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Praktikumsthema mit Kurzlehrbuch Physiologie zusammengefasst...

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5. Atmung 5.1 Die Atemmechanik 5.1.1 Überblick und Funktionen • Lunge dient dem Gasaustausch = O2-Aufnahme und CO2-Abgabe • Druckunterschiede sind notwendig, damit ein Gas strömen kann → zw. Lunge und Umwelt sind versch. Drücke vorhaben, damit Luft bei Einatmung in die Lunge und bei Ausatmung aus der Lunge gelangen kann • Aufbau der untersch. Druckverhältnisse und der sich daraus ergebenden Druck-VolumenBeziehungen und Druck-Stromstärke-Beziehungen während eines Atemzyklus ist Aufgabe der Atemmechanik • Thorax wird durch Atemmuskulatur bewegt → Veränderung des intrapleuralen und intrapulmonalen Druckes • Lunge kann best. Luftmengen (Volumina) bewegen bzw. aufnehmen → können durch Spirometrie und andere Methoden gemessen werden • Luft muss beim Fluss in die Lunge best. Widerstände überwinden: → elastische Widerstände = Maß für Dehnbarkeit der Lunge (Compliance), werden in Ruhedehnungskurve dargestellt → visköse Widerstände = Maß für Atemwegswiderstände (Resistance) • Atemarbeit, die gegen visköse und elastische Widerstände geleistet werden muss, wird in der Atemschleife dargestellt 5.1.2 Die ideale Gasgleichung • bei Gasen muss neben Stoffmenge und Umgebungstemperatur auch der Gasdruck berücksichtigt werden • ideale Gasgleichung: P x V = n x R x T (P = Gasdruck, V = Gasvolumen, n = Gasmenge in mol, T = absolute Temp. in Grad Kelvin) • allg. Gaskonstante R = 8,31 l x kPa x mol-1 x K-1 • für ideale Gase ist das Produkt aus Volumen und Druck konstant: P x V = konstant 5.1.3 Die Druckverhältnisse in Lunge und Pleura • Der intrapleurale (intrathorakale) Druck: • Pleuraspalt trennt Lunge und Thoraxwand voneinander → enthält dünnen Flüssigkeitsfilm, der als Gleitschicht dient → durch Flüssigkeitsfilm bleibt die Lunge an der Innenfläche des Thorax haften und kann dessen Bewegungen folgen ohne an Brustkorb und Zwerchfell vollständig fixiert zu sein • im Pleuraspalt herrscht ein subatmosphärischer Druck = ca. - 0,5 kPa → negatives Druck wegen Eigenelastizität der Lunge und der entgegenwirkenden „Fixierung“ am Thorax • intrapleuraler Druck bei Inspiration = - 0,7 kPa → wird aufgrund der Erweiterung des Thorax bei der Einatembewegung negativer • nur bei forcierter Ausatmung mit Unterstützung der Atemhilfsmuskulatur kann der intrapleurale Druck auch positiv werden

Der intrapulmonale Druck: • entspricht in Ruhelage dem äußeren Luftdruck, da sich diese Drücke durch die Atemwege ausgleichen können • bei Thoraxbewegungen während Inspiration und Exspiration weicht er aufgrund der Volumenveränderung der Lunge von der Nullline ab → Entstehung eines Druckgefälles = Luftein- bzw. ausstrom → Eigenelastizität ermöglicht es der Lunge, bei Einatmung ihr Volumen mit Thoraxbewegungen auszudehnen Klinik: Die maschinelle Beatmung • Umkehrung der physiologischen Bedingungen → Luft wird mit Überdruck in die Lunge hineingepumpt → Entstehung eines positiven intrathorakales Druckes, der Auswirkungen auf das Kreislaufsystem hat → Komprimierung kleinerer Äste der Pulmonalarterien führt zur Erhöhung des Widerstandes im Lungenkreislauf → Verhinderung des venösen Rückstroms zum Herzen führt zum Abfall des Herzzeitvolumen (verminderte Nierendurchblutung → verminderte Harn-bildung) → Reduzierung des venösen Rückstroms aus dem Gehirn kann zur Erhöhung des Hirndrucks führen MERKE: Bei max. Ausatemstellung ist die Druckdifferenz zw. intrapleuralem und intrapulmonalem Druck am geringsten. 5.1.4 Die Atemmuskulatur • um in Lunge und Interpleuralspalt die für die Atmung notwendigen Druckunterschiede herstellen zu können, muss der Thorax mittels Atemmuskeln bewegt werden • inspiratorische Atemmuskeln = Zwerchfell, Mm. Scaleni, Mm. Intercostales externi → Atemhilfsmuskeln für erschwerte Atemtätigkeit = Mm. Sternocleidomastoidei, Mm. Serrati und Mm. Pectorales • exspiratorische Atemmuskeln = Mm. Intercostales interni und Bauchwandmuskulatur als Bauchpresse → bei normaler Ruheatmung erfolgt Exspiration passiv durch die Rückstellkräfte der Lunge MERKE: Atemruhelage ist die Position einer entspannten Mittelstellung von Lunge und Thorax, die ohne Kraftaufwand aufrechterhalten werden kann → sie wird am Ende einer normalen Ausatmung erreicht 5.1.5 Die Lungen- und Atemvolumina (statische Atemgrößen) Die Definitionen: • Atemvolumina = eingeatmete bzw. ausgeatmete Gasmengen • Lungenvolumina = Gasmengen in der Lunge, z.B. Residualvolumen • Kapazitäten = zusammengesetzte Volumina → Fassungsvermögen der Lunge variiert von Person zu Person stark → Volumina sind abhängig von Alter, Körpergröße, Körperbau, Geschlecht und Trainingszustand → Volumina bei Frauen sind im Schnitt 25 % geringer als die entspr. beim Mann → Richtwerte beziehen sich auf gesunde, junge, männl. Probanden von 1,80 m Körpergröße • Atemzugsvolumen = Volumen, das bei normaler Atmung in Ruhe inspiriert bzw. exspiriert

wird → AZV = ca. 0,5 l • inspirator. und exspirator. Reservevolumen = über den normalen Atemzug hinaus können noch weitere 3 l Luft eingeatmet werden (inspirator. Reservevolumen) und aus der Atemruhelage noch ungefähr 1,5 l ausgeatmet werden (exspirator. Reserve-volumen) • Residualvolumen (RV) und funktionelle Residualkapazität (FRC) = nach max. Ausatmung bleibt ein Rest Luft in der Lunge (RV = 1,5 l), der nicht wie die anderen Volumina mit dem Spirometer erfassen kann, sondern man benötigt eine indirekte Messmethode (z.B. HeliumEinwaschmethode) → funktionelle Residualkapazität FRC = exspiratorisches Reservevolumen + Residualvolumen (ca. 3 l) = Gasvolumen, das sich in Atemruhelage noch in der Lunge befindet (Puffervolumen) → mit dem Puffervolumen vermischt sich neu eingeatmete Luft, so dass die Gaszusammensetzung im Alveolarraum in etwa konstant bleibt und nur minimalen respirator. Schwankungen unterliegt • Vitalkapazität = Summe aus AZV, inspirator. und exspirator. Reservevolumen • Totalkapazität = Summe aus Vitalkapazität und Residualvolumen → Vitalkapazität nimmt im Alter bei fast gleicher Totalkapazität ab, das zum erhöhten Residualvolumen führt → Ursache ist die mit dem Alter abnehmende Elastizität von Lunge und Thorax Die Verfahren zur Bestimmung der Lungenvolumina: • mit Spirometer lassen sich mobilisierbare Lungenvolumina messen • nicht mobilisierbare Volumina (Residualvolumen) lassen sich mit HeliumEinwaschmethode oder StickstoffAuswaschmethode bestimmen • Spirometrie: → Spirometer besteht aus einer Wasser schwebend gelagerten Glocke, in deren geschlossenen Raum der Proband über einen Schlauch ein- und ausatmet → entstehende Auf- und Abbewegungen (bewegte Gasvolumina) der Glocke werden vom Schreiber registriert • Die Helium-Einwaschmethode: → zur Bestimmung von FRC bzw RV benutzt man ein Spoírometer, das ein Luft-HeliumGemisch mit einer definierten Heliumfranktion F0 enthält → Proband atmet Gemisch aus Atemruhelage einige Male ein und aus, wobei sich das Helium gleichmäßig auf bekannte Spirometervolumen (VS) und das Gasvolumen in der Lunge des Probanden (FRC) → da Helium nicht ins Blut übergeht, bleibt Gesamtmenge an Helium gleich, verteilt sich aber auf ein größeres Volumen → Fraktion nach Durchmischung (F1) wird niedriger VS x F0 = (VS + FRC) x F1 → FRC = VS x (F0 – F1) / F1 → aus FRC kann man RV berechnen, indem man das exspiratorische Reservevolumen abzieht • weitere Methoden zur Bestimmung von RV: → Stickstoff-Auswaschmethode = der in der Lunge befindliche Stickstoff wird durch die Atmung mit reinem Sauerstoff ausgespült und in der Ausatemluft bestimmt → Ganzkörperplethysmographie = arbeitet mit Messung von Drücken in eine geschlossenen Kabine 5.1.6 Die Atmungswiderstände

• bei der Atmung unterscheidet man elastische und visköse Widerstände Die Compliance (elast. Atmungswiderstände): • Ursache für elast. Atmungswiderstände = Eigenelastizität der Lunge • bei Ausatmung unterstützt sie das Austreiben der Luft • bei Einatmung muss dagegen durch die Atemmuskulatur Arbeit verrichtet werden • Eigenelastizität = 1/3 der Rückstellkräfte beruhen auf elast. Fasern, 2/3 werden von der Oberflächenspannung der 300 Millionen Alveolen verursacht → Oberflächenspannung = Bestreben von Grenzflächen zw. Wasser und Luft, eine möglichst geringe Oberfläche zu bilden → Surfactant-Faktor = oberflächenaktive Substanz, die die Oberflächenspannung auf 1/10 des Ausgangswertes vermindert, wird durch Alveolarepithelzellen Typ II gebildet und besteht zu 90 % aus Phospholipiden, sowie aus Proteinen und einem minimalen Kohlenhydratanteil Klinik: Der Surfactant-Mangel bei Frühgeborenen → Bildung von Surfactant ist ein Reifezeichen der Lunge → unreife Frühgeborene können noch kein Surfactant bilden, leiden nach Geburt an Atemnot und können Infant respiratoray distress-Syndrom (IRDS) entwickeln → Lungenreife lässt sich durch Messung des Quotienten aus Lecithin und Sphingomyelin im Fruchtwasser bestimmen → ist eine Frühgeburt nicht zu vermeiden, wird die Wehenhemmung für 24 – 72 Stunden indiziert und Corticoide verabreicht → Steroide erreichen über Plazenta den Fetus und beschleunigen Synthese oberflächenaktiver Substanzen in dessen Lunge • Compliance C (Volumendehnbarkeit) = physik. Maß für elast. Widerstand → Quotient aus Volumenänderung durch die dafür nötige Druckänderung: C = ΔV / ΔP (P = transmurale Druckdifferenz) → je größer die Compliance, desto größer die Dehnbarkeit • für die Compliance des Gesamtapperat und die der Einzelkomponenten (Thorax und Lunge) gilt: 1/CTh+L = 1/CTh + 1/CL • mit der Ruhedehnungskurve des Atemapparates kann man die Compliance grafisch darstellen → C = Steigung der Kurve → intrapulm. Druck (Ppul = Diff. zw. Außenluft und Alveolarraum) = gibt Auskunft über gesamten Atemapparat, s-förmiger Verlauf, in Atemruhelage am steilsten, d.h. C ist am höchsten (1 l/kPa = 0,1 l/cmH2O), die aufzubringende Kraft der Atemmuskulatur zur Überwindung der elast. Widerstände ist am kleinsten → intrapleuraler Druck (PPleu = Diff. Zw, Außenlut und Pleuraspalt) = Ruhe-dehnungskurve des Thorax, C nimmt mit zunehmendem Volumen zu → Diff. PPul - PPleu = Kurve für Lunge alleine, C nimmt mit zunehmendem Volumen ab Klinik: Pneumothorax → im Pleuraspalt besteht Unterdruck, der die Lunge entfaltet hält → gelangt Luft in den Pleuraspalt, kollabiert die Lunge → Atemnot → arterieller P(O2) fällt ab → Spannungspneumothorax = bei jedem Atemzug wird mehr Luft in den Pleuraspalt gesaugt, die nicht mehr entweichen kann, so dass sich ein Druck aufbaut, der das Mediastinum auf die gesunde Seite verdrängt → Abknicken oder Komprimieren der großen Gefäße zum Herzen → nur sofortige Pleurapunktion zur Druckentlastung ist lebensrettend

Die Resistance (nicht elast. = visköse Atemwiderstände): • bei aktiver Atmung kommen Widerstände hinzu, die durch die dynamischen Vorgänge des Ein- und Ausatmens entstehen • Widerstände bestehen aus Reibung der Organe und Gewebe untereinander, zum überwiegenden Teil (85%) aus Strömungswiderstand der Luft in den Atemwegen • Strömungswiderstand (visköser Atemwegswiderstand) = hauptsächlich in großen Atemwegen (> 2 mm) lokalisiert, da viel Luft durch einen immer enger werdenden Querschnitt strömen muss • Resistance R = Maß für visköse Atemwegswiderstände • → wird aus Luftströmung V' (in l/s) und treibender Druckdiff. (intrapulm. Druck) berechnet: R = PPul / V' = 0,2 kPa ∙ s ∙l-1 bei normaler Ruheatmung durch den Mund Die Messverfahren zur Bestimmung der Resistance: • mit Ganzkörperplethysmographie kann man DruckStromstärke-Diagramm der Lunge aufzeichnen, aus dem man R berechnen kann • R = Steigung der Kurve bei erhöhter Resistance (z.B. bei obstruktiver Ventilationsstörung) verläuft die Kurve flacher • Atemgrenzwert = Atemzeitvolumen, das ein Proband maximal willkürlich einatmen kann (120 – 170 l/min, unter 120 l/min → erhöhte Resistance) • Peak-flow = max. Atemstromstärke bei forcierter Exspiration (ca. 10 l/s) • Einsekundenkapazität (FEV1) = Tiffeneau-Test, Proband atmet am Spirometer erst max. ein, dann max. aus

→ Volumen, das der Proband in der 1. Sek. der Exspiration ausgeatmet hat wird aus dem Spirogramm entnommen → FEV1 wird in Prozent der Vitalkapazität angegeben, Werte unter 70–80 % sprechen für erhöhten Atemwegswiderstand Die Atemarbeit gegen elast. und visköse Widerstände: • dyn. Veränderungen des intrapleuralen Drucks werden aus dem Diagramm gegen das Atemzugsvolumen abgelesen • Druck-Volumen-Diagramm = Atemschleife • → Arbeit (A = Druck ∙ Volumen) gegen elast. und visköse Widerstände kann abgelesen werden • Aelast = Dreieck ABC, Arbeit wird in elast. Fasern der Lunge gespeichert, Rückstellkräfte • Aviskös = Fläche zw. Kurven der In- und Exspiration, nimmt bei gesteigerter Atemfrequenz und/oder gesteigerter Atemtiefe zu • so lange die Kurve der Exspiration im ABC-Dreieck bleibt, reichen elast. Rückstellkräfte aus, um visköse Widerstände zu überwinden, wenn nicht, dann müssen die exspiratorischen Atemhilfsmuskeln zusätzliche Arbeit leisten Obstruktive und restriktive Vetilationsstörungen: • obstruktive Ventilationsstörungen = durch erhöhten Atemwegswiderstand (erhöhte Resistance) gekennzeichnet, gegen die erhöhte Atemarbeit geleistet werden muss → Symptom = Atemnot (Dyspnoe) → Ursache der Verengung der Atemwege = Schleim, muskuläre Engstellung der Bronchien oder Tumorstenosen → Folgen = Überblähung des Lungengewebes, da Luft eingeatmet wird, die bei Exspiration nicht mobilisert werden kann (→ erhöhtes RV) → Bsp. = Asthma bronchiale und die durch Rauchen ausgelöste chron.-obsturktive Bronchitis • restriktive Ventilationsstörungen = beruhen auf verminderter Compliance von Lunge oder Thorax → Kennzeichen = erniedrigte Vitalkapazität → Ursachen = Thoraxdeformitäten oder Lungenfibrose Lungenfunktionsparameter bei obstruktiven und restriktiven Ventilationsstörungen: Obstruktive Ventilationsstörung

Restriktive Ventilationsstörung

Vitalkapazität

Normal

↓

Residualvolumen

↑

↓

Resistance

↑

Normal

FEV1

↓

Normal

Peak-Flow

↓

Normal-(↓)

Atemgrenzwert

↓

Normal-(↓)

Compliance

Normal

↓?

5.2 Der Gasaustausch

5.2.1 Überblick und Funktionen • Funktion des Gasaustauschs = O2 aus Luft wird ins Blut aufgenommen und CO2 abgegeben • Grundbedingungen = Luftaustausch in der Lunge (Ventilation) über die Atemwege, Diffusion der Gase durch Alveolarmembran und ausreichende Durchblutung der Lunge (Perfusion) 5.2.2 Die Grundlagen Der Aufbau und die Reinhaltung der Atemwege: • Luftwege verzweigen sich baumartig, ausgehend von der Trachea • Mensch besitzt ca. 300 Millionen Alveolen mit Durchmesser = 0,3 mm • gesamte Oberfläche, die für Gasaustausch zur Verfügung steht = ~120 m² • Bronchien sich vegetativ innerveriert = Sympathikus erweitert, Parasympathikus verengt die Bronchien • Verschmutzung und Infektionen des offenen Respirationstraktes werden durch Schutzreflexe, Reinigungsmechanismen und Mechanismen zur zellulären Abwehr verhindert • Schutzreflexe = Niesen (obere Atemwege) und Husten (tiefe Atemwege) → ausgelöst durch Schleimhautreize (Fremdkörper) • muköse Drüsen des Flimmerepithels der Atemwege produzieren Schleimfilm, in dem Staubpartikel festgehalten und mittels Zilienschlag Richtung Glottis verschoben und so abtransportiert → bei Rauchern ist der Transport gestört und prädisponiert zu chron. Entzündungen • zelluläre Abwehr = Alveolarmakrophagen und IgA auf der Schleimhaut Die Zusammensetzung der Luft: • 78,1 Vol-% Stickstoff (N), 20,9 Vol-% Sauerstoff (O2), 0,03 Vol-% Kohelndioxid (CO2) und Spuren versch. Edel- und anderer Gase • Fraktion = Anteil eines Gases am Gesamtgemisch (dimensionslose Zahl) • Partialdruck = Druck, den ein Gas eines Gasgemisches zum Gesamtgasdruck beisteuert → je höher die Fraktion eines Gases, desto höher der Partialdruck • Gesamtluftdruck = Summe der Partialdrücke aller Luftbestandteile → Dalton'sches Gesetz • Partialdrücke in trockener Außenluft: → P(O2) = 150 mmHg = 20 kPa → P(CO2) = 0,2 mmHG = 0,03 kPa Die Messbedingungen für das Gasvolumen V: • Gasvolumen wird durch Temperatur und Gasdruck bestimmt • 3 definierte Messbedingungen: → STPD (Standard Temperature Pressure Dry) = physik. Standard-bedingungen (T = 273 K, P = 101 kPa = 760 mmHg, Wasserdampfdruck = 0 mmHg) → ATPS (Ambient Temperature Pressure Saturated) = Spirometer-bedingungen (Raumtemp., aktueller atmosph. Luftdruck, mit Wasserdampf gesättigte Luft) → BTPS (Body Temperature Pressure Saturated) = physiolog. Bedingungen im Alveolarraum (T = 310 K = 37°C, aktueller atmosph. Luftdruck, Wasserdampfsättigung PW = 37°C x 6,3 kPa bzw 47 mmHg) • Umrechnung zw. einzelnen Messbedingungen kann über Umformungen der allg. Gasgleichung erfolgen • Faustregel = VBTPS ist 10% größer als VATPS, VSTPD ist 10% kleiner als VATPS 5.2.3 Die Ventilation

Die Funktion und die Kenngröße der Ventilation: • Ventilation ist verantwortlich für Aufrechterhaltung gleichmäßiger alveolärer Gaspartialdrücke als Garantie für Diffusion der Atemgase • Atemzeitvolumen = Produkt aus Atemzugvol. (ca. 0,5 l) und Atemfrequenz • Atemfrequenz ist altersabhängig: → Säuglinge = 40 – 50/min → Schulkinder = 20 – 30/min → Erwachsene = 14 – 16/min (Atemzeitvol. = 7 – 8 l/min, lässt sich bei Belastung auf 120 l/min steigern) Die Totraumventilation: • Der anatomische und funktionelle Totraum: → Atemzeitvol. steht nicht komplett zum Gasaustausch zu Verfügung, da die Atemwege erst ab den Bronchioli respiratorii mit Alveolen ausgestattet sind → anatom. Totraum = davor liegende Abschnitte des Atemapparates → funkt. Totraum = zusätzlich Alveolarbezirke, die nicht durchblutet werden → anatom. und funkt. Totraum stimmen beim Gesunden überein → vergrößerter funkt. Totraum bei Lungenemphysem oder Lungenembolien • Die Berechnung des Totraumvolumens VD:: → Luft im Totraum entspricht in ihrer Zusammensetzung der eingeatmeten Frischluft → ausgeatmetes Volumen VE setzt sich aus der im Totraum befindlichen Frischluft (VD) und Luft aus dem Alveolarraum (VA) zusammen → ausgeatmete Kohlendioxidmenge setzt sich zusammen aus Teilmengen: Ausgeatmetes CO2 = CO2 aus dem Totraum + CO2 aus dem Alveolarraum oder VE ∙ FE = VD ∙ FD + VA ∙ F A → da FD → 0 und VA = VE – VD ist, erhält man die Bohr'sche Totraumformel: VD = VE ∙ (FA - FE) / FA = 30 % des Atemzugvolumens, also 150 ml → bei sehr flacher Atmung mit kleinen Atemzugvolumina steigt die Totraumventilation an, während kaum noch Luft in den Alveolarraum gelangt Die alveoläre Ventilation: • ausreichende Ventilation des Alveolarraums setzt tiefe Atemzüge voraus • alveoläre Ventilation in Ruhe = 5 – 6 l/min • pro Atemzug gelangen ca. 350 ml Luft in den Alveolarraum (AZV – VD) und vermischen sich dort mit 3 l Gas der FRC → pro Atemzug wird nur 1/10 der Luft im Alveolarraum ausgetauscht, weshalb die Gaszusammensetzung sehr konstant bleibt Atemgasfraktionen und -partialdrücke von Inspirationsluft und alveolärem Gasgemisch: Fraktionen Partialdrücke

Inspirationsluft

Alveoläres Gasgemisch

F(O2)

20,9 % = 0,209

14 % = 0,14

F(CO2)

0,03 % = 0,0003

5,6 % = 0,056

P(O2)

150 mmHg = 20 kPa

100 mmHg = 13,3 kPa

P(CO2)

0,2 mmHg = 0,03 kPa

40 mmHg = 5,3 kPa?

• Veränderung des alveolären P(O2) = steigt mit inspirator. P(O2) und einer erhöhten alv. Ventilation, sinkt mit steigendem O2-Verbrauch des Körpers • Veränderung des alveolären P(CO2) = steigt mit CO2-Produktion des Körpers und mit abfallender alveolärer Ventilation Hyper- und Hypoventilation: • Normalventilation = Ventilation, bei der in den Alveolen und im arteriellen Blut ein P(CO2) = 40 mmHg aufrechterhalten wird

• Hyper- und Hypoventilation = gesteigerte bzw. verminderte alv. Ventilation, die der jeweiligen Stoffwechselsituation nicht angepasst sind und daher mit Änderungen des arteriellen P(CO2) einhergehen • Hyperventilation geht mit Hypokapnie P(CO2)↓ und Hypoventilation mit Hyperkapnie P(CO2)↑ einher • → beide Situationen führen zur Störung des Säure-Basen-Haushaltes 5.2.4 Die Diffusion der Atemgase Das 1. Ficksche Diffusionsgesetz: • eigentlicher Gasaustausch zw. Blut und alv. Gasgemisch findet durch Diffusion über die Alveolarmembran statt • Diffusionsstrom des Gasmoleküle ist abhängig vom P...