Respirationssystem
und Atemgastransport
Funktionelle Atemuntersuchung
© H. Hinghofer-Szalkay
Bradypnoe: βραδύς = langsam, πνοή = Atem
Plethysmograpie: πληθυς = Menge, Fülle, γραφή = Schrift, Aufzeichnung
Spirometrie: spirare = hauchen, atmen, μέτρον = Maß
Tachypnoe: ταχύς = rasch, πνοή = Atem
Tiffeneau-Test: Robert Tiffeneau
Zu den einfachsten Tests der Lungenfunktion gehört das Ausblasen einer Kerze. Der dazu erforderliche Luftstrom entspricht einem peak flow der Exspiration (normalerweise an die 10 l/s), der pneumotachografisch erfasst werden kann (Spirometer). Die Spirometrie erlaubt die Messung sowohl statischer (Atemvolumina) als auch dynamischer Größen (Sekundenstoßtest, Atemgrenzwert u.a.).
Ein Strömungshindernis erhöht die Resistance der Atemwege und senkt den peak flow (obstruktive Störung); es verringert auch den Tiffeneau- und den Atemgrenzwert.
Spirometer erlauben die Messung von Atemvolumina und "Kapazitäten" (Summe mehrerer Volumina). Man unterscheidet das Residualvolumen (bleibt immer in der Lunge und kann daher nur indirekt - mittels Indikatorverdünnung - ermittelt werden), exspiratorische Reservevolumen (forcierte Ausatmung), Atemzugvolumen (tidal volume) und inspiratorische Reservevolumen (zusätzliche maximale Einatmung).
Die funktionelle Residualkapazität ist das Luftvolumen in der Lunge im entspannten ausgeatmeten Zustand, die Totalkapazität der Lungeninhalt bei maximaler Einatmungsposition. Einengungen der Lungenbeweglichkeit (restriktive Störungen) reduzieren die entsprechenden Lungenvolumina.
Die Sollwerte sind abhängig von Alter, Körperoberfläche und Geschlecht.
Wichtige Kennwerte sind der Strömungswiderstand (Resistance) und die
Dehnbarkeit (Compliance) von Thorax und Lunge. Dazu registriert man
entsprechende physikalische Werte (Resistance: Druckdifferenz /
Strömung, Compliance: Volumenänderung / Druckänderung). Mittels
Ganzkörperplethysmografen kann man den Druckverlauf in den Alveolen
ermitteln, eine Ösophagussonde erlaubt die Erfassung des Druckverlaufs
in Thoraxraum (Pleuraspalt). Für die Lungencompliance
ist der Unterschied zwischen intrapulmonalem (innen) und intrapleuralem
Druck (außen), für die Thoraxcompliance derjenige zwischen Außendruck
und intrapleuralem Druck maßgeblich.
|
Einfachste Tests 
Spirometrie Atemwegwiderstand (Resistance) Ganzkörperplethysmographie, Compliance weitere Tests Normwertetabelle
Die
Untersuchung des Respirationssystems beginnt mit der Anamnese (Luftnot?
Husten? etc), einfachen Untersuchungen und klinischen Tests.
Aufwändigere oder invasive Methoden (wie bildgebende Verfahren,
Endoskopie, Biopsie, Herzkatheteruntersuchung) sind nur dann
notwendig, wenn eine gezielte Beurteilung mit einfachen Methoden nicht möglich ist.
Die Atemfrequenz (wie viele Atemzüge erfolgen in
einer Minute?) kann über Beobachtung, Registrierung der Atembewegungen (Pneumographie, z.B. durch Impedanzmessung)
oder Aufzeichnung des Luftstroms (Spirometrie) gemessen werden. Referenzwertbereiche
hängen von mehreren physiologischen Zustandsgrößen ab, vor allem
Alter (Ruhe-Atemfrequenz: Neugeborene ≈50 Atemzüge/min, Kinder im Vorschulalter ≈20/min, Erwachsene ≈12/min) und
Belastungsgrad (sowohl Frequenz als auch Atemtiefe nehmen zu, um die alveoläre Ventilation bis ≈20fach zu erhöhen).
Bei Schwangeren steigt die Atemfrequenz um ≈15% bis etwa zur 24. Gestationswoche.
Beim Orgasmus nimmt die Atemfrequenz bis auf ≈40/min zu.
Lungenfunktionstests: Zu den einfachsten Überprüfungen des Respirationssystems
gehört der "Kerzen-Ausblastest". Bei Einengung der Atemwege (z.B.
asthma bronchiale) nimmt der Widerstand für die Luftströmung zu und die
Fähigkeit zum erfolgreichen Ausblasen einer Kerze ab. Auch mit
zunehmendem Alter sinkt die maximal mögliche Luftströmung, was bei
diesem Test deutlich zum Vorschein kommen kann.
Auskultation kann wichtige Hinweise geben: Atemgeräusche (normal: "vesikulär"; pathologisch: abgeschwächt (z.B. Pneumothorax), "bronchial" ("Kompressionsatmen", Pneumonie).
>Abbildung: Strömungs-Volumen-Kurve bei einer forcierten Ausatmung
Normaler Atemwegwiderstand (rote Kurve), schweres Asthma bronchiale (blaue Kurve).
Proband atmet maximal ein (Lunge beinhaltet Totalkapazität) und dann
die gesamte Vitalkapazität so schnell wie möglich aus (Lunge beinhaltet
Residualvolumen).
Der höchste erreichte Strömungswert heißt peak exspiratory flow
(hier bei einer gesunden Testperson knapp 8 l/s, bei der
Person mit obstruktiver Ventilationsstörung <6 l/s)
Die
Bestimmung der Atemvolumina erfolgt mit einem Spirometer
.
Dieses misst - je nach Konstruktionstyp - bei einem Pneumotachographen
den Druck vor und nach einem Widerstand; oder die Umdrehungszahl einer
im Luftstrom liegenden Turbine; oder den Luftstrom mittels Ultraschall.
(Ursprünglich wurde das Volumen mittels eines in Wasser gelagerten
Schwimmkörpers gemessen, aus dem über einen Schlauch geatmet wurde.)
Mit einem Spirometer können alle atembaren Volumina ermittelt werden:
das Atemzugvolumen V
T (normale Atemtiefe)
die Vitalkapazität (IRV+V
T+ERV) und inspiratorische Reservekapazität (V
T + IRV)
Reservevolumina
(inspiratorisch IRV, exspiratorisch ERV)
Atemzeitvolumen: Dies ist die pro Zeiteinheit geatmete (üblicherweise exspirierte) Luftmenge.
Eingeatmetes
und ausgeatmetes Luftvolumen sind unterschiedlich, da einerseits Gase
in den Körper aufgenommen (Sauerstoff!), andererseits von ihm abgegeben
werden (Kohlendioxid, Wasserdampf). Weiters unterscheiden sich die
physikalischen Randbedingungen, die sich auf das gemessene Volumen
auswirken - ATPS = trockene Einatemluft, STPD = Körperbedingungen,
s.
dort).
Das Atemminutenvolumen (l/min) ergibt sich als mittleres Atemzugvolumen (l) mal Atemfrequenz (1/min).
Die funktionelle Residualkapazität (FRC - die Luftmenge, die sich bei ruhiger Ausatemlage in der Lunge befindet) wird mittels
Indikatorverdünnung gemessen: Ein Indikatorgas (Helium) wird in einen
Atembeutel gemischt und, nach einigen tiefen Atemzügen, seine
Konzentration in der durchmischten Luft bestimmt. Je kleiner die
Heliumkonzentration, desto größer das Verteilungsvolumen. Das
Residualvolumen errechnet man dann aus FRC - ERV; es erhöht sich bei
restriktiven Ventilationsstörungen und mit zunehmendem Alter.
Spezielle
Spirometer können Fluss-Volumen-Diagramme aufzeichnen
(>Abbildung): Die exspiratorische Strömung nimmt bei forcierter
Ausatmung (Start bei Totalkapazität in der Lunge)
zunächst steil auf ≈8-12 Liter pro Sekunde zu, um dann ziemlich linear
abzunehmen, bis die gesamte Vitalkapazität ausgeatmet ist
(Residualvolumen in der Lunge).
Bei obstruktiver Ventilationsstörung
(erhöhter Atemwegwiderstand) ist der maximale Strömungsbetrag reduziert,
bei restriktiver Ventilationsstörung (verringerter Bewegungsspielraum der Lunge) ist die Vitalkapazität erniedrigt.
<Abbildung: Sekundenstoßtest: Forcierte Exspirogramme
Gesunde Testperson (links)
Beispiele für obstruktive (Mitte) und restriktive Respirationsstörung (rechts)
Die relative 1-Sekunden-Kapazität (Tiffeneau-, 1-Sekunden-Wert FEV1)
beträgt normalerweise >75%; bei obstruktiven Störungen (erhöhter
Atenmwegwiderstand) ist dieser Wert herabgesetzt. Restriktive
Ventilationsstörungen zeichnen sich durch reduzierte Vitalkapazität (VC) aus
Exspiratorische Sekundenkapazität (Tiffeneau-Test).
Dieser spirometrische Test misst die Vitalkapazität sowie die
Einsekundenkapazität.
Vorgangsweise: Die
Versuchsperson atmet maximal ein; anschließend atmet sie so rasch und
stark wie möglich in das Spirometer aus. Das ausgeatmete Luftvolumen
wird als Funktion der Zeit (ab Beginn der Ausatmung) aufgezeichnet;
Resultat ist ein "forciertes Exspirogramm" (<Abbildung).
VC, FEV1, rFEV1: Die in das Spirometer geatmete Luftmenge entspricht der Vitalkapazität VC
(tiefste Inspiration bis maximale Exspiration). Bei restriktiven
Störungen ist die VC reduziert; sie kann auch bei obstruktiver Störung
verringert sein (Abbildung). Die in der ersten Sekunde ausgeatmete
Luftmenge ist die absolute Einsekundenkapazität (FEV1, ausgedrückt in Litern). Zur Vitalkapazität in Bezug gesetzt, erhält man die relative Einsekundenkapazität (rFEV1, ausgedrückt in %VC). Letztere wird üblicherweise als "Tiffeneau-Wert" (%) angegeben.
>Abbildung: Fluss-Volumen-Diagramm eines Tiffeneau-Tests
Hier ist die Atemstromstärke als Funktion des geatmeten Luftvolumens
dargestellt. Der Versuch beginnt mit normaler Atmung (kleine Schleife,
Atemzugvolumen), anschließend erfolgt maximale Inspiration (links) und
dann forcierte Ausatmung (nach rechts). Letzterer Teil entspricht der
rot gezeichnete Kurve in der >Abbildung ganz oben
PEV = peak exspiratory flow
Die Atemfrequenz bei körperlicher Ruhe beträgt 12-20 pro Minute.
Tachypnoe ist eine beschleunigte (>20/min), Bradypnoe eine
verlangsamte Atmung (<12/min) . Tachypnoe ist bei körperlicher
Belastung, Bradypnoe im Tiefschlaf physiologisch.
Der Atemwegwiderstand (W) (airway resistance) wird aus Luftstrom (Str) und relativem Alveolardruck
(pA - pB; pB = Luftdruck) berechnet:
Atemwegwiderstand
1-2 cm H2O (0,1-0,2 kPa) pro
l/s
Anmerkung: 0,1 kPa = 1 hPa (Hektopascal)
Der Atemwegwiderstand ist eine Größe, zu deren Messung sowohl die Luftströmung (Pneumotachograph) als auch die Druckdifferenz zwischen Außenluft und Alveolarraum
ermittelt werden muss (Ganzkörperplethysmographie). Ein
Sekundenstoßtest (Tiffeneau-Test) kann zwar eine obstruktive
Ventilationsstörung aufdecken, die durch Erhöhung des
Atemwegwiderstandes bedingt ist, den Betrag der Resistance zeigt er jedoch nicht auf. Bei obstruktiven Ventilationsstörungen ist der Atemwegwiderstand erhöht.
Schwere allergische Anfälle, bei denen Allergene
zu Histaminausschüttung in den Bronchien führen, bedingen eine
lebensgefährliche Steigerung des Atemwegwiderstands bis zum Zwanzigfachen des
Normalwerts.
<Abbildung: Ganzkörperplethysmographie zur indirekten Bestimmung des Druckverlaufs in den Alveolen
Nach einer Vorlage in morgansci.com
Während
der Einatmung sinkt nicht nur der Alveolardruck, der "expandierende"
Körper läßt auch den Druck in der Kammer leicht steigen (oben).
Umgekehrt bei der Ausatmung (unten)
Die Strömung wird mittels Pneumotachographen quantifiziert, über ein Mundstück, in dem der
Druckunterschied vor und hinter einem Widerstandsnetz gemessen wird. Der Alveolardruck wird über Ganzkörperplethysmographie ermittelt.
Das Prinzip der Ganzkörperplethysmographie (<Abbildung: body plethysmography)
ist
einfach: Die Druckschwankungen in der Lunge sind nicht direkt messbar.
Die Person sitzt in einer luftdichten Kammer, in dieser werden die
Druckschwankungen gemessen, die beim Atmen auftreten. Beträgt z.B. das
Luftvolumen in der Lunge 3 Liter und das Luftvolumen in der Kammer 300
Liter, dann sind die Druckschankungen in der Alveolen hundertmal so
groß wie die in der Kammer ermittelten. Sinkt der Druck in der Lunge, dann steigt er in der Kammer, und vice versa.
In der Praxis ist zu berücksichtigen, dass zahlreiche Fehlerquellen
auftreten können. Zur
Einatmung verwendet man Luft unter BTPS-Bedingungen.
Die Messungen dienen u.a. zur Ermittlung von Compliancewerten. Die Compliance ein Maß für die Dehnbarkeit, definiert als
statische Compliance (Luftvolumen in der Lunge als Funktion des Dehnungsdrucks - Innen- minus Außendruck) oder
dynamische Compliance - Volumenänderung pro
entsprechender Druckänderung
bei
entspannter Atemmuskulatur.
Lunge: Außen Pleuradruck, innen Alveolardruck
Thorax: Außen Barometerdruck, innen Pleuradruck (entspannte Atemmuskulatur)
Gesamtsystem: Außen Barometerdruck, innen Alveolardruck (entspannte Atemmuskulatur)
Bei restriktiven Ventilationsstörungen ist die Compliance des Atemapparates reduziert.
Zur Bestimmung der Lungen- sowie der Thoraxcompliance ist eine Messung des intrathorakalen Drucks mittels Ösophagussonde nötig.
Deshalb handelt es sich dabei nicht um ein diagnostisches
Routineverfahren. Zum Aufspüren restriktiver Ventilationsstörungen
orientiert man sich im Allgemeinen an Resultaten einfacherer Tests: Bei leichten restriktiven Ventilationsstörungen ist die Vitalkapazität vermindert, bei ausgeprägten restriktiven Ventilationsstörungen zusätzlich auch der Atemgrenzwert (s. unten).
Da man
die Absolutvolumina (Ruhedehnungskurven) meist nicht kennt
(Residualvolumen nur mit Indikatorverdünnungsmethode messbar),
orientiert man sich bei Compliancemessungen an den Änderungen
des Volumens und des entsprechenden Drucks. Der Verlauf des
Pleuraldrucks wird mittels eines Ballonkathetes im mittleren
Ösophagusbereich ermittelt, da dieser Druck den Donders'schen
(intrathorakalen) und Pleuradruck widerspiegelt:
Die Lungencompliance
(CL) errechnet sich als Volumenänderung pro Druckänderung zwischen intrapulmonalem (ppul) und intrapleuralem
Druck (ppl):
Die Thoraxcompliance (CTh) errechnet sich als Volumenänderung pro intrapleuraler Druckänderung:
Die Compliance des Gesamtsystems (CTh+L) errechnet sich als Volumenänderung pro intrapulmonaler Druckänderung, sie ist halb so groß wie die Compliance von Lunge bzw. Thorax alleine:
Der Kehrwert der Compliance (1/C) wird als Elastance (Maß für die Steifigkeit) bezeichnet. Die Elastance des Gesamtsystems errechnet sich aus der Summe der Elastance(Lunge) und Elastance (Thorax):
1 / CL+Th = 1 / CL + 1 / CTh
Die Strukturen werden mit steigender Dehnung steifer: Mit zunehmender
Einatmung nehmen die Werte für die Compliance ab, diejenigen für die
Elastance zu.
>Abbildung: Compliancekurven (Lunge): Statische Druck-Volumen-Relationen
Nach einer Vorlage in Handbook of Physiology. Section
3, The Respiratory System. Vol III, part 2. Fishman AP, ed. American
Physiological Society 1986
Transpulmonaler Druck: Druckdifferenz zwischen Alveolen und Pleuraspalt.
Bei normalen Probanden findet sich ein Compliancewert der Lunge (mittlerer Dehnungsbereich) von ≈2,6 l/lPa. Bei Lungenemphysem ist die Dehnbarkeit pathologisch erhöht, die Lunge überdehnt. Bei Fibrose dehnt sich die Lunge mit zunehmendem Beatmungsdruck kaum auf
Einfache Atemuntersuchungen:
Beim Sekundenstoßtest (Tiffeneau-Test ) atmet der Untersuchte
maximal ein und anschließend so stark und schnell wie möglich aus.
Normalerweise kann man in der ersten Sekunde über 70% der
Vitalkapazität ausatmen. Bei Erhöhung des Atemwegwiderstandes
(obstruktiver Ventilationsstörung) ist dieser Prozentsatz (FEV1-Wert:
forced exspiration volume, 1st second) herabgesetzt.
FEV1 (Sekundenwert forcierte Exspiration)
>70% der Vitalkapazität
Das Ergebnis ist von der Mitarbeit der Probanden / Patienten abhängig
Der peak exspiratory flow ist der maximale Strömungswert bei forcierter Ausatmung. Sein
Referenzwert ist bei Männern größer als bei Frauen und altersabhängig
(höchste Werte zwischen dem 30. und 40. Lebensjahr).
Peak (exspiratory)
flow (4. Dekade)
Männer 600-670 l/s, Frauen 420-460 l/min
Der Atemgrenzwert (AGW, maximum voluntary ventilation MVV) gibt die mechanische Leistungsfähigkeit
des Lungen-Thorax-Systems an: Man bestimmt, wie viel Luft pro Minute
geatmet werden kann.
Dabei wird nur 15 oder 20 Sekunden
getestet und der Wert auf eine Minute hochgerechnet, denn durch die hyperventilationsbedingte
Hypokapnie würden sich die Gehirngefäße rasch verengen, Schwindelgefühl
und Bewusstlosigkeit auftreten.
AGW (Atemgrenzwert)
>100 l/min (Männer 120-170 l/min, Frauen 100-150 l/min)
Indirekter Atemgrenzwert: Man kann den Atemgrenzwert auch aus der
Vitalkapazität (VC) berechnen, vorausgesetzt, es liegt keine
Ventilationsstörung vor. Es gilt dann: Indirekter AGW = 30 x VC.
z.B. VC = 5 l, indirekter AGW = 150 l/min
Atemmeachanische Zustandsvariable: Normwerte / Referenzwertbereiche
|
Variable
|
Männer
|
Frauen
|
Residualkapazität (RV)
|
1,4 l
|
1,2 l
|
Funktionelle Residualkapazität (FRC)
|
3,2 l
|
2,8 l
|
Exspiratorisches Reservevolumen (ERV)
|
1,5 l
|
1,3 l
|
Atemzugvolumen (VT)
|
0,5 l
|
0,5 l
|
Inspiratorisches Reservevolumen (IRV)
|
3,5 l
|
3,2 l
|
Vitalkapazität VC (exspiratorisch: EVC)
|
5,6 l
|
5,0 l
|
Totalkapazität (TC)
|
7,0 l
|
6,2 l
|
Einsekundenkapazität (FEV1)
|
4,5 l (>70% VC)
|
4,0 l (>70% VC)
|
Atemgrenzwert (AGW)
|
120-170 l/min
|
100-150 l/min
|
| Maximale exspiratorische Atemstromstärke |
10 l/s
|
10 l/s
|
| Atemwegwiderstand (airway resistance) |
0,1-0,2 kPa pro
l/s |
0,1-0,2 kPa pro
l/s |
Compliance des Atemapparates
|
1,3 l/kPa
|
1,3 l/kPa
|
Compliance der Lunge
|
2,6 l/kPa
|
2,6 l/kPa |
Compliance des Thorax
|
2,6 l/kPa |
2,6 l/kPa |
Die Informationen in dieser Website basieren auf verschiedenen Quellen:
Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie
sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und
Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.
