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

     
Respirationssystem und Atemgastransport
 
Atmung und Beatmung

© H. Hinghofer-Szalkay

Boyle-Mariotte-Gesetz: Robert Boyle, Edme Mariotte
Campbell-Diagramm: E.J.Moran Campbell
hypo-, hyperbar: βαρύς = schwer, ὑπέρ = über, ὑπό = unter






Die Atmung wird physiologischerweise durch Kontraktion der Inspirationsmuskeln (Zwerchfell, Zwischenrippenmuskeln) angetrieben. Ist das nicht möglich (Atemlähmung), muss beatmet werden: Drucksteigerung im Bereich der zuführenden Luftwege "pumpt" die Lunge auf - die Exspiration erfolgt passiv (Retraktion der Lunge). Das ist das Prinzip der Mund-zu-Mund-Beatmung und der intraoperativen Beatmung über einen Tubus.

Möglich ist auch die Anwendung pulsierenden Unterdrucks am Thorax (ohne Tubus): der Kopf der beatmeten Person bleibt außerhalb des Unterdruckkompartments - eiserne Lunge, Operationen am offenen Herzen in verglastem OP-Raum (historisch).

Eine der Möglichkeiten der Darstellung des Complianceverhaltens im Atemzyklus ist das Campbell-Diagramm: Es stellt atembedingte Druckänderungen sowie die gegen Atemwiderstand und elastische Widerstände geleistete Arbeit dar. Solche Diagramme charakterisieren die Mechanik der Atemarbeit.

Letztlich geht es um den Transport der Atemgase über die Blutbahn: Bei voller Nutzung der arterio-venösen Differenz und ausreichender Beatmung ist es möglich, auch bei stark reduziertem Herzminutenvolumen so viel Sauerstoff an das Gewebe heranzubringen, dass hypoxische Schäden ausbleiben.

 
Von außen wirkende Druckschwankungen ermöglichen künstliche Beatmung
 
Bei der Einatmung ist das Zwerchfell (Diaphragma) der primäre Atemmotor: Seine Kontraktion senkt die Grenze zwischen Brust- und Bauchraum.
 

>Abbildung: Mechanik der Spontanatmung
Nach einer Vorlage bei wp.westphal.se

Kontraktion des Zwerchfells führt zu Unterdruck im Lungenraum (Boyle-Mariotte) und Einatmung, elastische Retraktion der Lunge bei nachlassendem Muskeltonus (elastische Fasern plus Oberflächenspannung) zu Überdruck und Ausatmung

 Zusätzlich erweitert die Inspirationsmuskulatur die Lunge nach vorne und seitlich (>Abbildung). Das Lungenvolumen steigt, in den Luftwegen entsteht ein Unterdruck (Boyle-Mariotte : p x V=const), und Luft strömt in die Alveolen ein (Sogwirkung).

Bei künstlicher Beatmung kann die Erweiterung der Lunge ohne Aktivierung der Atemmuskeln durch leichten Überdruck im Bereich Nase (Maske) bis Trachea (Tubus) erreicht werden (Überdruckbeatmung). Das Gerät erzeugt Druckgradienten, diese assistieren die Ventilation vollständig (Narkose) oder partiell (Unterstützung der Atmung durch intermittierenden Überdruck).

Die Ausatmung erfolgt im "Ruhebetrieb" passiv durch Wirkung der Lungenelastizität. Diese entsteht durch den Zug elastischer Fasern im pulmonalen Gewebe, sowie durch Oberflächenspannung im Alveolarsystem; beide Kräfte retrahieren die Lunge und führen so zur für die Exspiration benötigten Druckerhöhung in den lufthältigen Räumen.


  Über Atmung unter hypobaren und hyperbaren Bedingungen s. dort

 
Druck- und Volumenverlauf bei künstlicher Beatmung
 
Künstliche Beatmung (<Abbildung) erfolgt mit einem mechanischen Ventilator (Beatmungsgerät) - wie während einer Anästhesie - oder auch Respirator (Gerät zur Beatmung bei unzureichender Eigenatmung)
 
      nichtinvasiv
mittels einer Maske, welche den Mund oder die Nase oder beides bedeckt, oder mittels eines Helms, der den ganzen Kopf bedeckt und am Hals abgedichtet ist, oder

      invasiv mittels eines Trachealtubus.


<Abbildung: Druck-, Volumen- und Strömungsverlauf bei künstlicher Beatmung
Nach einer Vorlage bei thoracickey.com/respiratory-support-and-artificial-ventilation

Oben: Druck im Mundbereich. Rechteckiger Druckverlauf (0,5 kPa Beatmungsdruck für 1,5 Sekunden; Ausatmung passiv; Zeitkonstante 0,5 Sekunden). Fläche R: Druck, der zur Überwindung des Strömungswiderstands aufgewendet wird; Fläche E: Druck, der zur Überwindung elastischer Widerstände aufgebracht wird.
 
Mitte: Volumen- und Druckverlauf in der Lunge während der Beatmung (Annahme: Konstante Compliance).
 
Unten: Luftströmung bzw. aufzuwendender Druckgradient (Annahme: Konstanter Widerstand). Typische Werte für anästhesierte Person (pulmonale Resistance 0,3 kPa.l-1.s, dynamische Compliance 0,5 l.kPa-1).

 
  FRC = funktionelle Residualkapazität




Die Inspiration
erfolgt durch Drucksteigerung, Luft wird vom Gerät in die Lunge gepumpt; die Ausatmung erfolgt wie bei physiologischer Ruheatmung passiv. Vollständiges passives Kräftegleichgewicht tritt erst nach einigen Sekunden auf; beginnt die Druckphase, treten zwei Widerstände in Aktion: Der Atemwegwiderstand und elastische Dehnungswiderstände aus Lunge und Thorax. (Die Anteile sind in der <Abbildung mit R und E bezeichnet.)

       Der Druck, der zur Überwindung der elastischen Widerstände nötig ist (E), berechnet sich aus dem Lungenvolumen über FRC dividiert durch die dynamische Compliance des Lungen-Thorax-Systems; er ist am Anfang gering und nimmt während der Inspiration - mit dem Lungenvolumen - immer weiter zu.

       Der Druck zur Überwindung des Strömungswiderstandes (R) berechnet sich als Strömungswiderstand mal Strömung; er dominiert zu Beginn der Inspiration und wird dann zusehends geringer (<Abbildung).

Der Inspirationsdruck wird üblicherweise für 1 bis 2 Sekunden aufrechterhalten (völliges Kräftegleichgewicht ist dann noch nicht eingetreten)
.

Zum Atemwegwiderstand der Lunge (z.B. 0,3 kPa.l-1.s) kommt der Widerstand durch den Ventilator dazu (z.B. 0,7 kPa.l-1.s, was dann eine Gesamt-Resistance von 1 kPa.l-1.s ergibt). Für das Gesamtsystem ergibt sich dann eine Resistance von 1 kPa.l-1.s und eine Compliance von 0,5 l.kPa-1.

Die Zeitkonstante des Systems ist die Zeit zur Erlangung von 63% des Gleichgewichtszustandes; sie kann gleichgesetzt werden mit dem Produkt aus Resistance und Compliance, in diesem Beispiel
1 kPa.l-1.s x 0,5 l.kPa-1 (0,5 Sekunden).


 

>Abbildung: Respiratorisches Campbell-Diagramm einer gesunden Person
Nach Loring SH, Garcia-Jacques M, Atul Malhotra A: Pulmonary characteristics in COPD and mechanisms of increased work of breathing. J Appl Physiol 2009: 107, 309-14


Das Campbell-Diagramm stellt das Lungenvolumen als Funktion des Pleuradrucks dar. Die Kurven "Lunge" und "Thorax" beziehen sich auf deren Dehnungsverläufe (Thorax ohne Muskelaktivität).
   
 Vrel (relaxed) ist das Volumen des Atmungsapparates bei Entspannung (ausgeatmete Ruheposition), es entspricht der funktionellen Residualkapazität (FRC). Die rote Schleife kennzeichnet einen kompletten Atemzug (ausgehend von der FRC), die Pfeile geben die Richtung des Verlaufs an.
   
Die Flächen in der Schleife entsprechen der Atemarbeit: Die rosa dargestellte Fläche gegen pulmonale Widerstände (Atemwegwiderstand), die gelbe Fläche gegen elastische Widerstände der entspannten Thoraxwand.
   
Pmus (muscles) indiziert die Druckänderung durch Aktivität der Inspirationsmuskulatur (grüner Pfeil).
   
Das Campbell-Diagramm wird genutzt, um die Beziehung zwischen Pleuradruck (intrathorakalem Druck, gemessen über Ösophagealdruck - Abszisse) und Thorax- bzw. Lungenvolumen (Ordinate) abzuschätzen. Diese Beziehung hängt vom Atemwegwiderstand sowie der Compliance von Lunge und Thoraxwand ab und muss zur richtigen Dosierung künstlicher Atemunterstützung (mechanische bzw. assistierte Ventilation) berücksichtigt werden.


Das Campbell-Diagramm   (>Abbildung) stellt das thorakale Volumen als Funktion des intrathorakalen Drucks (Pleuradruck) dar. Atemwegwiderstand, Lungencompliance und Thoraxcompliance wirken sich auf die dargestellte Atemkurve aus. Auf diese Weise kann das Complianceverhalten im Atemzyklus, also die Mechanik der Atemarbeit charakterisiert werden.

Dabei geht man so vor, dass die Person zunächst sehr langsam atmet: damit erhält man Information über die quasi-statischen mechanischen Charakteristika (Elastizität); anschließend wird normal geatmet, die Abweichungen von der zunächst gefundenen Druck-Volumen-Kurve sind ein Zeichen resistiver Druckverluste. Während der Einatmung wird der Pleuradruck geringer, während der Ausatmung höher.

Diese Darstellungsform eignet sich gut zur Abschätzung pathologischer Abweichungen sowohl des Bewegungsvermögens des Thorax (z.B. Übergewicht, Aszites) als auch der Lunge (Lungenödem, Pneumonie).




Das Zwerchfell wird vom Phrenikusnerven aus dem Halsbereich (C3-C5) des Rückenmarks gesteuert. Bei hoher Querschnittslähmung mit Tetraplegie bleibt es funktionsfähig und ermöglicht die Atemtätigkeit - bei gelähmter Brustwand - über “Bauchatmung”.

Primäre Lungenschädigungen, wie Emphysem, chronisches Asthma oder chronische Bronchitis, verschieben die Atemlage in Richtung Inspiration; das inspiratorische Reservevolumen (IRV) ist herabgesetzt, und die Leistungsreserve nimmt ab (bei Belastung wird vorwiegend das IRV in Anspruch genommen).

Künstliche Beatmung ist in der Notfallmedizin, operativ (Anästhesiologie) und z.T. bei Intensivpatienten notwendig. Dabei gelten die physiologischen atemmechanischen Grundlagen. Bezüglich Richtwerten - z.B. zur optimalen Atemtiefe - gibt es unterschiedliche Auffassungen bzw. Standards.

Beatmung kann grundsätzlich als Unterdruckbeatmung
('eiserne Lunge': Negativdruckbeatmung, Kopf ragt aus Unterdruckkammer heraus) oder Überdruckbeatmung (Mund-zu-Mund, Intubation und Respirator) erfolgen. In jedem Fall muss ausreichend Sauerstoff ins Gewebe gebracht werden: Bei Beatmungsgeräten kann der Sauerstoffanteil je nach Notwendigkeit variiert werden (zwischen 21% und 100%).

Eine wichtige Orientierung ist die Bestimmung der Blutgaswerte, die ja unmittelbar von der Ventilation abhängig sind. So nimmt der pCO2 im arteriellen (bzw. "Kapillar-") Blut bei ungenügender Beatmung zu, der pH-Wert und der pO2 ab.



<Abbildung: Handgriff zur Öffnung der Atemwege
Nach einer Vorlage bei marineatlantic.ca

Bewusstlose in flacher Rückenlage haben durch Zurücksinken des Kehlkopfs oft verschlossene Atemwege (links). Durch Anheben des Nackens und Streckung des Kopfes (rechts) wird der offene Zugang zu den pulmonalen Luftwegen wiederhergestellt. In dieser Position kann allenfalls ein Oropharyngealtubus (Guedel-Tubus) eingeführt werden


Bevor mit einer künstlichen Beatmung begonnen wird, muss der offene Zugang zu den Luftwegen der Lunge sichergestellt sein (<Abbildung).

Künstliche Beatmung muss von einer Sicherstellung eines ausreichenden Herzzeitvolumens begleitet sein. Ist diese nicht gewährleistet (z.B. bewusstloses Unfallopfer), sind neben der Beatmung kreislaufunterstützende Maßnahmen nötig (Herzmassage).

Es hat sich gezeigt, dass die Aufrechterhaltung der Kreislauffunktion im Notfall wichtiger ist als der Versuch der Beatmung.


    Mechanische Beatmung über längere Zeit kann zu biomechanischen (Überdehnung) und biochemischen Schädigungen (Zytokine, Radikale) und letztlich zu Multiorganversagen führen. Eine rasche Wiederherstellung der Spontanatmung sollte auf jeden Fall angestrebt werden.

  Sauerstoff wird über Hämoglobin transportiert ( s. dort), wobei 1 Liter Blut etwa 200 ml befördern kann. Der Ruhe-Sauerstoffbedarf eines Erwachsenen beträgt ~0,3 l/min, theoretisch würde ein Herzminutenvolumen von 1,5 l/min ausreichen, um diese Menge von der Lunge in das Gewebe zu transportieren (theoretisch, weil das Gewebe nicht 100% des angebotenen Sauerstoffs extrahiert).

Der Sauerstoffbedarf der Gewebe ist verschieden, normalerweise werden in der Peripherie (bei körperlicher Ruhe und unter physiologischen Bedingungen) insgesamt nur ~25% des angebotenen Sauerstoffs vom Hämoglobin genommen, und das Herzminutenvolumen beträgt ~6 l/min.






Eine Reise durch die Physiologie


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