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Grundlagen des Kreislaufes

Abstract

Der Kreislauf ermöglicht den Transport von Blut durch den Körper. Er lässt sich einerseits funktionell in ein Hochdrucksystem (vor allem Arterien) und ein Niederdrucksystem (vor allem Venen) gliedern, andererseits anatomisch in einen großen Körperkreislauf und einen kleinen Lungenkreislauf unterteilen. Das Hochdrucksystem erzeugt unter anderem durch die Windkesselfunktion der herznahen Gefäße den systolischen und diastolischen Blutdruck. Sowohl die Blutströmung als auch die Ausbreitung der vom Herzen erzeugten Druckwelle lassen sich mittels Pulswellen (Strompuls und Druckpuls) beschreiben. Im Niederdrucksystem herrscht ein deutlicher reduzierter Blutdruck, der im Bereich des rechten Vorhofes auch als zentraler Venendruck (ZVD) bezeichnet wird. Die rhythmischen Veränderungen des ZVDs, bspw. durch die Herzaktion, werden als Venenpuls beschrieben. Da das Niederdrucksystem keinen eigenen Motor besitzt (im Hochdrucksystem ist das Herz der antreibende Motor), sorgen verschiedene Hilfseinrichtungen wie bspw. Venenklappen für den gerichteten Rückstrom zum Herzen. Die Blutdrücke des Hoch- und Niederdrucksystems werden zusätzlich auch von der Schwerkraft und somit der Haltung des Menschen beeinflusst. Der Bereich des Körpers, an dem die Blutdrücke im Liegen und Stehen konstant bleiben, heißt hydrostatischer Indifferenzpunkt. Beim Übergang vom Liegen zum Stehen sinken die Blutdrücke über diesem Punkt ab und steigen darunter an.

Um die im Kreislauf herrschenden Kräfte genauer zu beschreiben, kann man unter bestimmten vereinfachenden Annahmen viele physikalische Gesetze auf den Kreislauf anwenden. Anhand physikalischer Gesetze wie dem Ohm'schen Gesetz, den Kirchhoff'schen Gesetzen und dem Hagen-Poiseuille-Gesetz lassen sich sowohl Volumenstromstärke, Druckdifferenz und Widerstand einzelner Gefäße als auch ganzer Kreislaufabschnitte bestimmen. Ob das Blut dabei in gleichmäßigen Flüssigkeitsschichten (laminar) oder völlig ungeordnet (turbulent) fließt, hängt maßgeblich von der Strömungsgeschwindigkeit ab. Der Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung wird anhand der sog. Reynolds-Zahl beschrieben.

Anatomische und funktionelle Gliederung des Kreislaufes

Anatomische Gliederung der Kreislaufsysteme

Der menschliche Kreislauf lässt sich anatomisch in zwei miteinander verbundene Kreislaufsysteme gliedern: den großen Kreislauf (Körperkreislauf) und den kleinen Kreislauf (Lungenkreislauf).

  1. Großer Kreislauf / Körperkreislauf
  2. Kleiner Kreislauf / Lungenkreislauf

Pfortadersysteme bilden eine Ausnahme beim Blutfluss, da hier zwei Kapillarbetten nacheinander durchflossen werden!

Die allgemeine Definition, dass Arterien immer sauerstoffreiches und Venen immer sauerstoffarmes Blut führen, kann im Lungenkreislauf nicht angewendet werden. Dort führt die Pulmonalarterie sauerstoffarmes Blut und die Pulmonalvenen sauerstoffreiches Blut!

Funktionelle Gliederung des Kreislaufes

Der Druck im menschlichen Kreislauf ist in verschiedenen Kreislaufabschnitten unterschiedlich hoch. Anhand des vorherrschenden Druckes kann funktionell ein Hoch- von einem Niederdrucksystem unterschieden werden.

Hochdrucksystem

Niederdrucksystem

Bestandteile

Funktion

  • Erzeugung, Speicherung und Fortleitung des (Blut)Drucks zur Organversorgung
  • Volumenspeicher und Stoffaustausch

Anteil am Gesamtblutvolumen

  • Ca. 15%
Vorherrschende Drücke
  • Ca. 80-120mmHg
  • Ca. 2-20mmHg

Physikalische Grundlagen: Stromstärke und Widerstand im Kreislaufsystem

Gesetze der Strömungslehre werden häufig zur Beschreibung von Gesetzmäßigkeiten des menschlichen Kreislaufes verwendet. Sie dienen vor allem dem Verständnis von grundlegenden Zusammenhängen, denn streng genommen lassen sich die meisten Gesetze der Strömungslehre nicht auf den menschlichen Kreislauf und das Blut übertragen. Sie gelten in der Regel nur für starre Rohre und ideale Newton'sche Flüssigkeiten. Beides trifft auf den menschlichen Körper mit seinen elastischen Gefäßen und dem inhomogenen Blut nicht zu.

Grundlegende Größen: Stromstärke und Widerstand

  • Volumenstromstärke
    • Definition: Volumen, das pro Zeiteinheit durch ein System strömt
    • Formelzeichen: Q = ΔV / Δt
    • Einheit: L/min (Liter pro Minute)
    • Besonderheit: Die Volumenstromstärke ist in einem System kommunizierender Röhren (bspw. im menschlichen Kreislauf) überall gleich groß (Kontinuitätsgesetz, s.u.)
    • Beispiel: Das Herzzeitvolumen entspricht der Gesamtvolumenstromstärke des menschlichen Körpers.
  • Gefäßwiderstand
    • Definition: Kräfte, die das Herz überwinden muss, damit ein Gefäß bzw. Kreislaufabschnitt von Blut durchströmt wird
    • Formelzeichen: R
    • Einheit: (mmHg × min) / l

Ohm'sches Gesetz im Kreislauf

Das Ohm'sche Gesetz gibt eigentlich die Zusammenhänge von Spannung, Widerstand und Stromstärke in der Elektrik wieder. Mithilfe der unten erläuterten Grundüberlegungen lässt es sich jedoch auch auf strömende Flüssigkeiten anwenden. Hierbei gibt es den Zusammenhang zwischen Druckdifferenz, Widerstand und Volumenstromstärke wieder.

Bayliss-Effekt

Verschiedene Organe (bspw. das Gehirn und die Niere) sind in der Lage, ihre Durchblutung durch muskuläre Regulation der Gefäßweite konstant zu halten, auch wenn sich der arterielle Blutdruck verändert. Dies wird als sog. Bayliss-Effekt bezeichnet und lässt sich aus dem Ohm'schen Gesetz ableiten: Steigt der Blutdruck an (ΔP↑), muss der Widerstand (R) erhöht werden, um die Volumenstromstärke (Q') konstant zu halten. Dies wird v.a. durch Kontraktion der glatten Gefäßmuskulatur erreicht, die zu einer Lumeneinengung und somit zur gewünschten Widerstandserhöhung führt. Diese starke Abhängigkeit des Widerstandes vom (Gefäß‑)Radius wird mithilfe des Hagen-Poiseuille-Gesetzes erläutert.

Kontinuitätsgesetz

Das Kontinuitätsgesetz besagt, dass die Volumenstromstärke einer Flüssigkeit in einem System aus kommunizierenden Röhren in allen Bereichen gleich groß ist. Da sich die Volumenstromstärke aus dem Produkt des Gefäßquerschnitts und der Flussgeschwindigkeit ergibt, müssen sich diese gegensätzlich verhalten, damit die Volumenstromstärke konstant bleibt.

  • Kontinuitätsgesetz: Q' = A × vm
    • Für mehrere kommunizierende Gefäße gilt: Q = A1 × v1 = A2 × v2 = ... = An × vn
    • Einheiten: Q' = Volumenstromstärke [L/min]; A = Gefäßquerschnitt [cm2]; vm = mittlere Strömungsgeschwindigkeit [cm/s]
  • Herleitung/Grundüberlegungen
    • Die Volumenstromstärke muss in einem System kommunizierender Röhren in allen Abschnitten gleich bleiben
    • Diese Aussage lässt sich auf das Kreislaufsystem mit seinen Gefäßen (≈ kommunizierende Röhren) übertragen.
  • Schlussfolgerungen
    • Da die Volumenstromstärke in allen Bereichen konstant ist, verhalten sich die Strömungsgeschwindigkeit und der Gefäßquerschnitt gegensätzlich zueinander.
      • Bei großem Gefäßquerschnitt fließt das Blut langsam (bspw. im Kapillarbett)
      • Bei kleinem Gefäßquerschnitt fließt das Blut schnell (bspw. im Bereich einer Stenose)
  • 1. Rechenbeispiel (Aorta ascendens)
    • Gegeben: Gefäßquerschnitt (A ≈ 3 cm2) und Volumenstromstärke der Aorta ascendens (Q' = HZV ≈ 5 L/min)
    • Gesucht: Mittlere Fließgeschwindigkeit (v) der Aorta ascendens
    • Berechnungsvorschrift
      • Q' = A × v
      • v = Q' / A
      • v = 5 L/min / 3 cm2
      • v = 5/3 L/ cm2 × min → v = 5/3 × 1000 cm3 / cm2 × min
      • v = 5/3 x 103 cm/min → v = 5/3 x 103 cm/60 s
      • v ≈ 28 cm/s
  • 2. Rechenbeispiel (Kapillaren)
    • Gegeben: Gefäßquerschnitt aller Kapillaren (A ≈ 3000 cm2) und Gesamtvolumenstromstärke des Körpers (= HZV ≈ 5 L/min)
    • Gesucht: Fließgeschwindigkeit (v)
    • Berechnungsvorschrift
      • Q' = A × v
      • v = Q' / A
      • v = 5 L/min / 3000 cm2
      • v = 5/3000 L/cm2× min → v = 5/3000 × 1000 cm3/cm2 × min → v = 5/3 cm/min → v = 5/3 x cm/60 s
      • v ≈ 0,028 cm/s = 28 x 10-3 cm/s

Kirchhoff'sche Gesetze und die Widerstände von Kreislaufabschnitten

Der Gesamtwiderstand durchflossener Systeme lässt sich anhand der Kirchhoff'schen Gesetze der Elektrizitätslehre berechnen. Der Gesamtwiderstand von nacheinander durchflossenen Gefäßen ergibt sich aus der Summe der Einzelwiderstände. Der Kehrwert des Gesamtwiderstandes parallel durchflossenener Gefäße wird aus der Summe der Kehrwerte der Einzelwiderstände berechnet.

Grundüberlegungen

Nacheinander durchflossene Gefäße (Widerstände)

  • 1. Kirchhoff'sches Gesetz: Rgesamt = R1 + R2 + R3 + ... + Rn
  • Schlussfolgerungen
    • Der Gesamtwiderstand eines Gefäßabschnittes ergibt sich aus der Summe der nacheinander (seriell) überwundenen Einzelwiderstände
    • Der Widerstand eines Kreislaufabschnittes steigt mit der Anzahl bzw. der Länge der nacheinander durchflossenen "Einzelgefäße"
  • Rechenbeispiel
    • Gegeben: Flusssystem mit zwei nacheinander durchflossenen Widerständen R1 (= 20 mmHg×min/L) und R2 (= 5 mmHg×min/L)
    • Gesucht: Gesamtwiderstand des durchflossenen Systems
    • Berechnungsvorschrift
      • Rgesamt = R1 + R2
      • Rgesamt = (20 mmHg×min/L) + (5 mmHg×min/L) = 25 mmHg×min/L

Parallel durchflossene Gefäße (Widerstände)

  • 2. Kirchhoff'sches Gesetz: 1/Rgesamt = 1/R1 + 1/R2 + … + 1/Rn
  • Schlussfolgerungen
    • Der Kehrwert des Gesamtwiderstandes ergibt sich aus der Summe der Kehrwerte der Einzelwiderstände
    • Der Gesamtwiderstand von parallel durchflossenen Gefäßen ist immer kleiner als jeder Einzelwiderstand eines durchflossenen Gefäßes
    • Der Gesamtwiderstand ist umso kleiner, je mehr Gefäße parallel durchflossen werden
  • Rechenbeispiel
    • Gegeben: Flusssystem mit zwei parallel (gleichzeitig) durchflossenen Widerständen R1 (= 20 mmHg×min/L) und R2 (= 5 mmHg×min/L)
    • Gesucht: Gesamtwiderstand des durchflossenen Systems
    • Berechnungsvorschrift
      • 1/Rgesamt = 1/R1 + 1/R2
      • 1/Rgesamt = 1/(20 mmHg×min/L) + 1/(5 mmHg×min/L) = 1/20 (mmHg×min/L) + 4/20 (mmHg×min/L)
      • 1/Rgesamt = 5/20 (mmHg×min/L) = 1/4 (mmHg×min/L)
      • Rgesamt = 4 mmHg×min/L

Der Übergang einer Arteriole bzw. Metarteriole in ein Kapillarbett ist ein anschauliches Beispiel für die Kirchhoff'schen Gesetze. Durch die Aufspaltung eines Gefäßes in viele parallel durchflossene Gefäße sinkt der Widerstand im Kapillarbett stark ab!

Hagen-Poiseuille Gesetz und der Gefäßwiderstand

Das Hagen-Poiseuille-Gesetz beschreibt eigentlich die Volumenstromstärke einer laminar strömenden Newton'schen Flüssigkeit in einem Rohr mit dem Radius r. Bei der Durchströmung eines Rohres ist die Volumenstromstärke am stärksten vom Rohrradius (r4) abhängig. Laut des Ohm'schen Gesetzes ergibt sich die Volumenstromstärke aus dem Quotienten der Druckdifferenz (ΔP) und des Gefäßwiderstandes (R). Daher wird aus der Kombination des Ohm'schen Gesetzes und des Hagen-Poiseuille-Gesetzes ersichtlich, dass nicht nur die Volumenstromstärke, sondern auch der Gefäßwiderstand vor allem durch den Gefäßradius (r4) beeinflusst werden.

  • Grundüberlegungen
    • Gilt streng genommen nur für laminar strömende Newton'schen Flüssigkeiten in einem Rohr → Vereinfachende Annahme für Anwendung auf den Kreislauf nötig
    • Dient eigentlich der Berechnung der Volumenstromstärke (diese ist am stärksten vom Rohrradius abhängig!)
    • Setzt man das Ohm'sche Gesetz in das Gesetz von Hagen-Poiseuille ein, lassen sich Aussagen über den Widerstand eines Gefäßes treffen
  • Herleitung
    1. Ohm'sches Gesetz auf den Kreislauf angewendet: ΔP = R × Q' → Q' = ΔP / R
    2. Hagen-Poiseuille-Gesetz: Q' = [π× r4) / (8 × ε × l)] × ΔP
      • Einheiten: (Q' = Volumenstromstärke [L/min]; r = Radius [cm]; ε = dynamische Viskosität [Pa×s], l = Gefäßlänge [cm], ΔP = Druckdifferenz [mmHg])
    3. "Gleichsetzen der Volumenströme": Q' = [ (π × r4) / (8 × ε × l) ] × ΔP = ΔP / R
    4. Umformung nach dem Widerstand R: R = (8 × ε × l) / (π × r4)
  • Adaptiertes Hagen-Poiseuille Gesetz: R = (8 × ε × l) / (π × r4)
  • Schlussfolgerungen
    • Strömungswiderstand ist umgekehrt proportional zur vierten Potenz des Gefäßradius
    • Kleine Änderungen im Gefäßradius (bspw. durch atherosklerotische Plaques) erhöhen den Strömungswiderstand (und die effektive Durchblutung) bereits sehr stark!
  • Rechenbeispiel: Halbierung des Gefäßradius (R ∼ 1/ 0,54 = 1/ 0,0625 = 16) → Gefäßwiderstand R erhöht sich um den Faktor 16!

Die Hauptaussage des Hagen-Poiseuille Gesetzes ist: Kleinste Änderungen des Gefäßradius führen zu extremen Veränderungen des Strömungswiderstands (R ∼ 1/r4)!

Gefäßstenose
Bei einer Gefäßstenose handelt es sich um eine pathologische Verengung eines Blutgefäßes. Die Ursachen hierfür können bspw. Arteriosklerose, Thrombosen oder Tumoren sein. Eine Stenose drosselt den Blutdruck in den ihr nachgeschalteten Abschnitten des Blutgefäßes, während unmittelbar vor der Stenose der Druck durch die Lumeneinengung des Gefäßes überproportional hoch ist. Patienten mit einer Stenose im Verlauf des Versorgungsgebietes eines Armes zeigen somit bei der Oberarmblutdruckmessung Unterschiede bezüglich der Blutdruckwerte beider Arme. Seitenunterschiede von mehr als 20mmHg gelten hierbei als beweisend für eine Stenose. So zeigt sich bei einer rechtsseitigen Stenose zwischen dem Abgang des Truncus brachiocephalicus und dem Messpunkt am rechten Arm ein deutlich niedrigerer Blutdruck als am linken Arm des Patienten.

Physikalische Grundlagen: Blutströmung

Bei strömenden Flüssigkeiten wie dem Blut wird zwischen geordneter (laminarer) und turbulenter Strömung unterschieden. Turbulente Strömungen kommen im menschlichen Körper lediglich im Bereich der Abgänge der großen herznahen Gefäße (bspw. dem Aortenbogen) bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten vor.

Laminare und turbulente Strömungen

  • Laminare Strömung
    • Definition: Die Flüssigkeit strömt in geordneten übereinander liegenden Schichten, ohne dabei Verwirbelungen zu erzeugen
    • Fließrichtung: Nur parallel zum Gefäß
    • Erzeugte Reibung: Gering
    • Besondere Fließeigenschaften
      • Die zentrale Blutschicht (sog. Axialstrom) fließt am schnellsten
      • Die maximale Fließgeschwindigkeit nimmt zu den äußeren (gefäßwandnahen) Schichten hin ab → es ergibt sich ein parabelförmiges Strömungsprofil
  • Turbulente Strömung
    • Definition: Die Blutbestandteile werden beim Strömen verwirbelt, sodass ein ungeordneter Blutfluss entsteht
    • Fließrichtung: Ungerichtet zum Gefäß
    • Erzeugte Reibung: Deutlich erhöht
    • Besondere Fließeigenschaften
      • Die maximale Fließgeschwindigkeit ist nahezu gleich über den gesamten Gefäßquerschnitt, da die Verwirbelungen (= Turbulenzen) signifikant zum Strömungswiderstand beitragen
        • Durch zusätzliche Reibung an der Gefäßwand ist die Fließgeschwindigkeit direkt dort etwas niedriger
      • Turbulente Strömungen fließen langsamer als laminare Strömungen (bei gleicher Druckdifferenz)
  • Reynolds-Zahl (Re)
    • Definition: Die Reynolds-Zahl ist eine dimensionslose Größe , anhand derer eingeschätzt werden kann, ob eine Flüssigkeit unter bestimmten Konditionen laminar oder turbulent strömt .
    • Ermittlung der Reynolds-Zahl: Re = (2 × r × ρ × v) / η
      • Einheiten: r = Radius [cm] , ρ = Dichte [kg×m−3], v = Geschwindigkeit [m/s], η = Dynamische Viskosität [Pa×s]
    • Schlussfolgerungen: Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung ab einer Reynolds-Zahl >2000–2200

Abgesehen von wenigen herznahen Gefäßen während der Austreibungsphase, herrschen in allen Gefäßen des Körpers physiologischerweise laminare Strömungen vor. Bei steigender Flussgeschwindigkeit kann jedoch prinzipiell jede laminare auch in eine turbulente Strömung übergehen - z.T. ist dies sogar in Form von Strömungsgeräuschen hörbar (bspw. bei der der Blutdruckmessung nach Riva Rocci)!

Blutdruckmessung nach Riva-Rocci
Der menschliche Blutdruck ist ein wichtiger diagnostischer Parameter, der im klinischen Alltag durch die indirekte Messung nach Riva Rocci ermittelt werden kann. Hierbei nutzt man aus, dass turbulente Strömungen zu einer Geräuschentwicklung führen. Zu Beginn wird dem Patienten eine Manschette in Herzhöhe um den Oberarm gelegt, die mittels Handpumpe über den systolischen Blutdruck des Patienten aufgepumpt wird (>120mmHg). Hierdurch wird die Blutzufuhr und somit auch die Blutströmung in der A. brachialis vollständig unterbunden. Wird nun das Stethoskop in die Ellenbeuge gelegt, hört man erwartungsgemäß nichts, da kein kein Blut strömt. Der Druck der Manschette wird nun langsam abgelassen. Sobald er unter den systolischen Blutdruck fällt, fließt während der Systole erneut Blut durch den Oberarm. Die A. brachialis ist jedoch durch die Manschette immer noch deutlich komprimiert, d.h. ihr Radius ist deutlich geringer (als ohne Manschette). Entsprechend des Kontinuitätsgesetzes fließt das Blut bei verringertem Gefäßradius deutlich schneller, wodurch das vorher laminar strömende Blut (ohne Manschette) in eine turbulente Blutströmung übergeht. Diese Turbulenzen verursachen Geräusche (sog. Korotkow-Geräusche), welche mit dem Stethoskop in der Ellenbeuge wahrgenommen werden können. Nun wird der Druck in der Manschette gleichmäßig weiter abgelassen, bis die Geräusche verschwinden. Dies markiert physikalisch gesehen den Übergang der geräuschvollen turbulenten Blutströmung zur geräuscharmen laminaren Blutströmung. Der Druck, bei dem die Geräusche erstmals auftauchen, kennzeichnet den systolischen Blutdruck und der Druck, bei dem die Geräusche wieder verschwinden, zeigt den diastolischen Blutdruck an.

Einflussgrößen auf die Blutviskosität

Die Viskosität ist ein Maß für die innere Reibung einer Flüssigkeit. Bei nicht-Newton'schen Flüssigkeiten wie Blut hängt die Viskosität neben der Temperatur von verschiedenen weiteren Faktoren wie bspw. dem Hämatokrit, der Strömungsgeschwindigkeit oder der Gefäßgröße ab. Daher wird die jeweils vorherrschende Viskosität als sog. scheinbare Viskosität bezeichnet. Der Fåhraeus-Lindqvist-Effekt und die reversible Aggregation sind Strömungsphänomene der Mikrozirkulation, die die scheinbare Viskosität gegensätzlich verändern.

  1. Hämatokrit
  2. Gefäßradius
    • Fåhraeus-Lindqvist-Effekt
      • Definition: Senkung der scheinbaren Viskosität aufgrund einer reihenhaften Anordnung von Erythrozyten im Axialstrom von Gefäßen mit kleinem Durchmesser
      • Bedingung: Gefäßgröße zwischen 7–10 μm
      • Mechanismus
      • Schlussfolgerung: Senkung der scheinbaren Viskosität in Gefäßen von 7–10 μm Durchmesser
  3. Strömungsgeschwindigkeit
    • Reversible Aggregation
      • Definition: Steigerung der scheinbaren Viskosität durch reversible Aneinanderlagerung (Aggregation) der Erythrozyten bei niedrigen Flussgeschwindigkeiten
      • Bedingung: Niedrige Flussgeschwindigkeit
      • Mechanismus
        • Erythrozyten lagern sich mit Hilfe von Plasmaproteinen (bspw. Fibrinogen) zu geldrollenartigen Aggregaten zusammen
        • Aggregate "passen" nicht mehr gut durch kleine Gefäße → Anstieg der scheinbaren Viskosität
      • Schlussfolgerung: Steigerung der scheinbaren Viskosität, die nur bei sehr niedrigen Flussgeschwindigkeiten auftritt (bspw. bei einem Kreislaufschock)
  4. Temperatur
  5. Plasmaproteine

Der Widerstand eines Gefäßes hängt nach Hagen-Poiseuille (R = (8 × ε × l) / (pi × r4)) zwar vor allem vom Rohrradius (r4) ab, wird jedoch auch von der Viskosität (ε) beeinflusst. Der Fåhraeus-Lindqvist-Effekt verringert die scheinbare Viskosität des Blutes im Bereich kleiner Gefäße und wirkt so dem Einfluss des Gefäßradius entgegen!

Besonderheiten des Hochdrucksystems

In der Systole wirft das Herz sein Schlagvolumen in die Gefäße des Hochdrucksystems aus und erzeugt dadurch den systolischen Blutdruck. Die elastischen Gefäßwände der herznahen Gefäße werden dabei gedehnt. In der Diastole entspannen sich diese elastischen Fasern wieder und erzeugen durch ihre Rückstellkräfte den diastolischen Blutdruck - dies wird als Windkesselfunktion bezeichnet . Der in der Systole vom Herzen erzeugte Druck wird über die Gefäße in Form einer Druckwelle fortgeleitet, was mithilfe der Druckpulskurve beschrieben wird. Die eigentliche Bewegung des Blutes ist langsamer als die Ausbreitung der Druckwelle, weswegen die Blutströmung mit einer separaten Kurve - der Strompulskurve - beschrieben wird.

Windkesselfunktion

Aufgrund der Windkesselfunktion sinkt der diastolische Blutdruck in den herznahen Gefäßen (bspw. in der A. pulmonalis und der Aorta ascendens) nicht unter den diastolischen Ventrikeldruck!

Aortensklerose
Bei atherosklerotischen Umbauvorgängen verhärtet sich die Gefäßwand. Im Bereich der Aorta führt dies dazu, dass die Aortenwand starrer wird und an Elastizität verliert, sodass insgesamt die Windkesselfunktion der Aorta negativ beeinträchtigt wird: Eine starrere Aorta hat zur Folge, dass in der Systole weniger Energie (in Form des vom Herzen beschleunigten Blutvolumens) in den elastischen Fasern zwischengespeichert werden kann, sodass der systolische Blutdruck ansteigt. Während der Diastole kann dadurch entsprechend weniger zwischengespeichertes Blutvolumen von der Aorta mobilisiert werden, sodass der diastolische Blutdruck sinkt. Insgesamt steigt hierdurch die Blutdruckamplitude an.

Pulswellen

Wenn das Herz sein Schlagvolumen in die Aorta pumpt, erzeugt es damit zwei sog. Pulswellen. Die Druckpulswelle beschreibt die Ausbreitung des Drucks, der vom Herzen erzeugt wird und sich mit hoher Geschwindigkeit über das Gefäßsystem ausbreitet. Die Strompulswelle gibt hingegen die Ausbreitung des Blutvolumens wieder, das vom Herzen ausgetrieben wird. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Strompulswelle entspricht daher der Fließgeschwindigkeit des Blutes, wohingegen sich der Druck deutlich schneller ausbreitet.

Druckpuls

  • Definition: Pulsatile Schwankungen des arteriellen Blutdrucks in den Gefäßen des Hochdrucksystems im zeitlichen Verlauf
  • Entstehung: Anstieg des Blutdrucks von 80 mmHg auf 120 mmHg (in der Systole)
  • Ausbreitungsgeschwindigkeit: Schneller als die Strömungsgeschwindigkeit
    • Abhängig von: Blutdruck, Gefäßgröße und -elastizität
    • Moens-Korteweg-Gleichung: c = √[(h × E')/ (2r × P)]
      • Einheiten: c = Pulswellengeschwindigkeit [cm/s]; h = Gefäßwanddicke [cm]; E' = Volumenelastizitätsmodul [g/cm×s2]; r = Innenradius [cm]; P = Dichte des Blutes in [g/cm3]
      • Schlussfolgerungen
        • Je starrer und kleiner das Gefäß, desto schneller die Ausbreitung der Druckwelle
        • Ausbreitungsgeschwindigkeit in Gefäßen: zentral < peripher
      • Beispielgeschwindigkeit: Aorta ∼ 5 m/s Peripherie ∼ 8–12 m/s
  • Besonderheiten
    • Inzisur des zentralen Druckpulses bspw. der Aorta ascendens
    • Reflexionsphänomene
      • Überhöhung der Druckkurve in der Peripherie
      • Reflexion der reflektierten Druckwelle → Entstehung einer sog. dikroten Welle

Strompuls

  • Definition: Pulsatile Schwankungen der Blutströmungsgeschwindigkeit in den Gefäßen des Hochdrucksystems im zeitlichen Verlauf
  • Entstehung: Rhythmischer Auswurf von Blutvolumen in die Aorta
  • Ausbreitungsgeschwindigkeit: Entspricht der Strömungsgeschwindigkeit
  • Besonderheiten
    • Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit in der Peripherie
    • Zweigipfliger Verlauf der Strompulskurve

Ändern sich Gefäßeigenschaften (bspw. Querschnitt oder Wanddicke), werden Pulswellen an diesen Stellen des Gefäßsystems reflektiert. Sich überlagernde Druckpulse addieren sich hierbei, wohingegen sich die entgegengesetzt fließenden Stromstärken subtrahieren. Somit nimmt der Druckpuls in der Peripherie zu und der Strompuls ab!

Arterieller Blutdruck

Der durch das Hochdrucksystem erzeugte Druck wird als arterieller Blutdruck bezeichnet. Er wird in den systolischen und diastolischen Blutdruck unterteilt und in mmHg (Kraft pro Grenzfläche) gemessen. Der zeitliche Verlauf des arteriellen Blutdrucks wird mithilfe der Druckpulskurve beschrieben.

Bei der meist täglichen Bestimmung des arteriellen Blutdruckes von Patienten im Krankenhaus wird nur der maximale systolische und minimale diastolische Blutdruck gemessen, nicht der arterielle Mitteldruck!

Bluthochdruck/Arterielle Hypertonie
Ist der mehrfach in Ruhe gemessene arterielle Blutdruck höher als 140/90 mmHg, spricht man von Bluthochdruck bzw. arterieller Hypertonie. Sie zählt zu den häufigsten Erkrankungen des Menschen und gilt als der Hauptrisikofaktor für weitere Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems und für Schlaganfälle. Da ein erhöhter arterieller Blutdruck meist keine Symptome verursacht, ist dessen Erkennung häufig ein Zufallsbefund. Die arterielle Hypertonie wird anhand der zugrunde liegenden Ursache in eine essentielle (keine Ursache bekannt) und eine sekundäre (durch eine andere Erkrankung verursachte) Form unterteilt. Bei der sekundären arteriellen Hypertonie steht neben der Senkung des Blutdrucks vor allem die Behandlung der auslösenden Grunderkrankung im Vordergrund.

Besonderheiten des Niederdrucksystems

Das Niederdrucksystem weist deutlich geringere Blutdrücke als das Hochdrucksystem auf. Der venöse Blutdruck im Bereich des rechten Vorhofes und der großen herznahen Venen wird als zentraler Venendruck bezeichnet. Dieser unterliegt rhythmischen Schwankungen im Verlauf der Herzaktion, die mithilfe der Venenpulskurve beschrieben werden können. Im Hochdrucksystem reicht die Pumpleistung des Herzens aus, um das Blut zu transportieren. Im Niederdrucksystem muss der venöse Rückstrom hingegen durch spezielle Mechanismen und Strukturen wie der Muskelpumpe oder den Venenklappen unterstützt werden.

Zentraler Venendruck (ZVD)

  • Definition: Blutdruck im Bereich des rechten Vorhofs und der herznahen Venen
  • Abhängig von: Füllung des Venensystems, Förderleistung des „rechten“ Herzens, Körperlage
  • Schwankungen: Puls- und atemsynchron; Pulssynchrone Druckschwankungen bezeichnet man als Venenpuls
  • Standardwerte: 4–10 cmH2O (= 3–8 mmHg)

Messung des ZVD
Da der ZVD gut mit dem intravasalen Blutvolumen korreliert, wird die Messung des ZVD bei Operationen und zur intensivmedizinischen Überwachung von Patienten genutzt. Auch in der körperlichen Untersuchung kann der ZVD näherungsweise abgeschätzt werden und z.B. Aufschluss über eine Stauung des Blutes vor dem rechten Herzen geben (z.B. im Rahmen einer sog. Rechtsherzinsuffizienz).

Venenpulskurve

Phase der Herzaktion Verlauf der Venenpulskurve
Austreibungsphase

Entspannungsphase

Füllungsphase
Anspannungsphase

Die a-Welle wird durch die Kontraktion des A(!)triums, die v-Welle durch die sich hebende V(!)entilebene und die c-Welle durch die Vorwölbung der C(!)uspis (Segel) der Trikuspidalklappe in den Vorhof verursacht!

Positiv inotrope Effekte (bspw. durch Sympathikus-Wirkung) führen zu einer Erhöhung der a-Welle!

Venöser Rückstrom

  • Definition: Der venöse Rückstrom beschreibt die Bewegung des „venösen“ Blutes zum Herzen und kommt durch verschiedene Mechanismen des Niederdrucksystems zustande.
Mechanismus des venösen Rückstroms Funktionsweise
Venenklappen
  • Aufbau: Mehrere aneinanderliegende Intimaduplikaturen
  • Funktionen
    • Richten den Blutstrom (wie Ventile)
    • Unterteilen die Blutsäule im venösen System
Muskelpumpe
Atmung
  • Vergrößerung des intrathorakalen Volumens bei der Inspiration → Druck sinkt auf subatmosphärische („negative“) Drücke in den intrathorakalen VenenSogwirkung auf intrathorakale Venen → Venöses Blut wird Richtung Herz „gesaugt“
  • Senkung des Zwerchfells bei der Inspiration Richtung Abdomen → Steigerung des intraabdominellen Druckes → Steigerung der Drücke in intraabdominellen VenenDruckwirkung auf intraabdominelle Venen „Auspressen“ der Venen in Richtung Herz
Ventilebenenmechanismus
Arteriovenöse Kopplung

Im Hochdrucksystem reicht die Pumpleistung des Herzens aus, sodass die hier genannten Mechanismen im Hochdrucksystem nicht notwendig sind!

Die atemabhängige Sog-/Druckwirkung auf das Venensystem fördert nicht nur den venösen Rückstrom, sondern beeinflusst auch den ZVD. Dieser sinkt bei Inspiration („Sogwirkung“) ab und steigt bei Exspiration („Druckwirkung“) an!

Hydrostatische Einflüsse auf den Blutdruck

Der Blutdruck wird einerseits durch körpereigene Faktoren und andererseits durch die Erdanziehungskraft („Schwerkraft“) beeinflusst. Wirkt die Erdanziehung auf eine Flüssigkeit, erzeugt sie dadurch in ihr den sog. hydrostatischen Druck, der vor allem von der Höhe der Flüssigkeitssäule abhängt. Je höher die durchgehende Flüssigkeitssäule, desto höher ist der hydrostatische Druck, da mehr Wassermoleküle in einer senkrechten Linie mit ihrer Gewichtskraft aufeinander lasten. Daher ist der Blutdruck in tiefergelegenen Körperteilen höher und in höher gelegenen Körperteilen niedriger. Der Punkt des Körpers, an dem der Blutdruck im Stehen und Liegen gleich ist, wird hydrostatischer Indifferenzpunkt genannt.

Hydrostatische Indifferenzebene

  • Definition: Ebene des Körpers, an der der Blutdruck im Stehen und Liegen gleich ist
  • Lage: ca. 10 cm unterhalb des Zwerchfells
  • Faustregel für hydrostatische Einflüsse: Pro 1 cm Abweichung von der Indifferenzebene werden ∼0,7 mmHg auf den Blutdruck addiert (unter der Indifferenzebene) bzw. von ihm subtrahiert (über der Indifferenzebene)

Mittlere Blutdrücke verschiedener Körperregionen des stehenden Menschen

Ungefährer mittlerer arterieller Blutdruck [mmHg]

Ungefährer mittlerer venöser Blutdruck [mmHg]

Kopf 50 −20
Herzhöhe 100

−3

Fuß 180 90

Wiederholungsfragen zum Kapitel Grundlagen des Kreislaufs

Anatomische und funktionelle Gliederung des Kreislaufs

Beschreibe die Flussrichtung des Blutes im kleinen Kreislauf!

Physikalische Grundlagen: Stromstärke und Widerstand

Was bezeichnet man als Volumenstromstärke und was verstehst du in diesem Zusammenhang unter dem Kontinuitätsgesetz? Was bedeutet dies für die Strömungsgeschwindigkeit des Blutes im Körper?

Erkläre das Ohm'sche Gesetz in Bezug auf den Kreislauf!

Wofür gilt das Hagen-Poiseuille Gesetz eigentlich und was besagt es?

Welche Aussage ergibt sich letztendlich für den Strömungswiderstand im menschlichen Kreislauf, wenn man Hagen-Poiseuille Gesetz und Ohm'sches Gesetz gemeinsam betrachtet?

Wie verändern sich Strömungswiderstand, Strömungsgeschwindigkeit und Blutdruck im Bereich einer Stenose?

Wie berechnet sich der Widerstand in parallel bzw. nacheinander geschalteten Gefäßen und wie hoch sind die tatsächlichen Widerstände im Körper- bzw. Lungenkreislauf?

Physikalische Grundlagen: Blutströmung

Beschreibe die Fließeigenschaften von laminaren und turbulenten Strömungen! Wodurch kann eine laminare zur turbulenten Strömung werden?

Was ist die sog. „Reynolds-Zahl“?

Welche Einflussgrößen auf die Blutviskosität kennst du und welche Rolle spielt der Fåhraeus-Lindqvist-Effekt dabei?

Besonderheiten des Hochdrucksystems

Wie verändert sich die Blutdruckamplitude bei einer Aortensklerose?

Was ist der sog. „Druckpuls“ und ist er schneller oder langsamer als die Strömungsgeschwindigkeit?

Wie verändert sich der Bludruck während der Atmung?

Besonderheiten des Niederdrucksystems

Wie hoch ist der zentralvenöse Druck (ZVD) normalerweise ungefähr und was passiert mit ihm während der Füllungsphase?

Welche Wirkung haben positiv inotrope Effekte (bspw. durch Sympathikuswirkung) auf die a-Welle der Venenpulskurve?

Welchen Einfluss hat die Atmung auf den venösen Rückstrom?

Hydrostatische Einflüsse auf den Blutdruck

Was bezeichnet man als hydrostatische Indifferenzebene und wie verändert sich der Blutdruck bezüglich einer Abweichung von ihr?

Wie hoch ist der ungefähre mittlere arterielle Blutdruck auf Herzhöhe?

Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.