Atmungswiderstände

Compliance

Die Lungencompliance C ist ein Maß für die Dehnbarkeit
Sie wird durch den Quotienten aus Volumen- und Druckänderung definiert

C = Compliance

V = Volumenänderung

P = Transmurale Druckdifferenz

Je stärker sich die transmurale Druckdifferenz bei einem zunehmenden Volumen verändert, desto geringer ist die Compliance. Das heißt: wenn sich der Druck bereits bei einer kleiner Volumenänderung erhöht ist die Dehnbarkeit gering
Die transmurale Druckdifferenz P ist vergleichbar mit dem Druckunterschied zwischen dem Inneren eines aufgeblasenen Luftballons und der Außenluft. Ein Luftballon aus Eisen wäre nur gering dehnbar. Bei einer geringen Volumenzufuhr würde der Druck stark zunehmen und man könnte keine Luft mehr in den Ballon pumpen oder der Ballon würde platzen. Bei einem Ballon aus einem dehnbaren Material kann man eine größere Menge aus Luft hinzufügen bis der Druck steigt
In Atemruhelage beträgt die Compliance etwa 1 L/kPa
Die Dehnungswiderstände von Thorax und Lunge tragen etwa gleich viel zum Dehnungswiderstand des Gesamtsystems bei
Berechnung der Lungen Compliance:

Transmuraldruck: Differenz des intrapulmonalen Drucks P_pul und des intrapleuralen Drucks P_pleu

Compliance von Lunge und Thorax

Die Lunge und der Thorax haben unterschiedliche elastische Eigenschaften
Die Compliance wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst
Die statische Compliance der Lunge beruht auf ihrer Eigenelastizität
Die Eigenelastizität setzt sich aus zwei Komponenten zusammen: den elastischen Fasern der Lunge und der Oberflächenspannung der Alveolen
Ein Verlust der Elastizität der Lunge erleichtert die Dehnung und erhöht die Compliance
Die Alveolen weisen eine Oberflächenspannung auf. Diese würde ohne entgegengesetzte Mechanismen zu einem Kollabieren der Alveolen führen. Die Oberflächenspannung erschwert, die Dehnung der Lunge
Der Surfactant-Faktor, der von Alveolarepithelzellen Typ II produziert wird, reduziert die Oberflächenspannung und erleichtert die Atemarbeit
Je geringer die elastischen Rückstellkräfte der Lunge sind, desto größer ist die Compliance
Die Compliance des Thorax wird maßgeblich durch passive Eigenschaften von Bändern und Muskeln bestimmt
Dehnbarkeit bedeutet, dass etwas gedehnt werden kann, während Elastizität beschreibt, dass es nach der Verformung wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehrt

Mangel an Surfactant-Faktor

Ein Mangel an Surfactant-Faktor führt zu einer Abnahme der Compliance der Lunge
Die Neigung der Alveolen zum Zusammenziehen wird stärker, der intrapleurale Druck wird negativer
Schlecht belüftete Bereiche der Lunge können kollabieren und nehmen nicht am Gasaustausch teil
Die Durchblutung dieser Bereiche führt zu einem funktionellem Rechts-links-Shunt mit einem Blut, das unzureichend oxygeniert wurde und unzureichend Kohlenstoffdioxid abgegeben hat
Reflektorische Vasokonstriktion der Lungengefäße im Bereich niedriger alveolärer O₂-Partialdrücke verhindert intrapulmonale Shunts (Euler-Liljestrand-Mechanismus)
Der Surfactant wird erst ab einer bestimmten Schwangerschaftswoche (ca. ab der 20 Schwangerschaftswoche) gebildet und erreicht ca. in der 35 Schwangerschaftswoche eine ausreichend hohe Konzentration. Erst ab einer bestimmten Surfactant-Konzentration kann eine ausreichend gute Ventilation der Lungen der Neugeborenen erfolgen. Bei Frühgeborenen kann zur Beschleunigung der Lungenreifung kurz vor der Geburt eine Therapie mit Betamethason, das ein Glukokortikoid ist, erfolgen. Dieses wird kurz vor der Geburt der Mutter zweimalig intramuskulär appliziert

Resistance

Resistance bezeichnet den Widerstand, den die Atemluft in den Atemwegen überwinden muss.

Sie entsteht durch Strömungswiderstand und Reibung in den Atemwegen
Maß für den "aktiven" Atemwegswiderstand, hat einen Normwert von 0,2 (kPa × Sekunde)/Liter
Die Ventilation (Luftbewegung) erfolgt durch den intrapulmonalen Druck. Ist dieser negativ strömt die Luft in die Lunge, ist dieser positiv strömt die Luft aus der Lunge aus. Je höher der intrapulmonale Druck ist, der für die gleiche Volumenstärke benötigt wird, desto höher ist die Resistance, also der Atemwegswiderstand
Eine hohe Resistance erfordert eine höhere Druckdifferenz für die Erzeugung der gleichen Volumenstärke, sie erhöht auch die Atemarbeit
Der Strömungswiderstand ist umgekehrt proportional zur 4. Potenz des Bronchialradius
Eine schnelle Atmung oder verengte Atemwege erhöhen die Resistance. Ein erhöhtes Lungenvolumen erniedrigt die Resistance
Die Regulation erfolgt über das vegetative Nervensystem (ein erhöhter sympathischer Tonus senkt und ein erhöhter vagaler Tonus steigert die Resistance)
Acetylcholin, Noradrenalin, Adrenalin und Histamin beeinflussen den Atemwegswiderstand durch die glatte Bronchialmuskulatur
Adrenalin senkt den Atemwegswiderstand durch eine Aktivierung der β2-Adrenorezeptoren
Bestimmung durch Bodyplethysmographie
Bei obstruktiven Atemwegserkrankungen wie Asthma oder einer COPD besteht eine Verengung der Atemwege

Bestimmung der Resistance

Ein in der Klinik gängiges Verfahren, um die Resistance zu messen, ist die Ganzkörperplethysmographie

Sie ermöglicht eine Messung der Atemwegswiderstände und des Lungenvolumens, was wichtige Informationen zur Diagnose und Verlaufskontrolle von Lungenkrankheiten liefert
Sie kann bei verschiedenen Atemwegserkrankungen wie bei einem Asthma, einer COPD und einer Lungenfibrose eingesetzt werden
Es ermöglicht die Beurteilung von Veränderungen des Atemwiderstands und des Lungenvolumens, sowohl während der Inspiration als auch der Exspiration
Die Messergebnisse sind unabhängig von der Mitarbeit der zu untersuchenden Person und eignen sich daher auch zur Diagnose von Berufskrankheiten

Einsekundenkapazität (FEV₁)

Die absolute Einsekundenkapazität beschreibt das Volumen, das in einer Sekunde forciert ausgeatmet werden kann. Die Messung erfolgt mittels des sogenannten Tiffeneau-Testes (nicht zu verwechseln mit dem Tiffeneau-Index):

Der Proband atmet so tief wie möglich ein und atmet dann so schnell und kräftig wie möglich aus (forcierte Exspiration)
Aus dem Spirogramm wird das Volumen dargestellt, das in der ersten Sekunde der Exspiration ausgeatmet wurde (= forciertes exspiratorisches Volumen = FEV1)
Die Vitalkapazität reicht vom Volumen der maximalen Exspiration bis zum Volumen der maximalen Inspiration
Der Tiffeneau-Index berechnet sich aus dem FEV1 geteilt durch die Vitalkapazität. Er eignet sich zu einer Differenzierung zwischen obstruktiven und restriktiven Ventilationsstörungen
Eine rFEV1 von unter 70-80% deutet auf eine erhöhte Resistance hin

Obstruktive und restriktive Ventilationsstörungen

Obstruktive Ventilationsstörung:

Bei einer obstruktiven Ventilationsstörung sind die Atemwege eingeengt, was den Luftstrom reduziert und das Ausatmen erschwert. Es kann durch verschiedene Erkrankungen wie durch ein Asthma, eine chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) oder Bronchiektasen verursacht werden

Restriktive Ventilationsstörung:

Bei einer restriktiven Ventilationsstörung ist die Lungenfunktion eingeschränkt, da die Lungen nicht mehr so weit ausgedehnt werden können wie normalerweise. Dies kann durch Erkrankungen wie eine Lungenfibrose, Sklerodermie oder Muskelerkrankungen verursacht werden. Im Gegensatz zur obstruktiven Ventilationsstörung ist die Einatmung bei einer restriktiven Störung erschwert, während die Ausatmung meist normal bleibt

Differenzialdiagnose:

Obstruktive und restriktive Ventilationsstörungen lassen sich anhand verschiedener Messwerte differenzieren
Bei einer obstruktiven Ventilationsstörungen ist aufgrund des erhöhten Atemwegswiderstandes die Ausatmung erschwert und daher der FEV1-Wert vermindert
Bei einer restriktiven Ventilationsstörung kann die Lunge nicht mehr maximal ausgedehnt werden. Daher kommt es bei einer restriktiven Ventilationsstörung insbesondere zu einer Abnahme der Vitalkapazität
Bei einer obstruktiven Ventilationsstörung nimmt das FEV1 im Verhältnis zur Vitalkapazität überproportional stark ab
Bei einer restriktiven Ventilationsstörung nimmt insbesondere die Vitalkapazität ab, während das FEV1 normal oder nur leicht vermindert ist
Der Tiffeneau-Index ist daher bei einer obstruktiven Ventilationsstörung vermindert und einer restriktiven Ventilationsstörung normal

Merkmal	Obstruktion	Restriktion
FEV1	Vermindert ↓	Normal oder vermindert ↓
Tiffeneau-Index (FEV1/VC)	Vermindert ↓	Normal n
Vitalkapazität	Normal oder vermindert ↓	Vermindert ↓
Residualvolumen	Erhöht oder normal ↑/n	Vermindert ↓
Totale Lungenkapazität	Erhöht oder normal ↑	Vermindert ↓
Resistance	Erhöht ↑	Normal n
Compliance	Normal n	Vermindert ↓

Bei restriktiven Ventilationsstörungen sind peak exspiratory flow (PEF) und das Kurvenmuster größtenteils normal, jedoch ist die Vitalkapazität reduziert.

Bei obstruktiven Ventilationsstörungen ist der PEF vermindert, die Kurve erscheint konkav und die Vitalkapazität ist normal bis leicht verringert.

Charakteristisch für obstruktive Ventilationsstörungen, bei denen der Atemwegswiderstand erhöht ist, ist eine Reduzierung der dynamischen Atemparameter: FEV1/Vitalkapazität (Tiffeneau-Index), PEF, Einsekundenkapazität und Atemgrenzwert.

Bei restriktiven Ventilationsstörungen (verringerte Lungenbeweglichkeit) ist die Vitalkapazität vermindert, jedoch bleiben die dynamischen Atemparameter unbeeinträchtigt. Somit liegt ein normaler Tiffeneau-Index vor.

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