EKG: Elektrische Potenziale am Herzen
Die Aktivierung von Muskelzellen des Körpers ist mit elektrischen Spannungen (Potenzialen) verbunden. Diese zu messen und sichtbar zu machen, war eines der ersten medizintechnischen Verfahren überhaupt. Die bedeutendste Anwendung für solche Potenzialmessungen ist das Elektrokardiogramm (EKG), mit dem die Aktivierung des Herzmuskels sichtbar gemacht wird. Es stellt heute eines der wichtigsten Verfahren zur Herzdiagnose ohne Eingriff in den Körper dar. Das Prinzip der Elektrokardiographie beruht darauf, dass jede Kontraktion des Herzmuskels durch eine elektrische Erregung der Herzmuskelzellen verursacht wird. Die Ausbreitung dieser elektrischen Erregung hängt mit einer elektrischen Spannung zusammen. Wegen der Leitfähigkeit des Körpers breitet sich diese Spannung bis an die Hautoberfläche aus, wo sie mit Elektroden gemessen wird. Das erste menschliche Elektrokardiogramm wurde bereits 1887 von dem britischen Physiologen Augustus Desiré Waller aufgezeichnet. 1913 führte Willem Einthoven ein bipolares Elektrodensystem ein, bei dem zwei Extremitäten verbunden werden, und die Potenzialdifferenz dazwischen gemessen wird.Es ist heute als Standard-EKG-Ableitung bekannt.
Wie entstehen elektrische Potenziale am Herzen?
Die Aufgabe des Herzens ist der Transport von Blut von und zur Lunge und allen anderen Organen des Körpers. Es teilt sich in vier Kammern auf, die paarweise nebeneinander liegen: linker und rechter Vorhof sowie linke und rechte Kammer. Jede Kammer ist mit Blutgefäßen zu den entsprechenden Organen verbunden, von denen das Herz Blut erhält oder an die es Blut liefert. Außerdem ist die Oberfläche des Herzens mit einem Netzwerk von Blutgefäßen überzogen, den Koronargefäßen, welche das Herz versorgen. Die Wand des Herzens besteht aus den Herzmuskelzellen, deren Hauptbestandteil die Proteine Actin und Myosin sind, welche die Kontraktion bewirken. Wie bei jeder Muskelzelle wird die Kontraktion einer Herzmuskelzelle durch eine elektrische Erregung gesteuert. Normalerweise liegt zwischen der Innen- und Außenseite der Zellmembran eine elektrische Spannung; man sagt auch, die Zelle sei polarisiert. Diese elektrische Spannung kommt durch unterschiedliche Konzentrationen von negativ geladenen Chloridionen und positiv geladenen Kalium- und Natriumionen zustande. Ein elektrischer Reiz, der durch eine Potenzialänderung an einer Nachbarzelle hervorgerufen wird, kann zur Aufhebung der Polarisierung, also zur Depolarisation führen.
Dies beeinflusst die Durchlässigkeit der Zellmembran und löst so Verschiebungen in den Ionenkonzentrationen aus, die schließlich zu einer Kontraktion der Zelle führen. Während einer Regenerationsphase stellt sich danach das ursprüngliche Gleichgewicht wieder her. Die Muskelzellen des Herzens sind über elektrisch leitende Segmente miteinander verbunden, sodass sich Ströme über das ganze Herz ausbreiten. Außerdem gibt es ein eigenes Leitungssystem, das eine schnelle Weiterleitung von Erregungen sicherstellt. Teil dieses Systems sind zwei Schrittmacherzentren: Der Sinusknoten besteht aus speziellen Nervenzellen, die zyklisch von alleine erregt werden. Von dort ausgehend breitet sich die Erregung über die Vorhöfe aus und es findet eine Kontraktion der Vorhöfe statt. Die Erregung vom Sinusknoten wird dann zum Atrioventrikulärknoten (AV-Knoten) weitergeleitet, wo sie verzögert wird, sodass die Herzkammern sich kurz danach zusammenziehen. An der Körperoberfläche misst man ein Signal, das sich aus der Summe aller Potenziale der einzelnen Herzmuskelzellen zusammensetzt. Der Spannungsverlauf zeigt drei charakteristische Merkmale: Die P-Welle entsteht während der Depolarisation der Vorhöfe. Der QRS-Komplex zeigt die Depolarisation der Kammern an, und die T-Welle deren Repolarisation. Aufgrund des Zusammenhangs zwischen den auf dem EKG sichtbaren Spannungen und den mechanischen Herzaktionen kann das EKG wichtige Informationen über den Gesundheitszustand des Herzens geben.
Wie arbeitet ein EKG-Gerät?
Das EKG-Gerät (oder der Elektrokardiograph) dient zur Aufnahme, Darstellung und Speicherung des Elektrokardiogramms. Mit den EKG-Elektroden wird das Signal vom Körper abgeleitet und über Kabel in das EKG-Gerät geführt, wo es verstärkt und gefiltert wird. Schließlich kann es auf verschiedene Weise dargestellt und weiterverarbeitet werden. Der besondere Vorteil der Elektrokardiographie ist, dass die Potenziale des Herzens über das elektrisch leitfähige Körpergewebe bis auf die Hautoberfläche gelangen. Deshalb ist zur Aufnahme des EKGs kein Eingriff in den Körper nötig, sondern es kann mittels Elektroden, die auf die Haut aufgebracht werden, gemessen werden. Innerhalb des Körpers wird der elektrische Strom über Ionen, die im Gewebe gelöst sind, geleitet. Die Elektroden sind der Übergang von dieser Ionenleitung zum Metall der Elektrode und des daran angeschlossenen Kabels. Von den Elektroden wird das EKG-Signal über Kabel in das eigentliche EKG-Gerät geleitet. Dort durchläuft es einen rauscharmen Differenzverstärker, der den Spannungsunterschied zwischen jeweils zwei Elektroden verstärkt.
Die weitere Verarbeitung des EKG-Signals hängt davon ab, ob es sich um ein analoges oder digitales EKG-Gerät handelt. Beim analogen EKG-Gerät wird das Signal mittels eines Leistungsverstärkers weiter auf rund ein bis zwei Volt verstärkt und danach an ein mechanisches Schreibsystem weitergeleitet. Dort wird es auf einen mit einer bestimmten Geschwindigkeit abgerollten Papierstreifen aufgezeichnet. Ein Problem dieses Verfahrens ist die mechanische Trägheit des Systems, die zu Verzerrungen von schnellen Ausschlägen des EKG-Signals führt. Heute werden fast ausschließlich digitale Verfahren eingesetzt, die sich durch sehr geringe Störanfälligkeit auszeichnen. Beim digitalen EKG-Gerät wird das Signal nach der Vorverstärkung einem Analog-Digital-Wandler zugeführt, sodass es von einem eingebauten Computer weiterverarbeitet werden kann. Hier hat sich als Ausgabeverfahren das Thermokammschreibverfahren durchgesetzt. Der Computer steuert hierbei eine Zeile von ungefähr 1000 sehr kleinen, kammartig angeordneten Heizelementen an, an denen ein Streifen Thermopapier vorbeigeführt wird. Dieses Ausgabeverfahren hat den Vorteil, dass keine Verzerrungen des Signals durch mechanische Trägheit auftreten.
Anwendungsbereiche
Obwohl das EKG eine große Bedeutung bei internistischen Untersuchungen hat, ist seine Aussagekraft in gewisser Hinsicht eingeschränkt: Das EKG registriert lediglich die Aktionspotenziale des Herzmuskels. Diese können zwar durch Herzerkrankungen auf verschiedene Weise verändert sein, aber es ist nicht möglich, mittels EKG eine direkte Aussage über die mechanische Herzfunktion zu machen, die letztendlich für die Blutversorgung des Körpers entscheidend ist. Deshalb wird das EKG meist in Zusammenhang mit anderen Untersuchungen eingesetzt. Die einzigen Fälle, in denen allein mit dem EKG eine zuverlässige Diagnose gestellt werden kann, ist der Herzinfarkt und die Herzrhythmusstörung.
Beim Herzinfarkt geht ein abgegrenzter Bereich des Herzmuskels aufgrund von Blutunterversorgung zugrunde. Die Ursache dafür ist meist der Verschluss eines Herzkranzgefäßes. Da das untergehende Gewebe veränderte elektrische Eigenschaften hat, treten im EKG charakteristische Änderungen auf. So kann durch die Auswertung mehrerer Ableitungen die Position des betroffenen Areals bestimmt werden. Dabei laufen die Veränderungen in typischen, aufeinander folgenden Stadien ab; daraus lässt sich der Verlauf des Infarkts beurteilen. Längere Zeit nach dem Infarkt sind diese Veränderungen allerdings oft nicht mehr deutlich genug zu erkennen.
Die zweite wichtige Anwendung des EKGs sind die Herzrhythmusstörungen. Ursache dafür sind entweder eine Störung der normalen Funktion der Schrittmacherzellen oder eine Störung in der Ausbreitung der Erregung. So kann es zum Beispiel zu einer Beschleunigung oder Verlangsamung der Herzfrequenz kommen. Gestörte Erregungsausbreitungen führen meist zu unvollständigen Kontraktionen und können schließlich zu einer Unterversorgung des Körpers mit Blut führen. Eine mögliche Therapie für Herzrhythmusstörungen ist die Implantation eines Herzschrittmachers.
Langzeit-EKG-Geräte
Während für die meisten diagnostischen Fragestellungen die Aufzeichnung des EKGs über einen Zeitraum von wenigen Minuten ausreicht, ist es bei bestimmten Erkrankungen notwendig, eine EKG-Aufzeichnung über einen Tag durchzuführen. Diese Art der EKG-Aufzeichnung wurde 1906 von N. J. Holter eingeführt und wird auch als Holter-Monitoring bezeichnet. Sie stellte einen Durchbruch in der Diagnose von Herzrhythmusstörungen dar, weil es erstmals möglich wurde, nur gelegentlich auftretende abnormale Herzschläge im EKG zu registrieren. Ein modernes Langzeit-EKG-Gerät ist tragbar und kann eine reduzierte Anzahl von Ableitungen (meist drei) über diesen Zeitraum speichern. Dazu wurden bisher meist Magnetbänder (einfache Audiokassetten, wie sie auch in Kassettenrekordern benutzt werden) eingesetzt, auf die das EKG-Signal mit einer sehr geringen Bandgeschwindigkeit von wenigen Millimetern pro Sekunde aufgezeichnet wurde. Wegen der daraus resultierenden schlechten Aufzeichnungsqualität und Problemen mit Gleichlaufschwankungen haben sich heute digitale Aufzeichnungsverfahren durchgesetzt. Hier wird das Signal nach der Digitalisierung auf eine löschbare Speicherkarte (FLASH-ROM) aufgezeichnet. Um die erforderliche Aufzeichnungszeit zu erreichen, werden die Daten vor der Aufzeichnung komprimiert. Da über einen Tag hinweg rund 100 000 Herzschläge auftreten, erfolgt die Auswertung des Langzeit-EKGs nicht manuell, sondern mit Computerhilfe. So können die abnormen Herzschläge in Klassen gruppiert und beurteilt werden. Außerdem ist es möglich, statistische Parameter aus dem Langzeit-EKG zu berechnen, die zu diagnostischen Zwecken benutzt werden.
Dipl.-Phys. Jan Boese, Heidelberg und Dipl.-Phys. Renate Jerei, Heidelberg
Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:
EEG: Die elektrische Aktivität des Gehirns
Grundlegende Informationen finden Sie unter:
nuklearmedizinische Diagnostik