L U N G E. A. Einleitung und Praktikumvorbereitung

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1 L U N G E Autoren: Max Pattmöller, Jonas R. Farokhina, Michaela Ruhnke, Patrick Schmitt Prof. Dr. Dieter Bruns Übersicht A. Einleitung und Praktikum-Vorbereitung B. Ausblick C. Pneumotachographie Pneumotachogramm Fluss-Volumen-Diagramm D. Spirometrie / Ergospirometrie Spirometrie: o Ruhe-Spirogramm o Tiffeneau-Test o Atemgrenzwert Ergospirometrie: o Indirekte Kaloriemetrie o Totraumbestimmung E. Bodyplethysmo-Graphie Intra-thorakales Gasvolumen Atemwegswiderstand Diffusionskapazität F. Messergebnis-Protokollierung und Auswertung G. Anhang Volumenkorrekturen (STPD, ATPS, BTPS) Verständnisfragen Normwerte und Formelsammlung A. Einleitung und Praktikumvorbereitung Umfangreiche Kenntnisse in der Physiologie und Diagnostik der Lunge sind für einen Mediziner unabdingbar. Für die erfolgreiche Teilnahme an dieser Praktikumaufgabe ist die intensive Vorbereitung anhand ihrer Vorlesungsnotizen und den einschlägigen Lehrbüchern (Schmidt/Thews, Silbernagl, etc.) erforderlich. Bitte bearbeiten Sie im Vorfeld, zur eigenen Wissenskontrolle, die im Anhang erwähnten Hausaufgaben. B. Ausblick Spirometer und Pneumotachograph ermöglichen eine erste, einfach durchzuführende Diagnostik von Lungenfunktionsstörungen. Sie dienen der Erfassung vieler statischer und dynamischer Lungenparameter. Allerdings sind sie in höchstem Maße abhängig von der Compliance des Patienten und gewähren keine Messung nicht mobilisierbarer Lungenvolumina, wie z.b. des Residualvolumens. Eine eingehendere Untersuchung ist mit dem Bodyplethysmographen möglich. Dieser bietet neben einer erweiterten Spirometrie die Messungen von Atemwegswiderstand und Diffusionskapazität. Der Praktikum-Plethysmograph verfügt darüber hinaus über eine Atemgasanalyse, welche eine Bestimmung der alveolären Ventilation ermöglicht.

2 C. Pneumo-Tachographie In der modernen Lungenfunktionsdiagnostik spielt das Glockenspirometer keine Rolle mehr. Falls nicht sogar die ganze Messung im Bodyplethysmographen ( erweiterte Spirometrie ) stattfindet, verwendet man heute sog. Pneumotachographen (Abb. 1). Hierbei handelt es sich im Gegensatz zum Glockenspirometer um ein offenes System mit der Möglichkeit der computergestützten Auswertung der Messergebnisse. In das Staudruckrohr ist ein Widerstand bekannter Größe geschaltet. Durch den Widerstand (R) kommt es zu einem Druckabfall im Rohr. Am Anfang und am Ende des Rohrs wird nun der Druck und somit die Druckdifferenz ( p = Spannung U) bestimmt. Ermittelt wird nun durch Anwendung des Ohmschen LUNGE 2 Abbildung 1: Messung von Atemvolumina im offenen spirometrischen System Gesetzes U R I I U / R die Atemstromstärke (V = Strom I). Die Auftragung der Atemstromstärke gegen die Zeit wird als Pneumotachogramm bezeichnet. Integration von V liefert den gewünschten Messwert, das Atemvolumen. Die Berechnung erfolgt vollautomatisiert im Computer. Messung: Es werden Ruhe-Atemexkursionen nach Anleitung durchgeführt. Die Messergebnisse auf dem Bildschirm sind zu protokollieren und bei Bedarf mit den Messergebnissen nachfolgender Versuche zu vergleichen. Abbildung 2: Lungenvolumina und Messgrößen im Spirometer / Pneumotachographen

3 D. Spirometrie / Ergospirometrie LUNGE 3 1. Spirometrie Die kleinsten messbaren Volumenanteile werden als Volumina bezeichnet. Die sich aus mehreren Volumina zusammensetzenden Größen nennt man Kapazitäten. Atemzugvolumen, Tidalvolumen (VT): Inspirations- bzw. Exspirationsvolumen bei Ruheatmung Inspiratorisches Reservevolumen (IRV): Volumen, das nach normaler Inspiration noch zusätzlich maximal eingeatmet werden kann. Exspiratorisches Reservevolumen (ERV): Volumen, das nach normaler Exspiration noch zusätzlich maximal ausgeatmet werden kann. Vitalkapazität (VC): VC VT IRV ERV ; Das Volumen, das nach maximaler Einatmung (Ausatmung), maximal ausgeatmet (eingeatmet) werden kann. Residualvolumen (RV): Volumen, das nach maximaler Exspiration noch in der Lunge verbleibt und nicht ausgeatmet werden kann. Funktionelle Residualkapazität (FRC): FRC RV ERV ; Volumen, das sich nach normaler Exspiration noch in der Lunge befindet Totalkapazität der Lunge (TLC): TLC VC RV Aus der Auflistung der relevanten Messgrößen wird ersichtlich, dass es mobilisierbare und nicht mobilisierbare Lungenvolumina gibt. Nur Erstere lassen sich direkt mit dem Spirometer erfassen (sieht man von der Möglichkeit der Helium-Einwaschmethode ab). IRV und ERV sind variable Reserven und dienen der Leistungsanpassung bei physischer Anstrengung. Die atemphysiologische Funktion der FRC besteht darin, dass bei normaler Exspiration ein gewisses Volumen in der Lunge zurückbleibt, welches sich als Restvolumen bei jedem Atemzug mit der eingeatmeten Frischluft vermischt. Somit werden Schwankungen der O 2 - und CO 2 -Partialdrücke vermieden, die ansonsten einen empfindlichen Einfluss auf die Blutgaswerte ausüben würden. Residualvolumen und ERV werden zur FRC zusammengefasst. Davon gilt es das Thorakale Gasvolumen (TGV) abzugrenzen. Hierunter versteht man ebenfalls jenes Volumen, welches sich nach einer normalen Exspiration noch im Thorax befindet. Allerdings werden hier auch nicht ventilierte, gasgefüllte Bereiche der Lunge mitgezählt. Diese Größe wird im Bodyplethysmographen erfasst, die FRC kann mittels der Helium-Einwaschmethode ermittelt werden. Beim Lungengesunden stimmen also FRC und TGV überein. Dynamische Größen im Spirometer Dynamische Größen in der Lungenfunktionsprüfung sind z.b. der Atemgrenzwert sowie die Sekundenkapazität. Der Atemgrenzwert (AGW) ist das Atemzeitvolumen (Einheit: L/min), welches bei maximaler Ventilation geleistet werden kann. Der Normwert liegt bei L/min. Die Testung sollte über einen Zeitraum von nicht länger als 30 Sekunden erfolgen, da sich sonst Folgen einer Hyperventilation einstellen können. Abbildung 3: Exemplarisches Spirogramm zur Bestimmung des AGW

4 LUNGE 4 Wichtige Kenngrößen zur Beurteilung einer obstruktiven Ventilationsstörung sind die Forcierte Vitalkapazität (FVC), die Einsekundenkapazität ( FEV 1 ), und die relative Einsekundenkapazität (FEV 1 / FVC). Die FVC beschreibt die Mobilisierung der Vitalkapazität unter maximaler Anstrengung des Probanden (Abbildung 4). Unter FEV 1 versteht man das unter maximaler Anstrengung innerhalb der ersten Sekunde exspirierte Volumen. Die daraus zu berechnende relative Einsekundenkapazität (FEV 1 / FVC) sollte >0.75 betragen, d.h. ein Lungengesunder kann ca. 75% der FVC innerhalb der ersten Sekunde ausatmen. Das Verfahren zur Messung dieser Werte wird als Tiffeneau-Manöver bezeichnet. Der Wert von 0.75 sinkt bei obstruktiven Ventilationsstörungen. Bei restriktiven Erkrankungen ist er normal oder sogar erhöht. Abbildung 4: Tiffeneau-Manöver zur Bestimmung der relativen Einsekundenkapazität Abbildung 5: Fluss-Volumen-Kurven Durch Messung der Atemstromstärke ergibt sich eine weitere Darstellungsmöglichkeit (Abb. 5). Im Fluss-Volumen-Diagramm wird auf der x- Achse das Atemvolumen und auf der y- Achse V aufgetragen. So können nun die maximale exspiratorische Atemstromstärke (Peak expiratory flow, PEF) und die max. V bei 75, 50 und 25 % Rest-Vitalkapazität (MEF 75, 50, 25 ) während eines Tiffeneau-Manövers eingetragen werden. Sowohl PEF als auch MEFs sind bei obstruktiven Ventilationsstörungen deutlich vermindert. Im Fluss-Volumen-Diagramm wird der Emphysemknick sichtbar.

5 Theorie und Messprinzip: LUNGE 5 Moderne Spirometriegeräte wie der Master Screen CPX erfassen Atemvolumina über einen integrierten Pneumotachographen (vgl. Abschnitt Pneumotachographie). Abbildung 6: Funktionsweise und Aufbau des Ergospirmoeters Master Screen CPX Messungen: Ruhe-Spirogramm Abbildung 7: Atemexkursionen zur Bestimmung grundlegender Atemvolumina

6 LUNGE 6 Tiffeneau-Test Abbildung 8: Atemexkursion zur Ermittlung der Einsekundenkapazität (Tiffeneau- Manöver) und des Fluss-Volumen- Diagramms. Atemgrenzwert Abbildung 9: Dargestellt ist das maximal ventilierbare Volumen.

7 LUNGE 7 Berechnen Sie aus ihrer spirometrischen Aufzeichnung wichtige Volumina und Kapazitäten und tragen sie in die nachfolgende Tabelle (Abschnitt F) ein. Beachte: Die im Spirometer gemessenen Volumina entsprechen ATPS-Bedingungen, werden aber von der Software automatisch in BTPS- Bedingungen umgerechnet und ausgegeben. 2. Ergospirometrie Theorie: Energiehaushalt und Sauerstoffaufnahme Grundsätzlich bestehen 2 Möglichkeiten, den Energieumsatz eines Menschen zu bestimmen. Bei der direkten Kalorimetrie wird die vom Körper produzierte Menge an Wärme gemessen und daraus direkt auf den Energieumsatz geschlossen. Diese aufwendige Methode findet heute keine Anwendung mehr. Bei der im Praktikum durchzuführenden indirekten Kalorimetrie wird die umgesetzte Energie über die Menge des aufgenommenem Sauerstoff berechnet, da bei der Verbrennung von Kohlenhydraten (physiologischer Brennwert: 17,2 kj/g), Fetten (38,9 kj/g) und Eiweißen (17,2 kj/g) Sauerstoff benötigt wird. Als Näherungswert gilt für Europäer, dass pro Liter aufgenommenem Sauerstoff etwa 20,4 kj Energie gewonnen werden (kalorisches Äquivalent). Bei ausschließlicher Aufnahme von Kohlenhydraten beträgt das Äquivalent 21 kj/lo 2, bei Fetten 19,6 kj/lo 2, bei Proteinen 18,8 kj/lo 2. Das tatsächliche energetische Äquivalent einer Person kann über deren Respiratorischen Quotienten (RQ) mittels Tabellen ermittelt werden (Abbildung 10). Abbildung 10: Abhängigkeit des RQ-Wertes vom energetischen Äquivalent. Der RQ ist definiert das Verhältnis von O 2 -Aufnahme u. CO 2 -Abgabe. Bei der Verbrennung von Glukose beträgt der RQ 1, da genauso viel O 2 verbraucht wird, wie CO 2 entsteht ( CH 6 12O6 6O2 6CO2 6HO 2 ). Bei Verbrennung von Fetten gilt: RQ = 0,7, bei Proteinen RQ=0,81. Bei Europäern kann bei Mischkost von einem RQ von 0,82 ausgegangen werden. Umgekehrt kann man durch Ermittlung des RQ auf die Art der Nahrung schließen. Theorie und Messprinzip indirekte Koloriemetrie: Es gibt 2 Methoden, eine indirekte Kalorimetrie durchzuführen. Früher wurde ein geschlossenes System verwendet; hierbei wird ein Glockenspirometer mit Sauerstoff befüllt. In der modernen Pneumologie verwendet man eine Apparatur, welche Ein- und Ausatemluft trennt und in der Ausatemluft die O 2 - und CO 2 - Fraktionen misst und daraus Sauerstoffaufnahme und Kohlendioxidabgabe berechnet; man spricht hierbei von einem offenen System. Im Praktikum wird diese Methode angewandt. Diesmal beobachten wir den Sauerstoffverbrauch in Ruhe und bei Belastung auf einem Fahrradergometer. Bei unseren Messungen gehen wir von einem respiratorischen Quotienten von 0,82 und somit von einem energetischen Äquivalent von 20,4 kj/lo 2 aus. Aus der O 2 -Aufnahme berechnet sich der Energieverbrauch wie folgt: Energieumsatz = kalorisches Äquivalent O 2 -Aufnahme / Zeit.

8 Es interessieren folgende Messgrößen: LUNGE 8 der Ruheverbrauch von O 2 während der Proband auf dem Fahrrad sitzt ohne zu treten (PHASE I, siehe Abbildung 7) der O 2 -Verbrauch bei Arbeit (Tretkurbelleistung von 100 Watt für 1 min, PHASE II). der O 2 -Verbrauch nach Beendigung der Arbeit; dieser ist verglichen mit dem Ruheverbrauch, bedingt durch die eingegangene Sauerstoffschuld, erhöht (PHASE III) der arbeits-bezogene O 2 -Mehrverbrauch errechnet sich aus der Summe der O 2 -Verbräuche in den Phasen II und II abzüglich des jeweiligen Ruheverbrauchswertes. Das heißt, die Messung der O 2 -Aufnahme muss von der gestrichelten Linie aus erfolgen. Der Nettowirkungsgrad: NWG geleistete mechanische Arbeit in kj. Energiemehrverbrauch in den Phasen II und III Erfahrungsgemäß wird der NWG bei etwa % liegen. Dies bedeutet, dass ca. ¾ des Energieumsatzes zur Überwindung mechanischer Widerstände und als Wärmebildung verloren gehen. Die Arbeit ergibt sich aus der Leistung multipliziert mit der Zeitdauer (1J 1W sec.). Eine Leistung von 100 Watt über 60 Sekunden ergibt somit eine geleistete mechanische Arbeit von 6000 J = 6 kj. Zur Auswertung (Abschnitt F) können die VO 2 -Messungen der einzelnen Phasen manuell im Programm gemittelt werden. Diese Werte werden dann zur Berechnung des O 2 -Mehrverbrauchs herangezogen: VO 2 (Arbeit) = VO 2 (PhaseII) + VO 2 (PhaseIII) 2 x VO 2 (PhaseI). Hausaufgaben: Wie ist der Grundumsatz definiert? Welche Abweichung vom gemessenen Ruheumsatz (Haltungsumsatz) erwarten Sie? Welchen Ruheumsatz erwarten Sie bei sich? Vergleichen Sie den Wirkungsgrad eines Menschen mit dem Wirkungsgrad eines modernen Automobil-Motors. Die Ergometrie wird in der Klinik häufig durchgeführt, allerdings selten um den Energieverbrauch eines Menschen zu bestimmen, sondern um durch Messung der maximalen O 2 -Aufnahme Rückschlüsse auf den Zustand des Gesamtsystems aus Herz, Lunge, Kreislauf und Muskel zu ziehen. Die maximale O 2 -Aufnahme steht nach dem Fick schen Prinzip in linearem Verhältnis zum maximalen Herzzeitvolumen. Theorie und Messprinzip: Totraumbestimmung Das gesamt-exspiratorische Volumen (V E ) entspricht der Summe aus Totraumvolumen (V D ) und alveolarem Gasvolumen (V A ). V E = V D + V A Erweitert man diese Beziehung um die entsprechenden Atemgasfraktionen (F) für CO 2, so folgt, dass sich die Gesamtmenge des ausgeatmeten CO 2 aus der Summe der Teilmengen des Totraumes und des Alveolarraumes zusammensetzt. Bedenke, die Menge eines Atemgases entspricht dem Produkt aus Volumen und Atemgasfraktion. V E x FECO 2 = V D x FICO 2 + V A x FACO 2 Nach Umformung erhalten wir die Bohr sche Totraumformel: V D = V E x (FACO 2 -FECO 2 / FACO 2 ) Die alveolare (FACO 2 ) und gesamtexspiratorische (FECO 2 ) Atemgasfraktion sowie V E werden mit dem Ergospirometer kapnographisch bestimmt, wobei die die endtidale Atemgasfraktion von CO 2 (FETCO 2 ) gleich der alveolären Atemgasfraktion ist. Die inspiratorische Atemgasfraktion für FICO 2 (0,003) ist dagegen vernachlässigbar.

9 Messung: LUNGE 9 Zunächst soll die VO 2 in Ruhe ermittelt werden. Hierzu erfolgt eine Phase der Ruheatmung von mindestens einer Minute Länge (PHASE I). Anschließend wird eine Arbeit (Radfahren) von 100 Watt über 60 Sekunden verrichtet (PHASE II). Es folgt eine Erholungsphase (PHASE III) bis Herzfrequenz und VO 2 der Ruhelage wieder entsprechen. Während des Versuchs messen Pneumotachograph, Pulsoxymeter und Gasanalysator automatisch alle relevanten Werte, welche in Echtzeit dargestellt werden. Notieren Sie die Herzfrequenz in Phase I und jeweils die minimale und maximale Herzfrequenz in den Phasen II + III. Errechnen Sie anhand der gemittelten Werte für die drei Phasen die relevanten Parameter (Abschnitt F). Während der Belastungsphase erfolgt zusätzlich die Bestimmung des Totraumes über das Programm Endtidal. Notieren Sie bitte alle nötigen Parameter, um das dargestellte Ergebnis mittels der Bohr schen Totraumformel nachvollziehen zu können. Abbildung 11: Ergospirogramm Die Abbildung zeigt den Graphen des Sauerstoffverbrauchs pro Minute (Punkt) in den Phasen I (bis blaue Linie), II (blaue bis rote Linie) und III (ab roter Linie) gegen die Zeit, sowie weitere kardiopulmonale Parameter.

10 E. Bodyplethysmographie LUNGE 10 Die Bodyplethysmographie ist der Goldstandard in der Lungenfunktionsdiagnostik. Mit dieser Methode lassen sich wesentliche Parameter wie z. B. das intrathorakale Gasvolumen (TGV), der Atemwegswiderstand (R AW ) und darüber hinaus, abhängig von der apparativen Ausstattung, die Diffusionskapazität (DL Co ) und der Totraum (V D ) eines Patienten ermitteln. a) Intrathorakales Gasvolumen Das Boyle-Mariotte sche Gesetz bildet die physikalische Grundlage der Messung. Es besagt, dass in einem geschlossenen System das Produkt aus Volumen und Druck für ein ideales Gas bei gleichbleibender Temperatur konstant ist. p x V = konstant (Boyle-Mariotte sches Gesetz) Befinden sich in einem geschlossenen System zwei Gasvolumina (Abbildung 10), wie z.b. in einem telefonzellenähnlichen Gehäuse das Raumvolumen und das Lungenvolumen eines Probanden so gilt: P 1 x V 1 = P 2 x V 2 Das intrathorakale Gasvolumen (ITGV od. TGV) eines Patienten wird mit verschlossenem Mundstück bestimmt. Legt man den Verschluss an das Ende einer normalen Ausatmung (d.h., in der Atemruhelage), so verbleibt in der Lunge ein Restvolumen das ungefähr der funktionellen Residualkapazität entspricht. Der Verschluss des Mundstücks führt bei Inspiration und Exspiration des Probanden zu einer Kompression bzw. Dekompression der intraalveolären Luft. Diese Druckschwankungen können als Druckänderung am Mund registriert werden (pa). Gleichzeitig werden in- und exspiratorische Druckschwankungen in der Kammer gemessen (pb). Vergleichen wir den Zustand in Exspirationsstellung mit dem Zustand während einer Inspiration (Patient vergrößert Thoraxvolumen und verringert entsprechend den intra-thorakalen Druck, siehe Abbildung) so gilt: TGV x P 1 = (TGV + V) x P 2 P 1 = P atm -P H20 P 2 = P av -P H20 = P Mund -P H20 Nach Umformung erhalten wir: TGV = V x P 2 / (P 1 - P 2 ) (1) Beachte: V lässt sich unter diesen Bedingungen nicht direkt bestimmen und muss unter Ausnutzung der Druckschwankungen in der Kammer ermittelt werden. Zustand in Exspirationsstellung Zustand nach dem Versuch einzuatmen Abbildung 12: Bodyplethysmographie (modifiziert nach Schmidt/Thews)

11 LUNGE 11 Die Rolle der Druckkammer: Die Inspiration des Probanden verursacht eine Reduktion des Kammervolumens (VB), um das Volumen (ΔV). Gleichzeitig steigt der Kammerdruck (pb) an. Entsprechend dem Boyle- Marriote schen Gesetz gilt: VB 1 x pb 1 = (VB 1 - V) x pb 2 Nach Umformung erhalten wir: V = VB 1 x (pb 2 - pb 1 ) / pb 2 (2) Durch Einsetzen der Gleichung (2) in Gleichung (1) ergibt sich: TGV = (P 2 / (P 1 - P 2 )) x VB 1 x (pb 2 - pb 1 ) / pb 2 (3) Zusammenfassend wird deutlich, dass sich die gesuchte Volumenänderung der Lunge (V) mit Hilfe der druckdichten Kammer als Druckschwankung indirekt bestimmen lässt und bei gleichzeitiger Messung des Munddruckes das TGV ermittelt werden kann (Abb. 12). Da die Ausdehnung des Thorax nur sehr geringe Druckänderungen in der Kammer hervorruft, bedarf es sehr empfindlicher Drucksensoren und eines ruhigen Standort des Gerätes. Das Gerät wird täglich im Rahmen einer Anschaltroutine automatisch kalibriert. Das Körpervolumen, welches vom Kammervolumen abzuziehen ist, entspricht ungefähr dem Körpergewicht in kg x Diese notwendige Korrektur wird von den Geräten, in deren Rechner Größe, Alter, Geschlecht und Gewicht auch zur Errechnung der Sollwerte einzugeben sind, automatisch durchgeführt. Beispielrechnung: = 760 mm Hg P atm P H20 = 47 mm Hg P Mund = 740 mm Hg (bei Inspiration gegen verschlossene Ventile) V = 71 ml (entspricht VB 1 x (pb 2 - pb 1 ) / pb 2 ) TGV = ((740 47) / ( )) x 71 ml = 2460 ml Beachte: Bei Lungengesunden stimmen IGV und FRC (He-Einwaschmethode) gut überein. Bei Lungenkranken, die einige Lungengebiete nicht ventilieren, kann IGV größer als FRC sein. Software gestützte Analyse des TGVs: Da P = P 1 - P 2 (=> P 2 = P 1 - P) können wir Gleichung (1) umschreiben in: TGV = V x (P 1 -P) / P (4) Nach Umformung ergibt sich: TGV = P 1 x (V/P)-V Zur Bestimmung des TGVs benutzt die Software den Anstieg der Graden aus der Verschlussdruckkurve (V/P, siehe Abbildung 14), da 1/tan sich proportional zu V/P verhält. V wird, entsprechend Gleichung (2) aus den Kammerdruckschwankungen errechnet. Abbildung 13: Ablauf eines Bodyplethysmograph-Versuches

12 LUNGE 12 Abbildung 14: Für die Resistance ermittelt die Analyse-Software des Bodyplethysmographen den Anstieg einer Geraden, welche durch die Resistance-Schleife gelegt wird, also tan ß = V/pK. Anhand der Resistance-Schleife lassen sich verschiedene Atemwegswiderstände definieren. Zur Bestimmung von ITGV benutzt die Software den Anstieg tan der Geraden in der Verschlussdruckkurve. b) Atemwegswiderstand Resistance Der Atemwegswiderstand berechnet sich aus Verhältnis von pulmonalem Druck (P pul ) und Volumenstromstärke (V). Unter der Annahme, dass der größte Teil der Luftströmung laminar erfolgt, lässt sich der Atemwiderstand (R) analog dem Ohmschen Gesetz berechnen als: Ohmsches Gesetz: Resistance: R: elektrischer Widerstand; U: Spannung; I: Stromstärke R: Atemwegswiderstand; P pul : pulmonaler Druck; V: Atemstromstärke (Volumen pro Zeiteinheit) Messprinzip Mit der Bodyplethysmographie wird zur Bestimmung der Resistance nicht der intrapulmonale Druck, sondern der Kammerdruck herangezogen. Die Thoraxexkursionen in Abhängigkeit von der Atmung werden als Schwankungen des Kammerdrucks (P K ) registriert. Diese Kammerdruckschwankungen sind dem intrapulmonalen (P A ) direkt proportional. Die Resistance ergibt sich somit aus der XY-Auftragung der Kammerdruckschwankungen und des Atemstromes (V), der mittels eines Pneumotachographen bestimmt wird (Abb. 14). Die zeitsynchrone Aufzeichnung der Werte als Druck/Fluss-Diagramm ergibt die Resistanceschleife, deren Steilheit zur Bestimmung des Atemwegswiderstandes herangezogen wird (Abb. 14). Ein größerer Winkel dieser Beziehung entspricht einem kleineren Strömungswiderstand. c) Diffusionskapazität Die Diffusionskapazität ist ein Maß für die Permeationseigenschaften der Blut-Luft-Schranke für Atemgase. Ihre Berechnung beruht auf dem Fick-Diffusionsgesetz. M: Stoffmenge die durch die Membran diffundiert (wird in der Praxis gleichgesetzt mit der aufgenommen Stoffmenge; F: Membranfläche; d: Membrandicke; ΔP: Partitialdruckdifferenz; K: Krogh-Diffusionskoeffizient Der Krogh-Diffusionskoeffizient ergibt sich aus dem Produkt von D (Diffusionskoeffizienten) und A (Bunsen schen Löslichkeitskoeffizienten). Der Krogh-Diffusionskoeffizient von CO 2 ist 23x größer als der von O 2 Diese Tatsache macht sich auch bei Patienten mit Diffusionsstörungen bemerkbar. So neigen Patienten in frühen Stadien der Hypoxämie auf Grund kompensatorischer Hyperventilation häufig zur Hypokapnie. Da sich Membrandicke, Durch trittsfläche und Diffusionseigenschaften eines Patienten schwer bestimmen lassen, werden diese Variablen in dem Parameter Diffusionskapazität (DL) zusammengefasst.

13 Messprinzip LUNGE 13 Die Diffusionskapazität der Lunge (D LCO ) ist definiert als CO-Menge, welche pro Zeiteinheit und Partialdruckdifferenz zwischen der Alveolarluft und pulmonalem Kapillarblut über die BL-Schranke diffundieren kann. Die am weitesten verbreitete Methode zur Bestimmung der Diffusionskapazität ist die Ein-Atemzug oder Single-Breath -Methode. Bei der Messung soll der Patient so tief wie möglich ausatmen, um anschließend ein Gasgemisch aus Sauerstoff, Methan und CO wieder einzuatmen. Der Proband hält anschließend die Luft für 10 Sekunden an. Das eingeatmete Gemisch verteilt sich nun gleichmäßig in der Lunge und das CO Gas diffundiert über die Kapillarmembran ins Blut (verwendete CO-Konzentrationen sind nicht toxisch). Anschließend atmet der Proband normal aus. Test- und Diffusionsgas werden hinsichtlich der noch verbliebenen Konzentrationen analysiert. Methan kann die BL-Schranke nicht überschreiten. CO hingegen passiert die BL- Schranke und bindet mit hoher Affinität an Hämoglobin. Der nahezu unidirektionale Fluss von CO- Molekülen aus der Lunge ins Blut liegt der zu erwartenden CO-Konzentrationsabnahme im Atemgas zu Grunde. Auswertung der Bodyplethysmographie Drucken Sie bitte die Messwerte der Einzelversuche aus: Bestimmung des intrathorakalen Gasvolumens Atemwegswiderstand Diffusionskapazität Erstellen Sie eine Gesamttabelle aller Messdaten und vergleichen Sie die erarbeiteten Befunde mit den entsprechenden Sollwerten. Kommentieren sie eventuelle Abweichungen und erläutern Sie die zugrunde liegenden Mechanismen.

14 F. Messergebnis-Protokollierung und Auswertung LUNGE 14 Messgröße Messwert Sollwert Atemfrequenz Ruhe AF R ( min 1 ) Atemzugvolumen Ruhe VT R ( L ) Atemminutenvolumen AMV ( L min 1 ) AMV AF VT R R Atemgrenzwert AGW ( L min 1 ) AGW AFG VTG Inspiratorisches Reservevolumen IRV ( L ) Exspiratorisches Reservevolumen ERV ( L ) Vitalkapazität VC ( L ) Forcierte Vitalkapazität FVC ( L ) Einsekundenkapazität FEV 1 ( L ) Relative Einsekundenkapazität RFEV 1 (%) FEV1 RFEV1 FVC Maximale Atemstromstärke I Max, PEF (L/s) Totraumvolumen VD (L) O 2 -Aufnahme Ruhephase VO 2 (LO 2 /min) Herzfrequenz Ruhephase HR (1/min) O 2 -Aufnahme Arbeitsphase VO 2 (LO 2 /min) Max. Herzfrequenz Arbeitsphase HR (1/min) O 2 -Aufnahme Erholungsphase VO 2 (LO 2 /min) Max. Herzfrequenz Erholungsphase HR (1/min) Energieverbrauch, Ruhe (kj) Energiemehrverbrauch, Arbeit+Erholung (kj) Geleistete mechanische Arbeit (kj) Nettowirkungsgrad NWG (%) Intrathorakales Gasvolumen ITGV (L) Atemwegswiderstand R (mmhg*s/l) CO-Diffisionskapazität DLCO (L/(min*mmHg))

15 G. Anhang LUNGE 15 a) Volumenkorrekturen b) Verständnisfragen und Wissenskontrolle 1. Welche Muskeln sind an der Atmung beteiligt? 2. Welche Lungenvolumina und -Kapazitäten kann man unterscheiden? 3. Wie groß sind sie, welche kann man durch Spirometrie bestimmen? 4. Was ist der Totraum, wie wird er gemessen? 5. Was sind die Unterschiede zwischen obstruktiven und restriktiven Ventilationsstörungen? 6. Was versteht man unter dem Partialdruck von Gasen? 7. Wie groß sind die Partialdrücke für O 2 und CO 2 in der atmosphärischen Luft, in den Alveolen und im Blut? 8. Wie wird die Atmung gesteuert? 9. Was ist Arbeit, was ist Leistung (im physikalischen Sinne)? 10. Wie lautet die allgemeine Gasgleichung? 11. Was ist und leistet das Surfactant?

16 LUNGE 16 Definieren bzw. erklären sie folgende Begriffe: Pulmonale Ventilation: Atemgrenzwert, Atemfrequenz, Atemminutenvolumen, 1-sec-Ausatmungskapazität (Tiffeneau Test), Atemstoß, Resistance, Compliance, Atemzyklus, Ganzkörperplethysmographie, alveoläre Ventilation. Atem-Regulation: Neuronale Steuerung, Atemantriebe, Hering-Breuer-Reflex, periphere arterielle Chemorezeptoren, zentrale Chemorezeptoren, Säure-Basen-Haushalt und Atmung. Atemformen: Cheyne-Stokes-, Kussmaul-, Schnapp-, Biot-Atmung, Hypoxie, Hyper- und Hypoventilation, Hyperpnoe, Eupnoe, Apnoe, Asphyxie, Höhenatmung. Energiehaushalt: Gesamt-, Arbeits-, Grund-Ruhe-Umsatz; Wirkungsgrad, Abhängigkeit des Grundumsatzes von Alter, Geschlecht, Körperlänge und Gewicht, direkte und indirekte Kaloriemetrie, respiratorischer Quotient, Muskelarbeit und Sauerstoffschuld, Muskelstoffwechsel, Sauerstoffaufnahme und Atemgastransport bei Arbeit; Pulsfrequenz, Atemfrequenz und Herzzeitvolumen bei Arbeit, Sauerstoffaufnahme des Gesamtorganismus; geschlossenes System, offenes System; Ergometrie; Grundumsatz bei Hypo- und Hyper-Thyreose. Säure-Basen-Haushalt: metabolische und respiratorische Störung; Kompensations-Mechanismen; Azidose und Alkalose; Hypo- und Hyper-Kapnie. Zeichnen Sie: a) die zeitliche Änderung des intrapleuralen Druckes, des intrapulmonalen Druckes, der Atemstromstärke und des Atemvolumens während eines Atemzyklus. b) die Ausschläge eines Spirometers während Ruheatmung, maximaler Inspiration und maximaler Exspiration, sowie während des Tiffeneau-Tests. c) die Sauerstoffbindungskurve des Hämoglobins. Sie sollten erläutern können, welche Auswirkungen eine Rechts- bzw. Linksverschiebung auf die Sauerstoffbereitstellung hat.

17 c) Normwerte und Formelsammlung LUNGE 17 Totalkapazität Atemzugvolumen Exspiratorisches Reservevolumen Inspiratorisches Reservevolumen Vitalkapazität Residualvolumen Funktionelle Residualkapazität Totraum Einsekundenkapazität Peak Flow Atemgrenzwert Atemfrequenz in Ruhe Atemzeitvolumen Compliance Lunge bzw. Thorax Compliance des Atemapparats Atemwegswiderstand TLC = RV + VC = 6,2 7,0 l V T = 0,5 l ERV = 1,6 1,8 l IRV = 2,7 3,5 l VC = IRV + V T + ERV = 5,0 5,6 l (80% TLC) RV = 1,2 1,4 l (20% TLC) FRC = RV + ERV = 2,8 3,2 l (45% TLC) V D = 0,15 l FEV1 = 4,0 4,5 l (80% FVC) VE max = 10 l/s AGW = V Tmax x f max = l/min f = 14/ min V E = V A + V D (V A = alveoläre Ventilation) C L bzw Th = 2,6 l/kpa C L + Th = 1,3 l/kpa R = (P alv P außen )/(V/s) = 0,13 kpa x l -1 x s Respiratorischer Quotient RQ = CO 2 -Abgabe/ O 2 -Aufnahme = 0,85 Energieäquivalent 20,4 kj/ Liter O 2 Ideale Gasgleichung Boyle-Mariotte-Gesetz Compliance Transmuraler Druck Laplace-Gesetz Dalton sches Gesetz p x V = M x R x T P = Druck V = Volumen M = Gasmenge R = allg. Gaskonst. = 8,31 (l x kpa)/(mol x K) p1 x V1 = p2 x V2 C = V / p tm p tm = p innen - p außen p tm = 2y / r y = Oberflächenspannung r = Radius der Alveole p ges = p 1 + p p n = 101 kpa = 760 mmhg Gesamtdruck des Trockengasgemisches P Gas = F Gas x p ges (F = Gasfraktion [l/l])

18 LUNGE 18 Gasfraktionen u. Partialdrücke, Frischluft (1 kpa = 7,50 mmhg) FO 2 = 0,209 po 2 = 21,17 kpa (158 mmhg) FCO 2 = 0,0003 pco 2 = 0,03 kpa (0,23 mmhg) FN 2 = 0,79 pn 2 = 80,02 kpa (600 mmhg) Gesamtdruck des angefeuchteten Gasgemisches (Inspirationsluft) P Gas = F Gas x (p ges p H2O ) Partialdrücke der Inspirationsluft Alveolärer Sauerstoffpartialdruck Alveolärer CO 2 -Partialdruck po 2 = 19,86 kpa (149 mmhg) pco 2 = 0,028 kpa (0,21 mmhg) pn 2 = 75,10 kpa (563 mmhg) p ao2 = 100 mmhg (13,3 kpa) p aco2 = 40 mmhg (5,3 kpa) Berechnung des RV mit der Helium-Einwaschmethode V L = V S x (F 0 F 1 )/ F 1 V L = unbekanntes Lungenvolumen, V S = Spirometervolumen F 0 = Heliumfraktion im Spirometer F 1 = Heliumfraktion im Spirometer nach Durchmischung Bohr-Totraum-Formel V D = V T x (F a F e )/F a F a = alveoläre CO 2 -Fraktion F e = CO 2 -Fraktion in Exspirationsluft 1. Fick sches Gesetz M = D x F/d x C D = Diffusionskoeffizient F = Fläche d = Distanz C = Konzentrationsdifferenz bzw. Sauerstoffsättigung des Hämoglobins M = K x F/d x p K = Krogh-Diffusionskoeffizient p = Partialdruckdifferenz K O2 = 2,5 x m 2 /s Pa K CO2 = 5,0 x m 2 /s Pa [S O2 ] = [Hb O2 ]/ [Hb ges ] (Hb O2 = oxygeniertes Hb) Sauerstoffgehalt im Blut [O 2 ] = 1,39 ml/g Hb x [Hb] x [S O2 ] [O 2 ] arteriell = 0,2 l O 2 / l Blut [O 2 ] venös = 0,15 l O 2 / l Blut Henderson-Hasselbach-Gleichung ph = pk + log [A - ]/[HA]