Blutdruckmessung

Blutdruckmessung
I. Theoretischer Hintergrund
A. Kreislaufsysteme
Der menschliche Blutkreislauf besteht aus zwei in Reihe geschalteten Untersystemen – dem Körper- und dem Lungenkreislauf. In diesen Kreisläufen wird das
Blut durch die periodische Kontraktion des Herzens in Bewegung gehalten. Die
folgenden Prozesse spielen sich während des Herzzyklus ab:
das sauerstoffarme Blut des Körperkreislaufes wird in den Venen gesammelt, die in den rechten Vorhof (RV) münden;
 das Blut fließt aus dem rechten Vorhof in die rechte Kammer (RK);
 die Kontraktion der rechten Kammer presst das Blut durch die Lunge;
 das Blut gibt den Kohlendioxid in den Lungenklappen ab und nimmt Sauerstoff auf;
 das sauerstoffreiche Blut wird durch die Lungenvenen in den linken Vorhof (LV) geleitet;
 das Blut fließt aus dem linken Vorhof in die linke Kammer (LK);
 die Kontraktion der linken Kammer pumpt das Blut in den Großkreislauf;
Das Zurückströmen des Blutes wird durch Ventile, die Herzklappen, verhindert.

B. Die dynamischen Grundlagen der Blutströmung
1. Die Kontinuitätsgleichung
Das Blut ist eine inkompressible Flüssigkeit. Deshalb wird die Strömung des Blutes durch die
Blutgefäße mit Hilfe der Kontinuitätsgleichung beschrieben. Der Zusammenhang zwischen dem
Querschnitt (𝐴) der Blutgefäße und der Strömungsgeschwindigkeit (𝑣) des Blutes ist somit:
𝐴 ∙ 𝑣 = konstant.
Diese Formel erklärt, warum die Strömungsgeschwindigkeit in den Kapillaren viel kleiner ist als
in den Arterien, deren Gesamtquerschnitt viel kleiner ist als der Gesamtquerschnitt der Kapillaren.
Das Produkt 𝐴 ∙ 𝑣 entspricht der Blutstromstärke 𝐼 (volumetrische Stromstärke oder volumetrische
Transportintensität), welche wie folgt definiert werden kann:
∆𝑉 d𝑉
= ,
∆𝑡→0 ∆𝑡
d𝑡
𝐼 ≔ lim
wobei 𝑡 die Zeit und 𝑉 das Blutvolumen ist, das durch den gegebenen Querschnitt des Gefäßes
fließt.
2. Parabelförmiges Geschwindigkeitsprofil
Wegen der Viskosität ist die Geschwindigkeit des Blutes nicht im gesamten Querschnitt der Ader gleich. Die
Geschwindigkeit ist in der Nähe der Gefäß-Achse maximal
und entlang der Gefäßwand minimal. Wenn man annimmt, dass ∆𝑝 der die Strömung antreibende Druckunterschied ist, wir eine gewisse Reibung zwischen den benachbarten Flüssigkeitsschichten annehmen und 𝑟 den Abstand von der Gefäß-Achse beschreibt, dann gilt für die Strömungsgeschwindigkeit𝑣(𝑟):
𝑣(𝑟) =
∆𝑝 2
(𝑅 − 𝑟 2 ).
4𝜂𝐿
Wobei 𝜂 die Viskosität des Blutes,. 𝑅 der Radius und 𝐿 die Länge des Blutgefäßes ist. Die auf diese
Weise berechnete Geschwindigkeitsverteilung entlang des Querschnitts des Gefäßes ist das sog.
parabelförmige Geschwindigkeitsprofil.
3. Das Hagen–Poiseuille Gesetz
Aufgrund der parabelförmigen Geschwindigkeitsverteilung kann man aus der
renz ∆𝑝 zwischen den zwei Enden eines Rohres die dazu gehörige Strömungsintensität 𝐼 ausdrücken:
𝐼=
𝜋𝑅4
∆𝑝,
8𝜂𝐿
wobei 𝑅 der Radius und 𝐿 die Länge des Gefäßes und 𝜂 die Viskosität der Flüssigkeit ist. Dieser
Zusammenhang ist das Hagen–Poiseuille-Gesetz. Es ist eine der wenigen in der Physik benutzen
Gesetze, bei der eine physikalische Größe zu der vierten Potenz einer anderen physikalischen Größe proportional ist. Das Hagen–Poiseuille-Gesetz erklärt, warum Vasokonstriktion und Vasodilatation (die Verengung und Erweiterung der Blutgefäße) bei der Regelung der Blutströmung so effektiv sind. Aus der Abhängigkeit der volumetrischen Stromstärke 𝐼 zu der vierten Potenz des
us 𝑅 , folgt, dass sogar eine kleine Veränderung des Radius eine signifikante Modifizierung der
Stromstärke ergibt.
Das Hagen–Poiseuille-Gesetz ist die hydrodynamische Analogie des Ohm’schen Gesetzes.
Wenn man die totale periphere Resistenz (TPR) als
TPR ∶=
8𝜂𝐿
,
𝜋𝑅4
definiert, wird der Zusammenhang zwischen der Druckdifferenz ∆𝑝 und der Strömungsstärke
TPR =
∆𝑝
,
𝐼
ersichtlich, was der Formel Widerstand = Spannung/Stromstärke des Ohmsch‘en Gesetzes entspricht.
4. Laminare und turbulente Strömung
Die oben gennannten Gleichungen nehmen eine laminare, also geordnete Strömung
an, wobei sich die verschiedenen Flüssigkeitsschichten ungestört aufeinander verschieben
können. Gemäß Beobachtungen können Strömungen unter bestimmten Umständen (z.B.
über eine bestimmte Geschwindigkeitsschwelle) turbulent (wirbelnd, mit Geräuschentwicklungen
und schlechter Effizienz fließend) werden. Wir können den Übergang von laminaren zur turbulenten Strömung mit der sog. Reynolds-Zahl vorhersagen:
Re ≔
𝜚𝑣𝐷
,
𝜂
wobei 𝜚 und 𝜂 die Dichte und die Viskosität der Flüssigkeit, 𝑣 die Strömungsgeschwindigkeit und
𝐷 der Durchmesser des Rohres ist. Wenn die Reynolds-Zahl einer Strömung unter einem kritischen
Wert liegt, ist diese Strömung vermutlich laminar, ansonsten wird die Strömung turbulent.
5. Blutdruckwerte
Die Herzkontraktionen, die Dynamik der Gefäßwand und die Pulswellen die von den peripheren Venen reflektiert wurden, beeinflussen den charakteristischen Zeitverlauf des arteriellen Blutdrucks, was Abb. 1 anzeigt.
Abb. 1. Charakteristische Blutdruckwerte
Wie abgebildet, schwankt der arterielle Druck periodisch zwischen einem Maximum und einem
Minimum. Die den Herzkammerkontraktionen entsprechenden maximalen Druckwerte entsprechen dem systolischen Druck (SBP), wobei das Minimum dem diastolischen Druck (DBP) entspricht.
Der Normalwert des systolischen und diastolischen Drucks ist für gesunde Erwachsene 90–120
mmHg und 60–80 mmHg. Die Differenz zwischen den systolischen und den diastolischen Druckwerten ist der sog. Pulsdruck (PP). Der mittlere arterielle Druck (MAP) beschreibt den Mittelwert
des arteriellen Druckes über ein Herzzyklus, er wird oft mit der folgenden Formel genähert:
MAP ≈ DBP +
6. Hydrostatischer Druck
SBP– DBP
PP
= DBP + .
3
3
Neben der Herztätigkeit und der Gefäßwand
wird der messbare Blutdruck an einer gegebenen
Stelle des Körpers auch von dem hydrostatischen
Druck (der aus dem Gewicht der Flüssigkeitssäule
stammende Druck) beeinflusst. Wenn der Druck an
einer gegebenen Stelle der Flüssigkeit 𝑝0, ist dann
ist der Druck in einer Tiefe h
𝑝(ℎ ) = 𝑝0 + 𝜚𝑔ℎ,
wobei 𝜚 die Dichte der Flüssigkeit und 𝑔 die
Schwerebeschleunigung ist. Wir können mittels der
Formel des hydrostatischen Drucks 𝜚𝑔ℎ einen gegebenen Druckwert auch als die Höhe einer Flüssigkeitssäule angeben. Obwohl die SI-Einheit des
Druckes der Pascal (1 Pa = 1 N/m2) ist, wird es in
der medizinischen Praxis nur selten benutzt. Die in
der medizinischen Praxis am häufigsten benutzte Druckeinheit ist die Millimeter-Quecksilbersäule
(mmHg, oder torr), was dem hydrostatischen Druck einer 1 mm hohen Quecksilbersäule entspricht:
1 mmHg = 13 600
kg
m
∙
9,81
∙ 0,001 m = 133,4 Pa.
m3
s2
Zur Messung des zentralen Venendrucks oder des intrakranialen Drucks verwendet man häufig
eine kleinere Messeinheit, die Zentimeter-Wassersäule (cmH2O):
1 cmH2 O = 1000
kg
m
∙ 9,81 2 ∙ 0,01 m = 98,1 Pa.
3
m
s
Deswegen ist die Umrechnungsformel für mmHg und cmH 2O die folgende:
1 mmHg = 1,36cmH2 O.
II. Das Messprinzip
A. Invasive Methode
Der Blutdruck kann auf direktem Weg gemessen werden, z.B. mit einer Kanüle die in eine Arterie gesteckt ist und an einem Druckmessgerät angeschlossen ist. Diese Methode wird auf den Intensivstationen und während Operationen gebraucht.
B. Die auskultatorische Methode
In den meisten Fällen ist die invasive Methode nicht erforderlich. Die meistverbreitete und effektivste nichtinvasive Methode wurde von Nikolai Sergejewitsch Korotkow in 1905 entwickelt. Diese Methode beruht auf die Auskultation (Horchen). Wir befestigen eine Manschette auf den Oberarm des Patienten und pumpen sie bedeutend höher als den erwarteten systolischen Wert auf.
Auf diese Weise hört die Blutströmung ganz auf. Während des langsamen Ablassens der Manschette verfolgt der Messer mit dem Stethoskop die wegen der halbwegs blockierten Strömung
auftretenden Töne (die sog. Koroktow-Töne). Wenn die Manschette unter den systolischen Druckwert gelangt, kann der arterielle Druck die Arterien öffnen und damit beginnt die Blutströmung. In
diesem Moment ist der erste Koroktow-Ton hörbar, gefolgt von weiteren Korotkow-Tönen bei
jeder Systole. Wenn der Druck in der Manschette unter den diastolischen Wert kommt, dann kann
auch der niedrigste Blutdruck des Herzzyklus die Arterie offenhalten, also ist der Blutstrom ununterbrochen und damit verschwinden auch die Koroktow-Töne. Die Messung kann man also so
zusammenfassen, dass wir den Manschettendruck mit dem Druckmesser stetig verfolgen, und
lesen den systolischen und diastolischen Blutdruckwert beim ersten und letzen Koroktow-Ton ab.
Abb. 2. Das Prinzip der auskultatorischen Methode.
Die Entstehung der Koroktow-Töne ist sehr komplex, wahrscheinlich wird es von der erhöhten
Strömungsgeschwindigkeit (siehe die Kontinuitätsgleichung), von der Trennung der Gefäßwände
und wegen der rapiden Druckverringerungen von der Kavitation (Bildung von Gasbläschen) beeinflusst.
C. Die oszillometrische Methode
Bei den modernen, digitalen Blutdruckmessgeräten braucht man nicht mehr zu horchen. Das
beruht auf die Beobachtung, dass die Blutdruckschwankungen Fluktuationen in dem Manschettendruck verursachen. Die modernen, elektrischen Drucksensoren registrieren den Druck kontinuierlich und die Mikrocomputer sind in der Lage zusätzliche Signalverarbeitungen auf dem Signal
durchzuführen. Die empirischen Daten zeigen, dass die Amplitude der Blutdruckschwankungen in
der Manschette dann maximal ist, wenn der Druck in der Manschette dem mittleren arteriellen
Druck gleich ist. Von diesem Druckwert werden die systolischen und diastolischen Blutdruckwerte
auf numerische Weise geschätzt: der systolische Wert wird meistens mit dem Manschettendruck
über den mittleren arteriellen Druck identifiziert, wobei die Amplitude der Oszillation bei 50% des
Maximalwerts ist. Der diastolische Druck wird mit dem Manschettendruck unter dem mittleren arteriellen Druck identifiziert, wobei die Amplitude der Oszillation bei 80% des Maximalwerts ist. (Die
Prozentwerte können sich je nach Methode und Hersteller unterscheiden.)
D. Die plethysmografische Methode
Die oben erwähnten nicht-invasiven Methoden haben den Nachteil, dass sie nur die systolischen und die diastolischen Werte registrieren können. Sie sind nicht in der Lage den Blutdruck
kontinuierlich zu registrieren. Die plethysmografische Methode entspricht dieser Erwartung. Das
beruht auf der Beobachtung, dass die Transmission des infraroten Lichts (z.B. durch die Fingerkuppe gemessen) durch das Blutvolumen dieser Stelle beeinflusst wird (denn der Hauptabsorber ist in
diesem Wellenlänge-Bereich das Hämoglobin). Bei der Blutvolumen-Veränderung mit der maximalen Amplitude ist der Druck auf der äußeren und inneren Seite der Gefäßwand gleich, der
transmurale Druck ist also gleich Null. Das wird von dem sog. Peňaz-Prinzip ausgenutzt. Wenn die
Rückkopplung des Druckregelmechanismus das plethysmografische Signal auf einem konstanten
Wert hält (und damit den transmuralen Druck bei null hält), wird der Manschettendruck dem arteriellen Blutdruck folgen. Abb. 1 zeigt ein auf dieser Weise registriertes Signal.
III. Das Ziel der Messung





Messung und Speicherung der systolischen (SBP) und diastolischen (DBP) Druckwertepaare
durch das Abhorchen der Koroktow-Töne. Diese Messung soll mit Hilfe einer Manschette
am Oberarm unter Anwendung eines halbautomatischen Gerätes durchgeführt werden:
der Druck in der Manschette wird rechnergesteuert und somit automatisch erniedrigt.
Die Pulswerte und die systolischen/diastolischen Blutdruckwerte, die mit dem halbautomatischen Gerät und mit dem Handgelenk-Blutdruckmessgerät gemessen wurden, sollen verglichen werden.
Um die Variabilität dieser Werte zu beobachten, sollen mindestens drei technisch korrekte
Messzyklen durchführen werden.
Die Blutdruckmessung mit dem Handgelenk-Blutdruckmessgerät sollte in der Höhe des
Herzens,
und auch in einer höheren Position durchgeführt werden (z.B.: auf einem hochgehobenen
Arm.)
IV. Die Schritte der Messung
1.
Öffnen Sie die C:\Temp\Measure\BP-Measurement.xlsm Protokolldatei. In diese Datei
sollen Sie ihre Messergebnisse eintragen.
Abb. 3. Das Protokoll der Messung
2.
Starten Sie das BSL Lessons Programm und öffnen Sie dann „Lesson 16-Blood pressure“.
Geben Sie den ETR-Code (ohne .SZE) des Patienten als Dateinamen an.
3.
Befestigen Sie die EKG Elektroden an dem Patienten, wie beim EKG-Praktikum (weiße
Elektrode: rechtes Handgelenk – etwas höher anlegen, um dem Handgelenk-Blutdruckmessgerät
Platz zu lassen, schwarze Elektrode: rechter Fußknöchel, rote Elektrode: linker Fußknöchel). Pressen
Sie vorsichtig die Luft aus der Manschette. Bringen Sie das Stethoskop an Ihr Ohr.
Abb. 4. Versuchsaufbau (die EKG-Elektroden sind nicht abgebildet)
4.
Folgen Sie den Kalibrier-Instruktionen in dem Journal-Teil des BSL Lessons Programms:
berühren Sie leicht die Membrane des Stethoskops oder pumpen Sie die Manschette leicht auf.
Die Kalibration endet automatisch nach 8 Sekunden.
5.
Bringen Sie die Manschette des Oberarm-Blutdruckmessgerätes (das an das BiopacSystem angeschlossen ist) auf dem linken Oberarm des Patienten an und legen Sie den Kopf des
Stethoskops unter die Manschette, bevor Sie es befestigen.
Bringen Sie das HandgelenkBlutdruckmessgerät an dem rechten Handgelenk des Patienten an.
6.
Die folgenden Schritte sind nötig um eine Messung zu registrieren:
a) Schalten Sie das Oberarm-Blutdruckmessgerät ein. Warten Sie ab bis das Gerät kalibriert
ist bzw. das Herzsymbol erscheint.
b) Starten Sie die Messung im BSL Lessons („Record”).
c) Starten Sie die Blutdruckmessung mit dem Handgelenk-Blutdruckmessgerät.
d) Pumpen Sie die Manschette bis mindestens 160 mmHg auf. Nach dem Pumpvorgang wird
das Gerät automatisch den Druck senken.
e) Notieren Sie den Manschettendruck von der virtuellen Druckanzeige beim ersten und letzten Koroktow-Ton.
f) Halten Sie die Aufnahme an („Suspend”).
Wiederholen Sie die Messprozedur 3-4-mal, jedes Mal soll ein anderer Student die Korotkow-Töne
hören. Die (wegen der nicht abgelesenen Werte oder der Fehlanzeige der Messgeräte) fehlerhaften Messvorgänge müssen in der Protokolldatei vermerkt werden (siehe Abb. 3).
7.
Mit dem Handgelenk-Blutdruckmessgerät messen Sie die systolischen und diastolischen
Blutdruckwerte auf dem angehobenen und etwas tiefer gehaltenen Handgelenk. Wiederholen Sie
die Messprozedur 3-4-mal.
8.
Messen Sie den Abstand zwischen der höheren und der tieferen Stelle.
9.
Geben Sie die Messergebnisse durch Anklicken auf den Knopf „Eingabe“ ein.
V. Datenverarbeitung
A. Blutdruckmessung mit der auskultatorischen und oszillometrischen Methode
1.
Öffnen Sie die übliche Protokolldatei C:\Temp\Measure\4-5-BloodPressure.xlsm.
2.
Starten Sie das BSL Pro Programm und öffnen Sie die auszuwertende Datei (z.B. BP-J.acq).
3.
Stellen Sie das Pulsübertragungssignal (die Schwankungen des Manschettendrucks durch
die Blutdruckveränderung) her. Befolgen Sie die folgenden Schritte:
a) Wählen Sie den „Pressure” Kanal aus (Manschettendruck), und erstellen Sie ein Duplikat mit
den „Edit > Duplicate waveform” Befehl.
b) Wählen Sie das Duplikat des Druck-Kanals aus und verwenden Sie einen Hochpassfilter
(Transform > Digital filters > IIR > High-pass, stellen Sie den Schwellenwert auf 0,5 Hz, und
markieren Sie „filter entire wave“).
c) Wählen Sie den hochpassgefilterten Pulsdruckkanal aus und berechnen Sie den Puls
(Transform > Find Rate und markieren Sie „Find rate of entire wave”).
4.
Vergrößern Sie den Anzeigebereich der Koroktow-Töne in dem Stethoskop Kanal. Verwenden Sie die „Vertical Autoscale“ und „Horizontal Autoscale“ Funktionen um die Startsicht wieder anzuzeigen, wenn die Vergrößerung nicht wie erwartet ist.
Abb. 5. Die Bedienung der Autoscale-Knöpfe im Biopac-System
5.
Identifizieren Sie den ersten und letzten Koroktow-Ton und lesen Sie die entsprechenden
Blutdruckwerte („Value” im „Chanel 1” Kanal) für die systolischen und diastolischen Blutdruckswerte
ab. Tragen Sie diese in die entsprechenden Kästchen des Excel Protokoll ein.
6.
Markieren Sie das Intervall zwischen dem ersten und letzten Koroktow-Ton und berechnen
Sie dann den Mittelwert des „Rate“ Kanals („Mean”). Tragen Sie diesen Wert in das entsprechende
Kästchen des Excel Protokolls ein.
7.
Suchen Sie die Oszillation mit der maximalen Amplitude in dem kopierten „Pressure“ Kanal
durch Markieren der größten Impulse: gemessen werden soll der Abstand zwischen dem Maximum und dem Minimum. durch das Ablesen der Amplitudengröße mit der „P-P“ Funktion. Der
mit der Oszillometrie geschätzte mittlere arterielle Druck ist der durchschnittliche Manschettendruck, den man bei der Oszillation mit der größten Amplitude ablesen kann. Tragen Sie den Wert
in das entsprechende Kästchen des Protokolls ein.
Abb. 6. Die Bestimmung des mittleren arteriellen Drucks durch das oszillometrische Prinzip
8.
Suchen Sie die nächste auswertbare Messung und wiederholen Sie die Schritte 4–7.
9.
Bestimmen Sie mit der Hilfe der geeigneten Formel den mittleren arteriellen Druck aus den
systolischen und diastolischen Druckwertpaaren.
10.
Untersuchen Sie die Mittelwerte und die Standardabweichungen und fassen Sie Ihre Beobachtungen in dem grünen Kästchen zusammen.
B. Der Effekt des hydrostatischen Drucks
1.
Bestimmen Sie die Differenz des hydrostatischen Drucks aus dem Höhenunterschied zwischen der höher und der tiefer liegenden Stelle (siehe: I.B.6 – Hydrostatischer Druck).
2.
Rechnen Sie die in Pascal angegebenen hydrostatischen Druckwerte in MillimeterQuecksilbersäule um (siehe I.B.6 – Hydrostatischer Druck).
3.
Vergleichen Sie diese Werte mit den Differenzen der dazugehörigen SBP und DBP Werte.
Kann diese Differenz durch den hydrostatischen Druck verursacht werden?
4.
Reichen Sie Ihr Protokoll ein.