Atmung, Kurzlehrbuch Physiologie PDF

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Atmung Die Atemmechanik Überblick und Funktion • • •

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Voraussetzung für Gasaustausch sind Druckunterschiede zwischen Lunge und Umwelt Aufgabe der Atemmechanik: Aufbau der unterschiedlichen Druckverhältnisse und sich ergebenden Druck-VolumenBeziehungen und Druck-Stromstärke-Beziehungen während eines Atemzyklus Bewegung des Thorax durch die Atemmuskulatur → Druckveränderungen im Pleuraspalt (intrapleuraler Druck) → Volumen- und Druckveränderungen in der Lunge (intrapulmonaler Druck) Lunge kann bestimmte Luftmengen (= Volumina) bewegen bzw. aufnehmen, die durch Spirometrie gemessen werden können beim Fluss in die Lunge muss die Luft bestimmte Widerstände überwinden ◦ elastische Widerstände: Maß für die Dehnbarkeit der Lunge (= Compliance) → graphische Darstellung in der Ruhedehungskurve ◦ visköse Widerstände: Maß für die Atemwegswiderstände (= Resistance) ◦ Atemarbeit, die gegen diese Widerstände geleistet werden muss, wird in der Atemschleife dargestellt

Die ideale Gasgleichung • • •

Volumen von Gasen hängt neben Stoffmenge und Umgebungstemperatur auch vom Gasdruck ab ausgedrückt in der idealen Gasgleichung: P ⋅V=n ⋅R ⋅T P = Gasdruck V = Gasvolumen für ideale Gase ist das Produkt aus Volumen und Druck n = Gasmenge in mol konstant: P · V = konstant

Druckverhältnisse in Lunge und Pleura

T = absolute Temperatur in Grad Kelvin R = für alle Gase gültige Gaskonstante

Der intrapleurale (intrathorakale) Druck • Pleuraspalt trennt Lunge und Thoraxwand (Flüssigkeitsfilm dient als Gleitschicht) • Lunge bleibt an der Innenfläche des Thorax haften und folgt den Bewegungen vollständig an Brustkorb und Zwerchfell fixiert zu sein • subatmosphärischer Druck (ca. − 0,5 kPa) im Pleuraspalt (negativ, da Lunge aufgrund ihrer Eigenelastizität bestrebt ist, sich zur Mitte zusammenzuziehen, durch den Thorax aber nach außen gezogen wird) • durch Erweiterung des Thorax bei Einatmung wird der Druck noch negativer (Minimum ca. - 0,7 kPa) • kann nur bei sehr forcierter Ausatmung mit Unterstützung der Atemhilfsmuskulatur positiv werden

ohne

Der intrapulmonale Druck (Druck im Alveolarraum) • entspricht in Ruhelage dem äußeren Luftdruck (Ausgleich durch die Atemwege) • weicht bei Inspiration und Exspiration von der Nulllinie ab → Druckgefälle, durch das Luft ein-/ausströmt • Eigenelastizität der Lunge bedingt intrapulmonale Druck- und Volumenveränderung (Lunge passt ihr Volumen entsprechend der Thoraxbewegung an) Merke: Bei maximaler Ausatemstellung ist die Druck-Differenz zwischen intrapleuralem und intrapulmonalem Druck geringsten!

Atemmuskulatur • •

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sorgt für die Thoraxbewegungen zur Herstellung der notwendigen Druckunterschiede Inspiratorische Atemmuskeln: ◦ Zwerchfell, Mm. scaleni und mm. intercostales externi ◦ Atemhilfsmuskeln für Situation mit erschwerter Atemtätigkeit (z.B. Asthmaanfall): Mm. pectoralis, Mm. serrati, Mm. sternocleidomastoidei Exspiratorische Atemmuskeln: ◦ Mm. intercostales interni und Bauchmuskeln (Bauchpresse) ◦ Exspiration bei normaler Ruheatmung passiv durch Rückstellkräfte der Lunge

Merke: Atemruhelage ist die Position einer entspannten Mittelstellung von Lunge und Thorax, die ohne Kraftaufwand auftrechterhalten werden kann. Sie wird am Ende iener normalen Ausatmung erreicht.

am

Lungen- und Atemvolumina und -kapazitäten (statische Atemgrößen) • • • • •

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Atemvolumina sind eingeatmete bzw. ausgeatmete Gasmengen Lungenvolumina sind Gasmengen in der Lunge (z.B. Residualvolumen) zusammengesetzte Volumina = Kapazitäten Atemzugvolumen: In- bzw. Expirationsvolumen in Ruhe (ca. 0,5 l) Inspiratorisches Reservevolumen: Volumen, das nach normaler Inspiration noch zusätzlich eingeatmet werden kann Exspiratorisches Reservevolumen: Volumen, das nach normaler Exspiration noch zusätzlich ausgeatmet werden kann Residualvolumen: Volumen, das nach maximaler Exspiration in der Lunge verbleibt. Vitalkapazität: Volumen, das nach maximaler Inspiration maximal ausgeatmet werden kann (= Summe aus Atemzug-, inspiratorischem und exspiratorischem Reservevolumen) Inspirationskapazität: Volumen, das nach normaler Exspiration maximal eingeatmet werden kann (= Summe aus Atemzug- und inspiratorischem Reservevolumen) Funktionelle Residualkapazität: Volumen, das nach normaler Exspiration noch in der Lunge enthalten ist (= Summe aus exspiratorischem Reserve- und Residualvolumen) Totalkapazität: Volumen, das nach maximaer Inspiration in der Lunge enthalten ist (= Summe aus Atemzug-, inspiratorischem und exspiratorischem Reserve- sowie Residualvolumen)

Vitalkapazität (VC) • Maß für die Ausdehnungsfähigkeit von Lunge und Thorax • abhängig von Alter, Geschlecht, Körpergröße, Körpergröße und Trainingszustand ◦ nimmt mit dem Alter ab (Elastizitätsverlust der Lunge und Einschränkung der Thoraxbeweglichkeit) ◦ Abhängigkeit von der Größe: VC (l) = 7 [Körpergröße (m) – 1] (bei Frauen um 10–20% kleiner) Funktionelle Residualkapazität (FRC) • Funktion: Konstanthaltung der Atemgaspartialdrücke in den Alveolen während In- und Exspiration • mehrfach größer als das Volumen der in Ruhe eingeatmeten Frischluft (Mischeffekt) → nur geringe Schwankungen in der Zusammensetzung der Alveolarluft • Ausgleich zwischen inspiratorischen und exspiratorischen O2- und CO2-Fraktionen im Alveolarraum • Mittelwert bei Männern: 3 l, bei Frauen um 10-20 % kleiner Verfahren zur Bestimmung der Lungenvolumina • Spirometrie zur Bestimmung der mobilisiertbaren Lungenvolumina ◦ Ein- & Ausatmung über einen Schlauch in den Raum unter einer in Wasser schwebend gelagerten Glocke ◦ Auf- und Abbewegungen der Glocke werden von eine Schreiber aufgezeichnet → Messung der bewegten Gasvolumina • Helium-Einwaschmethode zur Bestimmung der nicht mobilisierbaren Volumina (Teil der Luft, der immer in der Lunge bleibt = Residualvolumen) ◦ Spirometer mit Luft-Helium-Gemisch mit einer definierten Heliumfraktion F0 ◦ bei Ein- und Ausatmung verteilt sich das Helium gleichmäßig auf das bekannte Spirometervolumen (V S) und das Gasvolumen in der Lunge (funktionelles Residualvolumenm; FRC) ◦ Helium geht nicht ins Blut über → Gasmenge bleibt gleich, verteilt sich aber auf ein größeres Volumen ◦ Fraktion nach Durchmischung (F1) niedriger als zu Beginn V s ⋅F0 =( Vs +FRC) ⋅F 1 ◦ ◦

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bzw.

FRC=V S

⋅F 0−F1 F1

Berechnung des Residualvolumens durch Subtraktion des exspiratorischen Reservevolumens von der FRC alternativ: Anschluss ans Spirometer nach maximaler Exspiration → Helium vermischt sich mit Residualvolumen → RV anstatt FRC Stickstoff-Auswaschmethode und Ganzkörperplethysmorgraphie zur Bestimmung des Residualvolumens ◦ in der Lunge befindlicher Stickstoff wird durch Atmung mit reinem Sauerstoff gespült und in der Ausatemluft bestimmt ◦ Ganzkörperplethysmographie: Messung von Drücken in einer geschlossenen Kabine

Atmungswiderstände Compliance (elastische Atmungswiderstände) • Druck-Volumen-Beziehungen und Druck-Stromstärke Beziehungen während des Atmungszyklus sind beeinflusst durch die Atmungswiederstände • Elastische Retraktion der Lunge ◦ Lungenoberfläche steht unter Zugspannung der Alveolen → Bestreben zur Volumenverkleinerung ◦ luftfreier Raum (Pleuraspalt) zwischen Lungengewebe und Thoraxwand verhindert Kollabieren ◦ Lunge folgt den Thoraxbewegungen durch Adhäsionskräfte der Flüssigkeit im Pleuraspalt ◦ 1/3 der Rückstellkräfte durch Durchflechtung des Lungengewebes mit elastischen Fasern ◦ 2/3 durch die Oberflächenspannung der Alveolen (haben ebenfalls Tendenz sich zusammenzuziehen) ◦ Reduktion der Oberflächenspannung auf 1/10 durch ein Gemisch oberflächenaktiver Substanzen (Surfactant-Faktor) aus den Alveolarepithelzellen Typ II • Compliance = Volumendehnbarkeit von Lunge und Thorax • physikalisches Maß für die elastischen Eigenschaften des Atmungsapparates bzw. seiner beiden Teile • je größer die Compliance, desto größer die Dehnbarkeit • Ruhedehnungskurve zur grafischen Ermittlung der Compliance (= Steigung der Kurve)

Compliance von Thorax und Lunge: Compliance des Thorax: Compliance der Lunge: 1 1 1 + = C Th +L C Th C L

C Th +L =

ΔV Δ P Pul

ΔV Δ P Pleu ΔV C L= Δ ( P Pul −P Pleu ) C Th=

→

(P = Druckdifferenz zwischen dem jeweiligen System und der Außenluft)

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Ruhedehnungskurve des Gesamtatemapparates mit S-förmigem Verlauf → größte Compliance im Bereich der normalen Atmungsexkursionen (1 l/kPa = 0,1 l/cmH 2O) Kraft, die die Atemmuskulatur zur Überwindung der elast. Widerstände aufbringen muss, ist hier am kleinsten Ruhedehnungskurve der Einzelkomponenten: ◦ Compliance des Thorax nimmt mit zunehmendem Volumen zu ◦ Compliance der Lunge nimmt mit zunehmendem Volumen ab in Atemruhelage ist der Thorax leicht verkleinert (P Pleu negativ → Tendenz zur Ausdehnung) und die Lunge gedehnt (P Pul – PPleu positiv → Tendenz, sich zusammenzuziehen) → beide Kräfte halten sich die Waage, keine Muskelkraft notwendig wird die Kopplung zwischen Lunge und Thorax aufgehoben (z.B. Pneumothorax), gehen beide in ihre Ruhestellung → Thorax erweitert sich und Lunge fällt zusammen

Resistance (nicht elastische = visköse Atemwiderstände) • entstehen durch die dynamische Vorgänge des Ein- und Ausatmens • bestehen in der Reibung der Organe und Gewebe untereinander und zu 85% aus dem Strömungswiderstand der Luft in den Atemwegen (v.a. in den großen Atemwegen > 2mm) • Resistance = Maß für die viskösen Atemwegswiderstände • Berechnung analog zum Ohm'schen Gesetz aus Luftströmung (' V in l/s) und treibender Druckdifferenz (PPul) P Pul R= (bei normaler Ruheatmung durch den und: R = 0,2 kPa ∙ s ∙ l−1) V˙ Messverfahren zur Bestimmung der Resistance

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Ganzkörperplethysmographie: Aufzeichnung des Druck-Stromstärke-Diagramms der Lunge ◦ Atmung aus einer luftdichten Kammer in einen Beutel außerhalb der Kammer ◦ Messung der Atemstromstärke und des Drucks im Mundraum ◦ Berechnung des intrapulmonalen Drucks aus Druckschwankungen in der Kammer durch die Atembewegungen ◦ Resistance = Steigung der Kurve im Druck-Stromstärke-Diagramm ◦ Kurve verläuft bei erhöhter Resistance (z.B. obstruktive Ventilationsstörung) flacher Atemgrenzwert = Atemzeitvolumen, das maximal willkürlich erreicht werden kann ◦ Messung der Atemvolumina am Spirometer über 10-15 Sekunden und Hochrechnung auf eine Minute ◦ normaler Atemgrenzwert beim Erwachsenen: 120 – 170 l/min ◦ bei niedrigerem Wert: erhöhte Resistance Peak-flow = maximale Atemstromstärke bei forcierter Exspiration ◦ Bestimmung mit einem Pneumotachografen (können auch zu Hause zur Selbstkontrolle benutzt werden) ◦ normaler Wert: ca. 10 l/s Einsekundenkapazität (FEV1), auch Tiffeneau-Test ◦ Einatmung so tief wie möglich und Ausatmung so schnell und tief wie möglich ◦ Bestimmung des Volumens, das in der ersten Sekunde der Exspiration ausgeatmet wurde (forciertes exspiratorisches Volumen in 1 Sekunde = FEV 1 [in Prozent der Vitalkapazität]) ◦ Werte unter 70 – 80 % sprechen für einen erhöhten Atemwegswiderstand

Atemarbeit gegen elastische und visköse Widerstände • Auftragung der dynamischen Veränderungen des intrapleuralen Drucks gegen das Atemzugvolmen (Druck-Volumen-Diagramm = „Atemschleife“) • Arbeit = Produkt aus Druck und Volumen (Fläche im Diagramm) • Dreieck ABC zeigt die Arbeit der Atemmuskulatur gegen die elastischen Widerstände (Aelast) ◦ wird in den elastischen Fasern der Lunge gespeichert ◦ steht in Form der Rückstellkräfte für die Ausatmung zur Verfügung • Fläche zwischen den Kurven von In- und Exspiration = Arbeit gegen die viskösen Widerstände ◦ nimmt bei gesteigerter Atemfrequenz und/oder gesteigerter Atemtiefe zu → Fläche wird größer ◦ wenn die Kurve für Exspiration innerhalb des Dreiecks ABC, reichen die elastischen Rückstellkräfte aus, um die viskösen Widerstände zu überwinden ◦ reicht die Kurve darüber hinaus, müssen die exspiratorischen Atemhilfsmuskeln zusätzliche Arbeit leisten Obstruktive und restriktive Ventilationsstörungen • pathologische Veränderungen der Ausdehnungsfähigkeit von Lunge bzw. Thorax oder des Strömungswiderstandes in den Atemwegen • Restriktive Ventilationsstörungen ◦ alle Zustände, bei denen die Ausdehnungsfähigkeit von Lunge und/oder Thorax eingeschränkt ist ◦ z.B. pathologische Veränderungen des Lungenparenchyms (Lungenfibrose) oder Verwachsungen der Pleurablätter • Obstruktive Ventilationsstörungen ◦ Einengung der leitenden Atemwege und damit erhöhte Strömungswiderstände ◦ z.B. bei Schleimansammlungen oder Spasmen der Bronchialmuskulatur (chronische Bronchitis, Asthma) ◦ Mukoviszidose (zystische Fibrose): rezessiv-vererbter Defekt des CFTR-Chlorid-Kanals ▪ Störung der Chloridsekretion → vermehrte Natriumreabsorption → Bronchialsekret wird dickflüssig ▪ Atemwegsobstruktion mit rezidivierenden Infektionen ▪ Ausatmung gegen ständigen Widerstand → Überblähung der Lunge mit vergrößerter funktioneller Residualkapazität (Lungenemphysem)

Lungenfunktionsparameter bei obstruktiven und restriktiven Ventilationsstärungen

Gasaustausch Überblick und Funktion •

Funktion: Sauerstoff-Aufnahme aus der Luft ins Blut und Abgabe

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von entstandenem Kohlendioxid Grundbedingungen sind Luftaustausch in der Lunge (Ventilation) über die Atemwege, Diffusion der Gase durch die Alveolarmembran und ausreichende Durchblutung der Lunge (Perfusion)

Grundlagen • • • • •

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Luftwege verzweigen sich baumartig (bis zu den ersten Alveolen schon 16 Verzweigungen) insgesamt ca. 300 Mio. Alveolen mit einem Durchmesser von je 0,3 mm gesamte Oberfläche ca. 120 m² vegetative Innervation der Bronchien: Sympathikus erweitert, Parasympathikus verengt Schutz des Respirationstraktes vor Verschmutzung oder Infektionen durch: ◦ Schutzreflexe: Niesen (obere Atemwege), Husten (tiefe Atemwege) → ausgelöst durch Fremdkörper ◦ Flimmerepithel mit mukösen Drüsen: Schleim hält Staubpartikel fest → AbtransportRichtung Glottis (gestört bei Rauchern; prädisponiert zu chronischen Entzündungen wie chronisch-obstruktive Bronchitis) ◦ zelluläre Abwehr: Alveolarmakrophagen und IgA auf der Schleimhaut Zusammensetzung der Luft aus 78% N2, 21% O2, 0,03% CO2 und Edelgasen oder anderen Gasen Anteil eines Gases am Gesamtgemisch = Fraktion [dimensionslos] Partialdruck = Druck, den ein Gas zum Gesamtdruck beiträgt (je höher die Fraktion, umso höher der Anteil) Dalton'sches Gesetz: Partialdrücke aller Luftbestandteile addieren sich zum Gesamtdruck Gasvolumen bestimmt von Temperatur und Gasdruck → drei fest definierte Messbedingungen ◦ STPD (Standard Temperature Pressure Dry): physikalische Standardbedingungen (273 K; 101 kPa) ◦ ATPS (Ambient Temperature Pressure Saturated): Spirometerbedingungen (aktuelle Temperatur & Druck) ◦ BTPS (Body Temperature Pressure Saturated): physiologische Bedingungen im Alveolarraum ◦ Umrechnung zwischen den einzelnen Bedingungen über Umformungen der allgemeinen Gasgleichung ◦ Faustregel: VBTPS ist 10% größer als VATPS, VSTPD ist 10% kleiner als VATPS

Ventilation • • • • •

verantwortlich für die Aufrechterhaltung gleichmäßiger alveolärer Gaspartialdrücke Gradient muss Diffusion der Atemgase durch Alveolarmembran gewährleisten wichtige Kenngröße für die Ventilation (= Belüftung): Atemzeitvolumen (Atemzugvolumen x Atemfrequenz) Atemfrequenz nimmt mit dem Alter ab Normwerte: 7 l/min (bei Atemzugvolumen von 0,5 l und Atmungsfrequenz von 14 /min)

Totraumventilation • Anatomischer Totraum: Volumen der leitenden Atemwege ◦ Nase bzw. Mund, Pharynx, Larynx, Trachea, Bronchien, Bronchiolen ◦ Volumen abhängig von Körpergröße und Körperposition (beim Erwachsenen ca. 150 ml) • Funktioneller/physiologischer Totraum: Anteile des Atmungstraktes, in denen kein Gasaustausch stattfindet (= anatomischer Totraum + Alveolarräume, die belüftet, aber nicht durchblutet werden) → entspricht beim Gesunden dem anatomischen Totraum (wichtig bei Erkrankungen) • bei Exspiration setzt sich das ausgeatmete Volumen V E zusammen aus der Frischluft im Totraum (V D) und der Luft im Alveolarraum (VA) • unterschiedlicher CO2-Gehalt ◦ FA = CO2-Fraktion in der Alveolarluft ◦ FD = CO2-Fraktion in der Frischeluft bzw. im Totraum ◦ FE = CO2-Fraktion in der gemischten Ausatemluft ◦ Gesamtes CO2 = CO2 aus Totraum + CO2 aus Alveolarraum → VE ∙ FE = VD ∙ FD + VA ∙ FA (CO2 in Frischluft vernachlässigbar, deshalb Umformung) V E⋅F A−F E VD= (Bohr'sche Totraumformel) F A

Alveoläre Ventilation • ausreichende Ventilation des Alveolarraums setzt entsprechend tiefe Atemzüge voraus • alveoläre Ventilation in Ruhe: ca. 5-6 l/min • pro Atemzug 350 ml Luft in Alveolarraum → Vermischung mit 3l der funktionellen Residualkapazität • pro Atemzug Austuasch von 1/10 der Luft, daher bleibt Zusammensetzung konstant

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Unterschiede in der Gaszusammensetzung zwischen Außenluft und alveolärem Gasgemisch durch ◦ Entzug von Sauerstoff und Zugabe von CO2 ◦ Sättigung der Einatemluft mit Wasserdampf bei der Passage durch die Luftwege Veränderung des alveolären PO2: ◦ steigt mit inspiratorsichem PO2 (z.B. O2-Therapie) und erhöhter alveolärer Ventilation ◦ sinkt mit steigendem Sauerstoffverbrauch (erhöhte O2-Aufnahme) Veränderung des alveolären PCO2: steigt mit CO2-Produktion des Körpers & abfallender alveolärer Ventilation

Hyper- und Hypoventilation • Normoventilation: PCO2 von 40 mmHg in Alveolen und arteriellem Blut • gesteigerte bzw. verminderte alveoläre Ventilation ändert auch den arteriellen PCO 2 • Hyperventilation → Hypokapnie (Erniedrigung des arteriellen PCO2) • Hypoventilation → Hyperkapnie (Erhöhung des arteriellen PCO2) • beide Situationen führen zu einer Störung des Säure-Basen-Haushalts

Diffusion der Atemgase • •

Gasaustausch zwischen Blut und alveolärem Gasgemisch durch Diffusion über die Alveolarmembran Diffusionsstrom der Gasmoleküle abhängig vom Partialdruckunterschied zwischen Alveolarraum und Blut, der Diffusionsstrecke und der Austauschfläche: V=

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F ⋅K ⋅Δ P d

(1. Fick'sches Diffusionsgesetz)

Diffusionsstrom V steigt proportional mit der Austauschfläche F und der Partialdruckdifferenz ΔP und fällt indirekt zu Diffusionsstrecke d K = Krogh'scher Diffusionskoeffizient (für jedes Gas und Diffusionsmedium unterschiedlich) ◦ für CO2 20x größer als für O2 → diffundiert um Faktor 20 mehr durch die Alveolarmembran ◦ für CO2-Austausch reichen auch kleinere Partialdruckunterschiede treibende Kraft: Partialdruckunterschied ◦ venöses Blut der A. pulmonalis: PO2 = 40mmHg (5,3 kP) und PCO2 = 46 mmHg (6,13 kPa) ◦ Angleichen der Partialdrücke bei der Passage durch die Lungenkapillare → PO2 = 100 mmHg = 13,3 kPa bzw. PCO2 = 40 mmHg = 5,3 kPa größter Anteil des Gasaustausches am Anfang der Lungenkapillaren (größte Partialdruckunterschiede) Kontaktzeit des Blutes mit der Alveolarmembran nur ca. 0,5 Sekunden → schneller Gasaustausch nötig deshalb: sehr geringe Diffusionsstrecke (1-2 μm) und große Austauschoberfläche (ca. 120 m²) vereinfachte Fick'sche Gleichung für die Lunge (Zusammenfassung von d und F, da konstant) → V = D · ΔP (D = Diffusionskapazität der Lunge) Schadstoffexpositionen können über allergische Entzündugsreaktionen zu einer Verdickung der Alveolarmembran mit eingeschränkter Diffusionskapazität führen (Exogen-allergische Alveolitis) → Folge: Lungenfibrose (restriktive Ventilationsstörung)

Perfusion der Lunge • • •

Lungenperfusion (= Durchblutung der Lunge) muss für effektiven Gasaustausch auf die Ventilation abgestimmt sein in Ruhe: Durchblutung von nur 50% der vorhandenen Lungenkapillaren Öffnung der restlichen Reservekapillaren bei körperlicher Arbeit (also erhöhtem Herzzeitvolumen) → Blutdruck in A. pulmonalis verdoppelt sich nur, wenn sich die Lungendurchblutung vervierfacht

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bei Öffnung der Reservekapillaren auch Vergrößerung der Diffusionskapazität der Lunge Hypoxische Vasok...