Atemfluss und -volumen: Hintergrund

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1 Atemfluss und -volumen: Hintergrund Der Gasaustausch zwischen Luft und Blut erfolgt in den Alveolen (Lungenbläschen). Die Effizienz des Gasaustauschs hängt von der Ventilation ab - durch zyklische Atembewegungen werden die Alveolen abwechselnd aufgepumpt und wieder entleert (siehe Abbildung 1). Beim Einatmen wird den Alveolen frische atmosphärische Luft zugeführt, während beim Ausatmen verbrauchte Luft abgeführt wird, die einen reduzierten Sauerstoffgehalt und höhere Kohlendioxidkonzentrationen aufweist. Abbildung 1. Schematische Darstellung des menschlichen Atmungssystems. Die Spirometrie gewinnt immer mehr an Bedeutung, da die Anzahl der Atemwegserkrankungen weltweit zugenommen hat. Sie bietet eine schnelle und zuverlässige Methode zum Screening von chronisch-obstruktiver Bronchopneumopathie (COPD). COPD steht als Todesursache weltweit an zwölfter und in den westlichen Ländern an fünfter Stelle. Studien zufolge könnte COPD bis 2020 auf den dritten Platz der häufigsten Todesursachen vorrücken. Die meisten COPD-Fälle sind gänzlich vermeidbar % der Fälle sind auf das Rauchen zurückzuführen. Viele wichtige Aspekte der Lungenfunktion lassen sich durch Messung des Atemflusses und der entsprechenden Änderung des Lungenvolumens bestimmen. Früher ließ man den Patienten dazu in einen Glockenspirometer atmen, der Änderungen des Lungenvolumens durch die atmungssynchrone Bewegung einer in einem Wassertank aufgehängten Glocke anzeigte. Der Atemfluss F wurde dann aus der Abnahme (Änderungsrate) des Volumens V berechnet.

2 Gleichung 1 Wesentlich bequemer lässt sich die Atemluft direkt mit einem Pneumotachometer messen (dieses Wort ist griechischen Ursprungs und bedeutet so viel wie Atemflussmesser ). Abbildung 2 zeigt die Pneumotachometeranordnung des PowerLab. Abbildung 2. PowerLab-Pneumotachometer. Der Durchflussmesser enthält einen feinen Maschendraht. Die durch den Maschendraht geatmete Luft führt zu einem kleinen Druckunterschied, der sich proportional zur Durchflussmenge verhält. Dieser Druckunterschied wird über zwei kleine Kunststoffschläuche an den Spirometer-Pod übertragen und von einem Sensor in eine Wechselspannung umgewandelt, die vom PowerLab aufgezeichnet und in LabTutor angezeigt wird. Anschließend wird das Volumen V als Flussintegral berechnet. Gleichung 2 Diese Integration ist eine zeitabhängige Aufrechnung. Die Volumenspuren, die LabTutor während des Experiments aufzeichnet, ergeben sich aus der Addition aufeinander folgender Stichprobenwerte des Flusssignals und der entsprechenden Skalierung der Summe. Das Integral wird zu Beginn jeder Aufzeichnung mit null initialisiert. Eine Komplikation bei der Volumenmessung ergibt sich durch den Lufttemperaturunterschied zwischen dem Spirometer-Pod (bei Umgebungstemperatur) und der aus den Lungen ausgeatmeten Luft (bei Körpertemperatur). Da sich das Gasvolumen bei Erwärmung ausdehnt, ist das Volumen der ausgeatmeten Luft etwas größer als das der eingeatmeten Luft. Daher weicht eine aus der Flussintegration berechnete Volumenspur in

3 Richtung Exspiration ab. Um die Abweichung zu verringern, muss der Fluss bei Ein- und Ausatmung separat integriert werden. Dabei wird das Inspirationsvolumen durch einen Faktor korrigiert, der mit dem BTPS-Faktor (Körpergewicht, normaler Druck, 100% Feuchte) verwandt ist. Diese Korrektur wird von der LabTutor-Software vorgenommen. Lungenvolumen und -kapazitäten Anhand der Spirometrie lassen sich viele Bestandteile der Lungenfunktion (siehe unten stehende Abbildung 3) visuell darstellen, messen und berechnen. Die Atmung besteht aus wiederkehrenden Zyklen der Inspiration und Exspiration. Während des Atmungszyklus wird der Lunge eine bestimmte Menge an Luft zugeführt und dann expiriert. Diese Luftmenge wird als Atemvolumen ( AV ) bezeichnet. Bei normaler Ventilation beträgt die Atmungsrate (Atemzüge/Minute bzw. BPM) ungefähr 15 Atmungszyklen pro Minute. Dieser Wert variiert je nach Aktivität. Aus dem Produkt von BPM und V T ergibt sich das expiratorische Atemminutenvolumen, d. h. die Atemluftmenge, die innerhalb einer Minute ausgeatmet wird. Dieser Parameter ist ebenfalls von der jeweiligen Aktivität abhängig. Beachten Sie, dass sich das Volumen der Luft, die nach einer vollständigen Exspiration in den Lungen verbleibt (Residualvolumen RV), nicht mit Spirometrie messen lässt, da der Proband nicht noch weiter ausatmen kann. Weitere allgemeine Lungenvolumen und - kapazitäten werden in der unten stehenden Tabelle gezeigt. Abbildung 3: Lungenvolumen und kapazitäten

4 Bevor Sie mit dem Labor beginnen, sollten Sie mit den folgenden Begriffen vertraut sein: Begriff Abkürzung/Symbol Abkürzung/Symbol Atmungsrate RR Atemzüge/Minute (BPM) Expiratorisches Atemminutenvolumen V E = RR x V T l/min Lungenvolumen Atemvolumen V T l Inspiratorisches Reservevolumen IRV l Expiratorisches Reservevolumen ERV l Residualvolumen RV (Vorhaltewert) l Lungenkapazitäten Inspirationskapazität IC = V T + IRV l Exspirationskapazität EC = V T + ERV l Vitalkapazität VC = IRV + V T + ERV l Funktionelle Residualkapazität FRC = ERV + RV l Gesamtlungenkapazität TLC = VC + RV l Lungenfunktionstests Inspiratorischer Spitzenfluss PIF l/min Expiratorischer Spitzenfluss PEF l/min Forcierte Vitalkapazität FVC l Forciertes expiratorisches Volumen (1 Sekunde) FEV 1 l In einer Sekunde exspirierte FCV in % FEV 1 / FVC x 100 Übung 1: Lungenvolumen und -kapazitäten Bildlaufleiste die Daten für Übung 1 an, die in den Bericht aufgenommen werden sollen. Die Vorhaltewerte basieren auf den Goldman- und Becklake-Gleichungen für die Lungenfunktion (aus dem John Hopkins Pulmonary Laboratory ). 1. Kommentieren Sie die Unterschiede zwischen den Experimentier- und Vorhaltewerten für VC, FRC und TLC in der oben stehenden Tabelle. Wodurch können solche Unterschiede ggf. entstehen? 2. Bei ruhiger Atmung werden die Muskeln vorwiegend beim Einatmen beansprucht. Das Ausatmen ist aufgrund der elastischen Rückfederung der Lunge größtenteils ein passiver Vorgang. Können Sie diese Tatsache mit dem expiratorischen und inspiratorischen Flussmuster in Zusammenhang bringen? Hinweis: Das normale

5 Atmungsmuster ist insofern effizient, dass es nur eine kurzfristige Muskelanstrengung erfordert. 3. Erklären Sie, warum RV nicht durch gewöhnliche Spirometrie ermittelt werden kann? Übung 2: Lungenfunktionstests Bildlaufleiste die Daten für Übung 2 an, die in den Bericht aufgenommen werden sollen. 1. Kommentieren Sie die Unterschiede zwischen den Experimentier- und Vorhaltewerten für FVC, FEV 1 und das FEV 1 /FVC-Verhältnis in der oben stehenden Tabelle. Wodurch können solche Unterschiede ggf. entstehen? 2. Beschreiben Sie mit eigenen Worten die physiologische Bedeutung des FEV 1 /FVC- Verhältnisses. 3. Waren die Ergebnisse für die forcierte Atmung in allen drei Versuchen konsistent? Falls nicht, warum nicht? Übung 3: Simulation von Atemwegseinschränkungen Bildlaufleiste die Daten für die beiden normalen Lungenfunktionstests (Übung 2) und die Simulation der Atemwegseinschränkung (Übung 3) an, die in den Bericht aufgenommen werden sollen. 1. Welche Werte wurden angesichts Ihrer Daten durch die simulierte Atemwegseinschränkung beeinflusst und warum? 2. Erklären Sie mit eigenen Worten, welche physiologischen Ereignisse während des simulierten Asthmaanfalls auftraten. Hinweis: Denken Sie daran, wie Sie sich dabei gefühlt haben und welche Auswirkungen dies auf ihr allgemeines Wohlbefinden und Ihre Aktivitäten hätte. Übung 4: Lungenfunktionstests an verschiedenen Probanden Bildlaufleiste die Daten für Übung 4 an, die in den Bericht aufgenommen werden sollen. 1. Kommentieren Sie den Bereich der Ergebnisse, die in der Tabelle für Übung 4 angezeigt werden. 2. Welche Faktoren könnten Ihrer Meinung nach zu unterschiedlichen Lungenparametern bei den Probanden beitragen?

6 Quiz: 1. Tidal volume (V T ): A. is the volume breathed in each minute. B. is the volume breathed in each breath. C. is unaffected by the frequency of breathing. 2. Expiratory Reserve Volume (ERV): A. is the maximal amount of air that can be exhaled from the lungs after a normal expiration. B. is very small and unimportant in normal respiration. C. is kept at a low volume so that the vast bulk of the alveolar gas can be replaced with fresh air during the next inspiration. 3. Residual Volume (RV): A. is mostly found in the anatomical dead space. B. is the volume of gas left in the respiratory system after exhaling maximally. C. makes no contribution to maintaining the patency of the alveoli and terminal airways. 4. Vital Capacity (VC): A. is a measure of the maximum volume of gas in the respiratory system that can be exchanged with each breath. B. is a measure of the volume of gas normally exchanged with each breath. C. is a measure of the amount of gas that it is vital to retain in the respiratory system at the end of expiration. 5. Total Lung Capacity (TLC): A. is a measure of the volume of gas in the respiratory system at the end of a maximal inspiration. B. increases as the frequency of breathing increases. C. is constant in amount from person to person. 6. In the respiratory system, the major difference between a volume and a capacity is that: A. a capacity is the sum of at least two volumes. B. a volume is the sum of at least two capacities. C. their units are different. 7. Forced Expired Volume in one second (FEV 1 ): A. has the units of liters per minute. B. is the same whatever the starting volume in the airways. C. provides a measure of the resistance of the airways to flow. 8. During normal resting respiration, in the same breath: A. the volume of the exhaled gas exceeds that of the inhaled gas. B. the temperature of the exhaled gas is the same as that of the inhaled gas. C. the water content of the exhaled gas is that same as that of the inhaled gas.