Sicherung Lunge: Anatomie, Physiologie und Diagnostik

Anatomie und Physiologie der Atemwege

• Funktion der Nase: In der Nase wird die Atemluft beim Eintreten in den Körper das erste Mal erwärmt, befeuchtet und vorgereinigt. Die Einatmung sollte physiologisch bevorzugt durch die Nase und nicht durch den Mund erfolgen.

• Histologie der Atemwege: Die Atemwege sind mit einem speziellen Flimmerepithel ausgekleidet. Dieses gewebe besteht aus:   - Epithelzellen mit Kinozilien: Haarförmige Fortsätze zur Reinigung.   - Becherzellen: Diese sind für die Produktion von Schleim zuständig.

• Mukoziliare Clearance: Dies bezeichnet den mechanischen Reinigungsprozess der Atemwege, der durch das Zusammenspiel von Schleimproduktion und der Bewegung der Kinozilien erfolgt.

• Kehlkopf ($Larynx$): Regelt über den Kehldeckel ($Epiglottis$) die Belüftung der Atemwege und schützt vor Aspiration.

• Luftröhre ($Trachea$): Sie teilt sich an der Luftröhrengabel ($Bifurcatio tracheae$) in den rechten und linken Hauptbronchus. Knorpelspangen verhindern, dass die Trachea bei starken Druckschwankungen während der Atmung kollabiert.

• Lungenanatomie:   - Linke Lunge: Besteht aus $2$ Lungenlappen.   - Rechte Lunge: Besteht aus $3$ Lungenlappen.   - Lungenhilus: Die Stelle an der Mediastinalseite jedes Lungenflügels, an der Bronchien, Lungengefäße und Nerven in das Organ eintreten.

• Struktur des Bronchialbaums: Die Aufteilung erfolgt hierarchisch: Hauptbronchien $ightarrow$ Lappenbronchien $ightarrow$ Segmentbronchien $ightarrow$ Bronchiolen $ightarrow$ Endbronchiolen $ightarrow$ respiratorische Bronchiolen $ightarrow$ Läppchenbronchiolen.

• Alveolen: Ort des Gasaustauschs über die sogenannte Blut-Gas-Schranke.

• Totraum-Konzepte:   - Anatomischer Totraum: Umfasst den oberen und unteren Respirationstrakt (ausgenommen der Alveolen), in dem kein Gasaustausch möglich ist.   - Alveolärer Totraum: Krankheitsbedingt nicht belüftete Alveolen.   - Funktioneller Totraum: Die Summe aus anatomischem und alveolärem Totraum.

Physiologie der Atmung

• Aufgabe der Atmung: Die Atmung ist lebensnotwendig, da alle Körperzellen Sauerstoff ($O_2$) für die Zellatmung und den Stoffwechsel benötigen. Zweck ist die Anreicherung des Blutes mit $O_2$ und die Reinigung von Kohlenstoffdioxid ($CO_2$).

• Innere Atmung (Gewebeatmung):   - Bezeichnet die Verbrennung von Nährstoffen in den Körperzellen (v.a. in den Mitochondrien) zur Energiegewinnung.   - Hierbei wird Sauerstoff verbraucht.

• Äußere Atmung: Der Gasaustausch zwischen dem Organismus und der Umwelt in den Lungen. Sie ist die Voraussetzung für die innere Atmung.

• Phasen der Atmung:   - Inspiration: Einatmung.   - Exspiration: Ausatmung.

Die Pleura und der Pleuraspalt

• Struktur der Pleura: Besteht aus dünnen, epithelartigen Häuten:   - Pleura parietalis (Rippenfell): Ist fest an der Brustwand befestigt.   - Pleura visceralis (Lungenfell): Ist direkt an der Lunge befestigt.

• Pleuraspalt (Pleurahöhle): Der geschlossene, luftdichte Raum zwischen den Pleuren.   - Er ist mit seröser Flüssigkeit gefüllt, die von den Plattenepithelzellen produziert wird.   - Funktion: Sorgt für das Aneinanderhaften der Pleuren bei gleichzeitiger Verschieblichkeit.   - Unterdruck: Im Pleuraspalt herrscht ein negativen Druck von $-3$ bis $-6$ $mmHg$.   - Recessi pleurales: Reserveräume, die bei maximaler Inspiration von der Lunge ausgefüllt werden.

Atemmechanik und Atemtypen

• Beteiligte Strukturen:   - Knöcherner Thorax: Rippen, Sternum, Brustwirbelsäule (ermöglichen Volumenänderung).   - Muskulatur: Zwerchfell, $Mm. ext{ intercostales externi et interni}$, Atemhilfsmuskulatur.   - Atemwege: Trachea, Bronchien (leiten Luft, bieten Strömungswiderstand).

• Atemtypen:   - Brustatmung: Heben und Senken des Brustkorbs.   - Bauchatmung: Absenken des Zwerchfells führt zur Bauchwölbung durch Kompression der Bauchorgane.   - Kombination: Gleichzeitige Bewegung von Brustkorb und Bauch.   - Paradoxe Atmung: Pathologische Verengung des Brustkorbs bei Inspiration und Weitung bei Exspiration.

• Vorgang der Inspiration (Aktiv):   - Kontraktion des Zwerchfells (übernimmt ca. $2/3$ der Arbeit) und der $Mm. ext{ intercostales externi}$.   - Thoraxvolumen steigt $ightarrow$ intrathorakaler/intrapulmonaler Druck sinkt unter den atmosphärischen Druck $ightarrow$ Luft strömt ein.

• Vorgang der Exspiration (Überwiegend passiv):   - Erschlaffung der Inspirationsmuskeln.   - Durch die Eigenelastizität (Retraktionskraft) verkleinert sich die Lunge.   - Intrapulmonaler Druck steigt über den atmosphärischen Druck $ightarrow$ Luft strömt aus.

• Atemfrequenz (Normalwerte):   - Erwachsene: ca. $15/ ext{Minute}$.   - Kinder: ca. $25/ ext{Minute}$.

Teilprozesse und Druckverhältnisse

• Ventilation: Ausreichende Belüftung der Lunge (Maß: Atemminutenvolumen).

• Distribution: Verteilung der Gase in den Luftwegen.

• Diffusion: Übertritt der Gase an der alveolokapillären Membran.

• Perfusion: Durchblutung der Lungenkapillaren (Maß: Herzminutenvolumen). Der Erythrozyt dient als Transportmedium.

• Transmurale Druckdifferenz: Differenz zwischen dem Druck im Inneren eines Hohlorgans (z.B. Lunge) und der Außenwelt.

• Atemruhelage: Zustand am Ende der Ausatmung, wenn sich Retraktionskraft der Lunge und Ausdehnungskraft des Thorax im Gleichgewicht befinden (enthält die FRC).

Lungenvolumina und -kapazitäten

• Tidalvolumen (TV) / Atemzugvolumen: Luftmenge pro normalem Atemzug. Normwert: $500$ $ml$.

• Inspiratorielles Reservevolumen (IRV): Zusätzlich maximal einatembare Luft nach normaler Einatmung. Normwert: $2$ $l$.

• Exspiratorisches Reservevolumen (ERV): Zusätzlich maximal ausatembare Luft nach normaler Ausatmung. Normwert: $2$ $l$.

• Residualvolumen (RV): Luft, die nach maximaler Ausatmung in der Lunge verbleibt. Normwert: $1$ $l$.

• Vitalkapazität (VC): $IRV + TV + ERV$. Maximal nutzbares Volumen. Normwert: $4.5$ $l$.

• Totalkapazität (TLC): $VC + RV$. Gesamtes Luftvolumen nach maximaler Inspiration. Normwert: $5.5$ $l$.

• Funktionelle Residualkapazität (FRC): Luftmenge, die nach normaler Exspiration in der Lunge bleibt ($ERV + RV$).

• Ein-Sekunden-Kapazität (FEV1): Luftmenge, die innerhalb der ersten Sekunde forciert ausgeatmet werden kann (Tiffenau-Test).

• Atemminutenvolumen (AMV): $TV imes ext{Atemfrequenz}$. Beispiel: $0.5$ $l$ $imes$ $14/ ext{min}$ = $7$ $l/ ext{min}$. Normalbereich: $5$ bis $7$ $l$.

Gasaustausch und Partialdrücke

• Triebkraft: Der Partialdruckunterschied ($ext{Gradient}$) zwischen Alveolarluft und Blut am Kapillarschenkel.

• Partialdruckberechnung: Ein Gasanteil am Gesamtdruck. Beispiel: Bei $750$ $mmHg$ Gesamtdruck und $20$ $ext{\%}$ $O_2$ beträgt der $pO_2 = 150$ $mmHg$.

• Werte beim Gasaustausch:   - Alveole: $pO_2 ext{ ca. } 110$ $mmHg$, $pCO_2 ext{ ca. } 40$ $mmHg$.   - Venöses Blut: $pO_2 = 40$ $mmHg$, $pCO_2 = 46$ $mmHg$.   - Arterielles Blut: $pO_2 = 100$ $mmHg$, $pCO_2 = 40$ $mmHg$.

• Sauerstofftransport: Ca. $98$ $ext{\%}$ binden an Hämoglobin ($ext{Oxyhämoglobin}$) in den Erythrozyten. Die Bindungskurve verläuft sigmoid.

• Zusammensetzung der Luft:   - Einatemluft: $79$ $ext{\%}$ $N_2$, $20$ $ext{\%}$ $O_2$, $0.03$ $ext{\%}$ $CO_2$.   - Ausatemluft: $79$ $ext{\%}$ $N_2$, $16$ $ext{\%}$ $O_2$, $4$ $ext{\%}$ $CO_2$.

• Euler-Liljestrand-Mechanismus: Auch hypoxische pulmonale Vasokonstriktion genannt. Schlecht belüftete Lungenareale werden weniger durchblutet, um den Gasaustausch zu optimieren.

• Intrapulmonaler rechts-links-Shunt: Blut fließt an Alveolen vorbei, ohne oxygeniert zu werden (z.B. bei Pneumonie oder Atelektasen).

Atemregulation

• Atemzentrum: Befindet sich in der $Medulla oblongata$. Besteht aus Inspirations- und Exspirationskernen, die den Rhythmus vorgeben.

• Chemische Kontrolle:   - Zentrale Chemorezeptoren (Medulla oblongata): Messen $CO_2$ und $H^+$ ($pH$-Wert).   - Periphere Chemorezeptoren (Aortenbogen, A. carotis): Messen vorrangig den $O_2$-Gehalt.

• Wichtigster Atemantrieb: Ein erhöhter $pCO_2$-Wert im Blut führt zur Steigerung von Frequenz und Tiefe.

• Hering-Breuer-Reflex: Dehnungsrezeptoren in den Alveolen senden Signale über den $N. vagus$, um die Inspiration zu limitieren (Schutz vor Überdehnung).

• Weitere Einflüsse: Psychik (Angst, Panik), Schmerz (Schonatmung), Temperatur (Kälte kann Atem anhalten), mechanische Reize (Hustenreflex).

Krankheitsbilder und Diagnostik

• Hypoxie: Sauerstoffmangel im Blut/Gewebe. Symptom: Zyanose (Blaufärbung).

• Hyperkapnie: Erhöhter $CO_2$-Gehalt (z.B. bei Hypoventilation).

• Ventilationsstörungen:   - Obstruktiv: Erhöhter Strömungswiderstand ($ext{Resistance}$) durch Verengung (Asthma, COPD, Emphysem). Exspiration erschwert.   - Restriktiv: Verminderte Dehnungsfähigkeit ($ext{Compliance}$) von Lunge/Thorax (Fibrose, Pneumothorax, Sarkoidose). Inspiration erschwert, Vitalkapazität sinkt.

• Lungenfunktionstests:   - Spirometrie: Misst ein- und ausgeatmete Volumina.   - Bodyplethysmografie: Misst Druckschwankungen in einer Kabine zur Bestimmung von Widerständen und RV.   - Peak-Flow: Misst die maximale Ausatmungsgeschwindigkeit.

• Atemarbeit:   - Compliance: Maß für die Dehnbarkeit. Hoch bei Emphysem (leichte Dehnung, schwacher Rückzug), niedrig bei Fibrose (steife Lunge).   - Resistance: Strömungswiderstand. Abhängig von Durchmesser, Strömungsform (laminar/turbulent) und Reibung.

Der Vorgang des Hustens

• Reizphase: Hustenrezeptoren (Kehlkopf, Trachea) senden Signale ans Hustenzentrum.

• Inspirationsphase: Kurze, tiefe Einatmung.

• Kompressionsphase: Verschluss der Glottis (Stimmritze), Kontraktion der Atemmuskulatur baut hohen Druck auf.

• Explorationsphase: Plötzliches Öffnen der Glottis, Luft wird stoßartig ausgestoßen.