Computergestützte Bestimmung von Lungenfunktions-Parametern beim Pferd unter Berücksichtigung der Molmasse der Atemluft

Aus der Klinik für Pferde

der Tierärztlichen Hochschule Hannover

Computergestützte Bestimmung

von Lungenfunktions-Parametern beim Pferd unter Berücksichtigung der Molmasse der Atemluft

INAUGURAL-DISSERTATION zur Erlangung des Grades eines

Doktors der Veterinärmedizin (Dr. med. vet.) durch die Tierärztliche Hochschule Hannover

Vorgelegt von

Alexander Clemens Uwe Bertram geb. Kusber aus Hannover

Hannover 2001

Wissenschaftliche Betreuung: Univ.-Prof. Dr. Dr. h. c. E. Deegen

1. Gutachter: Univ.-Prof. Dr. Dr. h. c. E. Deegen

2. Gutachter: Univ.-Prof. Dr. W. Giese

Tag der mündlichen Prüfung: 30.05.2001

»Fliegen ist die Kunst,

sich auf den Boden zu werfen, aber daneben!«

Douglas Adams

Meinen beiden lieben Julias, meiner Schwester und

meiner Frau, gewidmet.

1. V

1.1. Inhaltsverzeichnis

1. Verzeichnisse ... 5

1.1. Inhaltsverzeichnis 5

1.2. Abbildungsverzeichnis 8

1.3. Formelverzeichnis 10

1.4. Tabellenverzeichnis 10

2. Abkürzungen ... 12 3. Einleitung ... 15 4. Literatur ... 17

4.1. Die Lunge 17

4.2. Die Lungenatmung 17

4.2.1. Atemmechanik 18

4.2.2. Der Gasaustausch 18

4.2.2.1. Ventilation und Perfusion 19

4.2.2.2. Diffusion 20

4.2.2.3. Die Zusammensetzung des Atemgases 22

4.3. Die Untersuchung des Respirationsapparates 23

4.3.1. Klinische Untersuchung 24

4.3.1.1. Auskultation 24

4.3.2. Perkussion 25

4.3.3. Blutgasanalyse 25

4.3.4. Endoskopie 26

4.3.4.1. TBS-Analyse 26

4.3.5. Röntgen 26

4.3.6. Ultraschall 27

4.3.6.1. Biopsie und Histologie 27

4.4. Lungenfunktion 27

4.4.1. Spirometrie 28

4.4.1.1. Molmassenbestimmung mittels Ultraschall-Spirometrie 29

4.4.2. Interpleuraldruckmessung 29

4.4.3. Kapnographie 29

4.4.3.1. CO2-abhängige Parameter 30

4.4.3.1.1. Das Mischluftvolumen 30

4.4.3.1.2. Der Totraum 30

5. Material und Methode ... 32

5.1. Patientengut 32

5.2. Geräte 36

5.2.1. Blutgasanalyse 36

5.2.2. Lungenfunktionsanalyse 36

5.2.2.1. Der Ultraschall-Flow-Meßkopf 37

5.2.2.2. CO2-Analysator 40

5.2.2.3. Druckwandler 40

5.2.2.4. Der Temperatursensor 40

5.2.3. Eichung 42

5.3. Untersuchungstechnik 42

5.4. Meßdatenbearbeitung 44

5.5. Auswertung 44

5.5.1. Definitionen 45

5.5.2. Korrektur der Meßdaten auf body temperature and pressure, saturated (BTPS) 46

5.5.3. Berechnung der relevanten Parameter 46

5.5.3.1. Intraoesophagealdruckabhängige Parameter 47

5.5.3.1.1. Die maximale Interpleuraldruckdifferenz (∆pPlmax) [cm H2O] 47 5.5.3.1.2. Die dynamische Compliance der Atemorgane (Cdyn.) [l/cm H2O] 48 5.5.3.1.3. Die mittlere Atemwegs-Resistance (R_aw) [sžcm H₂O/l] 49 5.5.3.1.4. Die atemmechanische Zeitkonstante (AZK)[s] 50

5.5.3.1.5. Die Atemarbeit (AAtot) [mJ] 50

5.5.3.1.5.1. Die inspiratorische Atemarbeit (AAins) [mJ] 51 5.5.3.1.5.1.1. Die visköse Atemarbeit (AA_visk) [mJ] 52 5.5.3.1.5.1.2. Die elastische Atemarbeit (AA_elast) [mJ] 52 5.5.3.1.5.2. Die exspiratorische Atemarbeit (AAexp) [mJ] 53

5.5.3.2. Die CO2-abhängigen Parameter 53

5.5.3.2.1. Der relative Mischluftvolumenanteil (V_50-75/V_insp) [1] 53

5.5.3.2.2. Der Totraum (V_d) [l] 54

5.5.3.2.2.1. Berechnung des funktionellen Totraumes nach der BOHRschen Formel 54

5.5.3.3. Die Molmassen-abhängigen Parameter 55

5.5.3.3.1. Frühexspiratorischer Verlauf der Molmassenkurve 57 5.5.3.3.2. Verlauf der Molmassenkurve während der fortgeschrittenen Exspiration 57 5.5.3.3.3. Abhängigkeit der Molmasse von der CO2-Konzentration während der

fortgeschrittenen Exspiration 58

5.5.3.3.3.1. Vorversuch 58

5.6. Ergebnisse des Vorversuches 61

5.6.1. Relativer Mischluftvolumenanteil auf Molmassen-Basis 61 5.6.1.1. Relativer Mischluftvolumenanteil zwischen end- und beginnexspiratorischen

Molmassenwerten, Ziffer a und c 62

5.6.1.2. Relativer Mischluftvolumenanteil zwischen endexspiratorischen und

minimalen exspiratorischen Molmassenwerten, Ziffer b und d 62

5.6.2. Totraumberechnung auf Molmassen-Basis 63

5.6.2.1. Totraumberechnung mit der beginnexspiratorischen Molmasse als

Bezugslinie (Ziffer y) 63

5.6.2.2. Totraumberechnung mit der minimalexspiratorischen Molmasse als

Bezugslinie (Ziffer z) 64

5.6.2.2.1.1. Hauptversuch 64

5.6.2.2.1.1.1. Relativer Mischluftvolumenanteil - Berechnung aus der Molmasse 64

5.6.2.2.1.1.2. Totraum - Berechnung aus der Molmasse 65

6. Ergebnisse ... 67

6.1. Vorversuch 67

6.2. Hauptversuch 67

6.2.1. Die interpleuraldruckabhängigen Parameter 67

6.2.1.1. Die maximale Interpleuraldruckdifferenz 67

6.2.1.2. Die dynamische Compliance der Atemorgane (Cdyn) 68

6.2.1.3. Die Atemwegs-Resistance R_aw 69

6.2.1.4. Die atemmechanische Zeitkonstante (AZK) 70

6.2.1.5. Die Atemarbeit 70

6.2.1.5.1. Die Gesamt-Atemarbeit (AAtot) 71

6.2.1.5.2. Die relative Atemarbeit (AA_rel) 71

6.2.1.5.3. Die inspiratorische Atemarbeit (AA_ins) 71

6.2.1.5.3.1. Die visköse Atemarbeit 72

6.2.1.5.3.2. Die elastische Atemarbeit 72

6.2.1.5.4. Die exspiratorische Atemarbeit (AA_exp) 73

6.2.2. Die CO₂-abhängigen Parameter 73

6.2.2.1. Der relative Mischluftvolumenanteil (V50-75/Vinsp) 73

6.2.2.2. Der Totraum Vd 74

6.2.3. Die Molmassen-abhängigen Parameter 74

6.2.3.1. Der relative Mischluftvolumenanteil 74

6.2.3.1.1. Vmix zwischen 77,41 % und 87,26 % zwischen end- und

beginnexspiratorischer Molmasse (Ziffer a und c, V_{mixMM_Luft}) 74 6.2.3.1.2. Vmix zwischen 82,75 % und 90,23 % zwischen endexspiratorischer und

minimaler Molmasse (Ziffer b und d, V_{mixMM_min}) 75 6.2.3.1.3. Vmix berechnet über das Anlegen der Tangente an die Molmasse-Volumen-

Kurve 75

6.2.3.1.4. Vmix ausgedrückt als Steigungswinkel β der angelegten Tangente 75

6.2.3.2. Der Totraum 76

6.2.3.2.1. Vd berechnet auf der Basis der beginnexspiratorischen Molmasse 76 6.2.3.2.2. Vd berechnet auf der Basis der minimalen exspiratorischen Molmasse 76 7. Diskussion ... 79

7.1. Material und Methode 79

7.1.1. Probanden 79

7.1.2. Jahreszeitliche Schwankungen 80

7.1.3. Score-Punktzahl 80

7.1.4. Lungenfunktionsanalyse 81

7.1.5. Geräte 82

7.1.5.1. PET/G Atemmaske 82

7.1.5.2. Ultraschall-Fluß-Meßgerät (Spiroson scientific^®) 83

7.1.5.3. Temperaturmessung 83

7.1.5.3.1. Temperatursimulation 83

7.1.5.4. Drucksonde 84

7.1.5.5. CO2-Messung 84

7.2. Ergebnisse 85

7.2.1. Parameterberechnung - Vorversuch 85

7.2.2. Parameterberechnung - Hauptversuch 86

7.2.2.1. Die ∆p_Plmax 86

7.2.2.2. Die Cdyn 87

7.2.2.3. Die Raw 87

7.2.2.4. Die AZK 88

7.2.2.5. Die AA 89

7.2.2.5.1. Die relativen Atemarbeiten AArel 89

7.2.2.6. Der relative Mischluftvolumenanteil 89

7.2.2.6.1. Der V_50-75/V_insp, errechnet aus der CO₂-Kurve 89 7.2.2.6.2. Der VmixMM_Luft:77,41-87,26/Vinsp (Ziffer a und c) 90 7.2.2.6.3. Der VmixMM_min:82,75-90,23/V_insp (Ziffer b und d) 90

7.2.2.6.4. Der V_{mixMM_β}/Vinsp 91

7.2.2.6.4.1. Der Tangentenwinkel β 91

7.2.2.7. Der Totraum 91

7.2.2.7.1. Der aus der CO₂-Kurve errechnete V_d 92

7.2.2.7.2. Der Totraum auf der Basis der beginnexspiratorischen Molmasse 92 7.2.2.7.3. Der auf der minimal-exspiratorischen Molmasse berechnete Vd 92

7.3. Schlußfolgerungen 93

8. Zusammenfassung ... 94

9. Summary ... 96

10. Anhang ... 98

10.1. Tabellenanhang: Auswertung der Lungenfunktionsanalysen - Zusammenfassung 98 10.2. Programmlisting zur Auswertung der im ASCII-Format vorliegenden Daten (VBA für MS Excel^® 7.0) 145 10.3. Bildschirmmaske zur Abfrage der Umgebungsparameter 172 10.4. Als ASCII-Datei exportierte Meßdaten eines Pferdes (Ausschnitt) 173 11. Index... 174

12. Literaturverzeichnis... 175

1.2. Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Grafische Darstellung des relativen Gasgehaltes des Exspirationsgases zu ausgewählten Momenten... 23

Abbildung 2: Ultraschall-Flow-Meßkopf... 37

Abbildung 3: Ultraschall-Flow-Meßeinheit, schematisch... 39

Abbildung 4: Vergleich zwischen Temperaturmessung und -simulation. ... 41

Abbildung 5: Die Atemmaske... 43

Abbildung 6: Druck-Volumen-Diagramm. ... 49

Abbildung 7: Fluß-Druck-Diagramm... 50

Abbildung 8: Inspiratorische Atemarbeit, elastische als gestrichelte Dreieckfläche,

visköse als graue Fläche... 52 Abbildung 9: Exspiratorische (=visköse) AA, dargestellt als graue Fläche im selben

Atemzug wie Abbildung 8. ... 52 Abbildung 10: Bestimmung des relativen Mischluftvolumenanteils aus der

exspiratorischen CO2-Kurve... 54 Abbildung 11: Bestimmung der für die Berechnung des Totraumes wichtigen mittleren

CO₂-Konzentration (FECO₂). ... 55 Abbildung 12: Molmassenverlauf während einer Exspiration (schwarze Kurve). ... 56 Abbildung 13: Schematischer exspiratorischer Molmassenverlauf. ... 58 Abbildung 14: Lokalisationen für den Vergleich zwischen Molmassen- und CO₂-Werten

(Beispiel-Atemzug)... 59 Abbildung 15: Bestimmung der mittleren Molmasse zwischen der

beginnexspiratorischen und der maximalexspiratorischen Molmasse

(MM_Luft). ... 60 Abbildung 16: Bestimmung der mittleren Molmasse zwischen der

minimalexspiratorischen und der maximalexspiratorischen Molmasse

(MMmin). ... 60 Abbildung 17: Korrelation zwischen der mittleren Molmasse, berechnet mit minimaler

(grau) bzw. beginnexspiratorischer (schwarz) Molmasse als Basis, und

dem mittleren CO2-Wert (FECO2). ... 63 Abbildung 18: Anlegen einer Tangente an die Molmassen-Kurve und Bestimmung des

Winkels β sowie von V_β... 65 Abbildung 19: Die ∆p_Plmax der einzelnen Gruppen im Vergleich. ... 68 Abbildung 20: Vergleich zwischen den Gruppen A, B und C bezüglich ihrer

dynamischen Compliance, in- und exspiratorisch. ... 69 Abbildung 21: Unterschiede zwischen den Gruppen A, B und C hinsichtlich der

Atemwegs-Resistance an drei verschiedenen Stellen. ... 69 Abbildung 22: Unterschiede für die atemmechanische Zeitkonstante. ... 70 Abbildung 23: Gruppenunterschiede in der Gesamtatemarbeit (AAtot). ... 71 Abbildung 24: Verhältnis der einzelnen Atemarbeiten (AA_rel=AA_visk+AA_elast+AA_exp)

zueinander und im Vergleich zwischen den drei Tiergruppen. ... 72 Abbildung 25: Gruppenvergleich für den aus der CO2-Kurve ermittelten relativen

Mischluftvolumenanteil... 73 Abbildung 26: Gruppenvergleich des aus der CO2-Kurve bestimmten Totraumes. ... 74 Abbildung 27: Gruppenvergleich für den Tangentenwinkel β... 75 Abbildung 28: Gruppenvergleich für die auf vier unterschiedliche Weisen berechneten

relativen Mischluftvolumenanteile. ... 76 Abbildung 29: Gruppenvergleich für den auf drei unterschiedliche Arten berechneten

Totraum. ... 77 Abbildung 30: Dialogfeld "Einstellungen" zur Abfrage der Besitzer- u.

Umgebungsinformationen. ... 172

1.3. Formelverzeichnis

Gleichung 1: 1. FICKsches Diffusionsgesetz ... 21

Gleichung 2: 2. FICKsches Diffusionsgesetz ... 21

Gleichung 3: STEFANs Diffusionsgesetz für drei Gase (1, 2 und 3; z. B. N2, O2 und CO2. Diffusionskonstanten (D) s. Tabelle 1.) ... 21

Gleichung 4: Berechnung der alveolo-arteriellen Sauerstoffpartialdruckdifferenz... 26

Gleichung 5: Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle. ... 38

Gleichung 6: Zeitbestimmung bei bekannter Geschwindigkeit und Wegstrecke... 38

Gleichung 7: Berechnung der mittleren Atemstromgeschwindigkeit mittels Laufzeitmessung von Ultraschallwellen. ... 38

Gleichung 8: Molmassenberechnung bei reinen Gasen in Abhängigkeit von der Temperatur und der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit. ... 39

Gleichung 9: BTPS-Korrektur des Volumens... 47

Gleichung 10: Flußberechnung als Differenzierung des Volumens nach der Zeit... 47

Gleichung 11: Sättigungsdampfdruck in Abhängigkeit von der Temperatur, MAGNUS- Formel... 47

Gleichung 12: Dynamische Compliance (Cdyn)... 49

Gleichung 13: Atemwegs-Resistance... 50

Gleichung 14: Totale Atemarbeit eines Atemzuges... 51

Gleichung 15: Inspiratorische Atemarbeit... 51

Gleichung 16: Visköse Atemarbeit, inspiratorisch... 51

Gleichung 17: Elastische Atemarbeit (inspiratorisch)... 51

Gleichung 18: Die BOHRsche Formel zur Berechnung des Totraumes aus der CO₂- Kurve. ... 55

Gleichung 19: Molmasse eines Gasgemisches... 56

Gleichung 20: Berechnung des Totraumes auf Basis der beginnexsp. Molmasse, (V_dMM Luft). ... 61

Gleichung 21: Berechnung des Totraumes auf Basis der minimal-exsp. Molmasse, (V_dMM min). ... 61

Gleichung 22: Zusammenhang zwischen β und V_β. ... 65

1.4. Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Binäre Diffusionskoeffizienten (D) bei 37 °C und 1013 hPa, aus BEN JEBRIA und BRES 1982 (gekürzt). ... 22

Tabelle 2: Partialdruckverhältnisse und Molmassen von Gasgemischen verschiedener Zusammensetzungen bei 760 Torr (=1013 hPa) Luftdruck ... 22

Tabelle 3: Patientengut: Rasse, Alter, Geschlecht, Gewicht, klinischer Score und Grund des Klinikaufenthaltes der untersuchten Pferde - Vorversuch -. ... 32

Tabelle 4: Patientengut, Gruppe A - Hauptversuch... 33

Tabelle 6: Patientengut, Gruppe C - Hauptversuch... 35

Tabelle 7: Gruppeneinteilung der Pferde nach ihrer Score-Punktzahl - Übersicht. ... 35

Tabelle 8: Verteilung der Score-Punktzahl auf die zu erhebenden Befunde... 36

Tabelle 9: Selektionskriterien für auswertbare Atemzüge. ... 46

Tabelle 10: Ergebnisse des Vorversuches für die Ziffern a, b, c und d... 62

Tabelle 11: Ergebnisse des Vorversuches für die Ziffern y und z... 64

Tabelle 12: Signifikanzen zwischen den Pferdegruppen in CO₂- und molmassenabhängigen Parametern im Vergleich (-: nicht signifikant). ... 77

Tabelle 13: Die Ergebnisse des Hauptversuches im Überblick (Mittelwerte ± Standardabweichung). ... 78

Tabelle 14: Zusammenfassungen der Lungenfunktionsanalysen (Vorversuch)... 98

Tabelle 15: Zusammenfassungen der Analysen des Hauptversuches. ... 105

2. A

AA Atemarbeit

AAelast elastische (inspiratorische) AA [mJ]

AAexp exspiratorische Atemarbeit [mJ]

AA_ins inspiratorische Atemarbeit [mJ]

AA_rel relative Atemarbeit [mJ/l]

AAtot Gesamt-Atemarbeit [mJ]

AAvisk visköse (inspiratorische) AA [mJ]

A-aDO₂ alveolo-arterielle Sauerstoffpartialdruckdifferenz [mm Hg]

abs. absolut

AMV Atemminutenvolumen [l/min]

Anz. Anzahl

AZK atemmechanische Zeitkonstante [s]

AZV Atemzugvolumen [l]

beginninsp. beginninspiratorisch (im Tabellenanhang auch): beginsp.

Beta Tangentenwinkel, angelegt an Molmassen-Volumen-Kurve zwischen 28,9 und 29,0 [g/mol]; auch: β

BTPS Body temperature and pressure, saturated

bzgl. bezüglich

bzw. beziehungsweise

ca. circa

Cdyn. dynamische Compliance [l/cm H2O]

chron. chronisch

CO_2max (im Tabellenanhang): maximale exspiratorische CO₂-Konzentration [%]

COPD chronic obstructive pulmonary disease, auch: chronisch-obstruktive Bronchitis (=COB)

∆pPl Interpleuraldruckdifferenz [cm H2O]

∆pPlmax maximale Interpleuraldruckdifferenz [cm H₂O]

edl. Warmblut edles Warmblut

endexsp. (im Tabellenanhang): endexspiratorisch

evtl. eventuell

Fa. Firma

FACO2 alveoläre CO2-Konzentration FECO2 mittlere CO2-Konzentration

FEF forced expiratory flow, forcierter exspiratorischer Fluß

ff. und folgende

Fl Fluß (=Atemstromstärke) [l/s]

Flowmax (im Tabellenanhang): maximaler Atemfluß [l/s]

FVC funktionelle Vitalkapazität [l]

Geschl. Geschlecht

ggr. geringgradig

Hann Hannoveraner

hgr. hochgradig

inkl. inklusive

inspexp (im Tabellenanhang): endinspiratorisch/beginnexspiratorisch interstit. interstitiell

Kontr. Kontrolluntersuchung

korr. korrigiert

Leistungsinsuff Leistungsinsuffizienz

Luftfeuchte_rel. relative Luftfeuchtigkeit [%], auch Lf_rel Lungenerkr Lungenerkrankung

max. maximal

mgr. mittelgradig

min. minimal

MM Molmasse [g/mol]

MM mittlere Molmasse [g/mol]

MMLuft Molmasse am Beginn der Exspiration [g/mol]

MMmin minimale exspiratorische Molmasse [g/mol]

Mod. Modell

MS Microsoft

Nr. Nummer

o. a. oben angegeben

od. oder

OL Oldenburger

PC Personal Computer

PET/G Polyethylenterephthalatglycol, ein Kunststoff p_CO

2 Kohlendioxid-Partialdruck [Torr]

p_H

2O Wasserdampfdruck [Torr]

p_Luft Luftdruck [Torr]

pO₂ Sauerstoff-Partialdruck [Torr]

Raw Atemwegs-Resistance [sžl/cm H2O]

rel. relativ

resp. respektive

SA Standardabweichung

s. siehe

SI(-Einheit) internationales Nomenklatursystem für physikalische Einheiten, Système internationale

STPD Standard for temperature and pressure, dry

ϑ Temperatur [°C]

T Temperatur [K]

t Zeit [s]

tmax (im Tabellenanhang): Zeitdauer für einen Atemzug [s]

TBS Tracheobronchialsekret

u. und

u. a. unter anderem

u. ä. und ähnliche

URAS Ultrarotabsorptionsschreiber

V Volumen [l]

V50-75 Mischluftvolumen [l]

V50-75/Vinsp relativer Mischluftvolumenanteil (auf Basis der CO2-Werte) [1]

V_β/V_insp V_mix (über den Tangentenwinkel β errechnet) [1]

Vd Totraum [l] (auf welcher Basis, steht im Einzelfall als Index dahinter)

Verd Verdacht auf

Vexp Exspirationsvolumen [l]

vgl. vergleiche

Vinsp Inspirationsvolumen [l]

V/ Q• •

−Quotient Ventilations-Perfusions-Quotient

Vmix_{MM_Luft} Mischluftvolumenanteil, berechnet mit MMLuft als Basis Vmix_{MM_min} Mischluftvolumenanteil, berechnet mit MMmin als Basis

Vmix relativer Mischluftvolumenanteil, (im Tabellenanhang auch): Vmisch

Warmbl Warmblut

z. B. zum Beispiel

3. E

In den letzten Jahrzehnten hat die Entwicklung der Lungendiagnostik bei Mensch und Tier, dabei besonders bei Kleintier und Pferd, rapide zugenommen. Arterielle Blutgasanalyse, Röntgen, Endoskopie, Ultraschall und auch Lungenfunktionsanalyse erweitern den Umfang der herkömmlichen klinischen Untersuchung erheblich.

Die Pathogenese der COPD als häufige und bedeutende Atemwegserkrankung des Pferdes ist von vielerlei Seiten beleuchtet worden (COOK u. ROSSDALE 1963; GERBER 1968, 1994;

LARSON u. SORENSEN 1972; COOK 1976; ROBINSON u. SORENSON 1978;

HALLIWELL et al. 1979; LITTLEJOHN 1979; HAJER u. SASSE 1980; THOMPSON u.

McPHERSON 1984; DEEGEN et al. 1987; BEECH 1991 a, b; HARTUNG 1995), wenn- gleich bisher noch keine umfassende ätiologische Klärung möglich ist.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Möglichkeit einer Vereinfachung der Aus- wertung der bisher an der Klinik für Pferde der Tierärztlichen Hochschule Hannover durchge- führten Lungenfunktionsanalyse. Ziel soll es sein, die bei der lungenfunktionsanalytischen Messung des Atemflusses mittels eines Ultraschall-Fluß-Meßgerätes als „Nebenprodukt“ an- fallende Molmassenwerte über Umrechnungsfaktoren als Bezugsgröße für CO2-abgeleitete Werte wie Totraum und relativen Mischluftvolumenanteil zu benutzen, um genauere und ein- facher zu erhaltene kohlendioxidabhängige Lungenfunktionsparameter zu errechnen und die benutzerabhängigen Fehler zu minimieren (HEISE et al. 1990).

Der augenscheinliche Vorteil der Molmassenwerte gegenüber den CO2-Meßwerten besteht darin, daß erstere simultan zu den übrigen Meßwerten (Zeit, Atemstrom, Volumen, intraoeso- phagealer Druck und Temperatur), d. h. ohne zeitliche Verzögerung, gemessen werden, wäh- rend die CO2-Werte - bedingt durch die im vorliegenden Fall verwendete Seitenstromanalyse - gegenüber den zugehörigen Meßwerten nur zeitlich verschoben registrierbar sind.

Diese zeitliche Verschiebung muß nachträglich vom Benutzer durch Betrachtung der Meß- kurven korrigiert werden, was - neben erhöhtem zeitlichen Aufwand - eine potentielle Fehler- quelle darstellt.

Beim Verzicht auf die Kapnographie würde selbstverständlich auch die Eichung der CO2- Messung überflüssig; dieses würde eine weitere Zeitersparnis bedeuten.

Drittens spielt die wirtschaftliche Erwägung eine Rolle, daß der für die CO2-Registrierung verantwortliche Ultrarotabsorptionsschreiber eingespart werden kann, wenn anhand der Mol- massenwerte Parameter errechnet werden könnten, die in ihrer klinischen Aussagefähigkeit akzeptabel oder sogar mit CO₂-basierten Werten vergleichbar wären.

4. L

4.1. Die Lunge

Die Lunge entsteht embryologisch als unpaare Knospung aus der Ventralwand des Vorder- darmes. Nach Teilung entstehen die rechte und die linke Lunge, durch weitere dichotome Teilung werden aus Bronchi Bronchuli, an deren terminalen Enden die Alveolen als Ort des Gasaustausches sitzen (NICKEL et al. 1987). Mikroskopisch-anatomisch folgt die Lunge im Aufbau dem aller Hohlorgane. Während im oberen Atemtrakt iso- bis hochprismatisches Epi- thel mit Flimmerhärchen die Innenauskleidung der luftführenden Wege darstellt, sorgen in den Alveolen flache Epithelzellen dafür, daß die Gase eine nur kurze Diffusionsstrecke über- winden müssen. WEIBEL (1963) und HANSEN und AMPAYA (1975) erarbeiteten je ein mathematisches Modell für die Aufteilung des Bronchialbaumes, wobei erstgenannter das dichotome Teilungsschema in jeder Generation (bis max. zur 23.) postuliert, wovon eine Durchsetzung mit Alveolen ab der 17. Generation erfolgt. HANSEN und AMPAYA (1975) bauten ihr Modell auf morphometrischen Daten auf, welche eine weniger regelmäßige Teilung vermuten läßt. Hierbei kann ab der 16. Generation (bis max. zur 26.) eine variable Teilung in mehrere, kleinere Untereinheiten erfolgen, wobei die Summe aller Radii ab der 23. Generation sehr stark kleiner wird.

4.2. Die Lungenatmung

Der physiologische Atmungsvorgang, der dem Zweck der Sauerstoffversorgung des Körpers unter gleichzeitiger Elimination von Stoffwechselprodukten, in erster Linie CO2, aus dem Körper dient, kann als zweigeteilte Körperfunktion betrachtet werden (MATTHYS 1982;

SILBERNAGL u. DESPOPOULOS 1991); während die Atemmechanik (Kapitel 4.2.1) dafür sorgt, daß die Lunge während der Inspiration gedehnt und bei offenen Atemwegen automa- tisch mit Raumluft gefüllt wird, handelt es sich beim alveolären Gasaustausch (Kapitel 4.2.2) um die eigentliche Aufgabe der Lunge (ULMER et al. 1983). Im Krankheitsfalle können diese beiden Vorgänge separat voneinander und unterschiedlich stark beeinträchtigt sein (LEITH u.

GILLESPIE 1971). Dabei sind die häufigsten Störungen der Lungenfunktion zunächst als Stö- rung der Atemmechanik zu erfassen.

4.2.1. Atemmechanik

In der Brusthöhle herrscht ein physiologischer Unterdruck gegenüber dem Atmosphärendruck.

Dagegen liegt in den Atemwegen ein dem Umgebungsluftdruck vergleichbarer Druck vor.

Deshalb schmiegt sich die Lunge der parietalen Serosa der Brusthöhle an (SPÖRRI und LEEMANN 1964; GILLESPIE u. TYLER 1969; BENNET und TENNEY 1982).

Während der Inspiration kontrahiert sich sowohl das Zwerchfell als auch die inspiratorische Atemhilfsmuskulatur und vergrößert somit über eine Kranialbewegung der Rippen und einer Kaudalbewegung des Diaphragmas das Volumen des Cavum thoracis. Dieser Volumenzu- nahme folgt die Lunge aufgrund des intrapleural herrschenden Unterdruckes gegenüber dem Umgebungsluftdruck und des zwischen parietaler und viszeraler Pleura als Gleitschicht fun- gierenden Flüssigkeitsfilmes. Bedingt durch die Elastizität der Lunge dehnt sich zunächst das Lungengewebe aus, bevor der herrschende Unterdruck auf die Alveolen und damit auf die ventilierten Lungenbezirke abgegeben wird. Dieser Druckverlauf hat annähernd sinusförmi- gen Charakter (LEITH 1976, 1983). Interpleural ist der Unterdruck zum Ende der Inspiration am größten, während gegen Ende der Exspiration der Thorax am stärksten komprimiert und damit der Unterdruck relativ klein wird. In den Alveolen zeigen sich andere Druckverhältnis- se; hier ist der Druck zu Beginn der Exspiration maximal und beginninspiratorisch am klein- sten. Außerdem ändern sich die Druckverhältnisse unter Belastung im Vergleich zu unter Ruhebedingungen erhaltenen Werten dramatisch (GILLESPIE 1974; ART und LEKEUX 1988 b).

4.2.2. Der Gasaustausch

Der Gasaustausch seinerseits kann nach ULMER et al. (1983) in drei Phasen unterteilt wer- den:

1. Belüftung und Durchblutung der Alveolen (Ventilation, Perfusion) 2. Diffusion und

3. Gastransport im Blut (Konvektion).

Speziell auf die ersten beiden Punkte wird hier besonders eingegangen, da sie besondere Be- achtung hinsichtlich der Lungenfunktionsdiagnostik verdienen (CONNORS et al. 1981). Im Detail beschrieben werden diese Vorgänge u. a. bei ELAD (1999).

LEKEUX (1993) widmet sich besonders den unterschiedlichen Anforderungen an den Gas- austausch von Tieren unter Belastung im Vergleich zu Ruhewerten, WASSERMAN und WHIPP (1983) erforschen diese Zusammenhänge beim Menschen.

4.2.2.1. Ventilation und Perfusion

Der Körper besitzt Mechanismen, die die Alveolenbelüftung (Ventilation) und alveoläre Durchblutung (Perfusion) den erforderlichen Gegebenheiten anpassen (HALDANE u.

PRIESTLEY 1905; BLOOD u. HENDERSON 1979; HÖRNICKE et al. 1983).

Die Atemmechanik bildet die grundsätzliche Voraussetzung für die ständige Erneuerung der alveolären Luft (EFFROS et al. 1981). Der Quotient aus alveolärer Ventilation pro Minute und Herzzeitvolumen wird Ventilation-Perfusion-Quotient genannt und beträgt beim Men- schen normalerweise 0,9 (ULMER et al. 1983). Dabei ist dieser Quotient an jeder Stelle der Lunge verschieden. So sind beim stehenden Pferd die ventralen Lungenbezirke - bedingt durch den höheren hydrostatischen Druck - gut perfundiert, aber schlechter ventiliert, während es sich mit den dorsalen Bezirken genau umgekehrt verhält (GILLESPIE et al. 1966; SPÖRRI u. DENAC 1970 b; BEECH 1991; MUIR et al. 1993). Regionale Pleuradruckschwankungen, unterschiedliche Alveolengrößen und ungleichmäßige Luftwegsdurchmesser sorgen ebenfalls für einen sich ändernden Quotienten.

Der Euler-Liljestrand-Reflex (auch alveolovaskulärer Reflex genannt) sorgt dafür, daß hypo- ventilierte Lungenalvolen auch hypoperfundiert werden, um die Diffusionszeit zu vergrößern und damit die Effektivität des Gasaustausches zu verbessern. Diese Umverteilung wird bei ROBINSON et al. (2000) eingehend diskutiert.

In Bezirken, welche zwar mit Luft, jedoch nicht mit Blut versorgt werden, ist der V/ Q• •

−Quotient unendlich groß. Diese Abschnitte werden als Totraum bezeichnet (RILEY u.

COURNAND 1949; OHNESORGE et al. 1998). Andererseits ist Gasaustausch auch ohne Perfusion, in der nicht-durchbluteten Lunge, in nicht geringem Maße, möglich, wie SHEPARD et al. (1981) an Hundelungen zeigen.

Für den Anteil des venösen Blutes, das nicht die Gebiete des Gasaustausches erreicht, ist der Quotient gleich Null. Beim Gesunden sind es physiologische Shunts, die einen kleinen Anteil des Herzschlagvolumens nicht-arterialisiert zum Herzen zurückgelangen lassen; beim Kran-

ken, im Falle einer mit einer Verteilungsstörung einhergehenden Erkrankung, kann sich der V/ Q• •

−Quotient also in beide Richtungen ändern (PIIPER u. SCHEID 1983). LEKEUX (1993) zeigt, daß die alveoläre Ventilation hgr. ungleichmäßig wird; Ursachen hierfür sind bei COMROE et al. (1972) bildlich dargestellt und u. a. bei DEEGEN und MÜLLER (1983) dis- kutiert.

4.2.2.2. Diffusion

Bedingt durch den Konzentrationsgradienten zwischen Inspirationsgas und den im Blut gelö- sten Gasen CO2 und O2 diffundiert CO2 in die Alveole hinein und O2 aus dem Lumen in das Blut. Dabei herrscht für CO2 ein relativ geringer Partialdruckunterschied (46 zu 40 mm Hg), aber eine aufgrund der guten Löslichkeit relativ große Diffusionsgeschwindigkeit, während die Verhältnisse für O₂ genau umgekehrt sind (40 zu 100 mm Hg). Die Diffusionsgeschwin- digkeit beschreibt das 1. FICKsche Diffusionsgesetz (Gleichung 1). Genauer ist jedoch STEFANS Gesetz (Gleichung 3, STEFAN 1871), da beim alveolären Gasaustausch mindestens drei Gase beteiligt sind (CO2, O2 und N2). Im Rahmen von Ein- oder Auswaschungstests kön- nen sogar vier Gase (WORTH 1985) in großer Menge diffundieren. BEN JEBRIA (1987) stellt auch für diesen Fall eine mathematische Lösung vor.

Alle drei beteiligten Gase können in beide Richtungen (zwischen Kapillar- und Alveolarraum) diffundieren (YU 1975; BOROVETZ et al. 1981; BEN JEBRIA u. BRES 1982; BOYLE 1986; KAPITAN u. HEMPLEMAN 1986). Die entsprechenden Diffusionskoeffizienten sind in Tabelle 1 dargestellt. Die resultierende Diffusionsgeschwindigkeit ist für CO2 ca. 20 bis 25 mal größer als für O2 (ULMER et al. 1983). Aus diesem Grund kommen Diffusionsstörun- gen von CO2 so gut wie keine Bedeutung hinsichtlich Lungenfunktionsdiagnostik zu (RILEY u. COURNAND 1951).

dn

dt D A dc

= − ⋅ ⋅dx

[ ]

[ ]

A dn

dt A

dc dx D

: : : :

Fläche, durch die diffundiert wird cm Fluß der Mole durch

x - Komponente des Konzentrationsgradienten Diffusionskonstante cm s

2

2

Gleichung 1: 1. FICKsches Diffusionsgesetz dc

dt Dd c

= dx²₂ Variablendefinitionen wie oben Gleichung 2: 2. FICKsches Diffusionsgesetz

( ) ( )

( )1 ₁ 1 1

21

1 2 2 1

31

1 3 3 1

Adc

dx D a N a N

D a N a N

= − + −

( ) ( )

( )2 ₂ 1 1

12

2 1 1 2

32

2 3 3 2

Adc

dx D a N a N

D a N a N

= − + −

( ) ( )

( )3 ₃ 1 1

13

3 1 1 3

23

3 2 2 3

Adc

dx D a N a N

D a N a N

= − + −

[ ]

a c

c c c a c

c c c a c

c c c

a a a N N N

D ; D ; D

1

1

1 2 3 2

2

1 2 3 3

3

1 2 3

1 2 3 1 2 3

12 13 23

1 0

= + + = + + = + +

+ + = + + =

; ; ;

; ;N: Mol - Flüsse

; Binäre Diffusionskoeffizienten cm s sonstige Variablen wie oben

2

Gleichung 3: STEFANs Diffusionsgesetz für drei Gase (1, 2 und 3; z. B.

N₂, O₂ und CO₂. Diffusionskonstanten (D) s. Tabelle 1.)

Die Gesamt-Diffusionsstrecke der Sauerstoffmoleküle von der Alveole bis in den Erythro- zyten läßt sich in mehrere Abschnitte unterteilen (ULMER et al. 1983). Im Krankheitsfalle kann diese Diffusionsstrecke durch in den Alveolen befindliches Sekret vergrößert sein. Eine gestörte O2-Diffusion läßt sich im arteriellen Blut an einer erhöhten A-aDO2 (s. Gleichung 4) erkennen (TISI 1985; COCHRANE et al. 1982). GRØNLUND (1983) stellt fest, daß das Lun- gengewebe selbst eine gewisse Menge CO₂ aufnehmen kann, wodurch sich Diffusionsberech- nungen (YU 1975) verkomplizieren.

Tabelle 1: Binäre Diffusionskoeffizienten (D) bei 37 °C und 1013 hPa, aus BEN JEBRIA und BRES 1982 (gekürzt).

Die angegebenen Werte werden in Gleichung 3 eingesetzt.

Gas-Paar D (cm²/s) O2-N2 0,230 O₂-CO₂ 0,173 N₂-CO₂ 0,181 4.2.2.3. Die Zusammensetzung des Atemgases

Die Zusammensetzung der diversen an der Atmung beteiligten Gase verdeutlicht Tabelle 2.

Dabei sind nur die Hauptbestandteile der Luft aufgelistet; Edelgase u. ä., die nur einen ver- schwindend kleinen Anteil (zusammen < 1 %) an der Luftzusammensetzung haben, sind nicht dargestellt. Diese erhöhen die tatsächliche Molmasse der Umgebungsluft auf 28,94 [g/mol]^I. Tabelle 2: Partialdruckverhältnisse und Molmassen von Gasgemischen verschiedener

Zusammensetzungen bei 760 Torr (=1013 hPa) Luftdruck (nach MATTHYS (1982) undULMER et al. (1983), erweitert).

Art der Luft Gas O2 CO2 N2 H2O Σ Σ

MM [g/mol]

31,999 44,010 28,013 18,015 Summe^II Molmasse [g/mol]

Umgebungsluft Torr 156,6 0,02 592,0 10,6 759,2

≈Beginninsp. % 20,61 0,03 77,89 1,40 99,90 28,668 Trachealluft Torr 149,0 0,02 563,2 47,0 759,2

% 19,61 0,03 74,11 6,18 99,90 28,149 Alveolarluft Torr 109,8 45,0 558,0 47,0 759,8

≈Endexspiration % 14,45 5,93 73,42 6,18 99,98 28,913

trockene Torr 158,8 0,02 600,4 0 759,2

Umgebungsluft % 20,90 0,03 79,00 0 99,90 28,819

trockene Torr 118,4 40,8 600,4 0 759,6

Exspirationsluft % 15,58 5,37 79,00 0 99,95 29,479 Erkennbar ist, daß die Molmasse der Umgebungsluft (angenommen sind 60 % Luftfeuchtig- keit bei 20 °C Raumtemperatur) von 28,668 g/mol während der Inspiration auf 28,149 g/mol in der Frühexspiration (=Trachealluft) abnimmt, um mit fortschreitender Exspiration wieder

I R. ISLER, 1997, mündliche Mitteilung.

II Die in der Tabelle fehlenden Prozente an 100 % und Partialdrücke am Umgebungsluftdruck von 760 Torr werden durch die Edelgase und andere, prozentual wenig in der Luft vertrete-

auf 28,913 g/mol anzusteigen (=Alveolarluft^III). Der initiale Abfall (s. auch Abbildung 12, Seite 56) der Molmasse kann durch eine Verdrängung von trockener „Luft“ durch leichteres Wassergas erklärt werden (BUESS 1988; BERLIS u. HEISE 1997).

Aufgrund der quantitativ so variablen Zusammensetzung der verschiedenen Atemgase schla- gen COMROE et al. (1968) vor, das Wort „Luft“ in diesem Zusammenhang zu vermeiden und durch „Inspirationsgas“, „Trachealgas“ bzw. Exspirationsgas“ zu ersetzen.

Ohne Berücksichtigung des Effektes von Wasserdampf (oder „Wassergas“) auf die Molmas- senbestimmung würde sich ein sehr deutlicher Anstieg der Molmasse von Inspiration bis Ende Exspiration abzeichnen (s. Tabelle 2, Zeilen „trockene Umgebungsluft“ und „trockene Exspi- rationsluft“).

0%

25%

50%

75%

100%

Umgebung Tracheal Exspiration H₂O

N₂

O₂ CO₂

Abbildung 1: Grafische Darstellung des relativen Gasgehaltes des Exspirationsgases zu ausgewählten Momenten.

Die zugrundeliegenden (exemplarischen) Zahlenwerte sind Tabelle 2, Seite 22, zu entnehmen.

Während der Frühphase der Exspiration ist das Atemgas noch nicht zu 100 % wasserdampf- gesättigt und noch nicht vollständig auf Körpertemperatur erwärmt (schließlich hat diese Gas- fraktion nur kurzzeitig in der Nasen- oder einer Nebenhöhle verweilt, und in der Nase ist ein Temperatur-Gegenstrom-Kühlmechanismus aktiv). Daher ist eine genaue Vorhersage der (wasserdampfabhängigen) Molmasse in dieser Atemphase schwierig. Auf diese Problematik gehen BERLIS und HEISE (1997) näher ein und entwickeln ein „Voxel-Modell“, mit dessen Hilfe in jeder Phase eines Atemzuges eine genaue Abschätzung der Molmasse möglich ist.

III Die CO2-Konzentration von 5,93 % ist hypothetisch, aber realistisch.

Eine grafische Darstellung der Zahlenwerte aus Tabelle 2 folgt in Abbildung 1. Ersichtlich ist, daß bei der Befeuchtung (Übergang Umgebungs-Trachealluft) vor allem Stickstoff aus dem Alveolarraum verdrängt wird. Die verdrängten Gasmoleküle gelangen in die umliegenden Zellen bzw. in die Extrazellularräume der Alveolen.

4.3. Die Untersuchung des Respirationsapparates

4.3.1. Klinische Untersuchung

Der klinischen Untersuchung ohne Hilfsmittel zugänglich sind die Ermittlung der Atemfre- quenz (Ruhewert gesundes, erwachsenes Warmblutpferd 8-18/min), der Atemtyp (physiologischerweise: costoabdominal) und das Vorhandensein/Fehlen von diversen patho- logischen Anzeichen erschwerter Atmung (Nüsternblähen, Dampfrinne=verstärkter Bauch- presseneinsatz bei der Exspiration; Afteratmen=Anzeichen eines intraabdominalen Überdruckes bei verstärkter Exspiration).

Weiterhin ist eventuell feststellbarer, meist beidseitiger, Nasenausfluß ein Indiz für eine vor- liegende Störung mit Sitz im Respirationstrakt (ALEXANDER 1959).

Wiederholter Husten in Ruhe oder bei bestimmten Vorgängen (fütterungs- oder belastungs- synchron) oder nach Auslösen durch Kompression der ersten Trachealknorpelspangen ist ein weiteres Indiz; dabei sind nicht nur die Anzahl sondern auch der Typ der vernommenen Hu- stenstöße in die Beurteilung einzubeziehen. Eine Adspektion der sichtbaren Schleimhäute erlaubt eine bedingt sichere Aussage, denn eine Zyanose kann Ausdruck einer hgr. Beein- trächtigung der Lungenfunktion sein (BEECH 1979).

Eine vorberichtlich erwähnte Leistungsinsuffizienz kann ihrerseits dazu beitragen, deren Ur- sache im Respirationstrakt zu suchen (DEEGEN 1986).

4.3.1.1. Auskultation

Diese einfache, leicht durchzuführende Untersuchung gerät mit zunehmender technischer Entwicklung immer stärker in den Hintergrund, ist aber dennoch von großer Bedeutung bei der klinischen Lungenuntersuchung (DEEGEN u. ZICHNER 1970; LITTLEJOHN 1979;

ANTONIN 1982; VIEL et al. 1986). Unter Berücksichtigung von Alter (Fohlen!), Ernäh-

rungszustand und Atemforcierung (z. B. durch Lobelin^®IV, ART et al. 1991) können wichtige und diagnostisch verwertbare Erkenntnisse innerhalb kurzer Zeit gewonnen werden. Beachtet werden müssen die Art (z. B. Rauschen, Knistern, Giemen, Pfeifen) und die Lokalisation (tracheal, bronchial, alveolär) auftretender Atemgeräusche.

4.3.2. Perkussion

Die mit Perkussionshammer und Plessimeter vorzugsweise beidseitig (DEEGEN u.

ZICHNER 1970; STECK 1976; BEECH 1979; durchzuführende Lungenfeldperkussion liefert dem geübten Untersucher ein ungefähres Bild von der Größe des Lungenfeldes, insbesondere aber Hinweise auf das Vorliegen eines Randemphysems (Lungenfelderweiterung, überlauter Schall). Da auch diese Untersuchungstechnik nicht frei von Fehlbefundungen (Gas im Darm, Hernia diaphragmatica, zu kleine Dämpfungsherde/Abszesse) ist und abweichende Befunde erst ab einem gewissen Grad (und Dauer) der Erkrankung zu erwarten sind, ist die diagnosti- sche Aussage der Perkussion begrenzt.

4.3.3. Blutgasanalyse

Zur arteriellen Blutgasanalyse wird eine technisch einfache Punktion der A. carotis in der rechten Halsregion eine handbreit cranial der Apertura thoracis in der Drosselrinne mit dünner Kanüle (Nr. 12) in caudomediohorizontaler Stichrichtung durchgeführt (KLEIN u. DEEGEN 1986). Die gewonnenen Proben müssen schnellstmöglich untersucht werden, die erforderli- chen Geräte sind recht teuer (ROSE und ROSSDALE 1981; DEEGEN 1984; TSCHUDI 1995). Bestimmt werden pH, pCO₂, pO₂ und - daraus nach KLEIN und DEEGEN (1986) er- rechnet - die A-aDO2 (gemäß Gleichung 4). Diese im physiologischen Fall zwischen 0 und 7 mm Hg (bei anderen Autoren bis 12 mm Hg) große alveolo-arterielle Sauerstoffpartialdruck- differenz (RILEY u. COURNAND 1949; TISI 1985) steigt im Krankheitsfalle je nach Schwe- regrad der Diffusionsstörung auf 30 mm Hg oder höher an.

IV Fa. Boehringer, Ingelheim

( )

A aDO− ₂[mm Hg]= P_B −47 [mm Hg] ⋅0 2095, −P CO_{a 2}−P O_{a 2} P Barometerdruck

P CO arterieller CO Partialdruck P O arterieller O Partialdruck

: Wasserdampfdruck bei C und Luftfeuchte : relativer Sauerstoffgehalt der Atemluft

B a a

: : :

% ,

[mm Hg]

[mm Hg]

[mm Hg]

[mm Hg]

[%]

2 2

2 2

47 37 100

20 95

−

−

°

Gleichung 4: Berechnung der alveolo-arteriellen Sauerstoffpartialdruckdifferenz.

4.3.4. Endoskopie

Die Einführung von flexiblen Lichtleiterendoskopen in die Veterinärmedizin ermöglichte eine Visualisierung des Atemtraktes am lebenden (evtl. sedierten) Pferd von innen (FISCHER et al. 1982; HALLER 1982; DEEGEN 1995; SAVAGE 1997). Bis zur Bifurcatio tracheae oder sogar in die Hauptbronchien hinein kann eine Untersuchung erfolgen. Es werden Farbe und Feuchtigkeit der Schleimhaut, evtl. in den luftführenden Wegen vorhandenes Sekret nach Menge und Viskosität und sonstige Auffälligkeiten beurteilt.

4.3.4.1. TBS-Analyse

Das bei der Endoskopie (Kapitel 4.3.4) über den Arbeitskanal des Endoskopes abgesaugte Tracheobronchialsekret (BEECH 1975; DEEGEN et al. 1982; DECONTO u. DEEGEN 1983;

DIECKMANN et al. 1990) kann mittels mikroskopischer (cytologischer) Untersuchung Auf- schluß über die Ursache der vermehrten Sekretion liefern. Von größtem Interesse sind dabei die enthaltenen Zellen und eingedickter Mucus, der als sogenannte CURSCHMANN-Spiralen (DECONTO 1983) erkennbar ist.

4.3.5. Röntgen

Die technischen Anforderungen an eine für das Röntgen von Pferdelungen geeignete Rönt- genanlage sind hoch. Bei ausreichender Bildqualität liefert diese Untersuchungstechnik dem geübten Untersucher zusätzliche wertvolle Hinweise auf den Schweregrad einer chronischen oder die Lokalisation einer akuten Erkrankung (DIECKMANN et al. 1990; VENNER 1994;

VENNER et al. 1995).

4.3.6. Ultraschall

Die Sonographie von lufthaltigem Gewebe ist - technisch bedingt - schwierig. Somit läßt sich eine nicht-lufthaltige Lunge (=Fibrose, Abszeß, Atelektase) besser darstellen, sofern diese Veränderungen oberflächlich liegen. Aufgrund der niedrigen Eindringtiefe (ca. 22 cm max.) sind sinnvolle Untersuchungen nur bei Fohlen oder Pferden mit oberflächlichen (parietalen) Lungenveränderungen durchzuführen (HIRSCH et al. 1978; RANTANEN 1981; YANG et al.

1985; REEF 1991).

4.3.6.1. Biopsie und Histologie

Am lebenden Tier kann - vorzugsweise unter Ultraschallkontrolle - ein Lungenbioptat gewon- nen werden, wie YANG et al. (1985) beschrieben haben. Dieses invasive Verfahren birgt ei- nige Risiken für den Patienten; Todesfälle sind möglich (YANG et al. 1985). Bei der histologischen Untersuchung des so gewonnenen Bioptates von COPD-kranken Pferden fin- den sich die gleichen Veränderungen, wie sie bei SCHOON und DEEGEN (1983) und van den INGH (1985) erwähnt werden; letztgenannte Autoren erwähnen postmortal vermehrte flüssige und zellhaltige Exsudate in den Atemwegen an histologischen Präparaten toter Pfer- de. Bei den meisten Entzündungszellen handelt es sich um neutrophile und eosinophile Gra- nulozyten.

4.4. Lungenfunktion

Die bisher genannten Untersuchungsmethoden sind zwar durchaus geeignet, Störungen des Respirationstraktes zu finden und hinsichtlich Diagnose, Therapie und Prognose wertvolle Hinweise zu geben, aber sie liefern - mit Ausnahme der arteriellen Blutgasanalyse - keine ob- jektivierbaren Parameter (Zahlenwerte), welche eine Einschätzung der funktionellen Beein- trächtigung der Lunge ermöglichen. Die Lungenfunktionsuntersuchung - ihrerseits eine Ansammlung diverser Untersuchungstechniken wie Spirometrie, Kapnographie, Stickstof- feinwaschungstest (SPÖRRI u. DENAC 1970 b) und Interpleuraldruckmessung, hat eben sol- che Zahlenwerte als Untersuchungsergebnis. Diverse Autoren (AMDUR u. MEAD 1958;

SPÖRRI u. ZEROBIN 1964; van de WOESTIJNE 1964; DENAC-SIKIRIC 1970; SPÖRRI u.

DENAC 1970 b; SASSE 1971, 1973; WILLOUGHBY u. McDONELL 1979, KREIME 1981;

STADLER 1983; CONRAD et al. 1984; SASS 1985; WORTH 1985; OTTO 1987; CRIBB

1988; ART u. LEKEUX 1988 a; ROBINSON 1992; LEKEUX et al. 1993; JANSSEN 1996;

TRÖTSCHEL 1996; van ERCK et al. 1997; OHNESORGE et al. 1998; SANDER 2000;

COUËTIL et al. 2000) berechnen zahllose Parameter nach verschiedensten Methoden (in Ru- he/unter Belastung) und unter Zuhilfenahme variabler Meßanordnungen, so daß die Gefahr besteht, daß statt einiger weniger Parameter eine wahre Zahlenflut als Ergebnis einer Lungen- funktionsuntersuchung präsentiert wird.

Beim (erwachsenen) Menschen übliche lungenfunktionsanalytische Parameter (z. B. FVC, FEF) lassen sich bei Tieren nur schwer ermitteln, da wir auf die Mithilfe der Probanden ver- zichten müssen. COUËTIL et al. (2000) ermitteln die FVC und den FEF an sedierten Pferden, deren Lungen auf einen intraoesophageal gemessenen Interpleuraldruck von (Exspirationswert + 30 cm H₂O) angehoben wurde, nachdem die Pferde künstlich hyperventiliert worden sind.

Laut REITEMEYER (1985), TOMASIC et al. (1997) und HERHOLZ et al. (1997) beeinflus- sen Sedativa jedoch die Ergebnisse einer Lungenfunktionsanalyse.

GILLESPIE (1974) und LEITH (1976) benutzen die Vakuum-Methode zur Ermittlung der o.

g. Parameter.

Welche Verfahren sich in Zukunft etablieren bzw. mit welchen Methoden Lungenfunktions- parameter beim Pferd errechnet werden, ist ungewiß. In der Humanmedizin sorgt die Ameri- can Thoracic Society (1995) für Qualitätssicherung bei Lungenfunktions-Kriterien; eine ähnliche Vereinheitlichung gibt es in der Tiermedizin (noch) nicht.

4.4.1. Spirometrie

Zur Bestimmung des Lungen- bzw. Atemzugvolumens wurden diverse Meßmethoden entwik- kelt; in der Veterinärmedizin am gebräuchlichsten und am wenigsten störanfällig erwies sich bis vor wenigen Jahren das Staudruckrohr nach FLEISCH (1925). Hierbei wird die zu mes- sende Atemströmung über ein Lamellensystem in eine Druckdifferenz umgewandelt. Der da- bei auftretende Widerstand beeinträchtigt jedoch wie bei allen mechanischen Verfahren die Genauigkeit der Messung. Zudem ist der entstehende Druck von der Zusammensetzung des Gases, genauer von seiner Viskosität, abhängig (YEH et al. 1984). Die dadurch zwischen In- und Exspiration entstehende Meßungenauigkeit läßt sich jedoch rechnerisch eliminieren.

In letzter Zeit hat sich die Messung mittels Ultraschallwellen (BUESS et al. 1986; BUESS

BERLIS u. HEISE 1997; HERHOLZ et al. 2000) etabliert; auf dieses Meßprinzip wird weiter unten genauer eingegangen (Kapitel 5.2.2.1). Ziel der Messung ist die Bestimmung des Atem- flusses (Fl) und des Volumens (V).

Diese allein liefern jedoch nur wenig verwertbare Informationen (AMIS und KURPERSHOEK 1986; CONNALLY u. DERKSEN 1994; PETSCHE et al. 1994; ULMER 1997; LUM u. GROSS 1998), so daß die Messung weiterer Parameter hilfreich ist.

4.4.1.1. Molmassenbestimmung mittels Ultraschall-Spirometrie

Die bei der Ultraschall-Flußmessung automatisch errechnete Molmasse wird von BUESS et al. (1986) und BUESS (1988) als wertvolles Verfahren, von ISLER^V als fast ebenso genaues Verfahren wie die Massenspektrometrie beschrieben. Die für die Errechnung notwendige Formel findet sich auf Seite 39; daraus ist ersichtlich, daß die so bestimmte Molmasse abhän- gig von der Temperatur des Gasgemisches ist.

Für die Humanmedizin ist eine Annäherung aus mehreren Richtungen an die Abgleichung zwischen Molmassen- und CO₂-Werten versucht worden. Vielversprechend scheint der Vor- schlag von BERLIS und HEISE (1996, 1997).

4.4.2. Interpleuraldruckmessung

Die direkte Messung des Interpleuraldruckes (SPÖRRI u. DENAC 1967; BANCHERO et al.

1976) als eine der ältesten bekannten Methoden zur Erkennung von Störungen der Lungenme- chanik (OBEL u. SCHMITERLÖW 1948) hat sich in der täglichen Praxis wegen der hohen Risiken für den Patienten nicht bewährt, jedoch sind indirekte Verfahren wie die Messung des Intraoesophagealdruckes als adäquate Methode anerkannt (DERKSEN u. ROBINSON 1980;

BOERMA et al. 1985; DERKSEN et al. 1986; DEEGEN u. KLEIN 1987; KLEIN u.

DEEGEN 1987).

4.4.3. Kapnographie

Der CO2-Stoffwechsel als eine der Hauptfunktionen der Lunge bietet trotz der o. a. (Seite 20) untergeordneten Rolle hinsichtlich seiner Beeinträchtigung viele Ansätze, lungenfunktionsa- nalytisch sinnvolle Parameter zu berechnen (COCHRANE et al. 1982; OECHTERING u.

ALEF 1995; SCHMITZ u. SHAPIRO 1995; ARNOLD et al. 2000). Die dafür durchzuführen- de Kapnographie (=CO2-Messung) erfolgt zumeist (RILEY u. COURNAND 1951; SMIDT u.

WORTH 1982; ULMER et al. 1983; OHNESORGE et al. 1998) mittels URAS (Ultrarot- Absorptionsschreiber). Massenspektrometrische Verfahren bieten dazu eine (ungleich ko- stenintensivere) Alternative (SMIDT u. MUYERS 1966).

4.4.3.1. CO2-abhängige Parameter

Aus der Kapnographie erhaltene Zahlenwerte werden verwendet, um analytisch relevante Pa- rameter zu bestimmen. Da die Kapnographie ein wesentliches Thema der vorliegenden Arbeit ist, wird hier näher auf die CO₂-abhängigen Parameter eingegangen.

4.4.3.1.1. Das Mischluftvolumen

Mischluftvolumen ist ein Teil des Exspirationsgases, das sowohl alveoläre (=CO₂-reiche) als auch tracheale bzw. dem Totraum entstammende (=CO₂-arme) Anteile besitzt (ULMER et al.

1983). Der CO2-Gehalt des Mischluftvolumens liegt demzufolge zwischen dem der Alveo- larluft und dem der Umgebungsluft.

In der humanmedizinischen Lungenfunktionsanalyse wird als Mischluftvolumen der Anteil des Exspirationsvolumens zwischen 25 % und 50 % oder auch zwischen 25 % und 75 % des endexspiratorischen CO2-Gehaltes angesehen (SMITH u. MUYERS 1966; van RIJN 1978, WESTERDICKENBERG 1978, SMIDT u. WORTH 1981; COCHRANE et al. 1982;

WORTH 1985; SMIDT 1997). Dieser liegt nach OHNESORGE et al. (1998) beim Pferd viel- fach nicht auf einem stetig steigenden Anteil der CO₂-Volumen-Kurve, weswegen bei dieser Tierart nach dem Vorschlag von TRÖTSCHEL (1996) der Anteil zwischen 50 % und 75 % bevorzugt wird.

4.4.3.1.2. Der Totraum

Die Berechnung des Totraums anhand der CO2-Werte erfolgt nach der BOHRschen Formel (BOHR 1871; Gleichung 18, Seite 55). FOWLER (1950), FURUKAWA (1972), KREIME (1981), LITTLEJOHN und BOWLES (1982), STADLER (1983), ULMER et al. (1983), OHNESORGE et al. (1988) und SANDER (2000) benutzen dieselbe Methode.

ROSSIER und MÉAN (1940) und RILEY und COURNAND (1951) nutzen den arteriellen pCO2 zur (näherungsweisen) Berechnung der mittleren CO2-Konzentration, da sie den al- veolären CO₂-Gehalt nicht genau bestimmen können. Der arterielle pCO₂ spiegelt jedoch nur eine „ideale Alveolarluft“ (RILEY und COURNAND 1949) wider, weswegen die Berechnung über die tatsächlichen alveolären Werte, sofern diese gemessen werden können, stets niedri- ger, jedoch genauer ist (ULMER et al. 1983).

FOWLER (1950) untersucht den Totraum bei alten und bei lungenkranken Menschen, FURUKAWA (1972) bei Ponys und LITTLEJOHN und BOWLES (1982) sowie OHNESORGE et al. (1988) bei Pferden.

5. M

M

5.1. Patientengut

Zwischen Februar 1998 und Januar 1999 gelangen 100 Pferde, 85 Patienten der Klinik für Pferde und 15 klinikeigene Tiere, zur Untersuchung. Die Geschlechterverteilung, Größen und Gewichte der Tiere sowie der Grund des Klinikaufenthaltes ist Tabelle 3, Tabelle 4, Tabelle 5 und Tabelle 6, Seite 32 ff, zu entnehmen. 20 Pferde nehmen an einem Vorversuch zur Ermitt- lung von Hilfsgrößen teil, die übrigen 80 Patienten bilden das Patientenmaterial für den Hauptversuch. In Kurzform finden sich diese Daten in Tabelle 7, Seite 35. Alle Probanden werden vor der Lungenfunktionsanalyse einer eingehenden klinischen Allgemein- und spezi- ellen Untersuchung des Respirationstraktes unterzogen.

Tabelle 3: Patientengut: Rasse, Alter, Geschlecht, Gewicht, klinischer Score und Grund des Klinikaufenthaltes der untersuchten Pferde - Vorversuch -.

Tier Nr. Gruppe Brand Alter [Jahre]

Geschl. Gewicht [kg]

Vorbericht Score [Pkte]

V 1 V-A Friese 16 W 610 Uveitis 0

V 2 Hann 2 H 585 Kastration 1

V 3 Welsh 21 W 455 Lahmheit 1

V 4 Warmbl 8 S 530 Klinikpferd 2

V 5 Hann 6 S 570 Lahmheit 2

V 6 Westfale 11 W 580 Kolik 2

V 7 Hann 14 S 560 Begleitstute 2

V 8 V-B OL 7 S 560 Kolik 3

V 9 OL 2 S 555 Uveitis 3

V 10 OL 7 S 590 Kolik 3

V 11 Hann 7 W 500 Kolik 3

V 12 Warmbl 3 S 530 Zahnhalsfraktur 4

V 13 OL 4 W 520 Lahmheit 4

V 14 Hann 5 W 545 Kolik 5

V 15 Warmbl 6 S 530 Ovartumor 5

V 16 Warmbl 14 H 525 Klinikpferd 5

V 17 V-C Hann 9 W 590 COPD 7

V 18 Hann 10 S 520 Kolik 8

V 19 Isländer 16 W 510 COPD 9

V 20 Hann 10 S 600 COPD 10

Tabelle 4: Patientengut, Gruppe A - Hauptversuch.

Tier Nr. Brand Alter [Jahre]

Geschl. Gewicht [kg]

Vorbericht Score [Pkte]

1 Oldenburger 8 S 620 Lahmheit 0

2 Oldenburger 10 S 640 Tumor 0

3 Hann 8 S 540 Klinikpferd 0

4 Traber 7 W 500 Klinikpferd 0

5 Hann 8 W 540 Bulbusexstirpation 1

6 Holsteiner 9 S 640 Kolik 1

7 Traber 9 W 510 Klinikpferd 1

8 Reitpony 9 W 430 Kolik 2

9 Welsh 14 W 530 Kolik 2

10 Isländer 17 S 560 Hauterkrankung 2

11 Hann 4 S 490 Abmagerung 2

12 Westfale 8 S 560 Begleitstute 2

13 Hann 11 W 530 Lahmheit 2

14 Warmblut 5 S 560 Lahmheit 2

15 Araber 4 S 500 COPD 2

16 Warmblut 6 S 525 Klinikpferd 2

17 Hann 11 S 545 Begleitstute 2

18 Hann 13 S 515 Begleitstute 2

19 Warmbl 17 S 515 Klinikpferd 2

20 Holsteiner 8 S 560 Lahmheit 2

21 Oldenburger 17 W 580 Lahmheit 2

22 Hann 9 S 540 Begleitstute 2

23 Westfale 11 W 580 Kolik 2

24 Holsteiner 10 W 570 Lahmheit 2

25 Hann 14 W 560 Kolik 2

26 Traber 4 W 530 Klinikpferd 2

27 Traber 7 S 520 Klinikpferd 2

28 Vollblut 9 S 560 Leistungsinsuffizienz 2

Die Ergebnisse der Untersuchung inkl. der Blutgasanalyse werden quantitativ in einen in der Klinik für Pferde entwickelten Score (JANSSEN 1996, s. 36) überführt, anhand dessen die Pferde in Gruppen (Gruppe A bzw. V-A: lungengesunde, Gruppe B bzw. V-B: gering- bis mittelgradig und Gruppe C bzw. V-C: hochgradig lungenkranke Tiere) eingeteilt werden. Die bei diesem Score maximal erreichbare Punktzahl beträgt 14 Punkte; da jedoch nicht alle Pfer- de einer Bronchoskopie unterzogen werden können, fällt diese aus dem Score-Schema heraus.

Somit bleibt als maximal erreichbare Punktzahl 10.

Tabelle 5: Patientengut, Gruppe B - Hauptversuch.

Tier Nr. Brand Alter [Jahre]

Geschl. Gewicht [kg]

Vorbericht Score [Pkte]

29 Warmblut 9 S 520 Klinikpferd 3

30 Warmblut 6 S 530 Klinikpferd 3

31 Haflinger 10 H 460 Kolik 3

32 Mangalarga 4 H 545 Samenstrangfistel 3

33 Hann 8 S 620 Lahmheit 3

34 Quarter 13 S 560 Lahmheit 3

35 Hann 6 W 510 Intestinaltrakt 3

36 Warmblut 7 S 495 Klinikpferd 3

37 Hann 18 W 580 Hornspalt 3

38 Oldenburger 3 S 535 Lahmheit 3

39 Holst 2 S 505 Bockhuf 3

40 Ungar 8 W 530 Lungenbluten 3

41 Hann 14 W 550 chron. Uveitis 3

42 Kleinpferd 25 H 435 Kolik 3

43 Hann 12 W 615 COPD 4

44 Hann 2 S 585 Koppen 4

45 Oldenburger 8 S 560 Klinikpferd 4

46 Oldenburger 14 S 590 Kolik 4

47 Hann 5 W 530 Kehlkopfpfeifen 4

48 Oldenburger 7 S 615 COPD 4

49 Trakehner 9 W 590 Lahmheit 4

50 Traber 12 S 510 COPD 4

51 Oldenburger 7 W 580 Lahmheit 4

52 Araber 5 S 535 Ovartumor 4

53 Araber-Mix 2 S 495 Verletzung 4

54 Westfale 13 S 600 COPD/Tumor 4

55 Warmblut 8 S 540 Gleichbeinfraktur 5

56 Friese 10 W 610 Interstit. Lungenerkr. 5

57 Hann 12 S 560 Leistungsinsuffizienz 5

58 Trakehner 3 H 520 Kastration 5

59 Vollblut 6 H 520 Lahmheit - Kontr. 5

60 Friese 8 H 595 COPD 5

61 Holsteiner 13 W 560 Leistungsinsuffizienz 5

62 Dülmener 7 S 465 Klinikpferd 5

Tabelle 6: Patientengut, Gruppe C - Hauptversuch.

Tier Nr. Brand Alter [Jahre]

Geschl. Gewicht [kg]

Vorbericht Score [Pkte]

63 Westfale 5 W 545 Herzinsuffizienz 6

64 Westfale 8 S 545 Tumoren 6

65 edl. Warmblut 6 W 560 Mitralisinsuffizienz 6

66 Hann 14 S 545 COPD 6

67 Paint 5 W 530 COPD 6

68 Rheinländer 18 W 575 Inappetenz 6

69 Friese 8 S 625 Entrapment 6

70 Traber 10 W 505 Klinikpferd 6

71 Hann 8 S 570 Verd. Intoxikation 6

72 Hann 16 W 535 COPD 6

73 Oldenburger 9 W 560 Lahmheit 7

74 Hann 8 W 580 COPD 7

75 Kleinpferd 3 S 410 Kolik 7

76 Mangalarga 12 W 530 COPD 7

77 Oldenburger 13 W 620 COPD 8

78 Hann 3 W 565 Kolik 8

79 Hann 15 W 545 COPD 9

80 Friese 14 H 600 Tumoren 10

Tabelle 7: Gruppeneinteilung der Pferde nach ihrer Score-Punktzahl - Übersicht.

Die Schattierung der Gruppen ist dieselbe wie in den Abbildungen im Ergebnisteil (Seite 67 ff).

Score Vorversuch: Hauptversuch:

Lungenstatus

[Punkte] Gruppe Pferde

[Anz.] ([%]) Gruppe Pferde [Anz.] ([%])

gesund 0 - 2 V-A 7 (35,0 %) A 28 (35,0 %)

ggr. bis mgr. krank 3 - 5 V-B 9 (45,0 %) B 34 (42,5 %)

hgr. krank 6 -10 V-C 4 (20,0 %) C 18 (22,5 %)

Summe 20 (100,0 %) 80 (100,0 %)

Tabelle 8: Verteilung der Score-Punktzahl auf die zu erhebenden Befunde.

Die grau unterlegten Zeilen (unten) deuten auf endoskopische und TBS- analytische Befunde. Diese Untersuchungstechniken werden in der vorliegenden Arbeit nicht angewandt.

untersuchter Parameter Befund Punkte

Husten vorberichtlich, spontan od. auslösbar 1

Ruhedyspnoe verstärkt abdominaler Atemtyp 1

Nüsternblähen und/oder Dampfrinne 3

Auskultation Rasseln oder/und Giemen 2

Lungenfeldperkussion mehr als eine handbreit erweitert 1 mehr als zwei handbreit erweitert 2

A-aDO2 7-14 mm Hg 1

> 14 mm Hg 2

Bifurcatio tracheae deutlich verdickt 1

TBS

a) Menge

a) deutlich vermehrt

b) mäßig viskös 1

b) Viskosität

(DIECKMANN u. DEEGEN 1990)

a) hgr. vermehrt

b) zähviskös 2

TBS: Makrophagen

und neutrophile Granulozyten

zahlreich oder dominierend 1

5.2. Geräte

5.2.1. Blutgasanalyse

Die arterielle Blutgasanalyse wird mit einem AVL Omni^ durchgeführt. Es werden der pO₂, pCO₂ und daraus die A-aDO₂ (nach Gleichung 4, Seite 26) bestimmt.

5.2.2. Lungenfunktionsanalyse

Die Untersuchung der Lungenfunktion wird mit einem Spiroson Scientific^ (Fa. Isler Bioengi- neering, CH-Zürich), bestehend aus Ultraschall-Flow-Meßkopf, Temperatur-Mainstream-

stem durchgeführt. Die erhaltenen Daten werden per serieller RS-232-Schnittstelle an den Computer übermittelt.

5.2.2.1. Der Ultraschall-Flow-Meßkopf

Der Meßkopf besteht aus zwei kombinierten Ultraschall-Sender-/Empfänger-Einheiten, die in einem Winkel von 40 ° zur Atemstromrichtung angeordnet sind (siehe Abbildung 2, Abbildung 3). Diese senden 200 mal in der Sekunde einen Ultraschall-Impuls aus und warten danach auf das Empfangen eines Impulses vom anderen Sender. Sie arbeiten also bei einer Frequenz von 200 Hz abwechselnd als Sender und als Empfänger.

Abbildung 2: Ultraschall-Flow-Meßkopf.

Die Pfeile ë deuten auf die Atemstromöffnun- gen, das ϑ markiert die Kabelaustritts- öffnung für den Temperatursensor.

Auch der Absaug- stutzen für die CO2- Seitenstrom-Analyse ist gekennzeichnet (CO2).

Durchqueren Ultraschallwellen in einem bekannten Medium eine definierte Strecke s, so be- nötigen sie dafür eine von ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit c abhängige Zeit t (Gleichung 6). Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle errechnet sich nach Gleichung 5.

Die genannten Formeln beziehen sich auf ein Medium konstanter, bekannter Zusammenset- zung (z. B. Umgebungsluft bei STPD-Bedingungen).

[ ]

c ^m_s =λ [m]⋅υ [Hz]

Ausbreitungsgeschwindigkeit Wellenlänge

Frequenz c

: :

: λ υ

Gleichung 5: Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle.

t s

[ ]

[s] c m [ ]^m_s

=

t c s : : :

Zeit

Ausbreitungsgeschwindigkeit Strecke

Gleichung 6: Zeitbestimmung bei bekannter Geschwindigkeit und Wegstrecke.

V F d t t

t t

• = ⋅

⋅ ⋅ −

⋅ 2

1 2

1 2

cosϕ

[ ] [ ]

[ ] [ ] [ ]

V d F t t

•

° :

: : :

, :

mittlere Flußgeschwindigkeit l s

lichte Weite der Atemdurchlaßöffnung dm Querschnittsfläche der Atemdurchlaßöffnung dm Winkel zwischen Atemstrom und Ultraschallwellen

Laufzeit von T1 nach T2 bzw. T2 nach T1 s

2

ϕ

1 2

Gleichung 7: Berechnung der mittleren Atemstromgeschwindigkeit mittels Laufzeitmessung von Ultraschallwellen.

Bewegen sich die Wellen nun in einem strömenden Medium, so verschieben sich - unter Be- rücksichtigung des Winkels zwischen Fluß- und Wellenausbreitungsrichtung - proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des Mediums auch die Ultraschallwellen um einen bestimmten Betrag. Diese Änderung läßt sich durch die Kopplung von zwei Transmitter/Receiver- Einheiten als Laufzeitdifferenz |T 1àT 2|-|T 2àT 1| messen und zur Berechnung des Atem- flusses Fl benutzen. Diese zwei gekoppelten Ultraschall-Transmitter/Receiver-Einheiten wer- den als Flow-Meßeinheit angesprochen. Werden Gleichung 5 und Gleichung 6 kombiniert und die Geometrie des Sensors berücksichtigt, kann - nach Umformung - die mittlere in der Atem- durchlaßöffnung herrschende Flußgeschwindigkeit des Mediums, also der Atemstrom, berech- net werden (Gleichung 7).

In unserem Fall befindet sich vor jeder Nüsteröffnung der Atemmaske (Abbildung 5) eine Flow-Meßeinheit; beide zusammen sind in dem Flow-Meßkopf (s. Abbildung 2) unterge- bracht.

Die alle 0,005 Sekunden von jeder Meßeinheit erhaltenen Flußmeßwerte werden im Gerät

Abbildung 3: Ultraschall-Flow-Meßeinheit, schematisch^VI. T1, T2: Transmitter-Receiver-Einheiten d: lichte Weite der Atemdurchlaßöffnung ϑ: Sitz des Temperaturfühlers

Zudem ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle c in Abhängigkeit von der Dichte des Mediums. Für Gase ist die Dichte ρ abhängig von der Molmasse des Gasgemi- sches und dem Luftdruck der Umgebung. Die absolute Zeitdifferenz ∆t zwischen Aussenden und Empfang der Schallwellen läßt sich messen und so die Wellenausbreitungsgeschwindig- keit c bestimmen. Folglich fällt bei der Flußmessung automatisch eine Messung der (noch hinsichtlich einiger Störfaktoren zu korrigierenden) Molmasse an (BUESS 1988).

M R T

=κ⋅ ⋅c

2

M

R T c

: :

: : :

Molmasse des Gases [g / mol]

adiabatische Konstante, gasabhängig [ ] Allgemeine Gaskonstante 8,3144 [J / K mol]

Temperatur [K]

Wellenausbreitungsgeschwindigkeit [m / s]

κ 1

⋅

Gleichung 8: Molmassenberechnung bei reinen Gasen in Abhängigkeit von der Temperatur und der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit.

VI Quelle: Online-Dokumentation zur Datenaufnahmesoftware WBreath^®, Version 3.36, ndd Medizintechnik, CH-Zürich.