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Herz

Muskel der kontinuierlich funktioniert

Funktionelle Einheiten: Schrittmachersystem Überleitungssystem Myocard Sinusknoten im rechten Vorhof

ist der primäre Schrittmacher,erzeugt die Sponatanaktivität.

nach Atwood, Abb. 7.7A

Aktionspotentiale werden überMuskelzellen, die mit gapjunctions verbunden sind, zumsekundären Schrittmacher(Atrioventriklarknoten)übertragen und weiter zu denrestliche Muskelzellen

RechterVorhof linker Vorhof

Sunus-knoten

Atrio-ventriku-lar-knoten

Vorhofmyokard

Kammermyokard

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Ruhepotential der Zellen ist etwa -70mV, in Atrioventrikularzellen -90mVwenn depolarisiert (auf -70mV), beginnt ein Aktionspotential(etwas anders als bei Nervenzellen)

Abb. 7.7B Atwood

Aufstrich und initialer Gipfeldurch schnellen Na+

Einstrom.Im Plateau: Na+ Leitfähigkeitklein, SpannungsabhängigeCa++ Kanäle offen, K+ Kanäle(in Ruhe offen) sind auchgeschlossen.Repolarisationsphase: Ca++

Leitfähigkeit nimmt ab, K+

Kanäle öffnen. Erst dannwieder Na Kanäle “bereit”

----> lange Refraktärphase (Herz ist unerregbar), -----> limitiert Herzschlagfrequenz

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Falls Herz isoliert ist, z.B. vom Tier entfernt und in einer geeignetenLösung ----> Herz schlägt spontan weiter.

Sinus Knoten ist ein “free running relaxation oszyllator”NachdemRuhepotential wiederhergestellt ist,beginnt langsameDepolaristion (durchlangsamen Einstromvon Na+ und Ca++).Wenn die Schwelleerreicth ist:Aktionspotential.

Herzfrequenz ist durch die Repolarisations- undDepolarisationgeschwindigkeit bestimmt.

Atwood Abb 7.7C

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Frequenz des Feuerns des Sinusknotens kann durch sympatischeInnervation (Norepinephrin als Transmitter) beschleunigt unddurch parasympathische Innervation (Acetycholin als Transmitter)verlangsamt werden.

Wenn des Sinusknoten “feuert”, geht ein Aktionspotential durchbeide Vorhöfe. Zuerst Vorhof “geleert”.

Atrium und Ventrikel sind durch fasriges Gewebe getrennt,darüber keine Übertragung außer über Atrioventrikularknoten.Vom Atriovertrikularknoten geht rasche Fortleitung überspezialisiert Muskelzellen:

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His Bündelrechter und linker Tawara SchenkelPurkinje Fasern

Muskel in der Herzkammer werden in gewisser Reihenfolgedepolarisiert:

Ausbreitung der Aktionspotentiale ist verzögert. Nötig für die geordnete Kontraktion des Herzens.

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Geordnete Bildung und Ausbreitung der Erregung ist wichtig fürPumpfunktion des Herzens.

Kann durch elektrischen Reiz (Stromunfall oder krankhafte Zuständedes Herzens) gestört werden:Unkoordinierte Kontraktion des Herzens: Flimmern

Eine Erregung kann sich erneuern und auf benachbarte Zellenausbreiten. Dann unkoordinierte Kontraktion.

Falls Strom durch das Herz fließt: Alle Fasern kontrahierengleichzeitig, danach unkoordinierte Kontraktion.

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Atwood, Abb 7.7B

Während der absolutenRefraktärperiode ist keineErregung des Herzensmöglich.

Vom Blitz getroffeneüberleben wenn in dernicht vulnerablen Phase:eventuelle Verbrennungen

Wenn Stronfluß in der vulnerablen Phase oder langanhaltend:Flimmern.

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Flimmern kann in vielen Fällen gestoppt werden: Defibrillator

Defibrillator: Flimmern abstellbar, wenn I > 10A über den Körper.Alle Muskelfasern kontrahieren bei Stromfluß gleichzeitig----> erholen sich gleichzeitig ----> danach üblicherweise normale Kontraktion

Kondensator auf 3 kV aufgeladen, großflächige Elektroden (zurVermeidung von Verbrennungen,Strompuls von ca 60A.Schutz des Personals!!

Strompuls sollte in der absoluten Refraktärhase erfolgen

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Stromfluß über den Körper: Bei Berührung von spannungsführendenTeilen: Strom fließt duch den Körper, durch Blutgefäße, Herz,Muskel.

WirkungenIeff Einwirkungsdauer Physiologische Wirkung

0 …1 mA unkritisch nicht oder kaum bemerkbar1-15 mA unkritisch schmerzhafte Wirkung aus Muskel Finger und Arme. Bis zur Krampfschwelle. Lösen von umfaßten Objekten nicht möglich.

15-30 mA Minuten krampfhaftes Zusammenziehen der Arme/Hände/Finger, Atem- beschwerden. Blutdrucksteigerung, Grenze der Erträglichkeit.

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Ieff Einwirkungsdauer Physiologische Wirkung

30-40mA Sekunden … Unregelmäßiger Herzschlag, Minuten Steigerung des Blutdrucks, Starke Krampfwirkung, Bewußtlosigkeit Bei langer Einwirkung im oberen Bereich ---->Flimmern

50-500mA < 1 Herzperiode Schock, kein Flimmern > 1 Herzperiode Flimmern, Strommarken, bewußtlos

0.5 A < 1 Herzperode in vulnerablen Phase: Flimmern bewußtlos, Strommarken

> 1 Herzperode bewußtlos, Strommarken Verbrennungen, reversibler Herzstillstand Bereich der elektischen Defibrillation

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Flimmergrenze auch von Strombahn abhängig:

Flimmergrenze Stromfluß50 mA linke Hand - Brust60 mA rechte Hand - Brust70 mA linke Hand, linker Fuß120 mA linke Hand - Rücken160 mA Hände Rücken>400 mA rechte HAnd - Hals

Loslaßschwelle (let go) ca 20 mA, Flimmerschwelle 50 mA

Stromfluß über den Körper aufgrund des Ohmschen Gesetzes U = R . IHautwiderstand von Berührungsfläche und Feuchtegehalt der Hautabhängig: R = 2000Ω (trocken) bzw. 1000Ω (feucht) bei 90 cm2

Berührungsfläche. Viel weniger bei großer Fläche (Badewanne)

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Stromfluß über den Körper:

Für Stromfluß Berühren beider Leiter nötig (Vogel auf Draht nichtgefährdet)

Technischer Wechselstrom: Ein Pol der Spannungsquelle mit Erdeverbunden (Neutralleiter). Der(die) andere(n) Pol(e) 230 V gegenErde.

Geerdet weil besser definiert als undefiniert geeredet (Erdung hilftDefekte erkennen (z.B. FI).

Über die Füße fast immer Kontakt zur Erde gegeben ---> Berühreneines Pols ist schon gefährlich.Körper ist guter Leiter, da zu 70% aus Flüssigkeit. Großer Widerstand nur am Übergang durch die Haut. ----> Großer Spannungsabfall in der Haut. Da U = R.I und P = U.I ---> P = R.I2. “Strommarken”

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Bei 230V: I = 230 V / 2000Ω = 115 mA, feuchte Hände: 230 V / 1000 Ω = 230 mA, Stromfluß kann daher lebensgefährlich sein

Stromfluß von < 50 mA bei U = 60 V (Berührungsspannung)

Daher: Falls Spannung > 60V:Verhinderung des Stromflusses über den Körper:•Isolation aller spannungsführender Teile (Kabel, Stecker, ... )•Schutzerdung: Gehäuse eines Gerätes ist geerdet (Mit demSchutzleiter verbunden)

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Gehäuse

P

Mp

Erdung Erde

beschädigtes Gerät.Draht berührt Gehäuse

Mensch berührt Gehäuse

Strom zwischen P und Mpfließt über Mensch und Erde

Gehäuse

P

Mp

Erdung Erde

Abhilfe: Gehäuse wird mitErde verbunden. ---->Schutzerden: Gehäuse hatselbes Potential wie Erde

Strom fließt über die Erde stattüber den Menschen

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Steckdose hat SchutzleiterkontaktFarbe für Schutzleiter: Grün-gelb

Problem mit Erdungswiderstand

Falls Erdungswiderstand 10Ω ist bei16A die Berührungsspannung 160V

•Schutzisolation. Gerät hat zusätzlich zur Betriebsisolationzweite Isolation (z.B. Kunststoffgehäuse), die imBeschädigungsfall wirkt. Dann kein Schutzleiter, Stecker fix amKabel. Symbol am Gerät:

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• Fehlstromschutzschaltung

Abb. 21.3 Biologische Physik

Gerät A (in Ordnung): Zufließender und abfließender Strom gleichGerät B (defekt): Abfließender Strom kleiner, da ein Teil überMenschen abfließt. I1+I3 < I1+I4, es fehlt etwas: Fehlstrom IF

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Fehlstrom ist sicheres Zeichen für defektes Gerät, bzw. Stromflußüber Person.

Fehlstrom erkennbar mit Summentransformator

I1

Usek

I2

Falls I1 = I2, Magnetfelderheben sich auf, Usek = 0

Bei Fehlstrom I1 = I2 ---->Usek = 0,Abschaltmechanismus trenntVerbindung

Abb. 21.4 Biologische Physik

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•Schutztrennung: Ungeerdete Stromversorgung über 1:1 Transformator direkt beim Verbraucher (z.B. Rasiersteckdose)----> einseitiges Berühren ungefährlich (Schutztrennung auch bei Sicherheitsklasse 2E Räumen)

• Kleinspannungen. Stomfluß auch bei Berühren zweier Poleungefährlich: 42 V, 24V (Kinderspielzeug)

• Sonderregelungen:• Badezimmer: kein Steckdosen im Gefahrenbereich•Potentialausgleich (alle leitenden Teile miteinander verbunden)•Stall: Gitter im Boden.

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Sicherer Einsatz von elektrischen Geräten in der Medizin

Sicherheitsklasse 1 : FI für 30 mA, Potentialausgleich zwischen leitenden Teilen und Erde (PE) (Bettenraum, Physioterapie, Hydrotherapie, radiologische Diagnostik, Endospkopie, Angiographie, Intensivuntersuchung: Ohne chirurgisches Einbringen von Geräteteilen, Ambulante Chirurgie, ohne Eingriffe in innere Organe) Berührungsspannung < 24V

Sicherheitsklasse 1E : FI für 30 mA, Potentialausgleich zwischen leitenden Teilen und Erde (PE), Ersatzstromversorgung. (Endospopie, Angiographie, Intensivuntersuchung, Entbindungsräume:chirurgisches Einbringen von Geräteteilen, große Chirurgie, Eingriffe in innere Organe) Berührungspannung < 24V

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Sicherheitsklasse 2E : FI für 30 mA, Potentialausgleich zwischen leitenden Teilen und Erde (PE), Ersatzstromversorgung. elektrisch schwebenden Netz (Trenntransformator) (Operationsräume, -nebenräume, chirurgische Ambulanzen, Intensivüberwachung, Herzkatheterräume, klinische Entbidnungsräume chirurgisches Einbringen von Geräteteilen, große Chirurgie, Eingriffe am Herzen, Erhaltung der Lebens- funktionen mit Elektromedizinischen Geräten) Berührungsspannungen < 10 mV

Geringe Berührungsspannung, da z.B. bei einem Herzkatheter derinterkardiale Grenzwert bei 10µA liegt. (10-30µA lösen Flimmernaus)

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HerzschrittmacherBei Störungen des Herzrythmus: Sinusknoten oderAtrioventrikularknoten funktionieren nicht:daher Reizleitungen zum Herzmuskel, die Spannungsiumpulseaussenden und das regelmäßige Schlagen des Herzens stimulieren.

Elektrode wird ins Herz eingesetzt und ersetzt oder unerstützt denherzeigenen Schrittmacher.Es gibt etwa 250 Typen von Herzschrittmachern.Das Gerät wird im Schlüsselbeinbereich oder im Bauch implantiert.

Festfrequenter Schrittmacher: ältester Typ. erzeugt konstantePulsfreqeunz, kann nur verwendet werden, wenn AV Knoten totalgeblockt.Gefahr: Interferenz zwischen künstlichem Reiz und normalgeleiteter Erregung.Dann eventuell Reiz vom Schrittmacher in der vulnerablen Phase.Keine Anpassung an den Bedarf: z.B. Stiegensteigen

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Kammergesteuerter Schrittmacher

Schrittmacher erkennt und verabeitet das Eintreten einer natürlichenKammererregung.Falls Erregung da: kein Puls oder Puls in der Refraktärphase

Vorhofgesteuerter Schrittmacher

Falls Sinusrythmus intakt: Spannung der Vorhofaktivität wird mitElektrode detektiert, Schrittmacher sendet mit der entsprechendenVerzögerung Impuls zur Kammer.Dadurch Anpassung an die physiologischen Gegebenheiten.Frequenzänderungen bei Bedarf etc.

Generelles Prinzip: Demand Herzschrittmacher:Herzaktivität wird überwacht, nur wenn länger als vorgegebeneToleranzzeit ausbleibt ------> Impulse der Herzschrittmachers.(spart Batterie) außerdem:Schrittmacher und Patient “lernen” miteinander unzugehen

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Falls Störung detektiert: Schrittmacher schaltet auf Festfrequenz um.

Störung von Herzschrittmachern: Mikrowellen, Radar hoher Energie, Starke Magnetfelder (z.B. Diebstahlsicherung in Kaufhaus), Berührung geladener Gegenstände oder Entladung einer aufgeladenen Person (meist nur ein extra Herzschlag)

Aktionspotential (und auch Ruhepotential) jeder Muskelzelle ruftein elektrisches Feld hervor. Da die einzelnen Muskel des Herzensnacheinander erregt werden ändert ich die Stärke und die Richtungdes Feldes.

----> Von Außen meßbar: Elektrokardiagramm

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Nochmals: Herzschlag:

Herz schematischR.A. right atrium -- rechter VorhofL.A. linker VorhofR.V. right ventricle

Elektrisches Feld zwischen polarisiertem und nicht polarisierten Teil des HerzmuskelsErregungsvekor zeigt von depolarisiert nachpolarisiert

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Beginn der Depolarisation inVorhof in der Nähe desSinusknotens

Großteil des Vorhofes istdepolarisiert

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Vorhof ist ganz depolarisiert,Weiterleitung nur über demAtriovertrikularknoten (nochnicht erfolgt) ---> kein E-Feld

Beginn der Depolarisationim Ventrikel

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Depolarisation beginnt anmehreren Stellen Depolarisation weit fortgeschritten

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Depolarisation fest beendet

Erregungsvektorvektor ändert seine Richtung

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Erregungsvektor ändert sich ständig (Richtung und Betrag)

Beginn der Depolarisation im Atrium

Depolarisation zu 2/3 fortgeschritten

Depolarisation Atrium beendet

Beginn Depolarisation Ventrikel

weitere Depolarisation Ventrikel

Ventrikel größtenteils depolarisiert

Ventrikel fast ganz depolarisiertVentrikel ganz depolarisert

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Analog bei der anschließenden Polarisation

Zwischen zwei Punkten des Körpers ist eine Spannungmeßbar, die als Projektion des Aktivitätsvektors auf dieVerbindungslinie aufgefaßt werden kann-----> positive und negative Spannungen

Spannungen sind nicht sehr groß, müssen daher verstärkt werden.

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Zuvor: Verstärker. Rechenverstärker (operational amplifier):ist Differezverstärker

+Eingang Ausgang –

Nicht invertierenderEingang (+). PositiveSpannung wird verstärktund kommt als positiveSpannung am Ausgang

Invertierender Eingang (–) ruft verstärkte negative Spannung amAusgang hervor.Falls an beide Eingänge Spannung: Ausgang gibt verstärkteDiffferezspannung.

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Rechenverstärker haben üblicherweise sehr hohe Verstärkung,praktisch unendlich.

Mit Gegenkopplung kann Verstärkung auf einen fixen Werteingestelt werden

Ue + Ua

– 99 kΩ

1 kΩ

0V

Wegen der hohenVerstärkung muß dieDifferenz zwischeninvertierenden und nichtinvertierenden EingangNull sein

D.h.Ua.1 kΩ /(99kΩ + 1kΩ) = Ue

------> Ua=100Ue----> 100 fache Verstärkung

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Signale von medizinischen Geräten, z.B. EKG sind verrauscht

verrauschtes Signal

Nutzsignal

Nutzssignal kann durch ein Tiefpaßfilter erhalten werden.einfachstes Filter:

Ue R C Ua

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EKG Ableitungen:Gute Info: education.med.nyu.edu/courses/courseware/ekg www.m-ww.de/enzyklopädien/diagnosen-therapien/ekg.html Durch Elektroden an der Hautoberfläche.Je nach Position der Elektroden verschiedene Spannungen

Einthofen: Elektroden an den Extremitäten

www.m-ww.de/enzyklopädien/diagnosen-therapien/ekg.html

I IIIII

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Ableitung nach Goldberger

Ableitung nach Wilson (zweiterEingang im Verstärker istMittelwert aus Armen undlinkem Bein

www.m-ww.de/enzyklopädien/diagnosen-therapien/ekg.html

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Spannung

1mVR-Zacke

Q-Zacke S-Zacke

P-Welle T- Welle U-Welle

QT Dauer

ST-Strecke

QRS Komplex

PQ Dauer

Zeit

Bezeichnungen im EKG

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P-Welle: kleine, positive, halbrunde Welle: Erregung der Vorhöfe.Q-Zacke: klein, d.h. weder breit noch tief, erste negative Zacke nacder P-Welle und dem Ende der PQ-Zeit dar. Die Q-Zacke bezeichneden Beginn der Kammererregung.R-Zacke: immer schmal und hoch. Ausdruck der KammererregungS-Zacke: klein. Ende der Kammererregung, Vorhof repolarisiert. T-Welle: breit, groß und halbrund und stellt den ersten positivenAusschlag nach dem QRS-Komplex dar. Erregungsrückbildung, d.hRepolarisation, der Kammern.* U-Welle: sehr klein, positive, halbrund, nicht immer sichtbar.Nachschwankungen der Kammererregungsrückbildung.

EKG charakteristisch für Herzerkrankungen

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www.m-ww.de/enzyklopädien/diagnosen-therapien/ekg.html

EKG nach Herzinfarkt

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Elektromyographie:Zur Erinnerung: Muskel werden von Nerven über die motorischeEndplatte gesteuert. Es gibt also in den Muskel zeitlich veränderlichePotentiale.

Kann z.B. mittels bipolaren Nadelelektroden gemessen werden.Metallnadel Isolator

Feine Spitzen mit Platindrähten

Meist werden Aktionspotentiale einigermotorischer Einheiten erfaßt.

Bei Ruhe oder geringer Willküranspannung; einige Aktionspotentiale

-200µV20ms

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Starke willkürliche Anspannung:

Sehr viele Muskelzellen werden erregt.

Nervenleitungsgeschwindigkeit: durch Messung derZeitverzögerung bis zum Muskelaktionspotential .

Nerv

Reiz Reiz Reiz MuskelpotentialM-Reflex

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H Reflex: Erregung sensorischer Nerven. ReflektorischeAktivierung aus dem Rückenmark entspringender motorischerNerven (dauert ca 20 ms)

Mit Elektromyographie erkennbar: Erkrankungen der Muskel,Entzündungen, Dystrophie, Störung der Innervation,Nervenfunktionsprüfung, ….

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Elektroenzephalogramm EEG

Die elektrische Aktivität des Gehirns (etwa 1011 Neuronen)erzeugt an der Kopfoberfläche niederfrequente nichtperiodischeSpannungsschwankungen.Spannungen an Gehirnoberfläche im Bereich von mV.Darüber Hirnhäute, Flüssigkeit, Knochen. ---> An der Kopfhaut10-150µV.Spannungsschwankungen kommen von:•räumlich und zeitlich synchronisiert Aktivitäten in Nervenzellen•Potentialschwankungen z.B. durch exzitatorischepostsynaptische Potentiale (EPSP),•Hyperpolarisierende (inhibitorische postsynaptische) Potentiale(IPSP)•Spannungsschwankungen zwischen Hirnrinde und Tiefe

Die Aufzeichnung dieser Spannungsschwankung----> Elektroencephalogramm.

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Den Hirnwellen ist normalerweise eine schwankendeGleichspannung überlagert, meistens herausgefiltert.Wichtigste Information der Hirnwellen: Frequenz undAmplitude.

α-Welle f = 8-12 Hz

β-Welle f = 13 - 30 Hz

δ-Welle f = 3 … 3.5 Hz

Θ-Welle f = 4…7 Hz

1s

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Gehirn in Ruhe und Entspannung: Alpha-Wellen abgeleitet,Amplitude der Spannungen kleiner als 50µV

Gehirn in Denkphase: Beta-Wellen, Frequenz höher (ca. 14 - 32Hz) und Amplitude <30µV.

Schlaf: Delta-Wellen, große Amplituden (100 - 150µV)Frequenzbereich von 1 - 4Hz.

Streß und psychische Störung: Theta-Wellen. Amplitudenvon etwa 50 - 100µV und Frequenzen von 4 - 7Hz.

Ableitung der Potentiale: mit Elektroden am Kopf ( Punkte fürElektroden sind international genormt)

Unipolar und bipolar möglich

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Unipolar, Ohr alsReferenzpunkt

Andere Variante:Mittelwert allerSpannungen als Referenz

Bipolar, Differenz zwischenbenachbarten Punkten

üblicherweise wenigerSpannungAber: gute Lokalisierung derPotentiale, jedochgroßflächige Aktivitätennicht bemerkt

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Da Spannung sehr klein:viele Störsignale: gute Abschirmung des Raumes,aber auch körpereigene Störungen:Lidschlag, Augenbewegungen, Schwitzen, Pulswellen, EKG,Muskelaktivität. EEG abhängig von Alter, Aktivitätszustand,Sauerstoffbedarf, Blutzucker, pH Wert des Bluts.Bei provozierten EEG Signalen: Mehrfachmessungen und Mittelwert,um die evozierten Potentiale besser zu erkennen

Da EEG nur ein Summensignal ist kann keine Aussage über dievielfätigen Gehirnfunktionen gemacht werden, aber:Frequenz, Ort, Zeitfunktion, Reaktion auf Stimulation oderProvokation geben wichtige Infos:Linke und rechte Hirnhälfte müssen in Frequenz und Amplitude+30% übereinstimmen (sonst pathologisch)EEG sowohl mit als auch ohne Stimulus ist anders, wenn Tumoroder Schlaganfall oder Blutung)

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Falls Rezeptor gereitzt wird: Verarbeitung der Reizmeldung imGehirn durch Potenialänderungen (evozierte Potentiale) meßbar.

Beispiel visuell evoziertes Potential VEP vom SchachbrettmusterAbb. 6.57 Tritthart

Nach kurzem akustischem ReizEAEP (frühe akustisch evoziertePotentiale).

Wahrnehmung sensibler Hautreize:Somatosensorisch evoziertePotentiale im Rückenmark undGehirn

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Weitere Möglichkeiten elektrische Potentiale aufzuzeichnen:

Elektroretinogramm (ERG):Optische Achse und Achse, welche einen elektrischen Dipolbildet, fallen zusammen.Hinterer Augenpol (Netzhaut) ist dabei negativ gegen dieHornhaut.Potentialdifferenz bei Dunkeladaption etwa 6mV.Bei einem Lichtreiz wird der hintere Augenpol sprunghaftpositiver.Resultierende Spannungsschwankung ergibt das ERG.Aufzeichnung mittels Haftschalenelektrode an der Hornhautund einer zweiten Elektrode an der Schläfe.

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Elektrookulogramm (EOG): Durch Änderung derBlickrichtung bewegt sich auch der Augendipol,----> im umgebenden GewebeSpannungsschwankungen.Die elektrischen Signale werden an beiden Schläfenabgeleitet.Elektronystagmogramm (ENG): Die okulographischeAufzeichnung der Zitterbewegungen des Auges.

Elektroneurogramm: Ableitung und Aufzeichnung vonelektrischen Aktivitäten verschiedener Nervengewebe.Elektrodermatogramm: Aufzeichnungen derGleichspannungsschwankungen zwischen zwei Hautstellenmit verschiedenen Feuchtigkeitsgraden.

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Elektroolfaktogramm: Im Riechepithel auftretendeAktionsspannungen nach Reizung mit Duftstoffen werdenaufgezeichnet.Elektroatriogramm: Aufzeichnung der vom Sinusknotenausgehenden Erregungswelle im Herzvorhof