Elektrokardiographie - Messung von Potentialen/Spannungen im Feld elektrischer Dipole

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1 Versuch E.2 Elektrokardiographie - Messung von Potentialen/Spannungen im Feld elektrischer Dipole 2010/11 1. Tertial 0

2 Inhalt 1 Messung von Potentialen und Potentialdifferenzen im Feld eines elektr. Dipols Versuchsdurchführung Vektorkardiogramm Allgemeines Frontale Vektorschleife Durchführung Vektorschleife in der Frontalebene Auswertung Vektorschleife in der Frontalebene Horizontale Vektorschleife Durchführung Vektorschleife in der Horizontalebene Auswertung Vektorschleife in der Horizontalebene... 9 Im Herzmuskel breiten sich Erregung und Erregungsrückbildung über Zellstränge von Zelle zu Zelle aus. Durch Ladungsverschiebungen während Depolarisation und Repolarisation der Herzmuskelzellen entstehen bei Erregungsausbreitung und Erregungsrückbildung in jedem Zellstrang elektrische Dipole. Die Dipole der einzelnen Zellketten überlagern sich zu einem Summendipol, dessen Größe und Richtung während Erregungsausbreitung und -rückbildung einen charakteristischen Verlauf zeigen. Dementsprechend können während Erregungsausbreitung und rückbildung im Myokard an festgelegten Punkten auf der Körperoberfläche Potentiale und Potentialdifferenzen mit charakteristischem zeitlichem Verlauf (Elektrokardiogramm) gemessen werden. Folglich lassen sich im Elektrokardiogramm z.b. Rhythmus, Verlauf von Erregungsausbreitung und rückbildung im Myokard, Lage des Herzens im Thorax und Verteilung der Muskelmasse im Herzen bewerten. Ziele des Praktikums sind zu verstehen, welche Potentiale und Potentialdifferenzen (Spannungen), abhängig von Größe und Richtung eines Dipols, an definierten Punkten der Körperoberfläche, den Ableitungspunkten der Elektrokardiographie, gemessen werden können, den Verlauf von Richtung und Größe des Summendipols während Erregungsausbreitung und -rückbildung in Vorhöfen und Ventrikeln darzustellen, und den Einfluss der Lage des Herzens am Beispiel von Ein- und Ausatmung zu verfolgen. 1

3 1 Messung von Potentialen und Potentialdifferenzen im Feld eines elektrischen Dipols Um zu verstehen welche Potentiale und Potentialdifferenzen an definierten Punkten im Feld eines elektrischen Dipols gemessen werden, benutzen wir ein einfaches Modell (wassergefüllter Behälter) mit definierten, fest montierten Messpunkten und einem Dipol, dessen Richtung, bezogen auf die Horizontale, von 0º bis 360º vorgewählt werden kann. Für verschiedene Positionen des Dipols sollen die Potentialdifferenzen (Spannungen) zwischen zwei Meßpunkt-Paaren gemessen werden. Es soll die Frage beantwortet werden, wie die gemessene Potentialdifferenz (Spannung) von der Orientierung des Dipols relativ zur Anordnung der Meßpunktpaare bzw. den dadurch definierten Ableitungslinien abhängt. 1.1 Versuchsdurchführung In einem quadratischen Wasserbehälter (Abbildung 1) sind drei Buchsen als Ableitungspunkte in Form eines gleichseitigen Dreiecks montiert. An einem Drehgriff, dessen Drehachse im Mittelpunkt des gleichseitigen Dreiecks liegt, sind zwei Metallspitzen angebracht, die in das Wasser eintauchen. Von einem Reizgerät wird in einem Rhythmus von 3 Hz für 100 ms eine Spannung von 5 V (bzw. 10 V) zwischen den beiden Metallspitzen angelegt. Dadurch entsteht für jeweils 100 ms ein elektrischer Dipol, dessen Feld sich im Wasserbehälter ausbreitet. Aufgabe ist, die zwischen den Elektroden der beiden Ableitungspaare I und II bestehenden Potentialdifferenzen (Spannungen) in Abhängigkeit von der Winkelstellungen des Dipols zu messen. Folgende Kabelverbindungen sind herzustellen: Die Elektroden des drehbaren Handgriffs werden mit den entsprechenden (farbkodierten: rot +; schwarz -) Anschlüssen des Reizgerätes verbunden. Die Ableitelektroden des Wasserbads werden gemäß der von Einthoven definierten Polaritäten, wie in Abbildung 1 skizziert, an die Eingänge A3 (I) und A4 (II) des Netbook-Oszilloskop-Adapters angeschlossen. Am Reizgerät sind für den Reiz folgende Einstellungen vorzunehmen: Frequenz: 3 pps; Verzögerung: 0; Reizbreite: 100 ms; Amplitude: 5 bzw. 10 V; Kippschalter twin pulses : regular; Kippschalter mode : repeat; Kippschalter polarity : normal; 2

4 Kippschalter output : mono. Zur Darstellung der für die Ableitungen I und II registrierten Spannungssignale sind am Oszilloskop folgende Einstellungen zu machen: Für die Kanäle I und II wird eine Amplitudeneinstellung von 0,05 V/Segment sowie offsets von 0,1 bzw. -0,1 gewählt. Die Zeitachse der Darstellung wird auf 600 ms gestellt. Trigger-Stellung auf auto, Kanal 1 und Flanke steigend (ggf. Auto Set benutzen). Das Messsignal sollte nun etwa wie in Abbildung 2 skizziert aussehen. Die jeweilige Amplitude kann als Spannungsdifferenz V-p-p (Spannung peak-to-peak) unter Hz und Volt gemessen werden. Nun sollen für die in Abbildung 1 angegebenen Winkeleinstellungen die Signalamplituden in Ableitung I und II bestimmt (siehe Abbildung 2, auf das Vorzeichen achten!) und in Protokoll 1 eingetragen werden (Reizstärke 5 V). Um den Einfuss der Erregungsamplitude zu verdeutlichen werden anschließend noch bei einer Reizamplitude von 10 V die abgeleiteten Signalamplituden bei 0 und 60 gemessen und (in Klammern) in Protokoll 1 vermerkt. Abbildung 1: Versuchsaufbau 3

5 Abbildung 2: Beispiel einer Oszilloskopregistrierung Protokoll 1: Gemessene Potentialdifferenz (Spannung) gegen Winkel des Dipols Tragen Sie die bei verschiedenen Winkeln für die Ableitungen I und II gemessenen Spannungen (mit Vorzeichen!) in folgende Tabelle ein. Winkel Ableitung I Ableitung II Bestimmen Sie, bei welcher Lage des Dipols im Vergleich zur jeweiligen Ableitung die gemessene Potentialdifferenz maximal und bei welcher Lage die gemessene Potentialdifferenz minimal ist. 4

6 Wie lässt sich aus der Lage des Dipols zur jeweiligen Ableitung vorhersagen, wie groß die gemessene Potentialdifferenz sein wird? Protokoll 2: Rekonstruktion der für eine Ableitung erwarteten Potentialdifferenz über Projektion des Dipols auf die zugehörige Ableitungslinie Konstruieren Sie in Abbildung 3 aus Ihren Meßwerten in Protokoll 1 für die Dipolposition von 60º die für Ableitung III erwartete Potentialdifferenz (im Versuch nicht registriert). Abbildung 3: Konstruktion von erwarteten Potentialdifferenzen (Spannungen), für die Ableitungen I bis III nach Einthoven 5

7 2 Vektorkardiogramm 2.1 Allgemeines Das Vektorkardiogramm beschreibt für alle Zeitpunkte von Erregungsausbreitung und Rückbildung im Myokard Richtung und Größe des jeweiligen Summenvektors. Zur Übersichtlichkeit wird immer nur die Spitze des jeweiligen Vektors dargestellt. Die von der Spitze des Summenvektors beschriebene Kurve wird als Vektorschleife bezeichnet. Der Summenvektor während der Erregungsausbreitung der Vorhöfe beschreibt die P- Schleife, die QRS-Schleife beschreibt die Erregungsausbreitung in den Ventrikeln, die T-Schleife die Erregungsrückbildung in den Kammern. Die Erregungsrückbildung der Vorhöfe fällt normalerweise in die Erregungsausbreitung in den Kammern und ist deshalb nicht meßbar. Die Vektorschleifen sind 3-D Gebilde. So zeigt z.b. der größte Summenvektor während der Erregungsausbreitung in den Kammern üblicherweise von rechts-kranial-ventral nach links-kaudal-dorsal. Zur Beschreibung der 3D-Form der Vektorschleife werden deren Projektion auf die frontale und horizontale Ebene benutzt (Abbildung 4). Diese beiden Projektionen werden im Praktikum dargestellt. Sie sollen dazu benutzt werden, direkt den Einfluss von Lageänderungen des Herzens auf die Lage der Vektorschleife, also auf die einzelnen Summenvektoren, am Beispiel von Ein- und Ausatmung zu demonstrieren. Abbildung 4: 3D-Vektorschleife und ihre jeweiligen Projektionen auf Sagittal-, Frontal- und Horizontalachse 6

8 Zur Registrierung der frontalen Vektorschleife werden in einer xy-darstellung die für eine horizontal angeordnete Ableitung (x-achse) gemessenen Potentialdifferenzen gegen die zeitgleich für eine vertikale Ableitung (y-achse) gemessenen Spannungen aufgetragen. Als horizontale Ableitung kann die Ableitung I nach Einthoven (Abbildung 5a), als vertikale Ableitung die Ableitung avf nach Goldberger benutzt werden. Für die horizontale Vektorschleife werden den Wilson-Ableitungen analoge Potentiale von einer über dem Processus xiphoideus (sagittale y-achse) und einer medioaxillär auf gleicher Höhe (transversale x-achse) platzierten Elektrode gemessen (Abbildung 5b). Abbildung 5: Versuchsaufbau frontale (a) und horizontale (b)vektorschleife 2.2 Frontale Vektorschleife Registrierung der Vektorschleife in der Frontalebene Es werden Ableit- und Erdungselektroden an den Extremitäten der Versuchsperson angebracht und die Spannungsänderungen in den Ableitungen I und avf (invertiert als - avf) auf dem Bildschirm des PC dargestellt (x-achse: Ableitung I, y-achse: avf). 7

9 Beobachten Sie die 3 Schleifen, kleine P-Schleife, große QRS-Schleife, mittelgroße T-Schleife. Beachten Sie den Einfluss von Ein- und Ausatmung auf Form und Lage der frontalen Vektorschleife. Danach werden P-, QRS- und T-Schleife einer Herzaktion in mittlerer Atemlage als Punktdiagramm ausgedruckt (Protokoll 3: frontale Vektorschleife). Der Zeitabstand zwischen aufeinanderfolgenden Punkten beträgt 5 Millisekunden. Die gemessenen Spannungen werden vom Messgerät intern um Faktor 500 verstärkt Auswertung Vektorschleife in der Frontalebene Beschriften Sie in Ihrem Ausdruck die QRS-Schleife, die P-Schleife und die T-Schleife. Tragen Sie mit einem Pfeil die Drehrichtung des Kammerkomplexes ein. Bestimmen Sie nun den Nullpunkt Ihrer Registrierung. (Wie ist dieser definiert?) Zeichnen Sie in die Registrierung eine Gerade ein, die Ableitung II darstellt und bestimmen Sie den Nullpunkt von Ableitung II (Projektion des Nullpunktes der Vektorschleife auf Ableitung II). Geben Sie für Ableitung II an, wo nach der Einthoven-Definition + und sind. Nummerieren Sie nun die einzelnen Punkte der QRS-Schleife gemäß ihrer zeitlichen Reihenfolge und messen Sie die erwarteten Signalamplituden in Ableitung II für die in Protokoll 5 angegebenen Zeitpunkte (in cm und mv). Rekonstruieren Sie in Protokoll 6 den Zeitverlauf des QRS-Komplexes für Ableitung II aus den in Protokoll 5 bestimmten Werten. Erklären Sie anhand der Vektorschleife die Tatsache, daß die Spitzen der R-Zacken in den Ableitungen I bis III nach Einthoven zeitlich meist nicht genau zusammenfallen. Protokoll 3: frontale Vektorschleife (wird ausgedruckt, hier einfügen). 8

10 2.3 Horizontale Vektorschleife Registrierung der Vektorschleife in der Horizontalebene Stellen Sie nun mit Hilfe der am Processus xiphoideus und medioaxillär auf gleicher Höhe angebrachten Ableitelektroden den Herzvektor in der Horizontalebene auf dem Bildschirm dar und fertigen Sie einen Ausdruck der Vektorschleifen in der Horizontalebene an (Protokoll 4: horizontale Vektorschleife). Der Zeitabstand zwischen aufeinanderfolgenden Punkten beträgt wieder 5 Millisekunden. Die gemessenen Spannungen werden vom Messgerät intern um Faktor 500 verstärkt Auswertung Vektorschleife in der Horizontalebene Beschriften Sie in Ihrem Ausdruck die QRS-Schleife, die P-Schleife und die T-Schleife. Tragen Sie mit einem Pfeil die Drehrichtung des Kammerkomplexes ein und bestimmen Sie den Nullpunkt der horizontalen Vektorschleife. Protokoll 4: horizontale Vektorschleife (wird ausgedruckt, hier einfügen). 9

11 Protokoll 5: Signalamplituden der frontalen Vektorschleife Zeit [ms] frontal [cm] frontal [mv] 10

12 Protokoll 6: Rekonstruktion des QRS-Komplexes aus der Frontalschleife 11