Atmung 5 – Atemarbeit, Compliance und Resistance

Nun, Atmung ist ein aktiver Prozess, der in der Regel zumindest in der Inspiration v.a. von Zwerchfell und ggf. von Atemhilfsmuskulatur (Scaleni, Trapezius, Sternocleidomastoideus…) geleistet wird. Die Atemarbeit ergibt sich aus der Überwindung der elastischen Gewebswiderstände von Atemweg, Lungengewebe und Brustkorb, sowie den nichtelastischen („viskösen“) Strömungs- und Reibungswiderständen der sich bewegenden Gassäule in den Luftwegen inklusive dadurch verursachter Turbulenzen (und damit erschwerter Atmung!). Das Verhältnis der zur Überwindung der elastischen, resp. viskösen Widerstände notwendigen Arbeit beträgt dabei etwa 2/3 zu 1/3.

Die Expiration geschieht in der Regel passiv durch elastische Rückstellkräfte, solange der Atemwegs- und/ oder Strömungswiderstand dies noch zulassen. Dabei ist zu beachten, dass mit zunehmender Atemfrequenz und –tiefe aufgrund zunehmender Turbulenzen v.a. an Aufzweigungsstellen (vergl. laminar vs. turbulent!) die Strömungswiderstände zunehmen. Ggf. kommt es gerade bei obstruktiven Veränderungen auch zur aktiven Ausatmung mithilfe der Interkostal- und Abdomalmuskulatur. Relevant wird die Atemarbeit dort, wo sie nicht mehr geleistet werden kann, der Patient sich also bereits im Bereich der Ruheatmung erschöpft und keine zur Oxygenation und Dekarbonisation ausreichende Ventilation mehr erbringen kann.

Dabei spiegelt sich die Atemarbeit in den erreichten Drücken und den damit zusammenhängenden Volumina, d.h. zugänglich wird uns die Atemarbeit über die Messung des Ösophagusdruckes und der erreichten Volumina.

Die elastischen Widerstände der Lunge setzen sich aus dem Widerstand der kollagenen Bindegewebsfasern und der Oberflächenspannung der Alveolen zusammen. Ihr Summationswert spiegelt sich in der Compliance C.

Compliance C = ΔV/ΔP

Will man am beatmeten Patienten die Gesamtcompliance berechnen, so betrachten wir in volumenkontrollierter Beatmung die Druckkurve.

vcv2

Die Compliance ergibt sich als Quotient aus Tidalvolumen und der Differenz von Plateaudruck und PEEP.

Cges = VT/(PPlateau – PEEP)

  • ComplianceNorm Erw.70-100 ml/mbar Kd. 3-5 ml/mbar

Warum aber aus dem Plateaudruck PPlateau und nicht dem Maximaldruck Pmax?

pcvvcv

Betrachten wir die Druckkurve in der volumenkontrollierten Beatmung im Vergleich zu Volumen und Flow, so fällt auf, dass mit Erreichen eines bestimmten Volumens der Flow zum Erliegen kommt (eben „volumenkontrolliert“). In diesem Moment maximalen Volumens erreicht auch der Druck sein Maximum, fällt aber trotz stehendem Volumen wieder ab auf den Plateaudruck. Dies ist Ausdruck der viskösen, also Strömungswiderstände im System, die mit Erliegen des Flows ebenfalls auf Null zurückgehen. Über den Pmax ermitteln wir also die Strömungswiderstände, er ist NICHT Ausdruck der elastischen Rückstellkräfte der Lunge!

Hieraus lässt sich die Resistance als Ausdruck für den Strömungswiderstand berechnen.

Resistance R = ΔP/ FlowVol

  • ResistanceNorm Erw. 1-2 mbar/l*s Kd. 20-40 mbar/l*s

Beim Beatmeten betrachten wir erneut die Druckkurve und lesen ab:

ΔP = Pmax – PPlateau

Flow = V/t

Schwierigkeiten bereiten die verschiedenen Einflussfaktoren, so ist der Atemwegswiderstand von der Flußgeschwindigkeit abhängig und steigt (wie die Turbulenz) mit zunehmender Geschwindigkeit und Atemfrequenz. Auch das Lungenvolumen verändert den Strömungswiderstand v.a. durch Volumenänderung der Atemwege bis hinunter zum Alveolendurchmesser. Zusätzlich kommen globalere Einflußfaktoren wie Obstruktion und Restriktion hinzu. Deshalb wird die Atemarbeit für jeden Atemzug separat errechnet.

WoB

Was sehen wir nun aus dem Druck-Volumendiagramm. Aus den inspiratorischen und expiratorischen Compliancekurven ergibt sich eine Fläche, sie entspricht der Atemarbeit. Steigt der Atemwegswiderstand, also die Resistance kommt es zu einem „Ausbeulen“ beider Kurven (hier aus Übersichtsgründen nur mit einer gestrichelten roten Linie dargestellt), folglich vergrößert sich die Fläche zwischen den Kurven, die Atemarbeit nimmt deutlich zu. Verändert sich die Compliance ändert sich die Steilheit der Verbindungsgraden, fällt die Compliance (blau gestrichelter Körper), steigt der elastische Widerstand, entsprechend kippt unsere Kurve nach unten, ohne zunächst die Atemarbeit zu erhöhen. Um aber geeignete Atemminutenvolumina zu generieren, muss bei geringerem Tidalvolumen pro Atemzug die Frequenz steigen und damit die Atemarbeit über die Zeit.

Was bringt uns das für die Praxis?

  • Maß für die Dehnbarkeit des Systems ist die ComplianceC = VT/(PPlateau – PEEP), CNorm Erw.70-100 ml/mbar
  • Maß für den Atemwegswiderstand ist die ResistanceR = (Pmax – PPlateau)/ FlowVol, RNorm Erw. 1-2 mbar/l*s
  • Maß für die Atemarbeit ist das Produkt aus Druck und erreichtem VolumenW = P x V, Maß für die Atemleistung ist der Quotient der Atemarbeit über die Zeit, dies entspricht dem Produkt aus Atemarbeit x Atemzugsvolumen.
  • beim Beatmeten errechnet sich die Atemarbeit also als Flächenintegral aus dem Produkt von Atemwegsdruck (ΔP = Pmax – PPlateau) und dem Atemzugsvolumen VT
  • Atemarbeit ist multiplen Einflußfaktoren unterworfen und entsprechend variabel
    • Atemfrequenz
    • Lungenvolumen
    • Sauerstoffbedarf
    • Sympathikotonus
    • Atemwegsobstruktion/ -restriktion

 

  • Ruheatmung: 0,25 J/Atemzug, also etwa 0,5 J/l
  • forcierte Atmung 1 J/Atemzug, also etwa 2 J/l
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