Herzfrequenz (Artikelnr.: P )

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1 Lehrer-/Dozentenblatt Herzfrequenz (Artikelnr.: P ) Curriculare Themenzuordnung Fachgebiet: Biologie Bildungsstufe: Klasse 7-10 Lehrplanthema: Der Mensch Unterthema: Physiologie: Atmung, Herz und Blutkreislauf Experiment: Herzfrequenz Schwierigkeitsgrad Vorbereitungszeit Durchführungszeit empfohlene Gruppengröße Mittel 10 Minuten 10 Minuten 2 Schüler/Studenten Zusätzlich wird benötigt: Versuchsvarianten: ipad oder Android-Tablet PC + measurelab ( ) Schlagwörter: Elektrokardiagramm, Herzschlag, Herzfrequenz, Ruhepuls Einführung Lehrerinformationen Zusätzliche Informationen Die in Tabelle 1 dargestellte Korrelation von Altersabhängigkeit und durchschnittlicher Herzschlagfrequenz pro Minute im Ruhezustand ist nur als verallgemeinerndes Beispiel zu betrachten. Der einfache Schluss, dass die Herzfrequenz mit zunehmendem Alter immer weiter sinkt, ist nicht richtig. Die Höhe der Herzschlagfrequenz im Ruhezustand ist einerseits von der Körpergröße einer Person abhängig, dies hängt mit der Größe des Herzens im Verhältnis zum restlichen Körpervolumen zusammen. Ein verhältnismäßig kleines Herz (z.b. bei einem Säugling) muss somit häufiger schlagen, um die gleiche Menge Blut durch das Kreislaufsystem zu pumpen. Andererseits ist der Herzmuskel trainierbar. Bei einer Person mit einem verhältnismäßig großen und kräftigen Herzmuskel (wie z.b. bei einem Ausdauersportler) sind dementsprechend weniger Herzkontraktionen notwendig, um die Stabilität des Herz- Kreislauf-Systems aufrecht zu erhalten. Ausdauersportler haben somit in der Regel eine geringere Herzfrequenz im Ruhezustand als untrainierte Menschen. Eine Ruhefrequenz von Herzkontraktionen pro Minute ist durchaus möglich. Anhand eines Beispiels aus der Zoologie lässt sich der Zusammenhang von Körpergröße und durchschnittlicher Herzfrequenz besonders eindrucksvoll darstellen. So schlägt das Herz einer Maus zum Beispiel durchschnittlich 600 Mal in der Minute, während es beim Elefanten im gleichen Zeitraum nur Mal kontrahiert. Die Herzfrequenzvariabilität ist Ausdruck der diversen Regulationsmechanismen des Körpers, die zur Erhaltung der Stabilität des Herz-Kreislaufsystems erforderlich sind. Warnhinweis Bei Verwendung Stecker ziehen! Aus Sicherheitsgründen darf die Sensor-Unit Electrophysiology nur verwendet werden, wenn das damit verbundene Cobra4 Messaufnahmegerät nicht mit der Netzspannung verbunden ist! Ein in der Schule aufgenommenes EKG sollte nicht überinterpretiert werden, wenn Abweichungen zu den beispielhaften EKG in den Abbildungen bestehen. Kreislaufstörungen oder Schädigungen des Herzmuskels können nur von einem Arzt mit Sicherheit festgestellt werden. Hinweis zur Durchführung Stellen sie sicher, dass die Schülerinnen und Schüler während der Messung in Ruhelage darauf achten, dass die Versuchsperson sich nicht bewegt. Auch kleinere Bewegungen, wie z.b. das Heben einer Hand, führen zu Überlagerungen der Herzmuskelaktivitäten bei der Messung.

2 Lehrer-/Dozentenblatt

3 Herzfrequenz (Artikelnr.: P ) Einführung Wir bestimmen unsere Herzfrequenz Mit Hilfe eines Elektrokardiogramms (EKG) kannst du die regelmäßige Abfolge der Herzkontraktionen verfolgen und deine Herzfrequenz bestimmen, indem du den zeitlichen Abstand zwischen zwei Herzkontraktionen ermittelst. In einem zweiten Versuch misst du die Herzfrequenz von Versuchspersonen verschiedenen Alters und kannst nachweisen, dass sich im Laufe des Körperwachstums des Menschen seine durchschnittliche Herzfrequenz im Ruhezustand verändert. Abb. 1: Versuchsdurchführung Material Position Material Bestellnr. Menge 1 Cobra4 Wireless/USB-Link Cobra4 Sensor-Unit Electrophysiology: ECG, EMG, EOG Drei farbcodierte Einzelmessleitungen Mit Einwegelektroden: 4 Einwegelektroden (100/Pkg.) Krokodilklemmen für Einwegelektroden (3/Pkg.) Oder mit Dauerelektroden: 6 EKG-Elektrode, 3 Stück Elektroden-Gel, 60 g, Tube Zusätzlich wird benötigt: Android-Tablet oder ipad 1 PHYWE measure App Android ipad

4 Aufgaben 1. Erstelle ein Elektrokardiogramm von deinem Herzschlag im Ruhezustand und berechne deine Herzfrequenz im Ruhepuls. 2. In Tabelle 1 im Protokoll ist die Herzfrequenz von Menschen in verschiedenen Altersstufen dargestellt. Beschreibe die altersabhängigen Unterschiede der Herzfrequenz und vergleiche sie mit deiner eigenen Herzfrequenz im Ruhezustand.

5 Aufbau und Durchführung Aufbau Vorbereitende Maßnahmen Präparieren und Anbringen der Einwegelektroden Die Herz-, Muskel- und Augenaktivität wird an der Hautoberfläche gemessen. Für jedes Organ messen Sie an verschiedenen Hautpositionen. Für den Einstieg eignen sich die Einwegelektroden am besten, denn Sie können sie einfach ohne weiteres Zubehör auf die in den Versuchbeschreibungen genannten Hautpositionen kleben und liefern annehmbare Ergebnisse. Zur Messung stecken Sie die Krokodilklemmen einfach an die Enden der farbcodierte Einzelmessleitungen und klemmen Sie an die Laschen der Einwegelektroden: Abb.2: Einwegelektroden Präparieren und Anbringen der Dauerelektroden Alternativ können auch Dauerelektroden benutzt werden. Die Dauerelektroden erfordern mehr zeitlichen und materiellen Aufwand, haben neben den geringeren Folgekosten aber folgende Vorteile: EMG-Dauerelektroden: geringere Auflagefläche auf der Haut, dadurch präziseres Messen, EKG-Dauerelektroden: größere Auflagefläche auf der Haut, dadurch stärkere Signale. Zur Herstellung des Kontakts ein Papiertaschentuch o.ä. auf die Größe der EKG-Elektrode zuschneiden, mit 1%iger Kaliumchloridlösung benetzen und beim Befestigen mit der Elektrode mit dem Gummiband an Arm bzw. Bein zwischen Elektrode und Haut legen. Nach dem Anbringen der Elektroden die farbcodierten Einzelmessleitungen auf die entsprechenden Elektroden stecken: Abb.3: Dauerelektroden Aufbau Am Versuchsaufbau sind mindestens zwei Personen beteiligt. Eine Versuchsperson, der die Elektroden angelegt werden, und eine Person, die den Computer/Tablet bedient.

6 Befestige je eine EKG-Einwegelektrode mit der Klebeseite an der Innenseite des rechten und des linken Handgelenks sowie am linken Knöchel. Die Versuchsperson sollte sich nun in möglichst entspannter Position hinsetzen. Schließe jetzt die farbcodierten Einzelmessleitungen mit den Krokodilklemmen an die Elektroden an: die rote Krokodilklemme an die Elektrode des rechten Handgelenks, die gelbe Klemme an die Elektrode des linken Handgelenks und die grüne Klemme an die Elektrode am linken Knöchel. Jetzt kannst du die Elektrodensammelkabel an die Cobra4 Sensor-Unit Elektrophysiologie anschließen. Den roten Stecker dabei in die mit (+) markierte Buchse einstecken, den gelben Stecker in die (-) Buchse und den grünen Stecker in die mit (Ref) gekennzeichnete Buchse einstecken. Abb. 4 Durchführung Bei Verwendung Stecker ziehen! Aus Sicherheitsgründen darf die Sensor-Unit Electrophysiology nur verwendet werden, wenn das damit verbundene Cobra4 Messaufnahmegerät nicht mit der Netzspannung verbunden ist! Stecke die Sensor-Unit Electrophysiology auf den Wireless/UBS-Link und schalte ihn ein. Verbinde das Tablet nun über W-LAN mit dem Wireless/USB-Link. Öffne die PHYWE measure App und wähle den Sensor "Electrophysiology" aus. Wähle den Sensormodus "EKG" aus. Wähle die Abtastrate deiner Wahl. Je höher diese ist desto genauer wird die Messung. Zusätzlich gibt es noch die Möglichkeit Werte mit einem Faktor zu multiplizieren um ein deutlicheres Bild zu erhalten. Dazu bei "Verstärkung" einfach einen Faktor auswählen. Starte die Messung, wenn sich die Spannung eingependelt hat. Wichtig ist, dass die Versuchsperson sich während der Messung vollkommen ruhig verhält, da ansonsten andere Muskelaktivitäten mit aufgezeichnet werden. Schon nach ungefähr einer Minute hast du schon genug Daten um die Herzfrequenz zu bestimmen und kannst die Messung beenden und den Graphen anschließend mit Zoomwerkzeug und Einpassungstool passend darstellen lassen.

7 Ergebnis und Auswertung Wähle nach Beendigung des Messvorgangs einen geeigneten Ausschnitt aus der Messung (vgl. Abb. 5). Um das Phänomen der Herzfrequenzvariabilität zwischen den einzelnen Herzschlägen zu eliminieren, bilde den Mittelwert aus 10 Herzkontraktionen. Abb. 5: Ermittlung der Herzfrequenz mit der PHYWE measure App für Cobra4. Mit der "Zoom"- Funktion kann ein geeigneter Ausschnitt aus der Messung ausgewählt und mit der "Vermessen"- Funktion ausgewertet werden. Gehe in das Protokoll und beantworte dort die Fragen zu den Ergebnissen sowie zur Auswertung.

8 Protokoll: Herzfrequenz Auswertung - Frage 1 (5 Punkte) Wie hoch ist die Herzfrequenz im Ruhezustand in f/min (Frequenz pro Minute)? Wie hoch ist der zeitliche Abstand zwischen zwei Herzkontraktionen? Durchschnittlicher zeitlicher Abstand zwischen zwei Herzkontraktionen in Sekunden: Herzfrequenz im Ruhezustand (f/min) Auswertung - Frage 2 (5 Punkte) Ermittle die Herzfrequenzvariabilität für 10 aufeinanderfolgende Herzkontraktionen und dokumentiere den kleinsten und größten Wert: Kleinster zeitlicher Abstand zwischen zwei Herzkontraktionen in Sekunden: Kleinster zeitlicher Abstand zwischen zwei Herzkontraktionen in Sekunden:

9 Auswertung - Frage 3 (10 Punkte) In Tabelle 1 ist beispielhaft die Abhängigkeit von Alter und durchschnittlicher Herzfrequenz dargestellt. Vergleiche deine Herzfrequenz im Ruhezustand mit der dortigen Darstellung und stelle Vermutungen über die Ursachen der altersabhängigen Unterschiede der Herzaktivität an.