Wandspannung
Synonym: Laplace-Spannung
Englisch: wall stress
Definition
Die Wandspannung beschreibt die mechanische Belastung, die auf die Wand eines Hohlorgans oder Blutgefäßes wirkt. Sie hängt u.a. vom intraluminalen Druck und vom Organradius ab. Die Wandspannung wird durch das Laplace-Gesetz beschrieben und ist ein zentraler Parameter der Biomechanik von Hohlorganen. Sie ist eng mit den Konzepten von Vorlast und Nachlast verknüpft.
Physikalische Grundlagen
Das Laplace-Gesetz beschreibt die Wandspannung σ in Abhängigkeit von Druck (P), Radius (r) und Wanddicke (h). Dabei werden idealisierte geometrische Bedingungen gesetzt und die Blutgefäße stark vereinfacht als Zylinder, die Ventrikel als Kugel verstanden.
- Kugel (z.B. linker Ventrikel): σ = (P · r) / 2h
- Zylinder (z.B. Blutgefäße): σ = (P · r) / h
Wandspannung im Herzen
Die Wandspannung ist Ausdruck der enddiastolischen Dehnung des Myokards und reflektiert die mechanischen Bedingungen der Frank-Starling-Beziehung. Der Frank-Starling-Mechanismus beschreibt die Fähigkeit des Herzens, bei erhöhter Füllung (höheres enddiastolisches Volumen) eine stärkere Kontraktion und damit ein erhöhtes Schlagvolumen zu erzeugen.
Die Dehnung der Kardiomyozyten führt zu einer verbesserten Überlappung von Aktin- und Myosinfilamenten, erhöhter Calciumempfindlichkeit der kontraktilen Elemente und gesteigerter Kraftentwicklung. Die Wandspannung stellt dabei den mechanischen Stimulus dar, der die Dehnung des Myokards vermittelt und die Grundlage der Länge-Spannungs-Beziehung bildet.
Wandspannung in Blutgefäßen
In Blutgefäßen, insbesondere in der Aorta, spielt die Wandspannung eine zentrale Rolle im Rahmen des Windkesseleffekts. Der Windkesseleffekt beschreibt die Fähigkeit der elastischen großen Arterien, den pulsierenden Blutfluss aus dem Herzen in einen gleichmäßigeren Blutstrom umzuwandeln. Während der Systole dehnt sich die Gefäßwand und speichert Energie, die während der Diastole wieder freigesetzt wird. Dadurch variiert die Wandspannung zyklisch. Die mechanische Interaktion zwischen Blutdruck, Wandspannung und Gefäßelastizität ist für die Dämpfung der Pulswelle, die Aufrechterhaltung eines kontinuierlichen Blutflusses und die Belastung der Gefäßwand wichtig.
Klinische Bedeutung
Eine erhöhte Wandspannung spielt eine wichtige Rolle bei verschiedenen kardiovaskulären Erkrankungen, darunter:
Sie beeinflusst sowohl die mechanische Belastung des Myokards als auch die strukturelle Adaptation von Herz und Gefäßen. Durch die chronisch erhöhte Wandspannung kommt es zu einem maladaptiven Remodeling der Hohlorgane. Das Herz entwickelt typischerweise eine konzentrische Hypertrophie, während die Gefäße eine Mediahypertrophie ausbilden.