Seminarthemen „Atmung“
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1.: Struktur und Dynamik des Respiratorischen Systems PowerPoint PPT Presentation


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

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1.: Struktur und Dynamik des Respiratorischen Systems

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Presentation Transcript


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

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 struktur und dynamik des respiratorischen systems

Nasenhöhle

Kehlkopf

Luftröhre

Lungenflügel

Bronchie

Bronchiole

Lungenbläschen

1. Seminarthema

Struktur & Dynamik des Respiratorischen Systems


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

h

H2O + CO2 [CH2O]n + O2

H2O + CO2 [CH2O]n + O2

Energie

(Wärme, Arbeit)

Exposé:Warum atmen wir ?

„Wir ernähren uns von gespeichertem Licht.“

Fritz-Albert Popp, *1938, dt. Biophysiker


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

Die „Sauerstoff-Rutsche“:

Fette

Eiweiße

Kohlenhydrate

-Oxidation

Glykolyse

enzymatischer Abbau

Acetyl-CoA

äußere Atmung

Zitronen-säure-Zyklus

CO2

innere Atmung

H2

Atmungskette

O2

Energie

Zellatmung

Exposé: Wo benötigen wir den Sauerstoff ?


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

O2-Verbrauch in Ruheungefähr

O2-Verbrauch bei Arbeitbis zu 3.

300 ml/min

000 ml/min

Exposé:Wie viel Sauerstoff benötigen wir ?

ständige Substitution erforderlich:


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

Respirationstrakt

Herz-Kreislauf-System

atmendes Gewebe

O2

O2

O2

Lungenkreislauf

Körperkreislauf

CO2

CO2

CO2

Konvektion

Konvektion

äußere Atmung

innere Atmung

Gewebs-Atmung

Diffusion

Diffusion

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.


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

O2

O2

O2

CO2

CO2

CO2

  • konvektiver Gastransport in der Gasphase

  • Diffusion der Gase vom Alveolarraum ins Blut (und umgekehrt)

  • konvektiver Gastransport im Blut

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

Praktische Übung heute !!!

Praktische Übungen „Blut“ / „Kreislauf“

Die Etappen des O2- bzw. CO2-Transports


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

C1 - C2

d

Q/t = D F 

FICKsches Diffusionsgesetz

Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion

1. große Austauschfläche

2. kurze Diffusionsstrecke

  • großer Konzentrationsgradient über der Austauschfläche

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

Adolf Fick, 1829-1901, Würzburger Physiologe


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

C1 - C2

d

Q/t = D F 

Trachea

Bronchi

Bronchioli

Alveolen

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: 1. große Austauschfläche


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

C1 - C2

d

Q/t = D F 

1 µm

O2

CO2

0,2-0,6 µm

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

A - Alveolarraum

EC - Erythrozyt

EN - Endothel

EP - Epithel

IN - Interstitium


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

C1 - C2

d

Q/t = D F 

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

2 Pumpensysteme:

Lunge (Blasebalg-Pumpe)[O2] ~ pO2

Herz (Ventil-Pumpe) [O2] ~ pO2 


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

C1 - C2

d

Q/t = D F 

gute Durchlässigkeit der alveolären Diffusionsbarriere für Atemgase

DL = ~30 ml×min-1×mmHg-1

DL = ~100 ml×min-1×mmHg-1

O2

CO2

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

daher: nur kurze Kontaktzeit erforderlich


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

oberer Respira-tionstrakt

unterer Respira-tionstrakt

Der Respirationstrakt


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

Die Atemwege


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

Die Atemwege


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

Exspiratorisches Reservevolumen (ERV)

Residualvolumen

(RV)

(inkl. Totraum)

Atemzugvolumen (AZV)

Inspiratorisches Reservevolumen (IRV)

Atemvolumina


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

Messung der Atemvolumina mittels Spirometrie

Ausnahme:

Residualvolumen

(inkl. Totraum)

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


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

F0 - F1

F1

VL = VS

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

VD = VE (FA – FE ) / FA

CO2

CO2

CO2

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

Menge = Volumen  Konzentration

M = V  C

VS  F0 = (VS + VL)  F1

L

RV = VL - AZV - ERV


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

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


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

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%)


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

100

rel. ESK (%)

restriktive Ventilationsstörung

o.B.

75

kombinierte Ventilationsstörung

obstruktive Ventilationsstörung

50

50

75

100

rel. VK (%)

TIFFENEAU-Test

Restriktion:

  • Fibrose

  • Skoliose

  • etc.

    Obstruktion:

  • Bronchitis

  • Asthma

  • etc.

Robert Tiffeneau, 1910-1961, Pariser Arzt


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

2. Seminarthema

Mechanische Eigenschaften von Lunge und Thorax


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

normal

Fibrose

Pneumothorax

Emphysem

Elastizität von Lunge und Thorax

RV

Atemruhelage

TK


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

Atemruhelage

Gleichgewicht zwischen …

… den auswärts gerichteten Kräften des Thorax-Skeletts …

… und den einwärts gerichteten Kräften der Lunge


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

Druckdifferenz P (kPa)

Druckdifferenz P (cm H2O)

Ruhedehnungskurven von Lunge & Thorax

Versuchsanordnung zur Bestimmung der Ruhedehnungskurven


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

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

VP


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

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


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

VP

P

(V / t)

VP

P × t

V

l

mbar

mbar × s

l

×

s

Z = C × R = × = × = t

=

t

R × C

-

Lungenbelüftung

(im Prinzip spiegel-bildlich)

Vt = V0× e

Lungenentleerung

Zeitkonstante = Compliance × Resistance

C = 0,1 l × mbar-1

R = 2,0 mbar × s × l-1


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

VP

P

(V / t)

VP

P × t

V

l

mbar

mbar × s

l

×

s

Z = C × R = × = × = t

=

Lungenbelüftung

(im Prinzip spiegel-bildlich)

Atemfrequenz:

Atemzyklus:

Atemzeit-verhältnis I/E:

Inspiration:

Exspiration:

15 min-1

4 s

1 : 2

~ 1,3 s

~ 2,6 s

Lungenentleerung

Zeitkonstante = Compliance × Resistance


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

Atemgaswechsel durch Brust- und Bauchatmung


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

Atemgaswechsel (Brustatmung)

Flankenstoß

Vorstoß

Mm. intercostales externi (Inspiration)

Mm. intercostales interni (Exspiration)


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

Atemgaswechsel (Brustatmung)

obere Rippenbögen: Vorstoß

untere Rippenbögen: Flankenstoß

(Flankenatmung)


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

wichtigster Atemgaswechsler: das Zwerchfell

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


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

Atemgaswechsel

Atemhilfsmuskeln für die

Inspiration

Atemhilfsmuskeln für die

Exspiration


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

Säugling:

Jugendl. & Erw.:

Senior:

Bauchatmung

(Abdominal-Atmung)

kombinierte Atmung

Bauchatmung

Brustatmung

(Kostal-Atmung)

Schwangere:

Säugling

Erwachsener

Atemgaswechsel durch Brust- und Bauchatmung


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

3. Seminarthema

Atemgastransport und

-austausch


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

Atemgasfraktionen und -partialdrücke in der Gasphase

(ohne Wasserdampf [6,2% bei 37°C und 100% Sättigung {47 mmHg pH2O}])

  • Luft20,93% O2159 mmHg pO2

    0,03% CO20,2 mmHg pCO2

    79,04% „N2“600 mmHg pN2

    (davon ca. 1% Edelgase)

  • alveoläres Gasgemisch14 % O2106 mmHg pO2

    5,7% CO240 mmHg pCO2

    Rest „N2“610 mmHg pN2

  • Exspirationsgasgemisch16% O2122 mmHg pO2

    4% CO230 mmHg pCO2

    Rest „N2“608 mmHg pN2

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


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

160

120

80

pO2/ pCO2 (mmHg)

40

0

Atemgaspartialdrücke in Lunge & Blut


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

Alveolargas

Atemgaspartialdrücke in Lunge & Blut


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

alveoläre Atemgaspartialdrücke vs. Ventilation

Hypoventilation 

 Hyperventilation


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

Inspiration

Exspiration

Spirogramm

cm H2O

+2

0

intrapulmonaler Druck

-2

-4

intrapleuraler Druck

-6

Druckverläufe während der Atembewegungen

(Übersicht)


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

[kPa]

Druckverläufe während der Atembewegungen

(statisch vs. dynamisch)


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

Atemarbeit (Druck-Volumen-Diagramm)

normale Ruhe-atmung

forcierte Atmung

fiktive Atmung

(nur elastische Widerstände)

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


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

Kelastisch

Kviskös

KDeformation

KReibung

 2/3

 1/3

 0

 0

(beim Gesunden)

Widerstände, die beim Einatmen überwunden werden müssen

  • Volumen-Dehnbarkeit (elastische Widerstände) Compliance

    - Atemwegswiderstände (visköse Widerstände) Resistance

Kgesamt = Kelast + Kvisk + KDef + KReib


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

Wasser

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“)


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

Air

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.


1 struktur und dynamik des respiratorischen systems

VolumenOberflächeVolumenOberfläche

Kugel1 cm34,84 cm20,21 cm31 cm2

Zylinder1 cm35,57 cm20,18 cm31 cm2

Oktaeder1 cm35,72 cm20,18 cm31 cm2

Würfel1 cm36,00 cm20,17 cm31 cm2

Kegel1 cm36,83 cm20,15 cm31 cm2

Pyramide1 cm37,08 cm20,14 cm31 cm2

Tetraeder1 cm37,21 cm20,14 cm31 cm2

Warum sind Alveolen rund?

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


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