Versuch 3: Herz

Versuch 3: Herz
3.1 Elektrokardiogramm
Aufgaben
ð Registrierung der Extremitätenableitungen nach EINTHOVEN.
ð Bestimmung folgender kardialer Größen anhand der Extremitätenableitungen
– Herzfrequenz (respiratorische Arrhythmie beachten!)
– Dauer der Erregungsausbreitung in den Vorhöfen
– Überleitungszeit
– Dauer der Erregungsausbreitung in den Ventrikeln
– QT-Zeit bzw. relative QT-Zeit.
ð Konstruktion des R-Integralvektors.
ð Bestimmung des Lage-Typs.
Lernziele
& Elementardipolvektor | Integral- oder Summenvektor | EKG als Ausdruck der Erregungsleitung | Unipolare und bipolare Ableitung |
EKG-Ableittechniken nach EINTHOVEN, WILSON und GOLDBERGER |
Vektorschleife | EKG-Aussagekraft | Lage-Typ
Während der Erregung des Herzens treten Potentialdifferenzen im Myokard auf.
Da der Organismus ein elektrisch leitendes Milieu darstellt, wird während der
Herzerregung im Körper dadurch ein sich ständig änderndes elektrisches Feld
aufgebaut. Die im Herzen entstehenden Potentialänderungen können daher
auch von der Körperoberfläche (Brustwand, Extremitäten) abgeleitet und nach
entsprechender Verstärkung als Elektrokardiogramm (EKG) registriert werden.
Größe, Richtung und Dauer der elektrischen Potentialänderungen erlauben Rückschlüsse auf die Erregungsbildung und -ausbreitung im Herzen. Prinzipiell kön-
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Versuch 3: Herz
nen jedoch keine unmittelbaren Aussagen über die mechanischen und hämodynamischen Verhältnisse des Herzens oder des Kreislaufs anhand des EKGs
gemacht werden.
3.1 Elektrokardiogramm
P-Zacke
PQ-Dauer
QRS-Komplex
Versuchsgang
Die Ableitelektroden werden wie folgt an den Extremitäten befestigt:
ST-Strecke
Rechter Arm (Handgelenk)
RA (rote Klemme)
T-Zacke
Linker Arm (Handgelenk)
LA (gelbe Klemme)
Linker Unterschenkel (oberhalb Achillessehne)
LF (grüne Klemme)
Die bei der Kleinheit der Signale erforderliche Erdung erfolgt über ein um den
rechten Unterschenkel gelegtes leitfähiges Band. Bei fehlender Erdung überlagern
sich dem eigentlichen EKG-Signal unerwünschte Störsignale.
Nachdem alle Elektroden sachgemäß mit den entsprechenden Biovorverstärkereingängen des PowerLab-Systems verbunden worden sind, kann die
EKG-Registrierung durch Drücken des Startknopfes im Messfenster des Messmonitors gestartet werden. Das PowerLab-System ist ein universelles Messverstärkersystem, das die analogen Eingangssignale verschiedener Messwertaufnehmer in digitale Messdaten umwandelt. Die EKG-Registrierungen lassen sich
fortlaufend in Form einer CHART-Darstellung auf dem Messmonitor
beobachten, analog der Aufzeichnung mit einem Direktschreiber. In einem Extrafenster mit X/Y-Wiedergabe können gleichzeitig die errechnetenVektorschleifen
fortlaufend beobachtet werden. Die genaue Bedienung des Messsystems und die
Auswertung der Registrierungen werden mittels einer PowerPoint-Präsentation
auf dem 2. Monitor angeboten.
Auswertung
Die basale Größe für die EKG-Bewertung ist die Herzfrequenz, die aus üblicherweise 3 R–R-Intervallen berechnet wird. Die Höhe der Ausschläge wird von
der Nulllinie aus in mV gemessen. Der Erregungsablauf (siehe Tab. 3-1) ist geprägt von Zacken, Strecken und Dauern bzw. Zeiten, die wir in der Reihenfolge
ihres Auftretens bezeichnen (die angegebenen Werte sind mittlere Normalwerte).
QT-Zeit
rel. QT-Zeit
3
Vorhoferregung: Dauer 0,08 bis 0,12 s,
Höhe durchschnittlich 0,14 mV
Überleitungszeit: gemessen von Beginn P bis
Beginn Q: 0,12 bis 0,2 s
Dauer der Erregungsausbreitung in den Kammern: Beginn Q bis Ende S. Dauer 0,06 bis 0,1 s
Verläuft normalerweise in der Nulllinie.
Beide Herzkammern sind komplett erregt
Erregungsrückbildung: In Ableitung I und II positiv
(= konkordant), in Ableitung III kann sie positiv, negativ
oder biphasisch sein. Dauer 0,2 s
Beginn Q bis Ende T: Sie ist frequenzabhängig und wird
als relative QT-Zeit anhand des Nomogramms (Abb.
3-1) ausgedrückt.
Tab. 3-1 Wichtige EKG-Parameter und ihr Bezug zum Erregungsablauf.
Vektorschleife
Bei der Erregung einer Herzmuskelfaser entsteht ein elektrischer Dipol zwischen erregter (negativ) gegenüber unerregter Membranaußenseite (positiv). Er
lässt sich formal in Größe und Richtung als Vektor ausdrücken. Da die Herzerregung üblicherweise mehr als 20 Millionen Myokardfasern erfasst, was funktionell
gleichbedeutend mit ebenso vielen Elementardipolvektoren ist, lässt sich für jeden
Moment ihre Gesamtwirkung nach aussen als räumlich und zeitlich sich ändernder
Summations- oder Integralvektor beschreiben. Verbindet man die Pfeilspitzen
sämtlicher Integralvektoren eines Herzzyklus, so entsteht eine sog. Vektorschleife.
Sie lässt sich aus zwei Ableitungen folgendermaßen konstruieren:
Die beiden ausgewählten EKG-Registrierungen werden unter Berücksichtigung der richtigen Polung so an den jeweiligen Seiten des EINTHOVENschen
Dreiecks angelegt, daß ihre Nulllinien senkrecht dazu weisen (Abb. 3-2). Fällt
man das Lot für zeitgleiche Ausschläge auf die jeweilige Dreiecksseite, so
schneiden sich die beiden Lote in der Spitze des momentanen Integralvektors. Als Ursprung des Vektors fungiert stets der Dreieckmittelpunkt
(= Schnittpunkt der Nulllinien).
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Versuch 3: Herz
3.1 Elektrokardiogramm
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Lage-Typ
Winkelbereich
Vorkommen
Überdrehter
Linkstyp
Linkstyp
-30°– 0°
Linksschenkelblock, ausgedehnter Hinterwandinfarkt, Pykniker (adipös)
über 40 J. häufig, Adipositas, Schwangerschaft
bei Erwachsenen normal, bei Kleinkindern pathologisch
bei Jugendlichen, Astheniker, Hinweis
auf Rechtsüberlastung
Rechtsüberlastung mit Rechtshypertrophie, bei Kleinkind eher normal
0°–30°
Indifferenzoder Normaltyp
Steiltyp
30°–60°
60°–90°
Rechtstyp
>90°
Tab. 3-2 Klassifizierung der Herzlage
I
Abb. 3-1 Nomogramm zur Bestimmung der relativen QT-Zeit nach LEPESCHKIN (Einheiten: Frequenz [min–1], QT-Zeit [10–2 s]). Der Normbereich wird durch die
gestrichelte längsovale Kurve umschlossen.
Beachten Sie bitte, daß in den drei Ableitungen die Spitzen der R-Zacken nicht
genau zum gleichen Zeitpunkt auftreten.
Der momentane Erregungsablauf im Herzen wird durch die Richtung und
Größe der einzelnen Integralvektoren (Momentanvektoren) angegeben. Der
längste Vektor einer Schleife gibt die Hauptrichtung der Erregungsausbreitung
an. Bei der Mehrzahl erwachsener, gesunder Menschen bildet der Vektor einen
Winkel zwischen 30° und 60° mit der Horizontalen. Die klinisch relevanten Winkelbereiche, die entsprechenden Herzlagen und ihr ursächliches Vorkommen
sind in Tab. 3-2 zusammengestellt.
RA –
–
+ LA
–
II
R
III
+ +
LF
Abb. 3-2 Konstruktion der Vektorschleife und des »R«-Vektors.
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3.2 Herzdynamik
Aufgaben
ð Auskultation des Herzens.
ð Aufzeichnung eines Phonokardiogramms.
ð Registrierung eines Sphygmogramms von der A. carotis.
ð Bestimmung wichtiger Zeitabschnitte innerhalb eines Herzzyklus.
3.2 Herzdynamik
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kum bezeichnet, treten bei Aorten- oder Pulmonalklappenstenosen und Mitraloder Trikuspidalklappeninsuffizienz auf, diastolische Herzgeräusche, kurz: Diastolikum, sind umgekehrt für Aorten- oder Pulmonalklappeninsuffizienz und
Mitral- oder Trikuspidalklappenstenosen typisch.
Phonokardiogramm
Lernziele
& Herztöne, Herzgeräusche | Phonokardiogramm | Arbeitsdiagramm
des Herzens | Zeitabschnitte eines Herzzyklus | Herzklappenfunktion |
Arterienpuls | Sphygmogramm
Die gleichzeitige Aufzeichnung von EKG, Phonokardiogramm und eines herznahen Sphygmogramms erlaubt wichtige diagnostische Rückschlüsse auf die
mechanische Herztätigkeit ohne aufwendige und für den Patienten nicht ganz
ungefährliche invasive Untersuchungsmethoden (z.B. Herzkatheterisierung).
Die Auskultation des Herzens sowie die elektrische Aufzeichnung des Herzschalls (= Phonokardiogramm) gehören zur Standarddiagnostik angeborener
oder erworbener Herzklappenfehler.
Beim Gesunden lassen sich normalerweise zwei Herztöne auskultieren. Der
sogenannte erste Herzton (physikalisch handelt es sich streng genommen um einen Klang) weist im Phonokardiogramm, das mittels eines empfindlichen
Herzschallmikrofons aufgenommen werden kann, ein Vor- und Nachsegment
mit einem Frequenzanteil von ca. 30 Hz und ein Hauptsegment mit einem Frequenzanteil von 60–150 Hz auf. Er entsteht durch Schwingungen der Herzwände und der eingeschlossenen Blutmenge, die durch die abrupte Anspannung und
Verformung der Ventrikelwandung um die inkompressiblen Kammerinhalte
während der isovolumetrischen Anspannungsphase induziert werden. Der zweite Herzton mit Frequenzanteilen zwischen 100 und 150 Hz wird durch den abrupten Schluß von Aorten- und Pulmonalklappen ausgelöst. Sogenannte Herzgeräusche, die zwischen den Herztönen auskultierbar sind, müssen immer als
Zeichen pathologischer Veränderungen in der Ein- und Ausflußbahn beider
Ventrikel gewertet werden. Systolische Herzgeräusche, häufig kurz als Systoli-
Carotissphygmogramm
EKG
Ableitung II
b
c
d
a
b
Abb. 3-3 Anhand der nichtinvasiven synchronen Aufzeichnung eines Phonokardiogramms, eines Carotissphygmogramms und einer EKG-Ableitung lassen
sich die zur Beurteilung einer Herzaktion wichtigen Zeitabschnitte Austreibungszeit (a), Pulsverspätung (b), Systolendauer (c) und Anspannungszeit (d) ablesen.
Der abrupte Klappenschluss, durch einen kurzen Reflux des Blutes zurück in
den Ventrikel bewerkstelligt, ist auch für die typische Inzisur in den Sphygmo-
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Versuch 3: Herz
grammen herznaher Arterien verantwortlich, wie sie z.B. von der A. carotis mit
Hilfe eines Pulsaufnehmers gewonnen werden können.
Das Pulsieren der Arterien hat schon in den Anfängen der modernen Medizin die Aufmerksamkeit der Ärzte erweckt. 1855 zeichnete VIERODT in Tübingen erstmals die Pulsbewegungen auf. Die Pulse sind Ausdruck einer Schlauchwelle, die durch die Austreibung des Herzens ausgelöst werden. Durch das
Wechselspiel elastischer Kräfte der Arterienwände und der Trägheitskräfte des
beschleunigten Blutes pflanzen sie sich über das Arteriensystem mit der Pulswellengeschwindigkeit fort. Wellenreflexionen an Gefäßaufzweigungen, -krümmungen oder -verengungen überlagern sich der peripher gerichteten Pulswelle
und prägen das Bild des Sphygmogramms entscheidend mit. Hochfrequente Anteile der Pulswelle werden bereits nach geringer Laufstrecke, vom Herzen aus gerechnet, abgeschwächt. So ist die Inzisur im Sphygmogramm der A. brachialis im
Gegensatz zur A. carotis nicht mehr erkennbar.
Versuchsgang
Piezoelektrisches Herzschallmikrofon, piezoelektrischer Pulsaufnehmer,
EKG-Ableitelektroden für die Ableitung II werden mit PowerLab verbunden.
Weitere Hinweise und Erläuterungen erfahren Sie in der PowerPoint-Präsentation.
Auswertung
Die synchrone Aufzeichnung der EKG-Ableitung II, des Phonokardiogramms
und des Carotissphygmogramms (schematische Darstellung auf der Basis einer
Originalregistrierung in Abb. 3-3) erlaubt, folgende für die Herzaktion charakteristische Zeitabschnitte a–d zu bestimmen, wie sie in der kardiologischen Diagnostik vieler Kliniken relevant sind:
a
b
c
d
Austreibungszeit: Beginn des Anstiegs der Carotispulskurve bis zur Inzisur
Pulsverspätung: Beginn des 2. Herztons bis Inzisur der Carotispulskurve
Systolendauer: Beginn Q im EKG bis Beginn des 2. Herztons
Anspannungszeit: (klinische Definition bei nichtinvasiver Bestimmung)
Beginn Q im EKG bis Anstieg der Carotispulskurve minus b
Tab. 3-3
Aus klinischer Sicht ist das Verhältnis von Austreibungszeit a zu Anspannungszeit d, das physiologischerweise > 3 sein sollte, zur Beurteilung der kardialen
Pumpfunktion besonders wichtig. Eine Verlängerung der Anspannungszeit auf
Kosten der Austreibungszeit ist immer als Zeichen einer Herzinsuffizienz zu
werten.
3.3 Untersuchungen am Straubherz
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3.3 Untersuchungen am Straubherz
Aufgaben
ð Beobachtung des Froschherzens in situ.
ð Demonstration einer Froschherzpräparation nach STRAUB.
ð Einfluß des extrazellulären Ionenmilieus und der wichtigsten Transmitterwirkungen auf die mechanische Aktivität des Herzmuskels.
ð Extrasystolen: Auslösebedingungen; Erklärung der kompensatorischen
Pause bei ventrikulären Extrasystolen.
Lernziele
& Ionenwirkungen auf Ruhe- und Aktionspotential | Aktive Transportvorgänge an der Zellmembran | Elektromechanische Kopplung des
Myokards | Unterscheidung von Kontraktion – Kontraktur – Rigor | Einflüsse des vegetativen Nervensystems auf die Herzaktion | Erregungsentstehung und -leitung am Herzen | Extrasystolen
Eine multimediale PC-Präsentation vermittelt wichtige kardiologische Grundlagen
und stellt Originalexperimente am Straubherz des Frosches ausführlich vor.
Zahlreiche Eigenschaften des Myokards und viele pharmakologische Wirkungen
lassen sich am Kaltblüterherzen demonstrieren. Vom Frosch können voll funktionsfähige Herzen, die aufgrund ihrer Dünnwandigkeit fast verzögerungsfrei
auf Änderungen des umgebenden Milieus reagieren, problemlos präparativ isoliert werden.
Beobachtung des Froschherzens in situ
Das Froschherz hat zwei Vorhöfe und nur einen Ventrikel. Die Körpervenen
vereinigen sich zunächst zum Venensinus, der in den rechten Vorhof mündet;
dieser führt also venöses Blut und hat daher eine dunkle Farbe. In den linken
Vorhof münden die Lungenvenen. Diese führen arterialisiertes Blut und verleihen dem Vorhof die eher hellrote Farbe. In der Kammer werden beide Blutfraktionen gemischt, so dass der Körper nur teilweise arterialisiertes Blut bekommt.
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Versuch 3: Herz
Aus dem Ventrikel entspringt der Truncus arteriosus, der sich in die beiden Aortenbögen teilt. Diese geben die Gefäße für die obere Körperhälfte und die Lungenarterien ab und vereinigen sich an der Rückwand der Leibeshöhle zur unpaarigen Aorta communis.
Einfluß des extrazellulären Ionenmilieus und Transmitterwirkungen auf
die mechanische Aktivität des Herzmuskels
Die Größenänderung des Herzes bei Kontraktion, Erschlaffung und Füllung wird
über das photomechanische Registriersystem fortlaufend auf einem Schreiber aufgezeichnet. Ausschläge nach links spiegeln die Herzvolumenabnahme bei Blutauswurf wieder (d.h. großer Ausschlag nach links entspricht großem Schlagvolumen
bzw. starker Herzkraft).
Das Herz wird der Reihe nach mit unterschiedlichen Testlösungen perfundiert (Tab. 3-4). Vor Applikation einer neuen Testlösung müssen durch Perfusion mit Ringerlösung immer wieder Ausgangsverhältnisse hergestellt werden. Die
einzelnen Testlösungen sind durch mehrmaliges Auswechseln der Ringerlösung
aus dem Herzen und dem Perfusionssystem auszuwaschen. Die Testlösungen
dürfen erst dann appliziert werden, wenn die Wirkung der vorangegangenen Intervention vollständig abgeklungen ist.
Zusammensetzung der Ringerlösung:
NaCl 115 mmol/l; KCl 2.5 mmol/l; CaCl2 0.25 mmol/l; Phosphatpuffer:
Na2HPO4 2.15 mmol/l, NaH2PO4 0.85 mmol/l, eingestellt auf pH 7.1
Ausgangslösung
Testlösung
[Modifikation der Ringerlösung]
1. Test
Ringerlösung
Ca2+-Konzentration = 0 mmol/l
2. Test
Ringerlösung
erhöhte Ca2+-Konzentration
[2.5 mmol/l anschließend 25 mmol/l]
3. Test
Ringerlösung
Na+-Entzug durch Tris [= Tris(hydroxymethyl)aminomethan]
4. Test
Ringerlösung
K+-Überschuß [13,4 mmol/l)]
5. Test
Ringerlösung
Adrenalin [10–8 g/ml)]
6. Test
Ringerlösung
Acetylcholin [10–7 g/ml]
Tab. 3-4 Die verschiedenen Testlösungen werden in der angegebenen Reihenfolge appliziert.
3.3 Untersuchungen am Straubherz
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Erklärung der kompensatorischen Pause bei ventrikulären Extrasystolen
Um Extrasystolen auszulösen, werden Nadelelektroden in Höhe der Vorhof-Kammergrenze in das Herz eingestochen und mit einem elektrischen Reizgerät verbunden. Elektrische Reizimpulse werden während der verschiedenen
Phasen der Herzaktion appliziert.
Es zeigt sich, dass ein Reiz, der in den aufsteigenden Ast der Kontraktionskurve fällt oder mit dem Gipfel der Kurve zusammentrifft, ohne Wirkung bleibt,
da das Herz während dieser Zeit refraktär ist. Außerhalb der Refraktärphase löst
der Reiz eine Extrasystole aus, die meist von einer kompensatorischen Pause begleitet wird. Die Dauer der gesamten Refraktärphase (absolute + relative) entspricht in etwa der Dauer des monophasischen Aktionspotentials. Die absolute
Refraktärphase dauert ungefähr bis zum Plateauende des monophasischen Aktionspotentials. Mit überschwelligen Reizen können auch während der anschließenden relativen Refraktärphase Extrasystolen ausgelöst werden. Es ist jedoch
bei der gegebenen Versuchsanordnung äußerst diffizil, einen Reiz genau in die
relative Refraktärphase zu plazieren.
Schlägt das Herz extrem bradykard, und erfolgt der elektrische Reiz bzw. die
resultierende Extrasystole kurz nach dem systolischen Gipfel, so kann der nächste physiologische (vom Sinus kommende) Reiz wieder wirksam werden. Es fehlt
dann die kompensatorische Pause. Man spricht in diesem Fall von einer „interponierten Extrasystole“. Diese Erscheinung ist jedoch bei Zimmertemperatur
selten zu beobachten, da der Sinusrhythmus temperaturbedingt meistens dafür
zu hoch ist.