Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
 

     
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: ταχύ
ς = 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), das 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 Körperoberfläche, Alter 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 (für die Lunge "außen"), für die Thoraxcompliance derjenige zwischen Außendruck und intrapleuralem Druck maßgeblich.


Einfachste Tests Spirometrie Tiffeneau-Test Bestimmung von FRC und Residualvolumen Atemwegwiderstand (Resistance) Ganzkörperplethysmographie, Compliance Normwerttabelle

Core messages
  
Die Untersuchung beginnt mit sorgfältiger Beobachtung der Person
 
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).
 
Weiter führen funktionelle Untersuchungen (pulmonary function tests, PFTs). Diese prüfen verschiedene Aspekte der Physiologie der Atmung (Große und kleine Luftwege, Alveolen, Lungengefäße, respiratorische Muskulatur). Im Zentrum solcher Untersuchungen stehen Geräte, welche Atemvolumina (Vitalographie) oder Strömungen (Pneumotachographie) erfassen können.
 
Spirometrie
  
   Spirometrie (Spirographie) ist die Messung von Atemvolumina (statische Spirometrie) bzw. Luftströmungswerten (dynamische Spirometrie), die einer direkten Messung zugänglich sind (also das Residualvolumen nicht beinhalten).
 

<Abbildung: Einfache Spirometrie
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021

Oben: Die klassiche Methode wird kaum noch verwendet, ist aber besonders leicht nachvollziehbar. Der Zylinder des Spirometers ist mit Luft gefüllt und "schwebt" - mittels Gegengewicht austariert und daher praktisch widerstandsfrei - in einem mit Wasser gefüllten Behälter. Seine durch Ein- und Ausatmung bedingten Bewegungen werden auf einer Registriertrommel aufgezeichtet. Die Verbindung von Proband(in) zum Spirometer ist luftdicht.

Unten: Atemvolumina grün, Kapazitäten blau dargestellt.

IRV = inspiratorisches Reservevolumen (1,9-2,5 l)
 
TV = Atemzugvolumen (tidal volume, 0,4-0,6 l)
 
ERV = exspiratorisches Reservevolumen (1,1-1,5 l)
 
RV = Residualvolumen (1,5-1,9 l)
 
TLC = Totalkapazität (4,9-6,4 l)
 
IC = inspiratorische Kapazität (2,3-3,0 l)
 
FRC = funktionelle Residualkapazität (2,6-3,4 l)
 
VC = Vitalkapazität (3,4-4,5 l)

FEV1 = forced expiration volume (1 s)


Je nach Konstruktionstyp werden Atemvolumina direkt mit einer in Wasser mittels eines in Wasser gelagerten Schwimmkörpers, aus dem über einen Schlauch geatmet wird (<Abbildung), oder indirekt über Integration von Strömungskurven bestimmt, die mittels Pneumotachometer (Druckdifferenz), Turbine (Umdrehungszahl) oder Ultraschall (Doppler) aufgezeichnet werden.
 
   Ein Pneumotachometer (Pneumotachograph) ist ein Zwischenstück im Atmungssystem, das einen Fließwiderstand beinhaltet und den Druck vor und hinter dem Widerstand misst (Strömung = Druckgradient / Widerstand).

Mit einem Spirometer können alle atembaren Volumina ermittelt werden:

     Atemzugvolumen VT (normale Atemtiefe)
 
     Vitalkapazität (IRV+VT+ERV) und inspiratorische Reservekapazität  (VT + IRV)
 
     Reservevolumina (inspiratorisch IRV, exspiratorisch ERV) 

Atemzeitvolumen: Dies ist die pro Zeiteinheit geatmete (üblicherweise exspirierte) Luftmenge.
 
  Zur Bestimmung des Totraumvolumens s. dort

     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 = wasserdampfgesättigte Einatemluft, STPD = Körperbedingungen, s. dort).
 
Das Atemminutenvolumen (l/min) ergibt sich als mittleres Atemzugvolumen (bei Ruheatmung etwa 0,6 Liter) mal Atemfrequenz (bei Ruheatmung 12-16 Atemzüge / Minute). Beispielsweise ergibt sich bei 0,6 (l) mal 12 (/min) ein Atemminutenvolumen von 7,2 l/min. In dieser Zeit werden ~0,3 Liter Sauerstoff verbraucht; der pO2 in der Ausatemluft ist geringer (~16 kPa) als in der Einatemluft (bei 100 kPa Luftdruck 21 kPa).
 
     In diesem Beispiel ergibt sich: Exspirationsluft 16, Inspirationsluft 21 Vol-% Sauerstoff, Differenz 5 Vol-%; 5% von 7,2 Liter = 0,36 l Sauerstoff / Minute.


 
>Abbildung: Sekundenstoßtest: Exspirogramme

Links: Gesunde Testperson (1-Sekunden-Wert FEV1 rot, Vitalkapazität VC blau markiert). FEV1 beträgt normalerweise >75% von VC
 
Mitte: Obstruktive Ventilationsstörung - Abnahme des 1-Sekunden-Wertes, VC (hier reduziert) wird verzögert erreicht

Rechts: Restriktive Ventilationsstörung - VC erniedrigt


    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

Das Atemzeitvolumen
kann sich bei körperlicher Belastung bis um einen Faktor 10-20 zunehmen. Bei körperlicher Ausbelastung erwachsener Personen sprechen Werte unter 120 l/min für erhöhten Atemwegwiderstand.
 
Das Atemzeitvolumen steigt bei körperlicher Belastung bis zu 20-fach an
   

<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 (rate) PEV(R); hier bei einer gesunden Testperson knapp 8 l/s, bei der Person mit obstruktiver Ventilationsstörung <6 l/s


Spezielle Spirometer zeichnen Fluss-Volumen-Diagramme auf (<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).

Exspiratorische Sekundenkapazität (Tiffeneau-Test)
 
Dieser spirometrische Test (Sekundenstoßtest, Tiffeneau-Test , FEV1-Wert: forced exspiration volume, 1st second) misst die Vitalkapazität sowie die Einsekundenkapazität. Man atmet maximal ein und anschließend so stark und schnell wie möglich aus - normalerweise in der ersten Sekunde ca. 80% (über 70%) der Vitalkapazität. Bei Erhöhung des Atemwegwiderstandes (obstruktiver Ventilationsstörung) ist dieser Prozentsatz herabgesetzt.

Vorgangsweise: Die Person 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".

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.
  
Die Einsekundenkapazität wird spirometrisch bestimmt und in % der Vitalkapazität (VC) angegeben (rFEV1)
 
Sie sollte mindestens 70-80% der VC betragen


  FEV1 (Sekundenwert forcierte Exspiration)
>70% der Vitalkapazität
  Das Ergebnis ist von der Mitarbeit der Probanden / Patienten abhängig
 
 
>Abbildung: Fluss-Volumen-Diagramm eines Tiffeneau-Tests

Hier ist die Atemstromstärke als Funktion des geatmeten Luftvolumens dargestellt.
 
Der Versuch beginnt mit normaler Atmung (
Atemzugvolumen: kleine Schleife, dunkelgrün), anschließend erfolgt maximale Inspiration (hellgrün) und dann forcierte Ausatmung (rot, entspricht der rot gezeichnete Kurve in der >Abbildung ganz oben).
 
Bei maximaler Inspiration (links, TLC) sind die elastischen Rückstellkräfte der Lunge am höchsten, und die Fasern der Exspirationsmuskeln sind optimal vorgedehnt. Deshalb ist die Ausatmung intensiv, die maximale Atemstromstärke (PEF) rasch erreicht.

ERV = exspiratorisches Reservevolumen, IRV = inspiratorisches Reservevolumen, PEV =
peak exspiratory flow, RV = Residualvolumen, TLC = Totalkapazität


Fluss-Volumen-Kurve (flow-volume loop). Im Rahmen eines Tiffeneau-Tests kann die Atemstromstärke als Funktion des Atemvolumens dargestellt werden (>Abbildung). Atemzugvolumen (VT), inspiratorisches und exspiratorisches Reservevolumen (IRV, ERV) sind auf der Aszisse dargestellt.

Die maximale exspiratorische Strömung ist der
peak exspiratory flow (PEV). Obstruktive Störungen würden sich durch verringerte Strömung und deformierte (eingedellte) exspiratorische Kurvenverläufe kennzeichnen (>Abbildung ganz oben).
 

<Abbildung: Fluss-Volumen-Diagramme
Nach einer Vorlage bei www.bozwell.co.uk/

Bei restriktiven Ventilationsstörungen (VS) sind peak exspiratory flow (PEF) und das Kurvenmuster weitgehend normal, das Atemvolumen ist reduziert.
 
Bei ostruktiven
Ventilationsstörungen ist der PEF herabgesetzt, die Kurve erscheint konkav, das Volumen ist normal bis leicht reduziert


      Kennzeichnend für obstruktive Ventilationsstörungen - bei denen der Atemwegwiderstand erhöht ist - ist eine Reduktion der dynamischen Atemgrößen: Atemstoß / FEV1 (Tiffeneau), PEF, Einsekundenkapazität, Atemgrenzwert.


      Bei restriktiven Ventilationsstörungen (verringerter Bewegungsspielraum der Lunge) ist die Vitalkapazität erniedrigt, dynamische Atemgrößen sind nicht beeinträchtigt.

Sind sowohl Vitalkapazität als auch Sekundenkapazität reduziert, liegt eine kombinierte Ventilationsstörung vor.

 
Erhöhter Atemwegwiderstand (obstruktive Ventilationsstörung) verflacht den Verlauf der Fluss-Volumen-Kurve
 
Restriktive Ventilationsstörungen reduzieren die Vitalkapazität

 
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.
 

 
Bestimmung von FRC und Residualvolumen

    Die funktionelle Residualkapazität (FRC - die Luftmenge, die sich bei ruhiger Ausatemlage in der Lunge befindet) kann über mehrere methodische Zugänge bestimmt werden:

  Indikatorverdünnungsprinzip

Ein Indikator (in diesem Fall Heliumgas) wird in einen Atembeutel gemischt und seine Konzentration (Partialdruck) bestimmt (>Abbildung).


>Abbildung: Heliumdilution - Methode zur Bestimmung des Lungenvolumens (FRC bzw. VL)
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021

Das Prinzip: Menge = Volumen mal Konzentration.
 
Eine definierte Menge Helium verteilt sich zuerst nur im Spirometersystem (Volumen: Vs), nach etwa 2 Minuten Atmung aus dem System (gründliche Durchmischung) gleichmäßig in Vs + VL

Referenzzustand ist die Atemruhelage (FRC in der Lunge). Nach ausreichender Durchmischung der Luft im Atembeutel mit der Luft in der Lunge (~2 Minuten; die Heliumkonzentration stabilisiert sich), wird der Helium-Partialdruck abermals bestimmt (Person in Atemruhelage). Je kleiner die Heliumkonzentration, desto größer das Verteilungsvolumen.

VS = Volumen des Atembeutels,
VL =  Lungenvolumen (FRC), c1 = anfängliche Heliumkonzentration (Atembeutel), c2 = stabile Endkonzentration (sowohl im Atembeutel als auch in der Lunge in Ausatemlage, also FRC = VL).

Man geht davon aus, dass das Helium in der Beobachtungsperiode im System verbleibt, seine Menge (M) hier konstant ist: M = c.V.

Dann ist
c1 x VS = c2 x (VS + VL). Je geringer die Heliumkonzentration, desto größer das Verteilungsvolumen.
 
  Stickstoff-Auswaschmethode

79% der eingeatmeten Luft besteht aus Stickstoff, und da sein Partialdruck (pN2) im Blut gleich groß ist wie in der Luft (N2-Sättigung), gibt es auch keinen Netto-Austasuch, d.h. seine Menge in der Atemluft bleibt konstant. Also eignet sich auch Stickstoff als Indikatorstoff.

Ziel des Experiments ist die Bestimmung des Lungenvolumens (V) im ausgeatmeten Zustand (FRC). Kennt man die Menge M des in der Lunge vorhandenen Stickstoffs und bestimmt die Stickstoffkonzentration cN2, ist das Volumen leicht errechenbar, denn Konzentration = Menge / Volumen, und M = V x cN2. Es geht also um die Frage: Wieviel N2 befindet sich in der Luft der FRC?

Vorgangsweise: Zuerst atmet die Person Umgebungsluft. Dann wird der Luftzustrom in die Lunge auf reinen Sauerstoff umgeschaltet und die ausgeatmete Luft in einem Atembeutel gesammelt. Nun ersetzt Sauerstoff allmählich den Stickstoff in der Lunge. Die Atmung wird für 5-7 Minuten fortgesetzt, bis sich kein N2 mehr in der Lunge befindet.

In der während dieser Auswaschzeit im Atembeutel gesammtelten Exspirationsluft wird anschließend die Stickstoffmenge bestimmt (s. Fragestellung): Aus (in diesem Fall leicht messbarem) [V] (des Beutels) und (in der Luft des Beutels gemessenem) [cN2] - wiederum nach dem Prinzip M = V x c.

Dann wird [M] in die Gleichung M = V x cN2 eingesetzt und die funktionelle Residualkapazität errechnet nach V (FRC) = M / cN2.
 
  Ganzkörperplethysmographie   s. weiter unten.
 
    Das Residualvolumen errechnet man dann aus FRC - ERV; es erhöht sich bei restriktiven Ventilationsstörungen und mit zunehmendem Alter.
 
 
Resistance (Atemwegwiderstand)
  

Der Atemwegwiderstand (W) (airway resistance) wird aus Luftstrom (Str) und relativem Alveolardruck (pA - pB; pB = Luftdruck) berechnet:
           
 
W = (pA - pB) / Str
 
  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.
 
Ganzkörperplethysmographie
 
Ganzkörperplethysmographie (body plethysmography - <Abbildung) ermöglicht die Ermittlung des alveolären Druckverlaufs und der Luftmenge, die sich in der Lunge befindet. Das Volumen des Plethysmographen ist bekannt, die Druckänderungen darin werden gemessen; daraus läßt sich nach dem Boyle-Mariotte-Gesetz das Luftvolumen in der Lunge ermitteln, das bei Atemruhelage vorliegt (FRC).
 

<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 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 Druckschwankungen in den 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


Das Mundstück ist mit einem Meßgerät verbunden, das sich an der Außenseite der Box befindet. Die Person wird aufgefordert, intensive Ein- und Ausatembewegungen durchzuführen, wobei das Atemventil verschlossen ist.

Die Druckschwankungen in den Luftwegen (d.h. in der Lunge) werden registriert, d
ie Strömung der Atemluft wird mittels Pneumotachographen quantifiziert, über ein Mundstück, in dem der Druckunterschied vor und hinter einem Widerstandsnetz gemessen wird.

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 Ballonkatheters 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):
 
CL = ΔV / Δ(ppul - ppl)
 

      Die Thoraxcompliance (CTh) errechnet sich als Volumenänderung pro intrapleuraler Druckänderung:
 
CTh = ΔV / Δppl

    
      Die Compliance des Gesamtsystems (CTh+Lerrechnet sich als Volumenänderung pro intrapulmonaler Druckänderung, sie ist halb so groß wie die Compliance von Lunge bzw. Thorax alleine:
 
CTh+L = ΔV / Δppul
 
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 einem Lungenemphysem ist die Dehnbarkeit pathologisch erhöht, die Lunge überdehnt.
 
Bei Fibrose dehnt sich die Lunge mit zunehmendem Beatmungsdruck kaum auf


Zur Bestimmung der Compliance des gesamten Atemsystems atmet die Person ein und entspannt die Atemmuskulatur. Das Ventil des Mundstücks wird verschlossen und der Druckanstieg (= Druck im Alveolarraum) gemessen.

Zur Ermittlung der Compliance von Lunge oder Thorax alleine wird zusätzlich der Ösophagusdruck (Maß für den Pleuradruck) gemessen
.


 Atemmechanische Zustandsvariable:
Normwerte / Referenzwertbereiche
Variable
Männer
Frauen
Residualvolumen (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


Für die Prüfung solle man jedenfalls folgende Werte kennen:

Atemzugvolumen etwa 0,6 l, Atemfrequenz etwa 14/min
  
Residualvolumen 1,2-1,5 l
 
Compliance des Atemapparates in Ruhelage ~1 l/kPa
 
Relative FEV1 ~80% der Vitalkapazität (VC: 5-6 l)

 

 
      Spirometrie misst Atemvolumina (Atemzugvolumen, inspiratorisches und exspiratorisches Reservevolumen, zusammen Vitalkapazität VC), Pneumotachographie Strömungsgeschwindigkeiten. Aus maximaler Inspirationslage (Lunge enthält die Totalkapazität) kann die gesamte VC exspiriert werden; erfolgt dies möglichst rasch, bestimmt man den peak exspiratory flow (PEV; bei obstruktiver Ventilationsstörung <6 l/s). Der in einer Sekunde ausgeatmete Anteil des VC ist der 1-s-Wert (sollte mindestens 70-80% der VC betragen: Tiffeneau-Test). Eingeatmetes und ausgeatmetes Luftvolumen sind unterschiedlich groß (Temperatur, pH2O). Pro Minute werden ~0,3 Liter Sauerstoff verbraucht; der pO2 in der Ausatemluft ist geringer (~16 kPa) als in der Einatemluft (~21 kPa), dafür enthält erstere ~5% CO2
 
      Das Atemzeitvolumen nimmt bei körperlicher Belastung bis 20-fach zu (bei Ausbelastung auf >120 l/min). Die Atemstromstärke kann als Funktion des Atemvolumens dargestellt werden (Fluss-Volumen-Diagramm): Die maximale Atemstromstärke (PEF: 8-12 l/s) ist rasch erreicht, nimmt dann linear ab. Obstruktive Störungen ergeben verringerte Strömung und eingedellte exspiratorische Kurvenverläufe; bei restriktiver Ventilationsstörung ist die Vitalkapazität erniedrigt
 
      Die funktionelle Residualkapazität wird mittels Indikatorverdünnung bestimmt (Heliumverteilung oder Stickstoff-Auswaschmethode). Die Ganzkörperplethysmographie ermöglicht ebenfalls die FRC-Bestimmung (Prinzip: [Druck x Volumen] konstant). Das Volumen des Plethysmographen ist bekannt, die Druckänderungen darin sowie in den Luftwegen bei verschlossenem Atemventil werden gemessen, FRC errechnet). Das Residualvolumen errechnet sich aus [FRC - ERV] (erhöht bei restriktiven Ventilationsstörungen und mit zunehmendem Alter). Der Atemwegwiderstand ist bei obstruktiven Ventilationsstörungen erhöht; er wird aus Luftstrom (Pneumotachograph) und Alveolardruck (Ganzkörperplethysmographie) berechnet (0,1-0,2 kPa pro l/s). Ganzkörperplethysmographie dient auch der Ermittlung von Compliancewerten (Lunge: Pleura- vs. Alveolardruck, Thorax: Außen- vs. Pleuradruck (Ösophagussonde), Gesamtsystem: Außen- vs. Alveolardruck (beides bei entspannter Atemmuskulatur). Restriktive Ventilationsstörungen senken die Compliance des Atemapparates
 
      Das Atemzugvolumen beträgt ~0,6 l, die Atemfrequenz ~14/min, das Residualvolumen 1,2-1,5 l, die Compliance des Atemapparates in Ruhelage ~1 l/kPa. Der Atemgrenzwert (>100 l/min) spiegelt die mechanische Leistungsfähigkeit des Lungen-Thorax-Systems wider. Er wird über 15 oder 20 Sekunden getestet und der Wert auf eine Minute hochgerechnet (Hyperventilation Hypokapnie). Aus der Vitalkapazität errechnet sich der indirekte Atemgrenzwert als [30 x VC]
 

 

Eine Reise durch die Physiologie


  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.