Atmung

Atemmechanik

Atemmechanik

• Knöcherner Thorax und Pleurablätter

• Atemmuskulatur: Zwerchfell, Zwischenrippenmuskeln

• Atemhilfsmuskulatur

• Elastische Eigenschaften von Thorax und Lunge

• Unterdruck bei Einatmung

Für die Atemmechanik ist ein gutes Zusammenspiel der maßgeblichen Bestandteile wichtig:

• knöchener Thorax: Rippen, Wirbeln, Sternum

• Atemmuskulatur: Der wichtigste Atemmuskel ist das Zwerchfell (Diaphragma). In Ruhe erledigt es fast die gesamte Atemarbeit. Bei verstärkter Atmung kommen die Zwischenrippenmuskeln zum Einsatz (Mm. intercostales interni et externi, Mm. scaleni).

• Atemhilfsmuskulatur: Wird die Oberarmmuskulatur fixiert, z. B. durch Aufstützen, kann diese die Hebung des Brustkorbes unterstützen (Umkehrung Fixum—Mobile).

• Pleura: Die Funktion der Pleura ist unter Pleura, erklärt.

Durch das Zusammenspiel dieser Strukturen kann der Brustkorb bewegt und somit die Lunge passiv mitbewegt werden. Aufgrund der einzelnen bewegenden Unterbestandteile kann man weiters den Atemmechanismus in zwei Anteile unterteilen: einen kostalen Atemmechanismus (Rippen, Mm. intercostales, Mm. scaleni) und diaphragmalen Atemmechanismus (Diaphragma).

Zusätzlich können die Atemhilfsmuskeln die Atmung wenn nötig unterstützen. Sie sind jedoch kein initialer Anteil der Atemmechanik.

Wenn man sich den Thorax annähernd als Zylinder vorstellt, so kommt es bei der Einatmung zu einer Vergrößerung des Querschnitts durch Heben der Zwischenrippenmuskulatur und Vergrößerung der Höhe durch Anspannung und Absenken des Zwerchfells: Es kommt dadurch zu einer Vergrößerung des Volumens und zum Ansaugen von Luft.

\[ V = A \times h \]

\[ \rm Volumen = Fläche \times Höhe \]

Synopsis

• Der wichtigste Atemmuskel ist das Zwerchfell!

• Die Ventilation erfolgt physiologisch durch Ansaugen der Atemluft (Unterdruck).

• Ein bis zum Hals Verschütteter erstickt, da sich der Brustkorb nicht ausdehnen kann.

Resultat: Der Atemzyklus

Der Atemzyklus

• Inspiration: Aktiv

  1. Aktive Bewegung des Zwerchfells und Zwischenrippenmuskulatur

  2. Thoraxvolumen vergößert sich

  3. Lunge haftet mit Lungenfell an Rippenfell an und folgt der Bewegung

  4. Volumen Lunge vergrößert sich

  5. Unterdruck

  6. Luft strömt ein

• Exspiration: Passiv

  1. Entspannung des Zwerchfells

  2. Volumen von Thorax- und Lunge verkleinert sich

  3. Luft strömt aus

Ein Atemzyklus besteht aus der Einatemphase (Inspiration) und der Ausatemphase (Exspiration). Dabei kommt es zu einem Ungleichgewicht zwischen der nach außen gerichteten Zugkraft des Thorax und der nach innen gerichteten Zugkraft der Lunge. Dieses Ungleichgewicht wird beim Einatmen zunächst von einer zusätzlichen Zugkraft des Zwerchfells und der äußeren Zwischenrippenmuskulatur hervor gerufen und anschließend beim Ausatmen durch Entspannung der Muskeln wieder abgebaut.

Während des Einatmens wird durch aktive Bewegung des Zwerchfells und der äußeren Zwischenrippenmuskulatur das Volumen des Brustkorbs vergößert. Da die Lunge mit der lungenseitigen Pleura (Lungenfell) an der rippenseitigen Pleura (Rippenfell) anhaftet, folgt sie dieser Bewegung und somit wird auch das Lungenvolumen vergrößert. Durch das Aufspannen der Lunge entsteht ein Unterdruck). Dieser Druckunterschied wird durch einströmende Luft ausgeglichen: Es erfolgt die Einatmung. Da für das Einatmen Muskelarbeit verrichtet werden muss, nennt man das Einatmen auch aktive Phase der Atmung.

Das Ausatmen erfolgt passiv (passive Phase der Atmung). Das Zwerchfell und die äußere Zwischenrippenmuskulatur entspannen sich, wodurch sich das Thorax- bzw. Lungenvolumen auf das ursprüngliche Volumen verkleinert. [1] Durch die Volumenverminderung steigt der Druck in der Lunge und die Luft strömt nach außen bis die Druckunterschiede zwischen Lunge und Umgebung wieder ausgeglichen sind. Die Luft wird beim Ausatmen sozusagen wieder hinaus gedrückt.

Lungenvolumina

Mittels Spirometrie kann die Kapazität der Lunge gemessen werden. Das Lungenvolumen (gesamtes Gasvolumen ca. 5l) unterteilt sich folgendermaßen:

• Vitalkapazität: maximal ventilierbare Luftmenge (ca. 3-7 l), Maß für die Ausdehnungsfähigkeit der Lunge und des Thorax » abhängig von Alter, Geschlecht, Körpergröße, Körperposition und Trainingszustand

  • inspiratorisches Reservevolumen (ca. 2,5 l)

  • exspiratorisches Reservevolumen (ca. 1,5 l)

  • Atemzugvolumen (ca. 0,5 l in Ruhe)

• Residualvolumen (ca. 1-2 l): Gasvolumen, dass nach einer normalen Exspiration in Ruhe noch in der Lunge verbleibt.

Die Alveolarventilation (Anteil der Atemluft für den eigentlichen Sauerstoffaustausch) beträgt 70 %, die Totraumventilation (Anteil der Atemluft, die in den Luftwegen verbleibt) beträgt 30 % der eingeatmeten Luft.

Totraum

Totraum

• Totraum: Teil der Atemwege, der nicht am Gassaustausch teilnimmt

• Von Nase bis zur vor Alveolen

• Schnappatmung

Unter dem Totraum versteht man den Teil der Atemwege, der nicht am Gasaustausch teilnimmt. Dies ist im wesentlichen der gesamte Weg von der Nasenspitze bis kurz vor den Lungenbläschen (Alveolen). Die Luft muss erst diesen Totraum passieren um in die Lungenbläschen zu gelangen und am dort stattfindenden Gasaustausch teilzunehmen. Der Totraum beträgt beim Erwachsenen ca. 150 mL.

Den Totraum kann man in folgende Formen unterteilen:

• anatomischer Totraum: Volumen der Atemwege, die nicht am Gasaustausch teilnehmen sondern nur an der Aufarbeitung der Atemluft beteiligt sind.

• alveolärer Totraum: beinhaltet Anteile der Lungenbläschen, die aufgrund mangelhafter Durchblutung oder Ventilation nicht mehr am Gasaustausch teilnehmen.

• funktioneller Totraum: Summe aus anatomischem und alveolärem Totraum.

Beachte

• Die Einatemluft muss erst den Totraum passieren um am Gasaustausch in den Alveolen teilzunehmen.

Bei der Totraumventilation (Syn. Totraumbelüftung) ist das Atemzugvolumen so gering, dass die Ausatemluft im Totraum verbleibt und bei der folgenden Einatmung erneut, anstatt von Frischluft, in die Lungenbläschen gelangt. Somit kommt es sowohl zu einem Mangel an frischem Sauerstoff in den Alveolen, als auch zu einem Rückstau von Kohlendioxid, welches nicht mehr abgeatmet werden kann.

Insbesonder bei der Schnappatmung kann genau dies passieren.

Atemgase

Atemgase

• Raumluft

• Atemgase: Sauerstoff und Kohlendioxid

Als Atemgas bezeichnet man jenes Gasgemisch, welches eingeatmet wird. Normalerweise ist das ein Gasgemisch aus Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid und Edelgasen (“Raumluft”). Für eine ausreichende Atmung ist natürlich auch eine ausreichende O₂-Konzentration [2] der eingeatmeten Luft notwendig. Der normale O₂-Gehalt der Umgebungsluft beträgt 21 %.

Zwischen der normalen Einatem- und Ausatemluft besteht aufgrund des in der Lunge stattfindenden Gasaustausches hinsichtlich des Sauerstoff- und Kohlendioxid-Anteils ein Unterschied: Es wird mehr CO₂ abgeatmet als eingeatmet wurde, dafür ist die O₂-Konzentration bei der Ausatmung aufgrund der Sauerstoffaufnahme des Körpers geringer, siehe auch Gasgehalt in der Raum- und Ausatemluft.

Tab. 6 Gasgehalt in der Raum- und Ausatemluft

Raumluft		Ausatemluft
21 %	Sauerstoff (O₂)	16 %
77,97 %	Stickstoff (N)	78 %
0,03 %	Kohlendioxid (CO₂)	4 %
1 %	Edelgase	1 %

Gasaustausch

Gasaustausch

• Gasaustausch: Kohlendioxid gegen Sauerstoff

• Hindernisse: Alveolenwand, Blutgefäßwand

• Voraussetzung:

  • Belüftung (Ventilation)

  • Durchblutung (Perfusion) der die Alveole umgebenden Blutgefäße

Vgl. Die Atemwege, Übersicht.

In den Lungenbläschen (Alveolen) findet ein Gasaustausch zwischen der Einatemluft und dem Blut statt. Im Blut und in der Luft der Alveolen sind Sauerstoff und Kohlendioxid in jeweils unterschiedlichen Konzentrationen vor: In der Einatemluft befindet sich eine große Menge Sauerstoff, jedoch kaum Kohlendioxid, das Blut ist sauerstoffarm, aber kohlendioxidreich. Gase sind nun bestrebt ihre Konzentrationen auszugleichen und bewegen sich vom Ort der höheren zur niedrigeren Konzentration. Dieser Vorgang wird Diffusion genannt. Durch diese Diffusionsbewegung kommt es zum Gasaustausch: Der in der Einatemluft enthaltene Sauerstoff gelangt aus den Alveolen in das Blut und Kohlendioxid wird im Gegenzug vom Blut an die Alveolen abgegeben. Die Anreicherung des Blutes mit Sauerstoff wird Oxygenierung genannt.

Dabei besteht zwischen Luft und Blut kein direkter Kontakt, die Gase müssen Hindernisse wie die Alveolenwand und die Blutgefäßwand überwinden. Vergrößert sich dieser Weg aufgrund einer Erkrankung (z. B. beim Lungenödem) ist die Sauerstoffaufnahme vermindert!

Voraussetzung für den Gasaustausch ist die ausreichende Be- und Entlüftung (Ventilation) der Alveole sowie eine ausreichende Durchblutung (Perfusion) der die Alveole umgebenden Blutgefäße. Die Abschnitte der Atemwege, in denen kein Gasaustausch stattfindet und die z. B. nur dem Transport dienen, bezeichnet man als Totraum.

Synopsis

• Lunge: Sauerstoff (O₂): Alveolen → Blut

• Lunge: Kohlendioxid (CO₂): Blut → Alveolen

Die Umgebungsluft enthält 78,1 % Stickstoff, 20,9 % Sauerstoff, 0,03 % Kohlendioxid und 0,97 % Edelgase. Die Zusammensetzung (= prozentualer Anteil der Gase) der Luft ist höhenunabhängig. Der Luftdruck hingegen (somit auch der Partialdruck = Anzahl der Gasmoleküle pro Volumseinheit) ist sehr wohl höhenabhängig.

Einatmungsluft	O₂	20.9	158
CO₂	0.03	0.23
Alveolarluft	O₂	14.0	100
CO₂	5.6	49
Ausatmungsluft	O₂	16.0	114
CO₂	4.0	29

Die Vol.-% können durch die Anreicherung der Atemluft mit Wasser verändert sein. Der Gasaustausch erfolgt durch Diffusion und ist daher Abhängig vom Konzentrationsunterschied zwischen Alveole und Blut. Auch der Partialdruck beeinflusst die Gas-Konzentration: Je höher der Sauerstoff-Partialdruck (= je mehr O₂-Teilchen), desto höher ist die Bindung des Sauerstoffes im Blut.

Der Sauerstoff-Transport erfolgt über eine direkte Bindung an Erythrozyten (roten Blutkörperchen). Der Kohlendioxid-Transport hingegen nicht - CO₂ ist entweder physikalisch gelöst im Blut (10 %) oder chemisch gebunden als HCO₃⁻ (= Hydrogenkarbonat, 90 %).

Beeinflussende Faktoren

Atemwiderstände beeinflussen die Druck-Volumen- und Druck-Stromstärke-Beziehungen während der Atmung.

• elastischer Atemwiderstand: die Eigenelastizität der Lunge muss überwunden werden. Dieser Zusammenhang zwischen Druck und Volumen wird über die Volumendehnbarkeit oder Compliance der Lunge angegeben.

• visköser Atemwiderstand: entsteht aus dem Verhältnis von intrapulmonalem Druck (Druckdifferenz zwischen Alveolen und Außenraum) und Atemstromstärke. Sie wird als Resistance angegeben und repräsentiert den Strömungs- und Reibungswiderstand von Lunge und Thorax.

Störungen der Atemmechanik:

• restriktive Störung: Abnahme der Ausdehnungsfähigkeit von Lunge oder Thorax, Abnahme der Compliance, der Vitalkapazität und des intrathorakalen Gasvolumens

• obstruktive Störung: Zunahme der Resistance durch Einengung der Atemwege, Abnahme der maximalen exspiratorischen Atemstromstärke (Atemstoß)

Steuerung der Atmung

Steuerung der Atmung

• Atemzentrum im Hirnstamm

• Atemantrieb normalerweise durch CO₂

  • Normalerweise wird der Atemantrieb über den CO₂-Gehalt des Blutes gesteuert.

  • Je höher der CO₂-Gehalt, desto stärker der Atemantrieb.

Die Atmung wird über drei Mechanismen reguliert:

• zentrale Atemregulation über das Atemzentrum in der Medulla oblongata

• chemische Atemregulation über Rezeptoren in Arterien (Glomus caroticum, Glomus aorticum) und zentral. Sie kontrollieren Veränderungen der Blutgase und des pH.

Die zentralen Atemrezeptoren überprüfen den CO₂-Level des Blutes, die peripheren Atemrezeptoren den O₂-Level des Blutes.

Beim gesunden Menschen ist der Atemantrieb vor allem von der CO₂-Konzentration des Blutes abhängig: Je höher der CO₂-Gehalt, desto stärker der Atemantrieb. Der Sauerstoffanteil spielt nur eine untergeordnete Rolle! Unter saeure-basen-haushalt, wird ausgeführt, dass das CO₂ eine wichtige Rolle im Säure-Basen-Haushalt des Körpers einnimmt.

Folgende Reize können zu einer verstärkten Atmung führen: Schmerz- und Temperatur, psychische Erregung, arterielle Druckreize von Pressorezeptoren, Muskelarbeit, Hormone

Das Diaphragma ist der wichtigste Atemmuskel und trennt den Brust- und Bauchraum.

Bei der Einatmung senkt sich das Zwerchfell und der Brustkorb hebt sich.

Die Rippen folgen der Atembewegung.

Fig. 29 Bilderserie: Atemmechanik [© Lena Hirtler, :term:ℓ MfG]

Kenngrößen der Atmung

Atemfrequenz, -tiefe, -volumen

AF

Atemfrequenz, 12—16 / min

AZV

Atemzugsvolumen, 500 ml

AMV

Atemminutenvolumen, 6–8 L / min

\(\mbox{AMV} = \mbox{AZV} \times \mbox{AF}\)

• AMV = AZV × AF, beim Erwachsenen ca. 6–8 L

Das Atemzeitvolumen (AZV) Folgende Werte sind wichtig:

• Atemzeitvolumen: 7,5 l/min in Ruhe (0,5 l * 15 Atemzüge)

• Atemfrequenz:

  • Erwachsener 15 / min

  • Neugeborenes 40-50 / min

  • Kleinkinder 30-40 / min

  • Kinder 20-30 / min

Es gibt drei wichtige Kennzahlen, welche die Atmung beschreiben :

1. Die Atemfrequenz ` (AF, Formelzeichen \(f\)) gibt die Anzahl der Atemzüge bzw. Atemzyklenpro Minute an. Die normale Atemfrequenz beträgt beim Erwachsenen in Ruhe 12–16 / min.

2. Das Atemzugvolumen (AZV , Tidalvolumen, \(V_t\)) gibt die Menge Luft an, die pro Atemzug eingeatmet wird. Das normale Atemzugvolumen eines Erwachsenen beträgt ca. 500 ml. [3]

3. Das Atemzeitvolumen (AZV, \(\dot{V}\)) beschreibt ein pro Zeiteinheit ein- bzw. ausgeatmetes Gasvolumen und wird meist in Liter pro Minute angegeben (Atemminutenvolumen, AMV).

   Ca. 7,5 L / min in Ruhe (0,5 l × 15 Atemzüge)

   \[ \rm Atemminutenvolumen = \rm Zugvolumen \times \rm Frequenz \]
   \[ \dot{V} = V_t \times f \]

Die oben angegebenen Normalwerte ergeben also ein normales Atemminutenvolumen von 6—8 L / min. Als Atemgrenzwert wird das in einer Minute maximal ventilierbares Volumen (20-25faches der Vitalkapazität) bezeichnet.

Tab. 7 Übersicht Normalwerte: Atemfrequenz und Atemzugsvolumen

	AF [/ min]	AZV [mL]
Neugeborenes	30—50	20—30
Säugling	20—30	40—55—80
Kleinkind	20—30	80—180
Schulkind	15—20	240—350
Jugendlicher	14—20	500
Erwachsener ♂	12—16	800
Erwachsener ♀	12—16	700

Zusammenfassung: Voraussetzungen für eine funktionierende Atmung

Voraussetzungen für die Atmung

• Atemgas

• Atemwege

• Atemmechanik

• Atemantrieb

• Belüftung (Ventilation)

• Durchblutung (Perfusion)

• Austausch von Gasen zwischen Alveole und Blut

• Kreislauf und Sauerstofftransport im Blut

• Austausch von Gasen zwischen Blut und Zellen

• Innere Atmung (Zellatmung)

• Passendes Atemgas

• Freie Atemwege

• Funktionierende Atemmechanik

• Richtiger Atemantrieb

• Belüftung der Alveolen (Ventilation)

• Durchblutung (Perfusion) der die Alveolen umgebenden Blutgefäße

• Funktionierender Austausch von Gasen zwischen Alveole und Blut

• Funktionierender Kreislauf und funktionierender Sauerstofftransport im Blut

• Funktionierender Austausch von Gasen zwischen Blut und Zellen

• Funktionierende innere Atmung (Zellatmung)

---

[1]

Man denke an eine Feder, welche nachdem sie durch eine Zugkraft gedehnt wurde, nach dem Loslassen durch ihre eigene (elastische) Rückstellkraft wieder von selbst in die Ausgangslage zurück kehrt.

[2]

Genau genommen ist nicht nur die Sauerstoffkonzentration, sondern auch der Sauerstoffpartialdruck entscheidend.

[3]

Die Einstellungen eines Beatmungsgeräts können von den Normalwerten deutlich abweichen, da man z. B. manchmal vorsichtiger, bzw. lungenschonender, beatmen möchte.