Atemfluss und -volumen: Hintergrund

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 - 85-90% 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.

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

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 VT 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

Bevor Sie mit dem Labor beginnen, sollten Sie mit den folgenden Begriffen vertraut sein:

               Begriff                   Abkürzung/Symbol          Abkürzung/Symbol
                                                                    Atemzüge/Minute
 Atmungsrate                             RR
                                                                  (BPM)
 Expiratorisches
                                         VE = RR x VT               l/min
Atemminutenvolumen
                                      Lungenvolumen
  Atemvolumen                           VT                          l
  Inspiratorisches Reservevolumen       IRV                         l
  Expiratorisches Reservevolumen        ERV                         l
  Residualvolumen                       RV (Vorhaltewert)           l
                                    Lungenkapazitäten
  Inspirationskapazität                 IC = VT + IRV               l
  Exspirationskapazität                 EC = VT + ERV               l
  Vitalkapazität                        VC = IRV + VT + 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
                                        FEV1                        l
(1 Sekunde)
  In einer Sekunde exspirierte FCV in
                                        FEV1 / FVC x 100
%

Übung 1: Lungenvolumen und -kapazitäten
Zeigen Sie mithilfe der Schaltflächen für die horizontale Komprimierung und der
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“).

Studienfragen

   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

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
Zeigen Sie mithilfe der Schaltflächen für die horizontale Komprimierung und der
Bildlaufleiste die Daten für Übung 2 an, die in den Bericht aufgenommen werden sollen.

Studienfragen

   1. Kommentieren Sie die Unterschiede zwischen den Experimentier- und
      Vorhaltewerten für FVC, FEV1 und das FEV1/FVC-Verhältnis in der oben stehenden
      Tabelle. Wodurch können solche Unterschiede ggf. entstehen?
   2. Beschreiben Sie mit eigenen Worten die physiologische Bedeutung des FEV1/FVC-
      Verhältnisses.
   3. Waren die Ergebnisse für die forcierte Atmung in allen drei Versuchen konsistent?
      Falls nicht, warum nicht?

Übung 3: Simulation von Atemwegseinschränkungen
Zeigen Sie mithilfe der Schaltflächen für die horizontale Komprimierung und der
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.

Studienfragen

   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
Zeigen Sie mithilfe der Schaltflächen für die horizontale Komprimierung und der
Bildlaufleiste die Daten für Übung 4 an, die in den Bericht aufgenommen werden sollen.

Studienfragen

   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?

Quiz:

1. Tidal volume (VT):
   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 (FEV1):
   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.