Regulation der Atmung: Anatomie und Physiologie

Regulation der Atmung: Anatomie und Physiologie

• Die Präsentation behandelt die Regulation der Atmung unter Berücksichtigung der Anatomie und Physiologie.
• Gabi Zwygart präsentierte die Informationen am 01.03.2025 an der Careum Höheren Fachschule Pflege

Lernziele

• Die an der Atemregulation beteiligten anatomischen Strukturen kennen.
• Fünf verschiedene Atemmuster benennen können.
• Die Atemreize und deren Einfluss auf das Atemzeitvolumen (AZV) erklären können.
• Um andere Einflüsse auf die Atmung wissen.

Aufgabe der Atemregulation

• Die Ventilation wird optimal an die jeweilige Stoffwechsellage angepasst.
• Der O2-Partialdruck, CO2-Partialdruck und pH-Wert des arteriellen Blutes werden auf vorgegebene Werte gehalten.
• Die Atmungsarbeit erfolgt unter möglichst ökonomischen Bedingungen.
• Sprechen, Schlucken usw. dürfen die Regelgrößen nicht in stärkerem Maße beeinflussen.

Ziel der Atmung

• Sauerstoffaufnahme: Der Stoffwechsel verbraucht Sauerstoff (O₂).
• Sauerstoff muss zu den Zellen transportiert werden.
• Der Sauerstoffbedarf in Ruhe beträgt ca. 300 ml/min oder 3-4 ml/kg Körpergewicht/min.
• Kohlendioxidabgabe: Der Stoffwechsel produziert Kohlendioxid (CO₂).
• Kohlendioxid muss aus den Zellen abtransportiert werden.
• Die Kohlendioxidproduktion in Ruhe beträgt 250 ml/min oder 3 ml/kg Körpergewicht/min.
• Die Regulation des Säure-Basen-Haushaltes erfolgt durch Kohlendioxid-Elimination.

Steuerung der Atmung

• Die Atmung wird über das Zentralnervensystem gesteuert.
• Das Atemzentrum befindet sich in der Medulla oblongata.
• Verschiedene Netzwerkteile im Hirnstamm und der Pons sind daran beteiligt.
• Das Atemzentrum erzeugt einen stabilen Rhythmus, der an psychische und körperliche Verhaltensweisen angepasst wird.

Atemrhythmus

• Der Atemrhythmus beinhaltet die rhythmische Aktivierung der Atemmuskulatur.
• Der neuronale Atemrhythmus läuft in drei Zyklusphasen ab.
• Anwachsende inspiratorische Aktivität steuert die Einatmung (Inspiration).
• Abnehmende postinspiratorische Aktivität bewirkt langsames Nachlassen der inspiratorischen Muskelaktivität und verengt die Stimmritze.
• Exspiratorische Aktivität steuert die aktive Ausatmung.
• Für einen normalen Atemrhythmus muss das gesamte respiratorische Netzwerk intakt sein.
• Die rhythmische Folge der Atmungsphasen wird durch abwechselnde, salvenartige Entladungen inspiratorischer und exspiratorischer Neurone bewirkt; Aktivität einer Neuronengruppe hemmt jeweils die andere.

Atemmuster

• Mechanische Atembewegungen bestehen aus zwei Phasen: Einatmung (Inspiration) und Ausatmung (Exspiration).
• Physiologisch ist das Atemmuster regelmäßig, gleichmäßig tief.
• Es besteht ein relativ stabiles Zeitverhältnis von Inspiration und Exspiration von ca. 1:2.

Übersicht über verschiedene Atemmuster

• Normale Ruheatmung: gleichmäßige Atemzüge, typisch für gesunde Personen.
• Kussmaul-Atmung: tiefe, schnelle Atemzüge, tritt bei metabolischer Azidose (z.B. diabetisches Koma) auf.
• Cheyne-Stokes-Atmung: wechselnde Phasen von Apnoe und zunehmender Atemtiefe, beobachtet bei schwerer Herzinsuffizienz oder Enzephalitis, gelegentlich im Schlaf.
• Biot-Atmung: unregelmäßige Atemzüge mit Apnoephasen, tritt bei Hirnverletzungen und Hirndrucksteigerung auf.
• Schnapp-Atmung: unregelmäßige, schwache Atemzüge, die bei Frühgeborenen vorkommen oder kurz vor dem Tod eintreten.

Atemreize: Partialdrücke

• O2-Partialdruck, CO2-Partialdruck und pH-Wert des arteriellen Blutes sollen auf vorgegebene Werte gehalten werden.
• Dazu dienen Messfühler, welche Veränderungen an den Partialdrücken und dem pH-Wert registrieren und über Afferenzen an das Atemzentrum weiterleiten.

Zentrale Chemische Atemreize

• Zentrale Chemorezeptoren befinden sich in der Medulla oblongata und haben keine direkte Verbindung mit arteriellem Blut.
• Sie messen den Kohlendioxidpartialdruck (pCO2) im Liquorraum.

Periphere Chemische Atemregulation

• Periphere Chemorezeptoren (arterielle Chemorezeptoren) messen Veränderungen des pO2, pCO2 und des pH-Wertes.
• Glomus caroticum: liegt im Karotissinus; afferente Nerven laufen über die Karotissinusnerven und Äste des N. glossopharyngeus (IX HN) zum Atemzentrum.
• Glomus aortica: liegt im Aortenbogen; afferente Nervenfasern verlaufen über die Aortennerven und den N. Vagus (X HN) zum Atemzentrum.
• Chemorezeptoren nehmen schnell Veränderungen der Blutgase und des pH-Wertes wahr.
• Die Afferenz erfolgt über IX und X HN an das zentrale Atemzentrum, woraufhin die Atmung entsprechend angepasst und Blutgase sowie pH-Wert normalisiert werden.

Zusammenspiel Atemregulation

• Die Atmung wird über ein komplexes System reguliert, welches chemische Atemreize (pO2, pCO2, pH-Wert), Ventilation
• Chemosensoren messen Atemminutenvolumen, Atemfrequenz und das Atemzugvolumen
• Das Ziel ist es, ein Gleichgewicht durch die Atmenmuskulatur herzustellen

Chemische Atemreize

• Erhöhter arterieller Kohlendioxidpartialdruck (pCO2↑), verminderter arterieller Sauerstoffpartialdruck (pO2↓) und Veränderungen im Säure-Basen-Gleichgewicht (pH-Wert↓) bewirken eine Änderung des Atemzeitvolumens.
• Das Atemzugvolumen ist ein Maß für den Atemantrieb.

Partialdruck

• Der Partialdruck ist der Druck eines einzelnen Gases in einem Gasgemisch.
• Die Summe aller Partialdrücke entspricht dem Gesamtdruck der Gasmischung.
• pO2: Arterielles Blut, Normwert: 70-100 mmHg beim Erwachsenen (altersabhängig verändert).
• pCO2: Normwert: 35-45 mmHg, Wert > 70 mmHg.
• Die Konzentration eines gelösten Gases ist proportional zu seinem Partialdruck.

paCO2-Antwortkurve

• Die paCO2-Antwortkurve zeigt einen sehr steilen Anstieg.
• pCO2↑: Starker Atemantrieb, erhöhtes Atemzeitvolumen (AZV).
• Schon geringe Änderungen des pCO2 haben einen deutlichen Einfluss auf die Atmung.
• Ein Anstieg um 1 mmHg steigert die Ventilation um 2-3 l/min.
• paCO2 ist der effektivste Atemantrieb bei Lungengesunden unter Normalbedingungen.

pO2-Antwortkurve

• pO2↓: gesteigertes AZV: pO2↑
• Die Ventilation verändert sich erst bei deutlichen Abweichungen des pO2.
• Bei schweren Lungenerkrankungen oder Aufenthalt in großer Höhe ist ein erniedrigter pO2 der stärkste Atemantrieb.

pH-Antwortkurve

• pH-Wert↓, gesteigertes AZV: pH-Wert↑
• Die gesteigerte Atemarbeit mit vermehrter CO2-Abatmung korrigiert den pH-Wert.

Ventilation

• Ventilation beschreibt die Verteilung der Atemluft auf die verschiedenen Lungenanteile.
• Sie ermöglicht den Gasaustausch im Alveolarraum.
• Parameter der Ventilation: Atemzeitvolumen (Atemminutenvolumen, AMV), das Luftvolumen, das pro Minute ein- und ausgeatmet wird.
• AMV = Atemzugvolumen x Atemfrequenz
• Atemfrequenz = Atemzüge pro Minute
• Beispiel: 500 ml x 12 = 6 l/min in Ruhe, kann bis auf 50 l/min gesteigert werden.

Normale und pathologische Ventilation

• Normwerte und Abweichungen der Atemfrequenz:
  • Normwert: 12-20/min
  • Bradypnoe: < 10/min
  • Tachypnoe: > 20/min
• Normwerte und Abweichungen des Atemzugvolumens:
  • Normwert: ca. 500 ml (6-8 ml/kg Körpergewicht)
  • Hypopnoe
  • Hyperpnoe
• Atermzeitvolumen:
  • Normwert: 7.5L
  • Hypoventilation
  • Hyperventilation
• Atemzeitvolumen (7.5 l/min) = Atemzugvolumen (0.5 l) x Atemfrequenz (15/min)
• Funktioneller Totraum: ca. 150–200 ml
• Totraumventilation (2.25 l/min) = funktioneller Totraum (0.15 l) x Atemfrequenz (15/min)
• Alveoläre Ventilation (5.25 l/min) = Atemzeitvolumen – Totraumventilation

Reflektorische Atemregulation

• Lungendehnungsreflex (Hering-Breuer-Reflex): Lungendehnungsrezeptoren im Bronchialbaum leiten das Ende der Inspiration ein und schützen die Alveolen vor Überdehnung.
• Laryngeale und tracheale Reflexe: Reflektorische Änderung des Atemrhythmus, löst einen Hustenreiz aus und reinigt Trachea und Larynx. -Deflationsreflex (Head Reflex): Beendet bei einer forcierten Ausatmung die Exspiration, initiiert die Inspiration.
• Tauchreflex: Verschließen des Laynx und starke Hemmung der Atmung beim Untertauchen im Wasser.
• Atemsteigerung bei Arbeitsbeginn: Kann noch nicht chemorezeptiv gesteuert werden, wird durch das medulläre kardio-respiratorische Netzwerk angeregt.

Weitere Einflüsse auf die Atemregulation

• Willkürliche Beeinflussung der Atmung, z.B. Atemtherapie, Yoga.
• Emotionen und Schmerzen: Angst und Stress können die Atemfrequenz steigern (psychogene Hyperventilation).
• Temperatur: Fieber erhöht die Atemfrequenz.
• Körperliche Aktivität: Direkte Aktivierung des Atemzentrums durch Motoneurone.
• Medikamente: Opioide senken die Erregbarkeit der Neurone im Atemzentrum, Narkosemittel dämpfen es (maschinelle Beatmung nötig).