Atemmechanik

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.

Du möchtest diesen Artikel lieber hören als lesen? Wir haben ihn für dich im Rahmen unserer studentischen AMBOSS-Audio-Reihe im Podcastformat vertont. Den Link findest du am Kapitelende in der Sektion „Tipps & Links“.

• 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
    • Inspiratorische Atemmuskulatur bewirkt eine Vergrößerung des Thoraxvolumen
    • Das Lungenfell (Pleura visceralis) haftet über den Flüssigkeitsfilm im Pleuraspalt an der Thoraxinnenseite (Pleura parietalis bzw. Rippenfell) → Lungenvolumen wird ebenfalls vergrößert
    • Durch die Vergrößerung des Lungenvolumens fällt der intrapulmonale Druck ab → Unterdruck in der Lunge
    • Luft folgt dem Druckgefälle in die Lunge hinein → 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

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.

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.

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.

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.

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
  • Dabei werden zwei Werte bestimmt:
    • Forcierte Vitalkapazität (FVC): Maximal ausgeatmetes Volumen
    • Einsekundenkapazität (FEV₁): Maximal in der 1. Sekunde ausgeatmetes Volumen
      • Relative Einsekundenkapazität (rFEV₁): Maximal in der 1. Sekunde ausgeatmetes Volumen anteilig am FVC (Normwert 70%)

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
  • Normaler Kurvenverlauf: Oberhalb der x-Achse ist die Exspiration dargestellt, unterhalb die Inspiration
    • Exspiration: Beginn am linken Rand des Diagramms, zunächst steiler Anstieg, dann linearer Abfall der Flusswerte, endet am rechten Rand des Diagramms
      • Maximalpunkt der Flusswerte wird als Peak-Flow bezeichnet
      • Volumendifferenz zwischen Beginn und Ende der Exspiration entspricht der Vitalkapazität
    • Inspiration: Beginn am rechten Rand des Diagramms, halbkreisförmiger Verlauf, endet am linken Rand des Diagramms
  • Restriktive Atemwegserkrankung: „Eiförmige“ Fluss-Volumen-Kurve, durch verringerte Vitalkapazität schmaler als normal
  • Obstruktive Atemwegserkrankung: „Sesselförmige“ Fluss-Volumen Kurve, exspiratorische Flusswerte sind erniedrigt

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 intrapulmonale Druck 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
    • Bei Inspiration sind die intrapleuralen Drücke deutlich negativer als bei Exspiration (siehe Tabelle von Druck in Lunge und Pleura weiter oben)
  • Ergebnis: Der Flächeninhalt (Druckdifferenz × Volumendifferenz) der Kurve entspricht der Atemarbeit, die sich aus elastischer Arbeit zur Überwindung der elastischen Retraktionskräfte und der viskösen Arbeit zur Überwindung u.a. der Strömungswiderstände der Atemwege zusammensetzt
• 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 Bodyplethysmografen)
  • Beschreibung: Schleifenförmige Kurve
    • Die Inspiration benötigt dabei höhere Drücke wegen des Strömungswiderstands
  • Ergebnis: Der Kehrwert der Kurvensteigung wird als Resistance bezeichnet, sie ist der dynamische Atemwegswiderstand

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
  • Lunge oder Thorax (allein): C = ΔV/ΔP
  • Gesamtsystem (Lunge + Thorax): 1/C_gesamt = 1/C_Lunge + 1/C_Thorax
• Schlussfolgerung
  • Compliance ist die Volumenänderung, die durch eine bestimmte 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.
  • Compliance des Thorax: Volumenänderung des Thorax pro Druckänderung im Pleuraspalt
  • Compliance der Lunge: Volumenänderung der Lunge pro Druckänderung in der Lunge im Vergleich zum Pleuraspalt
    • C_Lunge = ΔV_L/Δ(P_Pul-P_Pleu)
    • Hängt ab von (folgende Faktoren erniedrigen die Compliance)
      • Rückstellkraft der elastischen Fasern (für etwa ⅓ der Compliance verantwortlich)
      • Rückstellkraft durch die Oberflächenspannung in den Alveolen (für etwa ⅔ der Compliance verantwortlich) → Wird durch Surfactant verkleinert
• Bestimmung: mithilfe der Ruhedehnungskurve

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.

• Definition: Maß für den „aktiven“ Atemwegswiderstand, der durch die Reibung bei der Atmung und den Strömungswiderstand der Atemwege entsteht
• Normwert: 0,2 (kPa × s)/L
• Berechnung: R = Intrapulmonaler Druck / Volumenstromstärke
• Schlussfolgerung
  • Eine hohe Resistance bedeutet, dass zur Inspiration eines Volumens eine höhere Druckdifferenz zwischen Lunge und Außenluft hergestellt werden muss → Sie wirkt also gegenläufig zur Compliance
  • Eine hohe Resistance bedeutet auch, dass die Atemarbeit größer ist
• Physikalischer Hintergrund der Resistance
  • Strömungswiderstand der Atemwege nach Hagen-Poiseuille-Gesetz (ca. 90%)
    • Ist bei schneller Atmung (bspw. forcierte Exspiration) oder verengten Atemwegen erhöht → Höhere Resistance
    • Ist bei steigendem Lungenvolumen erniedrigt → Geringere Resistance
  • Reibung am Gewebe (ca. 10%)
• Regulation der Resistance über das vegetative Nervensystem: Erhöhter Sympathikotonus senkt, erhöhter vagaler Tonus steigert die Resistance
• Bestimmung: Durch Bodyplethysmografie

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!

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

Spirometrie

• Definition: Routineuntersuchung mit einem handlichen Pneumotachografen zur Bestimmung der Atemvolumina und Luftflussgeschwindigkeiten
• Bestimmbare Parameter
  • Exspiratorische Einsekundenkapazität (FEV₁)
  • Vitalkapazität (VC)
  • Peak-Exspiratory-Flow (PEF): Maximale Atemstromstärke bei forcierter Exspiration (in l/s); diese ergibt sich aus dem höchsten Punkt im Fluss-Volumen-Diagramm oder aus der Steigung am steilsten Punkt der Exspirationskurve im Volumen-Zeit-Diagramm
• Bei der Spirometrie im geschlossenen System entspricht die Abnahme des Spirometervolumens der O₂-Aufnahme der untersuchten Person, da das abgeatmete CO₂ absorbiert wird

Bodyplethysmografie

• Definition: Routineverfahren zum Ausschluss einer pulmonalen Funktionseinschränkung
• Prinzip
  • Analog zur Ruhespirometrie (s.o.), nur sitzt der Patient jetzt in einer abgeschlossenen Kabine (Ganzkörperplethysmograf)
  • Durch den sich ändernden Kabinendruck können die totale Lungenkapazität und das intrathorakale Gasvolumen bestimmt werden, da die Druckveränderungen in der Kammer umgekehrt proportional zu denen in den Alveolen sind (das Produkt aus Volumen und Druck nach Boyle-Mariotte bleibt konstant)
• Mögliche Indikationen
  • Bei mangelnder Kooperation/Mitarbeit des Patienten bzw. zur Objektivierung der spirometrischen Befunde
  • Verdacht auf ein Emphysem
• Bestimmbare Parameter
  • Alle Parameter der Spirometrie
  • Resistance (R, Atemwegswiderstand)
  • Residualvolumen
  • Totale Lungenkapazität: Es wird der Druck am geschlossenen Mundstück gemessen (sog. Verschlussdruckmessung).
    • Daraus lässt sich anschließend die Totalkapazität errechnen.
  • Intrathorakalem Gasvolumen (IGV, ITGV) : Kann ebenfalls über die Verschlussdruckmessung ermittelt werden
  • Mit einer zusätzlichen Ösophagusdrucksonde: Compliance

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 Bodyplethysmografie? Welche Lungenfunktionsparameter lassen sich zusätzlich zu den Parametern der Spirometrie bestimmen?

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

In Kooperation mit Meditricks bieten wir durchdachte Merkhilfen an, mit denen du dir relevante Fakten optimal einprägen kannst. Dabei handelt es sich um animierte Videos und Erkundungsbilder, die auf AMBOSS abgestimmt oder ergänzend sind. Die Inhalte liegen meist in Lang- und Kurzfassung vor, enthalten Basis- sowie Expertenwissen und teilweise auch ein Quiz sowie eine Kurzwiederholung. Eine Übersicht aller Inhalte findest du im Kapitel „Meditricks“. Meditricks gibt es in unterschiedlichen Paketen – für genauere Informationen empfehlen wir einen Besuch im Shop.

Lungenfunktion: Compliance und Resistance

Atmungsregulation

Inhaltliches Feedback zu den Meditricks-Videos bitte über den zugehörigen Feedback-Button einreichen (dieser erscheint beim Öffnen der Meditricks).

In Kooperation mit Effigos bieten wir dir die Möglichkeit, Anatomie auch in 3D zu erfahren. Die Inhalte sind vielfach auf AMBOSS abgestimmt oder ergänzend. Neben Komplettmodellen bieten wir dir auch sprach- oder textgeführte Exkurse zu einzelnen Themen. In allen Versionen hast du die Möglichkeit, mit den Modellen individuell zu interagieren, z.B. durch Schneiden, Zoomen oder Aus- bzw. Einblenden bestimmter Strukturen. Eine Übersicht über alle Inhalte findest du in dem Kapitel Anatomische 3D-Modelle. Die unterschiedlichen Pakete zu den 3D-Modellen findest du im Shop.

3D-Modelle

Exkurs

Modellansichten