Anatomie und Physiologie der Atemwege. Jürgen Hellenbroich FKP A/I

Anatomie und Physiologie der Atemwege

Jürgen Hellenbroich FKP A/I

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Anatomie

• Respiratorisches System:

alle Organe, Gewebe und Strukturen, die am Gasaustausch beteiligt sind.

• Atemwege, Lungen, pulmonale Zirkulation, Atemmuskulatur,..

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Funktion

• Äußere Atmung ( Gasaustausch )

• Stimmbildung

• Filterfunktion der Kapillaren

• Metabolische Leistungen:

→ Angiotensin 1 → AT 2

→ Serotonin

• Puffer für Blutvolumen

Atmung = Gasaustausch

Atemluft Atembewegung

Blut Alveole

Gewebe, Zellen, Mitochondrien

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Obere Luftwege

• Mund

• Nase

• Rachen ( Pharynx ) (=> 7.2.2)

• Kehlkopf ( Larynx ) (=> 7.2.3)

→anatom. Grenze zum Tracheobronchialbaum Aufgabe: Leitung, Filterung, Erwärmung und

Befeuchtung der Atemluft

Nase

(=> Buch 7.2.1)

• Knöchernes Gerüst

• Naseneingang mit grobem Filter

• Nasenmuscheln

• Nasendach: Riechepithel

• Turbulenter Luftstrom => guter Kontakt zwischen Luft und Schleimhaut

• Filterung von Fremdkörpern > 5 m

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Nase

Atemgas wird durch dichte Blutgefäße erwärmt:

→ bereits in der Trachea wird Körpertemperatur erreicht

Mund

• Funktionelle Struktur ist abhängig von momen- taner Funktion:

• Essen, Trinken, Sprechen, Singen,..

• Nasenatmung: Zunge füllt den Mund aus

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Pharynx

• Muskelschlauch von Choanen bis Kehlkopfeingang

• Nasopharynx: oberhalb des weichen Gaumens

→Flimmerepithel

• Oropharynx: zwischen weichem Gaumen und Zungengrund → Schleimhaut ohne Zilien

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Pharynx

Funktion:

• Schluckakt

• Stimmbildung

• Immunabwehr ( Mandeln )

• „Waldeyerscher Rachenring“

Larynx

• Vor HWS und Ösophagus

• Öffnung: Glottis

• Kehldeckel: Epiglottis

• Schild- und Ringknorpel

• Membrana cricothyroidea

• Stimmbänder

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Larynx

• Riegelt intrathorakale Luftwege durch Verschluss der Stimmritze ab

• Innen reich an Nervenfasern

→ Hustenreflex bei Reizung

• Husten: Drucksteigerung unter Glottisschluss und nachfolgende plötzliche Glottisöffnung

→ lokal riesige Stromstärken

Tracheobronchialbaum

Untere Luftwege

1. Tracheobronchialbaum 2. Lungenparenchym

Tracheobronchiale Röhren

→ Flimmerepithel

→ Schleimdrüsen

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Tracheobronchialbaum

• Glatte Muskulatur Knorpelschicht:

verschwindet nach peripher

• Mukoziliare Clearance (=> „Cough Assist“)

• 100 ml Bronchialsekret / Tag

• 2 cm / min. in Richtung Mund

Reinigung der Atemluft

(=> Buch 7.3 und 13.1)

• Schleim aus Nase, Rachen, Trachea

• Phagozytose

• Flimmerepithel: Rücktransport

• Zilien: Schlagfrequenz: 5 – 15/s, Transportgeschwindigkeit:

1mm/s (unten), 2cm/min (obere Atemwege)

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Trachea

• Ringknorpel ( Höhe 6.HWK ) bis Carina ( Höhe 5. BWK )

• 10-12 cm lang

• Durchmesser: 1,5 –2 cm

• Querschnitt c-förmig

• 16-20 hufeisenförmige Knorpelspangen

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Bronchien

• 23 Generationen bis Alveolen

• Linker Hauptbronchus:

40-60 Grad abweichend von vertikaler Achse Durchmesser: ca. 8,5 mm

• Re. Hauptbronchus:

20-30°, größerer Durchmesser (ca. 10 mm )

Bronchien

• Subsegmentbronchien

→ 5.-10. Generation

• Bronchiolen: > 10. Generation 16. Generation:

→ Ende des luftleitenden Systems

(terminale Bronchien) und Übergang in Lungenparenchym

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Lungenparenchym

• Respirat. Bronchiolen: 17.-19. Gen.

• Aufzweigung in Alveolen

• Je nach Körpergröße ca. 200-500 Mio.

Alveolen (Fläche: ca. 100 m², Ø: 0,1 – 0,2 mm)

• Gasaustausch:

alveolo-kapilläre Membran ( 0,3-1 m )

• Luft-Flüssigkeitsgrenzschicht

→ Surfactant: Oberflächenspannung 

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Lungengefäße

• Pulmonale Zirkulation:

gleiches HZV, aber geringere Drücke und Widerstände

• Kapillaren: dichtes Netz um Alveolen

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Thorax

• Bewegliches Knochen-Knorpel-Gerüst

• Konische Form

• Schützt Organe im Brustraum

• Fixierung von Lunge und Atemmuskeln

• Luftbewegung durch Volumenveränderung am Thorax

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Thorax

• Ruhe: nur Inspiration abhängig von Muskel- kraft

• Forcierte Atmung: auch Exspiration aktiv

• Inspirationsmuskulatur

→ Zwerchfell, Intercostalmusk.

• Hilfsmuskulatur

→ Mm. scaleni, sternocleidomastoidei trapezii, pectorales

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Atemregulation

• Ziel: Anpassung an Stoffwechselbedürfnisse des Organismus

• Modifikation beim Schlucken, Husten, Niesen, Singen und Sprechen

• Atmungszentren in Medulla oblongata

Atemregulation

• Dehnungsrezeptoren in Trachea, Bronchien und Bronchiolen

• Über Nervus vagus (X) an Zentrum

• Hering-Breuer-Reflex

• pH-vermittelte Atemantwort auf Sauerstoff- und Kohlendioxid-Partialdrücke

• Unspezifische Atemantriebe ( Fieber, Kälte, Schmerz, Hormone,... )

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Atemregulation

• Atemmuskulatur: innerviert aus .... Cervikalem Rückenmark: C3-8 .... Thorakalem Rückenmark: T1-7

• Bahnen aus Medulla oblongata

• Zwechfellinervation durch n. phrenicus Merke:

C 3,4,5 makes the diaphragm alive

Physiologie der Atmung

• Chemische / Physikalische Gesetze wegwei- send

• Strömung des Atemgases zwischen Umgebung und Alveole abhängig von verschiedenen

Kräften und Widerständen

• Diffusion der Atemgase durch Partialdruck- unterschiede zwischen Alveolargas und Blut

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Atmung

• Treibende Kraft: unterschiedliche Drücke in Alveole und Außenluft

• Inspiration: p_alv < P _atm Lungenvolumen 

Zwerchfell ( ca. 2/3 ), Mm. Scaleni, Mm.

intercostales

• Exspiration: P_alv > p _atm

fast vollständig passiv, zstzl. Mm.

Intercostales

Warum folgt die Lunge ?

• Pleura mit Pleuraflüssigkeit

• Lunge: Eigenelastizität

Oberflächenspannung

→ Tendenz zur Verkleinerung

→ Lunge bleibt an Tx-Innenseite haften → Sog

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Drücke während Atmung

• Spontanatmung: Unterdruck der Alveolen gegenüber der Atmosphäre

• Intrathorakaler Druck sinkt, wird negativer

→ Blutrückstrom ebenfalls begünstigt

Statische Eigenschaften

• Pleuraraum mit Flüssigkeitsfilm

• Pleura parietalis(Rf) / Pleura viszeralis (Lf)

• Atemruhelage: negativer Druck

Urs.: elastische Rückstellkräfte der Lunge und des Thorax

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Surfactant

• Setzt Oberflächenspannung herab

• Atemzyklus variiert Alveolaroberfläche und damit die Dicke des SF-Films

• Exspiration: Alveolen klein, SF-Film dick, OF-Spannung gering

→ Alveolarkollaps verhindert

Surfactant

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Surfactant

Bestandteile: Lipide 85%

Proteine 2-12%

Halbwertszeit: 12 -24 h

Menge: ca. 10-15 mg/kg KG Synthese: Typ 2-Alveozyten

→ durch Kortikoide, Adrenergika, Cholinergika, Prostaglandine,

Östrogene, Schilddrüsenhormone und mechanische Effekte 

Surfactant

• Herabsetzung der Oberflächenspannung an der Luft-Flüssigkeitsgrenze

• Mech. Stabilisierung: Atemarbeit

Compliance 

• Grundlage für normales Atmen ohne große Kraftanstrengung

• Stabilisierung der kleinen Atemwege Anti-Atelektase-Faktor

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Surfactant

• Verstärkung von lokalen Abwehrmechanismen

• Barriere gegen Mikroorganismen

• Direkte Bakterizide

• Makrophagenaktivität 

• Transport ( Schleim und Partikeln )

• Antioxidative Wirkung

Immunologische Funktion

Resistance

(=> 7.6.4!!)

Maß für den Atemwegswiderstand R =  P / Flow ( mbar / l / sec. )

Druckänderung, die erforderlich ist,

um Luftsäule mit bestimmter Geschwin- digkeit in die Lungen zu insufflieren

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Erhöhung der Resistance

• Sekret

• Schleimhautschwellung

• Bronchospasmus

• Emphysem

• Fremdkörper

• Tumorstenose

elastische

Rückstellkräfte

• Charakterisierbar durch Volumendehnbarkeit der Lunge

• ca. 150 ml / cm H₂O

• Beurteilung vom Schweregrad einer Lungenschädigung

• Oberflächenspannung als wichtigster Faktor

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Compliance

(=> 7.6.4!!!)

Maß für Lungendehnbarkeit

Verhältnis von Volumenänderung zu damit verbundener Druckänderung C = V / P ( ml / mbar )

Ruhedehnungskurve:

statische Compliance errechenbar

Verminderung der Compliance

• ARDS

• Pneumonie

• Lungenödem

• Lungenfibrose

• Atelektasen

• Aspiration

• Pneumothorax

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Lungenvolumina und

kapazitäten

Funktionelle

Residualkapazität

• Volumen, das sich am Ende einer ruhigen Exspiration in den Lungen befindet

→ Norm: 3 –3,5 Liter

→ Maß für Gasaustauschfläche Ursachen für verminderte FRC:

Rückenlage, Adipositas, Oberbauch-OP,

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Physiologie der Alveole

• Druckverhältnisse (CHIANTI-BOTTLE )

• Druckanstieg ohne Volumengewinn bis kritischer Eröffnungsdruck erreicht

• Starker Volumenzuwachs bis limitiertes Volumen erreicht ( Expansion begrenzt )

• Erneuter Druckanstieg

• Erhaltungsdruck umso kleiner, je höher die FRC

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Physiologie der Alveole

• Kritischer Verschlußdruck:

ca. 3-5 mmHg bei gesunder Alveole

• Hohe intraalveoläre Drücke sind

vergleichsweise harmlos ( Trompeter,

Glasbläser, Husten, Geburt: 220 cm H₂O)

Sauerstoff: Energie für alle Lebensvorgänge

• Grundlage zur Verbrennung aller Nährstoffe

• Verbrauch ca. 300 ml / min.

• Steigend bei Fieber, Unruhe, Zittern, Schmerzen,...

• Fallend bei Hypothermie, Sedierung, Relaxierung, Narkose,...

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Weg des Sauerstoff

Atmung Alveole Kapillare Blut Pulmonalvenen

Li. Herz Aorta/Arterien

Periphere Gewebe Kapillare Zelle

Gasaustausch

(=> 7.7!!)

• Ventilation: (=> 7.6.3!)

In- und Exspiration

• Diffusion: (=> 7.7.1!)

Übertritt der Gase in Blut oder Alveole

• Perfusion: (=> 7.7.2!)

Lungendurchblutung

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Totraum

(=> 7.6.6)

Ventilierte Areale, die nicht perfundiert werden.

Anat.: Nasen, Rachen, Trachea: ca. 150 ml Alveolär: Teil des Atemgases wird durch Minderperfusion nicht ausgenutzt ( gering ) Fktll.: Anatomisch + Alveolär

Ges.: ca. 30% des Atemzugvolumens

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Alveoläre Ventilation

• Teil des Atemzeitvolumens, welcher am Gasaustausch teilnimmt

• Totraumventilation abhängig von der Atem- frequenz

→ wenige, tiefe Atemzüge sind wesentlich effizienter als viele flache !!

Ventilations-

Perfusionsstörungen

(=> 9.2.3)

Verhältnis von Ventilation zur Perfusion

• Alveol. Ventilation: ~ 4-5 L / min.

• Herzzeitvolumen: ~ 5 L / min.

• Normal: V_alv / HZV = 0,8

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Lungenperfusion

• Niederdrucksystem

• Mittlerer Blutdruck 14 mmHg in der Pulmonalarterie

• Lungenperfusion erheblich durch Schwerkraft beeinflußt und inhomogen

Lungenperfusion

• 3-Zonen-Modell nach J.B. West

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Lungenperfusion

(=> 9.2.3!!!)

Hypoxische pulmonale Vasokonstriktion

→ Euler-Liljestrand-Mechanismus

Alveoläre Hypoventilation bewirkt reflektorische Engstellung des zugehörigen Gefässystems

→ Blut aus schlecht belüfteten Arealen wird zu besser ventilierten Bezirken geshuntet.

Sauerstofftransport

• Blut als Transportorgan

• Blutfluß abhängig vom Herzzeitvolumen und den Widerständen im Gefäßbett der Organe

• Sauerstoffmenge im Blut bestimmt durch Hb und Affinität des HB zum O₂

• Hb + O₂ = Hb O₂

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Sauerstofftransport

• Hämoglobin hat 4 Häm-Komplexe

→ Bindung von 4 Molekülen möglich

→ Affinität steigt mit jedem Molekül

Untersuchungsmethoden

(=> 9.1)

• Körperliche Untersuchung

• Atemfrequenz

• Inspektion der Atmung

• Palpation

• Perkussion

• Auskultation

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Auskultation

(=> 9.1.2!!)

• Seitendifferenz ?

• Rasselgeräusche ?

→ trocken: Giemen, Brummen, Pfeifen ( Spastik )

→ Feucht: Lungenödem Bronchitis

• Verschärft, abgeschwächt,...

Sonographie

• Pleuraergüsse

• Perikarderguß

• Abdomineller Befund ?