Praktikumsanleitung zum Versuch Atmungsregulation

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1 Praktikumsanleitung zum Versuch Atmungsregulation Universität Leipzig Medizinische Fakultät Carl-Ludwig-Institut für Physiologie 7 Januar 2015 Einführung Stichwörter: alveoläre Ventilation, Totraumventilation, Ventilationskoeffizient, Atemäquivalent, Zusammensetzung von atmosphärischer Luft und Alveolarluft; Atmungsregulation: Atemzentrum, Chemorezeptoren, Propriozeptoren des Thorax und Dehnungsrezeptoren der Lunge (Hering-Breuer-Reflex), CO 2 - und O 2 -Antwortkurven Energiebegriff, Energieformen, Metabolismus, Energieumsatzniveaus von Zellen und Organismus, Grundumsatz (Bedingungen, spezifisch dynamische Wirkung), Leistungsumsatz, Leistungszuwachs, Wirkungsgrad, direkte Kalorimetrie, indirekte Kalorimetrie (O 2 Messung, respiratorischer Quotient, kalorisches Äquivalent, physikalischer und physiologischer Brennwert) Die Zusammensetzung der in ständigem Gasaustausch mit dem Blut stehenden Alveolarluft wird durch die äußere Atmung in engen Grenzen konstant gehalten Es wird periodisch ein Teil der Alveolarluft ausgeatmet und durch eingeatmete atmosphärische Luft ersetzt Die Häufigkeit dieses Vorganges (Atemfrequenz) und die Größe des in die Alveolen gelangten Gasvolumens (Atemzugvol minus Totraumvol) sind variabel Ihre Einstellung erfolgt - in einem noch unvollkommen bekannten Prozess - unter Vermittlung von Rezeptoren (Chemorezeptoren, Mechanorezeptoren) und des nervösen Atemzentrums vorwiegend als Anpassung an die Erfordernisse des Stoffwechsels (O 2 -Verbrauch, CO 2 -Bildung) und an die mechanischen Gegebenheiten im Thorax-Lungenbereich Die Atemform ( Atemmuster ) ist durch Angabe der Atemfrequenz und des Atemhubes (sowie dessen Ausgangsposition) gekennzeichnet Das als Förderleistung des Atemapparates bezeichnete Atemminutenvolumen (Ventilation) ergibt sich aus dem Produkt von Atemzugvolumen und Atemfrequenz Das Atemminutenvolumen ist in alveoläre Ventilation und Totraumventilation aufteilbar Nur die alveoläre Ventilation steht in Zusammenhang mit den pro Minute ausgetauschten Volumina an O 2 und CO 2 Ein ungünstiges Atemmuster, wie flache Atmung bei gesteigerter Frequenz (Hechelatmung) führt zu einer Vergrößerung der Totraumventilation und damit des Atemäquivalentes (Verhältnis von ventilierter Luftmenge zu aufgenommener O 2 -Menge) Aufgabe 1 Registrierung des zeitlichen Verlaufs bei Sauerstoffatmung Der Spirograph ist ein Spirometer mit integrierter Registriereinrichtung, an das die Versuchsperson über Mundstück, Ventile und Schlauchleitungen angeschlossen in einem geschlossenen System verbunden ist Die Ventile steuern den Ein- und Ausatmungsstrom über gesonderte Leitungen, so dass ein Kreislauf der Atemluft zustande kommt CO 2 -Rückatmung wird durch Einschaltung eines CO 2 -Absorbers in 1

2 T 10 V Insp O 2 -Verbrauch V Insp Exsp T 0 V Volumen T Atemperiodendauer V Insp Inspirationsvolumen t Zeit T 10 Dauer von 10 Atemperioden t Abbildung 1: Schematisiertes Beispiel für ein Spirogramm den Exspirationsweg vermieden Die den Atemvolumina proportionalen Bewegungen der Spirometerglocke werden mit Hilfe einer Schreibvorrichtung fortlaufend auf einer gleichförmig bewegten Schreibfläche registriert (s Abb 1) Durchführung Einstellen der Schreibgeschwindigkeit: 60 mm/min Die Glocke muss vor jedem Versuch mit O 2 gespült werden Für die Entleerung der Glocke befindet sich ein Kurzschlußventil am Inspirationsstutzen Anschluss der Versuchsperson Vp (Mundstück, Nasenklemme) an den O 2 -gefüllten Spirographen ohne Möglichkeit des Blickkontaktes zur Registriereinrichtung Vp in Versuchsposition 2 min bei offenem Ventilgehäuse (Raumluft) ohne Registrierung mindestens 1 bis 2 Minuten adaptieren lassen, um ein gleichmäßiges Atmungsmuster einzustellen Versuchsbeginn durch Betätigen des Drehschiebers am Ende einer normalen Exspiration Registrierdauer 10 min Mindestens 10 Atemzüge am Ende der Versuchsdauer werden bei 600 mm/min registriert Aus der Gesamtdauer von 10 Atemzügen wird eine mittlere Atemperiodendauer bestimmt Während der Registrierung wird zur Kontrolle des Zustandes der Vp deren Pulsfrequenz gemessen (pro Minute 2 x 15 s-intervalle auszählen und protokollieren) Das Inspirationsvolumen wird für jeden zehnten registrierten Atemzyklus ausgemessen, der O 2 -Verbrauch für die gesamte Registrierdauer Die gemessenen Atemvolumina müssen standardisiert werden, um eine Vergleichbarkeit mit Normwerten zu ermöglichen (s Tabelle 1) 2

3 Standard Temperatur Luftdruck Wasserdampf in der Luft ATPS Umgebungstemperatur herrschender Luftdruck gesättigte Luft Ambient Temperature (Wasserdampfdruck Pressure Saturated berücksichtigen) BTPS Körpertemperatur herrschender Luftdruck gesättigte Luft Body Temperature (Wasserdampfdruck Pressure Saturated berücksichtigen) STPD 273 K 760 mmhg trocken Standard Temperature Pressure Dry Tabelle 1: Bedingungen für standardisierte Atemvolumina Das Glockenspirometer misst das Volumen näherungsweise unter ATPS-Bedingungen BTPS: V BT P S = V 310 T P P W T P P W 310 V: bei Raumtemperatur gemessenes Volumen T: Raumtemperatur [Kelvin] P: herrschender atmosphärischer Druck [Torr] P WT : Druck des gesättigten Wasserdampfes bei Raumtemperatur (s Tab 2) P W310 : Druck des gesättigten Wasserdampfes bei Körpertemperatur (37 ) (s Tab 2) STPD: V ST P D = V 273 T P P W T 760 V: bei Raumtemperatur gemessenes Volumen T: Raumtemperatur [K] P: herrschender atmosphärischer Druck [Torr] P WT : Druck des gesättigten Wasserdampfes bei Raumtemperatur (stab 2) t C P (T orr) Tabelle 2: Druck des gesättigten Wasserdampfes in Abhängigkeit von der Temperatur (nach Kohlrausch) 3

4 Volumen unkorrigiert korrigiert Normwert Atemzugvolumen V T [ml] Atemminutenvolumen AM V [l/min] O 2 -Aufnahme [ml/min] BTPS: BTPS: STPD: Atemperiodendauer T T OT [s] Atmungsfrequenz AF [min 1 ] Geschlecht Körpergewicht [kg] Körpergröße [m] Soll-Grundumsatz [kj/t ag] Gleichungen 2, 3 Ruhe-Energieumsatz [kj/min] [kj/t ag] in % vom Soll-Grundumsatz Atemäquivalent Gleichung 1 Pulsfrequenz [min 1 ] Tabelle 3: Wertetabellen für die Ruheatmung Protokoll: das mittlere Atemzugvolumen V T [Liter] (bezogen auf BTPS-Bedingungen) aus jedem 10 Atemzug die mittlere Atemperiodendauer (Dauer eines Atemzugs) T TOT [s] (dafür 10 Atemzüge mit 600 mm/min registrieren) die mittlere Atmungsfrequenz f R [min -1 ] das mittlere Atemminutenvolumen [l/min] (bezogen auf BTPS-Bedingungen) die O 2 -Aufnahme pro Minute V O2 [l/min] (bezogen auf STPD-Bedingungen) Dazu ist der Kurvenanstieg durch die Anzahl der Minuten zu dividieren das Atemäquivalent für Sauerstoff EQ O2 (unkorrigierte Werte (ATPS) verwenden) nach Formel 1 die Pulsfrequenz [min -1 ] (über die gesamte Versuchsdauer zählen), der Verlauf der Pulsfrequenz wird zeitgerecht in das Spirogramm eingetragen EQ O2 = Atemminutenvolumen [l/min, AT P S] O 2 Aufnahme [l/min, AT P S] (1) Protokoll: Geben Sie für die von Ihnen bestimmten Atmungsparameter die Normalwerte für Ruheatmung an und vergleichen Sie sie mit Ihren Messwerten Welche Ihrer Messwerte weichen von der Norm ab; womit sind diese Abweichungen zu erklären? 4

5 Aufgabe 2 Kalorimetrie: Ermittlung des Grundumsatzes Leben ist unter anderem durch einen ständigen Stoff und Energieaustausch der Lebewesen mit ihrer Umwelt charakterisiert Für diesen Vorgang gilt unter Berücksichtigung des ersten Hauptsatzes der Wärmelehre E Z : Energiezufuhr im Beobachtungszeitraum E z = E K + E A E K : Änderung des Energiegehaltes des Lebewesens im Beobachtungszeitraum E A : Energieabgabe im Beobachtungszeitraum Ändern sich Masse und Temperatur eines Organismus im Beobachtungszeitraum nicht ( E K = 0), so wird E z = E A Energieaufnahme und abgabe sind in diesem Zustand gleichgroß; es findet nur ein Wandel der Energieform statt (= Energieumsatz) Prinzipiell ist der Energieumsatz entweder durch Messung der Energieaufnahme oder der Energieabgabe pro Zeit zu erfassen Da sich die Energieaufnahme beim Menschen und höheren Tier nicht kontinuierlich und unter Zwischenschaltung eines (die Größe des Energieumsatzes beeinflussenden!) Verdauungsprozesses vollzieht, ist es vorteilhafter, die Größe der Energieabgabe zu bestimmen Die direkte Kalorimetrie misst mit Hilfe technisch aufwändiger Kalorimeter direkt die Größe der Energieabgabe in Form von Wärme, da beim ruhenden Organismus sämtliche Energie zu Wärme degradiert wird Die indirekte Kalorimetrie geht davon aus, dass im lebenden Organismus letztlich alle Energie aus der Oxidation der Nahrungsstoffe stammt Bei der geringen O 2 -Speicherkapazität des Organismus muss dann der augenblickliche Energieumsatz dem O 2 -Verbrauch proportional sein E = K O 2 -Verbrauch K Proportionalitätsfaktor, kalorisches Äquivalent [kj/l O 2 ] Während der O 2 -Verbrauch spirometrisch bestimmt werden kann, muss für die Spezifizierung von K das kalorische Äquivalent der einzelnen Nährstoffe und ihr Anteil zum Zeitpunkt der Messung bekannt sein Bei gemischter mitteleuropäischer Nahrung beträgt der Proteinanteil ungefähr konstant 15% Mit dieser begründeten Annahme reduziert sich die Anzahl der Parameter von drei auf die Variation zwischen Fettund Kohlenhydratverbrennung Eine Zuordnung ist über die Messung des respiratorischen Quotienten (RQ) gegeben Den tatsächlichen Beitrag des Proteinstoffwechsels zum Energieumsatz kann man über die Stickstoffausscheidung im Harn erfassen Umsatzmessungen lassen sich demnach in verschiedenen Graden der Genauigkeit durchführen Im einfachsten Fall - wie im Praktikum durchgeführt - wird ein mittleres kalorisches Äquivalent angenommen (20,2 kj/l O 2, Tab 4) Der Grundumsatz ist der Energieumsatz eines Menschen unter Standardbedingungen: 1 nach 12-stündiger Nüchternheit, 2 in körperlicher Ruhe, 3 bei Indifferenztemperatur (für Unbekleidete 28 C, für Bekleidete 21 C) Die Größe des Grundumsatzes hängt von Konstitution, Alter und Geschlecht ab, so dass aus diesen Parametern mit Hilfe empirischer Beziehungen der Sollumsatz für jede beliebige Person abgeleitet werden 5

6 RQ 0,68 0,70 0,72 0,74 0,76 0,78 0,80 0,82 0,84 kj 19,4 19,6 19,7 19,8 19,9 20,0 20,1 20,2 20,3 RQ 0,86 0,88 0,90 0,92 0,94 0,96 0,98 1,00 kj 20,5 20,6 20,7 20,8 20,9 21,0 21,1 21,2 Tabelle 4: Kalorisches Äquivalent für 1 l Sauerstoff in Abhängigkeit vom respiratorischen Quotienten: kann (s Formeln 2 und 3) Klinische Bedeutung: Abweichungen geben Hinweis auf meist endokrin verursachte Stoffwechselanomalien Grundumsatz: Grobe Abschätzung : Formel nach MD Mifflin und ST Jeor: Frauen: Grundumsatz[kJ/T ag] = 4, 19 kj T ag kj Grundumsatz[kJ/T ag] = 100 T ag kg Körpergewicht ( 9, 99 Körpergewicht + 1kg 6, 25 Körpergröße 1cm 4, 92 Alter 1Jahr ) 161 (2) Männer: Grundumsatz[kJ/T ag] = 4, 19 kj T ag ( 9, 99 Körpergewicht + 1kg 6, 25 Körpergröße 1cm 4, 92 Alter 1Jahr ) + 5 (3) MD Mifflin, ST St Jeor, LA Hill, BJ Scott, SA Daugherty and YO Koh: A new predictive equation for resting energy expenditure in healthy individuals; American Journal of Clinical Nutrition, Vol 51 (1990), Der Energieumsatz ergibt sich als Produkt aus O 2 -Verbrauch/Tag und dem kalorischen Äquivalent (s Tab 4) Es wird ein respiratorischer Quotient von 0,82 angenommen Die gemessene Menge verbrauchten Sauerstoffs muss zuvor auf Normalbedingungen (STPD) reduziert werden Protokoll: 1 mittlerer O 2 Verbrauch pro Minute und pro Tag 2 Energieumsatz aus dem Sauerstoffverbrauch 3 Sollumsatz des Probanden 4 Abweichung (mit Begründung!) vom Sollumsatz (Angabe erfolgt in %, wobei Sollumsatz 100 %) 5 Energieumsatz ist eine Leistung : Umrechnung des Energieumsatzes in Watt (1 W = 1 J/s) 6

7 Aufgabe 3 Einfluss von Kohlendioxid-Überschuss auf die Atmung Atmung mit steigendem Kohlendioxid- Gehalt der Einatmungsluft (Rückatmungsversuch) Diesen Versuch soll die an die Versuchseinrichtung gewöhnte Versuchsperson vom ersten Praktikumsteil durchführen An den Inspirationsstutzen wird ein Plaste-Zwischenstück angesteckt, das zwei Verbindungsschläuche zu einem Messgerät für die fortlaufende CO 2 -Messung enthält Entleerung der Glocke und Füllung des Spirographen nur zu 2/3 mit Sauerstoff, nachdem der CO 2 -Absorber (vom Assistenten!) aus dem System entfernt wurde Anschluss der Vp und wieder diese ca 2 Minuten mit Raumluft bei geöffnetem Ventil adaptieren lassen Danach Beginn der Registrierung (Registriergeschwindigkeit 60 mm/min) Puls zählen und protokollieren (s Aufgabenteil 1) Die Registrierung erfolgt so lange, bis erhebliche Änderungen der Atmung eingetreten sind bzw erhebliche subjektive Atemnot den Abbruch nötig macht Zusätzlich zu den physiologischen Zeichen der CO 2 -Überschußatmung wird der Konzentrationsanstieg des CO 2 über das Messgerät registriert Der Messwert ist in Minutenabständen zu erfassen und in das Spirogramm einzutragen Außerdem wird der CO 2 -Gehalt bestimmt, bei dem der Proband subjektiv einen deutlichen Atemantrieb spürt Dazu ist vor Versuchsbeginn mit der Vp eine entsprechende Zeichengebung zu vereinbaren (zb Heben eines Armes) Die CO 2 -Konzentration beim Versuchsabbruch ist ebenfalls zu registrieren und in das Spirogramm einzutragen Protokoll: Tabelle 5 ausfüllen Zeichen geben, ab wann deutlich Atemnot empfunden wird! Zeitpunkt markieren! das Atemzugvolumen jeder Registrierminute wird durch den Mittelwert aus den jeweils letzten 5 Atemzügen erfasst und auf BTPS-Bedingungen umgerechnet die Atemfrequenz wird für jede Minute durch Auszählen der registrierten Atemperioden ermittelt (angefangene Atemzüge werden mitgewertet, wenn die Exspiration bereits begonnen hat) das Atemminutenvolumen jeder Registrierminute wird als Produkt aus Atemzugvolumen und Frequenz berechnet Symptome am Probanden: Ab wann wurde Atemnot empfunden? Symptome bei Abbruch Gesichtsfarbe subjektive Empfindungen (Hitze, Kopfschmerzen, ) Aufgabe 4 Einfluss von Sauerstoffmangel auf die Atmung Nach ausreichender Erholung der Vp (Rückkehr von Pulsfrequenz und Atmung auf die im Aufgabenteil 1 ermittelten Ruhewerte, Pausendauer mind 15 min, wird der Spirograph, in den der CO 2 -Absorber (vom Assistenten!) wieder eingesetzt wurde, zu 1/2 mit atmosphärischer Luft gefüllt Es müssen auch die Verbindungsschläuche mit Luft gespült werden Dazu sind die Schlauchverbindungen am Atemventil vorsichtig zu lösen Die Spirometerglocke wird mehrfach über die Atemschläuche gefüllt und entleert Anschluss der Vp und eine 2 minütige Adaptation bei geöffnetem Ventil Nach Ventilschluss Beginn der Registrierung und Pulskontrolle wie im Aufgabenteil 3 Die Registrierung erfolgt bis zum Einsetzen von Hypoxiezeichen (Zyanose, Blässe, Pulsfrequenzanstieg) Die Vp soll während des Versuches eine absteigende Zahlenreihe, beginnend bei 1000, schreiben Treten als Anzeichen einer cerebralen Hypoxie Schriftunsicherheit und Schreibfehler auf, wird 7

8 letzte 5 AZ Zahl der minütlich minütlich wenn CO2 jede Minute Atemzüge zählen ablesen Konz von anderer VP min Atemzugvol Atemfrequenz Atemmin-vol Pulsfreq CO2 AMV der (BTPS)[l] [min -1 ] (BTPS) [l/min] [min -1 ] Konz [%] entspr VP Tabelle 5: Messwerte für CO2-Überschuss 8

9 der Versuch sofort abgebrochen Subjektive Atemnot wird bei O 2 -Mangel nicht empfunden, die Atmungsvergrößerung ist gering Einige der CO 2 -Messgeräte sind auch für die O 2 -Messung der Atemluft ausgelegt Die betreffenden Gruppen lesen einmal pro Minute die inspiratorische O 2 -Konzentration ab Diese Werte werden mit den dazugehörigen Atemminutenvolumina von allen Studenten in das eigene Protokoll übernommen Protokoll: Überwachung der VP: Tabelle 6 ausfüllen Pulsfrequenz Schreib- und Rechentest Blässe und Zyanose Symptome bei Abbruch: Gesichtsfarbe Zyanose (Ohrläppchen, Fingerkuppen, Lippen) Schriftbild subjektive Empfindungen (Schwidel, motorische oder sensorische Störungen, Bewustseinstrübungen, ) Daten der Vp, von der die O 2 -Konzentrationen stammen (falls die O 2 -Konzentrationen von einer fremden Vp übernommen wurden): Geschlecht Körpergröße Gewicht Aufgabe 5 Auswertung der in den Aufgabenteilen 3 und 4 gewonnenen Spirogramme Protokoll: der zeitliche Verlauf des AMV wird für Aufgabenteil 3 und Aufgabenteil 4 graphisch in einem gemeinsamen Diagramm dargestellt (Abszisse: Registrierzeit in Minuten, Ordinate: AMV in l/min) Vergleich der in den Aufgabenteilen 3 und 4 erhaltenen Atmungssteigerung Welche Maximalwerte der Ventilation sind unter CO 2 -Überschuss bzw O 2 -Mangel zu erwarten; was sagen sie über die Atmungsregulation aus? 9

10 letzte 5 AZ Zahl der minütlich minütlich wenn O2 jede Minute Atemzüge zählen ablesen Konz von anderer VP min Atemzugvol Atemfrequenz Atemmin-vol Pulsfreq O2 AMV der (BTPS)[l] [min -1 ] (BTPS) [l/min] [min -1 ] Konz [%] entspr VP Tabelle 6: Messwerte für O2-Mangel 10