1.: struktur und dynamik des respiratorischen systems
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Seminarthemen „Atmung“. 1.: Struktur und Dynamik des Respiratorischen Systems - Gastransport („Sauerstoff-Rutsche“, FICKsches Diffusionsgesetz) - Komponenten des Atmungssystems - Lungenvolumina und -kapazitäten, Spirometrie - alveoläre Ventilation, Totraum - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
1.: Struktur und Dynamik des Respiratorischen Systems- Gastransport („Sauerstoff-Rutsche“, FICKsches Diffusionsgesetz)- Komponenten des Atmungssystems- Lungenvolumina und -kapazitäten, Spirometrie- alveoläre Ventilation, Totraum - obstruktive und restriktive Ventilationsstörungen (TIFFENEAU-Test)
Seminarthemen „Atmung“
2.: Die mechan. Eigenschaften von Lunge und Thorax- Compliance- Atemruhelage- Atembewegungen- Resistance
3.: Atemgastransport und -austausch- Luft; alveoläre und exspiratorische Gasgemische, Gaspartialdrücke- intrapleuraler und -pulmonaler Druck- Atemarbeit- Surfactant
1. Seminarthema
Struktur & Dynamik des Respiratorischen Systems
Nasenhöhle
KehlkopfLuftröhre
LungenflügelBronchieBronchioleLungenbläschen
Exposé: Warum atmen wir ?h
H2O + CO2 [CH2O]n + O2
H2O + CO2 [CH2O]n + O2
Energie(Wärme, Arbeit)
„Wir ernähren uns von gespeichertem Licht.“
Fritz-Albert Popp, *1938, dt. Biophysiker
Exposé: Wo benötigen wir den Sauerstoff ?
Die „Sauerstoff-Rutsche“:
äußere Atmung
innere Atmung
Zellatmung
Fette Eiweiße Kohlenhydrate
enzymatischer Abbau
Zitronen-säure-Zyklus
H2
O2Energie
-Oxidation Glykolyse
Atmungskette
CO2
Acetyl-CoA
Exposé: Wie viel Sauerstoff benötigen wir ?
O2-Verbrauch in Ruhe ungefähr
O2-Verbrauch bei Arbeit bis zu 3.
300 ml/min
000 ml/min
ständige Substitution erforderlich:
Die Etappen des O2- bzw. CO2-Transports
äußere Atmung
innere Atmung
Gewebs-Atmung
Konvektion KonvektionDiffusion Diffusion
Die Gesamtheit der an der Sauerstoff-Aufnahme sowie an der damit gekoppelten Kohlendioxid-Abgabe beteiligten Prozesse werden als Atmung bezeichnet.
O2
CO2
O2
CO2
O2
CO2
Respirationstrakt Herz-Kreislauf-System
atmendes Gewebe
Lungenkreislauf Körperkreislauf
O2
CO2
O2
CO2
O2
CO2
Die Etappen des O2- bzw. CO2-Transports
1. konvektiver Gastransport in der Gasphase
2. Diffusion der Gase vom Alveolarraum ins Blut (und umgekehrt)
3. konvektiver Gastransport im Blut
4. Diffusion der Gase aus dem Blut zu den Gewebszellen (und umgekehrt)
Praktische Übung heute !!!
Praktische Übungen „Blut“ / „Kreislauf“
FICKsches Diffusionsgesetz
Q/t = D F
C1 - C2
d
1. große Austauschfläche
2. kurze Diffusionsstrecke
3. großer Konzentrationsgradient über der Austauschfläche
4. Austauschfläche mit Material-eigenschaften, die zur Diffusion geeignet sind
Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion
Adolf Fick, 1829-1901, Würzburger Physiologe
Trachea
Bronchi
Bronchioli
Alveolen
Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion: 1. große Austauschfläche
1 - Bronchiole2 - Ast der Lungenschlagader3 - Endbronchiole4 - Alveolengang5 - Trennwand zwischen zwei Alveolen6 - Ast der Lungenvene7 - Lungenkapillarnetz8 - elastischer Faserkorb der Alveole9 - Lungenfell
Q/t = D F
C1 - C2
d
A - Alveolarraum
EC - Erythrozyt
EN - Endothel
EP - Epithel
IN - Interstitium
1 µm
Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion: 2. kurze Diffusionsstrecke
O2 CO2
0,2-0,6 µm
Q/t = D F
C1 - C2
d
Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion: 3. großer Konzentrationsgradient
2 Pumpensysteme:
Lunge (Blasebalg-Pumpe) [O2] ~ pO2
Herz (Ventil-Pumpe) [O2] ~ pO2
Q/t = D F
C1 - C2
d
Kriterien für einen effektiven Gasaustausch per Diffusion: 4. hohe Permeabilität
gute Durchlässigkeit der alveolären Diffusionsbarriere für Atemgase
DL = ~30 ml×min-1×mmHg-1
DL = ~100 ml×min-1×mmHg-1
O2
CO2
daher: nur kurze Kontaktzeit erforderlichQ/t = D F
C1 - C2
d
Der Respirationstrakt
oberer Respira-tionstrakt
unterer Respira-tionstrakt
Die Atemwege
Die Atemwege
Atemvolumina
Exspiratorisches Reservevolumen (ERV)
Inspiratorisches Reservevolumen (IRV)
Residualvolumen
(RV)
(inkl. Totraum)
Atemzugvolumen (AZV)
Messung der Atemvolumina mittels Spirometrie
Ausnahme:
Residualvolumen
(inkl. Totraum)
Schack August Steenberg Krogh (*1874 †1949) dänischer Arzt und Zoologe, 1920 Nobelpreis
Messung der Atemvolumina, die nicht spirometrisch bestimmt werden können (z.B. Residualvolumen)
L
VS F0 = (VS + VL) F1
VL = VS F0 - F1
F1
M = V C
RV = VL - AZV - ERV
Menge = Volumen Konzentration
Bestimmung des Totraumes mit Hilfe der „vereinfachten“ Bohr-Formel:
CO2
VD = VE (FA – FE ) / FACO2 CO2
Statische Atemvolumina und -kapazitäten
Atemzugvolumen (AZV): ~ 0,5 l
inspiratorisches Reservevolumen (IRV): ~ 3,5 l
exspiratorisches Reservevolumen (ERV): ~ 1,5 l
Residualvolumen (RV): ~ 1,5 l
Vitalkapazität (VK = AZV + IRV + ERV): ~ 5,5 l
Totalkapazität (TK = VK + RV): ~ 7,0 l
inspiratorische Kapazität (IK = AZV + IRV): ~ 4,0 l
funktionelle Residualkapazität (FRC = ERV + RV): ~ 3,0 l
± 20% normal
Dynamische Atemvolumina
Atemminutenvolumen AMV = AZV AF 7 – 100 l/min
Einsekundenkapazität ESK 4 l/s (rESK 80%)
Atemgrenzwert AGW = 4 l 40 min-1 160 l/min
TIFFENEAU-Test
rel. VK (%)
50 75 100
50
75
100
rel. ESK (%)restriktive
Ventilationsstörung
obstruktive Ventilationsstörung
kombinierte Ventilationsstörung
o.B.
Restriktion:
- Fibrose
- Skoliose
- etc.
Obstruktion:
- Bronchitis
- Asthma
- etc.
Robert Tiffeneau, 1910-1961, Pariser Arzt
2. Seminarthema
Mechanische Eigenschaften von Lunge und Thorax
Elastizität von Lunge und Thorax
RV
TK
Atemruhelage
Pneumothorax Emphysem Fibrosenormal
Atemruhelage
… den auswärts gerichteten Kräften des Thorax-Skeletts …
Gleichgewicht zwischen …
… und den einwärts gerichteten Kräften der Lunge
Ruhedehnungskurven von Lunge & Thorax
Versuchsanordnung zur Bestimmung der Ruhedehnungskurven
Druckdifferenz P (kPa)
Druckdifferenz P (cm H2O)
Mechanische Eigenschaften von Lunge & Thorax 1
- Volumen-Dehnbarkeit (elastische Widerstände)
Compliance C =
CLunge CThorax 0,2 l/mbar
CLunge + Thorax 0,1 l/mbar
Lunge und Thorax sind funktionell hintereinander geschaltet.
Daher: Cgesamt-1 = CLunge
-1 + CThorax-1
Cgesamt-1 = 0,2-1 + 0,2-1 = 5 + 5 = 10
Cgesamt = 0,1
VP
- Atemwegswiderstände (visköse Widerstände)
Resistance R = P/V = P/(V/t)
R 1-2 mbar s l-1
Hintereinander geschaltete Widerstände (Trachea – Bronchien – Bronchiolen)addieren sich einfach:
RGesamt = R1 + R2 + … + Rn
Parallel geschaltete Widerstände (Äste der Bronchialbaumes) addieren sichreziprok:
1/RGesamt = 1/R1 + 1/R2 + … + 1/Rn
Mechanische Eigenschaften von Lunge & Thorax 2
R ×C0 1 2 3 4 5 6
Vt
in %
vo
n V
0
0
20
40
60
80
100
37%
14%
5%2% 1%
(s)0,20 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
Zeitkonstante = Compliance × Resistance
Z = C × R = × = × = tVP
P(V / t)
VP
P × tV
lmbar
×mbar × s
l= s
Vt = V0 × et
R × C-
Lungenbelüftung(im Prinzip spiegel-bildlich)
Lungenentleerung
C = 0,1 l × mbar-1
R = 2,0 mbar × s × l-1
R ×C0 1 2 3 4 5 6
Vt
in %
vo
n V
0
0
20
40
60
80
100
37%
14%
5%2% 1%
(s)0,20 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
Zeitkonstante = Compliance × Resistance
Lungenbelüftung(im Prinzip spiegel-bildlich)
Lungenentleerung
Z = C × R = × = × = tVP
P(V / t)
VP
P × tV
lmbar
×mbar × s
l= s
Atemfrequenz:
Atemzyklus:
Atemzeit-verhältnis I/E:
Inspiration:
Exspiration:
15 min-1
4 s
1 : 2
~ 1,3 s
~ 2,6 s
Atemgaswechsel durch Brust- und Bauchatmung
Atemgaswechsel (Brustatmung)
Vorstoß
Flankenstoß
Mm. intercostales externi (Inspiration)
Mm. intercostales interni (Exspiration)
Atemgaswechsel (Brustatmung)
obere Rippenbögen: Vorstoß
untere Rippenbögen: Flankenstoß
(Flankenatmung)
wichtigster Atemgaswechsler: das Zwerchfell
wichtig auch für die Feinabstimmung des Atemgasstromes (Sprechen, Singen, Blasen eines Musikinstruments, etc.)
Atemgaswechsel
Atemhilfsmuskeln für die
Inspiration
Atemhilfsmuskeln für die
Exspiration
Atemgaswechsel durch Brust- und Bauchatmung
Säugling:
Jugendl. & Erw.:
Senior:
Bauchatmung
(Abdominal-Atmung)
kombinierte Atmung
Bauchatmung
Schwangere: Brustatmung
(Kostal-Atmung)
Erwachsener Säugling
3. Seminarthema
Atemgastransport und-austausch
Atemgasfraktionen und -partialdrücke in der Gasphase(ohne Wasserdampf [6,2% bei 37°C und 100% Sättigung {47 mmHg pH2O}])
- Luft 20,93% O2 159 mmHg pO2
0,03% CO2 0,2 mmHg pCO2
79,04% „N2“ 600 mmHg pN2
(davon ca. 1% Edelgase)
- alveoläres Gasgemisch 14 % O2 106 mmHg pO2
5,7% CO2 40 mmHg pCO2
Rest „N2“ 610 mmHg pN2
- Exspirationsgasgemisch 16% O2 122 mmHg pO2
4% CO2 30 mmHg pCO2
Rest „N2“ 608 mmHg pN2
(Bei Inspiration gelangen ~2/3 der Luft in die Alveolen; das restliche Drittel verbleibt im Totraum.)
Atemgaspartialdrücke in Lunge & Blut
Luft Alveolenarterielles
Blutvenöses
BlutExspiration
pO2 159 106 90 40 122
pCO2 0,2 40 40 46 30
160
120
80
40
0pO2 /
pC
O2 (
mm
Hg)
Atemgaspartialdrücke in Lunge & Blut
Alveolargas
alveoläre Atemgaspartialdrücke vs. Ventilation
HyperventilationHypoventilation
Druckverläufe während der Atembewegungen(Übersicht)
intrapulmonaler Druck
intrapleuraler Druck
Spirogramm
Inspiration Exspiration
+2
0
-2
-4
-6
cm H2O
[kPa]
Druckverläufe während der Atembewegungen(statisch vs. dynamisch)
Atemarbeit 1-2% vom Grundumsatz (in Ruhe; beim Gesunden)
Atemarbeit (Druck-Volumen-Diagramm)
fiktive Atmung(nur elastische Widerstände)
normale Ruhe-atmung
forcierte Atmung
Widerstände, die beim Einatmen überwunden werden müssen
- Volumen-Dehnbarkeit (elastische Widerstände) Compliance
- Atemwegswiderstände (visköse Widerstände) Resistance
Kgesamt = Kelast + Kvisk + KDef + KReib
Kelastisch
Kviskös
KDeformation
KReibung
2/3
1/3
0
0
(beim Gesunden)
Anmerkung zu den elastischen Widerständen
- Eigenelastizität des Lungenparenchyms
- Oberflächenspannung
LAPLACE-Gesetz P = 2/r
P - transmurale Druckdifferenz
- Oberflächenspannung
r - alveolärer Radius (0,2 - 0,4 mm)
Perrechnet 10 P„tatsächlich“
Ursache: Surfactantien (endogenes „Spüli“)Wasser
Funktion der Surfactantien
Sie bewirken, dass die Lungen sich beim ersten Atemzug entfalten (Cave: Frühgeburten).
Sie verhindern Atelektasen.
Sie egalisieren die unterschiedlichen Oberflächenspannungen in Alveolen unterschiedlichen Durchmessers.
Sie egalisieren die unterschiedlichen Oberflächenspannungen in den Alveolen während der verschiedenen Atemphasen.
Sie helfen, Atemarbeit zu sparen.
Air
Warum sind Alveolen rund?
Weil bei der Kugel das günstigste Oberflächen-/ Volumen-Verhältnis besteht.
Volumen Oberfläche VolumenOberfläche
Kugel 1 cm3 4,84 cm2 0,21 cm3 1 cm2
Zylinder 1 cm3 5,57 cm2 0,18 cm3 1 cm2
Oktaeder 1 cm3 5,72 cm2 0,18 cm3 1 cm2
Würfel 1 cm3 6,00 cm2 0,17 cm3 1 cm2
Kegel 1 cm3 6,83 cm2 0,15 cm3 1 cm2
Pyramide 1 cm3 7,08 cm2 0,14 cm3 1 cm2
Tetraeder 1 cm3 7,21 cm2 0,14 cm3 1 cm2