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Die Grundbegriffe der Elektrizitätslehre werden in der Medizin in den verschiedensten Bereichen benötigt. Zum einen bei der Entwicklung und dem sachgerechten Betrieb fast aller medizintechnischen Geräte, zum anderen zum Verständnis wichtiger physiologischer Zusammenhänge. In diesem Versuch liegt der Schwerpunkt auf den physiologischen Zusammenhängen. Der Versuch ist in zwei Abschnitte eingeteilt:
Ionenleitung/Elektrolyte:
Es werden Leitungsmechanismen untersucht, die auch im menschlichen Körper eine grosse Rolle spielen. Zu den Grundbegriffen, die im Versuch behandelt werden, gehören insbesondere Stromstärke, Spannung, Leitwert, Widerstand sowie die zugehörigen spezifischen Grössen Leitfähigkeit und spezifischer Widerstand. Korrekterweise müssten alle genannten Begriffe mit dem Zusatz "elektrisch" versehen werden, da insbesondere die Begriffe Stromstärke, Widerstand und Leitwert auch in der Strömungsmechanik verwendet werden. Es besteht auch tatsächlich bezüglich der Beschreibung von Stromkreisen und deren Eigenschaften eine sehr weitgehende Analogie zwischen der Strömungsmechanik und der Elektrizitätslehre.
Diese Analogie kann dazu genutzt werden, die Grössen im elektrischen Fall zu veranschaulichen und das Verständnis der Zusammenhänge zu erleichtern. Sie werden im ersten Versuchsteil die Eigenschaften eines Ohmschen Widerstandes und von Elektrolyten untersuchen. Als Beispiele dienen dabei aufgrund ihrer physiologischen Relevanz Kaliumchlorid, Calciumchlorid und Natriumchlorid. Die Konzentrationen dieser Ionen besitzen wesentlichen Einfluss auf die Leitungseigenschaften der intra- und extrazellulären Flüssigkeiten.
Elektrische Potentiale (EKG):
Ein wichtiger Grundbegriff der Elektrizitätslehre ist der des elektrischen Potentials bzw. der Potentialverteilung. Er ist Grundlage für die Erklärung der Entstehung von Signalen in Elektrokardiogrammen (EKG) und Elektroenzephalogrammen (EEG). Da der menschliche Körper ein leitfähiges Medium ist, ist das Auftreten elektrischer Potentialdifferenzen (auch als elektrische Spannung bezeichnet) dort immer mit Strömen verbunden.
Im Falle des EKG führt die Erregungsausbreitung am Herzen zu extrazellulären Strömen im gesamten Körper. Durch diese Ströme kommt es zu einer Potentialverteilung im Körper und auf der Körperoberfläche. Mit den EKG-Elektroden werden Potentialdifferenzen zwischen bestimmten Punkten auf der Körperoberfläche erfasst, die sich aufgrund dieser Potentialverteilung ergeben. Die Aufzeichnung der Potentialdifferenzen lässt Rückschlüsse zu auf die Richtung, die Stärke und den zeitlichen Verlauf der Erregungsausbreitung. Solche Rückschlüsse sowie ein Erkennen von Artefakten im Messsignal sind nur dann möglich, wenn die prinzipiellen Zusammenhänge zwischen der Erregungsausbreitung am Herzen und den gemessenen Potentialdifferenzen bekannt sind. Da der menschliche Körper ein dreidimensionales und zudem noch inhomogen leitendes Medium darstellt, sind diese Zusammenhänge hier sehr kompliziert. Der Begriff der (elektrischen) Potentialdifferenz bezeichnet dieselbe physikalische Grösse wie der der (elektrischen) Spannung. Zur Vereinfachung werden Sie im Versuch zunächst mit einem eindimensionalen, homogen leitfähigen Modell arbeiten und daran den Unterschied zwischen den Begriffen Potential und Potentialdifferenz (oder Spannung) kennenlernen. Hieran können Sie die Potentialverteilung, die sich beim Anschluss einer Stromquelle ergibt, und die daraus resultierenden Potentialdifferenzen untersuchen.
Im nächsten Schritt verwenden Sie ein zweidimensionales, immer noch homoges leitfähiges Modell in Form einer Kreisscheibe (Abbildung). Der Anschluss einer Stromquelle an zwei Punkten im Zentrum der Kreisscheibe ergibt eine Potentialverteilung, die derjenigen sehr ähnlich ist, die die Herzerregung auf dem Rumpf des menschlichen Körpers hervorruft. Die Lage der Anschlüsse für die Stromquelle kann dabei mit der Lage der Erregungsfront am Herzen verglichen werden. In Analogie zur Anordnung der EKG-Elektroden nach Einthoven (rechter Arm, linker Arm, linker Fuss) messen Sie die Potentialdifferenzen zwischen drei festen Punkten und deren Änderung in Abhängigkeit von der Lage der Anschlüsse der Stromquelle. Diese Potentialdifferenzen werden beim EKG als Ableitungen bezeichnet. Mit Hilfe der Messungen können Sie die Entstehung von EKG-Signalen prinzipiell erklären. Ausserdem können Sie an den Modellen z.B. die Fragen klären, warum die EKG-Elektroden nicht am Rumpf, sondern an Händen und Fuss angebracht werden und welchen Einfluss Lage und Kontakt der Elektroden auf die gemessenen Signale haben.
(c) mh, Heike Theyssen 2004