Handout - Technische Universität Darmstadt

Strom Mechanikund Das Herz
Budurushi jurlind & Patrick Fongue
1.
Funktion Anatomie des Herzens.
Funktion
Das Herz ist eine schlagender Muskel. Das Herz hat die Funktion einer Pumpe und über die Arterien
und Gefäßnetz versorgt es alle Organe, Gewebe und Zellen mit der lebensnotwendigen Energie in
Form von Sauerstoff- und nährstoffreichem Blut.
Anatomie
Das Herz teilt sich in vier Kammern auf, die paarweise nebeneinander liegen: linker und rechter Vorhof
sowie linke und rechte Kammer. Die Kammer sind von einander getrennt um zu vermeiden, dass sich
sauerstoffreiches Blut mit sauerstoffarmes Blut vermischt. Jede Kammer ist mit Blutgefäßen zu den
entsprechenden Organen verbunden, von denen das Herz Blut erhält oder an die es Blut liefert. Vorhof
und Kammer sind über die Herzklappen verbunden. Die Herzklappen sind zuständig, dass das Blut in
die richtige Richtung fließt. Die Herzklappen öffnen und schließen sich genau einmal pro Herzschlag.
Die Oberflächliche des Herzens ist mit einem Netzwerk von Blutgefäßen(Konorargefäßen) überzogen,
welche das Herz versorgen.
2.
Physikalische Blick auf die Arbeitsweise des Herzens
Wie schlägt das "Muskel" Herz?
Die Aktivierung von Muskelzellen des Körpers ist mit elektrischen Spannungen (Potenzialen)
verbunden. Jede Kontraktion des Herzmuskels wird durch eine elektrische Erregung der
Herzmuskelzellen verursacht. Diese elektrische Erregung wird vom Sinusknoten(Schrittmacher der
Herzaktion) erzeugt. Die Ausbreitung dieser elektrischen Erregung hängt mit elektrischen Spannung
zusammen. Normalerweise liegt zwischen der Innen- und Außenseite der Zellenmembran eine
elektrische Spannung, man sagt auch die Zelle sei Polarisiert. Diese elektrische Spannung kommt
durch unterschiedliche Konzentrationen von negativ geladenen Chloridionen und positiv geladenen
Kalium- und Natriumionen zustande. Ein elektrischer Reiz, der durch eine Potenzialänderung an einer
Nachbarzelle hervorgerufen wird, kann zur Aufhebung der Polarisation, also zur Depolarisation führen.
Dies beeinflusst die Durchlässigkeit der Zellmembran und löst so Verschiebungen in den
Ionenkonzentrationen aus, die schließlich zu einer Kontraktion führen. Die Muskelzellen des Herzens
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sind über elektrisch leitende Segmente miteinander verbunden, sodass sich Ströme über das ganze
Herz ausbreiten.
Elektrische Spannung
Die elektrische Spannung U gibt den Unterschied der Ladungen zwischen zwei Polen an. Die
elektrische Spannung ist die Ursache des elektrischen Stroms.Auf der einen Seite ist der Pluspol mit
einem Mangel an Elektronen. Auf der anderen Seite ist der Minuspol mit einem Überschuss an.
Elektronen
Elektrisches Potential
φ2= -0,2
J/C
φ2= 0,8 J/
C
Das elektrische Potential φ(griechischer Buchstabe phi) ist die auf die Ladung bezogene Arbeit. Das
elektrische Potential gibt an, ob eine Ladung angezogen oder abgestoßen wird.
φ = −Wab/ q
Elektrischer Strom
Elektrischer Strom ist die Übertragung elektrischer Energie. Der elektrische Strom ist die gezielte und
gerichtete Bewegung freier Ladungsträger. Die Ladungsträger können Elektronen oder Ionen sein.
Elektrischer Stromfluss:
Der elektrische Strom kann nur fließen, wenn zwischen zwei unterschiedlichen elektrischen Ladungen
genügend freie und bewegliche Ladungsträger vorhanden sind. Der Stromfluss wird gerne mit
fließendem Wasser in einem Rohr verglichen. Je mehr Wasser im Rohr ist, desto mehr Wasser kommt
am Ende des Rohres an. Je mehr freie Elektronen vorhanden sind, desto größer ist die elektrische
Stromstärke durch den Leiter.
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Elektrisches Feld
Der Raum zwischen zwei ungleich geladenen Objekten wird elektrisches Feld genannt. In dem Raum
wird durch eine elektrische Ladung auf einer andere Ladung eine Kraft ausgeübt.
Auf diese Weise lassen sich Körper und Ladungen örtlich verändern. Die elektrische Ladung, die das
elektrische Feld erzeugt, wird z. B. von einer elektrischen Spannung erzeugt.
3.
Die Arbeitsweise, Phasen des Herzens.
Ein Paar Fakten über unser Herz
•
ist eine faustgroße kräftige Muskelpumpe
•
ist der leistungsstärkste Muskel unseres Körpers
•
versorgt alle Organe und Zellen mit Blut
•
stößt pro Minute 5 bis 6 Liter Blut in das Gefäßsystem aus
•
schlägt etwa 60 bis 90 Mal pro Minute
Phasen des Herzens.
Die Arbeitsweise des Herzens ist in vier mechanischen Phasen. Ruhephase, Fuellungszeit,
Anspannungszeit und Austreibungszeit. Ein schlagendes Herz kontrahiert und relaxiert. Die Kontraktion
wird auch Systole genannt und Relaxion, Diastole.
•
Ruhephase
Das Blut strömt aus den Venen in die beiden Vorhöfe, dabei sind alle Klappen geschlossen. Diese
Phase nennt sich Ruhephase. Hier ist der erste Herzton zu hören
•
Füllungszeit
Der Sinusknoten besteht aus speziellen Nervenzellen, die zyklisch von alleine erregt werden.Der
Sinusknoten startet den normalen Herzschlag durch Erzeugung von einem elektrischen Signal.Von dort
ausgehend breitet sich die Erregung über die Vorhöfe aus und es findet eine Kontraktion der Vorhöfe
statt.Die Segelklappen zwischen Vorhof und Kammern öffnen sich, während die Taschenklappen
geschlossen bleiben.Diese Phase wird Diastole genannt.
•
Anspannungszeit
Die Muskulatur der Herzkammern kontrahiert. Alle Herzklappen sind geschlossen. Da die
Taschenklappen weiter geschlossen bleiben, steigt der Druck in den Herzkammern an und die
Segelklappen schließen sich ebenfalls. Hier ist der zweite Herzton zu hören
•
Austreibungszeit
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Durch den erhöhten Druck öffnet sich Aortenklappe und Pulmonalklappe. Das Blut wird in den kleinen
und großen Kreislauf ausgetrieben. Die Anspannungszeit und die Austreibungszeit zusammen nennt
man Diastole.
Elektromechanische Modell des Herzens zur Analyse von Daten und Simulation
Das Elektromechanische Modell die wir hier präsentieren würde von der Institut INRIA entwickelt.
Hier präsentieren wir ein 3D elektromechanische Modell von den zwei ventrikel, aufgebaut für die
Simulation von der elektrische und mechanische Aktivität, und für die segmentation von medizinische
Bilder.
Dieses Modell wurde entwickelt um Bilddaten zu analysieren und daraus mögliche Therapie zu
entwerfen ohne der Patient in Gefahr zu bringen.
1.
Anatomische Aufbau des Herzens
Wir präsentieren hier die volumetrischen gebauten Biomechanische-Modelle
Zuerst wird versuch die Geometrie des Myokardes zu gewinnen und dass anhand die Abbildung eines
reales Herz. Dieses Abbildung ergibt ein hexaedrische Körper die aus 256 punkten entsteht.Anhand
des GHS3D Software wird dann eine tetrahedrische Abbildungen entstehen. Letztendlich wird die
Richtung der Muskulärfaser simuliert und das Myokard in unterschiedlichen Zonen unterteilt um unseres
Modell besser zu kontrollieren und analysieren
2.
Transmembrane Potential Simulation
Die Transmembrane Potential welle Ausbreitung ist hier simuliert anhand ein System basiert auf die
FitzHugh-Nagumo Gleichung. Dieser Ansatz ermöglicht schnelles 3D Rechnungen und erlaubt uns
haupt-biologische Phänomen zu fangen.
Aliev und Panfilov haben diese Gleichung modifiziert um die Dynamik der Kardial Elektrische Potential
simulieren zu können.
Die Orientierung den Fasern ist hier eingebracht durch ein 3x3 Anisotrope leitfähige Tensor
Diese Gleichungen werden in dem 3D volumetrischen Modell integriert
ermöglichen.
um die Simulation zu
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Herz-Kreislauf-Krankheiten
Nach Angaben des Statischen Bundesamtes waren und sind Krankheiten des Herzkreislaufsystems mit
Abstand die häufigste Todesursache in Deutschland. Trotz erhebliche Fortschritte in Diagnose und
Therapie stagniert diese zahl weiterhin auf hohem Niveau. Darunter sind insbesondere die koronare
Herzkrankheit, etwa der Herzinfarkt, und der Schlaganfall hervorzuheben. Hier ist ein liste von
Krankheiten:
ARTERIOSKLEROSE
ANGINA PECTORIS
HYPERTONIE(BLUTHOCHDRUCK)
HYPERLIPIDÄMIE (HÖHE CHOLESTERIN)
HERZINFARKT
HERZINSUFFIZIENZ
HERZKLAPPENERKRANKUNGEN
HIRNSCHLAG
KORONARE KRANKHEITEN
KRAMPFADERN UND THROMBOSE
HERZRITHMUSSTÖRUNGEN
Diese Krankheiten sind am meisten verursacht durch Alkohol, Rauchen, hohes fett Konsum ,
Bewegungslosigkeit, Übergewicht, Stress, Zuckerkrankheiten.
Elektrokardiogramm
Das Elektrokardiogramm (EKG) ist die Registrierung der Summe der elektrischen Aktivitäten aller
Herzmuskelfasern. Elektrokardiogramm heißt auf Deutsch Herzspannungskurve, gelegentlich wird es
auch Herzschrift genannt.
Jeder Kontraktion des Herzmuskels geht eine elektrische Erregung voraus, die im Normalfall vom
Sinusknoten ausgeht und über das Herz eigene Erregungsleitungssystem zu den Herzmuskelzellen
läuft. Diese elektrischen Potenzialänderungen am Herzen kann man an der Körperoberfläche ableiten
und im Zeitverlauf aufzeichnen. Es resultiert ein immer wiederkehrendes Bild der elektrischen
Herzaktion. Mit dem EKG lassen sich vielfältige Aussagen zu Eigenschaften und Erkrankungen des
Herzens treffen. Zu beachten ist, dass das Oberflächen-EKG nur die elektrische Aktivität des
Herzmuskels anzeigt, nicht jedoch die tatsächliche Auswurfleistung widerspiegelt. Meist wird das EKG
vom Arzt noch von Hand ausgemessen und visuell beurteilt, mittlerweile gibt es aber auch zunehmend
verlässlichere Computerauswertungen.
1.
Vektor-EKG
Die elektrische Herzerregung wird mit einem 3D-Vektor dargestellt, der zu jedem Zeitpunkt Richtung
und Länge darstellt, er kann durch drei linear unabhängige Vektoren beschrieben werden: Länge, Höhe,
Breite. Kombiniert man Vielfache dieser Vektoren, so kann man jede Position eines dreidimensionalen
Raumes erreichen. Besonders einfach wird es, wenn man sich drei zueinander senkrechte
Ableitungsrichtungen heraussucht, da dann diese Ableitungen ein normales kartesisches
Koordinatensystem aufspannen. Zu jedem Zeitpunkt lässt sich somit aus den drei EKG-Ableitungen die
Richtung und Stärke (bzw.: der Vektor) der elektrischen Erregungsausbreitung bestimmen.
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zeichnet man nun für alle Zeitpunkte nur die Spitzen dieser Erregungsvektoren ein, dann entsteht eine
Raumkurve, die Vektorschleife genannt wird
2.
Ablauf des EKG
•
Vom Sinusknoten ausgehend breitet sich die Erregung zunächst konzentrisch über die Vorhöfe.
Der Vektor zeigt von rechts nach links und von oben nach unten (P-Welle, P-Schleife).
•
Bis spätestens 100ms nach dem Anfang sind alle Vorhofmyokardzellen erregt, weswegen kein
elektrisches Feld mehr abtastbar ist. (Im AV-Knoten, wo sich die Erregung weiter ausbreitet,
sind zu wenig Zellen beteiligt, als daß das Feld an der Körperoberfläche meßbar wäre. Brächte
man eine Elektrode sehr nah an den AV-Knoten bzw. ans Hissche Bündel, könnte ein Signal
registriert werden).
•
Die Registrierung bleibt solange auf der Null-Linie bis die ersten Zellen des Septummyokards
erregt werden. Der Vektor zeigt nach oben (Q-Zacke). Die abgelaufene Zeit zwischen dem
Anfang der P-Welle und dem Anfang der Q-Zacke (PQ-Zeit oder PQ-Intervall, max. 0,2 s)
bezeichnet man als die Überleitungszeit.
•
Danach verbreitet sich die Erregung über die Tawara-Schenkel und Purkynje-Fasern schnell
aus, dringt in das Myokard von der Innenoberfläche (Endokardium) nach außen (Epikardium),
und von der Herzspitze zur Basis hin. Der Vektor ist in dieser Phase groß und zeigt nach links
unten (R-Zacke).
•
Die letzten Myokardzellen die sich erregen sind epikardial, an der Herzbasis, in der obigen
Darstellung rechts (in manchem Lehrbuch auch links!), der Vektor ist klein und nach oben
gerichtet (S-Zacke). Ab diesem Zeitpunkt sind alle Ventrikelmyokardzellen gemeinsam in der
Plateauphase des APs, es ist kein elektrisches Felde meßbar (ST-Strecke).
•
Schließlich folgt die T-Welle, die die gleiche Polarität aufweist, als die R-Zacke, trotz der
Umkehr des Zeichens. Dies wird dadurch erklärt, daß die allgemeine Richtung der
Repolarisation, bedingt durch die unterschiedliche AP-Dauer, von außen nach innen ist. Die TWelle ist wesentlich kleiner als die R-Zacke, z.T. weil die Repolarisationsfeldstärke kleiner ist
als die der Depolarisation
•
Gelegentlich wird im unmittelbaren Anschluß an der T-Welle eine U-Welle (klein, positiv)
beobachtet, deren Ursprung unklar ist. Möglicherweise steht sie im Zusammenhang mit der
Erregungsrückbildung der Purkynje-Fasern und/oder mit der Rückkehr von K+ in die
Myokardzellen. Ausgeprägter wird sie bei Hypokaliämie und diverser pathologischen
Zuständen.
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Therapien
Bei der Behandlung von Herz-Kreislauf-Krankheiten wurden in den letzten Jahrzehnten große
Fortschritte erzielt. Dennoch gibt es nach wie vor zahlreiche Erkrankungen, die gar nicht oder nicht
optimal behandelt werden können. Die Betroffenen sind auf weitere Fortschritte und neue Erkenntnisse
angewiesen.
1.
Herzschrittmacher
Es ist ein medizinisches elektrisches Gerät, das den Herzmuskel bei zu langsamem Herzschlag
regelmäßig stimuliert und zur Kontraktion anregt
•
Implantation
Unter örtlicher Betäubung wird die Sonde durch einen kleinen Hautschnitt in der Regel in der
Schlüsselbeingegend in eine Vene eingeführt und zum Herzen vorgeschoben. Die Sondenspitze wird
unter Röntgenkontrolle in der Spitze der rechten Herzkammer fest verankert. Falls der Schrittmacher
mit zwei Sonden arbeitet, wird die zweite Sonde auf die gleiche Weise im rechten Vorhof befestigt.
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