Atemmechanik: Physiologie

Atemmechanik

Menschliche Zellen sind hauptsächlich auf den aeroben Stoffwechsel angewiesen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, Sauerstoff effizient aus der Umgebung zu gewinnen und in das Gewebe zu bringen, während das Nebenprodukt der Zellatmung (Kohlendioxid) ausgeschieden wird. Die Atmung betrifft sowohl das Atmungs- als auch das Kreislaufsystem. Es gibt vier Prozesse, die den Körper mit O₂ versorgen und CO₂ entsorgen. Das Atmungssystem ist an der Lungenatmung und der äußeren Atmung beteiligt, während das Kreislaufsystem für den Transport und die innere Atmung verantwortlich ist. Die pulmonale Ventilation (Atmung) bezeichnet die Bewegung von Luft in die und aus der Lunge Lunge Lunge: Anatomie. Die äußere Atmung wird durch den O₂- und CO₂-Austausch zwischen Lunge Lunge Lunge: Anatomie und Blut repräsentiert. Wichtige Einflussfaktoren der Atemventilation sind der Atemwegswiderstand, die alveoläre Oberflächenspannung und die Compliance der Lunge Lunge Lunge: Anatomie. Störungen der physiologischen Atmung können in obstruktive (z.B. Asthma, COPD COPD Chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD)) und restriktive Erkrankungen (z.B. Lungenfibrose) unterteilt werden.

Redaktionelle Verantwortung: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

Inhalt

Anatomie des Atmungssystems

Druckverhältnisse im Thoraxraum

Inspiration und Exspiration

Lungenvolumina und -kapazitäten

Ventilation und Atemarbeit

Einflussfaktoren der Lungenventilation

Klinische Relevanz

Quellen

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Anatomie des Atmungssystems

Die Atmung umfasst die Aktion und Bewegung von Strukturen im Hals- und Brustraum, die zum Lungen-, muskuloskelettalem und Herzsystem gehören.

Konduktionszone:
- Funktion:
  - Leitung des Luftstroms in die Lunge Lunge Lunge: Anatomie
  - Befeuchtung und Erwärmung von einströmender Luft
- Strukturen:
  - Pharynx Pharynx Pharynx
  - Larynx Larynx Larynx (Kehlkopf)
  - Trachea Trachea Trachea/ Luftröhre Luftröhre Trachea
  - Rechte und linke Hauptbronchien
  - Bronchiolen
Respirationszone:
- Funktion: Ort des Gasaustauschs
Muskuloskelettale Komponenten:
- Funktion:
  - Stabiler Rahmen für die Lunge Lunge Lunge: Anatomie
  - Erzeugung von notwendigen mechanischen Kräften zur Atmung
- Strukturen:
  - Brustkorb
  - Atemmuskulatur: Zwerchfell Zwerchfell Zwerchfell (Diaphragma), Mm. intercostales externi, Teile der Mm. intercostales interni
  - Pleura Pleura Pleura visceralis und parietalis
  - Pleurahöhle: Raum zwischen Pleura Pleura Pleura visceralis und parietalis

Anatomie des oberen Respirationstraktes mit angrenzenden Strukturen
Bild: “2303 Anatomy of Nose-Pharynx-Mouth-Larynx” von OpenStax College. Lizenz: CC BY 3.0

Anatomie des unteres Respirationstraktes — Anatomie des oberen Respirationstraktes mit angrenzenden Strukturen
Bild: “2303 Anatomy of Nose-Pharynx-Mouth-Larynx” von OpenStax College. Lizenz: CC BY 3.0

Druckverhältnisse im Thoraxraum

Atmosphärischer Druck (P_atm):
- Druck ausgeübt durch den Körper umgebende Luft
- Auf Meeresspiegelhöhe ca. P_atm 760 mmHg
Atemdruck:
- Relativ zu P_atm
- Negativer Atemdruck < P_atm
- Positiver Atemdruck > P_atm
- Atemdruck Null = P_atm
Intrapulmonaler Druck (intraalveolärer) Druck (P_pul):
- Druck in Alveolen
- Schwankung mit der Atmung
- Ausgleich immer mit P_atm
Intrapleuraler Druck (P_ip):
- Druck in der Pleurahöhle
- Schwankung mit der Atmung
- Immer ein Unterdruck
- P_ip wird durch entgegengesetzte Kräfte erzeugt:
  - Zwei nach innen gerichtete Kräfte, die den Lungenkollaps fördern (elastischer Rückzug der Lunge Lunge Lunge: Anatomie und Oberflächenspannung in den Alveolen)
  - Eine nach außen gerichtete Kraft (Elastizität der Brustwand Brustwand Brustwand, die den Brustkorb nach außen zieht)
Transpulmonaler Druck (P_pul – P_ip):
- Offenhalten der Atemwege; Ausdehnung der Lungen als transpulmonaler Druck ↑
- Wenn P_ip ≥ P_pul → Kollaps der Lunge Lunge Lunge: Anatomie

Inspiration und Exspiration

Die Atmung besteht aus zwei Phasen:

Inspiration: Einströmen von Gasen in die Lunge Lunge Lunge: Anatomie
Exspiration: Ausströmen von Gasen aus der Lunge Lunge Lunge: Anatomie

Inspiration und Expiration:

Mechanische Prozesse durch Kontraktion der Atemmuskulatur
Verursachung von Volumenveränderungen in der Brusthöhle
Volumenänderungen führen nach dem Boyle-Gesetz zu Gasbewegungen (der Druck ändert sich entgegengesetzt zu dem Volumen):
- Volumenänderungen verursachen Druckänderungen
- Druckänderungen bewirken Gasströmungen, um den Druck auszugleichen

Veränderungen der Druckverhältnisse in der Brusthöhle während der Atmung — Veränderungen der Druckverhältnisse im Thorax während der Atmung:
Während der Inspiration kontrahieren sich die Muskeln, um einen negativen intrapleuralen Druck zu erzeugen (grüne Linie). Dieser Unterdruck wird auf die Lunge übertragen, wodurch der intrapulmonale Druck im Verhältnis zum atmosphärischen Druck negativer wird (blaue Linie). Luft strömt entlang dieses Druckgradienten in die Lunge und erhöht das Atemvolumen (lila Linie). Beim Ausatmen kehrt sich der Vorgang um und führt zu einem Luftausstrom aus der Lunge.
Bild von Lecturio. Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0

Mechanics of breathing — Diagramm zur Atmemmechanik
P_A Alveolardruck

P_{_B} Bronchialdruck

P_{_{_pl}} Pleuraler Druck
Bild von Lecturio. Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0

Alveolar pressure throughout the respiratory cycle — Diagramm zur Atmemmechanik
P_A Alveolardruck

P_{_B} Bronchialdruck

P_{_{_pl}} Pleuraler Druck
Bild von Lecturio. Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0

Inspiration

Inspiration ist ein aktiver Prozess:

Die Inspirationsmuskeln kontrahieren, dehnen den Brustkorb, verringern den P_ip und erhöhen das Brustvolumen.
Adhäsionskräfte wirken auf die Pleura Pleura Pleura, die wiederum das Lungenparenchym mitzieht.
Ausdehnung der Lunge Lunge Lunge: Anatomie und intrapulmonales Volumen ↑
P_pul < P_atm
Luft strömt in die Lunge Lunge Lunge: Anatomie ein, dem Druckgradienten folgend bis P_pul = P_atm

Expiration

Die Exspiration (in Ruhe) ist ein passiver Prozess:

Relaxation der Inspirationsmuskulatur
Thoraxvolumen ↓ durch elastischen Rückzug
Intrapulmonales Volumen ↓
P_pul > P_atm
Luft strömt aus der Lunge Lunge Lunge: Anatomie aus, dem Druckgradienten folgend bis P_pul = P_atm
Forcierte Expiration:
- Aktiver Prozess
- Einsatz von Expirationsmuskeln → ↓ Thoraxvolumen
- ↑ Luftstromgeschwindigkeit aus der Lunge Lunge Lunge: Anatomie

Lungenvolumina und -kapazitäten

Lungenvolumina

Lungenvolumina sind spezifische Luftvolumina, die von verschiedenen Teilen der Lunge Lunge Lunge: Anatomie an bestimmten Punkten des Atemzyklus erreicht werden.

Tidalvolumen/Atemzugsvolumen (TV): Luftvolumen, das bei jedem Atemzug unter Ruhebedingungen ein- oder ausgeatmet wird
Residualvolumen (RV): Luftvolumen, das nach forcierter Ausatmung in der Lunge Lunge Lunge: Anatomie verbleibt
Exspiratorisches Reservevolumen (ERV): Luftvolumen, das nach normaler Atemzugsvolumen-Ausatmung noch forciert ausgeatmet werden kann
Inspiratorisches Reservevolumen (IRV): Luftvolumen, das nach normaler Atemzugvolumen-Einatmung noch forciert eingeatmet werden kann

Atemphysiologie_Lungenvolumina und -kapazitäten — Lungenvolumina und -kapazitäten
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Lungenkapazitäten

Lungenkapazitäten sind eine Kombination von 2 oder mehr Volumina.

Gesamte Lungenkapazität (TLC):
- Maximales Luftvolumen in der Lunge Lunge Lunge: Anatomie nach maximaler Inspirationsanstrengung
- TLC = TV + RV + ERV + IRV
Vitalkapazität (VC):
- Maximales Luftvolumen, das von einer Person ventiliert werden kann
- VC = TV + IRV + ERV
Funktionelle Residualkapazität (FRC):
- In der Lunge Lunge Lunge: Anatomie verbleibendes Luftvolumen nach Tidalausatmung
- FRC = ERV + RV
Inspiratorische Kapazität (IC):
- Maximales Luftvolumen, das nach normaler Ausatmung eingeatmet werden kann
- IC = TV + IRV

Totraum

Totraum ist Luft, die in die Lunge Lunge Lunge: Anatomie ein- und austritt, aber nicht in Bereiche gelangt, in denen ein Gasaustausch stattfinden kann.

Anatomischer Totraum: Luft in den Atemwegen, die nicht die Alveolen oder Bronchiolen der Atemwege erreicht
Alveolärer Totraum: Luft in den Alveolen, die aufgrund von Lungenerkrankungen oder Durchblutungsstörungen nicht in den Blutkreislauf aufgenommen werden kann
Gesamter Totraum = alveolärer Totraum + anatomischer Totraum

Ventilation und Atemarbeit

Ventilation

Ventilation ist der Vorgang des Ein- und Ausströmens von Luft.

Atemminutenvolumen (V_E):
- Luftvolumen, das pro Minute in die Lunge Lunge Lunge: Anatomie ein- und ausströmt
- V_E = Atemfrequenz Atemfrequenz Untersuchung der Lunge ausgedrückt in Atemzügen/Minute (B_f) × Tidalvolumen (TV)
Alveoläre Ventilation (V_A):
- Luftvolumen, das die Alveolen pro Minute erreicht und für den Gasaustausch zur Verfügung steht
- V_A = B_f × (TV – Gesamttotraum)

Atemarbeit

Die Atemarbeit ist die Energiemenge, die ein Mensch zum Atmen benötigt.

Elastische Arbeit: zur Überwindung des elastischen Rückzugs der Brustwand Brustwand Brustwand und des Lungenparenchyms sowie der Oberflächenspannung der Alveolen
Widerstandsarbeit: zur Überwindung des Widerstands der Atemwege und des Gewebes

Work of breathing in a healthy lung — Atemarbeit in einer gesunden Lunge:
Auf der x-Achse ist der Druck und auf der y-Achse das Volumen in Litern zu sehen. Die Reihenfolge bei der Inhalation ist AECBA. Die Ausatmungsreihenfolge ist ABCFA.
Bild von Lecturio. Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0

Total work of breathing is a composite of elastic and non-elastic work within the lungs — Atemarbeit in einer gesunden Lunge:
Auf der x-Achse ist der Druck und auf der y-Achse das Volumen in Litern zu sehen. Die Reihenfolge bei der Inhalation ist AECBA. Die Ausatmungsreihenfolge ist ABCFA.
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Einflussfaktoren der Lungenventilation

Abgesehen von den Drücken, die die Brustmuskulatur erzeugen kann, wird die Ventilation durch die physikalischen Eigenschaften der Lungenstrukturen begrenzt. Die wichtigsten zu berücksichtigenden physikalischen Eigenschaften sind:

Widerstand der Atemwege
Compliance des Lungengewebes
Oberflächenspannung der Alveolen

Widerstand

Definition:
- Widerstand: Kraft, die der Strömung entgegenwirkt (in diesem Fall Luft)
- Poiseuille-Gesetz: Der Luftstrom ist umgekehrt proportional zum Widerstand.
Effekt auf das Lungensystem:
- Widerstand behindert den Luftstrom in die Lunge Lunge Lunge: Anatomie
- ↑ Widerstand = ↑ Energie, die zum Einatmen benötigt wird
- Die Atemwege erzeugen 80 % des Widerstands.
- Der Durchmesser der Atemwege ist umgekehrt proportional zum erzeugten Widerstand.
Physiologische Implikationen:
- Bei gesunden Patient*innen ist der Atemwegswiderstand unbedeutend, da der Gesamtdurchmesser der Atemwege groß ist:
  - Große Atemwegsdurchmesser am Anfang der Konduktionszone
  - Kleinere Atemwege behalten eine hohe Gesamtquerschnittsfläche bei durch die Vielzahl der kleineren Atemwege.
  - Kein Widerstand in den terminalen Bronchiolen → Gasaustausch durch Diffusion
- Bei bestimmten Beschwerden, ↓ Gesamtdurchmesser der Atemwege, ↑ zu überwindener Widerstand beim Atmen:
  - Verengung der glatten Muskulatur der Atemwege (z.B. Asthma)
  - Erhöhter Mukus der Atemwege (z.B. chronisch obstruktive Lungenerkrankung Chronisch obstruktive Lungenerkrankung Chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) ( COPD COPD Chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD)), Bronchitis)
  - Obstruktion von Bronchiolen und Alveolen durch infektiöses Material (z.B. Pneumonie Pneumonie Pneumonie (Lungenentzündung))

Chart describing the inverse proportion between airway resistance and the number of airways — Diagramm, das das umgekehrte Verhältnis zwischen Atemwegswiderstand und Anzahl der Atemwege beschreibt:
Der Widerstand nimmt mit zunehmender Anzahl der Atemwege ab. Das Gesetz von Poiseulle beschreibt diese Beziehung (in der oberen linken Ecke zu sehen).
Bild von Lecturio. Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0

Chart showing normal changes in air volume — Diagramm, das das umgekehrte Verhältnis zwischen Atemwegswiderstand und Anzahl der Atemwege beschreibt:
Der Widerstand nimmt mit zunehmender Anzahl der Atemwege ab. Das Gesetz von Poiseulle beschreibt diese Beziehung (in der oberen linken Ecke zu sehen).
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Alveoläre Oberflächenspannung

Definition:
- Eigenschaft, die sich aus der Adhäsion von Wassermolekülen ergibt
- Wassermoleküle haften an anderen Wassermolekülen
- Widerstand zu jeder Kraft, die ↑ Flüssigkeitsoberfläche erzeugt
Effekt auf das Lungensystem:
- Vorkommen in Alveolen aufgrund der darin enthaltenen Wassermoleküle
- Bei fehlender Kompensation Verhinderung der Ausdehnung der Alveolen während der Inspiration
Physiologische Implikationen:
- Surfactant ↓ alveoläre Oberflächenspannung durch Trennung von Wassermolekülen
  - Synthese durch Pneumozyten vom Typ II
  - Surfactant enthält 85–90 % Phospholipide und amphipathische Moleküle
  - Polare Enden stehen in Kontakt mit Wasser und ↓ Oberflächenspannung
- Gewährleistung einer leichteren Expansion während der Inspiration und Verhinderung des Kollabierens der Alveolen während der Exspiration
- Störungen des Surfactant verursachen Lungenerkrankungen:
  - Der Mangel an Surfactant bei Frühgeborenen führt zu einem Säuglings-Atemnotsyndrom.
  - Chronische Raucher produzieren weniger Surfactant, was zu Problemen wie bei COPD COPD Chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) führt.

Pulmonary surfactant annuls the Law of Laplace — Lungensurfactant hebt das Gesetz von Laplace auf:
Ohne Lungensurfactant tritt ein Szenario wie das links gezeigte ein: Größere Luftsäcke füllen sich aufgrund ihrer geringeren Oberflächenspannung leichter. Bei Surfactant wird die gesamte Oberflächenspannung reduziert und daher blähen sich alle Alveolen bis zu ihrer jeweiligen Kapazität auf.
Bild von Lecturio. Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0

Reduction of surface tension by pulmonary surfactant — Lungensurfactant hebt das Gesetz von Laplace auf:
Ohne Lungensurfactant tritt ein Szenario wie das links gezeigte ein: Größere Luftsäcke füllen sich aufgrund ihrer geringeren Oberflächenspannung leichter. Bei Surfactant wird die gesamte Oberflächenspannung reduziert und daher blähen sich alle Alveolen bis zu ihrer jeweiligen Kapazität auf.
Bild von Lecturio. Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0

Compliance

Definition:
- Messung der Volumenänderung bei gegebener Änderung des transpulmonalen Drucks
- Bestimmt durch Zugeigenschaften des Lungengewebes
- Einfach gesagt: es geht um die Dehnbarkeit der Lunge Lunge Lunge: Anatomie
Effekt auf das Lungensystem:
- ↑ Lungensteifigkeit, ↑ Energie bei Inspiration:
  - In Lungenbereichen mit ↑-Compliance ist die Atmung effizienter
  - Bereiche mit ↓-Compliance dehnen sich weniger gut aus
- Compliance der Lunge Lunge Lunge: Anatomie auch durch Schwerkraft beeinflusst:
  - Apex ↓ Compliance
  - Basis ↑ Compliance
Physiologische Implikationen:
- In gesunden Lungen ↑ Compliance durch:
  - Dehnbarkeit des Lungengewebes
  - ↓ Alveoläre Oberflächenspannung
- ↓ Lungencompliance in:
  - Fibrose (z.B. akutes respiratorisches Surfactant-Distress-Syndrom, Narbenbildung nach Chemotherapie)
  - ↓ Produktion von Surfactant (z.B. nicht-ausgereifte Lunge Lunge Lunge: Anatomie, COPD COPD Chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD))
  - ↓ Flexibilität des Brustkorbs (z.B. Skoliose Skoliose Skoliose, Zerebralparese Zerebralparese Zerebralparese)

Chart of transpulmonary pressure (x-axis) and change in lung volume in liters (y-axis) — Diagramm des transpulmonalen Drucks (x-Achse) und Veränderung des Lungenvolumens in Litern (y-Achse):
Diese Grafik vergleicht die normale Compliance einer gesunden Lunge mit der erhöhten Compliance bei Lungenemphysem und der reduzierten Compliance bei Lungenfibrose.
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Influence of gravity on lung compliance — Diagramm des transpulmonalen Drucks (x-Achse) und Veränderung des Lungenvolumens in Litern (y-Achse):
Diese Grafik vergleicht die normale Compliance einer gesunden Lunge mit der erhöhten Compliance bei Lungenemphysem und der reduzierten Compliance bei Lungenfibrose.
Bild von Lecturio. Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0

Klinische Relevanz

Obstruktive Lungenerkrankung: Gruppe von Erkrankungen, die den Widerstand der Atemwege erhöhen, ob klein oder groß: Obstruktive Lungenerkrankungen verursachen eine Verengung der Atemwege. Der erhöhte Widerstand verursacht mehr Arbeit, die überwunden werden muss, so dass die Patient*innen oft eine erhöhte Atemfrequenz Atemfrequenz Untersuchung der Lunge und Atemarbeit auweisen. Betroffene können die Luft beim Ausatmen oft nicht vollständig ausstoßen. Sofern die Obstruktion limitiert ist, können diese Patient*innen weiterhin eine normale oder nahezu normale Sauerstoffsättigung Sauerstoffsättigung Grundlegende Verfahren aufweisen. Die Ergebnisse der Lungenuntersuchung hängen davon ab, wo sich die Obstruktion entlang der Atemwege befindet. Beispiele sind Asthma, chronische Bronchitis, Emphysem, obstruktive Schlafapnoe Obstruktive Schlafapnoe Obstruktive Schlafapnoe und Fremdkörper in den Atemwegen.
Restriktive Lungenerkrankung: Gruppe von Erkrankungen, die eine Abnahme der Lungen-Compliance und einen erhöhten Arbeitsaufwand zum Expandieren und Kontrahieren der Lunge Lunge Lunge: Anatomie verursachen: Patient*innen sind nicht in der Lage, die Lunge Lunge Lunge: Anatomie vollständig zu dehnen, um ausreichend Luft einzuatmen. Eine restriktive Lungenerkrankung betrifft in der Regel das gesamte Lungenparenchym und zeigt sich in einer erhöhten Atemfrequenz Atemfrequenz Untersuchung der Lunge und Atemarbeit sowie einer verminderten Sauerstoffsättigung Sauerstoffsättigung Grundlegende Verfahren. Beispiele hierfür sind das neonatale Atemnotsyndrom, Lungenfibrose und Sarkoidose Sarkoidose Sarkoidose.
Gemischte Lungenerkrankung: Lungenerkrankungen weisen häufig sowohl restriktive als auch obstruktive Pathologien auf. Das häufigste Beispiel einer gemischten Lungenerkrankung ist die Mukoviszidose Mukoviszidose Mukoviszidose (Zystische Fibrose) (zystische Fibrose), bei der die Atemwege verengt und das Lungenparenchym versteift ist.

Quellen

Hall, J. E. (2015). Guyton and hall textbook of medical physiology, 13th ed.. W. B. Saunders.
OpenStax College. (2013). Anatomy and physiology. OpenStax. http://cnx.org/content/col11496/latest/
Levitzky, M. G. (2017). Mechanics of breathing. Chapter 2 in Pulmonary Physiology, 9th ed. New York: McGraw-Hill Education. https://accessmedicine.mhmedical.com/content.aspx?bookid=2288&sectionid=178856534
Levitzky, M. G. (2017). Alveolar ventilation. Chapter 3 in Pulmonary Physiology, 9th ed. New York, NY: McGraw-Hill Education. https://accessmedicine.mhmedical.com/content.aspx?bookid=2288&sectionid=178856748
Silbernagl, Despopoulos: Taschenatlas der Physiologie. 6. Auflage Thieme 2003, ISBN: 3-135-67706-0.