Atmungsphysiologie

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4.2. Atmungsphysiologie#

4.2.1. Atemmechanik#

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#

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 normalerweise 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. Bei der Forcierte Exspiration forcierten Exspiration kann mit Hilfe der Abdominalmuskulatur die Ausatmung auch aktiv unterstützt werden.

4.2.2. Lungenvolumina#

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

Vitalkapazität: 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): Residualvolumen 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.

4.2.3. Totraum#

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 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.

Insbesonders bei der SchnappatmungSchnappatmung kann genau dies passieren.

Compliance, Resistance#

Compliance: Dehnbarkeit (Volumen/Druck-Beziehung) von Lunge und Thorax, 1,5 ml / mbar / kg normal, ARDS ↓
Resistance: Strömungswiderstand (Druck/Flow-Bez) erhöht durch Tubus, Sekret, …

Prüfung: Druck/Volumen-Kurve (Compliance) aufzeichnen können (sigmoidaler Verlauf):

OIP: max. Alveolardehnbarkeit
UIP: Alveolarverschlussdruck

Linearer Teil = Spontanatmung

Prüfung:

Lungenvolumina (IRV, VT, ERV, RV, VK, TK, FRC) kennen!

Adaption bei Belastung

CO (SV × HF) steigt (und damit auch CI (ml / min / m²)); AMV (TV × AF) steigt ab > 30 vor allem Totraumventilation mit rascher Erschöpfung.

DO₂ steigt: DO₂ = HZV × Hb × SO₂ × 1,34 × 10 (normal 750 ml / min / m²)

Kritischer DO₂ ist 300, darunter anerober STW; VO₂ in Ruhe 3 ml / kg / min (bei Kindern und Kranken 5× so hoch, 1°C Anstieg hebt VO₂ um 10 %)

West-Zonen

I apikal V>Q kein Fluss II intermitt. Fluss mit pulm. Art. Druck > Alveolardruck III kontinuierlicher Fluss basal da art. Und ven. Pulm. Druck > Alveolardruck V/Q = 0,8 (0 bei Shunt, ∞ bei Totraumventilation) = Perfusion ist größer als die Ventilation im Durchschnitt.

Hagen-Poiseuille-Gesetz

Formel: Hagen-Poiseuille-Gleichung

\[ \dot{V} = \frac{\pi \cdot r^4 \cdot \Delta p}{8 \cdot \eta \cdot l} = \frac{\Delta p}{R} \]

\(\dot{V}\): Volumenstromstärke
\(r\): Radius
\(\Delta p\): Druckunterschied

\(\eta\): Viskosität
\(l\): Länge

Strömungswiderstand ist proportional zur Länge und umgekehrt proportional zur 4 Potenz des Radius (Der Widerstand steigt mit der Länge und mit der vierten Potenz der Gefäßverengung).

Medizinische Bedeutung:

Vasokonstriktion, Stenosen → drastische Zunahme des Widerstands
Blutdruckregulation
Atemwegswiderstand bei Asthma oder COPD
Gefäßzugänge: Praktisch ist ein kurzer Venflon besser als ein Schenkel des ZVK mit gleichem Durchmesser.
Atemweg: Je größer der Tubus-Innendurchmesser, desto leichter das Weaning. Cave: Kindertubusdicke!

Laplace-Gesetz

Beziehung zwischen Wandspannung, Dicke der Wand und den auf sie einwirkenden Druck.

In einem kugelförmigen Tropfen mit Radius \(r\) herrscht aufgrund der Oberflächenspannung \(\gamma\) an der Grenzfläche Flüssigkeit/Gas ein um \(\Delta p\) erhöhter Druck:

Formel: Laplace-Gesetz

\[ \Delta p = p_\text{innen} - p_\text{aussen} = \frac{2 \cdot \gamma}{r} \]

\(r\): Radius
\(p_\text{innen}\), \(p_\text{aussen}\): Innen-/Außendruck

\(\gamma\): Oberflächenspannung

Anwendung:

Ohne Surfactant: bei Exspiration verlieren die Alveolen an Radius → Druckdifferenz an Alveolarwand in kleineren Alveolen nimmt stärker zu als in den größeren → die kleinen Alveolen entleeren sich in die größeren und kollabieren → Atelektase.

Surfactant setzt die Oberflächenspannung umso mehr herab, je weniger die Alveolen gedehnt sind → hält die Druckdifferenzen konstant
Recruitment-Manöver: kollabierte Alveolen habe einen kleinen Radius und brauchen viel Druck um sich wieder zu öffnen!

4.2.4. Atemgase#

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. 8 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 %

4.2.5. Gasaustausch#

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 DiffusionDiffusion 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.

Ventilation und Perfusion#

Das normale Ventilations-Perfusions-Verhältnis ist 1:1, Kontaktzeit des Blutes in Ruhe 0,75 s, bei Lungenkranken mit verdickter Basalmembran ist dies vor allem bei Belastung zu kurz → Dyspnoe.

Euler-Liljestrand-Mechanismus

Euler-Liljestrand bei herabgesetztem paO₂ in den Pulmonalgefäßen kommt es zur hypoxische pulmonale Vasokonstriktionhypoxischen pulmonalen Vasokonstriktion. Dies führt bei regionaler alveolärer Hypoventilation zu Vasokonstriktion mit therapieresistenter Oxygenierungsstörung. (ARDS)

Einerseits ist dies die Ursache des Lungenödems in großer Höhe. Andererseits vermindert dieser Mechanismus aber auch das Shuntvolumen bei einer Minderbelüftung von Lungenarealen, z. B. bei Atelektasen oder bei der Single Lung Ventilation Single Lung Ventilation.

		%	mmHg
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)

4.2.6. Steuerung der Atmung#

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. — Fig. 32 Bilderserie: Atemmechanik [© Lena Hirtler, :term:`ℓ MfG`]#

Bei der Einatmung senkt sich das Zwerchfell und der Brustkorb hebt sich. — Fig. 32 Bilderserie: Atemmechanik [© Lena Hirtler, :term:`ℓ MfG`]#

4.2.7. Kenngrößen der Atmung#

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:

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.
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]
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. 9 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

4.2.8. Zusammenfassung: Voraussetzungen für eine funktionierende Atmung#

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)