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Herzzeitvolumen

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Das Herzzeitvolumen (HZV, englisch cardiac output CO) ist das Volumen[1] des Blutes, das pro Zeitspanne vom Herzen gepumpt wird (Volumenstrom).[2] Die übliche Maßeinheit ist Liter pro Minute, wobei dann vom Herzminutenvolumen (HMV), früher auch kurz Minutenvolumen[3] genannt, gesprochen wird.[4] Das zur besseren interindividuellen Vergleichbarkeit durch die Körperoberfläche dividierte Herzzeitvolumen heißt Herzindex (englisch cardiac index). Erste wissenschaftliche Erwähnung fand das Herzzeitvolumen bei William Harvey, der mit seiner 1628[5] veröffentlichten Berechnung des Halbstundenvolumens[6] einen Beweis für die Existenz des Blutkreislaufs lieferte. Ein zu kleines Herzzeitvolumen gilt als Ursache der Herzinsuffizienz.

Physiologie und Berechnungen

Im engeren Wortsinne bezeichnet das Herzzeitvolumen das pro Zeit in den Körperkreislauf gepumpte Volumen, dies wird gelegentlich durch die Bezeichnung Körperzeitvolumen verdeutlicht.[7] Da die linke und die rechte Herzkammer bei Säugetieren in Reihe wirken, ist das pro Zeit in den Lungenkreislauf ausgeworfene Volumen im zeitlichen Mittel dasselbe wie das Körperzeitvolumen. Bei sehr genauer Betrachtung der Gefäßversorgung von Lunge und Herz ergibt sich, dass das Körperzeitvolumen etwa 1 % größer als das Lungenzeitvolumen ist.[8] Beim Rechts-links-Shunt ist das Körperzeitvolumen (nennenswert) größer als das Lungenzeitvolumen; beim Links-rechts-Shunt ist das Körperzeitvolumen kleiner als das Lungenzeitvolumen. Allgemein gilt die Gleichung Herzzeitvolumen + Links-rechts-Shuntzeitvolumen = Lungenzeitvolumen + Rechts-links-Shuntzeitvolumen.[9] Diese fundamentale Gleichung ist weit gehend unbekannt; allein das Wort Lungenzeitvolumen wird nur selten verwendet.[10][11] Das effektive Lungendurchflussvolumen ist also manchmal kleiner (oder größer) als das totale Lungendurchflussvolumen, welches auch als tatsächliches Klein-Kreislauf-Minutenvolumen oder Lungenzeitvolumen bezeichnet wird.[12]

Das Herzzeitvolumen

Bei der Bestimmung des HZV mit dem Swan-Ganz-Katheter mittels Thermodilution wird die Stewart-Hamilton-Gleichung[14] zur Berechnung benutzt (siehe unten Nummer 2).

Gelegentlich wird versucht, eine Herzinsuffizienz durch Anlage eines künstlichen Links-rechts-Shunts auf Vorhofebene (zum Beispiel Ballonatrioseptostomie) günstig zu beeinflussen. Wegen der Formel HZV + LRSV = LZV + RLSV ist durch solche Maßnahmen (als LRSV-Vergrößerung) eine Vergrößerung des Herzzeitvolumens nicht zu erwarten. Deshalb gelten solche chirurgischen Eingriffe als palliativ.[15]

Normalwerte

  • In Ruhe beträgt das Herzminutenvolumen beim gesunden erwachsenen Menschen etwa 4,5–5 l/min. Der untere Normwert für den Herzindex liegt bei 2,5 (l/min)/m².
  • Unter Belastung kann das HZV bis auf das Sechsfache gesteigert werden und dann bis zu 30 l/min, in Einzelfällen auch mehr, betragen. Bei trainierten erwachsenen Sportlern steigt das Herzzeitvolumen unter maximaler Belastung bis auf 36 l/min an.[16] Von dem ehemaligen spanischen Radrennfahrer und mehrfachen Tour-de-France-Sieger Miguel Indurain wird immer wieder behauptet, er habe unter Höchstbelastung ein HZV von 50 l/min gehabt.

Messung

Umfahrung des PW-Doppler-Signals im LVOT: Velocity Time Integral (VTI)

Das Herzzeitvolumen kann in der klinischen Praxis nur indirekt gemessen werden. Dazu gibt es verschiedene Methoden:

  1. In der Echokardiografie: Einfach ist es aus dem Schlagvolumen und der Herzfrequenz berechenbar: HMV = Herzfrequenz × Schlagvolumen. Das Schlagvolumen und die Herzfrequenz können aus der Echokardiografie abgeschätzt werden. Der Durchmesser des Linksventrikulären Ausflusstraktes (LVOT) wird im 2D-Bild gemessen und daraus eine Fläche mit Hilfe der Kreisfläche berechnet und mit der Umfahrung der PW-Doppler-Kurve im LVOT, dem Velocity Time Integral (VTI), sowie der Herzfrequenz (HF) multipliziert. HMV = π × LVOT²/4 × VTI × HF.
  2. Etwas aufwändiger ist die Thermodilution. Dabei wird eine definierte Menge an kalter Flüssigkeit injiziert und der Temperaturverlauf des Blutes in der Folge über eine Thermosonde aufgezeichnet. Über die Schnelligkeit der Temperaturnormalisierung kann das HMV berechnet werden. Eine Möglichkeit, dieses in der Praxis umzusetzen, ist der Swan-Ganz-Katheter. Hierbei handelt es sich um einen Katheter, der durch eine große Vene am Hals (in der Regel Vena jugularis interna oder Vena subclavia) durch die rechte Herzhälfte bis in die Lungenarterie vorgeschoben wird. Zum Beispiel mit Hilfe einer integrierten Heizspirale kann hiermit auch kontinuierlich (also ohne dass zwischenzeitlich Flüssigkeit injiziert wird) das HZV bestimmt werden.
  3. Ähnlich funktionieren Farbstoffverdünnungsverfahren. Auch hier ist ein Herzkatheter erforderlich.
  4. Modellbasierte Verfahren berechnen nach Kalibrierung durch ein anderes Verfahren (zum Beispiel Thermodilution) das HMV kontinuierlich aus der durch einen arteriellen Katheter gemessenen arteriellen Blutdruckkurve. Beispiel hierfür ist das PiCCO (Pulscontour Continuous Cardiac Output) System der Firma Pulsion(R), das insbesondere im Vergleich zum Swan-Ganz-Katheter den Vorteil bietet, ein deutlich weniger invasives Verfahren zu sein, da hierzu kein Katheter durch das Herz bis in die Lungenarterie vorgeschoben werden muss.
  5. Das Lungenzeitvolumen (in l/min) lässt sich nach dem Fickschen Prinzip berechnen, indem die Sauerstoffaufnahme (in ml/min), welche über eine Atemmaske bestimmbar ist, durch die Differenz des Sauerstoffgehalts des arteriellen und zentralvenösen Blutes (in ml/l) dividiert wird. Nachdem zuvor das Ruhe-Herzminutenvolumen des Menschen noch auf drei bis zwölf Liter geschätzt worden war, wurde die genauere Methode von Adolf Fick[17] (1829–1901) jahrzehntelang die Referenzmethode[18] der HMV-Bestimmung.
  6. Auch mit Hilfe der Nuklearkardiologie (und der Nuklearpulmologie) kann das HMV (beziehungsweise das identische Lungenzeitvolumen) nuklearmedizinisch bestimmt werden.
  7. Auch mit Hilfe der Kernspinuntersuchung kann das HMV bestimmt werden.
  8. Ein weiteres Verfahren bietet die Impedanzkardiografie.
  9. Ähnliches erwartet man auch von der Ganzkörperbioimpedanztechnologie.
  10. Philipp Broemser und Otto Friedrich Ranke empfahlen 1930 und 1933 die Sphygmographie zur unblutigen Bestimmung des Schlagvolumens. Durch Multiplikation mit der Herzfrequenz erhält man das Herzzeitvolumen.[19]
  11. Ein ähnliches (sphygmometrisches) Verfahren war die Wezler-Böger-Methode auf der Grundlage von Otto Franks Forschungen.[20]
  12. Ebenfalls nur noch medizinhistorische Bedeutung hat das Ballistokardiogramm. Bei einem liegend aufgehängten Patienten wird das Schlagvolumen aus dem Rückstoß des aus den beiden Herzkammern ausgeschleuderten Blutes berechnet.[21]
  13. Ebenso ist das Elongationsballistokardiogramm völlig veraltet. Während der Austreibungsphase des Blutes aus dem Herzen verlagert sich der Schwerpunkt des Patienten kopfwärts. Wenn man die Masse des auf einem Quecksilberbad schwimmenden Bettes zum Patientengewicht addiert, kann man mit einer komplizierten Formel das Schlagvolumen und so das Herzzeitvolumen berechnen.[22]
  14. Im Gegensatz zu diesen historischen Verfahren gibt es zwei weitere moderne Verfahren. Auch sie sind nicht ausgereift, noch ungenau und von fraglicher klinischer Relevanz. Zu nennen sind hier die elektrische Kardiometrie zur Bestimmung des Herzzeitvolumens und
  15. außerdem das Verfahren der Bioreaktanz ebenfalls zur Bestimmung des Herzzeitvolumens und des peripheren Widerstandes. Der Einsatz von Computern zur Bestimmung des Schlagvolumens und damit auch des HZV wurde schon 1969 von Rudolf Groß beschrieben.[23]
  16. Das Herzzeitvolumen von Kunstherzen (Kreislaufunterstützungssystem) wird gerätespezifisch abhängig von der eingesetzten Mechanik ermittelt.

Medizinische Bedeutung

Das Herzzeitvolumen ist abhängig von Herzfrequenz, Herzrhythmus, Vorlast (Preload), Nachlast (Afterload) und Kontraktilität des Herzen. Aus praktischen Erwägungen hat sich zur Beurteilung der Pumpfunktion eher der Wert der Ejektionsfraktion (der Prozentanteil des Schlagvolumens am höchsten Volumen des linken Ventrikels am Ende der Diastole) eingebürgert, da er direkt aus der Echokardiografie ablesbar ist. Das Herzminutenvolumen wird dagegen bei aufwändigeren Herzkatheteruntersuchungen bestimmt.

Verringertes Herzzeitvolumen

Ein verringertes Herzzeitvolumen findet sich bei verminderter Pumpleistung der linken oder rechten Herzkammer. Auch Herzklappenerkrankungen können das Herzzeitvolumen reduzieren, ebenso eine Schilddrüsenunterfunktion (Hypothyreose). Die Erniedrigung des Herzzeitvolumens beim Herzinfarkt ist abhängig von der Schwere des Infarktes.[24]

Erhöhtes Herzzeitvolumen

Eine Tachykardie steigert das Herzzeitvolumen.[25] Ein erhöhtes Herzzeitvolumen findet sich bei Fieber, Hyperthyreose und Blutarmut. Auch in hyperdynamen Schockzuständen, wie z. B. dem septischen Schock, kann das HZV erhöht sein, obwohl eine Minderperfusion von Organen vorliegen kann, was auf eine Erniedrigung des peripheren Widerstands zurückzuführen ist. Während der Schwangerschaft besteht ebenfalls ein erhöhtes Herzzeitvolumen. Grund dafür ist die Vergrößerung der Blutmenge während der Schwangerschaft um etwa 1½ Liter, um die Versorgung von Plazenta und Gebärmutter zu gewährleisten.[26]

Geschichte

Erste Berechnungen des HZV hat schon William Harvey (1578–1657) angestellt. Er ermittelte ein Schlagvolumen beim Menschen von nur einer halben Unze (= 18 ml)[27] und damit ungefähr ein HZV = 1,15 l/min. Adolf Fick hat 1870 das HZV mit dem nach ihm benannten Fickschen Prinzip bestimmt. Danach wurden zahlreiche Alternativen und Verbesserungen vorgeschlagen.

Otto Klein (1891–1968) hat am 1. August 1930 in der Münchener Medizinischen Wochenschrift eine Arbeit zur Bestimmung des Minutenvolumens nach dem Fickschen Prinzip veröffentlicht. Dazu musste er in der Deutschen Universität Prag seine Patienten nach dem Verfahren von Werner Forßmann (im Frühjahr 1929 in Berlin im Selbstversuch erstmals von diesem praktiziert) mit einem Rechtsherzkatheter versorgen.[28] Otto Klein maß die Differenzen der Sauerstoffkonzentration zwischen dem venösen und dem arteriellen Blut und ermittelte bei seinen ersten drei Patienten auf diese Art (siehe oben Verfahren Nummer 5) Herzzeitvolumina von 4,46 l/min, von 6,67 l/min und von 4,20 l/min. Kleins Vorgesetzter Wilhelm Nonnenbruch zeigte jedoch kein Interesse an diesen Forschungen. Als Jude musste Otto Klein 1938 nach Buenos Aires emigrieren. Aber schon 1933 fuhr er nach Boston, um sein Verfahren dort vorzustellen; auch hier stieß er jedoch nur auf Ablehnung. Erst zwölf Jahre später erkannten Cournand und Richards in den USA die zentrale Bedeutung dieser Bestimmung des Herzzeitvolumens.

Siehe auch

Literatur

  • Reinhard Larsen: Anästhesie und Intensivmedizin in Herz-, Thorax- und Gefäßchirurgie. 5. Auflage. Springer-Verlag, Berlin/ Heidelberg/ New York u. a. 1999, ISBN 3-540-65024-5, S. 218 f.

Einzelnachweise

  1. ↑ Das hier gemeinte Blutvolumen pro Zeiteinheit (Einheit: ml/min; SI-Einheit l/s) darf nicht mit dem absoluten Gesamtblutvolumen (SI-Einheit: Liter) des Menschen verwechselt werden. Wenn früher in historischen Schriften zum Beispiel von der Blutmengenbestimmung geschrieben wird, muss an diese Verwechslungsmöglichkeit mit dem HZV gedacht werden.
  2. ↑ Das HZV darf auch nicht mit der Blutfließgeschwindigkeit (SI-Einheit: m/s) verwechselt werden.
  3. ↑ Fritz Lange: Lehrbuch der Krankheiten des Herzens und der Blutstrombahn. Ferdinand-Enke-Verlag, Stuttgart 1953, S. 82.
  4. ↑ HMV und HZV werden synonym gebraucht, aber in Fachbüchern auch unabhängig voneinander aufgeführt (Beispiele: Bernd Heublein (Hrsg.): Herz-, Kreislauf- und Gefäßerkrankungen. Band 1, Teil 1, Gustav Fischer Verlag, Stuttgart 1985, ISBN 3-437-10806-9, S. 798 f., und auch Walter Siegenthaler, W. Vetter, A. Schrey (Hrsg.): Hypertonie. Verlag für angewandte Wissenschaften, München 1980, ISBN 3-922251-73-0, S. 283.) − Es wird das gepumpte Blutvolumen durch die dafür erforderliche Zeit dividiert.
  5. ↑ William Harvey: Exercitatio anatomica de motu cordis et sanguinis in animalibus. S. G. Fitzer, Frankfurt 1628.
  6. ↑ Gisela Teichmann: William Harvey und das Herzminutenvolumen. In: Innere Medizin. Band 19, Nr. 3, 1992, S. 94–96.
  7. ↑ Wilhelm Jakob Rutishauser, in: Otto Martin Hess, Rüdiger R. W. Simon (Hrsg.): Herzkatheter – Einsatz in Diagnostik und Therapie, Springer-Verlag, Berlin/ Heidelberg 2000, ISBN 3-642-62957-1, S. 17.
  8. ↑ Robert Franz Schmidt, Florian Lang, Manfred Heckmann (Hrsg.): Physiologie des Menschen. 31. Auflage. Springer Medizin Verlag, Heidelberg 2010, ISBN 978-3-642-01650-9, S. 620.
  9. ↑ Wilhelm Jakob Rutishauser, am angegebenen Ort, S. 17.
  10. ↑ Ekkehart Köhler: Ein- und zweidimensionale Echokardiographie mit Dopplertechnik. 4. Auflage. Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart 1990, ISBN 3-432-91514-4, S. 74, errechnet im Ergebnis richtig einen Rechts-links-Shunt „aus der Differenz zwischen dem Herzzeitvolumen im Bereich der Aortenklappe und demjenigen der Pulmonalklappe.“
  11. ↑ Wilhelm Nonnenbruch: Krankheiten des Kreislaufes, in: Lehrbuch der inneren Medizin, 4. Auflage, Springer-Verlag, 2 Bände, Band 1, Berlin 1939, S. 327–460. Zitat Seite 328: "Minutenvolumen des Herzens, das gleich ist der Durchströmungsgröße der Lunge". Mit dem "Minutenvolumen der Atmung" bezeichnet er dagegen a.a.O. die Ventilation (Belüftung) und nicht die Perfusion (Durchblutung) beider Lungenflügel.
  12. ↑ Myron G. Sulyma: Wörterbuch der Kardiologie. Band 3: L-Q. Medikon, München 1983, ISBN 3-923866-07-0, München 1984, S. 442.
  13. ↑ Hermann Josef Schieffer: Arterielle Hypertonie. Karl Thiemig Verlag, München 1983, OCLC 634917262, S. 11.
  14. ↑ Reinhard Larsen: Anästhesie und Intensivmedizin in Herz-, Thorax- und Gefäßchirurgie. 5. Auflage. Springer-Verlag, Berlin/ Heidelberg/ New York u. a. 1999, ISBN 3-540-65024-5, S. 130–135 f.
  15. ↑ Roman Pfister, Christos Iliadis: Atrialer Flussregulator: Therapieoption bei Herzinsuffizienz, in: "Forum Sanitas", Nummer 2/2020, S. 16–18.
  16. ↑ Walter Bleifeld, Christian W. Hamm: Herz und Kreislauf. Springer-Verlag, Berlin/ Heidelberg/ New York 1987, ISBN 3-540-17931-3, S. 22 f.
  17. ↑ Adolf Fick: Über die Messung des Blutquantums in den Herzventrikeln. In: Verhandlungen der Physikalisch-medizinischen Gesellschaft Würzburg. Neue Folge 2, XVI, 1872.
  18. ↑ Gisela Teichmann: William Harvey und das Herzminutenvolumen. 1992, S. 95.
  19. ↑ Wolfgang Trautwein, Otto H. Gauer, Hans-Peter Koepchen: Herz und Kreislauf. (= Physiologie des Menschen. Band 3). Urban & Schwarzenberg, München/ Berlin/ Wien 1972, S. 303.
  20. ↑ Fritz Lange: Lehrbuch der Krankheiten des Herzens und der Blutstrombahn. Ferdinand-Enke-Verlag, Stuttgart 1953, S. 61 bis 67.
  21. ↑ Wolfgang Trautwein, Otto H. Gauer, Hans-Peter Koepchen: Herz und Kreislauf. (= Physiologie des Menschen. Band 3). Urban & Schwarzenberg, München/ Berlin/ Wien 1972, S. 303.
  22. ↑ Wolfgang Trautwein, Otto H. Gauer, Hans-Peter Koepchen: Herz und Kreislauf. (= Physiologie des Menschen. Band 3). Urban & Schwarzenberg, München 1972, ISBN 3-541-05411-5, S. 303 und 304.
  23. ↑ Rudolf Gross: Medizinische Diagnostik. Springer-Verlag, Berlin/ Heidelberg/ New York 1969, S. 137.
  24. ↑ Georg Sabin: Der kardiogene Schock. Kohlhammer Verlag, Stuttgart/ Berlin/ Köln/ Mainz 1984, ISBN 3-17-008618-9, S. 17.
  25. ↑ Georg Sabin: Der kardiogene Schock. Kohlhammer Verlag, Stuttgart/ Berlin/ Köln/ Mainz 1984, ISBN 3-17-008618-9, S. 16.
  26. ↑ Herzminutenvolumen (HMV) in der Schwangerschaft
  27. ↑ Peter Wiench: Über bedeutende Ärzte der Geschichte. (= Sonderdruck, „Die großen Ärzte“. Band I). Droemersche Verlagsanstalt, München 1982, ISBN 3-426-03919-2, S. 175.
  28. ↑ Otto Klein: Zur Bestimmung des zirkulatorischen Minutenvolumens beim Menschen nach dem Fickschen Prinzip (Gewinnung des gemischten venösen Blutes mittels Herzsondierung). In: Münchener Medizinische Wochenschrift. 77. Jahrgang, 1. August 1930, S. 1310–1352.
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