Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
 

     
Physiologie des Herzens

 Untersuchung der Herzfunktion
© H. Hinghofer-Szalkay
Auskultation: auscultare = aufmerksam zuhören (auris = Ohr)
Doppler-Effekt: Christian Doppler
Elektrokardiogramm: ἤλεκτρον = Bernstein, καρδία = Herz, γράμμα = Geschriebenes
Fick'sches Prinzip: Adolf E. Fick
Infarkt: farcire = füllen, stopfen
Sonographie: sonare = tönen, klingen; γραφή = Schrift
 Sphygmographie: σφύγμός = Puls, Herzklopfen
Swan-Ganz-Katheter: Jeremy Swan, William Ganz
Das Herz gibt Signale von sich, die auf seinen Zustand schließen lassen:

     -- Elektrisch: Mittels EKG kann der Erregungsablauf registriert und analysiert werden

     -- Akustisch: Herztöne (und Herzgeräusche) sind von Klappenspiel und Blutströmung beeinflusst

     -- Biochemisch: Blutanalysen lassen erkennen, ob geschädigte Zellen biochemische Marker ans Blut abgeben

     -- Mechanisch: Auch Pulskurven geben Auskunft über Details des Herzschlages.

 Herztöne (S1, S2, ..) und allfällige Herzgeräusche werden mittels Stethoskop abgehört (Auskultation); ihre Registrierung wird als Phonokardiographie bezeichnet, das Ergebnis ist ein Phonokardiogramm (PKG). Carotis-Pulskurven (Sphygmogramme) zeigen die Dauer der Austreibungszeit an. In Kombination mit einem PKG (S2: Beginn der Diastole) sowie einem EKG (QRS-Komplex: Beginn der ventrikulären Erregung) kann die Dauer der "Vorbereitungsphase" der Ventrikelaktion (pre-ejection period) mit der Dauer der Austreibungszeit in Beziehung gesetzt und die Effizienz des Herzschlags abgeschätzt werden.
Beklopfen des Thorax (Perkussion) oder Aussenden von Ultraschallpulsen, und die Analyse akustischer Reflexionen lassen Rückschlüsse auf Strukturen, Bewegungen und Strömungen zu (Sonographie, Echokardiographie). Ultrasonografische Untersuchung des Herzens (Echokardiographie) erlaubt morphologische und zeitliche Zuordnungen sowie die Messung der Bewegung von Gewebe (Myokard, Gefäßwände) und Blut (Perfusion, Wirbelströmungen).

Nichtinvasive Verfahren erlauben u.a. die Abschätzung von Blutvolumina, die sich in den Herzräumen befinden. Die Effizienz der Pumpaktion kann über den Anteil (Schlagvolumen) des enddiastolischen Volumens ermittelt werden, der systolisch ausgeworfen wird. Diese ejection fraction sollte mindestens 50% betragen.

Invasiv ist das Vorschieben eines Herzkatheters zum Herzen (arteriell oder venös). So können elektrische Signale herznahe abgeleitet, Drucke und Bluttemperatur gemessen, Indikatorstoffe injiziert werden. Solche Maßnahmen sind nur invasiv möglich, erlauben aber u.a. eine verlässliche Bestimmung des Herzminutenvolumens.


Übersicht EKG-Diagnostik Systolische Zeitintervalle Echokardiographie (Sonographie)    Ermittlung des Schlagvolumens  Nuklearmedizinische Untersuchung Enzymbestimmungen Invasive Methoden Herzminutenvolumenbestimmung

    Echokardiographie / Sonographie

Core messages
     
Wie beurteilt man Zustand und Funktionsfähigkeit des Herzens?
 
Kardiologische Untersuchungsmöglichkeiten reichen von der Beobachtung des Patienten (Kurzatmigkeit? Fallneigung? Verhalten und mentale Leistung? usw) über einfache Untersuchungen (Herzschall, Blutdruck, ...), Laboruntersuchungen (myokardspezifische Enzyme etc), Belastungstests (Ergometrie), EKG, bildgebende Verfahren (CT, Ultraschall, ...), Herzkatheteruntersuchungen bis hin zu molekularbiologischen Untersuchungen (Biopsie).
 
 
Abbildung: Echokardiographischer Untersuchungsplatz
(Wikipedia)
Untersucht wird u.a. auf Funktionsstörungen des Myokards, der Aorten- und der Mitralklappe

Über Herzschall s. dort

 Über Herzqualitäten (Chronotropie, Inotropie etc) s. dort
 
Über Herzfrequenzvariabilität s. dort

 
  Anamnese und körperliche Untersuchung

      Gesamteindruck, Bewusstseinslage (eingeschränkt?)

      Auskultation , Perkussion
 
      Organfunktionen (Durchblutung?)
 
      Kreislauffunktion (Blutdruck stabil?)
 
Folgende 5 Kriterien sind bei der Erstuntersuchung besonders zu beachten: Arterieller Puls (Frequenz, Intensität), Blutdruck (sytolisch / diastolisch), Jugularvenenpuls, Herzspitzenstoß an vorderer Brustwand (ictus cordis), Herztöne / -geräusche.

   Apparativ-diagnostische Verfahren

      Elektrokardiographie , Phonokardiographie, Echokardiographie ( Abbildung: Untersuchungsplatz), Myokard (perfusions) szintigraphie (99mTechnetium wird nur von gesunden Herzmuskelzellen aufgenommen), Röntgenuntersuchung (Computertomographie).
 
     Die Auswurffraktion (ejection fraction) gibt an, welcher Prozentsatz der enddiastolischen Füllung während der Systole ausgeworfen wird (normalerweise ≥0,5). Sie lässt sich z.B. mittels Ultraschall-Bildgebungsverfahren bestimmen, meist kombiniert mit Doppler-Sonographie.
 
     Untersuchungen können bei körperlicher Ruhe oder während / nach Belastung (Ergometrie) vorgenommen werden (kardiale Reserve, koronare Flussreserve: Maximale Koronarperfusion unter Belastung / Koronarperfusion in Ruhe). Das zeigt auf, wie gut das Myokard bei Bedarf seine Pumpfunktion steigern kann. Normalerweise lässt sich das Herzzeitvolumen mindestens 4-fach erhöhen (bei erwachsenen Personen von ~5-7 auf ~20-30 Liter/Minute), insbesondere bei gutem Trainingszustand.
 
Elektrokardiographie
 
Das normale EKG besteht aus drei Teilen: Der P-Welle (Ausbreitung der Erregung über beide Atrien), dem QRS-Komplex (Ausbreitung der Erregung über beide Ventrikel) und der T-Welle (Repolarisierung beider Ventrikel). Getrennt sind diese Teile durch die PQ-Strecke einerseits (Atrien erregt, Ventrikel unerregt), die ST-Strecke andererseits (Atrien unerregt, Ventrikel erregt); während dieser Abschnitte sind von der Körperoberfläche keine Potentialänderungen ableitbar. Die Repolarisierung der Vorhöfe ruft ebenfalls keine ausreichend starken Potentialänderungen hervor, um im EKG deutlich zu werden (und das Signal wird vom wesentlich stärkeren der Ventrikelerregungsausbreitung überlagert).
 
Abbildung: Bipolare Ableitungen nach Einthoven
Nach einer Vorlage bei Plonsey/ Malmivuo / Plonsey, Bioelectromagnetism - Principles and Applications of Bioelectric and Biomagnetis Fields. Oxford University Press 1995
Dieses Schema erlaubt die Ableitung von EKG-Signalen von den Extremitäten bei 0°, 60° und 120°. Ableitepunkte sind die Haut im Bereich der beiden Handgelenke (bezeichnet als R und L) sowie die Haut im Bereich des linken Fußgelenks (bezeichnet als F). Am rechten Fußgelenk wird ebenfalls eine Elektrode angebracht, diese Stelle dient als "Masse"-Bezugspunkt (nicht gezeigt).

Die Extremitäten dienen als leitendes Gewebe (elektrolythältige extrazelluläre Flüssigkeit) zwischen Körperstamm und Registrierelektroden, die Ableitestellen über Hand- und Fußgelenk minimieren einen allfälligen Störeinfluss durch elektrische Aktivität von Skelettmuskeln (EMG)
 
Elektrokardiographische Ableitungen können - wie auch andere extrazelluläre Ableitungen - unipolar oder bipolar vorgenommen werden, d.h. sie stellen die Signale von einem differenten gegen einen indifferenten Ableitepunkt dar (unipolar) oder sie vergleichen die Potentiale zweier differenter Ableitepunkte (bipolar).

Der elektrische Potentialverlauf an einem differenten Ableitepunkt ist von dem interessierenden Biopotentialverlauf wesentlich beeinflusst, d.h. das Potential an dieser Stelle unterliegt Schwankungen, die von dem Organ von Interesse (in diesem Fall dem Herzen) in messbarer Weise bestimmt werden.

Im Falle der Extremitätenableitungen nach Einthoven werden jeweils zwei differente Punkte für bipolare Ableitungen verwendet ( Abbildung). Sie erlauben mit ziemlicher Präzision die "Projektion" des Verlaufs der elektrischen Herzaktivität auf die Frontalebene des Körpers, mit Winkellagen von 0° (Ableitung I), 60° (Ableitung II) und 120° (Ableitung III).
  
Bipolare Extremitätenableitungen nach Einthoven:

 Ableitung I - rechter Arm → linker Arm (0°)
Ableitung II - rechter Arm → linker Fuß (60°)
Ableitung III - linker Arm → linker Fuß (120°)
 
 
Abbildung: "Pseudo-unipolare" Ableitungen nach Goldberger
Nach einer Vorlage bei Plonsey/ Malmivuo / Plonsey, Bioelectromagnetism - Principles and Applications of Bioelectric and Biomagnetis Fields. Oxford University Press 1995
Dieses Schema schaltet jeweils zwei differente Punkte über einen Widerstand von jeweils 5 Kiloohm zu einem Vergleichspotential zusammen, dessen Verlauf weitgehend, aber nicht vollständig unabhängig vom EKG (und daher "pseudo-indifferent") ist. Der differente Ableitepunkt ist jeweils einer der drei auch bei Einthoven verwendeten Hautstellen (R. L, F). Die Ableitungen werden dann als aVR, aVL und aVF bezeichnet (aV = augmented vector), sie zeigen jeweils zu der differenten Stelle (Winkelbezüge sind unten angegeben).
 
Am rechten Fußgelenk wird ebenfalls eine Elektrode angebracht (nicht gezeigt), sie verbindet den Körper mit der "Masse" des EKG-Gerätes

Da das Herz den Potentialverlauf praktisch der gesamten Körperoberfläche (also an beliebigen Ableitestellen der Haut) beeinflusst, bietet die Haut kaum einen geeigneten indifferenten Bezugspunkt. Will man einen solchen erhalten, muss er kreiert werden - beispielsweise bei Brustwandableitungen durch "Addition" der Potentiale dreier differenter Punkte.

Im Falle der Extremitätenableitungen kann man durch wechselweises Zusammenschalten jeweils zweier der bei Einthoven definierten Ableitepunkte Vergleichspotentiale gewinnen, die ("pseudo-indifferente") Bezugspotentiale liefern. So ergeben sich die pseudo-unipolaren Ableitungen nach Goldberger, die zur rechten Hand (aVR), linken Hand (aVL) und zum linken Fuß (aVF) weisen (aV steht für augmented vector). Die Winkelbezüge sind nunmehr -150°, -30° und 90° ( Abbildung).
  
Pseudounipolare Extremitätenableitungen nach Goldberger:

aVR-Ableitung zum rechten Arm  (-150°)
aVL-Ableitung zum linken Arm (-30°)
aVF-Ableitung zum linken Fuß (90°)

Die 6 Extremitätenableitungen bilden eine komplette 30°-Abdeckung in der Frontalebene, von aVL (-30°) über I (0°), -aVR (30°), II (60°), aVF (90°) bis III (120°). Die Abfolge dieser Ableitungen wird im Cabrera-Kreis (hexaxial reference system, Cabrera system - Abbildung) dargestellt.

In den Cabrera-Kreis kann man die verschiedenen Lagetypen des EKG projizieren. Der Lagetyp ist durch die Richtung des intensivsten Vektors im QRS-Komplex (also der Erregungsausbreitung über die Ventrikel, s. unten) definiert:
Physiologische Lagetypen:

 Linkstyp: -30° bis 30°
Indifferenztyp (Mitteltyp): 30 bis 60°
Steiltyp (Semivertikaltyp): 60° bis 90°
Rechtstyp (Vertikaltyp): 90° bis 120°
 
Der Lagetyp ist abhängig von der Anatomie (situs inversus?) und Herzphysiologie (Hypertrophie?..), aber auch von Konstitutionstyp (breiter / schmaler Thorax), Atemtiefe (Inspiration stellt das Herz auf), Körperlage (liegen / sitzen / stehen), Füllungszustand des Bauches, Schwangerschaft (→links), Alter (steil → links) u.a.
 
 
Abbildung: Unipolare Brustwandableitungen nach Wilson
Nach einer Vorlage bei Plonsey/ Malmivuo / Plonsey, Bioelectromagnetism - Principles and Applications of Bioelectric and Biomagnetis Fields. Oxford University Press 1995
Diese Ableitepunkte liegen ungefähr auf einer Horizontalen. Ihr - differenter - Potentialverlauf wird jeweils gegen den - indifferenten - Zusammenschluss (mit zwischengeschalteten Widerständen) der drei Extremitäten-Ableitepunkte (s. oben) geschaltet. Dadurch ergeben sich unipolare Ableitungen, die im Wesentlichen auf eine transversale Schnittebene (also etwa rechtwinkelig auf die Extremitätenableitungen) projizieren.
 
Die Haut im Bereich des rechten Fußgelenks dient wiederum als Masse-Bezugspunkt

Eine "perfekte" Projektion der Abläufe, die aus der elektrischen Aktivität des Herzens resultieren, wäre gegeben, wenn das Herz im Mittelpunkt einer elektrisch homogenen Kugel läge, von deren Oberfläche man EKG-Signale ableitet. In der Realität ist der Körper weder homogen noch kugelförmig, und daher sind die ableitbaren Signale nur näherungsweise auf Körperflächen bzw. -ebenen bezogen.

So ist das auch bei den unipolaren Brustwandableitungen nach Wilson: Der Zusammenschluss der drei Extremitätenpunkte (oben) ergibt (idealisiert nach der Kirchhoff'schen Regel, da die Extremitätenableitungen jeweils um 60° gegeneinander gewinkelt sind und sich der Zusammenschluss der drei Ableitepunkte ein Nullpotential ergeben müsste - analog zum Dreiphasen-Drehstrom). Tatsächlich ergeben die resultierenden sechs Ableitungen (V1 bis V6 - Definition der Ableitepunkte siehe Abbildung) brauchbare Annäherungen an ein "Abtasten" der EKG-Signale entlang einer horizontalen Projektion (Transversalebene).
 
 
Abbildung: Schematische Projektion von Extremitäten- und Brustwandableitungen auf die drei Schnittebenen des Körpers
Nach einer Vorlage bei Plonsey/ Malmivuo / Plonsey, Bioelectromagnetism - Principles and Applications of Bioelectric and Biomagnetis Fields. Oxford University Press 1995
Zu den Körperebenen vgl. dort. In der Projektion auf die Sagittalebene dienen die Ableitungen V2 (Wilson) sowie aVF (Goldberger) als Referenzen für 0° und 90°. In der Frontalebene (Blick von vorne auf den Körper) liegen die Extremitätenableitungen in 30°-Intervallen. Die Brustwandableitungen projizieren auf die Transversalebene (horizontal), in idealisierter Darstellung ebenfalls in 30°-Sektoren

In der Realität projiziert das Herz auf die Brustwand-Ableitepunkte mit unterschiedlicher Intensität; beispielsweise sind (meistens) die Signale von V2 bis V4 besonders stark und die EKG-Zacken bzw. Wellen entsprechend hoch - abgesehen von der Winkelprojektion der einzelnen Phänomene.

Der Ablauf der elektrischen Abläufe kann mit der dreidimensionalen Bewegung eines Lichtpunktes verglichen werden, der nach vorübergehenden "Ausflügen" immer wieder in einen stabilen Ausgangspunkt zurückkehrt.

Das liegt an den ausgeprägten kapazitiven Eigenschaften der Gewebe zwischen Herz und Ableiteelektrode: Sobald ein bestimmtes Potentialmuster stabil (zeitlich unverändert) bleibt, fällt ein allfälliger Potentialunterschied (an der Quelle, d.h. im Herzen) an der Haut - zwischen zwei Ableitestellen - in ein stabiles Nullpotential zusammen. Im EKG ableitbar sind daher immer nur zeitliche Veränderungen (Differentiale) von Potentialmustern in / auf dem Körper. Konstante Potentialunterschiede (z.B. Verletzungspotentiale, wie bei Herzinfarkt) bleiben ohne (bleibende) Auswirkung auf das EKG.

Das ist auch der Grund, warum jede Welle / Zacke im EKG von einer stabilen Mittellinie (der Isopotentiallinie, isoelectric state) aus startet und dann wieder in diese zurückfällt.

Die elektrischen Phänomene während Änderungen der Erregungssituation im Herzen bilden sich also im EKG als Exkursionen von der Isopotentiallinie ab - je nach Aussehen dieser Abweichungen spricht man von "Wellen" (P-, T-Welle) oder "Zacken" (Q, R, S-Zacke, zusammen als QRS-Komplex bezeichnet). Diese Phänomene haben jeweils eine bestimmte Größe und Richtung, die als räumliche Vektoren darstellbar sind.

Der zeitliche Verlauf dieser Vektoren bildet sich auf die verschiedenen EKG-Ableitungen ab. Steht - zu einem bestimmten Zeitpunkt - der betreffende Vektor parallel zu einer Ableitung, so bildet er sich in dieser maximal ab; steht er im rechten Winkel (90°) zu dieser Ableitung, bildet er sich in ihr nicht ab. Daher ist es auch sinnvoll, mehrere Ableitungen gleichzeitig aufzuzeichnen, weil man dann auch Phänomene erkennt, die sich in einer einzigen Ableitung womöglich nicht abbilden würden.
  

Abbildung: Vektorschleifen
Nach Yang H, Bukkapatnam STS, Komanduri R: Spatiotenporal representation of cardiac vectorcardiogram (VCG) signals. BioMed Eng OnLine 2012; 11: 16
Dreidimensionale Projektionen eines physiologischen Vektorverlaufs. Hervorgerufen wird die P-Schleife durch den Lauf der Erregung (Depolarisierung) über die Muskulatur der Vorhöfe, die QRS-Schleife entsteht durch die Ausbreitung der Erregung über das Ventrikelmyokard, die T-Schleife ist das Ergebnis der Erregungsrückbildung (Repolarisierung) im Ventrikelbereich
 
  Körperachsen vgl. dort

Registriert man den Verlauf der Vektoren nicht eindimensional als Funktion der Zeit (EKG), sondern auf eine Fläche projiziert (also zweidimensional, z.B. auf die Frontalebene 0° vs. 90°), erhält man sogenannte Vektorkardiogramme (VKG). In diesen sieht man statt Wellen schleifenförmige Gebilde (Vektorschleifen), die aus einem stabilen Raumpunkt (entsprechend der Isopotentiallinie im EKG) herauswachsen ( Abbildung) und wieder in diesen zurückfallen (P-Schleife, QRS-Schleife, T-Schleife).

Der Vorteil des VKG ist die klare räumliche Darstellung, der Nachteil der Verlust der Zeitinformation.

Die Darstellung der Vektorschleifen ist auch dreidimensional möglich, als räumliche Projektion eines Vorgangs, der aus dem stabilen Nullpunkt des Isopotentialzustandes (die PQ-Strecke und ST-Strecke liegen normalerweise ebenfalls in diesem Punkt) "herauswächst" und wieder in diesen zurückfällt (P-Schleife, QRS-Schleife, T-Schleife).

Welches sind nun die typischen Zacken und Wellen eines normalen EKG? Besonders sticht (in den meisten Ableitungen) die R-Zacke hervor - sie entsteht durch die Erregungsausbreitung im Ventrikelmyokard und kündigt damit die Systole an. Der zeitliche Abstand der R-Zacken (das RR-Intervall) wird routinemäßig als Kriterium für die Messung der Herzfrequenz herangezogen:
 
Verkürzung des RR-Intervalls bedeutet Erhöhung der Pulsfrequenz
 

Abbildung: Referenzwerte der Anteile eines normalen EKG
Nach einer Vorlage in Heinecker, EKG in Praxis und Klinik, 12. Aufl. Thieme 1986
Die QT-Dauer (Beginn Q-Zacke bis Ende T-Welle) wird auch als QT-Intervall bezeichnet

Die Teile des EKG sind Kurven und Zacken, die aus der Isopotentiallinie (“Nulllinie”) herausragen. Das normale EKG besteht aus einem Vorhofteil und einem Kammerteil.

Der Vorhofteil enthält die
 
     P-Welle: Sie entsteht durch die Erregungsausbreitung über die Vorhöfe; und die
 
     PQ-Strecke: Sie zeigt, dass sich die Erregungsfront auf dem Weg in die Kammern befindet.
 
Der Kammerteil besteht aus

   QRS-Komplex: Dieser entsteht durch die Erregungsausbreitung über die Ventrikel. Der Ablauf ist räumlich-zeitlich kompliziert gegliedert, daher stellt sich der QRS-Komplex meist mehrzackig dar;
 
     ST-Strecke: Sie zeigt an, dass die Ventrikelmuskulatur erregt ist. Die Zellen des Herzmuskels sind lange (~0,3 Sekunden) refraktär. Dies schützt vor einer zusätzlichen Erregung, die den Ablauf des Herzschlages stören könnte;
 
     T-Welle: Sie entsteht durch die Erregungsrückbildung in den Ventrikeln.
 
Das QT-Intervall (=QT-Dauer) kann bei genetisch bedingter Inaktivierung spannungsgesteuerter Calciumkanäle verlängert sein.
   
P-Welle: Erregungsausbreitung über die Vorhöfe
 
PQ-Strecke: Atrioventrikuläre Überleitung
  
QRS-Komplex: Erregungsausbreitung über die Ventrikel (Dauer 60-100 ms)
  
ST-Strecke: Ventrikel sind erregt
  
T-Welle: Erregungsrückbildung der Ventrikel

Ein verlängertes QT-Intervall weist auf verzögerte Repolarisation hin
  
Die wichtigsten Kriterien zur Beurteilung eines EKG:

    Dauer der einzelnen Teile
 
    Größe (Amplitude)
 
    Lagetyp
 
     Rhythmik der Vorhof- und Kammerteile
 
    Muster, das die Teile des EKG bilden.

Eine räumliche Darstellung gibt die Vektorkardiographie. P-Welle, QRS-Komplex und T-Welle nehmen die Form von Schleifen an, die von einem Mittelpunkt (entsprechend der Isopotentiallinie des EKG) ausgehen und in ihn zurückkehren.

Das EKG ist pathologisch verändert bei

       Schädigungen des Myokards (z.B. Durchblutungsstörungen, Infarkt-EKG )

      Störungen der Erregungsbildung und Erregungsleitung (z.B. Extrasystolen)

      Elektrolytstoffwechselstörungen (veränderte Kalium-, Calciumwerte im Blut).

 
Abbildung: Klassische Versuchsanordnung zur Ableitung eines EKG
Nach Barron SL, Development of the electrocardiograph in Great Britain. Br Med J 1: 720-5, 1950
Kommerziell erhältliche EKG-Registrierstation aus dem Jahre 1911. Begleittext: "Photograph of a complete electrocardiograph, showing the manner in which the electodes are attached to the patient, in this case the hands and one foot being immersed in jars of salt solution."
 
Die Registrierung der Spannungsschwankungen erfolgte mit einem Galvanometer

Elektrische Ableitungen kardialer Aktivität wurden bereits im 19. Jahrhundert vorgenommen (Carlo Matteuchi: Taubenherzen, Augustus D. Waller: Hundeherzen). Willem Einthoven  untersuchte die Veränderung von Oberflächenpotentialen, die mit der Herztätigeit zusammenhängen, legte  mathematische Grundlagen und Formalisierungen fest („Einthoven-Dreieck“ ) und beschrieb  zahlreiche pathologische Veränderungen. 1924 wurde er "für seine Entdeckung des Mechanismus des Elektrokardiogramms“ mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin geehrt.
 
Systolische Zeitintervalle
 
Die Bestimmung der "systolischen Zeitintervalle" ist eine einfache, weniger aussagekräftige Alternative, nichtinvasiv einen Einblick in die Herzfunktion zu erhalten ( Abbildung):
 

Abbildung: Bestimmung der systolischen Zeitintervalle
Nach einer Vorlage bei Weissler AM, Systolic-Time Intervals. N Engl J Med 1955; 296: 321-4
Aus Pulskurve von der Halsschlagader (oben), Phonokardiogramm (Mitte) und EKG (unten) lassen sich die Austreibungszeit des linken Ventrikels (LVET, aus Pulskurve) und die 'pre-ejection period' (PEP: Beginn QRS-Komplex bis Beginn 2. Herzton) ermitteln.
 
Je höher der Zeitbetrag der LVET als % von PEP, desto besser (suffiziente Herztätigkeit)

Gleichzeitige Ableitung
     einer Pulskurve (Sphygmogramm ) von einem herznahen Gefäß (a. carotis), sie zeigt die Dauer der Austreibungszeit des linken Ventrikels an (Systole: left ventricular ejection time, LVET);

     eines PKG (Phonokardiogramm) - es zeigt den Zeitpunkt des Übergangs von Systole zu Diastole an (Kriterium: Beginn des 2. Herztons); und

      eines EKG (Elektrokardiogramm) - es zeigt den Beginn der Erregungsausbreitung im Ventrikel an (QRS-Komplex).


  Man bestimmt die Zeit von Beginn des QRS-Komplexes bis zum Beginn des 1. Herztons - diese Dauer nennt man die "pre-ejection period" (PEP)

  Aus der Pulskurve bestimmt man die LVET

  Die Summe der beiden Zeiten wird als die Dauer der "elektro-mechanische Systole" bezeichnet ( Abbildung).

 Bewertung: Die Dauer der elektro-mechanischen Systole sollte möglichst für die Austreibungszeit (LVET) genutzt sein, die PEP relativ kurz dauern (niedriger PEP/LVET-Quotient deutet auf gute Kontraktilität hin).
 
Gefäßpulsationen
 
Die Pulsation herznaher Gefäße kann mit mechanischen Aufnehmern registriert werden (Sphygmographie), oder unter Zuhilfenahme von Ultraschall-Gefäßdarstellungen, z.B. von der Halsschlagader ( Abbildung).


Abbildung: Ultraschall-Scan von der Halsschlagader
Nach einer Vorlage in hopkinsmedicine.org
Dopplersonographie der Halsschlagader ermöglicht die Darstellung der Wanddicke sowie die Abschätzung der Elastizität und der Fließgeschwindigkeit des Blutes. Gefäßveränderungen lassen Rückschlüsse auf die Durchgängigkeit insbesondere der a. carotis interna und damit auf die Hirndurchblutung zu.

Schon ein Wechsel von liegender zu aufrechter Körperposition senkt physiologischerweise die Hirndurchblutung
 
Über den Venenpuls s. dort
 
Sonographie / Echokardiographie
  
    Als Echokardiographie bezeichnet man die Untersuchung des Herzens mittels Ultraschall. Echokardiographische Methoden werden zur quantitativen Bewertung der Arbeit des Herzens herangezogen. Aus dem aufgefangenen Signal wird ein Bild rekonstruiert. Die Verwendung von Ultraschall zur Darstellung anatomischer Strukturen mit unterschiedlichen Reflexionseigenschaften nennt man Sonographie .

Die Untersuchung kann transthorakal oder transösophageal durchgeführt werden. Grenzflächen anatomischer Strukturen reflektieren eingestrahlten Ultraschall (transthorakal 2-4 MHz, bei Kindern 5 MHz; transösophageal 5-10 MHz - je geringer die Wellenlänge bzw. höher die Frequenz, desto besser ist die räumliche Auflösung) je nach akustischer Dichte der Gewebe unterschiedlich. Die Ultraschall-Pulse dauern nur Mikrosekunden, gefolgt von einer Millisekunde Registrierung der reflektoerten Schallwellen. Dieser Vorgang wiederholt sich 1000-mal pro Sekunde. Aus dem reflektierten Schallsignal rekonstruiert der Computer ein Bild der Strukturen des Herzens und deren Bewegungen ( Abbildung).
 

Abbildung: EKG, Herztöne und Echokardiogramm
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021
Diese Registrierungen erfassen elektrische (EKG), akustische (PKG) und sonographische Zeichen der Herzaktivität. Im Echokardiogramm lassen sich die Bewegungen der Klappen (Schließen / Öffnen) und damit Zeitmarken der mechanischen Herzaktion darstellen.

Ultraschallkardiographie (UKG) / transthorakale Echokardiographie (TTE) wird von verschiedenen Positionen vorgenommen: Parasternal (3.-5. Interkostalraum), apikal (7.-9. Interkostalraum), subkostal oder suprasternal. Manchmal ist auch eine transösophageale Darstellung sinnvoll

Je nach Zielsetzung und Fragestellung werden unterschiedliche Sonomodi verwendet:

     Im M-Mode erfolgt eine eindimensionale Darstellung von Bewegungsabläufen (motion) von Ventrikelwand, Klappensegel etc als Funktion der Zeit (Ort-Zeit-Diagramm, auch TM-mode nach time motion). Die untersuchende Person haltet den Transducer auf eine fixe Stelle der Brustwand, Resultat ist ein eindimensionales Schnittbild, die Bewegung der betreffenden Strukturen (Herzwand, Septen, Klappen) stellt sich am Bildschirm dar. Durch Schwenken des Schallkopfs ändert sich die Schnittlinie.

     Im A-Mode (A für amplitude modulation) wird auf der x-Achse die Eindringtiefe und auf der y-Achse die Echostärke dargestellt. Je höher der Ausschlag, desto echogener ist das Gewebe in der jeweiligen Tiefe.

     Im B-Mode (B für brightness modulation) wird die Echointensität in Helligkeit umgesetzt. Durch Bewegen der Sonde überstreicht der Messstrahl eine Fläche ungefähr senkrecht zur Hautoberfläche. Der Grauwert der Bildpunkte ist ein Maß für die Amplitude des Echos an dieser Stelle. Im zweidimensionalen (2D-) Echtzeitmodus wird ein Schnittbild des Gewebes durch Verschwenkung des Messstrahls und Synchronisierung der B-mode-Darstellung in Echtzeit erzeugt. Man kann sehen, wie z.B. eine Arterie pulsiert.

     Mittels zweidimensionaler Echokardiographie (2-D Modus) können linksventrikuläre Volumina abgeschätzt werden: Das enddiastolische (LVEDV: left ventricular end-diastolic volume) und endsystolische Volumen (LVESV: left ventricular end-systolic volume), also das Restvolumen. Daraus errechnet sich das Schlagvolumen (SV: LVEDV - LVESV) und die Auswurffraktion (LVEF, left ventricular ejection fraction: SV / LVEDV).
 
Echokardiographische Abschätzungen des Volumens des rechten Ventrikels sind wegen der komplexen Form schwierig. Der linke Ventrikel erscheint im Querschnitt rund und im Längsschnitt konisch, Volumenabschätzungen sind gut durchführbar.
Normale echokardiographische Befunde für den linken Ventrikel

Nach Herring / Paterson, Levick's Introduction to Cardiovascular Physiology, 6th ed. 2018
Septumdicke
 		0,6-1,2 cm
Enddiastolischer Innendurchmesser
 		Frauen: 3,9-5,3 cm
Männer: 4,2-5,9 cm
Auswurffraktion (ejection fraction)
 		>55%
Fläche Aortenklappe
 		>2,0 cm
 
     Durch Anwendung des Dopplereffekts (Doppler-Sonographie) werden Geschwindigkeiten darstellbar (in Farbe: F-Mode - Bewegung zur Schallquelle rot, von ihr weg blau dargestellt). Bewegte Gewebeteile verändern die Frequenz des zurückgeworfenen Schalls.

Doppler-Sonographie kann kontinuierlich erfolgen (CW-Doppler: continuous wave zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten) oder mit abwechselndem Senden / Empfangen (tiefenselektiver PW-Doppler: pulsed wave, lokalisiert die Strukturen)

Gewebe-Dopplerechokardiographie erfasst die Bewegungen des Myokards (asynchrone Systole, dysfunktionale Diastole erkennbar)

Die Erfassung der Bewegung von Blutkörperchen ermöglicht die Darstellung von Blutströmung und erlaubt die Beurteilung von Stenosen, Shunts, Klappenfehlern u.a.

     Die Kombination B-Bild mit gepulstem Doppler nennt man auch Duplex-Sonographie

     Bei entsprechender Programmausstattung ist es auch möglich, aus 2D-Bildern in Echtzeit Rekonstruktionen in verschiedenen Schnittebenen anzeigen zu lassen (3D-Echokardiographie)

Zur Erhöhung der Abbildungsdeutlichkeit können Kontrastmittel (gasgefüllte Mikrobläschen mit Eiweißschale) eingesetzt werden (Kontrastechokardiographie).
 
Ermittlung des Schlagvolumens
 
Das Schlagvolumen des Ventrikels kann mittels folgender Methoden nichtinvasiv ermittelt werden:

      Pulskonturanalyse. Da der systolische Anteil der Pulswelle (zusammen mit anderen Faktoren) in Zusammenhang mit dem Schlagvolumen steht, kann man aus der Fläche unter der systolischen Druckkurve (auf Basis des diastolischen Drucks) auf die Größe des Schlagvolumens rückschließen. Das Produkt aus dieser Fläche (area under the curve AUC) mal der Pulsfrequenz (bpm) ergibt das Herzminutenvolumen. Die Standardisierung des Verfahrens sollte mittels einer invasiven Methode vorgenommen werden.

      Radionuklid-Ventrikulographie: Ein Gammastrahler - meist Technetium-99, das an Erythrozyten gekoppelt ist - wird i.v. injiziert; eine präkordial positionierte Gammakamera registriert anschließend die enddiastolische und endsystolische Aktivität, woraus man Schlagvolumen und Auswurffraktion errechnen kann.
Abbildung: Echokardiographische Untersuchung
Nach einer Vorlage bei medicine.unimelb.edu.au
Zu erkennen ist der Winkel, in dem die Schallwellen austreten (die innerhalb des Schallkegels liegenden Strukturen werden auf dem Bildschirm dargestellt). Bildgebende Ultraschallverfahren erlauben die Ausmessung der Herzgeometrie und die Abschätzung von Schlagvolumen, Restvolumen und Auswurffraktion

      Echokardiographie ( Abbildung). Zweidimensionale Darstellung des endsystolischen und enddiastolischen Zustandes in mehreren Achsen erlaubt die Berechnung der Ventrikeldimensionen (bei angenommener Geometrie des Ventrikels). Unter Ausnützung des Doppler-Effekts kann auch die Strömung in der Aortenwurzel verfolgt werden. Multiplikation des mittleren Schlagvolumens mit der Herzfrequenz ergibt das Herzzeitvolumen. Vorteil: nichtinvasiv, hohe Zeitauflösung, in der Anwendung kostengünstig. Nachteil: Schwierige Eichung.

      Impedanzkardiographie - durch die Herzschläge bedingte Schwankungen des elektrischen Widerstandes (Impedanz) über dem Brustkorb werden aus Spannungsänderungen ermittelt, die sich bei Einwirken eines applizierten konstanten Messstroms ergeben. Das Schlagvolumen in der Aorta wird ermittelt. Vorteil: Beat-to-beat-Ermittlung des Schlagvolumens (ähnlich Echokardiographie), Nichtinvasivität. Nachteil: Sehr indirektes Verfahren.

      Kernspinuntersuchung (Magnetresonanztomographie, magnetic resonance imaging MRI) stellt - EKG-zeitgesteuert - die Strukturen des Herzens sehr genau dar und kann auch (mit kontrastgebenden - z.B. Gadolinium-basierten - Agentien) zur Messung von Blutströmung und myokardialer Durchblutung genutzt werden. Vorteil: Nichinvasivität, bessere Darstellung der Gewebegrenzen als bei der Echokardiographie. Nachteil: Hohe Kosten ( vgl. dort).

      Minimalinvasive Methoden sind ösophageale Doppler-Strömungsmessungen und transösophageale Echokardiographie.

Die Doppler-Methode benutzt Ultraschall-Transducer an der Spitze einer Sonde, die über die Nase in die Speiseröhre (Hähe der Aorta descendens) eingeführt wird. Durch Multiplikation der Strömungswerte mit dem Aortendurchmesser gelangt man zum jeweiligen Schlagvolumen. Es können weitere Variable ermittelt werden, wie die Spitzengeschwindigkeit des Blutes (Indikator für die linksventrikuläre Kontraktilität). Dieser Wert ist altersabhängig (ca. 100 cm/s bei jungen Menschen, 50-80 cm/s bei 70jährigen).

Transösophageale Echokardiographie (TOE) wird unter Anästhesie vorgenommen und ist relativ aufwändig. Sie stützt sich auf Volumen- (aus Längs- und Querdimensionen) oder Strömungsdaten (Doppler). Auch Information über die Funktion der Klappen wird gewonnen.
 
     Nimmt das Herzminutenvolumen ab, muss die Sauerstoffausnützung des Blutes (AVDO2) zunehmen, um das Gewebe ausreichend mit O2 zu versorgen. Ist die Sauerstoffsättigung im zentralvenösen Blut (d.h. im rechten Herzen) inadäquat niedrig, weist das klinisch auf herabgesetzte Herzleistung hin.
 
Nuklearmedizinische Untersuchung
 
Ein häufig eingesetzter Marker in der Nuklearmedizin ist metastabiles Technetium (99mTc). Es ist ein (in einem der weltweit wenigen einschlägigen Reaktoren gewonnener) Gammastrahler mit hoher Strahlungsintensität, aber kurzer Halbwertszeit (6 Stunden), der sich an Erythrozyten und andere Gewebszellen bindet.

99mTc wird zum Großteil aus dem Körper wieder ausgeschieden. Nach Abgabe der Gammastrahlung wird es zu 99Tc, einem schwachen ß-Strahler mit sehr langer Halbwertszeit; der im Körper verbleibende Rest trägt nur unwesentlich zur Strahlenbelastung des Organismus bei.

Nach Injektion einer Dosis 99mTc können die Ventrikel anhand der Strahlung dargestellt werden; über zahlreiche Herzzyklen werden bestimmte Zeitabschnitte - wiederholt auf bestimmte Teile des EKG bezogen - quantifiziert (gated radionuclide imaging) und so die Volumenunterschiede zwischen Enddiastole und Endsystole und damit die Auswurffraktion (ejection fraction) quantifiziert werden (Abschätzung der Kontraktilität).

Myokardperfusionsszintigraphie (MPI: Myocardial perfusion imaging) ist eine nuklearmedizinische Methode zur Untersuchung der Myokardfunktion und der Koronardurchblutung. Sie nutzt gamma-aktive Isotope (früher Thallium 201, heutzutage 99mTc) - die i.v. injiziert werden - zur Markierung von durchströmendem Blut (Perfusion des Myokards: Systole vs. Diastole) bzw. die Aufnahme in das Myokard (Ischämien, Narben). Alternativ kann die Menge des vom Myokard aus dem Kreislauf aufgenommenen Markers ermittelt werden (in Ruhe und bei körperlicher Belastung).

Bei der Untersuchung erfolgt eine Belastung (ergometrisch oder pharmakologisch, z. B. mit Adenosin), an deren Ende der Marker injiziert wird. Die Strahlungsverteilung wird sofort ("Stress") und einige Stunden später ("Ruhe") nochmals registriert, die Verteilung des Nuklids auf die Organe quantifiziert und mit der Verteilung in einem Referenzkollektiv verglichen. Insbesondere Durchmesser und Beweglichkeit der Wand des linken Ventrikels werden erfasst.
Enzymdiagnostik
 
Bei Beschädigung der Myokardzellen vermehrt in den Kreislauf abgegebene Enzyme ("Herzmarker") können in Blutproben quantifiziert werden (minimalinvasiv): Troponin T, Kreatinkinase, sowie weniger spezifische Marker wie Myoglobin, Laktatdehydrogenase, Aspartat-Transaminase (AST, früher GOT).

Das Enzym Kreatinkinase (CK: creatine kinase, CPK: creatine phosphokinase, phosphocreatine kinase) überträgt auf Kreatin - ein Molekül, das im Körper zu >90% in Muskelgewebe vorkommt - Phosphat und macht es so zu einem Energiespeicher, der im Bedarfsfall sein Phosphat wieder an ADP abgibt und so ATP für die Muskelaktivität direkt verfügbar macht. Die vom Herzmuskel exprimierte Isoform ist CK2 (oder CK-MB). Bei Beschädigung von Herzmuskelgewebe (Herzinfarkt) steigt der CK2-Spiegel im Blut innerhalb weniger Stunden an und erreicht nach 12-24 Stunden einen Höchstwert. (Die von Skelettmuskelzellen exprimierte Isoform ist CK3, diese steigt im Kreislauf nach Verletzungen im Bewegungsapparat an.)

Zeitverlauf: Die Konzentrationswerte von "Herzenzymen" im Blut treten zu unterschiedlichen Zeiten nach einem Infarktereignis (Infarktbeginn) auf: Myoglobin (Höchstwert nach ~12 Stunden), Kreatinkinase (Höchstwert nach <20 Stunden), Troponin (Höchstwert nach ~24 Stunden), AST (Höchstwert nach ~30 Stunden), LDH (Höchstwert nach ~40 Stunden).


 
Kardiales Troponin T (Serum, Plasma, Blut)
herstellerabhängig (Kontrollkollektiv)
Halbwertszeit 120 min
Kreatinkinase (CK, gesamt, Serum)
Frauen 10-70 (<167) U/l, Männer 25-90 (<190) U/l
CK-MB (Myokardtyp, auch CK2 genannt) <6% Gesamt-CK
Bei Neugeborenen höhere Werte, z.B. 1. Tag <712 U/l
Referenzbereiche bei Kindern alters- und geschlechtsabhängig
Laktatdehydrogenase (LDH, Plasma)
<260 U/l
Neugeborene <600 U/l, Kinder <300 U/l
 LDH-1 und LDH-2 erhöht u.a. bei Herzinfarkt

Aspartat-Aminotransferase (AST, früher GOT; Serum): Frauen 10-35 U/l, Männer 10-50 U/l
erhöht u.a. bei Herzinfarkt

 

Invasive Methoden

Geben nichtinvasive diagnostische Methoden nicht ausreichend Auskunft, kommen invasive Techniken in Betracht, z.B. Katheterisierung, Myokardbiopsie. Druck- (mechano-elektrischer Wandler) und Strömungsmessungen (Thermodilution: Herzzeitvolumen über Zeitverlauf der Bluttemperatur nach Injektion kühler Flüssigkeit) im zentralen Kreislaufanschnitt können mittels Herzkathetern ( Abbildung) erfolgen. Über diese kann z.B. auch Kontrastmittel in definierte Räume eingebracht werden (z.B. Koronarangiographie).
 
Abbildung: Swan-Ganz-Katheter
Ballon an der Spitze des Katheters für Demonstrationszwecke aufgeblasen. Das System wird als Einschwemmkatheter, flow-directed, balloon-tipped pulmonary artery catheter (PAC), Pulmonaliskatheter, right heart catheter oder Swan-Ganz catheter bezeichnet.
 
Der Katheter wird unter Röntgenkontrolle über die rechte v. jugularis in das rechte Herz und von dort in eine Verzweigung der a. pulmonalis vorgeschoben. Der anschließend mit steriler Kochsalzlösung aufgeblasene Ballon blockiert die hydrostatische Verbindung zum rechten Ventrikel und der sich distal der Verengung einstellende Druck (pulmonary capillary wedged pressure) entspricht dem Druck im linken Vorhof. Dieser Druck wird an der Katheterspitze gemessen

Aus der maximalen Druckanstiegsgeschwindigkeit (pd/dtmax) kann die Schlagkraft (Inotropie) des Herzens beurteilt werden, der Referenzbereich für den linken Ventrikel beträgt 1500 bis 2500 mmHg/s. Auch die Auswurffraktion (EF: ejection fraction) gilt als Kriterium (Schlagvolumen in % der enddiastolischen Füllung, normalerweise 50-70%), sie kann echokardiographisch ermittelt werden. Über Referenzbereiche der Druckwerte vor und hinter dem Herzen s. dort.

 Zur Messung der Vorlast des linken Ventrikels zwecks Kreislaufüberwachung in kritischen Situationen (z.B. Intensivpatienten) kann der Pulmonalkapillaren- Verschlussdruck ("Wedge-Druck": pulmonary capillary wedged pressure, PCWP) mittels Swan-Ganz-Einschwemmkathetern ( Abbildung) registriert werden.
Um korrekte Werte zu erhalten, muss die Katheterspitze in der Zone 3 (nach J.B. West - Gefäße immer offen) zu liegen kommen - andernfalls wäre eine kontinuierliche hydrostatische Verbindung zum linken Vorhofbereich nicht gegeben.
 
Herzminutenvolumen: Invasive Bestimmungsmethoden
 
Das Herzminutenvolumen kann invasiv (Katheterisierung) oder nichtinvasiv bestimmt werden. Invasive Methoden sind mit Risken behaftet, aber genauer und können zur Eichung anderer Verfahren herangezogen werden.

Von zentraler Bedeutung ist das Volumen-Konzentrations-Zeit-Prinzip (Fick'sches Prinzip ): Ein Indikatorstoff wird in das System, dessen Perfusion ermittelt werden soll, eingebracht oder es wird aus dem System entfernt. Dabei ändert sich die venöse im Vergleich zur arteriellen Konzentration. Die Durchblutung (Q - Volumen pro Zeit) wird aus der aufgenommenen oder entfernten Menge der Indikartorsubstanz (M - Masse pro Zeit), seiner arteriellen (ca) und venösen (cv) Konzentration (Masse / Volumen) ermittelt (Fick'sche Gleichung):
 
Q = M / (ca-cv)

[ca-cv] ist die arteriovenöse Konzentrationsdifferenz, bei Sauerstoff AVDO2 genannt - arteriovenöse Sauerstoffdifferenz, wobei [cv] in gemischt-venösem Blut zu ermitteln ist, d.h. Blut aus dem Bereich des rechten Ventrikels (repräsentativ für den gesamten Körper mit seinen sehr verschiedenen regionalen O2-Verbrauchswerten).
Abbildung: Herzminutenvolumenbestimmung mittels Sauerstoffmethode
Nach einer Vorlage bei www.78stepshealth.us
Im steady state entspricht das Herzzeitvolumen (HZV) der Sauerstoffaufnahme (z.B. 250 ml/min) dividiert durch die Differenz zwischen arterieller (z.B. 0,19) und gemisch-venöser Sauerstoffkonzentration (z.B. 0,14 ml O2 / ml Blut). In diesem Fall wäre die Rechnung: 250 / 0,05, also 5000 ml/min (5 Liter pro Minute).
 
Diese experimentelle Vorgangsweise kann als Referenz zur "Eichung" nichtinvasiver Methoden verwendet werden, z.B. Herzminutenbestimmung mittels Ultraschall

       Da das gesamte Herzminutenvolumen durch die Lungen strömt, kann zu seiner Bestimmung Sauerstoff als Indikator verwendet werden. Man bestimmt der Sauerstoffaufnahme (Atemluft) und die zentrale arterio-venösen Sauerstoffdifferenz (arterielle und rechtsherzvenöse Blutprobe: Abbildung). Diese Methode hat mehrere Vorteile:

     Sauerstoff ist ein physiologischer Indikator, der ohnehin eingeatmet wird, sein Verbrauch wird für 5-10 Minuten spirometrisch bestimmt ( Abbildung);

     Die arterielle (aus dem Herzen) und venöse Sauerstoffkonzentration im Blut (zur Lunge) bleibt während der Beobachtungszeit konstant, soferne ein Fließgleichgewicht zwischen Antransport und Verbrauch besteht (andernfalls ergibt die Messung keine validen Daten).

Der Nachteil der Methode ist die Invasivität (Herzkatheter): Gemischt-venöses Blut wird aus dem rechten Ventrikel oder - besser - der Pulmonalarterie entnommen.

Warum Herzkatheter? Peripher-venöses Blut wäre zwar einfacher zu gewinnen, seine Sauerstoffkonzentration ist aber je nach perfundiertem Gewebe höchst unterschiedlich, z.B. ist venöses Blut aus der Niere noch fast vollständig sauerstoffgesättigt (~170ml O2/l Blut oder 17 Vol-%), Blut aus dem Koronarsinus enthält hingegen nur etwa 70 ml/l. Eine weitgehende Durchmischung der diversen Blutfraktionen erfolgt erst im rechten Ventrikel. Entnimmt man Blut aus der Pulmonalarterie (Pulmonalarterienkatheter; PAC), kann man davon ausgehen, dass hier tatsächlich "gemischt-venöses" Blut (gleichermaßen aus v. cava superior und inferior, also aus oberer und unterer Körperhälfte stammend) vorliegt.
 
Arterielles Blut kann aus jeder beliebigen (peripheren) Arterie gewonnen werden ( Abbildung: a. radialis), die Sauerstoffsättigung ist immer die gleiche (normalerweise knapp 100%).

  Der deutsche Arzt Werner Forßmann löste als Erster das Problem der Gewinnung gemischt-venösen Blutes. 1929 schob er sich selbst unter Röntgenkontrolle einen Harnkatheter von einer Armvene in das rechte Herz - die erste Herzkatheterisierung. Zunächst fand sein mutiger Selbstversuch kaum Beachtung, 1956 schließlich erhielt er den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.
 
Die bei der Bolusmethode (s. unten) erforderliche Berechnung einer Fläche (AUC) entfällt: Die arterielle und venöse Sauerstoffkonzentration bleibt im Messzeitraum unverändert, es wird einfach die arteriovenöse Sauerstoffdifferenz AVDO2 (arterielle ca minus gemischt-venöse Sauerstoffkonzentration cv) eingesetzt:
 
Herzzeitvolumen (l/min) = Sauerstoffaufnahme (ml/min) / AVDO2 (ml/l)
 
oder - in anderer Formulierung (Berechnung des Herzzeitvolumens nach der Indikatorverdünnungsmethode):
   
HZV = XO2 / (Carteriell - Cvenös) O2    (l/min)
 
wobei XO2 die Sauerstoffaufnahme (pro Minute) und (Carteriell - Cvenös) O2 die arteriovenöse Sauerstoffdifferenz bedeutet.

      Beispiel: Eine Person verbraucht 0,3 l Sauerstoff in der Minute. Das arterielle Blut enthält 200 ml/l Blut, das gemischt-venöse (Herzkatheter!) 150 ml/l - die AVDO2 beträgt 50 ml/l. - Berechnung des Herzminutenvolumens: O2-Verbrauch 300 ml/min, AVDO2 50 ml/l → HMV = (300 / 50) = 6 l/min
  
Man kann auch das Schlagvolumen bestimmen - nichtinvasiv: sonographisch (Echokardiographie), Radionuklidmessung - und daraus durch Multiplikation mit der Herzfrequenz das Herzzeitvolumen (HZV) berechnen: 
  
(mittleres) Schlagvolumen = HZV / Pulsfrequenz
 
Umgekehrt kann bei Kenntnis des HZV der Betrag des mittleren Schlagvolumens einfach berechnet werden (HZV / Pulsfrequenz).
 
      Bolusmethode: Ein Bolus geeigneten Farbstoffs (Messung der Farbintensität) oder kalter Flüssigkeit (Messung der Temperatur) wird in den Kreislauf gebracht und der Durchgang des Farb- (Blutproben → Zentrifugation → Plasmaproben → Spektroskopie) oder Temperaturbolus aufgezeichnet (Thermosonde, Swan-Ganz-Katheter).

Als Farbstoff kommen Evans blue oder indocyanine green in Betracht.

Die Thermodilutionsmethode kommt häufig zum Einsatz und gilt als Goldstandard für die Herzminutenvolumenbestimmung. Bei diesem Verfahren lässt man einen Swan-Ganz-Katheter (mit aufgeblasenem Ballon an der Spitze) in die Pulmonalarterie einschwemmen, dann werden 10-15 ml kalter Kochsalzlösung über ein poximales Lumen in den rechten Vorhof injiziert und der Durchlauf des Temperaturabfalls in der Pulmonalarterie mittels Thermistor aufgezeichnet. Blutabnahmen sind nicht notwendig, ein zweiter Gipfel (wie bei Farbstoffbolus) bleibt aus (das Blut hat sich rasch gleichmäßig erwärmt), und die Messung kann leicht wiederholt werden.
 

Abbildung: Zeitverlauf eines Indikatordurchganges
Der Durchgang eines Indikatorbolus (Temperatur, Farbintensität) wird als Funktion der Zeit aufgetragen. Wegen der Geschlossenheit des Kreislaufs rezirkuliert die Farbe (wenn auch verdünnt), nach etwa 15 Sekunden tritt ein zweiter, niedrigerer Farbgipfel auf. Dieser wird ignoriert, stattdessen wird der absteigende Teil der ersten Kurve gegen "Null" (logarithmische Skala: Meist 1% des Gipfelwertes) extrapoliert und so die Passagezeit des Bolus (grüner Doppelpfeil) ermittelt.
 
Für diese gilt dann die mittlere Indikatorkonzentration bzw. Temperaturstufe. Diese wird mittels Planimetrie aus der Fläche unter der Kurve (area under the curve: AUC) ermitteltt

Der Indikator wird so in die Zirkulation eingebracht, dass das Blut, in dem er weitertransportiert wird, durch das Herz strömt und sein Konzentrationsverlauf daher Rückschluss auf des Herzzeitvolumen erlaubt: Aus dem Kurvenverlauf wird das Verteilungsvolumen / Zeit (Herzzeitvolumen) berechnet. Die Methode ist invasiv (Herzkatheter), liefert aber bei richtiger Anwendung (automatisierbar) genaue Ergebnisse.

Wie resultiert aus dem Durchgang des Indikators das Herzzeitvolumen? Die Konzentration des Indikators (der injiziert wird und dessen Menge bekannt ist) macht einen nichtlinearen Zeitverlauf durch, und der Indikator taucht kreislaufbedingt an der Messstelle wieder auf (Rezirkulation). Daher wird der absteigende Konzentrationsverlauf gegen Null extrapoliert, über diesen Schnittpunkt eine entsprechende "Beobachtungszeit" (grüner Doppelpfeil in der Abbildung) ermittelt und für diese die mittlere Konzentration (Temperatur) errechnet.

Das Prinzip beruht auf dem Prinzip Volumen = Menge / Konzentration. Auf die Beobachtungszeit umgelegt, bedeutet dies
   
Stewart-Hamilton-Gleichung:
Herzzeitvolumen = verabreichte Indikatormenge / mittlere Indikatorkonzentration (während der Passagezeit)
    
Da sich der Farbstoff an Plasmaproteine bindet und daher zunächst das Plasmavolumen (VP) ermittelt wird, das in der Passagezeit an der Messstelle vorbeigeströmt ist, rechnet man anschließend auf das entsprechende Blutvolumen (VB) über den Hämatokrit (Ht) hoch:

VB = VP / (1-Ht)
 
Eine neue Methode verwendet als Indikator Lithiumchlorid, das i.v. injiziert wird und dessen Konzentration im arteriellen Blut mit einer ionensensitiven Elektrode verfolgt wird (der Verlust über die Lunge ist in der Messzeit vernachlässigbar). Diese (ebenfalls invasive) Methode kann zur Kalibrierung verwendet werden.
 
In letzter Zeit werden invasive HMV-Messungen wegen möglicher Komplikationen zusehends seltener angewendet.Minimalinvasive (z.B.  Nichtinvasive Methoden wie z.B. Pulskonturanalysen
 

 
      Kardiologische Untersuchungen inkludieren Auskultation, Perkussion, Herzschall, Blutdruck, EKG, Ergometrie, Laboruntersuchungen (myokardspezifische Enzyme: Kardiales Troponin T, Kreatinkinase, Laktatdehydrogenase, Aspartat-Aminotransferase), bildgebende Verfahren, Herzkatheteruntersuchungen, Myokardbiopsie. Bei der Erstuntersuchung besonders zu beachten sind arterieller Puls (Frequenz, Intensität), Blutdruck (sytolisch / diastolisch), Jugularvenenpuls, Herzspitzenstoß, Herztöne / -geräusche. Die koronare Flussreserve ist die maximale Koronarperfusion unter Belastung bezogen auf den Ruhewert (das Herzzeitvolumen sollte mindestens 4-fach steigerbar sein)
 
      Das EKG besteht aus P-Welle (Ausbreitung der Erregung über die Vorhöfe), QRS-Komplex (Ausbreitung der Erregung über die Ventrikel), T-Welle (Repolarisierung beider Ventrikel), getrennt durch PQ-Strecke und ST-Strecke. Die Signale starten von der Isopotentiallinie und kehren zu dieser zurück. Extremitätenableitungen (Projektion auf die Frontalebene) nach Einthoven sind bipolar, mit Winkellagen von 0° (Ableitung I), 60° (Ableitung II) und 120° (Ableitung III); diejenigen nach Goldberger sind "pseudo-unipolar" mit -150° (aVR), -30° (aVL), +90° (aVF). Als physiologische Lagetypen gelten: Linkstyp (-30° bis 30°), Indifferenztyp (30 bis 60°), Steiltyp (60° bis 90°), Rechtstyp (90° bis 120°) - bei situs inversus entsprechend gespiegelt. Die Brustwandableitungen nach Wilson (Projektion auf die Transversalebene) sind unipolar (V1, V2...). Registriert man den Verlauf statt eindimensional als Funktion der Zeit (EKG) auf eine Fläche projiziert (zweidimensional), erhält man ein Vektorkardiogramm (VKG) mit Vektorschleifen, die aus einem Isopotentialpunkt herauswachsen und in diesen zurückfallen (P-Schleife, QRS-Schleife, T-Schleife). Pathologische Veränderungen ergeben sich bei Myokardschäden (Infarkt), Störungen des Erregungsablaufs (Extrasystolen), Elektrolytstoffwechselstörungen (Kalium, Calcium)
 
      Echokardiographie (transthorakal oder transösophageal) rekonstruiert aus reflektierten Ultraschallsignalen anatomische Strukturen (Sonographie). Im M-Mode (motion) werden Bewegungsabläufe, im A-Mode (amplitude) die Echostärke als Funktion der Eindringtiefe dargestellt; im B-Mode (brightness) entspricht die Helligkeit der Echointensität. Der zweidimensionale Echtzeitmodus zeigt ein Schnittbild (z.B. Gefäßpulsationen). Doppler-Sonographie stellt Geschwindigkeiten dar - mit alternierendem Senden / Empfangen (tiefenselektiver PW-Doppler: pulsed wave, lokalisiert Strukturen) oder kontinuierlich (CW-Doppler: continuous wave - Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten). Zur Erhöhung der Abbildungsdeutlichkeit dienen Kontrastmittel (Kontrastechokardiographie).  Myokardperfusionsszintigraphie (MPI: Nuclear perfusion imaging) nutzt gamma-aktive Isotope (Technetium 99m, Thallium 201) zur Markierung strömenden Blutes (Systole vs. Diastole); auch die linksventrikuläre Auswurffraktion (ejection fraction: Schlagvolumen als Prozentsatz der enddiastolischen Füllung) kann damit bestimmt werden
 
      Das Herzminutenvolumen kann nichtinvasiv über bildgebende Verfahren, Impedanzkardiographie, Sauerstoffaufnahme, oder invasiv über Indikatorpassage ermittelt werden. Druck- und Strömungsmessungen (Thermodilution: Herzzeitvolumen über Zeitverlauf der Bluttemperatur nach Injektion kühler Flüssigkeit) erfolgen mittels Herzkatheter (invasiv). Über diesen kann auch Kontrastmittel eingebracht werden (Koronarangiographie). Die maximale Druckanstiegsgeschwindigkeit (pd/dtmax) während der Anspannungszeit signalisiert die Schlagkraft (Inotropie), auch die Auswurffraktion (ejection fraction: Schlagvolumen als Anteil der enddiastolischen Füllung, normalerweise 50-70%). Die Vorlast des linken Ventrikels wird über den pulmonalen Verschlussdruck (PCWP) mittels Einschwemmkatheter ermittelt   
 

 


  Die Informationen in dieser Website basieren auf verschiedenen Quellen: Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.