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2016.11.18.
Prüfungsfrage
Blutkreislauf,
Arbeit des Herzens
 Die Biophysik des Kreislaufs (Aufbau und Charakterisierung).
Die Bestimmung des Herzminutenvolumens. Das FrankStarling-Gesetz. Die Herzarbeit.
 Lehrbuch 207-213 S.
MEDIZINISCHE PHYSIK UND STATISTIK 1.
Dr. Tamás Huber
Institut für Biophysik
11. November 2016.
Blutbestandteile I.
Blutbestandteile II.
Zelluläre Elemente:
•
•
Rote Blutkörperchen (Erythrozyten)
gebildet im roten Knochenmark,
Durchmesser 7-8 μm, Zellendicke 2-3 μm,
4-5106/mm³
Weiße Blutkörperchen (Leukozyten)
Ort der Entstehung: rotes Knochenmark, Milz und
Lymphknoten (Granulozyten, Monozyten,
Lymphozyten),
doppelt so groß wie Erythrozyten, 4-10000/mm³
•
Blutplättchen (Thrombozyten)
werden im Knochenmark gebildet,
¼ so groß wie rote BK, 150-400000/mm³
Hämatokrit: Anteil aller zellulären Bestandteile am Volumen des Blutes.
Normalwert: 0,4-0,5.
Blutplasma:
Das Blut besteht zu 55% aus Blutplasma.
Es enthält zu 91 % Wasser und zu 7 % Proteine.
Mineralien (Na+, K+, Ca2+, Cl-, HCO3-)
Nährstoffe, Abfallstoffe und Hormone
(z.B. Glükose, Aminosäure, Harnstoff)
Plasmaeiweiße:
Albumin
Globuline
Fibrinogen
Als Blutserum wird der flüssige Anteil des Blutplasmas ohne Fibrinogen und
andere Gerinnungsfaktoren bezeichnet.
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Kreislaufsystem
Höhere Organismen benötigen ein System, um Nährstoffe zu den
Zellen zu bringen und Abbauprodukte zu entfernen.
Die wichtigsten Aufgaben des Herz-Kreislauf Systems sind
• Die Versorgung der Zellen mit Sauerstoff und Nährstoffen
• Der Abtransport von Abfallstoffen (z.B. CO2, Milchsäure, ...)
• Austausch von Botenstoffen
• Immunabwehr
• Wärmeaustausch
Aufbau des Herz-Kreislaufsystems
 Herz
Das Herz ist ein hohles muskuläres Organ, welches in einem
festen Rythmus Blut durch die Adern transportiert indem es sich
kontrahiert. Es wiegt ca. 300-350 g, liegt im Brustraum leicht
links von der Mitte.
 Gefäßsystem
Arterien: Blutgefäße laufen vom Herzen weg; dicke Gefäßwände.
Kapillaren: Haargefäße in denen der Stoffaustausch stattfindet.
Venen: Blutgefäße führen zum Herz; dünnwandig.
Lymphgefäße: transportieren Flüssigkeit und Abwehrstoffe.
Druckabfall im Gefäßsystem:
Die Stromstärke ist in allen hintereinandergeschalteten Abschnitten des
Gefäßsystems gleich (=Kontinuitätsprinzip), der Strömungswiderstand aber
verschieden, wodurch sich auch unterschiedliche intravasale Drücke
ergeben.
 Aorta + große/mittlere Arterien
→ geringe Strömungswiderstände
→ geringer Druckabfall (um ca. 5–7 mmHg)
 kleinen Arterien + Arteriolen (Widerstandsgefäße)
→ große Strömungswiderstände
→ großer Druckabfall (proportional zum R)
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Physikalische Parameter des Blutkreislaufs I.
Durchmesser
Blutgefäß
Gesamtquerschnitt
(cm2)
Aorta
25 mm
4
Arterie
4 mm
20
Arteriole
30 µm
40
Kapillare
8 µm
2500
Venule
20 µm
250
Vene
5 mm
80
Vena cava
30 mm
8
Anteil der
Gesamtblutvolumens
(%)
p
(Hgmm/kPa)
v
(m/s)
100/13
0.33
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Physikalische Parameter des Blutkreislaufs II.
96/12.7
Strömungsgeschwindigkeit
85->30/
11.3->4
5
30->10/
4->1.3
0.0003
GesamtQuerschnitt
10/1.3
59
5/0.66
0.006
0/0
0.22
Druck
Aorta
Aneurysma
Arterien Arteriolen Kapillaren
Venen
Kardiomyozyten
 Herzmuskelzellen der Arbeitsmuskulatur
Blutgefäßerweiterung an einer bestimmten Stelle
verantwortlich für die Kontraktion
etwa 10–25 µm dick und 50–100 µm lang
V1
p1
A1
A2
V2
p2
A1
Bild: Bin Zhou, MD (Children’s Hospital Boston)
verzweigt aufgebaute Zellen mit einem oder zwei Zellkernen
V1
p1
quergestreiften Muskelfasern (längs angeordneten Myofibrillen: Aktin,
Myosin)
Positiv feedback
Glanzstreifen (Disci intercalares) enthalten Gap junctions somit einer
Vielzahl von Nachbarzellen verbunden
 Herzmuskelzellen des Erregungsleitungssystems
A nimmt zu
v vermindert sich
p nimmt zu
Kontinuitätsgleichung
v
x
A = konstant
verantwortlich für Bildung und Weiterleitung von Erregungen des Herzens
können spontan selbst Aktionspotentiale auslösen, übernehmen die
Grundsteuerung der Herzaktion
Bernoulli-Gleichung
p +
1
2
r v 2 = konstant
Herzschrittmacher oder Pacemaker (PM) Funktion
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Beispiel
Arbeit des Herzens
Mit jedem Herzschlag leistet der Ventrikel physikalische Arbeit. Diese Arbeit
wird in einem speziellen Diagramm – dem Arbeitsdiagramm des Herzens –
grafisch dargestellt.
Das pumpende Herz leistet zwei
verschiedene Arten von Arbeit:
•
•
16 kPa
die Beschleunigungsarbeit (das
Blut in die Aorta weiterzuführen
und zu beschleunigen).
1 kPa
1
𝑊 = 𝑝∆𝑉 + 𝑚𝑣 2
W= 15x10
2
3
~2%
 Nehmen Sie 70 Herzschläge in 1 Minute und rechnen Sie die Leistung des
Herzens aus.
Lösung:
die Druck-Volumen-Arbeit (die
Energie um Druck aufzubauen),
und
~98%
 Geben Sie den Arbeit des Herzens in einem Herzzyklus an, in Anbetracht
der p-V Diagramm von den linken Ventrikel des Herzens bei eine einzigen
Herzzyklus.
•
𝑊 = ∆𝑝∆𝑉 = 16 𝑘𝑃𝑎 − 1 𝑘𝑃𝑎 ∗
140 𝑚𝐿 − 80 𝑚𝐿 ∗ 10−6𝑚 3 = 0,9 𝐽
•
1 Herzschlag (60/70)  0,857 Sekunden
𝑃=
𝑊
0,9 𝐽
=
= 1,1 𝑊
𝑡
0,857 𝑠
N/m2 * 60x10-5 m3 + ½ 0.07kg * (0,5 m/s)2
= 0.9 + 0,0175 = ~ 0,92 Joule
Die Autoregulation des Herzens: FrankStarling-Gesetz
 Für das normale Funktionieren muss die Kontinuitätsgleichung erfüllt sein:
Vom linken Ventrikel muss im Mittel genau so viel Blut ausgeworfen
werden, wie in den rechten gelangt. Diese Effekte müssen automatisch
(ohne Eingreifen höherer Zentren) reguliert werden. Diese Sicherstellung
der Kontinuität nennt man Frank-Starling Mechanismus.
 Es beschreibt, dass die Menge des von den Herzkammern ausgeworfenen
Bluts vom enddiastolischen Blutvolumen abhängt.
Der Frank-Straling Gesetz mit
physiologischen Beispiele
Kurve 1.: die Verhältnisse bei normalem
Herzen,
Kurve 2.: die Wirkung positiver Inotropie
(z.B. Gabe von Adrenalin)
Kurve 3.: die Verhältnisse beim
insuffizienten Herzen mit verminderter
Inotropie
 Je mehr Volumen sich im Herzventrikel befindet, umso höher die
Auswurfleistung.
Konsequenz:
das insuffiziente Herz wesentlich höhere
enddiastolische Drucke benötigt, um die
gleiche Schlagarbeit wie das gesunde Herz
zu leisten.
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Schlagvolumen
(oder Herzschlagvolumen (englisch strokevolume,Abkürzung SV)
 Mit Schlagvolumen bezeichnet man die Menge Blut, die das Herz mit einem
Schlag auswirft. Bei untrainierten Erwachsenen rechnet man mit einem
Schlagvolumen von 60-70 ml in Ruhe.
 Die Herzfrequenz wird in Schlägen pro Minute gemessen. In Ruhe weisen
untrainierte gesunde Personen eine Herzfrequenz von 60-80 Schlägen pro
Minute auf; bei Hochleistungssportlern des Ausdauerspektrums werden
Ruhepulswerte von 30-40 Schlägen pro Minute erreicht.
 Unter Herzminutenvolumen versteht man die Menge Blut, die das Herz in einer
Minute auswirft, also das Produkt von Herzfrequenz und Schlagvolumen.
Bestimmung des Herzminutenvolumens durch
das Ficksche Prinzip
Nicht identisch mit den Fick’schen Diffusionsgesetzen!
Der Fluss eines von einem Organ aufgenommenen oder von ihm abgegebenen
Indikators entspricht der Differenz der Indikatorflüsse im Zuflusstrakt und im
Ausflusstrakt.
HMV (= Lungendurchblutung
pro Zeit)
HMV =
die aufgenommene
Sauerstoffmenge pro Zeit
(mol/Min)
M
ca  cv
Sauerstoffkonzentration im arteriellen (ca )
und gemischt-venösen (cv) Blut
DANKE FÜR IHRE
AUFMERKSAMKEIT!
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