Der Ganzkörperplethysmograph / Bodyplethysmograph, Eine Anwendung des Boyle-Mariotte-Gesetzes

Transkript

1 Der Ganzkörperplethysmograph / Bodyplethysmograph, Eine Anwendung des Boyle-Mariotte-Gesetzes C. Stick Der Bodyplethysmograph ist ein Gerät zur Messung von atemphysiologischen Größen, die der direkten Messung nicht unmittelbar zugänglich sind: Das intrathorakale Volumen und der alveoläre oder intrapulmonale Druck während der Atmung. Erstere Größe wird für die Unterscheidung und quantitative Beurteilung restriktiver Lungenerkrankungen benötigt. Die Kenntnis des intrapulmonalen Druckes während der Atmung ist für die Bestimmung des Atemwegswiderstands bei obstruktiven Lungenerkrankungen erforderlich. Der Ganzkörperplethysmograph macht sich die Tatsache zunutze, dass nach dem Boyle-Mariottschen Gesetz in einem abgeschlossenen Raum bei konstanter Temperatur das Produkt aus Druck und Volumen eines Gases konstant ist. Die Bedingung, dass der Raum abgeschlossen, die enthaltene Gasmenge konstant sein muss, wird dadurch erreicht, dass der Proband während der Messung in einer geschlossenen Kammer, dem Ganzkörperplethysmographen oder Bodyplethysmographen sitzt. Da intrathorakale Volumenänderungen und intrapulmonaler Druck während der Atmung nicht direkt zu messen sind, erfasst man mit dem Bodyplethysmographen stellvertretend die während der Atmung auftretenden Änderungen des vom Körper verdrängten Volumens. Diese Volumenänderungen lassen sich entweder als Änderungen des Kammerdrucks registrieren oder bei konstantem Kammerdruck als Änderungen des Kammervolumens. Der Ausdruck Plethysmograph ist von dem griechischen Wort! "#!$& %' abgeleitet, was Fülle, Menge bedeutet. Ein Plethysmograph ist also ein Gerät, das Volumen bzw. Volumenänderungen aufschreibt. Bestimmung der Resistance Die Resistance R bezeichnet den Strömungswiderstand der Atemwege: R =!P! V Hierbei bezeichnet ΔP die Druckdifferenz zwischen dem intrapulmonalen Druck in den Alveolen und dem Druck der Umgebung also an Nase, Mund. Diese Druckdifferenz erzeugt die Atemstromstärke! V. Die Atemstromstärke wird mit einem Pneumotachographen am Mundstück des Probanden gemessen.

2 Bei der Bestimmung der Resistance atmet die Versuchsperson Luft aus der Kammer. Der Bodyplethysmograph ist also geschlossen. Wie kann unter solchen Bedingungen überhaupt eine Druckdifferenz oder eine Volumendifferenz auftreten, wo der Proband doch das Luftvolumen, das er einatmet und das sein Thoraxvolumen erhöht, aus dem Kammervolumen atmet? Bei einer Inspiration bewegen sich Zwerchfell und Thorax so, dass das Lungenvolumen vergrößert wird. Die Inspirationsluft kann den Bewegungen von Zwerchfell und Thorax wegen des Strömungswiderstands der Atemwege nicht unmittelbar folgen. Die Inspirationsbewegung bewirkt vielmehr zunächst eine Zunahme des Lungenvolumens, das in den Alveolen enthaltene Gasvolumen wird expandiert. Dies führt nach dem Boyle-Mariottschen Gesetz zu einer Abnahme des intrapulmonalen Druckes. Diese Abnahme des Druckes durch die Expansion des Alveolarraums bewirkt die Druckdifferenz zum Mundstück. Nach dem Ohmschen erzeugt die Druckdifferenz über dem Atemwegswiderstand die Atemstromstärke! V. Die Abnahme des intrapulmonalen Druckes gegenüber dem Druck in der Kammer oder gegenüber dem Druck am Mundstück ist die Größe ΔP, die eigentlich für die der Bestimmung der Resistance gesucht ist. Tatsächlich wird aber stellvertretend die Volumenzunahme ΔV des intrathorakalen Volumens bestimmt. Diese wird wiederum als Änderung des Kammervolumens unter isobaren Bedingungen gemessen wird. Eine Volumenzunahme ΔV tritt nur auf, solange eine Druckdifferenz ΔP besteht. Am Ende der

3 Inspiration wird die Atemstromstärke Null, entsprechend auch die Druckdifferenz über dem Atemwegswiderstand. Da die Versuchsperson Luft aus der Kammer geatmet hat, wird auch die Änderung des Kammervolumens ΔV, die als Messsignal genutzt wird, wieder Null. Das intrathorakale Volumen des Probanden ist zwar um das Atemzugvolumen vergrößert, das Gesamtvolumen des Bodyplethysmographen aber unverändert. Denn es herrscht sowohl in der Lunge als auch in der Kammer wieder einheitlich der Druck des geschlossenen Systems. Was passiert während der Exspiration? Hier kehren sich die Verhältnisse um. Die Tätigkeit des Atemapparates komprimiert die Luft im Alveolarraum ein wenig, das intrathorakale Volumen nimmt um den Betrag ΔV ab, nach dem Boyle-Mariottschen Gesetz nimmt der intrapulmonale Druck zu. Entsprechend entsteht über dem Atemwegswiderstand eine Druckdifferenz ΔP, welche die exspiratorische Atemstromstärke! V erzeugt. Solange eine solche Druckdifferenz besteht, wird das Volumen des Plethysmographen um den aus dem Boyle- Mariott-Gesetz resultierenden Betrag ΔV verringert sein. Am Ende der Ausatmung werden die Druckdifferenz ΔP und die Stromstärke! Vwieder Null. Auch die Volumenänderung des Plethysmographen wird wieder Null, weil der Proband ja die Exspirationsluft aus seinen Lungen in die geschlossene Kammer geatmet hat. Wieder herrscht in allen Teilen der Druck des geschlossenen Systems. Die Volumenänderung ΔV, die hier als Messsignal dient, tritt also nur dann auf, wenn eine Druckdifferenz ΔP zwischen Mundstück und Alveolarraum vorhanden ist, die Luft in der Lunge durch die Atemtätigkeit ein wenig expandiert oder komprimiert wird. Wie dargelegt spiegeln die Volumenänderungen ΔV nach dem Boyle-Mariottschen Gesetz die Änderungen des intrapulmonalen Druckes ΔP gegenüber dem Druck in der Plethysmographenkammer und sind somit ein Maß für die Druckdifferenz über dem Atemwegswiderstand. Durch Aufzeichnen von Atemstromstärke! Vund Δässt sich bereits ein graphisches Bild darüber gewinnen, wie sich der Atemwiderstand während eines Atemzuges verhält. Zur quantitativen Berechnung fehlt hingegen ein Kalibrierfaktor, der angibt, wie groß die Änderung des pulmonalen Druckes ΔP bei einer bestimmten gemessenen Volumenänderung des Plethysmographen ΔV ist. Um diesen Kalibrierfaktor zu ermitteln, lässt man den Probenden bei verschlossenem Mundstück Atembewegungen ausführen. Was passiert dann? Wegen des verschlossenen Mundstücks ist die Atemstromstärke Null. Nach dem Ohmschen Gesetz gibt es bei der Stromstärke Null auch keine Druckdifferenz über dem

4 Atemwegswiderstand. Der Druck, der am Mundstück gemessen wird, ist unter diesen Verschlussbedingungen gleich dem intrapulmonalen Druck. Durch die Atembewegungen wird das intrathorakale Luftvolumen jeweils etwas expandiert oder komprimiert. Dadurch werden wie beim Atmen mit offenem Mundstück Volumenänderungen ΔV erzeugt, die vom Plethysmographen gemessen werden. Das Verhältnis von Änderungen des pulmonalen Drucks ΔP und den Volmenänderungen Δiefert den Kalibrierfaktor zur quantitativen Bestimmung der Resistance. Praktisch geht man so vor, dass man die Änderungen von Druck und Volumen direkt von einem Schreiber in einem Diagramm aufzeichnet. Für die kleinen Änderungen ergibt sich typischerweise eine Gerade, deren Steigung!P Kalibrierfaktor liefert. Was muss man bei diesem Vorgehen beachten? Die Bestimmung des Kalibrierfaktors muss bei zumindest annähernd gleichem intrathorakalen Volumen geschehen, wie die Aufzeichnung der Messung während der Atmung. Warum? Dies ist deswegen notwendig, weil bei einem (deutlich) abweichenden Lungenvolumen, das Produkt aus Volumen und Druck nach dem Boyle-Mariott-!V den

5 Gesetz ( p! V = const )einen anderen Wert, eine andere Konstante ergibt. auch müssen Temperatur und Wasserdampfsättigung konstant sein (37 C, 100% RF). Die Bestimmung des intrathorakalen Volumens V L Die Bestimmung des Kalibrierfaktors bei geschlossenem Mundstück kann gleichzeitig zur Messung des intrathorakalen Volumens genutzt werden. Wie beschrieben kommt es durch die Atembewegungen jeweils zu einer Kompression oder Expansion des im Thorax eingeschlossenen Gasvolumens. Ausgehend von der Atemruhelage lässt sich bei einer Inspirationsbewegung das Boyle-Mariottsche Gesetz folgendermaßen anwenden: P! = ( + "V )!(P # "P) Gegenüber der Ausgangslage ist das intrathorakale Volumen um den kleinen Betrag ΔV vergrößert, der Druck in der Lunge hingegen durch die Expansion des Gases entsprechend verringert. Bei Exspirationsbewegungen kehren sich die Verhältnisse um. Aus den in der Gleichung enthaltenen Variablen lässt sich das intrathorakale Volumen berechnen. Die Änderung des intrathorakalen Volumens ΔV wird durch den Plethysmographen gemessen. Die Druckänderung ΔP des Gases wird durch ein Manometer am Mundstück des Probanden gemessen. Da das Mundstück verschlossen ist, die Atemstromstärke also Null ist, deswegen kein Druckabfall über dem Atemwegswiderstand existiert, entspricht der Druck am Mundstück dem Druck in den Lungenalveolen, dem intrapulmonalen Druck. Für die Berechnung des intrathorakalen Volumens muss die Gleichung, der Ansatz nach dem Boyle-Mariott-Gesetz, umgeformt werden. Da ich selbst als Student an Formulierungen, wie "daraus folgt sofort" meist verzweifelt bin, führe ich hier jeden Schritt auf: P! = ( + "V )!(P # "P) P P! "P = V + " P P! "P = 1+ "V P P! "P!1 = "V

6 P! (P! "P) P! "P = "V!P P "!P =!V!V = P "!P!P = (P! "P)# "V "P Wird die Messung aus der Atemruhelage durchgeführt, so entspricht das bestimmte intrathorakale Volumen der funktionellen Residualkapazität. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass der Shutter am Ende eines normalen Atemzuges, wenn der Proband ausgeatmet hat, verschlossen wird.