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Atemmechanik

Abstract

Unter Atemmechanik versteht man die physikalischen Prozesse, die bei der Ein- und Ausatmung ablaufen. Bei der Inspiration führt der Einsatz der Atemmuskulatur zu einer Vergrößerung des intrathorakalen Volumens, wodurch in der Lunge ein Unterdruck entsteht und Luft in die Lunge gesogen wird. Durch die elastischen Fasern des Lungenparenchyms zieht sich die Lunge bei Erschlaffung der Atemmuskulatur passiv zusammen und treibt so die Ausatemluft aus (Exspiration).

Um die Funktion der Lunge zu prüfen, können die Lungenvolumina bestimmt werden. Klinisch ist dabei die Vitalkapazität besonders wichtig. Sie ist definiert als Volumendifferenz zwischen maximaler Ein- und Ausatmung. Bei sog. restriktiven Lungenerkrankungen ist die Vitalkapazität erniedrigt. Obstruktive Lungenerkrankungen können hingegen durch den dynamischen Tiffeneau-Test aufgedeckt werden: Dabei soll der Proband nach maximaler Inspiration so schnell wie möglich so viel wie möglich ausatmen.

Die Begriffe Compliance und Resistance beschreiben, wie die Lunge auf Verformungen im Rahmen der Atmung reagiert: Eine hohe Compliance spricht dabei für eine leichte mechanische Verformbarkeit der Lunge. Eine hohe Resistance hingegen bedeutet, dass die Atemluft einen hohen Strömungswiderstand passieren muss und die Atmung somit behindert wird.

Ablauf der Atmung

  • Ziel der Atmung: Austausch der Luft in der Lunge
  • Phasen der Atmung
    • Atemruhelage: Zwischen je zwei Atemzügen befinden sich in- und exspiratorische Kräfte im Gleichgewicht, der intrapulmonale Druck entspricht dabei dem Luftdruck.
    • Inspiration
    • Exspiration
      • Verkleinerung des Thoraxvolumens durch passive Rückstellkräfte der Lunge
      • Dadurch Verkleinerung des Lungenvolumens → Überdruck in der Lunge
      • Luft folgt dem Druckgefälle aus der Lunge heraus → Exspiration
Inspiration durch: Exspiration durch:

Kinder atmen vorwiegend in den Bauch, Erwachsene in den Thorax!

Einsatz der Atemhilfsmuskulatur als Zeichen der Dyspnoe
Bei einigen Lungenerkrankungen kann es aus verschiedenen Gründen zu einer erschwerten Atmung kommen. Um die überlasteten inspiratorischen Atemmuskeln zu unterstützen, wird dann häufig die Atemhilfsmuskulatur eingesetzt. Betroffene stützen sich dann typischerweise mit den Händen oder Ellenbogen auf die Knie („Kutschersitz“), wodurch bspw. der Ansatzpunkt des M. pectoralis major am Humerus fixiert wird und der Muskel seine Kraft auf den Brustkorb und somit zur Unterstützung der Atmung überträgt. Der Einsatz der Atemhilfsmuskulatur ist ein klinisches Zeichen der Luftnot („Dyspnoe“) und kann schon bei der Inspektion bemerkt werden.

Druck in Lunge und Pleura

Die Druckveränderungen während der Atmung sind die treibende Kraft für die In- und Exspiration. Der Unterdruck in der Pleura ist nötig, um die Bewegung des Thorax auf die Lunge zu übertragen.

Definition Druck in Atemruhelage Druck bei Inspiration

Druck bei forcierter Exspiration

Intrapleuraler Druck −0,5 kPa

−0,7 kPa

ca. −0,3 kPa
Intrapulmonaler Druck 0 kPa −0,1 kPa +0,1 kPa

Pneumothorax
Dringt Luft in den Pleuraspalt ein, kann der dort herrschende Unterdruck nicht aufrechterhalten werden. Dadurch überwiegen die Retraktionskräfte der Lunge und der betroffene Lungenflügel kollabiert. Ursächlich sind bspw. penetrierende Verletzungen (= traumatischer Pneumothorax) oder spontane Rupturen blasiger Veränderungen im Lungengewebe (= idiopathischer Spontanpneumothorax). Klinisch äußert sich dies u.a. durch plötzlich einsetzende, atemabhängige Schmerzen im Brustkorb, Dyspnoe und Tachykardie. Therapeutisch erfolgt oft die Anlage einer Thoraxdrainage, welche durch Sogwirkung den Unterdruck im Pleuraspalt wiederherstellt. Dadurch kann sich der Lungenflügel wieder entfalten bzw. an die Thoraxwand anlegen.

Lungenvolumina

Die Lungenvolumina beschreiben, wieviel Luft sich in der Lunge befindet bzw. ein- oder ausgeatmet werden kann. Sie sind wichtige Ausgangswerte, um krankhafte Veränderungen der Lungenarchitektur zu objektivieren.

Lungenvolumina

Definition Rechenvorschrift Normwert

Inspiratorisches Reservevolumen (IRV)

Luftvolumen, das nach normaler Inspiration zusätzlich maximal inspiriert werden kann

ca. 3 L
Atemzugvolumen (AZV)

Luftvolumen, das bei einem normalen Atemzug eingeatmet wird

ca. 0,5 L

Exspiratorisches Reservevolumen (ERV)

Luftvolumen, das nach normaler Exspiration zusätzlich maximal exspiriert werden kann

ca. 1,7 L
Residualvolumen (RV)

Luftvolumen, das nach maximaler Ausatmung in der Lunge verbleibt

ca. 1,3 L

Zusammengesetzte Lungenvolumina

Vitalkapazität (VC) Volumendifferenz zwischen maximaler Ein- und Ausatmung VC = IRV + AZV + ERV ca. 5,2 L
Totalkapazität (TLC)

Gesamtes Gasvolumen in der Lunge nach maximaler Inspiration

TLC = VC + RV

ca. 6,5 L
Funktionelle Residualkapazität (FRC) Volumen, das nach normaler Ausatmung noch in der Lunge verbleibt FRC = ERV + RV ca. 3 L

Bei maximaler Exspiration wird das exspiratorische Reservevolumen ausgeatmet – da es die Lunge bei Ruheatmung nicht verlässt, enthält es das gleiche Gasgemisch wie der Alveolarraum!

Erhöhtes Residualvolumen beim Lungenemphysem
Beim Lungenemphysem sind die Interalveolarsepten aus verschiedenen Gründen zerstört. Der Abbau stützender Proteine der Extrazellulärmatrix führt u.a. zu einer verstärkten Dehnbarkeit (Compliance) des Lungengewebes. In der Folge verringert sich der Widerstand, den das Lungengewebe der einströmenden Luft entgegensetzt, weshalb bereits kleine Druckunterschiede zur Aufnahme großer Volumina führen, die anschließend nicht mehr abgeatmet werden können. Dadurch entstehen große, luftgefüllte Hohlräume in der Lunge (sog. „Bullae“), die nicht am Gasaustausch teilnehmen. Beim Lungenemphysem sind also sowohl die Compliance als auch das Residualvolumen erhöht.

Dynamische Atemtests

Mit Hilfe dynamischer Atemtests kann die Funktion der Lunge genauer charakterisiert werden.

  • Ermittlung des Atemgrenzwerts
    • Atemgrenzwert: Maximales Atemminutenvolumen (Normwert: 120–170 L/min)
    • Durchführung: Der Patient soll für 10s so schnell und so tief wie möglich ein- und ausatmen
  • Tiffeneau-Test : Nach tiefer Inspiration soll der Patient so schnell wie möglich so viel wie möglich ausatmen

FEV1 bei obstruktiven Atemwegserkrankungen
Die Einsekundenkapazität wird in der Klinik genutzt, um den Schweregrad obstruktiver Atemwegserkrankungen wie Asthma bronchiale oder COPD einzuschätzen. Der FEV1-Wert liegt dann zumeist bei unter 80% des altersabhängigen Solls.

Restriktive oder obstruktive Atemwegserkrankungen
Mit Hilfe von FEV1 und Vitalkapazität können restriktive von obstruktiven Atemwegserkrankungen unterschieden werden: Bei den obstruktiven Atemwegserkrankungen ist die VC meist normal. Die Exspiration wird jedoch durch die Obstruktion behindert, sodass der FEV1-Wert erniedrigt ist. Im Gegensatz dazu ist der FEV1 bei restriktiven Atemwegserkrankungen wie der Lungenfibrose meist normal, wohingegen die Vitalkapazität bspw. durch die verringerte Dehnbarkeit der Lunge oft deutlich erniedrigt ist.

Unterscheidungskriterien restriktive vs. obstruktive Atemwegserkrankungen Rein restriktive Atemwegserkrankung Rein obstruktive Atemwegserkrankung
Vitalkapazität Erniedrigt Normal
FEV1 Normal Erniedrigt
Compliance Erniedrigt Normal
Resistance Normal Erhöht

Fluss-Volumen-Diagramm

Sowohl die Lungenvolumina als auch der dynamische Atemparameter FEV1 lassen sich im Fluss-Volumen-Diagramm der Atmung ablesen. Dieses Diagramm kann bspw. im Rahmen einer Spirometrie (s.u.) ermittelt werden.

  • Durchführung: Proband führt einen Tiffeneau-Test durch, dabei werden ein- bzw. ausgeatmetes Volumen und Luftfluss mit Hilfe eines Spirometers gemessen
  • Achsen: Auf der x-Achse ist das Volumen aufgetragen, das sich in der Lunge befindet, auf der y-Achse der Luftfluss, der die Lunge verlässt
  • Beschreibung

Darstellung der Druck-Volumen-Verhältnisse der Lunge

Trägt man Druck und Volumen der Lunge unter verschiedenen Bedingungen in ein Diagramm ein, so lassen sich Rückschlüsse über Atemwegswiderstände und die Atemarbeit ziehen. Dabei wird der Druck auf der x-Achse und das Volumen auf der y-Achse aufgetragen.

  • Ruhedehnungskurve von Lunge und Thorax
    • Durchführung: Lunge wird passiv mit bestimmten Luftvolumina gefüllt und der resultierende Druck in der Lunge wird gemessen
    • Beschreibung: S-förmige Kurve
    • Ergebnis: Die Steilheit der Kurve wird als Compliance bezeichnet und ist ein Maß für die passive Dehnbarkeit der Lunge
  • Dynamisches Druck-Volumen-Diagramm
    • Durchführung: Während eines normalen Atemzyklus werden intrapulmonaler und intrapleuraler Druck sowie die Atemvolumina gemessen
    • Beschreibung: Blattförmige Kurve
    • Ergebnis: Der Flächeninhalt der Kurve entspricht der Atemarbeit
  • Dynamisches Druck-Atemstromstärke-Diagramm
    • Achsen: Anders als bei den Druck-Volumen-Diagrammen ist hier auf der y-Achse die Atemstromstärke aufgetragen
    • Durchführung: Während eines normalen Atemzyklus werden intrapulmonaler Druck und Atemstromstärke gemessen (meist im Bodyplethysmographen)
    • Beschreibung: Schleifenförmige Kurve
      • Die Inspiration benötigt dabei höhere Drücke wegen des Strömungswiderstands
    • Ergebnis: Die Steilheit der Kurve wird als Resistance bezeichnet, sie ist der dynamische Atemwegswiderstand

Lungendehnbarkeit (Compliance)

Die Compliance beschreibt die Dehnbarkeit des Lungen- und Thoraxgewebes – da sich diese im Rahmen der Inspiration ausdehnen, erleichtert eine hohe Compliance die Atmung.

  • Definition: Maß für die „passive“ Dehnbarkeit, die durch die elastischen Rückstellkräfte von Lunge und Thorax entsteht
  • Berechnungen
  • Schlussfolgerung
    • Compliance ist die Volumenänderung, die durch eine bestimme Druckänderung bewirkt werden kann.
    • Eine hohe Compliance bedeutet also eine hohe Dehnbarkeit.
    • Im Bereich der Ruheatmung ist die Compliance am größten.
  • Unterteilung: Die Dehnbarkeit bei der Atmung hängt von der Dehnbarkeit des Thorax und der Lunge ab.
  • Bestimmung: Mit Hilfe der Ruhedehnungskurve

Atemnotsyndrom bei Neugeborenen
Bei Frühgeborenen wird häufig nicht genug Surfactant produziert. Dadurch wird die Compliance der Lunge erniedrigt, da die Oberflächenspannung in den Alveolen die Lunge „zusammenzieht“. Dies kann häufig durch eine unterstützende Überdruckbeatmung oder die intratracheale Gabe von Surfactant therapiert werden. Trotzdem stirbt etwa ein Drittel der Betroffenen, was das Atemnotsyndrom zur häufigsten Todesursache der Neonatalzeit macht.

Compliance bei restriktiven Ventilationsstörungen
Bei restriktiven Ventilationsstörungen wie der Lungenfibrose ist die Dehnbarkeit (also Compliance) der Lunge verringert: Das lockere Alveolargerüst mit den elastischen Fasern wird zu weniger dehnbarem Bindegewebe umgebaut. Dadurch kann sich die Lunge bei Inspiration nicht mehr richtig ausdehnen, die Vitalkapazität ist verringert und es kommt zu Luftnot.

Atemwegswiderstand (Resistance)

Als Resistance bezeichnet man den Widerstand, den die Atemluft bei ihrem Fluss durch die Atemwege überwinden muss. Er entsteht hauptsächlich durch den Strömungswiderstand der Atemwege und ist bspw. im Rahmen von obstruktiven Atemwegserkrankungen erhöht.

Resistance bei obstruktiven Atemwegserkrankungen
Bei obstruktiven Atemwegserkrankungen wie Asthma oder COPD sind die Atemwege verengt. Nach dem Hagen-Poiseuille-Gesetz ist der Strömungswiderstand umgekehrt proportional zur 4. Potenz des Bronchialradius: Sind die Bronchien bspw. auf die Hälfte ihres Durchmessers verengt, resultiert dadurch also eine Versechzehnfachung(!) des Strömungswiderstands und der Resistance!

Lungenfunktionsuntersuchung

Mit Hilfe der Lungenfunktionsuntersuchung werden die verschiedenen Lungenvolumina gemessen, um eine pathologische Lungenventilation detektieren zu können.

  • Spirometrie
    • Definition: Routineuntersuchung mit einem handlichen Pneumotachographen zur Bestimmung der Atemvolumina und Luftflussgeschwindigkeiten
    • Bestimmung von
  • Bodyplethysmographie
    • Definition: Routineverfahren zum Ausschluss einer pulmonalen Funktionseinschränkung
    • Mögliche Indikationen
      • Bei mangelnder Kooperation/Mitarbeit des Patienten bzw. zur Objektivierung der spirometrischen Befunde
      • Verdacht auf ein Emphysem
    • Bestimmung von

Wiederholungsfragen zum Kapitel Atemmechanik

Ablauf der Atmung

Was ist die sog. Atemruhelage und an welcher Stelle des Atemzyklus liegt sie vor?

Wodurch kommt es bei normaler Ruheatmung zur In- und Exspiration?

Welche beiden Muskelgruppen unterstützen die forcierte Exspiration? Beschreibe deren Ablauf!

Druck in Lunge und Pleura

In welchem Bereich schwankt der intrapleurale Druck während eines Atemzyklus?

In der Atemruhelage entspricht der Druck in der Lunge dem Umgebungsluftdruck. Wie verändern sich die intrapulmonalen Druckverhältnisse während der anschließenden Inspiration?

Lungenvolumina

Definiere Vitalkapazität! Welche Gruppe von Atemwegserkrankungen führt zu einer Verminderung?

Was ist die funktionelle Residualkapazität? Bei welchem Krankheitsbild ist sie typischerweise erhöht?

Aus welchen Lungenvolumina setzt sich die Totalkapazität der Lunge zusammen? An welcher Achse des Fluss-Volumen-Diagramms kann sie abgelesen werden?

Wie wird die relative Einsekundenkapazität (Tiffeneau-Index) gemessen? Was ist ihr Normwert und wie verändert er sich bei restriktiven bzw. obstruktiven Atemwegserkrankungen?

An welcher Stelle des Atemzyklus schneidet die Kurve des Fluss-Volumen-Diagramms die x-Achse?

An welcher Stelle des Atemzyklus schneidet die Kurve im Fluss-Volumen-Diagramm die y-Achse?

Welche Krankheitsgruppe verursacht typischerweise eine „sesselförmige“ Fluss-Volumen-Kurve?

Wie nennt man das Lungenvolumen, das bei einer maximalen Exspiration zusätzlich zum normalen Atemzugvolumen mobilisiert werden kann? Welche Besonderheit weist sein Gasgemisch auf?

Lungendehnbarkeit (Compliance)

Was beschreibt die Compliance des Atemapparates und wovon hängt sie ab?

Man kann die Compliance sowohl für die Einzelkomponenten Lunge und Thorax als auch für den Gesamtapparat betrachten. Wie lautet die Formel zur Berechnung der Gesamtcompliance (Lunge und Thorax)?

Die Änderung der Compliance des Atemapparates während des Atemzyklus lässt sich mithilfe der Ruhedehnungskurve darstellen. An welcher Stelle ist die Compliance am höchsten?

Wovon hängen die Rückstellkräfte des Lungengewebes ab und wie beeinflussen diese die Lungencompliance?

Welchen Effekt hat ein Mangel an Surfactant auf die Lungencompliance?

Wie verändert sich der intrapleurale Druck im Falle einer erniedrigten Lungencompliance (bspw. bei einer Lungenfibrose)?

Atemwegswiderstand (Resistance)

Wie ist der Atemwegswiderstand definiert und mit welcher Formel kann er berechnet werden?

Wie verändert sich die Resistance bei schnellerer Atmung im Vergleich zur Ruheatmung?

Lungenfunktionsuntersuchungen

Was ist eine Bodyplethysmographie? Welche Lungenfunktionsparameter lassen sich zusätzlich zu den Parametern der Spirometrie bestimmen?

Wieso muss der Proband bei der Bestimmung der Totalkapazität durch die Bodyplethysmographie gegen ein verschlossenes Mundstück atmen?