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Atemzyklus

Inhalt

Einführung

Der Atemzyklus beschreibt den sich dauerhaft wiederholenden Vorgang der Lungenatmung (äußere Atmung). Dieser ist von der inneren Atmung abzugrenzen, nämlich von den Vorgängen, welche den bei der äußeren Atmung dem Organismus zugeführten molekularen Sauerstoff verwenden und in den Mitochondrien ablaufen.

Voraussetzung für den Atemvorgang sind aktive Kräfte, welche eine Zu- und Abnahme des Thoraxvolumens bewirken können, die Atemmuskeln. Gleichzeitig muss ein Unterdruck im Pleuraspalt herrschen, welcher die Lunge nach allen Seiten gleichzeitig auseinanderzieht. Dies ist notwendig, da bei normalem Luftdruck die Lunge auf Grund elastischer Rückstellkräfte zusammengezogen würde.

Videoempfehlung: Lungen in situ
Ventrale Ansicht der Lungen in situ.

Atemphasen

Der im Pleuraspalt vorhandene Unterdruck bedingt, dass die Lunge den Atembewegungen "folgt". Diese Bewegungen laufen wie folgt ab:

Inspiration (Einatmung)

Bei der Inspiration weitet sich der Thorax, d.h. der sagittale Durchmesser vergrößert sich - dadurch nimmt der Unterdruck im Pleuraspalt zu (wird negativer, in Ruheatmung -4 kPa). Da die Lunge diesen Bewegungen folgt, wird sie in alle Richtungen aufgedehnt. Es steht der einströmenden Luft eine große Fläche zur Verfügung um sich in den Alveolen zu verteilen, sodass Sauerstoff aus der Einatemluft die Blut-Luft-Schranke passieren und in das Blut der Lungenkapillaren diffundieren kann. Dabei gilt: je größer die Diffusionsfläche, desto mehr Sauerstoff gelangt in das Blut.

Musculi intercostales externi (ventrale Ansicht)

Musculi intercostales externi (ventrale Ansicht)

Die Weitung des Thorax (Brust- oder Rippenatmung) geschieht durch folgende inspiratorische Atemmuskeln:

Im Ruhezustand erfolgt die Kontraktion der Atemmuskeln nicht bewusst. Bei besonderem Sauerstoffbedarf können zusätzliche inspiratorische Atemhilfsmuskeln rekrutiert und willentlich kontrahiert werden, es findet eine forcierte Einatmung statt. Zu den inspiratorischen Atemhilfsmuskeln zählen:

Die Kontraktion dieser Muskeln bewegt die Rippen voneinander weg, d.h. die Interkostalräume erweitern sich. Da der knöcherne Thorax von kranial nach kaudal einen immer größeren Durchmesser einnimmt, bewirkt diese Bewegung nicht nur eine Vergrößerung des inneren Volumens, sondern auch eine Anhebung des Thorax.

Diaphragma / Zwerchfell (ventrale Ansicht)

Diaphragma / Zwerchfell (ventrale Ansicht)

Zusätzlich zur Rippenatmung kontrahiert sich das Diaphragma, was eine Abflachung des Muskels bewirkt und den Thorax nach unten zieht (Zwerchfellatmung). Die Zwerchfellkuppen senken sich und die Lungen dehnen sich noch weiter aus. Durch die Bewegung wird Druck auf das Abdomen ausgeübt, sodass sich die Bauchwand zunehmend nach außen wölbt. Etwa 2/3 der Inspiration wird durch die Zwerchfellatmung erzeugt und 1/3 durch die Rippenatmung. . 

Da der durch das Anheben der Rippen gewonnene Raum durch den knöchernen Thorax begrenzt ist, kann die Lunge nach kranial nur sehr begrenzt weiteres Volumen gewinnen. Dies ist jedoch nach kaudal möglich, wo die Lunge zusätzlich Platz in besonderen Spalträumen, den Recessus, findet.

Exspiration (Ausatmung)

Musculi intercostales interni (ventrale Ansicht)

Musculi intercostales interni (ventrale Ansicht)

Im Gegensatz zur Inspiration ist die Exspiration ein Vorgang, der in Ruhe keine besondere Beteiligung der Muskulatur voraussetzt. Die bei der Einatmung aufgewendete mechanische Energie sorgt für einen Spannungszustand, welchem durch die elastischen Rückstellkräfte der Lunge sowie der Schwerkraft entgegengewirkt wird, d.h. die Lunge zieht sich selbstständig zusammen. Dabei wirken exspiratorische Atemmuskeln zwar unterstützend, jedoch werden diese nur schwach kontrahiert. Zu den exspiratorischen Atemmuskeln zählen:

Unter besonderen Belastungsbedingungen kann auch die Ausatmung forciert werden. Dies geschieht durch willentliche Kontraktion der Bauchwandmuskulatur (Bauchpresse) sowie des M. latissimus dorsi, welcher besonders beim Husten beansprucht wird („Hustenmuskel“).

Lungenvolumina & -kapazitäten

Musculus latissimus dorsi (dorsale Ansicht)

Musculus latissimus dorsi (dorsale Ansicht)

Die Lungenvolumina beschreiben die Menge an Luft, die sich während verschiedener Phasen des Atemzyklus in der Lunge befindet. Lungenkapazitäten setzten sich aus den verschiedenen Lungenvolumina zusammen. Alle Werte sind abhängig von Alter, Geschlecht und Größe und werden durch verschiedene Lungenerkrankungen beeinflusst. Die wichtigsten Lungenvolumina und -kapazitäten sollen hier kurz erläutert werden:

  • Residualvolumen (RV): Volumen, das auch nach maximaler Ausatmung in der Lunge bleibt, Normwert: 1-1,5l
  • Atemzugvolumen (AZV): Volumen, das bei einem Atemzug ein- und wieder ausgeatmet wird, Normwert in Ruhe: ca. 0,5l, bei Belastung maximal 3l
  • Inspiratorisches Reservevolumen (IRV): Luftmenge, die nach normaler Einatmung zusätzlich maximal inspiriert werden kann, Normwert: 3-3,5l
  • Exspiratorisches Reservevolumen (ERV): Luftmenge, die nach normaler Ausatmung zusätzlich noch maximal ausgeatmet werden kann, Normwert: 1,5l
  • Totale Lungenkapazität (TC/TLC): Volumen in der Lunge nach maximaler Inspiration, setzt sich also zusammen aus RV, ERV, AZV und IRV, Normwert: 6-6,5l
  • Vitalkapazität (VC): Volumen in der Lunge zwischen maximaler Exspiration und maximaler Inspiration, setzt sich also zusammen aus ERV, AZV und IRV, Normwert ca. 5l

Klinik

Bei obstruktiven Lungenerkrankungen ist die Ausatmung durch eine Verlegung oder Verengung der Atemwege erschwert. Dies kann zum Beispiel aufgrund von Entzündungen, die durch inhalative Noxen hervorgerufen werden, entstehen, wie es bei der COPD (chronisch obstruktive Lungenerkrankung) der Fall ist. Durch den höheren Widerstand in den Atemwegen kommt es zu einer Verlangsamung der Exspiration. Das Residualvolumen nimmt zu, das bedeutet, dass das Gasvolumen, das nach maximaler Exspiration im Thorax verbleibt, ansteigt. Dies führt zu einer Überblähung der Lunge mit Verlust der funktionellen "Austauschfläche" (Emphysem). 

Auch beim Asthma bronchiale kommt es zu einer Obstruktion der endobronchialen Atemwege. Die Exspiration ist gestört, typisch ist ein exspiratorischer Stridor.

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Quellen anzeigen

Quellen:

  • G. Aumüller et al: Duale Reihe Anatomie, 2. Auflage, Thieme (2010), S. 252 f., 506 ff.
  • J. Huppelsberg, K. Walter: Kurzlehrbuch Physiologie, 3. Auflage, Thieme (2009), S. 99 f.
  • J. Kirsch, C. May, D. Lorke et al: Taschenlehrbuch Anatomie, Thieme (2010), S. 312-313
  • A. Lauber, P. Schmalstieg: Wahrnehmen und Beobachten, 3. Auflage, Thieme (2012), S. 187

Autor:

  • Andreas Rheinländer

Illustratoren: 

  • Musculi intercostales externi - ventrale Ansicht - Yousun Koh
  • Diaphragma / Zwerchfell - ventrale Ansicht - Yousun Koh
  • Musculi intercostales interni - ventrale Ansicht - Yousun Koh
  • Musculus latissimus dorsi - dorsale Ansicht - Yousun Koh
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