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

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

Exposé: Warum atmen wir ? 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

Zitronen-säure-Zyklus Exposé: Wo benötigen wir den Sauerstoff ? Die „Sauerstoff-Rutsche“:  äußere Atmung innere Atmung Zellatmung Fette Eiweiße Kohlenhydrate enzymatischer Abbau Zitronen-säure-Zyklus H2 O2 Energie -Oxidation Glykolyse Atmungskette CO2  Acetyl-CoA

Exposé: Wie viel Sauerstoff benötigen wir ? O2-Verbrauch in Ruhe ungefähr O2-Verbrauch bei Arbeit bis zu 3. 300 ml/min 000 ml/min ständige Substitution erforderlich:

Herz-Kreislauf-System 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 CO2 Respirationstrakt Herz-Kreislauf-System atmendes Gewebe Lungenkreislauf Körperkreislauf Konvektion Diffusion äußere Atmung innere Atmung Gewebs-Atmung

Praktische Übung heute !!! Die Etappen des O2- bzw. CO2-Transports O2 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“

FICKsches Diffusionsgesetz Q/t = D  F  C1 - C2 d 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

Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion: 1 Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion: 1. große Austauschfläche 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 Q/t = D  F  C1 - C2 d

Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion: 2 Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion: 2. kurze Diffusionsstrecke 1 µm A - Alveolarraum EC - Erythrozyt EN - Endothel EP - Epithel IN - Interstitium O2 CO2 0,2-0,6 µm Q/t = D  F  C1 - C2 d

Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion: 3 Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion: 3. großer Konzentrationsgradient 2 Pumpensysteme: Lunge (Blasebalg-Pumpe)  [O2] ~ pO2  Herz (Ventil-Pumpe)  [O2] ~ pO2  Q/t = D  F  C1 - C2 d

Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion: 4 Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion: 4. hohe Permeabilität gute Durchlässigkeit der alveolären Diffusionsbarriere für Atemgase DL = ~30 ml×min-1×mmHg-1 DL = ~100 ml×min-1×mmHg-1 O2 CO2 daher: nur kurze Kontaktzeit erforderlich Q/t = D  F  C1 - C2 d

Der Respirationstrakt oberer Respira-tionstrakt unterer Respira-tionstrakt

Die Atemwege

Die Atemwege

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

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  F0 = (VS + VL)  F1 L VL = VS  F0 - F1 F1 RV = VL - AZV - ERV Bestimmung des Totraumes mit Hilfe der „vereinfachten“ Bohr-Formel: CO2 VD = VE  (FA – FE ) / FA

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%)

TIFFENEAU-Test rel. ESK (%) rel. VK (%) 50 75 100 restriktive Ventilationsstörung obstruktive Ventilationsstörung kombinierte Ventilationsstörung o.B. Restriktion: Fibrose Skoliose etc. Obstruktion: Bronchitis Asthma Robert Tiffeneau, 1910-1961, Pariser Arzt

Mechanische Eigenschaften von Lunge und Thorax 2. Seminarthema Mechanische Eigenschaften von Lunge und Thorax

Elastizität von Lunge und Thorax normal Pneumothorax Emphysem Fibrose 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 Druckdifferenz P (kPa) Druckdifferenz P (cm H2O) 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 

Zeitkonstante = Compliance × Resistance Z = C × R = × = × = t VP P (V / t) P × t V l mbar × mbar × s = s Lungenbelüftung (im Prinzip spiegel-bildlich) Lungenentleerung Vt = V0 × e t R × C - C = 0,1 l × mbar-1 R = 2,0 mbar × s × l-1

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

Atemgaswechsel durch Brust- und Bauchatmung Säugling: Jugendl. & Erw.: Senior: Bauchatmung (Abdominal-Atmung) kombinierte Atmung 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 mmHg pH2O}]) Luft 20,93% O2 159 mmHg pO2 0,03% CO2 0,2 mmHg pCO2 79,04% „N2“ 600 mmHg pN2 (davon ca. 1% Edelgase) alveoläres Gasgemisch 14 % O2 106 mmHg pO2 5,7% CO2 40 mmHg pCO2 Rest „N2“ 610 mmHg pN2 Exspirationsgasgemisch 16% O2 122 mmHg pO2 4% CO2 30 mmHg pCO2 Rest „N2“ 608 mmHg pN2 (Bei Inspiration gelangen ~2/3 der Luft in die Alveolen; das restliche Drittel verbleibt im Totraum.)

Atemgaspartialdrücke in Lunge & Blut Luft Alveolen arterielles Blut venöses Blut Exspiration pO2 159 106 90 40 122 pCO2 0,2 46 30 160 120 80 40 pO2 / pCO2 (mmHg)

Atemgaspartialdrücke in Lunge & Blut Alveolargas

alveoläre Atemgaspartialdrücke vs. Ventilation Hypoventilation   Hyperventilation

intrapulmonaler Druck Druckverläufe während der Atembewegungen (Übersicht) intrapulmonaler Druck intrapleuraler Druck Spirogramm Inspiration Exspiration +2 -2 -4 -6 cm H2O

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

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

Kgesamt = Kelast + Kvisk + KDef + KReib Widerstände, die beim Einatmen überwunden werden müssen Volumen-Dehnbarkeit (elastische Widerstände)  Compliance - Atemwegswiderstände (visköse Widerstände)  Resistance Kgesamt = Kelast + Kvisk + KDef + KReib  Kelastisch Kviskös KDeformation KReibung  2/3  1/3  0 (beim Gesunden)

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

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

Warum sind Alveolen rund? 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 Weil bei der Kugel das günstigste Oberflächen-/ Volumen-Verhältnis besteht.