Atemarbeit und ihre Bestandteile

Dieses Kapitel ist besonders relevant für Abschnitt F3(ii) des CICM-Lehrplans für die Primarstufe 2017, der von den Prüfungskandidaten erwartet, dass sie in der Lage sind, „die Atemarbeit und ihre Bestandteile zu beschreiben“. Dieses Thema ist in den schriftlichen Arbeiten nicht aufgetaucht, aber die Bedeutung dieses Themas ist so groß, dass wir ziemlich sicher sein können, dass es eines Tages in einer SAQ oder einem Viva vorkommen wird.

Zusammengefasst:

Aus den von Fachleuten überprüften Quellen zu diesem Thema, Cabello & Mancebo (2006) bietet wahrscheinlich den besten kurzen Überblick und ist kostenlos auf ResearchGate erhältlich. Möglicherweise kann man dieses Thema auf der Grundlage dessen, was sie veröffentlicht haben, auswendig lernen und eine SAQ in der Hauptprüfung bestehen. Banner et al. (1994) ist ebenfalls gut, sogar besser, aber leider nicht kostenlos. Aus diesem Artikel würde man mit einem detaillierten Verständnis dieses Themas herausgehen. Darüber hinaus ist eine alte Abhandlung von R.M. Peters (1969) ebenfalls frei verfügbar und wahrscheinlich immer noch relevant, insofern die wissenschaftliche Gemeinschaft ihre Definitionen von „Arbeit“ oder „Atmung“ nicht kürzlich geändert hat.

Definitionen von Arbeit und Atemleistung

Arbeit ist das Produkt aus Kraft und Weg, gemessen in Joule, wobei 1J der Aufwand von einem Joule durch eine Wegstrecke von einem Meter ist. Die einfachste Gleichung für Arbeit lautet:

Arbeit = Kraft × Weg

Aber in der schwammigen biologischen Welt der Atmungsphysiologie sind wir es nicht gewohnt, die Atmungsfunktion in Form von Kraft oder Weg zu beschreiben. Glücklicherweise können wir diese Parameter leicht in Druck und Volumen umwandeln. Die beste Ableitung dafür finden Sie im ersten Teil, die nur minimale Änderungen erfordert:

Arbeit = Kraft × Weg

wobei

Kraft = Druck × Fläche

weil

Druck = Kraft / Fläche

daher

Arbeit = Druck × Fläche × Abstand

Aber

Fläche × Abstand = Volumen

So

Arbeit = Druck × Volumen

Tada.

Bei einem normalen Menschen beträgt die Atemarbeit im Ruhezustand etwa 0,35 J/L, und die Atemleistung beträgt etwa 2,4 J/min. Diese Zahlen stammen aus einer Arbeit von Mancebo et al. (1995), die einige gesunde Freiwillige an ein Gerät zur Messung von Durchfluss und Druck angeschlossen und dann den Druck und das Volumen gemessen haben, die sie bei normaler, ruhiger Atmung erzeugen. Nach einigen alten Daten von Liljestrand (1913) und einigen modernen Übersichten von Zakynthinos & Roussos (1991) hat diese Art der ruhigen Atmung einen Sauerstoffverbrauch von etwa 0,25 bis 0,5 ml O2 pro 1000 ml Atemluft, also etwa 1-2 % des gesamten metabolischen Sauerstoffverbrauchs. Dies deutet darauf hin, dass die Effizienz der normalen Tidalatmung recht hoch ist. Man nimmt an, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass ein großer Teil der für die normale Gezeitenatmung verbrauchten Energie gegen die elastischen Elemente des Atmungssystems gerichtet ist, d. h. dass die kinetische Energie bei der Inspiration in den sich dehnenden Geweben gespeichert und bei der Exspiration zurückgegeben wird.

Das Campbell-Diagramm der Atemarbeit

Dieses Diagramm ist verwirrenderweise nur eines der Campbell-Diagramme, das andere ist ein Diagramm, das die Rotordynamik beschreibt. Das Cambell-Diagramm, auf das im Zusammenhang mit der Atmungsphysiologie Bezug genommen wird, wurde von Edward J. M. Campbell entwickelt, der 1958 ein Buch veröffentlichte, in dem er diese Beziehung beschrieb. Dieses Buch ist natürlich vergriffen, und es scheint keine legale oder illegale Möglichkeit zu geben, es mit dem Budget eines Hobby-Bloggers zu erwerben, was auch gut so ist, denn nach den Rezensionen zu urteilen, war es äußerst schwer zu lesen. Die beste Erklärung für dieses Diagramm stammt eigentlich von Banner et al. (1994). Um es zu verstehen, muss man die verschiedenen Komponenten der Atemarbeit auspacken und sie dann zu einer Beziehung kombinieren. Dem Text nach zu urteilen, wird diese Gruppe von Diagrammen als schematische Darstellung realer Druck- und Volumenbeziehungen angeboten, und obwohl sie realistisch aussehende Zahlen enthalten mag, basiert sie nicht auf spezifischen experimentellen Daten.

Wenn man davon ausgeht, dass Arbeit Druck multipliziert mit Volumen ist, sollte man sie als Fläche in einer Grafik von Druck und Volumen darstellen können. Eine solche Darstellung kann für die Arbeit definiert werden, die erforderlich ist, um das elastische Lungengewebe von FRC bis zu einem hypothetischen normalen Tidalvolumen aufzublasen:

Natürlich muss auch Arbeit geleistet werden, um die Brustwand zu verformen. In diesem Fall will die Brustwand herausspringen und ein größeres Volumen als die FFRC einnehmen, und so wird tatsächlich Arbeit geleistet, um das Volumen der Brustwand auf die FRC zu reduzieren:

So, wenn wir diese Diagramme zusammensetzen, können wir sehen, dass sie sich überschneiden. Die wichtigste Schlussfolgerung daraus ist, dass ein Teil der Arbeit, die zum Aufblasen der Lunge geleistet wird, von der Brustwand erbracht wird, d.h. der elastische Rückstoß des Brustkorbs dient dazu, die Lunge ohne muskuläre Unterstützung aufzublasen:

Dieses kleine blaue Dreieck hier ist also die einzige Arbeit, die zum Aufblasen der Lunge geleistet wird; diese Fläche ist viel kleiner als in der ersten Grafik, weil der Brustkorb den größten Teil der Arbeit leistet.

Neben den elastischen Eigenschaften des Gewebes müssen hier noch weitere Faktoren berücksichtigt werden. Es wird auch Arbeit geleistet, um den Atemwegswiderstand zu überwinden und den Widerstand von störenden Geräten für die Intensivpflege (z. B. Endotrachealtubus und Beatmungsgerät) zu überwinden. Das Diagramm kann um diese Elemente erweitert werden:

Der hinzugefügte linsenförmige Bereich deckt die Arbeit ab, die zur Überwindung des inspiratorischen und exspiratorischen Atemwegswiderstands geleistet wird. Bei der Exspiration muss keine zusätzliche Arbeit verrichtet werden, da der elastische Rückstoß der Lunge einen Teil der gespeicherten Energie zurückgibt. Bei der Inspiration muss zusätzliche Arbeit verrichtet werden, um den Widerstand der Atemwege sowie den Widerstand zusätzlicher künstlicher Atemwege zu überwinden.

Nun haben wir ein Diagramm, das die Komponenten der Atemarbeit beschreibt:

• Elastische Arbeit
  • Arbeit zur Überwindung des elastischen Rückstoßes der Lunge
  • Arbeit zur Überwindung des elastischen Rückstoßes des Brustkorbs (die von der Arbeit zur Überwindung des elastischen Rückstoßes der Lunge subtrahiert wird der Lunge)
• Resistive Arbeit
  • Arbeit zur Überwindung des Gewebewiderstands
    • Widerstand der Brustwand
    • Lungenwiderstand
  • Arbeit zur Überwindung des Atemwegswiderstands, dazu gehören:
    • Atemwegswiderstand
    • Widerstand von Atemwegsvorrichtungen und -kreisläufen

Zusätzliche Komponenten der Widerstandsarbeit sind alle Komponenten des Atemwegswiderstands und umfassen die Inertanz und die Arbeit, die zur Kompression des intrathorakalen Gasvolumens geleistet wird, aber da der Beitrag dieser Elemente lächerlich gering ist, kann man sie in der SAQ-Antwort wahrscheinlich getrost weglassen. Jedenfalls tauchen sie in keinem der College-Kommentare für die Fragen zum Widerstand auf.

Mit Hilfe dieser Grafiken könnte man verschiedene Formen mechanischer Lungenprobleme darstellen. Realistischerweise würde sich dies immer nur auf die Darstellung von Szenarien beschränken, in denen ein erhöhter Atemwegswiderstand oder eine verringerte Lungencompliance vorliegt. Diese werden auch von Banner et al. (1994) dargestellt, und ihre modifizierten Versionen werden im Folgenden angeboten.

Das folgende Diagramm zeigt ein Muster eines erhöhten Atemwegswiderstandes, wie man es bei einem Asthmapatienten sehen könnte. Beachten Sie den erhöhten Beitrag des Atemwegswiderstands, einschließlich der zusätzlichen Arbeit, die zur Überwindung des exspiratorischen Luftstromwiderstands geleistet wird:

Das folgende Diagramm zeigt die Atemarbeit bei verminderter Lungencompliance.

Um das gleiche Tidalvolumen zu erreichen, muss eine viel größere Arbeit geleistet werden, um den erhöhten elastischen Rückstoß der Lungen zu überwinden, während der Beitrag der Brustwand gleich bleibt. Zusätzlich kann man feststellen, dass der FRC abnimmt. Dies ist auf den erhöhten elastischen Rückstoßdruck der Lunge zurückzuführen; das FRC-Volumen ist am Ende niedriger, weil dort der Rückstoß der Brustwand und der elastische Rückstoß der Lunge ihr neues Gleichgewicht finden.

Zuletzt wollen wir sehen, was passiert, wenn die Brustwand mehr Widerstand leistet:

Diesmal wird die erhöhte Arbeit geleistet, um das Brustvolumen zu vergrößern, wiederum der Widerstand des Brustwandgewebes, z. B. eine Umfangsverbrennung. Auch hier verringert sich der FRC, weil das Gleichgewicht zwischen dem elastischen Druck der Brustwand und der Lunge bei einem geringeren Volumen eintritt.