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Danke für Ihr Interesse an dieser Präsentation!

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© 2018 WK-Fortbildungen

WK-Fortbildungen

wünscht Ihnen ein interessantes

Seminar.

Anatomie und Physiologie

der Atemwege und der Lunge

- Einfach und kurz zusammengefasst -

Harald Keifert

Fa. WK-Fortbildungen

© 1997 – 2018

www.wk-fortbildungen.de

Teil 1: Anatomische Grundlagen

Quelle nicht eruierbar

Anatomischer Überblick:

Aufgaben der Einzelkomponenten kurz gefasst

© H. Keifert, 2013

▪ knöchernes Gerüst – Nasenseptum

▪ nach unten stehender Naseneingang mit „Filterhaaren“

▪ Filterfunktion für den Bereich > 10 µm

▪ Nasenmuscheln (Conchae)

▪ Nasengänge – Nasennebenhöhlen

▪ hintere Nasenlöcher (Choanen)

▪ „Locus Kiesselbachii“

▪ Nasendach – Riechepithel

▪ Turbulenter Luftstrom ermöglicht guten Kontakt zwischen Luft und

Schleimhaut → Befeuchtung (90 % RF) – Erwärmung (ca. 35°C)

© H. Keifert, 2016

Fokus Nase

▪ Schlauch aus Muskulatur und Bindegewebe, der von der hinteren Öffnung der Nasenhöhle

bis zum Kehlkopf- bzw. Ösophaguseingang reicht (Länge: 12 – 15 cm)

▪ Nasopharynx: öffnet sich nach vorne in die paarig angelegten Nasenhöhlen (Flimmerepithel)

– Mündung der tuba auditiva – Rachenmandel

▪ Oropharynx: schließt sich an die Mundhöhle an (Schleimhaut ohne Zilien) – weicher

Gaumen – Gaumenmandeln – Zungenmandel

▪ Hypopharynx (Laryngopharynx): gemeinsamer sich überkreuzender Luft- und Speiseweg /

liegt hinter dem Kehlkopf

▪ Um eine Aspiration von Nahrungsbestandteilen zu verhindern, zieht sich beim Schluckakt

die Muskulatur des Pharynx zusammen und transportiert die zerkauten Speisen nach

kaudal. Daneben wird durch die Kontraktionen die Epiglottis über den Eingang des Kehlkopfs

gezogen und dieser damit gegen den Pharynx abgedichtet.

© H. Keifert, 2016

Fokus Pharynx

© H. Keifert, 2015

Fokus Pharynx

Schematische Darstellung der Überkreuzung von Luft- und

Speiseweg (Schünke et al. 2009)

Begrenzung des Pharynx nach

oben durch das Gaumensegel

Abgrenzung zwischen Oro- und

Hypopharynx durch die Epiglottis

▪ Schildknorpel – Ringknorpel

▪ Glottis – Epiglottis – Stimmbänder

▪ aufgehängt am Zungenbein

▪ ligamentum cricothyroideum

▪ Hustenreflex bei Reizung

▪ Trennung in obere und untere Atemwege –

Eingang zur Trachea

▪ Koniotomie – Tracheotomie

▪ Husten: Drucksteigerung durch Glottisschluss bei

nachfolgender plötzlicher Öffnung

→ enorme lokale Atemgasflussgeschwindigkeiten!

© H. Keifert, 2016

Fokus Larynx


▪ Die Stellknorpel „stellen“ die Stimmbänder zur Stimmbildung und zum

Verschluss der Glottis beim Schlucken, Husten oder Pressen.

▪ Durch die Kontraktionen des Pharynx wird die Epiglottis über den Eingang

des Kehlkopfs gezogen und dieser damit gegen den Pharynx abgedichtet.

▪ Die Epiglottis ist durch eine Knorpelplatte verstärkt. Beim Schluckakt senkt

sie sich über die Stimmritze. Durch gleichzeitiges Nachobentreten des

Kehlkopfes wird der Kehlkopfeingang fest verschlossen (Larynxelevation).

© H. Keifert, 2016

Fokus Larynx

© H. Keifert, 2016

Fokus Larynx

Schluckreflex

▪ Auslösung durch Mechano-, Chemo- und Thermorezeptoren in der Mundhöhle und im

gesamten Pharynxbereich

▪ Effizienz der Reflexauslösung ist u.a. vom Ort des Stimulus abhängig: leichter am

vorderen Gaumenbogen - an dorsaler gelegenen Arealen ist mehr Druck erforderlich.

Triggerpunkte

▪ Die Haupttriggerpunkte ändern sich mit zunehmendem Alter.

▪ Bei jüngeren Menschen wird der Schluckreflex bei der Boluspassage an den vorderen

Gaumenbögen ausgelöst.

▪ ab ca. 60 J.: Verlagerung der Triggerpunkte nach dorsal in Richtung Zungenbasis:

Valleculae, Epiglottis, unterer Pharynx

© H. Keifert, 2016

Fokus Larynx

Innervation

⚫ N. trigeminus (V)

⚫ N. facialis (VII)

⚫ N. glossopharyngeus (IX)

⚫ N. vagus (X)

⚫ N. hypoglossus (XII)

⚫ N. recurrens

⚫ N. laryngeus

55 Muskeln

⚫ M. levator labii superioris⚫ M. levator labii superioris alaeque

nasi⚫ M. zygomaticus major⚫ M. zygomaticus minor⚫ M. risorius⚫ M. depressor labii inferioris⚫ M. depressor anguli oris⚫ M. orbicularis oris⚫ M. buccinator⚫ Platysma⚫ M. temporalis⚫ M. masseter⚫ M. pterygoideus medialis⚫ M. pterygoideus lateralis⚫ M. palatoglossus⚫ M. genioglossus⚫ M. styloglossus⚫ M. hyoglossus⚫ M. longitudinalis superior linguae⚫ M. longitudinalis inferior linguae⚫ M. transversus linguae⚫ M. verticalis linguae⚫ M. mylohyoideus⚫ M. digastricus anterior⚫ M. geniohyoideus⚫ M. hyoglossus⚫ M. tensor veli palatini⚫ M. levator veli palatini

⚫ M. levator veli palatini⚫ M. uvulae⚫ M. styloglossus⚫ M. salpingopharyngeus⚫ M. palatoglossus⚫ M. palatopharyngeus⚫ M. stylopharyngeus⚫ M. stylohyoideus⚫ M. digastricus posterior⚫ M. constrictor pharyngis

superior⚫ M. thyreohyoideus⚫ M. thyrohoideus⚫ M. sternohyoideus⚫ M. sternothyroideus⚫ M. omohyoideus⚫ M. constrictor pharyngis

medius⚫ M. constrictor pharyngis

inferior⚫ M. cricopharyngeus⚫ M. aryepiglotticu⚫ M. thyroarytenoideus⚫ M. cricoarytaenoideus

lateralis⚫ M. arytenoideus transversus⚫ M. arytenoideus obliquus⚫ M. cricoarytaenoideus

posterior⚫ M. cricothyroideus⚫ M. ventricularis⚫ M. vocalis

© H. Keifert, 2015

Fokus Larynx

▪ reicht vom Ringknorpel (HWK 6) bis zur Carina (BWK 5)

▪ Länge 11 – 13 cm / Durchmesser 1,5 – 2 cm

▪ 12 – 15 c-förmige Knorpelspangen, nach hinten durch Bindegewebe-

Muskelschicht verschlossen (Pars membranacea)

▪ in- und exspiratorische Querschnittveränderung, vor allem beim Husten

▪ große Längselastizität

▪ individuell unterschiedliche Querschnittformen

▪ Die Knorpelspangen der Trachea und der großen Bronchien verhindern

weitgehend deren Kollabieren.

© H. Keifert, 2016

Fokus Trachea

▪ Die muskulös-elastische Trachealhinterwand wölbt sich beim Hustenstoß tief in

das Tracheallumen vor. Durch die Querschnittsverringerung wird der Luftstrom

stark beschleunigt → Sekret wird vom Luftstrom mitgerissen.

▪ Bei Stabilitätsverlust der Trachea (z. B. Tracheomalazie oder

Säbelscheidentrachea) kollabiert das Restlumen, der Luftstrom bricht

zusammen → Sekretverhalt

▪ Bei exspiratorischer Atemmuskelschwäche (z. B. neuromuskuläre

Erkrankungen) reicht der Druck zur Vorwölbung der Tracheahinterwand

ggf. nicht aus, der Luftstrom wird nicht ausreichend beschleunigt

→ Sekretverhalt

© H. Keifert, 2016

Fokus Trachea

© H. Keifert, 2015

Fokus Trachea

© H. Keifert, 2015

Fokus Trachea: Querschnittformen

Ludemann C, Witte U, Z Prakt Anästh 7, 212 - 217

© I. Berweiler, 2017

Säbelscheidentrachea

© H. Keifert, 2016

Fokus Bronchien

Hauptbronchus

▪ Durchmesser ca. 8 -10 mm

▪ linker Hauptbronchus: Abspreizungswinkel 40 – 60°

▪ rechter Hauptbronchus: Abspreizungswinkel 20 – 30°

Lappenbronchien – Segmentbronchien – Subsegmentbronchien – terminale Bronchien

▪ Durchmesser abfallend bis unter 1 mm

▪ Mit fortschreitender Teilung nehmen Becherzellen und Flimmerepithel ab.

▪ Knorpelanteile werden zunehmend geringer, die Bronchien werden von der elastischen

Spannung des Lungengewebes offengehalten.

▪ Nach den peripheren (terminalen) Bronchien beginnt der respiratorische Abschnitt des

Atemwegssystems und der Übergang ins Lungengewebe (Parenchym).

© H. Keifert, 2016

Fokus Bronchien

o Der Bronchialbaum teilt sich ent-

sprechend der Segmentierung der

Lungenflügel in Lappen- und Segment-

bronchien.

o Der rechte Hauptbronchus teilt sich in

3 Lappen-, diese in 10 Segment-

bronchien.

o Der linke Hauptbronchus teilt sich in

2 Lappen- und 9 Segmentbronchien.

o Der Mittellappenbronchus fehlt links,

an seiner statt geht vom Oberlappen-

bronchus die Lingula ab.

o Anatomische Varietäten sind häufig.


Lungenlappen und -segmente

rechte linkeLunge Lunge

Quelle

: W

. K

ahle

Taschenatlas

der

Anato

mie

Thie

me

Verlag

Stu

ttgart

OL = Oberlappen ML = Mittellappen UL = Unterlappen

Bronchialbaum

© H. Keifert, 2016


© H. Keifert, 2016

Bronchialbaum

ab der 17. Generation: Zunahme der Alveolardichte und somit des Gasaustauschs

• Der Durchmesser der Bronchien nimmt bis

zur 6. Generation schnell ab, wobei der

Gesamtquerschnitt gleich bleibt.

• Bis ca. zur 12. Generation nimmt der Durch-

messer nur noch bis auf ca. 1 mm ab und

wird dann nicht mehr geringer → sprung-

hafter Anstieg des Gesamtquerschnitts

• Die Strömungsgeschwindigkeit der Atemluft

geht daher stark zurück.

• Der Atemwegswiderstand steigt daher nicht

übermäßig an.

• In den Azini wandern die Atemgase fast

ausschließlich durch Diffusion.

© M. Kurray, 2013

Die Atemwege: Größenverhältnisse


Querschnitte

Abb.: F.Netter Ciba/Thieme Verlag Stuttgart

▪ Im Bereich der bronchoskopisch

einsehbaren Atemwege entspricht die

Summe der Querschnitte dem der

Trachea.

▪ Unterhalb der Subsegmentbronchien

nimmt der Querschnitt stark zu. Die

Strömungsgeschwindigkeit der Atemluft

geht daher stark zurück.

▪ In den Azini wandern die Atemgase fast

ausschließlich durch Diffusion.

© H. Keifert, 2016

Quelle: J.W. Rohen Schattauer-Verlag Stuttgart

© H. Keifert, 2015

Fokus Bronchien

▪ Die terminalen Bronchiolen verzweigen sich in die sogenannten

respiratorischen Bronchiolen.

▪ Gasaustauschende Atemwege

▪ Bronchioli respiratorii (beinhalten bereits Alveolen in ihren Wänden)

▪ Ductuli alveolares (Alveolargänge, deren Wand aus Alveolen besteht)

▪ Saccus alveolaris (besteht aus Alveolen)

▪ Alveolen

Die Alveolen im Versorgungsbereich eines Bronchiolus terminalis

bilden die kleinste Lungeneinheit, den Azinus.

Er umfasst 1500 – 4000 Alveolen.

© H. Woehrle, H. Keifert, 2016

Gasaustauschsystem: Bestandteile


Azinus

Bronchiolus respiratorius

Bronchiolus terminalis

Sacculus alveolaris

Abb.: Benninghoff; Urban & Schwarzenberg

▪ ca. 200 – 500 Mio Alveolen

▪ ca. 25 Mio bei Geburt

▪ Oberfläche: 100 m2 bei mittlerer

Inspirationslage

▪ Durchmesser jeder Alveole: ca. 0,1 – 0,2 mm

▪ eingeschlossen von Kapillaren

▪ ausgekleidet durch den Surfactant

▪ mit ca. 1000 Kapillarsegmenten


Alveolen: Allgemeine Infos


Jede Kapillar- und Alveolarwand

besteht aus einer einzelnen Zellschicht,

die durch eine dünne Basalmembran

voneinander separiert werden.

Daher beträgt die Barriere zwischen Luft in

den Alveolen und Blut in den Kapillaren

lediglich 0,1 – 1,5 µm.


Alveolen: Aufbau


▪ Der Surfactant ist ein Lipoprotein, das die Innenoberfläche der Alveole auskleidet und die

Ausdehnung während der Einatmung erleichtert (Reduktion der Oberflächenspannung).

▪ Menge: 10 – 15 ml/kg KG

▪ Synthese: Alveolozyten Typ II

▪ Speicherung: in den Vesikeln der Alveolozyten Typ II (sog. Lamellenkörper)

▪ Sezernation per Exozytose

▪ Mit abnehmendem Radius der Alveole (Exspiration) nimmt die Dicke des Surfactant-Films zu

→ die Oberflächenspannung sinkt, ein Kollaps der Alveole wird verhindert, die Dehnung in

der nachfolgenden Inspiration erleichtert!

▪ Verstärkung lokaler Abwehrmechanismen / Barriere gegen Mikroorganismen

▪ antioxidative Wirkung

© H. Keifert, 2016

Fokus Surfactant (surface active agent)


Alveolen: Aufbau

Alveolen sind kugelförmige Strukturen.

▪ Sie haben gemeinsame Trennwände (→ Interalveolarsepten).

▪ Diese Septen bestehen aus einer dünnen Bindegewebsschicht, die

lumenseitig von Alveolarepithel aus Pneumozyten ausgekleidet sind.

▪ In die Bindegewebsschicht sind dichte Kapillarnetze integriert.

▪ Kohn-Poren sind feinste Poren in den Alveolarsepten, die benachbarte

Alveolen miteinander verbinden.

▪ Sie unterstützen die parallele Belüftung und die gleichmäßige Verteilung der Luft

zwischen den Alveolen.

▪ Sie dienen möglicherweise auch zur Verteilung des Surfactant.

© H. Keifert, 2016

Alveolen: Aufbau

▪ Alveolare Deckzellen bilden die Alveolarwand (Typ I-Pneumozyten).

▪ Alveolare Granulozyten (Typ II-Pneumozyten) speichern und sezernieren

den Surfactant.

© H. Keifert, 2016

Quelle: Benninghoff, Urban und Schwarzenberg

▪ Die Beweglichkeit der oberen Rippen liegt in

erster Linie in der Frontalebene.

▪ Eine tiefe Inspiration hebt sie nach vorne oben.

▪ Das Sternum macht die Bewegung eines

Pumpenschwengels.

▪ Die Beweglichkeit der unteren Rippen liegt in

der Frontal- und Sagittalebene.

▪ Eine tiefe Inspiration hebt sie nach vorne

und seitlich.

▪ Erweiterung der unteren Thoraxapertur

Anatomie: Fokus Rippen

▪ 12 Brustwirbel – 12 Rippenpaare

▪ 1 – 7: sternale Rippen

▪ 8 – 10: asternal

▪ 11 – 12: enden frei in der Muskulatur („unechte Rippen“)

© H. Keifert, 2015

Quelle: Benninghoff, Urban und Schwarzenberg

. . . wölbt sich in Form zweier durch eine

Sehnenplatte miteinander verbundener Kuppeln in

den Brustraum vor.

Ursprung am unteren Ende des Sternum,

den Innenflächen der 7.-12. Rippe und an den

1.-3. Wirbelkörpern der LWS.

Die Muskelfasern münden gemeinsam in das

Centrum tendineum.

Anatomie: Fokus Zwerchfell

Das Zwerchfell (Diaphragma) ist unser Hauptatmungsmuskel.

– Abflachen des Diaphragmas bei Kontraktion

– . . . mit der Pleura verwachsen: appositionelle Zone (7 – 10 cm)

→ erhöht beim Tiefertreten das Brustraumvolumen und erzeugt dabei einen

negativen Druck, der das Einströmen der Luft in die Lungen unterstützt.





▪ Es wird innerviert durch den N. phrenicus, der in Höhe C3 - C5 das Halsmark verlässt und

beidseitig durch die obere Thoraxapertur und das Mediastinum zum Zwerchfell zieht.

▪ Zur Einatmung kontrahiert sich das Zwerchfell und flacht ab, in der Ausatmung wölbt es

sich, von der Rückstellkraft der Lungen gezogen, wieder in den Brustraum vor.

▪ In Ausatemstellung liegt das Zwerchfell an den Rippen an. Bei tiefer Einatmung löst es

sich von der Brustwand ab und vergrößert den Brustraum erheblich. Es eröffnet sich ein

Raum (Rezessus costo-diaphragmaticus), in den sich, vor allem dorsobasal, die Lungen

ausdehnen.

Gesunder in Ruhe Gesunder unter Belastung

Ventilation: bewegte Darstellung

I. M. sternocleidomastoideus

II. M. scalenus

III. M. pectoralis major und minor

IV. M. serratus anterior

V. M. trapezius

VI. Mm. intercostales externi

Sie helfen bei einem hohem Atemvolumen den Thorax während der

Inspiration zu heben.

– Bauchatmung – Thoraxatmung

– bei körperlicher Anstrengung

– bei krankheitsbedingt erhöhter Atemarbeit


Anatomie:

Fokus inspiratorische Hilfsmuskulatur


Quelle

: P

latz

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W. T

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me-V

erlag

Stu

ttgart

Anatomie:

Fokus inspiratorische Hilfsmuskulatur

▪ Durch Verändern der Geometrie des Schulter-

gürtels (z. B. bei angehobenen Armen) können

auch Muskeln die Atmung unterstützen, die

sonst primär nicht erweiternd auf den

knöchernen Thorax wirken.

▪ Um die Wirkung der Brustmuskulatur zu

verbessern müssen ggf. die Schultern

hochgezogen und der Schultergürtel fixiert

werden.

Es gibt keine primäre Exspirationsmuskulatur!

→ Die Exspiration verläuft durch die Rückstellkräfte der Lunge und des knöchernen

Thorax passiv und erfordert keine Muskelarbeit. Das Zwerchfell hat sich entspannt.

Hilfsmuskulatur bei der Exspiration

I. Mm. intercostales interni

II. M. transversus abdominis

III. M. rectus abdominis

IV. M. obliquus abdominis

▪ Sie unterstützen die Ausatmung

− bei hohem Atemvolumen / bei Atemwegsobstruktion / bei hoher Atemlast

▪ Sie unterstützt beim Husten und Niesen.


Anatomie:

Fokus exspiratorische Hilfsmuskulatur


Exspiratorische Atemmuskulatur

▪ Den wirkungsvollsten Anteil an der Unterstützung der Exspiration haben die

Bauchmuskeln, sie drängen durch die Bauchpresse das Zwerchfell empor.

▪ Gemeinsam mit den Mm. intercostales interni wirken sie auch die Rippen bzw. den

Brustkorb absenkend.

▪ M. obliquus abdominis

▪ M. transversus abdominis

▪ M. rectus abdominis (v.a. Rippensenkung, Bauchpresse nur aus tiefer Inspiration)

▪ Mm. intercostales interni

M. sternocleidomastoideus

/ M. scalenus

externe Interkostal-

muskulatur

Zwerchfell

ANTERIOR

interne

Interkostalmuskulatur

Bauchmuskulatur

POSTERIOR


Atmungs-

muskulatur


Atempumpe

▪ Die Atempumpe ist Steuerung und Motor der Atmung.

▪ Sie sorgt dafür, dass das gasaustauschende Organ Lunge seine Aufgabe

erfüllen kann.

▪ Eine Störung der Atempumpe führt immer zu einer Störung der Ventilation.


▪ Gehirn

▪ Nerven

▪ Muskel

▪ knöcherner Thorax

Atempumpe

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Teil 2: Physiologische Grundlagen

Einzelkomponenten der Atmung

Vier Komponenten des Atmungsprozesses:

▪ Atmungsregulation

▪ Ventilation – Perfusion

▪ Pulmonaler Gasaustausch

▪ Transport von Sauerstoff (O2) und Kohlendioxid (CO2)


Atmungsregulation

Atmungsregulation: Ziele

▪ Aufrechterhaltung angemessener Mengen von Sauerstoff und

Kohlendioxid (angepasst an die aktuelle Stoffwechselsituation)

▪ Dieses Ziel wird durch die Steuerungsmechanismen des

Atemzentrums sowie anderer Instanzen erreicht.


© I. Berweiler, H. Keifert 2018

Atmungsregulation

Die oberste Kontrolle über die Atmung obliegt dem

Großhirn → Willkürliche Atmung

Der Rhythmusgenerator für den Wechsel von Ein- und

Ausatmung sitzt im verlängerten Rückenmark (Medulla

oblongata) → Unwillkürliche Atmung

Zentrale Chemorezeptoren messen pH-Wert in

Arealen an der Medulla oblongata.

Periphere Rezeptoren messen den Sauerstoff-

und den Kohlendioxidpartialdruck

→ Aortenbogen, Glomus caroticum

Dehnungsrezeptoren in Trachea, Bronchien und

Bronchiolen: Hering-Breuer-Reflex (vagale Afferenzen)

Dehnungsrezeptoren der Muskelspindeln an Sehnen

und der Muskulatur sowie der Thoraxwand

Unspezifische Reize (Kälte, Schmerz, Fieber,

Hormone)

© H. Keifert, 2014

Atmungsregulation



Unterschreitet der paO2 100 mmHg steigt die Impulsfrequenz

der Sensoren steil an. Gleichzeitiger paCO2-Anstieg und pH-

Abfall verstärken den Effekt.

Anstieg des paCO2 von 40 mmHg auf 70 mmHg verzehnfacht

das Atemzeitvolumen.

Bei chronischem paCO2-Anstieg nimmt der zentrale

Atemantrieb aber wieder ab.

Dehnungsrezeptoren in der Tracheal- und Bronchialwand

melden Informationen über die Atemtiefe, Muskelspindeln die

Spannung in der Atemmuskulatur.

Atmungsregulation


Atmungsregulation


Ventilation – Perfusion

Ventilation – was ist das?


▪ Mechanische Beförderung von Luft in die Lunge und aus der Lunge heraus

(Inspiration / Exspiration)

▪ Hierbei spielt die Atemmechanik eine wichtige Rolle:

▪ Compliance

→ Elastische Eigenschaften der Lunge: Dehnbarkeit der Lunge

(alveoläre Oberflächenspannung)

→ Elastische Eigenschaften der Thoraxwand: Dehnbarkeit des Thorax

▪ Resistance

→ Der Atemwegswiderstand nimmt von proximal nach distal ab.

Jede Änderung einer dieser Komponente führt zur Veränderung der zu leistenden Atemarbeit!

Exsp.

Reserve-

Volumen

Atemzugvolumen

Atemhubvolumen(VT)

Residualvolumen(RV)

Totalkapazität

(TLC)

Inspiratorische Kapazität

(IC)

Funktionelle Residualkapazität

(FRC)

Vitalkapazität

(VC)Insp.

Reserve-

volumen

Maximale Inspiration

Maximale Exspiration

Zeit (s)

6.0

4.5

3.0

1.5

0

Variierendes

Atemzugvolumen

Vo

lum

en

(l)


Ventilation: Fokus Atemvolumina


Ventilation: alveoläre Ventilation

© H. Keifert, 2018

▪ Anteil des Inspirationsvolumens, das tatsächlich am Gasaustausch teilnimmt

▪ Einflussfaktoren:

o Atemfrequenz – Atemzugvolumen

o Je schneller und oberflächlicher die Atmung, desto mehr nimmt die Totraumventilation

auf Kosten der alveolären Ventilation zu.

o Totraumquotient: Verhältnis Totraumvolumen zu Atemzugvolumen liegt bei 0,3.

Beispiel: 150 ml / 450 ml = 0,3

o Eine Steigerung des Quotienten führt im weiteren Verlauf zu einer Hyperkapnie

und zu einer Zunahme der Atemarbeit.

Ventilation: weitere Lungenvolumina

closing capacity (CC)

Kommt es während einer langsamen Exspiration zu einem ersten Verschluss terminaler Luftwege, dann

wird das zu diesem Zeitpunkt in der Lunge verbleibende Volumen als Verschlusskapazität bezeichnet.

closing volume (CV)

Subtrahiert man von der CC das Residualvolumen erhält man das Verschlussvolumen.

Funktionelle Residualkapazität (FRC)

Summe von exspiratorischem Reservevolumen und Residualvolumen (ca. 3 – 3,5 l)

1. Welche Bedeutung haben diese Zusammenhänge in der praktischen Tätigkeit?

2. Welche Bedeutung haben diese Zusammenhänge für die Einstellung des Respirators?

© H. Keifert, 2014

Ventilation: Fokus CC – CV – FRC

© H. Keifert, 2014


Ventilation: Fokus Compliance – Elastance

C = V/p

Druck, der aufgebracht werden muss, um eine bestimmte

Volumenänderung in der Lunge zu erreichen.

→ Eigenschaften der Lunge und des Thorax (Dehnbarkeit,

„Steifigkeit“)

→ Praktische Relevanz

© H. Keifert, 2014

© H. Keifert, 2014


Ventilation: Fokus Compliance – Elastance

R = p/Flow

Druckänderung, die notwendig ist, um die Luft mit einer bestimmten

Geschwindigkeit in die Lunge zu leiten

→ Eigenschaften der Atemwege

→ Praktische Relevanz

Hagen-Poiseuille-Gesetz:

Der Strömungswiderstand ist umgekehrt proportional zur 4. Potenz des

Radius eines Bronchus. Halbiert sich der Radius, nimmt der Atemwegs-

widerstand um den Faktor 16 zu.

© H. Keifert, 2015

Ventilation: Fokus Resistance

© H. Keifert, 2014

Fokus Totraum

Anteil des Respirationstrakts, der nicht am Gasaustausch teilnimmt.

▪ Anatomischer Totraum

▪ Alveolärer Totraum

▪ Funktioneller Totraum


Fokus Totraum: anatomischer Totraum

Bei jedem Atemzug verbleibt ein Teil des Inspirationsvolumens in den

luftführenden Atemwegen . . .

– . . . und erreicht somit nicht die Alveolen,

– und nimmt somit auch nicht am pulmonalen Gasaustausch teil.

– Anatomischer Totraum: ca. 2 ml/kg KG

– Reduktion durch Intubation (ca. 80 ml) oder Tracheotomie (ca. 50 ml)

Fokus Totraum: alveolärer Totraum

© H. Keifert, 2016

▪ Der alveoläre Totraum beinhaltet die Anteile der Alveolen, die aufgrund

pathologischer Veränderungen nicht am Gasaustausch teilnehmen.

− Minderdurchblutung (LAE – Schock etc.)

→ Totraumventilation

− Minderbelüftung (Dystelektase – Atelektase etc.)

→ venöse Beimischung / pulmonaler Rechts-Links-Shunt

▪ Der alveoläre Totraum ist bei Gesunden unter Spontanatmung minimal.

Summe des anatomischen und alveolären Totraums

Fokus Totraum: Funktioneller Totraum

© H. Keifert, 2014

Systemischer Kreislauf

Pulmonaler Kreislauf


Das Herzzeitvolumen ist in

beiden Kreisläufen identisch,

allerdings sind im

Pulmonalkreislauf die Drücke

und Widerstände geringer!

Perfusion – was ist das?

Körperkapillaren

Lungenkapillaren


▪ Pulmonaler Kreislauf

Niederdrucksystem: transportiert das venöse Blut vom Herzen zur Lunge

In der Lunge gibt das Blut sein Kohlendioxid ab und nimmt Sauerstoff auf. Das

oxygenierte Blut gelangt zurück zum Herzen, bevor es in den systemischen Kreislauf

geleitet wird.

Die Lungenperfusion ist sehr inhomogen und hängt erheblich von der Schwerkraft ab.

▪ Systemischer Kreislauf

Hochdrucksystem: transportiert das arterielle Blut vom Herzen zu allen Zellen des

Körpers und bringt das verbrauchte Blut zurück zum Herzen.

SVR ~ PVR x 10


Kreislaufsystem

Ventilation und Perfusion

Begriffsklärungen – Praktische Bedeutung

▪ Ventilations-Perfusions-Verhältnis

o Valv / HZV = 0,8

▪ Euler-Liljestrand-Mechanismus = Hypoxisch-pulmonale Vasokonstriktion

▪ shunt in time

▪ Intrapulmonaler (funktioneller) Rechts-Links-Shunt

(Perfusion „ohne“ Ventilation): max. 5 %

© H. Keifert, 2016

Fokus Blutbildung: das ist neu!

© H. Keifert, 2017

▪ Die Lunge beteiligt sich in erheblichem Umfang an der Blutbildung.

▪ Der Fokus scheint auf der Bildung von Thrombozyten zu liegen.

▪ . . . entdeckt durch eine spezielle Aufnahmetechnik

▪ Schlüsselzellen bei der Bildung sind Blutstammzellen und

Megakaryozyten.

Nature 2017; 544 (7648): 105-109

Pulmonaler Gasaustausch

Atemgase

© H. Keifert, 2018

Gesamtluftdruck trockener Luft auf Meereshöhe: 760 mmHg

(höhenabhängige Schwankungen)

→ Jedes Gas hat einen prozentualen Anteil und seinen eigenen Partialdruck.

▪ Stickstoff: 78 % → 592 mmHg

▪ Sauerstoff: 21 % → 159 mmHg

▪ Edelgase gesamt: 1 % → 8 mmHg

▪ Kohlendioxid: 0,034 % → 0,25 mmHg

Atemgase

© H. Keifert, 2018

Bei der Inspiration wird die Luft mit Wasserdampf („gasförmiges Wasser“) gesättigt. Der Wasser-

dampf nimmt seinen eigenen Anteil ein – die Partialdrücke der anderen Gase vermindern sich.

Auf dem Weg in die Alveolen vermischt sich die Frischluft mit dem aus den Alveolen stammenden

CO2-angereichertem Gas.

Nach der Einatmung herrschen in der Alveole die folgenden Partialdrücke:

▪ pN2 = 574 mmHg

▪ pO2 = 100 mmHg pO2 (Pulmonalarterie) = 40 mmHg → O2 diffundiert ins Blut.

▪ pCO2 = 39 mmHg pCO2 (Blut) = 45 mmHg → CO2 diffundiert in die Alveole.

▪ pH2O = 47 mmHg

Fokus: Kohlendioxid

© H. Keifert, 2014

▪ . . . durchdringt sehr leicht alle biologischen Membranen

▪ . . . ca. 25-fache Diffusionsfähigkeit im Vergleich zu Sauerstoff

▪ . . . ca. 20-fache Löslichkeit im Vergleich zu Sauerstoff

M = Diffusionsstrom

K = Krogh-Diffusionskoeffizient

F = Fläche

d = Dicke

Δp = Partialdruckdifferenz

M = K ΔpF

d

.

.

Qu

elle

n n

icht e

ruie

rba

r


Fokus: pulmonaler Gasaustausch

Ein darstellendes Maß für den Gasaustausch ist

der Partialdruck.▪ Sauerstoff = pO2

▪ Kohlendioxid = pCO2

1. Ventilation: der mechanische Transport von Luft in die

Lunge (Verteilung) und aus der Lunge heraus

2. Diffusion: der Gastransport zwischen Luft, Teilen der

Lunge und dem Blutstrom

3. Perfusion: die Blutbewegungen in das pulmonale

Kapillarbett und aus ihm heraus


Pulmonaler Gasaustausch: Komponenten

Sauerstoffaufnahme


Sauerstoffgehalt der Luft: 21 %

Pro Liter Atemluft werden 210 ml O2 eingeatmet (21 % von 1 Liter) und 170 ml

O2 wieder ausgeatmet → 40 ml O2 / l Luft werden aufgenommen = 4 %

Sauerstoffaufnahme in Ruhe:

⚫ Pro Minute → ca. 0,3 Liter(AF x AZV = 15 x 0,5 l = 7,5 l x 0,04 = = 300 ml)

⚫ Pro Stunde → 18 Liter

⚫ Pro Tag → 450 Liter

Hierzu müssen pro Tag etwa 10 000 Liter Luft geatmet werden.

Unter Belastung kann die Sauerstoffaufnahme auf

bis zu 3l/min gesteigert werden.

Sauerstoffaufnahme


Kontaktzeit des Erythrozyten an der Alveole:

▪ in Ruhe ≈ 0,75 s

▪ unter Belastung ≈ 0,25 s

→ Zeit für die Sauerstoffaufnahme

Kontaktzeit bei Fibrose / Emphysem:

▪ in Ruhe oft ausreichend

▪ unter Belastung zu kurz

→ Hypoxämie

Parameter Normal Hypoxämie Anämie

paO2 90 mmHg 45 mmHg 90 mmHg

SaO2 98 % 80 % 98 %

Hb 15 g/dl 15 g/dl 7,5 g/dl

CaO2 200 ml/l 163 ml/l 101 ml/l

Änderung der

CaO2 18,6 % 49,5 %

Sauerstoffpartialdruck – Sauerstoffgehalt

© H. Keifert, 2013

Wie interpretieren Sie die folgende

Situation?

32-jährige Patientin

vorstellig beim Hausarzt

„Grippewelle“ im Freundeskreis

seit 1 Tag Husten und „bekommt schlecht Luft“, AF = 29/min

Sinustachykardie: 129/min, T = 39.2°C rektal

Blutgasanalyse:

pkapO2 = 62 mmHg

pkapCO2 = 28 mmHg

pH = 7.51

Antibiotikum, viel Trinken, Ruhe, nach Hause geschickt

Der paO2 ist auch von der Ventilation abhängig!

„Bereinigter“ paO2 = paO2 – 1,66 x (40 – paCO2)

= 62 – 1,66 x (40 – 28) =

= 42 mmHg

© H. Keifert, 2013

Alveole:

pO2 = 100 mm Hg

pCO2 = 40 mm Hg

Pulmonalarterie:

(venöses Mischblut)

pO2 = 40 mm Hg

pCO2 = 46 mm Hg

Pulmonalvene:

(arterielles Blut)

pO2 = 100 mm Hg

pCO2 = 40 mm Hg

Inspirationsluft:

pO2 = 150 mm Hg

pCO2 = 0 mm Hg

Exspirationsluft:

(Mittelwerte)

pO2 = 114 mm Hg

pCO2 = 29 mm Hg

Quelle: J. Rathgeber

Gewebe:

pO2 = 40 mm Hg

pCO2 = 46 mm Hg

© H. Keifert, 2016

Zusammenfassung

Blutstrom – Partialdrücke

CO2-Transport

© H. Keifert 2014

o 70 % chemisch gebunden als Bicarbonat

(Haupttransportmechanismus)

Wie funktioniert dieser Haupttransportmechanismus?

Oxy-Hb

o 10 % physikalisch gelöst im Blut

CO2 ist in Wasser 21 mal löslicher als O2.

o 20 % gebunden an Hämoglobin (Carbamino-Hb)

CO2

CO2CO2

CO2

Carbamino-Hb

Das mukoziliäre Transportsystem besteht aus:

– Flimmerepithelzellen mit Flimmerhärchen → 12 – 20/sec

– Wässrige, dünnflüssige Solschicht

– „Konsistentere“ Gelschicht

▪ fließt auf der wässrigen Solschicht

▪ fängt Fremdkörper durch „Klebkraft“ ab.

▪ wird durch die Zilien bewegt → ca. 2 cm/min

▪ Feuchtegehalt ist ausschlaggebend für Transport.

Funktionsvoraussetzungen:

– Anzahl, Struktur und koordinierte Aktivität der Zilien

– Temperatur: 37°C

– absolute Feuchtigkeit: 44 mg/l

– ca. 100 ml Sekret/d

© H. Keifert, 2017

Mukoziliäres Transport- und Clearance-System


Epithelzellen mit

Zilien

Solschicht: periziliäre

Flüssigkeit aus den

submukösen Drüsen

(Gleitschicht)

Was heißt das konkret?

Gelschicht: muzin-

reicher Schleim u.a.

aus den Becher-

zellen und sub-

mukösen Drüsen

▪ Die Zilien des Flimmerepithels ragen nur

beim Vorwärtsschlag mit ihren Spitzen in

die Gelphase hinein.

▪ Beim Rückschlag ziehen sie sich in die

Solschicht zurück.

Abb.: unbekannt

Abb.: unbekannt

Epithelzelle

Bronchiallumen

Solphase

Gelphase

1

7

23

4

6

5

8


Mukoziliäres Transport- und Clearance-System

© H. Keifert, 2015

Sinkende Transportgeschwindigkeit durch:

▪ hohe O2- oder CO2-Konzentrationen

▪ Parasympathomimetika

Höhere Transportgeschwindigkeit durch:

▪ β-Sympathomimetika

Störung der mukoziliären Clearance

Aus dem dichten Zilienrasen des Flimmerepithels . . .



. . . macht die chronische Entzündung eine Wüste!




Folgen der chronischen Entzündung:

o Schleimhautverdickung

o Hypertrophie der glatten Muskulatur

→ Enge

o Hypertrophie der submukösen

Schleimdrüsen

→ vermehrte Schleimproduktion

o Degeneration der Knorpel

→ Instabilität

Abb.: unbekannt

Abb.: unbekannt




Weitere „Clearance-Mechanismen“

▪ Husten zum Entfernen großer Partikel

▪ Hustenreflex: die sensible Innervation der Atemwege erhält unter

anderem Impulse durch Berührungs- und Dehnungsrezeptoren

▪ Alveolarmakrophagen der terminalen Bronchien

▪ Anorganische Substanzen verbleiben problemlos mit den Makro-

phagen in der Peripherie, können aber auch eine Fibrose auslösen.

▪ Antimikrobielle Peptide des respiratorischen Epithels (Defensine,

Surfactantproteine)

▪ Epithelzellen kommunizieren mit Immunsystem und bilden bei

Antigenkontakt spezifische Zytokine

© H. Keifert, 2015

- 6 bis - 8 mbar - 3 bis - 5 mbar

Inspiration Exspiration

Quelle: J. Rathgeber

© H. Keifert, 2016

Fokus Pleura: intrapleuraler Druck

Die Lunge bleibt an der Thoraxinnenseite „haften“.

Pleura visceralis

Pleura parietalis

Pleura mediastinalis

Pleura diapharagmatica

© H. Keifert, 2014

Fokus transpulmonaler Druck

TPP = Palv – Ppleu

▪ transpulmonaler Druck

▪ alveolärer Druck

▪ Pleuradruck

o Welcher Zusammenhang besteht zwischen diesen beiden Drücken im

Kontext der Beatmung?

o Welche Konsequenzen lassen sich für die tägliche pflegerische Praxis

ableiten?

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