Atemmechanik und Lungenvolumina
Wie Zwerchfell, Zwischenrippenmuskeln und der Unterdruck im Pleuraspalt Luft in die Lunge und hinaus bewegen und wie man die dabei bewegten Volumina benennt.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Atemmechanik beschreibt, wie Volumenänderungen des Thorax Druckdifferenzen zur Atmosphäre erzeugen und so Luft in die Lunge und hinaus bewegen.
- Die Pleuraflüssigkeit koppelt Lunge und Thoraxwand aneinander und lässt die Lunge zugleich an der Wand gleiten.
- Bei der Inspiration kontrahiert das Zwerchfell (Kuppel senkt sich, flacht ab), und die äußeren Interkostalmuskeln heben die Rippen.
- Der intrapleurale Druck sinkt bei der Inspiration von etwa −0,5 auf −0,8 kPa und entfaltet die Lunge; bei forcierter Exspiration kann er positiv werden.
- Die Ruheexspiration ist passiv durch elastische Rückstellkräfte; bei forcierter Ausatmung hilft die Anspannung der Bauchmuskulatur.
- Totalkapazität = Vitalkapazität + Residualvolumen; die funktionelle Residualkapazität bleibt nach normaler Ausatmung in der Lunge.
Worum es geht
Atmen heißt, Luft über Druckunterschiede in die Lunge und wieder hinaus zu bewegen. Die Atemmechanik erklärt, welche Muskeln diese Druckunterschiede erzeugen und welche Volumina dabei bewegt werden. In der Pharmazie braucht man das, um Spirometriewerte bei Asthma oder COPD zu lesen.
Prinzip der Ventilation
Luft strömt immer vom höheren zum niedrigeren Druck. Die Lunge besitzt keine Muskulatur, die sie selbst aufbläht. Angetrieben wird die Atmung deshalb durch Volumenänderungen des Thorax.
Nach Boyle-Mariotte gilt bei konstanter Temperatur \(p \cdot V = \text{konstant}\). Wächst das Volumen der Alveolen, sinkt ihr Druck unter den Atmosphärendruck, und Luft strömt ein. Wird der Thorax kleiner, steigt der Alveolardruck über den Atmosphärendruck, und Luft strömt aus. Am Ende jedes Atemzugs sind beide Drücke wieder gleich.
Kopplung von Lunge und Thorax
Die Lunge folgt den Bewegungen des Brustkorbs nur, weil sie mit ihm verbunden ist. Diese Verbindung leistet der Pleuraspalt zwischen Lungen- und Rippenfell. Er enthält lediglich einen dünnen Flüssigkeitsfilm.
Die Pleuraflüssigkeit erfüllt zwei Aufgaben zugleich. Sie hält Lungenoberfläche und Thoraxwand ständig aneinander gekoppelt. Gleichzeitig kann die Lunge bei jedem Atemzug an der Wand entlanggleiten. Das funktioniert wie bei zwei nassen Glasplatten: Man kann sie gegeneinander verschieben, aber kaum auseinanderziehen.
Inspiration
Hauptatemmuskel ist das Zwerchfell. Bei Ruheatmung treibt seine Kontraktion die Einatmung überwiegend an. Auslöser sind Nervenimpulse aus dem Atemzentrum, die über den N. phrenicus zum Zwerchfell laufen. Kontrahiert der Muskel, senkt sich die Zwerchfellkuppel und flacht ab. Der Brustraum wird dadurch vor allem nach unten größer.
Gleichzeitig kontrahieren die äußeren Interkostalmuskeln. Sie heben die Rippen und erweitern den Brustkorb nach vorn und zur Seite. Beide Bewegungen zusammen vergrößern den Brustraum, wie die Abbildung zeigt.
Die Zuordnung der Atemmuskeln wird im Examen gerne gefragt: Bei der Inspiration kontrahieren Zwerchfell und äußere Interkostalmuskeln, die Kuppel senkt sich und die Rippen heben sich. Achte darauf, dass die Bauchmuskulatur zur Hilfsmuskulatur der Ausatmung gehört, nicht der Einatmung.
Die glatte Bronchialmuskulatur treibt die Einatmung nicht an. Sie verändert nur die Weite der Atemwege und damit den Atemwegswiderstand.
Intrapleuraler Druck
Lunge und Thorax ziehen in entgegengesetzte Richtungen. Die Lunge will sich durch ihre elastische Retraktion zusammenziehen. Der Brustkorb federt dagegen nach außen. Im Pleuraspalt dazwischen entsteht so ein Sog.
Der intrapleurale Druck ist der Druck im Pleuraspalt, angegeben relativ zum Atmosphärendruck. In Ruhe ist er negativ, also ein Unterdruck von etwa −0,5 kPa am Ende der Ausatmung.
Bei der Inspiration zieht der sich erweiternde Thorax noch stärker an der Lunge. Der intrapleurale Druck sinkt auf etwa −0,8 kPa, wird also negativer. Dieser stärkere Unterdruck entfaltet die Lunge, und der Alveolardruck fällt kurz unter null. Der Pleuraspalt selbst wird dabei nicht weiter. Die Flüssigkeit lässt sich nicht dehnen, und die Lunge folgt der Wand unmittelbar.
Bei der Exspiration steigt der Pleuradruck wieder auf den Ausgangswert. Bei forcierter Ausatmung kann im Pleuraspalt sogar ein Überdruck entstehen. Er presst die Lunge zusammen.
Exspiration
Die Ruheexspiration verläuft weitgehend passiv. Das Zwerchfell entspannt sich, und seine Kuppel steigt wieder. Die Eigenelastizität von Lunge und Brustkorb zieht den Thorax zurück in die Ausgangsstellung. Diese elastischen Rückstellkräfte treiben die Ausatmung an, ohne dass Muskelarbeit nötig ist.
Bei forcierter Ausatmung helfen Muskeln nach. Die Anspannung der Bauchmuskulatur drückt die Bauchorgane gegen das Zwerchfell und schiebt es nach oben. Ein Entspannen der Bauchmuskeln trägt dagegen nichts bei. Auch eine Kontraktion der Bronchial- oder Trachealmuskulatur erzeugt keine Ausatembewegung, denn sie verengt nur die Atemwege.
Lungenvolumina und Kapazitäten
Ein Spirometer misst, wie viel Luft ein- und ausgeatmet wird. Volumina sind dabei einzelne, nicht überlappende Abschnitte. Kapazitäten sind Summen aus mehreren Volumina. Die Richtwerte gelten für einen jungen Mann.
| Größe | Bedeutung | Richtwert |
|---|---|---|
| Atemzugvolumen | Volumen eines Ruheatemzugs | 0,5 L |
| Inspiratorisches Reservevolumen | nach normaler Einatmung zusätzlich einatembar | 2,5 L |
| Exspiratorisches Reservevolumen | nach normaler Ausatmung zusätzlich ausatembar | 1,5 L |
| Residualvolumen | bleibt nach maximaler Ausatmung in der Lunge | 1,5 L |
| Funktionelle Residualkapazität | bleibt nach normaler Ausatmung in der Lunge (ERV + RV) | 3 L |
| Vitalkapazität | nach maximaler Einatmung maximal ausatembar (IRV + AZV + ERV) | 4,5 L |
| Totalkapazität | Vitalkapazität + Residualvolumen | 6 L |
Residualvolumen: Rest nach maximaler Ausatmung. Funktionelle Residualkapazität: Rest nach normaler Ausatmung. Die Vitalkapazität enthält das Residualvolumen nicht.
Ein Rechenbeispiel: Eine Patientin hat eine Vitalkapazität von 3,8 L, ein Residualvolumen von 1,2 L und ein exspiratorisches Reservevolumen von 1,0 L. Ihre Totalkapazität beträgt 3,8 L + 1,2 L = 5,0 L. Ihre funktionelle Residualkapazität liegt bei 1,0 L + 1,2 L = 2,2 L.
Das Residualvolumen verlässt die Lunge nie. Ein Spirometer kann es daher nicht erfassen, ebenso wenig die Kapazitäten, die es enthalten. Man bestimmt sie mit Verfahren wie der Ganzkörperplethysmographie.
Quiz
Aussage 1
Die Vitalkapazität schließt das Residualvolumen mit ein.
Die Vitalkapazität ist das nach maximaler Einatmung maximal ausatembare Volumen. Erst Vitalkapazität plus Residualvolumen ergibt die Totalkapazität.
Aussage 2
Bei forcierter Ausatmung kann im Pleuraspalt ein Druck oberhalb des Atmosphärendrucks entstehen.
Während der Exspiration, besonders der forcierten, ist ein intrapleuraler Überdruck möglich.
Aussage 3
Die funktionelle Residualkapazität ist das Luftvolumen, das nach einer normalen Ausatmung in der Lunge verbleibt.
Sie setzt sich aus exspiratorischem Reservevolumen und Residualvolumen zusammen. Das Residualvolumen allein bleibt nach maximaler Ausatmung zurück.
Aussage 4
Weil der intrapleurale Druck bei der Inspiration sinkt, wird der Pleuraspalt dabei breiter.
Der Pleuraspalt erweitert sich nicht. Der stärkere Unterdruck entfaltet die Lunge, die der Thoraxwand unmittelbar folgt.
Aussage 5
Die Bauchmuskulatur unterstützt als Atemhilfsmuskulatur vor allem die Einatmung.
Die Bauchmuskulatur ist Hilfsmuskulatur der Ausatmung. Ihre Anspannung schiebt das Zwerchfell nach oben.
Aussage 6
Bei der Einatmung heben die äußeren Interkostalmuskeln durch ihre Kontraktion die Rippen.
Zusammen mit dem Zwerchfell vergrößern die äußeren Interkostalmuskeln so den Brustraum.
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