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1.: Struktur und Dynamik des Respiratorischen Systems - Gastransport („Sauerstoff-Rutsche“, FICKsches Diffusionsgesetz) - Komponenten des Atmungssystems.

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1 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) Seminarthemen „Atmung“ 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

2 1. Seminarthema Struktur & Dynamik des Respiratorischen Systems Nasenhöhle Kehlkopf Luftröhre Lungenflügel Bronchie Bronchiole Lungenbläschen

3 Exposé: Warum atmen wir ? hh H 2 O + CO 2  [CH 2 O] n + O 2 H 2 O + CO 2  [CH 2 O] n + O 2 Energie (Wärme, Arbeit) „Wir ernähren uns von gespeichertem Licht.“ Fritz-Albert Popp, *1938, dt. Biophysiker

4 Exposé: Wo benötigen wir den Sauerstoff ? Die „Sauerstoff-Rutsche“:   äußere Atmung innere Atmung Zellatmung Fette Eiweiße Kohlenhydrate enzymatischer Abbau Zitronen- säure- Zyklus H2H2 O2O2 Energie  -Oxidation Glykolyse Atmungskette CO 2  Acetyl-CoA

5 Exposé: Wie viel Sauerstoff benötigen wir ? O 2 -Verbrauch in Ruheungefähr O 2 -Verbrauch bei Arbeitbis zu ml/min 000 ml/min ständige Substitution erforderlich:

6 Die Etappen des O 2 - bzw. CO 2 -Transports äußere Atmung innere Atmung Gewebs- Atmung Konvektion Diffusion Die Gesamtheit der an der Sauerstoff-Aufnahme sowie an der damit gekoppelten Kohlendioxid-Abgabe beteiligten Prozesse werden als Atmung bezeichnet. O2O2 CO 2 O2O2 O2O2 RespirationstraktHerz-Kreislauf- System atmendes Gewebe LungenkreislaufKörperkreislauf

7 O2O2 CO 2 O2O2 O2O2 Die Etappen des O 2 - bzw. CO 2 -Transports 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“

8 FICKsches Diffusionsgesetz Q/t = D  F  C 1 - C 2 d 1. große Austauschfläche 2. kurze Diffusionsstrecke 3.großer Konzentrationsgradient über der Austauschfläche 4. Austauschfläche mit Material- eigenschaften, die zur Diffusion geeignet sind Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion Adolf Fick, , Würzburger Physiologe

9 Trachea Bronchi Bronchioli Alveolen Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion: 1. große Austauschfläche 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 Q/t = D  F  C 1 - C 2 d

10 A - Alveolarraum EC - Erythrozyt EN - Endothel EP - Epithel IN - Interstitium 1 µm Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion: 2. kurze Diffusionsstrecke O2O2 CO 2 0,2-0,6 µm Q/t = D  F  C 1 - C 2 d

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

12 Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion: 4. hohe Permeabilität gute Durchlässigkeit der alveolären Diffusionsbarriere für Atemgase D L = ~30 ml×min -1 ×mmHg -1 D L = ~100 ml×min -1 ×mmHg -1 O2O2 CO 2 daher: nur kurze Kontaktzeit erforderlich Q/t = D  F  C 1 - C 2 d

13 Der Respirationstrakt oberer Respira- tionstrakt unterer Respira- tionstrakt

14 Die Atemwege

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16 Atemvolumina Exspiratorisches Reservevolumen (ERV) Inspiratorisches Reservevolumen (IRV) Residualvolumen (RV) (inkl. Totraum) Atemzugvolumen (AZV)

17 Messung der Atemvolumina mittels Spirometrie Ausnahme: Residualvolumen (inkl. Totraum) Schack August Steenberg Krogh (*1874 †1949) dänischer Arzt und Zoologe, 1920 Nobelpreis

18 Messung der Atemvolumina, die nicht spirometrisch bestimmt werden können (z.B. Residualvolumen) L V S  F 0 = (V S + V L )  F 1 V L = V S  F 0 - F 1 F 1 M = V  C RV = V L - AZV - ERV Menge = Volumen  Konzentration Bestimmung des Totraumes mit Hilfe der „vereinfachten“ Bohr-Formel: CO 2 V D = V E  (F A – F E ) / F A CO 2

19 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

20 Dynamische Atemvolumina Atemminutenvolumen AMV = AZV  AF  7 – 100 l/min Einsekundenkapazität ESK  4 l/s (rESK  80%) Atemgrenzwert AGW = 4 l  40 min -1  160 l/min

21 TIFFENEAU-Test rel. VK (%) rel. ESK (%) restriktive Ventilationsstörung obstruktive Ventilationsstörung kombinierte Ventilationsstörung o.B. Restriktion: - Fibrose - Skoliose - etc. Obstruktion: - Bronchitis - Asthma - etc. Robert Tiffeneau, , Pariser Arzt

22 2. Seminarthema Mechanische Eigenschaften von Lunge und Thorax

23 Elastizität von Lunge und Thorax RV TK Atemruhelage Pneumothorax Emphysem Fibrose normal

24 Atemruhelage … den auswärts gerichteten Kräften des Thorax-Skeletts … Gleichgewicht zwischen … … und den einwärts gerichteten Kräften der Lunge

25 Ruhedehnungskurven von Lunge & Thorax Versuchsanordnung zur Bestimmung der Ruhedehnungskurven Druckdifferenz  P (kPa) Druckdifferenz  P (cm H 2 O)

26 Mechanische Eigenschaften von Lunge & Thorax 1 - Volumen-Dehnbarkeit (elastische Widerstände) Compliance C = C Lunge  C Thorax  0,2 l/mbar C Lunge + Thorax  0,1 l/mbar Lunge und Thorax sind funktionell hintereinander geschaltet. Daher:C gesamt -1 = C Lunge -1 + C Thorax -1 C gesamt -1 = 0, ,2 -1 = = 10 C gesamt = 0,1 VPVP

27 - 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: R Gesamt = R 1 + R 2 + … + R n Parallel geschaltete Widerstände (Äste der Bronchialbaumes) addieren sich reziprok: 1/R Gesamt = 1/R 1 + 1/R 2 + … + 1/R n  Mechanische Eigenschaften von Lunge & Thorax 2

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

29 Zeitkonstante = Compliance × Resistance Lungenbelüftung (im Prinzip spiegel- bildlich) Lungenentleerung Z = C × R = × = × =  t VPVP  P (  V /  t) VPVP  P ×  t  V l mbar × mbar × s l = s Atemfrequenz: Atemzyklus: Atemzeit- verhältnis I/E: Inspiration: Exspiration: 15 min -1 4 s 1 : 2 ~ 1,3 s ~ 2,6 s

30 Atemgaswechsel durch Brust- und Bauchatmung

31 Atemgaswechsel (Brustatmung) Vorstoß Flankenstoß Mm. intercostales externi (Inspiration) Mm. intercostales interni (Exspiration)

32 Atemgaswechsel (Brustatmung) obere Rippenbögen: Vorstoß untere Rippenbögen: Flankenstoß (Flankenatmung)

33 wichtigster Atemgaswechsler: das Zwerchfell wichtig auch für die Feinabstimmung des Atemgasstromes (Sprechen, Singen, Blasen eines Musikinstruments, etc.)

34 Atemgaswechsel Atemhilfsmuskeln für die Inspiration Atemhilfsmuskeln für die Exspiration

35 Atemgaswechsel durch Brust- und Bauchatmung Säugling: Jugendl. & Erw.: Senior: Bauchatmung (Abdominal-Atmung) kombinierte Atmung Bauchatmung Schwangere: Brustatmung (Kostal-Atmung) Erwachsener Säugling

36 3. Seminarthema Atemgastransport und -austausch

37 Atemgasfraktionen und -partialdrücke in der Gasphase (ohne Wasserdampf [6,2% bei 37°C und 100% Sättigung {47 mmHg pH 2 O}]) - Luft20,93% O mmHg pO 2 0,03% CO 2 0,2 mmHg pCO 2 79,04% „N 2 “600 mmHg pN 2 (davon ca. 1% Edelgase) - alveoläres Gasgemisch14 % O mmHg pO 2 5,7% CO 2 40 mmHg pCO 2 Rest „N 2 “610 mmHg pN 2 - Exspirationsgasgemisch16% O mmHg pO 2 4% CO 2 30 mmHg pCO 2 Rest „N 2 “608 mmHg pN 2 (Bei Inspiration gelangen ~2/3 der Luft in die Alveolen; das restliche Drittel verbleibt im Totraum.)

38 Atemgaspartialdrücke in Lunge & Blut LuftAlveolen arterielles Blut venöses Blut Exspiration pO pCO 2 0, pO 2 / pCO 2 (mmHg)

39 Atemgaspartialdrücke in Lunge & Blut Alveolargas

40 alveoläre Atemgaspartialdrücke vs. Ventilation  HyperventilationHypoventilation 

41 Druckverläufe während der Atembewegungen (Übersicht) intrapulmonaler Druck intrapleuraler Druck Spirogramm Inspiration Exspiration cm H 2 O

42 [kPa] Druckverläufe während der Atembewegungen (statisch vs. dynamisch)

43 Atemarbeit  1-2% vom Grundumsatz (in Ruhe; beim Gesunden) Atemarbeit (Druck-Volumen-Diagramm) fiktive Atmung (nur elastische Widerstände) normale Ruhe- atmung forcierte Atmung

44 Widerstände, die beim Einatmen überwunden werden müssen - Volumen-Dehnbarkeit (elastische Widerstände)  Compliance - Atemwegswiderstände (visköse Widerstände)  Resistance K gesamt = K elast + K visk + K Def + K Reib  K elastisch K viskös K Deformation K Reibung  2/3  1/3  0 (beim Gesunden)

45 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) P errechnet  10  P „tatsächlich“ Ursache: Surfactantien (endogenes „Spüli“) Wasser

46 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

47 Warum sind Alveolen rund? Weil bei der Kugel das günstigste Oberflächen-/ Volumen-Verhältnis besteht. VolumenOberflächeVolumenOberfläche Kugel1 cm 3 4,84 cm 2 0,21 cm 3 1 cm 2 Zylinder1 cm 3 5,57 cm 2 0,18 cm 3 1 cm 2 Oktaeder1 cm 3 5,72 cm 2 0,18 cm 3 1 cm 2 Würfel1 cm 3 6,00 cm 2 0,17 cm 3 1 cm 2 Kegel1 cm 3 6,83 cm 2 0,15 cm 3 1 cm 2 Pyramide1 cm 3 7,08 cm 2 0,14 cm 3 1 cm 2 Tetraeder1 cm 3 7,21 cm 2 0,14 cm 3 1 cm 2

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