Seminar1 Herzaktionspotential/Arbeitsdiagramm Grundformen ...

H. Zabel Herzaktionspotenzial 1 

Herzaktionspotenzial 

Block: Herz-Kreislauf,Seminar 3 

Physik/Physiologie 

25. Mai 2004 

Prof. H. Zabel, Fakultät für Physik und Astronomie

Inhalt: 


1. Aktionspotenzial-Membranpotenzial 

2. Elektromechanische Koppelung 

3. Erregungsbildung und Leitungssystem 

4. Elektrischer Dipol und Feldverteilung 

5. Isopotenziallinien 

6. Summenvektor 

7. Projektion von elektrischen Feldern 

8. Ableitung nach Einthoven 

9. Weitere Ableitungen nach Goldberger und Wilson

1. Aktionspotenzial 

H. Zabel Herzaktionspotenzial 3

Ruhepotenzial der Zelle 


+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

Na + 

+ 

— 

— + 

— 

— 

— + 

— 

• Kalium – Kanäle geöffnet, Natrium – Kanäle geschlossen. 

+ 

•K + – Überschuss im Cytoplasma, Na + - Überschuss im extrazellulären 

Raum 

• Ausgleich von K + -Ionen durch Diffusion nur soweit möglich, bis 

Konzentrationsgradient durch Coulombkräfte aufgehoben wird. 

• Einstellung eines fließenden ‘Konzentrationsgleichgewichts’ 

+ 

+ 

K +

Aktivierung einer biologischen Zelle 


• Depolarisation der Zelle: Na + -Kanäle werden durch 

Reiz geöffnet und gleichen das Membranpotenzial aus. 

• Repolarisation der Zelle: Adenosintriphosphat (ATP) 

pumpt 3 Na + -Ionen aus der Zelle raus und 2 K + - Ionen in 

die Zelle rein. 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

Na + 

+ 

— 

— + 

— 

— 

— + 

— 

+ 

+ 

+ 

K +


Aktivierung einer biologischen Zelle 

Na + -Kanäle schließen 

0 

K + -Kanäle öffnen 

nach außen 

t 

ATP-Aktion 

-90 mV 

Na + -Kanäle öffnen 

1ms

Zeitlicher Ablauf des Membranpotenzials 



Zeitlichen Verlauf von Aktionspotenzialen 

300 ms 

2 

5 

Aktionspotenzial des Herzmuskels dauert ca 100 mal 

länger als von einem Skelettmuskel 

Schmidt-Thewes, Physiologie des Menschen, Springer, 1995

2. Elektromechanische Kopplung 


Verknüpfung von Erregung und Kontraktion

Verknüpfung von Erregung und Kontraktion 


Isometrische 

Kontraktion 

Aktionspotential

Ca 2+ - Haushalt beim Herzmuskel 

Schmidt-Thewes, Physiologie des Menschen, Springer, 1995 

Freisetzung von Ca 2+ vom 

Extrazellulärraum ins 

Zellinnere löst Kontraktion 

aus und verlängert das 

Herzaktionspotenzial. 


Stufen der Herzkontraktion 

1. Reizung der Muskelfaser 

2. Aktionspotenzial 

3. Elektro-mechanische Kopplung 

- Ca 2+ – Freisetzung aus dem Longitudinalsystem 

- Ca 2+ – Wirkung auf Myofibrillen 

4. Kontraktion der Myofibrillen 


3. Erregunsbildung und Leitungssystem 


Sinusknoten 

Atrioventrikular- 

(AV)-knoten 

His-Bündel 

Purkinjefäden 

Von Prof. Stephan Frings, Zoologisches Institut, Universität Heidelberg


Aktionspotenzial des Herzens und Ionenströme 

Aktionspotenzial des 

Herzens ist 

charakterisiert durch: 

• sehr schnell Anstieg 

ausgelöst durch durch 

Sinusknoten und hohe 

Leitfähigkeit der Na + - 

Kanäle, 

Na 

Ca 

K 

• ausgedehnte 

Plateauphase durch 

verminderte K + - 

Leitfähigkeit und 

langsames Abklingen 

der Öffnung der Ca 2+ - 

Kanäle.

Erregungsbildung und -ausbreitung 

Quelle:. 

Klinke und 

Silbernagel, 

Lehrbuch der 

Physiologie, 

Thieme 

•Schnellste Depolarisation am Sinusknoten (diastolische Depolarisation) 

•Sinusknoten ist Start- und Ausbreitungszentrum des Herzaktionspotenzials. 

•Ausbreitung über Vorhöfe in Richtung AV-Knoten (Atrio-ventrikular-Knoten). 

•AV-Knoten = einzige leitende Verbindung zwischen Vorhof und Ventrikel. 

•AV-Knoten = Frequenzsieb für zu hohe Aktionspotenzialfrequenzen. 

•Erregung läuft über His-Bündel in die Kammerschenkel zu Purkinje-Fasern. 

•Purkinje-Fasern leiten Erregung gleichmäßig in alle Bereiche des Ventrikels 

•Koordinierte Kontraktion und optimale Kraftentwicklung 



Vergleich 

verschiedener 

elektrischer 

Transportarten 

Metall 

Elektronenstrom 

Elektrolyt 

Ionenstrom 

Nervenzelle 

Ionenstrom 

- 

+ 

Polarisationsstrom 

+ 

-

Fortpflanzung des Aktionspotenzials 

Fortpflanzung des 

Aktionspotenzials 

entlang von 

Nervenfasern entspricht 

einem Polarisationsstrom, 

der von einer 

fortlaufenden 

Depolarisation der 

Axone herrührt. 

Nicht-myelinisierte 

Nervenfaser haben eine 

Signalgeschwindigkeit 

von ca. 2 m/s 



Polarisation und Potenzial einer Herzmuskelfaser 

Transmembranär 

Extrazellulär 

Ruhe 

Partielle 

Depolarisation 

Vollständige 

Erregung 

Repolarisation 

Ruhe


4. Elektrischer Dipol 

Polarisationsströme 

haben r Dipolcharakter 

E 

p r 

Zwei getrennte ungleiche 

Ladungen bilden einen 

elektrischen Dipol: 

+ 

r 

E r p r 

l r 

p el . Dipol 

= 

− 

Dipolmoment ist definiert als 

Ladung q mal Abstand l: 

r 

q l

Feldverteilung von Monopolen und Dipolen 


Kugelförmig oder sphärisch 

Zylindrisch oder axial


Elektrische Feldverteilung eines Dipols 

E 

p 

- + 

Ein elektrischer Dipol hat eine axiale Feldverteilung. 

Alle Feldlinien sind geschlossen und streben von der 

positiven zur negativen Ladung.

5. Isopotenzial-Linien 


Entlang von Isopotenziallinien ändert sich die Feldstärke nicht. 

Elektrisches Feld und Weg stehen senkrecht aufeinander, so 

dass keine Arbeit geleistet wird. Daher sind Isopotenziallinien 

Linien gleicher Spannung, wie der Name besagt. 

+ 

Linie gleicher 

Feldstärke

Spannungsdifferenz 


Spannungsdifferenz: 

∆V 

= 0V 

Jeder Isopontenziallinie 

entspricht eine elektrische 

Spannung. Zwischen 

verschiedenen Isopotenziallinien 

herrscht eine 

Spannungsdifferenz. 

+2 V 

+1 V 

Spannungsdifferenz: 

∆V = 1V

Elektrische Spannung 

zwischen Isopotenziallinien verschiedener Ladung 

• Grösste Spannungsdifferenz parallel zum Dipol 

• Keine Spannungsdifferenz entlang einer Isopotenziallinie 

• Amplitude des Potenzial nimmt schnell mit Abstand ab 


Isopotenzial-Linien beim EKG 

auf der Thorax-Oberfläche 

Isopotenziallinien beim EKG 

Potenziallinien verlauf 

wird durch Organe und 

Gewebe im Vergleich 

zum Verlauf in Luft oder 

Vakuum verzerrt. 

- 

+ 

Quelle:. Klinke und 

Silbernagel, Lehrbuch der 

Physiologie, Thieme 


6. Summenvektor 


Jeder Dipol stellt die Erregung 

einer Fibrelle zu einem 

bestimmten Zeitpunkt dar. 

Elektrischer Feldvektor bzw. 

Dipolmoment als Vektorsumme 

aller einzelnen Dipole 

+ - 

+ - 

+ - 

+ - 

+ - 

+ - 

+ - 

+ - 

+ - 

+ - 

Die Erregung breitet sich über mehrere Milliarden von 

Einzelmuskelfasern aus und jede einzelne lokale Potentialdifferenz 

bildet einen Dipol, der sich nach Richtung und Größe durch einen 

Vektor darstellen läßt. Die Überlagerung aller Dipolmomente ergibt 

die Vektorsumme eines effekten Dipolmomentes, welches im 

folgenden betrachtet wird.

Summenvektor am Herzen 


− − 

+ 

+ 

Summenvektor 

Drehung durch die 

fortschreitende Erregung 

• Summenvektor charakterisiert die zeitliche und rämuliche Ausbreitung 

der Erregung am Herzen 

• Die Spitze des Summenvektors beschreibt eine Vektorschleife im Raum 

• Die Vektorschleife kann in verschiedenen Ebenen dargestellt werden.


Vektorschleife des elektrischen Dipolvektors im Raum 

Der Summenvektor macht eine komplizierte Kreisbewegung im 

Raum während des Erregungsablaufs 


Herzvektorschleife und Potenzialableitung 




Einthovensche Projektion auf die Frontalebene 

Deetjen-Speckmann, Physiologie, Urban&Schwarzenberg

7. Projektion von elektrischen Feldern 


Projektion im kartesischen 

Koordinatensystem 

y, 90 ° 

E y 

+ 

E r x 

E 

− 

Zwei Projektionen geben den E- 

Vektor vollständig wieder 

x, 0° 

180° 

Projektion im triangularen 

Koordinatensystem 

II 

I 

− 90° 

+ 

0° 

E r III 

− 

90° 

Bei drei Projektionen ist die Bestimmung 

des E-Vektor überbestimmt.

Weitere Projektionen 


− 

E 

+ 

+ 

− E + 

Ruhe oder vollständige Erregung 

E 

− 

E 

Bei paralleler Projektion ist das 

abgeleitete Potenzial maximal, bei 

senkrechter Projektion minimal.

Ableitungen des Feldvektors nach Einthoven 


I 

II 

+ 

E r 

− 

III

8. Ableitungen nach Einthoven 



P-Welle 

Die Erregung des Herzmuskels geht vom Sinusknoten in der 

Vorkammer aus. Der Muskel der Vorkammer kontrahiert und 

wird dann negativ polarisiert im Vergleich zur noch positiven 

Hauptkammer: 

Entstehung eines elektrischen Dipols. 

P-Welle, 

0.1s 



PQ-Strecke 

Die Erregung breitet sich weiter über die Hauptkammer aus, 

wenn der Atrioventikularknoten erregt wird. Folge ist eine 

Depolarisation µ=0. 

PQ- 

Strecke, 

0.1s 


PQRST-Strecke 

R-Zacken mit 

größter Polarisation 

Erregungsausbr 

eitung in den 

Vorhöfen, kleine 

Polarisation 

Vollständige 

Ventrikelerrerung 

Vollständige Vorhoferregung, 

Überl. 

auf HIS-Bündel, 

keine Polarisation 

Erregungszurückbildung 

Erregungsausbreitung 

in 

Kammerscheidewand 

http://www.anesthesiology.de/ekg/ekg13.htm 


Überblick 


300 ms

Nobelpreis für Medizin-Physiologie 1924 


Willem Einthoven 

University Leiden 

1860-1927

Historisches Electrokardiograph 


8. Weitere Ableitungen 


Bipolare Ableitungen nach Einthoven misst Spannungsdifferenzen 

zwischen zwei Punkten auf der Körperoberfläche 

Unipolare Ableitung nach Goldberger misst Spannungsdifferenzen 

zwischen Zentrum des Einthoven’schen Dreiecks und einer Extremität 

Hochohmige 

Widerstände

Einthoven und Goldberger Ableitungen 


Extremitätenableitungen 

nach Einthoven und Goldberger 


http://www.josefsklinik.de/script/ekg.htm 

Einhoven I, II, III 

Goldberger aVR, aVL, aVF 

Durch Ableitung der Einthoven- und 

Goldberger-Ableitungen kann der 

Lagetyp der elektrischen Herzachse 

in der Frontalebene bestimmt werden. 

Der Lagetyp ist die Richtung des 

Hauptausschlages der EKG-Kurve. 

Normalerweise zeigt die elektrische 

Herzachse wie die anatomische 

Herzachse nach links (Indifferenztyp, 

Richtung der Ableitung II). Bei einer 

Lungenembolie kann der Lagetyp 

aber auch nach rechts zeigen, 

sogenannter Rechtstyp (in Richtung 

der Ableitung III)

Brustwandableitungen nach Wilson 


V1: 4.ICR rechts parasternal 

V2: 4.ICR links parasternal 

V3: zwischen V2 und V4 (ca. 5.Rippe) 

V4: 5. ICR links medioclavikular 

V5: vordere Axillarlinie (Höhe wie V4) 

V6: mittlere Axillarlinie (Höhe wie V4) 

Wilson-Ableitung geben Auskunft über 

die horizontale Vektorprojektion. Positver 

Ausschlag, falls Vektor auf die 

Ableitungselektroden hinzeigt, negativer 

Ausschlag, wenn Vektorspitze von der 

Ableitungselektrode wegzeigt. 

Siehe Unterschiede in den Ableitungen 

V1 (negativ) und V6 (positiv). 

http://medizinus.de/ekg.php


12 Ableitungen nach Einthoven, Goldberger, Wilson 

1 

6

Moderner Einsatz von EKG-Geräten 


Cardio Perfect for Windows DEMO.lnk 


Phasenbeziehung zwischen EKG und arteriellem Druck 


Referenzen und nützliche Webseiten 


http://medizinus.de/ekg.php 

http://schule.fto.de/fhte/mtechnik/inhalt/inhalt.htm 

http://www.m-ww.de/enzyklopaedie/diagnosen_therapien/ekg.html 

http://sprojects.mmi.mcgill.ca/heart/egcyhome.html 

http://www.anesthesiology.de/ekg/ekg21.htm 

http://www.josefsklinik.de/script/ekg.htm 

http://human.physiol.arizona.edu/SCHED/CV/Wright/Wright.L2b.html 

Klinke.Silbernagel, Lehrbuch der Physiologie, Thieme 

Deetjen-Speckmann, Physiologie, Urban&Schwarzenberg 

Schmidt-Thewes, Physiologie des Menschen, Springer

Zusammenfassung 


1. Aktionspotenzial geht von Reizung zur Depolarisation und zur 

Repolarisation einer Zelle. 

2. Elektromechanische Koppelung erzeugt Muskelkontraktion durch Ca 2+ - 

Ausstoss und Ca 2+ – Wirkung auf Myofibrillen. 

3. Erregungsbildung verläuft als Polarisationsstrom über die Nervenfasern. 

4. Elektrischer Dipol entsteht durch Ladungstrennung von Ladungen 

verschiedenen Vorzeichens. 

5. Isopotenziallinien sind Linien gleichen elektrischen Potenzials bzw. 

konstanter Spannung. 

6. Summenvektor setzt sich aus der Summe aller Teilvektoren in den 

Nervenfasern zusammen und kreist entsprechend des Rhythmus des 

Herzaktionspotenzials. 

7. Verschiedene Projektionen von E-Feldern setzen sich zum Gesamtvektor 

zusammen. 

8. Ableitung nach Einthoven liefert ein charakteristisches EKG Signal mit der 

PQRST – Strecke. 

9. Weitere Ableitungen nach Goldberger und Wilson gebräuchlich.

Seminar1 Herzaktionspotential/Arbeitsdiagramm Grundformen ...

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