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1.: Struktur und Dynamik des Respiratorischen Systems

Seminarthemen „Atmung“. 1.: Struktur und Dynamik des Respiratorischen Systems - Gastransport („Sauerstoff-Rutsche“, FICKsches Diffusionsgesetz) - Komponenten des Atmungssystems - Lungenvolumina und -kapazitäten, Spirometrie - alveoläre Ventilation, Totraum

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1.: Struktur und Dynamik des Respiratorischen Systems

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Presentation Transcript

  1. Seminarthemen „Atmung“ 1.: Struktur und Dynamik des Respiratorischen Systems - Gastransport („Sauerstoff-Rutsche“, FICKsches Diffusionsgesetz) - Komponenten des Atmungssystems - Lungenvolumina und -kapazitäten, Spirometrie - alveoläre Ventilation, Totraum - obstruktive und restriktive Ventilationsstörungen (TIFFENEAU-Test) 2.: Die mechan. Eigenschaften von Lunge und Thorax - Compliance - Atemruhelage - Atembewegungen - Resistance 3.: Atemgastransport und -austausch - Luft; alveoläre und exspiratorische Gasgemische, Gaspartialdrücke - intrapleuraler und -pulmonaler Druck - Atemarbeit - Surfactant

  2. Nasenhöhle Kehlkopf Luftröhre Lungenflügel Bronchie Bronchiole Lungenbläschen 1. Seminarthema Struktur & Dynamik des Respiratorischen Systems

  3. h H2O + CO2 [CH2O]n + O2 H2O + CO2 [CH2O]n + O2 Energie (Wärme, Arbeit) Exposé:Warum atmen wir ? „Wir ernähren uns von gespeichertem Licht.“ Fritz-Albert Popp, *1938, dt. Biophysiker

  4. Die „Sauerstoff-Rutsche“: Fette Eiweiße Kohlenhydrate -Oxidation Glykolyse enzymatischer Abbau Acetyl-CoA äußere Atmung  Zitronen-säure-Zyklus CO2 innere Atmung  H2 Atmungskette O2 Energie Zellatmung Exposé: Wo benötigen wir den Sauerstoff ?

  5. O2-Verbrauch in Ruhe ungefähr O2-Verbrauch bei Arbeit bis zu 3. 300 ml/min 000 ml/min Exposé:Wie viel Sauerstoff benötigen wir ? ständige Substitution erforderlich:

  6. Respirationstrakt Herz-Kreislauf-System atmendes Gewebe O2 O2 O2 Lungenkreislauf Körperkreislauf CO2 CO2 CO2 Konvektion Konvektion äußere Atmung innere Atmung Gewebs-Atmung Diffusion Diffusion Die Etappen des O2- bzw. CO2-Transports Die Gesamtheit der an der Sauerstoff-Aufnahme sowie an der damit gekoppelten Kohlendioxid-Abgabe beteiligten Prozesse werden als Atmung bezeichnet.

  7. O2 O2 O2 CO2 CO2 CO2  • konvektiver Gastransport in der Gasphase • Diffusion der Gase vom Alveolarraum ins Blut (und umgekehrt) • konvektiver Gastransport im Blut • Diffusion der Gase aus dem Blut zu den Gewebszellen (und umgekehrt) Praktische Übung heute !!!  Praktische Übungen „Blut“ / „Kreislauf“ Die Etappen des O2- bzw. CO2-Transports

  8. C1 - C2 d Q/t = D F  FICKsches Diffusionsgesetz Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion 1. große Austauschfläche 2. kurze Diffusionsstrecke • großer Konzentrationsgradient über der Austauschfläche 4. Austauschfläche mit Material-eigenschaften, die zur Diffusion geeignet sind Adolf Fick, 1829-1901, Würzburger Physiologe

  9. C1 - C2 d Q/t = D F  Trachea Bronchi Bronchioli Alveolen 1 - Bronchiole 2 - Ast der Lungenschlagader 3 - Endbronchiole 4 - Alveolengang 5 - Trennwand zwischen zwei Alveolen 6 - Ast der Lungenvene 7 - Lungenkapillarnetz 8 - elastischer Faserkorb der Alveole 9 - Lungenfell Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion: 1. große Austauschfläche

  10. C1 - C2 d Q/t = D F  1 µm O2 CO2 0,2-0,6 µm Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion: 2. kurze Diffusionsstrecke A - Alveolarraum EC - Erythrozyt EN - Endothel EP - Epithel IN - Interstitium

  11. C1 - C2 d Q/t = D F  Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion: 3. großer Konzentrationsgradient 2 Pumpensysteme: Lunge (Blasebalg-Pumpe) [O2] ~ pO2 Herz (Ventil-Pumpe)  [O2] ~ pO2 

  12. C1 - C2 d Q/t = D F  gute Durchlässigkeit der alveolären Diffusionsbarriere für Atemgase DL = ~30 ml×min-1×mmHg-1 DL = ~100 ml×min-1×mmHg-1 O2 CO2 Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion: 4. hohe Permeabilität daher: nur kurze Kontaktzeit erforderlich

  13. oberer Respira-tionstrakt unterer Respira-tionstrakt Der Respirationstrakt

  14. Die Atemwege

  15. Die Atemwege

  16. Exspiratorisches Reservevolumen (ERV) Residualvolumen (RV) (inkl. Totraum) Atemzugvolumen (AZV) Inspiratorisches Reservevolumen (IRV) Atemvolumina

  17. Messung der Atemvolumina mittels Spirometrie Ausnahme: Residualvolumen (inkl. Totraum) Schack August Steenberg Krogh (*1874 †1949) dänischer Arzt und Zoologe, 1920 Nobelpreis

  18. F0 - F1 F1 VL = VS Bestimmung des Totraumes mit Hilfe der „vereinfachten“ Bohr-Formel: VD = VE (FA – FE ) / FA CO2 CO2 CO2 Messung der Atemvolumina, die nicht spirometrisch bestimmt werden können (z.B. Residualvolumen) Menge = Volumen  Konzentration M = V  C VS  F0 = (VS + VL)  F1 L RV = VL - AZV - ERV

  19. Statische Atemvolumina und -kapazitäten Atemzugvolumen (AZV): ~ 0,5 l inspiratorisches Reservevolumen (IRV): ~ 3,5 l exspiratorisches Reservevolumen (ERV): ~ 1,5 l Residualvolumen (RV): ~ 1,5 l Vitalkapazität (VK = AZV + IRV + ERV): ~ 5,5 l Totalkapazität (TK = VK + RV): ~ 7,0 l inspiratorische Kapazität (IK = AZV + IRV): ~ 4,0 l funktionelle Residualkapazität (FRC = ERV + RV): ~ 3,0 l ± 20%  normal

  20. Dynamische Atemvolumina Atemminutenvolumen AMV = AZV  AF  7 – 100 l/min Atemgrenzwert AGW = 4 l  40 min-1  160 l/min Einsekundenkapazität ESK  4 l/s (rESK  80%)

  21. 100 rel. ESK (%) restriktive Ventilationsstörung o.B. 75 kombinierte Ventilationsstörung obstruktive Ventilationsstörung 50 50 75 100 rel. VK (%) TIFFENEAU-Test Restriktion: • Fibrose • Skoliose • etc. Obstruktion: • Bronchitis • Asthma • etc. Robert Tiffeneau, 1910-1961, Pariser Arzt

  22. 2. Seminarthema Mechanische Eigenschaften von Lunge und Thorax

  23. normal Fibrose Pneumothorax Emphysem Elastizität von Lunge und Thorax RV Atemruhelage TK

  24. Atemruhelage Gleichgewicht zwischen … … den auswärts gerichteten Kräften des Thorax-Skeletts … … und den einwärts gerichteten Kräften der Lunge

  25. Druckdifferenz P (kPa) Druckdifferenz P (cm H2O) Ruhedehnungskurven von Lunge & Thorax Versuchsanordnung zur Bestimmung der Ruhedehnungskurven

  26. Mechanische Eigenschaften von Lunge & Thorax 1 • Volumen-Dehnbarkeit (elastische Widerstände) Compliance C = CLunge CThorax  0,2 l/mbar CLunge + Thorax  0,1 l/mbar Lunge und Thorax sind funktionell hintereinander geschaltet. Daher: Cgesamt-1 = CLunge-1 + CThorax-1 Cgesamt-1 = 0,2-1 + 0,2-1 = 5 + 5 = 10 Cgesamt = 0,1 VP

  27. Mechanische Eigenschaften von Lunge & Thorax 2 - Atemwegswiderstände (visköse Widerstände) Resistance R = P/V = P/(V/t) R  1-2 mbar  s  l-1 Hintereinander geschaltete Widerstände (Trachea – Bronchien – Bronchiolen) addieren sich einfach: RGesamt = R1 + R2 + … + Rn Parallel geschaltete Widerstände (Äste der Bronchialbaumes) addieren sich reziprok: 1/RGesamt = 1/R1 + 1/R2 + … + 1/Rn 

  28. VP P (V / t) VP P × t V l mbar mbar × s l × s Z = C × R = × = × = t = t R × C - Lungenbelüftung (im Prinzip spiegel-bildlich) Vt = V0× e Lungenentleerung Zeitkonstante = Compliance × Resistance C = 0,1 l × mbar-1 R = 2,0 mbar × s × l-1

  29. VP P (V / t) VP P × t V l mbar mbar × s l × s Z = C × R = × = × = t = Lungenbelüftung (im Prinzip spiegel-bildlich) Atemfrequenz: Atemzyklus: Atemzeit-verhältnis I/E: Inspiration: Exspiration: 15 min-1 4 s 1 : 2 ~ 1,3 s ~ 2,6 s Lungenentleerung Zeitkonstante = Compliance × Resistance

  30. Atemgaswechsel durch Brust- und Bauchatmung

  31. Atemgaswechsel (Brustatmung) Flankenstoß Vorstoß Mm. intercostales externi (Inspiration) Mm. intercostales interni (Exspiration)

  32. Atemgaswechsel (Brustatmung) obere Rippenbögen: Vorstoß untere Rippenbögen: Flankenstoß (Flankenatmung)

  33. wichtigster Atemgaswechsler: das Zwerchfell wichtig auch für die Feinabstimmung des Atemgasstromes (Sprechen, Singen, Blasen eines Musikinstruments, etc.)

  34. Atemgaswechsel Atemhilfsmuskeln für die Inspiration Atemhilfsmuskeln für die Exspiration

  35. Säugling: Jugendl. & Erw.: Senior: Bauchatmung (Abdominal-Atmung) kombinierte Atmung Bauchatmung Brustatmung (Kostal-Atmung) Schwangere: Säugling Erwachsener Atemgaswechsel durch Brust- und Bauchatmung

  36. 3. Seminarthema Atemgastransport und -austausch

  37. Atemgasfraktionen und -partialdrücke in der Gasphase (ohne Wasserdampf [6,2% bei 37°C und 100% Sättigung {47 mmHg pH2O}]) • Luft 20,93% O2159 mmHg pO2 0,03% CO20,2 mmHg pCO2 79,04% „N2“ 600 mmHg pN2 (davon ca. 1% Edelgase) • alveoläres Gasgemisch 14 % O2106 mmHg pO2 5,7% CO240 mmHg pCO2 Rest „N2“ 610 mmHg pN2 • Exspirationsgasgemisch 16% O2122 mmHg pO2 4% CO230 mmHg pCO2 Rest „N2“ 608 mmHg pN2 (Bei Inspiration gelangen ~2/3 der Luft in die Alveolen; das restliche Drittel verbleibt im Totraum.)

  38. 160 120 80 pO2/ pCO2 (mmHg) 40 0 Atemgaspartialdrücke in Lunge & Blut

  39. Alveolargas Atemgaspartialdrücke in Lunge & Blut

  40. alveoläre Atemgaspartialdrücke vs. Ventilation Hypoventilation   Hyperventilation

  41. Inspiration Exspiration Spirogramm cm H2O +2 0 intrapulmonaler Druck -2 -4 intrapleuraler Druck -6 Druckverläufe während der Atembewegungen (Übersicht)

  42. [kPa] Druckverläufe während der Atembewegungen (statisch vs. dynamisch)

  43. Atemarbeit (Druck-Volumen-Diagramm) normale Ruhe-atmung forcierte Atmung fiktive Atmung (nur elastische Widerstände) Atemarbeit  1-2% vom Grundumsatz (in Ruhe; beim Gesunden)

  44. Kelastisch Kviskös KDeformation KReibung  2/3  1/3  0  0 (beim Gesunden) Widerstände, die beim Einatmen überwunden werden müssen • Volumen-Dehnbarkeit (elastische Widerstände)  Compliance - Atemwegswiderstände (visköse Widerstände)  Resistance Kgesamt = Kelast + Kvisk + KDef + KReib

  45. Wasser Anmerkung zu den elastischen Widerständen • Eigenelastizität des Lungenparenchyms - Oberflächenspannung LAPLACE-Gesetz P = 2/r P - transmurale Druckdifferenz  - Oberflächenspannung r - alveolärer Radius (0,2 - 0,4 mm) Perrechnet 10  P„tatsächlich“ Ursache: Surfactantien (endogenes „Spüli“)

  46. Air Funktion der Surfactantien • Sie bewirken, dass die Lungen sich beim ersten Atemzug entfalten (Cave: Frühgeburten). • Sie verhindern Atelektasen. • Sie egalisieren die unterschiedlichen Oberflächenspannungen in Alveolen unterschiedlichen Durchmessers. • Sie egalisieren die unterschiedlichen Oberflächenspannungen in den Alveolen während der verschiedenen Atemphasen. • Sie helfen, Atemarbeit zu sparen.

  47. Volumen Oberfläche Volumen Oberfläche Kugel 1 cm3 4,84 cm2 0,21 cm3 1 cm2 Zylinder 1 cm3 5,57 cm2 0,18 cm3 1 cm2 Oktaeder 1 cm3 5,72 cm2 0,18 cm3 1 cm2 Würfel 1 cm3 6,00 cm2 0,17 cm3 1 cm2 Kegel 1 cm3 6,83 cm2 0,15 cm3 1 cm2 Pyramide 1 cm3 7,08 cm2 0,14 cm3 1 cm2 Tetraeder 1 cm3 7,21 cm2 0,14 cm3 1 cm2 Warum sind Alveolen rund? Weil bei der Kugel das günstigste Oberflächen-/ Volumen-Verhältnis besteht.

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