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=Tidal Volumen

V(unten kleines T) / V(unten kleines E

bei normaler Atmung ein/ausgeatmetes Volumen

=0,5l

=IRV

Volumen das nach normaler Inspiration noch zusätzlich eingeatmet werden kann.

= 2,5l

=ERV

Volumen das nach normaler Ausatmung noch ausgeatmet werden kann

=1,5

=RV

Restvolumen auch mit Hilfe der Atemmuskeln nichtmobilisierbares Lungenvolumen

=1,5

Das Residualvolumen kann also mittels Spirometrie weder im offenen noch im geschlossenen System gemessen werden.

Das  Residualvolumen und alle Lungenvolumina, welche das Residualvolumen enthalten, d.h. die Totalkapazität (= Residualvolumen +  Vitalkapazität) und die funktionelle Residualkapazität (= Residualvolumen + das exspiratorische Reservevolumen) müssen mit Gasverdünnungsmethoden (Fremdgas-Einwaschung, Stickstoff-Auswaschung) oder mittels
Ganzkörperplethysmographen bestimmt werden.

FRC= RV + VC

bei normaler Atmung endexspiratorisches Volumen

= 3l

IC = VT + IRV = 3l

EC = VT + ERV

VC= IRV + VT+ ERV

max. Atemzugvolumen

=4.5l

Sie ist also einerseits durch die Thorax- und Lungengrösse, anderseits durch  Thorax- und Lungendehnbarkeit determiniert.

Dementsprechend hängen die Normwerte von Alter, Geschlecht und Körpergrösse ab. (nicht Gewicht)

Die  Vitalkapazität  wird im Stehen bestimmt.

TLC = RV + VC

totales Lungenvolumen

= 6l

1/2 * Residualvolumen = 0,7

Bei  Pneumothorax

geschlossenen Spirometer nach Krogh.

Die Untersuchung der Ruheatmung und des Sauerstoffverbrauchs

Mit dem Spirometer können die Vitalkapazität, die Einsekundenkapazität und allenfalls der Atemgrenzwert bestimmt werden.

(Das Spirometer dient in erster Linie zur Aufzeichnung der Atmung (Pneumogramm, Spirogramm). Man kann mit ihm aber auch den Sauerstoffverbrauch berechnen.)

Die Spirometerglocke, der Spirometerinnenraum, die beiden
Verbindungsschläuche - getrennt für Inspiration und Exspiration - sowie das Mundstück bilden bei verschlossener Nase ein mit den Atemwegen geschlossenes System.

Die Spirometerglocke folgt den mit der Atmung einhergehenden
Volumenänderungen, die -  über eine Rolle - als Pneumogramm auf ein Kymographion gezeichnet werden (Inspiration nach oben).

Die beiden Einwegventile in den Verbindungsschläuchen reduzieren den apparativen Totraum („Pendelluft“, kein Gasaustausch) auf ein zu vernachlässigendes Minimum (Mundstück und Filter).

Das Spirometer ist so  dimensioniert, dass eine Volumenänderung von 1 l eine vertikale Verschiebung des Schreibers von  1 cm ergibt.

Gewicht und Auftrieb der Glocke sind mittels „Gegengewicht“ und „Auftriebskompensation“ bei der Eichung berücksichtigt.  

 

 

Das Spirometer wird vor jedem Versuch mit Sauerstoff zuerst (2 mal) ausgewaschen und dann mit Sauerstoff  gefüllt.

Das Kohlendioxid der Ausatmungsluft wird durch „Natronkalk“ (NaOH, NaHCO3, Ca(OH)2) gebunden.

In dem Masse, wie die Versuchsperson den Sauerstoff verbraucht, sinkt die Spirometerglocke bzw. steigt das Pneumogramm an. 

Die Lungenfunktionsprüfungen werden mit einem offenen Spirometrie-System, einem Pneumotachographen (pneuma = Luft;
tachys = schnell), durchgeführt.

Damit werden sowohl statische als auch dynamische Lungenvolumina gemessen. 

Die Messung der Atemvolumina im offenen System erfolgt über
die Messung der Atemstromstärke (Volumen pro Zeiteinheit) mittels Pneumotachographen.

Der Messkopf des Pneumotachographen ist im Wesentlichen
ein Rohr mit eingebautem kleinem Strömungswiderstand (R). Die bei der Atmung durch das Rohr entstehende Druckdifferenz zwischen dem Anfang und dem Ende des Rohrs wird mit zwei Drucksensoren gemessen und ist direkt proportional der
Atemstromstärke (laminare Strömung; HAGEN-POISEUILLE Gesetz).

Das Signal der Atemstromstärke wird über die Zeit zum Atemvolumen V (Gleichung  V= ∫ dt F1) integriert und als Spirogramm auf dem Bildschirm angezeigt.

Das Signal der Atemstromstärke wird über die Zeit zum Atemvolumen V (Gleichung  V= ∫ dt F1) integriert und als Spirogram auf dem Bildschirm angezeigt.

Die Integration wird separat bei der Inspiration resp. Exspiration durchgeführt.
Dadurch wird der Temperaturunterschied der inspirierten (Raumtemperatur) resp. der exspirierten Luft (Körpertemperatur)  korrigiert. Die Umrechnung (analog der BTPS Umrechnung, siehe Kapitel 4.1) geschieht hier automatisch.

Die Aufzeichnung der Atemstromstärke über die Zeit nennt man Pneumotachogramm.

Gemessen wird der Sauerstoffverbrauch (VO2 = Sauerstoffaufnahme pro Zeiteinheit) gemäss der momentanen Stoffwechselrate  im Liegen ("Ruhe") und im Stehen.

Gleichzeitig wird die Ruheatmung im Liegen und im Stehen quantitativ ausgewertet.

Das Spirometer ist mit Sauerstoff gefüllt. Die Versuchsperson liegt ruhig im Liegestuhl und schliesst sich an das Spirometer an, indem das Mundstück dicht in den Mund genommen und die Nase mit einer Nasenklemme verschlossen wird.

Die Versuchsperson atmet ruhig und vermeidet möglichst jede Änderung der Versuchsbedingungen; sie versucht einen stationären Zustand (steady state) zu erreichen.

Im  steady state steigt das Pneumogramm (keine Änderungen der FRC, keine Änderungen der Spirometer-Temperatur und keine undichten Stellen im System vorausgesetzt) dem Sauerstoffverbrauch entsprechend linear an, d.h. der
Sauerstoffverbrauch und die Kohlendioxidproduktion bleiben konstant.
Das Pneumogramm wird bei einer Trommelgeschwindigkeit von 25 mm min-1 während 10 Minuten aufgezeichnet. Der Versuch wird anschliessend im Stehen wiederholt.

In Kürze: Aus der Atemfrequenz (fresp) und dem Atemzugvolumen (VT) wird das Atemminutenvolumen (VE  ) berechnet, in l min-1 angegeben und in BTPS Bedingungen umgerechnet. 

Barometerdruck wird angegeben: Beispiel 726mmHg -> * 1,33 Umrechnung in hPa (=100Pa)
Temperatur am hineren Teil des Sprirometers ablesen (Bsp. 24.5 Grad)

Alles was wir am Pneumogramm messen ist in ATPS ((Ambient Temprature Pressure Satured) Spirometerbedingen (Temperatur, Wasserdampfdruck gesättigt))
     
- Umrechnungsfaktor in BTPS ((Body Tempearture Pressure Saturated) Körperbedingungen: (T= 37 Grad/ 310 K ; Barometer/Umgebungsdruck)): dies findet man auf einer aufgelegten Tabelle, suche bei Druck (726 mmHg) und Temperatur (24,5 Grad) finde Wert 1.0137

- Atemfrequenz: ablesen wie viel Atemzüge pro min(14). Normwert: 10-15/min

- Atmzugvolumen (BTPS): (6mm entsprechen 0.6 L multipliziert mit 1.0137 = 0.68L) Normwerte: ca. 0.5 L (ablesen an den Picks)

- Atemminutenvolumen (BTPS): (14 multipliziert mit (0.6L mal 1.0137) =8.515 L/min)
Normwert: 6-9 L/min

 

-Alle Volumina die uns interessieren auf Lungenebene (Lungenkapazität) rechnen wir um auf BTPS.
-Interessiert uns nur Sauerstoffverbrauch rechnet man mit STPS.

a) Der Ruhesauerstoffverbrauch (im Liegen) bzw. der Sauerstoffverbrauch im Stehen wird, nach Umrechnung auf Standardbedingungen (STPD = 0°C, 760 mm Hg, trocken; vgl. Umrechnungsfaktoren in den aufliegenden Tabellen) in l /min^-1
oder ml / min^-1angegeben.

- Sauerstoffverbrauch(STPD): V/t: Höhenunterschied der Steigung berechnen. (0.3mm entsprich 0.3 L multipliziert mit 0.7974=0.2322L)     Normwerte 0.25-0.35 L/min


b) Aus dem Sauerstoffverbrauch (VO2) wird der Energieumsatz (= Stoffwechselrate) berechnet.

c) Der  VO2 in l min-1 (STPD) wird mit dem sogenannten kalorischen (energetischen) Äquivalent für Sauerstoff multipliziert.

Für die Berechnung des Ruheumsatzes wird ein „respiratorischer Quotient“ von 0,8, dem ein kalorisches Äquivalent von 20 kJ ^ -1 O2 (4,8 kcal l ^-1 O2) entspricht, angenommen.

Der Energieumsatz wird in der Regel in kJ oder MJ pro 24 Stunden
angegeben.  (24 * 60)
- Ruheumsatz
Sauerstoffverbrauch(0.24922L/min mal 20 kJ mal 1440= 5454kJ/24h) Normwerte 7200-10080 kJ/ 24h

 

Das kalorische Äquivalent gibt an, wieviel Energie in kJ (kcal) pro Liter O2 bei der Oxidation der Nährstoffe frei wird, und hängt von der Art (Kohlenhydrat, Fett, Eiweiss) des oxidierten Substrates ab.

Einen Hinweis auf die Art der oxidierten Stoffe erhalten wir aus dem  „respiratorischen Quotienten“ (RQ = VCO2/VO2). Für die Berechnung des Ruheumsatzes wird ein „respiratorischer Quotient“ von 0,8, dem ein kalorisches Äquivalent von 20 kJ ^ -1 O2 (4,8 kcal l ^-1 O2) entspricht, angenommen.

Methode (siehe Versuch 4.1) der Bestimmung des Energieumsatzes

Die indirekte Kalorimetrie kann, je nach Versuchsbedingungen, der Bestimmung des „Grundumsatzes“, des „Ruheumsatzes“
oder des „Arbeitsumsatzes“ (vgl. Platz 2.5: Ergometrie) dienen.


Für die Bestimmung des Grundumsatzes (= der tiefste Umsatz im Wachzustand) müssen die folgenden Bedingungen eingehalten werden: Neutrale Raumtemperatur, körperliche und psychische Ruhe, 24 Stunden ohne Eiweiss-Aufnahme, nüchtern, am Morgen gemessen.

Als Faustregel für die Grundumsatz-Normwerte gilt: ♂100 kJ bzw. ♀90 kJ pro kg und Tag. 

apparativ sehr aufwendigen direkten Messung der gesamten Wärmeproduktion mittels Ganzkörperkalorimeter.

Durchführung
-Anamnese nicht vergessen!
-Die Versuchsperson soll nicht auf den Bildschirm schauen
-Der Spirometer Pod sollte nie bewegt werden
-wichtig Nasenklemme nicht vergessen!

Einstellungen (Siehe nächste Karte)

−  Starten Sie die Software (auf Icon „Respiration“ klicken).
−  Kanal 1 (für die Aufzeichnung des Flows) und Kanal 2 (für die Aufzeichnung des Volumens) sind nun sichtbar. 

"Zeroing the system":  (siehe spezielle Karte)

Kalibrierung :
− Vom pulldown Menu des Kanals 1 wählen Sie „Spirometer Flow“.
− Wählen Sie MLT1000  für den Flow Head, dann OK.

−  Nun wählen Sie vom pulldown Menu des Kanals 2 „Spirometry Volume“. Vergewissern Sie sich, dass „volume correction“ an ist und der „dead space“ auf 400 ml eingestellt ist. Das angegebene Volume Ratio entspricht der BTPS-Umrechnung

Skalierung gemäss Instruktion durch die Assistierenden

Der folgende Vorgang muss immer vor einer Messung durchgeführt werden.

Dadurch wird das System auf den Null-Ausgangspunkt zurückgesetzt. Der Spirometer-Pod und der Spirometer-Kopf sollte dabei nicht bewegt werden.

−  Wählen Sie „Spirometer Pod“ im pulldown Menu des Kanals 1 (oben rechts).

−  Wählen Sie „zero“, dann OK.

−  Gehen Sie auf Start und überprüfen Sie, ob die Aufzeichnung (ohne Atmung) horizontal ist. Wenn dies zutrifft drücken Sie „stop“. Wenn nicht, wiederholen Sie den „zero“-Vorgang. 

Tragen Sie alle ermittelten Werte in die Auswertungstabelle 2 ein.

Alle Werte können mit Hilfe des Markers  (unten links) und des Waveform Cursors ermittelt werden.

− Markieren Sie einen Atemzug: Beachten Sie den Zusammenhang zwischen Fluss und Volumen. 

Ruheatmung
•  Bestimmen Sie die Anzahl der Atemzüge pro Minute
•  Bestimmen Sie das inspirierte Volumen (Atemzugvolumen)
•  Berechnen Sie das Atemminutenvolumen (1 u. 2 multiplizieren)
• Bestimmen Sie nun die Dauer der Inspiration resp. Exspiration bei 2 bis 3 Atemzügen. Dadurch können sie das Atmungsmuster bestimmen (siehe nächste Karte)

=(Breathing pattern)

Das Verhältnis der Inspirationsdauer (tI) zu der Exspirationsdauer (tE) bezeichnet das Atmungsmuster (Atemtyp).

Eine deutliche Verlängerung der Exspiration (tI/ tE < 0.8) ist typisch für eine obstruktive  Lungenerkrankung. Inspiratorisch betonte Atmung findet man zu Beginn einer körperlichen Belastung sowie z.B. bei Einweg-Hindernissen (Ventilmechanismsus) im Bereich des Oropharynx.

•  Bestimmen Sie nun die Dauer der Inspiration resp. Exspiration bei 2 bis 3 Atemzügen.

Markieren Sie ca. 4 Atemzüge und drucken Sie die Aufzeichnung aus.

Überprüfen Sie zuerst mit print preview.

(oben abmessen und mit "Ctrl" runterziehen (gl. Breite))

-  Führen Sie die „zero“-Operation durch (siehe oben)

-  Drücken Sie „Start“ und fordern Sie die Versuchsperson auf, während ein bis zwei Minuten ruhig zu atmen. Danach fordern Sie die Versuchsperson auf, tief einzuatmen und anschliessend so viel wie möglich (gleichmässig und nicht zu schnell) auszuatmen.
Dann soll wieder in die Ruheatmung übergegangen werden

-  Wiederholen Sie das Manöver zwei- bis dreimal

-  Drücken Sie „stop“

Bestimmen Sie mit dem „marker“ und „waveform cursor“

•  Die inspiratorische Kapazität:  IC = VT + IRV
•  Die exspiratorische Kapazität:  EC = VT + ERV
•  Die Vitalkapazität:  VC = IRV + ERV + VT

•  Vergleichen Sie den erhaltenen Wert mit der Normtabelle

•  Drucken Sie die beste Aufzeichnung aus

Der bronchiale Widerstand ist auch bei  Ruheatmung während der Exspiration grösser als während der Inspiration.

Bei aktiver, schneller Ausatmung von einem grossen Lungenvolumen ausgehend, ist der bronchiale Widerstand am grössten.

Nach maximaler Inspiration können in der ersten Sekunde bei forcierter Exspiration und konsekutiver Lungen- und Luftwegskompression 75% - 85% der Vitalkapazität ausgeatmet werden.

Bei „obstruktiven  Ventilationsstörungen“, bei denen der bronchiale Widerstand pathologisch erhöht ist, vermindern sich die FEV1-Werte unter 70% der Vitalkapazität. 

Bei restriktiven Atemstörungen (Verminderung des funktionstüchtigen Lungenvolumens, z.B. Lungenödeme od. Behinderung der Lungenausdehnung.) ist die forcierte Vitalkapazität (FVC) unterhalb von 75%.

-  Führen Sie die „zero“-Operation durch (siehe oben). 

-  Drücken Sie „start“.

Die Versuchsperson steht und die Ruheatmung wird während ca 1 Minute registriert.

Nach einigen Atemzügen im steady state wird die Versuchsperson aufgefordert, aus der Normalatmung langsam maximal einzuatmen, anschliessend so rasch wie möglich maximal auszuatmen und dann weiter ruhig zu atmen.

Die Messung wird mindestens dreimal wiederholt. Auch hier  ist die Kooperation der Versuchsperson sehr wichtig.

-  Drucken Sie die beste Aufzeichnung aus.

-  Bestimmen Sie die "Forced Vital Capacity“ (FVC)

-  Bestimmen Sie die “Ein-Sekunden-Kapazität" (FEV1)

Markieren Sie dazu den entsprechenden Bereich und gehen Sie auf "Spirometry" → "Data Window".

Aus demselben Atmungsmanöver (V 4.2.3)wird der  Verlauf der Atemstromstärke (Fluss) während der Exspiration analysiert und als Funktion des Lungenvolumens (nicht als Funktion der Zeit) dargestellt

Markieren Sie dazu den entsprechenden Bereich (inkl. einiger Ruheatmungszüge im steady-state) und gehen Sie auf  "Spirometry" → "Flow-Volume-Plot".

-  MEF75, MEF50 und MEF25 bezeichnen die maximalen exspiratorischen Flüsse im Zeitpunkt eines Lungenvolumens von 75%, von 50% und von 25% der forcierten Vitalkapazität (FVC)


-  PEF: Peak exspiratory flow; normalerweise ca. 10 L s-1

(siehe Bild in Skript)

Normal:
-Kurve geht hoch nach oben: Die Luft geht schnell raus
-Kurve geht weit nach rechts: Es geht viel Luft raus

Obstruktive Störung:
-Kurve geht nicht so hoch: Die Luft geht nicht so schnell raus
-Kurve geht weit nach rechts: Es geht viel Luft raus , aber es dauert länger

Restriktive Störung:
-Kurve geht hoch nach oben: Die Luft geht schnell raus.
-Kurve geht wenig nach rechts: Es geht wenig Luft raus, weil auch nur wenig rein geht

FEV1%M = (FEV1 / VC) x 100     in %

FEV1%F = (FEV1 / FVC) x 100     in %

Die Versuchsperson atmet zunächst ruhig.

Dann wird sie aufgefordert, aus der Normalatmung möglichst tief und möglichst schnell zu atmen.

Die Atemfrequenz soll dabei aber nicht höher sein als 40 min-1.
Nach ca. 10 Sekunden wird wieder auf Ruheatmung zurückgegangen.

Diese willkürliche Hyperventilation (Abnahme des
arteriellen Partialdrucks von Kohlendioxid, respiratorische Alkalose, Reduktion der Hirndurchblutung) darf nicht allzu lange fortgesetzt werden. 
Sie wird von der Versuchsperson als unangenehm empfunden.

Der „Atemgrenzwert“ ist das maximale willkürlich erreichbare Atemminutenvolumen.

Bei gleichzeitiger Vertiefung der Atmung und Steigerung der Atemfrequenz können Minutenvolumina von ungefähr 30 mal Vitalkapazität, bzw. 37 mal Einsekundenkapazität erreicht werden.

Ein herabgesetzter Atemgrenzwert kann auf eine Volumenverkleinerung bei normalem Strömungswiderstand (restriktive Ventilationsstörung), auf einen vergrösserten Strömungswiderstand bei annähernd normalem Volumen (obstruktive Ventilationsstörung) oder auf eine Kombination beider Faktoren hinweisen.

Atemstillstand

- Kurzatmigkeit

- gesteigerte Atemfrequenz (> 20 min-1) 

-Tiefe Atemfrequenz (< 10 min-1
 

- gesteigertes Atemminutenvolumen (auch ohne Hyperventilation)

verstärkte Atmung, arterieller PaCO2 reduziert (= Hypokapnie)


verminderte Atmung, arterieller PaCO2 erhöht (= Hyperkapnie)

Arterieller Kohlendioxid-Partialdruck (PaCO2), um 40 mmHg (5.3 kPa) 
  

→Achtung: mit Pneumatachograph ist Sauerstoffverbrauch und Ruheumsatz nicht messbar. (Laut Wenger Thermogenese schon: Sauerstoffverbrauch und Kohlendioxid-Abgabe kann berechnet werden.
Sauerstoffaufnahme = AMV ×(Sauerstoffgehalt der Luft – Sauerstoffgehalt des Ausatemgases))