Physiologie des menschlichen Körpers: Herzphysiologie

Bild: “ Location of Heart in Thoracic Cavity” von BruceBlaus. Lizenz: CC BY 3.0

Prinzipiell lässt sich Arbeit im Allgemeinen definieren als Arbeit = Kraft x Weg oder Arbeit = Druck x Volumen. Arbeit hat die Einheit Joule beziehungsweise Newtonmeter (N x m).

Zum einen leistet das Herz Druck- und Volumenarbeit. Dieser Ausdruck bedeutet, dass im Inneren des  Herzens ein solcher Druck erzeugt werden muss, dass ein ausreichend großes  Volumen an Blut entweder von der einen Kammer in die andere gepresst wird, oder aus den Herzkammern in die Gefäße, um einen funktionierendes Kreislauf zu gewährleisten. Im linken Ventrikel ist dieser Anteil der Herzarbeit deutlich größer als im rechten Ventrikel, da hier der aufgebaute Druck um ein vielfaches erhöht ist.

Diese Arbeit lässt sich auch in der Einheit Joule oder Newtonmeter berechnen. Dafür wird einfach der Druck im Herzen in mmHg oder kPa mit dem Schlagvolumen multipliziert.
Druck- und Volumenarbeit = p x SV

Der andere Anteil an der Herzarbeit wird durch die Beschleunigungsarbeit ausgemacht. Dieser normalerweise nur sehr geringe Anteil an der Herzarbeit beinhaltet die Beschleunigung des Blutes, damit es zu einem Fluss des Blutes durch die Gefäße kommt.

Die Beschleunigungsarbeit nimmt bei körperlicher Anstrengung zu, aber auch im fortgeschrittenen Alter, da hier das Elastizitätsmodul der Gefäße abnimmt. Diese Zunahme der Beschleunigungsarbeit kann auch bei Herzklappeninsuffizienzen beobachtet werden.
Dieser zweite Anteil an der Herzarbeit lässt sich berechnen durch die Multiplikation von der Masse des Blutes (m), das beschleunigt werden soll, und der Geschwindigkeit des Blutes in der Auswurfbahn (v).
Beschleunigungsarbeit = m x v^2 / 2

Wenn man die Herzfrequenz noch mit in Betrachtung ziehen will, so lässt sich die Herzleistung berechnen. Hier gilt Leistung = Arbeit / Zeit. Die Einheit hier sind Watt (W) = Joule / Sekunde.

LaPlace Gesetz

Der Druck im Herzen wurde gerade schon angesprochen. Er ist wichtig, da er eine der Stellgrößen für die Herzarbeit ist. Der Innendruck im Herzen spielt aber auch noch eine andere wichtige Rolle, da sich mit ihm das Gesetz nach LaPlace herleiten und verstehen lässt.

Wenn das Herz sich kontrahiert, dann erhöht sich der Druck im Inneren der vier Kammern. Wenn man sich nun das Herz als eine Kugel vorstellt und diese in der Mitte halbiert, dann werden die beiden Hälften der Kugel durch den Innendruck in den Kammern (p) in entgegengesetzte Richtungen gedrückt. Die daraus resultierende Kraft F1 lässt sich durch folgende Gleichung berechnen: F1= p x r^2 x Pi, oder in Worten: Kraft= Druck x Fläche.

Damit die beiden Hälften der Kugel nun aber nicht auseinander getrieben werden wirkt der Kraft F1 die Kraft F2 genau entgegen. Sie hält die Kugel, oder anders ausgedrückt: das Herz, zusammen. F2 lässt sich nun wie folgt definieren: F2= Wandspannung x 2Radius x Pi x Wanddicke. Da die beiden Kräfte genau gleich groß sein müssen, damit die Wände weder nach außen, noch nach innen gedrängt werden, lässt sich sagen, dass F1=F2 gilt.

Man kann auf Grund dieser Annahme nun die beiden Gleichungen von F1 und F2  so auflösen, dass sich für die Wandspannung des Herzens die folgende Gleichung ergibt:

Wandspannung= Druck (p) x Radius (r)  /  2 x Wanddicke (h)

Diese Gleichung wird als die Gleichung nach LaPlace benannt.

Was lässt sich nun an praktischer klinischer Bedeutung für das menschliche Herz aus dieser sehr theoretischen Gleichung ziehen? Je größer der Radius (r) eines Ventrikels, desto größer muss bei gleichbleibendem Innendruck die Wandspannung sein, die das Myokard entwickeln muss, damit eine Überdehnung des Herzens verhindert wird.

Daraus ergibt sich außerdem noch, dass bei einer Dilatation des Herzens, wie sie zum Beispiel bei einer dilatativen Kardiomyopathie auftritt, die Belastung der einzelnen Muskelfasern im Myokard größer ist als bei einem normal großem Ventrikel, wenn sich nicht gleichzeitig die Wanddicke verändert (siehe Abschnitt exzentrische Hypertrophie).

Druckbelastung: Aortenstenose

Wenn ein Patient unter arterieller Hypertonie, also Bluthochdruck, leidet, so muss sein Herz immer mehr Arbeit aufbringen, um das erzielte Schlagvolumen gegen den erhöhten mittleren arteriellen Druck (MAP) in den sich an das Herz anschließenden Gefäßen auszuwerfen. Dieser Vorgang wird als Druckbelastung bezeichnet. Hieraus können erhebliche strukturelle Konsequenzen mit großem Krankheitswert entstehen.

Das gleiche Phänomen tritt auf, wenn eine Aortenklappenstenose vorliegt. Bei diesem Krankheitsbild öffnet die Aortenklappe in der Auswurfphase der Systole nicht mehr vollständig. Das Blut muss also durch eine engere Öffnung in die Aorta gepumpt werden. Es ist klar, dass hierfür eine Erhöhung des Drucks in der linken Herzkammer notwendig ist, es liegt also auch hier eine chronische Druckbelastung vor.

Die Aortenklappenstenose kann unterschiedliche Ursachen haben. Sie kann schon angeboren sein oder heutzutage nur noch sehr selten nach einem Rheumatischen Fieber als Komplikation auftreten. Am häufigsten jedoch kommt es durch degenerative Veränderungen an der Herzklappe zur Stenose. Neben den typischen Symptomen der Herzinsuffizienz (s. u.) kann es zur Angina pectoris, also einem Engegefühl in der Brust wie auch bei Myokardinfarkten berichtet, und Synkopen, also Phasen der Bewusstlosigkeit, kommen.

Diagnostiziert wird die Stenose zunächst mit dem Stethoskop, da ein pathologisches Herzgeräusch in der Systole im 2. Intercostalraum rechts parasternal zu hören ist. Die Aortenklappe lässt sich besonders gut im Sitzen auskultieren. Außerdem empfiehlt es sich hier auch die Carotiden mit zu auskultieren, da sich mögliche Geräusche hier her fortleiten können.
Die Verdachtsdiagnose kann mittels Echokardiographie verifiziert werden. Die Behandlung besteht bei symptomatischen Patienten im operativen Ersatz der Klappe.

Ist das Herz nicht in der Lage einen höheren Innendruck zu erzeugen, um dem gesteigerten Druck in oder zu den Ausflussbahnen entgegen zu wirken, kommt es zur Abnahme des Schlagvolumens. Dies kann soweit führen, dass es zu einer Herzinsuffizienz kommt. Hier ist das Herz nicht mehr in der Lage den Körper unter normalen Bedingungen mit Sauerstoff zu versorgen.

Bei einer Aortenstenose kommt es zur Linksherzinsuffizienz. Das Blut staut sich vor dem linken Ventrikel, dadurch erhöht sich der Druck des Blutes in der Lungenstrombahn. Klinisch äußert sich dieses ernste Krankheitsbild durch Atemnot (Dyspnoe) durch ein Lungenödem und gestaute Halsvenen.
Ist der rechte Teil des Herzens betroffen kommt es zur Rechtsherzinsuffizienz mit Ödemen in den Beinen und vermehrtem Harndrang in der Nacht, so genannter Nykturie.

Bei einer hypertroph- obstruktiven Kardiomyopathie kommt es durch ein verdicktes Septum auch zur Verlegung der Ausstrombahn durch die Aortenklappe. Die Symptome sind deshalb die gleichen wie bei einer Aortenklappenstenose.

Volumenbelastung: Aortenklappeninsuffizienz

Das Gegenteil einer Stenose ist eine Insuffizienz. Hierbei sind Klappen in den Herzphasen, in denen sie normalerweise geschlossen sein sollten, nicht oder nicht vollständig geschlossen. Dadurch kommt es zu einem Rückstrom des Blutes in die Gegenrichtung.

Das heißt, dass das Blut, was im Falle der Aortenklappe eigentlich in der Diastole von der Aorta weiter in den Körperkreislauf fließen sollte dies nicht tut, sondern durch die verbleibende Öffnung dem niedrigerem Druck im Herzen folgend wieder dorthin zurück fließt.
Dadurch ergibt sich, dass der betroffene Ventrikel zusätzlich zu seiner normalen und physiologischen Füllung mit Blut in der Diastole durch die Mitralklappe aus dem Vorhof auch Blut auf pathologischem Weg aus der Aorta erhält. Dieser Anteil wird als Pendelvolumen bezeichnet.
Nun muss der Ventrikel erhöhte Arbeit leisten, da hier der Volumenanteil aus der Druck- und Volumenarbeit nun zugenommen hat.

Die Aortenklappenisuffizienz ist im Gegensatz zur Aortenklappenstenose ein eher seltenes Krankheitsbild. Auch sie kann schon angeboren sein, zum Beispiel durch anatomische Anomalien wie eine bikuspidale Aortenklappe. Genauso kann sie aber nach Entzündungen der Klappe im Rahmen einer Endokarditis vorkommen. Eine dritte Ursache kann eine Dilatation der Aortenwurzel selbst sein.

Die Symptome einer Aortenklappeninsuffizienz bestehen in der Belastungsdyspnoe, sowie der charakteristisch hohen Blutdruckamplitude. Das heißt, dass der systolische Wert zunimmt und der diastolische Wert abnimmt.

Auch hier lässt sich die Erkrankung durch Auskultation und eine Echokardiographie feststellen. Bei der Auskultation sollte in der Diastole im 2. Intercostalraum rechts parasternal ein fließendes Geräusch zu hören sein. Genauso wie bei der Aortenklappenstenose lässt sich das Krankheitsbild operativ beheben.

Exzentrische Hypertrophie

Hypertrophie bezeichnet einen Vorgang, bei dem es zu einer Vergrößerung eines Organs kommt. Dies geschieht mittels Zellvergrößerung. Die Hypertrophie ist die Antwort auf eine gesteigerte Anforderung an das jeweilige Organ.

Bezogen auf das Herz kann es physiologischerweise zu einer Hypertrophie kommen. Das sogenannte Sportlerherz ist die Antwort des Organismus auf viel körperliches Training. Es kommt gleichzeitig zu einer Zunahme der Dicke und der Länge der einzelnen Myokardfasern. Dies wird als harmonische Hypertrophie bezeichnet. Da sich die Zahl an Kapillaren, die das Myokard versorgen, aber nicht ändert sind auch dieser harmonischen Hypertrophie Grenzen gesetzt. So sind 500g das kritische Herzgewicht, ab welchem die optimale Versorgung des Myokards nicht mehr gewährleistet ist.

Bei einer chronischen Volumenbelastung, wie sie im Abschnitt zuvor beschrieben wurde, kommt es zur exzentrischen Hypertrophie. Hierbei sind die Ventrikel an sich dilatiert, das Dickenwachstum der Ventrikelwand geschieht nach außen.
Diese Entwicklung läuft schrittweise ab. Zunächst kommt es durch das erhöhte Volumen zu einer Dilatation des Ventrikels. Der Füllungsdruck des Ventrikels in der Diastole nimmt zu. Wenn man sich nun an das zuvor beschriebene Gesetz von LaPlace für die Wandspannung erinnert ist klar, dass durch den gesteigerten Druck die Wandspannung im Ventrikel zunimmt. Die einzelnen Sarkomere des Myokards werden mehr gedehnt als bei einem gesunden Herz. Dies ist der Stimulus für eine ansteigende Sarkomersynthese und der konsekutiven Vergrößerung der Ventrikelwand.

Die exzentrische Hypertrophie kann auch, wie die oben beschriebenen Herzklappenvitien, zur Herzinsuffizienz führen und ist daher ein ernstzunehmendes Krankheitsbild. Dabei ist besonders tückisch, dass teilweise eine erhebliche Diskrepanz zwischen den für den Patienten bemerkbaren Symptomen und der tatsächlichen Ausprägung der Hypertrophie liegt.

Beliebte Fragen

Die richtigen Antworten befinden sich unterhalb der Quellenangaben.

1. Welche der folgenden Aussagen bezüglich der Herzarbeit ist korrekt?

1. Einheit: Watt; Druck- und Volumenarbeit; Beschleunigungsarbeit
2. Die Beschleunigungsarbeit nimmt den Großteil der Herzarbeit unter normalen Bedingungen ein.
3. Einheit: Joule; Druck-und Volumenarbeit; Beschleunigungsarbeit
4. Die Formel für die Beschleunigungsarbeit lautet: Beschleunigungsarbeit = m^2 x  v  /  2
5. Bei einem gesunden Erwachsenen ist die Druck- und Volumenarbeit des rechten Ventrikels deutlich größer als die des linken Ventrikels.

2. Was stimmt für das Gesetz nach LaPlace nicht?

1. Das Gesetz lautet: Wandspannung = Druck x  Radius  / 2  x Wanddicke
2. Die Kräfte F1 und F2 müssen im Gleichgewicht sein.
3. Die Kraft F2 lässt sich wie folgt bestimmen: F2= Wandspannung x  2xRadius  x  Pi  x Wanddicke
4. Bei größer werdendem Radius des Ventrikels muss die Wandspannung vom Myokard kleiner werden, um ein Überdehnen des Herzens zu verhindern.

3. Sie sind Assistenzarzt in einer kardiologischen Ambulanz. Ein Patient stellt sich bei Ihnen wie folgt vor: RR 200 / 70, Puls 100, blasses Hautkolorit, der Patient gibt an vor einigen Jahren mal eine Entzündung am Herzen gehabt zu haben, scheint von ein paar Stufen zum Untersuchungszimmer schon außer Atem zu sein. Was ist ihre Verdachtsdiagnose und wie würden Sie diese versuchen zu bestätigen?

1. Myokardinfarkt: sofortige Herzkatheter- und Blutuntersuchung
2. Aortenklappenstenose: Aukultation des 2. ICR links parasternal und Echokardiographie
3. Exzentrische Hypertrophie des Herzens: Echokardiographie und EKG
4. Aortenklappeninsuffizienz: Echokardiographie und Auskultation 2. ICR rechts parasternal

Vegetative Physiologie – Grundlagen verstehen

Im kostenlosen eBook finden Sie auf über 50 Seiten folgende Inhalte (inkl. detaillierter Abbildungen und Prüfungsfragen): 

✔ Physiologie der Atmung, Verdauung und Niere

✔ Physiologie des Blutes und Herzens

✔ Energie und Wärmehaushalt

✔ Kreislaufregulation

        EBOOK ANFORDERN        

Nein, danke!