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), 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.
 



 
>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 (graue Pfeilspitzen)


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).




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; frühere Bautypen erfassten direkt das Volumen mittels einer Glocke). Mit einem Spirometer bestimmt man

  das Atemzugvolumen (Atemtiefe)

  Reservevolumina (inspiratorisch, exspiratorisch) 

  die Vitalkapazität (IRV+VT+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 wird 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

Fluss-Volumen-Kurven. Im Rahmen eines Tiffeneau-Tests kann auch 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).

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:
           
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.





<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):

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 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.




  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



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.