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


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


Nasenhöhle

Kehlkopf

Luftröhre

Lungenflügel

Bronchie

Bronchiole

Lungenbläschen

1. Seminarthema

Struktur & 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


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 ?


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:


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.


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


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


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


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


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 


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


oberer Respira-tionstrakt

unterer Respira-tionstrakt

Der Respirationstrakt


Die Atemwege


Die Atemwege


Exspiratorisches Reservevolumen (ERV)

Residualvolumen

(RV)

(inkl. Totraum)

Atemzugvolumen (AZV)

Inspiratorisches Reservevolumen (IRV)

Atemvolumina


Messung der Atemvolumina mittels Spirometrie

Ausnahme:

Residualvolumen

(inkl. Totraum)

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


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


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%)


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


2. Seminarthema

Mechanische Eigenschaften von Lunge und Thorax


normal

Fibrose

Pneumothorax

Emphysem

Elastizität von Lunge und Thorax

RV

Atemruhelage

TK


Atemruhelage

Gleichgewicht zwischen …

… den auswärts gerichteten Kräften des Thorax-Skeletts …

… und den einwärts gerichteten Kräften der Lunge


Druckdifferenz P (kPa)

Druckdifferenz P (cm H2O)

Ruhedehnungskurven von Lunge & Thorax

Versuchsanordnung zur Bestimmung der Ruhedehnungskurven


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


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


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


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


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


Säugling:

Jugendl. & Erw.:

Senior:

Bauchatmung

(Abdominal-Atmung)

kombinierte Atmung

Bauchatmung

Brustatmung

(Kostal-Atmung)

Schwangere:

Säugling

Erwachsener

Atemgaswechsel durch Brust- und Bauchatmung


3. Seminarthema

Atemgastransport und

-austausch


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.)


160

120

80

pO2/ pCO2 (mmHg)

40

0

Atemgaspartialdrücke in Lunge & Blut


Alveolargas

Atemgaspartialdrücke in Lunge & Blut


alveoläre Atemgaspartialdrücke vs. Ventilation

Hypoventilation 

 Hyperventilation


Inspiration

Exspiration

Spirogramm

cm H2O

+2

0

intrapulmonaler Druck

-2

-4

intrapleuraler Druck

-6

Druckverläufe während der Atembewegungen

(Übersicht)


[kPa]

Druckverläufe während der Atembewegungen

(statisch vs. dynamisch)


Atemarbeit (Druck-Volumen-Diagramm)

normale Ruhe-atmung

forcierte Atmung

fiktive Atmung

(nur elastische Widerstände)

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


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


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“)


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.


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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