1.: Struktur und Dynamik des Respiratorischen Systems- Gastransport („Sauerstoff-Rutsche“, FICKsches Diffusionsgesetz)- Komponenten des Atmungssystems- Lungenvolumina und -kapazitäten, Spirometrie- alveoläre Ventilation, Totraum - obstruktive und restriktive Ventilationsstörungen (TIFFENEAU-Test)

Seminarthemen „Atmung“

2.: Die mechan. Eigenschaften von Lunge und Thorax- Compliance- Atemruhelage- Atembewegungen- Resistance

3.: Atemgastransport und -austausch- Luft; alveoläre und exspiratorische Gasgemische, Gaspartialdrücke- intrapleuraler und -pulmonaler Druck- Atemarbeit- Surfactant

1. Seminarthema

Struktur & Dynamik des Respiratorischen Systems

Nasenhöhle

KehlkopfLuftröhre

LungenflügelBronchieBronchioleLungenbläschen

Exposé: Warum atmen wir ?h

H2O + CO2 [CH2O]n + O2

H2O + CO2 [CH2O]n + O2

Energie(Wärme, Arbeit)

„Wir ernähren uns von gespeichertem Licht.“

Fritz-Albert Popp, *1938, dt. Biophysiker

Exposé: Wo benötigen wir den Sauerstoff ?

Die „Sauerstoff-Rutsche“:

äußere Atmung

innere Atmung

Zellatmung

Fette Eiweiße Kohlenhydrate

enzymatischer Abbau

Zitronen-säure-Zyklus

H2

O2Energie

-Oxidation Glykolyse

Atmungskette

CO2

Acetyl-CoA

Exposé: Wie viel Sauerstoff benötigen wir ?

O2-Verbrauch in Ruhe ungefähr

O2-Verbrauch bei Arbeit bis zu 3.

300 ml/min

000 ml/min

ständige Substitution erforderlich:

Die Etappen des O2- bzw. CO2-Transports

äußere Atmung

innere Atmung

Gewebs-Atmung

Konvektion KonvektionDiffusion Diffusion

Die Gesamtheit der an der Sauerstoff-Aufnahme sowie an der damit gekoppelten Kohlendioxid-Abgabe beteiligten Prozesse werden als Atmung bezeichnet.

O2

CO2

O2

CO2

O2

CO2

Respirationstrakt Herz-Kreislauf-System

atmendes Gewebe

Lungenkreislauf Körperkreislauf

O2

CO2

O2

CO2

O2

CO2

Die Etappen des O2- bzw. CO2-Transports

1. konvektiver Gastransport in der Gasphase

2. Diffusion der Gase vom Alveolarraum ins Blut (und umgekehrt)

3. konvektiver Gastransport im Blut

4. Diffusion der Gase aus dem Blut zu den Gewebszellen (und umgekehrt)

Praktische Übung heute !!!

Praktische Übungen „Blut“ / „Kreislauf“

FICKsches Diffusionsgesetz

Q/t = D F

C1 - C2

d

1. große Austauschfläche

2. kurze Diffusionsstrecke

3. großer Konzentrationsgradient über der Austauschfläche

4. Austauschfläche mit Material-eigenschaften, die zur Diffusion geeignet sind

Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion

Adolf Fick, 1829-1901, Würzburger Physiologe

Trachea

Bronchi

Bronchioli

Alveolen

Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion: 1. große Austauschfläche

1 - Bronchiole2 - Ast der Lungenschlagader3 - Endbronchiole4 - Alveolengang5 - Trennwand zwischen zwei Alveolen6 - Ast der Lungenvene7 - Lungenkapillarnetz8 - elastischer Faserkorb der Alveole9 - Lungenfell

Q/t = D F

C1 - C2

d

A - Alveolarraum

EC - Erythrozyt

EN - Endothel

EP - Epithel

IN - Interstitium

1 µm

Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion: 2. kurze Diffusionsstrecke

O2 CO2

0,2-0,6 µm

Q/t = D F

C1 - C2

d

Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion: 3. großer Konzentrationsgradient

2 Pumpensysteme:

Lunge (Blasebalg-Pumpe) [O2] ~ pO2

Herz (Ventil-Pumpe) [O2] ~ pO2

Q/t = D F

C1 - C2

d

Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion: 4. hohe Permeabilität

gute Durchlässigkeit der alveolären Diffusionsbarriere für Atemgase

DL = ~30 ml×min-1×mmHg-1

DL = ~100 ml×min-1×mmHg-1

O2

CO2

daher: nur kurze Kontaktzeit erforderlichQ/t = D F

C1 - C2

d

Der Respirationstrakt

oberer Respira-tionstrakt

unterer Respira-tionstrakt

Die Atemwege

Die Atemwege

Atemvolumina

Exspiratorisches Reservevolumen (ERV)

Inspiratorisches Reservevolumen (IRV)

Residualvolumen

(RV)

(inkl. Totraum)

Atemzugvolumen (AZV)

Messung der Atemvolumina mittels Spirometrie

Ausnahme:

Residualvolumen

(inkl. Totraum)

Schack August Steenberg Krogh (*1874 †1949) dänischer Arzt und Zoologe, 1920 Nobelpreis

Messung der Atemvolumina, die nicht spirometrisch bestimmt werden können (z.B. Residualvolumen)

L

VS F0 = (VS + VL) F1

VL = VS F0 - F1

F1

M = V C

RV = VL - AZV - ERV

Menge = Volumen Konzentration

Bestimmung des Totraumes mit Hilfe der „vereinfachten“ Bohr-Formel:

CO2

VD = VE (FA – FE ) / FACO2 CO2

Statische Atemvolumina und -kapazitäten

Atemzugvolumen (AZV): ~ 0,5 l

inspiratorisches Reservevolumen (IRV): ~ 3,5 l

exspiratorisches Reservevolumen (ERV): ~ 1,5 l

Residualvolumen (RV): ~ 1,5 l

Vitalkapazität (VK = AZV + IRV + ERV): ~ 5,5 l

Totalkapazität (TK = VK + RV): ~ 7,0 l

inspiratorische Kapazität (IK = AZV + IRV): ~ 4,0 l

funktionelle Residualkapazität (FRC = ERV + RV): ~ 3,0 l

± 20% normal

Dynamische Atemvolumina

Atemminutenvolumen AMV = AZV AF 7 – 100 l/min

Einsekundenkapazität ESK 4 l/s (rESK 80%)

Atemgrenzwert AGW = 4 l 40 min-1 160 l/min

TIFFENEAU-Test

rel. VK (%)

50 75 100

50

75

100

rel. ESK (%)restriktive

Ventilationsstörung

obstruktive Ventilationsstörung

kombinierte Ventilationsstörung

o.B.

Restriktion:

- Fibrose

- Skoliose

- etc.

Obstruktion:

- Bronchitis

- Asthma

- etc.

Robert Tiffeneau, 1910-1961, Pariser Arzt

2. Seminarthema

Mechanische Eigenschaften von Lunge und Thorax

Elastizität von Lunge und Thorax

RV

TK

Atemruhelage

Pneumothorax Emphysem Fibrosenormal

Atemruhelage

… den auswärts gerichteten Kräften des Thorax-Skeletts …

Gleichgewicht zwischen …

… und den einwärts gerichteten Kräften der Lunge

Ruhedehnungskurven von Lunge & Thorax

Versuchsanordnung zur Bestimmung der Ruhedehnungskurven

Druckdifferenz P (kPa)

Druckdifferenz P (cm H2O)

Mechanische Eigenschaften von Lunge & Thorax 1

- Volumen-Dehnbarkeit (elastische Widerstände)

Compliance C =

CLunge CThorax 0,2 l/mbar

CLunge + Thorax 0,1 l/mbar

Lunge und Thorax sind funktionell hintereinander geschaltet.

Daher: Cgesamt-1 = CLunge

-1 + CThorax-1

Cgesamt-1 = 0,2-1 + 0,2-1 = 5 + 5 = 10

Cgesamt = 0,1

VP

- Atemwegswiderstände (visköse Widerstände)

Resistance R = P/V = P/(V/t)

R 1-2 mbar s l-1

Hintereinander geschaltete Widerstände (Trachea – Bronchien – Bronchiolen)addieren sich einfach:

RGesamt = R1 + R2 + … + Rn

Parallel geschaltete Widerstände (Äste der Bronchialbaumes) addieren sichreziprok:

1/RGesamt = 1/R1 + 1/R2 + … + 1/Rn

Mechanische Eigenschaften von Lunge & Thorax 2

R ×C0 1 2 3 4 5 6

Vt

in %

vo

n V

0

0

20

40

60

80

100

37%

14%

5%2% 1%

(s)0,20 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

Zeitkonstante = Compliance × Resistance

Z = C × R = × = × = tVP

P(V / t)

VP

P × tV

lmbar

×mbar × s

l= s

Vt = V0 × et

R × C-

Lungenbelüftung(im Prinzip spiegel-bildlich)

Lungenentleerung

C = 0,1 l × mbar-1

R = 2,0 mbar × s × l-1

R ×C0 1 2 3 4 5 6

Vt

in %

vo

n V

0

0

20

40

60

80

100

37%

14%

5%2% 1%

(s)0,20 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

Zeitkonstante = Compliance × Resistance

Lungenbelüftung(im Prinzip spiegel-bildlich)

Lungenentleerung

Z = C × R = × = × = tVP

P(V / t)

VP

P × tV

lmbar

×mbar × s

l= s

Atemfrequenz:

Atemzyklus:

Atemzeit-verhältnis I/E:

Inspiration:

Exspiration:

15 min-1

4 s

1 : 2

~ 1,3 s

~ 2,6 s

Atemgaswechsel durch Brust- und Bauchatmung

Atemgaswechsel (Brustatmung)

Vorstoß

Flankenstoß

Mm. intercostales externi (Inspiration)

Mm. intercostales interni (Exspiration)

Atemgaswechsel (Brustatmung)

obere Rippenbögen: Vorstoß

untere Rippenbögen: Flankenstoß

(Flankenatmung)

wichtigster Atemgaswechsler: das Zwerchfell

wichtig auch für die Feinabstimmung des Atemgasstromes (Sprechen, Singen, Blasen eines Musikinstruments, etc.)

Atemgaswechsel

Atemhilfsmuskeln für die

Inspiration

Atemhilfsmuskeln für die

Exspiration

Atemgaswechsel durch Brust- und Bauchatmung

Säugling:

Jugendl. & Erw.:

Senior:

Bauchatmung

(Abdominal-Atmung)

kombinierte Atmung

Bauchatmung

Schwangere: Brustatmung

(Kostal-Atmung)

Erwachsener Säugling

3. Seminarthema

Atemgastransport und-austausch

Atemgasfraktionen und -partialdrücke in der Gasphase(ohne Wasserdampf [6,2% bei 37°C und 100% Sättigung {47 mmHg pH2O}])

- Luft 20,93% O2 159 mmHg pO2

0,03% CO2 0,2 mmHg pCO2

79,04% „N2“ 600 mmHg pN2

(davon ca. 1% Edelgase)

- alveoläres Gasgemisch 14 % O2 106 mmHg pO2

5,7% CO2 40 mmHg pCO2

Rest „N2“ 610 mmHg pN2

- Exspirationsgasgemisch 16% O2 122 mmHg pO2

4% CO2 30 mmHg pCO2

Rest „N2“ 608 mmHg pN2

(Bei Inspiration gelangen ~2/3 der Luft in die Alveolen; das restliche Drittel verbleibt im Totraum.)

Atemgaspartialdrücke in Lunge & Blut

Luft Alveolenarterielles

Blutvenöses

BlutExspiration

pO2 159 106 90 40 122

pCO2 0,2 40 40 46 30

160

120

80

40

0pO2 /

pC

O2 (

mm

Hg)

Atemgaspartialdrücke in Lunge & Blut

Alveolargas

alveoläre Atemgaspartialdrücke vs. Ventilation

HyperventilationHypoventilation

Druckverläufe während der Atembewegungen(Übersicht)

intrapulmonaler Druck

intrapleuraler Druck

Spirogramm

Inspiration Exspiration

+2

0

-2

-4

-6

cm H2O

[kPa]

Druckverläufe während der Atembewegungen(statisch vs. dynamisch)

Atemarbeit 1-2% vom Grundumsatz (in Ruhe; beim Gesunden)

Atemarbeit (Druck-Volumen-Diagramm)

fiktive Atmung(nur elastische Widerstände)

normale Ruhe-atmung

forcierte Atmung

Widerstände, die beim Einatmen überwunden werden müssen

- Volumen-Dehnbarkeit (elastische Widerstände) Compliance

- Atemwegswiderstände (visköse Widerstände) Resistance

Kgesamt = Kelast + Kvisk + KDef + KReib

Kelastisch

Kviskös

KDeformation

KReibung

2/3

1/3

0

0

(beim Gesunden)

Anmerkung zu den elastischen Widerständen

- Eigenelastizität des Lungenparenchyms

- Oberflächenspannung

LAPLACE-Gesetz P = 2/r

P - transmurale Druckdifferenz

- Oberflächenspannung

r - alveolärer Radius (0,2 - 0,4 mm)

Perrechnet 10 P„tatsächlich“

Ursache: Surfactantien (endogenes „Spüli“)Wasser

Funktion der Surfactantien

Sie bewirken, dass die Lungen sich beim ersten Atemzug entfalten (Cave: Frühgeburten).

Sie verhindern Atelektasen.

Sie egalisieren die unterschiedlichen Oberflächenspannungen in Alveolen unterschiedlichen Durchmessers.

Sie egalisieren die unterschiedlichen Oberflächenspannungen in den Alveolen während der verschiedenen Atemphasen.

Sie helfen, Atemarbeit zu sparen.

Air

Warum sind Alveolen rund?

Weil bei der Kugel das günstigste Oberflächen-/ Volumen-Verhältnis besteht.

Volumen Oberfläche VolumenOberfläche

Kugel 1 cm3 4,84 cm2 0,21 cm3 1 cm2

Zylinder 1 cm3 5,57 cm2 0,18 cm3 1 cm2

Oktaeder 1 cm3 5,72 cm2 0,18 cm3 1 cm2

Würfel 1 cm3 6,00 cm2 0,17 cm3 1 cm2

Kegel 1 cm3 6,83 cm2 0,15 cm3 1 cm2

Pyramide 1 cm3 7,08 cm2 0,14 cm3 1 cm2

Tetraeder 1 cm3 7,21 cm2 0,14 cm3 1 cm2