Atemmechanik

Sowohl die Lungenvolumina als auch der dynamische Atemparameter FEV1 lassen sich im Fluss-Volumen-Diagramm der Atmung ablesen. Dieses Diagramm kann bspw. im Rahmen einer Spirometrie ermittelt werden.

• Durchführung: Proband führt einen Tiffeneau-Test durch, dabei werden ein- bzw. ausgeatmetes Volumen und Luftfluss mit Hilfe eines Spirometers gemessen
• Achsen: Auf der x-Achse ist das Volumen aufgetragen, das sich in der Lunge befindet, auf der y-Achse der Luftfluss, der dieLunge verlässt 

• Normaler Kurvenverlauf: Oberhalb der x-Achse ist die Exspiration dargestellt, unterhalb die Inspiration
  • Exspiration: Beginn am linken Rand des Diagramms, zunächst steiler Anstieg, dann linearer Abfall der Flusswerte, endet am rechten Rand des Diagramms
    • Maximalpunkt der Flusswerte wird als Peak-Flow bezeichnet
    • Volumendifferenz zwischen Beginn und Ende der Exspiration entspricht der Vitalkapazität
  • Inspiration: Beginn am rechten Rand des Diagramms, halbkreisförmiger Verlauf, endet am linken Rand des Diagramms
• Restriktive Atemwegserkrankung: „Eiförmige“ Fluss-Volumen-Kurve, durch verringerte Vitalkapazität schmaler als normal
• Obstruktive Atemwegserkrankung: „Sesselförmige“ Fluss-Volumen Kurve, exspiratorische Flusswerte sind erniedrigt

x-Achse: Druck

y-Achse: Volumen

Ruhedehnungskurve von Lunge und Thorax  

• Durchführung: Lunge wird passiv mit bestimmten Luftvolumina gefüllt und der resultierende Druck in der Lunge wird gemessen
• Beschreibung: S-förmige Kurve
• Ergebnis: Die Steilheit der Kurve wird als Compliance bezeichnet und ist ein Maß für die passive Dehnbarkeit der Lunge

Dynamisches Druck-Volumen-Diagramm 

• Durchführung: Während eines normalen Atemzyklus werden intrapulmonaler und intrapleuraler Druck sowie die Atemvoluminagemessen
• Beschreibung: Blattförmige Kurve
  • Bei Inspiration sind die intrapleuralen Drücke deutlich negativer als bei Exspiration (siehe Tabelle von Druck in Lunge und Pleura weiter oben)
• Ergebnis: Der Flächeninhalt der Kurve entspricht der Atemarbeit

Dynamisches Druck-Atemstromstärke-Diagramm 

• Achsen: Anders als bei den Druck-Volumen-Diagrammen ist hier auf der y-Achse die Atemstromstärke aufgetragen
• Durchführung: Während eines normalen Atemzyklus werden intrapulmonaler Druck und Atemstromstärke gemessen (meist im Bodyplethysmographen)
• Beschreibung: Schleifenförmige Kurve
  • Die Inspiration benötigt dabei höhere Drücke wegen des Strömungswiderstands 
• Ergebnis: Die Steilheit der Kurve wird als Resistance bezeichnet, sie ist der dynamische Atemwegswiderstand

• Definition: Maß für die „passive“ Dehnbarkeit, die durch die elastischen Rückstellkräfte von Lunge und Thorax entsteht 
• Berechnungen
  • Lunge oder Thorax (allein): C = ΔV/ΔP 
  • Gesamtsystem (Lunge + Thorax): 1/Cgesamt = 1/CLunge + 1/CThorax

Schlussfolgerung

• Compliance ist die Volumenänderung, die durch eine bestimme Druckänderung bewirkt werden kann.
• Eine hohe Compliance bedeutet also eine hohe Dehnbarkeit.
• Im Bereich der Ruheatmung ist die Compliance am größten.

• Compliance des Thorax: Volumenänderung des Thorax pro Druckänderung im Pleuraspalt
• Compliance der Lunge: Volumenänderung der Lunge pro Druckänderung in der Lunge im Vergleich zum Pleuraspalt
  • Hängt ab von (folgende Faktoren erniedrigen die Compliance)
    • Rückstellkraft der elastischen Fasern (für etwa ⅓ der Compliance verantwortlich)
    • Rückstellkraft durch die Oberflächenspannung in den Alveolen (für etwa ⅔ der Compliance verantwortlich) → Wird durch Surfactant verkleinert 

Von der Dehnbarkeit der Lunge und des Thorax

Über die Ruhedehnungskurve

• Definition: Maß für den „aktiven“ Atemwegswiderstand, der durch die Reibung bei der Atmung und den Strömungswiderstand der Atemwege entsteht

0.2 (kPa x s)/L

R = Intrapulmonaler Druck / Volumenstromstärke

• Eine hohe Resistance bedeutet, dass zur Inspiration eines Volumens eine höhere Druckdifferenz zwischen Lunge und Außenluft hergestellt werden muss → Sie wirkt also gegenläufig zur Compliance
• Eine hohe Resistance bedeutet auch, dass die Atemarbeit größer ist

• Physikalischer Hintergrund der Resistance
  • Strömungswiderstand der Atemwege nach Hagen-Poiseuille-Gesetz (ca. 90%)
    • Ist bei schneller Atmung (bspw. forcierte Exspiration) oder verengten Atemwegen erhöht → Höhere Resistance 
  • Reibung am Gewebe (ca. 10%)
• Bestimmung: Durch Bodyplethysmographie

• Definition: Routineuntersuchung mit einem handlichen Pneumotachographen zur Bestimmung der Atemvolumina und Luftflussgeschwindigkeiten 
• Bestimmung von
  • Exspiratorische Einsekundenkapazität (FEV1)
  • Vitalkapazität (VC)
  • Peak-Exspiratory-Flow (PEF): Maximale Atemstromstärke bei forcierter Exspiration (in l/s); diese ergibt sich aus dem höchsten Punkt im Fluss-Volumen-Diagramm oder aus der Steigung am steilsten Punkt der Exspirationskurve im Volumen-Zeit-Diagramm

Bodyplethysmographie 

• Definition: Routineverfahren zum Ausschluss einer pulmonalen Funktionseinschränkung 
• Mögliche Indikationen
  • Bei mangelnder Kooperation/Mitarbeit des Patienten bzw. zur Objektivierung der spirometrischen Befunde 
  • Verdacht auf ein Emphysem

• Alle Parameter der Spirometrie
• Resistance (R, Atemwegswiderstand) 
• Residualvolumen
• Totale Lungenkapazität: Es wird der Druck am geschlossenen Mundstück gemessen.  Daraus lässt sich anschließend die Totalkapazität errechnen.
• Intrathorakales Gasvolumen (IGV) 
• Mit einer zusätzlichen Ösophagusdrucksonde: Compliance 

Zwischen je zwei Atemzügen befinden sich in- und expiratorische Kräfte im Gleichgewicht, der intrapulmonale Druck entspricht hier dem Luftdruck

• Inspiratorische Atemmuskulatur bewirkt eine Vergrößerung des Thoraxvolumen
• Das Lungenfell (Pleura visceralis) haftet über den Flüssigkeitsfilm im Pleuraspalt an der Thoraxinnenseite (Pleura parietalisbzw. Rippenfell) → Lungenvolumen wird ebenfalls vergrößert
• Durch die Vergrößerung des Lungenvolumens fällt der intrapulmonale Druck ab → Unterdruck in der Lunge
• Luft folgt dem Druckgefälle in die Lunge hinein → Inspiration

• Verkleinerung des Thoraxvolumens durch passive Rückstellkräfte der Lunge
• Dadurch Verkleinerung des Lungenvolumens → Überdruck in der Lunge
• Luft folgt dem Druckgefälle aus der Lunge heraus → Exspiration

• Inspiratorische Atemmuskulatur
  • Zwerchfell -> Atmung in den Bauch
  • Mm. intercostales externi -> Atmung in den Thorax
• Inspiratorische Atemhilfsmuskulatur
  • Mm. sternocleidomastoideus
  • Mm. serrati
  • Mm. pectorales
  • Mm. scaleni

• Elastische Rückstellkräfte der Lunge (passiv) 
• Exspiratorische Atemmuskulatur: Mm. intercostales interni
• Exspiratorische Atemhilfmuskulatur: Bauchmuskeln

Kinder atmen vorwiegend in den Bauch, Erwachsene in den Thorax

Die Druckveränderungen während der Atmung. Der Unterdruck in der Pleura ist nötig, um die Bewegung des Thorax auf die Lunge zu übertragen. 

• Druckdifferenz zwischen Pleuraspalt und Außenraum
• Entsteht durch die passive Rückstellkraft der Lunge und die Volumenänderung des Thorax
• Führt zum Haften der Lunge am Thorax bei der Inspiration

In Atemruhelage: - 0.5 kPa

Bei Inspiration: -0.7 kPa

Bei forcierter Exspiration: ca. -0.3 kPa

• Druckdifferenz zwischen den Alveolen und der Mundöffnung
• Steht im konstanten Verhältnis zum Lungenvolumen
• Ist die treibende Kraft für In- und Exspiration

• Atemruhelage: 0 kPa
• Inspiration: -0.1 kPa
• forcierter Exspiration: +0.1 kPa

Luftvolumen, das nach normaler Inspiration zusätzlich maximal inspiriert werden kann. Norm: ca. 3 L

Luftvolumen, dass bei einem normalen Atemzug eingeatmet werden kann. Norm: ca. 0.5 L

Luftvolumen, dass nach normaler Exspriation noch maximal exspiriert werden kann. Norm: ca. 1.7 L

Luftvolumen, dass nach maximaler Ausatmung in der Lunge verbleibt. Norm: ca. 1.3 L

• Vitalkapazität (VC)
• Totalkapazität (TLC)
• Funktionelle Residualkapazität (FRC)

Volumendifferenz zwischen maximaler Ein- und Ausatmung.

Norm: ca. 5.2 L.

Rechenvorschrift: VC=IRV + AZV + ERV

Gesamtes Gasvolumen in der Lunge nach maximaler Inspiration. 

Norm: ca. 6.5 L 

Rechenvorschrift: TLC = VC + RV

Volumen, das nach normaler Ausatmung in der Lunge verbleibt. 

Norm: ca. 3 L

Rechenvorschrift: FRC = ERV + RV