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Das Fachgebiet der Physiologie beschreibt Vorgänge und Lebensfunktionen im Körper, welche sich mit physikalischen Gesetzen beschreiben lassen. Angewandt auf das Herz sind vor allem die physikalischen Gesetze von Druck- und Strömungslehre wichtig. Ziel ist das Verständnis über die grundlegenden Mechanismen während eines Herzzyklus. Weil die Physiologie gerade beim Herz eng mit der Anatomie zusammenhängt, lohnt es sich, den Artikel zur Anatomie des Herzens vorgängig zu lesen.
Das Herz ist anatomisch gesehen ein Muskel und von der physiologischen Betrachtungsweise her eine Pumpe – eine Bluttransportpumpe. Dabei pumpen sowohl der linke als auch der rechte Ventrikel Blut in das jeweilige Kreislaufsystem (vgl. Beitrag Anatomie des Herzens). Wie im vorangehenden Artikel zur Anatomie des Herzens erwähnt, sind die Herzklappen für den Herzzyklus zentral. Diese Klappen erlauben einen Druckanstieg im jeweiligen Hohlraum. Druck (p) wird definiert als Kraft (F) pro Fläche (A). Die physikalische Formel lautet also p = F/A. Ohne Druckdifferenz kann kein Blut fliessen. Das Blut fliesst immer vom höheren zum tieferen Druck. Nebst dem Druck gibt es eine zweite physiologische Begründung für die Wichtigkeit der Herzklappen: Sie erlauben den Blutfluss in eine Richtung, dadurch kommt der sogenannte unidirektionale Blutfluss zustande.
Die physiologischen Grundlagen sind somit bekannt, nun gilt der Fokus dem Herzzyklus. Ganz grundlegend lässt sich der Herzzyklus in eine systolische und eine diastolische Phase unterteilen. Beide Begriffe kommen aus dem Griechischen. „Systole“ bedeutet Zusammenziehen und „Diastole“ bedeutet Ausdehnung. Die Systole beschreibt also die Phase, in welcher der Herzmuskel kontrahiert und Blut auswirft. Sind die Herzklappen geschlossen, erhöht sich der Druck in den Ventrikeln. Sobald dieser Druck den Druck des nachfolgenden Gefässes übertrifft, kann Blut fliessen, indem sich die Klappe öffnet. Sind beispielsweise die Mitralklappe und die Aortenklappe geschlossen, erhöht sich der Druck im linken Ventrikel. Übersteigt der Druck im linken Ventrikel den Druck in der Aorta, öffnet sich die Aortenklappe passiv und der linke Ventrikel kann Blut auswerfen. Die Diastole hingegen beschreibt die Phase, bei der das Herz mit Blut gefüllt wird und durch den Bluteinstrom gedehnt wird. Dabei ist der Druck im jeweiligen Vorhof tiefer als in den davorliegenden Venen, damit die dem Blutfluss zugrundeliegende Druckdifferenz erfüllt ist. Alle beim Herzzyklus involvierten Klappen werden passiv durch den Blutstrom geöffnet.
Die Dauer eines Herzzyklus lässt sich einfach berechnen, indem man 60 Sekunden durch die Herzfrequenz teilt. Die Herzfrequenz sagt aus, wie häufig das Herz in einer Minute schlägt. In Ruhe liegt die Herzfrequenz zwischen 60 und 80 Schlägen pro Minute. Angenommen das Herz schlägt 60 Mal pro Minute, dann dauert ein Herzzyklus also genau eine Sekunde. Ist die Herzfrequenz höher als 60, dauert ein Herzzyklus folglich weniger lang als eine Sekunde. Die physiologische Ruhe beschreibt eine Person, welche sich nicht bewegt, aber wach ist, zum Beispiel eine sitzende Person. Wenn man sich körperlich betätigt, kann die Herzfrequenz sich bei sportlichen Personen ohne Weiteres verdreifachen. Angenommen die Herzfrequenz liegt also bei 180 Schlägen pro Minute, dauert ein Herzzyklus nur noch 1/3 Sekunden. Dabei ist wichtig, dass vor allem die Diastolendauer verkürzt wird. Die Systolendauer bleibt nicht konstant, verändert sich bei höherer Herzfrequenz jedoch deutlich weniger stark als die Diastolendauer. Eine von Physiologieprofessoren häufig gelehrte Faustregel besagt, dass bei sportlicher Betätigung eine Herzfrequenz von 220 minus das eigene Alter eine gesunde Obergrenze ist. Wenn die Herzfrequenz in ruhendem Zustand für einen längeren Zeitraum (länger als 5min am Stück) 100 Schläge pro Minute übertrifft, sollte man einen Arzt aufsuchen.
Nebst der Dauer eines Herzzyklus und der Herzfrequenz ist auch das ausgeworfene Blutvolumen pro Herzzyklus physiologisch interessant. Das ausgeworfene Blut pro Herzzyklus heisst auch Schlagvolumen und ist die Differenz vom Blutvolumen im Ventrikel am Ende der Diastole (dort ist das Herz maximal gedehnt) und dem Volumen am Ende der Systole. Also gilt Schlagvolumen = Enddiastolisches Volumen minus endsystolisches Volumen. Das Schlagvolumen beträgt ca. 70ml. Das enddiastolische Volumen beträgt jedoch ca. 130ml und ist somit fast doppelt so gross wie das Volumen, das effektiv ausgeworfen wird. Soll heissen, dass nicht das gesamte Blut, das einströmt auch in einem Herzzyklus wieder ausgeworfen wird. Aus den beiden vorgestellten Grössen, Herzfrequenz und Schlagvolumen, lässt sich ein weiterer wichtiger Parameter berechnen: das sogenannte Herzminutenvolumen. Der Name sagt eigentlich schon alles. Dieser Parameter zeigt an, wieviel Blut in einer Minute ausgeworfen wird. Das Herzminutenvolumen ist das Produkt aus Herzfrequenz und Schlagvolumen. Angenommen die Herzfrequenz beträgt 70 Schläge pro Minute und das Schlagvolumen liegt bei 70ml, pumpt das Herz also fast fünf Liter (4900ml) Blut pro Minute durch den Körper!
Zum Abschluss noch eine kurze Erläuterung zu einem häufig gemachten Fehler: Oft werden die Begriffe „Herzfrequenz“ und „Puls“ gleichgesetzt. Wenn man es physiologisch genau nimmt, gibt es zwischen diesen beiden Begriffen jedoch einen Unterschied. Von der Anzahl her entspricht der Puls im physiologischen Zustand der Herzfrequenz. Der Unterschied liegt jedoch darin, dass die Herzfrequenz die Anzahl der Herzschläge pro Minute angibt und der Puls die regelmässig weitergeleitete Druckwelle des Blutes in Arterien am Handgelenk oder am Hals beschreibt. Das Blut wird in diesen Gefässen transportiert und bei jedem Herzschlag gegen die Gefässwand gedrückt. Dadurch entsteht eine regelmässige Pulsation (Druckwelle) – der Puls. Vereinfacht gesagt erzeugt also die Herzfrequenz den Puls.
Jeder von uns ist sich der zentralen Rolle des Herzens in unserem Körper bewusst. Für viele ist jedoch die genaue Anatomie des Herzens, welche, wie wir sehen werden, nicht gerade trivial ist, kein Begriff. Unter Anatomie verstehen wir im medizinischen Fachbereich die Wissenschaft über den Aufbau des Körpers, das Beschreiben von Strukturen und ihrer dreidimensionalen Lokalisierung im Körper. Vereinfacht gesagt beschreibt die Anatomie also was wir vom Körper von aussen und bei Eingriffen vor allem auch von innen sehen können.
Das Herz liegt bekanntlicherweise unter dem Brustbein und ist geschützt vom Rippenkasten. Es liegt jedoch nicht gesamthaft unter dem Brustbein, sondern ist leicht nach links versetzt. Das schematische Bild zeigt ein Herz von vorne, bei dem die vordere Herzwand entfernt wurde, damit man auf das Innere sieht. Man sieht verschiedene Hohlräume und blaue sowie rote Gefässe. Die blauen Gefässe sind mit sauerstoffarmem Blut gefüllt und die roten mit sauerstoffreichem. Dabei ist die Definition dieser Gefässe enorm wichtig, da sie oft falsch gemacht wird. Arterien sind Gefässe, die vom Herzen wegführen. Venen sind Gefässe, die zum Herz hinführen. Die Definition, dass Arterien sauerstoffreiches Blut transportieren und Venen sauerstoffarmes ist FALSCH!! Das erkläre ich später noch im Detail, wenn wir das Herz als Zentrum des Kreislaufsystems anschauen.
Weiter können vier Hohlräume und eine Trennung des Herzens in zwei Bereiche ausgemacht werden. Deswegen spricht man dann teilweise vom linken und vom rechten Herz. Diese Trennung nennen wir das Septum. Entscheidend ist, dass wir für beide Seiten noch zwei Hohlräume haben. Jede Seite besteht aus einem Vorhof, auch Atrium genannt und einer Kammer, auch Ventrikel genannt. Ganz wichtig ist der Grenzbereich zwischen Atrium und Ventrikel. Dort sind Klappen lokalisiert, die für den Herzzyklus unerlässlich sind. Auf der rechten Seite ist die sogenannte Trikuspidalklappe lokalisitert. Der Name kommt aus dem Lateinischen. „Tri“ heisst drei und „Cuspis“ bedeutet Segel. Diese Klappe ist also aus drei segelartigen Strukturen aufgebaut. Auf der linken Seite liegt die Mitralklappe zwischen Atrium und Ventrikel.
Nun haben wir alle Hohlräume des Herzens benannt. Was noch fehlt, sind die Zugänge und die Abflüsse. Der Blutfluss ist unidirektional, also in eine Richtung, und geht immer vom Vorhof durch die Klappe in den Ventrikel und vom Ventrikel in den Kreislauf. Nach der rechten Kammer folgt die Pulmonalarterie („Pulmo“ ist Lateinisch und bedeutet Lunge) und das Blut von der linken Kammer fliesst über die Aorta ab. Auch hier liegen am Übergang von der Kammer zum abfliessenden Gefäss wichtige Klappen – die Pulmonalklappe und die Aortenklappe. Soviel zu den Abflüssen. Jetzt noch die Zuflüsse: Das Gefäss, das Blut in den rechten Vorhof leitet wird Hohlvene genannt, bestehend aus einem oberen und unteren Anteil. In den linken Vorhof fliesst das Blut von vier Lungenvenen.
Weiter oben habe ich erwähnt, dass das Blut vom Ventrikel in den Kreislauf fliesst. Diese Aussage ist genau genommen falsch. Das Blut vom Herz geht nicht nur durch ein, sondern durch zwei Kreislaufsysteme! Das „rechte Herz“ transportiert Blut in den sogenannten Lungenkreislauf (im Bild kleiner Kreislauf genannt) und das „linke Herz“ transportiert Blut in den grösseren Körperkreislauf. An dieser Stelle möchte ich wieder die wichtige Definition unserer Gefässe aufgreifen. Wir haben gesagt, dass Arterien Gefässe sind, die vom Herz wegführen und NICHT Gefässe, die sauerstoffreich sind. Genauso für die Venen: Sie sind per Definition Gefässe, die zum Herz hinführen und NICHT solche, die sauerstoffarm sind. Die wichtige Erkenntnis liegt darin, dass „sauerstoffreich“ auf Arterien nur im Körperkreislauf zutrifft, nicht jedoch im Lungenkreislauf!
Im Lungenkreislauf haben wir eine für den Körper essentielle Umkehrung. Wir haben gelernt, dass die Lungenarterie (=Pulmonalarterie) Blut vom Herz weg in die Lunge transportiert. Dieses Blut ist jedoch sauerstoffarm, obwohl es in einer Arterie transportiert wird. In der Lunge wird dieses arterielle, aber sauerstoffarme Blut in feinen Kapillarnetzen mit Sauerstoff angereichert und über die vier Lungenvenen in den linken Vorhof gebracht. Das Blut ist also auf dem Weg zurück zum Herz in einer Lungenvene sauerstoffreich. Vom linken Vorhof aus wird es dann über den linken Ventrikel in die Aorta transportiert. Ab der Aorta befindet sich dieses sauerstoffreiche Blut dann im grossen Kreislauf und dort, und NUR dort, stimmt es, dass das arterielle Blut sauerstoffreich ist. Im Zielgewebe, beispielsweise in einem grossen Oberschenkelmuskel, den man zum Gehen benötigt, wird dieser Sauerstoff jetzt benötigt und in vielen kleinen Kapillarnetzen abgegeben. Ein Kapillarnetz ist die kleinste Aufästelung im Kreislaufsystem und der Ort des Gasaustausches. Nach dem Kapillarnetz schliesst sich der Kreis: Eine Vene führt das sauerstoffarme Blut zurück und es mündet über die Hohlvene in den rechten Vorhof ein. Von dort gelangt es in den rechten Ventrikel. Die nächste Station ist dann die Pulmonalarterie, da waren wir ganz zu Beginn und der Kreislauf ist geschlossen.
Dieses Schliessen des Kreislaufs zeigt auch auf, dass diese zwei Kreisläufe nicht separat und unabhängig voneinander ablaufen! Im Lungenkreislauf wird der Sauerstoff, der im Körper gebraucht wird aufgeladen und über das linke Herz im Körper verteilt. Nach der Abgabe im Körper wird das sauerstoffarme Blut rücktransportiert und gelangt über das rechte Herz wieder zur Lunge, wo es erneut mit Sauerstoff beladen werden kann, sodass auch dieser Zyklus wieder geschlossen wird.
Quellen
Bild 1: Anatomie des Herzens. https://www.cardio-guide.com/anatomie/herz/ (zuletzt am 28.10.2021 um 13:00)
Bild 2: Herz-Kreislauf. Institut für Qualität und Wirtschaftlichkeit im Gesundheitswesen. (2019). https://www.gesundheitsinformation.de/wie-funktioniert-der-kreislauf.html (zuletzt am 28.10.2021 um 13:30)