Atemfrequenz 2: Anatomie und Physiologie der Atmung

Einführung

Um den Prozess der Atmung zu verstehen, ist es wichtig, mit der Anatomie des Brustkorbs und der Physiologie des Atmungssystems vertraut zu sein. Die Atmung besteht aus zwei wesentlichen Komponenten:

• Ventilation: der Prozess, bei dem die Luft physisch in die Lunge hinein und aus ihr heraus bewegt wird;
• Gasaustausch: der Prozess, bei dem Sauerstoff (O2) in den Körper und Kohlendioxid (CO2) aus dem Körper hinaus transportiert wird.

Anatomie und Physiologie

Die Lungen befinden sich im Brustkorb, der von zwei Pleuramembranen umschlossen ist (Abb. 1). An der Basis des Brustkorbs, die ihn von der Bauchhöhle trennt, liegt das Zwerchfell. Der Zwerchfellmuskel ist der Hauptmuskel der Inspiration und wird vom Nervus phrenicus innerviert.

Die Lungen bestehen aus großen und kleinen Atemwegen, wobei die Luftröhre die größte und erste von 23 Generationen von Atemwegen ist. Die Atemwege jeder Generation gehen aus der vorhergehenden Generation durch ein System unregelmäßiger dichotomer Verzweigungen hervor (Davies und Moore, 2010). Die kleineren Atemwege (Atmungsbronchiolen) enthalten Alveolen in ihren Wänden. Alveolen sind der Ort des Gasaustauschs, und ihr Anteil nimmt zu, je kleiner die Atemwege werden. Dadurch nimmt die Gesamtoberfläche der Lunge exponentiell zu und bietet maximale Möglichkeiten für den Gasaustausch.

Zentrale und periphere Chemorezeptoren, die auf Hypoxie (niedriger O2-Gehalt) und Hyperkapnie (erhöhter CO2-Gehalt) reagieren, steuern den Drang zu atmen (Davies und Moore, 2010).

Ventilation

Luft bewegt sich auf natürliche Weise von einem Bereich mit hohem Druck zu einem Bereich mit niedrigem Druck. Bei der normalen Atmung erfolgt die Inspiration durch die Kontraktion und Abflachung des Zwerchfells und die Kontraktion der äußeren Zwischenrippenmuskeln, wodurch sich der Brustkorb hebt und nach außen bewegt. Dadurch vergrößert sich die Brusthöhle. Diese Veränderungen bewirken, dass sich die parietale Pleuraschicht der Lunge mit dem Brustkorb und dem Zwerchfell bewegt, wodurch ein Unterdruck entsteht. Die viszerale Pleuraschicht, die an der Oberfläche der Lungen befestigt ist, folgt, und die Lungen dehnen sich aus, wodurch Luft angesaugt wird.

Die Ausatmung in Ruhe ist ein weitgehend passiver Prozess; die Einatmungsmuskeln entspannen sich und es kommt zu einem elastischen Rückstoß der Lungen, wodurch ein Druckgleichgewicht entsteht, bevor der Zyklus erneut beginnt (Bourke und Burns, 2015). Diese Bewegung der Brustwand wird beobachtet, wenn die Atemfrequenz (RR) gemessen wird. Veränderungen der RR treten als Reaktion auf Bewegung, Emotionen und während des Schlafs auf; die mit Bewegung und Angst verbundenen Veränderungen der RR können mehr als 25 Schläge pro Minute betragen, kehren aber in der Regel in einem ruhigen Zustand wieder auf den Normalwert zurück.

Gasaustausch

Durch den Prozess der Ventilation wird Luft zu den Alveolen transportiert, wo der Gasaustausch durch einen einfachen Diffusionsprozess stattfindet. Ein Gas bewegt sich von einem Bereich mit hoher Konzentration zu einem Bereich mit niedriger Konzentration. Der Partialdruck von O2 in der Atmosphäre ist höher als der im Körper, und der Blutstrom enthält einen höheren Partialdruck von CO2 als die Atmosphäre. Damit ein effektiver Gasaustausch stattfinden kann, muss die in die Lunge eingeatmete Luft bis zur Alveolarmembran gelangen, wo die Kapillarwände dünn sind und eine große Oberfläche vorhanden ist.

Was ist eine Basis-RR?

Wenn Ventilation und Gasaustausch stattfinden, liegt der normale Bereich der Sauerstoffsättigung des Blutes (SpO2) bei 94-98 % (O’Driscoll et al., 2017), und dies kann in Ruhe mit einer RR von 12-20 Atemzügen pro Minute aufrechterhalten werden.

Abbildung 2 zeigt die Oxyhämoglobindissoziationskurve. Sie veranschaulicht, wie physiologische Faktoren zu einer Änderung der RR als Folge einer Änderung des SpO2 führen können. Wenn zum Beispiel der verfügbare atmosphärische O2 (PO2) in der Höhe abnimmt, sinkt der SpO2, was zu einem Anstieg der RR führt. Bei Krankheiten, bei denen die Temperatur oder der pH-Wert des Blutes verändert werden, wodurch sich die Oxyhämoglobin-Dissoziationskurve nach rechts oder links verschiebt, wird die RR beeinflusst, da der Körper versucht, die Homöostase wiederherzustellen.

Auswirkung des Gesundheitszustands auf die RR-Basislinie

Es ist wichtig zu hinterfragen, ob die RR als Teil des Nationalen Frühwarnsystems (NEWS) (Royal College of Physicians, 2017) bei Patienten ohne bekannten Atemwegszustand nützlicher ist, bei denen ein Wert von 0 (12-20 Atemzüge pro Minute) eine echte Basislinie darstellt.

Bei Lungenerkrankungen, bei denen der Gasaustausch und/oder die Ventilation in Ruhe beeinträchtigt ist, erhöhen die hypoxischen und hyperkapnischen Antriebe die RR, um den SpO2 aufrechtzuerhalten. Ein schlechter Gasaustausch, wie er bei Erkrankungen wie Lungenfibrose oder Emphysem (verursacht durch eine Verdickung der Alveolarwand bzw. Zerstörung des Lungengewebes) auftritt, führt zu einer höheren Ruhe-RR. Daher ist es wichtig, die „normale“ Ausgangssituation des Patienten zu berücksichtigen.

Gemeinsame obstruktive Lungenerkrankungen wie die chronisch obstruktive Lungenerkrankung oder Asthma sind durch einen erhöhten Atemwegswiderstand gekennzeichnet, da die kleinen Atemwege verengt sind, was die Sauerstoffzufuhr zu den Aveolen verringert. Bei akuten Exazerbationen ist dieser Widerstand erhöht, was zu einem Anstieg der RR führt. Die Verabreichung von Bronchodilatatoren entspannt die glatte Muskulatur in der Wand der Atemwege, wodurch der Widerstand verringert und die RR auf ein normales Niveau zurückgeführt wird.

Neuromuskuläre Erkrankungen der Lunge führen häufig zu einer Hypoventilation, da die für eine normale Ventilation erforderlichen Mechanismen nicht richtig funktionieren. In diesem Fall kann eine niedrige RR (Bradypnoe) zu einem Atemstillstand führen.

Bei Operationen und nach der Genesung muss die RR genau überwacht werden, da Anästhetika, die in der Regel Opioide enthalten, die Atmung dämpfen und die RR verringern können (Koo und Eikermann, 2011). Sie wirken auf die zentralen Chemorezeptoren und unterdrücken den Atemantrieb.

Es ist wichtig, daran zu denken, dass die Pulsoximetrie die Sauerstoffsättigung misst, während die RR die Ventilation misst. In den frühen Stadien der Verschlechterung kann der SpO2-Wert des Patienten im normalen Bereich liegen, aber die RR steigt als Reaktion auf einen unzureichenden Gasaustausch an. Veränderungen der RR sind oft das erste Anzeichen einer Verschlechterung (siehe Teil 1).

Die Zukunft

RR ist ein frühzeitiger Hinweis auf eine Verschlechterung des Zustands des Patienten, und die frühzeitige Erkennung von Veränderungen stellt sicher, dass Patienten sinnvolle klinische Maßnahmen erhalten. Damit die RR als Frühwarnzeichen bei Patienten mit bekannter Atemwegserkrankung nützlich ist, müssen wir wissen, was für diesen Patienten normal ist.

Wie später in der Serie erörtert wird, gibt es Technologien, mit denen die Ruhe-RR eines Patienten objektiv gemessen werden kann, und wir müssen überlegen, ob diese in der Praxis routinemäßig eingesetzt werden sollten, wie bei der Messung von SpO2 oder Blutdruck.