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Skript zum eLearning-Praktikum „Elektrokardiogramm des Menschen“
UNIVERSITÄT LEIPZIG
MEDIZINISCHE FAKULTÄT
CARL-LUDWIG-INSTITUT FÜR PHYSIOLOGIE VERSION 2020
Lernziele: Nach der Bearbeitung des Praktikumsversuchs „Elektrokardiogramm des Menschen“ sind Sie
in der Lage:
den Begriff des elektrischen Feldes eines Dipols zu definieren,
ein EKG als vektorielle Ausbreitung einer elektrischen Erregung zu interpretieren,
ein typisches EKG zu skizzieren und den Ablauf der Herzerregung den entsprechenden
Abschnitten des EKG zuzuordnen,
die Grundlagen der Bestimmung des Lagetyps im EKG zu erläutern
die Ableittechniken nach Einthoven und Goldberger zu beschreiben,
die diagnostische Aussagekraft des EKG zu erklären.
Empfohlene Literatur: Für das Verständnis des Praktikums wird neben der Vorlesung die Lektüre eines
Lehrbuchs empfohlen. Siehe Vorlesung (online).
Unter folgendem Link finden Sie Videos und Materialien zu den Versuchen. Als Login/Passwort
nutzen Sie die ebenfalls für das KIS (klinikintegrierendes Seminar) gültigen Angaben. Diese
erhalten Sie im Seminar bzw. in der Vorlesung.
http://physiologie.medizin.uni-leipzig.de/e_learning/EKG/index.php
Allgemeine Hinweise zum eLearning-Skript
Liebe Studierende,
aufgrund der nach wie vor bestehenden Einschränkungen findet das Physiologie-Praktikum nicht als
Präsenzveranstaltung sondern in elektronischer Form statt. Die elektronischen Praktika sind
Pflichttermine, deren regelmäßige Teilnahme anhand der abzugebenden Protokolle überprüft wird.
Dokumentieren Sie die Ergebnisse Ihrer Auswertungen im Teil „Protokoll“ des eLearning-Skripts,
drucken diesen Teil aus und geben ihn im Briefkasten „Protokolle Physiologie“ ab.
Ab dem Montag der Woche, in der Sie für das Praktikum eingeteilt sind, arbeiten Sie das Skript, das u.a.
auf Lehrfilmen basiert, durch. Bis Freitag der jeweiligen Woche geben Sie das Protokoll mit Ihren
Auswertungen im Briefkasten „Protokolle Physiologie“ ab. Alternativ können Sie das Protokoll als PDF-
Datei per Email an den betreffenden Praktikumsleiter (*eingeteilte Praktika bis 17.11. / **eingeteilte
Praktika ab 19.11.) bis Freitag der jeweiligen Woche senden.
Alle auftretenden Fragen senden Sie ebenfalls per Email an uns. Wir werden die Fragen und Antworten
anonymisiert und zusammengefasst per Email am Ende der letzten Woche des Blocks (ab 27. November
2020) an Sie zurücksenden. In dieser Email werden Sie auch Lösungen der im Skript beschriebenen
Aufgaben finden.
Leipzig, den 03.11.2020
PD Dr. Robert Kraft* Dr. Torsten Bullmann**
2
Einführung
Das Elektrokardiogramm (EKG) ist die Registrierung der zeitlichen Veränderungen des elektrischen
Feldes, welches durch die Erregungsausbreitung im Herzen verursacht wird. Es lässt Aussagen über
Erregungsbildung und Erregungsleitung, grundsätzlich aber keine Schlüsse auf die mechanischen und
hämodynamischen Verhältnisse des Herzens oder des Kreislaufes zu.
Erregung (Depolarisation) von Zellen äußert sich als elektrische Negativierung des Extrazellularraums
gegenüber der noch unerregten Umgebung. Man kann daher eine erregte Struktur als eine Spannungs-
quelle (Dipol) auffassen und die Spannung durch einen Vektor darstellen, dessen Größe (Betrag) und
Richtung sich zeitlich ändert. Die Einzelerregungen der Herzmuskelzellen zu jedem Zeitpunkt addieren
sich vektoriell zu einem Integralvektor. Der Pfeil zeigt vereinbarungsgemäß vom negativen (erregter
Bereich) zum positiven Pol (unerregter Bereich). Die Ableitung erfolgt beim Menschen nicht direkt von
der Herzoberfläche, sondern beträchtlich davon entfernt, z.B. von den Extremitäten. Das ist möglich, weil
die im Rahmen der Herzerregung auftretenden Ströme ein sich durch den ganzen Körper ausbreitendes
elektrisches Feld verursachen. Um die Aussagekraft des indirekt abgeleiteten EKGs beurteilen zu können,
müssen daher die Grundtatsachen der Feldableitung bekannt sein (Abb. 1). Als Modell wird der Mensch
als isolierte Kugel mit Radius r und Leitfähigkeit κ angenommen. Auf dem Kugelmittelpunkt steht der
Integralvektor �⃗� und erzeugt ein elektrisches Dipolfeld. Die Physik liefert uns für die Elektroden 1 und 2
die Potentiale φ1 und φ2 sowie für die Spannung u zwischen den Elektroden die Abhängigkeit:
𝑢 = 𝜑2 − 𝜑1 =3 |�⃗� |
2𝜋𝜅⋅
1
𝑟2 ⋅ cos 𝛽 ⋅ sin𝛿
2 (1)
wobei δ der Öffnungswinkel (Winkel zwischen den beiden Elektroden und der Kugelmitte) und β der
Schnittwinkel zwischen Dipol und Ableitrichtung ist.
Abb. 1: Der Mensch als Kugel im homogenen
Raum. Die elektrische Herzachse (Vektor
während der R-Zacke, rot) ist als Dipol bzw.
Integralvektor �⃗� dargestellt. Die gedachte
Verbindungslinie (grün) zwischen den beiden
Elektroden der Ableitung Einthoven II (1 und
2) ist die Ableitrichtung. β ist der
Schnittwinkel zwischen Integralvektor und
Ableitrichtung II. Zum Zeitpunkt der R-Zacke
erreicht der Integralvektor seine maximale
Länge und α ist dann der Lagetypwinkel
(gemessen zur Horizontale).
Aus dem dargestellten rechtwinkligen Dreieck
ergibt sich der Zusammenhang zwischen
Elektrodenabstand und dem Öffnungswinkel :
Elektrodenabstandsin
2 2 r
Teil 1: Modellversuch am „elektrolytischen Trog“
(Videos „elektr. Trog“)
Aus der Gleichung (1) lassen sich folgende Zusammenhänge ableiten:
Abstandsgesetz: Zusammenhang zwischen dem Abstand (Radius) r der Elektroden vom Herzen
und der Größe der Spannung: 𝒖 ~𝟏
𝒓𝟐
Abhängigkeit des EKG vom Öffnungswinkel (bei konstantem Radius r):
𝒖 ~ 𝒔𝒊𝒏𝜹
𝟐~ 𝑬𝒍𝒆𝒌𝒕𝒓𝒐𝒅𝒆𝒏𝒂𝒃𝒔𝒕𝒂𝒏𝒅
Projektionsgesetz: Abbildung des Integralvektors auf die Ableitung: 𝒖 ~ 𝐜𝐨𝐬 𝜷
3
Der elektrolytische Trog ist ein Modell für die Messung elektrischer Felder. Im Zentrum einer mit
Leitungswasser gefüllten Petrischale wird über zwei Elektroden, die gemeinsam um den Mittelpunkt
gedreht werden können (Dipollage), von einem EKG–Simulator ein EKG eingespeist. Die Beschreibung
des EKG-Simulators, der u.a. für die Überprüfung der automatischen Diagnostik von EKG-Geräten
genutzt wird, sowie des eigentlichen elektrolytischen Trogs finden Sie in den Videos „elektr. Trog /
Versuchsaufbau im Praktikum: Der Simulator bzw. Der Messplatz“. In definierten Abständen vom
Mittelpunkt befinden sich Steckerbuchsen mit Elektroden, über die das EKG abgeleitet werden kann. Ziel
der Untersuchungen ist es, die Abhängigkeit der abgeleiteten Spannung von Elektrodenposition und
Dipollage nach der obigen Gleichung festzustellen.
Optional können Sie einen Elektrolytischen Trog auch zu Hause nachbauen. Eine Anleitung finden Sie im
Video „elektr. Trog / Ein elektrolytischer Trog für das Home-Office“. Auch wenn Sie diesen Versuch
nicht praktisch durchführen, schauen Sie sich das Video bitte an. Es trägt zum Verständnis v.a. des
„Projektionsgesetzes“ (siehe Aufgabe 1.2) bei.
Aufgabe 1.1: Abstandsgesetz: Abhängigkeit der gemessenen Spannung
vom Abstand (Radius) zwischen Ableitelektroden und „Herz–Dipol“
Im Video „elektr. Trog / Abstand“ wird der Dipol in Stellung „Steiltyp“ gebracht. Die rote und die gelbe
Ableitelektrode werden an die Kontakte unmittelbar oberhalb und unterhalb der Dipolelektroden
angelegt. Über das Programm „DASYLab“ kann die Amplitude der R-Zacke (Spannung u in V) mit dem
Cursor bestimmt werden. Versetzt man die Elektroden zum nächst äußeren Kontaktpaar wird die Höhe
der R-Zacke verändert.
Übernehmen Sie die unter dem Video angegebenen Messwerte in die Tabelle (siehe Protokoll am Ende
des Skripts) und zeichnen Sie einen Graphen für die Abhängigkeit der R-Zacke (Spannung) vom Abstand
(Radius) zum Dipol.
Aufgabe 1.2: Abhängigkeit der gemessenen Spannung (R–Amplitude)
vom Öffnungswinkel (Elektrodenabstand)
Im Video „elektr. Trog / Öffnungswinkel“ wird die Amplitude der R-Zacke zwischen der rot und gelb
markierten Buchse gemessen. Dabei wird der Dipol stets parallel zur Ableitung ausgerichtet. Der
Öffnungswinkel δ zwischen den beiden Buchsen wird jeweils auf 60°, 120° sowie 180° eingestellt.
Unter dem Video sind die entsprechenden Messwerte angegeben. Beantworten Sie die Frage im
Protokoll!
Aufgabe 1.3: Projektionsgesetz: Abhängigkeit der gemessenen
Spannung von der Lage des Dipols zu den Ableitelektroden
Im Video „elektr. Trog / Projektion“ werden drei Elektroden entsprechend ihrer Farben an den
Eckpunkten des äußeren Dreiecks angebracht (Einthoven-Ableitung). Man kann jetzt die drei
Ableitungen (die drei Projektionen des Dipols) vermessen. Das Projektionsgesetz u ̴ cos β beschreibt den
Zusammenhang zwischen der Größe der R-Zacke in einer bestimmten Ableitung und dem Winkel β
zwischen Dipol und Ableitrichtung (s. Abb. 1).
Verfolgen Sie im Video, wie durch Drehen des Dipols die R-Zacke in den jeweiligen Ableitungen
verschwindet bzw. maximal wird. Zeichnen Sie den Integralvektor des Dipols in die vorgegebenen
Schemata des Protokolls ein! Vervollständigen Sie die zugehörigen Tabellen!
Aufgabe 1.4: Lagetypen
In den Abbildungen „elektr. Trog / Lagetypen“ sind die Lagetypen Quertyp, Indifferenztyp und Steiltyp1
in der Einthoven-Ableitung dargestellt. Beachten Sie, dass sich beim Drehen des Dipols entsprechend
dem Projektionsgesetz nicht nur die Größe sondern auch die Richtung der Zacken (Polarität) ändern kann.
Vervollständigen Sie das Protokoll!
1 Beim Steiltyp kommt der elektrolytische Trog als Modell an seine Grenzen: Richtig ist, dass die
Amplitude der R-Zacke in der ersten Ableitung ganz klein wird, falsch ist dagegen, dass die P- und T-
Welle verschwinden.
4
Teil 2: Pathologien im EKG
(Animationen „path. EKG´s“)
In den Animationen „path. EKG´s“ werden neben einem normalen EKG zehn verschiedene
pathologische EKG-Formen vorgestellt. Zur Beurteilung können Sie „EKG-Diskussion.pdf“ nutzen.
Sie sollen im Protokoll die jeweilige Diagnose zu den Fällen stellen.
Teil 3: Extremitäten–EKG
(Video und Muster-EKG „Einthoven-Ableitung“)
Aufgabe 3.1: Ableitschema nach Einthoven
Im Video „Einthoven-Ableitung“ sehen Sie die praktische Durchführung eines Extremitäten-EKG am
Menschen.
Die Übertragung der Modellbedingungen der Dreiecksableitung auf das EKG des Menschen
(Einthoven’sches Dreiecksschema) enthält Vereinfachungen gegenüber den tatsächlichen Gegebenheiten:
1. Das Medium, in dem sich das Feld im menschlichen Körper ausbreitet, ist elektrisch inhomogen,
2. Der Mensch ist keine Kugel.
3. Das Herz liegt nicht im Mittelpunkt des Ableitdreiecks und
4. dieses Dreieck ist nicht gleichseitig.
5. Durch Abbildungsfehler bei der Projektion der dreidimensionalen Herzschleife auf die
zweidimensionale Frontalebene, liegen die R-Zacken in den drei Ableitungen (I, II und III)
zeitlich nicht exakt untereinander.
Die Einthoven’sche Extremitätenableitung stellt die Registrierung der Projektion des Integralvektors auf
die Frontalebene und von dort auf die Dreiecksseiten dar (Abb. 2). Sie enthält mehrere Konventionen:
1. Gleiche elektronische Verstärkung in allen drei Ableitungen (10 mm/mV).
2. Ausschläge im EKG nach oben gelten als positiv, in der Gegenrichtung als negativ.
3. Die Polung der Elektroden hat so zu erfolgen, dass im synchron geschriebenen EKG für den
Indifferenztyp alle drei R-Zacken in positive Richtung zeigen. Daraus ergibt sich für die
Summenformel: II I IIIU U U .
4. Die Registriergeschwindigkeit beträgt 25 bzw. 50 mm/s.
5. Farbliche Markierung :
• rechter Arm – rot
• linker Arm – gelb
• linker Fuß – grün
• rechter Fuß – schwarz (Potentialausgleich)
Es bilden sich die Potentials φL (am linken Arm), φR (am rechten Arm) und φF (am linken Fuß). Die
einzelnen Potentiale selber sind nicht messbar, sondern nur die Potentialdifferenzen zwischen den
gleichwertigen Messpunkten (bipolare Ableitung):
Ableitung I: I L RU
Ableitung II: II F RU
Ableitung III: III F LU
Die Summe aus 1. und 3. Ableitung
I III L R F L F R IIU U U
liefert die 2. Ableitung und damit die Summenformel: II I IIIU U U
5
Abb. 2: Projektion des Integralvektors aus der Frontalebene auf die Dreiecksseiten nach Einthoven
Unter dem Video „Einthoven-Ableitung“ finden Sie die Datei „ekg.pdf“, die Sie öffnen und ausdrucken.
Sie enthält ein Muster-EKG, das im Protokoll ausgewertet wird.
Zur Nomenklatur: Jeder Ausschlag aus der Nulllinie wird als Zacke oder Welle, jeder Abstand zwischen
den Zacken als Strecke bezeichnet. Abstände, die Zacken und Strecken enthalten, werden Dauern oder
Intervalle genannt.
Normwerte für das frequenzabhängige QT-Intervall gibt es nur für eine Herzfrequenz von 60 Schlägen
pro Minute (R-Zacken-Abstand 1 s.). Die Formel von Bazett2
c
QTQT
RR
liefert eine grobe Abschätzung. Dabei sind alle Werte in Sekunden einzusetzen. QTc ist dann das QT-
Intervall bei 60 Schlägen pro Minute und sollte bei Frauen kleiner als 450 ms und bei Männern kleiner als
430 ms sein. Größere Werte sind ein Indiz für ein mögliches Long-Time-QT-Syndrom.
Beispiel: Sie haben einen RR-Abstand von 0,6 s und ein QT-Intervall von 0,3 s gemessen:
0.30.39 390
0.6cQT s ms
Aufgabe 3.2: Ableitschema nach Goldberger
Bei der Goldberger-Ableitung werden (bleiben) die Elektroden an den gleichen Stellen platziert, wie bei
der Einthoven’schen Ableitung (linker Arm, rechter Arm und linkes Bein). Es werden immer zwei
Elektroden über zwei gleichgroße Widerstände zusammengeschaltet. Der Zusammenschluss der
Widerstände bildet einen Bezugspunkt, der sich virtuell auf der Dreiecksseite befindet. Dort bilden die
beiden Widerstände einen Spannungsteiler und halbieren die Potentialdifferenz. Die gegenüberliegende
Extremität wird dann unipolar gegen diesen Bezugspunkt gemessen (Abb. 3).
2 H.C. Bazett, An analysis of the time relations of electrocardiograms. Heart 7 (1920) p. 353.
6
Abb. 3: EKG-Ableitungen nach Einthoven und Goldberger.
Bei beiden Ableitarten werden die gleichen Potentialdifferenzen gemessen, aber unterschiedlich
dargestellt (Einthoven: Projektion der zweidimensionalen Herzschleife aus der Frontalebene auf die
Dreiecksseiten, Goldberger: Projektion auf die Winkel- oder Seitenhalbierende des Dreiecks), daher ist
auch eine Umrechnung3 möglich:
2 2
L F I IIaVR R
U UU
2 2
F R I IIIaVL L
U UU
2 2
L R II IIIaVF F
U UU
Teil 4: Lehrfilm: Straub–Herz
(Video „Frosch“)
Im Video „Frosch“ wird die Wirkung verschiedener extrazellulärer Lösungen auf das isolierte
Froschherz („Straub-Herz“) gezeigt.
Ringer- und Tyrode-Lösungen (Tab. 4) sind als physiologische Verbesserungen der isotonischen
Kochsalzlösung (0,9%ige NaCl-Lösung) anzusehen. Ringer- und Tyrode-Lösungen werden in der
physiologischen Forschung bzw. als Infusionslösungen genutzt.
Bestandteile Ringer Tyrode
NaCl 0,60 % 0,65 %
KCl 0,01 % 0,02 %
CaCl2 0,01 % 0,02 %
NaHCO3 0.01 % 0,1 %
MgCl2 — 0,01 %
NaH2PO4 — 0,005 %
Glukose — 0,1 %
Tab. 4 Zusammensetzung der Ringer-Lösung und der Tyrode-Lösung
3 Unter der Annahme eines homogenen und kugelförmigen Feldes.
7
Protokoll EKG Bitte ausdrucken, ausfüllen und zusammenheften!
Datum: Name: Vorname:
Studiengang (H/Z/P): KGr: Email-Adresse:
Zu 1.1:
Wertetabelle zum Abstandsgesetz
Abstand vom
Dipol [cm]
3,5 5.0 6.5 8
R-Zacke [V]
Graph:
Zusammenhang zwischen der Amplitude der R-Zacke (y-Achse) und dem Abstand vom Dipol (x-Achse)
Warum ist der Abfall der Kurve weniger stark ausgeprägt, als das Abstandsgesetz voraussagt (siehe auch
„EKG-Diskussion.pdf“)?
……………………………………………………………………….
Zu 1.2: Um welchen Faktor verändert sich die Amplitude der R-Zacke (Spannung u), wenn der Öffnungswinkel
von 60° auf 180° geändert wird?
Messwerte: u180° / u60° = …..
Theoretisch: u180° / u60° = …..
Zu 1.3:
Zeichnen Sie den Integralvektor (als dimensionslosen Pfeil) und den Schnittwinkel β (zwischen
Integralvektor und der maßgeblichen Ableitung) in die Abbildungen ein und vervollständigen Sie die
Tabellen. Der Lagetypwinkel α wird von der gestrichelten Linie (0°) im Uhrzeigersinn gemessen.
Übergang zwischen den
Lagetypen
Winkel β zw. Integralvektor
und Ableitung I
cos β
Lagetypwinkel α
Die R-Zacken verschwinden in Ableitung I.
8
Übergang zwischen den
Lagetypen
Winkel β zw. Integralvektor
und Ableitung I
cos β
Lagetypwinkel α
Die R-Zacken sind in Ableitung I maximal.
Übergang zwischen den
Lagetypen
Winkel β zw. Integralvektor
und Ableitung II
cos β
Lagetypwinkel α
Die R-Zacken sind in Ableitung II maximal.
Übergang zwischen den
Lagetypen
Winkel β zw. Integralvektor
und Ableitung III
cos β
Lagetypwinkel α
Die R-Zacken verschwinden in Ableitung III.
Zu 1.4:
Übertragen Sie die R-Zacken-Werte für die drei Lagetypen (Quer-, Indifferenz- und Steiltyp) in die
folgenden Tabellen. Konstruieren Sie die zugehörige Lage des R-Zacken-Vektors. Kontrollieren Sie,
inwieweit die Summenformel4 II = I + III gilt.
4 Kirchhoff’scher Maschensatz: In einem geschlossenen Umlauf (Masche) ist die vorzeichenbehaftete
Summe aller Spannungen Null. Spannungen, deren Zählrichtung mit der Umlaufrichtung übereinstimmen,
bekommen ein positives Vorzeichen, andernfalls ein negatives.
9
10
Zu 2:
Stellen Sie die jeweilige Diagnose zu den Fällen 1 bis 10.
Fall 1: ………………… Fall 2: …………………
Fall 3: ………………… Fall 4: …………………
Fall 5: ………………… Fall 6: …………………
Fall 7: ………………… Fall 8: …………………
Fall 9: ………………… Fall 10: …………………
Zu 3.1:
Das Muster-EKG (ekg.pdf) enthält 5 aufeinander folgende Erregungsabläufe. Vervollständigen Sie
anhand dessen die folgende Tabelle.
Herzperiode PQ-Intervall QRS-Komplex QT-Intervall
1. Wert [mm]
2. Wert [mm]
3. Wert [mm]
4. Wert [mm]
5. Wert [mm]
Mittelwert [mm]
QTc = ms
Normwert [s] -
Herzfrequenz [min-1
]
Mittelwert [s]
Wertetabelle für die Zeiten
Messen Sie einmal synchrone R-Zacken (je 3 für Einthoven und Goldberger) aus. Zeichnen Sie hierfür
eine Senkrechte ausgehend vom Peak der größten R-Zacke durch die Peaks der anderen R-Zacken. Über-
tragen Sie die Werte in die folgende Tabelle. Prüfen Sie die Gültigkeit der Summenformel „II = I + III“.
Zu 3.2:
Berechnen Sie zusätzlich aus den Amplituden der Einthoven-Ableitung die Goldberger-Amplituden.
Einthoven Goldberger
gemessene R-Zacken gemessene R-Zacken errechnete R-Zacken
Amplitude [mV] Amplitude [mV] Amplitude [mV]
UI aVR
UII aVL
UIII aVF
Amplituden der R-Zacken bei Einthoven- und Goldberger-Ableitung
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Konstruieren Sie die Lage des R-Vektors aus den synchronen R-Zacken. Messen Sie den Lagetypwinkel
(mit einem Winkelmesser) und benennen Sie den Lagetyp. Verwenden Sie den gleichen Maßstab für
beide Konstruktionen.
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Zu 4:
Notieren Sie die Effekte der verschiedenen Lösungen auf die Herztätigkeit in folgende Tabelle.
Zur Vereinfachung nutzen Sie folgende Begriffe:
verringerte Aktivität – verstärkte Aktivität – Herzstillstand – kontrahiert – relaxiert
Lösung Wirkung auf das Herz
Ringer ________
NaCl
K+
Ca2+
Tyrode
