Atemtherapie 2. Auflage

Physiotherapie Basics Herausgegeben von Udo Wolf, Frans van den Berg und Bernard C. Kolster

3 Berlin Heidelberg New York Hongkong London Mailand Paris Tokio

Rega Rutte Sabine Sturm

Atemtherapie 2. Auflage

Mit 483 Abbildungen und 3 Tabellen

Rega Rutte

Sabine Sturm

Frankfurterstraße 6 1/2 35037 Marburg www.rega-rutte.de

Hauptstraße 70 68526 Ladenburg

Sagen Sie uns Ihre Meinung zum Buch: www.springer.de/978-3-642-11315-4 ISBN 978-3-642-11315-4 Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes.

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22/2122/cb – 5 4 3 2 1 0

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Atem

Klares Wasser. Ich tauche in dich – die Weite: ein Werden, ein Lassen getragen vom Licht. – Und Innen und Außen sind eins. Ralf Rainer Reimann 01.05.2002

Reihenvorwort

Reihenvorwort

Die Reihe „Physiotherapie Basics“ richtet sich in erster Linie an Physiotherapieschüler, aber auch an Physiotherapeuten in der Praxis. Die Inhalte sind praxisorientiert aufgearbeitet. Alle Elemente der Untersuchung (z. B. Anamnese, Inspektion, Tastbefund und Funktionsuntersuchung) werden ausführlich beschrieben und erleichtern so eine optimale Befundung und Behandlung. Neben den manuellen Tests werden auch Messinstrumente und Skalen vorgestellt. Anleitungen für die Dokumentation und Interpretation der Befunde erleichtern dem Anwender den Einstieg in die Behandlung. Diese wird nach Behandlungszielen gegliedert dargestellt. Dazu bedienen wir uns des bewährten Bildatlas-Konzeptes: Die Praxis wird vorrangig über Bildsequenzen mit erklärenden Texten vermittelt. Über das didaktische Prinzip klassischer Schulbücher hinausgehend, ist es ein Anliegen der Herausgeber, die physiotherapeutischen Verfahren zusammenhängend und anwendungsbezogen darzustellen. So soll bei der Entscheidung für eine der vielen Techniken unseres Faches eine wirkungsvolle Entscheidungshilfe für Alltagssituationen in der therapeutischen Praxis gegeben werden. Fundierte Kenntnisse über die zugrunde liegenden Wirkungsmechanismen sollen den Dialog mit dem verordnenden Arzt bereichern und zu einer Optimierung der Indikationsstellung beitragen. Sie werden in ausführlichen Theorie-Kapiteln verständlich dargelegt. Dem Leser soll durch „Lernziele“ am Beginn und „Zusammenfassungen“ am Ende eines Kapitels eine Fokussierung auf die Essentials erleichtert werden. Wichtige Informationen werden durch optische Kästen als „Memo“ und Warnungen unter „Vorsicht“ hervorgehoben. Ferner kann das Erlernte durch die unter „Überprüfen Sie Ihr Wissen“ formulierten Fragen im Hinblick auf eine optimale Prüfungsvorbereitung rekapituliert werden. Auch der erfahrene Praktiker kann auf unsere „Basics“ zurückgreifen, wenn er sein Wissen auffrischen und aktualisieren möchte. Zudem bietet die Reihe das nötige Know-how,

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um sich die praxisrelevanten Grundlagen für verschiedene Spezialgebiete aneignen zu können. Dies gilt auch für Studenten der Bachelor-Studiengänge für Physiotherapeuten. Um die Buchreihe optimal auf die Bedürfnisse von Schülern und Studierenden ausrichten zu können, wurde ein Schülerbeirat in die Planung eingebunden. An dieser Stelle möchten wir Martin Müller, Alice Kranenburg (Rudolf-Klapp-Schule, Marburg), Silvia Weber, Martin Dresler, Eva Maria Plack (IFBE, Marburg) sowie Antonia Stieger für ihre konstruktive Mitarbeit danken. Marburg und Oppenheim, Dezember 2002

Udo Wolf Frans van den Berg Bernard C. Kolster

Vorwort

Vorwort

Mit diesem Buch bot sich uns die Möglichkeit, unsere langjährigen Erfahrungen in der atemtherapeutischen Behandlung und Ausbildung zu bündeln und einer breiten Leserschaft zugänglich zu machen. Unser Anliegen war es dabei, ein benutzerfreundliches und rundum praxisorientiertes Buch zu entwickeln. Es soll den Physiotherapieschüler durch Ausbildung und Prüfung begleiten und ihm den Einstieg in die therapeutische Arbeit erleichtern. Schließlich kann auch der erfahrene Therapeut hier immer wieder auf die vollständige Darstellung der Behandlungsmaßnahmen zurückgreifen. Aus diesen Grundgedanken heraus ergaben sich Form und Inhalt des Buches. So sind die anatomischen und physiologischen Grundlagen im Theorie-Abschnitt gezielt auf die Inhalte des Unterrichtsfachs Atemtherapie ausgerichtet; damit wurde die Informationsfülle in diesem Bereich auf das für den Schüler wesentliche und überschaubare Ausmaß begrenzt. Der praktische Teil ist in die Kapitel Befunderhebung, Ziele und Maßnahmen gegliedert. Aus der eingehend erläuterten Befunderhebung lassen sich die atemtherapeutischen Behandlungsziele ableiten. Die geeigneten Behandlungsmaßnahmen werden diesen Zielen zugeordnet und systematisch vorgestellt. Weitere, die Atemtherapie unterstützende Behandlungstechniken werden ergänzend beschrieben. Die Kombination aus ausführlicher Bebilderung und genauer Beschreibung vermittelt dabei einprägsam die Bewegungsabläufe der atemtherapeutischen Übungen. Ein Überblick über die in der Atemtherapie eingesetzten Geräte und vier repräsentative Behandlungsbeispiele vervollständigen den praktischen Teil des Buches. Nach unserer Ausbildung zur Physiotherapeutin haben wir beide unsere Körperwahrnehmung durch die Methode des Erfahrbaren Atems nach Ilse Middendorf erweitert. Wir konnten dabei selbst erleben, wie wohltuend das Bewegen mit dem Atem für Körper und Seele sein kann. Unsere dabei wachsende Empfindungsfähigkeit machte es möglich, die Gesetzmäßigkeiten unseres Atems zu entdecken. Dadurch bekamen wir Kriterien an die Hand, mit denen wir auch unsere krankengymnastische Arbeit besser einschätzen können: Mit einer sensibilisierten Wahrnehmung kann der Therapeut im Laufe der Behandlung auch geringe Veränderungen beim Patienten erkennen und als Erfolg werten.

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X

Da wir dies als große Bereicherung unserer Arbeit empfinden, wollen wir in diesem Buch auch die Physiotherapieschüler auf die eigene Körperwahrnehmung aufmerksam machen. Im Kapitel „Der Erfahrbare Atem nach Ilse Middendorf“ geben wir daher den Lesern die Möglichkeit, selbst zu erfahren, wie Dehnen, Bewegen und Tönen auf den Atem wirkt. Die persönlich gewonnenen Einsichten können eine Erweiterung der atemtherapeutischen Grundlagen darstellen. Wir hoffen damit einen Transfer aus dem Erfahrbaren Atem für die Physiotherapie zu leisten. Dies soll letztlich dazu beitragen, dass die physiotherapeutischen Behandlungen differenzierter und damit auch erfolgreicher werden. Unser herzlicher Dank richtet sich an Prof. Ilse Middendorf, die uns an die Erfahrung des Atems heranführt und begleitet, an Juerg Roffler für seine präzise Atemdidaktik und an Katrin von der Decken, deren kontinuierlich positive Haltung die Entstehung dieses Buches maßgeblich unterstützte. Wir wünschen allen Lesern einen lebendigen Umgang mit Atem und Bewegung. Marburg und Heidelberg, Dezember 2002

Rega Rutte Sabine Sturm

XI

Inhalt

Inhalt

1 Anatomische und physiologische Grundlagen 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

Atmungssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Atemmechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasaustausch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Atemregulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Atemarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reinigungsmechanismen der Lunge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lungenvolumina und Lungenkapazitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 Wirkungsprinzipien 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7

Schwerkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strömungsgeschwindigkeit der Luft in der Lunge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bronchialkaliberschwankungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vibrationen und Klopfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Körperliche Belastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausdauertraining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 Indikationen 3.1

Kontraindikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 Der erfahrbare Atem nach Ilse Middendorf 4.1 4.2 4.3

Erste Einheit: Vom Denken zum Empfinden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zweite Einheit: Von der Kontrolle zum Zulassen des Atems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dritte Einheit: Der Atem bewegt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 2 11 13 15 17 19 20

24 24 24 25 25 25 25 27

29 29

33 34 41 46

XII

Inhalt

5 Der Befund 5.1 5.2 5.3 5.4

54

Das Befundformular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erläuterungen zum Atembefund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Möglicher Ablauf der Befundaufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ergänzende Befundmöglichkeiten im Rahmen der Rehabilitation . . . . . . . . . . . . . . . . .

54 59 71 77

6 Der Behandlungsplan

79

7 Maßnahmen

81

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8

Verbesserung der Beweglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbesserung der Atembewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgleichen des Atemrhythmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kräftigung der Atemmuskulatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unterstützung der bronchialen Reinigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Weithalten der Atemwege . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbesserung der Belastbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbesserung der Entspannungsfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8 Ergänzende Maßnahmen 8.1 8.2 8.3 8.4

161

Maßnahmen der Hydrotherapie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maßnahmen der klassischen Massage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Übungen mit dem Pezziball in Anlehunung an FBL (Klein-Vogelbach) . . . . . . . . . . . . . Übungen aus dem PNF-Konzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9 Maßnahmentabelle

10 Behandlungsbeispiele 10.1 10.2 10.3 10.4

82 97 107 114 119 132 139 152

Bronchitis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zustand nach Lungenembolie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ACVB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Asthma bronchiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

162 165 172 181

187

190 190 196 202 208

XIII

Inhalt

11 Physiotherapeutische Hilfsmittel 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5

VRP1-Flutter® . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RC-Cornet® . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PEP-Maske® . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Triflo II® . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Threshold® . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Anhang Kontaktadressen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Befundbogen (Kopiervorlage) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

216 216 218 220 221 222

223 224 225 229 232 237

Farblegende, Abkürzungen

Farbleitsystem Theorie

Praxis 1 Anatomische und physiologische Grundlagen 2 Wirkungsprinzipien 3 Indikationen

4 Der erfahrbare Atem nach Ilse Middendorf

5 Der Befund 6 Der Behandlungsplan

7 Maßnahmen

8 9 10 11

Ergänzende Maßnahmen Maßnahmentabelle Behandlungsbeispiele Physiotherapeutische Hilfsmittel

Abkürzungen AA ABD ACBT ACVB AD ADD ADL ARO ASTE BL BWK BWS EA EEG ESTE EXT FBL

Ausatmung Abduktion Active Cycle of Breathing Technique Arteriocoronarer Venenbypass Autogene Drainage Adduktion Activity of Daily Life Außenrotation Ausgangsstellung Bauchlage Brustwirbelkörper Brustwirbelsäule Einatmung Elektroenzephalogramm Endstellung Extension Funktionelle Bewegungslehre

FLEX HWS HZ IRO LAT EXT LAT FLEX LWS M. Mm. PEP p. O P RL ROT SL SWT WS Z. n.

Flexion Halswirbelsäule Handzeichen Innenrotation Lateralextension Lateralflexion Lendenwirbelsäule Musculus Musculi Positive Exspiratory Pressure postoperativ Rückenlage Rotation Seitenlage Shuttle-Walk-Test Wirbelsäule Zustand nach

XV

Theorie

1

Anatomische und physiologische Grundlagen ............................................................................1

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

Atmungssystem............................................................................................................................................................................2 Atemmechanik ...........................................................................................................................................................................11 Gasaustausch ...............................................................................................................................................................................13 Atemregulation ..........................................................................................................................................................................15 Atemarbeit .....................................................................................................................................................................................17 Reinigungsmechanismen der Lunge ......................................................................................................................19 Lungenvolumina und Lungenkapazitäten .........................................................................................................20

2

Wirkungsprinzipien ......................................................................................................................................................24

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7

Schwerkraft....................................................................................................................................................................................24 Strömungsgeschwindigkeit der Luft in der Lunge......................................................................................24 Bronchialkaliberschwankungen ...................................................................................................................................25 Vibrationen und Klopfungen..........................................................................................................................................25 Körperliche Belastung...........................................................................................................................................................25 Ausdauertraining ......................................................................................................................................................................25 Entspannung................................................................................................................................................................................27

3

Indikationen ...........................................................................................................................................................................29

3.1

Kontraindikationen..................................................................................................................................................................29

Theorie

2

1 Anatomische und physiologische Grundlagen

1 Anatomische und physiologische Grundlagen

Zwerchfell (Diaphragma), das Brustfell (Pleura), der knöcherne Brustkorb (Thorax), die Thoraxwand und alle Muskeln, die das Heben und Senken der Rippen bei der Ein- und Ausatmung ermöglichen, eine wichtige Rolle. Zusätzlich sind an der forcierten Ausatmung die Muskeln der anterolateralen Bauchwand beteiligt. Einige Halsmuskeln wirken bei der Einatmung als Atemhilfsmuskeln.

1.1 Das Atmungssystem LERNZIELE Kenntnisse über:

Der Brustkorb (knöcherner Thorax)

• Aufbau und Funktion von Brustkorb und Lunge • die an der Atmung beteiligten Muskeln • den Aufbau der Atemwege und der Alveolen

Am Aufbau des Brustkorbs sind zwölf Brustwirbel (Vertebrae thoracicae), ihre Bandscheiben (Disci intervertebrales), das Brustbein (Sternum) sowie zwölf Rippenpaare (Costae) beteiligt (s. Abb. 1.1 und Abb. 1.2). Der Brustkorb umschließt die Thoraxhöhle (Cavum thoracis) mit seiner dorsalen und ventralen Wand sowie seinen lateralen Wänden. Die obere Thoraxöffnung (Apertura thoracis superior) ist deutlich enger als der untere Thoraxrand (Apertura thoracis inferior). Die Rippen bestehen jeweils aus einem knöchernen und einem knorpeligen Teil. Die Form des knöchernen Teils entspricht symmetrisch angeordneten, unregelmäßig gekrümmten Spangen. Die erste und die zwölfte Rippe stehen dorsal mit einem Brustwirbelkörper,die zweite bis elfte Rippe mit zwei Brustwirbelkörpern in gelenkiger Verbindung. Der knorpelige Teil der ersten sieben Rippen ist jeweils gelen-

Zum Atmungssystem zählen alle Organe, die an der äußeren Atmung beteiligt sind. Als äußere Atmung bezeichnet man den Sauerstoff- und Kohlendioxidaustausch zwischen der Atemluft und dem Blut des Lungenkreislaufs. Innere Atmung wird der Gasaustausch von Kohlendioxid (CO2) und Sauerstoff (O2) zwischen dem Kapillarblut des Körperkreislaufs und dem Gewebe genannt. Das Atmungssystem besteht aus der Nase, den Nasennebenhöhlen, dem Rachen (Pharynx), dem Kehlkopf (Larynx), der Luftröhre (Trachea) und den Lungen mit Bronchialbaum und Alveolarregion.Beim Atmungsvorgang spielen als weitere Strukturen das

Schulterblatt

Schlüsselbein 1 1

2

Rippen 1–12

2

3

Brustbein

3 4

sternocostale Verbindungen

4

5

Rippenknorpel

6

6

7

7

8 9 Bandscheiben

10 12

Abb. 1.1. Brustkorb von ventral

11

Wirbelsäule

5

Wirbelkörper

Rippenwirbelgelenke

8 9 10 11 12

Abb. 1.2. Brustkorb von dorsal

kig direkt mit dem Brustbein verbunden. Die achte, neunte und zehnte Rippe sind nur indirekt mit dem Brustbein verbunden, denn ihr knorpeliger Teil legt sich jeweils dem nächsthöheren an und bildet so den Rippenbogen. Die elfte und zwölfte Rippe enden frei. Bei der Atmung kommt es zu einer Erweiterung und Verengung des Thorax.Der Bewegungsablauf der Rippen um ihre Rotationsachse erklärt, dass sich bei der Rippenhebung der Brustkorb sowohl in transversaler als auch in sagittaler Ebene erweitert. Bei der Einatmung bewegen sich die oberen Rippen in ventral-cranialer Richtung, die unteren Rippen in lateralcranialer Richtung, die Brustwirbelsäule extendiert leicht. Bei der Ausatmung bewegen sich die oberen Rippen in dorsal-caudaler Richtung, die unteren Rippen in medial-caudaler Richtung,die Brustwirbelsäule flektiert leicht. Diese komplexen Bewegungen werden durch ein Zusammenwirken von Bewegungen in den Rippenwirbelgelenken und in den sternocostalen Verbindungen mit der Elastizität der Rippenknorpel ermöglicht.

Die Lunge (Pulmo) und das Brustfell (Pleura) In der Lunge findet die äußere Atmung, der Gasaustausch zwischen Atemluft und Blut statt. Beide Lungenhälften sind vom Brustfell überzogen. Sie füllen die Pleurahöhlen, die mit dem mittleren Teil der Tho-

raxhöhle (Mediastinum) den Thoraxinnenraum gliedern, vollständig aus (s. Abb. 1.3 und Abb. 1.4). Die rechte Lunge wird durch tiefe Einschnitte (Fissurae lobares) in einen Ober-, einen Mittel- und einen Unterlappen geteilt. Die linke Lunge ist etwas kleiner. Sie umfasst einen Ober- und einen Unterlappen (s.Abb. 1.5 und Abb. 1.6). Die Spitzen des rechten und linken Lungenflügels (Apex pulmonis) reichen 2–3 cm bis oberhalb der ersten Rippe bzw. bis zur Höhe des ersten Brustwirbels. Die Lungenbasis (Facies diaphragmatica) passt sich der Form des Zwerchfells an. Das Brustfell besteht aus dem Lungenfell (Pleura visceralis), das den Fissuren folgend die Lunge umschließt und dem Rippenfell (Pleura parietalis), das die Thoraxinnenwand auskleidet.An der Lungenwurzel (Hilum pulmonis),dem Eintrittsort der Bronchien sowie der Blut- und Lymphgefäße in die Lunge, gehen Rippenfell und Lungenfell ineinander über. Zwischen ihnen liegt der Pleuraspalt,der mit seröser Flüssigkeit gefüllt ist, sodass Brust- und Rippenfell nicht aneinander reiben.Im Pleuraspalt herrscht ein Unterdruck, durch den Lungen- und Rippenfell einander anliegen, dabei aber gegeneinander verschieblich bleiben. Der Negativdruck gewährleistet, dass die Lunge jeder Formveränderung des Brustkorbs folgt. Die Lungen reichen meist nicht so weit nach caudal wie die Pleura parietalis. Der Anteil des Rippen-

Kehlkopf Schilddrüse Trachea Lungenwurzel Lunge Herz Zwerchfell Leber Magen Dickdarm Niere

Abb. 1.3. Lage der Lunge von ventral

3

Abb. 1.4. Lage der Lunge von dorsal

1

1.1 Das Atmungssystem

1 Anatomische und physiologische Grundlagen

Theorie

4

Oberlappen

Mittellappen Unterlappen

Abb. 1.5. Lage der Lungensegmente von ventral

Abb. 1.6. Lage der Lungensegmente von dorsal

fells, der dem Zwerchfell aufliegt (Pleura parietalis, Pars diaphragmatica) und der an den Rippen angrenzende Teil (Pleura parietalis, Pars costalis) verlaufen im unteren Bereich parallel. Bewegt sich das Zwerchfell bei der Inspiration nach caudal, gleitet die Lunge in einen sogenannten „Reserveraum“ (Recessus) der Pleurahöhle und kann ihr Volumen somit ausdehnen.

Baucheingeweide gestoppt wird, fungiert das Centrum tendineum als Punctum fixum. Durch das Zusammenspiel der Intercostalmuskulatur und des Diaphragmas erfolgt das Anheben der Rippen. Dies wird als Eimerhenkel-Bewegung bezeichnet. Voraussetzung für diesen Effekt ist eine gute Funktion der Bauchmuskulatur. Ein geringer Bauchmuskeltonus vergrößert die Bewegung der Bauchwand zu Lasten der Eimerhenkel-Bewegung der unteren Rippen. An der Ruhe-Inspiration sind außerdem die Mm. scaleni beteiligt, die das erste und zweite Rippenpaar und damit den oberen Teil des knöchernen Brustkorbs anheben. Diese Bewegung nach ventral und cranial wird als Pumpschwengel-Bewegung bezeichnet. Die Inspirationsfunktion der Mm. scaleni kann durch leichtes Zurückbeugen des Halses verstärkt werden (s. Abb. 1.9).

Ausgewählte wichtige Atemmuskeln Inspiratorische Atemmuskeln Die Einatmung erfolgt unter Ruhebedingungen aktiv über die inspiratorischen Atemmuskeln. Das Zwerchfell ist der wichtigste Inspirationsmuskel. Es trennt die Brusthöhle von der Bauchhöhle. Ursprung seiner drei muskulären Teile (Pars sternalis, Pars costalis, Pars lumbalis) ist die untere Thoraxwand und die LWS (s. Abb. 1.7 und Abb. 1.8). Von diesem breiten Ursprung ziehen die Fasern zu einer zentralen Sehnenstruktur (Centrum tendineum). Im Zwerchfell befinden sich Öffnungen, die den Durchtritt der Aorta, der Vena cava inferior,der Speiseröhre (Oesophagus) und einiger Nerven bzw. Nervenfasern erlauben. Innerviert wird das Zwerchfell von den Nervi phrenici. Während der Inspiration sinkt das Zwerchfell durch die Kontraktion seiner muskulären Anteile ab. Dabei wirkt die Pars sternalis mit ihrem Ursprung am Brustbein als Punctum fixum. Der Thoraxinnenraum wird vergrößert und durch den nachfolgenden Druckausgleich strömt Außenluft in die Lunge ein. Sobald das Zwerchfell in seiner Absenkung durch den Zug der Organe im Mediastinum und den Widerstand der

Inspiratorische und exspiratorische Atemhilfsmuskeln Die Zwischenrippenmuskeln Mm.intercostales interni, die im Rippenknorpelbereich Mm. intercartilaginei genannt werden und die Mm. intercostales externi sind je nach Rippenstellung an der inspiratorischen (Mm. intercostales externi und Mm. intercostales interni, Pars intercartilaginei) bzw. exspiratorischen Bewegung (Mm. intercostales interni) beteiligt. Das absolute Ausmaß ihrer Anteile an der tatsächlichen Bewegung wird in der Literatur noch diskutiert (De Troyer et al.,1985; Wilson et al.,2001).Bei Ruheatmung stabilisieren die Mm. intercostales interni et externi

1.1 Das Atmungssystem

5

Centrum tendineum Pars sternalis

1

Bewegungsrichtung bei Einatmung

Pars lumbalis Pars costalis

Pars sternalis

Pars costalis

Durchtritt Ösophagus

Pars lumbalis

Bewegungsrichtung bei Einatmung

Durchtritt Aorta

Abb. 1.7. Zwerchfell von ventral

Centrum tendineum

Abb. 1.8. Zwerchfell von lateral

M. sternocleidomastoideus Mm. scaleni

M. sternocleidomastoideus

M. pectoralis major

Zwerchfell

Mm. intercostales externi

Abb. 1.9. Inspiratorische Atemmuskeln von ventral

Abb. 1.10. Funktion inspiratorischer Atemhilfsmuskeln von ventral

Theorie

6

1 Anatomische und physiologische Grundlagen

den Brustkorb als Haltemuskeln und tragen zu den Rumpfbewegungen bei.Weiterhin können bei forcierter Inspiration verschiedene Rumpfmuskeln die Vergrößerung des Thoraxinnenraums verstärken. Ist der Schultergürtel fixiert, z. B. durch aufgestützte Arme, wirkt der M.pectoralis major durch Vertauschung von Punctum fixum und Punctum mobile inspiratorisch. Der M.sternocleidomastoideus kann bei vollständiger Ruhehaltung des Kopfes die Inspiration durch Heben des Brustbeins unterstützen. Er wird nur atemwirksam, wenn die Intercostalmuskulatur gelähmt oder ausgeschaltet ist (s. Abb. 1.10).

MEMO inspiratorische Atemmuskeln: • Diaphragma • Mm. scaleni

inspiratorische Atemhilfsmuskeln: • • • •

Mm. intercostales externi Mm. intercostales interni, Pars intercartilaginei M. pectoralis major M. sternocleidomastoideus

Die Ausatmung erfolgt in Ruhe passiv durch die Retraktionskraft der Lunge und das Nachlassen der Spannung von Diaphragma und der Mm. scaleni. In der Aufrichtung wirkt zusätzlich die Schwerkraft, die Rippen sinken durch ihr eigenes Gewicht. Bei verstärkter Ausatmung durch Belastung, bei Behinderung der Exspiration, beim Sprechen, Singen, Husten, Niesen oder Lachen wird die Ausatmung aktiv durch die exspiratorischen Atemhilfsmuskeln unterstützt. Die Muskeln der Bauchwand (M.rectus abdominis, Mm. obliqui externus et internus abdominis und M. transversus abdominis) sind sehr kräftige Muskeln, mit deren Hilfe der intraabdominale Druck erhöht wird und forciert ausgeatmet werden kann (s. Abb. 1.11). Die sich kontrahierenden Bauchmuskeln senken den unteren Thoraxrand.Der transversale und der sagittale Durchmesser des Bauchraums werden verkleinert. Der hohe intraabdominale Druck verlagert die Baucheingeweide nach cranial, sie schieben das Diaphragma in Richtung Thorax (Exspirationsstellung). Hierdurch wird das Zwerchfell gedehnt und kann in der folgenden Inspiration mehr Kraft entwickeln. Die Mm. intercostales interni senken die Rippen bei forcierter Exspiration (s. Abb. 1.12).

Mm. intercostales interni

Mm. intercostales interni

M. rectus abdominis M. obliquus externus abdominis

M. rectus abdominis

M. obliquus internus abdominis

M. obliquus externus

M. obliquus internus

M. transversus abdominis

Abb. 1.11. Exspiratorische Atemmuskeln von ventral

Abb. 1.12. Funktion exspiratorischer Atemhilfsmuskeln von ventral

1.1 Das Atmungssystem

VORSICHT

1

MEMO

7

exspiratorische Atemhilfsmuskeln: • • • •

• Durch einen Stimmritzenverschluss nach der Inspiration bei Anspannung der Exspirationsmuskulatur wird ein hoher intrathorakaler und intraabdominaler Druck aufgebaut. Dieses Atempressen z. B. beim Heben schwerer Lasten (s. S. 145, Anheben eines Gewichtes mit der Ausatmung) und bei der Defäkation ist therapeutisch oft unerwünscht.

Mm. intercostales interni M. rectus abdominis Mm. obliqui externus et internus abdominis M. transversus abdominis

Die Atemwege Die Atemwege oberhalb des Kehlkopfes bezeichnet man als obere Luftwege. Zu ihnen zählen die Nase mit den Nasenhöhlen,die Nasennebenhöhlen und der Rachen. In der Nase und den Nasennebenhöhlen wird die eingeatmete Luft gereinigt, angefeuchtet und vorgewärmt. Der Rachen ist der Durchtrittsort für Nahrung und Luft. Die unteren Luftwege befinden sich in Hals und Thorax. Sie werden vom Kehlkopf, der Luftröhre,den Bronchien und den Lungen gebildet (s.Abb. 1.13 und Abb. 1.14). Der Kehlkopf spielt eine Rolle als Stimmbildungsort. Die Stimmritze (Rima glottidis) im Kehlkopfapparat wird beim Schluckvorgang und vor einem Hustenstoß reflektorisch geschlossen.

MEMO obere Luftwege: • Nase mit Nasenhöhlen • Nasennebenhöhlen • Rachen

untere Luftwege: • • • •

Kehlkopf Luftröhre Bronchien Lungen

Kehlkopf

Luftröhre mit Knorpelspangen Nase mit Nasenhöhlen und Nasennebenhöhlen

Rachen Kehlkopf

rechter Hauptbronchus

linker Hauptbronchus

Luftröhre Lappenbronchien Bronchien Lunge

rechter Oberlappen rechter Mittellappen rechter Unterlappen

Abb. 1.13. Die Luftwege

Abb. 1.14. Trachea und Hauptbronchien

Lappenbronchien linker Oberlappen linker Unterlappen

Theorie

8

1 Anatomische und physiologische Grundlagen

Die Luftröhre ist ein elastisches Rohr, das eine Längsdehnung ohne gleichzeitige Verengung möglich macht. Sie beginnt unterhalb des Kehlkopfes und teilt sich auf der Höhe des vierten Brustwirbels in der Luftröhrengabel (Bifurcatio tracheae) in die zwei Hauptbronchien (Bronchi principales). Die Trachea wird ventral von hufeisenförmigen Knorpelspangen gestützt. Die Hinterwand wird von glatten Muskelfasern und in Längsrichtung gebündelten,elastischen Fasern gebildet.In der Hinterwand finden sich viele Schleimdrüsen. Die ganze innere Schleimhautschicht der Luftröhre trägt ein Flimmerepithel, das Schleim und eingedrungenen Staub rachenwärts transportiert. Die zwei Hauptbronchien versorgen je eine Lungenhälfte. Sie besitzen ebenfalls Knorpelspangen (s. Abb. 1.14). An der Lungenwurzel teilen sich der rechte Hauptbronchus in drei Lappenbronchien (Bronchi lobares),der linke in zwei Lappenbronchien. Die Außenwand der Lappenbronchien ist von plattenförmigen, unregelmäßig angeordneten Knorpelstücken besetzt. An der Innenseite erlaubt ein Fasernetz aus glatten Muskelfasern einen Verschluss des Lumens. Im weiteren Verlauf verzweigen sich die Lappenbronchien zu Segmentbronchien (Bronchi segmentales), kleinen Bronchien und Bronchiolen. Die gesamte Wegstrecke ist mit Flimmerepithel ausgekleidet. Im Bronchialbaum verringern sich die Knorpelplättchen zur Peripherie hin. Die Bronchiolen weisen keine Knorpelanteile mehr auf (s. Abb. 1.15). Die großen Bronchien verfügen über so viel Eigensteifigkeit, dass sie auch bei einem Lungenkollaps offen bleiben. Die kleinen Bronchien, Bronchiolen und die nachfolgenden Alveolen können jedoch kollabieren. Kollabierte Alveolen, in denen sich wenig oder keine Luft befindet, nennt man Atelektasen. Als Lobulus bezeichnet man drei bis fünf Endverzweigungen der Bronchiolen (Bronchioli terminales), die sich in Bronchioli respiratorii und die Alveolen aufteilen. Ein Azinus ist die respiratorische Einheit, die von einem Bronchus terminalis versorgt wird (s.Abb. 1.16). Zwischen einzelnen Azini und Lobuli ist ein Luftübertritt über interbronchiale, bronchoalveolare Kollaterale und interalveolare Kollaterale (KohnPoren) möglich. Die Alveolen sind von einem dichten Kapillarnetz umgeben. Hier findet der eigentliche Gasaustausch statt (s. Abb. 1.17).

Die Alveolen besitzen ein Stützgerüst aus elastischen Fasern.Das Alveolarepithel besteht aus Pneumozyten I und II. Die Pneumozyten vom Typ II bilden eine Substanz, welche die Oberflächenspannung herabsetzt und somit die Entfaltung der Alveole gewährleistet (s. Abb. 1.18). Dieser Surfactant (Kunstwort aus surface active agent = oberflächenaktive Substanz) kleidet die Alveolen gleichmäßig aus. Er begrenzt sowohl die Oberflächenvergrößerung der Alveolen (verhindert ein Platzen) als auch deren Verkleinerung. In der Inspirationsphase vergrößert sich die Gesamtoberfläche auf maximal 120 m2; in der Expirationsphase kann sie sich auf ca. 80 m2 verkleinern. Außerdem schützt der Surfactant die Alveolen vor einer Austrocknung (s. Abb. 1.19).

Bronchien

Bronchiolen

Bronchiolus terminalis

Bronchus respiratori Lobuli Alveolen Abb. 1.15. Gliederung des Bronchialbaums

9

1.1 Das Atmungssystem

Vena pulmonalis

Bronchiolus terminalis

Arteria pulmonalis glatter Muskel elastische Faser

Kapillargeflecht über Alveolen

Azinus Alveolen

interalveolare Poren (Kohn-Poren)

Abb. 1.16. Azinus

Abb. 1.17. Kapillargeflecht über den Alveolen

Surfactantfilm Alveolarraum Bronchiolus Surfactantfilm Bronchialepithel mit Flimmer- und Becherzellen

Pneumozyt II Pneumozyt I

Pneumozyt I Pneumozyt II Alveolarkapillare mit Erythrozyten

Abb. 1.18. Bildung des Surfactant

Alveolarkapillaren mit Erythrozyten Abb. 1.19. Surfactant in der Alveole und dem Bronchiolus

1

interpulmonale Blutversorgung

Theorie

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1 Anatomische und physiologische Grundlagen

ZUSAMMENFASSUNG

ÜBERPRÜFEN SIE IHR WISSEN

Das Atmungssystem

Das Atmungssystem

• Das Atmungssystem ermöglicht mit seinen Organen die äußere Atmung: den Sauerstoff- und Kohlendioxidaustausch zwischen der Atemluft und dem Blut des Lungenkreislaufs.

• Welche anatomischen Strukturen sind an der Atmung beteiligt?

• Beim Atmungsvorgang spielen neben den Atemwegen auch das Zwerchfell, das Brustfell, der Brustkorb und die Muskeln, die das Heben und Senken der Rippen ermöglichen, eine Rolle. Der Brustkorb umschließt die Thoraxhöhle. Bei der Atmung kommt es zu einer Erweiterung und Verengung des Thorax. Diese Bewegungen werden durch die Rippenwirbelgelenke, die sternocostalen Verbindungen und die Elastizität der Rippenknorpel ermöglicht.

• In welchen Ebenen erweitert sich der Brustkorb bei der Atmung?

• Die Thoraxinnenwand ist mit dem Rippenfell ausgekleidet; das Lungenfell umschließt die Lunge. Zwischen ihnen liegt der Pleuraspalt, der mit seröser Flüssigkeit befeuchtet ist.

• Welche weiteren Muskeln sind unter Belastung an der Einatmung beteiligt?

• Durch den Unterdruck im Pleuraspalt folgt die Lunge den Bewegungen des Brustkorbs. • Die Atemmuskulatur leistet die eigentliche Atemarbeit. Unter Ruhebedingungen ist die Einatmung ein aktiver Vorgang, die Ausatmung erfolgt passiv durch ein Nachlassen der Einatemmuskelspannung und die Retraktionskraft der Lunge. Ein- und Ausatmung können durch Atemhilfsmuskeln aktiv verstärkt werden. • Durch die oberen und unteren Luftwege wird die Atemluft bis zu den Alveolen geleitet. Dort findet der eigentliche Gasaustausch statt. Im Bronchialbaum verringern sich die stützenden Knorpelanteile zur Peripherie hin. An der mukoziliaren Clearance ist das Flimmerepithel, mit dem die Luftwege bis zu den Bronchiolen ausgekleidet sind, beteiligt. Der Surfactant kleidet die Alveolarinnenwand aus und verhindert das Kollabieren der Alveolen.

• Aus welchen Anteilen besteht der knöcherne Thorax?

• Wie gliedert sich die rechte bzw. die linke Lungenhälfte? • Beschreiben Sie Bau und Funktion der Pleura. • Erklären Sie die Funktion des Zwerchfells.

• Beschreiben Sie die Ein- bzw. Ausatmung unter Ruhebedingungen. • Welche Rolle spielt die Bauchmuskulatur bei der Atmung? • Nennen Sie die Bestandteile der oberen und der unteren Luftwege. • Wann tritt ein Stimmritzenverschluss auf? • Wie verändert sich die anatomische Struktur vom Bronchus principalis bis zum Bronchiolus terminalis? • Was ist eine Atelektase? • Wo wird der Surfactant gebildet? • Welche Aufgaben hat der Surfactant?

11

1.2 Atemmechanik

1.2 Atemmechanik

1

bei der dosierten Lippenbremse (s.S.137 f.) verändert den Atemzyklus.

LERNZIELE

Die Atemruhe

Kenntnisse über: • den mechanischen Ablauf von Atemruhe, Einatmung und Ausatmung in Ruhe sowie bei körperlicher Belastung

Der Atemzyklus In Ruhe besteht der Atemzyklus aus Einatmung, Ausatmung und Atemruhe. Diese drei Phasen sind annähernd gleich lang. Bei körperlicher oder psychischer Belastung verkürzt sich die Atemruhe oder verschwindet ganz.Die Veränderungen der Ein- und Ausatemphasen hängen vom Trainingszustand und dem Einsatz „erlernter Muster“ ab. Beispiel eines solchen Musters ist eine willentlich verlängerte Ein- oder Ausatmung. Auch das Ausatmen gegen Widerstand wie

2

Als Atemruhe (im Lungenfunktionstest: Atemruhelage) bezeichnet man die Lungen-/Brustkorbsituation zwischen Ausatmung und Einatmung (s. Abb. 1.20). Die Atemmuskeln sind entspannt. Der Druck im Tracheobronchialbaum entspricht dem atmosphärischen Druck. Die elastische Kraft der Thoraxwand zieht nach außen und ist genauso groß wie die nach innen gerichtete elastische Kraft der Lunge (Retraktionskraft). Es findet keine Bewegung statt. Es strömt keine Luft.

Die Einatmung (Inspiration) Während der Einatmung kontrahieren die Einatemmuskeln und erweitern den Brustraum. Die Lunge ist über die Pleura mit dem Brustkorb verbunden und folgt seiner Bewegung.Dabei wird die Retraktionskraft der Lunge überwunden und ihr Vo-

1

3

2 3

1

5 4

4

Abb. 1.20. Thorakale Druckverhältnisse in Atemruhe Die elastische Kraft der Thoraxwand (1) und die Retraktionskraft der Lunge (2) sind gleich groß. Sie wirken einander entgegen. Im Pleuraspalt entsteht dadurch ein negativer Druck (3). Der Alveolardruck entspricht dem atmosphärischen Druck.

Abb. 1.21. Thorakale Druckverhältnisse während der Einatmung Die Kontraktionskraft der Einatemmuskulatur (4) wirkt zusammen mit der elastischen Kraft der Thoraxwand (1). Die Retraktionskraft der Lunge (2) wird überwunden. Der Pleuradruck (3) sinkt, der Alveolardruck (5) wird negativ. Luft strömt ein.

Theorie

12

1 Anatomische und physiologische Grundlagen

lumen vergrößert sich.Die Bronchien folgen ebenfalls der Bewegung, ihr Querschnitt wird größer. Dieser Vorgang wird als atemsynchrone Bronchialkaliberschwankung bezeichnet. In der Lunge entsteht ein Unterdruck, der intrapulmonale Druck wird negativ (s. Abb. 1.21). Die Luft strömt in die Lunge, bis der Druckausgleich zwischen dem intrapulmonalen und dem atmosphärischen Druck erreicht ist.

Die Ausatmung (Exspiration) Die Einatemmuskulatur lässt in ihrer Spannung nach. Die Retraktionskraft der Lunge verkleinert das Lungenvolumen, der Brustkorb folgt der Bewegung, der Bronchialquerschnitt wird kleiner. In der Lunge entsteht ein Überdruck, der intrapulmonale Druck wird positiv (s.Abb.1.23).Die Luft strömt aus der Lunge,bis der Druckausgleich zwischen dem intrapulmonalen und dem atmosphärischen Druck erreicht ist.In Ruhe ist die Ausatmung ein passiver Vorgang.

Die Einatmung bei körperlicher Belastung Bei körperlicher Belastung erfolgt ein stärkerer Einatemimpuls vom Atemzentrum. Eine größere Brustraumerweiterung kann durch verstärkten Einsatz der inspiratorischen Atemmuskulatur sowie der inspiratorischen Atemhilfsmuskulatur erreicht werden. Dadurch wird das Lungenvolumen (und der Bronchialquerschnitt) stärker vergrößert und mehr Luft strömt in die Lunge. Das inspiratorische Reservevolumen (s. S. 20) wird genutzt (s. Abb. 1.22).

3

2

Abb. 1.22. Thorakale Druckverhältnisse in maximaler Einatemstellung Die elastische Kraft der Thoraxwand wirkt nicht in maximaler Einatemlage. Die Retraktionskraft der Lunge (2) ist sehr groß. Der Pleuradruck (3) ist stärker negativ als in Atemruhe. Der Alveolardruck entspricht dem atmosphärischen Druck.

Die Ausatmung bei körperlicher Belastung Bei körperlicher Belastung wird die Retraktionskraft der Lunge durch den Einsatz der Ausatemmuskulatur unterstützt. Der intrapulmonale Druck steigt aufgrund der Muskelaktivität stärker an als bei der Ausatmung in Ruhe. Das Lungenvolumen (und der Bronchialquerschnitt) wird stärker verkleinert. Das exspiratorische Reservevolumen (s. S. 20) wird genutzt. Eine forcierte Ausatmung wird außer bei körperlicher Belastung auch beim Sprechen, Lachen, Niesen und Husten erforderlich.

3

5

2

1

Abb. 1.23. Thorakale Druckverhältnisse während der Ausatmung Die Retraktionskraft der Lunge (2) ist stärker als die elastische Kraft der Thoraxwand (1). Der Pleuradruck (3) ist negativ. Der Alveolardruck (5) wird positiv. Luft strömt aus.

1.3 Der Gasaustausch LERNZIELE Kenntnisse über: • Diffusionsvorgänge bei der Atmung • Lungenbelüftung und Lungendurchblutung und deren Verhältnis zueinander

Der Gasaustausch zwischen Alveolarluft und Kapillarblut ist ein Diffusionsvorgang. Er wird durch die Belüftung (Ventilation) und durch die Durchblutung (Perfusion) der Lunge ermöglicht.

13

trieben findet in den Alveolen der Gasaustausch zwischen Atemluft und Kapillarblut statt (s. Abb. 1.24). Auf dem Weg aus der Alveole in das Kapillarblut durchwandern die Sauerstoffmoleküle den Surfactant, das Alveolarepithel, die miteinander verschmolzenen Basalmembranen von Alveolar- und Kapillarepithelzellen, das Kapillarepithel, das Kapillarblutplasma und die Membran der Erythrozyten (s. Abb. 1.25). Die Kohlendioxidmoleküle legen die Strecke in entgegengesetzter Richtung zurück. Je größer der Konzentrationsunterschied von Sauerstoff und Kohlendioxid ist, desto schneller diffundieren die Moleküle in Richtung Konzentrationsausgleich.

Lungenbelüftung

Moleküle in Gasen und Flüssigkeiten haben die Tendenz, vom Ort der höheren Konzentration zum Ort der niedrigeren Konzentration zu wandern.Der resultierende Konzentrationsausgleich kann dabei umso schneller erfolgen, je größer der Konzentrationsunterschied zu Beginn und je kürzer die zurückzulegende Strecke ist. Diesen Vorgang nennt man Diffusion. Der Konzentrationsunterschied spielt beim Gasaustausch zwischen Alveolarluft und Kapillarblut eine entscheidende Rolle. Die Inspiration befördert Luft bis an die Eingänge der Alveolen. Die Durchmischung der eingeatmeten Luft mit der Alveolarluft geschieht durch Diffusion.Ebenfalls durch Diffusion ge-

Ventilation ist die Bewegung von Luft durch die Atemwege bis zu den Alveolen. Die Einatemluft wird auf ihrem Weg durch die oberen Luftwege gereinigt, angefeuchtet und auf Körpertemperatur erwärmt. So vorbereitet erreicht sie die Alveolen. Die Ventilation erneuert das für die Diffusion notwendige Konzentrationsgefälle von Sauerstoff und Kohlendioxid. Sauerstoff wird mit der Einatmung zugeführt und Kohlendioxid mit der Ausatmung abgeatmet. Nicht alle Lungenabschnitte werden gleich stark belüftet. Im Sitzen und Stehen werden die oberen Abschnitte durch das Eigengewicht der Lunge gedehnt. Die Alveolarwände sind dann dort im Vergleich zu den tiefer gelegenen Lungenabschnitten steifer,so dass die Alveolen der Lungenspitze nicht so viel Atemluft auf-

Alveole

Alveole

Diffusion

Pulmonalarterie (venöses Mischblut)

Luftstrom Pulmonalvene (arterielles Blut)

Surfactant Alveolarepithel

Blutstrom

Blutstrom Plasma verschmolzene Basalmembranen Kapillarepithel Membran des Erythrozyten Kapillare Erythrozyt

Gasaustausch (CO2 in die Alveole)

Gasaustausch (O2 in die Kapillare)

Abb. 1.24. Gasaustausch zwischen Alveolarluft und Kapillarblut

Abb. 1.25. Diffusion zwischen Alveole und Kapillare

Hämoglobin

1

1.3 Der Gasaustausch

Theorie

14

1 Anatomische und physiologische Grundlagen

nehmen können wie die Alveolen der Lungenbasis. Nicht die gesamte eingeatmete Luft erreicht die Alveolen. Bei jedem Atemzug verbleibt ein Teil der Einatemluft in den Atemwegen ohne am Gasaustausch teilzunehmen. Das Volumen dieser nicht am Gasaustausch beteiligten Luftwege wird als anatomisches Totraumvolumen bezeichnet und entspricht beim Erwachsenen ungefähr 150 ml. Die Luft, die sich nach einer Exspiration im Totraum befindet, wird bei der nächsten Inspiration mit der frisch eingeatmeten Luft durchmischt. Der Anteil der Einatemluft, der zwar in die Alveolen gelangt, dort aber nicht mit Kapillarblut in Berührung kommt, wird als alveoläres Totraumvolumen bezeichnet.Anatomisches und alveoläres Totraumvolumen ergeben zusammen das funktionelle Totraumvolumen.

Lungendurchblutung Perfusion der Lunge ist das Durchströmen der Lungenkapillaren mit Blut. Das venöse Blut aus dem Körperkreislauf gelangt über den rechten Vorhof, die rechte Herzkammer und die Pulmonalarterien in das Lungenkapillarbett (s. Abb. 1.26). Die Lungenkapillaren umgeben die Alveolen netzartig und besitzen somit eine sehr große Gesamtoberfläche.Durch den hier stattfindenden Gasaustausch wird das venöse Blut mit Sauerstoff angereichert (arterialisiert).

Körperkreislauf Arterien

linker Vorhof rechter Vorhof

Die Drücke im Lungenkreislauf sind im Vergleich zum Körperkreislauf sehr niedrig. Der hydrostatische Druck in den Lungengefäßen unterliegt der Schwerkraft. Dadurch ist die Lungendurchblutung inhomogen verteilt. Im Sitzen und Stehen ist die Perfusion in der Lungenbasis deutlich größer als in den Lungenspitzen. Bei körperlicher Anstrengung kommt es zu einer Steigerung der Perfusion der Lunge.

Ventilations-Perfusions-Verhältnis Für einen effektiven Gasaustausch ist eine gute Abstimmung zwischen Ventilation und Perfusion auf alveolarer Ebene ausschlaggebend. Ein ideales Verhältnis entspricht einem Ventilations-Perfusions-Quotienten von 1. Dieser Quotient wird aber selbst in einer gesunden Lunge selten erreicht. In der Aufrichtung nimmt die Ventilation von der Lungenbasis zur Lungenspitze hin ab.Auch die Perfusion wird von basal nach apikal geringer. Da das Perfusionsgefälle größer ist als das Ventilationsgefälle, steigt der Ventilations-Perfusions-Quotient von ca.0,6 an der Basis auf ca. 3 an der Lungenspitze an. Das bedeutet, dass apikal die Belüftungsgröße das dreifache der Durchblutungsgröße erreicht,die Lunge ist also in den obenliegenden Abschnitten stärker belüftet als durchblutet. In den unteren, abhängigen Abschnitten ist sie stärker durchblutet als belüftet. Diese Veränderungen treten abhängig von der Schwerkraft in allen Körperhaltungen auf (s. Abb. 1.27).

Lungenkreislauf Arterien

Lungenbasis (basal) Venen

rechte Herzkammer linke Herzkammer

Abb. 1.26. Körper- und Lungenkreislauf

Venen

Lungenspitze (apikal)

Lungenspitze (apikal)

a

b

Lungenbasis (basal)

Abb. 1.27. Ventilations- (a) und Perfusionsverteilung (b) im Stand Das Ventilationsgefälle ist kleiner als das Perfusionsgefälle. Im Stand bedeutet dies eine relative Mehrbelüftung der oberen und eine relative Mehrdurchblutung der unteren Lungenabschnitte.

1.4 Atemregulation

LERNZIELE Kenntnisse über: • die Regulationsmechanismen der Atmung

Das Verhältnis von Sauerstoff zu Kohlendioxid in Blut und Liquor cerebrospinalis bestimmt den Säure-Basen-Haushalt des Organismus. Ein Großteil der beim Stoffwechsel anfallenden Säure wird in Form von Kohlendioxid über die Lunge ausgeschieden. So hat die Atmung einen wesentlichen Anteil an der Regulation des Säure-Basengleichgewichts. Chemorezeptoren im Teilungswinkel der Arteria carotis communis und am Aortenbogen registrieren einen Abfall des arteriellen Sauerstoffpartialdrucks. Rezeptoren im verlängerten Mark (Medulla oblongata) reagieren auf einen Anstieg des Kohlendioxidpartialdrucks. Die Chemorezeptoren melden ein Missverhältnis von Sauerstoff und Kohlendioxid an das Atemzentrum in der Medulla oblongata. Zusätzlich leiten afferente, vegetative Fasern Informationen u. a. aus dem Herz-Kreislaufsystem, der Lunge, den Gelenken und der Muskulatur an das Atemzentrum. Dort werden diese Reize mit Informationen aus der Großhirnrinde, der Brücke (Pons) und der Formatio reticularis koordiniert. Die Reizleitung führt von respiratorischen Neuronen in der Medulla oblongata über efferente Nerven zur Atemmuskulatur. So wird die Atemform, die sich aus Atemfrequenz, dem Atemzugvolumen, der Atembewegung und dem Atemrhythmus zusammensetzt, geregelt. Die rhythmische Bildung der Nervenimpulse läuft autonom ab, wird also an Bedürfnisse des Organismus wie körperliche Arbeit, Sprechen oder Schlucken automatisch angepasst. Schmerz, Kälte- und Wärmereize an der Haut, Änderung der Körpertemperatur und Hormone beeinflussen die Atemform.

ZUSAMMENFASSUNG

1

1.4 Atemregulation

15

Atemmechanik, Gasaustausch, Atemregulation • Ein Atemzyklus besteht aus Einatmung, Ausatmung und Atemruhe. • In Atemruhe sind die Atemmuskeln entspannt, der intrapulmonale Druck entspricht dem atmosphärischen Druck. Es strömt keine Luft. • Während der Einatmung kontrahieren die Einatemmuskeln und erweitern den Thorax. Über die Verbindung von Brustkorb und Lunge durch die Pleura wird das Lungenvolumen vergrößert. Durch den entstehenden negativen intrapulmonalen Druck strömt die Luft ein. • Bei der Ausatmung lässt die Einatemmuskelspannung nach. Die Retraktionskraft der Lunge verkleinert das Lungenvolumen. Der intrapulmonale Druck wird positiv, Luft strömt aus. • Am Ende der Einatmung und der Ausatmung sind der intrapulmonale Druck und der atmosphärische Druck ausgeglichen. • Bei körperlicher Belastung erhöht sich der Einsatz der Atemmuskulatur. • Der Gasaustausch in der Lunge ist ein Diffusionsvorgang. Der Kohlendioxid- und Sauerstoffaustausch sind dabei von den Konzentrationsunterschieden beider Gase zwischen Atemluft und Kapillarblut und von der Diffusionsstrecke abhängig. • Die Ventilation ist die Bewegung der Luft durch die Atemwege bis zu den Alveolen. Man unterscheidet alveoläre und Totraum-Ventilation. • Die Perfusion ist das Durchströmen der Lungenkapillaren mit Blut.Ventilation und Perfusion unterliegen der Schwerkraft. Daraus ergibt sich, dass die Lunge abhängig von der Ausgangsstellung inhomogen belüftet bzw. durchblutet wird. • Die Atmung hat einen wesentlichen Anteil an der Regulierung des Säure-Basen-Gleichgewichts. Chemorezeptoren und afferente vegetative Fasern melden ein Missverhältnis von Sauerstoff und Kohlendioxid an das Atemzentrum. Efferente Nerven stimulieren die Atemmuskulatur. So wird die Atemform an die Bedürfnisse des Organismus angepasst.

Theorie

16

1 Anatomische und physiologische Grundlagen

ÜBERPRÜFEN SIE IHR WISSEN Atemmechanik, Gasaustausch, Atemregulation • Beschreiben Sie den Ablauf „Einatmung – Ausatmung – Atemruhe“ unter Berücksichtigung der Druckverhältnisse und der atemrelevanten Kräfte. • Wodurch unterscheidet sich die Atmung unter körperlicher Belastung von der Ruheatmung? • Von welchen Faktoren ist der Diffusionsvorgang abhängig? • Was versteht man unter Ventilation? • Was versteht man unter Perfusion? • Erläutern Sie das Ventilations-Perfusions-Verhältnis in der Lunge in Abhängigkeit von der Ausgangsstellung. • Welche Strukturen sind an der Atemregulation beteiligt? • Stellen Sie eine Verbindung zwischen dem SäureBasen-Haushalt des Körpers und der Atmung her. • Wie kann sich die Atmung über die Stimulation des Atemzentrums verändern?

1.5 Atemarbeit LERNZIELE

17

Ein großes Atemzugvolumen (s. S. 20) erfordert mehr Atemarbeit gegen elastische Widerstände. Eine hohe Atemfrequenz erhöht den Atemwegswiderstand, da mehr Luft pro Zeiteinheit die Lunge durchströmt.

Kenntnisse über:

Elastische Widerstände (Compliance)

• den Einfluss von bronchialen Strömungs- und Druckverhältnissen bei der Atemarbeit • den Einfluss der elastischen Widerstände und des Atemwegswiderstands auf die Atemarbeit

Der elastische Widerstand ergibt sich aus der Elastizität des Brustkorbs, des Lungengewebes, der Rumpfmuskulatur, der Haut, der Baucheingeweide und der Bauchdecke. Diese Strukturen setzen der Atemmuskulatur Widerstände bei der Änderung des Lungenvolumens entgegen. Die Veränderung des transpulmonalen Drucks (transpulmonaler Druck = Druckunterschied zwischen Alveolar- und Pleuradruck) gibt Aufschluss über den elastischen Widerstand der Lunge.

Der Aufbau der Volumen- und Druckunterschiede des Brustraums geschieht durch den Einsatz der Atemmuskulatur. Bei dieser Arbeit müssen elastische Widerstände (z. B. die Retraktionskraft der Lunge) und Atemwegswiderstände (z. B. Turbulenzen, ausgelöst durch Sekret in den Atemwegen) überwunden werden. Die physikalische Formel Arbeit = Kraft x Weg lässt sich für die Atemarbeit anwenden als Atemarbeit = Druck x Volumen.

hohe Stromstärke

Trachea bzw. großer Bronchus

MEMO • elastischer Widerstand der Lunge = Änderung des transpulmonalen Druckes/ Änderung des Lungenvolumens

Die elastischen Widerstände werden bei der Lungenfunktionsuntersuchung gemessen und als Compliance angegeben. Bei Erkrankungen mit verminderter Dehnfähigkeit des Lungengewebes (Restriktion) sind diese Widerstände erhöht und erschweren die Einatmung. Der Patient muss vermehrt Atemarbeit leisten.

turbulente Strömung Bronchus bzw. Bronchiolus laminare Strömung niedrige Stromstärke

Abb. 1.28. Turbulente Strömung

Abb. 1.29. Laminare Strömung

1

1.5 Atemarbeit

Theorie

18

1 Anatomische und physiologische Grundlagen

Atemwegswiderstand (Resistance)

Druckschwankungen in den Atemwegen

Beim Passieren der Atemwege entstehen in der Atemluft laminare und turbulente Strömungen. Laminare Strömungen zeichnen sich durch parallel zur Atemwegswand laufenden Strömungslinien aus (s. Abb. 1.29). Der durch die Reibung der Gasmoleküle aneinander entstehende Atemwegswiderstand ist gering. Turbulente Strömungen haben keine erkennbare Ordnung in ihren Strömungslinien (s. Abb. 1.28). Der Atemwegswiderstand ist erhöht. Turbulente Strömungen kommen hauptsächlich in der Trachea und in den großen Atemwegen bei hoher Atemstromstärke vor, an Engstellen und Verzweigungen kommt es zu einer Mischform beider Strömungsarten.Die zentralen Luftwege (von der Nase bis zu den Bronchien mit einem Durchmesser von >2 mm) weisen insgesamt einen geringen Gesamtquerschnitt auf. Sie sind für 90 % des Atemwegswiderstands verantwortlich. Laminare Strömungen dominieren in den peripheren Luftwegen (Bronchien mit einem Durchmesser von