Herzarbeit

Die Herzarbeit wird in die Druck-Volumen-Arbeit und die Beschleunigungsarbeit eingeteilt. Der größte Teil der Herzarbeit entfällt auf die Druck-Volumen-Arbeit und die Entstehung der Pulswelle. Die Beschleunigungsarbeit beträgt in Ruhe nur etwa 1%, steigert sich allerdings bei Belastung und bei einigen Herzerkrankungen.

Die Herzarbeit kann zudem in innere und äußere Arbeit unterschieden werden. Die innere Arbeit beschreibt dabei die Arbeit, die während der isometrischen Kontraktion in der Anspannungsphase verrichtet wird. Die äußere Arbeit beschreibt wiederum die Arbeit des Herzmuskels während der isotonischen Kontraktion in der Austreibungsphase.

Die Druck-Volumen-Arbeit ist das Produkt aus Schlagvolumen und Blutdruck. Das Schlagvolumen errechnet sich durch das Produkt aus enddiastolischem Volumen und der Ejektionsfraktion. Die Druck-Volumen-Arbeit des linken Ventrikels ist deutlich höher als die des rechten Ventrikels, da der Blutdruck in der Aorta den Blutdruck in den Pulmonalarterien um ein Vielfaches übersteigt. Das Schlagvolumen beider Ventrikel ist gleich.

Wird zusätzlich die Herzfrequenz mit berücksichtigt, lässt sich die Herzleistung berechnen.

Das Druck-Volumen-Diagramm veranschaulicht die Herzarbeit und zeigt den Ablauf eines Herzzyklus mit den 4 charakteristischen Phasen: Anspannungsphase, Austreibungsphase, Entspannungsphase, Füllungsphase. Das Ventrikelvolumen wird dabei auf der X-Achse dargestellt, der Ventrikeldruck auf der Y-Achse.

In der Physik ist die Arbeit (W) definiert als: $${\displaystyle Arbeit(W)=Kraft(f)*Weg(s)}$$

Die Kraft (f), die am Herzen aufgebracht werden muss, hängt direkt mit dem Druck (bzw. dem Blutdruck) zusammen. Der Druck (p) ist definiert als Kraft pro Fläche (A). Stellt man die Formel um ergibt sich für die Kraft:

$${\displaystyle Kraft(f)=Druck(p)*Fl\ddot{a}che(A)}$$

Setzt man dies in die Formel für Arbeit ein ergibt sich:

$${\displaystyle Arbeit(W)=Druck(p)*Fl\ddot{a}che(A)*Weg(s)}$$

Da das Produkt aus Fläche und Weg das Volumen ergibt, lässt sich die Formel folgendermaßen vereinfachen:

$${\displaystyle Arbeit(W)=Druck(p)*Volumen(V)}$$

Das ist die Volumenarbeit des Herzens. Diese Druck-Volumen-Arbeit muss für beide Kreisläufe getrennt berechnet werden.

Zusätzlich zur Druck-Volumen-Arbeit muss noch die Beschleunigungsarbeit (W) berücksichtigt werden. Die Ventrikelmuskulatur muss Arbeit verrichten, um die träge Masse (m) des Blutvolumens auf die Auswurfgeschwindigkeit (v) zu beschleunigen. In Ruhe macht die Beschleunigungsarbeit nur einen kleinen Teil der gesamten Herzarbeit aus und wird daher oft vernachlässigt. Sie steigt allerdings unter Belastung sowie mit steigendem Alter an. Dies liegt am Elastizitätsverlust der Aorta.

$${\displaystyle W=m{v}^2/2}$$Die Beschleunigungsarbeit muss für beide Ventrikel berechnet werden.

Im Rahmen einer arteriellen Hypertonie steigt die Druck-Volumen-Arbeit des Herzens proportional zum arteriellen Blutdruck an. Dadurch entsteht eine Mehrbelastung des Herzmuskels und das Risiko für die Entstehung einer Herzinsuffizienz steigt.

Die Beschleunigungsarbeit kann bei Herzklappenerkrankungen erhöht sein. So führt beispielsweise die Aortenklappeninsuffizienz zu einer zusätzlichen Belastung, durch das Pendelvolumen, das retrograd aus der Aorta in den linken Ventrikel einströmt.