FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN Nr.1426 Herausgegeben im Auftrage des Ministerprasidenten Dr. Franz Meyers von Staatssekretar Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt DK 612.13 612.215.41 612.015.3 612.22 Prof Dr. med. Erich A. Muller Max-Planck-Institut fur Arbeitsphysiologie Dortmund Die Messung der Veranderung der vertikalen Blutverteilung beim Stehen Priv.-DoZ. Dr. med. Jurgen Stegemann Max-Planck-Institut fur Arbeitsphysiologie Dortmund Der EinfluB kiinstlicher Beatmung auf den arteriellen Kohlendioxyddruck, das arterielle pH und die StoffwechselgroBe SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH ISBN 978-3-663-00275-8 ISBN 978-3-663-02188-9 (eBook) DOl 10.1007/978-3-663-02188-9 Verlags-Nr. 011426 © 1964 by Springer Fachmedien Wiesbaden UrsprUnglich erschienen bei Westdeutscher Verlag, KOIn und Opladen 1964 Die Messung der Veranderung der vertikalen Blutverteilung beim Stehen Inhalt Einleitung ........................................................ 7 I. V orversuche .................................................. 9 II. Hauptversuche ................................................ 10 1. Prinzip..................................................... 10 2. Aufbau der Apparatur.............. ........... ............... 13 3. Die Kompensation vertikaler Schwerpunktverschiehungen .... . ... 14 4. Die Registrierung der vertikalen Schwerpunktverschiehungen . . . .. 18 5. Die Fixation der Versuchsperson im Korh ... . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19 6. MeBergehnisse .............................................. 21 7. Kritische Betrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21 III. Zusammenfassung ............................................. 23 IV. Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25 5 Einleitung Es ist eine allgemeine Erfahrung, daB langeres Stehen oder langsames Herumgehen die Beine bis zu schmerzhaften Sensationen anschwellen laBt. Das beruht auf der Wirkung der Schwerkraft auf das Blut: 1. Die Weite der BeingefaBe nimmt bei langerem Stehen durch Ermtidung der Vasokonstriktoren zu und vermehrt die Blutftillung dieser GefaBe. 2. Der hydrostatische Druck in den Beinkapillaren ist beim Stehen erhoht und ftihrt zu einer vermehrten Wasserfiltration in die Gewebe. Die Polge ist, daB das zirkulierende Blutvolumen abnimmt und der Druck im linken V orhof zurtickgeht. Zur Erhaltung eines ausreichenden Herz-Minuten V olumens und des Blutdruckes wird die Pulsfrequenz auf hohere Werte reguliert. Diese indirekte Wirkung des Stehens auf die Pulsfrequenz wird als Test fUr Herz funktion und GefaBtonus arztlicherseits verwendet. Die Erhohung der Puls frequenz erlaubt jedoch nicht, zu differenzieren, ob die Ursache durch Schwache oder Ermtidung des GefaBtonus, oder durch Schwache oder Ermtidung des Herzens zustande gekommen ist. Man hat sich daher schon langer um die unmittel bare Messung des Beinvolumens bemtiht. ATZLER und HERBST (1923) bestimmten das Volumen von PuB und Unterschenkel direkt durch Eintauchen in ein stiefelformiges Wasserbad. Sie verfolgten damit Volumenanderungen nach langerem Stehen und Sitzen, nach Gehen und Ruhen mit hochgelagerten Beinen. Die Hoffnung der Autoren, daB ihre nicht sehr zahl reichen Versuche zu einer Verwendung der Methode in anderen Instituten und auch in Kliniken anregen wtirde, hat sich nicht erftillt. Die Methode und die Resultate wurden weder erganzt noch tiberprtift. Gegen die Methode von ATZLER und HERBST ist grundsatzlich einzuwenden, daB sich bis zur Bohe der Eintauchtiefe des Unterschenkels (etwa 40 em) der hydro statische Druck in den Venen und im Wasserbad das Gleichgewicht halten, daB also das Blutvolumen bei der Messung im Wasser geringer sein muB als in der Luft. NYBOER und Mitarbeiter und spater auch BONJER und Mitarbeiter haben versucht, hochfrequente Strome durch GliedmaBen zu schicken und aus den Anderungen der Impedanz V olumenanderungen zu erfassen. Auch diese Impedanz-Plethysmo graphie ergab keine physiologischen oder klinischen Daten tiber die vertikale Blutverteilung im Korper unter wechselnden Bedingungen. Nach AbschluB der Experimente, tiber die hier berichtet wurde, wurde bekannt, daB LIPPMANN in New York eine praktisch sehr gut verwertbare magnetelektrische Methode zur Messung des Extremitatenvolumens entwickelt hat. Die hier beschriebene Methode versucht, die Anderung der vertikalen Blutver teilung aus einer Verschiebung der Hohe des Korperschwerpunktes tiber der Standflache zu erschlieBen. 7 1. V orversuche In V orversuchen wurde eine in einem Pendelrahmen aufrecht stehende Versuchs person so fixiert, daB die Pendelachse horizontal dicht tiber dem Schwerpunkt von Pendelrahmen und Mensch lag. Die Schwingungszeit dieses physischen Pendels muBte sich dann mit dem Abstand von Drehpunkt und Schwerpunkt andern. Ver schiebungen des Schwerpunktes waren auf diese Weise meBbar geworden, wenn die Empfindlichkeit dieser Anordnung nicht zu klein gewesen ware. Es wurde dann der gleiche Pendelrahmen mit der Versuchsperson so auf einen Wagen montiert, daB die Pendelachse den beiden Achsen des Fahrgestells parallel war. Der Wagen wurde durch Gewichtszug gleichfOrmig beschleunigt. Dabei muBte das Pendel ausschlagen, wenn der Schwerpunkt nicht in die Pendelachse fiel. Auch diese Anlage befriedigte, besonders wegen des starken StoBes beim Abfangen des Wagens am Ende der Gleisstrecke, nicht. Sie erlaubte zudem keine fortlaufende Registrierung. 9 II. Hauptversuche 1. Prinzip (Abb. 1) Die Versuchsperson wurde senkrecht stehend in einem Korb fixiert, der in einem Pendelrahmen gehoben oder gesenkt, und urn seine senkrechte Mittelachse ge dreht werden konnte. Die Pendelachse des Rahmens war an dem einen Ende des Drehgestells einer Zentrifuge senkrecht zum Zentrifugenradius horizontal ge lagert. Das andere Ende trug ein Gegengewicht. Uiuft die Pendelachse durch den Schwerpunkt der Gesamtmasse von Pendelrahmen, Korb und Versuchsperson, so befindet sich diese Gesamtmasse im labilen Gleichgewicht gegen die Radial beschleunigung. Durch vertikale Verschiebung des Korbes im Pendelrahmen ist dieser Gleichgewichtszustand einzustellen. Senkrechte Laufgewichte erlauben eine meBbare Kompensation vertikaler Blutverschiebungen im Laufe der Zeit oder als Folge anderer Einwirkungen und ihre Messung. Die Werte dieser Methode durfen weder durch direkte noch durch reflektorische Einwirkungen beeinfluBt werden. Direkte Storungen konnen dadurch entstehen, daB die Stellung des Pendelrahmens nicht nur von der Balance gegen die Radial beschleunigung, sondern auch von der Balance gegen die Erdbeschleunigung abhangt. Wenn also der stehende Mensch durch das Zentrifugieren oder durch andere Momente eine horizontale Blutverschiebung im Korper erfahrt, so wurde diese die Messung der vertikalen Blutverschiebung verfalschen. An sich sind naturlich die wirksamen Hebelarme der horizontalen Blutverschiebung sehr viel kleiner als die der vertikalen. Da jedoch die Radialbeschleunigung aus verschiede nen Grunden nur einen Bruchteil der Erdbeschleunigung betragen durfte, wurden schon kleine Fehler in der horizontalen Balance die exakte Messung der vertikalen Balance unmoglich machen. Storungen durch Reflexe konnten yom Auge, yom Gleichgewichtsorgan oder von den Druckgebern in der Haut und in den Muskeln ausgelOst werden, wenn die Drehzahl der Zentrifuge zu graB wurde. Dies ist ein Grund fur die Wahl einer moglichst kleinen Radialbeschleunigung. Urn diese Voraussetzungen zu erfullen, wurde der Zentrifuge eine Drehzahl von nur 7,5 U(min erteilt. Der Schwerpunkt der Versuchsperson befand sich in 1,25 m Abstand von der Zentrifugenachse. Daraus errechnet sich eine Zentrifugal beschleunigung von v2 b = - g = 0,0778 g = 0,778 m(sec-2 10 r v = Bahngeschwindigkeit [m(sec] r = Radius [m] g = Erdbeschleunigung 10 Abb. 1 Darsrellung dcr gesam.en Apparatu 1m 11 Schlcifringe flir SrromzufUhrung Pendelrahmens Dampfung und S.euerkoncak.e des \0 9 Begrenzungsschrauben flir PendelrahmcnUmdrehungsgeber 8 Kompens.donsvorrich.ung mi. 7 An.rieb zur Drehung des Korbes Korbes 6 Amrieb zur vertikalen Vcrs.ellung des 5 Korb flir Versuchsperson 4 Pcndelrahmen 3 Drchges.ell 2 G ru ndges.ell Amrieb (Motor, Ge.riebe, Riememrieb) 1 4 .~6 r 3 7 5 b : g verhalten sich demnach praktisch wie 1 : 13. Dadurch verlauft die resultierende Beschleunigung in einem Winkel von 4030' zur Richtung der Erdbeschleunigung. Dieresultierende Beschleunigung in dieser Richtung ist weniger als 0,01 % haher als die Erdbeschleunigung. Die Gefahr einer graBeren Horizontalverschiebung von Blut wurde dadurch ver mieden, daB der Korb mit der Versuchsperson im Pendelrahmen im entgegen gesetzten Sinn zur Zentrifugendrehung mit nahezu der gleichen Tourenzahl wie die Zentrifuge gedreht wurde. Die Versuchsperson beschrieb damit eine Kreis bahn, ohne ihre Blickrichtung im Raum wesentlich zu andern. Der Karper drehte sich bei jeder Umdrehung der Zentrifuge einmal im Feld der Radialbeschleuni gung der Zentrifuge. Eine einseitige Horizontalverschiebung yom Blut im Karper wurde dadurch vermieden. (V orversuche hatten gezeigt, daB unter der gewahlten Radialbeschleunigung bei feststehender Versuchsperson eine erhebliche Blutver schiebung in Richtung der Fliehkraft stattfindet.) Wahrend die Erdbeschleunigung in jedem Punkt ihrer Wirkrichtung innerhalb der Versuchsperson praktisch gleich groB ist, gilt das nicht flir die Radialbeschleuni gung. Sie nimmt proportional dem Radius zu. Horizontale Blutverschiebungen, die nicht in horizontaler oder vertikaler Ebene durch die Pendelachse erfolgen, mlissen daher auch die vertikale Balance verandern. 2. Aufbau der Apparatur (Abb. 1) Die Apparatur besteht aus dem Grundgestell (2), dem Drehgestell (3), dem Pendel rahmen (4) und dem Korb flir die Versuchsperson (5). Das Grundgestell besteht aus einem achteckigen, dem Boden aufliegenden U-Profil-Rahmen (graBter 0 2,50 m). Auf diesem sind pyramidenfarmig vier Rohre aufgestellt, die 1,20 m liber dem Boden eine waagerechte Deckplatte tragen. In der Mitte des Grundgestelles lauft, dreifach gelagert, die Zentrifugenachse. Sie wird durch einen Elektromotor liber ein Schneckengetriebe und einen Keilriemen antrieb auf 7,5 U/min gebracht (1). Das Drehgestell (3) ist ein kastenfOrmiger geschweiBter Rohrrahmen, der am oberen Ende der Zentrifugenachse befestigt ist. Es endet auf der einen Seite in zwei einander gegeniiberstehenden Lagern, welche die beiden Achs-Stutzen des Pendelrahmens aufnehmen. Auf der anderen Seite tragt es ein (nicht gezeichnetes) Gegengewicht. Der Pendelrahmen (4) ist ein Doppelrohrrahmen von 2,25 m Liinge und 0,65 m Breite. Die Begrenzungs schrauben (9) am Drehgestell erlauben nur Pendelausschlage um etwa zwei Winkel minuten um die senkrechte Lage. Am Pendelrahmen sind die Kompensations gewichte (8) angebracht, die durch einen Elektromotor gehoben und gesenkt werden kannen. Ein Drehfeldsystem gibt die Stellung der Kompensationsgewichte einem Registriergerat weiter. In Achshahe des Pendelrahmens ist ein 1,80 m langer Hebelarm befestigt, der horizontal in das Drehgestell ragt. Sein Ende tragt ein Kupferblech, das sich im Feld von zwei kraftigen Permanentmagneten bei Ausschlag des Pendels bewegt. Diese Vorrichtung (10) dampft die Schwingungen des Pendels. Das freie Ende des Hebelarmes tragt zugleich Steuerkontakte. Der 13