Seminarthemen Atmung 1 Struktur und Dynamik des Respiratorischen

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 H 2 O + CO 2 [CH 2 O]n + O 2 „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-Co. A äußere Atmung CO 2 Zitronensäure. Zyklus innere Atmung H 2 Atmungskette Energie Zellatmung O 2

Exposé: Wie viel Sauerstoff benötigen wir ? O 2 -Verbrauch in Ruhe ungefähr O 2 -Verbrauch bei Arbeit bis zu ständige Substitution erforderlich: 300 ml/min 3. 000 ml/min

Die Etappen des O 2 - bzw. CO 2 -Transports Die Gesamtheit der an der Sauerstoff-Aufnahme sowie an der damit gekoppelten Kohlendioxid-Abgabe beteiligten Prozesse werden als Atmung bezeichnet. Respirationstrakt O 2 CO 2 Konvektion Diffusion äußere Atmung Herz-Kreislauf. System Lungenkreislauf atmendes Gewebe Körperkreislauf O 2 CO 2 Konvektion Diffusion innere Atmung Gewebs. Atmung

Die Etappen des O 2 - bzw. CO 2 -Transports O 2 CO 2 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 C 1 - C 2 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 Bronchioli Alveolen Q/t = D F C 1 - C 2 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 C 1 - C 2 d O 2 0, 2 -0, 6 µm CO 2

Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion: 3. großer Konzentrationsgradient 2 Pumpensysteme: Lunge (Blasebalg-Pumpe) [O 2] ~ p. O 2 Herz (Ventil-Pumpe) Q/t = D F C 1 - C 2 d [O 2] ~ p. O 2

Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion: 4. hohe Permeabilität gute Durchlässigkeit der alveolären Diffusionsbarriere für Atemgase DL = ~30 ml×min-1×mm. Hg-1 O 2 DL = ~100 ml×min-1×mm. Hg-1 CO 2 Q/t = D F C 1 - C 2 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 F 0 = (VS + VL) F 1 L VL = V S F 0 - F 1 RV = VL - AZV - ERV Bestimmung des Totraumes mit Hilfe der „vereinfachten“ Bohr-Formel: VD = VE (FA CO 2 – FE CO 2 ) / FA CO 2

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 (r. ESK 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 (k. Pa) Druckdifferenz P (cm H 2 O) 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 = R 1 + R 2 + … + Rn Parallel geschaltete Widerstände (Äste der Bronchialbaumes) addieren sich reziprok: 1/RGesamt = 1/R 1 + 1/R 2 + … + 1/Rn

Zeitkonstante = Compliance × Resistance Z=C×R= V P × t × = t P ( V / t) P V Lungenbelüftung (im Prinzip spiegelbildlich) l mbar × s × = s mbar l - Vt = V 0 × e t R×C Lungenentleerung C = 0, 1 l × mbar-1 R = 2, 0 mbar × s × l-1

Zeitkonstante = Compliance × Resistance Z=C×R= V P × t × = t P ( V / t) P V Lungenbelüftung (im Prinzip spiegelbildlich) l mbar × s × = s mbar l Atemfrequenz: 15 min-1 Atemzyklus: 4 s Atemzeitverhältnis I/E: 1 : 2 Lungenentleerung Inspiration: ~ 1, 3 s Exspiration: ~ 2, 6 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 mm. Hg p. H 2 O}]) - Luft 20, 93% O 2 0, 03% CO 2 79, 04% „N 2“ (davon ca. 1% Edelgase) 159 mm. Hg p. O 2 0, 2 mm. Hg p. CO 2 600 mm. Hg p. N 2 - alveoläres Gasgemisch 14 % O 2 5, 7% CO 2 Rest „N 2“ 106 40 610 mm. Hg p. O 2 mm. Hg p. CO 2 mm. Hg p. N 2 - Exspirationsgasgemisch 16% O 2 4% CO 2 Rest „N 2“ 122 30 608 mm. Hg p. O 2 mm. Hg p. CO 2 mm. Hg p. N 2 (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 p. O 2 159 106 90 40 122 p. CO 2 0, 2 40 40 46 30 p. O 2 / p. CO 2 (mm. Hg) 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 H 2 O +2 0 -2 intrapulmonaler Druck -4 -6 intrapleuraler Druck

Druckverläufe während der Atembewegungen (statisch vs. dynamisch) [k. Pa]

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 Ø Sie bewirken, dass die Lungen sich beim ersten Atemzug entfalten (Cave: Frühgeburten). Ø Sie verhindern Atelektasen. Ø Sie egalisieren die unterschiedlichen Oberflächenspannungen in Alveolen unterschiedlichen Durchmessers. Ø Sie egalisieren die unterschiedlichen Oberflächenspannungen in den Alveolen während der verschiedenen Atemphasen. Ø Sie helfen, Atemarbeit zu sparen. Air

Warum sind Alveolen rund? Volumen Oberfläche Kugel 1 cm 3 4, 84 cm 2 0, 21 cm 3 1 cm 2 Zylinder 1 cm 3 5, 57 cm 2 0, 18 cm 3 1 cm 2 Oktaeder 1 cm 3 5, 72 cm 2 0, 18 cm 3 1 cm 2 Würfel 1 cm 3 6, 00 cm 2 0, 17 cm 3 1 cm 2 Kegel 1 cm 3 6, 83 cm 2 0, 15 cm 3 1 cm 2 Pyramide 1 cm 3 7, 08 cm 2 0, 14 cm 3 1 cm 2 Tetraeder 1 cm 3 7, 21 cm 2 0, 14 cm 3 1 cm 2 Weil bei der Kugel das günstigste Oberflächen-/ Volumen-Verhältnis besteht.