Transcript Seminar_Atmung_3_Themen

Seminarthemen „Atmung“
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)
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
Kehlkopf
Luftröhre
Lungenflügel
Bronchie
Bronchiole
Lungenbläschen
Exposé: Warum atmen wir ?
h
H2O + CO2  [CH2O]n + O2
H2O + CO2  [CH2O]n + O2
„Wir ernähren uns von
gespeichertem Licht.“
Energie
(Wärme, Arbeit)
Fritz-Albert Popp, *1938, dt.
Biophysiker
Exposé: Wo benötigen wir den Sauerstoff ?
Die „Sauerstoff-Rutsche“:
Fette
Eiweiße
Kohlenhydrate
-Oxidation
Glykolyse
enzymatischer Abbau
Acetyl-CoA
äußere Atmung

CO2 
ZitronensäureZyklus
innere Atmung

H2
Atmungskette
Energie
Zellatmung
O2
Exposé: Wie viel Sauerstoff benötigen wir ?
O2-Verbrauch in Ruhe
ungefähr
O2-Verbrauch bei Arbeit
bis zu
ständige Substitution erforderlich:
300 ml/min
3.000 ml/min
Die Etappen des O2- bzw. CO2-Transports
Die Gesamtheit der an der Sauerstoff-Aufnahme sowie an der damit
gekoppelten Kohlendioxid-Abgabe beteiligten Prozesse werden als
Atmung bezeichnet.
Respirationstrakt
O2
Herz-KreislaufSystem
atmendes
Gewebe
O2
O2
Körperkreislauf
Lungenkreislauf
CO2
CO2
Konvektion
Diffusion
äußere
Atmung
CO2
Konvektion
Diffusion
innere
Atmung
GewebsAtmung
Die Etappen des O2- bzw. CO2-Transports
O2
CO2
O2
O2
CO2
CO2
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
Kriterien für einen effektiven Gasaustausch
per Diffusion
1. große Austauschfläche
2. kurze Diffusionsstrecke
3. großer Konzentrationsgradient über der
Austauschfläche
Adolf Fick, 1829-1901, Würzburger Physiologe
4. Austauschfläche mit Materialeigenschaften, die zur Diffusion
geeignet sind
Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per
Diffusion: 1. große Austauschfläche
Trachea
Bronchi
Bronchioli
Alveolen
Q/t = D  F 
C1 - C2
d
1 - Bronchiole
2 - Ast der Lungenschlagader
3 - Endbronchiole
4 - Alveolengang
5 - Trennwand zwischen zwei Alveolen
6 - Ast der Lungenvene
7 - Lungenkapillarnetz
8 - elastischer Faserkorb der Alveole
9 - Lungenfell
Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per
Diffusion: 2. kurze Diffusionsstrecke
1 µm
A - Alveolarraum
EC - Erythrozyt
EN - Endothel
EP - Epithel
IN - Interstitium
Q/t = D  F 
C1 - C2
d
O2
0,2-0,6 µm
CO2
Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per
Diffusion: 3. großer Konzentrationsgradient
2 Pumpensysteme:
Lunge (Blasebalg-Pumpe)  [O2] ~ pO2 
Herz (Ventil-Pumpe)
Q/t = D  F 
C1 - C2
d
 [O2] ~ pO2 
Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per
Diffusion: 4. hohe Permeabilität
gute Durchlässigkeit der
alveolären Diffusionsbarriere
für Atemgase
DL = ~30 ml×min-1×mmHg-1
O2
DL = ~100 ml×min-1×mmHg-1
CO2
Q/t = D  F 
C1 - C2
d
daher: nur kurze Kontaktzeit
erforderlich
Der Respirationstrakt
oberer
Respirationstrakt
unterer
Respirationstrakt
Die Atemwege
Die Atemwege
Atemvolumina
Residualvolumen
(RV)
Exspiratorisches
Reservevolumen (ERV)
(inkl. Totraum)
Atemzugvolumen (AZV)
Inspiratorisches
Reservevolumen (IRV)
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)
Menge = Volumen  Konzentration
M=VC
VS  F0 = (VS + VL)  F1
L
VL = VS 
F0 - F 1
F1
RV = VL - AZV - ERV
Bestimmung des Totraumes mit Hilfe der „vereinfachten“ Bohr-Formel:
VD = VE  (FA CO – FE
2
CO2
) / FA
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
Atemgrenzwert AGW = 4 l  40 min-1  160 l/min
Einsekundenkapazität ESK  4 l/s (rESK  80%)
TIFFENEAU-Test
100
rel. ESK (%)
Restriktion:
restriktive
Ventilationsstörung
- Fibrose
o.B.
- Skoliose
- etc.
75
Obstruktion:
kombinierte
Ventilationsstörung
obstruktive
Ventilationsstörung
- Bronchitis
- Asthma
- etc.
50
50
Robert Tiffeneau, 1910-1961, Pariser Arzt
75
100
rel. VK (%)
2. Seminarthema
Mechanische Eigenschaften
von Lunge und Thorax
Elastizität von Lunge und Thorax
RV
Atemruhelage
TK
normal
Pneumothorax
Emphysem
Fibrose
Atemruhelage
Gleichgewicht zwischen …
… den auswärts gerichteten
Kräften des Thorax-Skeletts …
… und den einwärts gerichteten
Kräften der Lunge
Ruhedehnungskurven von Lunge & Thorax
Druckdifferenz P (kPa)
Druckdifferenz P (cm H2O)
Versuchsanordnung zur Bestimmung
der Ruhedehnungskurven
Mechanische Eigenschaften von Lunge & Thorax 1
- Volumen-Dehnbarkeit (elastische Widerstände)
Compliance
V
P
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
Mechanische Eigenschaften von Lunge & Thorax 2
- 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 sich
reziprok:
1/RGesamt = 1/R1 + 1/R2 + … + 1/Rn
Zeitkonstante = Compliance × Resistance
Z=C×R=
V
P
V
P × t
×
=
×
= t
P (V / t) P
V
l
mbar × s
×
= s
mbar
l
100
Vt in % von V0
80
Lungenbelüftung
(im Prinzip spiegelbildlich)
60
40
-
Vt = V0 × e
t
R×C
37%
Lungenentleerung
20
14%
5%
0
2%
1%
R×C
0
1
2
3
4
5
6
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2 (s)
C = 0,1 l × mbar-1
R = 2,0 mbar × s × l-1
Zeitkonstante = Compliance × Resistance
Z=C×R=
V
P
V
P × t
×
=
×
= t
P (V / t) P
V
l
mbar × s
×
= s
mbar
l
100
Vt in % von V0
80
Lungenbelüftung
(im Prinzip spiegelbildlich)
60
40
Atemfrequenz: 15 min-1
Atemzyklus:
4s
Atemzeitverhältnis I/E: 1 : 2
37%
Lungenentleerung
20
Inspiration:
~ 1,3 s
Exspiration:
~ 2,6 s
14%
5%
0
2%
1%
R×C
0
1
2
3
4
5
6
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2 (s)
Atemgaswechsel durch Brust- und Bauchatmung
Atemgaswechsel (Brustatmung)
Flankenstoß
Vorstoß
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:
Bauchatmung
(Abdominal-Atmung)
Jugendl. & Erw.: kombinierte Atmung
Senior:
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
0,03% CO2
79,04% „N2“
(davon ca. 1% Edelgase)
159 mmHg pO2
0,2 mmHg pCO2
600 mmHg pN2
- alveoläres Gasgemisch
14 % O2
5,7% CO2
Rest „N2“
106
40
610
mmHg pO2
mmHg pCO2
mmHg pN2
- Exspirationsgasgemisch
16% O2
4% CO2
Rest „N2“
122
30
608
mmHg pO2
mmHg pCO2
mmHg pN2
(Bei Inspiration gelangen ~2/3 der Luft in die Alveolen; das restliche Drittel verbleibt im
Totraum.)
Atemgaspartialdrücke in Lunge & Blut
Alveolen
arterielles
Blut
venöses
Blut
Exspiration
pO2
159
106
90
40
122
pCO2
0,2
40
40
46
30
pO2 / pCO2 (mmHg)
Luft
160
120
80
40
0
Atemgaspartialdrücke in Lunge & Blut
Alveolargas
alveoläre Atemgaspartialdrücke vs. Ventilation
Hypoventilation 
 Hyperventilation
Druckverläufe während der Atembewegungen
(Übersicht)
Inspiration Exspiration
Spirogramm
cm H2O
+2
0
-2
intrapulmonaler
Druck
-4
-6
intrapleuraler
Druck
Druckverläufe während der Atembewegungen
(statisch vs. dynamisch)
[kPa]
Atemarbeit (Druck-Volumen-Diagramm)
fiktive Atmung
(nur elastische
Widerstände)
normale Ruheatmung
forcierte
Atmung
Atemarbeit  1-2% vom Grundumsatz
(in Ruhe; beim Gesunden)
Widerstände, die beim Einatmen überwunden
werden müssen
- Volumen-Dehnbarkeit (elastische Widerstände)
 Compliance
- Atemwegswiderstände (visköse Widerstände)
 Resistance
Kgesamt = Kelast + Kvisk + KDef + KReib
Kelastisch
 2/3
Kviskös
 1/3
KDeformation  0
KReibung
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?
Volumen
Oberfläche
Volumen
Oberfläche
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
Weil bei der Kugel das günstigste Oberflächen-/
Volumen-Verhältnis besteht.