Seminarthemen „Atmung“
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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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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 Ruhe ungefähr

O2-Verbrauch bei Arbeit bis 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

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 (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}])

  • Luft 20,93% O2159 mmHg pO2

    0,03% CO20,2 mmHg pCO2

    79,04% „N2“ 600 mmHg pN2

    (davon ca. 1% Edelgase)

  • alveoläres Gasgemisch 14 % O2106 mmHg pO2

    5,7% CO240 mmHg pCO2

    Rest „N2“ 610 mmHg pN2

  • Exspirationsgasgemisch 16% 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

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

Warum sind Alveolen rund?

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