Atemphysiologie
Atemphysiologie Med2 HS18 - Wildhaber
Atemphysiologie Med2 HS18 - Wildhaber
Wo liegt der sog. "Breaking point" (und was ist das?) Warum?
Wenn der Atem angehalten wird, ist der "Breaking Point" der Moment wenn man einatmen muss. Er liegt relativ konstant bei einem pCO2 von 6.7 kPa (50 mmHg). CO2 ist hier aber nicht der entscheidende Faktor. Vielmehr ist die gleichzeitige Hypoxie wichtiger. Vorgängige Sauerstoffatmung verzögert die Hypoxie und Atemanhaltung ist deutlich verlängert. Dadurch ist pCO2 aber auch erhöht am Breaking Point.
Wodurch werden maximale Zeiten von Atemanhalt erreicht? Was ist hier der limitierende Faktor?
Erreicht durch Hyperventilation und erhöhtem Sauerstoff. Limitierender Faktor ist die Reduktion auf das Reservevolumen, da Sauerstoff aus den Alveolen ins Blut absorbiert wird.
Atemhalt grafisch darstellen
Wie kann die Atmung möglichst energiearm erfolgen?
- Ruheatmung: Atemarbeit nur durch inspiratorische Muskeln
- Eine Hälfte als Wärme während Insipration
- Andere Hälfte als potentielle Energie in deformiertem elastischem Gewebe gespeichert und dann während Ausatmung als Wärme abgegeben, weshalb keine expiratorischen Muskeln gebraucht werden.
- Arbeit relativ klein (ca. 3ml/min Sauerstoffverbrauch für die Atmung, was <2% der metabolischen Rate entspricht)
- Effizienz sehr gering (weiter verringert bei den meisten Formen von Lungenkrankheiten)
Atemarbeit gegen elastischen, nicht-elastischen und erhöhtem Widerstand grafisch darstellen
Was ist Perfusion?
Versorgung von Organen oder Organteilen mit Blut.
Was sind die Funktionen der Perfusion?
- Sie ist die Voraussetzung für den Gasaustausch
- Weitere Funktionen:
- Filtrierung (mechanisch, enzymatisch (Blutthromben), zellulär über Endothel
- Hormone, vasoaktive Substanzen
- Körperfremde Substanzen wie Medikamente
- Metabolismus
- Filtrierung (mechanisch, enzymatisch (Blutthromben), zellulär über Endothel
Illustrieren des Totraumes und des venösen Shunts
Blutvolumen in Lunge und beeinflussende Faktoren beschreiben
Insgesamt 0.5 L (10% des gesamten Blutvolumens). Arteriell ca. 0.15 L kleiner als venös aufgrund der Vasomotorik im arteriellen Teil.
Beinflussende Faktoren:
- Kreislaufzyklus: In Systole Einfluss grösser als Ausfluss
- Atmungszyklus: BV nimmt druckabhängig ab
- Körperstellung: Auf Rücken liegend 27% mehr Volumen
- Medikamente: Systemischer Druck erhöht
- Linksherzinsuffizienz
Blutfluss in der Lunge beschreiben
Ungefähr gleich gross wie im systemischen Kreislauf:
- 6 L/min in Ruhe
- 25 L/min bei Anstrengung (mit relativ kleiner Druckänderung)
Lungengefässdrücke und -widerstände sind viel kleiner als im systemischen Kreislauf, dies führt zu:
- Schlechte Kontrolle der Verteilung
- Abhängigkeit von Schwerkraft
- Überdurchblutung der unteren Lungenabschnitte
Blutdruck in der Lunge beschreiben
- Lungengefässdruck ca. 1/6 des systemischen Gefässdrucks
- Kapillar- und Venendruck ähnlich
- Sehr wenig Windkesselfunktion - pulsartig
Definieren von:
- Intravaskulärem Druck
- Transmuralem Druck
- "Driving pressure"
Und wo gebraucht?
Intravaskulärer Druck: Druck an irgendeinem Punkt im Kreislauf relativ zum atmosphärischen Druck. (Gebraut im systemischen Kreislauf normalerweise)
Transmuraler Druck: Druck im Gefäss gegenüber Druck im Gewebe (gebraucht um wichtige Einflüsse des intrathorakalen Druckes auszuschliessen)
"Driving pressure": Druckunterschied zwischen einem Punkt im Gefäss gegenüber einem zweiten Punkt stromabwärts. (Bestimmung von Gefässwiderstand; typisch von Pulmonalarterie zu linkem Vorhof)
Was kann durch Unterschied zwischen intravaskulärem Pulmonalarteriendruck und dem pulmonalen "driving pressure" ermittelt werden?
Unterscheiden zwischen verschiedenen Ursachen pulmonaler Hypertonie:
- Linke Vorhofspathologie mit Druckanstieg:
- Erhöhung des intravaskulären Drucks
- Driving pressure unverändert
- Gefässveränderung:
- Erhöhung des intravaskulären Drucks
- Erhöung driving pressure
- Lungenödem:
- Erhöhung des intravaskulären Drucks
- Erhöhung des transmuralen Drucks
Welche Faktoren beeinflussen den Lungenblutdruck?
- Cardiac output:
- Wenn z.B. ein Lugenflügel weg ist, übernimmt die andere Hälfte das gesamte Volumen, z.T. durch Gefässrekrutierung, aber besonders auch durch Dilatation der Gefässe, wodurch der Fluss zu- aber der Widerstand abnimmt.
- Änderungen im intraalveolären Druck:
- Steigt in Ausatmung
- Sinkt in Einatmung
- Körperlage
- Intravaskulärer Druck nimmt im Stehen ab
- Krankheiten
- chronische Hypoxie führt zu Erhöhung des vaskulären Lungenwiderstandes
Beschreiben der pulmonary vascular resistance
Pulmonary vascular resistance = Pulmonary driving pressure/Cardiac output
Ist anfänglich temporär, wird permanent und führt zu:
- Pulmonalem Hochdruck
- Rechtherzhypertrophie
- Anstieg des venösen Systemdruckes
Andere Faktoren sind:
- Autonome Kontrolle
- Chemische Mediatoren
- Physikalische Faktoren
- Rekrutierung
- Aufblähung
- Gravitation
Wann ist die Ventilationsperfusionsverteilung gut, wann schlecht?
Opitmal, wenn gleich verteilt, schlecht wenn eine Lunge perfundiert und die andere Lunge nur ventiliert wird.
Einflüsse auf die Ventilationsverteilung?
- Beim Gesunden:
- Körperstellung und Atmungsart
- Rechts > Links (liegend und stehend)
- Untere Teile besser belüftet (liegen näher am Zwerchfell)
Einflüsse auf die Perfusionsverteilung
- Da Lungendurchblutung mit kleinen Drücken funktioniert, kommt es ausser in Schwerelosikeit nie zu einer regelmässigen Verteilung
- Immer unten besser (Wehrprinzip - Stirling)
- Seitenlage untere Lunge besser durchblutet (paralell zu Ventilation)
- Stehend untere Lunge besser durchblutet
- Liegend: grosse Unterschiede anterior-posterior
Ventilation im Verhältnis zur Perfusion
Inspiriertes Gas verteilt in nicht durchbluteten Regionen kann nicht am Gasaustausch teilnehmen. Der pulmonale Blutfluss verteilt in nicht beatmete Regionen kann nicht oxygeniert werden.
Verhältnis Ventilation/Perfusion= V/Q (L/min)
- Typischer Wert = 4L/min / %L/min = 0.8
Was besagt das "Dreikompartiment-Modell"?
- Ventiliert aber nicht perfundiert (alveolärer Totraum)
- Perfundiert aber nicht ventiliert (Shunt)
- Ideal perfundiert und ventiliert
Was ist die Atmosphäre?
Gasdecke, die bestimmte Planeten umgibt.
Inwiefern ist die Erdatmosphäre speziell?
Ist betreffend Zusammensetzung und Druckverhältnissen einzigartig. Ermöglicht Leben.
Wie sind die Druck- und Temperaturverhältnisse der Erdatmosphäre?
Auf Meerespiegel: 101.3 kPa = 760 mmHg = 1033 cm H2O. Der Druck nimmt mit der Höhe ab.
Die 1. Schicht (Troposphäre) ist relativ homogen mit einer druchschnittlichen Dicke von 11 km und einem Druck an der Grenze (Tropopause) von 23 kPa = 173 mmHg. Die Temperatur nimmt an der Tropopause ab auf -56° C und bildet so das physiologisch wichtige Kälteschild (welches das Entweichen von Wasserdampf verhindert).
Stratosphäre (2. Schicht) ist oberhalb der Troposphäre und ca. 50 km dick. An der Stratopause seigt die Temperatur wieder auf 0°C. Die Stratosphäre ist Radioaktivität und UV-Licht ausgesetzt, die zur Photospaltung von Gasen (Ozonbildung) und damit zelltoxischen Oxidationsprodukten führen.
Warum ist das erste Leben im Wasser entstanden?
Um sich vor toxischer Aussenwelt (ohne Ozonschicht) zu schützen.
Warum haben kleinere und grössere Planeten als die Erde keine Atmosphäre?
Zu kleine Planeten haben zu wenig Masse -> schwache Schwerkraft -> keine Atmosphäre
Grossse Planeten haben genug starkes Gravitationsfeld, um alle Gase zurückzuhalten, und bilden deshalb eine reduzierende Atmosphäre.
Wie ist die Zusammensetzung der Atmosphäre?
Stickstoff: 78%
Sauerstoff: 21%
Argon: 0.9%
Kohlenstoffdioxid: 0.035%
Atemsteuerung, -mechanik & Gasaustausch in Zusammenhang bringen
Was ist der Unterschied zwischen extra- und intrathorakalen Atemwegen?
Intrathorakale Atemwege blähen sich beim Einatmen auf, während die extrathorakalen beim Einatmen kollabieren. Diese haben eine gegensätzliche Wirkung.
Was sind Vor- und Nachteile an der Nasenatmung (Norm)?
Vorteile:
- Filtrierung von Partikeln durch Haare
- Anfeuchtung
Nachteile:
- Widerstand (bei Anstrengung oder Pathologie nicht genügend)
- Willentliche Kontrolle ob Nasen- oder Mundatmung
- Kreuzung von Atmung und Ernährung - braucht effektive Verschlussmechnanismen der Nasenhöhle und Kehlkopfs:
- Nasopharynx: Kontraktion von tensor und levator palati
- Larnyx: 2-3 cm angehoben durch Kontraktion der intrahyoiden Muskeln, somit Lage unter Epiglottis
Was sind die Voraussetzungen zur Atmung durch die Nase? Welcher Schutzmechanismus spielt hier eine grosse Rolle?
Druck im Pharynx muss unter atmosphärischen Druck sinken, was zur Tendenz führt, die Zunge nach hinten zu ziehen und den Rachen zu kollabieren.
Schutzmechanismus: Kontraktion von pharyngealen dilatorischen Muskeln (primär Genioglossus) - Afferenz des Reflexes durch Mechanorezeptoren im Pharynx.
Wie ist die Larnyx beim Menschen gelegen im Verlgeich zu Tieren? Was sind Vor- und Nachteile?
Die Larynx liegt beim Menschen tiefer als bei Tieren. Dies ist zwar nachteilig für die Atmung aber ein grosser Vorteil beim Sprechen.
Was sind die Haupt- und Nebenfunktionen der Larnyx?
Hauptfunktionen:
- Schutz der Atemwege (aryepiglottische Muskeln sind starke Schliessmuskeln, welche aryepiglottische Falten zusammenbringen und die Epiglottis nach hinten und unten ziehen. Sie werden v.a. durch Wasser ausgelöst.). NB: die Gegenspieler der aryepiglottischen Muskeln sind die thyreoepliglottischen Muskeln.
Nebenfunktionen
- Sprachorgan (Stimmbänder)
- Verschluss des Thorax: Erhöhung der Muskelkraft.
Beschreiben der Atemmechanik mit den Begriffen "Motor-Gefäss", "Sack" und "Röhre"
Motor-Gefäss: Brustkorb und Thorax. Muss beweglich, aber auch stabil sein
Sack: Lunge. Muss bewegt werden, aber auch Widerstand leisten
Röhre: Atemwege. Muss durchgängig sein (extra- und intrathorakal)
Welche Kräfte treiben die Bewegungen der Atmung an?
Es handelt sich vollumfänglich um passive Bewegung durch äussere Kräfte. Die Lunge folgt den Änderungen der Muskelkräfte und folgt Druckunterschieden. Das Zwerchfell bewegt sich und verändert das Volumen.
Widerstandstechnisch: Womit kann durch die Nase atmen verglichen werden?
Es erhöht den Widerstand und kann mit Atmung durch zusammengepresste Lippen verglichen werden.
Zusammenfassen der Muskeln der Atmung (Aufteilung in inspiratorische und expiratorische Muskeln)
In welche Richtung können sich die Rippen ausdehnen? Was ist der Unterschied zum Neugeborenen?
Die Rippen können sich nach ventral und lateral ausdehnen. Beim Neugeborenen sind sie nicht oval sondern rund und haben darum einen kleinere Volumenvergrösserung.
Was ist der Standard-Muskel normaler Atmung?
Das Zwerchfell.
Die Atemdrücke während eines Atmungszyklus kennen und erklären
Wodurch entsteht der Sauerstofffluss?
Durch Druckunterschiede welche zu einer Volumenänderung führen.
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Lernkarten
Hysterese der Lunge bei Inspiration und Expiration darstellen
Oberflächenspannung und transmuraler Druck mit und ohne Surfactant
Was sind die Ursachen der Zeitabhängigkeit?
Hauptgrund ist das Surfactant: die Oberflächenspannung ist grösser bei grossem Volumen und während Inspiration.
Andere Gründe sind:
- Gasumverteilung
- Stress relaxation (typischer Mechanismus für elastische Gegenstände)
- material- und formabhängig
- Muskelentspannung
- Blutgehalt in Lungen
Gasumverteilung illustrieren
Welche Faktoren beeinflussen die Lungencompliance?
- Lungenvolumen (Elefant hat viel grössere Compliance als Maus - Faktor welcher grösstenteils bei funktionellen Residualkapazität aufgehoben wird)
- Körperlage
- Blutgehalt
- Alter (nicht allzu grosser Einfluss, da Compliance primär abhängig ist von Oberflächenspannung)
- Einschränkung der Thoraxbeweglichkeit
- Ventilation
- Muskelspannung
- Krankheit
- Fibrose
- Surfactant (RDS = respiratory distress syndrome)
Punkte des elastischen Widerstandes des Thorax beschreiben
Lunge hat immer die Tendenz zu schrumpfen, bis alle Luft draussen ist. Der Thorax im Gegensatz hat die Tendenz sich zu erweitern bis zu einem Volumen welches ca. 1 L grösser ist als FRC (Volumen bei dem die beiden Tendenzen in Balance stehen).
Der Thorax (Brustkorb mit Rippen und Muskeln und Zwerchfell) kann nur als elastische Struktur angesehen werden, wenn sämtliche Muskeln entspannt sind (dieser Zustand wird aber nur bei Lähmung erreicht, sonst hat das Zwerchfell auch am Ende der Expiration noch eine Spannung (FRC ist im normalen Zustand grösser als im gelähmten).
Welche anatomischen Faktoren beeinflussen die Compliance des Brustkorbes?
- Verknöcherung der Rippen
- Adipositas
- Hautkrankheiten
- Muskelkrankheiten
- Abdominale Spannung
- Körperposition (60% weniger in Bauchlage und 30% mehr in sitzender Stellung)
Compliance mit elektrischem System vergleichen
Compliance entspricht elektrischer Kapazität, d.h. einer Stellung in Serie, wobei Reziprokwerte addiert werden:
1/Total Compliance = 1/Lungenkompliance + 1/Brustkorbcompliance (Zu beachten, dass Lungencompliance Kräfte darstellt, die nur nach innen ziehen und Brustkorbcompliance Kräfte, die nur nach aussen ziehen).
Typische Werte: 1/0.85 = 1/1.5 + 1/2
Systemcompliance graphisch darstellen
Die Volumen definieren
Tidal Volume: normales, passives Atmen
Expiratory reserve volume: Aufbau von Druckunterschieden
Residual volume: Restluft in Lunge, nicht mobilisierbar. Sinn damit Lunge nie ganz kollabiert.
Wovon sind Volumina der Lunge (insbesondere FRC (funktionelle Residualkapazität) abhängig?
- Körpergrösse
- Geschlecht
- Alter
- Zwerchfell (-Muskelspannung)
- Körperlage
- Krankheiten (Emphysem, Fibrose)
Vitalkapazität graphisch darstellen?
Inwiefern unterscheiden sich die Lungenvolumina beim Stehen und beim Liegen?
Beim Stehen ist das Lungenvolumen grösser bzw. stärker nutzbar als im Liegen. Dies liegt auch daran, dass die Lungenbläschen beim Liegen kleiner sind, d.h. noch kleiner machen fällt deutlich schwerer. Grösser machen geht gut.
Welchen Teil der Lungenvolumina misst ein Spirometer?
Nur den mobilisierbaren Teil
Welchen Teil der Lungenvolumina misst ein Pneumotachograph?
Sowohl den moblisierbaren wie auch den nicht mobilisierbaren Teil
Fluss-Volumenkurve (graphisch)
Unterschied zwischen elastischem und nicht-elastischem Widerstand?
- Elastischer Widerstand betrachtet die Beziehung zwischen Druck und Volumen unter statischen Verhältnissen, wenn kein Gasfluss besteht. Im Gegensatz dazu ist der nicht elastische Widerstand unter Gasfluss.
- Nicht-elastischer Widerstand = obstruktiver Widerstand (häuftigster Grund für Ventilationsstörung)
- Widerstand gegen Gasfluss durch Verengung
- Widerstand gegen Gasfluss durch Gewebsdeformierung
- Widerstand kann überall in den Atemwegen aufteten! Hier muss die wichtige Unterscheidung zwischen intra- und extrathorakal gemacht werden.
- Gas fliesst von einer Region mit hohem Druck zu einer mit niedrigem Druck. Die Geschwindigkeit des Gasflusses ist hierbei abhängig vom Druckunterschied und dem Widerstand gegen den Gasfluss
- Fluss kann laminar und turbulent sein (in Realität handelt es sich hier um eine Mischung)
Womit ist die Flussrate eines laminaren Flusses direkt proportional? Formel für "pressure difference"?
Mit dem Druckunterschied "driving pressure".
(pressure difference) = (Flussrate) * (Resistenz)
Welches Gesetz gilt für Gasfluss durch gerade, sich nicht aufteilende Röhren?
Das Hagen-Poiseuille Gesetz:
R (Widerstand) = 8* Länge (cm) * Viskosität (dynseccm^-2) / Pi * (radius)^4
Wichtige Punkte dieser Gleichung:
- Viskosität in der Gleichung (Widerstand ist direkt proportional zur Viskosität)
- Umgekehrte Beziehung zwischen dem Widerstand und Radius ^4 erklärt die nicht lineare Wichtigkeit oder Problematik von obstruierten oder kleinen Atemwegen.
Was ist Conductance?
Conductance (c) = 1/R
Spezfiische Conductance (Leitfähigkeit) geteilt durch Volumen zeit die Volumenabhängigkeit
Was führt zu turbulentem Fluss?
Hohe Flussraten, v.a. durch sich aufteilende oder irreguläre Röhren. Ist häufig hörbar
Was sagt die Reynoldszahl aus?
Kann Fluss voraussagen:
- <1000 laminar
- <2000 turbulent
- dazwischen gemischt
Errechnet sich wie folgt: Lineare Gasgeschwindigkeit * Charakteristik der Röhre * Gasdichte/Gasviskosität
Gasflussrate in Abhängigkeit vom Durchmesser und Gaszusammensetzung (80% Helium und 20% Sauerstoff) als Illustration darstellen
Gasflussrate in Abhängigkeit vom Durchmesser und Gaszusammensetzung (Luft) als Illustration darstellen
Welche Ursachen kann ein erhöhter Widerstand haben?
- Material im Lumen
- Verdickung der Kontraktion der Wand
- Druck von aussen oder Sog von innen
Ist die Atemkontrolle automatisch? Was ist Atmung?
Atmung ist das Resultat von rhythmischer Kontraktion und Entspannung von Muskeln unter automatischer Kontrolle. Sie kann bis zu einem gewissen Grad durch willkürliche, koritkale Kontrolle beeinflusst oder unterbrochen werden.
Beispiele für Änderungen, an die die Aktivität der Atemmuskeln konstant angepasst werden?
- Körperstellung
- Sprechen
- Bewegung
- Sport
Welche Neuronen spielen beim Atmungsmuster zusammen?
- Früh inspiratorische Neurone
- Inspiratorische Rampenneurone
- Spät inspiratorische Neurone
- Früh expiratorische Neurone
- Frühe spitzen-expiratorische Neurone
- Expiratorische Rampenneurone
Wie laufen die rhythmischen Netzwerke betreffend des Atmungsmuster? Was ist der Vorteil?
Paralell. Das macht sie schwierig zu zerstören.
In welche Phasen kann der respiratorische Zyklus aufgeteilt werden?
- Inspiratorische Phase: Schnelle Entladungen in inspiratorischen Muskeln (insbesondere auch Dilataor pharyngeus)
- Postinspiratorische oder expiratorische Phase I: Abfall der Entladungen
- Expiratorische Phase: inspiratorische Musklen nun still, expiratorische Muskeln bei ruhiger Atmung in aufrechter Position auch ruhig, können aber auch rekrutiert werden (>40 L /min)
Respiratorischer Rhythmus in Zusammenhang mit Diaphragmaaktivation aufzeigen
Respiratorischer Rhythmus und Aktivierung des N. phrenicus und der Nn. intercostales
Kontrollrezeptoren der Atmung?
- Muskelrezeptoren
- Chemorezeptoren
- Zentral
- Peripher
- Reflexrezeptoren
Beschreiben der Eigenschaften von peripheren Chemorezeptoren?
- Schnell reagierende Monitoren des arteriellen Blutes, die auf PO2-Abfall, PCO2- oder H+-Anstieg und Abfall in Durchblutungsrate reagieren
- Bilaterale Karotiskörperchen fast ausschliesslich für die respiratorische Antwort zuständig
- Befinden sich nahe der Aufzweigung der Karotisarterien und sind ca. 6 mm3 gross
- Können unter chronischer Hypoxie grösser werden und bei gewissen Operationen verloren gehen
Durchblutungsrate der Karotiskörperchen?
Karotiskörperchen haben grosse Sinusoide mit einer Durchblutungsrate, die ca. 10x höher ist als notwendig für die metabolische Rate. Deshalb ist der Unterschied zwischen arteriellem PO2 und venösem PO2 sehr gering. Dies macht sie zu einem guten Sensor mit einer schnellen Antwort (1-3 Sekunden)
Auf zellulärer Ebene, welche Zelle ist der wichtigste Baustein eines Karotiskörperchens? Womit steht dieser Baustein in Kontakt?
Die Glomus oder Typ I Zelle. Sie steht in synaptischem Kontakt mit den Nervenenden v.a. des N. glossopharyngeus.
Wovon sind die Glomus oder Typ 1 Zellen umgeben? Was ist die Funktion der Zellen die Typ 1 Zellen umgeben?
Typ II Zellen umgeben die Typ I Zellen. Ihre Funktion ist unklar.
Was sezernieren Glomuszellen?
- Dopamin
- Noradrenalin
- Serotonin
- Acetylcholin
- Polypeptide
Auf welche Arten von Stimulation reagieren Karotiskörperchen (periphere Chemorezeptoren)?
- Abfall von PO2 (nicht aber Sauerstoffgehalt. Also wenig Stimulation durch Anämie, etc.)
- Abfall in arteriellem pH
- Respiratorische Oszillation von PCO2
- Hypoperfusion (staginierende Hypoxie)
- Anstieg in Bluttermperatur
- Chemische Stimulation (zwei Gruppen)
- Nicotin-Acetylcholin (stimulierende sympatische Ganglien)
- Zyanid und CO (Blockieren Cytochrom und verhindern damit oxidativen Metabolismus)
Welche Mechanismen der Stimulation erfolgen in peripheren Chemorezeptoren bei einer Hypoxämie?
Hypoxämie führt zur Ausscheidung von Neurotransmittern aus Typ I Zellen:
- Dopamin, Noradrenalin, ACh, Substanz P, Enkephalinen
Dies führt zu Anstieg der Atemtiefe und -frequenz und zusätzlichen physiologischen Änderungen (Bradykardie, Hypertension, Erhöhung des Bronchialtonus, Sekretion der Nebenniere).
