Lungenventilation

Die Atmung in der Bedeutung Lungenbelüftung wird fachsprachlich als Ventilation bezeichnet. Sie ist keine Leistung der Lunge selbst, sondern der Atemmuskulatur, insbesondere des Zwerchfells und der Zwischenrippenmuskeln. Die Ventilation ermöglicht den Gasaustausch in den Lungenbläschen (Respiration, Atmung im zweiten Wortsinne), indem sie den Sauerstoffpartialdruck hoch und den Kohlenstoffdioxidpartialdruck niedrig hält, sodass Sauerstoff ins Blut übertreten und CO₂ abgeatmet werden kann. Das Ein- und Ausatmen kann durch Erkrankungen der Lunge oder der Luftwege behindert sein, wenn diese die Dehnbarkeit der Lunge bzw. den Luftstrom einschränken; man spricht dann von restriktiven bzw. obstruktiven Ventilationsstörungen, die zur respiratorischen Insuffizienz führen können.

Da die Lungenbläschen (Alveolen) auch bei maximaler Ausatmung nicht kollabieren (Ausnahme: Mangel an Surfactant beim Atemnotsyndrom des Neugeborenen) und auch stets Luft in den oberen Atemwegen verbleibt, wird pro Atemzug immer nur ein Teil des Alveolarvolumens durch Frischluft ersetzt. Die Belüftung der Lungenbläschen wird als alveoläre Ventilation bezeichnet und entspricht dem Atemzugvolumen minus dem sogenannten Totraumvolumen. Der Ventilationskoeffizient gibt den pro Atemzug ausgetauschten Volumenanteil an. Atemzugvolumen, Totraumvolumen und andere Ventilationsgrößen werden in der Lungenfunktionsprüfung mittels Spirometrie oder (selten) Lungenventilationsszintigraphie ermittelt und geben Auskunft über Erkrankungen der Lunge, der Luftwege und der Atempumpe (für die Ventilation notwendige Strukturen wie Muskeln, Knochen, Gelenke und nervale Versorgung).

Lungenatmung der Wirbeltiere

Atemwege

Die Atemwege des Menschen

Beim Atmen strömt die Luft durch den Mund oder durch die Nase in den Körper. Wird durch die Nase eingeatmet, wird die Luft zunächst durch Härchen der Nase und durch Schleimhäute gereinigt, angefeuchtet und angewärmt. Anschließend gelangt die Atemluft über den Rachenraum vorbei an Kehlkopf und Stimmlippen in die Luftröhre. Die Luftröhre verzweigt sich in die beiden Äste der Bronchien, die sich immer weiter als Bronchiolen verzweigen. In der Luftröhre wird die Luft noch einmal durch kleine Flimmerhärchen gereinigt. Am Ende befinden sich die Lungenbläschen in der Lunge, durch deren dünne Membran Sauerstoff in die Blutgefäße übertritt und auf umgekehrtem Weg Kohlenstoffdioxid aus dem Blut in die Luft abgegeben wird.

Atemmechanik der Säuger

Die beiden Lungenflügel füllen bis auf einen schmalen Spalt die paarige Pleurahöhle im Brustraum aus. Dieser vergrößert sich durch Aufrichten der Rippen (Brustatmung) und Herabziehen des muskulösen Zwerchfells (Bauchatmung). Da der mit Flüssigkeit gefüllte Pleuraspalt sein Volumen nicht ändert, muss die Lunge dieser Ausdehnung folgen und füllt sich über die Atemwege mit Luft. Dabei dehnen sich die Lungenbläschen gegen die Oberflächenspannung aus. Eine seifenähnliche Flüssigkeit (Surfactant) setzt diese Oberflächenspannung herab, um einerseits die Atemmuskulatur zu entlasten und andererseits den Kollaps gerade der kleineren Bläschen zu vermeiden. Gleichzeitig verhindern elastische Fasern die Überdehnung schon gedehnter Bläschen (zur Instabilität im Zusammenhang mit der Oberflächenspannung siehe Young-Laplace-Gleichung). Zu einer gleichmäßigen Belüftung verschiedener Teile der Lunge trägt auch die Regelung der Bronchiolen-Durchmesser bei.

Bei der Ausatmung entspannt sich die Atemmuskulatur und lässt die Lunge sich zusammenziehen. Dabei bleibt der Druck im Pleuraspalt meist leicht negativ. Die exspiratorische Atemhilfsmuskulatur dient nur forcierter Ausatmung bei körperlicher Anstrengung, beim Sprechen, Singen, Husten oder bei Atemnot.

Atemsteuerung der Säuger

→ Hauptartikel: Atemantrieb

Gesteuert wird die Atmung durch das Gehirn beziehungsweise das Atemzentrum im verlängerten Mark (Medulla oblongata). Ausschlaggebend ist dabei die Reaktion von Chemorezeptoren auf den Kohlenstoffdioxid-Gehalt des Blutes. Übersteigt dieser einen gewissen Schwellenwert, setzt der Atemantrieb ein. Rezeptoren, die auf den pH-Wert des arteriellen Blutes sowie einen Sauerstoffmangel reagieren, haben nur eine zweitrangige Bedeutung als Atemreiz.

Über die sensiblen Fasern des Nervus vagus wird auch die Ausdehnung der Lunge erfasst. Überschreitet diese ein gewisses Maß, so wird die Respiration reflektorisch begrenzt.

Messgrößen beim Menschen

Die durchschnittliche Zahl der Ein- und Ausatmungen pro Minute (die Atemfrequenz $f_{\rm {Min}}$) beträgt unter Ruhebedingungen

Alter	Atemzüge pro Minute
Erwachsene	11–15
Jugendliche	16–19
Schulkind	20
Kleinkind	25
Säugling	30
Neugeborene	40–50

In einem Atemzug atmet ein Erwachsener etwa 0,5 Liter ein (Atemzugvolumen $V_{\rm {Zug}}$).

Das Atemminutenvolumen $V_{\rm {Min}}$ ist die Summe aller Atemzugvolumina $V_{\rm {Zug}}$ innerhalb einer Minute. Als Liter pro Minute verstanden:

${\dot {V}}=f_{\rm {Min}}\cdot V_{\rm {Zug}}$

Beispiel: 4,2 l/min =12/min x 0,35 l

Das Totraum­volumen $V_{tot}$ ist die Luftmenge, die nicht aktiv am Gasaustausch beteiligt ist, also bei der Atmung im gasleitenden System (Raum zwischen Mund und Lungenbläschen) „stehen bleibt“. Beim Ruheatemzug eines Erwachsenen von etwa 500 ml entspricht das Totraumvolumen etwa 30 % des gesamten Atemvolumens, d. h. etwa 150-200 ml.

Der Atemdruck des erwachsenen Menschen bewegt sich normalerweise um die 50 mbar, maximal werden ca. 160 mbar erreicht.

Störungen

Klassifikation nach ICD-10
R06	Störungen der Atmung
R06.1	Stridor
R06.2	Ziehende Atmung
R06.3	Periodische Atmung
R06.4	Hyperventilation
R06.5	Mundatmung
R06.6	Singultus
R06.7	Niesen
R06.8	Sonstige und nicht näher bezeichnete Störungen der Atmung
ICD-10 online (WHO-Version 2019)

Das Gefühl, schlecht Luft zu bekommen, heißt Atemnot oder in medizinischer Fachsprache Dyspnoe. Ursache ist nicht zwangsläufig eine der folgenden ventilatorische Störung, auch Störungen der Respiration und mangelnde Pumpfunktion des Herzens kommen infrage. Die Störungen der Atmung werden in der ICD-10 unter den Symptomen, die das Kreislaufsystem und das Atmungssystem betreffen, als R06 zusammengefasst.

Ventilationsstörungen erzeugen einen zu niedrigen Sauerstoffpartialdruck (Hypoxie) und einen zu hohen CO₂-Partialdruck (Hyperkapnie), sowohl in den Alveolen als auch im Blut. Der erhöhte CO₂-Partialdruck im Blut stört den Säure-Basen-Haushalt: Es entsteht eine Übersäuerung durch Kohlensäure, die respiratorische Azidose. Sowohl die Azidose als auch der hohe CO₂-Partialdruck selbst stellen einen Atemreiz dar. Bei chronischen Ventilationsstörungen (klassisches Beispiel „Raucherlunge“ COPD) nimmt dieser Reiz mit der Zeit ab und der Atemantrieb hängt zunehmend vom Sauerstoffpartialdruck ab; die Betroffenen tolerieren nun einen höheren CO₂-Partialdruck, was sie vor Atemstillstand durch Überlastung der Atempumpe schützt.

Obstruktion

• Verengung der unteren Atemwege
  • Asthma bronchiale
  • COPD (Bronchitis, ggf. verbunden mit einem Lungenemphysem als respiratorischer Störung)
• Verlegung der oberen Atemwege
  • Schlafapnoe-Syndrom
  • Schwellung durch Infektion (z. B. Pseudokrupp) oder Allergie (Insektenstich)
  • Fremdkörper
  • Erwürgen
• Tumor

Restriktion

• Lungenfibrose
• Fehlbildungen des Brustkorbs (Kyphoskoliose)

Neuromuskuläre Erkrankungen

• Querschnittlähmung ab C4 oder höher (tödlich, wenn nicht unverzüglich beatmet wird)
• ALS (Todesursache bei Ablehnung weiterer Behandlung im Endstadium)
• Gifte mit Wirkung an der neuromuskulären Endplatte (z. B. das Schlangengift Bungarotoxin)

Störungen des Atemantriebs

→ Hauptartikel: Pathologische Atmungsform

• Biot-Atmung (typisch für Hirnverletzung (Schädel-Hirn-Trauma, betroffen: Stammhirn), erhöhten Hirndruck oder Meningitis)
• Cheyne-Stokes-Atmung (typisch für Hirnverletzung (z. B. Schädel-Hirn-Trauma, betroffen: Großhirn))
• Schnappatmung
• Kussmaul-Atmung (typisch für diabetische Ketoazidose; daraus folgt eine Hyperventilation)
• Vergiftung, bis hin zur zentralen Atemlähmung
• ischämischer Atemstillstand durch Herzstillstand, Erhängen oder Erdrosseln

Störungen des Säure-Basen-Haushalts werden wenn möglich durch gesteigerte oder verringerte Ventilation kompensiert, die resultierende Hyperventilation bzw. Hypoventilation ist dabei ebenfalls die Folge eines veränderten Atemantriebs, der hier aber eine adäquate Reaktion darstellt.

weitere

• psychogene Hyperventilation
• Schnarchen
• Schluckauf

Therapie

Wenn keine ursächlichere Behandlung möglich ist, werden ventilatorische Störungen durch Beatmung über Maske oder Tubus therapiert, als lebensrettende Sofortmaßnahme dient die Atemspende. Sauerstoffgabe kann bei chronischen ventilatorischen Störungen helfen, indem sie die Atempumpe schont.

Infolge einer endobronchialen Intubation kann es als sog. Fehlintubation (im Rahmen der Notfallversorgung oder der Narkose­einleitung) zu einer einseitigen Ventilation kommen. Die Diagnose kann durch Auskultation gestellt werden, wenn in der nichtbelüfteten Lunge das Fehlen von Ventilationsgeräuschen festgestellt wird. Die Gefahr solcher Fehlintubationen ist besonders bei Kindern (aufgrund der kurzen Luftröhre) gegeben.

Atemtherapie

Die klinische Atemtherapie befasst sich mit den Krankheiten und Funktionsstörungen von Lunge und Stimmapparat.

Siehe auch

• Atembreite

Weblinks

Wiktionary: Lungenventilation – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

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