Table Of ContentArmin Bolz· Wilhelm Urbaszek
Technik in der Kardiologie
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Armin Bolz· Wilhelm Urbaszek
Technik
in der Kardiologie
Eine interdisziplinare Darstellung
fur Ingenieure und Mediziner
Mit 290 Abbildungen
" Springer
Professor Dr. rer. nat. Armin Bolz
Universităt Karlsruhe
Institut rur Biomedizinische Technik
KaiserstraBe 12
76131 Karlsruhe
Professor Dr. med. Wilhelm Urbaszek
Mohldorfer StraBe
07973 Greiz-Raasdorf
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
Bolz, Armin:
Technik in der Kardiologie: eine interdisziplin1lre Darstellung fUr Ingenieure und Mediziner
ArIDin Bolz; Wilhelm Urbaszek
Berlin; Heidelberg New York; Barcelona; Hongkong, London; Mailand; Paris Singapur; Tokio:
Springer, 2002
ISBN 978-3-642-62704-0 ISBN 978-3-642-56230-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-56230-3
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2002
Ursprllnglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2002
Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 2002
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Satz: Digitale Druckvorlage der Autoren
Gedruckt auf săurefreiem Papier SPIN: 10849367 62/3020Rw -5432 1 O
Unserem Kollegen, Lehrer und Vorbild
Herrn Prof. Dr. Ing. Dr. h.c. mult. Max Schaldach t
gewidmet in dankbarer Erinnerung
Vorwort
Herz-Kreislauferkrankungen gehoren zu den haufigsten Todesursachen in den
westlichen Industrienationen. Ihre Diagnose und Therapie erfordert das Messen
physikalischer Parameter am Patienten. Allein diese Notwendigkeit verbindet
zwangsHiufig die drei Weltbilder der Medizin sowie der Natur- und Ingenieur
wissenschaften. Das standige Bemiihen urn das empirische Biindeln komplexer
medizinischer Phanomene, das beharrliche Fragen nach dem Warum sowie das
Wie, also das Suchen nach technischen Realisierungsmoglichkeiten, sind drei an
sich gegensatzliche Denk- und Sichtweisen. Der Versuch, die Kardiologie darzu
ste11en, wendet sich daher auch immer einer der bewahrten Formen zu, je nach
dem, welche Aufgabe im Vordergrund steht.
Die Erfahrung zeigt jedoch, dass jede dieser Perspektiven ihre eigenen Be
schrankungen aufweist. Die Medizin a11eine kann keine technischen Hilfsmittel
bereitste11en. Die Ingenieurwissenschaften sind ohne fundiertes Verstandnis der
physiologischen Zusammenhange nicht in der Lage, innovative diagnostische oder
therapeutische Ansatze zu entwickeln und der Naturwissenschaftler versagt, so
bald er seine neu gefundenen Antworten umsetzen mochte. Selbstverstandlich exi
stiert eine intensive Zusammenarbeit zwischen den Disziplinen, und doch belegen
die Erfahrungen, dass die Art des Denkens auch das Herangehen an eine Aufgabe
bestimmt und damit Missverstandnisse und unnotige Verzogerungen vorpro
grammiert sind.
Das vorliegende Lehrbuch wagt den Versuch eines Brtickenschlages. Die bei
den Autoren -selost Physiker und Kardiologe -fanden sich zusammen, urn gegen
seitig voneinander zu lernen. Die medizinischen Aspekte werden als Grundlage
verstanden, als Wissensbasis fiir die weitere Vorgehensweise. Die physikalische
Perspektive versucht, die Kausalitaten darzulegen und technische L6sungen aufzu
zeigen. Der Arzt so11 damit in die Lage versetzt werden, die M6glichkeiten und
Grenzen einer Technik zu verstehen und in dem Wissen urn das Warum diese
Technik besser anzuwenden sowie Fehlinterpretationen zu vermeiden. Der Inge
nieur bzw. Naturwissenschaftler so11 lernen, dass seine technische L6sung nicht
autark zu sehen ist, sondern sich in die physiologischen Regelkreise des menschli
chen K6rpers einbettet.
Inhaltlich wird zunachst auf elementare Grundlagen physikalisch messbarer
Parameter eingegangen, urn das Verstandnis hamodynamischer Messwerte und
ihre Interpretation zu erm6glichen. Die a11gemein vorhandene und weiter urn sich
greifende Computerisierung beim Erfassen und Bearbeiten von Daten iiberspielt
haufig Verstandnisliicken. A11zu gerne verlasst sich der Nutzer auf die scheinbare
Genauigkeit und Zuverlassigkeit digitaler Anzeigen. Prinzipie11 darf jedoch nie
VIII Vorwort
vergessen werden, dass die Gesetze der Naturwissenschaften und ihr Beachten bei
medizinischen Fragen die Basis ftir eine exakte Diagnostik bilden.
Die inhaltlichen Daten sind breit gestreut und spiegeln die komplexen Zusam
menhange kardiovaskularer Erkrankungen und ihrer Auswirkungen auf physika
lisch messbare Parameter wieder. Neben einfachen messtechnischen Prinzipien
wird der Trend zur messtechnisch anspruchsvollen Diagnostik und Therapie wie
dergegeben. Auch auf in der Klinik nicht mehr genutzte Verfahren wird kurz ein
gegangen, da die damit gewonnenen Erkenntnisse eventuell auch bei weiteren
Arbeiten hilfreich sind.
Das Buch richtet sich somit an Studierende, Lemende bzw. Interessierte aller
drei Fachrichtungen. Die jeweils "fremden" Perspektiven bzw. Elemente werden
dabei naturgemaB deutlich schwerer zu verstehen sein als das eigene, einem selbst
Vertrautere. So wird es beispielsweise der Ingenieur oder Naturwissenschaftler als
miihevoll empfinden, die komprimierten Zusammenhange in den Kapiteln 2 bis 4
in allen Details zu verinnerlichen. 1m Gegenzug setzen die technischen Details der
iibrigen Kapitel ein gewisses Grundverstandnis voraus.
Dem Leser wird daher empfohlen, sich davon nicht abschrecken zu lassen. Ziel
kann es nicht sein, alles genauestens verstanden zu haben. Wichtig ist vielmehr,
einen groben Uberblick zu erhalten, urn die Zusammenhange zu verstehen. Die
Vertiefung darf erst in einem zweiten Schritt erfolgen. Hierzu dient auch die teil
weise sehr umfangreiche und aktuelle Literatursammlung.
Die Autoren wurden bei ihrem Bemiihen von allen Seiten unterstiitzt. So stam
men Teile des Manuskripts aus der Feder von Kollegen. Besonders zu nennen sind
hierbei Herr Dr. med. Rolf Dorr (Dresden), dem wir das Kapitel iiber die Nuklear
medizin verdanken. Das gesamte Ultraschallkapitel wurde von Herrn Privatdozent
Dr. med. Frank Weber (Rostock) verfasst, der dankenswerterweise auch fUr die
Kapitel iiber Schrittmacher und Defibrillatoren erhebliche Zuarbeiten leistete.
Ebenso danken wir an dieser Stelle Herrn Dipl.-Inf. M. Gmelin (Karlsruhe) fUr
seine Unterstiitzung bei dem Kapitel iiber Informationstechnik. Dank gilt auch
einer Reihe von Kollegen, die bei der Korrektur des Manuskripts halfen. Beson
ders zu nennen sind hierbei: Herr Prof. K. Meyer-Waarden, Herr Dr. J. SchOchlin,
Herr Dipl.-Ing. M. Schonegg, Herr M. Frey sowie Herr A. Belej.
Frau I. Giinter, Frau R. Frech und Frau R. Modery halfen unermiidlich bei der
Umsetzung des Manuskripts und dem Erstellen der verschiedenen Grafiken. Ihnen
danken wir an dieser Stelle ausdriicklich. Ebenso zu nennen sind die Mitarbeiter
des Springer Verlages, insbesondere Herr Dr. Merkle und Frau Jantzen. Unser
ganz besonderer Dank gilt aber Frau D. Schyma, die mit bewundemswerter Ge
duld aIle Anderungswiinsche aufnahm und das Buch in die Form brachte, in der es
nun vorliegt. Von ihr durften die Autoren lemen, dass das reine Verfassen eines
Textes einen vergleichsweise kleinen Anteil zum Gelingen eines Buches beitragt.
Armin Bolz Wilhelm Urbaszek
Karlsruhe, im August 2001 GreizlDresden, im August 2001
Inhaltsverzeichnis
1 Grundlagen der Fluidmechanik ............................................................................ 1
1.1 Die Druckverteilung ...................................................................................... 1
1.2 Die Viskositat einer Fliissigkeit ................................................................... .2
1.3 Die Stromung einer Fliissigkeit in einem Rohr ........................................... .3
1.4 Der Fluss ....................................................................................................... .4
1.5 Der Stromungswiderstand -Analogien zu einem
elektrischen Stromkreis ................................................................................ .5
1.6 Die Stromung in einem Rohrsystem ............................................................. 6
1.7 Literatur .......................................................................................................... 8
2 Anatomie und Physiologie des Herzens ............................................................... 9
2.1 Die Anatomie des Herz-Kreislaufsystems .................................................... 9
2.2 Das Arbeitsmyokard .................................................................................... 12
2.2.1 Mechanismen der Herzkontraktion ...................................................... 14
2.2.2 Biochemie der Herzkontraktion .......................................................... .16
2.2.3 Elektrophysiologie von Herzmuskelzellen ......................................... .17
2.2.4 Elektromechanische Kopplung ............................................................ 19
2.3 Erregungsbildung und -leitung ................................................................... .20
2.4 Das E1ektrokardiogramm ............................................................................ .24
2.4.1 Das Dipolmodell .................................................................................. .25
2.4.2 Der zeitliche Verlauf des E1ektrokardiogramms ................................. 26
2.5 Literatur ....................................................................................................... .30
3 Der Blutkreislauf ................................................................................................ .31
3.1 Anatomie und Physiologie des GefaBsystems ........................................... .31
3.1.1 Verteilung der Blutvolumina ............................................................... .32
3.1.2 GefaBversorgung des Herzens ............................................................. .33
3.2 Blutdruck und Blutfluss .............................................................................. .35
3.2.1 Herzzyklus und -zeitintervalle ............................................................ .35
3.2.2 Zentraler Blutdruck und -fluss ............................................................ .39
3.2.3 Ortsabhangigkeit von Blutdruck und Blutfluss .................................. .40
3.2.4 Ortsabhangigkeit der Pulskurven ....................................................... ..42
3.3 Regulation des Blutdruckes ....................................................................... ..43
3.3.1 Der Frank-Starling-Effekt ................................................................... .47
3.3.1.1 Das PV -Diagramm des Herzens .................................................. .47
3.3.1.2 Die Konstruktion des PV -Diagramms ......................................... .48
3.3 .1.3 Die Autoregulation des Herzens (Frank-Starling -Effekt) ........... .51
X Inhaltsverzeichnis
3.3.2 Der Barorezeptorreflex ......................................................................... 53
3.3.3 Mittel-und langfristige Regulationsmechanismen .............................. 55
3.3.4 Adrenerge Regulation .......................................................................... .58
3.3.4.1 ~-adrenerge Signaltransduktion ................................................... .59
3.3.5 Arbeitsweise des gesunden menschlichen Herzens ............................. 62
3.3.6 Arbeitsweise trainierter Herzen ............................................................ 64
3.3.7 Regulation unterpathologischen Bedingungen ................................... 65
3.3.7.1 Druckliberbelastete Herzen ........................................................... 66
3.3.7.2 Volumenliberlastete Herzen .......................................................... 70
3.3.7.3 Pumpinsuffiziente Herzen ............................................................. 72
3.3.7.4 Pathophysiologische Hinweise zur Herzinsuffizienz ................... 74
3.4 Der Sauerstofftransport im Blut .................................................................. 76
3.4.1 Physikochemie des Sauerstofftransportes ............................................ 76
3.4.2 Diagnostisch wichtige Parameter ......................................................... 79
3.4.3 Pathologische Einflussfaktoren und Symptome .................................. 79
3.5 Literatur ........................................................................................................ 80
4 Ausgewiihlte Herz-Kreislauferkrankungen und ihre Diagnose ......................... 82
4.1 Koronare Herzkrankheit (KHK) .................................................................. 82
4.2 Hypertonie .................................................................................................... 85
4.3 Herzklappenerkrankungen ........................................................................... 87
4.4 Kongenitale Herzfehler ................................................................................ 89
4.4.1 Herzfehler ohne Shunt .......................................................................... 89
4.4.2 Herzfehler mit Links-Rechts-Shunt ..................................................... 89
4.4.3 Herzfehler mit Rechts-Links-Shunt ..................................................... 90
4.5 Kardiomyopathien ........................................................................................ 91
4.5.1 Die dilatativelkongestive Kardiomyopathie ........................................ 91
4.5.2 Die hypertrophische Kardiomyopathie ................................................ 91
4.5.3 Die arrhythmogene rechtsventrikuHire Kardiomyopathie ................... 93
4.5.4 Die restriktive Kardiomyopathie .......................................................... 93
4.6 Herzinsuffizienz ........................................................................................... 94
4.7 Arrhythmien ................................................................................................. 96
4.7.1 Pathophysiologie der Arrhythmien ...................................................... 97
4.7.1.1 Bradykarde Arrhythmien ............................................................... 97
4.7.1.2 Tachykarde Arrhythmien .............................................................. 97
4.7.2 Erregungsleitungsstorungen ............................................................... 100
4.7.3 Nomotope Erregungsbildungsstorungen ............................................ 102
4.7.4 Heterotope RhythmusstOrungen ......................................................... l 03
4.8 Literatur ...................................................................................................... 104
5 Elektrokardiographie ......................................................................................... 105
5.1 Ableitelektroden ......................................................................................... 105
5.1.1 Das thermodynamische Gleichgewicht ............................................ .1 06
5.1.2 Die Helmholtz-Doppelschicht ............................................................ 107
5.1.3 Die Kinetik von Elektrodenreaktionen ............................................. .1 09
5.1.3.1 Polarisation und Uberspannung ................................................. .1 09
Inhaltsverzeichnis XI
5.1.3.2 Durchtrittsuberspannung ............................................................ .110
5.1.3.3 Diffusionsuberspannung .............................................................. 112
5.1.3.4 Chemische Uberspannung .......................................................... .114
5.1.4 Elektrodenubergangsimpedanz .......................................................... 114
5.1.5 Gebrauchliche Elektrodentypen ......................................................... 116
5.1.5.1 SilberlSilberchlorid-Elektrode ................................................... .117
5.1.5.2 Fraktale Elektroden .................................................................... .119
5.1.6 Elektrodenpasten ................................................................................. 120
5.2 Die Haut als elektrische Grenzschicht ...................................................... 121
5.2.1 Anatomischer Aufbau der Haut ......................................................... 121
5.2.2 Elektrisches Ersatzschaltbild der Haut... ........................................... .122
5.2.3 Messung der Hautimpedanz .............................................................. .122
5.3 Ersatzschaltbild des Gesamtsystems ........................................................ .124
5.4 Ableittechnik .............................................................................................. 124
5.4.1 Der Operationsverstarker als Subtrahierer ........................................ .125
5.4.2 Die Impedanzwandlerstufe ................................................................. 127
5.4.3 Die Gleichtaktunterdriickung ............................................................. 128
5.4.4 Bezugspotenzialsteuerung .................................................................. 130
5.4.5 Der EKG-Verstarker ........................................................................... 130
5.5 Nichtinvasive Ableitverfahren ................................................................... 131
5.5.1 Einthoven-Ableitungen ....................................................................... 133
5.5.2 Goldberger-Ableitungen ..................................................................... 132
5.5.3 Wilson-Brustwandableitungen ........................................................... 134
5.5.4 Standardableitungen nach Nehb ......................................................... 135
5.5.5 Cabrera-Kreis ...................................................................................... 136
5.5.6 Korrigiertes Franksches Ableitverfahren .......................................... .137
5.6 Elektrophysiologische Untersuchungen .................................................... 139
5.6.1 Ruhe-EKG ........................................................................................... 139
5.6.2 Langzeit-EKG ..................................................................................... 140
5.6.2.1 Die ST-Streckenanalyse .............................................................. 143
5.6.2.2 Analyse der Herzfrequenzvariabilitat ........................................ .143
5.6.2.3 Die QT-Intervall-Analyse ........................................................... 146
5.6.2.4 Die T-Wellen-Altemans Analyse .............................................. .146
5.6.2.5 Herzfrequenzturbulenz ................................................................ 147
5.6.3 Spatpotenzialanalyse mit Hilfe der hochauflosenden Elektro-
kardiographie ...................................................................................... 147
5.6.4 Osophagus-EKG ................................................................................. 150
5.6.5 Telefonische EKG-Ubertragung ........................................................ 150
5.6.6 Implantierbare EKG-Event-Recorder ................................................ 151
5.6.7 Multielektrodensysteme und Mappingverfahren .............................. .152
5.6.7.1 Body Surface Potential Mapping (BSPM) ................................ .153
5.6.7.2 Epikardiales Mapping .................................................................. 155
5.6.7.3 Endokardiales Mapping ............................................................... 157
5.6.7.4 His-Bundel Elektrographie .......................................................... 161
5.6.7.5 Funktionsstorungen der intraventrikularen Leitung .................. .163
5.6.7.6 Ventrikulare Stimulation und Ableitung ................................... .164
