei der Messung des Blutdrucks mit einer Manschette muss darauf geachtet werden, dass die Breite der Manschette dem Armumfang angepasst ist. Für Kinder oder Erwachsene mit sehr dicken Oberarmen gibt es Spezialmanschetten, da mit den 13 cm breiten Standardmanschetten falsche Werte gemessen werden. Es kann aber auch anhand einer Korrekturtabelle mittels Oberarmumfang der richtige Wert bestimmt werden: Korrekturtabellen (für Standardmanschette, 13 cm breit) für verschiedene Oberarmumfänge Systole Oberarmumfang Korrektur cm + 15 mmhg cm + 10 mmhg cm + 5 mmhg cm 0 mmhg cm - 5 mmhg cm - 10 mmhg cm - 15 mmhg cm - 20 mmhg cm - 25 mmhg Diastole Oberarmumfang Korrektur cm 0 mmhg cm - 5 mmhg cm - 10 mmhg cm - 15 mmhg cm - 20 mmhg cm - 25 mmhg

21 a) Bestimmung des Blutdrucks KREISLAUF 21 Versuchsdurchführung: Der Blutdruck soll mit zwei Methoden bestimmt werden, mit der auskultatorischen Methode nach Riva-Rocci und einer "Blood-Pressure-Watch". Zunächst sollen die Mittelwerte von systolischem, diastolischem und mittlerem Blutdruck und die mittlere Pulsfrequenz eines Kollektivs von mindestens 5 Studenten bestimmt werden. Dazu sollen die Versuchsteilnehmer sich am entspannten, im Ellenbogen leicht gebeugten (160 ) Arm, gegenseitig den systolischen und diastolischen Blutdruck nach Riva/Rocci messen und den mittleren Blutdruck nach der in der Einleitung gegebenen Formel ermitteln. Die luftleere Manschette wird dazu so hoch um den Oberarm gelegt, dass in der Ellenbeuge genügend Raum bleibt, um durch Aufsetzen des Stethoskops bequem auskultieren zu können. Die Manschette wird rasch auf über-systolischen Druck aufgepumpt. Dann wird bei langsamer Verminderung des Manschettendrucks über das am Ballon angebrachte Ventil (ca. 5 Pulsschläge pro 10 mmhg) der Druck beim Einsetzen und bei der plötzlichen Abschwächung des Korotkovschen Geräusches am Manometer abgelesen. Die Pulsfrequenz der Versuchsperson wird palpatorisch bestimmt. Versuchsauswertung: Je Proband sind mindestens 3 Messungen erforderlich, aus denen Mittelwerte gebildet werden. Die Mittelwerte aller 5 Probanden werden wiederum zu Mittelwert und Standardabweichung zusammengefasst. b) Abhängigkeit der Blutdruckmessung von der Lage des Messpunktes im Bezug zum Herzen Versuchsdurchführung: Es wird der Blutdruck am linken Handgelenk mit der "Blood-Pressure-Watch" bestimmt. Dazu legt sich der Versuchteilnehmer das Gerät so um, dass sich die Messanzeige auf der Innenseite des Handgelenkes befindet. Der Proband sitzt ruhig auf einem Stuhl. Der Blutdruck wird bestimmt 1. wenn sich die "Blood Pressure Watch" auf der Höhe des Herzens befindet 2. bei in Körperlängsrichtung nach oben ausgestrecktem Arm 3. bei in Körperlängsrichtung nach unten ausgestrecktem Arm. Machen Sie jeweils drei Messungen und notieren Sie sich diastolischen und systolischen Blutdruck. Wiederholen Sie die Messung im Liegen. Auch hierbei soll der Arm in Richtung der Körperachse ausgestreckt werden. Versuchsauswertung: Bestimmen Sie jeweils die Differenzen zwischen den systolischen und den diastolischen Blutdrücken für die gepaarten Daten. Rechnen Sie die Druckdifferenzen in die entsprechende Höhe eine Wassersäule um. Was können Sie über die Ursache der verschiedenen Ergebnisse bei den Druckmessungen sagen.

22 KREISLAUF 22 c) Abhängigkeit der Blutdruckmessung von der Breite der Blutdruckmanschette Versuchsdurchführung: An 3 Probandinnen wird jeweils der Blutdruck mit 3 Manschetten unterschiedlicher Breite jeweils am selben Arm bestimmt. Notieren Sie systolischen / diastolischen Blutdruck in die Tabelle. Manschettengröße Probandin 1 Probandin 2 Probandin 3 Erwachsene (Armumfang cm) / / / Erwachsene groß (Armumfang / / / cm) Kind (Armumfang cm) / / /. Station 2. Kreislaufanalyse bei körperlicher Belastung Die bei körperlicher Arbeit beobachtbaren Veränderungen von Kreislaufparametern stehen in erster Linie mit der Erhöhung des Herzminutenvolumens im Zusammenhang, um dem gesteigerten Bedarf der arbeitenden Muskulatur an Gasaustausch und Metabolit-Austausch gerecht zu werden. Auch die gesteigerten Anforderungen an die Wärmeregulation bei Arbeit bedingen Veränderungen der Kreislaufparameter, wenn auch mit geringerer Bedeutung. In der medizinischen oder sportmedizinischen Praxis werden zur Beurteilung des Kreislaufzustandes und der allgemeinen Fitness ergometrische Verfahren angewandt. Diesen Verfahren ist gemeinsam, dass ein Proband stufenweise erhöhten Belastungen ausgesetzt wird, wobei für jede Belastungsstufe eine Reihe von Parametern wie Puls, Blutdruck, Atemfrequenz, EKG, Laktat- und Glukosekonzentration im Blut bestimmt und zum Belastungsgrad in Beziehung gesetzt werden. Sie werden im Praktikum eine "vereinfachte" Fahrrad-Ergometrie durchführen, bei der lediglich Puls und Blutdruck bestimmt werden. Versuchsdurchführung: Anmerkung: Für diesen Versuchsteil wäre es sinnvoll evtl. ein Handtuch und/oder Wechselkleidung mitzubringen, da man leicht ins Schwitzen geraten kann.

23 KREISLAUF 23 Wählen Sie aus dem Kreis Ihrer Kommilitonen oder Kommilitoninnen zwei Probanden aus (bitte gleichen Geschlechts), von denen nach realistischer Selbsteinschätzung ein Proband ein guter Ausdauersportler sein sollte, während der andere keinen Sport betreibt. Beide Versuchsteilnehmer unterziehen sich nachfolgend einem Belastungsprotokoll, das mit einer Leistungsabgabe von 50 W beginnt, die nach jeweils 3 min um 50 Watt erhöht wird, bis maximal 250 Watt erreicht sind. Während des Versuchs wird von einer Person alle 3 Minuten die Pulsfrequenz des Probanden palpatorisch (Handgelenk oder Carotis) bestimmt. Eine weitere Person misst ebenfalls alle 3 Minuten den Blutdruck. Die Manschette verbleibt während des gesamten Versuchs am Arm des Probanden (nach den Messungen nicht vergessen den Druck vollständig abzulassen!!!). Nach Belastungsabbruch werden beide Parameter weitere 15 Minuten protokolliert. Sicherheitshinweise: Das Experiment kann den Probanden unter Umständen an den Rand seiner Leistungsfähigkeit führen. Bei auftretender Kurzatmigkeit, Brustschmerzen oder Übelkeit ist das Experiment sofort abzubrechen. Ebenso ist das Experiment sofort abzubrechen, wenn der Blutdruck nicht ansteigt, oder gar abfällt. Oder aber, was ebenfalls kritisch ist, über Werte von 250/130 mmhg ansteigt. Versuchsauswertung: Die protokollierten Daten werden in Grafiken bildlich dargestellt und untereinander verglichen. Welche Aussagen bezüglich der gemessenen Parameter und der körperlichen Fitness können gemacht werden?

24 KREISLAUF 24 Station 3. Bestimmung des Herz-Zeit-Volumens bei orthostatischer Belastung mit der "Impedanz-Kardio- Graphie" (IKG): In diesem Versuchsteil soll das Regelvermögen des Kreislaufs bei orthostatischer Belastung geprüft werden. Wir messen dazu die Veränderung der Herzfrequenz und des Schlagvolumens beim Lagewechsel vom Liegen zum Stehen (orthostatische Belastung). Unter dem Begriff "orthostatische Belastung" werden allgemein Störungen der Kreislaufdynamik zusammengefasst, die bei Lageveränderungen der Körperlängsachse im Erdschwerefeld auftreten. Diese Störungen resultieren in erster Linie aus dem Verschieben von Blutvolumina innerhalb des Niederdrucksystems, mal mehr in den Bereich der unteren Extremitäten (im Stehen) bzw. des Körperzentrums (im Liegen). Ohne regulatorische Maßnahmen würde dies im Stehen zu stark vermindertem Herzzeitvolumen führen (wegen der nachlassenden Vorlast) im Vergleich zur liegenden Position. Tatsächlich jedoch wird über den Pressorezeptorenreflex dafür gesorgt, dass das Herzzeitvolumen in engen Grenzen konstant gehalten wird. Da das Herzzeitvolumen das Produkt aus Herzfrequenz und Schlagvolumen ist, ergibt sich die Frage, ob bei der Konstanthaltung des Herzzeitvolumens eine Größe oder beide Größen reguliert werden? Diese Frage soll über die Messung von Puls und Schlagvolumen beantwortet werden. Dazu bedienen wir uns der sogenannten "Impedanz-Kardio-Graphie", die eine der wenigen Möglichkeiten bietet, das Schlagvolumen nicht-invasiv zu bestimmen. Versuchsdurchführung: 1) Die Versuchsperson wird an das Kardio-Impedanz-System bei aufrechter Körperhaltung angeschlossen. Schlagvolumen, Puls und Herzzeitvolumen werden für ca. 5 min beobachtet, bis sich stabile Werte einstellen. Die Versuchsperson legt sich dann hin und bleibt bewegungslos für ca. 5 min liegen, bis sich wiederum stabile Werte eingestellt haben. 2) Die Versuchsperson sitzt entspannt auf einer Liege. Schlagvolumen, Puls u. Herzzeitvolumen werden für ca. 5 min beobachtet, bis sich stabile Werte einstellen. Die Versuchsperson versucht sodann, durch die so genannte "Vasalva-Technik", das Schlagvolumen abzusenken. Dazu wird versucht, bei geschlossenen Atemwegen mit maximaler Kraft auszuatmen (das geht durch Anspannen der Bauch- und Zwerchfellmuskulatur und wird in den Physiologielehrbüchern auch als willkührliche Komponente des Defäkationsreflexes bezeichnet lesen Sie dort nach, dann wissen Sie was gemeint ist). Dadurch steigt der intrathorakale Druck an und presst die herznahem Venen aus ( Abnahme des zentralen Venendrucks Abnahme der Vorlast Abnahme der Herzkraft). Beobachten Sie, wie sich unter diesem Umständen Puls und Schlagvolumen ändern. ACHTUNG: Kontrollieren Sie sich bei diesem Versuch selbst und verhindern Sie die Auslösung einer Ohnmacht, weil Sie alles besonders gut machen wollen. Sollten Sie die Vasalva-Technik nämlich beherrschen, könnten Sie Ihr HZV so weit absenken, dass die Sauerstoffversorgung des Gehirns ungenügend wird. Das ist zwar nicht gefährlich, aber Ihre Kommilitonen werden Sie auslachen.

25 KREISLAUF 25 Station 4. Handdoppler und bildgebende Ultraschalltechnik Handdoppler Mit dem Dopplergerät ist es möglich, den Blutfluss in Gefäßen nach dem Ultraschall- Dopplerprinzip zu erfassen, darzustellen, akustisch auszugeben und über den Computer zu dokumentieren. Dadurch ist es möglich, Durchblutungsstörungen an größeren Gefäßen (z.b. an Arterien und Venen der Beine oder an den Halsschlagadern) nachzuweisen. Es werden die Richtung und die Flussgeschwindigkeit des Blutes untersucht und damit Gefäßverschlüsse und Verengungen nachgewiesen. Die Technik beruht auf dem physikalischen Prinzip der Doppler-Frequenzverschiebung: Schall, der von einem bewegten Objekt reflektiert wird, ändert in Abhängigkeit der Objektgeschwindigkeit und Bewegungsrichtung seine Frequenz. In der Ultraschall-Doppler Technik verwendet man üblicherweise einen kontinuierlichen Ultraschallstrahl, der scharf gebündelt auf ein zu untersuchendes Gefäß gerichtet wird. Trifft dieser dabei auf ein bewegtes Ziel, hier in Form der mit der Blutströmung mitbewegten korpuskulären Bestandteile, so weist der reflektierte Schall die typische geschwindigkeitsabhängige Frequenzverschiebung auf. Ultraschall-Doppler Geräte sind in der Lage, im hörbaren Bereich akustische Signale zu liefern, deren Tonhöhe in Bezug zur Blutströmungsgeschwindigkeit steht. Für das Praktikum steht der Doppler "SONODOP 3000" mit einer 8 MHz Messsonde zur Verfügung, wie er in vielen Arztpraxen Verwendung findet. Die Untersuchung der arteriellen und venösen Blutströmung sollte am Arm im Bereich der Ellenbeuge, des distalen Radius-Endes und an einer Fingerbeere erfolgen. - Geben Sie einen Klecks Ultraschallgel auf die Sonden-Stirnfläche. Der Raum zwischen Sondenspitze und Hautoberfläche muss zur besseren akustischen Ankopplung mit einer ausreichenden Menge Ultraschallgel ausgefüllt sein. - Setzen Sie die Sonden-Stirnfläche wahlweise in oder gegen die Strömungsrichtung so auf die Haut, dass der Winkel zwischen zu messendem Blutgefäß und der Sonde möglichst

26 KREISLAUF 26 klein ist (0-30 ). Bei senkrechter Schalleinstrahlung zur Gefäßachse wird nur die Bewegung der Gefäßwände hörbar gemacht. - Suchen Sie ein Signal, indem Sie die Sonde leicht kippen oder bewegen und versuchen Sie, durch minimale Änderungen der Sondenlage das Signal zu optimieren. Die Sonde sollte stets nur mit geringem Druck auf die Haut aufgesetzt werden, um eine Beeinträchtigung durch Kompression vor allem der venösen Blutströmung zu vermeiden. - Zum Orten von Gefäßen ist die Sonde quer zur vermuteten Strömungsrichtung langsam über die Hautoberfläche zu verschieben. Bei unmittelbar unter der Hautoberfläche verlaufenden Gefäßen, wie z.b. bei Fingerarterien, muss unter Umständen die Sondenspitze etwas von der Hautoberfläche abgehoben werden, da kurz nach Austritt aus der Sonde der Ultraschallstrahl zu scharf gebündelt sein kann. - Notieren Sie die Strömungsgeschwindigkeiten in den untersuchten Arterien und Venen Die für arterielle und venöse Blutströmung charakteristischen Dopplersignale lassen sich deutlich voneinander unterscheiden. Die arterielle Strömung liefert ein pulsierendes Geräusch im Rhythmus des Herzschlages. Hingegen hört man bei Beschallung von Venen ein eher kontinuierliches sturm- oder windartiges Geräusch, das durch äußere Kompression leicht zu unterdrücken ist. So kann allein durch isometrisches Anspannen entsprechender Muskelgruppen der venöse Rückstrom zum Stillstand, und damit das venöse Geräusch zum Verstummen gebracht werden. Nach Muskelerschlaffung ist mit einer gewissen Latenz das venöse Geräusch, sogar kurzfristig deutlicher, wahrzunehmen. In gewissen Körperpartien liegen Arterien und Venen so eng beieinander, dass das Signal je nach Richtung der Sonde eventuell aus arteriellen und venösen Dopplergeräuschanteilen besteht. Bildgebende Ultraschalltechnik Ultraschall kann auch zur Bildgebung verwendet werden. Dabei wird nicht die Frequenzverschiebung analysiert, sondern die Reflexion des Ultraschalls an Schichten verschiedener optischer Dichte. Aus der Reflexion lässt sich ein optischer Schnitt durch das Gewebe rekonstruieren. Das rekonstruierte Bild kann anschließend mit Computerprogrammen analysiert werden. Es können Parameter wie Distanzen, Flächen und Volumina bestimmt werden. In Kombination mit der oben beschriebenen Dopplertechnologie sind weitere Auswertungen, bzw. in der Klinik Diagnosen möglich. So können z.b. Stenosen- oder Insuffizienzen von Herzklappen quantifiziert werden. Wir haben im Praktikumsteil Kreislauf ein Doppler-Ultraschallgerät zur Verfügung. Mit diesem Gerät sollen folgende Beobachtungen (Versuche) durchgeführt werden. - Schallen einer Halsschlagader. Bestimmung der Größe, Bestimmung der Fließrichtung und Geschwindigkeit, bzw. des Durchflussvolumens (ml/min) - Schallen der Aorta. Bestimmung der Größe. Bestimmung von Fließrichtung und Geschwindigkeit - Schallen des Herzens. Beobachten von Klappenbewegungen, Beobachten des Blutübertritts vom Vorhof in den Hauptkammerbereich.