Atmung Nasenraum Ast der Lungenvene (sauerstoffreiches Blut) Ast der Lungenarterie (sauerstoffarmes Blut) terminale Bronchiole Luftröhre Bronchus Bronchiole Zwerchfell rechter Lungenflügel Herz Alveolen: total: 140 qm respiratorische Oberfläche 1
Teilschritte der Atmung Ventilation Einatmung 0 2 0 2 Lunge Blut Gewebe CO 2 CO 2 Ausatmung äußere Atmung innere Atmung 2
Atemwege Obere und untere Atemwege Die eingeatmete Luft wird in den Atemwegen einer Kontrolle und Aufbereitung unterzogen. Nase und Nasenhöhlen Nasenatmung (Gegensatz zur Mundatmung ): die Luft wird durch die Nasenschleimhäute gereinigt, gewärmt und angefeuchtet. Außerdem: Geruchskontrolle passive Reinigung durch Nasenschleimhäute (80% der Bakterien und Staubpartikel) aktiv durch Flimmerepithel: Flimmerhärchen transportieren Fremdpartikel zum Rachen ab 3
Atemwege Kehlkopf besteht aus verschiedenen, meist hyalinen Knorpelelementen und Muskeln Funktion Verbindung von oberen und unteren Atemwegen Schutz der unteren Atemwege gegen das Eindringen von größeren Partikeln (Verschlucken) Luftröhre an den Kehlkopf schließt sich die Luftröhre an (9-14 cm langes Rohr mit einem Durchmesser von 1,5-2,7cm) - ist mit 20 hufeisenförmig gekrümmten, nach hinten offenen Knorpelspangen versehen, die untereinander mit kurzen elastischen Bändern und dorsal durch glatte Muskulatur verbunden - sind ist mit Flimmerepithel ausgekleidet (Reinigungsfunktion) Durch das Rauchen wird das Flimmerepithel gelähmt, deshalb neigen 4 Raucher häufiger zu Infektionskrankheiten
Bronchien In Höhe des 4. Brustwirbels teilt sich die Luftröhre in die beiden Hauptbronchien. Sie teilen sich in immer kleinere Äste (Bronchiolen) und enden in den Lungenbläschen (Alveolen). Das Bronchialsystem teilt sich 20-23mal auf, was zu etwa 1 Million terminaler Äste führt, an denen 300 Millionen Lungenbläschen hängen 5
Alveolen Durch die Verzweigungen des Bronchialbaumes entsteht eine große innere Oberfläche Alveolen-Oberfläche: 70-120 m 2 (40 60 mal größer als die Körperoberfläche). Alveolen sind die eigentlichen Funktionselemente der Lunge Gasaustausch erfolgt durch Diffusion zwischen Alveolarwand und Kapillarwand (Diffusionsweg beträgt 1 mm) Die Anzahl der Alveolen ist von Geburt an festgelegt, das Wachstum vollzieht sich nur durch Vergrößerung und weitere Ausdifferenzierung im Alter Der Durchmesser der Alveolen ist im Kindesalter geringer als im Alter, deshalb höhere Atemfrequenz im Kindesalter 6
Alveolen 7
Zwischenrippen- Muskeln Brustkorb dehnt sich Unterdruckatmung einatmen Zwischenrippen-Muskeln entspannen Brustkorb schrumpft ausatmen Lung Diaphragm INHALATION Diaphragm contracts (moves down) EXHALATION Diaphragm relaxes (moves up) 8 Bei Last: Unterstützt durch Muskeln in Hals, Rücken, Brust
Atemmechanik Treibende Kraft zur Ventilation ist der Druckunterschied zwischen der Umweltluft PU und dem Alveolardruck PA Inspiration: PU > PA Exspiration: PU < PA Die Lunge liegt im hermetisch abgeschlossenen Intrathorakalraum (= interpleuraler Spaltraum) und steht über die Atemwege mit der Außenluft in Verbindung. Durch ihre elastische Retraktionskraft hat sie die Tendenz, sich zu verkleinern und damit den umgebenden Raum zu vergrößern, wodurch im umgebenden Raum ein Unterdruck entsteht. 9
Pneumothorax Verletzungen der Pleura führen zu einem Eintritt von Luft in den Pleuraspalt. Aufgrund ihrer Eigenelastizität kollabiert der betroffene Lungenflügel 10
Atemmuskulatur Inspiratorisch wirksam: Diaphragma Mm. Scaleni M. intercostales externi Atemhilfsmuskulatur Exspiratorisch wirksam: Verkleinerung von Brustkorb + Lunge, passiv der Schwere und Eigenelastizität Bauchpresse Mm. Intercostales interni 11
Mm. Intercostales externi / interni verbinden 2 Rippen Bei Anspannung kommt es aufgrund des Abstands zwischen Drehachse und Muskelansatz zur Bevorzugung von Hebung oder Senkung Bedingt durch die Lage der Drehachse werden bei der Inspiration durch Einwirkung der Inspirationsmuskeln (Mm. Intercost. externi) die Rippenbögen angehoben Bei Kontraktion wird auf die untere Rippe ein größeres Drehmoment ausgeübt, so dass Hebung gegen die nächsthöhere Rippe resultiert 12
Thorax- und Zwerchfellatmung Thorakale Atmung: Zug nach cranial erweitert den Thorax Inspiration. Zug nach caudal verengt den Thorax Exspiration Abdominale Atmung: Abflachung des Zwerchfells erweitert den intrathorakalen Raum Inspiration 13
Hauptein- (E) und - ausatmungsmuskeln (A) mit Hilfsatemmuskeln. Zwischenrippenmuskelwirkung bei Einatmung (a) (Mm. intercostalis externi) und Ausatmung (b) (Mm. intercostalis interni) : 1 = Kopfwender, 2 = Treppenmuskel, 3 = kleiner Brustmuskel, 4 = Zwischenrippenmuskeln, 5 = querer Bauchmuskel, 6 = äußerer schräger Bauchmuskel, 7 = gerader Bauchmuskel. Atemhilfsmuskulatur 14
Alveolen 15
Surfactant vermindert die Oberflächenspannung 16
Surfactant und Oberflächenspannung ohne Surfactant T = p t. r p t p t Surfactant p t = T r Laplace Gesetz Um einer Oberflächenspannung T das Gleichgewicht zu halten, ist bei kleinen Alveolen ein größerer transmuraler Druck (p t ) erforderlich als bei großen. Da der Druck p t in allen Alveolen jedoch gleich ist, würden kleine Alveolen durch die Oberflächenspannung kollabieren und Atelaktasen bilden. Die Luft würde hierbei in die größeren Alveolen entweichen. Dies wird durch den grenzflächenaktiven Surfactant verhindert, der auf kleinen 17 Alveolen dichter ist als auf großen. Er wird daher als antiatelektatischer Faktor Dr. Gerhard bezeichnet. Mehrke
Flimmerepithel in Luftröhre & Bronchien 18
Messung von Ventilations-Volumina Die Messung von Atemvolumina kann mit einem Spirometer erfolgen: Eine mit Luft gefüllte Glocke taucht in einen Wasserbehälter ein. Aus dieser Glocke wird geatmet, wobei das ausgeatmete CO 2 absorbiert wird. Inspiration und Exspiration werden von einem Schreiber aufgezeichnet. 19
Pneumotachograph Atemstromstärke Ventilationsgrößen: Atemvolumina und Stromstärke (pro Zeiteinheit ventiliertes Volumen) werden mit dem Pneumotachographen gemessen. Atemvolumina: Ruhe-Atemvolumen (= Tidalvolumen VT) Vitalkapazität (das maximal bei 1 Atemzug ventilierbare Luftvolumen) Totalkapazität : Das maximale Volumen, das die Lunge fassen kann. Da diese auch ein nicht ventilierbares Volumen, das Residualvolumen, enthält, kann sie nur anhand der Verdünnung eines eingeatmeten Testgases (Helium) bestimmt werden. Atemvolumina 20
Untersuchungsverfahren Pneumotachograph Körper-Plethysmographie 21
Atemvolumina 22
Atemvolumina & -kapazitäten Atemzugvolumen: In-, bzw. Expirationsvolumen (Ruhe ca. 0,5 l) Inspiratorisches Reservevolumen: Volumen, welches nach normaler Inspiration noch zusätzlich eingeatmet werden kann Exspiratorisches Reservervolumen: Volumen, welches nach normaler Exspiration noch zusätzlich ausgeatmet werden kann Residualvolumen: Volumen was nach maximaler Exspiration noch in der Lunge zurück bleibt Vitalkapazität: Volumen, dass nach maximaler Inspiration ausgeatmet werden kann (Maß für die Ausdehnungsfähigkeit) Inspirationskapazität: Volumen, dass nach normaler Exspiration maximal eingeatmet werden kann Funktionelle Residualkapazität: Volumen, dass nach normaler Exspiration noch in der Lunge enthalten ist Totalkapazität: Volumen, dass nach maximaler Inspiration in der Lunge enthalten ist 23
Atmung beim Menschen Unterdruckatmung Atemzugvolumen: ca. 500 ml (Ruhe) Atemfrequenz: ca. 14 pro min (Ruhe) Atemzeitvolumen: ca. 7 l pro min (Ruhe) Vitalkapazität : = max. Atemzugvolumen Frau: ca. 4.4 l Mann: ca. 5.1 l Residualvolumen: = bleibt bei max. Ausatmung in Lunge ca. 1-1.5 l in Alveolen << 21% Sauerstoff 24
Definition: Anteile der Atemwege und Alveolarräume, die zwar belüftet sind, in denen aber kein Gasaustausch stattfindet. Totraum 25
FEV1 & FVC Das forcierte exspiratorische Volumen, kurz FEV 1 ist das Volumen, welches sich bei forcierter, d.h. maximal beschleunigter Exspiration innerhalb einer Sekunde ausatmen lässt. Die forcierte Vitalkapazität, kurz FVC, ist das Lungenvolumen, das nach maximaler Einatmung (Inspiration) mit maximaler Geschwindigkeit (forciert) ausgeatmet werden kann. Forced expiratory volume in 1 second 4.0 l Forced vital capacity 5.0 l normalerweise geringer als bei langsamer Ausatmung FEV 1 /FVC = 80% FEV 1 FVC 26
Kontrolle der Atmung In Ruhe: VO 2 ~200 ml. min -1 gesteigert 30-fach bei maximaler Leistung From: http://www.athens2004.com/en/athleticsgallery/redirect?channel= AthleticsGallery&cpage=1&lang=en 27
Automatische Kontrolle der Atmung 1 Medulla: bestimmt Grundrhythmus der Atmung Pons: moduliert die Signale Liquor 4 Medulla: misst CO 2 - Spiegel (ph shift in Blut, Liquor) ph fällt Atemzeitvolumen wird erhöht 2 Medulla sendet Nervenimpulse an Zwischenrippenmuskeln, Zwerchfell Kontraktion, Inhalation 2 Atemzentren: Pons Medulla oblongata 5 O 2 Spiegel normal nicht gemessen Extremer O 2 -Mangel: Nervensignale von Carotis-Arterien und Aorta 3 Ruhe: 10-14 Inhalationen/min Diaphragm Rib muscles Carotid arteries Aorta 28
Regulation der Atmung über das Atemzentrum Chemorezeptoren finden sich an der Aorta und der Aufzweigung der Arteria carotis communis (Halsschlagader) und im Bereich des Atemzentrums (Medulla oblongata). BEACHTE: ZNS kann NICHT auf O 2 -Mangel reagieren Atemantrieb: 1. PCO 2 2. ph 3. PO 2 BEACHTE: GLOMERA reagieren auch auf O2-Mangel 29
Atmungsregulation 30
Atemgrenzwert Atemantrieb: 1. PCO 2 2. PH 3. PO 2 31
Sauerstofftransport 32
Hämoglobin 4 O 2 -Bindestellen /Hämoglobin Beladung der 4 Bindestellen ist kooperativ Häm-Gruppe Eisen-Atom O 2 bindet in Lunge O 2 O 2 dissoziiert in Gewebe O 2 Proteinkette 33
CO 2 Transport CO 2 Transport: 7% gelöstes CO 2 70% als Bicarbonat ( Kohlensäure-Bicarbonat-System ) 23% geb. an Hämoglobin (Hämoglobin bindet auch H + ) Fazit: Hämoglobin puffert ph grosse Mengen CO 2 transportiert bei konstantem Blut ph Interstitial fluid Blood plasma within capillary Red blood cell CO 2 CO 2 Tissue cell CO 2 produced H 2 O CO 2 1 CO 2 2 CO 2 4 H 2 CO 3 Carbonic acid Hb 5 HCO 3 + Bicarbonate HCO 3 HCO 3 H + 8 HCO 3 + H + H 2 O H 2 CO 3 9 CO 2 7 3 Hb 6 To lungs CO 2 transport from tissues Capillary wall Hemoglobin picks up CO 2 and H + CO 2 transport to lungs Hemoglobin releases CO 2 and H + CO 2 CO 2 10 CO 11 2 Alveolar space in lung 34
Der ph des arteriellen Blutes muss in engen Grenzen konstant gehalten werden 7,8 7,7 7,6 7,5 7,4 7,3 7,2 7,1 7,0 Alkalose ± 0,05 ph symptomlos Acidose Mit dem Leben gerade noch vereinbar: 7,0 7,7 ph-änderungen des arteriellen Blutes im großen Kreislauf betreffen alle Körperzellen: sie ändern die Konformation der Proteine und beeinträchtigen damit alle Lebensvorgänge. 35
Kohlensäure-Puffer Stoffwechsel CO 2 H + Puffer- Säure Puffer- Base H 2 O + CO 2 H 2 CO 3 H + + HCO 3 Blut Atmung abhängig vom pco 2 und Carboanhydrase Niere Rückgewinnung respiratorische Regulation der Puffersäure A u s s c h e i d u n g CO 2 H + renale Regulation der Pufferbasen 36
Puffersysteme des Blutes Kohlensäure-Bicarbonatpuffer H 2 CO 3 H + + HCO 3 Phosphatpuffer H 2 PO 4 H + + HPO 4 2 (unbedeutend) Proteinpuffer: Plasmaproteine (Pufferbasen) Hämoglobin: HHb + O 2 H + + HbO 2 37
Atmung in der Höhe Bis zu einer Höhe von 2000m gibt es praktisch noch keine Reaktionen. Im Bereich von 2000-4000m Höhe kommt es zu akuten Umstellungen der Atmung, die durch den O 2 -Mangel bedingt sind. Über O 2 - Chemorezeptoren, wird eine Ventilationssteigerung ausgelöst, die eine Abnahme des arteriellen P CO2 nach sich zieht, verbunden mit Anstieg des ph-wertes, was die Ventilationssteigerung etwas abbremst. Auch der Kreislauf reagiert, die Herzfrequenz steigt an. Die kritische Grenze ist für den Nicht-Akklimatisierten bei 7000m erreicht. Über 4000m beginnen Zeichen der Höhenkrankheit: Atemnot, Schwindel, Kopfschmerzen, nachlassende Leistungsfähigkeit und Konzentration. Besonders empfindlich gegenüber O 2 -Mangel ist das Gehirn. Die zunehmenden Ausfälle zentralnervöser Funktionen sind so gefährlich, weil man subjektiv keine Warnungen erlebt, sondern im Gegenteil in Euphorie gerät (Höhenrausch). 38
Höhenakklimatisation Bei längerem Höhenaufenthalt (mindestens einige Wochen) kommt es zu Anpassungen (Höhenakklimatisation). Zum Ausgleich des O 2 -Mangels wird die O 2 -Transportkapazität des Blutes durch Steigerung der Hämoglobin- und Erythrozytenkonzentration erhöht. Die Prozesse der Akklimatisation machen es möglich, dass Menschen in Höhen bis zu 5000 m dauerhaft leben können (z.b. in den Anden). 39
Zusammenfassung Aufgaben: O 2 -Versorgung CO 2 Abtransport ph-regulation Äußere Atmung (Ventilation) Innere Atmung (Blut-Gewebe) Ventilation: Lungenbewegungen passiv Vakuum Veränderung des Brustvolumens durch Rippenbewegung, Zwerchfellbewegung; Atemhilfsmuskulatur Zerstörung des Vakuums: Pneumothorax Luftröhre, Bronchien: glatte Muskulatur, Knorpelspangen 40
Zusammenfassung Alveolen Diffusion der Gase nur dort Sauerstofftransport über Hämoglobin Atemvolumina: Dynamische Funktion: forciertes exspiratorisches Volumen Atemregulation (Stammhirn) Parameter: 1) pco 2 2) ph 3) O 2 Totraum: Anteile der Atemwege und Alveolarräume, die zwar belüftet sind, in denen aber kein Gasaustausch stattfindet. 41
Ventilationsstörungen Restriktiv = eingeschränkte Ausdehnungsfähigkeit von Lunge + Thorax z.b. Veränderung des Lungenparenchyms bei Lungenfibrose (krankhafte Bindegewebsproliferation) z.b. Verklebung der Pleurablätter z.b. Verminderung des funktionstüchtigen Lungenvolumens bei Lungenödem, Lungenentzündung 42
Obstruktive Ventilationsstörungen Obstruktiv = Einengung der Atemwege und somit Erhöhung der Strömungswiderstände mit Schleimansammlungen oder Spasmen der Bronchialmuskulatur bei Asthma bronchiale: typisch erschwerte und verlängerte Ausatmung (Atemnot durch Atemwegsverengung allergisch (z.b.hausstaubmilben) oder nicht-allergisch (Kälte, psychisch ausgelöst) Chronische Bronchitis (schleimiger Auswurf bei Obstruktion bei Bronchospasmus) Emphysem: Lungenblähung= abnorme Vermehrung des Luftgehaltes Compliance (mehr Dehnung ist möglich) Resistance bei zusätzl. Chron. Bronchitis 43
Schutzreflexe der Atmung Tauchreflex Untertauchen des Kopfes unter Wasser löst über Rezeptoren der Gesichtshaut und den N. trigeminus eine Hemmung der Atmung aus 44
Schutzreflexe der Atmung Hustenreflex: Reizung von Schleimhautrezeptoren in Kehlkopf (Larynx) und Bronchien durch Schleim, Staub, Fremdkörper oder Entzündungen löst eine Aktivierung der Exspirationsmuskel bei geschlossener Glottis (Stimmritze) aus. Dies führt zu einem starken intrapulmonalen Überdruck, der schließlich den Glottisverschluss sprengt und damit einen orkanartigen Luftstrom (ca. 100 m/s) erzeugt, der Schleim, und Fremdkörper mitreisst. Niesreflex: Reizung von Rezeptoren der Nasenschleimhaut führt wie beim Hustenreflex zu einer Aktivierung der Exspirationsmuskulatur bei geschlossener Glottis. Bei Sprengung des Glottisverschlusses geht der Luftstrom durch Nasopharynx und Nasenhöhle und entfernt Schleim und Fremdkörper. Reflektorischer Atemstillstand: Einatmen stechend riechender Gase (z.b. NH 3 ), Auslösung des Schluckreflexes, Erbrechen, Ruktus und Rejektion führen ebenfalls kurzfristig zum Atemstillstand. Kälte: Tiefe Inspiration mit anschließendem kurzem Atemstillstend 45
Pathologische Atmungsformen Metabolische Azidose (diabetisches Koma) vertiefte Atmung, Kussmaul-Atmung. Höhenaufenthalt als Cheyne-Stokes-Atmung, auch bei Vergiftungen oder Urämie findet. Seufzeratmung (z.b. bei Ausfall höherer Atemzentren in der Agonie). Schlaf-Apnoe, obstruktive oder zentrale Schlafapnoe. - aussetzender zentraler Atemantrieb bzw. Verschluss der oberen Atemwege. 46
Asthma / COPD Asthma COPD Ursache: meistens Allergie meistens Rauchen häufigste Symptome: anfallsartige Atemnot Husten Giemen dauerhafte Atemnot Husten Verschleimung Reaktion auf Erweiterer: starke Verbesserung schwach-mittel "Chronic Obstructive Pulmonary Disease", auf Deutsch: Chronisch obstruktive Lungenerkrankung. COPD wird als Sammelbegriff für die chronisch obstruktive Bronchitis und das Lungenemphysem verwendet. 47
COPD (Lungenfunktion und Symptome) Lungenfunktion A temnot H usten A uswurf Symptomatik Therapie Chronische Bronchitis COPD ~ 20 Jahre ~ 50 Jahre Alter 48
Lungenfunktionsverlust durch COPD FEV 1 [ ml ] 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Nichtraucher max. - 25 ml / Jahr Raucher - 50-100 ml / Jahr Lebensalter 30 40 50 60 70 80 Aus Schmidt M., MMW 2002, 26 49
COPD: Schädigung der Flimmerhärchen Folgen: verringerte Selbstreinigungsfähigkeit zunehmende Verschleimung zäher Schleim Husten 50
Ich rauche gern 51
The End