Herzzyklus: Phasen, Klappenspiel und Schlagvolumen
Wie Anspannungs-, Austreibungs-, Entspannungs- und Füllungsphase mit dem Öffnen und Schließen der Herzklappen zusammenhängen und wie man Schlag- und Herzminutenvolumen bestimmt.
Das Wichtigste in Kürze
- Der Herzzyklus besteht aus der Systole mit Anspannungs- und Austreibungsphase und der Diastole mit Entspannungs- und Füllungsphase.
- Die Klappen bewegen sich passiv nach dem Druckgefälle. In den beiden isovolumetrischen Phasen sind alle vier Klappen geschlossen.
- Die AV-Klappen schließen zu Beginn der Anspannungsphase, wenn der Ventrikeldruck den Vorhofdruck übersteigt. Sie öffnen nach der Entspannungsphase und sind vom QRS-Komplex bis zum Ende der T-Welle geschlossen.
- Die Taschenklappen öffnen, wenn der Ventrikeldruck den Arteriendruck übersteigt. Sie schließen am Ende der Austreibungsphase.
- Für das Schlagvolumen gilt SV = EDV − ESV. Für das Herzminutenvolumen gilt HMV = SV · f, je Ventrikel in Ruhe etwa 5 bis 6 L/min.
- Im Druck-Volumen-Diagramm ist das Schlagvolumen die Breite der Schleife. Der Aortenklappenschluss liegt an der Ecke links oben.
Worum es geht
Das Herz arbeitet als Druckpumpe mit vier Ventilen. Wann welche Klappe offen ist, ergibt sich allein aus den Druckverhältnissen in Vorhöfen, Kammern und Arterien. Wer diesen Ablauf versteht, kann Schlagvolumen und Herzminutenvolumen berechnen. Diese Größen braucht man in der Pharmazie etwa, um positiv inotrope Arzneistoffe wie Digoxin einzuordnen.
Phasen des Herzzyklus
Ein Herzzyklus besteht aus Systole und Diastole. In der Systole ziehen sich die Kammern zusammen und werfen Blut aus. In der Diastole erschlaffen sie und füllen sich wieder. Beide teilen sich in je zwei Phasen.
Die Klappen, deren Bau du unter Herzklappen und Herzskelett findest, haben keine eigene Muskulatur. Sie wirken wie Rückschlagventile und folgen nur dem Druckgefälle. Ist der Druck vor der Klappe höher als dahinter, öffnet sie. Kehrt sich das Gefälle um, schließt sie.
| Phase | Teil von | AV-Klappen | Taschenklappen | Ventrikelvolumen |
|---|---|---|---|---|
| Anspannungsphase | Systole | geschlossen | geschlossen | konstant |
| Austreibungsphase | Systole | geschlossen | offen | sinkt |
| Entspannungsphase | Diastole | geschlossen | geschlossen | konstant |
| Füllungsphase | Diastole | offen | geschlossen | steigt |
In der Anspannungs- und der Entspannungsphase sind alle vier Klappen zu. Der Ventrikel ändert dann nur seinen Druck, nicht sein Volumen. Man nennt beide Phasen deshalb isovolumetrisch. Erst in der Austreibungsphase verlässt Blut die Kammer, und erst in der Füllungsphase strömt es aus dem Vorhof nach.
Atrioventrikularklappen
Mitral- und Trikuspidalklappe trennen Vorhof und Kammer. Links und rechts gilt dasselbe Prinzip. Sobald sich der Ventrikel zu kontrahieren beginnt, steigt sein Druck über den Vorhofdruck. In diesem Moment schließen die AV-Klappen, und die Anspannungsphase beginnt.
Während der ganzen Systole bleiben die AV-Klappen geschlossen, also in Anspannungs- und Austreibungsphase. Auch in der Entspannungsphase sind sie noch zu. Erst wenn der Kammerdruck unter den Vorhofdruck fällt, öffnen sie. Das markiert das Ende der Entspannungsphase und den Beginn der Füllungsphase. Die AV-Klappen öffnen also in der Kammerdiastole.
Im EKG lässt sich das zeitlich zuordnen. Die Kammersystole reicht etwa vom QRS-Komplex bis zum Ende der T-Welle. In dieser Zeit ist die Mitralklappe geschlossen. Während der P-Welle bis zum Beginn des QRS-Komplexes ist sie dagegen offen. Die Vorhofkontraktion drückt dann das letzte Blut in die Kammer.
Das Diagramm zeigt die Druckkurven von linkem Vorhof, linkem Ventrikel und Aorta übereinander. Darunter liegen Ventrikelvolumen und EKG. Jedes Klappenereignis liegt genau an einem Schnittpunkt zweier Druckkurven.
Wird im Examen gerne gefragt: Die Mitralklappe schließt, sobald der Druck im linken Ventrikel den Vorhofdruck übersteigt, und öffnet erst nach der Entspannungsphase. Achte auf die EKG-Zuordnung: geschlossen vom QRS-Komplex bis zum Ende der T-Welle, offen während der P-Welle.
Taschenklappen
Aorten- und Pulmonalklappe liegen zwischen Kammer und Arterie. Zu Beginn der Kammerkontraktion sind sie bereits geschlossen und bleiben es. Sie schließen also nicht erst jetzt. Der Ventrikel muss seinen Druck zunächst über den Arteriendruck heben.
Sobald der Druck im linken Ventrikel den Aortendruck übersteigt, öffnet die Aortenklappe. Rechts öffnet die Pulmonalklappe, wenn der Kammerdruck den Druck in der Pulmonalarterie übersteigt. Damit beginnt die Austreibungsphase. In diesem Teil der Systole sind beide Taschenklappen offen.
Gegen Ende der Austreibung lässt die Kontraktion nach. Der Kammerdruck sinkt unter den Arteriendruck, und das Blut drängt kurz zurück. Dadurch schließen die Taschenklappen. Das geschieht am Ende der Austreibungsphase und zu Beginn der isovolumetrischen Entspannungsphase.
Jede Klappe öffnet und schließt dort, wo sich zwei Druckkurven kreuzen. Für die AV-Klappen zählt Vorhof gegen Ventrikel, für die Taschenklappen Ventrikel gegen Arterie.
Schlag- und Herzminutenvolumen
Am Ende der Füllungsphase ist die Kammer maximal gefüllt. Das ist das enddiastolische Volumen (EDV), in Ruhe etwa 120 bis 130 mL. Nach der Austreibung bleibt ein Rest zurück, das endsystolische Volumen (ESV) von etwa 50 bis 60 mL. Die Differenz ist das Schlagvolumen: \(SV = EDV - ESV\), in Ruhe rund 70 mL.
Der ausgeworfene Anteil der Füllung heißt Ejektionsfraktion: \(EF = SV/EDV\). Beim Gesunden liegt sie bei etwa 60 %. Weil nur ein Teil der Füllung ausgeworfen wird, ergibt EDV mal Frequenz kein sinnvolles Minutenvolumen.
\[HMV = SV \cdot f\]
\(HMV\): Herzminutenvolumen in L/min, \(SV\): Schlagvolumen in L, \(f\): Herzfrequenz in 1/min.
Das Herzminutenvolumen, auch Herzzeitvolumen genannt, ist das Blutvolumen, das jeder Ventrikel pro Minute auswirft. Es ist nicht die Summe beider Kammern. Linke und rechte Kammer pumpen im Gleichgewicht dasselbe Volumen, sonst würde sich Blut in einem Kreislauf stauen. In Ruhe liegt das HMV bei etwa 5 bis 6 L/min.
Druck-Volumen-Diagramm
Trägt man für den linken Ventrikel den Druck gegen das Volumen auf, entsteht eine geschlossene Schleife. Das Volumen liegt auf der x-Achse, der Druck auf der y-Achse. Die vier Phasen bilden die Seiten, die vier Klappenereignisse die Ecken.
Die Füllungsphase verläuft unten bei niedrigem Druck von links nach rechts. Rechts unten schließt die Mitralklappe. Die Anspannungsphase steigt dann senkrecht beim EDV an. Rechts oben öffnet die Aortenklappe, und die Austreibung führt oben nach links zum ESV. An der Ecke links oben schließt die Aortenklappe. Von dort fällt die Entspannungsphase senkrecht ab, bis links unten die Mitralklappe öffnet.
So liest du das Diagramm aus:
- Senkrechte Linien suchen: Die rechte liegt beim EDV, die linke beim ESV.
- Schlagvolumen ablesen: Die Breite der Schleife ist das SV, etwa 140 mL minus 60 mL gleich 80 mL.
- Minutenvolumen berechnen: Bei 75 Schlägen pro Minute gilt 0,080 L · 75/min = 6,0 L/min.
- Aortenklappenschluss finden: Er liegt an der Ecke, an der die Austreibung in die senkrechte Entspannungslinie beim ESV übergeht.
Quiz
Aussage 1
Die Mitralklappe schließt in dem Moment, in dem der Druck im linken Ventrikel über den Druck im linken Vorhof steigt.
Die Druckumkehr zu Beginn der Anspannungsphase drückt die Segel zu.
Aussage 2
Während der P-Welle im EKG ist die Mitralklappe geschlossen.
Während der P-Welle bis zum Beginn des QRS-Komplexes ist die Mitralklappe offen. Geschlossen ist sie vom QRS-Komplex bis etwa zum Ende der T-Welle.
Aussage 3
Das Herzminutenvolumen ist die Summe der Volumina, die linker und rechter Ventrikel pro Minute auswerfen.
Das Herzminutenvolumen bezeichnet das Volumen, das jeder einzelne Ventrikel pro Minute auswirft. In Ruhe sind das etwa 5 bis 6 L/min.
Aussage 4
Im Druck-Volumen-Diagramm des linken Ventrikels liegt der Aortenklappenschluss am Übergang von der Austreibung zur senkrechten Entspannungslinie beim endsystolischen Volumen.
Die Austreibung endet links oben beim ESV. Dort schließt die Aortenklappe, und die isovolumetrische Entspannung beginnt.
Aussage 5
Das Schlagvolumen ergibt sich aus dem enddiastolischen minus dem endsystolischen Volumen.
Ausgeworfen wird die Differenz zwischen maximaler Füllung und Restvolumen, also SV = EDV − ESV.
Aussage 6
Die Aortenklappe schließt zu Beginn der Anspannungsphase.
Zu Beginn der Anspannungsphase ist die Aortenklappe bereits geschlossen. Sie schließt am Ende der Austreibungsphase, wenn der Ventrikeldruck unter den Aortendruck sinkt.
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