Skript zum eLearning-Praktikum "Elektrokardiogramm des Menschen"
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Skript zum eLearning-Praktikum „Elektrokardiogramm des Menschen“ UNIVERSITÄT LEIPZIG MEDIZINISCHE FAKULTÄT CARL-LUDWIG-INSTITUT FÜR PHYSIOLOGIE VERSION 2020 Lernziele: Nach der Bearbeitung des Praktikumsversuchs „Elektrokardiogramm des Menschen“ sind Sie in der Lage: den Begriff des elektrischen Feldes eines Dipols zu definieren, ein EKG als vektorielle Ausbreitung einer elektrischen Erregung zu interpretieren, ein typisches EKG zu skizzieren und den Ablauf der Herzerregung den entsprechenden Abschnitten des EKG zuzuordnen, die Grundlagen der Bestimmung des Lagetyps im EKG zu erläutern die Ableittechniken nach Einthoven und Goldberger zu beschreiben, die diagnostische Aussagekraft des EKG zu erklären. Empfohlene Literatur: Für das Verständnis des Praktikums wird neben der Vorlesung die Lektüre eines Lehrbuchs empfohlen. Siehe Vorlesung (online). Unter folgendem Link finden Sie Videos und Materialien zu den Versuchen. Als Login/Passwort nutzen Sie die ebenfalls für das KIS (klinikintegrierendes Seminar) gültigen Angaben. Diese erhalten Sie im Seminar bzw. in der Vorlesung. http://physiologie.medizin.uni-leipzig.de/e_learning/EKG/index.php Allgemeine Hinweise zum eLearning-Skript Liebe Studierende, aufgrund der nach wie vor bestehenden Einschränkungen findet das Physiologie-Praktikum nicht als Präsenzveranstaltung sondern in elektronischer Form statt. Die elektronischen Praktika sind Pflichttermine, deren regelmäßige Teilnahme anhand der abzugebenden Protokolle überprüft wird. Dokumentieren Sie die Ergebnisse Ihrer Auswertungen im Teil „Protokoll“ des eLearning-Skripts, drucken diesen Teil aus und geben ihn im Briefkasten „Protokolle Physiologie“ ab. Ab dem Montag der Woche, in der Sie für das Praktikum eingeteilt sind, arbeiten Sie das Skript, das u.a. auf Lehrfilmen basiert, durch. Bis Freitag der jeweiligen Woche geben Sie das Protokoll mit Ihren Auswertungen im Briefkasten „Protokolle Physiologie“ ab. Alternativ können Sie das Protokoll als PDF- Datei per Email an den betreffenden Praktikumsleiter (*eingeteilte Praktika bis 17.11. / **eingeteilte Praktika ab 19.11.) bis Freitag der jeweiligen Woche senden. Alle auftretenden Fragen senden Sie ebenfalls per Email an uns. Wir werden die Fragen und Antworten anonymisiert und zusammengefasst per Email am Ende der letzten Woche des Blocks (ab 27. November 2020) an Sie zurücksenden. In dieser Email werden Sie auch Lösungen der im Skript beschriebenen Aufgaben finden. Leipzig, den 03.11.2020 PD Dr. Robert Kraft* Dr. Torsten Bullmann** robert.kraft@medizin.uni-leipzig.de torsten.bullmann@medizin.uni-leipzig.de 1
Einführung Das Elektrokardiogramm (EKG) ist die Registrierung der zeitlichen Veränderungen des elektrischen Feldes, welches durch die Erregungsausbreitung im Herzen verursacht wird. Es lässt Aussagen über Erregungsbildung und Erregungsleitung, grundsätzlich aber keine Schlüsse auf die mechanischen und hämodynamischen Verhältnisse des Herzens oder des Kreislaufes zu. Erregung (Depolarisation) von Zellen äußert sich als elektrische Negativierung des Extrazellularraums gegenüber der noch unerregten Umgebung. Man kann daher eine erregte Struktur als eine Spannungs- quelle (Dipol) auffassen und die Spannung durch einen Vektor darstellen, dessen Größe (Betrag) und Richtung sich zeitlich ändert. Die Einzelerregungen der Herzmuskelzellen zu jedem Zeitpunkt addieren sich vektoriell zu einem Integralvektor. Der Pfeil zeigt vereinbarungsgemäß vom negativen (erregter Bereich) zum positiven Pol (unerregter Bereich). Die Ableitung erfolgt beim Menschen nicht direkt von der Herzoberfläche, sondern beträchtlich davon entfernt, z.B. von den Extremitäten. Das ist möglich, weil die im Rahmen der Herzerregung auftretenden Ströme ein sich durch den ganzen Körper ausbreitendes elektrisches Feld verursachen. Um die Aussagekraft des indirekt abgeleiteten EKGs beurteilen zu können, müssen daher die Grundtatsachen der Feldableitung bekannt sein (Abb. 1). Als Modell wird der Mensch als isolierte Kugel mit Radius r und Leitfähigkeit κ angenommen. Auf dem Kugelmittelpunkt steht der Integralvektor ⃗ und erzeugt ein elektrisches Dipolfeld. Die Physik liefert uns für die Elektroden 1 und 2 die Potentiale φ1 und φ2 sowie für die Spannung u zwischen den Elektroden die Abhängigkeit: 3 | ⃗| 1 = 2 − 1 = ⋅ ⋅ cos ⋅ sin (1) 2 2 2 wobei δ der Öffnungswinkel (Winkel zwischen den beiden Elektroden und der Kugelmitte) und β der Schnittwinkel zwischen Dipol und Ableitrichtung ist. Abb. 1: Der Mensch als Kugel im homogenen Raum. Die elektrische Herzachse (Vektor während der R-Zacke, rot) ist als Dipol bzw. Integralvektor ⃗ dargestellt. Die gedachte Verbindungslinie (grün) zwischen den beiden Elektroden der Ableitung Einthoven II (1 und 2) ist die Ableitrichtung. β ist der Schnittwinkel zwischen Integralvektor und Ableitrichtung II. Zum Zeitpunkt der R-Zacke erreicht der Integralvektor seine maximale Länge und α ist dann der Lagetypwinkel (gemessen zur Horizontale). Aus dem dargestellten rechtwinkligen Dreieck ergibt sich der Zusammenhang zwischen Elektrodenabstand und dem Öffnungswinkel : Elektrodenabstand sin 2 2r Teil 1: Modellversuch am „elektrolytischen Trog“ (Videos „elektr. Trog“) Aus der Gleichung (1) lassen sich folgende Zusammenhänge ableiten: Abstandsgesetz: Zusammenhang zwischen dem Abstand (Radius) r der Elektroden vom Herzen und der Größe der Spannung: ~ Abhängigkeit des EKG vom Öffnungswinkel (bei konstantem Radius r): ~ ~ Projektionsgesetz: Abbildung des Integralvektors auf die Ableitung: ~ 2
Der elektrolytische Trog ist ein Modell für die Messung elektrischer Felder. Im Zentrum einer mit Leitungswasser gefüllten Petrischale wird über zwei Elektroden, die gemeinsam um den Mittelpunkt gedreht werden können (Dipollage), von einem EKG–Simulator ein EKG eingespeist. Die Beschreibung des EKG-Simulators, der u.a. für die Überprüfung der automatischen Diagnostik von EKG-Geräten genutzt wird, sowie des eigentlichen elektrolytischen Trogs finden Sie in den Videos „elektr. Trog / Versuchsaufbau im Praktikum: Der Simulator bzw. Der Messplatz“. In definierten Abständen vom Mittelpunkt befinden sich Steckerbuchsen mit Elektroden, über die das EKG abgeleitet werden kann. Ziel der Untersuchungen ist es, die Abhängigkeit der abgeleiteten Spannung von Elektrodenposition und Dipollage nach der obigen Gleichung festzustellen. Optional können Sie einen Elektrolytischen Trog auch zu Hause nachbauen. Eine Anleitung finden Sie im Video „elektr. Trog / Ein elektrolytischer Trog für das Home-Office“. Auch wenn Sie diesen Versuch nicht praktisch durchführen, schauen Sie sich das Video bitte an. Es trägt zum Verständnis v.a. des „Projektionsgesetzes“ (siehe Aufgabe 1.2) bei. Aufgabe 1.1: Abstandsgesetz: Abhängigkeit der gemessenen Spannung vom Abstand (Radius) zwischen Ableitelektroden und „Herz–Dipol“ Im Video „elektr. Trog / Abstand“ wird der Dipol in Stellung „Steiltyp“ gebracht. Die rote und die gelbe Ableitelektrode werden an die Kontakte unmittelbar oberhalb und unterhalb der Dipolelektroden angelegt. Über das Programm „DASYLab“ kann die Amplitude der R-Zacke (Spannung u in V) mit dem Cursor bestimmt werden. Versetzt man die Elektroden zum nächst äußeren Kontaktpaar wird die Höhe der R-Zacke verändert. Übernehmen Sie die unter dem Video angegebenen Messwerte in die Tabelle (siehe Protokoll am Ende des Skripts) und zeichnen Sie einen Graphen für die Abhängigkeit der R-Zacke (Spannung) vom Abstand (Radius) zum Dipol. Aufgabe 1.2: Abhängigkeit der gemessenen Spannung (R–Amplitude) vom Öffnungswinkel (Elektrodenabstand) Im Video „elektr. Trog / Öffnungswinkel“ wird die Amplitude der R-Zacke zwischen der rot und gelb markierten Buchse gemessen. Dabei wird der Dipol stets parallel zur Ableitung ausgerichtet. Der Öffnungswinkel δ zwischen den beiden Buchsen wird jeweils auf 60°, 120° sowie 180° eingestellt. Unter dem Video sind die entsprechenden Messwerte angegeben. Beantworten Sie die Frage im Protokoll! Aufgabe 1.3: Projektionsgesetz: Abhängigkeit der gemessenen Spannung von der Lage des Dipols zu den Ableitelektroden Im Video „elektr. Trog / Projektion“ werden drei Elektroden entsprechend ihrer Farben an den Eckpunkten des äußeren Dreiecks angebracht (Einthoven-Ableitung). Man kann jetzt die drei Ableitungen (die drei Projektionen des Dipols) vermessen. Das Projektionsgesetz u ̴ cos β beschreibt den Zusammenhang zwischen der Größe der R-Zacke in einer bestimmten Ableitung und dem Winkel β zwischen Dipol und Ableitrichtung (s. Abb. 1). Verfolgen Sie im Video, wie durch Drehen des Dipols die R-Zacke in den jeweiligen Ableitungen verschwindet bzw. maximal wird. Zeichnen Sie den Integralvektor des Dipols in die vorgegebenen Schemata des Protokolls ein! Vervollständigen Sie die zugehörigen Tabellen! Aufgabe 1.4: Lagetypen In den Abbildungen „elektr. Trog / Lagetypen“ sind die Lagetypen Quertyp, Indifferenztyp und Steiltyp1 in der Einthoven-Ableitung dargestellt. Beachten Sie, dass sich beim Drehen des Dipols entsprechend dem Projektionsgesetz nicht nur die Größe sondern auch die Richtung der Zacken (Polarität) ändern kann. Vervollständigen Sie das Protokoll! 1 Beim Steiltyp kommt der elektrolytische Trog als Modell an seine Grenzen: Richtig ist, dass die Amplitude der R-Zacke in der ersten Ableitung ganz klein wird, falsch ist dagegen, dass die P- und T- Welle verschwinden. 3
Teil 2: Pathologien im EKG (Animationen „path. EKG´s“) In den Animationen „path. EKG´s“ werden neben einem normalen EKG zehn verschiedene pathologische EKG-Formen vorgestellt. Zur Beurteilung können Sie „EKG-Diskussion.pdf“ nutzen. Sie sollen im Protokoll die jeweilige Diagnose zu den Fällen stellen. Teil 3: Extremitäten–EKG (Video und Muster-EKG „Einthoven-Ableitung“) Aufgabe 3.1: Ableitschema nach Einthoven Im Video „Einthoven-Ableitung“ sehen Sie die praktische Durchführung eines Extremitäten-EKG am Menschen. Die Übertragung der Modellbedingungen der Dreiecksableitung auf das EKG des Menschen (Einthoven’sches Dreiecksschema) enthält Vereinfachungen gegenüber den tatsächlichen Gegebenheiten: 1. Das Medium, in dem sich das Feld im menschlichen Körper ausbreitet, ist elektrisch inhomogen, 2. Der Mensch ist keine Kugel. 3. Das Herz liegt nicht im Mittelpunkt des Ableitdreiecks und 4. dieses Dreieck ist nicht gleichseitig. 5. Durch Abbildungsfehler bei der Projektion der dreidimensionalen Herzschleife auf die zweidimensionale Frontalebene, liegen die R-Zacken in den drei Ableitungen (I, II und III) zeitlich nicht exakt untereinander. Die Einthoven’sche Extremitätenableitung stellt die Registrierung der Projektion des Integralvektors auf die Frontalebene und von dort auf die Dreiecksseiten dar (Abb. 2). Sie enthält mehrere Konventionen: 1. Gleiche elektronische Verstärkung in allen drei Ableitungen (10 mm/mV). 2. Ausschläge im EKG nach oben gelten als positiv, in der Gegenrichtung als negativ. 3. Die Polung der Elektroden hat so zu erfolgen, dass im synchron geschriebenen EKG für den Indifferenztyp alle drei R-Zacken in positive Richtung zeigen. Daraus ergibt sich für die Summenformel: U II U I U III . 4. Die Registriergeschwindigkeit beträgt 25 bzw. 50 mm/s. 5. Farbliche Markierung : • rechter Arm – rot • linker Arm – gelb • linker Fuß – grün • rechter Fuß – schwarz (Potentialausgleich) Es bilden sich die Potentials φL (am linken Arm), φR (am rechten Arm) und φF (am linken Fuß). Die einzelnen Potentiale selber sind nicht messbar, sondern nur die Potentialdifferenzen zwischen den gleichwertigen Messpunkten (bipolare Ableitung): Ableitung I: UI L R Ableitung II: U II F R Ableitung III: U III F L Die Summe aus 1. und 3. Ableitung U I U III L R F L F R U II liefert die 2. Ableitung und damit die Summenformel: U II U I U III 4
Abb. 2: Projektion des Integralvektors aus der Frontalebene auf die Dreiecksseiten nach Einthoven Unter dem Video „Einthoven-Ableitung“ finden Sie die Datei „ekg.pdf“, die Sie öffnen und ausdrucken. Sie enthält ein Muster-EKG, das im Protokoll ausgewertet wird. Zur Nomenklatur: Jeder Ausschlag aus der Nulllinie wird als Zacke oder Welle, jeder Abstand zwischen den Zacken als Strecke bezeichnet. Abstände, die Zacken und Strecken enthalten, werden Dauern oder Intervalle genannt. Normwerte für das frequenzabhängige QT-Intervall gibt es nur für eine Herzfrequenz von 60 Schlägen pro Minute (R-Zacken-Abstand 1 s.). Die Formel von Bazett 2 QT QTc RR liefert eine grobe Abschätzung. Dabei sind alle Werte in Sekunden einzusetzen. QTc ist dann das QT- Intervall bei 60 Schlägen pro Minute und sollte bei Frauen kleiner als 450 ms und bei Männern kleiner als 430 ms sein. Größere Werte sind ein Indiz für ein mögliches Long-Time-QT-Syndrom. Beispiel: Sie haben einen RR-Abstand von 0,6 s und ein QT-Intervall von 0,3 s gemessen: 0.3 QTc 0.39s 390ms 0.6 Aufgabe 3.2: Ableitschema nach Goldberger Bei der Goldberger-Ableitung werden (bleiben) die Elektroden an den gleichen Stellen platziert, wie bei der Einthoven’schen Ableitung (linker Arm, rechter Arm und linkes Bein). Es werden immer zwei Elektroden über zwei gleichgroße Widerstände zusammengeschaltet. Der Zusammenschluss der Widerstände bildet einen Bezugspunkt, der sich virtuell auf der Dreiecksseite befindet. Dort bilden die beiden Widerstände einen Spannungsteiler und halbieren die Potentialdifferenz. Die gegenüberliegende Extremität wird dann unipolar gegen diesen Bezugspunkt gemessen (Abb. 3). 2 H.C. Bazett, An analysis of the time relations of electrocardiograms. Heart 7 (1920) p. 353. 5
Abb. 3: EKG-Ableitungen nach Einthoven und Goldberger. Bei beiden Ableitarten werden die gleichen Potentialdifferenzen gemessen, aber unterschiedlich dargestellt (Einthoven: Projektion der zweidimensionalen Herzschleife aus der Frontalebene auf die Dreiecksseiten, Goldberger: Projektion auf die Winkel- oder Seitenhalbierende des Dreiecks), daher ist auch eine Umrechnung3 möglich: L F U I U II U aVR R 2 2 F R U I U III U aVL L 2 2 L R U II U III U aVF F 2 2 Teil 4: Lehrfilm: Straub–Herz (Video „Frosch“) Im Video „Frosch“ wird die Wirkung verschiedener extrazellulärer Lösungen auf das isolierte Froschherz („Straub-Herz“) gezeigt. Ringer- und Tyrode-Lösungen (Tab. 4) sind als physiologische Verbesserungen der isotonischen Kochsalzlösung (0,9%ige NaCl-Lösung) anzusehen. Ringer- und Tyrode-Lösungen werden in der physiologischen Forschung bzw. als Infusionslösungen genutzt. Bestandteile Ringer Tyrode NaCl 0,60 % 0,65 % KCl 0,01 % 0,02 % CaCl2 0,01 % 0,02 % NaHCO3 0.01 % 0,1 % MgCl2 — 0,01 % NaH2PO4 — 0,005 % Glukose — 0,1 % Tab. 4 Zusammensetzung der Ringer-Lösung und der Tyrode-Lösung 3 Unter der Annahme eines homogenen und kugelförmigen Feldes. 6
Protokoll EKG Bitte ausdrucken, ausfüllen und zusammenheften! Datum: Name: Vorname: Studiengang (H/Z/P): KGr: Email-Adresse: Zu 1.1: Wertetabelle zum Abstandsgesetz Abstand vom 3,5 5.0 6.5 8 Dipol [cm] R-Zacke [V] Graph: Zusammenhang zwischen der Amplitude der R-Zacke (y-Achse) und dem Abstand vom Dipol (x-Achse) Warum ist der Abfall der Kurve weniger stark ausgeprägt, als das Abstandsgesetz voraussagt (siehe auch „EKG-Diskussion.pdf“)? ………………………………………………………………………. Zu 1.2: Um welchen Faktor verändert sich die Amplitude der R-Zacke (Spannung u), wenn der Öffnungswinkel von 60° auf 180° geändert wird? Messwerte: u180° / u60° = ….. Theoretisch: u180° / u60° = ….. Zu 1.3: Zeichnen Sie den Integralvektor (als dimensionslosen Pfeil) und den Schnittwinkel β (zwischen Integralvektor und der maßgeblichen Ableitung) in die Abbildungen ein und vervollständigen Sie die Tabellen. Der Lagetypwinkel α wird von der gestrichelten Linie (0°) im Uhrzeigersinn gemessen. Übergang zwischen den Lagetypen Winkel β zw. Integralvektor und Ableitung I cos β Lagetypwinkel α Die R-Zacken verschwinden in Ableitung I. 7
Übergang zwischen den Lagetypen Winkel β zw. Integralvektor und Ableitung I cos β Lagetypwinkel α Die R-Zacken sind in Ableitung I maximal. Übergang zwischen den Lagetypen Winkel β zw. Integralvektor und Ableitung II cos β Lagetypwinkel α Die R-Zacken sind in Ableitung II maximal. Übergang zwischen den Lagetypen Winkel β zw. Integralvektor und Ableitung III cos β Lagetypwinkel α Die R-Zacken verschwinden in Ableitung III. Zu 1.4: Übertragen Sie die R-Zacken-Werte für die drei Lagetypen (Quer-, Indifferenz- und Steiltyp) in die folgenden Tabellen. Konstruieren Sie die zugehörige Lage des R-Zacken-Vektors. Kontrollieren Sie, inwieweit die Summenformel4 II = I + III gilt. 4 Kirchhoff’scher Maschensatz: In einem geschlossenen Umlauf (Masche) ist die vorzeichenbehaftete Summe aller Spannungen Null. Spannungen, deren Zählrichtung mit der Umlaufrichtung übereinstimmen, bekommen ein positives Vorzeichen, andernfalls ein negatives. 8
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Zu 2: Stellen Sie die jeweilige Diagnose zu den Fällen 1 bis 10. Fall 1: ………………… Fall 2: ………………… Fall 3: ………………… Fall 4: ………………… Fall 5: ………………… Fall 6: ………………… Fall 7: ………………… Fall 8: ………………… Fall 9: ………………… Fall 10: ………………… Zu 3.1: Das Muster-EKG (ekg.pdf) enthält 5 aufeinander folgende Erregungsabläufe. Vervollständigen Sie anhand dessen die folgende Tabelle. Herzperiode PQ-Intervall QRS-Komplex QT-Intervall 1. Wert [mm] 2. Wert [mm] 3. Wert [mm] 4. Wert [mm] 5. Wert [mm] Mittelwert [mm] Mittelwert [s] QTc = ms Normwert [s] - Herzfrequenz [min-1] Wertetabelle für die Zeiten Messen Sie einmal synchrone R-Zacken (je 3 für Einthoven und Goldberger) aus. Zeichnen Sie hierfür eine Senkrechte ausgehend vom Peak der größten R-Zacke durch die Peaks der anderen R-Zacken. Über- tragen Sie die Werte in die folgende Tabelle. Prüfen Sie die Gültigkeit der Summenformel „II = I + III“. Zu 3.2: Berechnen Sie zusätzlich aus den Amplituden der Einthoven-Ableitung die Goldberger-Amplituden. Einthoven Goldberger gemessene R-Zacken gemessene R-Zacken errechnete R-Zacken Amplitude [mV] Amplitude [mV] Amplitude [mV] UI aVR UII aVL UIII aVF Amplituden der R-Zacken bei Einthoven- und Goldberger-Ableitung 10
Konstruieren Sie die Lage des R-Vektors aus den synchronen R-Zacken. Messen Sie den Lagetypwinkel (mit einem Winkelmesser) und benennen Sie den Lagetyp. Verwenden Sie den gleichen Maßstab für beide Konstruktionen. 11
Zu 4: Notieren Sie die Effekte der verschiedenen Lösungen auf die Herztätigkeit in folgende Tabelle. Zur Vereinfachung nutzen Sie folgende Begriffe: verringerte Aktivität – verstärkte Aktivität – Herzstillstand – kontrahiert – relaxiert Lösung Wirkung auf das Herz ________ Ringer NaCl K+ Ca2+ Tyrode 12
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