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Skript zum eLearning-Praktikum
„Atmungsregulation und Energieumsatz“
UNIVERSITÄT LEIPZIG
MEDIZINISCHE FAKULTÄT
CARL-LUDWIG-INSTITUT FÜR PHYSIOLOGIE VERSION 2021
Stichwörter für Atmungsregulation: Partialdruck: pO2, pCO2; Sauerstoffsättigung, Sauerstoffbindungskurve des Hämoglobins, Atemäquivalent, Zusammensetzung von atmosphärischer Luft und Alveolarluft; Atemzentrum, Chemorezeptoren, CO2- und O2-Antwortkurven
Stichwörter für Energieumsatz: Sauerstoffaufnahme, Sauerstoffverbrauch, Energiebegriff, Grundumsatz (Bedingungen, spezifisch-dynamische Wirkung), Leistungsumsatz, Wirkungsgrad, direkte Kalorimetrie, indirekte Kalorimetrie (O2–Messung, respiratorischer Quotient, kalorisches Äquivalent, physikalischer und physiologischer Brennwert)
Lernziele:
Nach der Vorbereitung und Durchführung des Praktikumsversuchs sind Sie in der Lage:
- die chemische Atmungsregulation zu beschreiben und die unterschiedlich starken Einflüsse von pO2 und pCO2 zu interpretieren,
- den Zusammenhang zwischen Sauerstoffaufnahme und Energieumsatz zu erklären,
- die Messung der Sauerstoffaufnahme und die Bestimmung des Energieumsatzes mittels der indirekten Kalorimetrie zu erläutern sowie den Begriff Grundumsatz zu definieren,
- den Einfluss der Arbeitsform auf den Wirkungsgrad zu interpretieren.
Unter folgendem Link finden Sie Videos und Materialien zu den Versuchen. Als Login/Passwort nutzen Sie die ebenfalls für das KIS (klinikintegrierendes Seminar) gültigen Angaben.
http://physiologie.medizin.uni-leipzig.de/e_learning/Atmungsregulation/index.php
Allgemeine Hinweise zum eLearning-Skript
Liebe Studierende,
aufgrund der nach wie vor bestehenden Einschränkungen findet das Physiologie-Praktikum nicht als Präsenzveranstaltung sondern in elektronischer Form statt. Die elektronischen Praktika sind Pflichttermine, deren regelmäßige Teilnahme anhand der abzugebenden Protokolle überprüft wird.
Dokumentieren Sie die Ergebnisse Ihrer Auswertungen im Teil „Protokoll“ des eLearning-Skripts und senden sie dieses als PDF-Datei per Email bis Ende der jeweiligen Woche an den Praktikumsleiter*
zurück.
Alle auftretenden Fragen senden Sie per Email an uns. Wir werden die Fragen zeitnah beantworten und ausführliche Antworten zusammen mit den Musterergebnissen in einem „Lösungsskript“ ab 29. Januar 2021 auf der Praktikums-Webseite veröffentlichen.
Leipzig, den 08.01.2021
PD Dr. Robert Kraft* Dr. Ulrike Winkler
robert.kraft@medizin.uni-leipzig.de
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1 Versuche zur Atmungsregulation
Die Zusammensetzung der in ständigem Gasaustausch mit dem Blut stehenden Alveolarluft wird durch die äußere Atmung in engen Grenzen konstant gehalten. Es wird periodisch ein Teil der Alveolarluft ausgeatmet und durch eingeatmete atmosphärische Luft ersetzt. Die Häufigkeit dieses Vorganges (Atemfrequenz) und die Größe des in die Alveolen gelangten Gasvolumens (Atemzugvol.
minus Totraumvol.) sind variabel. Ihre Einstellung erfolgt - in einem noch unvollkommen bekannten Prozess - unter Vermittlung von Rezeptoren (Chemorezeptoren, Mechanorezeptoren) und des nervösen Atemzentrums vorwiegend als Anpassung an die Erfordernisse des Stoffwechsels (O2- Verbrauch, CO2-Bildung) und an die mechanischen Gegebenheiten im Thorax-Lungenbereich.
Die Atemform („Atemmuster“) ist durch Angabe der Atemfrequenz und des Atemhubes (sowie dessen Ausgangsposition) gekennzeichnet. Das als Förderleistung des Atemapparates bezeichnete Atemminutenvolumen (Maß für die Ventilation) AMV ergibt sich aus dem Produkt von Atemzugvolumen und Atemfrequenz. Das Atemminutenvolumen ist in alveoläre Ventilation und Totraumventilation aufteilbar. Nur die alveoläre Ventilation steht in Zusammenhang mit den pro Minute ausgetauschten Volumina an O2 und CO2. Ein ungünstiges Atemmuster, wie flache Atmung bei gesteigerter Frequenz (Hechelatmung) führt zu einer Vergrößerung der Totraumventilation und damit des Atemäquivalents (Verhältnis von ventilierter Luftmenge zu aufgenommener O2-Menge).
Fingerpulsoximeter und Kapnographie
Auf Intensivstationen, bei Operationen, in der Geburtshilfe usw. gehört die Anwendung von sog.
Fingerpulsoximetern zum Standard der Patientenüberwachung.
Bei diesem nichtinvasiven und kontinuierlichen Verfahren wird die Fingerkuppe mit zwei verschiedenen Wellenlängen monochromatischen Lichtes durchstrahlt und die Extinktion gemessen.
Grundlage der Messung ist im Anhang auf Seite (IV) dargestellt. Da sich die Extinktion in Abhängigkeit von der arteriellen Pulsation rhythmisch verändert, lassen sich neben der Sauerstoffsättigung die Herzfrequenz und die periphere Pulskurve erfassen und anzeigen.
Das hier verwendete Pulsoximeter (CAPNOX) hat eine zusätzliche Kapnographie-Funktion. Das Gerät ist über einen kleinen Schlauch mit dem Inspirationsstutzen des Glockenspirometers verbunden (in der Praxis wird der Absaugschlauch direkt am Patienten angebracht) und ermöglicht die photometrische Messung des CO2-Gehalts in der Ausatemluft (bzw. in der Glocke des Spirometers).
1.1 Ruheatmung
Für die Bestimmung wichtiger Parameter der Ruheatmung wird, wie bereits im Praktikum
„Atemvolumina“, ein Glockenspirometer verwendet. Da die Ruheatmung für die Untersuchung des Energieumsatzes nochmals betrachtet wird, wurde die Spirometerglocke bereits mit Sauerstoff befüllt und ein CO2-Absorber in das Gerät eingebaut. Im Video „Einführung“ ist die prinzipielle Funktionsweise des Glockenspirometers für die folgenden Versuche dargestellt.
Die Durchführung der Ruheatmung ist im Video „Ruheatmung / Ruheumsatz“ zu sehen (unter der Rubrik „Energieumsatz“). Die während des Versuchs aufgezeichneten Atembewegungen befinden sich auf Seite (I) des Anhangs weiter hinten im Skript. Da die Atmung im dargestellten Experiment nicht immer sehr regelmäßig war, empfiehlt sich für die Auswertung einiger Größen (v.a.
Inspirationsvolumen) die Nutzung des mittleren Bereichs der Ruheatmung, die für eine Dauer von 5 min aufgezeichnet wurde. Die zu bestimmenden Parameter sind der Abb. 1 zu entnehmen.
Mit fortgesetzter Ruheatmung ist ein Ansteigen der Atmungskurven zu erkennen (gestrichelte ansteigende Linie). Die Differenz zwischen einer waagerechten Linie und dieser ansteigenden Linie entspricht der Entnahme von Sauerstoff aus der Spirometerglocke (O2-Verbrauch), da abgeatmetes und unter O2-Verbrauch entstandenes CO2 im CO2-Absorber gebunden wird und nicht als Gas in die
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Glocke zurückkehrt. Der O2-Verbrauch ergibt, gemessen über einen Zeitraum t, die O2-Aufnahme ̇ = / t. Die O2-Aufnahme ist also O2-Verbrauch pro Zeit.
Setzt man das Atemminutenvolumen AMV in Relation zur O2-Aufnahme ̇ , so ergibt sich das Atemäquivalent (oder Ventilationsäquivalent) EQO2. Das Atemäquivalent gibt also an, wieviel Liter Luft ventiliert werden muss, um einen Liter O2 in das Blut aufzunehmen. Ausgehend von einem typischen Wert in Ruhe von etwa 25, steigt bei unökonomischer Atmung (flache Atmung, Hyperventilation, starke körperliche Belastung) EQO2 auf Werte über 30 an. Bei moderater Belastung kann EQO2 auf Werte von ca. 20 sinken, wobei der niedrigste Wert die respiratorische Schwelle anzeigt.
Abbildung 1: Parameter der Ruheatmung V Volumen
t Zeit
T Atemperiodendauer
T10 Dauer von 10 Atemperioden VInsp Inspirationsvolumen
1.2 Einfluss von Kohlendioxid-Überschuss auf die Atmung: Atmung mit steigendem Kohlendioxid-Gehalt der Einatmungsluft (Rückatmungsversuch)
Im Video „CO2-Überschuss“ soll der sitzende Proband wiederum aus einer mit Sauerstoff befüllten Glocke ein- und ausatmen. Um einen Anstieg des CO2-Gehalts in der Glocke zu erreichen, wurde der Absorber aus dem System entfernt. Die Überwachung des CO2-Gehalts in der Glocke (bzw. der Ausatmenluft) erfolgt mittels des angeschlossenen Pulsoximeter/Kapnographen (CAPNOX). Bei einem CO2-Partialdruck von etwa 25 mmHg setzt ein subjektiver, merkbarer Atemantrieb ein (etwa Minute 5 des Videos). Bei einem CO2-Partialdruck von etwa 50 mmHg wurde der Versuch abgebrochen.
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Auf Seite (II) des Anhangs finden Sie die Aufzeichnung des Rückatmungsversuchs eines weiteren Probanden (aus dem Praktikum WS 2017/18). Da diese Messung besonders anschauliche Daten lieferte, soll sie anstatt des im Video dargestellten Versuchs für die Auswertung herangezogen werden.
Die auf Seite (II) dargestellten Atemkurven wurden über einen Zeitraum von gut 5 Minuten aufgezeichnet, wobei bei Abbruch des Versuchs ein CO2-Partialdruck von etwa 70 mmHg festgestellt wurde.
1.3 Einfluss von Sauerstoffmangel auf die Atmung
Im Video „O2-Mangel“ wird die Ventilation des Probanden untersucht, wobei die Spirometerglocke zuvor mit atmosphärischer Luft befüllt und der CO2-Absorber am Spirographen wieder eingesetzt wurde. Unter diesen Bedingungen wird der in der Raumluft enthaltene Sauerstoff (ca. 21% Anteil) verbraucht, während die ebenfalls enthaltenen Inertgase (v.a. Stickstoff, 78% Anteil) in der Glocke verbleiben. Der entstehende Sauerstoffmangel führt erst zeitlich verzögert zu physiologischen Veränderungen. Anzeichen einer zerebralen Hypoxie sind durch Beeinträchtigung der geistigen Leistungsfähigkeit, z.B. durch Unsicherheiten beim Lösen von Rechenaufgaben (hier im Versuch soll der Proband eine absteigende Zahlenreihe in 3er Schritten, beginnend bei 1000, aufschreiben), zu erkennen. Eine objektivere Einschätzung der Hypoxie erfolgt über die Messung der O2-Sättigung mittels Pulsoximeter/Kapnograph (CAPNOX).
Auf Seite (II) des Anhangs finden Sie die Aufzeichnung der letzten 5 Minuten des im Video dargestellten Versuchs. Bei Abbruch wurde pulsoximetrisch eine Sauerstoffsättigung von 73%
festgestellt.
2 Messung des Energieumsatzes mittels indirekter Kalorimetrie
2.1 Bestimmung des Umsatzes einer ruhenden, sitzenden Versuchsperson mittels indirekter Kalorimetrie
Der Energieumsatz, d.h. die Energiemenge, die ein Lebewesen zur Aufrechterhaltung der Lebensvorgänge in einem bestimmten Zeitraum benötigt, lässt sich durch verschiedene Verfahren messen. Da die für die Lebensfunktionen zugeführte chemische Energie (Nahrung) nahezu vollständig in Wärmeenergie umgewandelt wird, gibt die Messung der Abwärme einer in einem gut isolierten Raum befindlichen Versuchsperson Aufschluss über den Energieumsatz. Dieses als direkte Kalorimetrie bezeichnete Verfahren ist technisch sehr aufwändig. Die spirometrische Erfassung des Energieumsatzes bezeichnet man als indirekte Kalorimetrie. Hierfür wird die bereits beschriebene Messung des Sauerstoffverbrauchs pro Zeit (Sauerstoffaufnahme) genutzt. Der Energieumsatz ergibt sich dabei als Produkt aus Sauerstoffaufnahme (O2-Verbrauch/min) und dem kalorischen Äquivalent 1. Die Größe des kalorischen Äquivalents hängt von der Zusammensetzung der aufgenommenen Nahrung (Anteil der Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße) ab (Formelsammlung, Tab. 1.14, siehe PDF-Dokument auf der Praktikums-Webseite). Die Sauerstoffaufnahme muss weiterhin auf Normalbedingungen (STPD) mit dem wetterabhängigen Faktor kSTPD (siehe auch Formelsammlung, Tab. 1.4) reduziert werden.
Die innerhalb der Messzeit tRuhe umgesetzte Energie ist somit:
1Bei gemischter Ernährung (Kohlenhydrate, Proteine, Fette) mit mitteleuropäischer Kost beträgt das kalorische Äquivalent .
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Die innerhalb der Messzeit tRuhe erfolgte Sauerstoffaufnahme (Sauerstoffverbrauch pro Zeit) ist:
̇
Der Energieumsatz (Energie pro Zeit = Leistung) in Ruhe errechnet sich dann zu:
̇
Der Energieumsatz in Ruhe ist bereits im Abschnitt 1.1 und im Video „Ruheatmung / Ruheumsatz“, zusammen mit den Parametern der Ruheatmung, bestimmt worden. Für die Berechnung nutzen Sie den dabei erhobenen Wert für die Sauerstoffaufnahme ̇ in Ruhe. Der hier resultierende
„Ruheumsatz“ ist, in Abgrenzung zum Grundumsatz (siehe Bedingungen für den Grundumsatz, Formelsammlung, Abschnitt 1.5.1) bereits als Gesamtumsatz, der um einen Leistungsumsatz erweitert wurde, zu betrachten (Gesamtumsatz = Grundumsatz + Leistungsumsatz), da die sitzende
„Tätigkeit“ über die reine Aufrechterhaltung der Lebensfunktionen hinausgeht.
2.2. Umsatzsteigerung durch Arbeit, Wirkungsgrad
2.2.1 Überblick
Um den Leistungsumsatz durch körperliche Aktivität weiter zu steigern, führt die Versuchsperson Kniebeugen aus. Sie muss dabei permanent, d.h. vor, während und nach der Arbeit, über das Mundstück mit dem Spirographen verbunden bleiben. Im Video „schnelle Kniebeuge“ sehen Sie den zugehörigen Versuch, bei dem der Proband 15 rasche Kniebeugen unter Ausnutzung der gespeicherten elastischen Energie ausführt.
Um den Einfluss der Arbeitsform auf den Energieverbrauch und damit auf den Wirkungsgrad zu untersuchen, erfolgt die Messung ein zweites Mal, wobei der Proband 15 intensivierte (langsame) Kniebeugen ausführt (siehe Video „langsame Kniebeuge“). Die zugehörigen Spirometeraufzeichnungen für beide Experimente finden Sie im Anhang auf Seite (III).
Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von mechanisch geleisteter Hubarbeit WHub zu der von den Muskeln benötigten Energie EMuskel
2.2.2 Berechnung des Sauerstoffverbrauchs für Muskelarbeit
Nach Arbeitsbeginn erhöht sich am Spirometer der Sauerstoffverbrauch (steilerer Anstieg) und pegelt sich einige Zeit nach Arbeitsende wieder auf den Ruhewert ein. Es wird der in Abb. 2 stark schematisierte Verlauf des Sauerstoffverbrauchs angenommen. Vom Beginn der Arbeit wird die Zeit Δt bis zum wieder einsetzenden Ruheanstieg gemessen. Der in dieser Zeit am Spirometer gemessene Gesamtverbrauch an Sauerstoff VGesamt setzt sich aus dem Sauerstoffverbrauch des Ruheumsatzes VRU und der Muskeln VMuskel zusammen:
Aus der Ruheumsatzmessung ist der unkorrigierte Sauerstoffverbrauch ̇ bekannt (siehe oben); VRU kann dann errechnet werden:
̇
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Abbildung 2: Spirogramm bei kurzzeitiger körperlicher Belastung. Die Phase erhöhten
Sauerstoffverbrauchs wird durch die Ruhephasen (I) und (II) begrenzt. Nach Ende der Arbeit erfolgt nicht ein sofortiger
Übergang zur Ruheatmung!
Der Sauerstoffverbrauch für die Muskeln ist dann
̇ Normierung nach STPD:
Bei Muskelarbeit kann vom ausschließlichen Umsatz von Kohlenhydraten (Respiratorischer Quotient RQ = 1) ausgegangen werden. Unter dieser Bedingung beträgt das kalorische Äquivalent KÄMuskel = 21,2 kJ/l (siehe Formelsammlung, Tab. 1.14):
2.2.3 Berechnung der mechanischen Arbeit
Als gehobene Masse werden 3/4 der Körpermasse (m) angesetzt, da die Beine auf dem Boden bleiben.
Die Hubhöhe (h) wurde mit der Messlatte bestimmt (Differenz zwischen stehender und hockender Position). Die Arbeit ergibt sich als Produkt aus Kraft und Weg. Die Kraft ist Masse mal Erdbeschleunigung g = 9,81 m/s2. Der Weg ist die Hubhöhe h mal die Anzahl der Kniebeugen.
[ ]
Die Körpermasse (m) des Probanden betrug 60 kg, die Hubhöhe (h) 0,4 Meter. Bitte beachten Sie, dass die Einheit der Hubarbeit in der oben stehenden Gleichung „J“ und nicht „kJ“ ist!
Ruheatmung (zu Teil 1, Atmungsregulation) + Ruheumsatz (zu Teil 2, Energieumsatz)
60 s
(30 mm)
0,3 l (5 mm)
(I)
Anhang
Bitte beachten Sie, dass, im Unterschied zu den Angaben im Video, die hier abgelegten Aufzeichnungen im Maßstab 1:2 verkleinert wurden. Somit entsprechen, wie nachfolgend eingezeichnet, 60 s einer Strecke von 30 mm sowie 0,3 l einem Abstand von 5 mm.
Bitte stellen Sie in Ihrer Druckereinstellung für die korrekte Ausgabe des Anhangs (I)-(III)
„Tatsächliche Größe“ ein!
Zu Teil 1: Atmungsregulation
CO2-Überschuss
4 min 3 min
2 min 1 min
0 min 5 min
0,3 l (5 mm)
10 s
(5 mm)
O2-Mangel
Ende des Versuchs -1 min
-2 min -3 min
-4 min -5 min
0,3 l (5 mm)
(II)
Zu Teil 2: Energieumsatz: Leistungsumsatz schnelle Kniebeuge
langsame Kniebeuge
60 s
(30 mm)
60 s
(30 mm)
0,3 l (5 mm)
0,3 l (5 mm)
(III)
(IV)
Messprinzip für die Sauerstoffsättigung
Desoxygeniertes oder reduziertes Hämoglobin rHb bindet Sauerstoff und wird zu Oxyhämoglobin O2Hb. Die funktionelle Sättigung ist das Verhältnis von der Oxyhämoglobin-Konzentration cO2Hb zu der Summe der Konzentrationen von desoxygeniertem Hämoglobin crHb und Oxyhämoglobin cO2Hb:
Werden dysfunktionelle Konzentrationsanteile, wie Carboxyhämoglobin cCOHb (das Hämoglobin transportiert Kohlenmonoxid, statt Sauerstoff, z.B. bei Rauchern), Methämoglobin cMetHb und weitere Derivate
berücksichtigt, ergibt sich die fraktionelle Sättigung:
Die einzelnen Konzentrationen können über die Farbe des Blutes, genauer durch Absorption bestimmter Lichtanteile, bestimmt werden.
Falls nur eine Substanz mit der Konzentration c in der Flüssigkeit ist, wird monochromatisches Licht der Intensität Io mit der Wellenlänge λ nach dem Lambert-Beer’schen Gesetz gedämpft
Dabei ist ε(λ) der molare Extinktionskoeffizient in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ der Substanz und d die Länge des Weges, die das Licht in der Flüssigkeit zurücklegt. Die Extinktion ist
Für die funktionelle Sättigung müssen die Konzentrationen cO2Hb und crHb bestimmt werden.
Das ist eine Gleichung mit 2 unbekannten Konzentrationen. Um diese eindeutig zu lösen, muss man zwei Extinktionen mit verschiedenen Wellenlägen λ
1 und λ
1 messen.
Dieses Gleichungssystem liefert als Lösung die gesuchten Konzentrationen cO2Hb und crHb.
Fingerpulsoximeter messen die funktionelle Sättigung bei den beiden Wellenlängen λ1= 660 nm und λ2 = 940 nm. Da der Finger als Küvette dient und eine erhebliche Streuung auftritt, lassen sich andere Anteile nur schwierig bestimmen.
Will man die fraktionelle Sättigung bestimmen, wird ein Hämoximeter benötigt, welches 6 Extinktionen mit den Wellenlängen 535, 560, 577, 622, 636 und 670 nm (OSM3 von Radiometer) an einer Blutprobe bestimmt. Es ergibt sich dann ein Gleichungsystem mit 6 Gleichungen, welches dann die Konzentrationen crHb, cO2Hb, cCOHb, cSHb (Sulfhämoglobin), cMetHb und die Trübung liefert.
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Protokoll Atmungsregulation
Bitte ausdrucken, ausfüllen und zusammenheften!Datum: Name: Vorname:
KGr: Email-Adresse:
Zu 1.1:
• Bestimmen Sie aus den auf Seite (I) des Anhangs abgelegten Daten das mittlere Atemzugvolumen VT aus einigen (mind. 3) Atemzügen (einzelnen VInsp-Werten) und tragen Sie dieses in Tab. P1 ein.
• Bestimmen Sie die mittlere Atemperiodendauer (Dauer eines Atemzugs) TTOT aus der Dauer von 10 aufeinanderfolgenden Atemzügen T
10 und tragen Sie dieses in Tab. P2 ein.
• Bestimmen Sie aus TTOT die Atmungsfrequenz fR = 1 / TTOT Geben Sie diese in [min-1] an (Tab. P2).
• Bestimmen Sie das Atemminutenvolumen AMV = VT * fR
Geben Sie dieses in [l/min] an (Tab. P2).
• Bestimmen Sie die O2-Aufnahme ̇ = / t (Tab. P1) gemäß Abb. 1. Nutzen Sie hierfür die auf Seite (I) des Anhangs dargestellte gestrichelte Linie (und eine zu konstruierende waagerechte Linie).
Volumen unkorrigiert
(ATPS2- Bedingungen)
korrigiert (auf BTPS3- bzw. STPD4-
Bedingungen)
Typische Werte
Atemzugvolumen VT [ml] BTPS:
Atemminutenvolumen AMV [l/min] BTPS:
O2-Aufnahme ̇ [ml/min] STPD:
Tabelle P1: Parameter der Ruheatmung. Der Versuch wurde bei einer Raumtemperatur von 28°C und einem Luftdruck von 754 mmHg durchgeführt. Als Korrekturfaktoren ergeben sich hiermit:
kBTPS = 1,065 sowie kSTPD = 0,883.
2 ATPS = Ambient Temperature Pressure Saturated: Umgebungstemperatur; akt. Luftdruck minus Partialdruck des gesättigten Wasserdampfes (bei gegebener Temperatur) = Bedingungen, die in der Glocke des
Spirometers herrschen
3 BTPS = Body Temperature Pressure Saturated: Körpertemperatur 37°C (310 K); akt. Luftdruck minus Partialdruck des gesättigten Wasserdampfes bei 37°C = Bedingungen, die in der Lunge vorliegen
4 STPD = Standard Temperature Pressure Dry: Standardtemperatur 0°C (273 K); Standardluftdruck 760 mmHg (1013 hPa) = Standardbedingungen, die zur Normierung der Daten dienen
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• Bestimmen Sie das Atemäquivalent Sauerstoff EQO2 (ATPS-Werte verwenden) nach der Formel:
[ ] ̇ [ ]
Atemperiodendauer TTOT [s]
Atmungsfrequenz fR [min-1] Atemäquivalent EQO2
Tabelle P2: Weitere Parameter der Ruheatmung.
Zu 1.2:
• Bestimmen Sie aus der Atemkurve „CO2-Überschuss“ auf Seite (II) des Anhangs das Atemminutenvolumen AMV jeder Registrierminute (jeweils am Anfang von 0; 1; 2; 3; 4; 5 Minuten). Zur Vereinfachung wurden in den entsprechenden Bereichen jeweils 5 Atemzüge hellblau unterlegt. Die Breite der hellblauen Rechtecke entspricht der Dauer von 5 Atemzügen T
5. Die Atemfrequenz ist analog zu 1.1 zu berechnen (aus T
5 zunächst TTOT und danach fR). Die Höhe der hellblauen Rechtecke entspricht dem Inspirationsvolumen VInsp des ersten Atemzugs der
jeweiligen Serie und kann näherungsweise dem mittleren Atemzugvolumen gleichgesetzt werden (VInsp ~ VT). Das AMV ergibt sich als Produkt aus VT und fR.
Min Atem- zugvolumen VT
Dauer von 5 Atemzügen T
5
Atem- periodendauer
TTOT
Atemfrequenz fR
AMV
[l] [s] [s] [min-1] [l/min]
0 1 2 3 4 5
Tabelle P3: Messwerte für CO2-Überschuss.
• Zeichnen Sie anhand der Messwerte in Tabelle P3 einen Graphen (y-Achse: AMV [l/min]; x- Achse: Zeit [min]: 0; 1; 2; 3; 4; 5) als CO2-Antwortkurve der Ventilation.
9 Zu 1.3:
• Bestimmen Sie aus der Atemkurve „O2-Mangel“ auf Seite (II) des Anhangs das
Atemminutenvolumen AMV jeder Registrierminute (für jedes Zeitintervall, siehe Tabelle P4).
Zur Vereinfachung wurden die Atemkurven durch 2 horizontale gestrichelte Linien begrenzt. In der Mitte jedes Zeitintervalls (z.B. zwischen -5 und -4 min) markiert die Länge einer senkrechten gestrichelten Linie etwa das mittlere Niveau des Atemzugvolumens VT der jeweiligen Registrierminute. Durch Auszählen der Atemzüge (untere Peaks der einzelnen Atemkurven) innerhalb jedes Zeitintervalls lässt sich die Atemfrequenz fR bestimmen. (Auch kleine Zacken mitzählen!) Das AMV ergibt sich wiederum als Produkt aus VT und fR.
Min Atem-
Zugvolumen VT [l]
Zahl der Atemzüge pro
Minute
Atemfrequenz fR [min-1]
AMV [l/min]
„-4“: -5 bis -4
„-3“: -4 bis -3
„-2“: -3 bis -2
„-1“: -2 bis -1
„Ende“: -1 bis Ende
Tabelle P4: Messwerte für O2-Mangel.
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• Zeichnen Sie anhand der Messwerte in Tabelle P4 einen Graphen (y-Achse: AMV [l/min]; x- Achse: Zeit [min]: -4; -3; -2; -1; Ende) als O2-Antwortkurve der Ventilation.
• Auf das Wievielfache (Quotient aus maximalem und minimalem Wert während der gesamten ausgewerteten Messung) stieg das AMV jeweils bei
CO2-Überschuss: ………….. O2-Mangel: …………. ?
• Bei CO2-Überschuss wurden folgende CO2-Partialdrücke (pCO2) in der Ausatemluft festgestellt: 25 mmHg (erstmals spürbarer Atemantrieb im Video); 50 mmHg (Abbruch des Versuchs im Video);
70 mmHg (Abbruch des Experiments im Anhang). Welchen prozentualen Anteilen (Fraktionen F) entsprechen diese Werte, wenn der Luftdruck 760 mmHg betragen und der Beitrag des
Wasserdampfdrucks vernachlässigt werden soll? Welche Werte (pCO2, FCO2) finden sich für atmosphärische Luft und Alveolarluft? Wie sind die pCO2-Werte im arteriellen und gemischt- venösen Blut?
pCO2 = 25 mmHg FCO2 = …………%
pCO2 = 50 mmHg FCO2 = …………%
pCO2 = 70 mmHg FCO2 = …………%
pCO2,atmLuft = ……...mmHg FCO2,atmLuft = …………%
pCO2,AlvLuft = ……...mmHg FCO2,AlvLuft = …………%
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pCO2,art = ……...mmHg pCO2,ven = ……...mmHg
• Bei O2-Mangel wurde am Ende des Versuchs eine O2-Sättigung (SO2) von 73% gemessen.
Welchem O2-Partialdruck (pO2) entspricht dieser Wert (siehe u.a. Formelsammlung, Tab. 1.9)?
Welche typischen pO2-Werte findet man für arterielles und gemischt-venöses Blut?
SO2 = 73% pO2 = ……….mmHg
pO2,art = ……...mmHg pO2,ven = ……...mmHg
Zu 2.1:
• Übernehmen Sie aus Tabelle P1 die O2-Aufnahme ̇ (korr., STPD). Berechnen Sie daraus den Ruhe-Energieumsatz = ̇ (bereits auf STPD-Bedingungen normiert!) unter Verwendung des kalorischen Äquivalents (KÄ = 20,2 kJ/l). Bestimmen Sie den Soll-Grundumsatz mittels folgender empirischer Gleichung (siehe auch Formelsammlung, Tabelle 1.13):
Soll-Grundumsatz = 21 + 41, 8 · Gewicht (kg) + 2617 · Größe (m) − 20, 6 · Alter (Jahr)
Tabelle P5: Daten der Energieumsatzmessung.
Probandendaten
Geschlecht m
Alter [Jahr] 21
Größe [m] 1,73
Gewicht [kg] 60
Soll-Grundumsatz [kJ/Tag]
Wetterabhängige Daten
Luftdruck [mmHg] 747
Raumtemperatur [°C] 27
kSTPD 0,883
Energieumsatz (Ruhe) O2-Aufnahme ̇ [l/min] (STPD, Tab. P1)
Ruhe-Energieumsatz ̇ [kJ/min]
Ruhe-Energieumsatz [Watt = J/s]
Ruhe-Energieumsatz [kJ/Tag]
Abweichung vom Soll-Grundumsatz in %
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• Womit kann die Abweichung des Ruhe-Energieumsatzes vom Soll-Grundumsatz erklärt werden?
Schauen Sie sich hierzu die Bedingungen für die Bestimmung des Grundumsatzes an (z.B.
Formelsammlung, 1.5.1).
Zu 2.2:
• Berechnen Sie aus den auf Seite (III) des Anhangs abgelegten Daten den zusätzlich durch körperliche Aktivität (Kniebeuge) erzeugten Energieumsatz. Den Wert für kSTPD entnehmen Sie Tab. P5. Beachten Sie bei der Berechnung der Hubarbeit die Umrechnung von „J“ in „kJ“!
schnelle Kniebeuge langsame Kniebeuge Δt, wie in Abb. 2
Gesamt-O2-Verbrauch VGesamt [l], wie in Abb. 2
O2-Aufnahme in Ruhe (unkorr.) ̇ [l/min], aus Tab. P1 O2-Verbrauch der Muskeln (unkorr.) VMuskel [l]
O2-Verbrauch der Muskeln (STPD) [l]
benötigte Energie EMuskel [kJ]
geleistete Hubarbeit WHub [kJ]
Wirkungsgrad η in %
Tabelle P6: Energieumsatzmessung bei körperlicher Belastung.
• Wie sind die unterschiedlichen Wirkungsgrade bei schnellen und langsamen Kniebeugen begründbar?
