--- status: final --- :::{index} single: Lungenphysiologie ::: (lungenphysiologie)= # Lungenphysiologie :::{index} single: Compliance ::: :::{index} single: Lunge; Compliance ::: :::{index} single: Dehnbarkeit; Lunge ::: (compliance)= ## Compliance Die *Compliance* (*C*) beschreibt die **Dehnbarkeit** von Lunge und Thorax und entspricht der *Volumenänderung pro Druckänderung*: :::{math} :label: EQ-Compliance C = \frac{\Delta V}{\Delta P} ::: Unterschieden werden die *Compliance der Lunge*, die *Compliance des Thorax* und die Compliance des *gesamten respiratorischen Systems*. Bei beatmeten Patienten wird klinisch insbesondere die Compliance des respiratorischen Systems beurteilt. Die Compliance ist normal bei ca. 1,5 ml / mbar / kg und beispielsweise bei einem {ref}`ARDS ` vermindert. Eine geringe Compliance bedeutet, dass für die gleiche Volumenänderung eine größere Druckänderung erforderlich ist. Bei der kontrollierten Beatmung kann zwischen *dynamischer* und *statischer Compliance* unterschieden werden: - **Statische Compliance**: $\frac{V_t}{P_\text{Plat} − P_{\text{PEEP}}}$ Die statische Compliance wird unter *No-Flow-Bedingungen* bestimmt und ist daher weitgehend unabhängig vom Atemwegswiderstand. - **Dynamische Compliance**: $\frac{V_t}{P_\text{Peak} − P_{\text{PEEP}}}$ Sie wird während der laufenden Beatmung gemessen und ist somit auch vom Atemwegswiderstand beeinflusst. Sie ist daher niedriger als die statische Compliance. :::{index} single: Resistance ::: :::{index} single: Atemwegswiderstand ::: :::{index} single: Widerstand; Atemwege ::: (resistance)= ## Resistance Die *Resistance* (*R*) beschreibt den Strömungswiderstand des respiratorischen Systems und entspricht der erforderlichen Druckdifferenz pro Flow[^Resistance-VCV]. :::{math} :label: EQ-Resistance R = \frac{\Delta P}{V̇} ::: Eine erhöhte Resistance kann beispielsweise verursacht werden durch: - Bronchospasmus - Sekret - Fremdkörper - Obstruktion oder Abknicken des Tubus - kleinen Tubusinnendurchmesser - Kompression des Thorax [^Resistance-VCV]: Bei volumenkontrollierter Beatmung mit konstantem inspiratorischem Flow kann die Resistance näherungsweise aus der Differenz zwischen Spitzendruck und Plateaudruck bestimmt werden: :::{math} :label: EQ-Resistance-VCV R = \frac{P_\text{Peak} - P_\text{Plat}}{V̇} ::: :::{index} single: Druck-Volumen-Kurve ::: :::{index} single: Kurve; Druck-Volumen- ::: :::{index} single: Compliance; Druck-Volumen-Kurve ::: :::{index} single: LIP ::: :::{index} single: Lower Inflection Point ::: :::{index} single: UIP ::: :::{index} single: Upper Inflection Point ::: (druck-volumen-kurve)= ## Druck-Volumen-Kurve Die *Druck-Volumen-Kurve* beschreibt die Beziehung zwischen dem auf das respiratorische System einwirkenden Druck und der daraus resultierenden Volumenänderung. Sie besitzt typischerweise einen sigmoidalen Verlauf. Im mittleren, annähernd linearen Bereich ist die Compliance am größten. Die Steigung der Kurve entspricht der Compliance. Lower Inflection Point (LIP) : Unterer Wendebereich der inspiratorischen Druck-Volumen-Kurve. Er wurde klassisch als Bereich interpretiert, in dem zunehmend kollabierte Lungenareale eröffnet werden ("alveolar recruitment"). Eine direkte Gleichsetzung des LIP mit einem einheitlichen "Alveolaröffnungsdruck" bzw. "Alveolarverschlussdruck" ist jedoch eine Vereinfachung. Upper Inflection Point (UIP) : Oberer Wendebereich der inspiratorischen Druck-Volumen-Kurve und Hinweis auf die maximale Alveolardehnbarkeit. Eine zunehmende Abflachung der Kurve weist auf eine abnehmende Compliance und kann Ausdruck einer zunehmenden Überdehnung (*Overdistension*) sein. Die Druck-Volumen-Kurve ist keine Darstellung von "Spontanatmung versus Beatmung". Auch bei Spontanatmung können Druck-Volumen-Beziehungen dargestellt werden; Form und Interpretation hängen jedoch wesentlich von Messmethode, Atemaktivität und Beatmungsbedingungen ab. :::{todo} Grafik/Photo: Druck-Volumen-Kurve Prüfung: Druck/Volumen-Kurve (Compliance) aufzeichnen können (sigmoidaler Verlauf): ::: :::{index} single: Belastung; respiratorische Adaptation ::: :::{index} single: Sauerstoffverbrauch; Belastung ::: :::{index} single: Sauerstoffangebot; Belastung ::: (adaptation-belastung)= ## Adaptation bei Belastung Bei körperlicher Belastung müssen Sauerstofftransport und Ventilation an den erhöhten metabolischen Bedarf angepasst werden. Kreislauf : Das {ref}`Herzzeitvolumen ` (*HZV*, *CO*) steigt durch eine Zunahme von Schlagvolumen (*SV*) und Herzfrequenz (*HF*). > CO = SV × HF Ventilation : Das Atemminutenvolumen (*AMV*) steigt durch eine Zunahme von Atemzugvolumen (*VT*) und Atemfrequenz (*AF*). > AMV = VT × AF Bei zunehmender Belastung steigt zunächst insbesondere das Atemzugvolumen. Bei höherer Belastungsintensität wird die weitere Steigerung des AMV zunehmend durch eine Erhöhung der Atemfrequenz erreicht. Bei hohen Atemfrequenzen kann es durch Verminderung des Tidalvolumens zu einem hohen Anteil an {ref}`Totraumventilation ` und durch die vermehrte Atemarbeit bald zu einer *respiratorischen Erschöpfung* kommen. Sauerstoffangebot : Das {ref}`Sauerstoffangebot ` (*DO₂*) ergibt sich aus Herzzeitvolumen und arteriellem Sauerstoffgehalt (*CaO₂*). $$ \rm{DO}_2 = {\color{red}\rm{CO}} \times {\color{blue}\rm{CaO}_2} $$ Näherungsweise ergibt sich unter Vernachlässigung des physikalisch gelösten Sauerstoffs: $$ \rm{DO}_2 \approx {\color{red}{\rm{CO}}} \times {\color{blue}\rm{Hb} \times 1,34 \times \rm{SaO}_2} $$ Das globale Sauerstoffangebot beträgt beim Erwachsenen in Ruhe ungefähr **1.000 ml O₂ / min** bzw. auf die Körperoberfläche indiziert (*DO₂I*) etwa **500–750 ml O₂ / min / m² KÖF**. Die kritische DO₂ ist ca 300  ml O₂ / min / m² KÖF, darunter kommt es zum {ref}`anaeroben Stoffwechsel `. Sauerstoffverbrauch : Der Sauerstoffverbrauch (*VO₂*) eines Erwachsenen beträgt in Ruhe etwa **3–4 ml O₂ / kg / min** bzw. etwa **200–250 ml O₂ / min**. *Kinder* besitzen, insbesondere in den ersten Lebensjahren, bezogen auf das Körpergewicht einen höheren Sauerstoffverbrauch als Erwachsene. Auch *Fieber*, körperliche *Aktivität*, *Stress*, gesteigerte Atemarbeit und andere *hypermetabole Zustände* können den *VO₂ erhöhen*. Als klinische Faustregel kann bei Fieber mit einer Zunahme des Sauerstoffverbrauchs um ungefähr *10% pro 1°C Temperaturanstieg* gerechnet werden. Kritisches Sauerstoffangebot : Unter physiologischen Bedingungen ist der Sauerstoffverbrauch innerhalb eines weiten Bereichs weitgehend unabhängig vom Sauerstoffangebot. Sinkt das DO₂ unter einen kritischen Bereich, kann der Sauerstoffbedarf nicht mehr durch eine erhöhte Sauerstoffextraktion kompensiert werden. Der VO₂ wird dann *angebotsabhängig* und es kommt zunehmend zu anaerober Energiegewinnung und Laktatproduktion. Ein universeller kritischer DO₂-Wert existiert nicht, da dieser unter anderem vom Stoffwechsel, der Erkrankung und der Verteilung der Organperfusion abhängig ist. :::{index} single: West-Zonen ::: :::{index} single: Zonen; West- ::: :::{index} single: Lunge; West-Zonen ::: :::{index} single: Ventilations-Perfusions-Verhältnis ::: :::{index} single: V/Q-Verhältnis ::: (west-zonen)= ## West-Zonen und Ventilations-Perfusions-Verhältnis (V̇/Q̇) Durch die Schwerkraft nimmt die Perfusion von apikal nach basal stärker zu als die Ventilation. Daher ist das *Ventilations-Perfusions-Verhältnis* (*V̇/Q̇*) apikal größer und basal kleiner. Für die gesamte Lunge beträgt das V̇/Q̇-Verhältnis in Ruhe durchschnittlich etwa **0,8** (im Durchschnitt ist die Perfusion größer als die Ventilation). - V̇/Q̇ = 0 → *Shunt* - V̇/Q̇ → ∞ → *Totraumventilation* Die *West-Zonen* beschreiben den Einfluss der Schwerkraft sowie des alveolären, pulmonalarteriellen und pulmonalvenösen Drucks auf die pulmonale Perfusion. Zone 1 : PA > Pa > Pv Der Alveolardruck (*PA*) übersteigt den pulmonalarteriellen und pulmonalvenösen Druck. Dadurch kommt es zu keinem bzw. nur minimalem pulmonalem Blutfluss. Beim gesunden Menschen unter normalen Bedingungen besteht Zone 1 üblicherweise nicht bzw. nur in sehr geringem Ausmaß. Sie kann beispielsweise bei Hypovolämie oder positiver Druckbeatmung entstehen. → gut ventiliert, schlecht perfundiert Zone 2 : Pa > PA > Pv Der pulmonalarterielle Druck (*Pa*) übersteigt den Alveolardruck, während der pulmonalvenöse Druck (*Pv*) darunter liegt. Der Blutfluss wird wesentlich durch die Druckdifferenz zwischen pulmonalarteriellem und alveolärem Druck bestimmt. → Perfusion und Ventilation halten sich in etwa die Waage Zone 3 : Pa > Pv > PA Pulmonalarterieller und pulmonalvenöser Druck liegen über dem Alveolardruck. Es besteht ein kontinuierlicher Blutfluss, der wesentlich durch die arterio-venöse Druckdifferenz bestimmt wird. → viel Perfusion, der alveoläre pO₂ ist unterdurchschnittlich :::{index} single: Hagen-Poiseuille ::: :::{index} single: Gesetz; Hagen-Poiseuille ::: :::{index} single: Gleichung; Hagen-Poiseuille ::: :::{index} single: Strömungswiderstand; laminare Strömung ::: :::{index} single: laminare Strömung; Strömungswiderstand ::: :::{index} single: Strömung; laminare; Strömungswiderstand ::: (hagen-poiseuille)= ## Hagen-Poiseuille-Gesetz :::{seealso} - {numref}`Hagen-Poiseuille-Gesetz`: {ref}`Hagen-Poiseuille-Gesetz` Das {ref}`Hagen-Poiseuille-Gesetz ` beschreibt den Volumenstrom einer laminaren Strömung durch ein zylindrisches Rohr. Der Strömungswiderstand steigt proportional mit der Länge und der Viskosität und nimmt mit der **vierten Potenz des Radius** ab (bzw. der Widerstand steigt mit der *vierten Potenz* der Verringerung des Radius, "der Widerstand ist umgekehrt proportional zur vierten Potenz des Radius). Bereits eine geringe Abnahme des Radius kann daher bei laminarer Strömung zu einer erheblichen Zunahme des Widerstands führen. Relevanz : - Atemweg: Ein größerer Tubusinnendurchmesser reduziert den resistiven Atemwegswiderstand und damit die Atemarbeit. Dies kann insbesondere beim Weaning und aufgrund des kleinen absoluten Tubusdurchmessers bei Kindern klinisch relevant sein. → Je größer der Tubus-Innendurchmesser, desto leichter das Weaning. :::{index} single: Gesetz; Laplace ::: :::{index} single: Gleichung; Laplace ::: :::{index} single: Laplace-Gesetz ::: :::{index} single: Surfactant; Laplace-Gesetz ::: :::{index} single: Recruitment-Manöver; Laplace-Gesetz ::: :::{index} single: Manöver; Recruitment-; Laplace-Gesetz ::: (laplace-gesetz)= (Surfactant)= ## Oberflächenspannung und Laplace-Gesetz Das *Laplace-Gesetz* beschreibt den Zusammenhang zwischen Druckdifferenz, Radius und Oberflächenspannung an einer gekrümmten Grenzfläche. In einem kugelförmigen Tropfen mit Radius $r$ herrscht aufgrund der Oberflächenspannung $\gamma$ an der Grenzfläche Flüssigkeit/Gas ein um $\Delta p$ erhöhter Druck Für eine kugelförmige Grenzfläche gilt: ::::{admonition} Formel: Laplace-Gesetz $$ \Delta p = p_\text{innen} - p_\text{außen} = \frac{2 \cdot \gamma}{r} $$ :::{hlist} - $r$: Radius - $p_\text{innen}$, $p_\text{außen}$: Innen- bzw. Außendruck - $\gamma$: Oberflächenspannung ::: :::: Surfactant : Surfactant reduziert die Oberflächenspannung. Bei abnehmender Alveolengröße steigt die lokale Surfactantkonzentration an der Grenzfläche und die Oberflächenspannung nimmt stärker ab. Dadurch werden insbesondere kleine Alveolen stabilisiert und Atelektasen verhindert. Surfactant setzt die Oberflächenspannung umso mehr herab, je weniger die Alveolen gedehnt sind, er gleicht somit die Unterschiede der erforderlichen Druckdifferenzen zwischen unterschiedlich großen Alveolen teilweise aus. Ohne *Surfactant* würde bei gleicher Oberflächenspannung mit abnehmendem Alveolarradius der zur Offenhaltung erforderliche Druck zunehmen. Kleine Alveolen hätten damit eine stärkere Tendenz zur Entleerung in größere Alveolen und zum Kollaps. Recruitment : Für die Wiedereröffnung kollabierter Lungenareale muss ein kritischer *Öffnungsdruck* überwunden werden. Nach erfolgter Rekrutierung kann ein geringerer Druck ausreichen, um die eröffneten Areale offen zu halten. Dieser Unterschied zwischen Öffnungs- und Verschlussdruck ist Ausdruck einer *Hysterese* der Lunge. :::{attention} Die Alveole ist keine isolierte kugelförmige Seifenblase. Das Laplace-Gesetz ist daher ein vereinfachtes Modell zur Erklärung des Einflusses von Oberflächenspannung und Surfactant. Alveoläre Interdependenz, Gewebespannung, komplexe Geometrie und die mechanischen Eigenschaften des Lungenparenchyms tragen wesentlich zur Stabilität der Alveolen bei. ::: :::{index} single: Lunge; nicht-respiratorische Funktion ::: :::{index} single: Funktion; Lunge, nicht-respiratorische ::: :::{index} single: pulmonaler Metabolismus ::: :::{index} single: Blutfilterung; pulmonale ::: :::{index} single: Immunabwehr; pulmonale ::: :::{index} single: Cytochrom P450; Lunge ::: (nicht-respiratorische-funktion-lunge)= ## Nicht-respiratorische Funktionen der Lunge Neben dem Gasaustausch erfüllt die Lunge zahlreiche *metabolische*, *endokrine*, *immunologische* und *Filterfunktionen*. Metabolische und endokrine Funktion : Das pulmonale Endothel und andere Zellen der Lunge sind an der Bildung, Freisetzung, Umwandlung und Inaktivierung zahlreicher biologisch aktiver Substanzen beteiligt. Dazu gehören unter anderem *Prostaglandine* und andere Eicosanoide sowie *Substanz P*. Eine besondere Bedeutung besitzt das pulmonale Endothel durch das *Angiotensin-Converting-Enzyme* (*ACE*), welches Angiotensin I zu Angiotensin II umwandelt und Bradykinin abbaut. Auch verschiedene Katecholamine und andere vasoaktive Substanzen (Noradrenalin) werden während der Lungenpassage metabolisiert bzw. in ihrer Konzentration verändert. Säure-Basen-Haushalt : Über die Regulation der CO₂-Elimination besitzt die Lunge eine zentrale Funktion bei der Regulation des {ref}`Säure-Basen-Haushalts `. Veränderungen der alveolären Ventilation ermöglichen eine rasche Veränderung des arteriellen CO₂-Partialdrucks und damit des pH-Wertes. Immunabwehr : Die Lunge stellt eine große Kontaktfläche zwischen Organismus und Umwelt dar und verfügt über ausgeprägte lokale Abwehrmechanismen. Dazu gehören unter anderem sekretorisches *Immunglobulin A* (*IgA*), alveoläre Makrophagen und weitere Zellen des angeborenen und adaptiven Immunsystems. Alveoläre Makrophagen phagozytieren inhalierte Partikel und Mikroorganismen. Partikelfilterung und -abtransport : Inhalierte Partikel werden abhängig von ihrer Größe und ihren physikalischen Eigenschaften in unterschiedlichen Abschnitten der Atemwege abgeschieden. Das *mukoziliäre Transportsystem* transportiert einen wesentlichen Teil dieser Partikel aus den Atemwegen in Richtung Pharynx. In den Alveolen übernehmen insbesondere alveoläre Makrophagen die Elimination von Partikeln. Blutfilterung : Die pulmonale Strombahn wirkt als mechanischer Filter für das venöse Blut. Kleine Thromben, Zellaggregate, Fett- oder andere Partikel können im pulmonalen Gefäßbett zurückgehalten und teilweise durch lokale fibrinolytische bzw. metabolische Mechanismen abgebaut werden. Biotransformation : Die Lunge verfügt über verschiedene Enzymsysteme zur Metabolisierung endogener und exogener Substanzen. Dazu gehören auch Enzyme des *Cytochrom-P450-Systems*, wodurch die Lunge an der Biotransformation von Medikamenten, Fremdstoffen und Toxinen beteiligt ist.