Versuch 5: Atmung

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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.
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Seite 11: 20 Versuch 5: Atmung Nach 1. Piepto

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