Versuch 5: Atmung

Versuch 5: Atmung
5.1 Lungenfunktionsprüfung
Aufgaben
� Messung der wichtigsten Lungenvolumina und -kapazitäten.
� Messung der Einsekundenkapazität (Tiffeneau-Test).
� Messung des Residualvolumens mittels der Helium-Einwaschmethode.
Lernziele
� Lungenfunktionsprüfung | Spirometrie | Pneumotachographie | Residualvolumenbestimmung
| Restriktive und obstruktive Ventilationsstörungen
5.1.1 Spirometrie
Eine besonders wichtige und dabei einfache Untersuchungsmethode zur Überprüfung
der Atemfunktion ist die Spirometrie. Mit ihrer Hilfe kann man nicht nur
Störungen der Atemwege diagnostizieren und ihrer Ätiologie entsprechend einordnen,
sondern auch den Erfolg ärztlicher Therapie objektivieren.
Bei pathologischen Veränderungen der spirometrischen Befunde unterscheidet
man normalerweise zwischen restriktiven und obstruktiven Ventilationsstörungen:
– Restriktive Ventilationsstörungen beruhen auf der Einschränkung der Kapazität
des Atemraumes (z.B. reduzierte Dehnbarkeit der Lunge, Trichterbrust,
Wirbelsäulendeformationen etc.).
– Obstruktive Ventilationsstörungen beruhen stets auf Verlegung oder Einengung
der Luftwege (z.B. Asthma bronchiale, spastische Bronchitis, Mucoviszidose etc.)
Bei der Beurteilung der Ventilationsleistung und der verfügbaren Reserven stehen
zwei Untersuchungsmethoden im Vordergrund:

2 Versuch 5: Atmung
– Statische Messung: Volumenmessungen zur Bestimmung der Kapazität des
Atemraumes.
– Dynamische Messungen: Bestimmung der Atemzeitvolumina und des Zeitbedarfs
der Ventilation.
In der Klinik wird heute die Lungenfunktionsdiagnostik vorzugsweise mit dem
Verfahren der Pneumotachographie durchgeführt. Das Messprinzip der Pneumotachographie
besteht darin, dass die Atemluft durch ein feinmaschiges Metallnetz
oder parallel geschaltete feine Glasröhrchen, die einen definierten Strömungswiderstand
(R) verkörpern, strömt, und vor sowie hinter dem Widerstand
die Drücke (PV) bzw. (PH) gemessen werden. Da eine laminare Strömung vorausgesetzt
werden darf, sind Druckdifferenz und Atemstromstärke � V zueinander
proportional:
P H
�
V
�
P V
Messkopf
P � P
R
V H
Filter Mundstück
Abb. 5-1 Die Versuchsperson atmet über Mundstück und Filter durch einen genau definierten
Strömungswiderstand R, der Hauptbestandteil des Messkopfes ist.
Über zwei Schläuche, die mit dem PowerLab-System verbunden sind, werden
die Drücke PV bzw. PH vor bzw. hinter dem Widerstand erfasst, um daraus
mit Gl. [1] den Atemfluß zu bestimmen.
[1]
5.1 Lungenfunktionsprüfung 3
Durch Integration der Atemstromstärke �
V über der Zeit kann auf das Atemvolumen
geschlossen werden:
V � � V dt � [2]
Versuchsgang
Die Versuchsperson (VP) atmet mit aufgesetzter Nasenklemme durch den Spirometermesskopf,
der an PowerLab angeschlossen ist. Die zur Druckdifferenz
PV–PH proportionale Atemstromstärke wird fortlaufend integriert. Damit lässt
sich der Zeitverlauf des resultierenden Atemvolumens aufzeichnen.
Jedes der zur Spirometrie vorgesehenen Atemmanöver ist in aufrechter Körperhaltung
durchzuführen und sollte immer aus der Ruheatmung heraus begonnen
werden.
Das Untersuchungsprogramm, das die Bestimmung des inspiratorischen
und exspiratorischen Reservevolumens, der Vitalkapazität, des Atemminutenvolumens
und der Einsekundenkapazität nach Tiffeneau umfasst, ist in Abb. 5-2 in
Form eines Volumenzeitdiagramms wiedergegeben. Sämtliche Volumenmesswerte
sind mit einem aus den aktuellen Umgebungsbedingungen errechneten Umrechnungsfaktor
k (s. S. 4 „Umrechnung der Atemvolumina auf STPD-Bedingungen“)
zu multiplizieren, um auf STPD-Bedingungen zu normieren. Die Ergebnisse
sind in das entsprechende Protokollblatt einzutragen und mit den
Normwerten, die aus den am Arbeitsplatz ausliegenden Nomogrammen abzulesen
sind, zu vergleichen.
Im Einzelnen sind folgende Volumina bzw. Kapazitäten aus den der Messung
direkt zugänglichen Grössen zu berechnen (s. Ergebnisprotokoll):
Atemminutenvolumen AMV = AZV � f
Vitalkapazität VC = ERV + AZV + IRV
Totale Lungenkapazität TLC = VC + RV
Einsekundenkapazität ESC = FEV1/VC
Um eine obstruktive Ventilationsstörung zu simulieren, soll die Versuchsperson
über einen in Serie zum Messkopf geschalteten dünnen Schlauch atmen und unter
dieser Atemwegsbehinderung den Tiffeneau-Test wiederholen.
Eine restriktive Ventilationsstörung erfährt die Versuchsperson ansatzweise,
wenn sie in stark nach vorn gebeugter Haltung mit einwärts gedrehten Schultern
atmet. In diesem Fall ist die Vitalkapazität eingeschränkt.

4 Versuch 5: Atmung
Volumen [l]
Vitalkapazität
IRV
ERV
AZV
VC-Messung Tiffeneau-Test
Umrechnung der Atemvolumina auf STPD-Bedingungen
Im allgemeinen beziehen sich alle Angaben von respiratorischen Normwerten,
anhand derer Patientenbefunde zu bewerten sind, auf die folgenden Standardbedingungen:
T = 0 [°C] = 273 [°K]; P = 101 [kPa] = 760 [mmHg]; PH 2 O =0[Pa],
was als STPD-Bedingungen (= standard temperature pressure dry) bezeichnet wird.
Die aktuellen während der Aufzeichnung am Messkopf herrschenden Umgebungsbedingungen
sind, wie folgt, zu beschreiben:
T=TL [°C] = TL + 273 [°K]; P = PL [Pa]; PH 2 O =0[Pa]
1s
Sekundenkapazität
Zeit [s]
Abb. 5-2 Schematische Darstellung einer typischen spirometrischen Volumenaufzeichnung
zur Definition der Vitalkapazität (VC) und der Sekundenkapazität
(Tiffeneau-Test).
5.1 Lungenfunktionsprüfung 5
Man spricht in diesem Fall von ATPD-Bedingungen (= ambient temperature
pressure dry) und drückt damit aus, dass die aktuellen Temperatur- und Druckwerte
der Umgebungsluft, TL und PL, zu berücksichtigen sind, der exspirierte
Wasserdampfanteil hingegen aufgrund eines dem Messkopf vorgeschalteten
Feuchtigkeitsfilters nicht in die Messung eingeht. PH 2 O kann daher bei den Umrechnungen
vernachlässigt werden.
Legt man die allgemeine Gasgleichung zugrunde, erhält man mit folgender
Beziehung den Umrechnungsfaktor k:
k
V STPD
PL
� �
273
�
V T � 273 760
ATPD L
wobei die Umgebungstemperatur TL in °C, der Luftdruck PL in mmHg einzusetzen
sind. Mit k lassen sich damit die gemessenen Volumina VATPD auf Standardbedingungen,
wie folgt, reduzieren:
[3]
V STPD � k� V ATPD
[4]
5.1.2 Residualvolumenbestimmung
Das nach maximaler Exspiration in den Lungen verbleibende Gasvolumen
bezeichnet man als Residualvolumen (RV). Da unter Ruhebedingungen nicht die
gesamte Vitalkapazität ein- bzw. ausgeatmet wird, verbleibt normalerweise am
Ende einer Exspiration außer dem Residualvolumen noch das exspiratorische
Reservevolumen in den Lungen. Residualvolumen und exspiratorisches Reservevolumen
ergeben zusammen die funktionelle Residualkapazität (FRC). Üblicherweise
werden Residualvolumen und exspiratorisches Reservevolumen gesondert
bestimmt, um daraus dann die funktionelle Residualkapazität zu berechnen.
Das Residualvolumen kann mit dem Indikator-Verdünnungsverfahren bestimmt
werden. Bei der Helium-Einwaschmethode wird als Indikator Helium
verwendet, das die Alveolar-Blutschranke praktisch nicht überwinden kann und
deshalb am Gasaustausch in den Alveolen nicht teilnimmt. Schließt man eine Versuchsperson
am Ende einer maximalen Exspiration an ein Spirometer an, in dem
sich ein Gasgemisch mit bekannter Heliumkonzentration befindet, so fällt nach einigen
Atemzügen die Heliumkonzentration ab, weil sich das Helium nunmehr auf
die 3 Volumina Spirometervolumen + Totraumvolumen + RV verteilt. Da die
Heliummenge konstant bleibt, ergibt sich folgende Gleichung:

6 Versuch 5: Atmung
Vsp �CHe1�( Vsp �V D � RV ) �CHe
2
[5]
Vsp = Spirometervolumen
VD = Totraumvolumen
RV = Residualvolumen
CHe1 = Anfangskonzentration von Helium
CHe2 = Endkonzentration von Helium
Für das Residualvolumen ergibt sich dann:
CHe1�CHe 2
RV �V
sp �V
D
CHe
2
Geräte
Helium-Analysator
[6]
Messprinzip: Die verschiedenen Gase besitzen eine unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit.
Läßt man ein Gasgemisch mit konstanter Geschwindigkeit an einer Wärmequelle,
die eine streng definierte Wärmemenge an ihre Umgebung abgibt, vorbeiströmen,
so hängt die in einem bestimmten Abstand gemessene Temperatur von
der Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches ab. Da Helium eine ca. 6mal größere
Wärmeleitfähigkeit als Luft hat, kann mit diesem Verfahren die Heliumkonzentration
in einem Luftgemisch mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden.
Versuchsgang
An den Dreiwegehahn mit Haltegriff wird an einem Ende über einen Adapter
eine Eichpumpe angeschlossen und am anderen Ende ein Plastikbeutel befestigt.
Mit der Eichpumpe werden 5 l Luft (bitte Stellung des Dreiwegehahns beachten)
in den Plastikbeutel hineingepumpt. Nun wird der freie Zugang des Dreiwegehahns
mit der Helium-Gasflasche verbunden (Gasflasche vorsichtig aufdrehen!).
Durch den Gasdruck wird der Stempel der Eichpumpe nach außen gedrückt,
und die Eichpumpe bis zur vorgegebenen Markierung mit Helium gefüllt. Der
Dreiwegehahn muss danach umgestellt, und das Helium (bitte Markierung beachten!)
in den Plastikbeutel hineinverschoben werden. Das Helium-Luftgemisch
wird durch zügiges Betätigen der Eichpumpe gut durchmischt. Nun wird
der Helium-Analysator über die an dem Adapter befindlichen Hähne (Hähne
bitte beide öffnen!) an das Spirometersystem angeschlossen. Am Helium-Analysator
wandert der Zeiger des Meßinstrumentes langsam nach rechts, da das Ge-
5.1 Lungenfunktionsprüfung 7
rät eine lange Einstellzeit hat. Wenn der Zeiger sich nicht mehr bewegt, wird die
Heliumkonzentration im Plastikbeutel abgelesen: Die eingefüllte Heliummenge
ist so bemessen, dass die Ausgangskonzentration bei ca. 4 Vol% liegen sollte
(evtl. Abweichungen bitte notieren!).
Nachdem sich die Versuchsperson mit aufgesetzter Nasenklemme bei quergestelltem
Dreiwegehahn an die Versuchsbedingungen adaptiert hat, wird sie am Ende
einer maximalen Exspiration durch Längsstellen des Dreiwegehahnes an das Spirometersystem
angeschlossen. Nach ca. 1 min wird am Ende einer normalen Exspiration
der Dreiwegehahn wieder quergestellt. Die Helium-Konzentration wird erst
dann abgelesen, wenn der Zeiger wiederum einen konstanten Wert anzeigt.
Bei Patienten mit obstruktiver Ventilationsstörung gilt es unbedingt zu beachten,
dass sich die Helium-Mischzeit wesentlich verlängern kann. Während dieser
Zeit verbraucht die Versuchsperson Sauerstoff aus dem Spirometer und gibt normalerweise
etwas weniger CO2 aufgrund eines respiratorischen Quotienten < 1 ab
(CO2-Konzentration steigt!). Bei einigen Spirometern kann dieser Volumenverlust
über ein elektrisch gesteuertes System aus einer zweiten Spirometerglocke exakt
ausgeglichen werden, so daß auch während einer längeren Messzeit das Spirometervolumen
konstant bleibt.
Das im Praktikum modifizierte geschlossene Spirometersystem verfügt nicht
über eine solche Vorrichtung, so dass bei einem respiratorischen Quotient < 1 das
Spirometervolumen während der Mischperiode langsam abnimmt. Dabei bleibt
die fallende Sauerstoffkonzentration immer noch weit übernormal; hingegen führt
die steigende CO2-Konzentration zu einer Ventilationssteigerung (s. Teilversuch
5.2.1). Wir sind daher zu folgendem näherungsweisem Vorgehen gezwungen: Die
gerade noch vertretbare Helium-Einwaschzeit wird auf 1 min begrenzt. Nach
dieser Zeitspanne ist das Helium i.a. nahezu gleichmässig verteilt, andererseits der
CO2-Partialdruck aber noch nicht so weit angestiegen, dass Rückwirkungen auf
die Ventilation zu erwarten sind.
Bei der He-Einwaschmethode muß natürlich neben dem Totraumvolumen
der Versuchsperson auch das des Spirometersystems (Volumen der Atemschläuche,
des Mehrwegehahns, der Verbindungsschläuche etc.) korrekterweise berücksichtigt
werden. Bei dem im Praktikum eingesetzten modifizierten Spirometersystem
beträgt dieses aber lediglich 10 ml und ist daher vernachlässigbar.

8 Versuch 5: Atmung
5.2 Atemregulation
Aufgaben
� Bestimmung des prozentualen Totraumanteils am Atemzugvolumen.
� Messung der alveolären Atemgaspartialdrücke unter verschiedenen
Ventilationsbedingungen.
� Bestimmung des Atemzugvolumens und der Atemfrequenz bei steigender
CO2-Konzentration in der Inspirationsluft.
Lernziele
� Partialdruck | alveoläre Gaszusammensetzung | arterielle Atemgaspartialdrücke
| anatomischer und funktioneller Totraum | Hypo-/Hyperventilation
| Hypoxie | Hyperkapnie | Atemantrieb | Atemzentrum
5.2.1 Totraumventilation
Ein Austausch von O2 und CO2 zwischen Atemluft und Blut kann nur in den Alveolen,
nicht aber in den zuführenden Atemwegen stattfinden. Diese für den
Gasaustausch unwirksamen Teile der Atemwege bis hin zur bronchio-alveolaren
Grenze werden als anatomischer Totraum bezeichnet. Außerdem stellt die
Belüftung nicht durchbluteter Alveolen eine zusätzliche funktionelle Totraumbelüftung
dar, weil sie gleichfalls nicht zum Gasaustausch beiträgt. Diese beträgt
i.a. selbst beim Gesunden einige Prozent der alveolären Belüftung. Der gesamte,
für den Gasaustausch unwirksame Raum (anatomischer Totraum + belüftete, aber
nicht oder vermindert perfundierte Alveolen) wird als funktioneller Totraum
bezeichnet.
Da die Bestimmung des funktionellen Totraumes die nicht unproblematische
Messung des arteriellen pCO2 voraussetzt, beschränken wir uns im Praktikum
auf die Bestimmung des anatomischen Totraumes.
Das Exspirationsvolumen (VE) setzt sich aus dem anatomischen Totraumvolumen
(VD) und einem Anteil, der aus den Alveolen stammt (VE–VD), zusammen:
VE � ( VE�VD) �VD
[7]
5.2 Atemregulation 9
Daraus folgt für die Menge des CO2 im Exspirationsvolumen:
VE �CE�( VE�VD) �CA�VD �CD
[8]
CE,A,D = CO2-Konzentration im Exspirationsvolumen (E),
im Alveolarraum (A) und im Totraum (D).
Da die CO2-Konzentration in der Luft nur ca. 0,03 Vol% beträgt, und sich am
Ende einer Inspiration der Totraum nur Frischluft befindet, vereinfacht sich
Formel [8] wie folgt:
VE �CE�( VE�VD) �CA
. [9]
Daraus errechnet sich das Totraumvolumen:
VD �
CE
VE
( 1 � ) .
CA
[10]
Geräte
CO2-Analysator
Messprinzip: Die einzelnen Gase besitzen charakteristische Absorptionsspektren
für elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge. CO2 hat
beispielsweise im Infrarotbereich ein typisches Absorptionsmaximum, das sich
von dem der übrigen Gase unterscheidet. Bei dieser Wellenlänge wird nur ein
CO2-haltiges Gasgemisch nennenswert durch Absorption der Infrarotstrahlung
erwärmt, was bei konstantem Volumen zu einer Druckerhöhung führt, die damit
ein Maß für den CO2-Gehalt des Gasgemisches ist.
Versuchsgang
Das auf seine CO2-Konzentration zu untersuchende Exspirationsvolumen wird
in einem zu Beginn luftleeren Plastikbeutel für 4–6 Atemstöße gesammelt. Danach
wird die CO2-Konzentration in dem aufgefangenen und gut durchmischten
Exspirationsvolumen bestimmt.
Die Gasprobe, am Ende einer tiefen Exspiration, entstammt definitiv nur
dem Alveolarraum. Leitet man diese Fraktion dem CO2-Analysator zu, so kann
man auf diese Weise die alveoläre CO2-Konzentration bestimmen. Beide Konzentrationen
sind in Gl. [10] einzusetzen, um daraus den relativen Anteil des Totraumvolumens
an VE zu berechnen, d.h. VD/VE.

10 Versuch 5: Atmung
5.2.2 Alveoläre Ventilation
Ein nicht unwesentlicher Anteil des Atemzugvolumens dient nicht der Versorgung
des Alveolarraums mit Frischluft, sondern bewirkt ausschließlich eine Ventilation
des Totraums. Eine konstante Stoffwechsellage vorausgesetzt, bedeutet
dies, dass je nach Atemtiefe eine andere alveoläre Gaszusammensetzung resultiert.
Forciert man die Ventilation, so wird dank der gesteigerten „Frischluftzufuhr“
der alveoläre Partialdruck für PO2 ansteigen, hingegen PCO2 sinken. Man bezeichnet
die für eine bestimmte Stoffwechsellage zu starke Ventilation als
Hyperventilation, wie sie z.B. bei Aufregung oder bei Aufenthalt in großen Höhen
beobachtet wird. Vermehrte Ventilation unter körperlicher Anstrengung jedoch
grenzt man mit dem Begriff Mehr- oder Polyventilation gegen eine Hyperventilation
ab.
Umgekehrt führt eine verminderte Ventilation oder Hypoventilation zu einem
Anstieg des PCO2 und Abfall des PO2 , was unter schneller, flacher Atmung
(„Hechelatmung“) bei Patienten mit akutem Lungenversagen oder schmerzhaften
Zuständen beim Atmen (Rippenfrakturen, Pleuritis) anzutreffen ist, die dadurch
übermäßig stark den Totraum belüften.
Wir wollen in diesem Teilversuch die alveoläre Gaszusammensetzung als
Funktion der Ventilation unter körperlicher Ruhebedingung untersuchen. Eine
exakte Überwachung dieser Größe ist nur anhand der Atemgaspartialdrücke im
arteriellen Blut möglich. Näherungsweise kann die alveoläre Gaszusammensetzung
am Ende einer tiefen Exspiration stellvertretend dafür eingesetzt werden.
Voraussetzung ist, dass mit Hilfe verzögerungsfrei ansprechender O2- und
CO2-Messfühler die O2- und CO2-Konzentration in der Exspirationsluft fortlaufend
analysiert werden. Die alveoläre O2- und CO2-Konzentration bzw. Partialdrücke
sind mit der alveolären Ventilation zu korrelieren, d. h. mit dem Anteil
des Atemminutenvolumens, das definitiv den Alveolarraum belüftet. Daher
muss das Atemminutenvolumen um die Totraumventilation vermindert werden.
Näherungsweise setzen wir ein konstantes, von der Atemtiefe und -frequenz unabhängiges
Totraumvolumen, das im Schnitt ein Drittel des Ruheatemzugvolumens
ausmacht, voraus:
V D � AZV
1
[11]
3
und berechnen für jeden Ventilationszustand die Totraumventilation V . D mit
Hilfe der entsprechenden Atemfrequenz f:
5.2 Atemregulation 11
V��V � f
[12]
D D
In einem am Bildschirm aufzurufenden Tabellenblatt sind die jeweiligen O2- und
CO2-Partialdrücke, die zugehörigen AMV, Atemfrequenzen und die daraus errechneten
Totraumventilationen einzutragen, und in einem Diagramm die Atemgaspartialdrücke
als Funktion der alveolären Ventilation aufzutragen.
Versuchsgang
Die Versuchsperson wird über ein Mundstück bei aufgesetzter Nasenklemme
mit dem Pneumotachographiemesskopf des breath-by-breath-Spirometers PowerCube
verbunden. Mit dieser computergesteuerten Messeinrichtung können
neben den Spirometerdaten fortlaufend die O2- und CO2-Konzentrationen bzw.
Partialdrücke in der Exspirationsluft registriert werden. Die zeitliche Auflösung
der Gasanalyse ist so hoch, daß damit auch die alveoläre Gaszusammensetzung
aus dem jeweils letzten Anteil der Exspirationsluft bestimmt werden kann.
Die VP atmet zunächst ruhig ein und aus. Die Messung liefert in diesem Fall
die alveoläre Gaszusammensetzung unter Ruheatmung. Anschließend soll die
VP versuchen, für einige Atemzüge unterschiedlich schnell und tief zu atmen,
um dadurch unterschiedliche Ventilationsbedingungen zu schaffen, für die jeweils
die alveoläre Gaszusammensetzung zu bestimmen ist.
5.2.3 CO2-Rückatmung
Das Atemminutenvolumen, das sich aus dem Produkt (Atemzugvolumen � Atemfrequenz)
errechnet, ist in weiten Grenzen variabel und kann bei körperlicher Arbeit
oder bei willkürlicher Hyperventilation größenordnungsmäßig das 20-fache
des Ruhewertes erreichen. Die Regulation der Ventilation erfolgt vorwiegend
über die CO2- und O2-Partialdrücke sowie über den pH-Wert im Blut. Zu diesem
Themenkomplex untersuchen wir im Praktikum den wichtigen Einfluss steigender
CO2-Konzentration in der Inspirationsluft auf das Atemminutenvolumen.
Diese Messung wird nur an einer Versuchsperson pro Gruppe durchgeführt.
KursteilnehmerInnen mit Erkrankungen der Kreislauf- und Atmungsorgane
sind als Versuchsperson auszuschließen!
Geräte
CO2-Analysator (s. Teilversuch 5.2.1), Atemgurt

12 Versuch 5: Atmung
Versuchsgang
Dieser Versuch wird im Sitzen durchgeführt, wobei Atemtiefe und -frequenz mit
Hilfe eines Atemgurtes annähernd quantitativ beurteilt werden kann. Dieser
wird unterhalb des Rippenbogens um den Brustkorb gelegt, und erlaubt die
Atemexkursionen unter PowerLab aufzuzeichnen. Ein Stutzen eines Dreiwegehahns
mit Haltegriff wird mit dem Mundstück, durch das die Versuchsperson
ventiliert, verbunden, und am gegenüberliegenden Stutzen ein Plastikbeutel angeschlossen.
Über den noch freien dritten Stutzen wird reiner Sauerstoff aus einer
Sauerstoffflasche in den Plastikbeutel eingefüllt. Der Plastikbeutel sollte
nicht zu prall gefüllt werden. Der Dreiwegehahn ist nach dem Einfüllen in die
Stellung zu drehen, dass aus dem Beutel kein Sauerstoff entweichen kann. Zunächst
atmet der Proband nach Aufsetzen der Nasenklemme während einer kurzen
Adaptationsphase Raumluft. Danach wird er mit dem Plastikbeutel verbunden,
so daß er nur über den Plastikbeutel ein- und ausatmet. Damit erhöht sich
Atemzug um Atemzug der CO2-Gehalt im Plastikbeutel. Die übrigen KursteilnehmerInnen
können Atemtiefe und -frequenz anhand der Chart-Aufzeichnung
der Atemgurtexkursion beobachten. Die Entscheidung, wann der Versuch abzubrechen
ist, trifft allein der Proband.
Während des Versuchs wird mit Hilfe des CO2-Analysators die CO2-Konzentration
im Plastikbeutel fortlaufend bestimmt. Notieren Sie die CO2-Konzentration
und Atemfrequenz bei Abbruch der Untersuchung.
5.3 Atemmechanik 13
5.3 Atemmechanik
Aufgaben
� Messung des maximalen inspiratorischen und exspiratorischen Pulmonaldrucks.
� Bestimmung der passiven Druck-Volumen-Beziehung für den gesamten
Atemapparat.
� Bestimmung des Atemwegswiderstandes oder Resistance mit Hilfe
der oszillatorischen Resistance-Messung (ORM).
Lernziele
� Atemmechanik | Intrapulmonaler und -pleuraler Druck | Pneumothorax |
Atemmuskulatur | Compliance von Lunge und Thorax | Atemwegswiderstand
bzw. Resistance | visköse Anteile der Atemwegswiderstände |
statische und dynamische Atemtätigkeit | forcierte Atmung | Atemarbeit
Durch Kraftaufwand der Atemmuskulatur wird bei Inspiration gegen die elastischen
Rückstellkräfte von Thorax und Lunge eine Vergrößerung des Thoraxvolumens
erzielt. Die Lunge folgt aufgrund der Adhäsionskräfte zwischen der Pleura parietalis
und pulmonalis passiv den Thoraxbewegungen. Da Außenluft nicht sofort
wegen der Trägheits- und Reibungswiderständen nachströmen kann, entsteht ein
vorübergehend negativer Pulmonaldruck. Alle Druckangaben sind per definitionem
auf den Umgebungsluftdruck zu beziehen. Das Druckgefälle Pluft–Ppul stellt die treibende
Kraft für den Lufteinstrom dar, der den Strömungswiderstand der Atemwege
– auch als Resistance RL bezeichnet – zu überwinden vermag. In Anlehnung
an das OHMsche Gesetz gilt folgende Gleichung:
Pluft � Ppul
V� �
[13]
RL
Bei Exspiration kehren sich die Druckverhältnisse um, so daß ein Ausstrom
entsteht.
Das Ende der Inspiration ist dann erreicht, wenn sich der Pulmonaldruck
durch den Lufteinstrom dem Außendruck angeglichen hat. Anhaltende Inspira-

14 Versuch 5: Atmung
tion kann aber nur durch eine unverminderte Aktivität der Atemmuskulatur aufrecht
erhalten werden, da der inspiratorisch gedehnte Thorax samt Lunge durch
die elastischen Retraktionskräfte in die Ausgangsruhelage zurückkehren möchte.
Messbarer Ausdruck dieses Retraktionsverhaltens ist der negative intrapleurale
Druck Ppleu, der im flüssigkeitsgefüllten Pleuraspalt zwischen Pleura parietalis
und pulmonalis herrscht. Der bereits schon in der Atemruhelage negative Ppleu
wird umso negativer je stärker die Inspiration.
Das Ausmaß der atemmuskulären Anstrengung, um ein bestimmtes Volumen
einzuatmen, wird ganz entscheidend von den elastischen Eigenschaften des
Atemapparates bestimmt. Zur Charakterisierung bedient sich die Atmungsphysiologie
der sogenannten Ruhedehnungskurve des Atemapparates, die der passiven
Druck-Volumen-Beziehung von Thorax und Lunge entspricht. Sie besitzt
einen sigmoiden Verlauf, wobei in Atemruhelage die größte Steigung herrscht:
Lungenvolumenänderung [l]
+3
+2
+1
0
–1
–2
V
C � �
�
P pul
�P
max. Exspiration
max. Inspiration
�V
–3
–40 –30 –20 –10 0 +10 +20 +30 +40
Pulmonaldruckänderung [cm H O]
2
Abb. 5-3 Volumen-Druck-Beziehung bzw. Ruhedehnungskurve des Atemtraktes. Das
eingezeichnete Steigungsdreieck markiert die größte Dehnbarkeit des Thorax--
Lungensystems, was für die Ruhelage gilt. RV steht für Residualvolumen, VC
für Vitalkapazität.
VC
RV
[14]
5.3 Atemmechanik 15
C wird als Compliance bezeichnet und stellt ein Maß für die Dehnbarkeit dar. Ihr
Kehrwert ( = 1/C) wird Elastance oder Steifigkeit genannt.
Aufgrund des größsten C in Atemruhelage ist die Ruheatmung mit der geringsten
atemmuskulären Kraftanstrengung möglich, hingegen erfordert vertieftes
Atmen einen überproportionalen Kraftaufwand (Abb. 5-3).
Wird tiefer und schneller geatmet, müssen neben den elastischen Retraktionskräften
des Atemapparates zusätzliche visköse, d.h. reibungsbedingte Widerstände
überwunden werden, die einen noch größeren Krafteinsatz der Atemmuskulatur
und damit eine noch höhere Atemarbeit erfordern.
5.3.1 Maximaler inspiratorischer und exspiratorischer
Pulmonaldruck
Als Maßzahlen für die Leistungsfähigkeit der Atemmuskulatur können die maximalen
inspiratorischen bzw. exspiratorischen Pulmonaldrücke dienen. Sie drücken
letzten Endes die Maximalkräfte der Inspirations- bzw. Exspirationsmuskulatur
einschließlich aller Hilfsmuskeln aus. Da das Ausmaß der Kraftentwicklung
eines Skeletmuskels stark von seiner Vordehnung abhängt, können die maximalen
Pulmonaldruckwerte nur unter optimaler Vordehnung der inspiratorischen
bzw. exspiratorischen Atemmuskulatur erzielt werden. Erreicht wird dies durch
maximale Exspiration bzw. Inspiration, d..h. die Exspirationsmuskulatur vermag
die erschlaffte Inspirationsmuskulatur beim forcierten Ausatmen optimal vorzudehnen.
Der umgekehrte Fall gilt natürlich für das Einatmen.
Die maximalen Pulmonaldrücke lassen sich bei einer Versuchsperson einfach
gewinnen, wenn sie nach maximaler Ex- bzw. Inspiration bei geschlossenen
Atemwegen mit höchster Anstrengung ein- bzw. auszuatmen versucht. Den hohen
Exspirationsdruck nutzt man z.B. in der Klinik beim sog. VALSALVAschen
Pressversuch aus, um die mechanischen und reflektorischen Rückwirkungen der
Atmung auf den Kreislauf und die Herztätgkeit zu untersuchen. Nicht zu unterschätzende
Exspirationsdrücke können reflektorisch beim Husten und Niesen,
oder unter willentlicher Anstrengung bei der Defäkation, beim Geburtsvorgang
und beim Heben schwerer Lasten auftreten.

16 Versuch 5: Atmung 5.3 Atemmechanik 17
Versuchsgang
Die Versuchperson atmet durch den Messkopf des Pneumotachographiemessplatzes
(s. Teilversuch 5.1.1). Nach einer kurzen Anpassungsphase unter Ruheatmung
soll die VP maximal inspirieren und den Atem anhalten. Der Messkopf,
der mit einem zusätzlichen Druckaufnehmer verbunden ist, wird rasch verschlossen.
Nun muss die VP versuchen, unter höchster Kraftanstrengung auszuatmen,
was natürlich gegen den Atemwegsverschluß nicht gelingt. Statt dessen
baut sich der maximale Exspirationsdruck auf, der sich an dem PowerLab-System
ablesen lässt. Nach erfolgter Registrierung wir der Atemweg wieder geöffnet,
so dass die VP ruhig weiteratmen kann. Nach kurzer Phase der Ruheatmung
wird nach maximaler Exspiration ganz entsprechend der maximale Inspirationsdruck
bestimmt.
5.3.2 Messung der statischen Druck-Volumen-Beziehung
von Thorax und Lunge
Restriktive Ventilationsstörungen erkennt man an einer Einschränkung der Lungenvolumina
bzw. -kapazitäten. Allen gemeinsam ist letztlich eine Beeinträchtigung
der Volumen-Druck-Beziehung des Atemapparates, sei es durch eine orthopädisch
bedingte Behinderung der Thoraxdehnbarkeit (z. B. Trichterbrust,
Skoliose), durch Verlust an elastischem Lungengewebe (Emphysem, Altersschwund)
oder Defizite in der Atemmuskulatur. Daher besitzt die Kenntnis der
Ruhedehnungskurve von Thorax und Lunge einen hohen differentialdiagnostischen
Stellenwert.
Messverfahren
Die statische Volumen-Druck-Beziehung muß bei extrem langsamer Atmung
gewonnen werden, um die viskösen Einflüsse auszuschalten. Prinzipiell könnte
man diese Beziehung exakt mit Hilfe eines Beatmungsgerätes bei Über- oder Unterdruckbeatmung
messen, sofern zuvor die Atemmuskulatur in Vollnarkose
völlig relaxiert worden wäre, um definitiv nur die elastischen Eigenschaften von
Thorax und Lunge anzusprechen.
Eine einfache Methode, die hingegen an der wachen Versuchsperson durchführbar
ist, baut auf die Fähigkeit der Versuchsperson, in jeder Atemlage willkürlich
die Atemmuskulatur kurzfristig zu entspannen, so daß sich ein der Lungendehnung
adäquater Pulmonaldruck aufbauen kann.
Versuchsgang
Die Versuchsperson atmet durch den Pneumotachographen, der mit PowerLab
verbunden ist, um die Änderungen der Atemvolumina und damit die momentane
Atemlage bestimmen zu können. Inspiriert die VP ein bestimmtes Volumen und
versucht bei geöffneter Glottis gegen den vorübergehend geschlossenen Pneumotachographen
die Atemmuskulatur völlig zu entspannen (nicht Pressen wie
im Teilversuch 5.3.1, sondern eher Hauchen!), entsteht ein passiver Überdruck,
der dem Pulmonaldruck für das vorliegende Lungenvolumen entspricht. Stärkere
Einatmung muß zu höheren Pulmonaldruckwerten führen. Umgekehrt resultiert
ein passiver Unterdruck (neg. Ppul), wenn die VP über die Atemruhelage hinaus
ausgeatmet hat und dann wiederum versucht, die Atemmuskulatur zu
entspannen. Mit diesem Verfahren kann nur die Ruhedehnungskurve des Gesamtsystems
(Thorax + Lunge) erfasst werden. Die elastischen Anteile von Thorax
und Lunge an der Dehnbarkeit des Gesamtsystems lassen sich nur einzeln
abschätzen, wenn ausser Ppul auch der Pleuraldruck Ppleu gemessen wird. Da eine
direkte Druckmessung eine Punktion des Pleuralspalts erfordern würde, was natürlich
einen nur in ganz besonderen Fällen vertretbaren Eingriff rechtfertigt,
kann man dank der Schlaffheit der Ösophaguswandung Änderungen des Pleuraldruckes
mit Hilfe eines Ösophagusmanometers ausreichend genau registrieren.
Voraussetzung dafür ist, dass die Manometersonde mittels einer aufblasbaren Ballonmanschette
gegen den Mund- bzw. Rachenraum abgeschottet wird.
Der für die verschiedenen Lungenvolumina messbare Pulmonaldruck, der
sich bei verschlossenen Atemwegen und totaler Entspannung der Atemmuskulatur
einstellt, wird über ein Manometer, das mit dem PowerLabSystem verbunden
ist, angezeigt. Die einzelnen Messwertpaare sind unter EXCEL in ein vorbereitetes
Tabellenblatt einzutragen. Nach Dateneingabe wird daraus automatisch ein
Volumen-Druckdiagramm generiert.
5.3.3 Atemwegswiderstand
Das hier angewandte ORM-Verfahren (Oscillatory Resistance Measurement)
misst das Schwingungsverhalten des Atemtraktes unter Druckschwankungen,
die dem Atemluftstrom mittels einer Pumpe aufgezwungen werden. Dieses verändert
sich z.B. bei Erhöhung des bronchialen Strömungswiderstandes oder bei
eingeschränkter Dehnungsfähigkeit von Lunge und Thorax.

18 Versuch 5: Atmung 5.3 Atemmechanik 19
Der normalen Atmung des Probanden (12–18 Atemexkursionen pro Minute
bzw. f = 0,2 bis 0,3 Hz) wird ein oszillierender Luftstrom bestimmter Frequenz
(f = 8 Hz) überlagert, der durch eine Pumpe erzeugt und über einen Schlauch in den
Atmungstrakt eingeleitet wird. Die Ruheatmung wird dadurch nicht beeinflusst.
Der durch den Luftwechselstrom erzeugte Munddruck und die Atemstromstärke
werden über das gesamte Atemmanöver kontinuierlich aufgezeichnet und
in eine Resistance-Volumen-Kurve umgesetzt. Aus Druck und Stromstärke wird
der Gesamtwiderstand (Impedanz) ermittelt. Unter Einbeziehung der elastischen
Gewebewiderstände im Respirationstrakt, der Kompressibilität des thorakalen
Gasvolumens sowie von Trägheitswiderständen (Massenträgheit der Luft)
wird aus der gemessenen Impedanz der reale Atemwegswiderstand (Resistance)
errechnet. Die zusätzlich zur Resistance wirksamen Widerstände verursachen
eine zeitliche Verschiebung der Maxima von Druck und Fluss, die sich in einem
Phasenwinkel niederschlägt. Beim gesunden Menschen ist der Phasenwinkel annähernd
Null oder liegt im positiven Bereich. Ein stark negativer Winkel weist
selbst bei normalem Atemwiderstand auf eine Störung der Atemmechanik hin.
IndenAbbildungen(5-4u.5-5)istderRfo-Wert in Abhängigkeit vom Lungenvolumen
dargestellt. Der Bereich des Atemzugvolumens (AZV) und der inspiratorischen
Vitalkapazität (IVC)istmarkiert.
– Rfo = frequenz-oszillatorisch bestimmter Atemwiderstand
– Ri = Widerstand am Ende einer Inspiration bei Ruheatmung
– Re = Widerstand am Ende einer Expiration der Ruheatmung
Versuchsgang
Die Messung erfolgt mit dem PC-gestützten Lungenfunktionsmessplatz custo vit,
der über einen Pneumotachographiemesskopf mit einem speziellen Messkopfaufsatz
für die Oszilloresistometrie verfügt. Während die Versuchsperson ganz
normal durch den Pneumotachographiemesskopf atmet, werden ihr pulsierende
niederfrequente Druckschwankungen (8 Hz) niedriger Amplitude aufgezwungen.
Stecken Sie den Messkopfaufsatz für die Oszilloresistometrie (stets vorsichtig
im Uhrzeigersinn drehen) auf den rückwärtigen Mundstückadapter. Starten
Sie die Messung durch Klicken auf das Startsymbol des Messmenüs am Bildschirm,
nachdem sich die VP mit aufgesetzter Nasenklemme für die Messung
bereit gemacht hat. Folgende weitere Versuchsanleitung wird automatisch eingeblendet:
Abb. 5-4 Widerstands-Volumen-Kurve eines gesunden Probanden, komplett für den
Bereich der inspiratorischen Vitalkapazität IVC aufgetragen.
Normaler Befund: Re � Ri (Re bzw. Ri sind die Widerstandswerte nach normaler
Exspiration bzw. Inspiration), beide < 0,3 kPa � s/l, ausgeprägtes Plateau,
Steilverlauf im endexspiratorischen Bereich.
Abb. 5-5 Befund »Obstruktion«: Re >Ri und/oder > 0,3 kPa � s/l, keine Plateauphase,
reduzierter Steilverlauf in endexspiratorischer Atemlage.

20 Versuch 5: Atmung
Nach 1. Piepton: Meldung »Bitte ruhig ein- und ausatmen!«
Nehmen Sie den Messkopf in die Hand und das Mundstück in den Mund.
Atmen Sie ruhig ein- und aus entsprechend einer normalen Ruheatmung.
Nach 2. Piepton: Meldung »Jetzt LANGSAM tief ein- und ausatmen!!«
Das Atemmanöver wird atemsynchron am Bildschirm angezeigt, wobei simultan
zur 8 Hz-Rfo-Kurve die Volumen-Zeit-Kurve eingeblendet wird. Nach dem
Atemmanöver muß normal weitergeatmet, und der Messkopf wieder vorsichtig
ablegt werden. Nun erscheint ein Wartesymbol am Bildschirm, da die Messdaten
in einem aufwendigen Rechenprozess auf der Basis komplexer Atemmodelle
weiterverarbeitet werden, um daraus die Resistancewerte zu berechnen.