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extrathorakale Atemwege

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Verteilung von Feinstaub in<br />

der Lunge<br />

Gerhard Scheuch


Einstein Jahr 2005<br />

© G. Scheuch / P.Brand, Inamed GmbH


Physikalische Grundlagen<br />

© G. Scheuch / P.Brand, Inamed GmbH


Themen<br />

� Warum deponiert der Feinstaub in den <strong>Atemwege</strong>n?<br />

� Wohin gelangt der Feinstaub im Atemtrakt?<br />

(Regionaldeposition )<br />

© G. Scheuch / P.Brand, Inamed GmbH


Parameter<br />

Teilchen – Deposition in der Lunge hängt von vielen<br />

Parametern ab:<br />

© G. Scheuch / P.Brand, Inamed GmbH<br />

Aerosoleigenschaften<br />

Partikelgröße<br />

Form<br />

Hygroskopizität<br />

Physiologie und Anatomie<br />

Anatomie der <strong>Atemwege</strong><br />

Pathologische Veränderungen<br />

Mund/Nasenatmung<br />

Inhalationsvolumen<br />

Fluss<br />

Atempause


Aerosolgrößen<br />

Gasmoleküle<br />

Viren<br />

Tabakrauch<br />

0.001 0.01 0.1 1 10 100<br />

© G. Scheuch / P.Brand, Inamed GmbH<br />

Ruß<br />

Bakterien<br />

Partikeldurchmesser (µm)<br />

Pollen<br />

Nebel


Aerosolgrößen<br />

Nano Partikel<br />

Ultrafeine Partikel<br />

0.001 0.01 0.1 1 10 100<br />

© G. Scheuch / P.Brand, Inamed GmbH<br />

PM2.5<br />

PM10<br />

Partikeldurchmesser (µm)


Wo werden Stäube abgeschieden?<br />

W. Weber<br />

© G. Scheuch / P.Brand, Inamed GmbH


Depositionsmechanismen<br />

� Wodurch kommt eine Ablagerung von Aerosolteilchen in der<br />

Lunge zu Stande und warum interessiert uns diese?<br />

D e p o s i t i o n<br />

Deposition 0,8 im gesamten Atemtrakt =<br />

Nase/Mund,<br />

...... Aerosolteilchen, die kleiner als etwa 1 µm<br />

0,6<br />

sind werden Oropharynx, in der Lunge nicht abgeschieden......<br />

0,4 Bronchiale Diese Teilchen Region, verhalten sich wie<br />

Gase und werden wieder exhaliert.<br />

Lungen Peripherie<br />

als 0,2Funktion<br />

der Partikel Größe<br />

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1<br />

0<br />

0,001 0,01 0,1 1 10 100<br />

Durchmesser, µm


Mechanismen<br />

Diffusion Sedimentation Impaction<br />

Brownian Motion Gravitation Inertia<br />

L ~ (t / d) 0.5 L ~ (t . d ae 2 ) L ~ (Q . d ae 2 )<br />

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Mechanismen der Partikelabscheidung<br />

1. Kleine Teilchen ( d < 100 nm )<br />

(Nanopartikel)<br />

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Diffusion<br />

© G. Scheuch / P.Brand, Inamed GmbH<br />

Die Wahrscheinlichkeit für<br />

Diffusionsabscheidung ist:<br />

• umso größer, je kleiner das Teilchen<br />

ist.<br />

• umso größer, je länger sich das<br />

Teilchen in den <strong>Atemwege</strong>n befindet.<br />

• umso größer, je kleiner die <strong>Atemwege</strong><br />

sind.<br />

Einstein, A. (1905) : Über die von der molekularkinetischen<br />

Theorie der Wärme geforderte Bewegung<br />

von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen.<br />

Ann. Physik, 17: 549-560


Deposition Atemtrakt<br />

Deposition im gesamten Atemtrakt =<br />

0,8<br />

Nase/Mund,<br />

Oropharynx,<br />

0,6<br />

Bronchiale Region,<br />

Lungen Peripherie<br />

D e p o s i t i o n<br />

1<br />

0,4<br />

als 0,2 Funktion der Partikel Größe<br />

0<br />

0,001 0,01 0,1 1 10 100<br />

© G. Scheuch / P.Brand, Inamed GmbH<br />

Durchmesser, µm


Deposition Atemtrakt<br />

Deposition in the entire Respiratory Tract =<br />

0,8<br />

Nose/Mouth,<br />

Oropharynx,<br />

0,6<br />

Bronchial Region,<br />

Lung Periphery<br />

D e p o s i t i o n<br />

1<br />

0,4<br />

as 0,2 Function of Particle Size<br />

0<br />

0,001 0,01 0,1 1 10 100<br />

© G. Scheuch / P.Brand, Inamed GmbH<br />

Durchmesser, µm


Deposition<br />

D e p o s i t i o n<br />

1<br />

0,8<br />

0,6<br />

0,4<br />

0,2<br />

Deposited<br />

0<br />

0,001 0,01 0,1 1 10 100<br />

© G. Scheuch / P.Brand, Inamed GmbH<br />

Exhaliert<br />

Intrathorakale Deposition<br />

Teilchendurchmesser, µm<br />

Extrathorakale<br />

Deposition


Regionale Deposition<br />

Deposition (%)<br />

100<br />

90<br />

80<br />

70<br />

60<br />

50<br />

40<br />

30<br />

20<br />

10<br />

0<br />

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Q = 250ml/s V = 1000 ml<br />

0,01 0,1 1 10 100<br />

Particle Size (µm)<br />

DE Total<br />

DE EX<br />

DE TB<br />

DE A


Regionale Deposition<br />

Deposition (%)<br />

100<br />

90<br />

80<br />

70<br />

60<br />

50<br />

40<br />

30<br />

20<br />

10<br />

0<br />

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Q = 1500ml/s V = 1000 ml<br />

0,01 0,1 1 10 100<br />

Particle Size (µm)<br />

DE Total<br />

DE EX<br />

DE TB<br />

DE A


Regionale Deposition<br />

Deposition (%)<br />

100<br />

90<br />

80<br />

70<br />

60<br />

50<br />

40<br />

30<br />

20<br />

10<br />

0<br />

© G. Scheuch / P.Brand, Inamed GmbH<br />

Q = 1500ml/s V = 1000 ml<br />

0,01 0,1 1 10 100<br />

Particle Size (µm)<br />

DE Total<br />

DE EX<br />

DE TB<br />

DE A


Wo deponieren die verschiedenen Partikelfraktionen?<br />

Relative Verteilung %<br />

70<br />

60<br />

50<br />

40<br />

30<br />

20<br />

10<br />

0<br />

Grober Staub Feiner Staub Ultrafeiner Staub<br />

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Grober Staub = 2.5 µm - 10 µm<br />

Feiner Staub = 0.1 µm - 2.5 µm<br />

Ultrafeiner Staub = 0,01 – 0,1 µm<br />

Mund/Rachen<br />

Tracheobronchial<br />

Alveolar


Regionale Deposition<br />

Deposition (%)<br />

100<br />

90<br />

80<br />

70<br />

60<br />

50<br />

40<br />

30<br />

20<br />

10<br />

0<br />

© G. Scheuch / P.Brand, Inamed GmbH<br />

Alveolare Deposition<br />

0,01 0,1 1 10 100<br />

Particle Size (µm)<br />

250 / 1000<br />

1500 / 1000<br />

1500 / 300


Regionale Abscheidung<br />

� Teilchen größer als 10µm :<br />

<strong>extrathorakale</strong> <strong>Atemwege</strong> (Mund/Nase/Rachen)<br />

� Teilchen größer als 2.5µm:<br />

<strong>Atemwege</strong> (Mund/Nase/Rachen/Bronchien und zum Teil<br />

Bronchioli)<br />

� Teilchen zwischen etwa 0.05 µm und 2.5 µm:<br />

kleine <strong>Atemwege</strong> und Alveolen<br />

� Teilchen unterhalb von etwa 0.05 µm:<br />

<strong>Atemwege</strong> und Alveolen<br />

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Wo deponiert der Feinstaub?<br />

� PM10 – PM2.5 hauptsächlich Extrathorakal und Bronchiale<br />

Abscheidung<br />

� PM2.5 tief in der Lunge<br />

� PM0.1 : Ebenfalls tief in der Lunge<br />

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Ende<br />

Noch Fragen?<br />

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