9. Physische Leistungsfähigkeit: Kreislauf
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Physische Leistungsfähigkeit: Kreislauf arbeitsphysiologie 09 Physische Leistung Kreislauf april 200.doc iha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit H. Krueger 9. Physische Leistungsfähigkeit: Kreislauf Die folgenden Ausführungen beschränken sich auf einige wenige Aspekte, die für die Gestaltung von Arbeitssystemen im Sinne günstiger Bedingungen für die hämodynamische Funktion des Blutkreislaufs von Bedeutung sind. Für weitere Aspekt, wie die nervöse Steuerung und elektrische Phänomene des Reizleitungssystems des Herzens sei auf Lehrbücher der Physiologie verwiesen. kleiner Kreislauf rechtes Herz 9.1. linkes Herz Lunge Herz Gehirn Niere Eingeweide Muskulatur Haut 1819 Skelett grosser Kreislauf 1819 Abb. 1 Kreislauf (Schema) Aufgaben Der Blutkreislauf ist ein wichtiges Transportsystem im Körper. Es werden Zellen transportiert, wie die Erythrozyten, die Leukozyten und die Thrombozyten. Daneben werden verschiedenste Stoffe mitgeführt. Dazu gehören die Gase O2 und CO2 des Stoffwechsels (Metabolismus). O2 ist in geringem Masse im Blutserum gelöst. Das wichtigste Transportmittel ist das Hämoglobin der Erythrozyten. Die Bindung an Hämoglobin bestimmt letztendlich die Transportkapazität der Bluts. Aber auch die Bausteine Grundnährstoffe Kohlenhydrat, freie Fettsäuren und Proteine werden mitgeführt. Daneben wird der Blutkreislauf als Transportsystem für das Abwehrsystem und das Hormonsystem benutzt. Hormone werden als freie Hormone und zum grossen Teil an Protein gebunden mitgeführt. Damit hat das Blut für viele homöostatische Systeme auch eine ausgleichend Pufferwirkung, die gewährleistet, dass die vor Ort wirksame Stoffkonzentration einigermassen konstant ist. Nicht unerwähnt bleiben darf die wichtige Funktion des Blutes als Transportmittel für thermische Energie. Es transportiert die von den inneren Organen produzierte Wärme an die Körperoberfläche, an der der Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet. Physische Leistungsfähigkeit: Kreislauf 9.2. Überblick Der Blutkreislauf teilt sich in einen grossen, den Körperkreislauf und einen kleinen, den Lungenkreislauf (Abb. 1). Gefässe, die das Herz verlassen und zu den Organen des Körpers, bzw. zur Lunge führen, werden dem arteriellen System zugerechnet und solche, die zum Herzen hinführen, dem venösen System. Das Blut wird in der Lunge per Diffusion mit O2 angereichert und gleichzeitig wieder per Diffusion von CO2 befreit. Somit fliesst in den Lungenvenen und dem arteriellen System des Körpers O2-reiches Blut und CO2-armes Blut. Umgekehrt finden wir nach den Organen im venösen System des Körpers und dem arteriellen System der Lunge O2-armes und CO2-reiches Blut. 9.3. Blutverteilung Die Verteilung des Blutes im Kreislauf hängt vom Widerstand der verschiedenen Ansprüche der Organe ab. Abb. 2 zeigt die Verteilung in Ruhe. Die Verhältnisse ändern sich je nach Beanspruchung der Organe. Die Regelung des Blutflusses durch die Organe bewirken glatte Ringmuskeln um die Arteriolen am Ende des arteriellen Systems am Übergang zu den sehr dünnwandigen Kapillaren (kleine Diffusionsstrecken), in denen der lokale Gasaustausch im Gewebe stattfindet. Nach dem Gesetz von Hagen Poiseuille ist die Durchflussmenge durch eine enge Röhre umgekehrt proportional zur 4. Potenz des des Durchmessers dieser kleinen Röhre. Kleine Querschnittsänderungen bewirken also eine grosse Änderung der Durchflussmenge. iha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit 9-1 Arbeitsphysiologie Die glatten Ringmuskeln unterliegen lokalen chemischen Einflüssen und dem vegetativen Nervensystem. Wegen ihrer geringen Wandstärke können die Kapillaren keine bedeutenden Druckunterschiede aufnehmen. Hinweis: Die Blutversorgung des Herzmuskels erfolgt durch ein eigenes koronares Gefässsystem (Herzkranzgefässe) und nicht durch das Blut in den Herzkammern. Damit gibt es während der Pumpphase des Herzens (Systole) keine Durchblutung des Herzmuskels. Die grossen Veränderungen der Durchblutung betreffen die Verdauungsorgane (Anforderungen der Nahrungsaufnahme), die Haut (Thermoregulation), die Muskeln (Tätigkeit). Die Durchblutung der Niere ändert sich unabhängig vom arteriellen Druck nur unbedeutend. Die Durchblutung des Gehirns wird hauptsächlich über den Blutdruck geregelt. 1082 1082 Abb. 2 Hinweis: Die vorhandene Blutmenge reicht nicht aus, um das gesamte mögliche Volumen des Gefässsystems mit Blut zu füllen! Schematischer Aufbau des Kreislaufs. 9.4. Druckverteilung und Blutfluss 1086 1086 Abb. 3 9-2 Verteilung von Fliessgeschwindigkeit und Druck im Kreislaufsystem. Das Blut gelangt mit geringem Druck von der Lunge kommend den linken Vorhof des Herzens und von Dort in die linke Kammer. In der Linken Kammer wird während der Systole periodisch der für einen arteriellen Transport notwendige Druck aufgebaut (Abb. 3, oben). Die Druckschwankung in der linken Kammer sind deshalb gross. Das Blut wird dann mit etwas geringeren Druckschwankungen (diastolischer – systolischer Blutdruck) im arteriellen System zu den verschiedenen Organen transportiert. Am Übergang zwischen Arteriolen und Kapillaren fällt der Druck zusammen (s.o.). Der gesamte Gefässquerschnitt ist auf Grund der grossen Zahl der Kapillaren in den Organen sehr gross und damit der Gefässwiderstand gering. So kann trotz der nunmehr sehr kleinen Druckdifferenz die Strömung mit geringer Fliessgeschwindigkeit aufrecht erhalten werden. Eine geringe Fliessgeschwindigiha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit Physische Leistungsfähigkeit: Kreislauf Der Kreislauf kann in eine Niederdruck und ein Hochdruckgebiet unterteilt werden. Das Hochdrucksystem umfasst im wesentlichen das arterielle System zwischen Linker Herzkammer und den Organen. Das Niederdrucksystem reicht vom Ausgang der Organe, über das rechte Herz, den gesamten kleinen Kreislauf (Lunge) bis zum linken Vorhof (Abb. 2). H. Krueger keit ist notwendig, damit eine genügende Zeit für den Gasaustausch mit dem Gewebe zur Verfügung steht. Die grosse Hohlvene (vena cava) sammelt das Blut sowie die Lymphflüssigkeit aus dem Lymphsystem und führt beide dem rechten Vorhof des Herzens zu. In der rechten Kammer wird wieder periodisch eine gerade so grosser Druck aufgebaut, dass das Blut zur Lunge fliesst, ohne dass in der Lunge ein zu grosser Druck entsteht, dem diese nicht standhalten könnte. 1087 1087 Abb. 4 Hydrostatische bedingte Druckänderungen im Kreislauf. Aorta Hinweis: Andauernd statische Steharbeit ist ungünstig und zu vermeiden. Lungenarterie linker Vorhof rechter Vorhof Diastole Ve b ile nt 9.5. linke Kammer 9.5.1. rechte Kammer e en 2063 Systole 2063 Physische Leistungsfähigkeit: Kreislauf Abb. 5 Herzfunktion und Ventilebenenmechanismus 1081 1081 Abb. 6 Herzaufbau. Wegen des geringen Druckes im venösen System spielt der hydrostatische Druck in diesem System eine wichtige Rolle für die Blutverteilung. Während der Druck im Liegen zwischen Kopf und Füssen ausgeglichen ist, besteht im Stehen im Kopf ein relativer Unterdruck im Vergleich zum Blutdruck in Herzhöhe und in den Beinen ein entsprechender Überdruck (Abb. 4). Statisches Stehen führt deshalb zu einem Blut- und Flüssigkeitsstau (Ödem) in den Beinen. Kreislaufmotoren Herz Das Herz ist ein grosser Hohlmuskel mit vier Hohlräumen, dem rechten Vorhof mit der rechten Kammer und dem linken Vorhof mit der linken Kammer (Abb. 5). Es funktioniert wie eine diskontinuierlich arbeitende Pumpe, die abwechselnd auf der einen Seite Flüssigkeit aufnimmt (Diastole) und anschliessend diese Flüssigkeit weitergibt (Systole). Dünne Segelklappen trennen die Vorhöfe von den Kammern. Feine muskuläre Filamente hindern sie am Durchschlagen. Am Übergang der Kammern zu den arteriellen Gefässen gibt es ein weiteres Klappensystem, dass die Kammern von den Gefässen trennt. Die Klappen funktionieren wie passiv arbeitende Ventilklappen, die sich druckabhängig öffnen und schliessen. Das Blut gelangt aus der grossen Körperhohlvene (vena cava), die das Blut aus dem venösen System der Organe sammelt sowie auch die Lymphflüssigkeit des Lymphsystems in den rechten Vorhof und von dort in die rechte Kammer. Von dort gelangt das Blut über den kleinen Kreislauf der Lunge in den linken Vorhof, die linke Kammer und anschliessend die grosse Körper Schlagader (Aorta) (Abb. 6). Wenn sich die Kammermuskulatur kontrahiert strömt Flüssigkeit gegen die Segelklappen und diese schliessen sich. Daraufhin baut die Muskulatur in beiden Kammern einen Druck auf (Anspannungsphase der Systole) bis sich die Klappen zu den abführenden Gefässen öffnen. Die Austreibungsphase der iha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit 9-3 Arbeitsphysiologie Kammern beginnt Sie endet, wenn die Kammermuskulatur vollständig kontrahiert ist und der Druck in den Kammern unter denjenigen der Gefässe absinkt. Die Gefässklappen schliessen sich dann passiv. Die anschliessende Diastole beginnt mit einer Entspannungsphase. Sie dauert solange, bis sich die Segelklappen öffnen und über das in den Vorhöfen liegende Blut stülpen (Füllungsphase der Diastole). Eine gedachte Ventilebene, in der die Klappen des Herzen liegen bewegt sich dabei hin und her (Abb. 5). In grober Näherung haben wir also eine eher passive Füllungsphase und eine aktive druckerzeugende Pumphase zu unterscheiden. Die Aktivität von linkem und rechten Herz sind so aufeinander abgestimmt, dass es weder zu einem Überdruck noch einer Volumenüberlastung der Lunge kommt. Hinweis: Wenn das Volumenangebot im rechten Vorhof zu klein ist, kann das Herz nicht wirkungsvoll arbeiten. Im Extremfall kommt es zu Kreislaufschock mit Verlust des Bewusstseins. Wichtig ist es deshalb, prophylaktisch bzw. therapeutisch im Notfall für ein hinreichendes Volumenangebot zu sorgen (Hinlegen der Person bzw. Volumenzufuhr (Plasmaexpander)). Die grossen Druckdifferenzen im Kreislauf haben die Segelklappe und die Gefässklappe des linken Herzens aufzunehmen (Abb. 3). Sie sind deshalb auch am ehesten gefährdet. 1000 2379 800 600 400 Diastole 200 Systole 0 60 120 180 Herzschlagrate [ Schläge/min ] 2379 Abb. 7 Die Für die Durchblutung des Herzmuskels wichtige Diastolenzeit wird mit zunehmender Pulsrate kürzer fmax = 210 – a [Schläge/min] A:= Alter [Jahre] Abb. 8 Anhalt für die kritische Herzfrequenz als Funktion des Alters. HMV = SV • f SV:= Schlagvolumen f:= Schlagfrequenz Abb. 9 9-4 Herzminutenvolumen (HMV) Wie oben ausgeführt, ist die linke Herzkammer der wesentliche Motor für das arterielle Hochdrucksystem. Somit ist auch die Muskulatur der linken Kammer besonders stark entwickelt (Abb. 6). Anders als die Muskelzellen der Skelettmuskulatur, die im Muskel parallel ohne Verbindung verlaufen, sind die Herzmuskelzellen miteinander vernetzt. Sie bilden ein Retikulum, das spiralig von oben nach unten zur Herzspitze verläuft. Während der Austreibungsphase der Systole ist der Blutfluss durch die Koronargefässe und auch den Muskel völlig unterbrochen, denn der Druck im Herzmuskel muss grösser als derjenige in der Aorta sein. Diese Zeit kann durch Sauerstoffspeicher in der Muskulatur (Myoglobin) überbrückt werden. Zusätzlich verläuft neben jeder Herzmuskelzelle eine Kapillare. Die Herzmuskelzellen haben eine sehr lange Refraktärzeit, während der die Zellen nicht oder nur schwer zu einen neuerlichen Kontraktion angeregt werden können. Diese stabilisiert die geordnete Kontraktion des gesamten Muskels. Zudem besitzt er spezielle Muskelzellen, die ein Reiz-Leitungs-System für den geordneten Erregungsablauf der Kontraktion bilden. Die Kontraktion beginnt zeitlich in der Ventilebene und schreitet von dort zur Herzspitze nach unten fort. Kritische Herzfrequenz Während der Systole wird das Herz nicht durchblutet. Es liegt also abgesehen vom an Myoglobin gebundenen O2 ein relativer O2-Mangel vor. Die Systole gefährdet also potentiell ein vorgeiha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit Physische Leistungsfähigkeit: Kreislauf Schlagperiodendauer [ ms ] Hinweis: Bei Insuffizienz der linken Segelklappe kann Blut während der Systole in den Vorhof zurückfliessen und dort einen unnatürlichen Druck erzeugen, dem die Lunge nur mit einer Verdickung (Einlagerung von Bindegewebe) der Alveolenwände begegnen kann. Damit wird die Gasaustauschfunktion verschlechtert. Falls die Gefässklappe nicht richtig schliesst kommt es bei der Diastole zu einem Rückstrom aus der Aorta. Bei einer Einbusse der Beweglichkeit der Klappen und einer Verengung der Öffnung ist der Durchfluss des Blutes behindert. H. Krueger Infarkt - Gewebe schädigtes Herz. Mit zunehmender Herzfrequenz bleibt die Systolenzeit annähernd konstant. Das bedeutet aber, das eine Erhöhung der Herzfrequenz immer auf Kosten der Erholungszeit des Herzmuskels, der Diastolenzeit geht (Abb. 7, ). Somit gibt es eine kritische Herzfrequenz, die nur mit Vorsicht überschritten werden sollte (Abb. 8). rechte Kammer Kammermuskulatur Kreislauftraining 2380 Ziel eines Kreislauftrainings ist es das Schlagvolumen (SV) zu vergrössern. Mit jeder Vergrösserung des SV kann dasselbe Herzminutenvolumen mit einer niedrigeren Schlagfrequenz erreicht werden (Abb. 9) und damit einer kleineren belastenden Systolenzeit. Als Trainingsreize können qualitativ Herzfrequenzen über der sogenannten Dauerleistungsgrenze angesehen werden (s. Kap. Ergometrie). grosse Körperschlagader Aorta grosse Körperhohlvene vena cava rechte Kammer linke Kammer Infarkt - Gewebe Herzerkrankungen 2380 2380 Abb. 10 Herzinfarkt. oben: Herz im Querschnitt; unten: Herz von der Rückseite gesehen. relatives Risiko Risikofaktor systolisch Blutdruck [mmHg] sehr niedrig <110 niedrig 120 Körperfett [%] moderat 130-140 hoch 150-160 sehr hoch >170 >70 76 82-88 94-100 >106 niemals 5 Okt 20 30-40 >50 Männer 12 16 25 30 >35 Frauen 16 20 30 35 >40 <25 25-30 30-40 >40 niemals selten gelegentlich häufig fast konstant 120 90 30 0 0 diastolisch Zigaretten [pro Tag] Body Mass Index 1 Stress Physische Aktivität 2 Familiengeschichte [n HI]3 Alter [Jahre] 0 0 1 2 3+ <30 40 50 60 >70 1 2 3 Body Mass Index = Gewicht[kg]/Körperhöhe[m] min über 60% HRmax Zahl der Herzinfarkte bei Personen <60 Jahre 2392 2392 Abb. 11 Koronares Risiko. relatives Infarktrisiko Physische Leistungsfähigkeit: Kreislauf Wilmore J.H., Costill D.L. (1994) Physiology of sport and exercise, Human cinetics, ISBN 0-87322-693-3 10 2134 8,8 9 8 7 6 5 4 3 2,75 2,5 2,25 2 1 Hinweis: Ausdauersportler können Ruhepulse von 40 Schlägen/min und weniger haben. Koronare Herzerkrankungen führen zu einer zeitlich begrenzten (Angina pectoris) oder einer dauerhaften (Herzinfarkt) Durchblutungsstörung des Herzens mit entsprechenden morphologischen Änderungen. Die Angina Pectoris, ein Gefühl der Brustenge mit „Atemnot“ ist ein Zeichen für eine Mangeldurchblutung des Herzmuskels. Beim Herzinfarkt wird ein die Blutzufuhr für einen kleineren oder auch einen grösseren Anteil der Herzmuskels akut unterbrochen. Im Laufe des Heilungsprozesses wird das betroffenen Gewebe durch Narbengewebe ersetzt. Die Risikofaktoren für eine koronare Herzerkrankung können in primäre (Rauchen, Bluthochdruck, physische Inaktivität) und sekundäre (Übergewicht, Diabetes, Stress, Genetische Prädisposition, Geschlecht, Alter) unterteilt werden (Abb. 11). Hohe Arbeitsbeanspruchung gehört offensichtlich nicht zu den disponierenden Faktoren, wie Abb. 12 zeigt. Ergänzend muss die Belastung als überfordernd wahrgenommen werden. 2,6 Ein Herzinfarkt kündigt sich in der Regel an ( 1,8 2393 weiter Aufgabeninhalt enger enger AufAufgaben- gabeninhalt inhalt kombiniert mit starker FreizeiteinSchränkung Überstunden im Beruf nebenberufliche Überstunden starke Freizeiteinschränkung 2134 Abb. 13). Nur werden die Anzeichen von den Betroffenen meist überhört. 9.5.2. Arterielles Pumpsystem Abb. 12 Relatives Herzinfarktrisiko und Tätigkeit. iha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit 9-5 Arbeitsphysiologie Windkesselfunktion Das von der linken Herzkammer ausgeworfene Volumen landet in der Aorta. Diese hat in der Wand elastische Elemente und dehnt sich aus. Ein Dehnungswellen läuft dann vom Herzen nach peripher über die Aortenwand hinweg (Abb. 14). Aufgrund der in den elastischen Fasern gespeichert Energie kann der Druck im Gefäss über die Phase der Diastole aufrecht erhalten werden. Der arterielle Druck sinkt von einem systolischen Spitzendruck (120mmHg) nur auf einen diastolischen Enddruck (80mmHg) ab. So ist auch in der Diastole ein hinreichender Blutstrom in den Organen, z.B. dem Gehirn gewährleistet. 2393 2393 Abb. 13 Herzinfarktzeichen 1084 1084 Abb. 15 zeigt schematisch die Druck-VolumenKennlinie von Arterien und Venen. Oberhalb eines Grundvolumens steigt der Druck in den Gefässen linear mit dem eingefüllten Volumen an. In der Wand sind auch muskuläre Elemente. Die Kennlinie wird durch Aktivierung oder Hemmung des sympathischen Nervensystems verschoben. Die Venen haben im Vergleich ein grosses Füllungsvolumen und nur geringe elastische Kräfte in der Wand. Auf Grund ihrer elastischen Eigenschaften haben die grossen und die kleinen (Arteriolen) Arterien eine runden Querschnitt, während die Venen im Querschnitt mehr Textilschläuchen gleiche. Hinweis: Venen fallen wie Feuerwehrschläuche zusammen, wenn Saugkräfte auftreten. Der rechte Vorhof des Herzens kann also nicht saugend gefüllt werden, sondern nur durch aktiven Volumenzufuhr. Abb. 14 Windkesselfunktion der Aorta. Physische Leistungsfähigkeit: Kreislauf 1085 1085 Abb. 15 Elastische Eigenschaften von Venen und Arterien 9-6 iha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit H. Krueger Arteriosklerose - Arteriolosklerose Bei einer Arteriosklerose werden elastische Elemente der Arterien oder der Arteriolenwände durch Bindegewebe ersetzt, Substanzen treten aus der Blutbahn in die inneren Schichten der Gefässwand über. Diese versteift, wird u.U. gar brüchig und kann ihre druckausgleichende Funktion (Windkessel) nur noch bedingt erfüllen. In einem späten Stadium wird in die Wand Kalk eingelagert (Verkalkung). In Abb. 17 sind einige Risikofaktoren für eine Arteriosklerose zusammengestellt. 2062 2062 Physische Leistungsfähigkeit: Kreislauf Abb. 16 Ansicht der Innenfläche einer normalen Aorta (links) und einer arteriosklerotisch veränderten (rechts) 2061 Abb. 17 Arteriosklerose: Risikofaktoren iha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit 9-7 Arbeitsphysiologie Haut Haut 1647 9.5.3. Venöses Pumpsystem 1647 Wie oben festgestellt kennzeichnen zwei wichtige Eigenschaften das venöse Niederdrucksystem. Die Venen müssen aktiv mit Blut gefüllt werden und das Blutvolumen reicht nicht aus, das ganze Gefässsystem mit Blut zu füllen. Das heisst die Eigenschaften starrer Rohrsystem gelten nicht. der Druck im arteriellen System kann nicht genutzt werden, um das Blut im venösen System per Kontinuitätsgleichung beim Stehen gegen den hydrostatischen druck zu Herzen zurückzuführen. Hier hilft die sogenannte Muskelpumpe. Muskelpumpe Venensystem + Klappen Knochen Knochen 647 Abb. 18 Prinzip der „Venenpumpe“ 1 220 ml 180 ml 100 ml 40 ml 30 ml Stehen 1648 10 ml Gehen 1648 1648 Abb. 19 Blutvolumen in den Beinen abhängig von der Tätigkeit. Für den venösen Rückstrom in der unteren Körperhälfte ist also im Stehen die Bewegung der Muskulatur von grosser Bedeutung. Statische Steharbeit ohne genügenden Bewegungsraum für die Bein lässt einen Anteil des Blutes im Bein versacken (Abb. 19). Hinweis: Personen in Stehberufen insbesondere Frauen klagen am Abend häufig über geschwollenen Beine (Ödeme), Dieses ist immer ein Zeichen für eine ungünstige Arbeitshaltung bzw. unzureichende Arbeitsorganisation. Längere Drucküberlastung des venösen Systems führt zu Krampfadern (Varizen). Sie „beulen“ sich aus. In einem späten Stadium kann es zu einer Zerstörung der Klappen und Venenentzündungen kommen. Ein mögliche prophylaktische Massnahme ist die Kompression der oberflächlichen Venen mit stützenden Massnahmen (Stützstrümpfe). 9-8 iha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit Physische Leistungsfähigkeit: Kreislauf Venensystem + Klappen Der venöse Rückstrom wird durch Betätigung der Muskulatur aktiv unterstützt. Das venöse System in den Beinen ist ein Strickleitersystem aus oberflächlichen und tiefen Venen, die durch Querstege verbunden sind (Abb. 18). Die sich bewegenden Muskeln drücken auf dieses Venensystem. Die inneren Venen finden auf dem Knochen ein festes Widerlager und werden vom dicken Muskelbauch während der Kontraktion flach gedrückt. Klappen in den Venen sorgen dafür, dass das Blut in Richtung Herz verdrängt wird. Die oberflächlichen Venen haben als Widerlager nur die Haut und darunter liegendes Bindegewebe. Wenn dieses erschlafft fehlt ein solches Widerlager und der Flüssigkeitsstrom ist nicht mehr gewährleistet. H. Krueger Atmung Physische Leistungsfähigkeit: Kreislauf Die Atmung mit wechselndem „Überdruck“ und „Unterdruck“ hat eine zusätzliche unterstützende Wirkung für den venösen Rückstrom zum Herzen. iha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit 9-9
