Funktionelle Einheiten: Schrittmachersystem Überleitungssystem Myocard

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1 Herz Muskel der kontinuierlich funktioniert Funktionelle Einheiten: Schrittmachersystem Überleitungssystem Myocard RechterVorhof Sunusknoten Atrioventrikularknoten nach Atwood, Abb. 7.7A linker Vorhof Vorhofmyokard Kammermyokard Sinusknoten im rechten Vorhof ist der primäre Schrittmacher, erzeugt die Sponatanaktivität. Aktionspotentiale werden über Muskelzellen, die mit gap junctions verbunden sind, zum sekundären Schrittmacher (Atrioventriklarknoten) übertragen und weiter zu den restliche Muskelzellen Bioelektr5 1 Ruhepotential der Zellen ist etwa -70mV, in Atrioventrikularzellen -90mV wenn depolarisiert (auf -70mV), beginnt ein Aktionspotential (etwas anders als bei Nervenzellen) Aufstrich und initialer Gipfel Abb. 7.7B Atwood durch schnellen Na + Einstrom. Im Plateau: Na + Leitfähigkeit klein, Spannungsabhängige Ca ++ Kanäle offen, K + Kanäle (in Ruhe offen) sind auch geschlossen. Repolarisationsphase: Ca ++ Leitfähigkeit nimmt ab, K + Kanäle öffnen. Erst dann wieder Na Kanäle bereit ----> lange Refraktärphase (Herz ist unerregbar), Bioelektr > limitiert Herzschlagfrequenz 1

2 Falls Herz isoliert ist, z.b. vom Tier entfernt und in einer geeigneten Lösung ----> Herz schlägt spontan weiter. Sinus Knoten ist ein free running relaxation oszyllator Nachdem Ruhepotential wieder hergestellt ist, beginnt langsame Depolaristion (durch langsamen Einstrom von Na + und Ca ++ ). Wenn die Schwelle erreicth ist: Atwood Abb 7.7C Aktionspotential. Herzfrequenz ist durch die Repolarisations- und Depolarisationgeschwindigkeit bestimmt. Bioelektr5 3 Frequenz des Feuerns des Sinusknotens kann durch sympatische Innervation (Norepinephrin als Transmitter) beschleunigt und durch parasympathische Innervation (Acetycholin als Transmitter) verlangsamt werden. Wenn des Sinusknoten feuert, geht ein Aktionspotential durch beide Vorhöfe. Zuerst Vorhof geleert. Atrium und Ventrikel sind durch fasriges Gewebe getrennt, darüber keine Übertragung außer über Atrioventrikularknoten. Vom Atriovertrikularknoten geht rasche Fortleitung über spezialisiert Muskelzellen: Bioelektr5 4 2

3 His Bündel rechter und linker Tawara Schenkel Purkinje Fasern Muskel in der Herzkammer werden in gewisser Reihenfolge depolarisiert: Ausbreitung der Aktionspotentiale ist verzögert. Nötig für die geordnete Kontraktion des Herzens. Bioelektr5 5 Geordnete Bildung und Ausbreitung der Erregung ist wichtig für Pumpfunktion des Herzens. Kann durch elektrischen Reiz (Stromunfall oder krankhafte Zustände des Herzens) gestört werden: Unkoordinierte Kontraktion des Herzens: Flimmern Eine Erregung kann sich erneuern und auf benachbarte Zellen ausbreiten. Dann unkoordinierte Kontraktion. Falls Strom durch das Herz fließt: Alle Fasern kontrahieren gleichzeitig, danach unkoordinierte Kontraktion. Bioelektr5 6 3

4 Atwood, Abb 7.7B Während der absoluten Refraktärperiode ist keine Erregung des Herzens möglich. Vom Blitz getroffene überleben wenn in der nicht vulnerablen Phase: eventuelle Verbrennungen Wenn Stronfluß in der vulnerablen Phase oder langanhaltend: Flimmern. Bioelektr5 7 Flimmern kann in vielen Fällen gestoppt werden: Defibrillator Defibrillator: Flimmern abstellbar, wenn I > 10A über den Körper. Alle Muskelfasern kontrahieren bei Stromfluß gleichzeitig ----> erholen sich gleichzeitig ----> danach üblicherweise normale Kontraktion Kondensator auf 3 kv aufgeladen, großflächige Elektroden (zur Vermeidung von Verbrennungen, Strompuls von ca 60A. Schutz des Personals!! Strompuls sollte in der absoluten Refraktärhase erfolgen Bioelektr5 8 4

5 Stromfluß über den Körper: Bei Berührung von spannungsführenden Teilen: Strom fließt duch den Körper, durch Blutgefäße, Herz, Muskel. Wirkungen I eff Einwirkungsdauer Physiologische Wirkung 0 1 ma unkritisch nicht oder kaum bemerkbar 1-15 ma unkritisch schmerzhafte Wirkung aus Muskel Finger und Arme. Bis zur Krampfschwelle. Lösen von umfaßten Objekten nicht möglich ma Minuten krampfhaftes Zusammenziehen der Arme/Hände/Finger, Atembeschwerden. Blutdrucksteigerung, Grenze der Erträglichkeit. Bioelektr5 9 I eff Einwirkungsdauer Physiologische Wirkung 30-40mA Sekunden Unregelmäßiger Herzschlag, Minuten Steigerung des Blutdrucks, Starke Krampfwirkung, Bewußtlosigkeit Bei langer Einwirkung im oberen Bereich ---->Flimmern mA < 1 Herzperiode Schock, kein Flimmern > 1 Herzperiode Flimmern, Strommarken, bewußtlos 0.5 A < 1 Herzperode in vulnerablen Phase: Flimmern bewußtlos, Strommarken > 1 Herzperode bewußtlos, Strommarken Verbrennungen, Bioelektr5 reversibler Herzstillstand 10 Bereich der elektischen Defibrillation 5

6 Flimmergrenze auch von Strombahn abhängig: Flimmergrenze Stromfluß 50 ma linke Hand - Brust 60 ma rechte Hand - Brust 70 ma linke Hand, linker Fuß 120 ma linke Hand - Rücken 160 ma Hände Rücken >400 ma rechte HAnd - Hals Loslaßschwelle (let go) ca 20 ma, Flimmerschwelle 50 ma Stromfluß über den Körper aufgrund des Ohmschen Gesetzes U = R. I Hautwiderstand von Berührungsfläche und Feuchtegehalt der Haut abhängig: R = 2000Ω (trocken) bzw. 1000Ω (feucht) bei 90 cm 2 Berührungsfläche. Viel weniger Bioelektr5 bei großer Fläche (Badewanne) 11 Stromfluß über den Körper: Für Stromfluß Berühren beider Leiter nötig (Vogel auf Draht nicht gefährdet) Technischer Wechselstrom: Ein Pol der Spannungsquelle mit Erde verbunden (Neutralleiter). Der(die) andere(n) Pol(e) 230 V gegen Erde. Geerdet weil besser definiert als undefiniert geeredet (Erdung hilft Defekte erkennen (z.b. FI). Über die Füße fast immer Kontakt zur Erde gegeben ---> Berühren eines Pols ist schon gefährlich. Körper ist guter Leiter, da zu 70% aus Flüssigkeit. Großer Widerstand nur am Übergang durch die Haut. ----> Großer Spannungsabfall in der Haut. Da U = R.I und P = U.I ---> P = Bioelektr5 R.I 2. Strommarken 12 6

7 Bei 230V: I = 230 V / 2000Ω = 115 ma, feuchte Hände: 230 V / 1000 Ω = 230 ma, Stromfluß kann daher lebensgefährlich sein Stromfluß von < 50 ma bei U = 60 V (Berührungsspannung) Daher: Falls Spannung > 60V: Verhinderung des Stromflusses über den Körper: Isolation aller spannungsführender Teile (Kabel, Stecker,... ) Schutzerdung: Gehäuse eines Gerätes ist geerdet (Mit dem Schutzleiter verbunden) Bioelektr5 13 P M p Erdung P M p Erdung Gehäuse Erde Gehäuse Erde beschädigtes Gerät. Draht berührt Gehäuse Mensch berührt Gehäuse Strom zwischen P und Mp fließt über Mensch und Erde Abhilfe: Gehäuse wird mit Erde verbunden. ----> Schutzerden: Gehäuse hat selbes Potential wie Erde Strom fließt über die Erde statt über den Menschen Bioelektr5 14 7

8 Steckdose hat Schutzleiterkontakt Farbe für Schutzleiter: Grün-gelb Problem mit Erdungswiderstand Falls Erdungswiderstand 10Ω ist bei 16A die Berührungsspannung 160V Schutzisolation. Gerät hat zusätzlich zur Betriebsisolation zweite Isolation (z.b. Kunststoffgehäuse), die im Beschädigungsfall wirkt. Dann kein Schutzleiter, Stecker fix am Kabel. Symbol am Gerät: Bioelektr5 15 Fehlstromschutzschaltung Abb Biologische Physik Gerät A (in Ordnung): Zufließender und abfließender Strom gleich Gerät B (defekt): Abfließender Strom kleiner, da ein Teil über Menschen abfließt. I 1 +I 3 < I 1 +I 4, es fehlt etwas: Fehlstrom I F Bioelektr5 16 8

9 Fehlstrom ist sicheres Zeichen für defektes Gerät, bzw. Stromfluß über Person. Fehlstrom erkennbar mit Summentransformator I 1 U sek I 2 Falls I 1 = I 2, Magnetfelder heben sich auf, U sek = 0 Bei Fehlstrom I 1 = I > U sek = 0, Abschaltmechanismus trennt Verbindung Abb Biologische Physik Bioelektr5 17 Schutztrennung: Ungeerdete Stromversorgung über 1:1 Transformator direkt beim Verbraucher (z.b. Rasiersteckdose) ----> einseitiges Berühren ungefährlich (Schutztrennung auch bei Sicherheitsklasse 2E Räumen) Kleinspannungen. Stomfluß auch bei Berühren zweier Pole ungefährlich: 42 V, 24V (Kinderspielzeug) Sonderregelungen: Badezimmer: kein Steckdosen im Gefahrenbereich Potentialausgleich (alle leitenden Teile miteinander verbunden) Stall: Gitter im Boden. Bioelektr5 18 9

10 Sicherer Einsatz von elektrischen Geräten in der Medizin Sicherheitsklasse 1 : FI für 30 ma, Potentialausgleich zwischen leitenden Teilen und Erde (PE) (Bettenraum, Physioterapie, Hydrotherapie, radiologische Diagnostik, Endospkopie, Angiographie, Intensivuntersuchung: Ohne chirurgisches Einbringen von Geräteteilen, Ambulante Chirurgie, ohne Eingriffe in innere Organe) Berührungsspannung < 24V Sicherheitsklasse 1E : FI für 30 ma, Potentialausgleich zwischen leitenden Teilen und Erde (PE), Ersatzstromversorgung. (Endospopie, Angiographie, Intensivuntersuchung, Entbindungsräume:chirurgisches Einbringen von Geräteteilen, große Chirurgie, Eingriffe in innere Organe) Berührungspannung < 24V Bioelektr5 19 Sicherheitsklasse 2E : FI für 30 ma, Potentialausgleich zwischen leitenden Teilen und Erde (PE), Ersatzstromversorgung. elektrisch schwebenden Netz (Trenntransformator) (Operationsräume, -nebenräume, chirurgische Ambulanzen, Intensivüberwachung, Herzkatheterräume, klinische Entbidnungsräume chirurgisches Einbringen von Geräteteilen, große Chirurgie, Eingriffe am Herzen, Erhaltung der Lebensfunktionen mit Elektromedizinischen Geräten) Berührungsspannungen < 10 mv Geringe Berührungsspannung, da z.b. bei einem Herzkatheter der interkardiale Grenzwert bei 10µA liegt. (10-30µA lösen Flimmern aus) Bioelektr

11 Herzschrittmacher Bei Störungen des Herzrythmus: Sinusknoten oder Atrioventrikularknoten funktionieren nicht: daher Reizleitungen zum Herzmuskel, die Spannungsiumpulse aussenden und das regelmäßige Schlagen des Herzens stimulieren. Elektrode wird ins Herz eingesetzt und ersetzt oder unerstützt den herzeigenen Schrittmacher. Es gibt etwa 250 Typen von Herzschrittmachern. Das Gerät wird im Schlüsselbeinbereich oder im Bauch implantiert. Festfrequenter Schrittmacher: ältester Typ. erzeugt konstante Pulsfreqeunz, kann nur verwendet werden, wenn AV Knoten total geblockt. Gefahr: Interferenz zwischen künstlichem Reiz und normal geleiteter Erregung. Dann eventuell Reiz vom Schrittmacher in der vulnerablen Phase. Keine Anpassung an den Bedarf: z.b. Stiegensteigen Bioelektr5 21 Kammergesteuerter Schrittmacher Schrittmacher erkennt und verabeitet das Eintreten einer natürlichen Kammererregung. Falls Erregung da: kein Puls oder Puls in der Refraktärphase Vorhofgesteuerter Schrittmacher Falls Sinusrythmus intakt: Spannung der Vorhofaktivität wird mit Elektrode detektiert, Schrittmacher sendet mit der entsprechenden Verzögerung Impuls zur Kammer. Dadurch Anpassung an die physiologischen Gegebenheiten. Frequenzänderungen bei Bedarf etc. Generelles Prinzip: Demand Herzschrittmacher: Herzaktivität wird überwacht, nur wenn länger als vorgegebene Toleranzzeit ausbleibt > Impulse der Herzschrittmachers. (spart Batterie) außerdem: Schrittmacher und Patient lernen miteinander unzugehen Bioelektr

12 Falls Störung detektiert: Schrittmacher schaltet auf Festfrequenz um. Störung von Herzschrittmachern: Mikrowellen, Radar hoher Energie, Starke Magnetfelder (z.b. Diebstahlsicherung in Kaufhaus), Berührung geladener Gegenstände oder Entladung einer aufgeladenen Person (meist nur ein extra Herzschlag) Aktionspotential (und auch Ruhepotential) jeder Muskelzelle ruft ein elektrisches Feld hervor. Da die einzelnen Muskel des Herzens nacheinander erregt werden ändert ich die Stärke und die Richtung des Feldes. ----> Von Außen meßbar: Elektrokardiagramm Bioelektr5 23 Nochmals: Herzschlag: Herz schematisch R.A. right atrium -- rechter Vorhof L.A. linker Vorhof R.V. right ventricle Elektrisches Feld zwischen polarisiertem und nicht polarisierten Teil des Herzmuskels Erregungsvekor zeigt von depolarisiert nach polarisiert Bioelektr

13 Beginn der Depolarisation in Vorhof in der Nähe des Sinusknotens Großteil des Vorhofes ist depolarisiert Bioelektr5 25 Vorhof ist ganz depolarisiert, Weiterleitung nur über dem Atriovertrikularknoten (noch nicht erfolgt) ---> kein E-Feld Beginn der Depolarisation im Ventrikel Bioelektr

14 Depolarisation beginnt an mehreren Stellen Depolarisation weit fortgeschritten Bioelektr5 27 Depolarisation fest beendet Erregungsvektorvektor ändert seine Richtung Bioelektr

15 Erregungsvektor ändert sich ständig (Richtung und Betrag) Beginn der Depolarisation im Atrium Depolarisation zu 2/3 fortgeschritten Depolarisation Atrium beendet Beginn Depolarisation Ventrikel weitere Depolarisation Ventrikel Ventrikel größtenteils depolarisiert Ventrikel fast ganz depolarisiert Ventrikel ganz depolarisert Bioelektr5 29 Analog bei der anschließenden Polarisation Zwischen zwei Punkten des Körpers ist eine Spannung meßbar, die als Projektion des Aktivitätsvektors auf die Verbindungslinie aufgefaßt werden kann -----> positive und negative Spannungen Spannungen sind nicht sehr groß, müssen daher verstärkt werden. Bioelektr

16 Zuvor: Verstärker. Rechenverstärker (operational amplifier): ist Differezverstärker Eingang + Ausgang Nicht invertierender Eingang (+). Positive Spannung wird verstärkt und kommt als positive Spannung am Ausgang Invertierender Eingang ( ) ruft verstärkte negative Spannung am Ausgang hervor. Falls an beide Eingänge Spannung: Ausgang gibt verstärkte Diffferezspannung. Bioelektr5 31 Rechenverstärker haben üblicherweise sehr hohe Verstärkung, praktisch unendlich. Mit Gegenkopplung kann Verstärkung auf einen fixen Wert eingestelt werden U e + U a 99 kω Wegen der hohen Verstärkung muß die Differenz zwischen invertierenden und nicht invertierenden Eingang Null sein 1 kω D.h. U a.1 kω /(99kΩ + 1kΩ) = U e 0V > U a =100U e ----> 100 fache Verstärkung Bioelektr

17 Signale von medizinischen Geräten, z.b. EKG sind verrauscht verrauschtes Signal Nutzsignal Nutzssignal kann durch ein Tiefpaßfilter erhalten werden. einfachstes Filter: U e R C U a Bioelektr5 33 EKG Ableitungen:Gute Info: education.med.nyu.edu/courses/courseware/ekg Durch Elektroden an der Hautoberfläche. Je nach Position der Elektroden verschiedene Spannungen Einthofen: Elektroden an den Extremitäten I II III Bioelektr

18 Ableitung nach Goldberger Ableitung nach Wilson (zweiter Eingang im Verstärker ist Mittelwert aus Armen und linkem Bein Bioelektr5 35 1mV Spannung Q-Zacke P-Welle R-Zacke S-Zacke T- Welle U-Welle Zeit PQ Dauer ST-Strecke QRS Komplex Bezeichnungen im EKG QT Dauer Bioelektr

19 P-Welle: kleine, positive, halbrunde Welle: Erregung der Vorhöfe. Q-Zacke: klein, d.h. weder breit noch tief, erste negative Zacke nac der P-Welle und dem Ende der PQ-Zeit dar. Die Q-Zacke bezeichne den Beginn der Kammererregung. R-Zacke: immer schmal und hoch. Ausdruck der Kammererregung S-Zacke: klein. Ende der Kammererregung, Vorhof repolarisiert. T-Welle: breit, groß und halbrund und stellt den ersten positiven Ausschlag nach dem QRS-Komplex dar. Erregungsrückbildung, d.h Repolarisation, der Kammern. * U-Welle: sehr klein, positive, halbrund, nicht immer sichtbar. Nachschwankungen der Kammererregungsrückbildung. EKG charakteristisch für Herzerkrankungen Bioelektr EKG nach Herzinfarkt Bioelektr

20 Elektromyographie: Zur Erinnerung: Muskel werden von Nerven über die motorische Endplatte gesteuert. Es gibt also in den Muskel zeitlich veränderliche Potentiale. Kann z.b. mittels bipolaren Nadelelektroden gemessen werden. Metallnadel Isolator Feine Spitzen mit Platindrähten Meist werden Aktionspotentiale einiger motorischer Einheiten erfaßt. Bei Ruhe oder geringer Willküranspannung; einige Aktionspotentiale -200µV 20ms Bioelektr5 39 Starke willkürliche Anspannung: Sehr viele Muskelzellen werden erregt. Nervenleitungsgeschwindigkeit: durch Messung der Zeitverzögerung bis zum Muskelaktionspotential. Reiz Reiz Reiz Muskelpotential M-Reflex Nerv Bioelektr

21 H Reflex: Erregung sensorischer Nerven. Reflektorische Aktivierung aus dem Rückenmark entspringender motorischer Nerven (dauert ca 20 ms) Mit Elektromyographie erkennbar: Erkrankungen der Muskel, Entzündungen, Dystrophie, Störung der Innervation, Nervenfunktionsprüfung,. Bioelektr5 41 Elektroenzephalogramm EEG Die elektrische Aktivität des Gehirns (etwa Neuronen) erzeugt an der Kopfoberfläche niederfrequente nichtperiodische Spannungsschwankungen. Spannungen an Gehirnoberfläche im Bereich von mv. Darüber Hirnhäute, Flüssigkeit, Knochen. ---> An der Kopfhaut µV. Spannungsschwankungen kommen von: räumlich und zeitlich synchronisiert Aktivitäten in Nervenzellen Potentialschwankungen z.b. durch exzitatorische postsynaptische Potentiale (EPSP), Hyperpolarisierende (inhibitorische postsynaptische) Potentiale (IPSP) Spannungsschwankungen zwischen Hirnrinde und Tiefe Die Aufzeichnung dieser Spannungsschwankung ----> Elektroencephalogramm. Bioelektr

22 Den Hirnwellen ist normalerweise eine schwankende Gleichspannung überlagert, meistens herausgefiltert. Wichtigste Information der Hirnwellen: Frequenz und Amplitude. 1s α-welle f = 8-12 Hz β-welle f = Hz δ-welle f = Hz Θ-Welle f = 4 7 Hz Bioelektr5 43 Gehirn in Ruhe und Entspannung: Alpha-Wellen abgeleitet, Amplitude der Spannungen kleiner als 50µV Gehirn in Denkphase: Beta-Wellen, Frequenz höher (ca Hz) und Amplitude <30µV. Schlaf: Delta-Wellen, große Amplituden ( µV) Frequenzbereich von 1-4Hz. Streß und psychische Störung: Theta-Wellen. Amplituden von etwa µV und Frequenzen von 4-7Hz. Ableitung der Potentiale: mit Elektroden am Kopf ( Punkte für Elektroden sind international genormt) Unipolar und bipolar möglich Bioelektr

23 Unipolar, Ohr als Referenzpunkt Andere Variante: Mittelwert aller Spannungen als Referenz Bipolar, Differenz zwischen benachbarten Punkten üblicherweise weniger Spannung Aber: gute Lokalisierung der Potentiale, jedoch großflächige Aktivitäten nicht bemerkt Bioelektr5 45 Da Spannung sehr klein: viele Störsignale: gute Abschirmung des Raumes, aber auch körpereigene Störungen: Lidschlag, Augenbewegungen, Schwitzen, Pulswellen, EKG, Muskelaktivität. EEG abhängig von Alter, Aktivitätszustand, Sauerstoffbedarf, Blutzucker, ph Wert des Bluts. Bei provozierten EEG Signalen: Mehrfachmessungen und Mittelwert, um die evozierten Potentiale besser zu erkennen Da EEG nur ein Summensignal ist kann keine Aussage über die vielfätigen Gehirnfunktionen gemacht werden, aber: Frequenz, Ort, Zeitfunktion, Reaktion auf Stimulation oder Provokation geben wichtige Infos: Linke und rechte Hirnhälfte müssen in Frequenz und Amplitude +30% übereinstimmen (sonst pathologisch) EEG sowohl mit als auch ohne Stimulus ist anders, wenn Tumor oder Schlaganfall oder Blutung) Bioelektr

24 Falls Rezeptor gereitzt wird: Verarbeitung der Reizmeldung im Gehirn durch Potenialänderungen (evozierte Potentiale) meßbar. Beispiel visuell evoziertes Potential VEP vom Schachbrettmuster Abb Tritthart Nach kurzem akustischem Reiz EAEP (frühe akustisch evozierte Potentiale). Wahrnehmung sensibler Hautreize: Somatosensorisch evozierte Potentiale im Rückenmark und Gehirn Bioelektr5 47 Weitere Möglichkeiten elektrische Potentiale aufzuzeichnen: Elektroretinogramm (ERG): Optische Achse und Achse, welche einen elektrischen Dipol bildet, fallen zusammen. Hinterer Augenpol (Netzhaut) ist dabei negativ gegen die Hornhaut. Potentialdifferenz bei Dunkeladaption etwa 6mV. Bei einem Lichtreiz wird der hintere Augenpol sprunghaft positiver. Resultierende Spannungsschwankung ergibt das ERG. Aufzeichnung mittels Haftschalenelektrode an der Hornhaut und einer zweiten Elektrode an der Schläfe. Bioelektr

25 Elektrookulogramm (EOG): Durch Änderung der Blickrichtung bewegt sich auch der Augendipol, ----> im umgebenden Gewebe Spannungsschwankungen. Die elektrischen Signale werden an beiden Schläfen abgeleitet. Elektronystagmogramm (ENG): Die okulographische Aufzeichnung der Zitterbewegungen des Auges. Elektroneurogramm: Ableitung und Aufzeichnung von elektrischen Aktivitäten verschiedener Nervengewebe. Elektrodermatogramm: Aufzeichnungen der Gleichspannungsschwankungen zwischen zwei Hautstellen mit verschiedenen Feuchtigkeitsgraden. Bioelektr5 49 Elektroolfaktogramm: Im Riechepithel auftretende Aktionsspannungen nach Reizung mit Duftstoffen werden aufgezeichnet. Elektroatriogramm: Aufzeichnung der vom Sinusknoten ausgehenden Erregungswelle im Herzvorhof Bioelektr